CN109983233A - 具有包括自由部分的轴的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器，包括：压缩机和围绕所述压缩机的压缩机壳体(1)；涡轮机和围绕所述涡轮机的涡轮机壳体(2)，所述压缩机壳体(1)包括用于空气(4)进入发动机燃烧室的入口和出口，所述涡轮机壳体(2)包括用于排气(5)的入口和出口；轴(3)，该轴链接所述涡轮机和所述压缩机；至少一个轴承，该至少一个轴承用于支撑和引导所述轴(3)旋转；所述涡轮增压器包括附接装置(6，7a，7b)，所述附接装置用于将所述涡轮机壳体(2)附接至所述压缩机壳体(1)；所述轴(3)包括在两个壳体(1，2)之间的自由部分(8)，所述附接装置(6，7a，7b)适用于允许沿着所述自由部分(8)并围绕所述涡轮机壳体(2)和压缩机壳体(1)循环的空气流通过。

Description

具有包括自由部分的轴的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及涡轮增压器、尤其涉及用于内燃发动机的涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压器是非常广泛地用于内燃发动机的强制引入系统、以用于增加这些发动机功率的目的。原理是通过使用压缩机压缩供应给发动机的燃烧室的空气来增加空气的密度，该压缩机通过轴连接至涡轮机，涡轮机进而被设置为通过排气而旋转。为了最佳运行，涡轮增压器通常需要在涡轮增压器的下游使用热交换器以冷却空气，并且因而进一步增加其密度，因为经压缩的空气通常在涡轮增压器的出口处具有升高的温度。由于它们较高的温度，排气构成了涡轮增压器内的主要热源。因此，这些排气使得温度升高，这对于被涡轮增压器压缩的空气还以及对于连接压缩机和涡轮机的轴的轴承均是不利的。

文件US 2014/0352299披露了一种涡轮增压器，其中，冷却管道被设计为使得将压缩机中压缩的空气的一部分输送到靠近涡轮机和压缩机之间的轴的轴承。因此，这种类型的冷却系统具有的目的是冷却轴承以便保护其免受由于轴承中的轴的摩擦和由于排气的高温引起的加热。

文件US 2012/0003081还披露了一种涡轮增压器，其中，冷却套被设计用于将压缩的空气直接从压缩机或其下游引入到用于冷却轴的轴承目的的空腔中。因此，在压缩机壳体的内部和冷却腔之间设置了可能包含或可能不包含过压阀的通道。

因而，以上提到的现有技术的涡轮增压器利用被允许进入压缩机中的空气、以用于对支撑该轴(将涡轮机连接至压缩机)的一个或多个轴承进行冷却的目的。然而，以上提到的系统不能减少涡轮机入口气体产生的热流对被允许进入压缩机的空气的负面影响。

发明内容

本发明在所附独立权利要求中被限定。优选实施例在从属权利要求中被限定。

根据第一方面，本发明涉及一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括：压缩机和包围所述压缩机的压缩机壳体；涡轮机和包围所述涡轮机的涡轮机壳体，所述压缩机壳体包括用于被允许进入发动机的燃烧室的空气的入口和出口，所述涡轮机壳体包括用于排气的入口和出口；轴，该轴连接所述涡轮机和所述压缩机；至少一个轴承，该至少一个轴承用于支撑和引导所述轴旋转，所述涡轮增压器包括用于将压缩机壳体固定到涡轮机壳体的装置，所述轴包括在两个壳体之间的自由部分，所述固定装置适用于允许沿着所述自由部分并围绕所述压缩机壳体和涡轮机壳体流动的空气流通过。

自由部分(其因此是将压缩机连接到涡轮机的轴的未封闭在轴承壳体内的一部分)的存在使得可以减少在现有技术中通常观察到的热量从涡轮机壳体到压缩机壳体的传导。事实上，已经观察到，轴承壳体(围绕着压缩机壳体与涡轮机壳体之间的轴的全部)的存在导致了从因此被排气加热的涡轮机壳体到压缩机壳体的不可忽略的热流，在压缩机壳体中，由于压缩空气的密度的最终降低，因此温度方面的任何升高都是不利的。

因而，在空气流和自由部分之间的直接接触的情况下，轴的自由部分直接与涡轮增压器的外部连通，因为用于将压缩机壳体固定到涡轮机壳体的装置允许外部空气流绕过所述壳体并沿着所述自由部分流动。因此，与现有技术中观察到情况的相比较，该自由部分的存在显著减少了通过两个壳体之间的由热传导进行的热传递。

