可变涡轮几何形状涡轮增压器的制作方法

本公开总体上涉及可变涡轮几何形状涡轮增压器。

背景技术：

涡轮增压器广泛应用于汽车、船舶和航空航天等应用。涡轮增压器可以在进气中提供超过大气压力的压力增加(或增压)以增加发动机的功率输出。涡轮增压器可以包括具有涡轮叶轮的涡轮部分；具有压缩机叶轮的压缩机部分；以及容纳将涡轮叶轮与压缩机叶轮互连的轴的轴承部分。涡轮叶轮可以从废气中提取能量以经由互连轴驱动压缩机，而压缩机叶轮可以增加进气的压力以便输送到发动机的燃烧室。

一些涡轮增压器设计可以包括废气门或阀门，当涡轮增压器增压达到压力阈值时，该废气门或阀门打开以将废气转向远离涡轮叶轮。相反，可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器可能不需要废气门。相反，在vtg涡轮增压器中，涡轮输出可以用在涡轮进口处围绕涡轮叶轮的导向叶片来调节。这些导向叶片可以打开和关闭以控制废气到涡轮叶轮上的流动，以便在变化的运行条件下使涡轮增压器增压最大化。

气动或电子致动器可以通过容纳在轴承部分中的致动枢轴(aps)来控制导向叶片的打开和关闭。aps可以容纳在保持轴承部分的孔的衬套中，aps的头端延伸到涡轮部分中以暴露于高温和高压废气。在衬套和aps之间可以存在预定的间隙，以允许衬套中aps的倾斜和旋转，并防止由热生长和/或腐蚀累积引起的衬套中aps的粘结。然而，aps和衬套之间的间隙可以提供用于未被排气后处理系统处理的短效废气从涡轮部分逃逸到大气中的流动路径。

当前的vtg涡轮增压器可以包括部分地阻碍废气通过aps/衬套组件中的间隙泄漏的活塞环。然而，由于aps/衬套组件的高温和腐蚀性环境需要具有高温能力和耐腐蚀性的密封材料，所以开发完全消除废气泄漏的更有效的密封件是具有挑战性的。另外，合适的密封件应该具有与车辆的使用寿命相匹配的使用寿命，并且应该足够柔性以允许衬套中aps的倾斜和旋转。后者要求排除了一些刚性面密封件的使用，当轴相对于衬套倾斜时，该刚性面密封件可能变得不固定。

美国专利号7,644,583公开了一种可变喷嘴涡轮增压器(vnt)，其具有容纳在衬套中的控制杆，该衬套涉及涡轮叶片的致动旋转。控制杆/衬套组件包括在衬套一端上的垫圈和在衬套另一端上的弹簧，以密封通过其中的废气泄漏。虽然有效，但是仍然需要改进的密封设计来密封废气通过vtg涡轮增压器中的aps/衬套界面的泄漏。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面，公开了一种可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器。vtg涡轮增压器可以包括涡轮部分，具有涡轮叶轮以及围绕涡轮叶轮的多个导向叶片。多个导向叶片可以经配置用于通过打开和关闭来调节到涡轮叶轮的废气流。该vtg涡轮增压器可以进一步包括压缩机部分、在涡轮部分与压缩机部分之间的轴承部分、以及经配置用于介导多个导向叶片的打开和关闭的致动的致动枢轴(aps)。aps可以具有延伸穿过轴承部分的轴部和穿过涡轮部分的头端。vtg涡轮增压器可以进一步包括衬套，该衬套以其间间隙可旋转地支撑aps的轴部。衬套可以具有第一端和第二端。此外，vtg涡轮增压器可以进一步包括面密封组件，该面密封组件经配置用于密封通过衬套与aps之间的间隙的废气的泄漏。面密封组件可以包括碟形弹簧，在头端附近围绕轴部并且与衬套的第一端形成面密封。面密封组件还可以包括复合环密封件，围绕邻近于碟形弹簧的轴部并与碟形弹簧和配合结构形成面密封。此外，面密封组件还可以包括弹簧，围绕轴部并接合衬套的第二端。碟形弹簧和弹簧可以与支护结构保持压缩。

