CN103782010B - 密封致动轴的半渗透介质 - Google Patents

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Abstract

为了阻止在延伸穿过了一个孔的一个轴周围的碳烟泄漏，该孔连接了多个不同压力的体积，例如一个涡轮增压器涡轮机壳体和环境空气，提供了一种碳烟密封以便捕获颗粒物质而同时允许气体通过。

Description

密封致动轴的半渗透介质
发明领域
本发明涉及对于一个穿过例如涡轮增压器的涡轮机壳体的轴的一种改进的密封件，并且涉及具有这种密封件的涡轮增压器。
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NOx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旁路通过涡轮机叶轮，因而不会对涡轮机叶轮提供动力。为了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部、通过该涡轮机壳体、传输到该涡轮机壳体内的废气门阀上。例如，一个废气门枢转轴可以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)而连接到一个废气门臂(62)上，并且废气门臂(62)被连接到该废气门枢转轴(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被转化成该枢转轴(63)的转动，从而使该涡轮机壳体内的废气门阀(61)枢转。该废气门枢转轴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就有可能通过这个空隙而逸出。
涡轮机壳体会经受很大的温度通量。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其范围从740℃至1050℃。通常，废气门枢转轴周围的温度约为400℃至450℃。有必要的是，通过上述的这些转化运动使该致动器能够以一种准确的、可重复的、无阻滞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向该涡轮机叶轮的流动，并且还用于对用来对抗一个压力梯度、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进行控制。该涡轮机系统内的背压可以在高达500kPa的区域内。该涡轮机级内的高压可以导致排气通过任何孔或空隙而逸出到大气中。排气通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碳烟残余物。发动机燃烧过程产生的这样的碳烟的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，从该涡轮机级中逸出的碳烟并未被该发动机／车辆的后处理系统捕获和处理。对于这种颗粒物质逸出的测试是以铝箔简单地包裹涡轮机级，在发动机运行一段时间之后，从视觉上检查箔片来寻找从涡轮增压器的涡轮机级中逸出的碳烟痕迹。
来自柴油发动机排气烟道的碳烟是以三种基本相态的一种排气副产品的混合物，即粗相、聚相以及核相。大多数颗粒物质是由碳质块和相关联的吸附物组成并且是以积聚模式通过的，这种积聚模式的颗粒物质具有的尺寸是在0.05μm至1.0μm的直径范围内。这些核相颗粒通常是挥发性有机物以及硫磺复合物，这些挥发性有机物和硫磺复合物具有的尺寸是在0.005μm至0.05μm的直径范围内。而核相的颗粒数目最大，但它们仅约占物质的20％。粗相颗粒的范围是从0.1μm到8μm并且构成了颗粒物质的另外5％至20％。粗相颗粒通常积聚在燃烧容器以及排气容器的壁上，并且然后被重新夹带在排气中。
通常，气体和碳烟通过由一个轴在一个圆柱形孔内旋转而形成的环形区域的一些泄漏是可以容忍的，这是因为衬套的这些端面中的一者或二者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年大规模生产最早涡轮增压器起，博格华纳公司(BorgWamer)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对于相对慢速转动的轴(与涡轮增压器快速转动组件密封件150,000RPM相比)的一种密封器件。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，密封圈通过使密封圈的侧壁的一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为近似于该密封圈在其中运行的孔的内径。图2A描绘了一个自然扩张状态的密封圈(80)，虽然是通过使密封圈强制扩张在轴(63)的直径上并且接下来允许密封圈松驰到该槽中来组装到该轴上的。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，该密封圈(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(63)的外径与该密封圈槽的底面(82)的直径之间径向上的体积；以及在该密封圈槽的内壁(83)与外壁(81)之间轴向上的距离。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方总存在一个体积(即，在这个压缩的活塞环的内径(84)与该密封圈槽的底面(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。在该密封圈槽的相反侧上，在该密封圈槽的外壁(81)与该密封圈的邻近壁之间也可以存在一个体积。图3描绘了其中该密封圈(80)在一定程度上定中心在该密封圈槽的内壁与外壁(83与81)之间从而允许气体和碳烟(86)在该密封圈周围流动的情况。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，并且该密封圈只是通过与一个槽的一个侧壁的任何接触来运动，所以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所描绘的泄漏路径都会存在，并且气体和颗粒物质可以通过该轴区域而逸出该涡轮机级。
