具有改进的轴密封部的涡轮增压器的制作方法

本发明涉及具有改进的轴密封部的涡轮增压器。

背景技术：

涡轮增压器配备有在大多数情况中由两个元件构成的轴密封部。这种元件是油密封部，该油密封部被设置用于密封相应的涡轮增压器的轴承壳体的内部区域以防油向外泄露。这种油密封部可以以迷宫密封部的形式来构造。其他的元件可以是气体密封部，该气体密封部设置用于密封轴承壳体的内部区域以防气体从外部进入。这样的气体密封部可以例如以活塞环密封部的形式来构造。

针对具有轴向涡轮的涡轮增压器而言，迷宫式节流阀密封部与密封空气相结合也经常被用作气体密封部，以防止热气体从涡轮侧进入轴承壳体。必要的油封通常被实施为收集腔迷宫。

出于空间、复杂性/成本和性能方面的原因，无密封空气的活塞环密封部经常被用作具有径向涡轮的涡轮增压器的气体密封部。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种具有改进的轴密封部的涡轮增压器。

该目的通过具有在权利要求1中给出的特征的涡轮增压器来实现。该涡轮增压器包括布置在压缩机与涡轮机之间的支承装置，支承装置被设计用于对轴进行支承，支承装置具有轴承壳体，在轴承壳体中布置有经油润滑的轴承，轴承用于支承轴，其中轴具有喷出元件，喷出元件在周向延伸并用于抛出润滑油，其中轴承壳体具有油流出通道，油流出通道用于将润滑油从轴承壳体中排出，其中轴承壳体的内部区域形成油界限空间，油界限空间利用布置在轴与轴承壳体之间的密封部进行密封，其中油界限空间具有偏转构件，偏转构件被成型为使得在涡轮增压器运行时从喷出元件抛出的润滑油被偏转构件偏转并且被引导到与朝向密封部相反的方向中，其中油界限空间在喷出元件的周围被设计为使得在涡轮增压器运行时从喷出元件抛出的润滑油能够直接被喷出元件输送到偏转构件上，其中喷出元件被成型为使得从喷出元件抛出的润滑油具有径向分量和轴向分量，其中轴向分量指向与朝向密封部相反的方向。

根据本发明的一个实施方式，油界限空间在轴的与喷出元件轴向并排地布置的部段中通过与轴承壳体连接的轴承法兰界定至轴。根据一个实施方式，油界限控制可以具有用于收集从偏转构件进入的润滑油的收集槽。收集槽可以例如构造为轴承法兰的一部分。收集槽可以具有至少一个壁元件，壁元件用于防止被偏转构件偏转的润滑油在向密封部的方向上回流。壁元件尤其可以被布置在轴承法兰朝向涡轮机或密封部的端部处。收集槽被成型为使得其在涡轮增压器运行时将润滑油从收集槽引导到油流出通道中。

根据一个实施方式，轴承法兰被设计为以可取出的方式安置在轴承壳体的轴承模块的一部分，其中轴承模块具有用于轴的轴承。根据一个实施方式，轴承法兰沿轴向部段以在环周上围绕轴的方式布置。

根据一个实施方式，轴承法兰界定出油界限空间的至少一部分。尤其地，油界限空间的径向内部的界限至少部分地由轴承法兰形成。优选地，油界限空间的径向内部的界限的超过50％或者甚至超过75％的轴向延伸，由轴承法兰(如有可能包括收集槽)形成。油界限空间径向外界限可以通过轴承壳体形成，并且尤其包括例如作为轴承壳体的斜壁部段的偏转构件。

根据本发明的一个实施方式，偏转构件是轴承壳体的壁的组成部分。

根据本发明的一个实施方式，偏转构件是置入油界限空间中的环。

根据本发明的一个实施方式，偏转构件被构造为锥形。

根据本发明的一个实施方式，偏转构件被构造为弧形。

根据本发明的一个实施方式，偏转构件至少部分地布置在轴上方(即与位于包含涡轮增压器轴线的水平面上方的半空间重叠)，并且可以尤其布置在轴上方的包含涡轮增压器轴线的竖直截面中。

