具有直接安装轴承壳体的蜗轮增压器组件的制作方法
【专利摘要】一种涡轮增压器，其对气流增压以输送到内燃发动机，内燃发动机具有汽缸体、汽缸盖、形成在汽缸体和汽缸盖中的至少一个中的供油通道。涡轮增压器包括轴承壳体，所述轴承壳体具有用于直接安装到汽缸体和汽缸盖中的一个的安装凸缘，以由此建立与供油通道的流体连通。轴承壳体还包括轴颈轴承、止推轴承组件和旋转组件。安装凸缘限定供油开口，所述供油开口配置为对应汽缸体和汽缸盖中的一个的供油通道和在安装凸缘附接到发动机时将油引导到轴颈轴承和止推轴承组件。还公开一种采用这种涡轮增压器的内燃发动机。
【专利说明】具有直接安装轴承壳体的蜗轮增压器组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及涡轮增压器组件，该组件具有直接安装的轴承壳体。
【背景技术】
[0002]内燃发动机(ICE)通常被用于以可靠的基础产生长时间的大水平的动力。许多这样的ICE组件使用增压装置，例如排气涡轮驱动的涡轮增压器，以让气流在进入发动机的进气总管之前压缩气流，以便增加功率和效率。
[0003]具体说，涡轮增压器是离心的气体压缩机，其与通过周围大气压力所获得的相比使得更多空气和更多氧气进入ICE的燃烧室。被迫进入ICE的额外质量的含有氧气的空气改善发动机的容积效率，允许在给定循环中燃烧更多燃料，且由此产生更多功率。
[0004]典型的涡轮增压器包括中心轴，其被一个或多个轴承支撑且在排气驱动的涡轮和空气压缩机轮之间传递旋转运动。涡轮和压缩机轮被固定到轴，其与各种轴承部件组合构成涡轮增压器的旋转组件。
[0005]因为旋转组件经常以100000转每分钟(RPM)的速度运行且从发动机的排气气体吸收大量的热量，排气气体的温度可以接近2000华氏度，涡轮增压器轴承的冷却对涡轮增压器的长期耐久性很关键。为了由此冷却涡轮增压器轴承，水和油通常被供应到旋转组件。
【发明内容】
[0006]本发明的一个实施例涉及涡轮增压器组件，其用于对气流增压以输送到具有汽缸体和汽缸盖的内燃发动机。涡轮增压器组件包括轴承壳体，所述轴承壳体具有用于直接安装到汽缸体和汽缸盖中的一个的安装凸缘。涡轮增压器组件还包括轴颈轴承，所述轴颈轴承沿轴线设置在轴承壳体的孔中。涡轮增压器组件还包括旋转组件，所述旋转组件被轴颈轴承支撑且配置为通过燃烧后的气体绕轴线旋转。涡轮增压器组件另外包括止推轴承组件，所述止推轴承组件配置为在气流被增压时吸收通过旋转组件产生的顶推力。安装凸缘限定供油开口，所述供油开口配置为对应汽缸体和汽缸盖中的至少一个中的供油通道和在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时将油引导到轴颈轴承和止推轴承组件。
[0007]涡轮增压器旋转组件可以包括轴，所述轴具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承支撑，以用于绕轴线旋转。涡轮增压器旋转组件也可以包括涡轮，所述涡轮在第一端附近被固定到轴且配置为通过燃烧后气体而绕轴线旋转。涡轮增压器旋转组件可以另外包括压缩机轮，其在第二端附近被固定到轴且配置为对从周围环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸。
[0008]涡轮可以设置在涡轮壳体内部，所述涡轮壳体具有涡轮涡道，而压缩机轮可以设置在具有压缩机涡道的压缩机覆盖件中。在这种情况下，压缩机涡道和涡轮涡道每一个可以附接到轴承壳体。
[0009]涡轮增压器组件可以另外包括排气连接管，其配置为将燃烧后气体从汽缸盖引导到涡轮涡道。
[0010]汽缸盖可以包括具有安装表面的整合排气总管。在这种情况下，排气连接管可以配置为在安装表面处附接到汽缸盖。
