CN108571347B - 用于车辆发动机的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的涡轮增压器包括中心壳体和由中心壳体限定的孔。该孔限定了主环形凹槽和辅环形凹槽，这些环形凹槽被配置为接收流体。轴颈轴承被设置在孔内靠近轴的近端，使得轴颈轴承与旋转轴一起将流体供给至主环形凹槽和辅环形凹槽。轴进一步联接至涡轮叶轮和压缩机叶轮。轴具有纵向轴线并且由轴颈轴承支撑以在该孔内围绕轴线旋转。主环形凹槽和辅环形凹槽各自与排水道流体连通。

Description

用于车辆发动机的涡轮增压器

技术领域

本公开总体上涉及在车辆发动机中使用的涡轮增压器，并且更具体地涉及管理涡轮增压器壳体中的润滑。

背景技术

内燃机(ICE)经常被要求在可靠的基础上长时间产生相当大的动力水平。许多这样的ICE组件采用增压装置，诸如废气涡轮驱动的涡轮增压器，以在空气流进入发动机的进气歧管之前压缩该空气流以提高动力和效率。

具体地，涡轮增压器是离心式气体压缩机，与周围大气压力可达到的情况相比，该离心式气体压缩机迫使更多空气以及因此更多氧气进入ICE的燃烧室。被迫进入ICE的附加质量的含氧空气提高了发动机的容积效率，允许它在给定循环中燃烧更多燃料，并且由此产生更多动力。

典型的涡轮增压器采用在排气驱动的涡轮叶轮与空气压缩机叶轮之间传输旋转运动的中央转子轴。这种转子轴通常通过由发动机油润滑和冷却并且经常从专门配制的发动机冷却剂接收附加冷却的止推轴承和轴颈轴承支撑在中心壳体的内部。通过活塞环密封件防止驱动涡轮的废气进入中心壳体。

涡轮增压器通常包括涡轮壳体，该涡轮壳体用于将废气从排气入口引导至跨涡轮转子的排气出口。涡轮转子驱动支承在中心壳体部分中的轴。压缩机转子在轴的另一端上被驱动。压缩机转子容纳在压缩机壳体内，该压缩机壳体将空气从空气过滤器引导至压缩机中和将空气从压缩机中引导至增压空气冷却器。通过活塞环密封件保护中心壳体轴承腔体免受涡轮侧上的废气和来自压缩机侧的压缩空气的影响。

曲轴箱油通常用于润滑旋转轴承界面以及限制转子轴的轴向偏移的止推表面。在柴油发动机的情况下在废气涡轮中可能发生高于800℃的温度，并且在奥托循环发动机的情况下在废气涡轮中可能发生高于1000℃的温度。从涡轮壳体和涡轮叶轮迁移至轴和中心壳体中的热量升高到足够高的温度，以降低或“焦化”与涡轮级相邻的转子轴和中心壳体的油。这种积聚的焦化油可能会干扰涡轮密封件附近的轴肩与中心壳体之间的结合。这种结合限制轴旋转，从而导致涡轮增压器升压性能差。

如所指示，考虑到非常高的操作温度，焦化是涡轮增压器所面临的持续问题。更具体地，来自废气的热量倾向于沿着涡轮转子传导。涡轮转子固定值涡轮增压器轴，且涡轮密封件在涡轮转子、轴和中心壳体之间的接合处实施。当润滑油通过涡轮转子与轴承之间的狭窄间隙时，随着润滑油接触靠近涡轮转子的加热轴，其被加热到高温。因此，随着润滑油随后接触被涡轮壳体加热的轴，容易发生焦化。因此，需要一种简单、低成本和有效的手段来防止涡轮增压器的中心壳体中的焦化。

在本背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，且因此其可能包含不构成在该国的本领域一般技术人员所知晓的现有技术的信息。因此，需要一种减少靠近密封件的涡轮轴处的焦化的改进型涡轮增压器。

