渦輪增壓器及內燃發(fā)動機的制作方法
【專利摘要】一種渦輪增壓器及內燃發(fā)動機，其包括渦輪機、壓縮機和形成軸承孔的軸承殼體。軸承裝置設置在軸與軸承殼體之間，所述軸使渦輪機葉輪和壓縮機葉輪互連。軸承裝置包括外軸承座圈元件和可旋轉地設置在外軸承座圈元件內的內軸承座圈元件。內軸承座圈元件形成一直延伸到壓縮機葉輪的中空延伸部，該延伸部具有環(huán)繞軸的一部分的中空圓柱形形狀，所述軸的一部分在一端上連接到壓縮機葉輪，而在另外一端處與在圍繞軸的延伸部分上形成的底座相鄰設置，并且螺母接合在所述軸上且在距底座一定偏移距離處設置在延伸部內。
【專利說明】
滿輪増壓器及內燃發(fā)動機
技術領域
[0001] 本實用新型總體設及滿輪增壓器，并且更具體地設及在內燃發(fā)動機上使用的滿輪 增壓器。
【背景技術】
[0002] 內燃發(fā)動機被供應有空氣和燃料的混合物用于在發(fā)動機內的燃燒，該燃燒生成機 械動力。為使該燃燒過程生成的動力最大化，發(fā)動機通常裝備有滿輪增壓進氣系統(tǒng)。
[0003] 滿輪增壓進氣系統(tǒng)包括具有滿輪機的滿輪增壓器，滿輪機使用來自發(fā)動機的排氣 來壓縮流入發(fā)動機中的空氣，從而促使比自然進氣式發(fā)動機W另外方式吸入燃燒室中的空 氣更多的空氣進入發(fā)動機的燃燒室。運種增加的空氣供應允許燃料供給增加，從而導致發(fā) 動機的動力輸出增加。
[0004] 在常規(guī)滿輪增壓器中，提供發(fā)動機油W潤滑并且冷卻軸承殼體中的軸承，該軸承 殼體可旋轉地支撐將動力從滿輪機傳送到壓縮機的滿輪增壓器軸。除冷卻和潤滑W外，當 油W薄膜被提供時，在其穿過控制表面或軸承表面，其還提供用于軸和軸承振動的阻尼。有 時被稱為擠壓膜阻尼的運種阻尼可提供振動阻尼，但在滑動軸承中通常不足W提供充分的 阻尼。無論發(fā)動機油在軸承殼體中的用處如何，則在正常工作期間W及如果發(fā)生滿輪增壓 器故障，例如，如果滿輪機或壓縮機葉輪可與軸分離或斷裂，均應避免潤滑、冷卻及抑制振 動的潤滑油滲漏到滿輪增壓器的工作區(qū)域。如果壓縮機或滿輪機葉輪與軸分離，則兩種葉 輪都不應離開滿輪增壓器殼體。 【實用新型內容】
[0005] 在一方面，本實用新型描述了一種滿輪增壓器，其包括滿輪機、壓縮機和軸承殼 體，滿輪機具有滿輪機葉輪，壓縮機具有壓縮機葉輪，軸承殼體設置并且連接在滿輪機與壓 縮機之間。軸承殼體形成軸承孔，軸可旋轉地設置在軸承殼體內并且延伸到滿輪機和壓縮 機中。滿輪機葉輪連接到軸的一端，而壓縮機葉輪連接到軸的相對端，使得滿輪機葉輪可旋 轉地設置在滿輪機中，而壓縮機葉輪可旋轉地設置在壓縮機中。軸承裝置設置在軸與軸承 殼體之間。軸承裝置包括設置在軸承孔中的外軸承座圈元件。外軸承座圈元件具有中空圓 柱形形狀。軸承裝置還包括內軸承座圈元件，內軸承座圈元件接合軸并且可旋轉地設置在 外軸承座圈元件內。內軸承座圈元件形成一直延伸到壓縮機葉輪的延伸部。延伸部具有環(huán) 繞軸的一部分的中空圓柱形形狀，所述軸的一部分在一端上連接到壓縮機葉輪，而在另一 端處與在圍繞軸的延伸部分上形成的底座相鄰設置。螺母接合在軸上并且在距底座一定偏 移距離處設置在延伸部內。
[0006] 所述內軸承座圈元件在與所述軸接合的區(qū)域形成內部空間，所述內部空間不存在 油。
[0007] 如果發(fā)生包括所述軸朝向所述滿輪機的運動的滿輪增壓器故障，則所述螺母被配 置成連同所述軸一起被拉向所述滿輪機，使得所述螺母鄰接在所述延伸部分上形成的所述 底座，W使所述軸相對于所述內軸承座圈元件的運動停止。
[0008] 設置在所述軸承殼體之間與所述壓縮機之間的環(huán)形密封件被配置成滑動等于所 述偏移距離的距離并且仍維持密封能力。
[0009] 所述滿輪增壓器的所述故障包括在所述外軸承座圈元件和所述內軸承座圈元件 之間形成的座圈通路的滾動接合結構發(fā)生分離。
[0010] 距所述底座的所述偏移距離為1 mm，并且其中設置成使用內孔密封所述軸的環(huán)形 密封件可密封且可旋轉地接觸所述內孔，并且可移動1 mm的距離同時仍維持與所述內孔的 接觸，所述內孔在所述軸承殼體與所述滿輪機之間形成。
[0011] 所述內軸承座圈元件形成擴張部分，所述擴張部分相對于其接合所述軸的端部具 有增大的內徑。
[0012] 所述軸在端部處連接到所述內軸承座圈元件，所述端部具有第一直徑，所述軸在 所述端部之間進一步形成細長部分，所述細長部分具有小于所述第一直徑的第二直徑，W 及
[0013] 其中所述內軸承座圈元件的所述增大的內徑與所述軸的所述細長部分在軸向方 向上重疊。
[0014] 所述內軸承座圈元件由兩個部件形成，即，壓縮機側杯狀件和滿輪機側杯狀件，并 且其中螺母將所述壓縮機側杯狀件接合到所述軸。
