CN104975941B - 涡轮增压器轴承壳体油槽 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃发动机的涡轮增压器包括轴承壳体和由所述轴承壳体限定的轴承孔。轴承孔具有被构造成接收流体的环形轴承槽。轴颈轴承被设置在孔内使得环形轴承槽包围轴颈轴承并且将流体供给至轴颈轴承。涡轮增压器还包括具有轴的旋转组件，所述轴具有涡轮叶轮和压缩机叶轮。轴具有纵向轴线并且由所述轴颈轴承支撑用于绕所述轴线在孔内旋转。环形轴承槽的特征在于其在沿着并且穿过所述纵向轴线截取的轴承孔的横截面视图中具有梯形形状部。梯形形状部被构造成在所述流体中产生泰勒漩涡用于捕获由所述流体承载的碎物并且保持所述碎物使其不被供给至所述轴颈轴承。

Description

涡轮增压器轴承壳体油槽

相关申请交叉引用

本申请要求于2014年4月4日递交的、申请号为61/975,368的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种涡轮增压器轴承壳体中的油槽。

背景技术

内燃发动机(ICE)通常被要求在可靠的基础上产生长时间可观水平的功率。许多这种ICE组件采用增压装置，诸如排气气体涡轮驱动的涡轮增压器，以在气流进入发动机的进气歧管前将其压缩，目的是增大功率和效率。

具体地，涡轮增压器是促使更多空气、以及因而更多氧气进入ICE的燃烧室内的离心气体压缩机，在这种方式中进入燃烧室的空气和氧气多于以其他方式而可从外部环境大气压力获得的空气和氧气。附加量的含氧空气被促使进入ICE内从而改进发动机的容积效率，允许其在给定的循环中燃烧更多的燃料，并且由此产生更大功率。

典型的涡轮增压器采用中心轴，其在排气驱动的涡轮叶轮和空气压缩机叶轮之间传递旋转运动。这种轴通常由推力和轴颈轴承支撑在轴承壳体内，所述推力和轴颈轴承由发动机油润滑并冷却，并且频繁接收来自特别定制的发动机冷却剂的附加冷却。

发明内容

本公开的一个实施例涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器，所述内燃发动机包括燃烧室。涡轮增压器包括轴承壳体。轴承孔由轴承壳体限定并且具有被构造成接收流体的环形轴承槽。轴颈轴承(journal bearing)被设置在孔内使得环形轴承槽包围轴颈轴承并且将流体供给至轴颈轴承。涡轮增压器还包括具有轴的旋转组件，所述轴具有被构造成通过由燃烧室排出的燃烧后气体驱动的涡轮叶轮和被构造成增压气流用于传送至燃烧室的压缩机叶轮。轴具有纵向轴线并且由所述轴颈轴承支撑用于绕所述纵向轴线在孔内旋转。环形轴承槽的特征在于其在沿着并且穿过所述纵向轴线截取的轴承孔的横截面视图中具有梯形形状部。轴承槽的梯形形状部被构造成在流体中产生泰勒漩涡(Taylorvortices)用于捕获由流体承载的碎物(debris)并且保持碎物使其不从环形轴承槽至轴颈轴承。

轴颈轴承可被构造为全浮动(fully-floating)轴承。在这种情况下，供给至轴颈轴承的流体可形成轴承孔和轴颈轴承之间的第一流体膜，并且还可形成轴颈轴承和轴之间的第二流体膜。