发明内容

本公开提供了一种用于内燃机的涡轮增压器。涡轮增压器包括中心壳体和由中心壳体限定的孔。该孔限定了主环形凹槽和辅环形凹槽，这些环形凹槽被配置为从旋转轴接收流体。轴颈轴承被设置在该孔内靠近轴的近端。轴进一步在轴的近端处联接至涡轮叶轮并且在轴的远端处联接至压缩机叶轮。轴具有纵向轴线并且由轴颈轴承支撑以在该孔内围绕轴线旋转。主环形凹槽和辅环形凹槽各自与排出通道流体连通。

本公开进一步提供一种内燃机，该内燃机具有带燃烧室的发动机缸体以及涡轮增压器。涡轮增压器包括中心壳体、孔以及旋转组件。该旋转组件包括具有带涡轮叶轮的近端的轴，该涡轮叶轮被配置为由离开燃烧室的后燃烧气体驱动。旋转组件中的轴进一步包括具有压缩机叶轮的远端，该压缩机叶轮被配置为对空气流加压以输送至燃烧室。中心壳体限定了被配置为接收通过旋转轴和轴颈轴承供给的流体的主和辅环形凹槽。主和辅环形凹槽可被设置在轴的近端附近-在轴颈轴承与涡轮密封件之间。该旋转组件还包括具有带涡轮叶轮的近端以及具有带压缩机叶轮的远端的轴，该涡轮叶轮被配置为由后燃烧气体驱动，该压缩机叶轮被配置为对空气流加压以输送至燃烧室。

应当理解的是，在上述涡轮增压器或发动机中，轴颈轴承包括由内径限定的第一表面、由外径限定的第二表面以及连接第一和第二表面的通道。另外，还应理解的是，第一导管和第二导管也可被限定在用于前述涡轮增压器或发动机的中心壳体中，其中第一导管可将主环形凹槽联接至排出通道，且第二导管可将辅环形凹槽联接至排出通道。

在本公开的又一实施例中，主环形凹槽限定第一半径，且辅环形凹槽限定第二半径，第二半径可大于第一半径。

根据参考附图考虑的以下详细描述，本公开以及其特定特征和优点将变得更加明显。

附图说明

本公开的这些以及其它特征和优点从以下详细描述、最佳模式、权利要求和附图中将变得显而易见，在附图中：

图1说明了根据本公开的各种实施例的具有涡轮增压器的车辆发动机。

图2说明了根据本公开的各种实施例的涡轮增压器的示意横截面视图。

图3说明了中心壳体的放大横截面视图。

图4说明了根据本公开的各种实施例的轴颈轴承的非限制性示例。

在附图的几个视图的描述中，相似的附图标记指代相似的部分。

具体实施方式

现在将详细参考本公开目前优选的组合物、实施方案和方法，其构成了本发明人目前已知的用于实践本公开的最佳模式。图式不一定按比例绘制。然而，应当理解的是，所公开实施例仅仅是可以各种和替代性形式实施的本公开的示例。因此，本文中公开的具体细节不应当被解释为限制性的，而是仅仅作为用于本公开的任何方面的代表性基础和/或作为用于教导本领域技术人员来不同地采用本公开的代表性的基础本。

除了在示例中或在另有明确指示的情况之外，本说明书中指示材料的量或反应和/或使用条件的所有数字量在描述本公开的最宽范围时应当被理解为由词语“约”修饰。在所述数值范围内的实用值通常是优选的。而且，除非有相反的明确说明：否则百分比、“份数”和比值是按长度表示的；对于与本公开结合的给定目的而言适合或优选的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或更多个成员的混合物同样适合或优选；首字母缩写词或其它缩写词的第一个定义适用于本文所有后续相同缩写词的使用，并且在必要修改后适用于最初定义的缩写词的正常语法变型；并且除非有相反的明确说明，否则性质的测量值是通过与之前或之后针对相同性质参考的相同技术来确定的。

还应当理解的是，本公开不限于下面描述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或条件当然是可变化的。另外，本文使用的术语仅用于描述本公开的特定实施例的目的，而不旨在以任何方式进行限制。

还必须注意的是，如说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物。例如，以单数形式引用部件旨在包括多个部件。

术语“包括(comprising)”与“包括(including)”、“具有”、“包含”或“特征在于……”是同义的。这些术语是包括性的和开放式的，并且不排除附加的、未列举的元件或方法步骤。

