CN104213974B - 涡轮增压器组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器组件，包括压缩机组件、涡轮盘、轴、轴承组件和冷却气体导管。压缩机组件包括压缩机叶轮。压缩机叶轮包括最外叶轮边缘，并且在最外叶轮边缘处具有最大横截面尺寸。轴相互连接压缩机叶轮和涡轮盘。轴承组件围绕轴的至少一部分。冷却气体导管布置为与压缩机组件和轴承组件流体连通。冷却气体导管的至少一部分邻近最外叶轮边缘布置，以使冷却气体导管配置为接收沿最外叶轮边缘流动的进气的一部分，并且朝向轴承组件引导进气的该部分，以冷却轴承组件。

Description

涡轮增压器组件
技术领域
本发明涉及包括轴承冷却系统的涡轮增压器组件。
背景技术
内燃发动机可使用排气驱动的压缩机或涡轮增压器组件来提高集管空气压力(MAP)，由此对于指定的发动机排量，提供提高的发动机性能。通常的涡轮增压器组件包括与排气流体连通的涡轮机组件，和与进气流体连通的压缩机组件。包含在排气中的能量的一部分操作来使布置在涡轮机组件中的涡轮盘(turbine wheel)旋转或转动。涡轮盘通过公共轴连接到压缩机组件的压缩机叶轮。因此，涡轮盘和压缩机叶轮一致地旋转。操作中，随着排气使涡轮盘旋转，旋转的压缩机叶轮吸纳或抽吸进气进入压缩机组件，在压缩机组件中，进气被加压以用于随后引入内燃发动机。
传统的涡轮增压器组件也可包括轴承组件，用于支撑将涡轮盘和压缩机叶轮相互连接的轴的载荷。在一些涡轮机增压器组件中，气体或空气轴承组件支撑该轴的载荷。空气轴承组件采用气体(例如空气)薄膜，其用作润滑剂，分隔相对运动的两个表面。操作中，气体薄膜在空气轴承和涡轮增压器组件的轴之间流动，以防护轴和空气轴承组件自身不被磨损。
发明内容
本发明涉及涡轮增压器组件等。在一个实施例中，涡轮增压器组件包括压缩机组件、涡轮盘、轴、轴承组件和冷却气体导管。压缩机组件包括压缩机叶轮。压缩机叶轮包括最外叶轮边缘，并且在最外叶轮边缘处具有最大横截面尺寸。轴相互连接压缩机叶轮和涡轮盘。轴承组件围绕轴的至少一部分。冷却气体导管布置为与压缩机组件和轴承组件流体连通。冷却气体导管的至少一部分邻近最外叶轮边缘布置，以使冷却气体导管配置为接收进气的沿最外叶轮边缘流动的部分，并且朝向轴承组件引导进气的该部分，以冷却轴承组件。
在本发明的一方面中，冷却气体导管可包括第一端部部分和第二端部部分。第一端部部分可邻近最外叶轮边缘布置，以便于进气的该部分进入冷却气体导管。冷却气体导管的第一端部部分可包括弯曲区段，弯曲区段配置为并且成形为便于进气的该部分进入冷却气体导管。第一端部部分的至少一部分可与最外叶轮边缘重叠。
在本发明的一方面中，压缩机叶轮可限定第一叶轮端和第二叶轮端。冷却气体导管的第一端部部分可邻近第二叶轮端布置，以使进气的一部分可流入冷却气体导管。
在本发明的一方面中，涡轮增压器组件可进一步包括压缩机背板，该压缩机背板邻近压缩机叶轮布置。冷却气体导管可配置为延伸穿过压缩机背板的冷却气体开口。
在本发明的一方面中，轴可配置为围绕旋转轴线旋转。冷却气体开口沿开口轴线为细长状，并且开口轴线相对于旋转轴线倾斜地成角度。
涡轮增压器可进一步包括中部壳体，其联接在压缩机组件和涡轮盘之间。压缩机背板可与中部壳体整体形成。冷却气体导管的第二端部部分布置在中部壳体内。
在本发明的一方面中，冷却气体导管的第二端部部分可邻近轴承组件布置。因此，冷却气体导管可配置为将进气的一部分导向到轴承组件中。
本发明还涉及车辆,例如小汽车。在一个实施例中，车辆包括涡轮增压器组件和发动机，发动机包括进气集管和排气集管。涡轮增压器组件包括压缩机组件，压缩机组件布置为与进气集管流体连通。压缩机组件包括压缩机叶轮，压缩机叶轮限定第一叶轮端和第二叶轮端。涡轮增压器组件还包括涡轮机组件，涡轮机组件布置为与排气集管流体连通。涡轮机组件包括涡轮盘，涡轮盘布置得，相比于靠近第一叶轮端，其更靠近第二叶轮端。涡轮增压器组件进一步包括轴和空气箔片轴承组件，该轴相互连接压缩机叶轮和涡轮盘，空气箔片轴承组件围绕轴的至少一部分。而且，涡轮增压器组件包括压缩机背板，压缩机背板基本上覆盖第二叶轮端。压缩机背板限定多个冷却气体开口。每一个冷却气体开口延伸穿过压缩机背板，并且布置为与压缩机组件和空气箔片轴承组件流体连通。而且，每一个冷却气体开关配置并且成形为接收沿压缩机叶轮流动的进气的一部分，并且将进气的该部分朝向空气箔片轴承组件导向，以冷却空气箔片轴承组件。
