用于分配和控制油流的系统和方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年4月10日提交的标题为“用于分配和控制油流的系统和方法(systemandmethodfordistributingandcontrollingoilflow)”的美国临时申请第62/145,691号的优先权和所有权益。

本发明涉及一种用于内燃机的涡轮增压系统，并且更具体地涉及一种用于将油流分配到轴颈轴承和推力轴承以提高整体的涡轮增压器性能的系统和方法，其中使用油流控制装置来主动地对油流进行计量。

背景技术：

涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩空气传送到发动机进气端，从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而不必显著增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增强燃料经济性的期望效果。此外，涡轮增压器的使用允许被递送至发动机的燃料进行更完全的燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度期望的目标。

涡轮增压器通常包括连接到发动机的排气岐管的涡轮机壳体、连接到发动机的进气歧管的压缩机壳体、以及设置在涡轮机壳体与压缩机壳体之间并将二者联接到一起的中心或轴承壳体。涡轮机壳体限定了一个大致呈环形的室，该室由涡旋或蜗壳组成，包围涡轮机叶轮并从自发动机的排气歧管引出的排气供给流道处接收排气。涡轮机壳体通常包括从由涡旋或蜗壳组成的大致呈环形的室通向涡轮机叶轮中的喷嘴。从排气歧管供应的排气的进气流可旋转地驱动涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。可旋转地支撑在中心或轴承壳体中的轴将涡轮机叶轮连接到压缩机壳体中的压缩机叶轮上，使得涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮的旋转。连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴限定一条作为旋转轴线的线。

排气流到由涡旋或蜗壳组成的大致呈环形的涡轮机室中，并通过喷嘴到达涡轮机叶轮，在此涡轮机叶轮由排气驱动。涡轮机叶轮在极高的速度和温度下旋转。当涡轮机叶轮旋转时，涡轮机从排气内抽取动力来驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周围空气，并且该周围空气由压缩机叶轮压缩，然后再从压缩机壳体排出到发动机进气口。压缩机叶轮的旋转增加了经由发动机进气歧管递送至发动机的气缸的空气质量流率、气流密度和空气压力，从而提高发动机的输出、提供较高的发动机性能、减少燃料消耗以及通过减少二氧化碳(co2)的排放量来减少环境污染物。

涡轮增压器中心或轴承壳体包括用于支撑轴并将轴保持来自由地旋转的轴承系统。轴承系统还有助于抵抗由压缩机叶轮和涡轮机叶轮产生的径向载荷和推力载荷。推力载荷由压缩机壳体与涡轮机壳体之间的压力差产生。推力载荷沿着轴的轴线施加，并且往往是来回地推动轴。径向载荷与轴的轴线相垂直地作用，并且是导致轴进行来回运动的原因。常用于涡轮增压器中的轴承系统通常由轴颈轴承组件和推力轴承组件组成，该轴颈轴承组件是包含径向载荷的圆柱形轴承，而推力轴承组件通常是管理推力载荷的扁平圆盘。油用来保持涡轮增压器的旋转部件不会产生相互摩擦，从而防止出现金属与金属的接触并减少摩擦。轴的每个端在轴穿过轴承壳体的位置处被密封，以便限制轴承润滑剂与气体之间的接触。如果允许润滑剂泄漏到热气体路径中，那么它便会蒸发和燃烧，从而导致有害烟灰的产生和排放的增加。

为了对涡轮增压器和旋转部件适当地进行润滑，必须提供可靠且清洁的油供应。如果供油不足、滴落得太低或者受到碎屑的污染，那么，轴承系统的操作温度会急剧升高，这严重地缩短了轴承系统的使用寿命并形成一种涡轮增压器很可能损坏并最终失效的环境。然而，过多的油流可使得油通过涡轮增压器轴和密封件的泄漏增多。与涡轮增压器的密封件相交的空气和油的流动可以是造成低效率的主要原因，并且在严重的情况下会对涡轮增压器和发动机空气系统的操作造成破坏。

技术实现要素：

在一些方面，用于分配油流的系统包括涡轮增压器轴承壳体、进油口和空气通道、油通道和阀组件。进油口连接到空气通道和油通道。油通道将油流引导到推力轴承和轴颈轴承。通往轴承壳体的各部件的油流可能受到阀组件的限制。阀组件使用机械连杆和致动器进行操作。可以将阀组件具体地操纵来提高压力、压缩机压力比、涡轮机速度、发动机控制单元(ecu)数据、发动机状态、和/或这些特征的任何变化。

