CN103403321A - 用于致动轴的气体压力偏置的密封方法 - Google Patents

Abstract

通过添加由气体压力偏压的一对密封圈，使围绕一个轴的气体泄漏倾向最小化，其中该轴延伸穿过一个孔，该孔连接具有不同压力的多个体积，例如一个涡轮增压器壳体和环境空气，以便提供气体和碳烟的连续密封。

Description

用于致动轴的气体压力偏置的密封方法

发明领域

本发明着手解决对一种用于涡轮增压器轴的改善的轴密封设计的需要，该轴穿过涡轮机壳体的壁。 

发明背景 

涡轮增压器是一种强制进气系统。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。一个更小的涡轮增压发动机取代一个更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涡轮增压器壳体2内的涡轮机叶轮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，则用过的排气通过该出口导流器离开涡轮增压器涡轮机壳体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。 

在一个废气门式涡轮增压器中，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。为对该废气门进行操作，一个致动力或控制力必须从涡轮机壳体外、通过该涡轮机壳体、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的转动使该涡轮机壳体内的废气门阀61运动。该废气门阀在一个圆柱形的衬套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与碳烟有可能从这个间隙逃逸。 

涡轮机壳体会经受很大的温度梯度和温度波动。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取决于在发动机中所使用的燃料而在范围740℃至1050℃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从而控制通向该涡轮机叶轮的流动。 

可变涡轮几何形状（VTG）机构不仅被用于控制排气向该涡轮机叶轮的流动，并且还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。这样的碳烟沉积从美观的观点来看是不可取的。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轴形成的环形体的一些泄漏是可以容忍的，其中该轴在一个圆柱形孔内旋转，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。 

诸如密封圈的密封装置，有时也被称作活塞环，通常被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，当最早涡轮增压器大规模生产时，博格华纳公司（BorgWarner）就已经将用于此目的的密封圈投入生产。对于带一个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的量级。 

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

如涡轮增压器中使用的密封圈最佳是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假定近似于该密封圈在其中运行的孔的内径。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松弛以进入该槽中。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差不多位于该密封圈槽的内壁83与外壁81的中间的一个情况，因而允许气体和碳烟86围绕该密封圈流通。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、并且通过该密封圈与一个槽的一个侧壁相接触来移动，一个最佳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。在任何其他状态下，图3所描绘的泄漏路径都会存在。 

存在许多专利传授关于通过在多个密封圈之间导入一个压力或真空从而改变穿越这些密封圈的压力差而减少泄漏的设计，但是潜在的泄漏总是存在，除非这些密封圈直接与槽的侧壁接触。 

因此可以看出的是对于产生用于涡轮增压器中“慢速转动的”废气门和VTG枢转轴的、完全的气体密封的设计存在一种需求。 

发明概述 

本发明通过在用于涡轮增压器中的致动器轴的第一密封圈与第二密封圈之间引入气体压力而解决了以上问题，该气体压力迫使多个密封圈形成密封接触，以便在内部的、以排气与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。 

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        描绘了本发明的一个第一实施例的一个截面视图；并且 

图5        描绘了本发明的第一实施例的一个放大视图。 

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年代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级以及压缩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；然而，不存在机械装置来产生这样一种偏压。该槽典型地具有矩形的截面，其中该槽的径向深度大于该密封圈的相对应侧的长度。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。在该密封圈处于该孔内的情况下，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和这个收缩的密封圈穿过该部件的孔直到允许该密封圈在其组装好的构形中膨胀，如图2A和图2B中所描绘。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。 

图2B中的密封圈的设计为使该密封圈静止时松弛的形状的近似直径大于该密封圈组装到其中的孔70的直径，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。所获得的密封是不仅防止排气穿过在孔70与密封圈80之间的圆柱形界面逃逸、而且还防止气体穿过在槽壁81与密封圈80之间的径向界面逃逸的一种接触式密封。这种密封方法因此与“吹扫式密封”不同，在吹扫式密封中必须恒定地供应加压气体以便形成一个“空气坝”来防止排气转移穿过高压区。由于根据本发明压力介质很少泄漏，压力介质可以由诸如蓄压器的静态装置来供应、或者可以由诸如小型气动泵的主动装置或通过联接到压缩机出口来供应。 