在本发明的一方面中，压缩机叶轮包括最外叶轮边缘，并且在最外叶轮边缘处具有最大横截面尺寸。每一个冷却气体开口的至少一部分邻近最外叶轮边缘布置。
在本发明的一方面中，压缩机背板可包括多个内背板表面。每一个内背板表面可限定至少一个冷却气体开口。每一个内背板表面包括弯曲区段，该弯曲区段邻近最外叶轮边缘布置。每一个弯曲区段配置并且成形为允许进气的一部分进入每一个冷却气体开口。弯曲区段的至少一部分可与最外叶轮边缘重叠。
在本发明的一方面中，冷却气体开口的至少一个沿开口轴线为细长状。该轴可配置为围绕旋转轴线旋转，并且开口轴线相对于旋转轴线倾斜地成角度。
在本发明的一方面中，车辆可进一步包括中部壳体，中部壳体联接在压缩机组件和涡轮机组件之间。压缩机背板可与中部壳体整体形成。冷却气体开口中的至少一个可基本上为圆柱状。
本发明还涉及冷却空气箔片轴承组件的方法。在一个实施例中，该方法包括使用压缩机组件压缩进气。压缩机组件包括压缩机壳体、位于压缩机壳体中的压缩机叶轮和联接到压缩机壳体的压缩机背板。压缩机叶轮限定最外叶轮边缘，并且在最外叶轮边缘处具有最大横截面尺寸。该方法进一步包括经由延伸通过压缩机背板的冷却气体开口，将进气的沿最外叶轮边缘流动的一部分引导到空气箔片轴承组件中。该方法可进一步包括将进气的一部分引导通过空气箔片轴承组件的轴承壳体，以冷却空气箔片轴承组件。
在结合附图理解时，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点从下面实现所附权利要求中限定的本发明的一些最佳模式和其他实施例的详细描述非常显而易见。
附图说明
图1是包括内燃发动机和涡轮增压器组件的车辆的示意图；
图2是图1中示意性所示的涡轮增压器组件的示意性侧剖视图；和
图3是图1中所示的涡轮机增压器组件的一部分的在图2的区段3附近截取的放大示意性侧剖视图。
具体实施方式
参照图1，车辆8，例如小汽车，包括内燃发动机10，内燃发动机10配置用于驱动变速器(未示出)。内燃发动机10可以是压燃或火花点燃式内燃发动机。内燃发动机10包括发动机缸体12，发动机缸体12限定多个汽缸14。虽然图1中显示了四个汽缸14，但是内燃发动机10可包括更多或更少的汽缸14。进气集管16和排气集管18被安装到内燃发动机10。进气集管16操作来将进气20，例如空气或再循环排气，传送到内燃发动机10的汽缸14。汽缸14至少部分地限定可变容量的燃烧室，该燃烧室可操作来燃烧进气20与燃料(未示出)。燃烧产物或排气22被从汽缸14排出到排气集管18中。
内燃发动机10进一步包括涡轮增压器组件24。涡轮增压器组件24包括涡轮机组件26、压缩机组件28和中部壳体30。涡轮机组件26包括涡轮盘32，涡轮盘32可在涡轮机组件26中旋转。类似地，压缩机组件28包括压缩机叶轮34，压缩机叶轮34可在涡轮机组件28中旋转。中部壳体30支撑轴36，轴36可操作来相互连接涡轮盘32和压缩机叶轮34。因此，涡轮盘32和压缩机叶轮34一致地旋转。压缩机组件28布置为与入口导管38流体连通，入口导管38可操作来将进气20引入到涡轮增压器组件24。压缩机组件28也布置为与进气集管16流体连通，以将进气20引入到其。另外，涡轮机组件26布置为与排气集管18流体连通，以接收来自其的排气22。排气22被从出口40传送到排气排放导管42，用于随后释放到大气。
内燃发动机10包括排气再循环(EGR)系统44。EGR系统44包括阀46，阀46可操作来选择地并且可变地传送排气22的一部分48到通道50中，以随后引入到入口导管38中。排气22的部分48可被在涡轮机组件26上游或下游引入到通道50中。EGR系统44可被用于降低一些排放组分，例如氮氧化物。
