CN104619968A - 涡轮增压器轴密封件 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮增压器(1O)的轴(22)的密封件(42，82)，以防止液体从轴承壳体(16)中泄漏出来。该密封件(42，82)包括一个在相对的端面(116，118)之间延伸的柱体并且具有一个在这些相对的端面(116，118)之间延伸的柱状孔，该柱状孔用于接收穿过其中的轴(22)。该柱状孔限定了一个内表面(106)，该内表面具有至少一个围绕该轴(22)在螺旋方向上延伸的条纹(112)。该轴(22)相对该密封件(42，82)的旋转对存在于该轴(22)与该密封件(42，82)的内表面(106)之间的液体产生了一个泵送效应，由此致使该液体向该轴承壳体(16)回流。

Description

涡轮增压器轴密封件
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年9月18日提交的并且题为“涡轮增压器轴密封件”的美国临时申请号61/702,328的优先权及所有权益。
发明背景
1.发明领域
本发明涉及一种用于涡轮增压器的旋转轴的密封件。更具体而言，本发明涉及一种带有一个内表面的密封件，该内表面具有多个围绕涡轮增压器的旋转轴以螺旋路径延伸的条纹。
2.相关技术的说明
涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的功率密度而没有明显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的功率。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的更完全燃烧，这有助于实现排放量减少这一高度希望的目标。
涡轮增压器包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将涡轮机壳体与压缩机壳体连接到一起的一个轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。一个轴被可旋转地支撑在该轴承壳体内并且将该涡轮机叶轮连接至该压缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转致使该压缩机叶轮的旋转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，它压缩进入到该压缩机壳体中的周围空气，由此增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力。
将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴通过该轴承壳体的涡轮机侧延伸到该涡轮机壳体中。该轴还通过该轴承壳体的压缩机侧延伸到该压缩机壳体中。将一个或多个活塞环典型地用作该轴与该轴承壳体的涡轮机侧之间的一个密封件以防止该轴承壳体内的润滑油游移到该涡轮机壳体中的排气中。类似地，还将一个或多个活塞环典型地用作该轴与该轴承壳体的压缩机侧之间的一个密封件以防止该轴承壳体内的润滑油游移到该压缩机壳体中的压缩空气中。这些活塞环还防止了排气和压缩空气游移到该轴承壳体中。
这些活塞环起迷宫式密封件的作用。迷宫式密封件是一种类型的机械密封，这些迷宫式密封件不是不泄漏流体而是通过提供一种物质(即润滑油)必须穿过其流动的曲折路径来限制泄漏。除了在该涡轮机侧的这些活塞环外，该涡轮机壳体中的压力通常大于该轴承壳体中的压力，这样使得润滑油不会趋向于经由这些活塞环而从该轴承壳体中泄漏并且进入该涡轮机壳体中的排气中。同样地，除了在该压缩机侧的这些活塞环外，该压缩机壳体中的压力通常大于该轴承壳体中的压力，这样使得润滑油不会趋向于经由这些活塞环而从该轴承壳体中泄漏并且进入该压缩机壳体中的压缩空气中。
