用于涡轮增压器轴承壳体的排油口的制作方法

用于涡轮增压器轴承壳体的排油口的制作方法
【专利说明】用于涡轮增压器轴承壳体的排油口
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求在2013年1月8日提交的并且题为"用于涡轮增压器轴承壳体的排 油口（AnOilDrainForTheBearingHousingOfATurbocharger)"的美国临时申请号 61/750,114的优先权及所有权益。
[0003] 发明背景 发明领域
[0004] 本发明涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器。更具体地讲，本发明涉及一种涡 轮增压器轴承壳体中的排油口，在该涡轮增压器轴承壳体中油沿着排油口的外边缘流出， 使排油口的中心处于开放状态。空气可在轴承壳体与油底壳之间流动，以允许空气压力的 均衡。空气压力均衡的一个结果是，从轴承壳体的排油量得以加强。
[0005] 相关技术的说明
[0006] 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。涡轮增压器将压缩过 的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没有明 显地增加发动机的重量。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 强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料更完全燃 烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
[0007] 涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发 动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该祸轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一 个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可 旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压 缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋 转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转 时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空 气压力。
[0008] 涡轮增压器的涡轮机叶轮和轴旋转速度非常快。涡轮增压器轴的旋转速度取决于 涡轮机叶轮的尺寸，并且较小的涡轮机叶轮可以比较大的叶轮旋转得更快。结合内燃发动 机使用的涡轮增压器涡轮机叶轮和轴可以达到每秒530米的周向尖端速度。涡轮机叶轮工 作在高温环境下，并且可以达到高达1922°F(1050°C)的温度。此热量被涡轮机轴传导到 轴承壳体。该涡轮机轴的快速旋转产生摩擦力，这些摩擦力进一步加热轴承区域。因此，有 必要对涡轮增压器轴和轴承壳体进行润滑和冷却。在一台油润滑的涡轮增压器中，油被泵 送到轴上，以提供必要的润滑和冷却。在一台汽车涡轮增压器中，油流到轴承的流速可以高 达每分钟1加仑。油还必须从轴承壳体中排出，因为如果油积聚在壳体中，油就可能经过密 封件泄漏到压缩机壳体或涡轮机壳体中。另外，如果油残留在涡轮增压器的轴承壳体中，它 会由于过热而降级并且甚至可能形成积炭。通常来说，油不是从涡轮增压器壳体的轴承壳 体泵出，而是通过重力流出轴承壳体。油流到发动机油底壳，在油底壳处该油被冷却并且然 后被泵送以润滑发动机和涡轮增压器。
[0009] 美国专利7, 811，001和美国专利7, 387, 445涉及一种轴承壳体。该轴承壳体包括 一个腔室，腔室带有一个用于清除油的通气孔（out-take)。该通气孔延伸跨过该腔室的弦 弧线。与该通气孔相邻的外壁的一部分具有螺旋发散的形状。
[0010] 美国专利7, 476, 090涉及一种用于内燃发动机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括 一个连接到涡轮机壳体和压缩机壳体的中心壳体。一个轴是在中心壳体的一个孔内。一个 供油通道与该孔流体连通。一个排油通道与一个油腔和该孔流体连通。一个通气通道与该 油腔以及该内燃发动机的一个内部容积流体连通。油流在内燃发动机的运行过程中穿过第 一通道和排油通道。油腔中空气的第一压力约等于该内燃发动机内部容积中空气的第二压 力。为了避免中心壳体内压力增加超过内部容积的低压，一个压力通气管将该中心壳体流 体地连接该内部容积。该压力通气管确保了中心壳体内的压力将等于该内部容积内的压 力。通过使压力相等，在中心壳体内确保了油流畅通。
