CN103282621B - 用于致动轴的弹簧偏置的密封结构和方法 - Google Patents

Abstract

通过增加在轴向上由弹簧偏置的一对密封圈来使围绕一个轴的气体和碳烟泄漏倾向最小化以便提供连续的气体和碳烟的密封，该轴延伸穿过一个连接了具有不同压力的多个体积（例如一个涡轮增压器壳体和周围空气）的孔。该弹簧可以对这些密封圈进行偏置使其彼此分开或朝向彼此。

Description

用于致动轴的弹簧偏置的密封结构和方法

发明领域

本发明着手解决了对于一种用于穿过涡轮机壳体的壁的涡轮增压器轴的改善的轴密封设计的需要。

发明背景

涡轮增压器是一种强制型进气系统。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。一个较小的涡轮增压发动机取代一个较大物理尺寸的正常吸气的发动机，这将减小质量并且可以减小车辆的空气动力学的前端面积。

涡轮增压器利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动一个位于该涡轮机壳体（2）内的一个涡轮机叶轮（21）。一旦该排气已经通过该涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取能量，则用过的排气从该涡轮机壳体排出并且被输送到车辆下行管并且通常输送到后处理装置，如催化转化器、微粒收集器和NO_x收集器。

在一个有废气门的涡轮增压器中，涡轮机蜗壳是通过一个旁通管道而被流体地连接到涡轮机出口导流器上。通过该旁通管道的流动是由一个废气门阀（61）来控制的。因为该旁通管道的入口是在该蜗壳的入口侧上、在该涡轮机叶轮的上游，并且该旁通管道的出口是在该蜗壳的出口导流器侧上、在该涡轮机叶轮的下游，所以通过该旁通管道的流动在旁通模式时绕过涡轮机叶轮，因而不会对涡轮机叶轮提供动力。为了操作该废气门，必须将一个致动力或控制力从涡轮机壳体外部、经过该涡轮机壳体而传输到该涡轮机壳体内的废气门阀上。一个废气门枢转轴延伸穿过该涡轮机壳体。在涡轮机壳体外，一个致动器（73）通过一个拉杆（74）而被连接到一个废气门臂（62）上，并且废气门臂（62）被连接到废气门枢转轴（63）上。在涡轮机壳体内，枢转轴（63）被连接到废气门阀（61）上。来自该致动器的致动力转化成枢转轴（63）的转动，从而移动该涡轮机壳体内的废气门阀（61）。该废气门枢转轴在一个圆柱形衬套（68）中转动、或直接与该涡轮机壳体接触。因为在该轴与该轴位于其中的衬套的孔之间存在一个环形间隙，来自这个加压的涡轮机壳体的热的有毒排气和碳烟有可能从这个间隙逸出。

涡轮机壳体会经受很大的温度通量。该涡轮机壳体的外侧面对环境空气温度，而这些蜗壳表面接触的排气则取决于在发动机中所使用的燃料而在范围740°C至1050°C内。有必要的是，通过上述的这些转化运动使得该致动器能够以一种精确的、可重复的、无干扰的方式控制该废气门以便由此控制到该涡轮机叶轮的流动。

VTG不仅被用于控制排气到该涡轮机叶轮的流动，并且还用于用于控制对抗一个压力梯度、驱动EGR排气进入该压缩机系统中以重新进入燃烧室中所需要的涡轮机背压。在该涡轮机系统内的背压可以在高达500kPa的区域内。在该涡轮级内的这个高压可以导致排气通过任何孔或空隙而逸出到大气中。排气穿过这些孔的流通经常伴随着在气体逸出路径的出口侧的黑色的碳烟残余物。从美学角度来看这种碳烟沉积物是不希望的，并且包含CO、CO₂、以及其他有毒化学物的所述排气的逸出会对车辆乘车者的健康造成危害。这使得排气泄露在诸如救护车和公交车的车辆中成为一个特别敏感的问题。从排放物的观点来看，这些从该涡轮级中逸出的气体没有被该发动机/车辆的后处理系统捕获和处理。