[0015] 在另一方面，本實用新型描述了一種用于將軸可旋轉且可密封地支撐在滿輪增壓 器的軸承殼體內的方法。所述方法包括在軸的一端處連接滿輪機葉輪;通過在第一內座圈 和第一外座圈中接合第一多個滾動元件形成第一滾動軸承，其中第一內座圈在內軸承座圈 元件中形成，第一外座圈在外軸承座圈元件中形成；W及通過在第二內座圈和第二外座圈 中接合第二多個滾動元件形成第二滾動軸承，其中第二內座圈在內軸承座圈元件中形成， 第二外座圈在外軸承座圈元件中形成。外軸承座圈元件接合在軸承殼體中形成的軸承孔與 延伸通過軸承孔的軸之間，使得內軸承座圈元件相對于外軸承座圈元件隨著軸旋轉。內軸 承座圈元件形成一直延伸到壓縮機葉輪的延伸部。延伸部具有環(huán)繞軸的一部分的中空圓柱 形形狀，所述軸的一部分在一端上連接到壓縮機葉輪，而在另外一端處與在圍繞軸的延伸 部分上形成的底座相鄰設置。所述方法進一步包括接合在軸上并且在距底座一定偏移距離 處設置在延伸部內的螺母。
[0016] 在又一方面，本實用新型描述了一種內燃發(fā)動機，其具有在氣缸體中形成的多個 燃燒室、設置成向燃燒室提供空氣或空氣與排氣混合物的進氣歧管，W及設置成從燃燒室 接收排氣的排氣歧管。所述內燃發(fā)動機進一步包括:滿輪機、壓縮機和軸承殼體，滿輪機包 括環(huán)繞滿輪機葉輪的滿輪機殼體，滿輪機殼體流體連接到排氣歧管并且設置成從排氣歧管 接收排氣，W驅動滿輪機葉輪，壓縮機包括環(huán)繞壓縮機葉輪的壓縮機殼體，壓縮機殼體流體 連接到進氣歧管并且設置成向進氣歧管提供空氣，軸承殼體設置并且連接在滿輪機與壓縮 機之間。軸承殼體形成從中通過的軸承孔，軸承孔容納使?jié)M輪機葉輪和壓縮機葉輪互連的 軸，W在其間傳送動力。軸可旋轉地裝配在軸承殼體內并且延伸到滿輪機和壓縮機中，使得 滿輪機葉輪連接到軸的一端，而壓縮機葉輪連接到軸的相對端。軸承裝置設置在軸與軸承 殼體之間。軸承裝置包括設置在軸承孔中的外軸承座圈元件。外軸承座圈元件具有中空圓 柱形形狀。軸承裝置還包括內軸承座圈元件，內軸承座圈元件接合軸并且可旋轉地設置在 外軸承座圈元件內。內軸承座圈元件形成一直延伸到壓縮機葉輪的延伸部。延伸部具有環(huán) 繞軸的一部分的中空圓柱形形狀，所述軸的一部分在一端上連接到壓縮機葉輪，而在另外 一端處與在圍繞軸的延伸部分上形成的底座相鄰設置。螺母接合在軸上并且在距底座一定 偏移距離處設置在延伸部內。
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本實用新型的內燃發(fā)動機的方框圖。
[0018] 圖2是從根據(jù)本實用新型的滿輪增壓器的側面透視的概略圖。
[0019] 圖3是通過圖2所示的滿輪增壓器中屯、的局部視圖。
[0020] 圖4是圖3所示的滿輪增壓器軸承的放大詳細視圖。
[0021] 圖5和圖6是圖3所示的滿輪增壓器軸兩端處的密封件A1、A2處的放大詳細視圖。
[0022] 圖7是圖3的局部視圖圖示，其示出通過圖2所示的滿輪增壓器軸承殼體的油的流 動路徑。
[0023] 圖8是圖7的放大詳細視圖。
[0024] 圖9是根據(jù)本實用新型的兩個滿輪增壓器軸承的局部視圖。
[0025] 圖10和圖11是根據(jù)本實用新型的滿輪增壓器的轉子動力學的圖形表示。
[00%]圖12至圖15是根據(jù)本實用新型的軸承殼體組裝過程的圖示。
【具體實施方式】
[0027] 本實用新型設及與內燃發(fā)動機結合使用的改進型滿輪增壓器，W促進發(fā)動機的有 效工作并且還促進滿輪增壓器的穩(wěn)定且可靠的工作。圖1示出了發(fā)動機100的簡化方框圖。 發(fā)動機100包括氣缸體104,氣缸體104設置有多個燃燒氣缸106。在所示實施例中，所示六個 燃燒氣缸處于直列式配置或"r形配置，但也可使用W不同配置諸如"V"形配置布置的任何 其他數(shù)目的氣缸。多個燃燒氣缸106經(jīng)由排氣閥（未示出)流體連接到第一排氣管道108和第 二排氣管道110。第一排氣管道108和第二排氣管道110中的每個連接到滿輪增壓器119的滿 輪機120。在所示實施例中，滿輪機120包括具有進氣口 124的殼體122,進氣口 124流體連接 到第一排氣管道108和第二排氣管道110,并且被布置成從那里接收排氣。提供給滿輪機120 的排氣使得連接到軸126的滿輪機葉輪(未在此示出）旋轉。排氣通過出口 128離開滿輪機 120的殼體122。出口 128處的排氣在通過豎管或尾管134排放到環(huán)境中之前，任選地穿過諸 如將燃燒副產(chǎn)物從排氣流中物理上和化學上去除的后處理裝置130的其他排氣后處理部件 和系統(tǒng)，和/或抑制發(fā)動機噪音的消音器132。
[0028] 軸126的旋轉使得壓縮機136的葉輪(未在此示出）旋轉。如圖所示，壓縮機136可W 為徑流式壓縮機、軸流式壓縮機或混流式壓縮機，其配置成通過壓縮機進口 140接收來自空 氣過濾器138的新鮮的過濾空氣流。壓縮機136的出口 142處的加壓空氣在被提供到發(fā)動機 100的進氣歧管148之前，經(jīng)由增壓空氣管道144輸送至增壓空氣冷卻器146。在所示實施例 中，來自進氣歧管148的空氣輸送至燃燒氣缸106,其在燃燒氣缸106中與燃料混合并且燃燒 W產(chǎn)生發(fā)動機動力。