在一个实施例中，所述弹簧是波形弹簧。

在一个实施例中，所述配合结构是所述致动枢轴的头部。

在一个实施例中，所述配合结构是接合在所述复合环密封件与所述致动枢轴的头部之间的配合环。

在一个实施例中，所述配合结构与所述轴部形成过盈配合。

在一个实施例中，所述支护结构是杆，所述杆经组装在所述轴部上并且经配置用于将扭矩从致动器传递到所述致动枢轴。

在一个实施例中，所述衬套包括在所述第二端处的凹部，所述凹部接收所述弹簧，并且其中所述凹部相对于所述轴部径向地定位所述弹簧。

在一个实施例中，所述支护结构是邻近所述弹簧围绕所述轴部的保持环。

在一个实施例中，所述保持环包括中心凸缘，所述中心凸缘相对于所述轴部径向地定位所述弹簧。

在一个实施例中，所述碟形弹簧包括凹面和凸面，并且其中所述凹面面向所述衬套的所述第一端并且所述凸面面向所述复合环密封件。

根据本公开的另一方面，公开了一种可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器。vtg涡轮增压器可以包括涡轮部分，其具有涡轮叶轮以及围绕涡轮叶轮的多个导向叶片。这些导向叶片可以经配置用于通过打开和关闭来调节到涡轮叶轮的废气流。该vtg涡轮增压器可以进一步包括压缩机部分、在涡轮部分与压缩机部分之间的轴承部分，以及经配置用于介导多个导向叶片的打开和关闭的致动的致动枢轴(aps)。aps可以包括轴承部分中的轴承侧和涡轮部分中的压力侧。vtg涡轮增压器可以进一步包括衬套，以其间隙可旋转地支撑aps，并且衬套可以从压力侧的第一端延伸到轴承侧的第二端。此外，vtg涡轮增压器可以进一步包括面密封组件，经配置用于密封通过衬套与aps之间的间隙的废气的泄漏。面密封组件可以包括碟形弹簧和在压力侧围绕aps的复合环密封件。碟形弹簧可以与衬套的第一端形成面密封。面密封组件还可以包括弹簧，在轴承侧围绕aps并接合衬套的第二端。

根据本公开的另一方面，公开了一种组装可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器的面密封组件的方法。面密封组件可以经配置密封致动枢轴(aps)和可旋转地支撑aps的衬套之间的废气泄漏。aps可以具有轴部和头端。该方法可以包括：将复合环密封件组装在aps的轴部上靠近头端并邻近配合结构；将碟形弹簧插入在aps的轴部上邻近复合环密封件；以及将aps的轴部安装在衬套中，使得衬套的第一端面向碟形弹簧。该方法还可以包括将弹簧组装在邻近衬套第二端的aps的轴部上，并将支护结构紧固在邻近弹簧的aps的轴部上，使得支护结构接合弹簧。该紧固可以在衬套的第一端与碟形弹簧之间，在碟形弹簧与复合环密封件之间形成面密封。

当结合附图阅读时，将更容易理解本公开的这些和其他方面和特征。

附图说明

图1是根据本公开构造的可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器的剖视图，该可变涡轮几何形状涡轮增压器具有用于密封致动枢轴与衬套之间的废气泄漏的面密封组件。

