CN205422943U

CN205422943U - 涡轮增压器及内燃发动机

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Publication number: CN205422943U
Application number: CN201620175323.9U
Authority: CN
Inventors: C·米勒; R·E·安娜缇
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: US9638138B2; US20160281646A1

Abstract

一种涡轮增压器及内燃发动机，涡轮增压器包括涡轮机、压缩机和形成轴承孔的轴承壳体。轴承装置设置在轴与轴承壳体之间，所述轴使涡轮机叶轮和压缩机叶轮互连。轴承装置包括在外轴承座圈元件内形成的第一轴承和第二轴承，外轴承座圈元件具有沿四个轴承表面接合轴承孔的外壁，所述四个轴承表面围绕在外壁中形成的两个供油室成对设置，外壁进一步形成周向延伸的排油凹槽，排油凹槽设置成使得从供油室提供的穿过轴承表面中的一些的油通过周向延伸的排油凹槽流出。

Description

涡轮增压器及内燃发动机

技术领域

本实用新型总体涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及在内燃发动机上使用的涡轮增压器。

背景技术

内燃发动机被供应有空气和燃料的混合物用于在发动机内的燃烧，该燃烧转换成机械动力。为使该燃烧过程转换成的动力最大化，发动机通常装备有涡轮增压进气系统。

涡轮增压进气系统包括具有涡轮机的涡轮增压器，涡轮机使用来自发动机的排气来压缩流入发动机中的空气，从而促使比自然进气式发动机以另外方式吸入燃烧室中的空气更多的空气进入发动机的燃烧室。这种增加的空气供应使燃料供给量增加，从而使发动机的动力输出增加。

在常规涡轮增压器中，提供发动机润滑油以润滑并且冷却轴承壳体中的轴承，轴承壳体可旋转地支撑将动力从涡轮机传送到压缩机的涡轮增压器轴。在发动机工作期间以及在发动机关闭之后，期望避免发动机润滑油从轴承壳体渗漏到涡轮机和压缩机的工作空腔中。还期望促进润滑油平衡地流过和流经涡轮的各种部件。

实用新型内容

本实用新型适用于用于内燃发动机的涡轮增压器。在一个总的方面，本实用新型描述了一种涡轮增压器。涡轮增压器包括涡轮机、压缩机和形成轴承孔的轴承壳体。轴承装置设置在轴与轴承壳体之间，所述轴使涡轮机叶轮和压缩机叶轮互连。轴承装置包括在外轴承座圈元件内形成的第一轴承和第二轴承，外轴承座圈元件具有沿四个轴承表面接合轴承孔的外壁，所述四个轴承表面围绕在外壁中形成的两个供油室成对设置。外壁进一步形成两个周向延伸的排油凹槽，排油凹槽设置成使得从供油室提供的穿过轴承表面中的一些的油通过周向延伸的排油凹槽流出。

在一方面，本实用新型描述了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括具有涡轮机叶轮的涡轮机和具有压缩机叶轮的压缩机。轴承壳体设置并且连接在涡轮机和压缩机之间。轴承壳体形成轴承孔和第一供油通道与第二供油通道。轴可旋转地设置在轴承壳体内并且延伸到涡轮机和压缩机中。涡轮机叶轮连接到轴的一端，而压缩机叶轮连接到轴的相对端，使得涡轮机叶轮可旋转地设置在涡轮机中，而压缩机叶轮可旋转地设置在压缩机中。轴承装置设置在轴与轴承壳体之间。轴承装置包括第一滚动轴承和第二滚动轴承，滚动轴承中的每个在外轴承座圈元件与内轴承座圈元件之间形成，其中外轴承座圈元件设置在轴承孔中，内轴承座圈元件设置在外轴承座圈元件中。外轴承座圈元件具有形成外壁的中空圆柱形形状，其中外壁沿第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合轴承孔，并且具有与第一轴承表面相邻设置的第一端和与第四轴承表面相邻设置的第二端。外壁靠近第一端形成第一供油室，第一供油室与第一供油通道至少部分重叠并且沿轴承孔在轴向方向上设置在第一轴承表面与第二轴承表面之间，并且外壁靠近第二端形成第二供油室，第二供油室与第二供油通道至少部分重叠并且在轴向方向上设置在第三轴承表面与第四轴承表面之间。在工作期间，通过第一供油通道提供的油充满第一供油室并且穿过轴承孔与第一轴承表面和第二轴承表面之间的径向缝隙。通过第二供油通道提供的油充满第二供油室并且穿过轴承孔与第三轴承表面和第四轴承表面之间的附加径向缝隙。外轴承座圈元件进一步形成设置在第二轴承表面与第三轴承表面之间的第一周向延伸的排油凹槽和第二周向延伸的排油凹槽，使得从第一供油室提供的穿过第二轴承表面的油通过第一周向延伸的排油凹槽流出，而从第二供油室提供的穿过第三轴承表面的油通过第二周向延伸的排油凹槽流出。

所述外壁进一步形成排流开口，所述排流开口将限定在所述外轴承座圈元件内的圆柱形空间与限定在所述轴承壳体内的润滑腔流体连接，所述排流开口用来使聚集在所述外轴承座圈元件内的油流出。

通过所述第一供油室提供的穿过所述第一圆柱形轴承表面的油越过所述外壁的所述第一端流出。

通过所述第二供油室提供的穿过所述第四圆柱形轴承表面的油越过所述外壁的所述第二端流出。

在工作期间，所述外壁以旋转运动在所述轴承孔内自由旋转，所述旋转运动受到沿所述第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面存在的油膜的粘度抑制。

