涡轮增压器及内燃发动机的制作方法

涡轮增压器及内燃发动机的制作方法
【专利摘要】一种涡轮增压器及内燃发动机，所述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。轴承装置沿第一挤压膜直径（SFD）、第二挤压膜直径、第三挤压膜直径和进一步的挤压膜直径接合轴承壳体，使得第一SFD不同于第三SFD，第一SFD等于第二SFD，而第三SFD等于第四SFD。
【专利说明】
满轮増压器及内燃发动机
技术领域
[0001] 本实用新型总体设及满轮增压器，并且更具体地设及在内燃发动机上使用的满轮 增压器。
【背景技术】
[0002] 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。为使该燃烧过程生成的动力最大化，发动机通常装备有满轮增压进气系统。
[0003] 满轮增压进气系统包括具有满轮机的满轮增压器，满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W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。运种增加的空气供应允许燃料供给增加，从而使发动 机的动力输出增加。
[0004] 在常规满轮增压器中，提供发动机润滑油W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满轮机传送到压缩机的满轮增压器轴。除冷却和润滑W外， 当润滑油W油膜被提供时，在其穿过控制表面或轴承表面时，其还提供用于轴和轴承振动 的阻尼。有时被称为挤压膜阻尼的运种阻尼可提供振动阻尼，但在滑动轴承中通常不足W 提供充分的阻尼。 【实用新型内容】
[0005] 在一方面，本实用新型描述了一种满轮增压器。满轮增压器包括具有满轮机叶轮 的满轮机，具有压缩机叶轮的压缩机，W及设置并且连接在满轮机与压缩机之间的轴承壳 体。轴承壳体形成具有第一供油通道和第二供油通道的轴承孔。轴可旋转地设置在轴承壳 体内并且延伸到满轮机和压缩机中。满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，使得满轮机叶轮可旋转地设置在满轮机中，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，并且包括设置在轴承孔中的外轴承座圈元件。在 一个实施例中，外轴承座圈元件具有中空圆柱形形状，中空圆柱形形状沿第一圆柱形轴承 表面、第二圆柱形轴承表面、第=圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面接合轴承孔，并且 具有与第一圆柱形轴承表面相邻设置的第一端W及与第四圆柱形轴承表面相邻设置的第 二端。外轴承座圈元件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与第二圆柱形轴承表面之间。 外轴承座圈元件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=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，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=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。第一圆柱形轴 承表面和第二圆柱形轴承表面中的每个具有第一相应的直径并且沿第一轴向长度轴向延 伸，而第=圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面中的每个具有第二相应的直径并且沿第 二长度轴向延伸，使得第一圆柱形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第=轴圆柱形承表面和 第四圆柱形轴承表面中的每个容许油的相应第一挤压膜直径(SFD)、第二挤压膜直径、第= 挤压膜直径和第四挤压膜直径在其中。第一S抑不同于第SS抑。
[0006] 所述第一挤压膜直径等于所述第二挤压膜直径，而所述第=挤压膜直径等于所述 第四挤压膜直径。
[0007] 所述第一挤压膜直径或第二挤压膜直径与轴承孔直径之间的差与所述轴承孔直 径的比值为0.0021。
[0008] 所述第一圆柱形轴承表面或第二圆柱形轴承表面中的每个在所述轴向方向上的 长度与所述轴承孔的比值为0.3。
[0009] 所述第=挤压膜直径或第四挤压膜直径与轴承孔直径之间的差与所述轴承孔直 径的比值为0.0031。
[0010] 所述第=圆柱形轴承表面或第四圆柱形轴承表面中的每个在所述轴向方向上的 长度与所述轴承孔的比值为0.2。
[0011] 所述轴承装置进一步包括内轴承座圈元件，所述内轴承座圈元件接合所述轴并且 可旋转地支撑在所述外轴承座圈元件内，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。
[0012] 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，W 及
[0013] 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分在轴向方 向上重叠。
[0014] 所述内轴承座圈元件由两个部件形成，即，压缩机侧杯状件和满轮机侧杯状件，并 且其中螺母将所述压缩机侧杯状件接合到所述轴。
[0015] 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满轮增 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满轮机叶轮;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；W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随着轴相对于外轴承座圈元件旋转。 在一个实施例中，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=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并且形成第一供油室，W及与第四轴承表 面相邻设置的第二端并且形成第二供油室，第一供油室设置成在第一圆柱形轴承表面与第 二圆柱形轴承表面之间流体连通，第二供油室设置成在第=圆柱形轴承表面与第四圆柱形 轴承表面之间流体连通。在工作期间，油通过第一供油室被提供，使得油穿过第一圆柱形轴 承表面和第二圆柱形轴承表面。在工作期间，油还通过第二供油室被提供，其中油穿过第= 圆柱形轴承和第四圆柱形轴承表面。第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面中的每个 具有第一相应的直径，并且沿第一轴向长度轴向延伸，而第=圆柱形轴承表面和第四圆柱 形轴承表面中的每个具有第二相应的直径，并且沿第二长度轴向延伸，使得第一圆柱形轴 承表面、第二圆柱形轴承表面、第=圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面中的每个容许 油的相应第一挤压膜直径(SFD)、第二挤压膜直径、第=挤压膜直径和第四挤压膜直径在其 中。该方法进一步包括通过将第一S抑布置并且配置成不同于第=S抑来抑制轴振动。