通常，气体和碳烟通过由一个在圆柱形孔内进行旋转的轴而形成的环形体的某些泄漏是容许的，这是因为衬套的这些端面经常与该阀臂的内侧凸缘相接触或者与该废气门控制机构的驱动臂的外侧凸缘或外侧表面相接触，从而在一些时候阻止了泄漏。

密封装置（如密封圈，有时也称作活塞环）通常被使用在一个涡轮增压器内以便在静态轴承壳体与动态旋转组件（即，涡轮机叶轮、压缩机叶轮和轴）之间建立密封以来控制油和气体从该轴承壳体到压缩机级和涡轮机级的流通，并且反之亦然。至少从1954年起，当第一次大规模生产涡轮增压器时，博格华纳公司（BorgWarner）就已经将用于此目的的密封圈投入了生产。对于带有一个19mm直径的密封圈凸台的轴而言，以150,000RPM转动，在密封圈侧壁与密封圈槽的侧壁之间的相对摩擦速度大约是149,225mm/sec。

如上述所使用的密封圈的变体有时被用作一个用于相对缓慢转动的轴（与涡轮增压器转动组件密封件150,000RPM相比）的密封器件。这些缓慢转动的轴以大约15RPM的转速运动，这相当于7mm/sec至8mm/sec的相对摩擦速度。

如涡轮增压器中使用的密封圈通过使密封圈的侧壁的部分接触抵靠密封圈槽的一个侧壁并使密封圈的外径接触抵靠该轴所在的孔的内径来建立一个密封。为使该密封圈能够被组装到该轴上，并且然后将该轴和密封圈组装到一个孔中，密封圈槽的深度必须使密封圈能够在外径上压缩（并且因此在有效的圆周和内径上压缩）从而该密封圈的外径可以近似地采取该密封圈在其中操作的孔的内径。图2A描绘了处于自然膨胀状态下的一个密封圈（80），虽然通过强制膨胀该密封圈以超过轴（63）的直径而被组装到该轴上并且然后允许密封圈轻松进入该槽中。当已经在其上组装该密封圈的轴被推入衬套（68）的孔中时，一个倒角（69）压缩该密封圈直到该密封圈的外径可以在该衬套的内径（70）中滑动。这个已经压缩的密封圈在该轴的任一轴向位置对该衬套的内径进行密封。

在这种情况下，如图3所描绘，密封圈（80）可以在轴向上处于该密封圈槽约束范围内的任一轴向位置，这个密封圈槽被限定为：轴（86）的外径的这些径向元件与该密封圈槽的底面（82）的直径之间的体积；以及该密封圈槽的内壁（83）与外壁（81）之间的距离。通过对该密封圈槽的这种限定，可以看出的是在该密封圈下总存在一个体积，即在这个压缩的活塞环的内径（84）与密封圈槽的底面（82）的直径之间。还可以在该密封圈槽的内壁（83）与该密封圈的邻近壁之间存在一个体积。在该密封圈槽的相对一侧，还可以在该密封圈槽的外壁（81）与该密封圈的邻近壁之间存在一个体积。图3描绘了密封圈（80）在某种程度上在该密封圈槽的内壁与外壁（83与81）之间定中心的一个情况，因而允许围绕该密封圈的气体和碳烟（86）通过。由于该密封圈的轴向位置是由在该衬套中的孔的内径与该密封圈之间的摩擦来控制的，并且该密封圈只是通过与一个槽的一个侧壁的任何接触来移动的，一个近乎完全的密封状态只有在该密封圈的侧壁与一个密封圈槽侧壁直接接触时才存在。在任何其他轴向状态下，图3所描绘的泄漏通道都会存在。

