CN107939513B - 电辅助离合式动力涡轮复合增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电辅助离合式动力涡轮复合增压器，属于车辆动力机械领域。本发明提出了一种电机外置方案，电动发电机作为辅助电机设置在增压器外，通过齿轮箱将电机能量传递到增压器转子轴，并能够根据不同工况控制离合装置实现齿轮箱与转子轴结合与分离，在发动机高速工况下，可将转子轴剩余的能量通过齿轮箱带动电动发电机发电，这种电机外置方案有效避免了高温对电动发电机电子元件的影响，同时实现了涡轮增压器能量的高效分配和利用；在增压器涡轮端串联一个动力涡轮，利用经过增压器涡轮做功后的二级废气驱动动力涡轮，从而带动电动发电机发电蓄能，提高了废气能量的利用率，改善了发动机的经济性。

Description

电辅助离合式动力涡轮复合增压器

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种电辅助离合式动力涡轮复合增压器。

背景技术

当今涡轮增压器在发动机上的应用越来越普遍，涡轮增压器从结构和工作原理来看，是一种小型的空气压缩机。涡轮增压器利用发动机排放的废气能量来驱动涡轮旋转，从而带动同轴的压气端叶轮旋转，将更多的空气带到气缸内，提高了发动机内空气密度以及空气和燃料的混合比，从而提高发动机输出功率、改善燃烧，达到强化发动机的目的。但是，涡轮增压发动机还存在一些问题。在发动机低速工况下，废气能量少，涡轮转速低，增压压力较低，供气量滞后于供油量。这种情况致使供气不足导致气缸内燃烧变差，出现冒黑烟、加速扭矩不足等问题。一般车用增压器使用更小的蜗壳以提高增压器的转速，还有采用可变喷嘴、可变截面涡轮增压技术，力图扩展低速段的性能。但实践表明上述措施对低工况下增压器的性能改变效果十分有限，原因就是客观上废气的能量不足。发动机和涡轮增压器在低速工况段匹配后，高速工况下会产生废气能量过剩，导致涡轮机超速，引起在高速工况下发动机偏离理想特性。为此，多数涡轮增压器设有废气旁通系统，在高速工况下旁通系统打开排放部分废气，涡轮增压器只利用一部分废气进行工作。当前对于经过涡轮增压器涡轮做功后排放的二级废气能量的利用率较低，未被利用就排放到环境中。因此利用废气驱动涡轮旋转，带动压气机增压的技术存在三个较大缺陷：一是存在“涡轮迟滞”现象；二是增压器排量不能与发动机在全工况下理想匹配；三是二级废气能量的利用率低。

目前，针对上述问题采用的主要技术措施有二级涡轮增压、机械涡轮复合增压、动力涡轮复合增压、电辅助增压器、可变几何涡轮增压器等。现有依靠电动机带动涡轮增压器转子提高其性能的布置方法主要有三种：第一种称为电辅助涡轮增压器，其电动机仅作为驱动增压器转子的电动机使用；第二种为涡轮发电增压器，即选用较小的涡轮增压器以减小转子的转动惯量、减少涡轮滞后，当发动机废气能量过剩时，利用剩余废气能量驱动另一涡轮带动发电机发电，提高废气的利用率；第三种为电动发电涡轮增压器，即集前两者于一体，电动发电涡轮增压器的电动／发电机在低速工况下作为电动机使用，在高速工况下作为发电机，发电蓄能。电动发电涡轮增压器兼具电辅助与发电功能，但是，这种电动发电机转子与涡轮增压器转子集成装在一起，会使整个转子系统质量增加，惯性增大，导致转子的加速性能变差；第四种是转子离合式电动发电涡轮增压器，离合装置能够控制电动发电机转子与转子轴结合与分离，从而减小转子系统的转动惯量。上述四种方法虽然能够解决涡轮滞后问题，但是不能兼顾增压器排量与发动机在全工况下理想匹配和提高废气能量的利用率。

