密封致動軸的半滲透介質的製作方法

2023-05-30 16:50:01

密封致動軸的半滲透介質的製作方法
【專利摘要】為了阻止在延伸穿過了一個孔的一個軸周圍的碳煙洩漏，該孔連接了多個不同壓力的體積，例如一個渦輪增壓器渦輪機殼體和環境空氣，提供了一種碳煙密封以便捕獲顆粒物質而同時允許氣體通過。
【專利說明】密封致動軸的半滲透介質
發明領域
[0001]本發明涉及對於一個穿過例如渦輪增壓器的渦輪機殼體的軸的一種改進的密封件，並且涉及具有這種密封件的渦輪增壓器。
[0002]發明背景
[0003]渦輪增壓器是一種強制進氣系統。它們將空氣以與在正常吸氣構型中的可能情況相比更大的密度傳送到發動機進氣中，從而允許燃燒更多的燃料，因此在沒有明顯增加發動機重量的情況下提升了發動機的馬力。一個更小的渦輪增壓發動機取代一個更大物理尺寸的正常吸氣的發動機，這將減小質量並且可以減小車輛的空氣動力學的前端面積。
[0004]渦輪增壓器利用來自發動機排氣歧管的排氣流來驅動一個位於該渦輪機殼體(2)內的一個渦輪機葉輪(21)。一旦該排氣已經通過該渦輪機葉輪並且該渦輪機葉輪已經從該排氣中提取能量，則用過的排氣從該渦輪機殼體排出並且被輸送到車輛下行管並且通常輸送到後處理裝置，如催化轉化器、微粒收集器和NOx收集器。
[0005]在一個廢氣門式渦輪增壓器中，渦輪機蝸殼是通過一個旁通管道而被流體地連接到渦輪機導流器上。通過該旁通管道的流動是由一個廢氣門閥(61)來控制的。因為該旁通管道的入口是在該蝸殼的入口側上、在該渦輪機葉輪的上遊，並且該旁通管道的出口是在該蝸殼的導流器側上、在該渦輪機葉輪的下遊，所以通過該旁通管道的流動在旁通模式時旁路通過渦輪機葉輪，因而不會對渦輪機葉輪提供動力。為了對該廢氣門進行操作，一個致動力或控制力必須從渦輪機殼體外部、通過該渦輪機殼體、傳輸到該渦輪機殼體內的廢氣門閥上。例如，一個廢氣門樞轉軸可以延伸穿過該渦輪機殼體。在渦輪機殼體外，一個致動器(73)通過一個拉杆(74)而連接到一個廢氣門臂(62)上，並且廢氣門臂(62)被連接到該廢氣門樞轉軸出3)上。在渦輪機殼體內，樞轉軸(63)被連接到廢氣門閥(61)上。來自該致動器的致動力被轉化成該樞轉軸(63)的轉動，從而使該渦輪機殼體內的廢氣門閥
(61)樞轉。該廢氣門樞轉軸在一個圓柱形的襯套(68)中轉動、或直接與該渦輪機殼體接觸。因為在該軸與該軸位於其中的襯套的孔之間存在一個環形間隙，來自這個加壓的渦輪機殼體的熱的有毒排氣與碳煙就有可能通過這個空隙而逸出。
[0006]渦輪機殼體會經受很大的溫度通量。渦輪機殼體的外側面對環境空氣溫度，而這些蝸殼表面接觸的排氣取決於在發動機中所使用的燃料而其範圍從740°C至1050°C。通常，廢氣門樞轉軸周圍的溫度約為400°C至450°C。有必要的是，通過上述的這些轉化運動使該致動器能夠以一種準確的、可重複的、無阻滯的方式控制該廢氣門以便由此控制到該渦輪機葉輪的流動。
[0007]VTG不僅被用於控制排氣向該渦輪機葉輪的流動，並且還用於對用來對抗一個壓力梯度、驅動EGR排氣進入該壓縮機系統中以重新進入燃燒室中所需要的渦輪機背壓進行控制。該渦輪機系統內 的背壓可以在高達500kPa的區域內。該渦輪機級內的高壓可以導致排氣通過任何孔或空隙而逸出到大氣中。排氣通過這些孔的流通經常伴隨著在氣體逸出路徑的出口側的黑色碳煙殘餘物。發動機燃燒過程產生的這樣的碳煙的沉積從美觀的觀點來看是不可取的。這使得排氣洩露在諸如救護車和公交車的車輛中成為一個特別敏感的問題。從排放物的觀點來看，從該渦輪機級中逸出的碳煙並未被該發動機/車輛的後處理系統捕獲和處理。對於這種顆粒物質逸出的測試是以鋁箔簡單地包裹渦輪機級，在發動機運行一段時間之後，從視覺上檢查箔片來尋找從渦輪增壓器的渦輪機級中逸出的碳煙痕跡。
[0008]來自柴油發動機排氣煙道的碳煙是以三種基本相態的一種排氣副產品的混合物，即粗相、聚相以及核相。大多數顆粒物質是由碳質塊和相關聯的吸附物組成並且是以積聚模式通過的，這種積聚模式的顆粒物質具有的尺寸是在0.05 μ m至1.0 μ m的直徑範圍內。這些核相顆粒通常是揮發性有機物以及硫磺複合物，這些揮發性有機物和硫磺複合物具有的尺寸是在0.005 μ m至0.05 μ m的直徑範圍內。而核相的顆粒數目最大，但它們僅約佔物質的20%。粗相顆粒的範圍是從0.1 μ m到8 μ m並且構成了顆粒物質的另外5%至20%。粗相顆粒通常積聚在燃燒容器以及排氣容器的壁上，並且然後被重新夾帶在排氣中。