发动机可包括被构造成增压流体的流体泵。这种增压的流体可被引导至环形轴承槽以润滑轴颈轴承并且产生第一和第二流体膜。

轴承孔还可包括被并入到环形轴承槽内的楔形槽。楔形槽可被构造成，即，具有一定的形状并且被定位为当流体泵停止增压流体时使用重力用于捕捉碎物。

轴颈轴承可包括由内直径限定的第一表面、由外直径限定的第二表面、以及连接第一和第二表面的通道。在这种情况下，环形轴承槽可被定位为与通道对齐并且通过通道供给流体。

轴颈轴承可包括多个这种通道，并且环形轴承槽可被定位为与多个通道的每个对齐并且通过其供给流体。

涡轮增压器可包括多个这种轴颈轴承以及多个这种环形轴承槽。在这种情况下，每个环形轴承槽可包围相应的轴颈轴承。

每个轴颈轴承可被构造为黄铜衬套。

轴承壳体可由铸铁形成。此外，每个环形轴承槽可或者被机加工、或者被铸造进入轴承壳体内。

本公开的另一实施例涉及一种具有如上文描述的涡轮增压器的内燃发动机。

本发明公开一种内燃发动机，包括：

发动机体，其限定燃烧室，该燃烧室被构造成接收空气-燃料混合物用于在其中燃烧并且被构造成将燃烧后气体从其排出；以及

涡轮增压器，其被构造成接收来自周围环境的气流以及来自所述燃烧室的燃烧后气体，所述涡轮增压器包括：

轴承壳体；

轴承孔，其由所述轴承壳体限定并且具有被构造成接收流体的环形轴承槽；

轴颈轴承，其被设置在所述轴承孔内使得所述环形轴承槽包围所述轴颈轴承并且将所述流体供给至轴颈轴承；以及

旋转组件，其具有轴，所述轴具有被构造成由燃烧后气体驱动的涡轮叶轮和被构造成增压所述气流用于传送至所述燃烧室的压缩机叶轮；

其中：

所述轴具有纵向轴线并且由所述轴颈轴承支撑用于绕所述纵向轴线在所述轴承孔内旋转；

所述环形轴承槽的特征在于其在沿着并且穿过所述纵向轴线截取的所述轴承孔的横截面视图中具有梯形形状部；并且

所述梯形形状部被构造成在所述流体中产生泰勒漩涡用于捕获由所述流体承载的碎物并且保持所述碎物使其不被供给至所述轴颈轴承。

其中轴颈轴承被构造为全浮动轴承使得所述被供给至其的流体形成在所述轴承孔和所述轴颈轴承之间的第一流体膜以及在所述轴颈轴承和所述轴之间的第二流体膜。

发动机还包括被构造成增压所述流体的流体泵，其中所述增压的流体被引导至所述环形轴承槽以润滑所述轴颈轴承并且产生所述第一和第二流体膜。

其中轴承孔包括楔形槽，所述楔形槽被并入到所述环形轴承槽内并且被构造成当所述流体泵停止增压所述流体时使用重力捕捉所述碎物。

其中轴颈轴承包括由内直径限定的第一表面、由外直径限定的第二表面、以及连接所述第一和第二表面的通道。

其中环形轴承槽被定位为与所述通道对齐并且通过所述通道供给所述流体。

其中通道包括多个通道并且所述环形轴承槽被定位为与所述多个通道的每个对齐并且通过所述多个通道供给所述流体。

其中轴颈轴承是多个轴颈轴承并且所述环形轴承槽是多个环形轴承槽，并且其中每个环形轴承槽包围相应的轴颈轴承。

其中轴颈轴承是黄铜衬套。

其中环形轴承槽是机加工、以及铸造进入所述轴承壳体的一种。

当结合附图和所附权利要求时，本公开的上述特征和优势、以及其他特征和优势从用于实施所描述的公开的实施例(一个或多个)和最佳模式(一个或多个)的以下详细描述中将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本公开的具有涡轮增压器的发动机的示意性透视图。

图2是在图1中示出的涡轮增压器的示意性横截面视图，其中涡轮增压器包括旋转组件和用于将所述旋转组件支撑在轴承壳体内部的轴颈轴承。

图3是在图2中示出的轴承壳体的示意性特写剖视图，具体地示出了轴颈轴承的细节，以及环形轴承槽。

图4是在图2和图3中示出的轴颈轴承的透视图。

图5是在图3中示出的环形轴承槽的示意性剖视图。

图6是在图3和图5中示出的环形轴承槽的特写透视图，连同用于捕捉油中载有碎物的并入楔形槽。

具体实施方式

参照附图，其中贯穿多个附图，相同的附图标记对应于相同的或相似的部件，图1图示了内燃发动机10。发动机10还包括具有被布置在其中的多个汽缸14的发动机体或汽缸体12。如示出的，发动机10还包括汽缸盖16。每个汽缸14包括被构造成在其中往复运动的活塞18。燃烧室20在汽缸盖16的底部表面和活塞18的顶部之间被形成在汽缸14内。如本领域中的技术人员已知的，燃烧室20被构造成接收燃料-空气混合物用于在所述燃烧室中的后续燃烧。