所述内轴承座圈元件的端面形成远离所述轴倾斜的径向向外的延伸部分，使得通过所述第一圆柱形轴承表面提供的油在径向向外方向上甩出。

所述内轴承座圈元件形成扩张部分，所述扩张部分相对于其接合所述轴的端部具有增大的内径。

所述轴在端部处连接到所述内轴承座圈元件，所述端部具有第一直径，所述轴进一步在所述端部之间进一步形成细长部分，所述细长部分具有小于所述第一直径的第二直径，以及

其中所述内轴承座圈元件的所述增大的内径与所述轴的所述细长部在轴向方向上重叠。

所述内轴承座圈元件由两个部件形成，即，压缩机侧杯状件和涡轮机侧杯状件。

在另一方面，本实用新型描述了一种用于将轴可旋转并且可密封地支撑在涡轮增压器的轴承壳体内的方法。所述方法包括在轴的一端处连接涡轮机叶轮；通过在第一内座圈和第一外座圈中接合第一多个滚动元件形成第一滚动轴承，其中第一内座圈在内轴承座圈元件中形成，第一外座圈在外轴承座圈元件中形成；以及通过在第二内座圈和第二外座圈中接合第二多个滚动元件形成第二滚动轴承，其中第二内座圈在内轴承座圈元件中形成，第二外座圈在外轴承座圈元件中形成。外轴承座圈元件接合在轴承壳体中形成的轴承孔与延伸通过轴承孔的轴之间，使得内轴承座圈元件相对于外轴承座圈元件随着轴旋转。外轴承座圈元件具有形成外壁的中空圆柱形形状，外壁沿着第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合轴承孔。外壁具有与第一圆柱形轴承表面相邻设置的第一端和与第四圆柱形轴承表面相邻设置的第二端。外壁靠近第一端形成第一供油室，第一供油室与第一供油通道至少部分重叠并且沿轴承孔在轴向方向上设置在第一圆柱形轴承表与第二圆柱形轴承表面之间，并且外壁靠近第二端形成第二供油室，第二供油室与第二供油通道至少部分重叠并且在轴向方向上设置在第三圆柱形轴承表面与第四圆柱形轴承表面之间。在工作期间，通过第一供油通道提供的油充满第一供油室并且穿过轴承孔与第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面之间的径向缝隙。在工作期间，通过第二供油通道提供的油充满第二供油室并且穿过轴承孔与第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面之间的附加径向缝隙。外轴承座圈元件沿外壁进一步形成第一轴向延伸的排油凹槽和第二轴向延伸的排油凹槽，并且排油凹槽设置在第二圆柱形轴承表面与第三圆柱形轴承表面之间，使得从第一供油室提供的穿过第二圆柱形轴承表面的油通过第一轴向延伸的排油凹槽流出，而从第二供油室提供的穿过第三圆柱形轴承表面的油通过第二轴向延伸的排油凹槽流出。

在又一方面，本实用新型描述了一种内燃发动机，该内燃发动机具有在气缸体中形成的多个燃烧室，设置成向燃烧室提供空气或空气与排气混合物的进气歧管，以及设置成从燃烧室接收排气的排气歧管。所述发动机进一步包括涡轮机、压缩机和轴承壳体，涡轮机具有环绕涡轮机叶轮的涡轮机壳体，该涡轮机壳体流体连接到排气歧管并且设置成从排气歧管接收排气以驱动涡轮机叶轮，压缩机具有环绕压缩机叶轮的压缩机壳体，该压缩机壳体流体连接到进气歧管并且设置成向进气歧管提供空气，轴承壳体设置并且连接在涡轮机与压缩机之间，该轴承壳体形成从中穿过的轴承孔，轴承孔容纳使涡轮机叶轮和压缩机叶轮互连的轴，以在其间传送动力，该轴承壳体进一步形成第一供油通道和第二供油通道。所述轴可旋转地装配在轴承壳体内并且延伸到涡轮机和压缩机中，使得涡轮机叶轮连接到轴的一端，而压缩机叶轮连接到轴的相对端。

轴承装置设置在轴与轴承壳体之间。轴承装置包括第一轴承和第二轴承，第一轴承和第二轴承中的每个由相应的第一多个滚动体元件和第二多个滚动体元件形成，所述多个滚动体元件接合在相应的第一内座圈和第二内座圈之间以及在相应的第一外座圈和第二外座圈之间。外轴承座圈元件设置在轴承孔内并且形成相应的第一外座圈和第二外座圈，而内轴承座圈元件形成相应的第一内座圈和第二内座圈。外轴承座圈元件具有形成外壁的中空圆柱形形状，外壁沿第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合轴承孔。外壁具有与第一圆柱形轴承表面相邻设置的第一端和与第四圆柱形轴承表面相邻设置的第二端。外壁靠近第一端形成第一供油室，第一供油室与第一供油通道至少部分重叠并且沿轴承孔在轴向方向上设置在第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面之间，并且外壁靠近第二端形成第二供油室，第二供油室与第二供油通道至少部分重叠并且在轴向方向上设置在第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面之间。在工作期间，通过第一供油通道提供的油充满第一供油室并且穿过轴承孔与第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面之间的径向缝隙，而通过第二供油通道提供的油充满第二供油室并且穿过轴承孔与第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面之间的附加径向缝隙。外轴承座圈元件进一步形成设置在第二轴承表面与第三轴承表面之间的第一周向延伸的排油凹槽和第二周向延伸的排油凹槽，使得从第一供油室提供的穿过第二圆柱形轴承表面的油通过第一周向延伸的排油凹槽流出，而从第二供油室提供的穿过第三圆柱形轴承表面的油通过第二周向延伸的排油凹槽流出。

