CN103415683B - 致动器轴套管 - Google Patents

Abstract

废气门式涡轮增压器都使用致动器来对废气门阀进行操作，该废气门阀控制排气能量的涡轮机叶轮旁通。这些致动器中的膜片对外来物质损伤很敏感。这样的损伤通过添加一个围绕致动器轴的套管来最小化，从而防止可能对致动器寿命有害的外来物质和流体的进入。

Description

致动器轴套管

技术领域

本发明着手解决对一种用于涡轮增压器致动器轴的改进的轴密封设计的需求，该致动器轴穿过涡轮机壳体的多个壁，这种改进的轴密封设计用于防止气体和碳烟穿过一个环状空间的泄漏，该环状空间是由于一个轴在一个圆柱形孔中转动而形成的。

背景技术

涡轮增压器是一种强制进气***。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。一个更小的涡轮增压发动机取代一个更大物理尺寸的正常吸气的发动机，这将减小质量并且可以减小车辆的空气动力学的前端面积。

涡轮增压器利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动一个位于该涡轮机壳体2内的一个涡轮机叶轮21。一旦该排气已经通过该涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取能量，则用过的排气通过该出口导流器离开涡轮机壳体并且被输送到车辆下行管并且通常输送到后处理装置，如催化转化器、微粒收集器和NO_x收集器。

在一个废气门式涡轮增压器中，涡轮机蜗壳是通过一个旁通管道而被流体地连接到涡轮机导流器上。通过该旁通管道的流动是由一个废气门阀来控制的。因为该旁通管道的入口是在该蜗壳的入口侧上、在该涡轮机叶轮的上游，并且该旁通管道的出口是在该蜗壳的导流器侧上、在该涡轮机叶轮的下游，所以通过该旁通管道的流动在旁通模式时绕过涡轮机叶轮，因而不会对涡轮机叶轮提供动力。为对该废气门进行操作，一个致动力或控制力必须从涡轮机壳体外部、通过该涡轮机壳体、传输到该涡轮机壳体内的废气门阀上。一个废气门枢转轴延伸穿过该涡轮机壳体并且在由一个致动器40驱动时围绕该枢转轴的轴线64旋转。在涡轮机壳体外，致动器40通过一个拉杆系50，51，71而被连接到一个废气门臂74上，并且废气门臂74被连接到该废气门枢转轴上。在该涡轮机壳体内，该枢转轴被连接到一个废气门阀上。来自该致动器的致动力转化成该枢转轴的转动使该涡轮机壳体内的废气门阀运动以便将排气流动旁通到涡轮机叶轮上。

涡轮机壳体会经受很大的温度梯度和温度波动。该涡轮机壳体的外侧面对环境空气温度，而这些蜗壳表面接触的排气取决于在发动机中所使用的燃料而在范围740°C至1050°C内。有必要的是，通过上述的这些转化运动使得该致动器能够以一种精确的、可重复的、无干扰的方式控制该废气门从而控制通向该涡轮机叶轮的流动。使一个废气门致动器邻近该涡轮机壳体具有多个效果。热量可以传导性地沿致动器轴50向上行进到致动器膜片48。来自涡轮机壳体（大多数致动器安装在其上）的热量可以辐射性地不仅传递到致动器轴上并由此传递到致动器膜片上，还可以传递到诸如以下的致动器罐部件上：座圈46、下致动器罐44、以及上致动器罐45。这些致动器罐部件有时通过结合围绕这些受影响的部件的一个致动器隔热屏43而阻止辐射性热量传递。

可变几何形状涡轮机（VTG）机构不仅被用于控制排气到达该涡轮机叶轮的流动，并且还用于控制对抗一个压力梯度、驱动EGR排气进入该压缩机***中以重新进入燃烧室中所需要的涡轮机背压。致动器被用于对在涡轮机壳体内的一个叶片组的角度进行控制，并且该致动器进而控制涡轮机功率。

调节式两级涡轮增压器（R2S）构形具有多个涡轮机，这些涡轮机被配置成使在一个涡轮机壳体上的一个阀瓣或阀门可以改变到达第二涡轮机壳体的排气流动。根据需求，这些涡轮机级可以是串联的、顺序的，或者并联配置。R2S构形可以被用来控制控制涡轮机流动和排气背压、用来控制EGR流动、或者用来控制一个大的涡轮机或一个小的涡轮机来满足发动机诸如瞬态性能或稳态性能的需求。该阀门或阀瓣由一个致动器驱动。在这些R2S涡轮增压器上还存在用来绕过压缩机阀门流出量的多个阀门用于对同一***中的大的压缩机级和小的压缩机级的临界流量进行控制。

