CN105822429A - 具有混合动力轴颈轴承系统的涡轮增压器 - Google Patents

具有混合动力轴颈轴承系统的涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

一种用于内燃发动机的涡轮增压器包括，限定轴承孔眼的轴承壳体和设置在孔眼中的混合动力轴颈轴承系统。混合动力轴颈轴承系统包括第一和第二轴颈轴承。第一轴颈轴承是半浮动轴承且第二轴颈轴承是全浮动轴承。涡轮增压器还包括轴，所述轴具有第一端和第二端，其中轴通过轴颈轴承系统支撑而用于在孔中绕轴线旋转。涡轮增压器还包括涡轮，所述涡轮被固定到轴且靠近第一端且配置为通过由发动机放出的燃烧后气体而绕轴线旋转。另外，涡轮增压器包括压缩机轮，所述压缩机轮被固定到轴且靠近第二端且配置为对从周围接收的气流增压，以用于输送到发动机。

Description

具有混合动力轴颈轴承系统的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及具有混合动力轴颈轴承系统的涡轮增压器。
背景技术
内燃发动机(ICE)通常被用于以可靠的基础产生长时间的显著水平的动力。许多这样的ICE组件使用增压装置，例如排气涡轮机驱动的涡轮增压器，以让气流在进入发动机的进气总管之前压缩气流，以便增加功率和效率。
具体说，涡轮增压器是离心的气体压缩机，与通过周围大气压力所获得的空气和氧气相比，其使得更多空气和更多氧气进入ICE的燃烧室。被迫进入ICE的额外质量的含有氧气的空气改善发动机的容积效率，允许在给定循环中燃烧更多燃料，且由此产生更多功率。
典型的涡轮增压器采用中心轴，其在排气驱动的涡轮机叶轮和空气压缩机轮之间传递旋转运动。这种轴通常被一个或多个轴承支撑，所述一个或多个轴承被发动机油冷却和润滑，且经常从特别配方的发动机冷却剂接收额外的冷却。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器，其包括限定轴承孔眼的轴承壳体和设置在孔眼中的混合动力轴颈轴承系统。混合动力轴颈轴承系统包括第一轴颈轴承和第二轴颈轴承。第一轴颈轴承是半浮动轴承且第二轴颈轴承是全浮动轴承。涡轮增压器还包括轴，所述轴具有第一端和第二端，其中轴通过轴颈轴承系统支撑而用于在孔中绕轴线旋转。涡轮增压器还包括涡轮，所述涡轮被固定到轴且靠近第一端且配置为通过由发动机放出的燃烧后气体而绕轴线旋转。另外，涡轮增压器包括压缩机轮，所述压缩机轮被固定到轴且靠近第二端且配置为对从周围接收的气流增压，以用于输送到发动机。
第一轴颈轴承可布置在轴的第一端附近且第二轴颈轴承可布置在轴的第二端附近。
被发动机流体泵增压的流体可以被引导以润滑混合动力轴颈轴承系统和在混合动力轴颈轴承系统和轴之间形成第一流体膜。
增压流体还可以被引导以产生在混合动力轴颈轴承系统和轴承壳体之间在孔眼中产生第二流体膜。
第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个可以包括通过相应内径限定的第一表面和通过相应外径限定的第二表面。另外，第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个可以限定连接第一和第二表面的通道。
流体泵可以与第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道流体连通。
增压流体可被引导以经由第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的相应通道形成第一流体膜和第二流体膜。
第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中每一个相应通道可以包括多个通道且流体泵可以通过多个通道每一个供应增压流体。
第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的至少一个用黄铜和青铜中之一构造。
混合动力轴颈轴承系统可以配置为使得轴的次同步共振最小化。
本发明的另一实施例涉及具有如上所述的涡轮增压器的内燃发动机。