[0011] 发明概述
[0012] 本发明提供一种用于涡轮增压器的具有改进排油口的轴承壳体，该排油口具有位 于该排油口内或下方的一个流动调节器（flowmoderator)。该流动调节器允许排回油底壳 的油沿排油口外部的一条路径流动，而同时排油口的中部保持开放并且允许通气孔来均衡 油底壳与轴承壳体之间的压力。压力均衡允许油在重力作用下从轴承壳体流到油底壳。 [0013] 附图的简要说明
[0014] 本发明的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图 考虑时将变得更好理解，在附图中：
[0015] 图1示出了在排油口中具有两个螺旋部的涡轮增压器的剖视图；
[0016] 图2A示出了具有4个螺旋部的一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳 成型、冷芯盒或其他铸造模制工艺的一个模具，以用于一个排油口的型芯盒，在该排油口中 具有4个螺旋部；
[0017] 图2B示出了具有6个螺旋部的一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳 成型、冷芯盒或其他铸造模制工艺的一个模具，以用于一个排油口的型芯盒，在该排油口中 具有6个螺旋部；
[0018] 图2C示出了具有6个短螺旋部的一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外 壳成型、冷芯盒或其他铸造模制工艺的一个模具，以用于一个排油口的型芯盒，在该排油口 中具有6个螺旋部；
[0019] 图3示出了一个排油口，该排油口具有一个通气孔和多个肋，这些肋以涡旋的方 式引导油；
[0020] 图4示出了一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳成型、冷芯盒或其 他铸造模制工艺的一个模具，以用于具有多个肋的排油口的型芯盒；
[0021] 图5A示出了一种在油离开排油口后产生涡旋油流的装置；
[0022] 图5B示出了图5A中所示装置的剖视图示；
[0023] 实施方式的详细说明
[0024] 涡轮机叶轮工作在高温环境下，并且可以达到高达1922°F(1050°C)的温度。此 热量被涡轮机轴传导到轴承壳体。该涡轮机轴的快速旋转产生摩擦力，这些摩擦力进一步 加热轴承区域。因此，有必要对涡轮增压器轴进行润滑和冷却。在一台油润滑的涡轮增压 器中，油被泵送到轴上，以提供必要的润滑和冷却。在一台汽车涡轮增压器中，油流到轴承 壳体的流速可以高达每分钟1加仑。油还必须从轴承壳体中排出，因为油积聚在壳体中，油 就可能经过密封件泄漏到涡轮机的压缩机部分中。本发明提供了一种具有流动调节器的涡 轮增压器轴承壳体排油口，该排油口允许油通过重力作用沿着该排油口的外壁流动，而同 时该排油口的中心保持开放并且允许空气在轴承壳体与油底壳之间流动。流动调节器可以 是排油口中的多个螺旋部，或者是引导油以涡旋方式流动的多个肋。这些螺旋部是排油口 的壁中的凹痕。流动调节器可以是一个板，该板具有多个肋、被置于排油口正下方。在轴承 壳体与油底壳之间的空气流动使压力均衡，并且因此允许油更容易地从轴承壳体排出。
[0025] 图1示出了在排油口中具有两个螺旋部的涡轮增压器的剖视图。一个涡轮机叶轮 (4)通过一个实心的涡轮增压器轴（5)连接到一个压缩机叶轮（3)上。该涡轮增压器轴（5) 穿过一个轴承壳体（1)。油经过进油口（2)进入该轴承壳体（1)并且经由排油开口（7)离 开该排油口（8)。油经由一个油通道（10)被引导到轴承（6)。排油口（8)具有模制在壁上 的两个螺旋部（9)。油沿着路径（26)从排油口（8)流出。
[0026]图2A示出了一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳成型、冷芯盒或其 他铸造模制工艺的一个模具，以用于排油口（8)的型芯盒。排油口（8)中的、位于轴的涡轮 机叶轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（12)形成的。排油口中的、位于轴的压缩机叶 轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（13)形成的。排油口中的4个螺旋部是由螺旋部 (14)形成的。
[0027] 图2B示出了一个可替代的模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳成型、冷 芯盒或其他铸造模制工艺的一个模具，以用于排油口的型芯盒。排油口中的、位于轴的涡轮 机叶轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（12)形成的。排油口中的、位于轴的压缩机叶 轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（13)形成的。排油口中的6个螺旋部是由螺旋部 (14)形成的。