在一些方面，阀组件可以集成到轴承壳体中，并且可以用于限制通往轴颈轴承和/或推力轴承的油流。阀组件可以包括具有阀构件的可变位置阀，该阀构件具有位于第一端的止动件以及位于第二端的通孔和弹簧。可变位置阀可以包括任何类型的可变位置阀，例如球阀、针阀、闸门阀或旋转阀。

在一些方面，可变位置阀由压缩机叶轮后面的压力控制。来自压缩机叶轮后方的压力通过空气通道传递到可变位置阀。通过空气通道的空气压力使阀构件移动。阀构件的移动受到弹簧的阻止。止动件确定通过通孔的最小流量。止动件还用于封装和外部密封阀组件。弹簧可以是锥形弹簧、空气弹簧或者任何将在允许阀构件的规定位移量的同时还改变了阀构件的刚度的弹簧装置。

阀组件可以连接到气动致动器或液压致动器。气动致动器或液压致动器将连接到压缩机，例如在压缩机出口处或压缩机叶轮后方。在较低的压缩机压力下，通往推力轴承的油通道将被阀组件限制。在高压力下，通过油通道的流动将完全打开，不会受到阀组件的限制。

在一些方面，阀组件可以以电子方式控制。电子致动器可以直接连接到活塞上，而不是使用弹簧。电子致动器可以将涡轮增压器的转速考虑在内，从而以最小的窜气来平衡轴承组件的最佳性能。电子致动器还可以有助于通过在点火后仅对推力轴承供油进行节流来防止出现与启动相关的问题。

电子致动器的优点可以包括区分预热发动机和冷启动发动机的能力。在冷启动时，油比温热温度下的油更加粘稠。粘度的升高可以减少或延缓油流到轴承部件而导致过早的磨损。因此，在更冷的环境下(例如在冷启动期间)，因为通往轴承部件的油的减少或延缓而引起的过早磨损会进一步恶化。电子致动器还可以顾及发动机的温度，并在那些油温不足的条件下通过使油通道完全打开来完成必要的调整。

在一些方面，基于诸如油温、压缩机排放压力和/或涡轮机入口压力等操作参数，主动地对通往轴承壳体的涡轮增压器油流进行计量。类似地，还可以基于涡轮增压器压力差(dp)使用气动致动器来对油流进行计量，所述涡轮增压器压力差是涡轮机入口压力与压缩机排放压力之间的压力差。涡轮机入口压力和压缩机排放压力在由轴向轴承支撑的轴上产生轴向载荷。在发动机怠速情形期间，涡轮机入口压力和压缩机排放压力都较低，使得随后产生较低的轴向轴承载荷。在低压缩机排放和低轴向轴承载荷条件下需要的油流很少。然而，如果发动机怠速期间的油流过大，则油会泄漏到轴密封件之外，进而导致排放问题以及降低发动机耐用性和影响有效运行。气动致动器联接到油流控制装置，该装置允许在中性涡轮增压器压力差(dp)下的最小油流量。在发动机怠速期间或者在具有低涡轮增压器压力差(dp)的操作条件下，油流得到充分的抑制。

油流控制装置将涉及其中油流控制装置取代传统进油口配件的改造型设计。因此，油流控制装置可以与现有的涡轮增压器进油口成直线地定位。诸如内置于涡轮增压器油回路或轴承壳体中的永久性特征之类的其他设计也是可行的。

油流控制装置包括致动构件和节流阀。致动构件包括杆，该杆在一端处具有活塞并且在其相对端处设置有球形阀。节流阀包括进油通路和成形油通路。球形阀包括成形为定位在成形油通路内的球形部分，而成形油通路形成在节流阀中。成形油通路可以是沙漏形状，并且球形部分的尺寸设计成能够接合成形油通路的突出或轮廓部分，从而阻止油流从其中通过。尽管包含球形部分和沙漏形油通路的球形阀是油流控制装置和油通路的可行设计选择，但是，其他设计也是容易想到的。球形阀可以单向地或双向地操作。在任一种情况下，球形阀和沙漏形通路确保油流随着轴向载荷的绝对值的增加而增加。

此外，油流控制装置的致动构件包括正压室。杆的活塞将正压室分成第一室和第二室。第一室包括与压缩机排放压力的连接，而第二室包括与涡轮机入口压力的连接。致动构件根据上下室之间的压力差(dp)向上和向下移动。

油流控制装置还可以包括有助于在成形油通路内移动球形阀的复位弹簧。球形阀的球形部分与成形油通路之间的间隙、通路的直径以及弹簧复位率都可以被调节来适应各种涡轮增压器应用。

