专利名称：用于减少压缩机油耗的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于发动机的进气系统。更具体地，本发明涉及ー种利用高压空气以减少压缩机油耗的进气系统。
背景技术：
内燃机可装配有涡轮增压进气系统以改善发动机产生的动カ输出。涡轮增压进气系统通过迫使比以其它方式可能的更多的空气进入燃烧室来增加发动机动力。这种增加的空气量允许增强的燃料加注，这进一歩增加发动机产生的动カ输出。涡轮增压器通常将涡轮机轮和压缩机轮安装到可转动轴上。该轴通常通过由发动机油润滑的轴承转动地支承在壳体内。在壳体的压缩机端部和涡轮机端部都采用轴密封件以防止高压气体进入壳体(然后进入发动机曲轴箱)以及防止油进入压缩机和涡轮机区域。即使有了轴密封件，在ー些条件下，油也会泄露到压缩机区域并被携带进入发动机进气。为了防止或减小油通过轴密封件泄露的可能性，一些制造商将压缩空气从压缩机引导到密封区域。例如,授予Meyerkord等人的美国专利No. 6368077(' 077专利)公开了一种四行程发动机涡轮增压器的密封系统。该涡轮增压器包括安装在通过油润滑的转子轴上的涡轮机轮和压缩机轮。在轴的压缩机端部和涡轮机端部都采用迷宮密封件以限制油泄露到涡轮机区域和压缩机区域。另外，来自压缩机轮的输出端的空气压カ被引导通过轴承壳体中的内部通道到达迷宫密封件，从而进一歩防止油朝着压缩机轮和涡轮机轮经过。尽管'077专利的系统可帮助限制油泄露到压缩机区域，但多个内部空气通道增加了系统的复杂性，并且被引导到密封件中的空气压カ未经调节并且局限于压缩机的输出压力。本发明的排气系统旨在克服上述的一个或多个问题和/或现有技术的其他问题。
发明内容
一方面，本发明涉及一种用于动カ源的包括第一压缩机和第二压缩机的进气系统。通道将压缩空气从第二压缩机引导到压缩机轮和中心壳体之间的区域。第二压缩机能够将空气压缩到比第一压缩机高的压カ。另ー方面，本发明涉及一种用于減少具有压缩机轮和背板的第一压缩机中的油密封泄露的方法。该方法包括在第一位置处压缩空气；在第二位置处压缩空气；以及将压缩空气从第二位置引导到压缩机轮和中心壳体之间的区域。
在结合到说明书中并构成说明书的一部分的附图中，说明了本发明的示例性实施方式，附图与书面描述一起用来解释本发明的系统的原理
图I是本发明的动カ系统的ー种实施方式的示意图；和图2是可与图I的动カ系统一起使用的涡轮增压器的压缩机区域的侧截面图。
具体实施例方式图I说明了ー种具有动カ源12、进气系统14和排气系统16的动カ系统10。为了公开的目的，动カ源12被描述和描绘为四冲程柴油发动机。然而，本领域技术人员将会认识到，动カ源12可以是任何其他种类的燃烧发动机，例如汽油或气态燃料供能的发动机。动カ源12包括至少部分限定多个气缸20的发动机缸体18。活塞(未示出)可滑动地设置在每个气缸20内以在上止点位置和下止点位置之间往复运动，气缸盖(未示出)与每个气缸20相关。在所示的实施方式中，动カ源12包括6个气缸20。然而，可以想到动カ源12可以包括更多或更少数量的气缸20，并且气缸20可设置成直列构型、“V”构型或者任何其他合适的构型。
进气系统14包括被构造成将增压空气引入到动カ源12中的部件。例如，进气系统14包括与气缸20连通的进气歧管22、具有第一压缩机轮25的第一压缩机24、具有第二压缩机轮27的第二压缩机26以及空气冷却器28。第一压缩机24和第二压缩机26可具体实施为固定几何结构压缩机、可变几何机构压缩机或者任何其他类型的压缩机构型，以接收来自压缩机24、26上游的流体通道的空气并在空气进入动カ源12之前将该空气压缩到升高的压力水平。第一压缩机24和第二压缩机26可设置成串联关系并经由流体通道32连接到动カ源12。然而，在其他实施方式中，第二压缩机26可以与第一压缩机24平行布置。第二压缩机26被构造成将空气压缩到比第一压缩机24更高的压力。第二压缩机26可以经由流体通道34与第一压缩机24流体连通并被布置成接收来自第一压缩机24的压缩空气并进一步压缩之前由第一压缩机24压缩的空气。空气冷却器28可具体实施为空气-空气热交換器、空气-液体热交换器或者两者的组合，并且被构造成促进热能向或者自引导到动カ源12的压缩空气的传递。空气冷却器28可布置在第一压缩机24和第二压缩机26之间的流体通道34内或者布置在动カ源12和第二压缩机26之间的流体通道32内。