根据本发明的一个实施方式，喷出元件是轴肩。

根据本发明的一个实施方式，喷出元件是独立的甩油盘。

根据本发明的一个实施方式，中油界限空间的横截面在喷出元件与偏转构件之间的区域中随着距轴的距离增加而增大。

根据本发明的一个实施方式，油界限空间的横截面在喷出元件与偏转构件之间的区域中随着距轴的距离增加而逐级地增大。

根据本发明的一个实施方式，油界限空间的横截面在喷出元件与偏转构件之间的区域中的增大至少部分地由在轴承法兰中的凹部形成。

根据本发明的一个实施方式，油流出通道在轴承壳体的油流出汇集部的区域中被设计为柱形，并且在被设计为柱形的区域与轴之间具有在轴的方向上倾斜地延伸的油流出斜坡部，通过油流出斜坡部油流出通道在朝向轴的方向上被拓宽。

根据本发明的一个实施方式，油流出斜坡部在连接于被设计为柱形的区域的第一斜坡部区域中相对于轴围成第一角度，第一角度在45°与80°之间的范围内。

根据本发明的一个实施方式，油流出斜坡部在连接于第一斜坡部区域的第二斜坡部区域中相对于轴围成第二角度，第二角度在30°与45°之间的范围内。

根据本发明的一个实施方式，涡轮增压器具有遮挡部，遮挡部被布置轴下面的区域中，以用于为密封部遮挡喷出的润滑油。

根据本发明的一个实施方式，对于油流出通道的被设计为柱形的区域的直径相对于涡轮增压器的轴的直径，适用如下的关系：

f/d>0.7

其中f是油流出通道的被设计为柱形的区域的直径，并且d是涡轮增压器的轴的直径。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

(a+c)/d>2.7

其中a是油流出斜坡部的远离油流出汇集部的一端离轴的距离，c是油流出斜坡部的邻近油流出汇集部的一端离轴的距离，并且d是轴的直径。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

g/h<1

其中g是困油阻尼器间隙的遮挡部，并且h是涡轮增压器的径向轴承的外直径。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

h/d<1。

其中h是涡轮增压器的径向轴承的外直径，并且d是轴的直径。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

b/d>0.2

其中b是收集腔的高度，并且d是轴的直径。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

x/z<1

其中x是轴与偏转锥之间的角度，并且z是润滑油从轴在向偏转锥的方向上的喷出角度。

根据本发明的一个实施方式，适用如下的关系：

(j+sin(x)·e)/d>0.5

其中j是偏转锥远离轴的一端的距离，x是轴与偏转锥之间的角度，e是偏转锥的轴向长度，并且d是轴的直径。

上述特征用于减轻轴承壳体的密封部上的压力，因为这些特征增加了在轴下方可用于从轴承壳体中排出油的壳体体积，并且在涡轮增压器运行时，引起从轴喷出的润滑油离开轴承壳体的密封部的特定运送或有针对性的偏转。另外，可以防止已经抛出的润滑油流回密封部区域。

附图说明

以下借助于实施例描述本发明，这些实施例将借助于附图进行更详细的解释。其中示出:

图1示出其中布置有根据本发明的涡轮增压器的部件的涡轮增压器的部分区域的截面图；

图2示出图1的部分区域的放大图；

图3示出用于显示设置在轴上的独立的甩油盘的示意图；以及

图4示出其中布置有根据本发明的涡轮增压器的部件的涡轮增压器的部分区域的另一截面图。

具体实施方式

图1示出了涡轮增压器的部分区域的截面图，其中布置了根据本发明的涡轮增压器的部件。涡轮增压器1包含支承装置7，该支承装置被布置在压缩机2和与涡轮机4之间，并且被设计为对轴6进行支承。支承装置7具有轴承壳体8，在轴承壳体8中布置有用于对轴进行支承的经油润滑的轴承9。在所示的实施例中，轴承9是径向轴承。压缩机2具有与轴6固定连接的压缩机轮3。涡轮机4包括与轴6固定连接的涡轮机轮5。