存在许多专利传授在高速转动的轴的情况下通过引入多个密封圈、以及通过在这些密封圈之间引入一个压力或真空从而改变越过该多个密封圈的压力差来减少这种泄漏的设计；然而，对于气体和碳烟的潜在泄漏总是存在，除非这些密封圈直接与槽的这个或这些侧壁相接触。实际上总是存在某种泄漏，因此发动机舱的美观会受到与泄漏相关联的碳烟或颗粒物质流通的连累。
因而可以看出，存在对于独立于排气泄漏的使颗粒物质通道最小化的密封设计的需要。
发明概述
本发明通过在对穿过涡轮增压器壳体的壁的这些旋转轴组件或滑动轴组件进行约束和支持的元件中结合一种半渗透密封介质来解决以上问题，从而使潜在的美学上连累的或潜在有害的碳烟或颗粒物质的逸出最小化。
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 描绘了本发明的第一实施例的一个截面视图；
图5 描绘了本发明的第一实施例的一个变体的截面视图；并且
图6 描绘了本发明的第二实施例的一个视图。
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，涡轮增压器制造商就一直在使用实心活塞环、或密封圈来密封气体、碳烟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的联通。因而应该合乎逻辑的是设计和应用这种密封件来在涡轮增压器上要求不高的位置上阻挡任何气体或材料。
上述所使用的密封圈的变体有时被用作对于一个相对慢速转动的轴(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。即使快速运动的轴与相对慢速运动的轴上均带有上述密封装置，也会存在对于发动机舱的美观产生负面影响的气体、碳烟以及其他颗粒物质的少量逸出。
本发明人研究了许多复杂的用于减少气体、碳烟以及其他颗粒物质逸出的方法并且得出的结论是，即使具有大大减小的泄漏率，碳烟和其他颗粒物质仍会逸出并且在测试过程中会积聚在包裹该涡轮机级的箔片上。因而，开发了一种不依赖于任何测得的泄漏流量的、使碳烟和其他颗粒物质的泄漏最小化的方法。
为了做到这一点，本发明人提供了一种对于气体是可渗透的但对于碳烟是不可渗透的密封。为了本发明的这些目的，这种密封的定义将被称为可渗透气体不可渗透碳烟(GPNSP)的密封。
在可转动的轴的周围以玻璃纤维简单包装而完成了若干测试，玻璃纤维包装能够经受上至650℃的温度，并且这些测试产生了想要的结果。对于生产目的而言，为了控制介质的可变性，为了量化碳烟滞留量并且为了使装配简单，对以若干形式呈现的多种不同材料进行了测试。多种材料(如玻璃纤维、钢棉、陶瓷网、以及PTFE)是以多种结构形式来进行评估的，如树脂浸渍纤维、织物纤维以及具有不同硬度的纤维。
在本发明的第一实施例中，如图4描绘，通过加宽衬套内径或者如图4所示，使该轴的直径变窄来在该衬套的(外部)阀臂(62)的末端提供该衬套(68)的一个环形容积来允许用于GPNSP介质(34)的空间。被GPNSP占据的环形体积具有：一个内径，该内径接近于要对其进行密封的轴径；一个外径，该外径接触该衬套中的孔，GPNSP介质在衬套中受到径向制约；以及一个长度，以便填满“为其提供的”空间。气体会自由地行进穿过GPNSP，但颗粒物质将上行到上述环形体积并且被收集在GPNSP介质中。
在本发明的第一实施例的变体中，如图5描绘，GPNSP介质被定位为尽可能接近该衬套(68)的(内部)废气门阀(61)的末端。
在本发明的第二实施例中，如图6描绘，衬套(68)的孔(70)的全部长度都被用来控制该枢转轴(63)的位置，并且一个埋头孔或圆柱形延长部(66)被提供在阀臂(62)中以用来保持圆环状的GPNSP介质片(34)。在本发明的这个实施例中，对于涡轮机壳体的密封是通过使GPNSP介质(37)接触该阀臂(62)的下表面(67)以及衬套(68)的末端的上表面(65)来提供的。可以在柴油碳烟过滤器中使用的几乎任何材料都可以用作本发明的密封材料。在本发明中不需要柴油过滤器的再生中使用的催化剂的，但它们就保持或延长该密封的气体渗透性方面可以提供某种益处。优选的材料是能够经受机械振动的材料。因而，基于金属的材料(如钢棉)以及基于玻璃的材料(如玻璃纤维)均优于基于陶瓷的材料。
在涡轮机壳体内由位于涡轮机壳体外部的致动机构来致动的器件优选是一个废气门，其中该轴是一个废气门枢转轴，其中该致动器被连接到一个废气门臂上并且该废气门臂被连接到废气门枢转轴上，并且其中该气门枢转轴延伸穿过该涡轮机壳体并且被连接到该废气门阀上。该废气门臂(62)优选地配备有一个埋头孔或圆柱形延伸部(66)以便将一个圆环形的密封材料片保持抵靠在该涡轮机壳体外部或该衬套末端外部。
可替代的是，在该涡轮机壳体内由位于涡轮机壳体外部的一个致动机构来致动的器件是一个可变涡轮几何形状(VTG)器件，该器件包括用于对形成喷嘴通道的多个叶片进行致动的一个协调环，其中，一个VTG致动器被连接到该致动器轴上的一个臂上，并且其中，该致动器轴延伸穿过该涡轮机壳体或该轴承壳体并且被连接到该协调环所连的一个连杆臂上。
该密封材料优选是织成织物的并且被压缩成环形形状的玻璃纤维。这种密封材料优选是玻璃纤维、钢棉或陶瓷网的形式。
现在已经说明了本发明，我们提出如下权利要求。