排气系统16包括被构造成将排气从动カ源12引导到大气的部件。具体地，排气系统16包括与气缸20连通的排气歧管36、将排气系统16与进气系统14流体连通的排气再循环(EGR)回路38、与第一压缩机24相关的第一涡轮机40、与第二压缩机26相关的第二涡轮机42和被构造成将不希望的排放物从动カ源12的排气去除的排气后处理系统44。排气后处理系统44可包括多种排放物处理技木，包括但不限于再生装置、热源、氧化催化器、柴油氧化催化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)、选择性催化还原催化器(SCR)、稀油NOx捕获器(LNT)、消声器或处理离开动カ源12的排气所需的其他装置。在图I中，排气后处理系统44被示出为在第一涡轮机40的下游。然而，排气后处理系统44的一个或多个部件可位于发动机和第二涡轮机42之间和/或第二涡轮机42和第一涡轮机40之间。动カ源12产生的排气经由排气歧管36进入排气系统16。排气歧管36将动カ源12流体连接到第一涡轮机40和第二涡轮机42。EGR回路38可包括相互协作以将动カ源12产生的排气的一部分从排气歧管36重新引导到进气系统14的部件。具体地，EGR回路38包括流体通道46、EGR冷却器48和再循环控制阀50。流体通道46在第二涡轮机42上游流体连接到排气系统16并在空气冷却器28下游流体连接到进气系统14。再循环控制阀50在EGR冷却器48下游设置在流体通道46内，以便控制排气经EGR回路38的流动。再循环控制阀50可以是本领域已知的任何类型的阀，例如蝶阀、隔膜阀、闸阀、球阀、提升阀或截止阀。另外，再循环控制阀50可以是电磁致动的、液压致动的、气动致动的或者以任何其他方式致动的，以便选择性地限制或完全阻塞排气经流体通道46的流动。EGR冷却器48被构造成冷却流经EGR回路38的排气。EGR冷却器48可包括液体-空气热交換器、空气-空气热交換器或者本领域已知的用于冷却排气流的任何其他类型的热交換器。第一涡轮机40可被构造成驱动第一压缩机24，第二涡轮机42可被构造成驱动第ニ压缩机26。例如，第一涡轮机40可以通过第一轴52直接地且机械地连接到第一压缩机24以形成第一涡轮增压器54。在离开动力源12的热的排气运动经过第一涡轮机40时，第一涡轮机40转动并驱动第一压缩机24以加压入口空气。第二涡轮机42可以类似地经过 第二轴56连接到第二压缩机26以形成第二涡轮增压器58。第二涡轮机42被设置成与第一涡轮机40串联。在另ー种实施方式中，第一涡轮机40被构造成驱动第一压缩机24和第ニ压缩机26两者。例如，动カ系统10可包括双压缩机涡轮增压器(未示出)，其中，第一压缩机24和第二压缩机26经公共轴机械地连接到第一涡轮机40。在该实施方式中，可以省略第二涡轮机42。进气系统14也包括被构造成将来自第二压缩机轮27的压缩空气发送到第一压缩机24的空气馈送通道60。空气馈送通道60具有入ロ 62、出口 64和例如空气馈送控制装置66的压カ调节装置。入口 62位于第二压缩机轮27的下游并被构造成接收由第二压缩机26压缩的空气。出口 64位于第一压缩机轮25附近。空气馈送控制装置66可以多种方式构造。可以使用任何能够控制或调节被引导到第一压缩机24的空气的流速和/或压カ的装置。例如，空气馈送控制装置66可以是能够将朝着第一压缩机24引导的空气压カ控制在大约4kPa和大约IOOkPa之间的压カ调节器。空气馈送控制装置66可以例如是电致动的、气动致动的或者机械致动的。空气馈送控制装置66还可被构造成如果通道中的空气压カ超过例如IOOkPa的预定压カ阈值，则阻塞空气馈送通道60。參照图2，在描述的实施方式中，第一压缩机轮25包括压缩机轮背面68和外周边缘70。第一压缩机轮25固定连接到第一轴52并中心地设置在压缩机壳体72内以围绕纵向轴线73转动。压缩机壳体72可被构造成至少部分包围第一压缩机轮25。压缩机壳体72经由压缩机背板76安装到中心壳体74上。在描述的实施方式中，压缩机背板76通过例如紧固件的任何合适的装置附接到压缩机壳体72和中心壳体74。在其他实施方式中，压缩机背板76可与压缩机壳体72或者中心壳体74整体形成。压缩机背板76形成孔ロ 78，第一轴52经由孔ロ接收。第一轴52通过ー个或多个轴承组件80可转动地支承在中心壳体74内。轴承组件80可以多种方式构造。可以使用任何适于在对于涡轮增压器轴常见的操作条件和转速下将第一轴52可转动地支承在中心壳体74内的轴承组件80。