根据一个有利的实施例，用于将压缩机壳体固定到涡轮机壳体的装置包括多个杆。

根据一个有利的实施例，涡轮增压器包括两个轴承壳体，这两个轴承壳体用于对将压缩机连接至涡轮机的轴进行支撑，第一轴承壳体位于涡轮机壳体与轴的自由部分之间，第二轴承壳体位于压缩机壳体与轴的自由部分之间。第一轴承壳体固定到涡轮机壳体上，并且第二轴承壳体固定到压缩机壳体上。因而，第一轴承壳体和第二轴承壳体支撑轴(该轴将压缩机连接至涡轮机)的旋转，并且可以包含适合于实现该功能的任何类型的轴承，无论它们是例如轴颈轴承还是滚动体轴承。第一轴承壳体和第二轴承壳体有利地包括用于接纳润滑剂的入口和出口、以及用于防止润滑剂朝向轴的自由部分以及朝向涡轮机壳体和压缩机壳体泄漏的密封件。

根据一个有利的实施例，轴的自由部分包括空气偏转装置，所述空气偏转装置适用于在所述轴旋转时产生空气流。非常有利的是，空气偏转装置适用于产生在从压缩机壳体到涡轮机壳体的方向上流动的空气流。事实上，在该方向上流动的空气流允许压缩机壳体的最佳通风，从而在压缩机壳体周围吸入来自涡轮增压器外部的处于环境温度的空气流，同时吹走围绕涡轮机壳体的热空气，并且因此防止该热空气加热压缩机壳体。一方面轴(将压缩机连接至涡轮机)上的自由部分的存在，以及另一方面产生从压缩机壳体沿着自由部分朝向涡轮机壳体的空气流的空气偏转装置，因此允许压缩机壳体的最佳冷却，同时降低压缩机壳体和涡轮机壳体之间的热传导，并且进一步实现靠近压缩机壳体的空气的有效通风。这确保了压缩机壳体相对于涡轮机壳体的最佳绝热。通过这种系统，可以观察到，连接到涡轮增压器的发动机的效率显著提高，并且还观察到，不再需要使用中间冷却器。在其他实施例中，通风可以完全地或者除了上述通风系统之外，通过位于涡轮增压器外部并由外部能量源供应能量的通风装置来实现。例如，所述空气通风装置可以包括位于靠近压缩机壳体的风扇。

根据一个有利的实施例中，空气偏转装置包括多个叶片(例如两个叶片)，这些叶片附接到轴的自由部分，并且因此当涡轮增压器由排气提供动力时，将使得这些叶片旋转。

根据一个有利的实施例，根据本发明的涡轮增压器包括防护壳，该防护壳围绕将涡轮机连接至压缩机的轴的自由部分。这种类型的壳起到用于轴的自由部分的防护屏障的作用，在涡轮增压器运行期间该轴将具有非常高的旋转速度。这种类型的壳也可以覆盖所有压缩机壳体和涡轮机壳体，同时在压缩机壳体和涡轮机壳体周围留有开口，以便允许有利地存在于轴的自由部分上的空气偏转装置产生的空气流通过。在这种情况下，壳于是起到防止操作者和壳体(尤其是在操作期间将具有高温的涡轮机壳体)之间直接接触的屏障的作用。防护壳可以固定到用于将涡轮机壳体固定到压缩机壳体的装置上，或者直接固定到涡轮机壳体和压缩机壳体上。

根据第二方面，本发明涉及一种车辆，该车辆包括如上所述连接到涡轮增压器的内燃发动机。此外，根据本发明的多个涡轮增压器可以安装在单个车辆上，串联或并联地安装、以用于在发动机的各种工作范围内优化强制引入性能的目的。另外，在包括根据本发明的涡轮增压器和其排气管线中为了减少排气的毒性的目的的催化转化器的车辆中，涡轮增压器的涡轮机壳体可以有利地连接到催化转化器下游的发动机排气。事实上，排气在催化转化器的出口处的温度比在催化转化器的入口处处于更低的温度，并且因此已经观察到，这种构型因此对于使到压缩机壳体的热传递最小化的目的是有利的，并且因而优化涡轮增压器的性能。

附图说明

将通过示例并参考附图更详细地进行解释本发明的这些方面和其他补充方面：

图1示出了根据本发明的涡轮增压器的实施例；

图2示出了可以与根据本发明的涡轮增压器一起使用的防护壳的实施例。

这些附图不是按比例绘制的。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的涡轮增压器的实施例。因此，涡轮增压器由容纳径向压缩机的压缩机壳体1和容纳径向涡轮机的涡轮机壳体2组成。涡轮机通过轴3连接到压缩机。因此，压缩机吸入旨在被允许进入发动机的空气4，并且一旦该压缩机压缩了该空气，就将其送至发动机的进气管道。涡轮机就其本身而言是由来自发动机的排气5驱动。压缩机壳体1通过多个杆6和固定在所述壳体1和2上的附接板7a和7b的中介物而固定到涡轮机壳体2上。轴3包括在两个壳体1和壳体2之间的自由部分8。