附图说明

图1是根据本实用新型的内燃发动机的方框图。

图2是从根据本实用新型的涡轮增压器的侧面透视的概略图。

图3是通过图2所示的涡轮增压器中心的局部视图。

图4是图3所示的涡轮增压器轴承的放大详细视图。

图5和图6是图3所示的涡轮增压器轴两端处的密封件A1、A2处的放大详细视图。

图7是图3的局部视图图示，其示出通过图2所示的涡轮增压器轴承壳体的油的流动路径。

图8是图7的放大详细视图。

图9是根据本实用新型的两个涡轮增压器轴承的局部视图。

图10和图11是根据本实用新型的涡轮增压器的转子动力学的图形表示。

图12至图15是根据本实用新型的轴承壳体组装过程的图示。

具体实施方式

本实用新型涉及与内燃发动机结合使用的改进型涡轮增压器，以促进发动机的有效工作并且还促进涡轮增压器的稳定且可靠的工作。图1示出了发动机100的简化方框图。发动机100包括气缸体104，气缸体104设置有多个燃烧气缸106。在所示实施例中，所示六个燃烧气缸处于直列式配置或“I”形配置，但也可使用以不同配置诸如“V”形配置布置的任何其他数量的气缸。多个燃烧气缸106经由排气阀（未示出）流体连接到第一排气管道108和第二排气管道110。第一排气管道108和第二排气管道110中的每个连接到涡轮增压器119的涡轮机120。在所示实施例中，涡轮机120包括具有进气口124的壳体122，进气口124流体连接到第一排气管道108和第二排气管道110，并且被布置成从那里接收排气。提供给涡轮机120的排气使得连接到轴126的涡轮机叶轮（未在此示出）旋转。排气通过出口128排出涡轮机120的壳体122。出口128处的排气在通过竖管或尾管134排放到环境中之前，任选地穿过诸如将燃烧副产物从排气流中物理上和化学上去除的后处理装置130的其他排气后处理部件和系统，和/或抑制发动机噪音的消音器132。

轴126的旋转使得压缩机136的叶轮（未在此示出）旋转。如图1所示，压缩机136可以为轴流式压缩机、径流式压缩机或混流式压缩机，其配置成通过压缩机进口140接收来自空气过滤器138的新鲜的过滤空气流。压缩机136的出口142处的加压空气在被提供到发动机100的进气歧管148之前，经由增压空气管道144输送至增压空气冷却器146。在所示实施例中，来自进气歧管148的空气输送至燃烧气缸106，其在燃烧气缸106中与燃料混合并且燃烧以产生发动机动力。

图1中标记102为排气再循环（EGR）系统，任选的EGR系统102包括EGR冷却器150（其也为任选的），EGR冷却器150流体连接到第一排气管道108的EGR气体供应端口152。来自第一排气管道108的排气流可穿过EGR冷却器150，排气流在经由EGR管道156供应到EGR阀154之前在EGR冷却器150中进行冷却。EGR阀154可由电子控制，并且配置成计量或控制穿过EGR管道156的气体的流量。EGR阀154的出口流体连接到进气歧管148，使得来自EGR管道156的排气可与来自增压空气冷却器146的压缩空气在发动机100的进气歧管148内混合。

部分由于涡轮机120所呈现的流动限制，所以通常称为背压的第一排气管道108中的排气压力高于周围压力。由于同样的原因，第二排气管道110中存在正背压。由于压缩机136所提供的压缩，所以通常称为升压压力的进气歧管148中的空气或空气/EGR气体混合物的压力也高于周围压力。在很大程度上，背压与升压压力之间的压力差，加上EGR系统102的部件的流动限制和流动面积，确定了可在各种发动机工作条件下实现的EGR气体的最大流量。

图2示出涡轮增压器119的概略图，并且图3示出局部视图。参考这些附图并且在随后的描述中，为简单起见，与已经描述的对应结构和特征相同或类似的结构和特征有时可通过先前使用的相同参考标记来表示。如图所示，涡轮机120连接到轴承壳体202。轴承壳体202环绕轴126的一部分，并且包括设置在润滑腔206内的轴承242和轴承243，润滑腔206在轴承壳体202内形成。润滑腔206包括润滑剂进口端口203和润滑剂出口开口205，它们容纳从中流过的润滑流体流例如发动机润滑油，从而当轴126在发动机工作期间旋转时润滑轴承242和轴承243。

轴126在一端连接到涡轮机叶轮212，而在另一端连接到压缩机叶轮213。涡轮机叶轮212配置成在连接到轴承壳体202的涡轮机壳体215内旋转。压缩机叶轮213设置成在压缩机壳体217内旋转。涡轮机叶轮212包括围绕轮毂216径向布置的多个叶片214。轮毂216连接到轴126的端部。在所示实施例中，涡轮机叶轮212通过焊接连接在轴126的端部，但可使用其他方法诸如通过使用紧固件将涡轮机叶轮连接到轴上。涡轮机叶轮212可旋转地设置在排气涡轮机喷嘴230之间，排气涡轮机喷嘴230在涡轮机壳体215内限定。排气涡轮机喷嘴230在轴126和叶片214的大致径向向内和轴向方向上提供排气到涡轮机叶轮212，使得涡轮机120为混流式涡轮机，意为，排气在径向和轴向两个方向上被提供到涡轮机叶轮。越过涡轮机叶轮212的排气经由在壳体中形成的出口孔234排出涡轮机壳体215。出口孔234流体连接到出口128（图1）。排气涡轮机喷嘴230流体连接到进气通道236，进气通道236具有涡形形状并且在涡轮机壳体215中形成。进气通道236使排气涡轮机喷嘴230与进气口124（也参见图1）流体互连。注意，图3示出了在涡轮机壳体215中形成的单个进气通道236，但在可选的实施例中，在单个涡轮机壳体中可形成分开的通道。