例如，已知在涡轮增压器轴上使用浮动式套筒型轴承。浮动式套筒型轴承(即，轴颈轴承)利用布置在涡轮增压器轴和中心壳体之间的套筒(未示出)。例如来自发动机的油回路的油被引导到轴承组件以在涡轮增压器轴和套筒之间以及在中心壳体和套筒之间形成薄的油膜。因此，套筒“飘浮”在两个油膜之间并能够相对于涡轮增压器轴和中心壳体转动。涡轮增压器也已知使用球轴承。类似于浮动式套筒型轴承，球轴承组件将涡轮增压器轴转动地支承载中心壳体内。然而，代替涡轮增压器轴通过套筒轴承在油垫上回旋，通过球轴承，轴使球轴承组件的内滚道(未示出)旋转。轴承组件80是油润滑的。油道82被构造成在压カ下将油提供给轴承组件80。例如，在描述的实施方式中，油道82形成在中心壳体74中并将轴承组件80流体联接到油源， 例如动カ源12的润滑系统(未示出)。利用ー个或多个轴密封件来防止来自轴承组件80的油进入压缩机区域。轴密封件可以多种方式构造。可以使用任何能够阻止油进入压缩机区域的密封装置。在描述的实施方式中，环形的第一密封件84在中心壳体74和第一压缩机轮25之间围绕第一轴52设置，环形的第二密封件85在中心壳体74和环形的第一密封件84之间围绕第一轴52设置。环形的第一密封件84和环形的第二密封件85轴向间隔开使得在两者之间形成环形空间87。设置将空气馈送通道60流体联接到中心壳体74和第一压缩机轮25之间的区域的空气通道86。在一种实施方式中，空气通道86是空气馈送通道60的一部分。空气通道86包括被构造成接收来自空气馈送通道60的压缩空气的通道入ロ 88和通道出ロ 90。在描述的实施方式中，空气通道86延伸经过压缩机背板76。然而,在其他实施方式中，空气通道86可部分或完全延伸经过第一涡轮增压器54的其他部分，例如压缩机壳体72和/或中心壳体74。因此，可以使用允许来自第二压缩机26的压缩空气被引导到中心壳体74和第ー压缩机轮25之间的区域的任何构造的空气通道86。在描述的实施方式中，空气通道86将空气馈送通道60流体联接到环形空间87。回头參照图1，动カ系统10包括能够控制动カ系统10的一部分或全部的操作的控制器92。控制器92可以具体实施为包括用于响应于从ー个或多个传感器接收的信号控制动カ系统10操作的装置的单个或多个微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)等。多种可购买到的微处理器可被构造成执行控制器92的功能。应当理解，控制器92可容易地体现为与控制其他非排气相关的动力系统功能分离的微处理器，或者控制器92可以与通用动カ系统微处理器一体井能够控制多种动カ系统功能和操作模式。如果与通用动カ系统微处理器分离，控制器92可经由数据链或其他方法与通用动カ系统微处理器连通。多种其他的已知回路可与控制器92相关，包括供电回路、信号调节回路、致动器驱动回路(即，为螺线管、马达或压电致动器供能的回路)、通信回路和其他合适的回路。在描述的实施方式中，控制器92用来控制空气馈送控制装置66以调节从第二压缩机26引导到第一压缩机24的空气的流速和/或压力。例如，压カ传感器94可以与空气馈送通道60相关以产生表示从第二压缩机26弓I导到第一压缩机24的空气压カ的信号。控制器92可接收来自压カ传感器94的信号并调节空气馈送控制装置66以产生希望的空气压力。在另ー实施方式中，空气馈送控制装置66可以被构造成在没有来自控制器92的输入的情况下调节或控制流速和压力。例如，第一馈送控制装置66可包括机械部件，例如调节空气压カ的偏置元件或隔膜。控制器92也可被构造成控制再循环控制阀50以调节被引导到进气系统14的排气的流速和/或压力。エ业实用性本发明的进气系统可实施到在进气系统中利用第一和第二压缩机的任何动カ系统应用中。本发明的进气系统使得第一压缩机減少油耗。在描述的实施方式中，来自动カ源12的排气被引导经过串联的第二涡轮机42和第一涡轮机40。作为响应，第二涡轮机42经由第二轴56驱动第二压缩机26，第一涡轮机40经由第一轴52驱动第一压缩机24。第一压缩机24将进气系统14中的空气压缩到第一压カ。第二压缩机26将之前通过第一压缩机24压缩的空气压缩到大于第一压カ的第二压力。 由第二压缩机26压缩的空气的一部分被引导回到第一压缩机24，到达第一压缩机轮25和中心壳体74之间的区域。将加压空气引导到第一压缩机轮25和中心壳体74之间的区域在第一压缩机轮25和轴承组件80之间形成大于用来润滑轴承组件80的油压的压カ区。