[0011]排气连接管可以包括柔性联接部，其配置为吸收汽缸盖和涡轮涡道之间的振动和定位差。
[0012]柔性联接部可以限定多个孔，所述孔配置为接收用于将涡轮增压器组件附接到汽缸体和汽缸盖中的一个的紧固件。
[0013]柔性联接部可以配置为波纹管和网套中的一个，其每一个可以是不锈钢结构的。
[0014]发动机可以另外包括冷却剂供应通道、配置为使冷却剂增压的冷却剂泵、和配置为使油增压的油泵。轴承壳体可以包括置为靠近轴颈轴承和止推轴承组件每一个的冷却剂或水套。安装凸缘可以另外限定冷却剂供应开口，所述冷却剂供应开口配置为在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时匹配到冷却剂供应通道且将冷却剂供应到冷却剂套。被增压的油可以经由供油通道而被引导到轴承壳体，以润滑轴颈轴承和止推轴承组件。冷却剂可以经由冷却剂供应通道而被引导到轴承壳体，以吸收和除去从对轴颈轴承和止推轴承组件进行润滑的油而来的热量。
[0015]安装凸缘可以限定多个孔，所述孔配置为接收用于将轴承壳体附接到汽缸体和汽缸盖中的一个的紧固件。
[0016]进而，轴承壳体可以用铝合金形成。
[0017]本发明的另一实施例涉及具有如上所述的涡轮增压器的内燃发动机。一种用于对气流增压的涡轮增压器组件，所述气流从周围环境接收以用于输送到内燃发动机，所述内燃发动机具有安装到限定了汽缸的汽缸体的汽缸盖、设置在汽缸中的往复运动活塞、和形成在汽缸体和汽缸盖中的至少一个中的供油通道，其中汽缸盖配置为将空气燃料混合物供应到汽缸以用于在其中燃烧和将燃烧后的气体由此排出，涡轮增压器组件包括:轴承壳体，具有安装凸缘，所述安装凸缘配置为直接安装到汽缸体和汽缸盖中的一个；轴颈轴承，沿轴线设置在轴承壳体中；旋转组件，被轴颈轴承支撑且配置为通过燃烧后的气体绕轴线旋转；和止推轴承组件，配置为在气流被增压时吸收通过旋转组件产生的顶推力；其中安装凸缘限定供油开口，所述供油开口配置为对应供油通道且在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时将油以引导到轴颈轴承和止推轴承组件。
[0018]在上述涡轮增压器组件中，旋转组件包括:轴，具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承支撑，以用于绕轴线旋转；涡轮，在第一端附近被固定到轴且配置为通过燃烧后气体绕轴线旋转；和压缩机轮，在第二端附近被固定到轴且配置为对从周围环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸；其中:涡轮设置在具有涡轮涡道的涡轮壳体中；压缩机轮设置在具有压缩机涡道的压缩机覆盖件中；和，压缩机涡道和涡轮涡道每一个附接到轴承壳体。
[0019]上述涡轮增压器组件进一步包括排气连接管，所述排气连接管配置为将燃烧后的气体从汽缸盖引导到涡轮涡道。
[0020]在上述涡轮增压器组件中，汽缸盖包括具有安装表面的整合排气总管，且其中排气连接管配置为在安装表面处附接到汽缸盖。
[0021]在上述涡轮增压器组件中，排气连接管包括柔性联接部，其配置为吸收汽缸盖和涡轮涡道之间的振动和定位差。
[0022]在上述涡轮增压器组件中，柔性联接部限定多个孔，所述孔配置为接收用于将涡轮增压器组件附接到汽缸盖的紧固件。
[0023]在上述涡轮增压器组件中，柔性联接部配置为波纹管和网套中的一个。