在一些方面，尤其是在非怠速情形期间，由轴向轴承支撑的载荷和与其相关联的油流与涡轮增压器压力差(dp)和作为恒定参数的叶轮直径成比例。在这些操作参数下，在高载荷条件期间向涡轮增压器提供更多的油流，而在低载荷条件下提供较少的油流。油流由致动构件的位移的绝对值决定。精准的油流控制实现了高载荷下的高效轴承操作，并且减少了在低轴向载荷条件期间由过大的油流所引起的附加损失。

在一些方面，可以基于进油口温度对油流进行计量。为此，可以向流量控制阀组件添加简易的恒温器。在启动条件下，恒温器将打开来使得油流最大化。当进油口温度升高时，恒温器将会关闭，以便消除在正常操作温度下过大的油流。恒温器可以是附加的特征，或者也可以取代气动致动器。

虽然已经描述了气动致动器并且证明其是有效的，但是也已知电子致动器、液压致动器或其他类似装置也能有效地发挥作用。发动机控制模块或补充控制模块可以用于控制致动。还可以包括附加通路。该附加通路可以通过任何其他机构(例如恒温器或永久性旁路)进行控制，并且将用于在怠速条件下或在低轴向载荷条件期间输送指定量的油。

在一些方面，作为整个轴承组件的补充或独立于整个轴承组件，阀组件可以用于控制油流。此外，一个或多个阀组件可以用于控制通往单个轴承、多个轴承或整个系统的油流。此外，阀组件和油流控制装置可以单独地使用，或者彼此相结合地使用。

附图说明

本公开通过示例的方式示出并且不应受到附图的限制，其中相同的附图标记表示相同的部分，并且其中：

图1是排气涡轮增压器的剖视图；

图2是用于分配油流的系统以及阀组件的剖视图；

图3是用于分配油流的电子系统的示意图；

图4是油流控制装置的剖视图。

具体实施方式

图1详细示出了包括压缩机段(12)、涡轮机段(14)以及设置在压缩机段(12)与涡轮机段(14)之间并将前者连接到后者的轴承壳体(16)的排气涡轮增压器(10)。涡轮机段(14)包括涡轮机壳体(18)，该涡轮机壳体限定排气入口(20)、排气出口(22)以及与排气入口(20)和排气出口(22)流体连通地设置的涡轮机蜗壳(24)。涡轮机叶轮(26)设置在蜗壳(24)与排气出口(22)之间的涡轮机壳体(18)中。涡轮机叶轮(26)固定到轴(28)。轴(28)可旋转地支撑在轴承壳体(16)内，并延伸到压缩机段(12)中。压缩机段(12)包括限定压缩机空气入口(32)、压缩机空气出口(34)和压缩机蜗壳(36)的压缩机盖(30)。压缩机叶轮(38)设置在压缩机空气入口(32)与压缩机蜗壳(36)之间的压缩机盖(30)中。压缩机叶轮(38)设置在轴(28)的相对端上，并由螺母(40)固定在其上。涡轮机叶轮(26)、轴(28)和压缩机叶轮(38)是涡轮增压器(10)的旋转组件的主要部件。

如图2详细所示，轴(28)由轴承组件(42)支撑。轴承组件(42)包括围绕轴(28)定位的轴承部件，例如轴颈轴承组件(43)和推力轴承组件(44)。轴颈轴承组件(43)包括由间隔件(48)间隔开的一对轴颈轴承(46)。这对轴颈轴承(46)可以是由间隔件(48)分开的浮动轴承(46)。推力轴承组件(44)包括设置在阀组件(100)与压缩机叶轮(38)之间的圆盘推力轴承(50)。

轴承壳体(16)包括进油口(52)、油通道(54)和空气通道(56)。油通道(54)流体地连接到进油口(52)并且朝向浮动轴颈轴承(46)和圆盘推力轴承(50)延伸。空气通道(56)从压缩机叶轮(38)后方延伸并且流体地连接到压缩机叶轮(38)和阀组件(100)。阀组件(100)定位在形成在轴承壳体(16)中的开口(58)内。开口(58)与空气通道(56)和油通道(54)流体连通。或者，空气通道(56)可以与压缩机空气出口(34)和开口(58)流体连通。