因为这些活塞环不是不泄漏流体的，这些活塞环可能不会完全地防止润滑油泄漏到该涡轮机壳体中和/或该压缩机壳体中。例如，在某些发动机运行状态下，该涡轮机壳体中的压力小于该轴承壳体中的压力，这可能会允许润滑油经由涡轮机侧的这些活塞环泄漏到该涡轮机壳体中。经由该涡轮机侧的这些活塞环泄漏的润滑油通常被排气燃烧掉并且与排气一起作为蓝烟被排出。类似地，在某些发动机运行状态下，该压缩机壳体中的压力小于该轴承壳体中的压力，这可能会允许润滑油经由该压缩机侧的这些活塞环泄漏到该压缩机壳体中。经由该压缩机侧的这些活塞环泄漏的润滑油可能会在进气系统中累积或者与进入的空气混合并且在燃烧过程中被烧掉，由此妨碍发动机性能。此外，在燃烧过程中烧掉的油直接导致排放物增加。
因此，希望的是最小化泄漏到该涡轮机壳体和/或该压缩机壳体中的润滑油的量。如此，希望的是在该轴与该轴承壳体之间提供改善的密封件。
发明概述
根据本发明的第一实施例，用于涡轮增压器的轴的密封件防止液体从轴承壳体中泄漏出去。该密封件包括一个在相对的端面之间延伸的柱体并且具有一个在这些相对的端面之间延伸的柱状孔，该柱状孔用于接收穿过其中的轴。该柱状孔限定了一个内表面，该内表面具有至少一个围绕该轴在螺旋方向上延伸的条纹。该密封件环绕该轴并且被径向地布置在该轴与该轴承壳体之间。该轴相对该密封件的旋转在存在于该轴与该密封件的内表面之间的液体上产生了一个泵送效应，由此致使该液体向该轴承壳体回流。
附图的简要说明
本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是一个涡轮增压器的截面视图，该涡轮增压器包括根据本发明的第一实施例的轴密封件；
图2是该涡轮增压器的一个截面视图，该视图详细展示了涡轮机侧；
图3是该涡轮增压器的一个截面视图，该视图详细展示了压缩机侧；
图4是一个线性区段的透视图，该线性区段是以螺旋的方式绕制以形成图1中的轴密封件；
图5是这些轴密封件中的一个密封件的透视图；
图6是根据本发明的一个替代实施例的轴密封件的端视图；并且
图7是该轴密封件沿图6中的线7-7截取的截面视图。
实施方式的详细说明
参照图1至图3，一个涡轮增压器总体上表示为10。涡轮增压器10包括一个壳体组件12，该壳体组件由彼此连接的一个涡轮机壳体14、一个轴承壳体16、以及一个压缩机壳体18组成。一个涡轮机叶轮20被布置在该涡轮机壳体14内并且是由从发动机排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。在驱动该涡轮机叶轮20之后，排气从该涡轮机壳体14中通过一个中央出口管或出口导流器21被排出。可旋转地支撑在该轴承壳体16内的一个轴22将该涡轮机叶轮20连接至该压缩机壳体18内的一个压缩机叶轮24上，这样使得该涡轮机叶轮20的旋转致使该压缩机叶轮24的旋转。将该涡轮机叶轮20与该压缩机叶轮24相连接的轴22限定了一条旋转轴线R1，该旋转轴线在轴向上延伸。当该压缩机叶轮24旋转时，空气通过入口通道26被抽入该压缩机壳体18中并且被该压缩机叶轮24和压缩机壳体18压缩以便以升高的压力被递送至一个发动机进气歧管中。
该轴22的一个主要部分28通过轴向上间隔开的第一颈轴承30和第二轴颈轴承32被可旋转地支撑在该轴承壳体16中。一个挡套34环绕该轴22并且被布置在该第一颈轴承30与第二轴颈轴承32之间。该涡轮机叶轮20典型地被对焊至该轴22具有一个直径扩大的部分36的那一端上。该轴22通过一个活塞环孔38而进入该轴承壳体16中，该活塞环孔是在该轴承壳体16的涡轮机侧40中的形成的。该轴22的直径扩大的部分36被布置在该活塞环孔38内。一个轴密封件42环绕该轴22的直径扩大的部分36并且被该轴承壳体16压缩到形成在该直径扩大的部分36中的一个槽44内。这样，该轴密封件42在该轴22与该轴承壳体16之间形成了一个迷宫式密封件。该迷宫式密封件提供了一个迂回路径以帮助防止液体(例如油)从该轴承壳体16中泄漏出去并且进入该涡轮机壳体14中。
该轴22的相反一端具有一个直径减小的部分46，该压缩机叶轮24被安装在该部分上。该轴22的远端48是带螺纹的并且一个压缩机螺母50螺纹地接合到该远端48上以便将该压缩机叶轮24紧固地保持在该轴22上。该第一轴颈轴承30和第二轴颈轴承32与该挡套34沿该轴22的主要部分28定位，该主要部分在该直径扩大的部分36与该直径减小的部分46之间。与该第二轴颈轴承32相邻，该轴22的直径减小的部分46携带了一个止推环52(例如一个垫圈或类似装置)，该止推环与一个静止的止推轴承构件54协作以便应对作用在该轴22上的轴向荷载。该直径减小的部分46还穿过一个抛油环套筒56并且通过一个轴承壳体盖或背板62离开该轴承壳体16。该止推环52、止推轴承构件54、抛油环套筒56、以及轴承壳体盖62被组装到一个止推轴承凹座64中，该止推轴承凹座是在该轴承壳体16的压缩机侧66中形成的。