[0024]在上述涡轮增压器组件中，发动机另外包括冷却剂供应通道、配置为使冷却剂增压的冷却剂泵、和配置为使油增压的油泵；轴承壳体包括冷却剂套，所述冷却剂套布置为靠近轴颈轴承和止推轴承组件每一个；安装凸缘另外限定冷却剂供应开口，所述冷却剂供应开口配置为在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时匹配到冷却剂供应通道且将冷却剂供应到冷却剂套；增压的油经由供油通道而被引导到轴承壳体，以润滑轴颈轴承和止推轴承组件；和，冷却剂经由冷却剂供应通道而被引导到轴承壳体，以吸收和除去从对轴颈轴承和止推轴承组件进行润滑的油而来的热量。
[0025]在上述涡轮增压器组件中，安装凸缘部限定多个孔，所述孔配置为接收用于将轴承壳体附接到汽缸体和汽缸盖中的一个的紧固件。
[0026]在上述涡轮增压器组件中，轴承壳体用铝合金形成。
[0027]在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式(一个或多个)和实施例(一个或多个)做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是具有根据本发明实施例的涡轮增压器的发动机的透视图。
[0029]图2是具有根据本发明另一实施例的涡轮增压器的发动机的透视图
[0030]图3是图1-2所示的涡轮增压器的部分截面图。
[0031]图4是根据本发明的如图1所示的涡轮增压器的透视图，其显示了安装凸缘。
[0032]图5是用于图1-4所示的涡轮增压器的轴承壳体的近距侧视图，轴承壳体具有在安装凸缘中的供油开口和冷却剂供应开口。
[0033]图6是如图5所示的轴承壳体的近距俯视图。
【具体实施方式】
[0034]参见附图，其中几幅图中相同的附图标记指示相同或类似的部件，图1示出了内燃发动机10。发动机10还包括汽缸体12，所述汽缸体12具有布置在其中的多个汽缸14。发动机10可以限定供油通道10-1、油返回通道10-2、冷却剂供应通道10-3、冷却剂返回通道10-4(在图5-6显示)。
[0035]如图1所示，发动机10还包括安装在汽缸体12上的汽缸盖16。供油通道10_1、油返回通道10-2、冷却剂供应通道10-3、冷却剂返回通道10-4可以通过汽缸体12或汽缸盖16限定。每一个汽缸14包括配置为在其中往复运动的活塞18。燃烧室20形成在汽缸14中且在汽缸盖16的底部表面和活塞18的顶部之间。如本领域技术人员已知的，燃烧室20每一个从汽缸盖16接收燃料和空气，其形成燃料空气混合物，以随后用于在目标燃烧室内部燃烧。汽缸盖16还配置为将燃烧后气体从燃烧室20排出。
[0036]发动机10还包括配置为在汽缸体12中旋转的曲轴22。曲轴22由于在燃烧室20中燃烧的适当比例的燃料空气混合物而通过活塞18旋转。在空气燃料混合物在具体燃烧室20内部燃烧之后，具体活塞18的往复运动用于将燃烧后的气体24从相应汽缸14排出。发动机10还包括油泵26。油泵26配置为将增压的发动机油28供应到各种轴承，例如曲轴22的轴承。油泵26可以直接地通过发动机10或通过电动机(未示出)驱动。
[0037]发动机10另外包括吸气系统30，其配置为将气流32从周围环境引导到汽缸14。吸气系统30包括进入空气导管34、涡轮增压器36、和进气总管(未示出)。虽然未示出，但是吸气系统30可以另外包括在涡轮增压器36上游的空气过滤器，用于去除来自气流32的外来颗粒和其他空气携带的碎屑。进入空气导管34配置为将气流32从周围环境引导到涡轮增压器36，而涡轮增压器配置为对接收的气流增压，和将增压的气流排放到进气总管。进气总管又将之前增压的气流32分配到汽缸14，用于与适当量的燃料混合和随后燃烧最终的燃料空气混合物。图1显示了发动机10的一个实施例，其具有安装到汽缸体12的涡轮增压器36，而图2显示了发动机10的替换实施例，其具有安装到汽缸盖16的涡轮增压器36。