[0028] 图2C示出了又 另一个可替代的模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳成 型、冷芯盒或其他铸造模制工艺的一个模具，以用于铸造该排油口。排油口中的、位于轴的 涡轮机叶轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（12)形成的。排油口中的、位于轴的压缩 机叶轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（13)形成的。排油口中的6个螺旋部是由螺 旋部（14)形成的。
[0029] 图3示出了具有多个肋和一个排气口的一个排油口，这些肋以旋涡的方式引导 油。排油开口（14)是未在该视图中示出的一个排油组件的一部分。该排油组件位于轴承 壳体⑴的底部。排油开口（14)具有用于使多个油通道（16)分开的多个肋（15)。在排油 开口（14)的中心处存在一个通气孔（17)，该通气孔在油底壳与轴承壳体（1)的内部之间提 供一个空气通道。
[0030]图4示出了一个模具型芯，该模具型芯可以用来制作用于外壳成型、冷芯盒或其 他铸造模制工艺的一个模具，以用于铸造具有多个肋的排油口。排油口中的、位于轴的涡轮 机叶轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（18)形成的。排油口中的、位于轴的压缩机叶 轮所附接到的一端的开口是由圆形元件（19)形成的。该模具型芯具有形成这些油通道（图 3中的16)的多个肋（20)。该型芯模的这些肋（21)之间的空间形成了排油口的肋（图3 中的15)。
[0031] 图5A示出了一种在油离开排油口后产生涡旋油流的装置。该装置具有一个板 (22) ，该板可以被螺栓连接到排油口上。在该板的中心处存在一个开口，该开口具有一个肋 (23) 和一个换气管（24)。在换气管（24)的上端处存在一个盖子（25)。
[0032] 图5B示出了图5A中所示装置的剖视图示。该装置具有一个板（22)，该板可以被 螺栓连接到排油口上。在该板的中心处存在一个开口，该开口具有一个肋（23)和一个换气 管（24)。在该换气管的上端处存在一个盖子（25)。
[0033] 在一个实施例中，排油口（8)具有一个流动调节器，该流动调节器包括模制在该 排油口（8)壁中的多个螺旋部（图1中的9)。这些螺旋部（9)是排油口的壁中的凹痕。当 油流经排油口（8)时，它倾向于沿这些螺旋部（9)流动，并且因此沿着该排油口（8)的外 侧流动，从而使排油口的中心处于开放状态。在油流经排油管到油底壳时，这种流动模式继 续。螺旋部的数量可以从2至8个不等，这取决于待排出油的所希望流速。较小的涡轮增 压器中具有较低流速的较小排油口可能有更少的螺旋部。排油管和排油开口（图1中的7) 的中心保持开放，并且在油底壳和轴承壳体中的空气压力被均衡。压力均衡有利于油从轴 承壳体流到油底壳。
[0034] 排油口的大小取决于待排出的油的容积以及待排出油的粘度。待排出的油容积越 大，排油开口就必须越大，以避免油填满排油开口和排油管。油的粘度越高，油流动经过排 油开口和排油管的速度就越慢。为了避免缓慢移动的油填满排油管，针对更粘稠的油必须 使用更大的排油开口。排油开口的正确尺寸可以凭经验确定，因为我们不必建造一个完整 的涡轮增压器来测量排油开口的排油量特性。排油口的特性可以通过以下方式来确定：使 排油口处于一个油盘中，并且使所希望容积的油循环到该油盘中。该实验不需要在涡轮增 压器的轴承壳体的温度下进行。发动机中所用的油通常都是指定的。例如，一台特定的发 动机可能需要满足一定SAE标准的5W-30电动机润滑油。该轴承壳体中的油温是已知的， 并且5W-30电动机润滑油在该温度下的粘度是已知的。排油口的测试可以用在室温下具有 适当粘度的油来进行。可替代地，将沿排油口的壁排出所希望容积的油而同时使中心处于 开放状态的排油开口的尺寸可以通过流体动力学的原理和方程式计算得出。
[0035] 在另一个实施例中，该排油口具有一个流动调节器，该流动调节器包括分隔该排 油口的开口的多个肋（15)。可能存在分隔该开口的2至5个肋。当油流出排油口时，这些肋 (15)致使油像流出水槽的水一样形成涡旋。这些肋（15)可以任选地具有倾斜侧部以进一 步增强由这些肋（15)造成的涡旋运动。一旦油在离开排油口时开始涡旋，它就会继续沿排 油管的壁流动，从而使管的中心处于开放状态。在该开口的中心处存在一个通气孔（17)，该 通气孔允许空气在轴承壳体与油底壳之间移动，从而使油底壳和轴承壳体内的压力均衡。 当排油开口被多个肋（15)分隔时，对于相同容积的具有相同粘度的油而言，该排油开口必 须略微大些，以便补偿由这些肋（15)所占据的容积。然而，这些肋可以很容易地测量并且 确定它们的体积。从该次测量，可以计算出排油口所需的额外容积。任选地，如果该排油开 口足够大，则通气孔是没有必要的。
