CN108699962B - 增压装置及其控制方法、机动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内燃发动机(2)的空气增压装置(1)，该空气增压装置包括电动压缩机(8)的冷却回路(41，42)，该冷却回路(41，42)包括通往该电动压缩机(6)的空气进气管道(41)，该进气管道在热交换器(14)的出口(47)与该电动压缩机(6)之间延伸，其方式为使得能够捕获经冷却的压缩空气的一部分，其特征在于，该空气增压装置进一步包括空气再循环管道(42)，该空气再循环管道在该电动压缩机(6)与进气歧管(3)的入口(45)附近之间延伸。

Description

增压装置及其控制方法、机动车辆

技术领域

在内燃发动机机动车辆领域中，已知的实践是：通过压缩进气口上游空气来使发动机增压，以便提高其效率。

背景技术

为此，尤其已知的是使用涡轮增压器，在涡轮增压器中，压缩机由涡轮机驱动，涡轮机由发动机排气的速度驱动。

然而，涡轮增压器的效率取决于发动机排气的速度，这意味着当发动机正以低速运转时增压不是最佳的。这可能尤其在低速而发动机被要求大量功率时变得麻烦，这是因为随后发动机转矩快速增加是不可能的。

因此，还已知的实践是，无论是否存在涡轮增压器都安装电动压缩机，以便允许增压并且因此增加由发动机、尤其低速时产生的转矩。

这种电动压缩机包括安装在壳体内部的由定子和转子形成的电动机器，该转子通过穿过该壳体的轴而被紧固至压缩机叶轮。因此电动压缩机独立于发动机速度，并且可以适应发动机的增压需求，尤其以便快速地产生更多功率。

现在，当机动车辆的大小被确定其方式使得电动压缩机提供用于对发动机进行增压所需的大多数额外空气时，例如当不存在涡轮增压器时，或者当车辆实质上以低速运行例如在城市循环行驶期间时，可能发生电动压缩机被强制在很长的时间段内不中断地运转、或仅短暂的中断，这可能致使电动机器的显著发热。

具体地，当在长时间段上使用机器时，机器的定子电路通过焦耳效应变热，并且这可能对此机器造成显著的和潜在不可逆的损坏。

因此，一个已知的问题是找到一种允许机动车辆的电动压缩机在长的时间段内运转、而同时确保其不遭受不可逆损坏的解决方案。

尤其从文件US 2003/0051475中已知一种由电动机器辅助的用于涡轮增压器的冷却回路。

在此现有技术文件中，增压回路包括将外部空气流引导朝向压缩机入口的空气入口。

离开压缩机的压缩空气被引导至热交换器(被称为增压空气冷却器或称为中冷器)的入口，压缩空气在该入口处被冷却，并且经冷却的压缩空气随后被引导至进气歧管。

空气回路还包括第一空气输送管道，该第一空气输送管道的一端在热交换器的出口处开口、并且另一端在电动机器的壳体内部开口。

空气回路还包括第二管道，该第二管道的一端在电动机器的壳体内部开口、而另一端在压缩机的空气入口附近开口。

因此，通过压缩机的空气入口与热交换器的出口之间的压力梯度的作用，新鲜的压缩空气流被吸入第一旁通管道中、穿过电动机器的壳体并且被第二管道吸入，以便被再引入到歧管的入口中。

因为热交换器的出口压力很大程度上取决于空气进气口的操作并且因此取决于发动机速度，因此这种解决方案不是最佳的并且不适于包括有大量需求条件下所布置的电动压缩机的回路中的操作，无论发动机的运行速度。

因此，需要更合适的冷却装置以用于对旨在使内燃发动机增压的电动压缩机进行冷却。

发明内容

提出了一种用于对内燃发动机进行增压的装置，该装置包括：空气入口，由合适的控制装置操作的电动压缩机，该电动压缩机用于对来自空气入口的空气进行压缩，以及用于对来自压缩机的压缩空气进行冷却的热交换器，经冷却的压缩空气朝向内燃发动机的进气歧管流动，所述增压装置包括用于对电动压缩机和/或控制装置进行冷却的冷却回路，该冷却回路包括将空气输送到电动压缩机和/或输送到控制装置的空气输送管道，该空气输送管道在热交换器的出口与电动压缩机和/或控制装置之间延伸，以便能够获得经冷却的压缩空气，再循环回路进一步包括在电动压缩机和/或控制装置与进气歧管的入口附近之间延伸的空气再循环管道。