因此，自由部分8与涡轮增压器的外部连通。具体地讲，杆6允许来自涡轮增压器外部的并且围绕两个壳体1和2且沿着自由部分8流动的空气流通过，其中，杆6允许空气流和自由部分8之间直接接触。这个自由部分8的存在极大减少了通过从涡轮机壳体到压缩机壳体的热传导进行的热传递，这在现有技术中当中央轴承壳体插入在两个壳体之间并与其接触时可以观察到。

轴3有利地由位于轴承壳体9a和9b中的两个轴承支撑。轴承壳体9a通过附接板7a的中介物固定到压缩机壳体，而轴承壳体9b通过附接板7b的中介物固定到涡轮机壳体。容纳在轴承壳体9a和9b中的轴承可以是任何类型的轴承，只要它们能够完成它们的作用、特别是支撑和引导该轴3旋转。轴承可以是例如轴颈轴承、滚动体轴承或箔片轴承。此外，由于轴承的正常运行通常需要供应润滑剂，因此有利地在轴承壳体9a和9b中产生用于排出润滑剂的入口和出口(未示出)。为了避免润滑剂朝向自由部分8以及朝向压缩机壳体1和涡轮机壳体2泄漏，密封件(未示出)被有利地引入到轴承壳体9a和轴承壳体9b中。此外，当输送至涡轮增压器的轴承的润滑油首先被用于润滑内燃发动机的其他元件时，有利的是在涡轮增压器上游的润滑油分配回路中提供冷却系统(诸如热交换器)，以便使该润滑油进入涡轮增压器的点处的润滑油温度最小化。此外，重要的是要提及，两个轴承壳体的存在不是严格必须的。也可以设想存在单个轴承壳体的实施例。唯一的轴承壳体可以是壳体9a或9b，或者放置在两个壳体1和2之间更中间位置处的轴承壳体。

图1所示的涡轮增压器的轴3的自由部分8包括两个叶片10，这两个叶片围绕轴3形成螺旋。因此，这些叶片构成了在涡轮增压器由排气5驱动时被致动旋转的且能够产生沿着自由部分8的空气流11的空气偏转装置。选择叶片10(未示出)的几何形状，以便当涡轮机和压缩机被驱动旋转时，产生从压缩机壳体向涡轮机壳体行进的空气流。事实上，在该方向上流动的空气流允许压缩机壳体1的最佳通风，从而在压缩机壳体周围吸入来自涡轮增压器外部的处于环境温度的空气流，同时吹走围绕涡轮机壳体2的热空气，并且最终防止该热空气加热压缩机壳体1。因此，在根据本发明的系统中，将压缩机连接到涡轮机的轴具有新的作用，即，用作风扇的旋转支撑件，该风扇抽吸压缩机壳体1周围的空气流。一方面在轴3上的自由部分8的存在，以及另一方面产生从压缩机壳体1沿着自由部分8朝向涡轮机壳体2的空气流的空气偏转装置，因此允许压缩机壳体1的最佳冷却，同时减少压缩机壳体1和涡轮机壳体2之间的热传导，并且进一步实现靠近压缩机壳体1的空气的有效通风。通过这种系统，可以观察到，连接到涡轮增压器的发动机的效率显著提高，并且还观察到，不再需要使用中间冷却器。

图1所示的涡轮增压器有利地包括防护壳12，在这种情况下，为了更清楚起见，该防护壳被描绘为透明的，然而，当然也可以使用不透明的壳。这种类型的壳12用于防止接近轴3的自由部分8、并且尤其是接近附接到轴3的叶片10，其在涡轮增压器运行期间将以非常高的速度旋转。当壳12覆盖压缩机壳体1和涡轮机壳体2时，该壳还起到屏障的作用，以防止操作者和壳体(尤其是在操作期间将具有非常高的温度的涡轮机壳体)之间的直接接触。防护壳12可以固定到杆6(用于将涡轮机壳体固定到压缩机壳体)上，或者可以通过附接装置(诸如支柱13)的中介物直接固定到涡轮机壳体和压缩机壳体上。然而，防护壳12在压缩机壳体1和涡轮机壳体2周围留有开口，以允许空气流11通过。涡轮机壳体2周围排出的空气11也可以由热回收系统回收，并用于加热车辆的某些部件或区域。

