CN105378247B - 包括轴对称供给空腔的涡轮增压器吹扫密封件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器旋转组件(125)包括经由轴承(26，128)可旋转地支撑在轴承壳体(123)中的轴(20)、安装在轴(20)上的压缩机叶轮(18)以及设置在轴承(26，128)与压缩机叶轮(18)之间的轴(20)上的抛油环(122)。涡轮增压器(100)，进一步包括设置在接纳轴的轴向孔(120)中以便围绕抛油环(122)的插入件(134)以及可操作地定位在插入件(134)与抛油环(122)之间的界面(131)中的吹扫密封件(160)，由此吹扫密封件(160)配置为使得从轴承壳体(123)到界面(131)中的油通过最小化。环形空腔(150)环绕插入件(134)的径向向外表面(138)，该空腔(150)形成配置为输送加压流体至界面(131)的流体路径的一部分。

Description

包括轴对称供给空腔的涡轮增压器吹扫密封件
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2013年7月26日的标题为“利用轴对称体积以有利于供气通道制造的涡轮增压器吹扫密封件”的美国临时申请第61/858978号的优先权及其所有权益，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及涡轮增压器以及用于涡轮增压器的密封系统。
背景技术
涡轮增压器设置在发动机上，以大于正常送气构造中可能存在的密度将空气输送到发动机进气口。这使得更多的燃料燃烧，因此增加了发动机的马力而没有明显地增加发动机的重量。
通常，涡轮增压器使用来自发动机排气歧管的排气流来由此驱动位于涡轮机壳体中的涡轮机叶轮，该排气流在涡轮机壳体入口处进入涡轮增压器的涡轮机级。涡轮机叶轮附连到可旋转地支撑在轴承壳体内的轴的一端。该轴驱动安装在该轴的另一端的压缩机叶轮。这样，涡轮机叶轮提供旋转动力来驱动压缩机叶轮，并且由此驱动涡轮增压器的压缩机。然后，将压缩空气供给至如上所述的发动机进气口。
涡轮增压器的压缩机级包括压缩机叶轮及其相关联的压缩机壳体。过滤后的空气轴向吸入至压缩机空气入口中，该入口限定了轴向延伸至压缩机叶轮的通道。压缩机叶轮的旋转对空气加压，产生从压缩机叶轮到压缩机蜗壳中的径向向外的气流，以便流向发动机。
涡轮机级和压缩机级中的压力条件常常能导致通过将旋转组件密封在轴承壳体上的密封机构而抽出油。油从轴承壳体到压缩机级和发动机燃烧室的内部流动通常被称为“压缩机端油通过”。压缩机端油通过是要避免的，这是因为它可导致催化剂受到污染以及不必要的排放物。面对日益严格的排放标准，压缩机端油通过的倾向正在成为一个更大的问题。
因此，有必要在涡轮增压器的压缩机端中的转动部件与静态部件之间设置增强的密封装置，尤其是在低涡轮增压器速度下。
发明内容
在一些方面，提供了一种用于涡轮增压器的密封系统，其包括具有轴向孔、旋转组件和插入件的轴承壳体。旋转组件包括具有旋转轴线的轴(该轴通过轴承可旋转地支撑在轴向孔中)、安装在轴上的压缩机叶轮以及设置在轴承和压缩机叶轮之间的轴上的抛油环。插入件设置在轴向孔中，以便围绕抛油环，并限定出径向向外表面。该密封系统包括吹扫密封件，其可操作地定位在插入件与抛油环之间的界面中。吹扫密封件配置为将加压流体引入界面中，并包括环绕插入件的径向向外表面的环形空腔。空腔形成配置为输送加压流体至界面的流体路径的一部分。
密封系统可包括以下一个或多个特征：插入件包括至少一个向空腔和界面这两者打开的径向孔，并形成流体路径的另一部分。密封系统包括第一活塞环和第二活塞环。第一活塞环和第二活塞环设置在抛油环的径向向外表面与插入件之间。径向孔在第一活塞环与第二活塞环之间的位置处与界面相连通。插入件包括径向延伸的密封凸缘，而空腔限定在轴承壳体、插入件的径向向外表面以及密封凸缘之间。密封凸缘抵靠着轴承壳体的轴向表面。密封凸缘通过卡环相对于轴承壳体保持在适当的位置。插入件相对于轴承壳体的位置是由设置在插入件与轴承壳体的一部分之间的卡环来保持。供给通路与空腔流体连通，该供给通路形成流体路径的另一部分。O型环设置在插入件的径向向外表面上的凹槽中，该O型环在插入件的径向向外表面与轴承壳体的径向向内表面之间提供密封。
在一些方面，涡轮增压器包括轴承壳体，该轴承壳体具有轴向孔、连接到轴承壳体的一端的涡轮机级、连接到轴承壳体的相对端的压缩机级以及旋转组件。旋转组件包括具有旋转轴线且通过轴承可旋转地支撑在轴向孔中的轴、安装在轴上的压缩机叶轮以及设置在轴承与压缩机叶轮之间的轴上的抛油环。涡轮增压器还包括设置在轴向孔中以便围绕抛油环的插入件，插入件限定出径向向外表面。吹扫密封件可操作地定位在插入件与抛油环之间的界面中，该吹扫密封件配置为将加压流体引入界面中；以及环绕插入件的径向向外表面的环形空腔，该空腔形成配置为输送加压流体至界面的流体路径的一部分。