本发明提供一种内燃发动机，包括:发动机缸体，限定具有燃烧室的汽缸，所述燃烧室配置为在其中接收用于燃烧的空气燃料混合物且配置为从中排出燃烧后气体；和涡轮增压器，包括:轴承壳体，限定轴承孔眼；混合动力轴颈轴承系统，设置在孔眼中且具有第一轴颈轴承和第二轴颈轴承；轴，具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承系统支撑，以用于在孔眼中绕轴线旋转；涡轮机叶轮，在第一端附近固定到轴且配置为通过燃烧后气体而绕轴线旋转；和压缩机轮，在第二端附近固定到轴且配置为将从环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸；其中第一轴颈轴承是半浮动轴承且第二轴颈轴承是全浮动轴承。
所述的发动机中，第一轴颈轴承布置在轴的第一端附近且第二轴颈轴承布置在轴的第二端附近。
所述的发动机进一步包括流体泵，配置为使得流体增压，其中加压流体被引导为润滑混合动力轴颈轴承系统且在混合动力轴颈轴承系统和轴之间产生第一流体膜。
如权利要求3所述的发动机，其中增压流体被引导以在混合动力轴颈轴承系统和轴承壳体之间产生第二流体膜。
如权利要求4所述的发动机，其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个包括通过相应内径限定的第一表面和通过相应外径限定的第二表面，且其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个限定连接第一和第二表面的通道。
如权利要求5所述的发动机，其中流体泵与第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道每一个流体连通。
所述的发动机中，增压流体被引导以经由第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的相应通道形成第一流体膜和第二流体膜。
所述的发动机中，第一轴颈轴承中的每一个相应通道和第二轴颈轴承中的通道包括多个通道，且流体泵通过多个通道每一个供应增压流体。
所述的发动机中，第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的至少一个用黄铜和青铜中之一构造。
所述的发动机中，混合动力轴颈轴承系统配置为使得轴的次同步共振最小化。
本发明提供一种用于内燃发动机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括:轴承壳体，限定轴承孔眼；混合动力轴颈轴承系统，设置在孔眼中且具有第一轴颈轴承和第二轴颈轴承；轴，具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承系统支撑，以用于在孔眼中绕轴线旋转；涡轮机叶轮，在第一端附近固定到轴且配置为通过燃烧后气体而绕轴线旋转；和压缩机轮，在第二端附近固定到轴且配置为将从环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸；其中第一轴颈轴承是半浮动轴承且第二轴颈轴承是全浮动轴承。
所述的涡轮增压器中，第一轴颈轴承布置在轴的第一端附近且第二轴颈轴承布置在轴的第二端附近。
所述的涡轮增压器进一步包括流体泵，配置为使得流体增压，其中增压流体被引导以润滑混合动力轴颈轴承系统且在混合动力轴颈轴承系统和轴之间产生第一流体膜。
所述的涡轮增压器中，增压流体被引导以在混合动力轴颈轴承系统和轴承壳体之间产生第二流体膜。
所述的涡轮增压器中，第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个包括通过相应内径限定的第一表面和通过相应外径限定的第二表面，且其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个限定连接第一和第二表面的通道。
所述的涡轮增压器中，流体泵与第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道每一个流体连通。
所述的涡轮增压器中，增压流体被引导以经由第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的相应通道形成第一流体膜和第二流体膜。