该抛油环套筒56和轴承壳体盖62协作以防止油被吸进该压缩机壳体14中并且防止压缩空气泄露到该轴承壳体16中。该轴承壳体盖62邻近该压缩机叶轮24的一个后壁68定位并且被固定地紧固到该轴承壳体16上。一个O形环70绕该轴承壳体盖62的外圆周放置并且在该轴承壳体盖62与该轴承壳体16之间形成密封。
该抛油环套筒56在与该压缩机叶轮24相邻的一个外端74以及与该止推轴承构件54相邻的一个内端76之间延伸。该抛油环套筒56穿过该轴承壳体盖62中的一个活塞环孔78。该抛油环套筒56包括在其外端74与内端76之间延伸的一个柱状孔80。轴22通过该抛油环套筒56的柱状孔80离开该轴承壳体16并且该抛油环套筒56被挤压到该轴22上并且与该轴一起旋转。一个轴密封件82环绕该抛油环套筒56并且被该轴承壳体盖62压缩到形成在该抛油环套筒56的外端74上的一个槽84中。这样，该轴密封件82在该抛油环套筒56与该轴承壳体盖62之间形成了一个迷宫式密封件。该迷宫式密封件提供了一个迂回路径以帮助防止油从该轴承壳体16中泄漏出去并且进入该压缩机壳体18中。
该抛油环套筒56还包括一个唇缘86，该唇缘具有的圆周比该外部末端74和内部末端76各自的圆周更大。该唇缘86被布置在该止推轴承构件54与该轴承壳体盖62之间。该轴承壳体盖62也具有一个唇缘88，该唇缘与该抛油环套筒56上的唇缘86协作以便引导该轴承壳体16内的油，如在下文中所说明的。
通过位于该轴22与该轴承壳体16之间的轴密封件42，防止排气游移到或进入该涡轮机侧40上的轴承壳体16中。通过位于该抛油环套筒56与该轴承壳体盖62之间的轴密封件82并且通过位于该轴承壳体盖62与该轴承壳体16之间的O形环70，防止压缩空气游移到或进入该压缩机侧66上的轴承壳体16中。
油循环经过该轴承壳体16以便为该第一轴颈轴承30和第二轴颈轴承32提供润滑并且冷却该轴22和该轴承壳体16以及某些其他涡轮增压器零件。在该涡轮机侧40上，当该轴22旋转时，离开该第一轴颈轴承30的油被该直径扩大的部分36的一个面94拾取并且被引导到一个油通道96中，该油通道将油引导到轴承壳体16内的一个排油腔98中。在该压缩机侧66上，当该轴22旋转时，离开该第二轴颈轴承32的油被该抛油环套筒56的唇缘86拾取并且被引向该轴承壳体盖62的内表面100，该内表面将油引导到轴承壳体16内的一个排油腔98中。
该涡轮机壳体14中的压力通常大于该轴承壳体16中的压力，这样使得油不会趋向于经由该轴承壳体16的涡轮机侧40上的轴密封件42而泄漏。类似地，该压缩机壳体18中的压力通常大于该轴承壳体16中的压力，这样使得油不会趋向于经由该轴承壳体16的压缩机侧66上的轴密封件82而泄漏。然而，该涡轮机侧40上的轴密封件42和该压缩机侧66上的轴密封件82不是不泄漏流体的。因此，在某些发动机运行状态下，当该涡轮机壳体14中的压力和/或该压缩机壳体18中的压力小于该轴承壳体16中的压力时，油将趋向于经由常规的轴密封件(例如常规的活塞环密封件)而泄漏。
为了防止在此类情况下油经由这些轴密封件42、82泄漏，这些轴密封件42、82以一种螺旋的方式来构造以便形成一个柱体，该柱体具有一个穿过其延伸的柱状孔。更确切地说，这些轴密封件42、82中的每个轴密封件都是由一个线性区段102形成的，该线性区段具有一个外表面104、一个内表面106以及相对的侧壁108、110，如图4所示。该内表面106上的多个条纹112是一系列总体上平行的脊，这些脊沿该线性区段102纵向地延伸。这些条纹112总体上平行于这些侧壁108、110并且能够利用各种众所周知的方法中任何一种方法形成。该线性区段102一种方式绕制以形成一个螺旋线圈，该螺旋线圈包括多个匝或环圈114，如图5所示。该线圈的每个环圈114邻接各自相邻的环圈114。换言之，一个环圈114的侧壁110邻接相邻环圈114的侧壁108，以此类推。轴密封件42、82的端面116、118是闭合的并且磨过的，这样使得这些端面116、118大体上垂直于该轴22的旋转轴线R1。因为该线性区段102被绕制以形成螺旋线圈，这些条纹112相对这些端面116、118成一个角度来布置，这样使得这些条纹112在这些轴密封件42、82的内表面106上形成多个螺旋。应认识到的是，每个环圈114的这些邻接侧壁108、110还形成了一个螺旋，该螺旋总体上平行于由这些条纹112形成的螺旋。由这些条纹112所形成的螺旋和由邻接侧壁108、110所形成的螺旋提供了一个迂回路径以便帮助防止油从该轴承壳体16中泄漏出去。