如示出的，发动机10还包括被构造成在汽缸体12内旋转的曲轴22。由于适当比率的燃料-空气混合物在燃烧室20中燃烧，曲轴22由活塞18旋转。在空气-燃料混合物在特定燃烧室20内部被燃烧后，特定活塞18的往复运动使得燃烧后气体24从相应的汽缸14排出。发动机10还包括流体泵26。流体泵26被构造成将增压流体或发动机油28供应至各种轴承，诸如曲轴22的轴承。泵26可直接地由发动机10驱动，或由电动机(未示出)驱动。

发动机10附加地包括进气系统30，其被构造成将来自外部环境的气流31引导至汽缸14。进气系统30包括进气道32、涡轮增压器34、以及进气歧管36。虽然未示出，进气系统30可附加地包括涡轮增压器34的空气过滤器上游用于移除来自气流31的外来微粒和其他空气载有的(airborne)碎物。进气道32被构造成将来自外部环境的气流31引导至涡轮增压器34，而涡轮增压器被构造成增压所接收的气流，并且将所增压的气流放出至进气歧管36。进气歧管36又将先前增压的气流31分配至汽缸14用于与适当量的燃料混合并且随后将得到的燃料-空气混合物燃烧。虽然本公开关注的是具有往复运动配置的内燃发动机10，但是其他发动机设计，诸如具有燃烧室20但是不具有往复运动的活塞的旋转发动机也被预见。

如在图2中所示的，涡轮增压器34包括旋转组件38。旋转组件38包括轴40，其典型地由钢形成并且由第一端40A和远侧的第二端40B限定。涡轮叶轮46被安装在轴40上靠近与第一端40A并且被构造通过从汽缸14排出的燃烧后气体24连同轴40绕轴的纵向轴线42旋转。涡轮叶轮46被设置在涡轮壳体48内部，所述涡轮壳体包括涡形部或卷形部50。卷形部50接收燃烧后排气气体24并且将排气气体引导至涡轮叶轮46。卷形部50被构造成实现涡轮增压器34的特定性能特性，诸如效率和响应。

如在图2中进一步示出的，涡轮增压器34还包括压缩机叶轮52，其安装在轴40上靠近于第二端40B。压缩机叶轮52被构造成增压从外部环境接收的气流31用于最终传送至汽缸14。压缩机叶轮52被设置在压缩机盖54的内部，所述压缩机盖包括涡形部或卷形部56。卷形部56接收气流31并且将气流引导至压缩机叶轮52。卷形部56被构造成实现涡轮增压器34的特定性能特性，诸如峰值气流和效率。因此，通过燃烧后排气气体24激励涡轮叶轮46，旋转被施加至轴40，并且由于压缩机叶轮被固定至轴，所以上述旋转又传送至压缩机叶轮52。如由本领域技术人员所理解的，燃烧后排气气体24的可变流量和力影响增压压力的量，所述增压压力可由压缩机叶轮52贯穿发动机10的工作范围产生。

继续参照图2并且还如图3中的特写视图示出的，轴40经由轴颈轴承58支撑用于绕轴线42的旋转。如在图4中示出的，每个轴颈轴承58包括由内直径D1限定的第一表面58A和由外直径D2限定的第二表面58B。如在图2-4中示出的，每个轴颈轴承58还包括流体地连接第一表面58A和第二表面58B的多个通道59。轴颈轴承58被定位在轴承壳体62的轴承孔60中，并且通过经由泵26供应的增压发动机油28的供应而被润滑和冷却。轴承壳体62可由鲁棒材料形成，诸如铸铁，目的是在涡轮增压器34的工作过程中提供给轴承孔60以高温和高载荷下的尺寸稳定性。轴颈轴承58被构造成控制轴40的径向运动和振动。

如在图2-3中示出的，轴颈轴承58具有典型地由相对软的金属形成的全浮动设计，所述相对软的金属例如黄铜或青铜，使得来自轴40和轴颈轴承之间任何接触的大多数磨损将发生在轴承上。由于每个轴颈轴承58的全浮动设计，故它们大体上被约束而不沿着轴线42移动，但是提供有在轴承孔60内径向地移动或浮动的自由度，即，在横向于轴线42的方向上。这种径向移动的提供，允许每个轴颈轴承58容许(take up)轴40的任何径向位移，所述径向位移可由轴、涡轮叶轮46、和/或压缩机叶轮52中的不平衡发展而来。附加地，轴颈轴承58的全浮动设计准许轴颈轴承在轴承孔60中旋转并且由此减少在轴颈轴承中局部磨损的可能性。