[0036] 在另一个实施例中，涡旋的油流由该排油口正下方的流动调节器产生。该流动调 节器是一个板（22)，该板可以被螺栓连接到该排油口上。板（22)可以用作该排油口与排油 管之间的一个垫圈。在板（22)的中心处存在由2至5个肋（23)分隔开的一个排油开口。 在该排油开口的中心处可以存在一个换气管（24)，该换气管允许空气从油底壳向轴承壳体 流动。在换气管（24)的顶部处存在一个盖子（25)，该盖子允许空气从换气管（24)逸出、但 也防止油流入换气管（24)。
[0037] 在另一个实施例中，换气管（24)可以被连接到一个管上，该管可以向大气开放。 由于曲轴箱强制通风（PCV)系统，在曲轴箱和油底壳中的压力或者是大气压、或者是轻微 的真空。因此，如果轴承壳体是向大气开放，轴承壳体中的压力将等于或稍微高于油底壳中 的压力。
[0038] 因为大体积的冷却油流动经过轴承壳体，该排油口不处于高温环境。因此，该轴承 壳体排油口不必用专门的高温合金如Inconel&合金制成。虽然排油口可以由各种各样的 金属制成，但出于方便和经济性的原因，优选是普通的灰铁。如果轴承壳体是水冷却的，则 排油口可以使用铝。如果考虑到腐蚀的可能性，则可以使用不锈钢。碳素钢不是用于排油 口的优选金属。该排油口可以经机加工制成，或者可以通过铸造工艺制成，如外壳成型、冷 芯盒或其他的型芯盒熔模铸造。图2A、图2B、图2C和图4展示了可以用于制作铸造模具的 模具型芯。外壳成型和湿砂型铸造是制造轴承壳体排油口的优选方法。
[0039]虽然已经参照这些具体实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应理 解，可以在不脱离如在以下权利要求书中限定的本发明的范围下作出不同的变化和修改。
【主权项】
1. 一种涡轮增压器，包括： 一个轴承壳体（1)，该轴承壳体用于可旋转地支撑与一个涡轮机叶轮（4)和一个压缩 机叶轮（3)相互连接的一个轴（5)、并且用于使油绕该轴（5)循环，该轴承壳体（1)包括由 一个外壁形成的一个排油口（8)以用于将油经过一个排油开口（7)从该轴承壳体（1)排 出；以及一个流动调节器（9,15, 22)，该流动调节器被操作性地联接到该排油口（8)，以用 于使该排油开口（7)的中心维持无油状态，由此空气可以移动穿过该排油开口（7)的中心。2. 根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该流动调节器（9)包括形成在该排油口 (8)外壁中的2至8个螺旋部。3. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中该流动调节器（9)包括4至6个螺旋部。4. 根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该流动调节器（15)包括延伸跨过该排油开 口⑵的2至5个肋。5. 根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中该流动调节器（15)包括3至4个肋。6. 根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中该流动调节器（22)是一个板（22)，该板被 放置在该排油开口（7)与一个排油管之间，该排油管将该涡轮增压器的轴承壳体（1)连接 到一个油底壳上，其中该板（22)具有由2至5个肋（23)分隔的一个开口、以及轴向延伸穿 过该开口的一个换气管（24)。7. 根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中该板（22)具有由3至4个肋（23)分隔的 一个开口。8. 根据权利要求6所述的涡轮增压器，进一步包括一个盖子（25)，该盖子被布置在该 换气管（24)的远端上。
【专利摘要】本发明提供了一种涡轮增压器轴承壳体(1)中的排油口(8)，其中油沿着排油口(8)的外边缘流出，使排油口(8)的中心处于开放状态。空气可在轴承壳体(1)与油底壳之间流动，从而允许实现两者之间的空气压力均衡。
【IPC分类】F02B39/14, F01D25/16
【公开号】CN104884763
【申请号】CN201380068247
【发明人】L·塔卡巴塔克, D·古斯芒
【申请人】博格华纳公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月9日
【公告号】DE112013005883T5, WO2014109849A1