CN108533387B - 一种带电机/发电机的涡轮增压装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于涡轮增压器领域，具体为一种带电机/发电机的涡轮增压装置，包括增压器组件、电机组件；电机组件包括电机壳体，位于电机壳体中的电机轴、电机转子与电机定子；电机轴通过联轴器安装于涡轮轴上，并位于压气机叶轮的进气侧；电机壳体安装于压气机壳体的端部；电机转子安装于电机轴上，并能与电机轴一起旋转；电机定子安装于电机壳体内，并位于电机转子外；电机定子与电机壳体间留有冷却通道。可以提高发动机低速增压压力和进气量，避免发动机高速大负荷工况旁通废气能量损失。

Description

一种带电机/发电机的涡轮增压装置

技术领域

本发明属于涡轮增压器领域，具体为一种带电机/发电机的涡轮增压装置。

背景技术

对于内燃机来说，为了提升功率密度、降低油耗和排放，对所消耗空气进行增压是必要的手段。而目前内燃机的空气增压，普遍采用的是涡轮增压器。涡轮增压技术是内燃机提升功率，降低排放的重要措施之一，所谓涡轮增压，就是利用发动机上的排气能量，驱动压气机压缩工作，以提高进入汽缸中的充气密度。在汽缸容积一定的情况下，充气密度越大，空气量越多，就可以喷入更多燃油进行燃烧，发动机就能输出更多的功率。目前，绝大部分车用柴油机，部分车用汽油机采用了涡轮增压技术。一般而言，增压后功率可比原机提高40-60%甚至更多，发动机平均有效压力最高可达3MPa，发动机燃油经济性和排放水平同时得到改善，增压技术已经成为发动机强化的最有效手段。

然而涡轮增压器与发动机只存在气体能量交换，不存在任何机械传动。发动机的排气能量与其转速成正比。涡轮增压器是利用排气能量工作的机械，传统固定截面增压器和发动机匹配时，不能兼顾低速和高速的性能需求。往往发动机低速增压压力不足，而高速时增压压力又会过高，匹配选择不当，甚至增压器会超速造成损坏。发动机转速越宽广，这种矛盾就越突出。一般只能保证扭矩点处于高效率区，低速点、标定点油耗并不处于最佳状态。

另外，涡轮增压器与发动机只有气动联系，并且涡轮增压器转子工作转速高，可达60000-170000rpm。在涡轮转子惯量的影响下，加速到工作转速是需要一定时间的，这个效应称作涡轮的“迟滞”。涡轮增压发动机的瞬态响应不如自然吸气或者机械增压发动机，特别是在发动机低速时，排气能量本来就不足，“迟滞”现象更加严重，往往体现为加速时动力不足、燃烧恶化、冒黑烟等。涡轮增压器在使用时不能同时兼顾发动机高低转速的增压压力，有“迟滞”效应瞬态响应较差等，已然成为阻碍涡轮增压器进步的缺陷。为了克服传统涡轮增压器的缺陷，涡轮增压器进行了改进，其中之一就是通过采用电机加速叶轮来改善增压器的响应缺陷。但目前的这些方案功能简单，且存在一些缺点。

典型的方案如以下专利所述：CN：200610110974.0带电动机的增压器中展示了一种带电动机的涡轮增压器，其电动机配置在隔热罩和压气机叶轮间。中间壳体内部设置有冷却流道，用于冷却电机和扩压器。其缺点是电机置于轴承外侧，整个电机转子形成悬臂梁支撑结构，振动较大。CN201310007071.X电涡轮增压器中展示了一种带电机/发电机的涡轮高压气，其轴承采用电磁轴承，电机布置于轴承之间，并且布置有离合器，可通过离合器通断来控制电机和转子的连接。其轴承采用电磁轴承，结构复杂，且靠近高温，无可靠的散热措施，可靠性不高。CN201380007628.8流体冷却的电辅助涡轮增压器中展示了一种流体冷却的电辅助涡轮增压器。其采用浮动轴承，电机置于两轴承之间，定子外侧有油腔用于冷却电机，其采用浮动轴承，润滑油有渗入电机内部的风险。