在涡轮增压器34的工作过程中，来自泵26的增压发动机油28被传送至轴承壳体62并且被供给至轴颈轴承58。增压油28润滑轴承并且产生在轴颈轴承58的第一表面58A和轴40之间的第一流体或油膜28A、以及在轴承孔60和轴颈轴承的第二表面58B(图3中未示出)之间的第二流体或油膜28B。第一和第二油膜28A、28B提供用于在涡轮增压器34的工作过程中支撑旋转轴40的液动阻尼层，因而减少在涡轮增压器34的高速工作过程中壳体62、轴颈轴承58、以及轴40之间直接物理接触的可能性。反过来，这种壳体62、轴颈轴承58、以及轴40之间直接接触的减少用于延长轴颈轴承的使用寿命，同时减少摩擦损耗、噪音、以及振动，并且增强在其工作过程中涡轮增压器34的响应。

如在图2、图3、图5、和图6中示出的，轴承孔60包括被构造成经由被布置在轴承壳体62中的流体通道65接收来自流体泵26的增压发动机油28的环形轴承槽64。每个轴颈轴承58被设置在轴承孔60内使得一个环形轴承槽64包围相应的轴颈轴承并且将增压油28供给至轴颈轴承。每个环形轴承槽64被定位为与相应轴颈轴承58中的通道59对齐，并且通过通道59供给增压油28以润滑轴40。如在图3中示出的，环形轴承槽64的特征在于其在沿着并且穿过纵向轴线42截取的轴承孔60的横截面视图中具有梯形形状部66。轴承槽64被构造成在增压油28中产生“泰勒漩涡”用于捕获可由油承载的任何碎物并且保持这种碎物使其不从环形轴承槽64被供给至相应的轴颈轴承58。如在图5中示出的，梯形形状部66由倾斜腿部68和70、以及由具有相应长度L1和L2的平行基部72和74限定。梯形形状部66提供增压油28中“泰勒漩涡”的增强的形成。虽然梯形形状部66的腿部68和70不是平行的，但是它们可被布置为相对于横向于轴线42的平面76具有相等的角度θ。附加地，如示出的，构成轴承壳体62的表面的基座72的长度L1短于构成轴承槽64的开口的基座74的长度L2。

可替换地，环形轴承槽64可在沿着并且穿过纵向轴线42截取的轴承孔60的横截面视图中具有大体上矩形或半圆形形状以产生增压油28中“泰勒漩涡”的至少一种度量并且捕获油中载有的碎物(未示出)。上文提到的大体上矩形的形状部可包括在一些或全部矩形侧面会聚位置处的斜的拐角(beveled corner)。虽然环形轴承槽64的矩形或半圆形形状部可比梯形形状部66产生增压油28中“泰勒漩涡”的更小度量，但是这种替代的轴承槽形状部在涡轮增压器34的特定应用可充分有效地保持油中载有的碎物而使其不被供给至相应的轴颈轴承58。

被限制在两个旋转汽缸之间的间隙中的粘性流体流动的液动稳定性，诸如在轴颈轴承58和轴承孔60之间或在轴40和轴颈轴承58之间，经受流体流动的角速度，并且已知为“泰勒-库爱特(Taylor-Couette)”流动。对于低的角速度，由雷诺数Re测得的，流体流动是稳定的并且是单一方位的(purely azimuthal)，即，相对于旋转中心处于相同的角度方向上。随着内汽缸的角速度增大至某一阈值以上，流体流动变得不稳定并且变为次级稳态流动模式，其特征在于叠放在流体中的其他形式的顶部上的一个的轴对称螺旋漩涡。具有因而形成的在两个旋转汽缸之间的间隙中的轴对称螺旋漩涡在流体动力学领域中已知为泰勒漩涡气流，或简单地称为“泰勒漩涡”。随着汽缸的角速度进一步增大，流体流动将经历不稳定的发展(越发不稳定)。在更大的雷诺数下，流体流动将初始地从泰勒漩涡流动过渡至不稳定的“波状漩涡”，并且随后将经历动荡的开始(onset of turbulence)。