轴6具有喷出元件10，在所示的实施例中，喷出元件是轴肩19。轴肩19是轴6中的一个台阶部，由于该台阶部，轴直径在该位置被扩大。

在涡轮增压器1运行时，润滑油通过径向轴承9与轴6之间的间隙进行输送，润滑油在喷出元件10处径向向外抛出，并且由于轴肩的形状也沿轴承壳体中心的轴向方向轻微抛出。抛出的润滑油被引导至形成在轴承壳体8内部区域中的油界限空间12中。油界限空间12在喷出元件10的周围环境中(在该周围环境中油界限空间12形成喷出通道26)被构造为使得在涡轮增压器1运行时由喷出元件10抛出的润滑油直接从喷出元件10传输至偏转构件14。在此，随着离轴6的距离增加，油限定空间12的横截面在喷出元件10与偏转构件14之间的区域(即在喷出通道26中)增大。

在图1所示的实施例中，在该喷出通道26中设置有台阶部25，使得在喷出元件10与偏转构件14之间的区域中的喷出通道的横截面随着离轴6的距离增加而逐级增大。作为图1所示实施例的备选方案，在喷出元件10与偏转构件14之间的区域中的喷出通道26的横截面也可以随着离轴6的距离的增加而以多个多级的方式逐步增大，或者也可以连续无级地增大。

图1中所示的台阶部25被置于轴承法兰15中，该轴承法兰与涡轮增压器1的轴承壳体8固定地连接或者是轴承壳体8的组成部分，使得喷出元件10与偏转构件14之间区域中的油界限空间12的横截面的增大由轴承法兰15中的凹部21形成。从图1中可以看出，由于喷出通道26中与轴承法兰15相对的壁(该壁同样是轴承壳体8的组成部分)在径向方向上大部分呈直线延伸，因此喷出通道26的上述拓宽是不对称的。喷出通道26的这种不对称拓宽的一个优点是使得涡轮增压器1在设计上结构紧凑。因此，抛出的润滑油不仅具有径向分量，还具有由喷出元件的形状限定的轴向分量。

被喷出元件10抛出的润滑油被偏转构件14偏转，并且在与密封部13和24相反的方向上被引导，其中密封部13是用于气体密封的活塞环，并且密封部24是用作油密封的壁。为了实现这一点，偏转构件14在图1中被设计为锥形。一种备选方案是，偏转构件14被设计为弧形。另一种替代方案是，偏转构件14不是轴承壳体壁18的整体组成部分(如图1所示)并进而通过轴承壳体的壁的形状实现，而是以置入油界限空间12中的环的形式。该环的指向喷出元件10的方向的内表面又可以被成型为弧形或锥形，使得在涡轮增压器1运行时被喷出元件10抛出的润滑油被该环偏转，并且根据需要在与密封部相反的方向上被引导。

图1中的喷出元件10是轴肩19。一个备选实施例是，喷出元件被实现为独立的甩油盘20，如图3所示。该独立的甩油盘同样设置在轴6上。轴6优选在甩油盘20前后具有相同的轴向直径。

被偏转构件14偏转并在与密封部相反的方向上引导的润滑油，在被偏转构件14偏转后沿上部轴承壳体壁18上流动，大部分经由油界限空间的环周到达油出口，部分经由轴承法兰的环周到达油出口，一小部分到达轴承法兰的端部，进入形成在轴承法兰15中的收集槽16，该收集槽在其密封侧的端部区域由壁元件17形成，该壁元件防止在收集槽16中集聚的润滑油回流到喷出通道26中。

通过将从喷出元件10直接喷射到偏转构件14上的润滑油偏转至与密封部相反的方向上，并防止被偏转的润滑油回流到喷出通道26中，有利地实现了：在喷出通道26中不发生润滑油阻塞，即，由喷出元件10抛出的润滑油不受到回流到喷出通道26中的润滑油的阻碍。