所述的涡轮增压器中，第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道中的每一个相应包括多个通道，且流体泵通过多个通道每一个供应增压流体。
所述的涡轮增压器中，第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的至少一个用黄铜和青铜中之一构造。
所述的涡轮增压器中，混合动力轴颈轴承系统配置为使得轴的次同步共振最小化。
在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式(一个或多个)和实施例(一个或多个)做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的具有涡轮增压器的发动机的示意性透视图。
图2是如图1所示的涡轮增压器的示意性截面图，其中涡轮增压器包括具有混合动力轴颈轴承系统的轴承壳体。
图3是如图2所示的轴承壳体的示意性近距截面图，具体显示了混合动力轴颈轴承系统的细节，且具有半浮动轴承和全浮动轴承。
具体实施方式
参见附图，其中几幅图中相同的附图标记指示相同或类似的部件，图1示出了内燃发动机10。发动机10还包括气缸体12，所述气缸体12具有布置在其中的多个汽缸14。如所示的，发动机10还包括汽缸盖16。每一个汽缸14包括配置为在其中往复运动的活塞18。燃烧室20形成在汽缸14中且在汽缸盖16的底部表面和活塞18的顶部之间。如本领域技术人员已知的，燃烧室20配置为接收燃料空气混合物用于在其中随后燃烧。
发动机10还包括配置为在气缸体12中旋转的曲轴22。因适当比例的燃料-空气混合物在燃烧室20中燃烧，曲轴22被活塞18旋转。在空气燃料混合物在具体燃烧室20内部燃烧之后，具体活塞18的往复运动用于将燃烧后的气体24从相应汽缸14排出。发动机10还包括流体泵26。流体泵26配置为供应润滑流体28，例如发动机油。因而，流体泵26可将润滑流体28供应到各种轴承，例如曲轴22。流体泵26可以直接地被发动机10或被电动机(未示出)驱动。
发动机10另外包括吸气系统30，所述吸气系统配置为将气流31从环境导通到汽缸14。吸气系统30包括进入空气导管32、涡轮增压器34、和进气总管36。虽然未示出，但是吸气系统30可以另外包括在涡轮增压器34上游的空气过滤器，用于去除来自气流31的外来颗粒和其他空气携带的碎片。进入空气导管32配置为将气流31从周围环境引导到涡轮增压器34，而涡轮增压器配置为让接收的气流增压，和将增压的气流排放到进气歧管36。进气总管36又将之前增压的气流31分配到汽缸14，用于与适当量的燃料混合和随后燃烧最终的燃料空气混合物。
如图2所示，涡轮增压器34包括具有第一端40和第二端42的钢轴38。涡轮机叶轮46在第一端40附近安装在轴38上且配置为通过从汽缸14排出的燃烧后气体24而与轴38一起绕轴线43旋转。涡轮机叶轮46设置在涡轮机壳体48中，所述涡轮机壳体包括涡螺或涡道50。涡道50接收燃烧后排出气体24且将排出气体引导到涡轮机叶轮46。涡道50配置为实现涡轮增压器34的具体性能特点，例如效率和响应性。
如进一步在图2所示的，涡轮增压器34还包括在第二端42附近安装在轴38上的压缩机轮52。压缩机轮52配置为将从周围环境接收的气流31增压，以用于最后输送到汽缸14。压缩机轮52设置在压缩机覆盖件54内，所述覆盖件包括涡螺或涡道56。涡道56接收气流31和将气流引导到压缩机轮52。涡道56配置为实现具体性能特点，例如涡轮增压器34的峰值气流和效率。因而，通过为涡轮机叶轮46提供能量的燃烧后排出气体24对轴38赋予旋转，且该旋转又由于压缩机轮被固定在轴上而传递到压缩机轮52。如本领域技术人员理解的，燃烧后排出气体24的力和可变流量影响增压压力的量，所述增压压力可以通过压缩机轮52在发动机10的整个运行范围内产生。
继续参考图2，轴38经由混合动力轴颈轴承系统58而被支撑为绕轴线43旋转。混合动力轴颈轴承系统58设置在轴承壳体62的孔眼60中且配置为控制轴38的径向运动和变化。进而，混合动力轴颈轴承系统58配置为使得轴38的次同步共振最小化，如下所述。混合动力轴颈轴承系统58包括第一轴颈轴承58-1和第二轴颈轴承58-2。第一轴颈轴承58-1和第二轴颈轴承58-2通过将经由流体泵26供应的增压润滑流体28供应到轴承壳体62而被润滑和冷却。轴承壳体62可以用强韧材料铸造，例如铁，以便在涡轮增压器34运行过程中且在高温度和载荷下为孔60提供尺寸稳定性。