因此，压カ区阻止油泄露经过第一密封件84并进入压缩机壳体72。由于空气通道86延伸经过压缩机背板76和/或经过第一涡轮增压器54的其他部分，来自第二压缩机26的压缩空气在第一密封件84和第二密封件85之间引导。另外，由于第二压缩机26将空气压缩到大于第一压缩机24的压力，第一压缩机轮25和压缩机背板76之间的压力可以大于如果使用第一压缩机24的输出时可以供应的压力。流到第一压缩机轮25和中心壳体74之间的区域的空气压カ和流动也可以通过控制器92和/或空气馈送控制装置66来控制。因此，压カ可根据动カ系统10的操作条件变化，并且可在宽范围的操作条件上保持在希望范围内。此外，如果需要，例如在达到压カ阈值时，空气流可以不连续。本领域技术人员很清楚，可以对本发明的排气系统进行多种修改和变型。通过考虑公开的排气系统的说明书和实践，其他实施方式对于本领域技术人员来说是清楚的。说明书和实施例仅g在被认为是示例性的，真正的范围通过权利要求书及其等同范围来指明。
权利要求
1.一种进气系统，包括 第一压缩机(24)，具有安装在支承于中心壳体(74)中的轴(52)上的第一压缩机轮(25)； 第二压缩机(26)，具有第二压缩机轮(27)； 通道(60)，能够将来自第二压缩机轮(27)下游区域的压缩空气引导到第一压缩机轮(25)和中心壳体(74)之间的区域；和 控制装置(66)，设置在所述通道￠0)中，所述控制装置￠6)能够控制所述通道(60)中的被引导到所述第一压缩机轮(25)和中心壳体(74)之间的区域的压缩空气的流动和/或压力。
2.根据权利要求I所述的进气系统，其中，所述第二压缩机(26)与所述第一压缩机(24)串联布置井能够将空气压缩到比所述第一压缩机(24)高的压力。
3.根据权利要求I所述的进气系统，其中，所述通道(60)将压缩空气引导经过所述第一压缩机(24)的背板(76)中的通道(86)。
4.根据权利要求I所述的进气系统，还包括设置在所述中心壳体(74)和所述第一压缩机轮(25)之间的环形的第一密封件(84)，其中，所述通道￠0)能够将压缩空气引导到所述第一压缩机轮(25)和所述环形的第一密封件(84)之间的区域。
5.根据权利要求4所述的进气系统，还包括设置在所述环形的第一密封件(84)和所述第一压缩机轮(25)之间的环形的第二密封件(85)，其中，所述通道￠0)能够将压缩空气引导到所述环形的第一密封件(84)和所述环形的第二密封件(85)之间的区域。
6.根据权利要求4所述的进气系统，其中，所述控制装置￠6)能够在空气压カ超过预定压カ阈值时关闭所述通道(60)。
7.一种用于減少压缩机(24)中的油密封泄露的方法，所述压缩机具有安装到支承于中心壳体(74)中的轴(52)上的第一压缩机轮(25)，所述方法包括 在第一位置处将空气压缩到第一压カ； 在第二位置处将空气压缩到比第一压カ高的第二压カ；和 将在第二位置处压缩的空气引导到所述压缩机轮(25)和所述中心壳体(74)之间的区域。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，将来自第二位置的压缩空气引导到所述压缩机轮(25)和所述中心壳体(74)之间的区域还包括将压缩空气引导经过所述压缩机(24)的背板(76)中的通道(86)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，在第一位置处压缩空气还包括利用第一涡轮增压器(54)压缩空气，在第二位置处压缩空气还包括利用第二涡轮增压器(58)压缩之前通过所述第一涡轮增压器(54)压缩的空气。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括调节从所述第二位置引导到所述第一位置的压缩空气的压力和/或流动。
全文摘要
公开一种用于动力源的包括第一压缩机和第二压缩机的进气系统。该进气系统包括将压缩空气从第二压缩机引导到第一压缩机中的压缩机轮和中心壳体之间的区域的空气馈送通道，以减小第一压缩机中的油耗。
文档编号F04D29/10GK102656369SQ201080057076
公开日2012年9月5日 申请日期2010年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者I·平克, T·W·卡利尔 申请人:珀金斯发动机有限公司