发明内容

本发明提供一种带电机/发电机的涡轮增压装置，可以提高发动机低速增压压力和进气量，避免发动机高速大负荷工况旁通废气能量损失。

为实现上述技术目的，本发明采取的具体的技术方案为，一种带电机/发电机的涡轮增压装置，包括增压器组件，增压器组件包括借助内燃机的排气而被驱动旋转的涡轮叶片；包围该涡轮叶片的涡轮壳体；包括通过涡轮轴与涡轮叶片同轴连接并旋转的压缩进气的压气机叶轮，包围该压气机叶轮的压气机壳体；还包括电机组件；电机组件包括电机壳体，位于电机壳体中的电机轴、电机转子与电机定子；电机轴通过联轴器安装于涡轮轴上，并位于压气机叶轮的进气侧；电机壳体安装于压气机壳体的端部；电机转子安装于电机轴上，并能与电机轴一起旋转；电机定子安装于电机壳体内，并位于电机转子外；电机定子与电机壳体间留有冷却通道。

作为本发明改进的技术方案，电机组件还包括安装于电机轴端部的防尘盖、安装于电机壳体内部的电机罩盖、以及安装于电机壳体另一端的进气罩。

作为本发明改进的技术方案，电机罩盖上设有通风孔。

作为本发明改进的技术方案，还包括定子壳体，电机定子通过定子壳体安装于电机壳体上；定子壳体安装于电机壳体的一侧沿轴向设有散热翅片，定子壳体用于安装电机定子的一侧设有定子通风孔。

作为本发明改进的技术方案，还包括中间体，涡轮轴通过滚动轴承安装于中间体内，并且涡轮壳体与压气机壳体分别安装于中间体的两端。

作为本发明改进的技术方案，中间体的一侧设有用于滚动轴承供油的进油口、另一侧设有出油口。

有益效果

本发明的涡轮增压器转子与高速电机集成在一起，电控单元通过控制功率变换单元控制电机状态，使得能量在电机和储能单元之间转换（充电模式或电动模式）。当发动机废气能量不足时，控制电机输出功率，来提高增压器中涡轮叶片转速，保证发动机瞬态响应或者有足够增压压力。当发动机废气能量过剩，则开启发电模式把部分废气能量转换成电能，一方面防止涡轮超速，另一方面可提高发动机经济性。此增压器可在发动机高速高负荷时切换到发电模式，涡轮机驱动发电机发电回收排气能量，提高经济性，又可以在发动机低速时切换到电动模式，电动机驱动压气机旋转提高增压压力，提高发动机低速扭矩和瞬态响应。

附图说明

图1本发明的装置的立体结构示意图；

图2本发明装置的剖面结构示意图；

图3本发明装置的转子总成示意图；

图4本发明电机组件的结构示意图；

图5本发明增压器组件的局部示意图；

图中：1、进气罩；2、电机轴锁紧螺母；3、电机轴垫圈；4、电机右端轴承；5、电机轴；6、电机转子；7、电机左端轴承；8、联轴器；9、涡轮轴锁紧螺母；10、压气机叶轮；11、压端密封环；12、轴封；13、滚动轴承；14、涡端密封环；15、涡轮轴；151、涡轮叶片；16、涡轮壳体；161、双环形涡旋室；162、双环形涡旋室；163、通道；164、排气口；17、隔热罩；18、蜗壳压板；19、中间体；191、进油口；192、流道；193、喷口；194、出油口；20、压气机卡簧；21、气封板；22、压气机壳体；221、环形气室；222、通道；23、螺栓；24、电机壳体；241、定子通风孔；242、定子壳体；243、散热翅片；244、电机外壳；245、定子壳体支座；246、空气流道；25、电机定子；26、电机罩盖螺栓；27、进气罩螺栓；28、电机罩盖；281、通风孔；29、防尘盖螺栓；30、防尘盖。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“安装”的含义可以是部件之间的直接安装也可以是部件间通过其它部件的间接安装。

