用于电动涡轮复合技术机器的补充空气冷却系统以及空气压力油密封系统

摘要

一种电辅助涡轮增压器(10)包括用于对容纳在轴承壳体(12)内的马达腔(54)中的一个电动马达(52)进行冷却的空气冷却系统。在轴承壳体(12)内在电动马达(52)的第一侧上形成一个入口蜗壳(76)，并且在轴承壳体(12)内在该电动马达(52)的与该入口蜗壳(76)相反的第二侧上形成一个出口蜗壳(78)。该入口蜗壳(76)使送入该入口蜗壳(76)中的冷却空气加速并且引导该冷却空气进入该马达腔(54)之中。该冷却空气在轴向方向上穿过该马达腔(54)而从该入口蜗壳(76)行进到该出口蜗壳(78)，从而冷却该电动马达(52)。该出口蜗壳(78)使该冷却空气减速并且引导该冷却空气离开该马达腔(54)。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月12日提交的且题为“用于电动涡轮复合 技术机器的补充空气冷却系统以及空气压力油密封系统(Supplemental Air  Cooling System And Air Pressure Oil Sealing System For Electrical  Turbocompound Machine)”的美国临时申请号61/725,150的优先权及所有 权益。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种用于内燃发动机的电动涡轮复合技术机器。更具体地 讲,本发明涉及一种用于对涡轮增压器内的电动马达进行冷却的空气冷却 系统。

2.相关技术的说明

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 了发动机的功率密度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功 率。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 的完全燃烧，这有助于实现排放量减少这一高度希望的目标。

涡轮增压器包括：一个涡轮机级，该涡轮机级具有连接至发动机排气 歧管上的一个涡轮机壳体；一个压缩机级，该压缩机级具有连接至发动机 进气歧管上的一个压缩机壳体；以及一个轴承壳体，该轴承壳体将该涡轮 机壳体与压缩机壳体连接到一起。该涡轮机级包括布置在该涡轮机壳体内 的一个涡轮机叶轮，并且该压缩机级包括布置在该压缩机壳体内的一个压 缩机叶轮。该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。一个轴被可旋转地支撑在该轴承壳体内并且将该涡轮机叶轮联接至 该压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成该压缩机叶轮的旋 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，它使进入压缩机壳体的环境空气压缩，从而增大了经 由该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。

在低发动机速度下，排气以较低的压力被供应到该涡轮机叶轮上，从 而致使该涡轮机叶轮和压缩机叶轮较慢地旋转，从而导致进入该压缩机壳 体的空气被压缩的程度更小，这导致了所谓的“涡流滞后”。为了最小化 涡流滞后并且提高涡轮增压器的效率并且因此提高发动机效率，已知的是 将一个电动马达结合在该涡轮增压器之中。此类型的涡轮增压器通常被称 作电动涡轮复合技术机器(electrical turbocompound machine)或电辅助涡 轮增压器(electrically assisted turbocharger)。该电动马达在低发动机速度 下被通电以将额外力矩赋予该涡轮增压器的轴，这致使该涡轮机叶轮和压 缩机叶轮更快地旋转，与以其他方式通过非电辅助涡轮增压器所递送的相 比增加了递送到发动机的空气质量流速。该电动马达还可以被用作一个发 电机，该发电机将轴的功(即轴的旋转)转变为电能。由该发电机产生的 电能可以被用来运行辅助电气部件或者被用来增加发动机功率。

被结合在涡轮增压器中的电动马达的一个实例是一个开关磁阻马达 (SRM)。SRM的操作原理简单、众所周知并且是基于磁阻转矩。SRM具 有带有多个集中绕组的一个定子和不带有绕组的一个转子。在一个典型的 电辅助涡轮增压器中，SRM是位于在该轴承壳体中限定的一个马达腔内。 该转子被整合或安装在该轴上并且通常被定位在一副轴轴承之间。该定子 是固定紧固的并且围绕该转子。典型的SRM可以具有六个定子磁极和四 个转子磁极，表示为“6/4SRM”。6/4SRM具有三个相位，每个相位由位 于相反的定子磁极上的两个绕组组成。一个相位中的绕组是同时被供电的 并且产生一个磁通量。由这些绕组产生的磁通量遵循最小磁阻路径，这意 味着该通量将流动穿过最靠近这些受激定子磁极的这些转子磁极，由此将 这些转子磁极磁化并且致使该转子本身与这些受激定子磁极对齐。电磁转 矩是通过这些转子磁极与这些受激电子磁极对齐的倾向而产生的。当该转 子转动时，将连续地激励多个不同相位以保持该转子转动。对用作发电机 而言，这些相位是在这些定子磁极和转子磁极分开时、而不是在它们接近 时受激。