因此，冷却回路两端的允许空气在冷却回路中循环的压力梯度取决于空气在热交换器的出口与进气歧管的入口之间流动时空气的加速度。

以这种方式，冷却回路允许经冷却的压缩空气流的循环，从而提供对电动压缩机的冷却，即使在发动机运行速度为低时。

这种装置提供了使得冷却回路中的流动速率取决于压缩机的控制电流的优点，该控制电流限定了压缩机叶轮旋转的速度。具体地，电流越高，在热交换器出口处的压力将越高，因此冷却回路中的空气流动速率将越高。同样，这种装置执行对冷却回路中的空气流动速率的隐含闭环控制，使得可以减少其整合成本和开发成本，这是因为该装置不一定需要外部闭环控制。

有利地，电动压缩机包括安装在壳体中的电动机器，并且冷却回路包括该壳体的内部的至少一部分。因而，能以简单且有效的方式来冷却电动机器的部件、尤其是安装在壳体中的功率电子部件，以及电动机器的定子和转子。

有利地，控制装置包括其中容纳有至少一个功率电子器件的外壳，并且冷却回路包括该外壳的内部的至少一部分。

有利地，再循环管道在进气歧管的入口附近向外开口以便形成连结，在所述连结附近与经冷却的压缩空气流动的方向正交。因此，可以优化冷却回路两端的压力梯度，其方式为在冷却回路中获得足以对电动机器冷却的空气循环。

有利地，冷却装置进一步包括控制器件，该控制器件用于控制被允许在所述冷却回路中循环的经冷却的压缩空气的量。因此，可以独立于被动循环条件、诸如冷却回路两端的压力梯度来控制在冷却回路中循环的空气的量。

有利地，所述控制器件包括电磁阀。因此，可以获得就控制而言相对简单且可靠的控制器件。

有利地，电磁阀被安排在热交换器出口附近的冷却回路中。这样允许控制器件的有效和高性能安装。

有利地，电动压缩机包括用于产生穿过冷却回路的强制空气流的器件，用于产生强制空气流的所述器件例如是安排在转子上的叶片，所述叶片能够根据该转子的特定绕组而与该转子一体形成。

本发明还涉及一种用于控制如以上所描述的增压装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

-获取指示压缩机温度的值；

-将指示压缩机温度的所述值与至少一个激活值进行比较；

-确定用于打开冷却回路的值，

-根据所述确定的打开值来命令控制器件，以便控制被允许在所述冷却回路中循环的经冷却的压缩空气的量。

因而，用于冷却电动机器的控制器件的打开是可以快速且有效地控制的。

有利地，该控制方法进一步包括以下步骤：

-将指示压缩机温度的所述值与至少一个去激活值进行比较；

-确定用于关闭冷却回路的值，控制器件的所述命令也是根据所述确定的关闭值的。

以这种方式，可以有效地控制控制器件的闭合，以便使得用于对内燃发动机进行增压的空气的可用性最大化。

有利地，该控制方法包括以下步骤：确定与冷却回路相关联的压力梯度的值，例如根据热交换器的出口附近与进气歧管的入口附近的连结处的压力之间的压力差，对控制器件的命令也是根据所确定的闭合命令，使得当所确定的压力梯度值低于预定阈值时，控制器件至少部分地防止经冷却的压缩空气在冷却回路中循环。因此，可以产生促进空气在冷却回路中循环的模拟压降，即使当冷却回路两端的压力梯度为低时。

本发明涉及一种增压组件，该增压组件包括如以上所描述的增压装置以及被设计成用于实施该控制方法的控制构件。

控制构件可以例如是车载计算机、微处理器、或例如电动压缩机的控制单元。

本发明进一步涉及一种包括如以上所描述的增压装置的机动车辆。

附图说明

本发明的其他具体特征和优点将从阅读通过参见附图的非限制指示给出的本发明的一个特定实施例的在下文中给出的说明而变得明显，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的增压装置的示意性描绘；