多个涡轮增压器位于发动机舱中、在发动机汽缸体的外侧、并且通常（例如在直列式四缸或六缸发动机中）被定位成邻近车轮。一些涡轮增压器，例如在双涡轮增压V型发动机上，在发动机舱中被放置得非常低以便保持发动机的重心尽可能低并且使排气歧管到涡轮增压器的距离尽可能短。如此，这些涡轮增压器易遭受诸如水和泥浆的道路流体以及从砂砾到防冻化学品的材料影响，所有这些道路流体和车辆都可以穿透涡轮增压器中的孔口。

气动致动器由空气压力（其可以是正压或负压，典型的是取决于压力源）操作从而使一个膜片扩张，该膜片由一个具有已知系数的弹簧抵抗，通常在该膜片的弹簧侧会伴随有大气压。相对于该致动器，正压和负压之间的差异简单地在于该膜片中压力供应到哪一侧。膜片48的运动被传递到一个轴45延伸部，轴的延伸部然后转化为被机械地或化学地附接到一个转动的废气门枢转轴上的一个废气门臂62的转动，从而打开或关闭该废气门阀。一个废气门弹簧47抵抗由该膜片施加的压力、并且被用于使该轴回复到其静止位置（同时该废气门阀位于闭合位置）。

为了术语的清晰性，采用了以下定义：

致动器轴组件的实际长度：从轴50的最底部，即该轴附接到致动器中的上罩49上所处的位置，到位于废气门轴末端处的接头的枢轴中心的长度。

废气门臂的中心线：连结废气门枢转轴的旋转轴线与该接头的中心的直线。

废气门臂运行所沿轨道的半径：在废气门枢转轴的旋转轴线与接头的中心78之间的长度。

废气门臂转动所经过的角度:假定为在废气门阀完全关闭与完全打开之间的角度。

废气门致动器轴的上枢轴臂的有效长度：从该轴的上述接头到上罩49到该轴围绕其旋转的导向轴承53的长度。

废气门致动器轴的下枢轴臂的有效长度：从导向轴承53到将致动器轴附接到废气门臂62的接头的中心的长度。

假定的是：在致动器轴的行程的中点处，在废气门臂的中心线与致动器轴的中心线之间的角度是90°，因此使废气门臂转动所沿的轨道对着的角度最小。

致动器轴摆动所经过的角度是由以下多种关系确定的：

-对于致动器轴组件的固定的实际长度而言，废气门臂转动（从废气门阀打开到关闭）所沿的轨道对着的角度是如下长度（即，半径）的一个函数，该长度是该废气门臂转动所围绕的轴线64与将废气门臂附接到致动器轴组件上的接头的枢轴中心78之间的长度。

-对于废气门臂运行所沿轨道的半径是固定的实际长度而言，废气门臂所对的角度是该致动器轴长度的一个函数。

由于致动器43被安装固定到该涡轮机壳体上，在致动器轴组件与废气门臂之间的接头围绕枢轴中心78旋转时，该废气门轴组件围绕被附接在下致动器罐44内的一个轴承53旋转。由于该轴承变成该轴在致动器罐内摆动所围绕的枢轴，轴承53的轴向位置响应于如由致动器轴50的轴向位移所确定的废气门臂的径向位移来对致动器活塞49的径向位置进行控制。该轴承的轴向位置到该活塞越近，该活塞的径向位移就越大（对于一个给定的废气门臂转动而言）。在以下致动器中，轴承53的径向位置被修改为具有由诸如“O”型圈的一个挠性构件部分控制的轴承的径向位置。这个有点复杂的安排使该膜片的径向位移最小化，以便提高该膜片的寿命。

对于致动器寿命至关重要的致动器部件是膜片。膜片48位于上致动器罐外壳45中以使该膜片的外缘由下致动器罐44与上致动器罐45的接头捕获，以便产生该膜片与该上致动器罐外壳的气密密封。