液体冷却系统通常被提供作为使从涡轮机级的排气向轴承壳体中的 电动马达的热传递最小化的一个主要手段。然而，在某些运行条件下，人 们认识到，液体冷却系统可能不能充分冷却该电动马达。因此，令人希望 的是用空气冷却系统来补充该液体冷却系统。

用于电辅助涡轮增压器的空气冷却系统通常是从所周知的。例如，美 国专利号5,605,045披露了一种电辅助涡轮增压器10，该涡轮增压器包括 一个轴16，该轴具有安装在一端上的一个涡轮机叶轮20和安装在相反一 端上的一个压缩机叶轮28。涡轮增压器10还包括容纳在一个轴承壳体30 内的一个电动马达56。轴承壳体30内的一个环形油通道38是直接位于该 电动马达56外部，正是经过该环形油通道38的油流动而移除了进入轴承 壳体30的大部分热量。一个空气冷却系统包括穿过该轴16中心的一个空 气通道90'、以及一个空气泵94，该空气泵将空气传送经过该空气通道90'， 从而在与正将热量吸入该轴16方向相反的方向上将热量从涡轮机入口涡 形道18移出该轴16。

相似地，美国专利号6,609,375披露了一种电辅助涡轮增压器10，该 增压器包括一个压缩机16、一个涡轮机18和位于二者之间的一个马达壳 体20。涡轮增压器10还包括一个电动马达，该电动马达具有均被容纳在 马达壳体20中的一个定子42和一个转子44。一个空气冷却系统包括第一 冷却软管34，该第一冷却软管引导加压空气从压缩机16经过一个气流入 口40而进入马达壳体20之中。空气在一个穿过定子42和转子44的径向 方向上行进，穿过马达壳体20，并且从位于马达壳20上与气流入口40相 对的圆周侧上的一个气流出口46出来。一个第二冷却软管36引导空气返 回到压缩机16的一个入口。

已知的空气冷却系统技术在电辅助涡轮增压器中就补充液体冷却系 统的能力而言并不是最佳的。因此，在电辅助涡轮增压器中希望提供有效 补充液体冷却系统的一种空气冷却系统。

发明概述

根据本发明的一个方面，一种电辅助涡轮增压器包括使用冷却空气来 对电动马达进行冷却的一个空气冷却系统。该涡轮增压器包括一个轴承壳 体，该轴承壳体具有一个用于容纳电动马达的马达腔。该空气冷却系统包 括：一个入口蜗壳，该入口蜗壳是形成于该轴承壳体内并且被布置在电动 马达的第一侧上；以及一个出口蜗壳，该出口蜗壳是形成于该轴承壳体内 并且被布置在该电动马达的与该入口蜗壳相反的第二侧上。该入口蜗壳使 送入该入口蜗壳中的冷却空气加速并且引导该冷却空气进入该马达腔中。 该冷却空气在轴向方向上经过该马达腔从该入口蜗壳行进到该出口蜗壳 以冷却该电动马达。该出口蜗壳使该冷却空气减速并且引导该冷却空气离 开该马达腔。

附图简要说明

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：

图1是根据本发明一个实施例的包括一个空气冷却系统的一个电辅助 涡轮增压器的截面视图；

图2是轴承壳体的一个截面侧视图，展示出了该空气冷却系统的一个 入口蜗壳；

图3是该轴承壳体的一个截面侧视图，展示了该空气冷却系统的一个 出口蜗壳；

图4是轴承壳体的一个片段透视图，展示出了一个空气入口孔；并且

图5是根据本发明的另一个实施例的包括一个空气通道的轴承壳体的 截面视图。

实施方式的详细说明

参见附图，图1中展示了总体上为10的涡轮增压器的一部分。该涡 轮增压器10包括联接在一个涡轮机级与一个压缩机级之间的一个轴承壳 体12。该涡轮机级包括布置在涡轮机壳体(未示出)内的一个涡轮机叶轮 14，并且该压缩机级包括布置在压缩机壳体(未示出)内的一个压缩机叶 轮16。该涡轮机叶轮14是由从发动机排气歧管供应的排气进气流可旋转 地驱动的。在驱动了涡轮机叶轮14之后，排气从涡轮机壳体中通过一个 中央出口管或出口导流器被排出。一个轴18被可旋转地被支撑在该轴承 壳体12内并且将该涡轮机叶轮14连接至该压缩机叶轮16上，从而使得 该涡轮机叶轮14的旋转造成该压缩机叶轮16的旋转。将该涡轮机叶轮14 与该压缩机叶轮16相连接的轴18限定了一条旋转轴线R1。当该压缩机 叶轮16旋转时，空气通过入口通道被抽入该压缩机壳体中并且被压缩以 便以升高的压力递送至一个发动机进气歧管中。