[0038]如图3所示，涡轮增压器36可以包括旋转组件37。旋转组件37包括具有第一端40和第二端42的轴38。旋转组件37还包括涡轮46，所述涡轮46在第一端40附近安装在轴38上且配置为通过从汽缸14排出的燃烧后气体24而绕轴线43与轴38 —起旋转。涡轮46通常用耐热和抗氧化材料形成，例如基于镍-铬的“铬镍铁”超合金，以可靠地承受燃烧后气体24的温度，在一些发动机中所述气体可以接近2000华氏度。涡轮46设置在涡轮壳体48内部，其包括涡轮涡螺或涡道50。涡轮涡道50接收燃烧后排出气体24且将排出气体引导到涡轮46。涡轮涡道50配置为实现涡轮增压器36的具体的性能特点，例如效率和响应性。
[0039]进一步如图3所示，旋转组件37还包括在第一和第二端部40、42之间安装在轴38上的压缩机轮52。压缩机轮52经由特别构造的紧固件保持在轴38上，例如锁紧螺母53。如本领域技术人员理解的，锁紧螺母53是包括压紧的或不相等螺纹螺距的内螺纹的一类紧固件，以接合配合部件的外螺纹，例如轴38。这种锁紧螺母53的螺纹构造用于使得在涡轮增压器36运行期间锁紧螺母从轴38松脱的可能性最小化。另外，锁紧螺母53上螺纹的方向可以被选择为使得在轴38被燃烧后气体24向上旋转时锁紧螺母具有紧固的倾向而不松脱。
[0040]压缩机轮52配置为将从周围接收的气流32增压，以用于最后输送到汽缸14。压缩机轮52设置在压缩机覆盖件54内部，所述压缩机覆盖件包括压缩机涡螺或涡道56。压缩机涡道56接收气流32且将气流引导到压缩机轮52。涡道56配置为实现涡轮增压器36的具体性能特点，例如峰气流和效率。因而，通过为涡轮46提供能量的燃烧后排出气体24而为轴38赋予旋转，且由于压缩机轮被固定在轴上，这种旋转又被传递到压缩机轮52。如本领域技术人员理解的，燃烧后排出气体24的力和可变的流动影响压力升高的量，所述升高的压力可以在发动机10的整个运行范围内通过压缩机轮52实现。压缩机轮52通常用高强度铝合金形成，其提供具有减小旋转惯性和更快开始转动响应的压缩机轮。
[0041]继续参考图3，旋转组件37被支撑为用于经由轴颈轴承58而绕轴线43旋转。轴颈轴承58在轴承壳体62中沿轴线43而被安装在孔60中且通过经由泵26供应的增压发动机油28而被润滑和冷却。轴承壳体62可以用合适强韧材料形成，例如铝硅合金或球墨铸铁，其可耐受适当的热和机械应力，且保持孔60的尺寸稳定性，以用于操作性地支撑旋转组件37。轴颈轴承58配置为控制轴38的径向运动和振动。如所示的，轴颈轴承58可以是完全浮动或半浮动类型的，其用相对软的金属形成，例如黄铜或青铜，从而经过轴承系统的任何碎屑将嵌入软的轴承材料且不损坏轴38或孔60。轴颈轴承58也可以配置为辊子或球轴承，以进一步在轴38的旋转期间减少涡轮增压器摩擦损失。
[0042]如图3所示，轴承壳体62包括止推壁64。另外，涡轮增压器36包括止推轴承组件66。止推轴承组件66配置为吸收通过旋转组件37产生的顶推力，而涡轮增压器36使得气流32增压。止推轴承组件66包括止推环圈70和止推垫圈72。止推轴承组件66还包括止推板74，其通过止推保持器76而抵靠止推壁64保持就位。止推板74的轴承表面通常用相对软的金属形成，例如黄铜或青铜，从而经过轴承系统的任何碎屑将嵌入软的轴承材料且不损坏止推环圈70或止推垫圈72。止推保持器76可以通过夹持件、一个或多个螺栓保持就位，或以其他方式附接到壳体62，以便将止推轴承组件66牢固地保持抵靠止推壁64。