涡轮增压器可包括以下一个或多个特征：插入件包括至少一个向空腔和界面这两者打开的径向孔，并形成流体路径的另一部分。插入件包括径向延伸的密封凸缘，而空腔限定在轴承壳体、插入件的径向向外表面和密封凸缘之间。第一活塞环和第二活塞环设置在抛油环的径向向外表面与插入件之间，并且径向孔在第一活塞环与第二活塞环之间的位置处与界面相连通。供给通路与空腔流体连通，供给通路形成流体路径的另外一部分。插入件相对于轴承壳体的位置是由设置在插入件与轴承壳体的一部分之间的卡环来保持。
各实施例涉及在压缩机叶轮的背面与邻近组件(例如，轴承壳体和/或插入件)之间的密封系统。密封系统可以改善涡轮增压器的压缩机端上的动态旋转组件部件与的互补静态部件之间的密封，由此使压缩机端油通过和漏气减到最小。如本文所使用的，术语“漏气”是指高压变化空气(在压缩机侧)或排气(在涡轮机侧)泄漏入轴承壳体和发动机曲轴箱中。密封系统可包括密封元件，例如外部吹扫气体，以提高间隙密封。密封元件可以可操作地定位在旋转组件与互补静态部件之间的界面处。吹扫密封件选择性地提供外部加压气体或内部供给原料气(即空气)到间隙密封件处的界面，以保持向内指向的压力梯度，而不管涡轮增压器的工况如何。通过气体供给路径向吹扫密封件供给气体，该气体供给路径包括形成在轴承壳体中的气体通路、形成在旋转组件的插入件中的一个或多个径向孔、以及形成在轴承壳体中且位于气体供给路径与插入件的径向孔的中间并与它们流体连通的轴对称空腔。轴对称空腔用作环形歧管来将气体输送到插入件径向孔，而无需考虑插入件在轴承壳体中的方向。然而，可以理解的是，增加吹扫气体不会将漏气泄漏降低到间隙密封件的正常能力下来阻止漏气泄漏。
有利地是，气体供给路径内的轴对称空腔有利于制造气体供给源与间隙密封迷宫式体积之间的通道。例如，通道可以在更方便于机械加工的角度和更短的距离上进行机械加工。此外，消除了将连续的通道部分对准的需求。空腔有目的地放置来方便接近内部和外部吹扫气体源，其中包括来自通过扩散面连接的压缩机排放管线的内部源，以及包括发动机排气的外部源。在一些实施例中，部件集成来使复杂性降至最低。
附图说明
各实施例在附图中以示例和非限定性的方式进行图示，其中相同的附图标记指代相似的部件。
图1为传统涡轮增压器的剖视图。
图2为图1的传统涡轮增压器的压缩机端的一部分的放大视图。
图3为包括密封系统的涡轮增压器的剖视图。
图4为图3的涡轮增压器的芯组件的分解图。
图5为插入件的侧视图。
图6为图5的插入件的剖视图。
图7为传统插入件的剖视图。
图8为抛油环的透视图。
图9为图8的抛油环的剖视图。
图10为传统抛油环的剖视图。
图11为图3的涡轮增压器的压缩机端的一部分的放大视图。
图12为图3的涡轮增压器的轴承壳体的压缩机端的一部分的放大视图。
图13为图3的涡轮增压器的轴承壳体的剖视图，其中，图13的剖面是在相对于图3的剖面的角度上截取。
图14为包括可替代实施例的密封系统的涡轮增压器的剖视图。
图15为包括另一个可替代实施例的密封系统的涡轮增压器的剖视图。
图16为包括另一个可替代实施例的密封系统的涡轮增压器的剖视图。
图17为包括另一个可替代实施例的密封系统的涡轮增压器的剖视图。
图18为图17的涡轮增压器的插入件的透视图。
具体实施方式
本文所述的布置涉及在涡轮增压器的压缩机端上的动态旋转组件部件与互补静态部件之间使用的密封系统和方法。更具体地，这里的实施例涉及密封系统的形成，该密封系统能够在间隙密封件(例如，活塞密封环)界面的外侧上保持正压力，以防止油泄漏。在此公开了详细实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅旨在作为示例性的。因此，此处公开的特定结构和功能细节不应理解为具有限制性，而是仅仅作为权利要求的基础，以及作为代表性基础，以用于教导本领域技术人员以多种形式在实际上任何适当的详细的结构中采用此处的各方面。而且，此处使用的术语和短语并不旨在加以限制，而是提供可能的实现方式的可理解描述。
参见图1和图2，排气涡轮增压器10包括涡轮机级12和压缩机级14。涡轮增压器10使用来自发动机(未示出)的排气歧管的排气流来驱动涡轮机叶轮16，涡轮机叶轮16位于涡轮机壳体17中。一旦排气已经通过涡轮机叶轮16并且涡轮机叶轮16已经从该排气中提取了能量，那么，用过的排气就通过出口导流器离开涡轮机壳体17并且通过管道输送到车辆下行管且通常到达催化转化器、微粒收集器和NOx收集器等后处理装置。由涡轮机叶轮16提取的能量转化为用于驱动压缩机叶轮18的旋转运动，压缩机叶轮18位于压缩机壳体19中。压缩机叶轮18将空气吸入涡轮增压器10中、对该空气进行压缩并且将其输送至发动机的进气侧。涡轮增压器10包括旋转组件，其包括以下的主要部件：轴20、安装至轴20的一端的涡轮机叶轮16、安装于轴20的相对端上的压缩机叶轮18以及抛油环22。
