(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンのためのターボチャージャーであって、
内孔（Ｂ）を画定するケーシング（５）と、
該内孔内に収容された軸受（２）と、
該内孔内で回転するように該軸受に装着されたインペラ軸（１）と、
前記内孔内に前記軸受に近接して配置されており、前記軸に形成された円周方向の凹部（１７）内へ半径方向に突入した浮動リングシール（１４）とから成り、
前記リングシール（１４）は、使用中、該シールリングを一軸方向に前記内孔（Ｂ）に沿って摺動するように押圧して前記凹部（１７）の一側面（９）に圧接させ該一側面との間に密封界面を形成させる該リングシールの前後間の圧力差を受けるようになされており、該リングシール（１４）が該凹部（１７）の前記一側面（９）に圧接した状態で該一側面との間で相対回転することにより生じた摩耗に起因する該リングシール（１４）の過度の前記一軸方向の摺動を制限するために前記内孔（Ｂ）の壁に肩部（１３）が設けられており、
該リングシールの密封性能を高め、かつ、摩耗速度を抑制するために、該リングシールに少くとも１つの内向きに開口した環状溝（１５）が設けられているとともに、前記凹部（１７）の壁に該環状溝に受容される円周方向のリブ（１８）が設けられており、該環状溝の一側面は、前記圧力差を受けて該対応するリブの一側面との間に密封界面を形成するようになされていることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項２】
前記凹部が設けられている前記軸は、インペラ（３）の中心ハブ（８）を構成することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項３】
前記リングシールは、複数の内向きに開口した環状溝を有し、前記凹部の壁にはそれに対応して複数の円周方向のリブが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャー。
【請求項４】
前記リングシールは、２つの環状溝を備えていることを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャー。
【請求項５】
前記リングシールは、該リングシールの全幅の半分に亘って延長し、次いで短い長さに亘って円周方向に延長した後、該リングシールの全幅の残りの半分に亘って延長するドッグレッグの形を有する割り面によって分割されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボチャージャーを装備した内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、内燃エンジンのための排気ガス駆動（エンジンの排気ガスによって駆動される）ターボチャージャーに関する。
【０００２】
【発明の背景】
内燃エンジンのためのターボチャージャーは、一般に、エンジンの排気ガスによって駆動されるタービンセクション（以下、単に「タービン」とも称する）と、タービンによって駆動される給気口コンプレッサ（以下、単に「コンプレッサ」とも称する）とから成る。このタービンセクションとコンプレッサセクションとは、コンプレッサをタービンによって直接駆動することができるように共通の軸に固定することができ、軸の軸受は、エンジン油溜めからの潤滑油で潤滑することができる。
【０００３】
このような構成では、コンプレッサセクションの渦形室から軸受を通してエンジン油溜め内へ空気漏れ（「ガス漏れ」と称される）が生じるおそれがあることは周知である。油溜め内への空気漏れがあると、油溜めを加圧することになり、その結果としてエンジンに悪影響を及ぼす。又、大型の工業用エンジンの場合は、エンジンの始動前にターボチャージャー軸の軸受に潤滑油（以下、単に「油」と称する）を注入するのが普通である。軸受のための油密封が不十分であると、油がコンプレッサのインペラの後面上へ漏入することがある。インペラが回転し始めると、コンプレッサ内へ漏入した油がインペラの半径方向外方へ振り飛ばされてコンプレッサの空気と混合し、それによってエンジンの燃焼室に侵入し、やはりエンジンに悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００４】
この問題を解決する試みとして、軸受をコンプレッサの渦形室から隔離するためにピストンリングの態様の環状の金属シールが提案されている。このリングシールは、コンプレッサの軸を囲繞するケーシングの内孔にすべり嵌合又は「浮動」嵌合し、コンプレッサのインペラのハブに形成された溝内へ突入して溝の壁との間に密封界面を形成する。
【０００５】
この構成は比較的小型のターボチャージャーにおいては許容しうるものであるが、ブースト圧力が高い大型ターボチャージャーに用いるには満足なものではない。大型ターボチャージャーではガス漏れ圧力がリングシールをケーシングの内孔内で軸受の方に向けて軸方向に押し込み、その結果、リングシールをその位置決め溝の側面に圧接させる。これは良好な密封を設定するのには望ましいが、時間の経過とともにリングシールを摩耗させ、その結果としてリングシールがケーシングの内孔内の肩部に当接しそれ以上の軸方向の移動を制限される。この時点で、溝の側面に圧接しているリングシールの側面が更に摩耗すると、リングシールと溝の側面との間に間隙を形成し、シールの有効性を減退させてしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、上述した空気漏れを防止するための改良されたシールを備えたターボチャージャーを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