当由发动机控制单元（ECU）控制时，空气压力通过空气连接管52而被输送到该致动器中以充满在致动器48与上致动器罐外壳45之间的空间。进入到该致动器中的空气压力迫使该膜片离开的静止状态位置，这受到一个弹簧47施加的力抵抗。对膜片后的空间进行充气迫使该膜片通过如上述的致动器轴50被机械地附接到其上的一个活塞49的位移来对该弹簧进行压缩，而在同一时间对空间进行压缩并提高该致动器弹簧侧的压力，这将导致空气穿过一个通风口或在该致动器轴与轴承53之间的一个空隙而逃逸。在对该致动器所要求的压力减小时，弹簧迫使活塞回复，从而减小了该致动器弹簧侧上的压力，导致通过轴承53中的孔将环境空气吸入。

如以上所描述的，该致动器典型地是被紧密联接到一个涡轮机壳体或多个涡轮机壳体上。为使致动器能够在与如此接近热源的情况相关联的温度下运行，该膜片是由氟硅酮与凯夫拉（Kevlar）的一种复合物构成的，以便在温度和工作循环下提供可接受的寿命。

进入该膜片与活塞或致动器的外部罐的外壳相接触的区域的任何杂物将会导致该膜片材料的磨损，这将最终导致该膜片的失效并因此导致致动器的失效。

废气门致动器的寿命是设计和布置两者的以下多个方面的折衷：致动器轴位移通过的角度、膜片临界区域的温度、工作循环、与膜片相接触的部件的形状、以及致动器所经受的物理环境。

因此可以看出的是存在一种用于致动器轴的保护盖的需求，以便在恶劣的环境下允许并且容纳废气门和VTG致动器在涡轮增压器中的复杂运动。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而开发的。本发明的一个目的是要提供一种保护套管，以便防止可以使致动器、确切地说是致动器中的膜片的凸起寿命变短的、与道路相关联的化学品以及物质的进入。

附图说明

本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：

图1描绘了一个典型的废气门式涡轮增压器的一个截面；

图2描绘了本发明的废气门式涡轮增压器的一个截面；

图3描绘了带有本发明的套管的一个致动器的一个截面视图；

图4A、4B描绘了致动器轴和多个附件的运动；

图5A、5B描绘了在轴向上对凸起和槽进行约束的小末端；

图6A、6B描绘了在轴向上对凸起和槽进行约束的、带空气通道槽的小末端；

图7A、7B描绘了示出保持件的多个视图；

图8描绘了套管构造的一个截面视图；并且

图9描绘了回旋圈构造的一个截面视图。

具体实施方式

如以上所说明的，致动器轴组件在轴向和径向两个方向上移动所通过的运动不是简单的运动。总体上，致动器轴组件的废气门端的长度、行程，以及径向位移被折中以提供可接受的膜片寿命。典型地，在致动器轴50的滑行运动与轴承53之间没有密封，所以不利于膜片寿命的道路材料能够进入致动器罐中并且最终损坏该膜片。

本发明人力图通过提供一种能防止道路流体和固体进入致动器中的、成本有效的密封装置来提高膜片寿命，并因此提高致动器的寿命；并且更确切地说，该密封装置是一种可以在轴移动一个控制臂时对该轴运行的复杂的轴向和径向运动进行处理，该控制臂围绕其中心线64转动、并且迫使致动器轴在该控制臂轴向移动时径向摆动。考虑并测试过许多不同种类的密封件，但最终未能实现所需要的使用寿命。

本发明人最后通过设计一种波纹管式密封件而解决了这个难题，该密封件一端附接在致动器轴上、而另一端附接到在致动器上的一个保持件上。波纹管中多个回旋圈的设计确保了该致动器轴的任何***或延伸只会导致该波纹管相对线性的延伸或收缩，而不是该波纹管塌缩并触及轴。本发明包括一种用于附接的新型方法以及一种用于对致动器添加或从致动器减少波纹管式密封件的新型方法。本发明还允许在排除流体吸入该波纹管中的情况下向该波纹管内部吸入或从其吸出空气。