[0029] 圖1中標記102為排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，任選的EGR系統(tǒng)102包括EGR冷卻器150(其 也為任選的），EGR冷卻器150流體連接到第一排氣管道108的EGR氣體供應端口 152。來自第 一排氣管道108的排氣流可穿過EGR冷卻器150,排氣流在經(jīng)由EGR管道156供應到EGR閥154 之前在EGR冷卻器150中進行冷卻。EGR閥154可由電子控制，并且配置成計量或控制穿過EGR 管道156的氣體的流量。EGR閥154的出口流體連接到進氣歧管148，使得來自EGR管道156的 排氣可與來自增壓空氣冷卻器146的壓縮空氣在發(fā)動機100的進氣歧管148內混合。
[0030] 部分由于滿輪機120所呈現(xiàn)的流動限制，所W通常稱為背壓的第一排氣管道108中 的排氣壓力高于周圍壓力。由于同樣的原因，第二排氣管道110中存在正背壓。由于壓縮機 136所提供的壓縮，所W通常稱為升壓壓力的進氣歧管148中的空氣或空氣/EGR氣體混合物 的壓力也高于周圍壓力。在很大程度上，背壓與升壓壓力之間的壓力差，加上EGR系統(tǒng)102的 部件的流動限制和流動面積，確定了可在各種發(fā)動機工作條件下實現(xiàn)的EGR氣體的最大流 量。
[0031] 圖2示出滿輪增壓器119的概略圖，并且圖3示出局部視圖。參考運些附圖并且在隨 后的描述中，為簡單起見，與已經(jīng)描述的對應結構和特征相同或類似的結構和特征有時可 通過先前使用的相同參考標號來表示。如圖所示，滿輪機120連接到軸承殼體202。軸承殼體 202環(huán)繞軸126的一部分，并且包括設置在潤滑腔206內的軸承242和軸承243,潤滑腔206在 軸承殼體202內形成。潤滑腔206包括潤滑劑進口端口 203和潤滑劑出口開口 205，它們容納 從中通過的潤滑流體流例如發(fā)動機潤滑油，從而當軸126在發(fā)動機工作期間旋轉時潤滑軸 承242和軸承243。
[0032] 軸126在一端連接到滿輪機葉輪212,而在另一端連接到壓縮機葉輪213。滿輪機葉 輪212配置成在連接到軸承殼體202的滿輪機殼體215內旋轉。壓縮機葉輪213設置成在壓縮 機殼體217內旋轉。滿輪機葉輪212包括圍繞輪穀216徑向布置的多個葉片214。輪穀216連接 到軸126的端部。在所示實施例中，滿輪機葉輪212通過焊接連接在軸126的端部，但可使用 其他方法諸如通過使用緊固件將滿輪機葉輪連接到軸上。滿輪機葉輪212可旋轉地設置在 排氣滿輪機噴嘴230之間，排氣滿輪機噴嘴230在滿輪機殼體215內限定。排氣滿輪機噴嘴 230在關于軸126和葉片214的大致徑向向內和軸向方向上提供排氣到滿輪機葉輪212,使得 滿輪機120為混流式滿輪機，意為，排氣在徑向和軸向兩個方向上被提供到滿輪機葉輪。越 過滿輪機葉輪212的排氣經(jīng)由在殼體中形成的出口孔234排出滿輪機殼體215。出口孔234流 體連接到出口 128(圖1)。排氣滿輪機噴嘴230流體連接到進氣通道236，進氣通道236具有滿 形形狀并且在滿輪機殼體215中形成。進氣通道236使排氣滿輪機噴嘴230與進氣口 124(也 參見圖1)流體互連。注意，圖3示出了在滿輪機殼體215中形成的單個進氣通道236,但在可 選的實施例中，在單個滿輪機殼體中可形成分開的通道。
[0033] 在圖3所示的實施例中，進氣通道236環(huán)繞滿輪機葉輪212和出口孔234的區(qū)域，并 通向圍繞滿輪機葉輪212整個周邊的排氣滿輪機噴嘴230。進氣通道236的截面流動面積沿 氣體的流動路徑減小，該氣體經(jīng)由進氣口 124進入滿輪機120并且通過排氣滿輪機噴嘴230 被提供給滿輪機葉輪212。
[0034] 也形成用于滿輪機葉輪212的護罩的徑向噴嘴環(huán)238基本上圍繞滿輪機葉輪212的 整個周邊設置。如在隨后的段落中更詳細討論，徑向噴嘴環(huán)設置成與進氣通道236流體連 通，并且圍繞滿輪機葉輪212限定排氣滿輪機噴嘴230。如圖3所示，徑向噴嘴環(huán)形成多個輪 葉246,運些輪葉是固定的并且圍繞徑向噴嘴環(huán)238對稱設置且工作用來將來自進氣通道 236的排氣導向滿輪機葉輪212。多個輪葉246的形狀和配置可變化。在第一多個輪葉246中 的相鄰輪葉之間限定了具有傾斜形狀的流動通路250。穿過流動通路250的氣體的流動動量 大致切向且徑向向內地導向滿輪機葉輪212的內徑，使得葉輪的旋轉可W增加。雖然輪葉 246進一步具有大致彎曲的氣翼形狀W最小化越過輪葉的和在輪葉之間的氣體的流動損 失，從而分別為滿輪機葉輪提供均勻的流入條件，但輪葉246也為徑向噴嘴環(huán)238的護罩部 分提供結構上的支撐。包括護罩部分的徑向噴嘴環(huán)238經(jīng)由多個緊固件252連接到滿輪機， 但也可使用其他方法連接到滿輪機。緊固件252接合隔熱罩254,隔熱罩254使用過盈配合和 支柱258連接到在軸承殼體202上形成的滿輪機凸緣256。