第一轴承58-1是半浮动的轴承，其通常用相对软的金属形成，例如黄铜或青铜，从而在轴承中将发生因轴和轴承之间任何接触造成的大部分磨损。半浮动的第一轴颈轴承58-1通常被限制沿轴线43移位，但是在孔60中有径向移位的一些自由度，即沿与轴线43横向的方向。提供径向移位将允许第一轴颈轴承58-1占据轴38的任何径向位移，这种径向位移会由于轴、涡轮46、和/或压缩机轮52中的不平衡造成。通常，半浮动轴颈轴承在轴承和轴38之间设置了足够间隙以形成第一油膜28A，且在孔眼60处在轴承和轴承壳体62之间设置了足够间隙以在目标间隙位置形成第二油膜28B。另外，半浮动轴颈轴承配置为保持孔眼60中的第二油膜28B，同时被防止在孔眼中旋转。因而，通过邻近的部件(例如抗旋转销或键59)限制第一轴颈轴承58-1相对于轴承壳体62旋转，但是第一轴颈轴承58-1仍被配置为抵靠孔眼挤压第二油膜28B。另外，第一轴颈轴承58-1配置为抵靠轴38挤压第一油膜28A。
第二轴颈轴承58-2是全浮动轴承，其被限制沿轴线43移位，但是在轴承和轴38之间且在孔眼60处在轴承和轴承壳体62之间设置足够间隙，以在两间隙位置产生油膜。在孔眼60处，第一油膜28A形成在第二轴颈轴承58-2和轴38之间，而第二油膜28B形成在第二轴颈轴承和轴承壳体62之间。另外，全浮动轴颈轴承在孔眼60中自由旋转。因而，第二轴颈轴承58-2可相对于轴承壳体62旋转，同时还被配置为保持第一和第二油膜28A、28B。
通常，全浮动轴颈轴承能比非浮动轴颈轴承允许大得多的油流动，主要是因为全浮动轴承能在孔眼中旋转的能力。因此，对于滑动表面之间相等的间隙来说，与非浮动轴颈轴承比较，全浮动轴颈轴承具有增强的冷却特点。因而，通过使用全浮动轴颈轴承代替非浮动轴颈轴承，通常可在高旋转速度下获得减小的操作温度。类似于第一轴颈轴承58-1，第二轴颈轴承58-2可以用相对软的金属(例如黄铜或青铜)形成，使得在轴承中发生因轴和轴承之间以及壳体和轴承之间的任何接触造成的大部分磨损。
如图2-3所示，第一半浮动轴颈轴承58-1可以布置为靠近第一端40且第二全浮动轴颈轴承58-2可以布置为靠近轴38的第二端42。数学分析和经验分析已经显示在涡轮增压器34中使用混合动力轴颈轴承系统58能有效控制由于次同步共振造成的激励力。次同步共振倾向于使得轴38的旋转不稳定且会在涡轮增压器运行期间造成噪声、振动、不顺性(NVH)问题。在后文详述子通过混合动力轴颈轴承系统58抵消同步共振现象。
通常，旋转设备(例如涡轮增压器34)的轴具有自然共振频率。这种共振频率在旋转设备的实际运行速度以下。随轴从停止加速到正常运行频率，存在瞬时速度经过共振点的点且设备经历的振动程度增加。轴的共振频率还会与支撑轴颈轴承的自然共振频率一致，使得轴和轴承之间有持续、循环的能量交换。这种能量交换造成轴的振动和轴上的扭转应力，这会导致轴和支撑轴颈轴承的损坏且是所述的“次同步共振”现象。因而，混合动力轴颈轴承系统58目的是使得轴38的这种次同步共振最小化。
涡轮增压器34运行期间，来自流体泵26的增压润滑流体28输送到轴承壳体62且被引导到混合动力轴颈轴承系统58，以润滑轴承58-1、58-2，且在轴承的内径和轴38之间产生第一油膜28A以及在其外径和壳体孔眼60之间产生第二油膜28B。目标油膜在涡轮增压器34运行期间提供液动态(hydro-dynamic)缓冲层，用于支撑旋转的轴38，由此降低轴承58-1、58-2和轴38之间以及轴承58-2和壳体62之间的直接物理接触可能性。进而，轴承58-1、58-2、轴38和壳体62之间直接接触的这种减少延长轴承的使用寿命、减少涡轮增压器34中的摩擦损失、减少NVH和在其运行期间增强涡轮增压器的响应。
如图3所示，第一轴颈轴承58-1和第二轴颈轴承58-2每一个包括通过相应内径ID限定的第一表面64和通过相应外径OD限定的第二表面66。还如图3所示，第一轴颈轴承58-1和第二轴颈轴承58-2每一个限定连接第一和第二表面64、66的一个或多个通道68。流体泵26与第一和第二轴颈轴承58-1、58-2中的通道68流体连通。因而，加压流体28经由相应通道68引导，以在轴颈轴承58-1处形成第一和第二流体膜28A、28B，以及在第二轴颈轴承58-2处形成第一和第二流体膜28A、28B。