-图2是用于控制根据图1的实施例的增压装置的控制方法的示意性描绘。

具体实施方式

参照图1，用于对内燃发动机2进行增压的增压装置1包括空气入口5和压缩机6。

通过余下的描述，将增压装置1和发动机2安装在机动车辆中。然而，本发明并不只是限于机动车辆，并且涉及对针对内燃发动机2的增压装置1的任何安装。

在来自空气入口5的空气已经穿过空气过滤器7之后，压缩机6接收该空气。空气过滤器7滤出可能由空气携带的并且可能会损坏压缩机6的任何固体颗粒。

经由空气入口5进入的空气通常来自组件的外部，例如来自机动车辆的外部，在该组件中安装有增压装置1和发动机2。此空气因此通常处于大气压并且处于环境温度。

具体地，空气入口可以被安装在机动车辆的正面上以便动态地获得空气，或者替代地安装在挡风玻璃的底部处，使得可以在这些位置处得到最大的动态空气压力。

此处的压缩机6是电动压缩机6，其包括安装在壳体11中且由定子10和转子9形成的电动机器8。

替代地，压缩机6可以是由电动机器辅助的涡轮增压器，当发动机以低速运行时，于是该电动机器接替涡轮增压器的涡轮机来驱动压缩叶轮。然后，此替代方案的实施可以简单地适配成用于对电动机器进行冷却。

转子9被安装在定子10的内部，其方式为能够通过由此定子10产生的电磁场旋转。

轴12被紧固至转子9的第一端并且穿过壳体11，以便在另一端处被紧固至压缩机叶轮13。转子9使轴12转动，这进而使压缩机叶轮13转动。

当压缩机叶轮13被致动时，来自空气入口5的空气被压缩、并且因此发热。

在这个例子中，压缩机6由车载控制单元20控制。

车载控制单元20从发动机2接收针对功率需求的值，例如根据由机动车辆的使用者在加速器踏板21上产生的力、或者根据使用者向所述加速器踏板21施加的位置。

取决于发动机2的运行速度，车载控制单元20计算所需的转矩以便快速地得到所需求的功率。

如果转矩的需求高于发动机2在没有增压的情况下产生的需求，则车载控制单元致动压缩机6，使得该压缩机为发动机2供应足够的增压空气从而增加所产生的转矩。

如此压缩的空气(该空气在其被压缩时被加热)被引导朝向热交换器14，使得压缩空气可以被冷却，在这个例子中该热交换器为增压空气冷却器14、也被称为中冷器。

离开冷却热交换器14的经冷却的压缩空气一直流到发动机2的进气歧管3，使得该空气可以被注入到发动机2的汽缸中。

增压装置1还包括用于对压缩机6进行冷却的冷却回路41、42。

冷却回路41、42由空气输送管道41和空气再循环管道42形成。

冷却回路41、42因此构成与以上描述的主要增压回路44平行的回路41、42。

冷却回路41、42的管道可以通过拧接、通过强制装配到刚性管道或直管道上而被固定至主回路44，该刚性管道或直管道例如设置有凹部、或替代地由套环锁定。

冷却回路41、42的管道可以由具有例如金属、聚四氟乙烯或尼龙编织物的任何合适的材料(例如增强硅橡胶)制成。总体上，冷却回路的每个管道可以由至少一种材料或由能够热隔绝经冷却的空气流的材料的组合制成，该经冷却的空气流从发动机舱所表示的高温环境循环穿过管道。其目的是使旨在对压缩机进行冷却的空气流保持在恒定的温度。

空气输送管道41被设计成用于供应能够对压缩机6的电动机器进行冷却的新鲜空气。

在这个例子中，空气输送管道41在热交换器14的出口47与压缩机6之间延伸。

具体地，空气输送管道41进入电动机器8的壳体11以便使开口进入壳体11中的空气与定子10和转子9、以及与某个空间(该空间内部容纳有该控制装置的取决于电动马达的设计技术来管理被引入定子或转子的功率的功率电子部件)尤其接触，以便通过热交换来对这些功率电子部件进行冷却。