在图3所示的实施例中，进气通道236环绕涡轮机叶轮212和出口孔234的区域，并通向围绕涡轮机叶轮212整个周边的排气涡轮机喷嘴230。进气通道236的截面流动面积沿气体的流动路径减小，该气体经由进气口124进入涡轮机120并且通过排气涡轮机喷嘴230被提供给涡轮机叶轮212。

也形成用于涡轮机叶轮212的护罩的径向喷嘴环238基本上围绕涡轮机叶轮212的整个周边设置。如在随后的段落中更详细讨论，径向喷嘴环设置成与进气通道236流体连通，并且围绕涡轮机叶轮212限定排气涡轮机喷嘴230。如图3所示，径向喷嘴环形成多个轮叶246，这些轮叶246是固定的并且围绕径向喷嘴环238对称设置且工作用来将来自进气通道236的排气导向涡轮机叶轮212。多个轮叶246的形状和配置可变化。在第一多个轮叶246中的相邻轮叶之间限定了具有倾斜形状的流动通路250。穿过流动通路250的气体的流动动量大致切向且径向向内地导向涡轮机叶轮212的内径，使得叶轮的旋转可以增加。虽然轮叶246进一步具有大致弯曲的气翼形状以最小化越过轮叶的和在轮叶之间的气体的流动损失，从而分别为涡轮机叶轮提供均匀的流入条件，但轮叶246也为径向喷嘴环238的护罩部分提供结构上的支撑。包括护罩部分的径向喷嘴环238经由多个紧固件252连接到涡轮机，但也可使用其他方法连接到涡轮机。紧固件252接合隔热罩254，隔热罩254使用过盈配合和支柱258连接到在轴承壳体202上形成的涡轮机凸缘256。

轴承壳体202包封轴126的一部分，轴126通过轴承242和轴承243旋转地装配于在轴承壳体中形成的轴承孔260中。轴承242和轴承243中的每个包括外座圈261、滚动体和内座圈262，外座圈261接合轴承孔260的内径表面，内座圈262具有大致管状的形状并且沿其长度围绕轴126延伸。在工作期间，来自润滑剂进口端口203的润滑油通过外部油泵经由通道264提供给轴承242和轴承243，润滑油在聚集在润滑腔206中并且通过润滑剂出口开口205流出轴承壳体之前从通道264冲洗过轴承以使它们冷却并且润滑。

轴承242和轴承243通过轴承保持架266轴向保持在轴承孔260内，轴承保持架266设置在轴承壳体202上形成的压缩机装配板268与压缩机叶轮213之间。轴承保持架266形成中心开口270，中心开口270的内径小于轴承孔260的内径，使得当轴承保持架266连接到轴承壳体202时，轴承242和轴承243保持在轴承孔260内。轴承保持架266通过紧固件272（但可使用其他紧固结构或保持结构）固定到压缩机装配板268，并且具轴向接合外座圈261的圆柱形部分。圆柱形部分（如图3所示与288相邻）之间的接合有时可经由保持板在轴承壳体与外座圈之间产生摩擦接合，摩擦接合去除了使用以其他方式防止外座圈旋转的结构的必要性，诸如通过使用径向延伸的销或类似结构。为防止材料在该界面磨损，可将氮化物表面处理应用到邻接外座圈261的轴承保持架266的环形端面，或者可使用可增加材料硬度的类似的耐磨处理。在所示实施例中，在工作期间，外座圈261事实上可关于轴承壳体以比轴慢的多的旋转速率旋转。在工作期间的这种旋转可受到存在于轴承表面B1、轴承表面B2、轴承表面B3和轴承表面B4（见图9）中的油膜的粘度抑制。这种摩擦接合的分量也提供在外座圈的涡轮机侧上，当涡轮机未工作时，外座圈的涡轮机侧邻接轴承孔260一端处的止动表面（与B4的端部相邻的止动表面），如图6所示。在工作期间，在外座圈与止动表面之间可形成几千分之一英寸的缝隙，该缝隙容许润滑油从中穿过。

参见图2和图3，压缩机136包括形成轮叶276的压缩机轮叶环274，压缩机轮叶环274围绕压缩机叶轮213径向设置。轮叶276使压缩机进口孔278与压缩机涡形通道280流体连接，压缩机进口孔278包含压缩机叶轮213，压缩机涡形通道280形成于压缩机壳体217中并且终止于压缩机出口开口282。螺栓284和圆形板区段286将涡轮机壳体215连接到涡轮机凸缘256并且将压缩机壳体217连接到压缩机装配板268。接合在轴126上的螺母288将轴126保持在轴承242和轴承243内。

图4示出轴承242和轴承243的放大详细视图。在该图示中，并且在随后的其他图示中，为简单起见，与本文前述结构相同或类似的结构将通过先前使用的相同参考标号来表示。因此，也可称为压缩机侧轴承的第一轴承242由多个滚动体元件302形成，滚动体元件302被限于在外座圈凹槽304与内座圈凹槽306之间进行滚动运动或滑动运动，外座圈凹槽304在外座圈261中形成，内座圈凹槽306靠近内座圈262的压缩机侧端形成。类似地，也可称为涡轮机侧轴承的第二轴承243由多个滚动体元件308形成，滚动体元件308被限于在对应的外座圈凹槽310与内座圈凹槽312之间进行滚动运动或滑动运动。