[0035] 軸承殼體202包封軸126的一部分，軸126通過軸承242和軸承243旋轉地裝配于在 軸承殼體中形成的軸承孔260中。軸承242和軸承243中的每個包括外座圈261、滾動體和內 座圈262,外座圈261接合軸承孔260的內徑表面，內座圈262具有大致管狀的形狀并且沿其 長度圍繞軸126延伸。在工作期間，來自潤滑劑進口端口 203的油通過外部油累經(jīng)由通道264 提供給軸承242和軸承243,潤滑油在聚集在潤滑腔206中并且通過潤滑劑出口開口205流出 軸承殼體之前從通道264沖洗過軸承W使它們冷卻并且潤滑。
[0036] 軸承242和軸承243通過軸承保持架266軸向保持在軸承孔260內，軸承保持架266 設置在形成于軸承殼體202之上的壓縮機裝配板268與壓縮機葉輪213之間。軸承保持架266 形成中屯、開口270,中屯、開口 270的內徑小于軸承孔260的內徑，使得當軸承保持架266連接 到軸承殼體202時，軸承242和軸承243保持在軸承孔260內。軸承保持架266通過緊固件272 (但可使用其他緊固結構或保持結構）固定到壓縮機裝配板268,并且具有軸向接合外座圈 261的圓柱形部分。圓柱形部分(如圖3所示與288相鄰)之間的接合在軸承殼體與外座圈之 間(經(jīng)由保持板)產(chǎn)生摩擦接合，摩擦接合去除了通過使用徑向延伸的銷或類似結構來防止 外座圈旋轉的必要性。該摩擦接合的分量也提供在外座圈的滿輪機側上，外座圈的滿輪機 偵嶺時妾軸承孔260的端部處的止動表面，如圖6所示(與B4的端部相鄰的止動表面）。在那個 區(qū)域中的摩擦還通過在工作期間由滿輪機葉輪2。加載到軸126上的氣體而增加，摩擦將軸 和軸承W及外座圈拉向止動件。
[0037] 參見圖2和圖3,壓縮機136包括形成輪葉276的壓縮機輪葉環(huán)274,壓縮機輪葉環(huán) 274圍繞壓縮機葉輪213徑向設置。輪葉276使壓縮機進口孔278與壓縮機滿形通道280流體 連接，壓縮機進口孔278包含壓縮機葉輪213,壓縮機滿形通道280形成于壓縮機殼體217中 并且終止于壓縮機出口開口282。螺栓284和圓形板區(qū)段286將滿輪機殼體215連接到滿輪機 凸緣256并且將壓縮機殼體217連接到壓縮機裝配板268。接合在軸126上的螺母28則尋軸126 保持在軸承242和軸承243內。
[0038] 圖4示出軸承242和軸承243的放大詳細視圖。在該圖示中，并且在隨后的其他圖示 中，為簡單起見，與本文前述結構相同或類似的結構將通過先前使用的相同參考標號來表 示。因此，也可稱為壓縮機側軸承的第一軸承242由多個滾動體元件302形成，滾動體元件 302被限于在外座圈凹槽304與內座圈凹槽306之間進行滾動運動或滑動運動，外座圈凹槽 304在外座圈261中形成，內座圈凹槽306靠近內座圈262的壓縮機側端形成。類似地，也可稱 為滿輪機側軸承的第二軸承243由多個滾動體元件308形成，滾動體元件308被限于在對應 的外座圈凹槽310與內座圈凹槽312之間進行滾動運動或滑動運動。
[0039] 外座圈261形成有利于滿輪增壓器119工作的并且還促進通過軸承殼體202的潤滑 油的期望流動的各種特征。更具體地，外座圈261具有形成外壁或外殼314的大致中空的圓 柱形形狀。外殼314在其端部形成外座圈凹槽304和外座圈凹槽310,并且包封圓柱形空間 316,在工作期間，圓柱形空間316環(huán)繞軸216和內座圈262。外殼314靠近任一端形成兩個集 油凹槽或供油室318,集油凹槽或供油室318中的每個與在軸承殼體202中形成的通道264軸 向對齊，使得在工作期間，流過通道264的潤滑油聚集并且充滿兩個集油凹槽或給油室318 中的每個。潤滑通道320延伸通過外殼314,并且在靠近內座圈凹槽306和內座圈凹槽312而 且還靠近外座圈凹槽304和外座圈凹槽310的區(qū)域中將每個相應的供油室318與圓柱形空間 316流體連接，W在工作期間使軸承242和軸承243潤滑和冷卻。外殼314進一步形成排流開 口 322,排流開口 322將圓柱形空間316與潤滑腔206連接流體W使聚集在外座圈216內的任 何油排出。
[0040] 外座圈261沿四個圓柱形軸承表面接觸軸承孔260,四個圓柱形軸承表面中的每個 具有沿軸中屯、線C/L的直徑和軸向長度，直徑和軸向長度已被設計和選擇用于工作期間的 最佳軸承性能和阻尼性能。因此，從外座圈261的壓縮機側開始，第一軸承表面Bl具有外徑 DU參見圖9)并且沿軸向長度Ll延伸。第二軸承表面B2具有直徑D2(圖9)和軸向長度L2。第 S軸承表面B3具有直徑D3 (圖9 )并且沿軸向長度L3延伸。最后，第四軸承表面B4具有直徑D4 (圖9)并且沿軸長L4延伸。軸承表面也在圖9中示出。
[0041] 四個軸承表面B1、B2、B3和B4中的每個均容許在其中的潤滑油的薄膜或擠壓膜直 徑的厚度等于軸承孔260的內徑D與外徑D1、D2、D3和D4之間的差異。如圖所示，橫跨壓縮機 側供油室318的兩個軸承表面Bl和B2具有相同的擠壓膜直徑(SFD)，并且在軸向長度方面一 起考慮化1+L2)。類似地，兩個滿輪機側軸承表面B3和B4具有相同的SFD，并且在軸向長度方 面一起考慮化3+L4)。如本文所使用，SFD用于指在每個軸承表面與軸承孔之間的那些中空 圓柱形區(qū)域，其中，潤滑油在工作期間穿過軸承孔。圓柱形區(qū)域或縫隙的厚度稱為SFD間隙， 而沿所述軸的中屯、線的每個圓柱形區(qū)域的長度(圓柱形區(qū)域的"高度"）稱為SFD長度。