短语“由……组成”排除权利要求中未指定的任何要素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求主体的条款中而不是紧接着序言之后时，它只限制了该条款中陈述的要素；其它要素并不被排除在整体权利要求之外。

短语“基本上由……组成”将权利要求范围限制为指定材料或步骤，以及不会实质影响所要求保护主题的基本和新颖特征的那些材料或步骤。

可替代地使用术语“包括”、“由……组成”和“基本上由……组成”。在使用这三个术语中的一个术语的情况下，目前公开和要求保护的主题可包括使用另外两个术语中的任一个。

在整个本申请中，在引用出版物的的情况下，这些出版物的公开内容特此通过引用全部结合至本申请中以更全面地描述本公开所属领域的状态。

以下详细描述本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或本公开的应用和用途。另外，不存在被任何前述背景或以下详细描述中提出的任何理论约束的意图。

参考图1，示出了根据本公开的各种实施例的内燃机10。发动机10还包括其中布置有多个汽缸14的发动机或缸体12。如所示，发动机10还包括汽缸盖16。每个汽缸14包括被配置为在其中往复运动的活塞18。燃烧室20形成在汽缸14内介于汽缸盖16的底面与活塞18的顶部之间。如本领域技术人员所知，燃烧室20被配置为接收燃料-空气混合物以用于后续燃烧。

如所示，发动机10还包括被配置为在缸体12内旋转的曲轴22。由于在燃烧室20中燃烧的适当比例的燃料-空气混合物，曲轴22由活塞18旋转。在具体燃烧室20内部燃烧空气-燃料混合物之后，特定活塞18的往复运动用于将后燃烧气体24从相应汽缸14中排出。发动机10还包括流体泵26。流体泵26被配置为将加压流体或发动机油28供应至各种轴承，诸如曲轴22的轴承。泵26可由发动机10直接驱动，或由电动机(未示出)驱动。

发动机10另外包括进气系统30，该进气系统被配置为将空气流31从环境引导至汽缸14。进气系统30包括进气管道32、涡轮增压器34和进气歧管36。虽然未示出，但是进气系统30另外可在涡轮增压器34的上游包括空气过滤器，用于从空气流31中除去外来的颗粒和其它空气中的碎屑。进气管道32被配置为将空气流31从环境引导至涡轮增压器34，而涡轮增压器被配置为对接收到的空气流加压，并且将加压空气流排放至进气歧管36。进气歧管36进而将先前加压的空气流31分配至汽缸14，以与适量的燃料混合并随后燃烧所得燃料-空气混合物。虽然本公开集中在具有往复式配置的内燃机10上，但是也可设想其它发动机设计，诸如具有燃烧室20但不具有往复式活塞的旋转式发动机。

现在参考图2，涡轮增压器34包括旋转组件38。旋转组件38包括轴40，其通常由钢形成并且由第一近端40A(涡轮端)和第二远端40B(压缩机端)限定。涡轮叶轮46被安装在轴40上靠近第一端40A，并且被配置为通过从汽缸14中发射的后燃烧气体24围绕轴的纵向轴线42与轴40一起旋转。涡轮叶轮46被设置在涡轮壳体44内部，该涡轮壳体包括蜗壳或涡旋50。涡旋50接收后燃烧废气24并且将废气引导至涡轮叶轮46。涡旋50被配置为实现涡轮增压器34的特定性能特征，诸如效率和响应。

如所示，旋转涡轮46被安装在与压缩机相同的轴上。因此，随着涡轮46旋转，压缩机也旋转。废气离开汽车，浪费的能量比其它方式要少。因此，不应阻碍涡轮46、轴40和压缩机的旋转以提供最佳性能。

现在参考图2，示出涡轮增压器的示意横截面视图。涡轮增压器包括由压缩机壳体60、中心壳体54和涡轮壳体44组成的涡轮增压器壳体组件52。涡轮增压器壳体组件52包括容纳一对间隔开的轴颈轴承并且在其中可旋转地容纳细长轴40的中心部分(中心壳体54)。涡轮叶轮46附接至轴40的一端40A-轴40的涡轮端40A，或与其形成为一体。在轴40的相对端40B-轴40的远端40B处，压缩机叶轮58被承载在其上并且可通过与轴40螺纹接合的螺母而被驱动地固定至轴40的远端。