实施例

图1-2所示的一种带电机/发电机的涡轮增压装置，包括增压器组件与电机组件。

如图2、5所示，本发明中增压器组件包括借助内燃机的排气而被驱动旋转的涡轮叶片151；包围该涡轮叶片151的涡轮壳体16；通过涡轮轴15与涡轮叶片151同轴连接并旋转的压缩进气的压气机叶轮10，包围该压气机叶轮10的压气机壳体22；

在排气通路侧安装有：借助内燃机排气而旋转驱动的涡轮叶片151，和包围涡轮叶片151的涡轮壳体16，涡轮壳体16拥有环绕涡轮叶片151的双环形涡旋室161和162，这两个环形涡旋室通过通道163与涡轮叶片151连通。此外在涡轮壳体16中在与涡轮轴15同轴线的排气口164；有涡轮排气口164。

在进气通道侧安装有：压缩进气的压气机叶轮10，包围压气机叶轮10压气机壳体22，压气机壳体22拥有环绕压气机叶轮的环形气室221，环形气室221通过通道222与压气机叶轮10相连。压气机叶轮10的一端通过涡轮轴锁紧螺母9实现在涡轮轴15上的相对固定。

增压器组件还包括：中间体19、涡轮轴15通过滚动轴承13安装于中间体19内，涡轮壳体16通过蜗壳压板18固定在中间体19上；压气机壳体22通过压气机卡簧20固定在中间体19上；涡端密封环14位于中间体19密封环槽中，并位于中间体19临近涡轮叶片151侧；隔热罩17，设于中间体19端面靠近涡轮叶片151侧；压端密封环11、轴封12，设于滚动轴承13与压气机叶轮10之间，实现对滚动轴承13与压气机叶轮10的固定，具体为涡轮轴15在安装滚动轴承13段的外径大于安装压气机叶轮10段的外径，即涡轮轴15在滚动轴承13安装末端有一个台阶面，轴封12一端被台阶面固定另一端被压气机叶轮10限位，轴封12设有压端密封环11的安装槽，压端密封环11安装于轴封12上实现密封；滚动轴承13为一体式滚动轴承；气封板21，安装于压气机叶轮10与中间体19之间；

中间体19拥有向滚动轴承13供油的进油口191，油通过流道192流向喷口193，通过喷口193向滚动轴承13供油，起到润滑和冷却此轴承的功能，最终汇集的润滑油通过出油口194流出。进油口191、出油口194位于中间体19上并分设于滚动轴承13的两侧。

如图2、4所示电机组件主要包括进气罩1、电机轴锁紧螺母2、电机轴垫圈3、电机右端轴承4、电机轴5、电机转子6、电机左端轴承7、电机壳体24、电机定子25、电机罩盖28、防尘盖30。这里左、右是相对于增压器组件而言，离增压器组件近的为左，远的为右。

电机组件包括电机壳体24，电机壳体24安装于压气机壳体22的端部，并采用螺栓23固定；电机轴5通过分设于电机轴5两端的电机右端轴承4、电机左端轴承7安装于电机壳体24上，电机轴5的端头通过联轴器8安装于涡轮轴15上，并位于压气机叶轮10的进气侧；电机轴锁紧螺母2、电机轴垫圈3均设于机右端轴承4的右侧，实现机右端轴承4与电机轴5的相对固定；电机转子6与电机定子25，电机转子6安装于电机轴5上，并能与电机轴5一起旋转，电机定子25安装于电机壳体24内，并位于电机转子6外；电机罩盖28，通过电机罩盖螺栓26固定在电机壳体内部，同时电机罩盖28还有对电机右端轴承4的轴向定位功能，电机罩盖28上还设有通风孔281；防尘盖30，通过防尘盖螺栓29固定在电机罩盖28上，可通过拆卸防尘盖30来对转轴系统进行检修；进气罩1，通过进气罩螺栓27固定于电机壳体24的端头；定子壳体242，定子壳体242通过定子壳体支座245固定在电机外壳244上，电机定子25安装于定子壳体242上，定子壳体242和电机外壳244之间形成空气流道246，用于进气的流通，同时，在定子壳体242外部设有散热翅片243，用于加强散热，定子壳体242设有定子通风孔241，定子通风孔241和通风孔281可形成流道，通过导入迎面进气气流，一方面冷却电机右端轴承4和电机左端轴承7，另一方面冷却电机内部的电机转子6和电机定子25。