图2是根据本公开构造的图1的细节2的展开图。

图3是根据本公开构造的面密封组件的透视截面图。

图4是根据本公开构造的面密封组件的分解图。

图5是类似于图3的面密封组件的剖视图，但是缺少根据本公开构造的配合环和保持环。

图6是根据本公开构造的图5的面密封组件的分解图。

图7是根据本公开的方法在组装面密封组件中可能涉及的一系列步骤的流程图。

具体实施方式

现参照附图，具体参照图1，示出了可变涡轮几何形状(vtg)涡轮增压器10。如本领域技术人员将清楚的，vtg涡轮增压器10可以通过迫使更多的进气进入内燃发动机的燃烧室来运行，从而允许增加的发动机效率和功率输出。涡轮增压器10可以是机动车辆的部件，尽管它也可以用于其他应用，例如但不限于船舶或飞机应用。

vtg涡轮增压器10可以包括涡轮部分12，具有封闭涡轮叶轮16的涡轮壳体14。涡轮壳体14还可以限定蜗壳18，来自发动机的废气通过蜗壳经由喉部20引导至涡轮叶轮16。在蜗壳18的喉部20处可以是多个导向叶片22，这些导向叶片围绕涡轮叶轮16并且通过以不同角度打开和关闭来调节通向涡轮叶轮16的废气流。vtg涡轮增压器10可以进一步包括压缩机部分24，具有压缩机壳体26，该压缩机壳体封闭了压缩机叶轮28并且限定了空气入口30、扩压器部分32以及压缩机出口34。在涡轮部分12和压缩机部分24之间可以是具有轴承壳体38的轴承部分36，轴承壳体38包围将涡轮叶轮16和压缩机叶轮28互连的轴40。

废气可以通过涡轮入口进入涡轮部分12，并且可以经由蜗壳18和喉部20流到涡轮叶轮16，使得涡轮叶轮16旋转。涡轮叶轮16的旋转又可以经由互连轴40驱动压缩机叶轮28的旋转。压缩机叶轮28的旋转可以增加进气的速度，并且高速空气可以被排出到扩压器部分32中以通过出口34输送到内燃机的燃烧室。

涡轮增压器10在不同运行条件下的输出可以通过涡轮部分12的导向叶片22的选择性打开和关闭来调节。导向叶片22的打开和关闭的致动可以由部分地容纳在轴承部分36(也参照图2)中的致动枢轴(aps)42来介导。更具体地，气动或电子致动器44可以驱动中间连杆46的运动，中间连杆46的一端连接到致动器44，另一端连接到装配在aps42上的杆48。然后中间连杆46可以驱动杆48的运动，并且杆48可以驱动aps42的旋转，aps42的旋转又可以驱动与aps的头部52接合的块/销组件50的运动(也参照图2)。然后，块/销组件50可以驱动调节环54的运动，调节环54随后通过叶片杆56调节导向叶片22的角度。因此，扭矩可以从致动器44经由aps42传递到导向叶片22。

参照图2，aps42可以包括轴部58和具有头部52的头端60。aps42的轴部58可以延伸穿过轴承壳体38的孔62，并且可以由至少一个衬套64可旋转地支撑。衬套64可以以其间的间隙支撑aps42，以允许aps42在衬套64内旋转和倾斜。aps42的头端60可以穿透涡轮部分12，并且因此可以暴露于涡轮部分12中的热废气。如此，aps42可以具有暴露于轴承部分36中的较冷环境空气的轴承侧66，以及在头端60处暴露于较高压力和较高温度废气的压力侧68。衬套64可以具有朝向aps42的压力侧68定向的第一端70和朝向aps42的轴承侧66定向的第二端72。在一种布置中，衬套64的第一端70可以位于衬套64的头部74处。

现参照图3-4，涡轮增压器10可以进一步包括与aps42和衬套64组装在一起的面密封组件77，以密封通过aps42和衬套64之间的间隙的废气泄漏。更具体地，面密封组件77可以提供面密封，该面密封完全地或几乎完全地阻碍废气通过aps42/衬套64组件从涡轮部分12到外部环境的流动。如本文所用，“面密封”是其中密封表面垂直于或基本上垂直于aps42的纵轴78的密封。