[0042] 對于壓縮機側軸承表面Bl和B2,可表達為(Dx-DVD的SFD間隙關于直徑的比值等 于大約0.0021，其中V'為1或2并且表示Dl或D2。對于相同的軸承表面，可表達為化1或L2)/ D的SFD長度關于直徑的比值等于大約0.300。對于滿輪機側軸承表面B3和B4,可表達為(Dx-D)/D的SFD間隙關于直徑的比值等于大約0.0031，其中V'為3或4并且表示D3或D4。對于相 同的軸承表面，可表達為化3或L4VD的SFD長度關于直徑的比值等于大約0.200。換言之，在 所示實施例中，在工作期間潤滑油從中流過的、可用于抑制軸的振動和其他激勵的圓柱形 區(qū)域在壓縮機側上比在滿輪機側上更薄并且更長，圓柱形區(qū)域在滿輪機側上更厚并且更 短，由此提供不同的阻尼特性。
[0043] 在工作期間，通過通道提供的油充滿供油室318并且在一定程度上使供油室318加 壓。來自供油室318的潤滑油被推入或進入軸承表面Bl、B2、B3和B4的SFD，使得潤滑油從每 個供油室318朝向在一側上的壓縮機，在相對側上的滿輪機，并且朝向在兩側上的軸承殼體 的中屯、流出。為促進潤滑油流通過內軸承表面B2和內軸承表面B3,通過排流凹槽324(也參 見圖8)收集流向軸承殼體202中屯、的潤滑油，排流凹槽324在外座圈261的外表面上形成并 且將潤滑油引導到潤滑腔206中。
[0044] 外座圈261環(huán)繞內座圈262,內座圈262反過來環(huán)繞軸126的一部分。內座圈262形成 具有縮小直徑部分的兩個端部326,端部326與軸126的端部接合。軸126包括具有縮小外徑 330的細長部分328,縮小外徑330小于在軸126端部處的增大外徑332。細長部分328在整個 軸向長度上334延伸。軸126的增大外徑332在其端部與內座圈262的兩個端部326的縮小內 徑336配合。
[0045] 為給軸126提供扭轉剛度和彎曲剛度，內座圈262特意地沿其中間部分擴張，W形 成增大的直徑338。增大的直徑338與細長部分328在軸向方向上重疊，W增加軸126和內座 圈262的組合結構的彎曲剛度而不顯著增加系統(tǒng)的整體質量。在所示實施例中，為有利于組 裝，內座圈262由兩個部件形成，即，壓縮機側杯狀件340和滿輪機側杯狀件342。杯狀件中的 一個(在該情況下為滿輪機側杯狀件342)形成在其中接納壓縮機側杯狀件340的自由環(huán)形 面的凸部和壁。壓縮機側杯狀件340和滿輪機側杯狀件342-起形成內座圈262,內座圈262 具有中屯、擴張部分344和兩個過渡部分346,過渡部分346使擴張部分344與兩個端部326連 接。如圖8的放大詳細視圖所示，在端部、過渡部分346和擴張部分344之間提供避免應力集 中的平滑或斜切的過渡段350。在所示實施例中，可W為凸狀或凹狀的每個斜切過渡段350 均W相同的半徑形成，但可使用不同的半徑。
[0046] 圖5示出圖3中壓縮機葉輪213與軸126之間的界面Al處的放大詳細視圖。在該圖 中，可W看到在軸承殼體202中形成的檢查通道402。檢查通道402用塞子404塞住，塞子404 在維修期間可W去除，W提供例如到軸承殼體內部的入口用于進行儀表安裝和/或進入軸 承殼體內部。
[0047] 如還在圖5可見，環(huán)形密封件406設置成在壓縮機的內部工作室與軸承殼體的油腔 之間的提供滑動密封。更具體地，環(huán)形密封件406設置在開放通路408中，開放通路408與壓 縮機葉輪213后部內側上的環(huán)形表面410-起形成U形。開放通路408在設置在軸承242的壓 縮機側上的內座圈262延伸部的端部處形成。環(huán)形密封件406可滑動并且可密封地接合軸承 保持架266的內孔412，使得內座圈262與軸承保持架266之間提供滑動密封，滑動密封提供 密封W防止油從軸承殼體202滲漏到壓縮機殼體217中。另外，環(huán)形密封件406提供密封W防 止加壓氣體進入軸承殼體的內部。軸承保持架密封件414設置在軸承保持架266的外部與壓 縮機裝配板268之間。注意，預期內座圈262的內部348(圖4)大致不存在潤滑油，因為也許除 了在壓縮機側杯狀件340與滿輪機側杯狀件342之間的界面之外，并未為潤滑油提供進入開 口。如果發(fā)生滿輪增壓器故障，例如，如果壓縮機葉輪在軸126可被拉向滿輪機殼體時的情 況下失速，則保持螺母288可被拉向底座424并且可密封地接合底座424, W使密封內座圈 262的內部348密封于已經(jīng)通過環(huán)形密封件406的潤滑油，環(huán)形密封件406可處于移置位置并 且不接觸可存在于壓縮機中的潤滑油。還應注意，即使軸126已經(jīng)移動使得螺母288接合底 座424，環(huán)形密封件406抵靠軸承保持架滑動，但仍維持油封，W避免潤滑油通過內軸承保持 架座圈滲漏到滿輪機中。如果壓縮機葉輪破裂或者如果軸126在接合壓縮機葉輪孔的螺紋 處折斷，則螺母28則尋阻止軸126和滿輪機葉輪212軸向脫離滿輪機殼體215。