该轴18是由在轴向方向间隔开的第一轴颈轴承20和第二轴颈轴承22 而被可旋转地支撑在该轴承壳体12内。该涡轮机叶轮14典型地被对焊至 该轴18的一端上、直接与该轴18的一个扩大的肩台部分24邻接。该轴 18延伸穿过该轴承壳体12的涡轮机侧。一个第一活塞环26环绕该肩台部 分24的外圆周以在该轴18与该轴承壳体12之间形成密封，以防止该涡 轮机级内的排气进入该轴承壳体12中。

该轴18的相反一端具有一个直径减小的部分28，该压缩机叶轮16安 装在该部分上。与该第二轴颈轴承22相邻，该轴18的直径减小部分28 携带了一个止推垫圈30，该止推垫圈与一个静止的止推轴承构件32协作 以便应对该涡轮增压器10中的轴向荷载。该直径减小部分28还携带了一 个插件34和一个抛油环套筒36，该插件和该抛油环套筒被定位成直接与 压缩机叶轮16的后侧相邻。该止推垫圈30、止推轴承构件32、插件34 以及抛油环套筒36被组装到一个形成在该轴承壳体12的压缩机侧上的一 个止推轴承凹座38中。一个卡扣环40将该止推垫圈30、止推轴承构件 32、插件34以及抛油环套筒36固位在该止推轴承凹座38中。该插件34 与抛油环套筒36协作以防止油被吸进该压缩机壳体中并且用于防止压缩 空气泄露至该轴承壳体12中。该抛油环套筒36被安装在该轴18上并与 其一起旋转。该轴18与该抛油环套筒36延伸穿过该插件34。一个第二活 塞环42环绕该抛油环套筒36的外圆周，以在该抛油环套筒36与该插件 34之间形成密封，以防止该压缩机级内的压缩空气进入该轴承壳体12中。 一个O形环44环绕该插件34的外圆周，以在该插件34与该轴承壳体12 之间形成密封，这还防止了该压缩机级内的压缩空气进入该轴承壳体12 中。

油循环经过该轴承壳体12，以提供对该第一轴颈轴承20和第二轴颈 轴承22的润滑。在该涡轮机侧，当该轴18旋转时，离开该第一轴颈轴承 20的油被该肩台部分24拾取并且被向外引导朝向一个第一排油口46，该 第一排油口通向一个排油腔48。在该压缩机侧，当该轴18旋转时，离开 该第二轴颈轴承22的油被该抛油环套筒36拾取并且被向外引导朝向一个 第二排油口50，该第二排油口也通向排油腔48。

一个电动马达(总体以52示出)被结合在该涡轮增压器10中。在一 个实例中，该马达可以是一个开关磁阻马达(SRM)。该电动马达52被布 置在该轴承壳体12内限定的一个马达腔54内，并且在轴向方向被定位在 该第一轴颈轴承20与第二轴颈轴承22之间。该电动马达52包括一个转 子56和一个定子58。该转子56被安装在该轴18上并且与其一起旋转。 该转子56在轴向方向在第一轴环60与第二轴环62之间延伸，这两个轴 环被固定到该轴18上。如果该电动马达52作为一台马达运行，该第一轴 环60和第二轴环62协助将扭矩从该转子56传输到该轴18，而如果该电 动马达52作为一台发电机运行，该电动马达协助将转矩从该轴18传输到 转子56。该第一轴环60和第二轴环62还分别作为该转子56与该第一轴 颈轴承20、第二轴颈轴承22之间的间隔件。该定子58(在每个磁极上都 具有集中绕组)是以固定的方式被安装的并且在圆周方向上围绕该转子 56。

一个第三活塞环64环绕该第一轴环60的外圆周，以在该第一轴环60 与该轴承壳体12之间形成密封，以防止用于润滑该第一轴颈轴承20的油 泄漏到该马达腔54之中。同样地，一个第四活塞环66环绕该第二轴环62 的外圆周，以在该第二轴环62与该轴承壳体12之间形成密封，以防止用 于润滑该第二轴颈轴承22的油泄漏到该马达腔54之中。

提供一个液体冷却系统来使从该涡轮机级中的排气到该轴承壳体12 中的电动马达52的热传递最小化。该液体冷却系统包括一个环形液体冷 却室68，该液体冷却室被限定在该定子58的外圆周与该轴承壳体12的内 圆周之间。该液体冷却室68在轴向方向上在该第一O形环70和第二O 形环72之间延伸，这两个O形环包围该定子58的外圆周以便在该定子 58与该轴承壳体12之间形成密封。油循环经过该液体冷却室68，以除去 从该涡轮机级散发的热量，从而冷却该电动马达52。该第一O形环70和 第二O形环72密封该液体冷却室68，以防止该液体冷却室68中的油泄 漏到该马达腔54中。