涡轮壳体44可与中心壳体54成一体并且限定通向涡轮叶轮46的径向外部的废气入口。涡轮壳体44还限定从涡轮叶轮46引出的废气出口68。类似地，压缩机壳体60限定了通向压缩机叶轮58的空气入口72和从扩散器腔室77开口的空气出口(未示出)。

当发动机停止供应废气至进气口时，热能源和流向涡轮增压器的冷却油源停止操作。然而，涡轮壳体44和涡轮叶轮46均是热的并且保持相当大量的余热。这种余热传导至涡轮增压器的较冷部分，该余热与涡轮增压器的操作期间传导的热量一样多。然而，现在不存在冷却油流或内部压缩机空气流。因此，轴40和中心壳体54的温度逐渐升高在其正常的操作温度之上持续一段时间。如果不受控制，这种温度升高可能导致轴40、涡轮壳体44以及润滑剂排出通道92处的温度升高。在这些区域中温度升高可能使其中的-特别是在可能位于涡轮46、轴40和中心壳体54之间的接合处的凹槽102中的涡轮密封件100处的残余油降解或焦化。另外，涡轮叶轮46的质量相对较低且蓄热能力较低是微小的附加因素，这进一步促成了轴40处的焦化问题。在涡轮密封件100处的油降解特别成问题，因为这可能导致轴40的旋转阻力并导致涡轮增压器故障。因此，应当理解的是，涡轮增压器内的热传递可从涡轮叶轮46经由材料之间的传导路径发生至轴40。

如图2中所示，油经由进油口64进入涡轮增压器，并且被引导至用于涡轮增压器轴40的至少一个轴颈轴承56。虽然可使用一个轴颈轴承56，但是应当理解的是，多个轴颈轴承56也可用于单个轴40。本公开的轴颈轴承56可被配置为完全浮动轴承56，使得被供给至其中的流体在孔与轴颈轴承56之间形成第一流体膜，并且在轴颈轴承56与轴40之间形成第二流体膜。参考图4，轴颈轴承56还可包括由内径限定的第一表面、由外径限定的的第二表面，该第二表面具有连接第一和第二表面的通道。应当进一步理解的是，可在轴颈轴承56中限定连接第一和第二表面的多个通道。

现在参考图3，主环形凹槽82被配置为通过轴40和/或轴颈轴承56的旋转运动接收大约90％的径向向外抛出的油。为了将油从该主环形凹槽82中排出，中心壳体54限定了从其中向下通向排出通道92的第一导管88。排出通道92进一步包括出油口66，使得油可从涡轮增压器34中引导出来。中心壳体54进一步限定第一肩部120、辅环形凹槽84和第二导管90。第一肩部120还被配置为将主环形凹槽82与辅环形凹槽84分开并区分开。辅环形凹槽84还经由第二导管90与排出通道92流体连通。

虽然第一肩部120确实将主环形凹槽82与辅环形凹槽84分开并区分，但是第一肩部120主要被配置为将来自轴40的大部分油引导至第一导管88中。然而，在残留的油行进超出主环形凹槽82的程度上，辅环形凹槽84通过轴40的旋转运动接收大约剩余10％的径向向外抛出的油，并且将油引导至第二导管90使得任何剩余的多余油可行进至排出通道92。

再次参考图2和3，车辆发动机和涡轮增压器包括中心壳体54、由中心壳体54限定的孔、轴颈轴承56和旋转组件38。该孔可由中心壳体54限定并且具有被配置为接收流体的主环形凹槽82和辅环形凹槽84。轴颈轴承56可被设置在孔内。旋转组件38包括具有涡轮叶轮46和压缩机叶轮58的轴40。涡轮叶轮46可被配置为由后燃烧气体驱动，而压缩机叶轮58可被配置为对空气流加压以输送至燃烧室。