现有电辅助涡轮增压器的电动发电机的布置主要有两种：一种是侧置方案，专利“电辅助涡轮增压器”(ZL200710013120.5)提出了一种电动发电机侧置方案，即将电动机安装在涡轮增压器的压气机叶轮外侧，其电机转子与增压器转子轴固联，该方案避免了涡轮端高温对电机的影响，但是电动发电机的悬臂布置方式破坏了原有涡轮增压器的平衡，使电辅助涡轮增压器转子系统的动力学性能变差，在高转速下容易引起震动过大导致发生碰摩故障。另一种是中置方案，专利“电辅助涡轮增压系统及其控制方法”(CN201610295408.5)提出了一种电动机中置方案及其控制方法；专利“转子离合式电动发电涡轮增压器”(ZL201310007013.7)提出了一种电动机中置方案，即电动发电机、离合装置围绕转子轴设置在中间体与压气机组成的空间内，电动发电机能通过离合装置的控制与转子轴结合与分离，这种方案结构紧凑，转子的转动惯量小，对涡轮增压器转子系统的性能影响最小，但电机中置，高温对电动发电机电子元件的影响较大。

发明内容

为了解决目前利用废气驱动的涡轮增压器存在“涡轮迟滞”现象、增压器排量不能与发动机在全工况下理想匹配、二级废气能量的利用率低的问题，本发明提出了一种电机外置方案，设计了一种具有电动发电机、离合装置和动力涡轮的电辅助涡轮增压器。

本发明所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器，包括压气机、涡轮、转子轴、电动发电机、动力涡轮、轴承、齿轮箱、离合装置、废气旁通装置，所述压气机和涡轮分别设置在转子轴两端，所述中间体位于压气机和涡轮之间、并通过浮动轴承与转子轴配合，所述涡轮与中间体之间设有冷却水腔，所述齿轮箱、离合装置位于压气机与中间体组成的空间内、围绕转子轴设置，所述齿轮箱下端齿轮与电磁离合器从动盘固定连接，并能通过离合装置的控制与转子轴结合与分离，所述齿轮箱左端通过第一联轴器与电动发电机连接，所述齿轮箱右端通过第二联轴器与动力涡轮连接，所述电动发电机能够通过齿轮箱带动转子轴转动，所述动力涡轮与所述涡轮增压器并联设置，所述动力涡轮能够带动所述电动发电机发电、同时还可以将废气能量通过齿轮箱直接回传到转子轴，所述废气旁通阀装置能够跟踪压气机出口的压力值，控制废气旁通阀开度大小。

优选地，所述动力涡轮通过齿轮箱与所述电动发电机连接。

优选地，所述动力涡轮为径流式涡轮，并与涡轮增压器串联设置在发动机与大气之间，所述动力涡轮废气进口通过排风管道与涡轮增压器的涡轮废气出口和废气旁通支管相连，发动机排出的废气先通过涡轮增压器涡轮，再进入所述动力涡轮。

优选地，所述电动发电机为高速直流无刷电动发电机，既能作为电动机使用，也能作为发电机使用，所述电动发电机作为辅助电机设置在涡轮增压器外侧，通过齿轮箱将能量传递到转子轴。

优选地，所述离合装置为摩擦式电磁离合器包括电磁离合器从动盘、电磁离合器主动盘。所述电磁离合器从动盘包括套筒、衔铁、从动摩擦片，所述从动摩擦片和衔铁固结在一起，并与套筒固定连接，所述套筒与齿轮固定连接，所述电磁离合器从动盘通过空气轴承与转子轴配合。所述电磁离合器主动盘包括主动摩擦片、滑环、线圈、铁芯，所述主动摩擦片与铁芯固定连接，所述电磁离合器主动盘与转子轴通过花键连接。

优选地，所述空气轴承的轴套及轴承体采用钛合金、铝合金等轻质、高强度材料加工而成。

本发明中，离合装置的设置实现了齿轮箱与涡轮增压器的转子轴根据不同工况结合与分离。动力涡轮的设置实现了二级废气余压的利用，改善了发动机的经济性。所述涡轮增压器在发动机全工况下将处于电动辅助增压、断电空载、发电蓄能三种工作状态。动力涡轮在发动机全工况下将处于辅助增压、发电蓄能两种工作状态。