在内燃发动机10的操作中，排气22被从汽缸14排出到排气集管18中。排气22被传递到涡轮机壳体52中，排气22中包含的能量的一部分在涡轮机壳体52中被用于使涡轮盘32转动或旋转。排气22然后被传送到排气排放导管42。由于轴36相互连接压缩机叶轮34和涡轮盘32，因此旋转涡轮盘32引起压缩机叶轮34转动或旋转。压缩机叶轮34的旋转使进气20被吸纳到压缩机组件28中，进气20在压缩机组件28中被加压并且引入到进气集管16中，以引入到汽缸14中。通过提高进气集管16中的压力，进气20的密度被提高。由于密度的该提高，更大量的燃料在汽缸14中被氧化和燃烧，由此提高汽缸14内的最大压力。因此，与相同排量的自然吸气的内燃发动机相比较，较大量的功率可由涡轮增压的(turbocharged)内燃发动机产生。
参照图2和3，涡轮增压器组件24的示例性实施例包括涡轮机组件26，涡轮机组件26则包括涡轮机壳体52。涡轮机壳体52限定涡轮机涡管或蜗壳54，涡轮机涡管或蜗壳54可操作来径向向里朝向涡轮盘32引导排气22，以实现其旋转。涡轮机组件26可进一步包括可变几何机构(未示出)，该可变几何机构可操作来改变从涡轮机蜗壳54到涡轮盘32的排气22(图1)的流动模式。排气22(图1)的沿涡轮盘32的流动使涡轮盘32旋转或转动。由于轴36联接到涡轮盘32，因此涡轮盘32的旋转使轴36也旋转。轴36的旋转则驱动布置在压缩机组件28中的压缩机叶轮34的旋转。
压缩机组件28包括压缩机壳体63，其限定入口62，入口62可操作来轴向地朝向压缩机叶轮34导向进气20。压缩机壳体63限定内压缩机腔室65和压缩机涡壳68，内压缩机腔室65布置为与入口62流体连通，压缩机蜗壳68可操作来将压缩的进气20径向向外朝向进气集管16(图1)导向。压缩机叶轮34布置在压缩机内腔室65中，并且包括进流部分80、出流部分82、和沿进流部分80和出流部分82布置的多个压缩机叶片86。压缩机叶轮34包括在进流部分80处的第一叶轮端108，和在出流部分82处的第二叶轮端110。第一叶轮端108比第二叶轮端110布置得距离涡轮盘32更远。
当压缩机叶轮34旋转时，进流部分80吸纳进气20进入压缩机壳体63。当进气20在压缩机壳体63内部时，压缩机叶片86引导进气20从进流部分80朝向出流部分82流动。当压缩机叶轮34旋转时，出流部分82从压缩机叶轮34导向进气20到压缩机蜗壳68。压缩机蜗壳68然后将压缩的进气20朝向进气集管16(图1)导向。
压缩机叶轮34可具有大体上截头圆锥形状。因此，压缩机叶轮34沿其长度可具有不同的横截面尺寸或直径。特别地，压缩机叶轮34的横截面尺寸可沿由箭头A指示的第一方向从第一叶轮端108到第二叶轮端110增大。出流部分82包括最外叶轮边缘88，其限定主或最大叶轮横截面尺寸或直径D1。最大叶轮横截面尺寸D1指压缩机叶轮34的最大横截面尺寸。最外叶轮边缘88可例如布置在第二叶轮端110处或附近。因此，最大叶轮横截面尺寸D1可例如指代压缩机叶轮34的在第二叶轮端110处的直径，其沿由箭头B指示的第二方向测量。压缩机组件28可进一步包括扩散器区段64和可变几何机构(未示出)，扩散器区段64可操作来降低进气20的速度，可变几何机构可操作来改变进气20从压缩机叶轮34到由压缩机壳体63限定的压缩机蜗壳68的流动模式。
中部壳体30连接在涡轮机壳体52和压缩机壳体63之间。涡轮机壳体52可通过任何适当的联接器104，例如夹，联接到中部壳体30。中部壳体30限定内中部腔室74，并且轴36至少部分地布置在内中部腔室74中。中部壳体30可包括压缩机背板79，压缩机背板79与压缩机组件28并置。因而，压缩机背板79可与中部壳体30整体形成。但是可预见，压缩机背板79可以不是中部壳体30的一部分。例如，压缩机背板79可以是联接在压缩机壳体63和中部壳体30之间的分立部件。而且，压缩机背板79可与压缩机壳体63整体形成。无论其构造如何，压缩机背板79应基本上覆盖压缩机叶轮34。特别地，压缩机背板79可基本上覆盖第二叶轮端110。因此，压缩机背板79可例如与第二叶轮端110邻近布置。