旋转组件支撑来围绕轴承壳体23内的旋转轴线21旋转，轴承壳体23设置在涡轮机级12与压缩机级14之间。特别地，轴20在向其供给润滑剂(例如，通常由发动机供给的油)的流体动力轴承系统上旋转。油经由进油口24输送，以向轴颈轴承26和推力轴承28供给。在离开轴承后，油就排到轴承壳体23并且通过连接至发动机曲轴箱的排油口30离开。
涡轮机级12和压缩机级14中的压力条件常常能导致通过将旋转组件密封在轴承壳体23上的密封机构而抽出油。油从轴承壳体23到压缩机叶轮18的后壁38，经过压缩机叶轮18，再到压缩机级14和发动机燃烧室的内部流动通常被称为“压缩机端油通过”。压缩机端油通过是要避免的，这是因为它可导致催化剂受到污染以及不必要的排放物。面对日益严格的排放标准，压缩机端油通过的倾向正在成为一个更大的问题。除了超出排放限制或污染后处理系统之外，油通过还不理想地覆盖涡轮增压器扩散器和蜗壳的一部分，以及连接空气管路，降低涡轮增压器效率。
在涡轮增压器10内，于一个或多个静态涡轮增压器元件(例如，轴承壳体23和/或插入件34)与动态旋转组件(例如，涡轮机叶轮16、压缩机叶轮18、抛油环22和/或轴22)的一部分之间使用密封件，以将油从轴承壳体23到压缩机级14的通过降至最小。这类密封件还可以防止从压缩机级14至轴承壳体23的不想要的气体流动，这种情况称为漏气。例如，一个或多个间隙密封件32(例如，密封环或活塞环)可操作地定位在抛油环22与插入件34之间。各密封件32的一部分可以接纳在设置在抛油环22中的相应凹槽33中。
然而，在一些工况下，轴承壳体23中的油有可能绕着一个或多个间隙密封件32通过并进入压缩机壳体19。现在对这样的一种情况进行说明。插入件34与压缩机叶轮18之间的外侧空腔40中存在有空气。压缩机叶轮18绕着轴线21高速旋转。迫使靠近旋转的压缩机叶轮后壁38的空气由于空气与后壁38之间的摩擦而进行类似旋转。因此，可以存在有离心加速度(即在径向方向上)，该离心加速度在外侧空腔40中靠近轴20处形成较低的压力并且在靠近压缩机叶轮18的尖端42处形成较高的压力。对于界面31上的压差而言，这种压力梯度是不利的，也就是说，外部侧31a的压力低于内部侧31i的压力，进而可能会引起压缩机端油通过。
在这种状况下，来自推力轴承28与插入件34之间的内侧空腔46的油围绕一个或多个密封环32形成流动44。如上所述，这个流44由强制涡流抽出，进而变成压缩机叶轮后壁38后面的流48。这个流48通过压缩机级扩散器50而抽出(见图1)。在某些情况下，可以通过使压缩机叶轮18在轴承壳体23中机械地凹进来抵消这种降低的压力的效应。这种布置的结果是，来自压缩机级14的一些加压空气可以转向到压缩机叶轮18后面的外侧空腔40。这种压缩空气的转向改变了从压缩机叶轮尖端42至一个或多个密封件32的外侧空腔40周围的压力平衡，并使得这种油通入压缩机排气口中且随后进入发动机的燃烧系统中的可能性降至最小。
对于大部分的典型工况而言，沿着压缩机后壁的径向压力梯度能够将外侧密封件压力维持在内侧密封件压力之上。然而，存在一些更加困难或者无法维持密封件外部侧的正压的工况，这些工况包括低涡轮增压器速度或零涡轮增压器速度、受到限制的压缩机入口、两级顺序涡轮系统中的低压级的排气制动或启动。在这类情况下，油或其他润滑剂44有可能围绕一个或多个密封件32通过。下面将更详细地呈现这些实例中的其中一些。
当装备有发动机压缩式排气制动器的重型满载卡车在一条长而稳定的斜坡上行驶时，可使用排气制动器来阻断涡轮机叶轮16下游的排气的流动，并使车辆减速，而不依赖于车辆的车轮制动器。卡车的质量和惯性可推动卡车滑下山坡，这通过车辆变速箱迫使发动机进行旋转。在没有燃料引入发动机中的情况下，发动机就像对抗排气制动器的阻断的空气泵一样发挥作用，使得卡车的速度减慢。通过涡轮机级12的气体的质量流大大减少，从而使得涡轮增压器轴20的旋转速度不是主要由涡轮机级12来驱动。
车辆通过车辆变速箱对发动机的制动作用(现在起到空气泵的作用)能够产生抽空(例如，由于其通过压缩机级14抽出空气而在进气系统中产生真空)。压缩机级14中的抽空改变了压缩机端密封件32上的压缩机叶轮18的尖端42处的压差。这在密封环32上导致了不利的压差，这可以导致压缩机端油通过。当出现这种排气制动器驱动情形时，已经形成的抽空可以压倒通常使用的密封环压差固定件(例如，使压缩机叶轮18凹进)，并且引起了从轴承壳体23进入压缩机排气口中并随后进入发动机燃烧系统的油通过。
在压缩机为串联布置的分级涡轮增压器中的高压(HP)压缩机级会出现类似的问题。在串联压缩机配置中，低压(LP)压缩机的排气口通过管道直接导向至HP压缩机的入口。当将排气质量流引导到较小的高压HP涡轮增压器的涡轮机级(即，不是被引导到LP涡轮增压器的较大的涡轮机级)时，HP压缩机的压缩机级可以将与容量可能更大的LP压缩机(其运转缓慢)的质量流输出相比更多的空气质量流抽入其入口中，且与较小的HP压缩机的质量流输入相比其质量流输出更少。因此，LP压缩机的压缩机级在抽空状态下运转，这样会在HP涡轮增压器的压缩机端密封环上导致不利的压差。