当所述涡轮增压器在发动机启动、加速或低速高负荷时，废气旁通阀全关，齿轮箱与增压器转子轴结合，由控制电路给电动发电机供电，电动发电机作为电动机通过齿轮箱驱动增压器转子轴运转，同时，电动发电机还带动动力涡轮转动，在增压器涡轮端形成背压，加速增压器运转。此时，齿轮箱和涡轮一起带动压气机旋转，压气机压缩空气，能够瞬时提高发动机进气量，解决“涡轮迟滞”问题。

当发动机处于一般工况时，废气旁通阀全关，离合装置控制齿轮箱与转子轴分离，增压器处于断电空载状态，控制电路转换电动发电机为发电机模式，由动力涡轮通过齿轮箱带动电动发电机发电蓄能。此时，所述涡轮增压器相当于传统涡轮增压器，仅由涡轮带动同轴的压气机运转，齿轮箱与转子轴的分离，减少了转子系统的转动惯量，降低了转子因质量加大造成的废气能量损失，同时，利用动力涡轮发电，提高了废气能量的利用率。

当发动机处于高速高负荷工况时，发动机高速运行，离合装置控制齿轮箱与转子轴分离，增压器处于断电空载状态，控制电动发电机为发电机模式，当压气机出口的增压压力超过压气机背压限制值时，控制废气旁通阀处于较大开度，大部分废气不经过涡轮，而是通过旁通支路与二级废气一起驱动动力涡轮，带动电动发电机发电，当压气机出口压力下降到低于背压限制值时，控制废气旁通阀处于较小开度，实现增压器排量与发动机高速工况理想匹配。

当发动机处于高速低负荷工况时，发动机高速运转，扭矩需求小，而此时发动机排出的废气流量充足，涡轮提供的能量大于压气机需要消耗的能量，控制离合装置使齿轮箱与增压器转子轴结合，控制电动发电机为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化为电能，并限制转子轴的转速，通过跟踪压气机出口的压力值，控制废气旁通阀保持在某个中等开度。这种工况下，电动发电机作为发电机，将转子轴多余的能量和二级废气能量转换为电能并储存在蓄电池中，提高废气能量的利用率，改善发动机的经济性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：(1) 通过离合装置实现在不同工况下，齿轮箱与涡轮增压器转子轴的结合与分离，有效降低了涡轮增压器转子系统的转动惯量，大大减少了因转子转动惯量增加造成的能量损失，提高了涡轮增压器运行的稳定性和可靠性。能够提供理想的增压压力和供气量，解决涡轮滞后、增压发动机加速性能差问题，改善发动机低速性能和排放。

(2) 通过动力涡轮带动电动发电机发电，使经过增压器涡轮做功后的二级废气能量得到充分利用，提高了废气能量利用率。

(3) 电动发电机实现了集电动机与发电机于一体，使所述涡轮增压器体积小，结构更加紧凑。电动和发电模式的合理转换，有效的利用了燃料能量，实现涡轮增压器在不同工况下能量的高效分配和利用。电机外置，有效避免了高温对电动发电机电子元件的影响。

(4) 在发动机高速工况下，通过废气旁通阀对废气流量的准确调节，实现了涡轮增压器与发动机在全工况下的良好匹配，改善了发动机的性能。

附图说明

图1本发明所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器的结构简图。

图2本发明所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器的整体结构示意图。

图3所述齿轮箱齿轮及其离合装置的结构简图。

图中：1-转子轴，2-压气机叶轮，3-压气机壳，4-齿轮箱，5-止推轴承，6-中间体，7-涡轮壳，8-冷却水腔，9-涡轮叶轮，10-第一密封环，11-浮动轴承，12-螺栓，13-离合装置，14-第二密封环，15-空气轴承，16-密封套，17-电动发电机，18-第一联轴器，19-第二联轴器，20-动力涡轮，21-排气管道，22-涡轮，23-废气旁通支管，24-废气旁通阀装置，25-压气机，26-齿轮，27-套筒，28-衔铁，29-从动摩擦片，30-主动摩擦片，31-滑环，32-线圈，33-铁芯，34-电磁离合器主动盘，35-电磁离合器从动盘。