外座圈261形成有利于涡轮增压器119工作的并且还促进通过轴承壳体202的润滑油的期望流动的各种特征。更具体地，外座圈261具有形成外壁或外壳314的大致中空的圆柱形形状。外壳314在其端部形成外座圈凹槽304和外座圈凹槽310，并且包封圆柱形空间316，在工作期间，圆柱形空间316环绕轴216和内座圈262。外壳314靠近任一端形成两个集油凹槽或供油室318，集油凹槽或供油室318中的每个与在轴承壳体202中形成的通道264轴向对齐，使得在工作期间，流过通道264的油聚集并且充满两个集油凹槽或给油室318中的每个。润滑通道320延伸通过外壳314，并且在靠近内座圈凹槽306和内座圈凹槽312而且还靠近外座圈凹槽304和外座圈凹槽310的区域中将每个相应的供油室318与圆柱形空间316流体连接，以在工作期间使轴承242和轴承243润滑和冷却。外壳314进一步形成排流开口322，排流开口322将圆柱形空间316与润滑腔206连接流体以使聚集在外座圈261内的任何油排出。

外座圈261沿四个圆柱形轴承表面接触轴承孔260，四个圆柱形轴承表面中的每个具有沿轴中心线C/L的直径和轴向长度，直径和轴向长度已被设计和选择用于工作期间的最佳轴承性能和阻尼性能。因此，从外座圈261的压缩机侧开始，第一轴承表面B1具有外径D1（参见图9）并且沿轴向长度L1延伸。第二轴承表面B2具有直径D2（图9）和轴向长度L2。第三轴承表面B3具有直径D3（图9）并且沿轴向长度L3延伸。最后，第四轴承表面B4具有直径D4（图9）并且沿轴长L4延伸。轴承表面也在图9中示出。

四个轴承表面B1、B2、B3和B4中的每个均容许在其中的润滑油的薄膜或挤压膜直径的厚度等于轴承孔260的内径D与外径D1、D2、D3和D4之间的差异。如图所示，横跨压缩机侧供油室318的两个轴承表面B1和B2具有相同的挤压膜直径（SFD），并且在轴向长度方面一起考虑（L1+L2）。类似地，两个涡轮机侧轴承表面B3和B4具有相同的SFD，并且在轴向长度方面一起考虑（L3+L4）。如本文所使用，SFD用于指在每个轴承表面与轴承孔之间的那些中空圆柱形区域，其中，润滑油在工作期间穿过轴承孔。圆柱形区域或缝隙的厚度称为SFD间隙，而沿所述轴的中心线的每个圆柱形区域的长度（圆柱形区域的“高度”）称为SFD长度。

对于压缩机侧轴承表面B1和B2，可表达为（Dx-D）/D的SFD间隙关于直径的比值等于大约0.0021，其中“x”为1或2并且表示D1或D2。对于相同的轴承表面，可表达为（L1或L2）/D的SFD长度关于直径的比值等于大约0.300。对于涡轮机侧轴承表面B3和B4，可表达为（Dx-D）/D的SFD间隙关于直径的比值等于大约0.0031，其中“x”为3或4并且表示D3或D4。对于相同的轴承表面，可表达为（L3或L4）/D的SFD长度关于直径的比值等于大约0.200。换言之，在所示实施例中，在工作期间润滑油从中流过的、可用于抑制轴的振动和其他激励的圆柱形区域在压缩机侧上比在涡轮机侧上更细并且更长，圆柱形区域在涡轮机侧上更粗并且更短，由此提供不同的阻尼特性。

在工作期间，通过通道提供的油充满供油室318并且在一定程度上使供油室318加压。来自供油室318的润滑油被推入或进入轴承表面B1、B2、B3和B4的SFD，使得油从每个供油室318朝向在一侧上的压缩机，在相对侧上的涡轮机，并且朝向在两侧上的轴承壳体的中心流出。为促进润滑油流通过内轴承表面B2和内轴承表面B3，通过排流凹槽324（也参见图8）收集流向轴承壳体202中心的油，排流凹槽324在外座圈261的外表面上形成并且将油引导到润滑腔206中。

外座圈261环绕内座圈262，内座圈262反过来环绕轴126的一部分。内座圈262形成具有缩小直径部分的两个端部326，端部326与轴126的端部接合。轴126包括具有缩小外径330的细长部分328，缩小外径330小于在轴126端部处的增大外径332。细长部分328在整个轴向长度上334延伸。轴126的增大外径332在其端部与内座圈262的两个端部326的缩小内径336配合。

为给轴126提供扭转刚度和弯曲刚度，内座圈262特意地沿其中间部分扩张，以形成增大的直径338。增大的直径338与细长部分328在轴向方向上重叠，以增加轴126和内座圈262的组合结构的弯曲刚度而不显著增加系统的整体质量。在所示实施例中，为有利于组装，内座圈262由两个部件形成，即，压缩机侧杯状件340和涡轮机侧杯状件342。杯状件中的一个（在该情况下为涡轮机侧杯状件342）形成在其中接纳压缩机侧杯状件340的自由环形面的凸部和壁。压缩机侧杯状件340和涡轮机侧杯状件342一起形成内座圈262，内座圈262具有中心扩张部分344和两个过渡部分346，过渡部分346使扩张部分344与两个端部326连接。如图8的放大详细视图所示，在端部、过渡部分346和扩张部分344之间提供避免应力集中的平滑或斜切的过渡段350。在所示实施例中，可以为凸状或凹状的每个斜切过渡段350均以相同的半径形成，但可使用不同的半径。

图5示出图3中压缩机叶轮213与轴126之间的界面A1处的放大详细视图。在该图中，可以看到在轴承壳体202中形成的检查通道402。检查通道402用塞子404塞住，塞子404在维修期间可以拆除，以提供例如到轴承壳体内部的入口用于进行仪表安装和/或进入轴承壳体内部。