参见图3至图4，排气涡轮增压器100包括密封系统，其在涡轮增压器100的所有工况下有效地最小化或防止压缩机端油通过和漏气，正如以下详细讨论。涡轮增压器100类似于上述的传统涡轮增压器10。为此，共同的元件用共同的附图标记来表示，并且在适当时，不再重复对共同元件的描述。
涡轮增压器100包括轴承壳体123。形成了具有轴向延伸的孔120的轴承壳体123，孔120接纳并支撑旋转组件125，旋转组件125包括轴20、涡轮机叶轮16、压缩机叶轮18和改进的抛油环122。旋转组件125支撑来经由轴颈轴承26和推力轴承128围绕旋转轴线21旋转，推力轴承128经由螺栓129固定至轴承壳体123上。轴20的轴向载荷经由设置在其内侧的推力垫圈121以及设置在其相对的外侧的抛油环122的径向突出臂124来传递至推力轴承128。改进的插入件134环绕抛油环122的圆柱形部分126，借此插入件134设置在推力轴承128的压缩机面向侧的附近。
参见图5至图6，插入件134为大致圆柱形并包括中央的轴向延伸开口135，其具有足够的直径来接纳抛油环122的一部分从其中穿过。插入件134具有第一涡轮机面向端136、相对的压缩机面向端137以及在涡轮机面向端136与压缩机面向端137之间的径向向外侧表面138。插入件134包括至少一个径向孔139，其提供在侧表面138与中央开口135之间延伸的流体通道。在所示出的实施例中，插入件134包括两个沿直径方向相对的径向孔139，但是，插入件134并不限于具有一个或两个孔139。例如，插入件134可包括1、2、3、4、5或6个径向孔139。在一些实施例中，径向孔139围绕插入件134的圆周等距离地间隔开。插入件134包括从侧表面138径向地向外突出的密封凸缘140。密封凸缘140设置在径向孔139与压缩机面向端137之间。另外，插入件侧表面138包括设置在孔139与涡轮机面向端136之间的周向延伸凹槽142。凹槽142的形状和尺寸为用于在其中接纳O型环。
在涡轮增压器100中使用的插入件134与在一些传统涡轮增压器10中使用的现有技术插入件34之间的差异通过图6和图7的比较可以最佳地可见。具体而言，插入件(图6)相对于一些现有技术插入件34(图7)进行改进，该改进在于其包括配置为接合轴承壳体123的一部分(例如阶部(step)S3，如下文讨论)的径向延伸的密封凸缘140，并且包括径向孔139，而现有技术插入件34省略了这些特征。另外，插入件134省略了在现有技术插入件34的涡轮机面向端36上形成的排油沟槽36a。排油沟槽36a因为包括吹扫密封件160的密封系统的实施而不再需要，并且在插入件134中省去，以提供更简单的设计并提高制造效率。
参见图8至图9，抛油环122为大致圆柱形且沿轴向方向是细长的。抛油环122包括中央的轴向延伸的开口127，该开口127具有与轴20的直径相对应的直径。抛油环122具有第一涡轮机面向端130、相对的压缩机面向端131以及在涡轮机面向端130与压缩机面向端137之间的径向向外的侧表面132。抛油环122包括从侧表面132径向地向外突出的臂124。臂124邻近于涡轮机面向端136设置，并且抛油环122设置在臂124与压缩机面向端131之间的部分称作为圆柱形部分126。一对周向延伸的凹槽133在圆柱形部分126内的侧表面132中形成。每个凹槽133配置为在其中接纳活塞环32。
在涡轮增压器100中使用的抛油环122与在一些传统涡轮增压器10内使用的现有技术抛油环22之间的差异通过图9和图10的比较可以最佳地可见。具体而言，抛油环122(图9)相对于一些现有技术抛油环22(图10)进行修改，该改进在于其包括相对于现有技术抛油环22的凹槽33的轴向间距而增加的凹槽133的轴向间距。增加的间距有助于确保吹扫密封件的空气供给通路且特别地插入件134的径向孔139在凹槽133之间的位置处打开并且由此也在活塞环32之间的位置处打开。此外，抛油环122省去了在现有技术抛油环臂27的压缩机面向侧上包括的“悬挂”特征27a。悬挂特征27a因为包括吹扫密封件160的密封系统的实施而不再需要，并且在抛油环122中省去，以提供更简单的设计并提高制造效率。
参见图11和图12，轴承壳体轴向孔120包括用于容纳轴颈轴承26的轴颈部分120a以及与轴承壳体123的压缩机端相邻的增大的直径部分120b，该直径部分120b用于容纳推力轴承128、抛油环122和插入件134。增大的直径区域120b在径向尺寸上是不一致的，这使得轴承壳体123限定出一系列环形阶部123a、123b、123c、123d、123e，每个阶部具有大于轴颈部分120a的直径D1的唯一的直径。