在压力侧68处，面密封组件77可以包括环绕轴部58的碟形弹簧80和复合环密封件82。碟形弹簧80可以与衬套64的第一端70在一侧上形成面密封，并且与复合环密封件82在另一侧上形成面密封。在一种布置中，碟形弹簧80可以包括与衬套64的第一端70接合的凹(或向内倾斜)面84，以及与复合环密封件82接合的凸(或向外倾斜)面86。然而，在替代构造中，凹面84可以接合复合环密封件82，并且凸面86可以接合衬套64的第一端70。复合环密封件82可以定位在碟形弹簧80与配合结构88之间，且可以与一侧上的碟形弹簧80和另一侧上的配合结构88两者形成面密封。在图2-4的实施例中，配合结构88是配合环90，其围绕复合环密封件82和aps42的头部52之间的轴部58。碟形弹簧80和复合环密封件82可以不与轴部58形成过盈配合，使得碟形弹簧80和复合环密封件82可以相对于轴部58自由旋转。相反，配合环90可与轴部58的外径形成过盈配合。

在轴承侧66处，面密封组件77可以包括与衬套64的第二端72接合的弹簧92。另外，支护结构94可以在轴承侧66处接合弹簧92，以保持弹簧92和碟形弹簧80处于部分压缩状态并提供弹力。在一个实施例中，支护结构94是邻近弹簧92(见图4)围绕轴部58的保持环96。例如，当杆48是压紧杆98时，保持环96可以用作支护结构94，压紧杆98在沿轴部58的限定位置处接合接合结构100(见图4)。保持环96可以在一个面上具有中心凸缘102，该中心凸缘102可以用于相对于轴部58径向地定位弹簧92。在其他布置中，保持环96可以没有中心凸缘102，使得弹簧92不径向定位或直接搁置在轴部58的外径上。有利地，弹簧92可以为面密封组件77提供一致的固定载荷，以解决组件77的部件的公差和磨损。在一种布置中，弹簧92可以是波形弹簧104，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。在其他布置中，弹簧92可以是对于本领域普通技术人员显而易见的其他类型的弹簧，例如但不限于压缩弹簧、拉伸弹簧或扭转弹簧。

面密封组件77可以保持aps42相对于衬套64倾斜、旋转和轴向滑动的能力。特别地，碟形弹簧80可以在径向上是柔性的，并且当aps42径向倾斜时可以保持与衬套64和复合环密封件82的密封。碟形弹簧80还可以在轴向方向上是柔性的，并且当压力从压力侧68或轴承侧66施加到aps42上时可以垂直压缩同时保持密封。此外，当从压力侧68或轴承侧66将力施加在aps42上时，弹簧92的固定压力可以成比例地抵消该力，以保持碟形弹簧80和复合环密封件82固定并增强密封。在这点上，面密封组件77可以是“自激励的”。此外，面密封组件77可以完全或几乎完全密封通过aps42/衬套64界面的废气泄漏，这与仅将废气泄漏减少一小部分的现有技术密封相反。此外，面密封组件77的部件可以是坚固的，并且在aps42的高温(例如，大约300℃至大约600℃)和腐蚀环境中表现出最小的磨损。

碟形弹簧80可以由耐高温且耐腐蚀的金属材料形成，例如但不限于镍合金(例如，718)、钴合金或不锈钢。复合环密封件82可以是耐磨且低摩擦的复合材料，例如但不限于石墨复合材料或碳和石墨复合材料。此外，弹簧92可以由诸如不锈钢的金属材料形成，尽管它也可以在较高温度条件下由镍合金或钴合金形成。另外，配合环90也可以由金属材料例如不锈钢形成。