通过计算建模和经验测试，已经确定的是环形轴承槽64的梯形形状部66在涡轮增压器34的工作速度下产生或诱导增压油28中的“泰勒漩涡”方面是有效的，所述工作速度可以达到200转/分钟。一旦油流体中已经形成了在轴颈轴承58和轴承孔60之间的间隙内的泰勒漩涡，该漩涡趋向于捕获有时存在于增压油28中的碎物微粒并且保持这种微粒使其不变得抵靠(lodged against)轴颈轴承58的第二表面58B。因此，所形成的“泰勒漩涡”趋向于减少碎物微粒嵌入到轴颈轴承的相对软材料中的可能性、穿透第二油膜28B、并且导致对第二表面58B的损伤。

如在图6中示出的，轴承孔60可包括楔形槽78。如示出的，楔形槽78被并入到环形轴承槽64的下部部分内或者与该下部部分连结。因此，每个楔形槽78在相应的轴颈轴承58下形成轴承孔60中的局部凹坑(sump)。楔形槽78可在相应环形轴承槽64的下部部分处，或者被机加工、或者被铸造到轴承孔60内。当油28不再被增压时，由于楔形槽78的形状和定位，每个楔形槽可依靠重力捕捉先前被捕获在“泰勒漩涡”中的碎物。因此，楔形槽78被构造成当流体泵26停止增压油28时(诸如关闭发动机10)经由重力捕捉油中载有的碎物。

详细的描述以及图或附图是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了一些用于实施权利要求中所限定的公开的最佳模式和其他实施例，但是存在用于实行所附权利要求中所限定的本公开的各种替代设计和实施例。此外，图中示出的实施例或上文描述中提到的各种实施例的特征非必须地被理解为彼此独立的实施例。相反，可能的是，实施例的示例的一个中描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个希望的特征结合，导致出现没有用文字描述或参照附图的其他实施例。因此，这种其他的实施例落入所附权利要求范围的框架内。

Claims (8)

1.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，所述内燃发动机具有燃烧室，所述涡轮增压器包括：

轴承壳体；

轴承孔，其由所述轴承壳体限定并且具有被构造成接收流体的环形轴承槽；

轴颈轴承，其被设置在所述轴承孔内使得所述环形轴承槽包围所述轴颈轴承并且将所述流体供给至轴颈轴承；以及

旋转组件，其具有轴，所述轴具有被构造成通过由燃烧室排出的燃烧后气体驱动的涡轮叶轮和被构造成对气流增压，以用于传送至所述燃烧室的压缩机叶轮；

其中：

其中所述轴颈轴承包括由内直径限定的第一表面、由外直径限定的第二表面、以及连接所述第一和第二表面的通道

所述轴具有纵向轴线并且由所述轴颈轴承支撑用于绕所述纵向轴线在所述轴承孔内旋转；

所述环形轴承槽的特征在于其在沿着并且穿过所述纵向轴线截取的所述轴承孔的横截面视图中具有梯形形状部且被定位为与所述通道对齐并且通过所述通道供给所述流体；并且

所述梯形形状部被构造成在所述流体中产生泰勒漩涡用于捕获由所述流体承载的碎物并且保持所述碎物使其不被供给至所述轴颈轴承。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述轴颈轴承被构造为全浮动轴承使得所述被供给至其的流体形成在所述轴承孔和所述轴颈轴承之间的第一流体膜以及在所述轴颈轴承和所述轴之间的第二流体膜。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中所述发动机包括被构造成增压所述流体的流体泵，并且其中所述增压的流体被引导至所述环形轴承槽以润滑所述轴颈轴承并且产生所述第一和第二流体膜。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述轴承孔包括楔形槽，所述楔形槽被并入到所述环形轴承槽内并且被构造成当所述流体泵停止增压所述流体时使用重力以捕捉所述碎物。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述通道包括多个通道并且所述环形轴承槽被定位为与所述多个通道的每个对齐并且通过所述多个通道供给所述流体。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述轴颈轴承是多个轴颈轴承并且所述环形轴承槽是多个环形轴承槽，并且其中每个环形轴承槽包围相应的轴颈轴承。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述轴颈轴承是黄铜衬套。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中所述环形轴承槽是机加工的、以及铸造进入所述轴承壳体的一种。