第一环形阶部123a具有直径Da。第一环形阶部123a限定出径向向内的表面，该表面具有足以环绕推力轴承128、抛油环臂124和插入件134的一部分的轴向尺寸。第一轴向向外的压缩机面向肩部S1在轴承壳体123中于轴颈部分120a与第一环形阶部123a之间的过渡处形成。推力轴承128的涡轮机面向表面抵靠第一肩部S1，并且指向涡轮机端的轴向轴载荷经由第一肩部S1从推力轴承128传递至轴承壳体123。另外，指向压缩机端的轴向载荷经由螺栓129传递至第一肩部S1和轴承壳体123。为了确保能对推力轴承128进行支撑以及对轴对称体积进行密封，经由螺栓129将推力轴承128固定至第一肩部S1是很关键的。这种配置可以比作一些传统的涡轮增压器轴承系统，其中，扣环用来固定推力轴承，并且其中，制造公差可能会产生不一致的密封力和/或轴向承载力分布。
第二环形阶部123b限定出径向向内的表面，该表面具有足以环绕孔139的轴向尺寸。第二环形阶部具有直径Db，该直径Db大于第一环形阶部123a的直径Da和插入件侧表面138的直径D2，并且小于插入件密封凸缘140的直径D3。特别地，直径Da足够大，以使得在插入件侧表面138与第二环形阶部123之间存在有径向空间，由此形成了围绕插入件134的圆周的轴对称空腔150。第二环形阶部123b轴向地定位，以使得空腔150与插入件径向孔139流体连通。
第三环形阶部123c限定出径向向内的表面且具有直径Dc，该直径Dc大于第二环形阶部123b的直径Db和插入件密封凸缘140的直径D3。在轴承壳体123中，于第二环形阶部123b与第三环形阶部123c之间的过渡处形成了第二轴向向外的压缩机面向肩部S2。
第四环形阶部123d具有直径Dd，该直径Dd大于第二环形阶部123b的直径Db且小于第三环形阶部123c的直径Dc。在轴承壳体123中，于第三环形阶部123c与第四环形阶部123d之间的过渡处形成了第三轴向向内的压缩机面向肩部S3。第三肩部S3与第二肩部S2轴向地间隔开，由此在第二肩部S2、第三环形阶部123c与第三肩部S3之间限定出周向延伸的凹槽152。插入件密封凸缘140的自由端设置在凹槽152中，且同时插入件密封凸缘140的涡轮机面向表面抵靠第二肩部S2。此外，C形卡环118在凹槽152中设置在插入件密封凸缘140与第三肩部之间。卡环118用于将插入件134保持在所示配置下。
第五环形阶部123e限定出径向向内的表面，其具有足以环绕压缩机叶轮尖端42的轴向尺寸。第二环形阶部具有大于第四环形阶部123d的直径Dd的直径De。第二环形阶部123d轴向地与轴承壳体123的压缩机面向侧相邻定位，并且形成了接纳压缩机叶轮后壁38和尖端42的凹部。
参见图11和图13，为了在不考虑涡轮增压器100的工况的情况下防止压缩机端油通过和漏气，涡轮增压器100包括设置在轴承壳体123的压缩机端处的密封系统。密封系统包括与迷宫式密封件或间隙密封件(例如，密封环或活塞环32)相结合的吹扫密封件160。密封元件可操作地位于旋转组件125与插入件134之间的界面131处。
活塞环32设置在插入件134与抛油环122之间的界面131中。每个活塞环32的一部分都接纳于一个相应的凹槽133内，这些凹槽133设置在抛油环122的圆柱形部分126的径向向外侧表面132中。
吹扫密封件160通过选择性地将加压气体输送到在活塞环32之间的位置处的界面131来防止润滑剂从轴承壳体流入到压缩机级中，从而在整个活塞环32上提供了向内指向的压力梯度。重要的是吹扫空气是在活塞环之间，这是因为这在加压空气的两侧上提供了具有限制的区域。吹扫密封件160包括形成于轴承壳体123中的气体供给通路154(图13)、形成于插入件134中的径向孔139以及形成在轴承壳体123中且位于气体供给路径154与径向孔139的中间并与它们流体连通的轴对称空腔150。包括气体供给通路154、空腔150以及径向孔139的吹扫密封件160将加压气体引导到界面131。
气体供给通路154配置为接纳选择性地供给到吹扫密封件160的加压流体。在所示出的实施例中，气体供给通路154配置为接纳空气入口配件180(图4)，但并不限于此配置。
轴对称空腔150用作环形歧管以将气体输送到插入件径向孔139，无需考虑插入件134和/或孔139在轴承壳体123内的方向。通过设置环形轴对称空腔150，简化了具有吹扫密封件的涡轮增压器的制造，其原因在于，环形空腔150容易地制造成轴承壳体123的压缩机端面并且将气体输送到插入件径向孔139，而无需考虑插入件134的方向。这可以比作一些包括吹扫密封件气体供给路径的常规涡轮增压器，在所述吹扫密封件气体供给路径中，包括供给路径的连续部分的不同部件需要精确地制造和对准，以成功地提供连续的气体供给路径。
界面131的内侧131i的压力通常约为大气压力(1巴)，且其可以受到曲柄箱压力的影响。界面体积的目标压力可以是任何合适的压力，从而实现向内指向的压力梯度。在一个实施例中，界面处的目标压力可以为至少约100毫巴到约150毫巴，大于内侧的压力(300)。
能够以任何合适的方式选择性地实施向界面131的空气供给。比如，控制器(未示出)能够可操作地连接来选择性地控制向界面131的加压流体供给。控制器可以是发动机控制器、涡轮增压器控制器或其他合适的控制器。控制器可以由硬件、软件或其任意组合组成。