在本发明的一个第一实施例中，一个波纹管66被添加到该致动器上。该波纹管在致动器侧具有一个大末端、而在废气门侧具有一个小末端。该小末端通过在波纹管中的一个收缩或凸起55而在径向上和轴向上被密封并附接到致动器轴50上，这个收缩或凸起装配到轴50的一个互补槽54中。如图6A和图6B中所描绘，该波纹管式密封件的小末端中的凸起55的内部的、总体上圆柱形的表面56在径向上抵靠制造在轴50中的槽的一个外部的、总体上圆柱形的表面。为了组装，这样的设计允许该波纹管的小末端在轴的外直径上方滑动直到凸起55落入槽54中，因此在轴向上对该波纹管的小末端进行定位并且提供了该波纹管到达该轴的一个圆周密封。

在该波纹管的大末端上有一个类似的安排。在本发明的一种实施方式中，波纹管66在该波纹管的大末端的内表面中具有一个凸起68，该凸起装配在保持件65的一个互补槽67上。为将该波纹管的大末端组装到保持件65上，在该波纹管大末端中的开口滑上该保持件末端在废气门侧上的一个倒角81并滑入到该保持件中的槽或凹陷67中以便在轴向上约束该波纹管的大末端并在周向上将保持件密封到波纹管上。通过这样的设计，不需要额外的夹子来将该波纹管密封并且约束到该轴和致动器上。

保持件65被设计成一个分离件以使该保持件可以在致动器被组装到托架上时被组装到该致动器上、或者可以从该致动器中省去。这样做的原因是一些应用也许不需要波纹管（和保持件），所以诸位发明人力图获得这样一个设计，在此设计中波纹管和保持件可以被添加组件中或从组件中省去。为使部件的数目能够减少，保持件65的凸缘82被设计成以使该保持件凸缘的大致厚度等于隔热屏43的大致厚度。由于该隔热屏被夹在致动器的座圈46与致动器托架42的顶部凸缘41之间，在该致动器被组装到托架上时，通过在该致动器与致动器托架42的顶部凸缘41之间***保持件65的凸缘82而简单地添加了该保持件。该保持件到致动器中心线的同轴性是通过将该保持件的外直径装配到在致动器隔热屏43的底座中的孔内来实现。该保持件到致动器中心线的同轴性还可以通过在该致动器座圈上的一个导向直径来管理。

在本发明的第一实施例的一个变体中，在该保持件的凸缘82具有与隔热屏相比一个更大的厚度时的情况下，或者在不需要一个隔热屏的情况下，一个导向件可以被制作在该致动器罐的座圈46中、或被制造在该致动器托架的顶部凸缘41中，以便允许轴径向对齐以及对波纹管保持件65进行装配。

诸位发明人要求的是该波纹管应当在轴向上大致跟随该轴压缩和延伸，而不是塌缩，以便提供寿命等于或大于涡轮增压器的寿命的一个波纹管。为符合这样的要求，本发明人将该波纹管设计成使一个较大直径平行的（即，总体上圆柱形的，就是相同的波高度）回旋区段过度到一个较小直径总体上锥形的回旋区段（即，减小波高度）。在所展示的实施例中，波纹管被设计成以一个从9mm到33mm的***深度来装配一个近似8mm直径的致动器轴。

如图8和图9所描绘，每个回旋圈具有间隔近似7mm的一个内表面和一个外表面。诸位发明人进行的试验表明具有大于7mm的壁的材料实际上会导致波纹管寿命的降低。较大直径平行区段的每个波或回旋圈92被限定为具有近似19至20mm的最大外直径，从而导致在该回旋圈的最大直径处的内直径近似12mm至13mm。这些在总体上锥形区段θ₁中的回旋圈的最大直径适配在两个锥形之间。外锥形θ₂的半角是6°，而内锥形θ₃的半角为12°。这些锥角Φ_1,2,3是在近似静止状态下测量的。

在一个特别优选的实施例中，锥形线实际上是一条二阶对数曲线。

如图9所描绘，这些回旋圈的外表面的角度Φ是在静止状态下测量并且近似60°。

由于在波纹管中的空气体积会随着该波纹管长度的改变而改变，在波纹管内的空气压力必须能够被该波纹管既吸入又吸出。在提供一个吸气通路的情况下，该致动器的多个内部部件对流体和道路固体的进入是开放的，而这些流体和道路固体可能是对致动器的寿命有害的。为使这样的潜在问题最小化，所述通路的设计和布局是重要的。为执行这个任务，本发明人确定执行这个功能的最好方式是生产一个小的吸气孔88。