[0016] 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，W及设置 成从燃烧室接收排气的排气歧管。所述内燃发动机包括满轮机、压缩机和轴承壳体，满轮机 包括环绕满轮机叶轮的满轮机壳体，满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，W驱动满轮机叶轮，压缩机包括环绕压缩机叶轮的压缩机壳体，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满轮机与压 缩机之间，该轴承壳体形成从中通过的轴承孔，轴承孔容纳使满轮机叶轮和压缩机叶轮互 连的轴，W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。
[0017] 在一个实施例中，轴可旋转地装配在轴承壳体内并且延伸到满轮机和压缩机中， 使得满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，并且轴承装置设置在 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W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=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，W及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与第二圆柱形轴承表面 之间。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=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轴承表面和第二圆柱形轴承 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= 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。第一圆柱形轴承表面和第二 圆柱形轴承表面各自具有第一相应的直径并且沿第一轴向长度轴向延伸，而第=圆柱形轴 承表面和第四轴承表面各自具有第二相应的直径并且沿第二长度轴向延伸，使得第一圆柱 形轴承表面、第二圆柱形轴承表面、第=圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面容许油的 相应第一挤压膜直径(SFD )、第二挤压膜直径、第S挤压膜直径和第四挤压膜直径在其中， 使得第一 S抑不同于第SS抑，第一 S抑等于第二S抑，而第SS抑等于第四S抑。
【附图说明】
[0018] 图1是根据本实用新型的内燃发动机的方框图。
[0019] 图2是从根据本实用新型的满轮增压器的侧面透视的概略图。
[0020] 图3是通过图2所示的满轮增压器中屯、的局部视图。
[0021 ]图4是图3所示的满轮增压器轴承的放大详细视图。
[0022] 图5和图6是图3所示的满轮增压器轴两端处的密封件Al、A2处的放大详细视图。
[0023] 图7是图3的局部视图图示，其示出通过图2所示的满轮增压器轴承壳体的油的流 动路径。
[0024] 图8是图7的放大详细视图。
[0025] 图9是根据本实用新型的两个满轮增压器轴承的局部视图。
[0026] 图10和图11是根据本实用新型的满轮增压器的转子动力学的图形表示。
[0027] 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】
[0028] 本实用新型设及与内燃发动机结合使用的改进型满轮增压器，W促进发动机的有 效工作并且还促进满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"r形配置，但也可使用W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中的每个连接到满轮增压器119的满轮 机120。在所示实施例中，满轮机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。提供给满轮机120的 排气使得连接到轴126的满轮机叶轮(未在此示出）旋转。排气通过出口 128排出满轮机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。
[0029 ]轴126的旋转使得压缩机136的叶轮(未在此示出）旋转。如图所示，压缩机136可W 为径流式压缩机、轴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 W产生发动机动力。
[0030] 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。
[0031] 部分由于满轮机120所呈现的流动限制，所W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W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。
[0032] 图2示出满轮增压器119的概略图，并且图3示出局部视图。参考运些附图并且在随 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号来表示。如图所示，满轮机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 从中通过的润滑流体流例如发动机油，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。
[0033] 轴126在一端连接到满轮机叶轮212,而在另一端连接到压缩机叶轮213。满轮机叶 轮212配置成在连接到轴承壳体202的满轮机壳体215内旋转。压缩机叶轮213设置成在压缩 机壳体217内旋转。满轮机叶轮212包括围绕轮穀216径向布置的多个叶片214。轮穀216连接 到轴126的端部。在所示实施例中，满轮机叶轮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满轮机叶轮连接到轴上。满轮机叶轮212可旋转地设置在 排气满轮机喷嘴230之间，排气满轮机喷嘴230在满轮机壳体215内限定。排气满轮机喷嘴 230在关于轴126和叶片214的大致径向向内和轴向方向上提供排气到满轮机叶轮212,使得 满轮机120为混流式满轮机，意为，排气在径向和轴向两个方向上被提供到满轮机叶轮。越 过满轮机叶轮212的排气经由在壳体中形成的出口孔234离开满轮机壳体215。出口孔234流 体连接到出口 128(图1)。排气满轮机喷嘴230流体连接到进气通道236，进气通道236具有满 形形状并且在满轮机壳体215中形成。进气通道236使排气满轮机喷嘴230与进气口 124(也 参见图1)流体互连。注意，图3示出了在满轮机壳体215中形成的单个进气通道236,但在可 选的实施例中，在单个满轮机壳体中可形成分开的通道。
[0034] 在图3所示的实施例中，进气通道236环绕满轮机叶轮212和出口孔234的区域，并 通向围绕满轮机叶轮212整个周边的排气满轮机喷嘴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进入满轮机120并且通过排气满轮机喷嘴230 被提供给满轮机叶轮212。