[0043]涡轮增压器36运行期间，从泵26而来的增压发动机油28被输送到轴承壳体62。在轴承壳体62内，增压的发动机油28经由专用的铸造通道弓I导以润滑止推轴承组件66和在止推垫圈72和止推板74之间产生油膜。这种油膜用于减少止推垫圈72和止推板74之间直接物理接触的可能性。进而，止推垫圈72和止推板74之间的直接接触的这种减少用于延长止推轴承组件66的使用寿命，因此延长涡轮增压器36的耐久性。
[0044]如图3和4每一个所示，轴承壳体62包括安装凸缘62_1，所述安装凸缘配置为用于直接安装到汽缸体12 (如图1所示)或汽缸盖16 (如图2所示)。如图4所示，安装凸缘62-1可以限定多个孔62-2，所述孔每一个配置为接收紧固件78，用于将轴承壳体62可靠的附接到汽缸体12或汽缸盖16。安装凸缘62-1限定供油开口 63-1，所述供油开口配置为匹配或对应供油通道10-1且在安装凸缘附接到汽缸体12或汽缸盖16时将油引导到轴颈轴承58和止推轴承组件66。安装凸缘62-1还限定油返回开口 63-2，其配置为匹配油返回通道10-2且在油已经经过其循环流动并对轴颈轴承58和止推轴承组件66进行润滑之后将油从轴承壳体62除去。增压的油28经由油供应通道10-1而被引导到轴承壳体62，以润滑轴颈轴承58和止推轴承组件66。在油经由油返回开口 63-2离开轴承壳体62之后，油经由到油泵26的油返回通道10-2而回到发动机10。
[0045]安装凸缘62-1还限定冷却剂供应开口 63-3，所述冷却剂供应开口配置为在安装凸缘附接到汽缸体12(如图1所示)或汽缸盖16(如图2所示)时匹配冷却剂供应通道10-3。如图4所示，冷却剂供应开口 63-3将冷却剂80引导到水套68(如图5_6所示)，所述水套在轴颈轴承58和止推轴承组件66附近形成在轴承壳体62内部。冷却剂80从对轴颈轴承58和止推轴承组件66进行润滑的油吸收并去除热量。安装凸缘62-1另外限定冷却剂返回开口 63-4，所述冷却剂返回开口配置为匹配冷却剂返回通道10-4且在冷却剂已经在其中循环流动之后从水套68除去冷却剂80。在冷却剂经80由冷却剂返回开口 63-4离开轴承壳体62之后，冷却剂经由到冷却剂泵82(如图1所示)的冷却剂返回通道10-4而回到发动机10。冷却剂泵82安装在发动机10上且可以是电促动的或被发动机本身机械地驱动，以对冷却剂80增压。
[0046]如图1、2和4所示，涡轮增压器组件36另外包括排气连接管84，所述排气连接管配置为将燃烧后气体24从汽缸盖16引导到涡轮涡道50。排气连接管84包括第一端84_1和第二端84-2。第一连接件凸缘86定位在第一端84-1处且经由紧固件附接到涡轮涡道50，例如如图1、2和4所示的紧固件78。第二连接件凸缘88定位在第二端84_2处且配置为用于在汽缸盖16处经由紧固件78附接到排气总管输出口 90(如图1-2所示)。如从发动机10包括多个汽缸14但是仅有单个输出口 90的情况理解，排气总管可以是内铸造(即整合)到汽缸盖16中的。虽然整合的排气总管本身未示出，这种总管的存在和构造应是本领域技术人员可理解的。
[0047]排气连接管84包括定位在第二端84-2上的柔性联接部92。柔性联接部92配置为吸收汽缸盖16和涡轮涡道50之间的定位差，且吸收在发动机10运行期间通过发动机10产生的振动。柔性联接部92限定多个孔94，所述孔每一个配置为接收紧固件，例如图1-2所示的紧固件78，用于将涡轮增压器组件36附接到汽缸盖16。柔性联接部92可以配置(即设计和制造)为用合适的耐热材料(例如不锈钢)制造的波纹管(如图1、2和3所示)或网套(未示出)。