如还在图5中可见，环形密封件406设置成在压缩机的内部工作室与轴承壳体的油腔之间提供滑动密封。更具体地，环形密封件406设置在开放通路408中，开放通路408与压缩机叶轮213后部内侧上的环形表面410一起形成U形。开放通路408在设置在轴承242的压缩机侧上的内座圈262延伸部的端部处形成。环形密封件406可滑动并且可密封地接合轴承保持架266的内孔412，使得在内座圈262与轴承保持架266之间提供滑动密封，滑动密封提供密封以防止润滑油从轴承壳体202渗漏到压缩机壳体217中。另外，环形密封件406提供密封以防止加压气体进入轴承壳体的内部。轴承保持架密封件414设置在轴承保持架266的外部与压缩机装配板268之间。注意，预期内座圈262的内部348（图4）大致不存在油，因为也许除了在压缩机侧杯状件340与涡轮机侧杯状件342之间的界面之外，并未为润滑油提供进入开口。如果发生涡轮增压器故障，则在轴126可被拉向涡轮机壳体时的情况下，保持螺母288可被拉向底座424并且可密封地接合底座424，以保持活塞环接合并且将涡轮机叶轮和轴组件保持在轴承壳体内。

在所示实施例中，还提供曲折路径以阻止油流朝向环形密封件406。如图所示，内座圈262的端部形成径向向外延伸的部分416，其远离轴126倾斜。向外延伸部分形成外顶端部分418，外顶端部分418成形为朝向压缩机延伸的圆柱形壁。轴承保持架266形成面向内的圆柱形壁420，圆柱形壁420与外顶端部分418轴向对齐并且从那里径向向内设置，使得在它们之间形成通往环形密封件406的蜿蜒或曲折的路径422。

图6示出图3中涡轮机叶轮212与轴承壳体202之间的界面A2处的放大详细视图。在该图中，排流凹槽502朝向轴126的一端504形成，以有利于穿过最里面的轴承表面B4的润滑油排流到回油室中。为了密封以防止润滑油的渗漏并且为了提供密封以防止加压气体进入轴承壳体的内部，在轴126与涡轮机凸缘256的内孔506之间提供两个环形密封件。更具体地，第一环形密封件508设置于在轴126中形成的通路510中，而第二环形密封件512设置于也在轴126中形成的通路514中。

在工作期间，通过第一环形密封件508和第二环形密封件512与轴126和涡轮机凸缘256的内孔506的滑动和密封接触，阻止来自轴承壳体202内的润滑油渗漏到涡轮机的工作室中。注意，如果发生涡轮增压器故障，在此期间轴126可朝向涡轮机移置，则至少第一环形密封件508可在内孔506中轴向移置达预定的距离，同时仍维持与内孔506的接触，从而即使在故障模式下仍然提供密封，以避免润滑油渗漏到涡轮机壳体中。如果轴126朝向压缩机移置则提供相同的滑动公差，在这种情况下，第二环形密封件512可在内孔506中移置同时仍维持其密封功能。本文所示的环形密封件有利地由硬化材料诸如屈服应力为大约3,247MPa（471,000ksi）的M2钢制成，并且可耐受环与周围部件之间的大约450℉的温差。在每个示例中，环具有矩形横截面（但可使用其他横截面）并且具有可安装于在轴中形成的通路中的C形，从而抵靠环所接合的可密封滑动表面提供弹簧负载。

图7示出简化的润滑油流图，在其中图4所示的结构用于说明流动路径。在一个实施例中，主油流519在润滑剂进口端口203处被提供。在点A，供应压力和油的流动分开进入通道264中，以到达供油室318。采用点B来描述设置在压缩机侧（图的左侧）上的供油室318中的油压，采用点C来描述设置在涡轮机侧（图的右侧）上的供油室318中的油压。来自供油室318的油穿过如前所述的轴承表面，并且流入润滑腔206中。出于描述的目的，在轴承B1中采用点E，在轴承B4中采用点F。表1在下面示出在代表典型发动机工作条件的不同工作压力（低、中和高，取决于发动机的速度）和温度（冷油和热油）下的以每分钟加仑数（GPM）计的油流量：

如从上表中可见，点E处的较大缝隙导致更多的润滑油流向涡轮机，这促进了更有效的冷却。在上表中，热油可在发动机的正常油温工作范围内的任何位置，诸如190℉至230℉，而冷油可在冷起动发动机工作范围中的任何位置，诸如-30℉至0℉。类似地，低压可在20PSI至40PSI之间，中压可在50PSI至75PSI之间，而高压可在90PSI至120PSI之间。

如上所讨论，穿过压缩机侧上的轴承表面B1与轴承表面B2以及涡轮机侧上的轴承表面B3与轴承表面B4（见图9）的润滑油有助于抑制工作期间的振动和失衡。通过在轴的两侧上选择不同的油膜厚度（其控制轴动力学具有超出发动机工作范围的固有振动频率），可有利地控制此类失衡。例如，对于以较高速度和负载进行工作的发动机，固有振动频率或至少它们的占主要的谐波被配置成在高于或低于发动机工作的预期范围出现。在本实施例中，轴承表面B1、轴承表面B2、轴承表面B3和轴承表面B4中的D1和D2与D3和D4之间的差产生期望的特性。

图10和11示出根据本实用新型的涡轮增压器的振动特性的图形表示，在使用热油（例如，在正常工作温度下的油）和冷油的情况下操作涡轮增压器以扫掠轴的各个旋转速度。如从上表中可见，流过轴承区域的润滑油量及其粘度将随着温度而改变，从而得到不同的防振阻尼特性。振动特性可从许多不同的方面（包括轴位移）量化为测量位移、观察位移或预期位移相对于轴承区域处的轴承直径的百分比，轴承直径在四个轴承区域上进行平均。