分配到浮动轴颈轴承(46)和/或圆盘推力轴承(50)的油由阀组件(100)控制。阀组件(100)包括阀构件(102)、止动件(104)和弹簧(106)。阀构件(102)成形来形成切口(108)，并且弹簧(106)定位在切口(108)内。阀构件(102)还包括用于实现油流从油通道(54)到圆盘推力轴承(50)的流体连通的通孔(110)。通孔(110)可以具有圆形内径、锥形内径或包含会聚侧的内径。止动件(104)是固定止动件并且包括头部(104a)和柄部(104b)。头部(104a)固定地连接到轴承壳体(16)，并且柄部(104b)用于抑制阀构件(102)的向上移动。

在一些方面，阀组件(100)使用例如气动(未示出)、液压(未示出)或电动致动器(如图3所示并在下面详细描述)等致动器来操作。致动器可以可操作地连接到压缩机段(12)的一部分，例如压缩机空气出口(34，如图1所示)，或者压缩机叶轮(38)后方。在涡轮增压器(10)的操作期间并且当压缩机叶轮(38)旋转时，空气通过空气通道56被抽出。几乎就在同时，油通过进油口(52)过滤到油通道(54)。当来自压缩机叶轮(38)后方的压力传递通过空气通道(56)时，空气被迫进入形成在轴承壳体(16)中的开口(58)中。来自开口(58)的空气作用在阀构件(102)上，使得阀构件(102)在向下或向上方向上移动，从而分别压缩或展开弹簧(106)。除了整个轴承组件(42)之外或独立于整个轴承组件，阀组件(100)可以用于控制通往单个轴承部件(例如，轴颈轴承组件(43)或推力轴承组件(44))的油流。

在较高的压力条件下，来自开口(58)的空气作用在阀构件(102)上，使得阀构件(102)在向下的方向上移动。阀构件(102)的向下移动压缩弹簧(106)，迫使弹簧(106)与形成在轴承壳体(16)中的空腔(112)发生接触。当弹簧从止动件(104)的柄部(104b)向下移动时，柄部(104b)与阀构件(102)之间没有发生接触。将弹簧(106)压缩来使得通孔(110)与油通道(54)流体连通，并且还允许油流到圆盘推力轴承(50)。与空腔(112)的接触使得弹簧(106)抵抗来自空气压力的力，进而调节阀构件(102)的位置。空气压力的波动可以使通孔(110)与油通道(54)对齐，其中流过最大量和/或最小量的油。在弹簧(106)被完全压缩的较高压力条件下，最大量的油流过油通道(54)。在较低的压力条件下，最少量的油流过通孔(110)。在较低的压力条件期间，通过空气通道(56)的空气压力较小。因此对阀构件(102)和弹簧(106)施加了较小的压力。这样，弹簧(106)的阻力较小，从而使弹簧(106)展开。当弹簧(106)展开时，阀构件(102)被允许在向上的方向上移动。阀构件(102)的向上移动使得阀构件(102)与止动件(104)的柄部(104b)发生接触。阀构件(102)与柄部(104b)的接触停止并防止了阀构件(102)的任何进一步向上的移动。这样，通孔(110)变得不再与油通道(54)对齐，从而限制和/或约束从油通道(54)通往圆盘推力轴承(50)的油流。

图3详细示出了描绘用于分配油流的电子控制系统(200)的示意图。微控制器或计算机(202)从增压传感器(204)、控制器区域网络系统(can)或其他ecu通信装置(206)、和/或涡轮增压器速度传感器(208)的组合接收输入。微控制器或计算机(202)将从增压传感器(204)、控制器区域网络系统(can)或其他ecu通信装置(206)和/或涡轮增压器速度传感器(208)接收的输入应用于计算机可读存储器上的算法或查找表，这样便生成了信号。将该信号发送到阀控制器(210)，而阀控制器激活用于分配油流(212)的系统。用于分配油流的电子控制系统(200)可以使用诸如涡轮增压器速度、压缩机排放压力(或增压)、涡轮机入口压力(或背压)、环境温度、发动机转速或发动机扭矩等反馈参数来控制。

图4详细示出了用于对通往轴承壳体(16)和圆盘推力轴承(50)的油流进行计量的油流控制装置(300)。油流控制装置(300)包括致动构件(302)和节流阀(304)。油流控制装置(300)被改造到轴承壳体(16)中并取代传统的进油口配件。致动构件(302)包括设置在壳体(308)内的杆(306)。杆(306)包括在第一端处的活塞(310)和设置在其相对的第二端处的球形阀(312)。球形阀(312)包括成形为定位在节流阀(304)内的球形部分(312a)。节流阀(304)包括进油通路(314)和成形油通路(316)。成形油通路(316)可以是沙漏形状，并且球形部分的尺寸设计成能够接合成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)。壳体(308)包括第一(308a)和第二(308b)正压室。第一(308a)和第二(308b)正压室由活塞(310)分开。第一室(308a)与压缩机排放压力连通，而第二室(308b)与涡轮机入口压力连通。