已知多种不同的密封圈安排，每种安排以一种稍微不同的方式进行操作。在图3所示的一个单一密封圈的情况下，流体（例如，排气）将从较高的压力处流动到较低的压力处。一个显著的压降会跨过该密封圈发生。为改善密封的有效性，已知的是按顺序使用两个或更多此类密封圈的，通常每个密封圈位于其自身的槽中。在这样一种情况下，当压力在一个方向上运动跨过这些密封件时，跨过每个密封圈会存在一个压降，并且这个效果是累积的。除此类“被动”密封件之外，还已知多种“主动”密封件。这些密封件将一个很小水平的压力或真空引入至两个密封圈之间的空间中，由此中断了排气跨过这些顺序密封件的流动。然而，此种“主动密封件”系统需要多个孔和/或管系来将这两个密封环之间的空间与一个压力源或真空源相连接。此外，只是使用了为实现所希望的“流动中断”效果所必需的很小压力或真空。排气流过这些单独的密封环的问题并没有通过这个系统而被着手解决或解决。

将有利的是获得一种与已知系统相比改善的密封系统。还将有利的是在不需要对涡轮增压器进行大量修改的情况下能够以一个改善的密封系统来改装涡轮增压器。

因此可以看出对于能够产生用于涡轮增压器中的例如废气门和VTG枢转轴的、完全的气体密封的设计存在一种需要。

发明概述

本发明通过将弹簧装置结合在用于涡轮增压器中的制动器轴的密封装置之中而解决了以上问题，该弹簧装置迫使多个密封圈进行密封接触以便在内部的以排气和碳烟加压的一个室与外部环境之间提供一个连续的气体和碳烟密封。

本发明在广义上是通过一种带有位于其外部的、用于对涡轮机壳体中的一个器件进行致动的一个致动机构的涡轮增压器而实现的，该涡轮增压器包括一个轴，该轴被可转动地安装在延伸穿过该涡轮机壳体的一个孔中，用于将来自该致动机构的一个致动运动传输到该器件上，其中，所述轴和所述孔的至少一个与具有第一轴向端和第二轴向端的一个圆周空间相关联，其中，至少两个总体上环形的密封构件位于所述空间之中，并且其中，一个机械弹簧装置在轴向上对这两个密封构件进行弹簧偏置。

本发明还通过一种用于在位于一个壳体外的一个致动机构与该壳体中的一个器件之间形成密封的方法来实现，其中该壳体内的压力与该壳体外的压力不同，其中，一个轴被可转动地安装在一个孔中，其中该孔延伸穿过该壳体，其中该轴被连接到该壳体外的这个致动机构上并且被连接到该壳体内的这个器件上以用于将来自该致动机构的一个致动运动传输到该器件，该方法包括按任何顺序的以下程序：

（a）在所述轴或孔中形成一个轴向支座；

（b）将至少两个密封圈以及用于在轴向上对所述密封圈进行偏置的一个机械弹簧引导至所述轴上或者引导至所述孔中；

（c）在所述轴上或所述孔中安排一个隔离件使得所述密封圈和机械弹簧位于所述支座与所述隔离件之间；

（d）将所述轴引导至所述孔中；并且

（e）将该轴连接到该壳体外的这个致动机构上并且连接到该壳体内的这个器件上以用于将来自该致动机构的一个致动运动传输到该器件。

附图的简要说明

本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：

图1描绘了用于一个典型的废气门涡轮增压器的一个截面；

图2A、图2B描绘了示出密封圈压缩过程的两个截面；

图3描绘了示出气体泄漏通道的一个截面视图；

图4描绘了在一个废气门构形中的本发明的密封件的一个截面视图；

图5描绘了图4的一个放大的截面视图；

图6描绘了本发明的第二实施例的一个视图；并且

图7描绘了本发明的第三实施例的一个视图。

发明详细说明

气体和碳烟从涡轮增压器中泄露到包围涡轮增压器的周围清洁空气中是发动机制造商所不允许的。自从1950年第一次大规模生产柴油发动机中的涡轮增压器，涡轮增压器制造商一直在使用活塞环、或密封圈来密封气体和油以防在轴承壳体腔与涡轮机级以及压缩机级之一或二者之间联通。因而这种密封件的设计和应用对于涡轮增压器上要求不高的位置上的任何气体或物质的密封都是合理的。