如图3所示，图3中箭头方向代表支撑力的方向。转子总成由电机转子组件和涡轮转子组件所组成。电机转子组件采用轴套的形式，通过电机轴锁紧螺母2分把电机左端轴承7、电机转子6、电机右端轴承4、电机轴垫圈3固定在电机轴5上。涡轮轴转子组件则通过涡轮轴锁紧螺母9把滚动轴承13、轴封12和压气机叶轮10固定在涡轮轴15上而形成。两个转子组件通过中间联轴器8连接，联轴器8采用弹性联轴器，既可以传递动力，又可以隔绝振动。整个转子总成通过滚动轴承13、电机左端轴承7和电机右端轴承4四点支撑。

本发明的工作原理是：当增压器运转时，在压气机叶轮10带动下，空气被吸入，气流流经电机起到冷却作用。同时空气被压气机叶轮10压缩到足够高的压力后输入到发动机内部参与燃烧做功，做功完成后高温高压废气排出发动机进入涡轮壳体16，推动涡轮叶片151做功，涡轮以此驱动压气机。当发动机处于低速大扭矩工况时，启动电机组件功能，电机组件作为动力与涡轮组件共同驱动压气机，由于发动机低速时排气不足，单纯的依靠涡轮推动压气机增压压力不够高，因此在电机辅助下，增压压力可以得到提升，以利于发动机低速扭矩提高。当发动机处于高速高负荷时，启动发电机功能。涡轮除了驱动压气机外，还驱动发电机运转。由于高速时发动机排气能量过剩，因此通过发电机做负载可以降低涡轮转速防止超速，又可以回收能量排气提高发动机经济性。同时在瞬态响应时，电动机亦可以驱动压气机叶轮以提高瞬态响应能力。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种带电机/发电机的涡轮增压装置，包括增压器组件，增压器组件包括借助内燃机的排气而被驱动旋转的涡轮叶片；包围该涡轮叶片的涡轮壳体，涡轮壳体拥有环绕涡轮叶片的双环形涡旋室，两个环形涡旋室通过通道与涡轮叶片连通；包括通过涡轮轴与涡轮叶片同轴连接并旋转的压缩进气的压气机叶轮，包围该压气机叶轮的压气机壳体；还包括中间体，涡轮轴通过滚动轴承安装于中间体内，并且涡轮壳体与压气机壳体分别安装于中间体的两端；涡轮轴在安装滚动轴承段的外径大于安装压气机叶轮段的外径；中间体的一侧设有用于滚动轴承供油的进油口、另一侧设有出油口；其特征在于，还包括电机组件；电机组件包括电机壳体，位于电机壳体中的电机轴、电机转子与电机定子；电机轴通过弹性联轴器安装于涡轮轴上，并位于压气机叶轮的进气侧；电机壳体安装于压气机壳体的端部；电机转子安装于电机轴上，并能与电机轴一起旋转；还包括定子壳体，电机定子通过定子壳体安装于电机壳体上；定子壳体安装于电机壳体的一侧沿轴向设有散热翅片，定子壳体用于安装电机定子的一侧设有定子通风孔；电机定子位于电机转子外；电机定子与电机壳体间留有冷却通道；电机组件还包括安装于电机壳体内部的电机罩盖，电机罩盖上设有通风孔，定子通风孔与电机罩盖上的通风孔可形成空气流道；电机组件还包括安装于电机轴端部的防尘盖以及安装于电机壳体另一端的进气罩。

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