由于恶劣的热学和化学环境，枢转轴通常不是直接装配在直接于涡轮机壳体内机加工出的一个孔中，而是更多时候被装配在位于涡轮机壳体2内的一个孔中的一个固定衬套或固定轴承68上。这是为了更好地匹配热膨胀系数（保持紧密间隙）和抑制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。 

在这个创造性的构形中，在一个低速废气门或VTG枢转轴上使用多个密封圈，每个密封圈安装在其密封圈槽中，诸位发明人开发了一种使用至少两个密封圈的设计以使每个密封圈在一侧，在这（至少）两个密封圈之间形成一个环状空间，在该环状空间中导入加压气体。每个密封圈因此具有邻近这个已充气的环状空间的一个侧面以及远离该充气环状空间的一个侧面，在这个环状空间中这些密封圈在轴向上由于引如该环状空间的气体压力而被强制分开以便在每个密封圈上的一个环形远侧面与每个密封圈槽上的一个环形接触侧面之间创造直接接触。 

被引导至该环状空间的气体的压力必须超过涡轮机壳体内的压力，以便迫使内密封圈抵靠该槽侧。对一个特定的应用而言，所需要的压力因此取决于涡轮机壳体内的气体压力、并且可以容易地确定。 

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，并且在轴向上由这两个密封圈安装到其中的密封圈槽的多个侧壁定位。 

加压气体91被沿管输送到一个端口90，该端口将这些加压气体流体地连接到一个环形体积中，该环形体积在径向上由枢转轴63的外部直径和衬套68中的孔70的内部直径界定、而在轴向上由内密封圈和外密封圈80的邻近面界定。在这些密封圈之间作用的气体压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的这些密封圈槽的互补的环形密封表面（64和66）相接触、同时与衬套68的孔70的面向内的表面处于圆周接触，因此围绕该枢转轴与该枢转轴安装到其中的孔提供气体和碳烟的密封。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和碳烟的密封。 

在本发明的第一实施例的一个变体中，多个密封圈被安装在一个适当更宽的槽中，该槽代替了如本发明的第一实施例中每个密封圈一个单一的槽。 

因此可以看出的是，在这些创造性的解决方案中，使用气体压力来使这些密封圈进行物理运动直到它们接触它们的密封圈槽的互补的环形密封表面，从而堵塞排气和碳烟到达在涡轮增压器外部的环境的通道。 

Claims (9)

1.一种涡轮增压器，具有

一个涡轮机，该涡轮机在一个涡轮增压器壳体（2）中，

一个器件，该器件在该涡轮增压器壳体中，

一个致动器（73），该致动器位于该涡轮增压器外、用于对在该涡轮机壳体内的这个器件进行致动，

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增压器壳体的一个孔（70）中、用于将致动运动从该致动机构传递到该器件，

第一密封圈和第二密封圈（80），这两个密封圈被提供在所述枢转轴和所述孔中至少一者中的至少一个圆周槽中，以及

一个装置，该装置用于在这些所述密封圈之间引入足够的压力，以便在工作状况下促使这些密封圈在轴向上分开，每个密封圈抵靠一个对应的密封槽壁（81，83）。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，这两个密封圈均被提供在该同一个槽中。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，每个密封圈被提供在一个分离的槽中。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，至少一个圆周槽被提供在该枢转轴中。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，至少一个圆周槽被提供在该孔中。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，该孔被提供在一个衬套中；并且其中，所述衬套被安置在所述涡轮机壳体中。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述器件是一个废气门阀（61）。

8.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮增压器配备有一个可变几何形状涡轮机（VTG）机构；并且其中，所述器件是该VTG机构。

9.一种用于操作涡轮增压器的方法，该涡轮增压器具有：在一个涡轮增压器壳体（2）中的一个涡轮机，在该涡轮增压器壳体中的一个器件，位于该涡轮增压器外的、用于对在该涡轮机壳体内的这个器件进行致动的一个致动器（73）；可转动地安装在延伸穿过该涡轮增压器壳体的一个孔（70）中的、用于将致动运动从该致动机构传递到该器件的一个枢转轴（63），提供在至少一个所述枢转轴和所述孔中的至少一个圆周槽中的第一密封圈和第二密封圈（80）；所述方法包括：

在这些所述密封圈之间引入足够的压力，以便在工作状况下促使这些密封圈在轴向上分开，每个密封圈抵靠一个对应的密封槽壁（81，83）。

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