图10示出轴速度使用热油在轴位移上扫掠的结果，其中，作为最大速度百分比的轴速度516沿水平轴线绘制，而以（%）表达的位移距离相对于轴承直径的百分比位移518沿垂直轴线绘制。示出了两条曲线，虚线表示压缩机响应曲线520，而实线表示涡轮机响应曲线522。压缩机响应曲线520表示示出每个测试点的百分比位移518和在压缩机叶轮（例如，图3的压缩机叶轮213）处所取的轴速度范围内的对应轴速度516的点的集合。类似地，涡轮机响应曲线522表示示出每个测试点的百分比位移518和在涡轮机叶轮（例如，图3的涡轮机叶轮212）处所取的轴速度范围内的对应轴速度516的点的集合。图11示出针对相同参数绘制但用于冷油的相同曲线。

如从图10和图11的图形中可见，当润滑油温热时，在低于最大速度10%的压缩机叶轮速度下可出现稍高于2%的峰值振动，如图形上的点524所表示，而在大约相同的轴速度下，在涡轮机叶轮处可出现具有大约0.5%的低得多的位移百分比的振动，如点526所表示。如通过图10中的压缩机响应曲线520可以看到，对于压缩机叶轮，在最大速度的10%至大约85%之间的轴速度范围（占发动机工作范围的大部分）内的百分比位移在小于1%处保持恒定。在最大速度的10%至100%之间的速度范围内，涡轮机响应曲线522显示出具有小于0.5%的相对恒定峰值位移的更好的振动轮廓。

如图11所示，当润滑油冷却时，在大约50%的涡轮机叶轮处可出现大约7%的峰值振动，如图形上的点532所表示，而在大约相同的轴速度下，在压缩机叶轮处可出现具有大约4.4%的低得多的位移百分比的振动，如点530所表示。在大约5%的速度下，可以看到与在热油条件（图10）中看到的那些类似的峰值，其中压缩机叶轮具有大约3.5%的峰值位移百分比，如点534所表示，而涡轮机叶轮具有大约1%的峰值位移百分比，如点526所表示。在两种情况下，使用冷油的在5%速度下的峰值位移大约为热油的峰值位移的两倍。

仍然使用冷油（图11），对于涡轮机叶轮，随着轴速度的增加，在55%至大约115%之间的轴速度范围（占发动机工作范围的大部分）内的百分比位移在小于1%处保持恒定。在55%至115%之间的范围内，压缩机响应曲线520显示出具有大约小于0.5%的相对恒定峰值位移的更好的振动轮廓。使用这些振动轮廓，轴的转子动力学是可接受的直到油变热，并且然后在预期发动机工作范围内稳定到小于1%的低峰值位移。注意，在图10和图11的图形上，空转的发动机速度可以为图表中所示范围的大约10%。

当组装根据本实用新型的涡轮增压器时，并且尤其是当将轴承壳体202的组件放在一起时，可使用夹具实行某些过程步骤，如图12至图15所示。在图12中，焊接到轴126端部的涡轮机叶轮212的组件在垂直位置安装到夹具602上，其中涡轮机叶轮在底部。在将第一环形密封件508和第二环形密封件512（图6）装配到轴上之后，具有已安装的隔热罩254的轴承壳体202围绕轴126插入，直到涡轮机凸缘256抵靠在第二夹具604上，从而在涡轮机凸缘256与涡轮机叶轮212之间设定适当的距离，如图13所示。

将包括外座圈261、内座圈263以及轴承242和轴承243的各种部件围绕轴126插入轴承孔260中，并且在安装各种密封件之后，组装轴承保持架266以闭合轴承壳体202并且在轴126与轴承孔260之间设定适当的同心度，如图14所示。然后，将压缩机叶轮213安装到轴126的自由端上，如图15所示。在所示的组装顺序中，在进行涡轮机的组装之前，轴126端部上的涡轮机叶轮212的子组件可旋转地平衡，使得轴126可确定其后组装的其余部件（包括压缩机叶轮213）的同心度，以维持平衡组件。作为可选步骤，整个组件可在组装之后配置平衡以减少失衡，尤其是减少在使用冷油进行工作时可存在的那些失衡。可通过在中心轮毂和/或在压缩机叶片顶端处将材料从压缩机叶轮去除来完成配置平衡。为确定待去除的材料的量以及这种去除的位置，整个组件可放置在旋转平衡机上。进一步注意到，当与具有与本文所示不同的密封装置的涡轮增压器相比较时，在轴承保持架内孔内的径向密封件的接合还减少了必须去除以平衡组件的材料的量，其中轴承保持架帮助将轴同心地放置到轴承孔中。

工业实用性

应当理解，以上描述提供了所公开系统和技术的示例。然而，可以设想的是，本实用新型的其他实施在细节上可不同于以上示例。对本实用新型或其示例的所有引用旨在参考当时讨论的特定示例，并非更一般地旨在暗含关于本实用新型保护范围的任何限制。除非另外指示，否则关于某些特征的所有区别性和贬意性的语言旨在指示那些特征并非优选，而不是将此类特征从本实用新型的保护范围中完全排除。

除非本文另外指示，否则本文的值的范围的详述仅旨在用作单独地参考落入该范围内的每个独立值的速记方法，并且每个独立值被包括到本说明书中，如同其在本文被单独列举。除非本文另外指示或者与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法可以任何适合的顺序执行。

Claims

1.一种涡轮增压器，其特征在于包括：

涡轮机，其包括涡轮机叶轮；

压缩机，其包括压缩机叶轮；

轴承壳体，其设置并且连接在所述涡轮机与所述压缩机之间，所述轴承壳体形成轴承孔和第一供油通道与第二供油通道；

轴，其可旋转地设置在所述轴承壳体内并且延伸到所述涡轮机和所述压缩机中，其中所述涡轮机叶轮连接到所述轴的一端，并且其中所述压缩机叶轮连接到所述轴的相对端，使得所述涡轮机叶轮可旋转地设置在所述涡轮机中，而所述压缩机叶轮可旋转地设置在所述压缩机中；