[0035] 也形成用于满轮机叶轮212的护罩的径向喷嘴环238基本上围绕满轮机叶轮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，并且围绕满轮机叶轮212限定排气满轮机喷嘴230。如图3所示，径向喷嘴环形成多个轮 叶246,运些轮叶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的排气导向满轮机叶轮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满轮机叶轮212的内径，使得叶轮的旋转可W增加。虽然轮叶 246进一步具有大致弯曲的气翼形状W最小化越过轮叶的和在轮叶之间的气体的流动损 失，从而分别为满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连接到满轮机， 但也可使用其他方法连接到满轮机。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上形成的满轮机凸缘256。
[0036] 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的油通过外部油累经由通道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W使它们冷却并且润滑。
[0037] 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 设置在形成于轴承壳体202之上的压缩机装配板268与压缩机叶轮213之间。轴承保持架266 形成中屯、开口270,中屯、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 固定到压缩机装配板268，但可使用其他紧固结构或保持结构。
[0038] 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与压缩机满形通道280流体 连接，压缩机进口孔278包含压缩机叶轮213,压缩机满形通道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将满轮机壳体215连接到满轮机 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28則尋轴126 保持在轴承242和轴承243内。
[0039] 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 为满轮机侧轴承的第二轴承243由多个滚动元件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。
[0040] 外座圈261形成有利于满轮增压器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的润滑油聚集并且充满两个集油凹槽或供油室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，W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W使聚集在外座圈261内的任 何油排出。
[0041] 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 具有沿轴中屯、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Bl具有外径 DU参见图9)并且沿轴向长度Ll延伸。第二轴承表面B2具有直径D2(图9)和轴向长度L2。第 S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。
[0042] 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Bl和B2具有相同的挤压膜直径(SFD)，并且在轴向长度方面一 起考虑化1+L2)。类似地，两个满轮机侧轴承表面B3和B4具有相同的SFD，并且在轴向长度方 面一起考虑化3+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， 而沿所述轴的中屯、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。
[0043] 对于压缩机侧轴承表面Bl和B2,可表达为(Dx-DVD的SFD间隙关于直径的比值等 于大约0.0021，其中V'为1或2并且表示Dl或D2。对于相同的轴承表面，可表达为化1或L2)/ D的SFD长度关于直径的比值等于大约0.300。对于满轮机侧轴承表面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V'为3或4并且表示D3或D4。对于相 同的轴承表面，可表达为化3或L4VD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满轮机侧上更细并且更长，圆柱形区域在满轮机侧上更粗并且更 短，由此提供不同的阻尼特性。
[0044] 在工作期间，通过通道提供的润滑油充满供油室318并且在一定程度上使供油室 318加压。来自供油室318的油被推入或进入轴承表面Bl、B2、B3和B4的SFD，使得润滑油从每 个供油室318朝向在一侧上的压缩机，在相对侧上的满轮机，并且朝向在两侧上的轴承壳体 的中屯、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中屯、的润滑油，排流凹槽324在外座圈261的外表面上形成并 且将润滑油引导到润滑腔206中。
[0045] 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。
[0046] 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，W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，W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和满轮机侧杯状件342。杯状件中的 一个(在该情况下为满轮机侧杯状件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和满轮机侧杯状件342-起形成内座圈262,内座圈262 具有中屯、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W为凸状或凹状的每个斜切过渡段350 均W相同的半径形成，但可使用不同的半径。
[0047] 图5示出图3中压缩机叶轮213与轴126之间的界面Al处的放大详细视图。在该图 中，可W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W拆除，W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。
[0048] 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-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W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W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)大致不存在润滑油，因为 也许除了在压缩机侧杯状件340与满轮机侧杯状件342之间的界面之外，并未为润滑油提供 进入开口。如果发生满轮增压器故障，则在轴126可被拉向满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, W保持活塞环接合并且将满轮机叶轮 和轴组件保持在轴承壳体内。