此外，根据本发明的涡轮增压器可以是可变几何形状涡轮增压器(也就是说，配备有能够调节排气的流量的涡轮机)，从而调节流速，以便根据所需负载优化涡轮机的功率。而且，根据本发明的涡轮增压器可以包括顺序布置的多个压缩机和/或涡轮机。涡轮增压器可以例如包括中央涡轮机，该中央涡轮机连接至两个压缩机，该涡轮机的两侧各有一个压缩机。然后，空气流能够围绕其流动的自由部分8有利地包含在涡轮机和两个压缩机中的每一个压缩机之间的轴上。

图2更详细地示出了可以与根据本发明的涡轮增压器一起使用的壳12的实施例。该壳12有利地包括用于至少部分包围压缩机壳体1的部件14和用于至少部分包围涡轮机壳体2的部件15。这两个部件14和15有利地在中心区域相遇，以便围绕涡轮增压器的轴3，并且通过固定装置(诸如固定杆16)而相连接。部件14有利地是管状部件，该管状部件包括用于空气流11的入口开口14a和用于该空气流11流出的出口开口14b。部件14有利地包括截头圆锥形部分17。截头圆锥形部分17有利地位于远端小直径圆柱形部分18和近端大直径圆柱形部分19之间。围绕涡轮机壳体2的部件15有利地也是管状部件，该管状部件包括入口孔20，部件14的远端部分18插入该入口孔中。固定装置16有利地包括4个杆，这些杆连接到部件14的截头圆锥形部分17并且连接到部件15的入口孔20的壁上。有利的是，部件15还包括用于空气流11流出的出口孔21。远端部分18有利地插入在部件15的入口孔20中、不与其接触。事实上，远端部分18和入口孔20的壁之间的空间的存在使得减少通过防护壳12的部件14和部件15之间的传导进行的热传递成为可能。在操作期间，部件15由于其从涡轮机壳体2接收的热量而处于比部件14更高的温度。因此，为了改善涡轮增压器的性能，期望的是减少该部件15和部件14之间的热传递。代替部件14的远端部分18和部件15的入口孔20的壁之间的空间，也可以使用绝热材料以便减少两个部件14和15之间的热传递。此外，部件14和15中的至少一个有利地至少部分地使用有助于减少涡轮机壳体2和压缩机壳体1之间通过辐射(通常是红外辐射)进行的传递热量的材料制成。事实上，对辐射(通常是红外辐射)具有有利的不透明水平的这种材料的存在，使得进一步改善与防护壳12结合使用的涡轮增压器的性能成为可能，因为涡轮机壳体2和压缩机壳体1之间的热传递由于防护壳的存在而进一步减少。

Claims (8)

1.一种涡轮增压器，包括：压缩机和包围所述压缩机的压缩机壳体(1)；涡轮机和包围所述涡轮机的涡轮机壳体(2)，所述压缩机壳体(1)包括用于允许空气(4)进入发动机燃烧室的入口和出口，所述涡轮机壳体(2)包括用于排气(5)的入口和出口；轴(3)，所述轴连接所述涡轮机和所述压缩机；至少一个轴承(9a，9b)，所述至少一个轴承用于支撑和引导所述轴(3)旋转；所述涡轮增压器包括用于将所述压缩机壳体(1)固定到所述涡轮机壳体(2)上的装置(6，7a，7b)，

其特征在于，所述轴(3)包括在两个壳体(1，2)之间的自由部分(8)，所述固定装置(6，7a，7b)适用于允许沿着所述自由部分(8)并围绕所述压缩机壳体(1)和涡轮机壳体(2)流动的空气流通过。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述轴(3)的自由部分(8)包括空气偏转装置(10)，所述空气偏转装置(10)适用于在所述轴(3)旋转时产生空气流。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述空气偏转装置(10)适用于产生在从所述压缩机壳体(1)到所述涡轮机壳体(2)的方向上流动的空气流。

4.如权利要求2和3中任一项所述的涡轮增压器，其中，所述空气偏转装置包括附接到所述轴(3)上的叶片(10)。

5.如前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器，其中，防护壳(12)是围绕所述压缩机壳体(1)、所述涡轮机壳体(2)、和所述轴(3)的所述自由部分(8)固定的。

6.如前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器，其中，所述用于将所述压缩机壳体(1)固定到所述涡轮机壳体(2)上的装置包括多个杆(6)。

7.如前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器，包括位于所述压缩机壳体(1)与所述轴的自由部分(8)之间的第一轴承壳体(9a)、以及位于所述涡轮机壳体(2)与所述轴(8)的自由部分之间的第二轴承壳体(9b)。

8.一种车辆，其特征在于，所述车辆包括连接到如前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器的内燃发动机。