当界面131的外侧131o上的压力等于或低于预定目标压力时，空气或其他吹扫气体可以选择性地供给到界面131。可替代地或另外地，当界面131的外侧131o和内侧131i之间的压差和/或压力比等于或低于预定目标比或差时，空气或其他吹扫气体可以选择性地供给到界面131。如果出现了这种状况，空气或其他吹扫气体可以供给到界面，以将外侧131o的压力升高到可接受的水平。当这样的情况可能发生时，工况的实例包括怠速或发动机正以轻载荷运行。一旦达到了预定目标压力、压力差和/或压力比时，可停止向界面131供给空气。这样，空气消耗可降至最低，即，不必从别处有益的使用中获取空气。
然而，应注意的是，在其他实施方式中和/或在某些工况下，界面131可以不选择性地进行加压。
参见图14，可替代密封系统210配置为最小化或防止压缩机端油通过和漏气，而无需考虑涡轮增压器200的工况。密封系统210设置在轴承壳体223的压缩机端处，并且包括与迷宫式密封件或间隙密封件(例如，密封环或活塞环32)相结合的吹扫密封件260。密封元件可操作地位于旋转组件125的抛油环22与插入件234之间的界面231处。
活塞环32设置在插入件234与抛油环22之间的界面231中。每个活塞环32的一部分都接纳于一个相应的凹槽33内，这些凹槽33设置在抛油环22的径向向外侧表面中。
吹扫密封件260通过选择性地将加压气体输送到在活塞环32之间的位置处的界面231来防止润滑剂从轴承壳体223流入到压缩机级14中，从而在整个活塞环32上提供了向内指向的压力梯度。吹扫密封件260包括形成在轴承壳体223中的气体供给通路254、形成在插入件234中的一个或多个大体径向孔239以及形成在轴承壳体223中且位于气体供给路径254与径向孔239的中间并与它们流体连通的轴对称空腔250。包括气体供给通路254、空腔250以及径向孔239的吹扫密封件260将加压气体引导到界面231。
轴对称空腔250限定在插入件234的压缩机面向端237、轴承壳体223的径向向内的表面以及环形轴对称体积盖256之间。盖256设置在压缩机叶轮后壁38与插入件234之间，并且经由螺栓(未示出)固定到轴承壳体223。如在前面的实施例中，轴对称空腔250用作环形歧管以将气体输送到插入件径向孔239，而无需考虑插入件234和/或孔239在轴承壳体223内的方向。本实施例也是有利的，这是因为它可以通过使用传统的轴承壳体、插入件和抛油环而实现。
参见图15，另一个可替代的密封系统310配置为最小化或防止压缩机端油通过和漏气，而无需考虑涡轮增压器300的工况。密封系统310设置在轴承壳体323的压缩机端处，并且包括与迷宫式密封件或间隙密封件(例如，密封环或活塞环32)相结合的吹扫密封件360。密封元件可操作地定位在旋转组件125的抛油环22与插入件334之间的界面331处。
活塞环32设置在插入件334与抛油环22之间的界面331中。每个活塞环32的一部分都接纳于一个相应的凹槽33内，这些凹槽33设置在抛油环22的径向向外侧表面中。
吹扫密封件360通过选择性地将加压气体输送到在活塞环32之间的位置处的界面331来防止润滑剂从轴承壳体323流入到压缩机级14中，从而在整个活塞环32上提供了向内指向的压力梯度。吹扫密封件360包括形成在轴承壳体323中的气体供给通路354、形成在插入件334中的一个或多个大体径向孔339以及形成在轴承壳体323中且位于气体供给路径354与径向孔339的中间并与它们流体连通的轴对称空腔350。包括气体供给通路354、空腔350以及径向孔339的吹扫密封件360将加压气体引导到界面331。
轴对称空腔350限定在插入件334的压缩机面向端337、轴承壳体323的径向向内的表面以及环形轴对称体积盖356之间。盖356设置在压缩机叶轮后壁38与插入件334之间，并且经由螺栓358固定到轴承壳体323。如在前面的实施例中，轴对称空腔250用作环形歧管以将气体输送到插入件径向孔339，而无需考虑插入件334和/或孔339在轴承壳体323内的方向。本实施例也是有利的，这是因为它可以通过使用传统的抛油环而实现并且包括插入件334与盖356之间的相对于图14中示出的实施例的改进的密封。
参见图16，另一个可替代的密封系统410配置为最小化或防止压缩机端油通过和漏气，而无需考虑涡轮增压器400的工况。密封系统410设置在轴承壳体423的压缩机端处，并且包括与迷宫式密封件或间隙密封件(例如，密封环或活塞环32)相结合的吹扫密封件460。密封元件可操作地定位在旋转组件125的抛油环22与插入件434之间的界面431处。
活塞环32设置在插入件434与抛油环22之间的界面431中。每个活塞环32的一部分都接纳于一个相应的凹槽33内，这些凹槽33设置在抛油环22的径向向外侧表面中。