轴40可包括纵向轴线，其中轴40可由轴颈轴承56支撑以用于围绕纵向轴线在孔内旋转。主环形凹槽82和辅环形凹槽84可被配置为从旋转轴40和/或轴颈轴承56接收流体。在接触主环形凹槽82和辅环形凹槽84的表面时，流体可流入排出通道92。如所提及，主环形凹槽82可经由第一导管88与排出通道92连通，而辅环形凹槽84可经由第二导管90与排出通道92流体连通。然而，应当理解的是，第一环形凹槽和辅环形凹槽均可使用单个共享导管。

应当理解的是，轴40包括靠近涡轮叶轮46的近端40A和靠近压缩机叶轮58的远端40B。还应当理解的是，主环形凹槽82和辅环形凹槽84被限定在壳体中靠近轴40的近端40A。主环形凹槽82和辅环形凹槽84可但不一定被限定在壳体中介于轴颈轴承56与涡轮叶轮46之间。如图3中所示，轴颈轴承56可被配置为完全浮动轴承56，使得被供给至其中的流体在孔与轴颈轴承56之间形成第一流体膜，并且在轴颈轴承56与轴40之间形成第二流体膜。进一步参考图4，轴颈轴承56可包括由内径78限定的第一表面72、由外径80限定的第二表面74以及连接第一表面72和第二表面74的通道76。应当理解的是，多个通道76也可被实施在轴颈轴承56中以流体连接第一表面72和第二表面74。轴颈轴承56可但不一定是黄铜衬套。

返回参考图3，主环形凹槽82和辅环形凹槽84以放大视图示出。如所示，主环形凹槽82可限定第一半径94，而辅环形凹槽84可限定第二半径96。第二半径96可但不一定大于第一半径94。然而，应当理解的是，第二半径96和第一半径94可替代地大致相同，或第二半径96可但不一定小于第一半径94。应当理解的是，主环形凹槽82和辅环形凹槽84可经机械加工和/或铸造至中心壳体54中。

本公开还提供了一种涡轮增压器，其包括中心壳体54、由中心壳体54限定的孔、轴颈轴承56和旋转组件38。该孔可进一步包括主环形凹槽82和辅环形凹槽84，这些凹槽被配置为从旋转轴40和/或轴颈轴承56接收流体。轴颈轴承56可被设置在孔内，使得主环形凹槽82环绕轴40的近端40A的至少一部分，而辅环形凹槽84环绕涡轮46的轴部分48。应当理解的是，如图3中所示，主环形凹槽82和辅环形凹槽84形成在轴颈轴承56与涡轮密封件100之间的区域中的中心壳体54中。

旋转组件38包括具有涡轮叶轮46和压缩机叶轮58的轴40，该涡轮叶轮被配置为通过由燃烧室发射的后燃烧气体驱动，该压缩机叶轮被配置为对空气流加压以输送至燃烧室。轴40包括纵向轴线并且由轴颈轴承56支撑以用于围绕纵向轴线在孔内旋转。类似于前述实施例，可实施多个轴颈轴承56。然而，最靠近涡轮46设置的轴颈轴承56与旋转轴40一起将流体供给至主环形凹槽82。

轴40可包括纵向轴线，其中轴40可由轴颈轴承56支撑以用于围绕纵向轴线在孔内旋转。主环形凹槽82和辅环形凹槽84可被配置为经由离心力从旋转轴40和/或轴颈轴承56接收流体。当油28沿着旋转轴40朝向主环形凹槽82行进时，大部分多余的油28将经由离心力从轴40和轴颈轴承56抛出至主环形凹槽中。多余的油然后将经由第一导管88排出至排出通道92。在轴40的近端40A和涡轮轴48上保留有任何附加的多余的油的程度上以及这种多余的油28继续朝向涡轮密封件100行进的程度上，这种油28经由离心力通过旋转轴从涡轮轴48被抛出至辅环形凹槽84中。然后油28经由第二导管90传递至排出通道92。应当理解的是，单个共享导管可由两个凹槽82、84代替第一导管88和第二导管90使用。