[0049] 在所示实施例中，还提供曲折路径W阻止润滑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的婉艇或曲折的路径422。
[0050] 图6示出图3中满轮机叶轮212与轴承壳体202之间的界面A2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，W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W防止润滑油的渗漏并且为了提供密封W防止加压气体进入轴 承壳体的内部，在轴126与满轮机凸缘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。
[0051] 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和满轮机凸 缘256的内孔506的滑动和密封接触，阻止来自轴承壳体202内的润滑油渗漏到满轮机的工 作室中。注意，如果发生满轮增压器故障，在此期间轴126可朝向满轮机移置，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，W避免润滑油渗漏到满轮机壳体中。如果轴126朝向压缩机 移置则提供相同的滑动公差，在运种情况下，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3,247 MPa(471，000 ksi)的M2钢制成，并且可耐受环与周围部件之间的大约450°F的溫差。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黃负载。
[0052] 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，W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来描述设置在满轮机侧（图的右侧)上的供油室318中的油压。来自供油 室318的润滑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 Bl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)和溫度(冷油和热油)下的W每分钟加仑数化P^O计 的油流量：
[0化3]
[0054] 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满轮机，运促进了更有 效的冷却。在上表中，热油可在发动机的正常油溫工作范围内的任何位置，诸如190了至 230了，而冷油可在冷起动发动机工作范围中的任何位置，诸如-30了至0了。类似地，低压可 在20 PSI至40 PSI之间，中压可在50 PSI至75 PSI之间，而高压可在90 PSI至120 PSI之 间。
[0055] 如W上所讨论，穿过压缩机侧上的轴承表面Bl与轴承表面B2W及满轮机侧上的轴 承表面B3与轴承表面B4(参见图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第一固有频率和第二固有频率的阻 尼），并且通过将运些前两种模式移动到发动机的最低可能工作范围，而将其他固有频率移 动到高于发动机的工作范围（称为第一轴弯曲模式的第=固有频率），可有利地控制此类失 衡。例如，对于W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 谐波配置成在高于第=固有频率的预期发动机工作范围出现，同时抑制被调谐到在最低可 能的满轮增压器轴速度下出现的第一固有频率和第二固有频率的响应。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Dl和D2与D3和D4之间的差产生期望 的特性。
[0056] 图10和11示出根据本实用新型的满轮增压器的振动特性的图形表示，在使用热油 (例如，在正常工作溫度下的油）和冷油的情况下，操作满轮增压器W扫掠轴的各个旋转速 度。一个挑战是最小化针对所有油溫的轴位移，尤其是当处于轴的前两个固有频率时，叶轮 可接触护罩。第二个挑战是最小化施加到满轮增压器轴承上的径向负载，尤其是当轴处于 轴的前两个固有频率时。运些阻尼器还被设计成使轴的两个固有频率在工作范围内尽可能 低，运使轴承负载得W最小化(轴承负载由根据轴速度的平方而变化的轴失衡驱动）。另一 个挑战是确保轴的第=固有频率高于工作速度，而挤压膜阻尼器在实现运一点上起到一定 作用。
[0057] 如从上表中可见，流过轴承区域的润滑油的量W及其粘度将随溫度改变，因此针 对振动产生不同的阻尼特性。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。如W上进一步讨论，穿过压缩机侧上的轴承表面Bl与轴承表面B2W及满轮 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第一固有频率和第二固有频 率的阻尼），并且通过将运些前两种模式移动到发动机的最低可能工作范围，而将其他固有 频率移动到高于发动机的工作范围（被称为第一轴弯曲模式的第=固有频率），可有利地控 制此类失衡。例如，对于W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第=固有频率的预期发动机工作范围出现，同时抑制被调谐 到在最低可能的满轮增压器轴速度下出现的第一固有频率和第二固有频率的响应。在本实 施例中，轴承表面Bl、轴承表面B2、轴承表面B3和轴承表面B4中的Dl和D2与D3和D4之间的差 产生期望的特性。
[0058] 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W(%)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,而实线表示满轮机响应曲 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，满轮 机响应曲线522表示示出每个测试点的百分比位移518和在满轮机叶轮(例如，图3的满轮机 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。
[0059] 如从图10和图11的图形中可见，当润滑油溫热时，在低于最大速度10%的压缩机叶 轮速度下可出现稍高于2%的峰值负载，如图形上的点524所表示，而在大约相同的轴速度 下，在满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负载，如点526所表示。 如通过图10中的压缩机响应曲线520可W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，满轮机响应曲线522显示出具有小于0.5% 的相对恒定峰值位移的更好的负载轮廓。
[0060] 如图11所示，当润滑油冷却时，在大约50%的满轮机叶轮处可出现大约7%的峰值负 载，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负载，如点530所表示。在大约5%的速度下，可W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，而满轮机叶轮具有大约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。