轴承装置，其设置在所述轴与所述轴承壳体之间，所述轴承装置包括第一滚动轴承和第二滚动轴承，所述第一滚动轴承和第二滚动轴承中的每个在外轴承座圈元件与内轴承座圈元件之间形成，所述外轴承座圈元件设置在所述轴承孔中，所述内轴承座圈元件设置在所述外轴承座圈元件中；

其中所述外轴承座圈元件具有形成外壁的中空圆柱形形状，所述外壁沿第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合所述轴承孔，所述外壁具有与所述第一圆柱形轴承表面相邻的第一端和与所述第四圆柱形轴承表面相邻的第二端；

其中所述外壁靠近所述第一端形成第一供油室，所述第一供油室与所述第一供油通道至少部分重叠并且沿所述轴承孔在轴向方向上设置在所述第一圆柱形轴承表面与第二圆柱形轴承表面之间；以及

其中所述外壁靠近所述第二端形成第二供油室，所述第二供油室与所述第二供油通道至少部分重叠并且在所述轴向方向上设置在所述第三圆柱形轴承表面与第四圆柱形轴承表面之间；

其中，在工作期间，通过所述第一供油通道提供的油充满所述第一供油室并且穿过所述轴承孔与所述第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面之间的径向缝隙，而通过所述第二供油通道提供的油充满所述第二供油室并且穿过所述轴承孔与所述第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面之间的附加径向缝隙；以及

其中所述外轴承座圈元件进一步形成设置在所述第二圆柱形轴承表面与第三圆柱形轴承表面之间的第一周向延伸的排油凹槽和第二周向延伸的排油凹槽，使得：

从所述第一供油室提供的穿过所述第二圆柱形轴承表面的油通过所述第一周向延伸的排油凹槽流出，并且

从所述第二供油室提供的穿过所述第三圆柱形轴承表面的油通过所述第二周向延伸的排油凹槽流出。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述外壁进一步形成排流开口，所述排流开口将限定在所述外轴承座圈元件内的圆柱形空间与限定在所述轴承壳体内的润滑腔流体连接，所述排流开口用来使聚集在所述外轴承座圈元件内的油流出。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，通过所述第一供油室提供的穿过所述第一圆柱形轴承表面的油越过所述外壁的所述第一端流出。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，通过所述第二供油室提供的穿过所述第四圆柱形轴承表面的油越过所述外壁的所述第二端流出。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，在工作期间，所述外壁以旋转运动在所述轴承孔内自由旋转，所述旋转运动受到沿所述第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面存在的油膜的粘度抑制。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述内轴承座圈元件的端面形成远离所述轴倾斜的径向向外的延伸部分，使得通过所述第一圆柱形轴承表面提供的油在径向向外方向上甩出。

7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述内轴承座圈元件形成扩张部分，所述扩张部分相对于其接合所述轴的端部具有增大的内径。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，所述轴在端部处连接到所述内轴承座圈元件，所述端部具有第一直径，所述轴进一步在所述端部之间进一步形成细长部分，所述细长部分具有小于所述第一直径的第二直径，以及

9.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述内轴承座圈元件由两个部件形成，即，压缩机侧杯状件和涡轮机侧杯状件。

10.一种内燃发动机，其具有在气缸体中形成的多个燃烧室、设置成向所述燃烧室提供空气或空气与排气混合物的进气歧管，以及设置成从所述燃烧室接收排气的排气歧管，其特征在于，所述内燃发动机进一步包括：

涡轮机，其包括环绕涡轮机叶轮的涡轮机壳体，所述涡轮机壳体流体连接到所述排气歧管并且设置成从所述排气歧管接收排气，以驱动所述涡轮机叶轮；

压缩机，其包括环绕压缩机叶轮的压缩机壳体，所述压缩机壳体流体连接到所述进气歧管并且设置成向所述进气歧管提供空气；

轴承壳体，其设置并且连接在所述涡轮机与所述压缩机之间，所述轴承壳体形成从中通过的轴承孔，所述轴承孔容纳使所述涡轮机叶轮与所述压缩机涡轮互连的轴，以在其间传递动力，所述轴承壳体进一步形成第一供油通道和第二供油通道；

其中所述轴可旋转地装配在所述轴承壳体内并且延伸到所述涡轮机和所述压缩机中，使得所述涡轮机叶轮连接到所述轴的一端，而所述压缩机叶轮连接到所述轴的相对端；

轴承装置，其设置在所述轴与所述轴承壳体之间，所述轴承装置包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承中具有多个第一滚动体元件，所述第二轴承中具有多个第二滚动体元件，所述多个第一滚动体元件接合在第一内座圈与第一外座圈之间，所述多个第二滚动体元件接合在第二内座圈与第二外座圈之间；

外轴承座圈元件，其设置在所述轴承孔内并且形成所述第一外座圈和第二外座圈，而内轴承座圈元件形成所述第一内座圈和第二内座圈；

其中所述外轴承座圈元件具有形成外壁的中空圆柱形形状，所述外壁沿第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合所述轴承孔，所述外壁具有与所述第一圆柱形轴承表面相邻设置的第一端和与所述第四圆柱形轴承表面相邻设置的第二端；

其中所述外壁靠近所述第二端形成第二供油室，所述第二供油室与所述第二供油通道至少部分重叠并且所述轴向方向上设置在所述第三圆柱形轴承表面与第四圆柱形轴承表面之间；

从所述第一供油室提供的穿过所述第二圆柱形轴承表面的油通过所述第一周向延伸的排油凹槽流出，以及