因此，轴颈轴承56和/或旋转轴40将流体供给至主环形凹槽82，而涡轮46的轴部48(其形成旋转轴40的一部分)将来自轴40的残余流体供给至辅环形凹槽84。在接触主环形凹槽82和辅环形凹槽84的表面时，流体(油28)可流入排出通道92。如所指示，主环形凹槽82可经由第一导管88与排出通道92连通，而辅环形凹槽84可经由第二导管90与排出通道92流体连通。

类似于所描述的车辆发动机的先前实施例，涡轮增压器的轴40包括靠近涡轮叶轮46的近端40A和靠近压缩机叶轮58的远端40B。还应当理解的是，主环形凹槽82和辅环形凹槽84被限定在中心壳体54中靠近轴40的近端40A。主环形凹槽82和辅环形凹槽84可但不一定被限定在中心壳体54中介于轴颈轴承56与涡轮叶轮46之间。如图2和3中所示，轴颈轴承56可被配置为完全浮动轴承56，使得被供给至其中的流体在孔与轴颈轴承56之间形成第一流体膜110，并且在轴颈轴承56与轴40之间形成第二流体膜112。返回参考图3，主环形凹槽82和辅环形凹槽84以放大视图示出。如所示，主环形凹槽82可限定第一半径94，而辅环形凹槽84可限定第二半径96。第二半径96可但不一定大于第一半径94。然而，应当理解的是，第二半径96和第一半径94可替代地大致相同，或第二半径96可但不一定小于第一半径94。应当理解的是，主环形凹槽82和辅环形凹槽84可经机械加工和/或铸造至中心壳体54中。

虽然前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当明白的是，存在许多变化。还应当明白的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例并且不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。实情是，前文详细描述将给本领域技术人员提供用于实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷指引。应当理解的是，在不脱离所附权利要求书和其合法等同物的范围的情况下，可对元件的功能和设置作出各种改变。

Claims (5)

1.一种内燃机，包括：

具有至少一个燃烧室的发动机缸体，所述燃烧室配置为接收燃料-空气混合物以用于后续燃烧，并且配置为将后燃烧气体从燃烧室中排出；以及

涡轮增压器，所述涡轮增压器配置为从环境接收气流以及从所述燃烧室接收后燃烧气体，所述涡轮增压器包括：

中心壳体；

孔，所述孔由中心壳体限定并且具有配置为接收流体的主环形凹槽和辅环形凹槽，所述主环形凹槽和辅环形凹槽与排出通道流体连通；

轴颈轴承，所述轴颈轴承设置在所述孔内，使得所述主环形凹槽环绕轴的近端的至少一部分并且辅环形凹槽环绕涡轮的轴部分，并且将所述流体供给至所述主环形凹槽和辅环形凹槽，所述轴颈轴承配置为完全浮动轴承，使得供给至其中的流体在孔与轴颈轴承之间形成第一流体膜，并且在轴颈轴承与轴之间形成第二流体膜，所述轴颈轴承还包括由内径限定的第一表面、由外径限定的第二表面，以及连接第一和第二表面的通道；

第一导管和第二导管，其中所述主环形凹槽经由第一导管与排出通道连通，所述辅环形凹槽经由第二导管与排出通道流体连通；以及

旋转组件，所述旋转组件具有带涡轮叶轮的轴，所述涡轮叶轮配置为由离开燃烧室的后燃烧气体驱动，并且具有压缩机叶轮，所述压缩机叶轮配置为对气流加压以输送至燃烧室；

其中：

所述轴具有纵向轴线并且由轴颈轴承支撑以在所述孔内围绕纵向轴线旋转；

所述主环形凹槽和辅环形凹槽各自与排出通道流体连通；

所述主环形凹槽限定第一半径，所述辅环形凹槽限定第二半径，所述第二半径大于第一半径。

2.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述轴由近端和远端限定。

3.根据权利要求2所述的内燃机，其中所述中心壳体在接近所述轴的近端处限定所述主环形凹槽和辅环形凹槽。

4.根据权利要求1所述的内燃机，其中所述轴颈轴承为黄铜衬套。

5.根据权利要求4所述的内燃机，其中所述主环形凹槽和辅环形凹槽经机械加工和铸造至中心壳体中。

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