[0048] 在所示實施例中，還提供曲折路徑W阻止?jié)櫥土鞒颦h(huán)形密封件406。如圖所 示，內座圈262的端部形成徑向向外延伸的部分416,其遠離軸126傾斜。向外延伸部分形成 外頂端部分418,外頂端部分418成形為朝向壓縮機延伸的圓柱形壁。軸承保持架266形成面 向內的圓柱形壁420,圓柱形壁420與外頂端部分418軸向對齊并且從那里徑向向內設置，使 得在它們之間形成通往環(huán)形密封件406的婉艇或曲折的路徑422。
[0049] 圖6示出圖3中滿輪機葉輪212與軸承殼體202之間的界面A2處的放大詳細視圖。在 該圖中，排流凹槽502朝向軸126的一端504形成，W有利于穿過最里面的軸承表面B4的潤滑 油排流到回油室中。為了密封W防止?jié)櫥偷臐B漏并且為了提供密封W防止加壓氣體進入 軸承殼體的內部，在軸126與滿輪機凸緣256的內孔506之間提供兩個環(huán)形密封件。更具體 地，第一環(huán)形密封件508設置于在軸126中形成的通路510中，而第二環(huán)形密封件512設置于 也在軸126中形成的通路514中。
[0050] 在工作期間，通過第一環(huán)形密封件508和第二環(huán)形密封件512與軸126和滿輪機凸 緣256的內孔506的滑動和密封接觸，阻止來自軸承殼體202的油滲漏到滿輪機的工作室中。 注意，如果發(fā)生滿輪增壓器故障，在此期間軸126可朝向滿輪機移置，則至少第一環(huán)形密封 件508可在內孔506內軸向移置達預定距離，同時仍維持與內孔506的接觸，從而即使在故障 模式下仍然提供密封，W避免潤滑油滲漏到滿輪機殼體中。如果軸126朝向壓縮機移置，貝U 提供相同的滑動公差，在運種情況下，第二環(huán)形密封件512可在內孔506內移置，同時仍維持 其密封功能。本文所示的環(huán)形密封件有利地由硬化材料諸如屈服應力為大約3,247 M化 (471,000 ksi)的M2鋼制成，并且可耐受與周圍部件之間的大約450了的溫差。在每個示例 中，環(huán)具有矩形橫截面(但也可使用其他界面)并且具有可安裝于在軸中形成的通路中的C 形，從而抵靠環(huán)所接合的可密封滑動表面提供彈黃負載。
[0051] 圖7示出簡化的油流圖，在其中圖4所示的結構用于說明流動路徑。在一個實施例 中，主油流519在潤滑劑進口端口 203處被提供。在點A，供應壓力和潤滑油的流動分開進入 通道264中，W到達供油室318。采用點B來描述設置在壓縮機側（圖的左側）上的供油室318 中的油壓，采用點C來描述設置在滿輪機側（圖的右側)上的供油室318中的油壓。來自供油 室318的潤滑油穿過如前所述的軸承表面，并且流入潤滑腔206中。出于描述的目的，在軸承 Bl中采用點E，在軸承B4中采用點F。表1在下面示出在代表典型發(fā)動機工作條件的不同工作 壓力(低、中和高，取決于發(fā)動機的速度)和溫度(冷油和熱油)下的W每分鐘加侖數(shù)化P^O計 的油流量：
[0化2]
[0053]如從上表中可見，點E處的較大縫隙導致更多的潤滑油流向滿輪機，運促進了更有 效的冷卻。在上表中，熱油可在發(fā)動機的正常油溫工作范圍內的任何位置，諸如190了至 230了，而冷油可在冷起動發(fā)動機工作范圍中的任何位置，諸如-30了至0了。類似地，低壓可 在20 PSI至40 PSI之間，中壓可在50 PSI至75 PSI之間，而高壓可在90 PSI至120 PSI之 間。
[0054] 如W上所討論，穿過壓縮機側上的軸承表面BI與軸承表面B2W及滿輪機側上的軸 承表面B3與軸承表面B4(參見圖9)的潤滑油有助于抑制工作期間的振動和失衡。通過在軸 的兩側上選擇不同的油膜厚度（其控制軸動力學具有超出發(fā)動機工作范圍的固有振動頻 率），可有利地控制此類失衡。例如，對于W較高速度和負載進行工作的發(fā)動機，固有振動頻 率或者至少它們的占主要的諧波被配置成在高于或低于發(fā)動機工作的預期范圍出現(xiàn)。在本 實施例中，軸承表面Bl、軸承表面B2、軸承表面B3和軸承表面B4中的Dl和D2與D3和D4之間的 差產(chǎn)生期望的特性。
[0055] 圖10和11示出根據(jù)本實用新型的滿輪增壓器的振動特性的圖形表示，在使用熱油 (例如，在正常工作溫度下的油）和冷油的情況下操作滿輪增壓器W掃掠軸的各個旋轉速 度。如從上表中可見，流過軸承區(qū)域的潤滑油量及其粘度將隨著溫度而改變，從而得到不同 的防振阻尼特性。振動特性可從許多不同的方面(包括軸位移)量化為測量位移、觀察位移 或預期位移相對于軸承區(qū)域處的軸承直徑的百分比，軸承直徑在四個軸承區(qū)域上進行平 均。
[0056] 圖10示出軸速度使用熱油在軸位移上掃掠的結果，其中，作為最大速度百分比的 軸速度516沿水平軸線繪制，而W(%)表達的位移距離相對于軸承直徑的百分比位移518沿 垂直軸線繪制。示出了兩條曲線，虛線表示壓縮機響應曲線520,而實線表示滿輪機響應曲 線522。壓縮機響應曲線520表示示出每個測試點的百分比位移518和在壓縮機葉輪(例如， 圖3的壓縮機葉輪213 )處所取的軸速度范圍內的對應軸速度516的點的集合。類似地，滿輪 機響應曲線522表示示出每個測試點的百分比位移518和在滿輪機葉輪(例如，圖3的滿輪機 葉輪212)處所取的軸速度范圍內的對應軸速度516的點的集合。圖11示出針對相同參數(shù)繪 制但用于冷油的相同曲線。