上記課題を解決するために、本発明は、内燃エンジンのためのターボチャージャーであって、
内孔を画定するケーシングと、
該内孔内に収容された軸受と、
該内孔内で回転するように該軸受に装着されたインペラ軸と、
前記内孔内に前記軸受に近接して配置されており、前記軸に形成された円周方向の凹部内へ半径方向に突入した浮動リングシールとから成り、
前記リングシールは、使用中、該シールリングを一軸方向に前記内孔に沿って摺動するように押圧して前記凹部（１７）の一側面（９）に圧接させ該一側面との間に密封界面を形成させる該リングシールの前後間の圧力差を受けるようになされており、該リングシールが該凹部の前記一側面に圧接した状態で該一側面との間で相対回転することにより生じた摩耗に起因する該リングシールの過度の前記一軸方向の摺動を制限するために前記内孔の壁に肩部が設けられており、
該リングシールの密封性能を高め、かつ、摩耗速度を抑制するために、該リングシールに少くとも１つの内向きに開口した環状溝が設けられているとともに、前記凹部の壁に該環状溝に受容される円周方向のリブが設けられており、該環状溝の一側面は、前記圧力差を受けて該対応するリブの一側面との間に密封界面を形成するようになされていることを特徴とするターボチャージャーを提供する。
【０００８】
リングシールの側面が摩耗するにつれて、リングシールは軸受の方に向かって移動するが、その摩耗は環状溝の側面によって分担されるので、摩耗が生じる速度が遅くされる。従来技術に比べて、リングシールと凹部の側面との間の界面と直列の関係で１つ以上の余分の密封界面を設けることにより、各個々の界面は、リングシールの前後間の総圧力差のうちの一部分を受け止めるだけでよいことになるので、所与の総圧力降下（即ち、圧力差）に対して単一の密封界面を設けた場合ほど大きな密封機能を有する必要はない。時間の経過とともに、リングシールの摩耗が継続し、最終的にはリングシールは内孔内の肩部に接触する。すると、溝とリブとの間の密封界面とリングシールと凹部との間の密封界面に等しく小さい間隙が生じる。しかしながら、これらの密封界面（以下、単に「界面」とも称する）の組み合わせは、ガス漏れ経路を蛇行経路とすることと、前記間隙内に油を存在させるので、リングシールと凹部との間だけに設けられた単独の密封界面より優れた密封効果を発揮する。
【０００９】
前記凹部が設けられている前記軸が、コンプレッサのインペラの中心ハブを構成するものとすることができる。
【００１０】
前記リングシールは、複数の内向きに開口した環状溝を有することが好ましく、前記凹部の壁にはそれに対応して複数の円周方向のリブを設けることが好ましい。例えば、２つの環状溝を設け、それらに受容される２つの円周方向リブを設けることができる。リングシールは、例えば鋳鉄等の金属で形成することができ、前記軸は、スチール、好ましくはニトロ−カーボン化スチール製であることが好ましい。変型実施形態においては、リングシールをプラスチック材で形成する。
【００１１】
リングシールを軸上に嵌合させるのを容易にするために、リングシールをエンジンのピストンリングのように割りリングとすることが好都合である。例えば、割り面は、リングの全幅の半分に亘って延長し、次いで短い長さに亘って円周方向に延長した後、リングの全幅の残りの半分に亘って延長するドッグレッグの形とすることができる。
【００１２】
本発明のターボチャージャーに用いられる空気／油シールは、両方向の良好な密封機能を在来のリングシールに比べてはるかに長期間維持することによってターボチャージャーの有効寿命を延長させる。しかも、リングシールの構造が簡単であるため、ターボチャージャーの製造コストをほとんど増大させない。
【００１３】
本発明は、又、本発明によるターボチャージャーを装備した内燃エンジンを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１及び２に示される従来技術のターボチャージャーにおいては、コンプレッサのインペラ軸（以下、単に「軸」と称する）１が軸受２によって担持され、軸１の一端に、半径方向のブレード４を備えたコンプレッサインペラ（以下、単に「インペラ」と称する）３がその中心ハブ８を介して取り付けられている。軸１の他端には、コンプレッサを駆動する排気ガス駆動タービン（図示せず）が担持されている。ターボチャージャーは、外側ケーシング５を有しており、そのケーシング内にターボチャージャーの各構成部品が取り付けられている。ケーシング５は、圧縮空気を通す渦形室６を画定するように形成されており、圧縮空気は、この渦形室６からターボチャージャーが接続されている内燃エンジンの吸気マニホールドに供給される。軸受２は、図２にみられるように、インペラ３のハブ８とケーシング５の内孔Ｂの壁の間に配置されたシール７によって渦形室６内の空気の圧力から隔離される。
【００１５】