吹扫密封件460通过选择性地将加压气体输送到在活塞环32之间的位置处的界面431来防止润滑剂从轴承壳体423流入到压缩机级14中，从而在整个活塞环32上提供了向内指向的压力梯度。吹扫密封件460包括形成在轴承壳体423中的气体供给通路454、形成在插入件434中的一个或多个大体径向孔439以及中间轴对称空腔450。包括气体供给通路454、空腔450以及径向孔439的吹扫密封件460将加压气体引导到界面431。
轴对称空腔450在相对于插入件434的径向向外的位置处形成在轴承壳体423与环形轴对称体积盖456之间。例如，盖456的轴向向内的涡轮机面向侧456a可以形成为具有环形凹陷，由此空腔450形成在盖456的凹陷区域456b与轴承壳体423的轴向向外的压缩机侧面向表面423a之间。空腔450位于气体供给路径454与插入件434的径向孔439的中间并与它们流体连通。如在前面的实施例中，轴对称空腔450用作环形歧管以将气体输送到插入件径向孔439，而无需考虑插入件434和/或孔439在轴承壳体423内的方向。本实施例也是有利的，这是因为它可以通过使用传统的抛油环而实现，气体供给通路454可在轴承壳体的后侧上的任何位置处钻出，并且用来将盖456固定到轴承壳体423的螺栓(未示出)能够从轴承壳体的后部安装到外侧表面中。
参见图17，另一个可替代的密封系统510配置为最小化或防止压缩机端油通过和漏气，而无需考虑涡轮增压器500的工况。密封系统510设置在轴承壳体523的压缩机端处，并且包括与迷宫式密封件或间隙密封件(例如，密封环或活塞环32)相结合的吹扫密封件460。密封元件可操作地定位在旋转组件125的抛油环22与插入件534之间的界面531处。
活塞环32设置在插入件534与抛油环22之间的界面531中。每个活塞环32的一部分都接纳于一个相应的凹槽33内，这些凹槽33设置在抛油环22的径向向外侧表面中。
吹扫密封件560通过选择性地将加压气体输送到在活塞环32之间的位置处的界面531来防止润滑剂从轴承壳体523流入到压缩机级14中，从而在整个活塞环32上提供了向内指向的压力梯度。吹扫密封件560包括形成在轴承壳体523中的气体供给通路554、形成在插入件534中的一个或多个凹槽539a、539b以及中间轴对称空腔550。包括气体供给通路554、空腔550以及凹槽539a、539b的吹扫密封件560将加压气体引导到界面531。
轴对称空腔550在相对于插入件534的径向向外的位置处形成在轴承壳体523与环形轴对称体积盖556之间。例如，盖556的轴向向内的涡轮机面向侧556a可以形成为具有环形凹陷，由此空腔550形成在盖556的凹陷区域556b与轴承壳体523的轴向向外的压缩机侧面向表面523a之间。空腔550位于气体供给路径554与插入件534的凹槽539a、539b的中间并与它们流体连通。
参见图18，在本实施例中，插入件534是环形的并且包括配置为面对盖556的涡轮机面向侧556a的压缩机面向表面534a。此外，插入件的压缩机面向表面534a包括凹槽539a、539b，其与盖556的涡轮机面向侧556a配合以形成气体供给路径的一部分。在所示出的实施例中，插入件的压缩机面向表面534a包括四个等距间隔的径向凹槽539a以及环形凹槽539b，径向凹槽539a从插入件侧表面538径向向内延伸，环形凹槽539b连接径向凹槽539a中的每一个。如在前面的实施例中，轴对称空腔550用作环形歧管以将气体输送到插入件径向孔539，而无需考虑插入件534和/或孔539在轴承壳体523内的方向。本实施例也是有利的，这是因为它可以通过使用传统的抛油环而实现，并且由于凹槽539a、539b形成在插入件534的外表面上，因此，不需要进行插入件534的径向钻孔。
本文所述的各方面可以在不脱离本发明的精神或本质属性的前提下以其他形式和组合来体现。例如，当本文所述的各实施例涉及压缩机端油通过时，将认识到的是，这样的密封系统及方法可以应用来使得涡轮机端排油(即，油从轴承壳体向涡轮机级的通过)最小化。因此，当然将会理解的是，各实施例并不限制于本文所述的仅以示例的方式给出的特定细节，并且在以下权利要求书的范围内可以作出各种改进和变化。

Claims (13)

1.一种用于涡轮增压器(100)的密封系统(110)，其包括：
轴承壳体(123)，其包括轴向孔(120)；
旋转组件(125)，其包括
具有旋转轴线(21)的轴(20)，所述轴(20)经由轴承(26，128)能旋转地支撑在所述轴向孔(120)中，
安装在所述轴(20)上的压缩机叶轮(18)，
设置在所述轴承(26，128)与所述压缩机叶轮(18)之间的所述轴(20)上的抛油环(122)；以及
设置在所述轴向孔(120)中以便围绕所述抛油环(122)的插入件(134)，所述插入件(134)限定出径向向外表面(138)；
所述密封系统(110)包括