[0057] 如從圖10和圖11的圖形中可見，當潤滑油溫熱時，在低于最大速度10%的壓縮機葉 輪速度下可出現(xiàn)稍高于2%的峰值振動，如圖形上的點524所表示，而在大約相同的軸速度 下，在滿輪機葉輪處可出現(xiàn)具有大約0.5%的低得多的位移百分比的振動，如點526所表示。 如通過圖10中的壓縮機響應曲線520可W看到，對于壓縮機葉輪，在最大速度的10%至大約 85%之間的軸速度范圍（占發(fā)動機工作范圍的大部分）內的百分比位移在小于1%處保持恒 定。在最大速度的10%至100%之間的速度范圍內，滿輪機響應曲線522顯示出具有小于0.5% 的相對恒定峰值位移的更好的振動輪廓。
[0058] 如圖11所示，當潤滑油冷卻時，在大約50%的滿輪機葉輪處可出現(xiàn)大約7%的峰值振 動，如圖形上的點532所表示，而在大約相同的軸速度下，在壓縮機葉輪處可出現(xiàn)具有大約 4.4%的低得多的位移百分比的振動，如點530所表示。在大約5%的速度下，可W看到與在熱 油條件（圖10)中看到的那些類似的峰值，其中壓縮機葉輪具有大約3.5%的峰值位移百分 比，如點534所表示，而滿輪機葉輪具有大約1%的峰值位移百分比，如點526所表示。在兩種 情況下，使用冷油的在5%速度下的峰值位移大約為熱油的峰值位移的兩倍。
[0059] 仍然使用冷油（圖11 )，對于滿輪機葉輪，隨著軸速度的增加，在55%至大約115%之 間的軸速度范圍（占發(fā)動機工作范圍的大部分）內的百分比位移在小于1%處保持恒定。在 55%至115%之間的范圍內，壓縮機響應曲線520顯示出具有大約小于0.5%的相對恒定峰值位 移的更好的振動輪廓。使用運些振動輪廓，軸的轉子動力學是可接受的直到油變熱，并且然 后在預期發(fā)動機工作范圍內穩(wěn)定到小于1%的低峰值位移。注意，在圖10和圖11的圖形上，空 轉的發(fā)動機速度可W為圖表中所示范圍的大約10%。
[0060]當組裝根據(jù)本實用新型的滿輪增壓器時，并且尤其是當將軸承殼體202的組件放 在一起時，可使用夾具實行某些過程步驟，如圖12至圖15所示。在圖12中，焊接到軸126端部 的滿輪機葉輪212的組件在垂直位置安裝到夾具602上，其中滿輪機葉輪在底部。在將第一 環(huán)形密封件508和第二環(huán)形密封件512(圖6)裝配到軸上之后，具有已安裝的隔熱罩254的軸 承殼體202圍繞軸126插入，直到滿輪機凸緣256抵靠在第二夾具604上，從而在滿輪機凸緣 256與滿輪機葉輪212之間設定適當?shù)木嚯x，如圖13所示。
[0061 ] 將包括外座圈261、內座圈263 W及軸承242和軸承243的各種部件圍繞軸126插入 軸承孔260中，并且在安裝各種密封件之后，組裝軸承保持架266 W閉合軸承殼體202并且在 軸126與軸承孔260之間設定適當?shù)耐?、度，如圖14所示。然后，將壓縮機葉輪213安裝到軸 126的自由端上，如圖15所示。在所示的組裝順序中，在進行滿輪機的組裝之前，軸126端部 上的滿輪機葉輪212的子組件可旋轉地平衡，使得軸可確定其后組裝的其余部件(包括壓縮 機葉輪213)的同屯、度，W維持平衡組件。作為可選步驟，整個組件可在組裝之后配平平衡W 減少失衡，尤其是減少在使用冷油進行工作時可存在的那些失衡?？赏ㄟ^在中屯、輪穀和/或 在壓縮機葉片頂端處將材料從壓縮機葉輪去除來完成配平平衡。為確定待去除的材料的量 W及運種去除的位置，整個組件可放置在旋轉平衡機上。進一步注意到，當與具有與本文所 示不同的密封裝置的滿輪增壓器相比較時，在軸承保持架內孔內的徑向密封件的接合還減 少了必須去除W平衡組件的材料的量，其中軸承保持架幫助將軸同屯、地放置到軸承孔中。
[0062] 工業(yè)實用性
[0063] 應當理解，W上描述提供了所公開系統(tǒng)和技術的示例。然而，可W設想的是，本實 用新型的其他實施在細節(jié)上可不同于W上示例。對本實用新型或其示例的所有引用旨在參 考當時討論的特定示例，并非更一般地旨在暗含關于本實用新型保護范圍的任何限制。除 非另外指示，否則關于某些特征的所有區(qū)別性和貶意性的語言旨在指示那些特征并非優(yōu) 選，而不是將此類特征從本實用新型的保護范圍中完全排除。
[0064] 除非本文另外指示，否則本文的值的范圍的詳述僅旨在用作單獨地參考落入該范 圍內的每個獨立值的速記方法，并且每個獨立值被包括到本說明書中，如同其在本文被單 獨列舉。除非本文另外指示或者與上下文明顯矛盾，否則本文所述的所有方法可W任何適 合的順序執(zhí)行。
【主權項】