穿过如图2和图3所描绘的一个典型的组装好的密封圈的一个截面、从垂直于该密封圈组装在其上的轴的轴线的方向观察具有一个窄的矩形横截面，该横截面被部分地设置在该轴的一个环形槽中，或在该轴在其中转动的孔中，其中，这两种方法均在该轴与它的孔之间提供了一定水平的密封。轴向上，该密封圈优选是被定位成朝向该密封圈槽的多个侧壁之一。该槽典型地具有矩形的截面，其中该槽的径向深度与该密封圈的相对应侧的长度相比要大。在该密封圈槽处于该孔中的情况下，这样允许通过该密封圈的膨胀而将该密封圈组装在该密封圈槽中，从而允许这个配合轴穿过部件的孔。在该密封圈槽处于该轴中的情况下，这样允许通过该密封圈的收缩而将该密封圈组装在该密封圈槽中，从而允许这个配合轴和这个收缩的密封圈穿过该部件的孔直到该密封圈被允许在其组装好的构形中发生膨胀，如图2A和图2B中所描绘的。该矩形槽的宽度理想地接近于该密封圈的宽度以提供最佳密封。通常，该槽与密封圈的宽度越接近，密封能力就越好，但该密封圈就越倾向于卡在该槽中。

该密封圈的设计是使该密封圈静止时放松的形状的近似直径与该密封圈被组装到其中的孔（70）的直径相比要大，所以在组装好的状态下，这个收缩的密封圈的弹簧力迫使该密封圈的部分圆周的面向外的表面抵靠该密封圈位于其中的孔的面向内的表面上。当然，在一个可替代的实施例中该槽还可以位于该孔的面向内的表面中，此时该密封圈具有一个收缩的弹簧力而不是膨胀的弹簧力。

由于恶劣的热学和化学环境，该枢转轴通常不是被直接装配到位于涡轮机壳体本身内的一个孔中，而是更多时候被装配到一个固定衬套或轴承（68）的一个孔上，该固定衬套或轴承进而位于该涡轮机壳体（2）内的一个孔中。这是为了更好地匹配热膨胀系数（保持紧密间隙）和抑制在该枢转轴的材料与该涡轮机壳体的材料之间的严重的擦伤的可能性。该衬套通常被一个销（59）轴向地约束，该销穿过了与该衬套的轴线垂直的一个孔，从而穿过了衬套的外径以及该涡轮机壳体的孔，因此将该衬套约束在涡轮机壳体中。

在一个创造性的构形中，使用多个密封圈，每个密封圈被安装在其密封圈槽中、在一个废气门或VTG枢转轴上，诸位发明人开发了一种使用至少两个密封圈的设计，弹簧的每一侧具有一个密封圈，每个密封圈因此具有邻近该弹簧的一个侧面和远离该弹簧的一个侧面，在这种设计中这些密封圈由于该弹簧而在轴向上被强制分开以便在每个密封圈上的一个环形的远端侧面与每个约束支座上的一个环形的接触侧面之间产生直接接触。

在本发明的第一实施例中，如图4所描绘并在图5中以一个放大视图呈现，两个密封圈（80）被安置成围绕一个可转动的枢转轴（63），并且在轴向上一方面由在该轴上的一个环形支座（66）定位，而另一方面由一个隔离件（72）的邻近的环形端面（64）定位。隔离件（72）在径向上由该隔离件装配到其上的轴定位并且在轴向上由隔离件（72）的环形的远端面（73）与废气门控制臂（62）的互补面（67）的界面来约束。该废气门控制臂通常借助镦锻或焊接（60）而被机械地或用化学方法/用冶金方法而固定到该枢转轴上。一个压缩弹簧（30）被安置在这两个密封圈（80）之间，这样使得该压缩弹簧迫使这两个密封圈分开。该弹簧可以具有任何设计，如筛网或波纹弹簧或贝氏弹簧垫圈，并且可以包括一个或多个弹簧，而如果是多个弹簧的话，这些弹簧可以是“叠放的”或者可以被安排成围绕环形体。在本领域的普通技术人员的能力范围内完全可以用其他弹簧装置来代替所展示的螺旋弹簧。该弹簧的弹簧力可以是宽泛选定的，但已发现大约10N的压缩力可满意地工作。