涡轮增压器24进一步包括轴承组件75，轴承组件75至少部分地布置在中部壳体30中。即，轴承组件75的至少一部分可布置在内中部腔室74中。轴承组件75可以是空气箔片轴承组件或任何其他适当的轴承组件。在图示的实施例中，轴承组件75为空气箔片轴承组件，并且包括轴承壳体76，轴承壳体76至少部分地布置在中部壳体30中。轴承壳体76限定内轴承腔室77，内轴承腔室77配置、成形并且尺寸制成为接收轴36的至少一部分。因此，轴承壳体76围绕轴36的至少一部分。轴承组件75进一步包括布置在轴承壳体76中的顺应性弹簧加载的箔片轴颈衬垫78。特别地，该衬垫78布置在内轴承腔室77内。当轴36以相对高的速度转动时，气体(例如空气)可在轴36和衬垫78之间流动，由此迫使衬垫78远离轴36。将衬垫78和轴36分隔的加压气体用作润滑剂，由此最小化轴36上的磨损。
轴36配置为围绕旋转轴线R旋转，并且可沿旋转轴线R为细长状。随着轴36的旋转速度增大，更多的热量产生在轴承组件75中。为了降低轴承组件75中的温度，涡轮增压器组件24包括轴承冷却系统84，轴承冷却系统84配置为将冷却气体(例如进气20的一部分98)供给到轴承组件75中，以冷却轴承组件75。轴承冷却系统84包括一个或多个冷却气体导管90，冷却气体导管90可操作来将进气20的一部分98传送到空气轴承壳体76中。为此，冷却气体导管90流体地联接内压缩机腔室65和内轴承腔室77。因此，冷却气体(即进气20的部分98)可从内压缩机腔室65行进到内轴承腔室77中，以冷却衬垫78和轴承组件75的其他部件。进气20的部分98(即冷却气体)可行进经过内中部腔室74的一部分以到达内轴承腔室77中。
冷却气体导管90可具有类似的或不同的配置或构造。例如，冷却气体导管90中之一可限定冷却气体开口92，冷却气体开口92转而由压缩机背板79限定。冷却气体开口92可延伸穿过压缩机背板79，并且可操作来将进气20的部分98(即冷却气体)从内压缩机腔室65朝向内轴承腔室77导向。如本文所用，术语“开口”包括但不限于孔、洞、通道、槽或能够从内压缩机腔室65朝向内轴承腔室77运送气体的任何类型的结构或空隙。在图示的实施例中，压缩机背板79限定多个开口92，多个开口92布置为与内压缩机腔室65和内轴承腔室77流体连通。每一个冷却气体开口92沿中部开口轴线O是细长的，中部开口轴线O相对于旋转轴线R倾斜地成角度。压缩机背板79包括一个或多个内背板表面100，每一个限定至少一个冷却气体开口92。
每一个冷却气体开口92可以是基本上圆柱状，并且包括第一端部部分94和与第一端部部分94相对的第二端部部分96。第一端部部分94比第二端部部分96更靠近压缩机叶轮34。特别地，第一端部部分94可邻近最外叶轮边缘88布置，以使进气20的离开出流部分82的部分98可进入冷却气体开口92，同时剩余的进气20进入压缩机蜗壳68。操作中，冷却气体(即进气20的部分98)经由第一端部部分94进入冷却气体开口92，然后经由第二端部部分96离开。第二端部部分96可邻近或靠近轴承组件75布置，以使冷却气体可进入轴承壳体76。
冷却气体开口92的第一端部部分94的至少一部分可与最外叶轮边缘88重叠。因此，内背板表面100的至少一部分可与最外叶轮边缘88重叠。内背板表面100可在第一端部部分94处包括弯曲区段102，以便于进气20的部分98进入冷却气体开口92中。弯曲区段102利用沿压缩机叶轮34流动的进气20的惯性以便于进气20的部分98进入冷却气体开口92中。因此，弯曲区段102配置并且成形为便于沿最外叶轮边缘88流动的进气20的部分98进入冷却气体开口92中。弯曲区段102的形状可设计为最小化从压缩组件28获取的气体，同时提供足够的气体以冷却轴承组件75。弯曲区段102的至少一部分可与最外叶轮边缘88重叠。如上面所讨论的，当进气20的部分98进入冷却气体开口92时，该部分98被称为冷却气体。冷却气体(即进气20的部分98)流动经过冷却气体开口92，并且经由第二端部部分96进入轴承壳体76中。当冷却气体流动经过轴承壳体76时，冷却气体冷却衬垫78、轴承壳体76和轴承组件75的其他部件。随着轴36的旋转速度的增大，更多的热量产生在轴承组件75中。由于冷却气体源自压缩机组件28，因此当轴36的旋转速度增大时，更多的冷却气体被供给到轴承组件75中。