在收集槽16中集聚的润滑油通过设置在轴6下方的油流出通道11流出。该油流出通道延伸至轴承壳体8中的油流出汇集部22，通过油流出汇集部，穿过油流出通道11流出的润滑油被导出轴承壳体8。油流出通道11在轴承壳体8中的油流出汇集部22的区域中被设计为柱形，并且在该被设计为柱形的区域与轴6之间具有在轴6的方向上倾斜延伸的油流出斜坡部23，油流出通道11通过该油流出斜坡部23在轴6的方向上拓宽。这具有以下优点：使得润滑油流更容易在油流出汇集部22的方向上流出，并且油流出通道11的润滑油接收能力较大，从而减少了延伸至密封部13区域的润滑油阻塞发生的概率。

图2示出了图1的部分区域的放大图。在该图中，从径向轴承9与轴6之间的间隙流出的润滑油的输送路径由箭头p1-p5表示。从径向轴承9和轴6之间的间隙流出的润滑油在喷出元件10处在径向上向外抛出，如箭头p1所示，并直接遇到偏转构件14，该偏转构件是所示实施例中轴承壳体8的锥形部件。润滑油在该偏转构件14处被偏转，并在油界限空间12中在与密封部13、24相反的方向上被引导，如箭头p2所示。以这种方式，偏转的润滑油大部分通过轴承壳体内部和轴承法兰的环周而流向油流出汇集部。剩余部分集聚在收集槽16中，如箭头p3所示。该收集槽16在面对密封部的一侧具有壁元件17，壁元件17防止集聚在收集槽16中的润滑油回流到喷出通道26中。因此，确保了穿过喷出通道26由喷出元件10在箭头p1的方向上抛出至偏转构件14的润滑油不会被流回到喷出通道26中的润滑油阻碍，并且在喷出通道26中不存在润滑油阻塞。从轴开始向下抛出的润滑油被直接引导至油流出斜坡部23，如箭头p4所示，在该油流出斜坡部处(如箭头p5所示)在轴承壳体8中的油流出汇集部22的方向向下流出，并穿过油流出汇集部而从轴承壳体8中排出。通过油密封部24，被引导到油流出通道11中的润滑油到达气体密封部13区域中的概率被保持地较小。

图3示出了一个用于说明设置在轴6上的独立的甩油盘20的示意图，该甩油盘可以替代轴肩19用作喷出元件10。轴6在该甩油盘的轴向前方和后方具有直径相同的喷出凸起。

图4示出了涡轮增压器的部分区域的另一个截面图，其中布置了根据本发明的涡轮增压器的部件。

上面已经描述的本发明提供了一种轴密封部，与已知的具有相同的几何尺寸边界条件的轴密封部相比，在利用给定的设计自由度的情况下，该轴密封部在油泄漏方面表现出显著改善的鲁棒性。根据本发明的轴密封部的一个特别优点在于，显著改善了从涡轮增压器离开的油输送，大大增加了轴密封部下方的壳体体积，并且限定了从轴上喷出的润滑油从布置有密封部的区域离开的输送或有针对性的偏转。

图4中示出的另一个横截面图示出了可以实现本发明所提到的优点的参数。

在图4中，参数f表示油流出通道在油流出汇集部的区域中的横截面积，其中油流出通道在该区域被设计为柱形。第一斜坡部区域在轴6的方向上邻接于油流出通道的被设计为柱形的区域，第一斜坡部区域相对于轴围成第一角度，第一角度在45°与80°之间的范围内。因此，油流出斜坡部23的该区域构造为陡倾的。该区域中的油流出斜坡部23在该区域的陡倾度尤其取决于因冷却目的而设置的水通道27在轴承壳体中的定位。

与油流出斜坡部23的该陡倾的区域邻接的是，油流出斜坡部23的在轴6的方向上斜度稍微更低的区域。该斜度稍微更低的区域相对于轴6形成在30°与45°之间的范围内的角度。在图4中所示的参数y代表油流出斜坡部23在各个区域中的陡倾度。