シール７は、内孔Ｂ内に座着され、内孔からハブ８の周りに形成された周溝（円周方向の溝）１０内に突入した浮動リングシール１１から成る。先に述べた漏出空気圧が、リングシール１１を溝１０内でハブ８及び内孔Ｂの軸方向に軸受２の方に向けて摺動させ、初期においては溝１０の右側側面９に座置させる。それによってリングシール１１の側面１２が溝１０の右側側面９に圧接し、実質的に空気密及び油密密封界面を形成する。
【００１６】
リングシール１１と側面９との間には相対回転が生じるので、リングシール１１に摩耗が生じる。ケーシングの内孔Ｂの壁に形成された当接肩部１３は、摩耗が生じるにつれて軸受２の方に向かって変位するリングシール１１の軸方向の移動量を制限するストッパーを構成するように溝１０の側面９から所定距離離隔されている。限度にまで摩耗したときのリングシール１１の位置及び形状は、図２に破線で示されている。図から分かるように、リングシール１１と回転するハブ８との間に更なる（上記限度を超えての）摩耗が生じると、溝１０の側面９とリングシール１１の側面１２の間のクリアランス（間隙）が増大し、その結果として空気密密封の効果が減少する。更に、エンジンの始動時では、特に潤滑油の圧力がリングシール１１を軸受２から離れる方向に変位させる作用をする場合、油がその圧力によってコンプレッサの方へ漏入することがある。
【００１７】
図３及び４は、本発明のターボチャージャーに用いられるシールを示す。このリングシール１４は、その内側面に円周方向に形成された環状溝１５を有する。図には２つの互いに離隔した溝１５が示されているが、溝の数は増やしてもよく、あるいは１つであってもよい。ハブ８に形成された凹部１７の壁には、リングシール１４に対するハブ８の自由な回転を可能にするような態様でそれぞれの対応する溝１５内に受容されるように寸法づけされた２つの円周方向のリブ１８が形成されている。リングシール１４は、新しい、摩耗していない状態では図３に示される示される位置にあり、その一側面１６は凹部１７の一側面に当接し、図２に示された従来技術の構成の場合と同じ態様で凹部１７の該一側面側面との間に密封界面を形成する。しかしながら、先に述べたように、溝１５とリブ１８との間に形成される蛇行又はラビリンス経路が、エンジンの始動時の油密封作用を高める。
【００１８】
使用においてリングシール１４の一側面１６が摩耗するにつれて、図１及び２を参照して上述したように、軸受の方に向かって軸方向に移動する。しかしながら、本発明の構成では、溝１５内にリブ１８が嵌合しているので、摩耗は、従来技術におけるようにリングシール１４の一側面１６だけには集中されず、溝１５の一側面にも分担されるので、摩耗が生じる速度が遅くされる。更に、溝１５及びリブ１８の軸方向の寸法が適当な公差をもって規定されている限り、リブの一側面と溝の一側面とは互いに緊密な密封接触をする。
【００１９】
リングシール１４の溝１５は引き続き摩耗し、最終的にはリングシール１４は図４に示されるように内孔内の肩部１３に接触し、溝１５とリブ１８の隣接する一側面との間に等しく小さい間隙が生じる。しかしながら、本発明によれば、２つ以上の密封界面（リングシールの側面１６と凹部１７の側面９との間の界面と、それと直列の関係をなす、溝１５とリブ１８の間の１つ以上の密封界面）を設けたことにより、各個々の界面は、リングシールの前後間の総圧力差のうちの一部分を受け止めるだけでよいことになるので、所与の総圧力降下（即ち、圧力差）に対して単一の密封界面を設けた場合ほど大きな密封機能を有する必要はない。しかしながら、又、それらの小さい間隙内に存在する油のメニスカス作用が、エンジンの始動時に軸の軸受領域からコンプレッサ内への油の漏入流に抵抗する働きをする。かくして、本発明のターボチャージャーに用いられるシールは、一方向への（コンプレッサ内から外部への）空気の漏出と、逆方向の（軸受領域からコンプレッサ内への）油の漏入の両方を効果的に制御することができる。
【００２０】
リングシール１４を軸１上に嵌合させるのを容易にするために、リングシールをエンジンのピストンリングのように割りリングとすることが好都合である。図５に示されるように、割り面Ｓは、リングシール１４の全幅の半分に亘って延長し、次いで短い長さに亘って円周方向に延長した後、リングシールの全幅の残りの半分に亘って延長するドッグレッグの形とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来技術による浮動リングシールを有するターボチャージャーの一部分の一部断面による概略図である。
【図２】図２は、図１に示されたターボチャージャーのリングシールの拡大断面図である。
【図３】図３は、図２に対応する図であるが、新しく装着されたばかりの本発明の一実施形態によるリングシールを示す。
【図４】図４は、図３と同様の図であるが、リングシールが摩耗した後の状態を示す。
【図５】図５は、図４のリングシールを矢印Ｗの方向にみた部分図である。
【符号の説明】
１  軸
２  軸受
３  インペラ
５  ケーシング
８  中心ハブ
９  側面
１３  肩部
１４  リングシール
１５  環状溝
１６  側面
１７  凹部
１８  リブ
Ｂ  内孔
Ｓ  割り面
【図１】
0004524050.tif 000002
【図２】
0004524050.tif 000003
【図３】
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【図４】
0004524050.tif 000005
【図５】
0004524050.tif 000006