[0009]通常，氣體和碳煙通過由一個軸在一個圓柱形孔內旋轉而形成的環形區域的一些洩漏是可以容忍的，這是因為襯套的這些端面中的一者或二者經常與該閥臂的內側凸緣相接觸或者與該廢氣門控制機構的驅動臂的外側凸緣或外側表面相接觸，從而在一些時候阻止了洩漏。
[0010]諸如密封圈的密封裝置，有時也被稱作活塞環，通常被用在一個渦輪增壓器內以便在靜態軸承殼體與動態旋轉組件(即:渦輪機葉輪、壓縮機葉輪和軸)之間建立密封以控制油和氣體從該軸承殼體到壓縮機級和渦輪機級的流通，並且反之亦然。至少從1954年大規模生產最早渦輪增壓器起，博格華納公司(BorgWamer)就已經將用於此目的的密封圈投入生產。對於帶一個19_直徑的密封圈凸臺的軸而言，以150，000RPM轉動，在密封圈側壁與密封圈槽的側壁之間的相對摩擦速度大約是149，225mm / sec的量級。
[0011]上述所使用的密封圈的變體有時被用作對於相對慢速轉動的軸(與渦輪增壓器快速轉動組件密封件150，000RPM相比)的一種密封器件。這些慢速轉動的軸以大約15RPM的轉速運動，相當於7至8mm / sec的相對摩擦速度。
[0012]如渦輪增壓器中使用的，密封圈通過使密封圈的側壁的一部分接觸抵靠密封圈槽的一個側壁並使密封圈的外徑接觸抵靠`該軸所在的孔的內徑來建立密封。為使該密封圈能夠被組裝到該軸上，並且然後將該軸`和密封圈組裝到一個孔中，密封圈槽的深度必須使密封圈能夠在外徑上壓縮(並且因此在有效的圓周和內徑上壓縮)從而該密封圈的外徑可以假定為近似於該密封圈在其中運行的孔的內徑。圖2A描繪了一個自然擴張狀態的密封圈(80)，雖然是通過使密封圈強制擴張在軸(63)的直徑上並且接下來允許密封圈松馳到該槽中來組裝到該軸上的。當已經在其上組裝該密封圈的軸被推入襯套(68)的孔中時，一個倒角(69)壓縮該密封圈直到該密封圈的外徑可以在該襯套的內徑(70)中滑動。這個已經壓縮的密封圈在該軸的任一軸向位置對該襯套的內徑密封。
[0013]在這種情況下，如圖3所描繪，該密封圈(80)可以在軸向上處於該密封圈槽約束範圍內的任一軸向位置，這個密封圈槽被限定為:軸(63)的外徑與該密封圈槽的底面(82)的直徑之間徑向上的體積；以及在該密封圈槽的內壁(83)與外壁(81)之間軸向上的距離。通過對該密封圈槽的這種限定，可以看出的是在該密封圈下方總存在一個體積(即，在這個壓縮的活塞環的內徑(84)與該密封圈槽的底面(82)的直徑之間)。還可以在該密封圈槽的內壁(83)與該密封圈的鄰近壁之間存在一個體積。在該密封圈槽的相反側上，在該密封圈槽的外壁(81)與該密封圈的鄰近壁之間也可以存在一個體積。圖3描繪了其中該密封圈(80)在一定程度上定中心在該密封圈槽的內壁與外壁(83與81)之間從而允許氣體和碳煙(86)在該密封圈周圍流動的情況。由於該密封圈的軸向位置是由在該襯套中的孔的內徑與該密封圈之間的摩擦來控制，並且該密封圈只是通過與一個槽的一個側壁的任何接觸來運動，所以一個近乎完全的密封狀態只有在該密封圈的側壁與一個密封圈槽側壁直接接觸時才存在。在任何其他軸向狀態下，圖3所描繪的洩漏路徑都會存在，並且氣體和顆粒物質可以通過該軸區域而逸出該渦輪機級。
[0014]存在許多專利傳授在高速轉動的軸的情況下通過弓I入多個密封圈、以及通過在這些密封圈之間引入一個壓力或真空從而改變越過該多個密封圈的壓力差來減少這種洩漏的設計；然而，對於氣體和碳煙的潛在洩漏總是存在，除非這些密封圈直接與槽的這個或這些側壁相接觸。實際上總是存在某種洩漏，因此發動機艙的美觀會受到與洩漏相關聯的碳煙或顆粒物質流通的連累。
[0015]因而可以看出，存在對於獨立於排氣洩漏的使顆粒物質通道最小化的密封設計的需要。
[0016]發明概述
[0017]本發明通過在對穿過渦輪增壓器殼體的壁的這些旋轉軸組件或滑動軸組件進行約束和支持的元件中結合一種半滲透密封介質來解決以上問題，從而使潛在的美學上連累的或潛在有害的碳煙或顆粒物質的逸出最小化。