1. 一種渦輪增壓器，其特征在于包括： 渦輪機，其包括渦輪機葉輪； 壓縮機，其包括壓縮機葉輪； 軸承殼體，其設置并且連接在所述渦輪機與所述壓縮機之間，所述軸承殼體形成軸承 孔； 軸，其可旋轉地設置在所述軸承殼體內并且延伸到所述渦輪機和所述壓縮機中，其中 所述渦輪機葉輪連接到所述軸的一端，并且其中所述壓縮機葉輪連接到所述軸的相對端， 使得所述渦輪機葉輪可旋轉地設置在所述渦輪機中，而所述壓縮機葉輪可旋轉地設置在所 述壓縮機中； 軸承裝置，其設置在所述軸與所述軸承殼體之間，所述軸承裝置包括外軸承座圈元件 和內軸承座圈元件，所述外軸承座圈元件設置在所述軸承孔中，其中所述外軸承座圈元件 具有中空圓柱形形狀，所述內軸承座圈元件接合所述軸并且可旋轉地設置在所述外軸承座 圈元件內； 其中所述內軸承座圈元件形成一直延伸到所述壓縮機葉輪的延伸部，所述延伸部具有 環(huán)繞所述軸的一部分的中空圓柱形形狀，所述軸的所述一部分在一端上連接到所述壓縮機 葉輪，而在所述軸的所述一部分的另外一端處與在圍繞所述軸的所述延伸部上形成的底座 相鄰設置；以及 螺母，其接合在所述軸上并且在距底座一定偏移距離處設置在所述延伸部內。2. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述內軸承座圈元件在與所述軸接 合的區(qū)域形成內部空間，所述內部空間不存在油。3. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，如果發(fā)生包括所述軸朝向所述渦輪 機的運動的渦輪增壓器故障，則所述螺母連同所述軸一起被拉向所述渦輪機，使得所述螺 母鄰接所述延伸部分上形成的所述底座，以使所述軸相對于所述內軸承座圈元件的運動停 止。4. 根據(jù)權利要求3所述的渦輪增壓器，其特征在于，設置在所述軸承殼體之間與所述壓 縮機之間的環(huán)形密封件被配置成滑動等于所述偏移距離的距離并且仍維持密封能力。5. 根據(jù)權利要求3所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪增壓器的所述故障包括在 所述外軸承座圈元件和所述內軸承座圈元件之間形成的座圈通路的滾動接合結構發(fā)生分 離。6. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，距所述底座的所述偏移距離為1 mm，密封所述軸和內孔的環(huán)形密封件可密封且可旋轉地接觸所述內孔并且可移動1 mm的距 離同時仍維持與所述內孔的接觸，所述內孔在所述軸承殼體與所述渦輪機之間形成。7. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述內軸承座圈元件形成擴張部 分，所述擴張部分相對于其接合所述軸的端部具有增大的內徑。8. 根據(jù)權利要求7所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述軸在端部處連接到所述內軸承 座圈元件，所述端部具有第一直徑，所述軸在所述端部之間進一步形成細長部分，所述細長 部分具有小于所述第一直徑的第二直徑，以及 其中所述內軸承座圈元件的所述增大的內徑與所述軸的所述細長部分在軸向方向上 重疊。9. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述內軸承座圈元件由兩個部件形 成，即，壓縮機側杯狀件和渦輪機側杯狀件，并且其中螺母將所述壓縮機側杯狀件接合到所 述軸。10. -種內燃發(fā)動機，其具有在氣缸體中形成的多個燃燒室、設置成向所述燃燒室提供 空氣或空氣與排氣混合物的進氣歧管，以及設置成從所述燃燒室接收排氣的排氣歧管，其 特征在于，所述內燃發(fā)動機進一步包括： 渦輪機，其包括環(huán)繞渦輪機葉輪的渦輪機殼體，所述渦輪機殼體流體連接到所述排氣 歧管并且設置成從所述排氣歧管接收排氣，以驅動所述渦輪機葉輪； 壓縮機，其包括環(huán)繞壓縮機葉輪的壓縮機殼體，所述壓縮機殼體流體連接到所述進氣 歧管并且設置成向所述進氣歧管提供空氣； 軸承殼體，其設置并且連接在所述渦輪機與所述壓縮機之間，所述軸承殼體形成從中 通過的軸承孔，所述軸承孔容納使所述渦輪機葉輪與所述壓縮機葉輪互連的軸，以在其間 傳遞動力； 其中所述軸可旋轉地裝配在所述軸承殼體內并且延伸到所述渦輪機和所述壓縮機中， 使得所述渦輪機葉輪連接到所述軸的一端，而所述壓縮機葉輪連接到所述軸的相對端； 軸承裝置，其設置在所述軸與所述軸承殼體之間，所述軸承裝置包括外軸承座圈元件 和內軸承座圈元件，所述外軸承座圈元件設置在所述軸承孔中，其中所述外軸承座圈元件 具有中空圓柱形形狀，所述內軸承座圈元件接合所述軸并且可旋轉地設置在所述外軸承座 圈元件內； 其中所述內軸承座圈元件形成一直延伸到所述壓縮機葉輪的延伸部，所述延伸部具有 環(huán)繞所述軸的一部分的中空圓柱形形狀，所述軸的一部分在一端上連接到所述壓縮機葉 輪，而在另外一端處與在圍繞所述軸的延伸部分上形成的底座相鄰設置;以及 螺母，所述螺母接合在所述軸上并且在距底座一定偏移距離處設置在所述延伸部內。
【文檔編號】F02B37/00GK205422941SQ201620174987
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月8日
【發(fā)明人】G·W·鮑爾斯, J·W·麥克馬克, T·J·威廉姆斯, R·E·安娜緹
【申請人】卡特彼勒公司