图4中所示的参数a是在轴6与油流出斜坡部23的离轴6最近的点之间的距离。

图4中所示的参数c是在轴6与油流出斜坡部23的离轴6最远的点之间的距离。该点形成流出斜坡部23到油流出通道11的被设计为柱形的区域的过渡点。

上述参数f、y、a和c有助于改善润滑油的流出，尤其是加速的流出，并且有助于扩大轴下方的壳体体积，从而在运行时可以尽可能多接收润滑油，而不使润滑油的高度上升至轴6。

参数z表示润滑油的喷出角度，在该角度中，润滑油由喷出元件10从轴6的区域在偏转构件14的方向上自由喷出。从图4中还可以看出，喷出元件10和偏转构件14均被成型为使得喷出的润滑油不是在密封部的方向上被轴向喷出或引导，而是在与密封部相反的方向上被轴向喷出或引导。喷出角度应尽可能小地选择，以便抛出的润滑油被输送到尽可能远离密封部的地方。

参数x和e限定了轴承壳体中的喷出锥，以便使以喷出角度z喷出的润滑油被导出轴6的区域，并润滑油以与密封部相反的方向反向被输送到轴承壳体中。为此，喷出角度z、锥角x和偏转锥的长度e以及周围的几何形状必须被实施为使得润滑油可以从轴6的区域自由地喷出到偏转锥上。

参数j表示轴6与偏角锥的离轴最近的点之间的距离。该距离应尽可能大，以使在遇到偏角锥后雾化的润滑油尽可能远离密封部。

此外，图4中示出了收集槽16，通过该收集槽防止了从偏转锥14送出的润滑油流回密封区域。

另外，图4中示出了用作遮挡部的密封部24，密封部24为位于轴6下方区域中的气体密封部13的区域遮挡喷油。

参数g示出了径向轴承的困油阻尼器间隙的遮挡部，其中g被选择为小于径向轴承的外直径h。由此，防止来自径向轴承外润滑间隙的润滑油直接注入向轴密封部径向间隙。

参数b表示收集腔。该收集腔应具有尽可能大的尺寸，但出于生产原因，其尺寸应小于d/2，其中d为轴6的直径。

此外，图4显示了直径的跃变。参数g被选择为明显小于参数h，以便减少润滑油从g处的径向间隙直接注入h处的径向间隙。d又被选择为大于h，从而使润滑油抵抗由于直径提高而存在的其他障碍，并且d可以用作在轴上喷入上游的收集腔b中的出口侧的喷出边缘。

有利地适用如下的公式:

-f/d>0.7，其中f是油流出通道23的被设计为柱形区域的直径，d是轴6的直径；

-(a+c)/d>2.7，其中a是油流出斜坡部远离油流出汇集部的一端与轴6的距离，c是油流出斜坡部23的靠近油流出汇集部的一端与轴6的距离，d是轴的直径，

-g/h<1，其中g是困油阻尼器间隙的遮挡部，h是径向轴承的外直径，

-h/d<1，其中h是径向轴承的外直径，d是轴的直径，

-b/d>0.2，其中b是收集腔的高度，d是轴6的直径，

-x/z<1，其中x是轴6与偏转锥之间的角度，z是润滑油从轴沿偏转锥方向的喷出角度，以及

-(j+sin(x)·e)/d>0.5，其中j是偏转锥靠近轴的一端的距离，x是轴与偏转锥之间的角度，e是偏转锥的轴向长度，d是轴的直径。

附图标记列表

1涡轮增压器

2压缩机

3压缩机轮

4涡轮机

5涡轮机轮

6轴

7支承装置

8轴承壳体

9径向轴承

10喷出元件

11油流出通道

12油界限空间

13气体密封部

14偏转构件

15轴承法兰

16收集槽

17壁元件

18轴承壳体壁

19轴肩

20喷出凸起

21轴承法兰中的凹部

22轴承壳体的油流出汇集部

23油流出斜坡部

24油密封部

25台阶部

26喷出通道

27水通道

p1–p5箭头