[0018]附圖的簡要說明
[0019]本發明是通過舉例而非限制的方式展示在這些附圖中，其中類似的參考數字表示相似的部分，並且在這些附圖中:
[0020]圖1描繪了一個典型廢氣門渦輪增壓器的一個截面；
[0021]圖2A、圖2B描繪了示出密封圈壓縮過程的兩個截面；
[0022]圖3描繪了示出氣體洩漏通道的一個截面視圖；
[0023]圖4描繪了本發明的第一實施例的一個截面視圖；
[0024]圖5描繪了本發明的第一實施例的一個變體的截面視圖；並且
[0025]圖6描繪了本發明的第二實施例的一個視圖。
[0026]發明詳細說明
[0027]氣體和碳煙從渦輪增壓器中洩露到包圍渦輪增壓器的周圍清潔空氣中是發動機製造商所不允許的。自從1950年代第一次大規模生產柴油發動機中的渦輪增壓器，渦輪增壓器製造商就一直在使用實心活塞環、或密封圈來密封氣體、碳煙和油以防在軸承殼體腔與渦輪機級以及壓縮機級之一或二者之間的聯通。因而應該合乎邏輯的是設計和應用這種密封件來在渦輪增壓器上要求不高的位置上阻擋任何氣體或材料。
[0028]上述所使用的密封圈的變體有時被用作對於一個相對慢速轉動的軸(與渦輪增壓器轉動組件密封件150，000RPM相比)的密封器件。這些慢速轉動的軸以大約15RPM的轉速運動，相當於7至8mm / sec的相對摩擦速度。即使快速運動的軸與相對慢速運動的軸上均帶有上述密封裝置，也會存在對於發動機艙的美觀產生負面影響的氣體、碳煙以及其他顆粒物質的少量逸出。
[0029]本發明人研究了許多複雜的用於減少氣體、碳煙以及其他顆粒物質逸出的方法並且得出的結論是，即使具有大大減小的洩漏率，碳煙和其他顆粒物質仍會逸出並且在測試過程中會積聚在包裹該渦輪機級的箔片上。因而，開發了一種不依賴於任何測得的洩漏流量的、使碳煙和其他顆粒物質的洩漏最小化的方法。
[0030]為了做到這一點，本發明人提供了一種對於氣體是可滲透的但對於碳煙是不可滲透的密封。為了本發明的這些目的，這種密封的定義將被稱為可滲透氣體不可滲透碳煙(GPNSP)的密封。
[0031]在可轉動的軸的周圍以玻璃纖維簡單包裝而完成了若干測試，玻璃纖維包裝能夠經受上至650°C的溫度，並且這些測試產生了想要的結果。對於生產目的而言，為了控制介質的可變性，為了量化碳煙滯留量並且為了使裝配簡單，對以若干形式呈現的多種不同材料進行了測試。多種材料(如玻璃纖維、鋼棉、陶瓷網、以及PTFE)是以多種結構形式來進行評估的，如樹脂浸潰纖維、織物纖維以及具有不同硬度的纖維。
[0032]在本發明的第一實施例中，如圖4描繪，通過加寬襯套內徑或者如圖4所示，使該軸的直徑變窄來在該襯套的(外部)閥臂(62)的末端提供該襯套(68)的一個環形容積來允許用於GPNSP介質(34)的空間。被GPNSP佔據的環形體積具有:一個內徑，該內徑接近於要對其進行密封的軸徑；一個外徑，該外徑接觸該襯套中的孔，GPNSP介質在襯套中受到徑向制約；以及一個長度，以便填滿「為其提供的」空間。氣體會自由地行進穿過GPNSPdM顆粒物質將上行到上述環形體積並且被收集在GPNSP介質中。
[0033]在本發明的第一實施例的變體中，如圖5描繪，GPNSP介質被定位為儘可能接近該襯套(68)的(內部)廢氣門閥(61)的末端。
[0034]在本發明的第二實施例中，如圖6描繪，襯套(68)的孔(70)的全部長度都被用來控制該樞轉軸(63)的位置，並且一個埋頭孔或圓柱形延長部(66)被提供在閥臂(62)中以用來保持圓環狀的GPNSP介質片(34)。在本發明的這個實施例中，對於渦輪機殼體的密封是通過使GPNSP介質(37)接觸該閥臂(62)的下表面(67)以及襯套(68)的末端的上表面
(65)來提供的。可以在柴油碳煙過濾器中使用的幾乎任何材料都可以用作本發明的密封材料。在本發明中不需要柴油過濾器的再生中使用的催化劑的，但它們就保持或延長該密封的氣體滲透性方面可以提供某種益處。優選的材料是能夠經受機械振動的材料。因而，基於金屬的材料(如鋼棉)以及基於玻璃的材料(如玻璃纖維)均優於基於陶瓷的材料。