该轴承壳体16的涡轮机侧40上的轴密封件42的螺旋方向与该轴承壳体16的压缩机侧66上的轴密封件82的螺旋方向相反。这些轴密封件42、82的螺旋方向由该轴22的旋转方向和流体流动需要决定。例如，在本实施例中，如果当从该压缩机侧66朝该涡轮机侧40观察时该轴22的旋转方向是逆时针的，则该轴密封件42的螺旋将是右螺旋并且该轴密封件82的螺旋将是左螺旋。该轴22相对于该涡轮机侧40的轴密封件42的螺旋的旋转结合油的粘性特质，将对存在于该轴22的外表面与该轴密封件42的内表面106之间的空间里的油产生一个泵送效应。轴旋转的方向和该轴密封件42的螺旋方向被安排成以便由该泵送效应产生的压力梯度致使油朝向该轴承壳体16回流，进而防止油游移到该涡轮机壳体14中。类似地，该轴22相对于该压缩机侧66的轴密封件82的螺旋的旋转结合油的粘性特质，将对存在于该抛油环套筒56的外表面与该轴密封件82的内表面106之间的空间里的油产生一个泵送效应。轴旋转的方向和该轴密封件82的螺旋方向被安排成以便由该泵送效应产生的压力梯度致使油朝向该轴承壳体16回流，进而防止油游移到该压缩机壳体18中。
在第一替代实施例中，这些条纹112从这些轴密封件42、82的内表面106上除去并且不仅仅依赖于由这些侧壁108、110所形成的螺旋来将油引导回到该轴承壳体16中。
在第二替代实施例中，该槽44从该轴22的直径扩大的部分36上省掉并且该轴密封件42向外偏置到形成在该轴承壳体16上的一个槽中。这允许使用连续的轴表面。类似地，该槽84从该抛油环套筒56中省掉并且该轴密封件82向外偏置到形成在该轴承壳体盖62上的一个槽中。这允许使用连续的抛油环套筒表面。
在第三替代实施例中，参照图6和图7，一个轴密封件120被形成为一个单一C-形线圈，该线圈类似于一个常规活塞环密封件。该轴密封件120被压缩到该轴22的直径扩大的部分36中的槽44内和/或该抛油环套筒56中的槽84内。该轴密封件120包括多个端面122、124，这些端面总体上与该轴22的旋转轴线R1垂直。该轴密封件120的内表面126包括多个条纹128，这些条纹相对这些端面122、124成一个角度布置以便这些条纹128形成围绕该轴22的螺旋。轴旋转的方向和螺旋方向被安排成以便由该泵送效应产生的压力梯度致使油朝向该轴承壳体16回流。
以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种用于涡轮增压器(10)的轴(22)的密封件(42，82)，以防止液体从轴承壳体(16)中泄漏出来，所述密封件(42，82)包括：
一个柱体，该柱体在相对的端面(116，118)之间延伸并且包括在所述相对的端面(116，118)之间延伸的一个柱状孔以用于在其中接收该轴(22)，所述柱状孔限定了一个内表面(106)，该内表面具有至少一个条纹(112)，该至少一个条纹围绕该轴(22)以螺旋方向延伸；
其中该轴(22)相对所述密封件(42，82)的旋转对存在于该轴(22)与所述密封件(42，82)的所述内表面(106)之间的液体产生了一个泵送效应，由此致使该液体向该轴承壳体(16)回流。
2.如权利要求1所述的密封件(42，82)，其中当在该轴承壳体(16)内观察时，所述至少一个条纹(112)的所述螺旋方向与该轴(22)的旋转方向相反。
3.如权利要求2所述的密封件(42，82)，其中所述内表面(106)包括多个围绕该轴(22)在所述螺旋方向上延伸的条纹(112)。
4.如权利要求3所述的密封件(42，82)，其中所述多个条纹(112)各自总体上彼此平行。
5.如权利要求4所述的密封件(42，82)，其中所述柱体是一个螺旋线圈，该螺旋线圈包括多个环圈(114)，其中所述多个环圈(114)中的每个环圈直接与所述多个环圈(114)中的每个相邻的环圈邻接。