[0061 ]仍然使用冷油（图11 )，对于满轮机叶轮，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 移的更好的负载轮廓。使用运些负载轮廓，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W为图表中所示范围的大约10%。
[0062]当组装根据本实用新型的满轮增压器时，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 的满轮机叶轮212的组件在垂直位置安装到夹具602上，其中满轮机叶轮在底部。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，直到满轮机凸缘256抵靠在第二夹具604上，从而在满轮机凸缘 256与满轮机叶轮212之间设定适当的距离，如图13所示。
[0063] 将包括外座圈261、内座圈263 W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 W闭合轴承壳体202并且在 轴126与轴承孔260之间设定适当的同屯、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，在进行满轮机的组装之前，轴126端部 上的满轮机叶轮212的子组件可旋转地平衡，使得轴可确定其后组装的其余部件(包括压缩 机叶轮213)的同屯、度，W维持平衡组件。作为可选步骤，整个组件可在组装之后配平平衡W 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。可通过在中屯、轮穀和/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平衡。为确定待去除的材料的量W 及运种去除的位置，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 不同的密封装置的满轮增压器相比较时，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W平衡组件的材料的量，其中轴承保持架帮助将轴同屯、地放置到轴承孔中。
[0064] 工业实用性
[0065] 应当理解，W上描述提供了所公开系统和技术的示例。然而，可W设想的是，本实 用新型的其他实施在细节上可不同于W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。
[0066] 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W任何适 合的顺序执行。
【主权项】
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和所述压缩机之间，所述轴承壳体形成具有 第一供油通道和第二供油通道的轴承孔； 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，所述轴承装置包括设置在所述轴承 孔中的外轴承座圈元件，其中所述外轴承座圈元件具有中空圆柱形形状，所述中空圆柱形 形状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、第四圆柱形轴承 表面接合所述轴承孔，外轴承座圈元件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； 其中所述外轴承座圈元件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 其中所述外轴承座圈元件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； 其中所述第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面各自具有第一相应的直径并且 沿第一轴向长度轴向延伸，其中所述第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面各自具有 第二相应的直径并且沿第二轴向长度轴向延伸，使得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中的每个容许油的相应第一挤压 膜直径、第二挤压膜直径、第三挤压膜直径和第四挤压膜直径在其中；以及 其中所述第一挤压膜直径不同于所述第三挤压膜直径。2. 根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一挤压膜直径等于所述第二 挤压膜直径，而所述第三挤压膜直径等于所述第四挤压膜直径。3. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一挤压膜直径或第二挤压膜 直径与轴承孔直径之间的差与所述轴承孔直径的比值为0.0021。4. 根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第一圆柱形轴承表面或第二圆 柱形轴承表面中的每个在所述轴向方向上的长度与所述轴承孔的比值为0.3。5. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第三挤压膜直径或第四挤压膜 直径与轴承孔直径之间的差与所述轴承孔直径的比值为0.0031。6. 根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述第三圆柱形轴承表面或第四圆 柱形轴承表面中的每个在所述轴向方向上的长度与所述轴承孔的比值为0.2。7. 根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述轴承装置进一步包括内轴承座 圈元件，所述内轴承座圈元件接合所述轴并且可旋转地支撑在所述外轴承座圈元件内，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分在轴向方向上 重叠。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，并且其中螺母将所述压缩机侧杯状件接合到所 述轴。10. -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和所述压缩器叶轮互连的轴，以在其间 传输动力，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； 其中所述第一圆柱形轴承表面和第二圆柱形轴承表面各自具有第一相应的直径并且 沿第一轴向长度轴向延伸，其中所述第三圆柱形轴承表面和第四圆柱形轴承表面各自具有 第二相应的直径并且沿第二轴向长度轴向延伸，使得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中的每个容许油的相应第一挤压 膜直径、第二挤压膜直径、第三挤压膜直径和第四挤压膜直径在其中； 其中所述第一挤压膜直径不同于所述第三挤压膜直径， 其中所述第一挤压膜直径等于所述第二挤压膜直径，以及 其中所述第三挤压膜直径等于所述第四挤压膜直径。
【文档编号】F01D25/18GK205422849SQ201620174988
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】R·E·安娜缇, T·哈特莱
【申请人】卡特彼勒公司