在这些密封圈之间施加的弹簧力迫使这些密封圈在轴向上分开直到这些密封圈（80）的面向外的表面与轴（63）的支座（66）的这些互补的环形表面以及隔离件（72）的末端或支座（64）发生接触，同时在圆周上与衬套（68）的孔（70）的面向内的表面相接触，因此围绕该枢转轴以及该枢转轴被安装在其中的孔提供了气体和碳烟的密封。这种本发明的密封提供了在涡轮增压器的内侧与该涡轮增压器的外部环境之间的气体与碳烟的密封。

在本发明的一个第二实施例中，如图6所描绘，多个密封圈（80和80a）被安置成以交替的基于内径和基于外径的次序围绕一个可转动的枢转轴（63）。对于一个基于内径的密封圈而言，在压缩的状态下，该密封圈的内径接近该轴的外径，并且在该密封圈的外部圆周表面与该密封圈所装配到的孔的内径之间存在一个体积。对于一个基于外径的密封圈而言，在压缩的状态下，该密封圈的外径接近该密封圈装配到其上的孔的内径，并且在该密封圈的内部圆周表面与该密封圈所装配围绕的轴之间存在一个体积。

一个弹簧（30）对枢转轴（63）中的一个支座（66）上的这些叠放的密封圈（80）提供了一个轴向压缩力。该弹簧在这些叠放的密封圈与这个支座上的反作用力是由一个隔离件（72）的一个邻近的端面（64）限制的。如在本发明的其他实施例中，该隔离件的远端的位置由废气门控制臂（62）的下部表面（67）控制，废气门控制臂通过焊接或镦锻（60）而被机械地固定到该枢转轴上。多个隔离件（32）可以被加装在这些单独的密封圈之间以及被加装在这个密封圈堆叠与该弹簧之间。

在本发明的一个第三实施例中，如图7所描绘，该多个密封圈被预组装到一个保持器（35）上以便使装配非常小的部件变得容易，而这些非常小的部件是难以识别是否被正确地组装。在涡轮增压器的组装点处，该保持器完全通过当前已知为“密封组件”的多个密封圈和弹簧而被组装到涡轮增压器上。

保持器（35）具有一个总体上圆柱形的孔（36），该孔在径向上将该保持器定位在枢转轴（63）的一个总体上圆柱形的直径（37）上。在枢转轴（63）上的一个支座（38）提供了一个下部轴向位置并且对于该保持器的在轴向上向外且面向下的环形端面提供了密封。通过与本发明的第一实施例的隔离件（72）与废气门臂（62）的上部界面相类似的方式，保持器（35）的上部面在轴向上由保持器（35）的环形远端面与废气门控制臂（62）的互补面（67）的界面来限制。

在这些密封圈之间施加的弹簧力迫使这些密封圈在轴向上分开直到这些密封圈（80）的面向外的表面与保持器（35）的支座（66）的这些互补的面向内的环形密封表面以及保持器（35）的向内且面向下（如图5所示）的环形支座（64）相接触。

这个“密封组件”通过对这些放松的密封圈进行压缩而被装配到该涡轮增压器的衬套（68）中的孔上，如此这些密封圈装配到衬套（68）的孔（70）中而然后该保持器被装配到该枢转轴上的轴向支座（38）上。现在这两个密封圈与衬套（68）的孔（70）的面向内的表面是圆周接触的，因而提供了围绕该枢转轴与该枢转轴安装到其中的孔的气体和碳烟的密封。

这种本发明的密封提供了在涡轮增压器的内侧与该涡轮增压器的外部环境之间的一个恒定的、可靠的气体和碳烟的密封。

在对于本发明的第一实施例和第三实施例的一个变体中，在多个单一的密封圈的位置可以装配多个密封圈以减少磨损。

既然已经说明了本发明，我们提出了权利要求。

Claims (19)