[0048]附图中的详细的描述和显示是对本发明的支持和描述，而本发明的范围仅通过权利要求限定。尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。进而，附图所示的实施例或本发明说明书提到的各种实施例的特点不应被理解为是彼此独立的实施例。相反，实施例的一个例子中所述的每一个特点可以与其他实施例的一个或多个其他期望特点组合，形成并未参考附图所述的其他实施例，其形成未描述或通过参考附图所述的其他实施例。因而，这种其他实施例落入所附权利要求的范围。
【权利要求】
1.一种内燃发动机，包括: 汽缸体，限定出汽缸； 往复运动的活塞，设置在汽缸内部； 汽缸盖，安装到汽缸体且配置为将空气燃料混合物供应到汽缸，用于在其中燃烧和由此排出燃烧后的气体； 供油通道，形成在汽缸体和汽缸盖中的至少一个中；和 涡轮增压器组件，配置为使得从周围环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸，涡轮增压器组件包括: 轴承壳体，具有安装凸缘，所述安装凸缘配置为直接安装到汽缸体和汽缸盖中的一个，以由此建立与供油通道的流体连通； 轴颈轴承，沿轴线设置在轴承壳体中； 旋转组件，被轴颈轴承支撑且配置为通过燃烧后的气体绕轴线旋转；和 止推轴承组件，配置为在气流被增压时吸收通过旋转组件产生的顶推力； 其中安装凸缘限定供油开口，所述供油开口配置为对应供油通道且在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时将油引导到轴颈轴承和止推轴承组件。
2.如权利要求1所述的发动机，其中旋转组件包括: 轴，具有第一端和第二端，轴被轴颈轴承支撑，以用于绕轴线旋转； 涡轮，在第一端附近被固定到轴且配置为通过燃烧后气体绕轴线旋转；和压缩机轮，在第二端附近被固定到轴且配置为对从周围环境接收的气流增压，以用于输送到汽缸； 其中: 涡轮设置在具有涡轮涡道的涡轮壳体中； 压缩机轮设置在具有压缩机涡道的压缩机覆盖件中；和 压缩机涡道和涡轮涡道每一个附接到轴承壳体。
3.如权利要求2所述的发动机，其中涡轮增压器组件另外包括排气连接管，所述排气连接管配置为将燃烧后气体从汽缸盖引导到涡轮涡道。
4.如权利要求3所述的发动机，其中汽缸盖包括具有安装表面的整合排气总管，且其中排气连接管配置为在安装表面处附接到汽缸盖。
5.如权利要求3所述的发动机，其中排气连接管包括柔性联接部，其配置为吸收汽缸盖和涡轮涡道之间的振动和定位差。
6.如权利要求5所述的发动机，其中柔性联接部限定多个孔，所述孔配置为接收用于将涡轮增压器组件附接到汽缸盖的紧固件。
7.如权利要求5所述的发动机，其中柔性联接部配置为波纹管和网套中的一个。
8.如权利要求1所述的发动机，进一步包括冷却剂供应通道、配置为使冷却剂增压的冷却剂泵、和配置为使油增压的油泵； 其中: 轴承壳体包括冷却剂套，所述冷却剂套布置为靠近轴颈轴承和止推轴承组件每一个；安装凸缘另外限定冷却剂供应开口，所述冷却剂供应开口配置为在安装凸缘附接到汽缸体和汽缸盖中的一个时匹配到冷却剂供应通道且将冷却剂供应到冷却剂套； 增压的油经由供油通道而被引导到轴承壳体，以润滑轴颈轴承和止推轴承组件；和冷却剂经由冷却剂供应通道而被引导到轴承壳体，以吸收和除去从对轴颈轴承和止推轴承组件进行润滑的油而来的热量。
9.如权利要求1所述的发动机，其中安装凸缘限定多个孔，所述孔配置为接收用于将轴承壳体附接到汽缸体和汽缸盖中的一个的紧固件。
10.如权利要求1所述的发动机，其中轴承壳体用铝合金形成。
【文档编号】F02B37/00GK104251156SQ201410302808
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2013年6月28日
【发明者】R.L.巴尔斯利二世 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司