Claims (17)

1.一种涡轮增压器，带有一个涡轮机壳体、在该涡轮机壳体之内由位于该涡轮机壳体外部的一个致动机构来致动的一个器件、被可旋转地安装在一个孔中的一个轴，该孔延伸穿过该涡轮机壳体或轴承壳体以用于将一种致动运动从该致动机构传输到该器件，其中，提供了一种密封材料来密封该孔，并且其中该密封材料是气体可渗透的并且被适配成用于收集碳烟颗粒。
2.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料被适配成收集直径大于 1.0 µm 的碳烟颗粒。
3.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料被适配成收集直径大于 0.05 µm 的碳烟颗粒。
4.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是一种多孔材料，其主要成分是选自由以下各项构成的组，该组包括：玻璃纤维、碳、 PTFE 、青铜、不锈钢、镍基合金、钛、铜和铝。
5.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该孔沿着容纳有该密封材料的一段是加宽的。
6.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该轴沿着容纳有该密封材料的一段是变窄的。
7.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在这个孔的器件末端处的。
8.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在这个孔的致动机构末端处的。
9.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在该涡轮机壳体或轴承壳体外的、在该孔与该致动机构之间的空间中。
10.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该轴被安装在该涡轮机壳体或轴承壳体中的一个孔中。
11.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，其中该轴被安装在延伸穿过该涡轮机壳体或轴承壳体的一个衬套中的一个孔中。
12.如权利 要求 1 所述的涡轮增压器，进一步包括在所述轴以及所述孔的至少一者中提供的一个圆周槽，其中在该圆周槽中提供了至少一个总体上环形的实心的不可渗透的密封构件。
13.如权利 要求 12 所述的涡轮增压器，其中该密封构件是密封圈。
14.如权利 要求 13 所述的涡轮增压器，其中所述密封圈包括第一密封圈和第二密封圈。
15.如权利 要求 14 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在所述第一密封圈和所述第二密封圈之间的。
16.如权利 要求 14 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在所述第一密封圈和所述第二密封圈的外侧的。
17.如权利 要求 14 所述的涡轮增压器，其中该密封材料是提供在所述第一密封圈和所述第二密封圈的内侧的。
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