6.如权利要求5所述的密封件(42，82)，其中所述多个环圈(114)中的每个环圈包括相对的第一侧壁和第二侧壁(108，110)，其中所述多个环圈(114)中的一个环圈的所述第一侧壁(108)邻接所述多个环圈(114)中的相邻环圈的所述第二侧壁(110)，这样使得所述第一侧壁和第二侧壁(108，110)围绕该轴(22)在所述螺旋方向上延伸。
7.如权利要求6所述的密封件，其中所述柱体的所述相对的端面(116，118)总体上垂直于该轴(22)。
8.一种用于内燃发动机的涡轮增压器(10)，包括：
一个壳体组件(12)，该壳体组件包括第一壳体(14)和联接到所述第一壳体(14)上的第二壳体(16)，其中所述第二壳体(16)包括布置在其内的液体；
一个轴(22)，该轴延伸穿过所述第二壳体(16)并且进入所述第一壳体(14)，所述轴(22)围绕一条旋转轴线是可旋转的；以及
一个第一密封件(42)，该第一密封件环绕所述轴(22)并且被径向地布置在所述轴(22)与所述第二壳体(16)之间以防止液体从所述第二壳体(16)中泄漏出来并且进入所述第一壳体(14)中，所述第一密封件(42)包括一个在相对的端面(116，118)之间延伸的柱体并且具有一个在所述相对的端面(116，118)之间延伸的柱状孔，该柱状孔用于接收穿过其中的所述轴(22)，所述柱状孔限定了一个内表面(106)，该内表面具有至少一个围绕所述轴(22)在第一螺旋方向上延伸的条纹(112)；
其中所述轴(22)相对所述第一密封件的旋转对存在于所述轴(22)与所述第一密封件(42)的所述内表面(106)之间的所述液体产生了一个泵送效应，由此致使所述液体向所述第二壳体(16)回流。
9.如权利要求8所述的涡轮增压器(10)，其中当在所述第二壳体(16)内观察时，所述第一密封件上的所述至少一个条纹(112)的所述第一螺旋方向与所述轴(22)的旋转方向相反。
10.如权利要求9所述的涡轮增压器(10)，其中所述内表面(106)包括多个围绕该轴(22)在所述第一螺旋方向上延伸的条纹(112)。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器(10)，其中所述柱体是一个螺旋线圈，该螺旋线圈包括多个环圈(114)，其中所述多个环圈(114)中的每个环圈直接与所述多个环圈(114)中每个相邻的环圈邻接。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器(10)，其中所述柱体的所述相对的端面(116，118)总体上垂直于所述旋转轴线。
13.如权利要求8所述的涡轮增压器(10)，进一步包括：
一个第三壳体(18)，其中所述第二壳体(16)被联接在所述第一壳体(14)与第三壳体(18)之间，并且所述轴(22)延伸穿过所述第二壳体(16)并且进入所述第三壳体(18)中；以及
一个第二密封件(82)，该第二密封件环绕所述轴(22)并且被径向地布置在所述轴(22)与所述第二壳体(16)之间以防止液体从所述第二壳体(16)中泄漏出来并且进入所述第三壳体(18)中，所述第二密封件(82)包括一个在相对的端面(116，118)之间延伸的柱体并且具有一个在所述相对的端面(116，118)之间延伸的柱状孔，该柱状孔用于接收穿过其中的所述轴(22)，所述柱状孔限定了一个内表面(106)，该内表面具有至少一个围绕所述轴(22)在第二螺旋方向上延伸的条纹(112)，所述第二螺旋方向与所述第一螺旋方向相反；
其中所述轴(22)相对所述第二密封件(82)的旋转对存在于所述轴(22)与所述第二密封件(82)的所述内表面(106)之间的所述液体产生了一个泵送效应，由此致使所述液体向所述第二壳体(16)回流。
14.如权利要求13所述的涡轮增压器(10)，其中当在所述第二壳体(16)内观察时，所述第二密封件(82)上的所述至少一个条纹(112)的所述第二螺旋方向与所述轴(22)的所述旋转方向相反。
15.如权利要求14所述的涡轮增压器(10)，其中所述第一壳体(14)是一个涡轮机壳体，所述第二壳体(16)是一个轴承壳体，并且所述第三壳体(18)是一个压缩机壳体。
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