在冷却气体流动经过轴承组件75之后，这些冷却气体可通过任何适当导管离开涡轮增压器组件24，以随后释放到大气。在图示的实施例中，冷却气体可经由一个或多个由涡轮机壳体52限定的出口导管106离开涡轮增压器组件24。出口导管106可与出口40、排放导管42或两者流体连通(参见图1)。
本发明还涉及冷却空气箔片轴承组件75的方法。该方法可包括使用压缩机组件28压缩进气空气20。如上面所述，压缩机组件28包括压缩机壳体63、位于压缩机壳体63内的压缩机叶轮34、和联接到压缩机壳体63的压缩机背板79。该方法可进一步包括经由延伸通过压缩机背板79的冷却气体开口92，将沿最外叶轮边缘88流动的进气20的部分98引导到轴承组件75(例如空气箔片轴承组件)中。而且，该方法可进一步包括引导进气20的部分98通过轴承组件75的轴承壳体76，以冷却轴承组件75。
详细的描述和图或附图支持和描述本发明，但本发明的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实现要求保护的本发明的其他实施例和最佳模式中的一些，但是仍存在用于实施所附权利要求中限定的本发明的多种替代设计和实施例。

Claims (7)

1.一种涡轮增压器组件，包括：
压缩机组件，其包括压缩机叶轮，压缩机叶轮包括最外叶轮边缘，并且在最外叶轮边缘处具有最大横截面尺寸；
涡轮盘；
轴，相互连接压缩机叶轮和涡轮盘；
轴承组件，围绕轴的至少一部分；和
冷却气体导管，布置为与压缩机组件和轴承组件流体连通，其中冷却气体导管的至少一部分邻近最外叶轮边缘布置，以使冷却气体导管配置为接收沿最外叶轮边缘流动的进气的一部分，并且朝向轴承组件引导进气的该部分，以冷却轴承组件；
其中，冷却气体导管包括第一端部部分和第二端部部分，第一端部部分邻近最外叶轮边缘布置，以便于进气的该部分进入冷却气体导管；
其中，第一端部部分包括弯曲区段，该弯曲区段配置为便于进气的该部分进入冷却气体导管；
其中，第一端部部分的至少一部分与最外叶轮边缘重叠。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器组件，其中，压缩机叶轮限定第一叶轮端和第二叶轮端，并且第一端部部分邻近第二叶轮端布置，以使进气的该部分流入冷却气体导管。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器组件，还包括压缩机背板，其邻近压缩机叶轮布置，其中，冷却气体导管配置为延伸穿过压缩机背板的冷却气体开口。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器组件，其中，所述轴配置为围绕旋转轴线旋转，冷却气体开口沿开口轴线为细长状，并且开口轴线相对于旋转轴线倾斜地成角度。
5.根据权利要求3所述的涡轮增压器组件，还包括中部壳体，中部壳体联接在压缩机组件和涡轮盘之间，其中，压缩机背板与中部壳体整体形成。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器组件，其中，第二端部部分布置在中部壳体内。
7.根据权利要求5所述的涡轮增压器组件，其中，第二端部部分邻近轴承组件布置，以使冷却气体导管配置为将进气的一部分导向到轴承组件中。
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