具体实施方式

为了更清楚的说明本方案的技术特点，下面结合附图对本发明进行详细阐述。

如图1～2所示，本发明所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器，包括压气机25、涡轮22、中间体6、转子轴1、浮动轴承11、电动发电机17、齿轮箱4、动力涡轮20、空气轴承15、离合装置13、废气旁通阀装置24。所述压气机和涡轮分别设置在转子轴1的两端，所述压气机包括压气机壳3、压气机叶轮2，所述涡轮包括涡轮壳7、涡轮叶轮9。所述中间体6位于压气机和涡轮之间、分别与齿轮箱4、涡轮壳7连接，并通过浮动轴承11与转子轴1配合，所述中间体靠近涡轮的一端与转子轴1通过第一密封环10密封，所述中间体与涡轮之间设有冷却水腔8，所述冷却水腔的冷却介质为水，能降低废气热量向中间体传递，所述中间体6靠近齿轮箱4的一端设置有止推轴承5，用于中间体的轴向定位。所述齿轮箱4围绕转子轴1设置在中间体与压气机组成的空间内，所述齿轮箱下端齿轮26与电磁离合器从动盘35固定连接，所述齿轮箱能通过离合装置13的控制与转子轴1结合与分离，所述齿轮箱通过密封套16与转子轴1配合，齿轮箱与密封套16之间设置有第二密封环14，所述齿轮箱4通过螺栓12分别与压气机壳3、中间体6连接。所述电动发电机17通过第一联轴器18与齿轮箱4左端连接，所述动力涡轮20通过第二联轴器19与齿轮箱4右端连接。所述涡轮增压器带有废气旁通系统，废气旁通支管23两端分别与发动机排气歧管、涡轮排气管道21焊接连接，所述废气旁通支管23设有废气旁通阀装置24，所述废气旁通阀装置24能够跟踪压气机出口的压力值，控制废气旁通阀开度大小，所述动力涡轮废气进口通过排风管道21与涡轮增压器的涡轮废气出口和废气旁通支管23相连。

具体地，所述动力涡轮20为径流式涡轮、与涡轮增压器串联设置，由经过增压器涡轮22做功后的二级废气和旁通支路的废气驱动旋转，从而通过齿轮箱带动电动发电机发电蓄能。所述齿轮箱4由锥齿轮和直齿圆柱齿轮传动。所述电动发电机17为高速直流无刷电动发电机，能够根据发动机不同工况，控制电动发电机在电动机、发电机两种模式之间切换。所述空气轴承15为空气静压轴承，该轴承是用气体作为润滑剂的滑动轴承，具有耐高温、无污染等特点，且能够提供极高的转速，降低振动和噪声。

具体地，如图3所示，所述离合装置13为摩擦式电磁离合器包括电磁离合器从动盘35、电磁离合器主动盘34。所述电磁离合器从动盘包括套筒27、衔铁28、从动摩擦片29，所述从动摩擦片和衔铁固结在一起，并与套筒固定连接，所述齿轮26与套筒固定连接，所述电磁离合器从动盘通过空气轴承15与转子轴1配合。所述电磁离合器主动盘包括主动摩擦片30、滑环31、线圈32、铁芯33，所述主动摩擦片与铁芯固定连接，所述电磁离合器主动盘34与转子轴1通过花键连接。

根据发动机不同的工况和负荷状态，所述涡轮增压器所处的工作状态具体如下：

当发动机启动、加速或低速高负荷时，废气旁通阀24全关，电磁离合器线圈32通电，电磁离合器主动盘34被吸引，从动摩擦片29与主动摩擦片30结合，由控制电路给电动发电机17供电，电动发电机作为电动机通过齿轮箱4驱动增压器转子轴运转，同时，电动发电机还带动动力涡轮20转动，在增压器涡轮端形成背压，加速增压器运转。此时，齿轮箱4和涡轮22一起带动压气机25旋转，压气机压缩空气，能够瞬时提高发动机进气量，解决“涡轮迟滞”问题。

当发动机处于一般工况时，废气旁通阀24全关，电磁离合器线圈32断电，主动摩擦片30与从动摩擦片29分离，涡轮增压器处于断电空载状态，仅由涡轮22带动同轴的压气机25运转，控制电路转换电动发电机17为发电机模式，由动力涡轮20通过齿轮箱4带动电动发电机发电蓄能。