1.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器带有位于所述涡轮增压器外部的、用于对涡轮机壳体中的一个器件进行致动的一个致动器（73），该涡轮增压器包括一个枢转轴（63），该枢转轴被可转动地安装在延伸穿过该涡轮机壳体的一个孔中，用于将来自该致动器的一个致动运动传输到该器件上，其中，所述枢转轴和所述孔中的至少一个与具有第一轴向端和第二轴向端的一个在轴向上长形的圆周空间相关联，其中，至少两个总体上环形的密封构件（80）位于所述空间之中，其中，一个机械弹簧装置（30）在轴向上被提供到弹簧偏置的两个密封构件上，并且其中所述至少两个总体上环形的密封构件（80）中的每一个提供既沿轴向上面向的表面又沿径向上面向的表面的密封。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述空间是一个槽，该槽在轴向上在一端由一个环形支座（66）限定并且在另一端由一个隔离件（72）的一个环形端面（64）限定。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该弹簧装置对至少两个密封构件在相反的方向上进行偏置。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该弹簧装置对至少第一密封构件和第二密封构件在相同方向上进行偏置，并且其中，所述第一密封构件具有与所述第二密封构件的一个相异的外径和一个相异的内径。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，这些密封构件是密封圈。

6.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，该枢转轴被安装在该涡轮机壳体的一个孔中。

7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，该槽被限定在该涡轮机壳体的这个孔中。

8.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，该槽被限定在该枢转轴中。

9.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，该枢转轴被安装在延伸穿过该涡轮机壳体的一个衬套中的一个孔中。

10.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中，该槽被提供在该衬套中的这个孔中。

11.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中，该槽被提供在该枢转轴中。

12.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该器件是一个废气门，而且该枢转轴是废气门枢转轴（63），其中，该致动器（73）通过一个拉杆（74）而被连接到一个废气门臂（62）上，并且该废气门臂（62）被连接到废气门枢转轴（63）上，并且其中，该废气门枢转轴延伸穿过该涡轮机壳体并且被连接到废气门阀（61）上。

13.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该器件是一个可变涡轮几何形状器件，该可变涡轮几何形状器件包括用于对形成多个喷嘴通道的多个叶片进行致动的一个协调环，而且该枢转轴是可变涡轮几何形状致动器轴，其中，该致动器（73）通过拉杆（74）被连接到可变涡轮几何形状致动器轴上，并且其中，该可变涡轮几何形状致动器轴延伸穿过该涡轮机壳体并且被连接到该协调环所连的一个臂上。

14.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该弹簧装置选自于螺旋弹簧、筛网弹簧、波纹弹簧以及贝氏弹簧垫圈。

15.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述弹簧装置包括以一种“叠放的”安排或者被安排成围绕环形体的多个弹簧。

16.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括与该弹簧装置或至少一个密封构件相接触的至少一个垫圈。

17.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述槽在该涡轮机壳体中。

18.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述至少两个总体上环形的密封构件（80）被预组装到一个保持器（35）上以形成一个密封组件。

19.一种用于在位于一个壳体外侧的致动机构与该壳体内的器件之间形成密封的方法，其中该壳体内的压力与该壳体外的压力相异，其中，一个轴被可转动地安装在一个孔中，其中该孔延伸穿过该壳体，其中该轴被连接到该壳体外的这个致动机构上并且被连接到该壳体内的这个器件上以用于将来自该致动机构的一个致动运动传输到该器件，该方法包括按任何顺序的以下程序：

(a)在所述轴或孔中形成一个轴向支座；

(b)将至少两个密封圈以及用于在轴向上对所述密封圈进行偏置的一个机械弹簧引导至所述轴上或者引导至所述孔中；

(c)一个隔离件被安排到所述轴上或所述孔中以使所述密封圈和机械弹簧位于所述支座与所述隔离件之间；

(d)将所述轴引导至所述孔中；并且

(e)将该轴连接该壳体外的这个致动机构上并且连接到该壳体内的这个器件上以用于将来自该致动机构的一个致动运动传输到该器件。