一个空气冷却系统被提供用来补充该液体冷却系统。该空气冷却系统 包括一个空气入口孔74，该空气入口孔延伸穿过该轴承壳体12的壁，并 且与形成在该轴承壳体12涡轮机侧内的一个入口蜗壳76相联接。该入口 蜗壳76在轴向方向通向该马达腔54的入口端。该入口蜗壳76具有一个 用于使冷却空气流动加速的涡旋形状。在该轴承壳体12的压缩机侧内、 在与电动马达52的与该入口蜗壳76相反的一侧上形成一个出口蜗壳78。 该出口蜗壳78在轴向方向上通向该马达腔54的一个出口端。该出口蜗壳 78具有的涡旋形状与入口蜗壳76的涡旋形状相反，以用于使冷却空气流 动减速。该出口蜗壳78被联接到一个空气出口孔(未示出)上，该出口 孔延伸穿过该轴承壳体12的壁。

来自涡轮增压器10压缩机级的冷却空气流经一个与该空气入口孔74 相联接的一个入口软管或类似导管并且被送入该入口蜗壳76之中。该冷 却空气在该入口蜗壳76中加速并且从在该入口蜗壳76中的切向流动转换 成在该马达腔54中的轴向流动。该冷却空气在轴向方向上流动经过该马 达腔54，从而冷却该电动马达52的转子56和定子58。当该冷却空气到 达该马达腔54的相反端时，冷却空气从在该马达腔54中的轴向流动转换 成在该出口蜗壳78中的切向流动。该冷却空气在该出口蜗壳78中减速， 然后经过该空气出口孔而离开该出口蜗壳78。被联接到该空气出口孔上的 一个出口软管或类似导管引导该冷却空气返回到该涡轮增压器10的压缩 机级。

在上述实施例中，该冷却空气在该轴承壳体12的涡轮机侧上进入该 马达腔54，并且在该轴承壳体12的压缩机侧上离开该马达腔54。应当理 解的是入口蜗壳76和出口蜗壳78，以及该空气入口孔74和空气出口孔可 以被安排成使得该冷却空气在相反方向上流动，而不脱离本发明的范围。 例如，该冷却空气可以在该轴承壳体12的压缩机侧上进入马达腔54，并 且在该轴承壳体12的涡轮机侧上离开马达腔54。

在运行条件下，在该轴承壳体12中在该第一活塞环26与该第三活塞 环64之间限定的一个区域内建立了第一压力P1，在该轴承壳体12中在该 第二活塞环42与该第四活塞环66之间限定的一个区域内建立了第二压力 P2，在液体冷却室68内建立了第三压力P3，并且在该马达腔54中建立了 第四压力P4。应当理解的是，该第一压力P1可能具有致使用于润滑该第 一轴颈轴承20的油经过该第三活塞环64而泄漏到该马达腔54中的倾向。 类似地，应当理解的是，该第二压力P2可能具有致使用于润滑该第二轴 颈轴承22的油经过该第四个活塞66而泄漏到该马达腔54中的倾向。同 样地，应当理解的是，该第三压力P3可能具有致使该液体冷却室68中的 油经过该第一O形环70和第二O形环72而泄漏到该马达腔54中的倾向。 通过上述方式，将该冷却空气引入该马达腔54之中，增加了该第四压力 P4，这样使得该第一压力P1与第四压力P4之间的增量(delta)减小，从 而使油经过该第三活塞环64而泄漏到该马达腔54中的倾向被最小化。类 似地，第二压力P2与第四压力P4之间的增量减小，从而使油经过第四活 塞环66而泄漏到该马达腔54中的倾向被最小化。同样地，该第三压力P3 与第四压力P4之间的增量减小，从而使油经过该第一O形环70和第二O 形环72而泄漏到该马达腔54中的倾向被最小化。

在图5总体示出的本发明的第二实施例中，该轴承壳体12包括一个 空气通道82，该空气通道被联接在该马达腔54的相反末端之间，以用于 平衡该马达腔54内的压力。更具体地讲，该空气通道82是在该轴承壳体 12中延伸的一个通道，该通道是独立的且远离该马达腔54。该空气通道 82的一端被联接到该马达腔54的邻近该入口蜗壳76的入口端上，并且该 空气通道82的另一端被联接到该马达腔54的邻近该出口蜗壳78的出口 端上。应当了解的是，该空气通道82将平衡该马达腔54的入口端与出口 端之间的压力。对该马达腔54的入口端与出口端之间的压力进行平衡， 平衡该了第一O形环70和第二O形环72上的压力，这样有助于密封该 液体冷却室68。该空气通道82延伸穿过该轴承壳体12并且路径被布置在 液该体冷却室68的外侧上。

在此以说明性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语 旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许 多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内， 可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。