当发动机处于高速高负荷工况时，电磁离合器线圈32断电，主动摩擦片30与从动摩擦片29分离，涡轮增压器处于断电空载状态，控制电动发电机17为发电机模式，当压气机25出口的增压压力超过压气机背压限制值时，控制废气旁通阀24处于较大开度，大部分废气不经过涡轮22，而是通过旁通支路23与二级废气一起驱动动力涡轮20，带动电动发电机17发电，当压气机出口压力下降到低于背压限制值时，控制废气旁通阀24处于较小开度，实现增压器排量与发动机高速工况理想匹配。

当发动机处于高速低负荷工况时，涡轮22提供的能量大于压气机25需要消耗的能量。电磁离合器线圈32通电，从动摩擦片29与主动摩擦片30结合，控制电动发电机17为发电机模式，将这部分过剩的废气能量转化为电能，并限制转子轴的转速，通过跟踪压气机出口的压力值，控制废气旁通阀24保持在某个中等开度。这种工况下，电动发电机17作为发电机，将转子轴多余的能量和二级废气能量转换为电能并储存在蓄电池中，提高废气能量的利用率，改善发动机的经济性。

本发明通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式仅用于举例和说明，并非意在将本发明限制在所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.电辅助离合式动力涡轮复合增压器，包括压气机(25)、涡轮(22)、中间体(6)、浮动轴承(11)、转子轴(1)，所述压气机和涡轮分别设置在转子轴的两端，所述中间体位于压气机和涡轮之间、并通过浮动轴承与转子轴配合，其特征在于：所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器还包括电动发电机(17)、齿轮箱(4)、动力涡轮(20)、废气旁通阀装置(24)、离合装置(13)，所述齿轮箱、离合装置位于压气机与中间体组成的空间内、围绕转子轴设置，所述齿轮箱下端齿轮(26)与电磁离合器从动盘(35)固定连接，并能通过离合装置的控制与转子轴(1)结合与分离，所述齿轮箱左端通过第一联轴器(18)与电动发电机(17)连接，所述齿轮箱右端通过第二联轴器(19)与动力涡轮(20)连接，所述电辅助离合式动力涡轮复合增压器带有废气旁通系统；

所述废气旁通系统包括废气旁通支管(23)、废气旁通阀装置(24)和排气管道(21)；

所述废气旁通支管(23)的两端分别与发动机排气管、所述排气管道(21)焊接连接，所述废气旁通支管(23)设有废气旁通阀装置(24)，所述废气旁通阀装置(24)能够跟踪压气机出口的压力值，控制废气旁通阀开度大小，所述动力涡轮(20)的废气进口通过所述排气管道(21)与所述涡轮(22)的废气出口和所述废气旁通支管(23)的出气口相连。

2.根据权利要求1所述的电辅助离合式动力涡轮复合增压器，其特征在于：所述离合装置(13)为摩擦式电磁离合器包括电磁离合器从动盘(35)、电磁离合器主动盘(34)，所述电磁离合器从动盘包括套筒(27)、衔铁(28)、从动摩擦片(29)，所述从动摩擦片和衔铁固结在一起，并与套筒固定连接，所述齿轮(26)与套筒固定连接，所述电磁离合器从动盘(35)通过空气轴承(15)与转子轴(1)配合；所述电磁离合器主动盘包括主动摩擦片(30)、滑环(31)、线圈(32)、铁芯(33)，所述主动摩擦片与铁芯固定连接，所述电磁离合器主动盘(34)与转子轴(1)通过花键连接。

3.根据权利要求1所述的电辅助离合式动力涡轮复合增压器，其特征在于：所述电动发电机(17)为高速直流无刷电动发电机，所述电动发电机作为辅助电机设置在涡轮增压器外侧，通过齿轮箱(4)将能量传递到转子轴。

4.根据权利要求1所述的电辅助离合式动力涡轮复合增压器，其特征在于：所述动力涡轮(20)为径流式涡轮，并与涡轮增压器串联设置，所述动力涡轮废气进口通过排风管道(21)与涡轮增压器的涡轮废气出口和废气旁通支管(23)相连。