在一些方面，油流控制装置(300)使用诸如气动(未示出)、液压(未示出)或电动致动器等致动器来操作。致动器可以通过本领域中已知的任何方式可操作地连接到油流控制装置(300)。油流控制装置(300)的操作是基于涡轮增压器压力差(dp)或者涡轮机入口压力与压缩机排放压力之间的压力差以及圆盘推力轴承(50)上的推力载荷。油流控制装置(300)确保在启动发动机时存在有足够的油流。油流是由活塞(310)的根据涡轮增压器压力差(dp)和圆盘推力轴承(50)上的载荷的位移的绝对值所决定。

在发动机怠速条件下，圆盘推力轴承(50)上的载荷较低，并且需要的油流很少。在这些条件下，期望的情形是具有中性涡轮增压器压力差(dp)。当涡轮增压器压力差(dp)为中性时，进入相应的第一(308a)和第二(308b)正压室的压缩机排放压力和涡轮机入口压力大致相等。这样，第一(308a)和第二(308b)正压室内的大致相等的压力在作用于活塞(310)上时相互平衡。作用于活塞(310)上的压力的这种相互平衡使得活塞(310)设置在大致处于壳体(308)中间的中间位置处。当活塞(308)设置在中间位置处时，球形阀(312)的球形部分(312a)设置在成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)之间。在该位置，允许最少或最小量的油流到轴承壳体(16)和圆盘推力轴承(50)。

在非怠速条件下，圆盘推力轴承(50)上的载荷较高，并且需要更多的油流。油流控制装置(300)将在高载荷条件下提供更多的油流，并在低载荷条件下提供较少的油流。当从压缩机排放口供应到第一正压室(308a)的压力大于从涡轮机入口压力供应到第二正压室(308b)的压力时，来自第一正压室(308a)的压力的力使活塞(310)在向下的方向上移动。活塞(310)的向下移动将球形阀(312)的球形部分(312a)推到成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)之外，并且与在中性涡轮增压器压力差(dp)下所允许的油量相比，允许了更大量的油进行流动。当从压缩机排放口供应到第一正压室(308a)的压力小于从涡轮机入口压力供应到第二正压室(308b)的压力时，第二正压室(308b)中的主要压力作用于活塞(310)上，使得活塞在向上的方向上移动。在这种情形下，球形阀(312)的球形部分(312a)远离成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)移动并且还可以位于其上方，这样，与中性涡轮增压器压力差(dp)下的油流相比，允许了更大量的油进行流动。

可以根据各种涡轮增压器设计来调节活塞(310)的移动。一般而言，球形阀(312)的球形部分(312a)越接近成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)，就越使得更少量的油流到轴承壳体(16)和圆盘推力轴承(50)。相反地，球形阀(312)的球形部分(312a)离成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)越远，就越使得更大量的油流到轴承壳体(16)和圆盘推力轴承(50)。

在一些方面，可以基于进油口温度来对油流进行计量，其中可以向油流控制装置(300)添加简易的恒温器。在冷启动条件下，恒温器(未示出)将打开以使油流最大化。当进油口温度升高时，恒温器(未示出)将会关闭，以便消除在正常操作温度下过大的油流。恒温器(未示出)将取代油流控制装置(300)，或者可以是附加的特征。

在其他方面，可以在怠速或低推力载荷条件期间使用永久旁路(318)来递送指定量的油流。可以根据旁路(318)的直径来控制最小油流。直径越小，油流量越少。直径越大，油流越多。在低涡轮增压器速度下，油流大多是由旁路直径决定。随着速度和/或推力载荷的增加，油流控制装置(300)将打开以允许更多的油流到轴承组件(42)。

可以使用包含活塞(310)/球形阀(312)和球形部分(312a)的油流控制装置(300)、恒温器(未示出)和/或旁路(318)的任何组合来控制油流。可以将球形部分(312a)与成形油通路(316)的突出或轮廓部分(316a)之间的间隙(320)、旁路(318)的直径和/或气动致动器(未示出)的弹簧复位率调整来满足定制的涡轮增压器设计要求。油流控制实现了高推力载荷下的高效轴承操作，并且减少了在低推力载荷条件期间由过大的油流所引起的附加损失。