[0035]在渦輪機殼體內由位於渦輪機殼體外部的致動機構來致動的器件優選是一個廢氣門，其中該軸是一個廢氣門樞轉軸，其中該致動器被連接到一個廢氣門臂上並且該廢氣門臂被連接到廢氣門樞轉軸上，並且其中該氣門樞轉軸延伸穿過該渦輪機殼體並且被連接到該廢氣門閥上。該廢氣門臂出2)優選地配備有一個埋頭孔或圓柱形延伸部(66)以便將一個圓環形的密封材料片保持抵靠在該渦輪機殼體外部或該襯套末端外部。
[0036]可替代的是，在該渦輪機殼體內由位於渦輪機殼體外部的一個致動機構來致動的器件是一個可變渦輪幾何形狀(VTG)器件，該器件包括用於對形成噴嘴通道的多個葉片進行致動的一個協調環，其中，一個VTG致動器被連接到該致動器軸上的一個臂上，並且其中，該致動器軸延伸穿過該渦輪機殼體或該軸承殼體並且被連接到該協調環所連的一個連杆臂上。
[0037]該密封材料優選 是織成織物的並且被壓縮成環形形狀的玻璃纖維。這種密封材料優選是玻璃纖維、鋼棉或陶瓷網的形式。
[0038]現在已經說明了本發明，我們提出如下權利要求。
【權利要求】
1.一種渦輪增壓器，帶有一個渦輪機殼體、在該渦輪機殼體之內由位於該渦輪機殼體外部的一個致動機構來致動的一個器件、被可旋轉地安裝在一個孔中的一個軸，該孔延伸穿過該渦輪機殼體或該軸承殼體以用於將一種致動運動從該致動機構傳輸到該器件，其中，提供了一種密封材料來密封該孔，並且其中該密封材料是氣體可滲透的並且被適配成用於收集碳煙顆粒。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料被適配成收集直徑大於1.0 μ m的碳煙顆粒。
3.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料被適配成收集大於0.05 μ m的碳煙顆粒。
4.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是一種多孔材料，其主要成分是選自由以下各項構成的組，該組包括:玻璃纖維、碳、PTFE、青銅、不鏽鋼、鎳基合金、鈦、銅和招。
5.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該孔沿著容納有該密封材料的一段是加寬的。
6.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該軸沿著容納有該密封材料的一段是變窄的。
7.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是提供在這個孔的器件末端處的。
8.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是提供在這個孔的致動器末端處的。
9.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是提供在該渦輪機殼體或軸承殼體外的、在該孔與該致動機構之間的空間中。
10.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該軸被安裝在該渦輪機殼體或軸承殼體中的一個孔中。
11.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中該軸被安裝在延伸穿過該渦輪機殼體或軸承殼體的一個襯套中的一個孔中。
12.如權利要求1所述的渦輪增壓器，進一步包括在所述軸以及所述孔的至少一者中提供的一個圓周槽，其中在該圓周槽中提供了至少一個總體上環形的實心的不可滲透的密封構件。
13.如權利要求12所述的渦輪增壓器，其中該密封構件是一個密封圈。
14.如權利要求13所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是提供在兩個密封圈之間的。
15.如權利要求13所述的渦輪增壓器，其中該密封材料是提供在該密封圈的外側或者這些密封圈的內側的。
【文檔編號】F16J15/54GK103782010SQ201280043684
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年9月6日 優先權日:2011年9月27日
【發明者】T·豪斯 申請人:博格華納公司