继续参考图2，轴承壳体62包括用于发动机油的排油空间70，所述发动机油被从流体泵26供应到轴承壳体。排油空间70是并入到轴承壳体62中的内贮存器，且可以具有铸造形状。参考图1，在润滑第一和第二轴颈轴承58-1、58-2且在排油空间70中收集油之后，排放通道72将油从轴承壳体62去除。还如图1所示，排放通道72与流体泵26流体连通，以便将来自排油空间70的油返回到泵。供应通道74将来自流体泵26的油导通到轴承壳体62，由此在涡轮增压器34运行期间建立通过轴承壳体的润滑油的连续循环流动。
附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。进而，附图所示的实施例或本发明说明书提到的各种实施例的特点不应被理解为是彼此独立的实施例。相反，实施例的一个例子中所述的每一个特点可以与其他实施例的一个或多个其他期望特点组合，形成并未参考附图所述的其他实施例因而，这种其他实施例落入所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括:
轴承壳体，限定轴承孔眼；
混合动力轴颈轴承系统，设置在孔眼中且具有第一轴颈轴承和第二轴颈轴承；
轴，具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承系统支撑，以用于在孔眼中绕轴线旋转；
涡轮机叶轮，在所述第一端附近固定到轴且配置为通过燃烧后气体而绕轴线旋转；和
压缩机轮，在所述第二端附近固定到轴且配置为将从环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸；
其中第一轴颈轴承是半浮动轴承且第二轴颈轴承是全浮动轴承。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中第一轴颈轴承布置在轴的第一端附近且第二轴颈轴承布置在轴的第二端附近。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括流体泵，配置为使得流体增压，其中增压流体被引导以润滑混合动力轴颈轴承系统且在混合动力轴颈轴承系统和轴之间产生第一流体膜。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中增压流体被引导以在混合动力轴颈轴承系统和轴承壳体之间产生第二流体膜。
5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个包括通过相应内径限定的第一表面和通过相应外径限定的第二表面，且其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承每一个限定连接第一和第二表面的通道。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中流体泵与第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道每一个流体连通。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中增压流体被引导以经由第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的相应通道形成第一流体膜和第二流体膜。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中第一轴颈轴承中的通道和第二轴颈轴承中的通道中的每一个相应包括多个通道，且流体泵通过该多个通道每一个供应增压流体。
9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中第一轴颈轴承和第二轴颈轴承中的至少一个用黄铜和青铜中之一构造。
10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中混合动力轴颈轴承系统配置为使得轴的次同步共振最小化。
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