在本发明的第一实施例中，如图9所描绘，吸气孔88是在波纹管小末端方向上的倒数第二个回旋圈的波峰处。由于该孔的位置处于一个挠曲区域中，围绕该吸气孔的材料上的应力可以是相当大的，所以该孔必须谨慎地形成以使该波纹管具有能够导致波纹管材料裂开的一个应力提升的趋势最小化。虽然围绕该孔处的应力水平也许会是较高的，但该孔的位置使得流体和固体的进入最小化。

在本发明的第一实施例的吸气孔位置的一个变体中，如图6A和图6B所描绘，该吸气路径是形成在凸起57中的一个槽89，该凸起为波纹管小末端提供了轴向约束。在这样的变化中，通路位于一个相对低应力的区域中，但可沿轴行进的流体或固体进入致动器的内部部分的可能性更大。

在另一个替代方案中，一个专用的通风口可以被提供在该致动器罐的弹簧侧与该波纹管之间，或者在轴50与衬套53之间的空隙可以配备有足够的游隙，这样使得在所要求的空气压力通过空气连接管52而被输送到该致动器中以充满在膜片48与上致动器罐外壳45之间的空间时，进入到该致动器中的空气压力迫使该膜片离开静止状态位置并且使致动器轴延伸，同时（a）减小体积并因此使该致动器罐的弹簧侧的压力增大、并且（b）使波纹管膨胀并因此使波纹管中的压力降低。在这两个空间（致动器罐的弹簧侧和波纹管）之间的一个通风口的效果是可以在无需吸入周围肮脏空气的情况下实现压力平衡。

如所展示的，该致动器是气动驱动的，但致动器还可以是电动驱动或液压驱动的。

Claims (15)

1.一种涡轮增压器，具有：

一个涡轮机，该涡轮机在一个涡轮机壳体（2）中；

一个装置，该装置在该涡轮机壳体内；

一个致动器（40），该致动器用于对在该涡轮机壳体内的所述装置进行致动，该致动器包括一个致动器壳体和一个致动器轴（50），该致动器轴从所述致动器壳体中伸出并且在相对该致动器壳体的一个伸展的位置与一个收缩的位置之间是可移动的，所述致动器轴被可操作地连接到在该涡轮机壳体内的所述装置上以用于致动所述装置；以及

一个波纹管式密封件（66），该波纹管式密封件具有被密封地附接到该致动器壳体上的一个较大直径端以及被密封地附接到该致动器轴（50）上的一个较小直径端。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该波纹管式密封件的较小直径端包括一个圆周凸起（55），该凸起装配到在该致动器轴（50）中的一个互补槽（54）中。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该波纹管式密封件（66）的较大直径端配备有一个圆周的向内凸起（68）；其中，该致动器壳体配备带有与该圆周的向内凸起（68）互补的一个槽（67）的一个保持件（65）；并且其中，在该波纹管式密封件（66）的内表面中的这个圆周的向内凸起（68）被安置在该保持件（65）中的槽（67）中。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述保持件（65）是一个可去除的部件。

5.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括一个保持件（65），该保持件用于将该波纹管式密封件（66）紧固到该致动器壳体或致动器轴上。

6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该波纹管式密封件包括与外壁间隔的内壁。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述波纹管式密封件在轴向上具有一个回旋结构以使一个总体上圆柱形的区段在该较大直径端上而一个总体上圆锥形的区段在该较小直径端上。

8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中，在静止状态下测量时，总体上圆锥形的区段中的回旋结构的最大直径由第一角度（θ₁）限定，使得第一角度（θ₁）定位于由第二角度（θ₂）限定的外锥形和由第三角度（θ₃）限定的内锥形之间。

9.如权利要求8所述的涡轮增压器，其中，限定总体上圆锥形的区段的线实际上是一条二阶对数曲线。

10.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中，每个回旋结构的外表面形成角度（Φ）。

11.如权利要求1所述的涡轮增压器，进一步包括在该波纹管式密封件中的一个吸气孔（88）。

12.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该致动器壳体具有一个弹簧侧和一个气动压力控制侧；并且其中，该致动器壳体被设计成允许在该致动器壳体的弹簧侧与该波纹管式密封件的内侧之间吸气。

13.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，该致动器是一个气动致动器。

14.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，在该涡轮机壳体内的所述装置是一个废气阀门。

15.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，在该涡轮机壳体内的所述装置是一个VTG机构。