图5-6示出面密封组件77的替代实施例。在这种布置中，配合结构88由aps42的头部52而不是如图2-4中的配合环90提供。即，本实施例中aps42的头部52包括配合表面106，该配合表面106在压力侧68处围绕轴部58并与复合环密封件82形成面密封。此外，压缩弹簧92的支护结构94是杆48而不是保持环96。在这种布置中，杆48可以压配合在轴部58的减小直径部分108上，使得杆48接合弹簧92并保持弹簧92和碟形弹簧80处于压缩状态。衬套64的第二端72还可以包括具有减小的外径的凹部110，该凹部用于接收弹簧92并且相对于轴部58径向地定位弹簧92(见图5)。然而，在其他布置中，衬套64可以没有凹部110，弹簧92可以不相对于轴部58径向定位，和/或弹簧98可以直接搁置在轴部58的外径上。图5-6的面密封组件77的所有其他特征和部件与上面结合图1-4描述的那些相同。

本文中应进一步注意，本文公开的面密封组件77还可以应用于密封废气门涡轮增压器中的废气泄漏，如本领域技术人员将理解的。更具体地，本公开的面密封组件77可以用于密封废气通过废气门控制轴和围绕控制轴的衬套之间的间隙的泄漏。

工业实用性

通常，本公开的教导可以广泛地应用于许多工业，包括但不限于汽车、船舶、航空航天和运输业。更具体地，本公开的教导可以应用于具有包括vtg涡轮增压器或废气门涡轮增压器的车辆或机器的任何工业。

转到图7，示出了可以用于组装面密封组件77的方法。在第一框120处，复合环密封件82可以在邻近配合结构88(例如，配合环90或aps42的头部52)的压力侧68处组装在aps42的轴部58上。然后，根据下一个框122，碟形弹簧80可以插入到邻近复合环密封件82的轴部58上。在下一个框124，aps42可以通过将aps42插入衬套64中而安装在衬套64中，使得衬套64的第一端70邻近碟形弹簧80。框124可以在衬套64保持在轴承部分36的孔62中时执行。

根据下一个框126，弹簧92可以邻近衬套64的第二端72组装在轴部58上，其中弹簧92围绕轴部58。例如，弹簧92可以邻近衬套64的第二端72放置(见图2-4)，或者可以在第二端72放置在衬套64的凹部110中(见图5-6)。在框128处，支护结构94可以邻近弹簧92紧固在轴部58上，使得支护结构94接合弹簧92并且部分地压缩弹簧92和碟形弹簧80。如上所述，根据杆48如何与aps42组装，支护结构94可以是保持环96(见图2-4)或杆48(见图5-6)。例如，杆48可以压配合在轴部58上，尽管它也可以通过其他方法紧固在轴部58上，例如但不限于焊接、模锻、喷丸、销接或机械紧固。在组装支护结构94并且弹簧92和80保持压缩的情况下，可以形成面密封组件77的面密封(框130)。也就是说，将支护结构压配合在轴部58上可以将压力侧68处的部件压在一起，以在复合环密封件82与配合结构88之间、在复合环密封件82与碟形弹簧80之间，以及在碟形弹簧80与衬套64的第一端70之间形成面密封。

本公开的面密封组件包括在aps的压力侧形成面密封的碟形弹簧和复合环密封。面密封组件还可以包括在aps的轴承侧的弹簧，该弹簧提供适应密封组件部件磨损的一致的固定压力。与仅部分地减少废气泄漏的现有技术的活塞密封件相比，本文公开的面密封组件消除或几乎消除了短效废气通过aps/衬套组件泄漏到大气中。如此，该面密封组件可以减少污染物排放到大气中，因为这种短效废气尚未被该排气后处理系统处理。另外，本文公开的面密封组件可以具有延长的使用寿命，因为面密封组件的部件由足够坚固以承受aps处的高温和腐蚀性环境而磨损最小的材料形成。此外，面密封组件足够柔性以适应aps/衬套部件的热膨胀和收缩以及衬套中aps的倾斜和旋转，而不损害面密封的强度。借助于轴承侧上的弹簧，本文公开的面密封组件是“自激励的”，因为弹簧的固定压力与从密封件的涡轮压力侧施加的压力成比例地增加。此外，本文公开的面密封组件可在aps上呈现低寄生扭矩。