吹扫密封件(160)，其能操作地定位在所述插入件(134)与所述抛油环(122)之间的界面(131)中，所述吹扫密封件(160)配置为将加压流体引入所述界面(131)中，并且包括环绕所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)的环形空腔(150)，所述空腔(150)形成配置为将加压流体输送至所述界面(131)的流体路径的一部分；
其中，所述插入件(134)包括向所述空腔(150)和所述界面(131)这两者打开的至少一个径向孔(139)并且形成所述流体路径的另一部分。
2.如权利要求1所述的密封系统(110)，其包括第一活塞环(32)和第二活塞环(32)，所述第一活塞环(32)和第二活塞环(32)设置在所述抛油环(122)的径向向外表面与所述插入件(134)之间，
其中，所述径向孔(139)在所述第一活塞环(32)与所述第二活塞环(32)之间的位置处与所述界面(131)连通。
3.如权利要求1所述的密封系统(110)，其中，所述插入件(134)包括径向延伸的密封凸缘(140)，且所述空腔(150)限定在所述轴承壳体(123)、所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)和所述密封凸缘(140)之间。
4.如权利要求3所述的密封系统(110)，其中，所述密封凸缘(140)抵靠所述轴承壳体(123)的轴向表面(S2)。
5.如权利要求4所述的密封系统(110)，其中，所述密封凸缘(140)通过卡环(118)相对于所述轴承壳体(123)保持在适当的位置。
6.如权利要求1所述的密封系统(110)，其中，所述插入件(134)相对于所述轴承壳体(123)的位置通过卡环(118)来保持，所述卡环(118)设置在所述插入件(134)与所述轴承壳体(123)的一部分之间。
7.如权利要求1所述的密封系统(110)，其包括与所述空腔(150)流体连通的供给通路(154)，所述供给通路(154)形成所述流体路径的另一部分。
8.如权利要求1所述的密封系统(110)，其包括设置在所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)上的凹槽(142)中的O型环(116)，所述O型环(116)在所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)与所述轴承壳体(123)的径向向内表面(123a)之间提供了密封。
9.一种涡轮增压器(100)，其包括
轴承壳体(123)，所述轴承壳体(123)包括轴向孔(120)；
连接到所述轴承壳体(123)的一端的涡轮机级(12)；
连接到所述轴承壳体(123)的相对端的压缩机级(14)；
旋转组件(125)，其包括
具有旋转轴线(21)的轴(20)，所述轴(20)经由轴承(26，128)能旋转地支撑在所述轴向孔(120)中；
安装在所述轴(20)上的压缩机叶轮(18)，以及
设置在所述轴承(26，128)与所述压缩机叶轮(18)之间的轴(20)上的抛油环(122)；
设置在所述轴向孔(120)中以便围绕所述抛油环(122)的插入件(134)，所述插入件(134)限定出径向向外表面(138)；
吹扫密封件(160)，其能操作地定位在所述插入件(134)与所述抛油环(122)之间的界面(131)中，所述吹扫密封件(160)配置为将加压流体引入到所述界面(131)中，并且包括环绕所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)的环形空腔(150)，所述空腔(150)形成配置为将加压流体输送至所述吹扫密封件(160)的流体路径的一部分；
其中，所述插入件(134)包括向所述空腔(150)和所述界面(131)这两者打开的至少一个径向孔(139)并且形成所述流体路径的另一部分。
10.如权利要求9所述的涡轮增压器(100)，其中，所述插入件(134)包括径向延伸的密封凸缘(140)，且所述空腔(150)限定在所述轴承壳体(123)、所述插入件(134)的所述径向向外表面(138)和所述密封凸缘(140)之间。
11.如权利要求9所述的涡轮增压器(100)，其包括第一活塞环(32)和第二活塞环(32)，所述第一活塞环(32)和第二活塞环(32)设置在所述抛油环(122)的径向向外表面与所述插入件(134)之间，
其中，所述径向孔(139)在所述第一活塞环(32)与所述第二活塞环(32)之间的位置处与所述界面(131)连通。
12.如权利要求9所述的涡轮增压器(100)，其包括与所述空腔(150)流体连通的供给通路(154)，所述供给通路(154)形成所述流体路径的另一部分。
13.如权利要求9所述的涡轮增压器(100)，其中，所述插入件(134)相对于所述轴承壳体(123)的位置通过卡环(118)来保持，所述卡环(118)设置在所述插入件(134)与所述轴承壳体(123)的一部分之间。
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