根据本发明的实施例的替代形式，包括功率电子器件的控制装置是远离电动机器定位的，例如在功率装置被容纳在与壳体11分开的专用外壳中的安排中，冷却回路41、42包含所述外壳，因为所述外壳限定了冷却空气流动所沿着的管道的一部分。

空气再循环管道42被安装，该空气再循环管道在电动机器8的壳体11内部与进气歧管3的入口45附近之间延伸。

再循环管道42在连结点48处开口进入主回路44，在连结点48处在主回路44中循环的空气流的方向与再循环管道42正交。

此连结点48将被选择成使得在主回路44中循环的空气在此连结点48处展现出真实最大速度。

如果不能确定在主回路44上的展现真实最大空气循环速度的点，则连结点48将被选择成使得其尽可能远离热交换器14的出口47并且因此尽可能靠近进气歧管3。

再循环管道42首先允许已经用于对电动机器8进行冷却的空气被重新引入进气歧管3的上游，从而使得可以保持进气歧管3的入口处的整体空气流动速率。

此外，根据广义的观点，由于壳体11形成基本上气密性的封壳，进气歧管3的入口45附近与热交换器14的出口47之间的压力梯度使得可以得到一个低压区，该低压区致使空气在冷却回路41、42中从热交换器14的出口47循环至进气歧管3的入口45附近，以便在电动机器8的壳体11内部产生冷却空气流。

具体地，在主回路44中在热交换器14的出口47与进气歧管3之间流动的空气被加速。

因此，通过应用伯努利定理，在进气歧管3的入口附近被加速的空气是处于与在热交换器14的出口47附近的更慢的空气相比更低的压力，这意味着空气可以被吸入到并行的冷却回路41、42中。

空气的加速度可以由进气歧管3或主回路44的特定形状产生，尽管空气不是在主回路44的在热交换器14的出口47与进气歧管3的入口45附近之间的部分中被自然加速，但是文丘里(Venturi)装置可以在主回路44中安装在热交换器14与进气歧管3的入口之间，以便强制空气加速并且产生促进空气在冷却回路41、42中循环的压力梯度。

根据未描绘的替代方案，还可以将带叶片的压缩机叶轮安装在电动机器8的壳体11中，以便产生空气被泵送到空气输送管道41中的现象以及以便使冷却空气流的速率加速。

在这种情况下，增压装置在电动压缩机6的水平处包括用于产生穿过冷却回路41、42的强制空气流的器件。通过举例的方式，用于产生强制空气流的所述器件可以是安排在转子的周缘处的叶片。根据这些叶片的实施例的一种替代形式，这些叶片可以根据其特定绕组形成为转子的整体部分。替代地，将转子设置为旋转致使叶片移动，由此强制空气在冷却回路41、42的管道中循环。

在根据图1的实施例中，冷却回路41、42包括用于控制空气流动速率的控制器件。

在此，控制器件是安装在空气输送管道41的末端附近的电磁阀60，该电磁阀在热交换器14的出口47附近向外开口。

根据替代方案，控制器件可以包括膜或阀针，该膜或阀针安装在电动机器8附近的冷却回路41、42中并且密封地阻塞冷却回路41、42。阀针或膜机械地连接至抵靠空气输送回路41的弹簧，该弹簧的伸展引起长度的增加，使得其施加使膜或阀针移开的力，由此打开所述流体的通道。弹簧的大小被设定为其方式使得：当电动压缩机6的温度(该温度已经致使弹簧伸展)对应于触发冷却的阈值T1时，回路被打开。

在主模式下，电磁阀60可以由独立的控制构件来控制，或者可以由控制压缩机6的车载控制单元20来直接控制。

电磁阀60被设计成用于从空气自由进入冷却回路41、42的打开位置移动至防止空气进入冷却回路41、42的关闭位置。电磁阀60还被设计成用于采用若干个中间位置，以调制冷却回路41、42中允许的空气流动速率。

具体地，当压缩机6具有不要求激活冷却的操作温度时，电磁阀可以被定位在关闭位置中。以这种方式，在主增压回路44处不产生压降，并且发动机2的操作在这方面为最佳。

一种用于控制电磁阀60的由控制构件实施的方法包括第一步骤，在该第一步骤中，针对每个时刻t，接收100指示压缩机6的电动机器8的温度Tce的值，并且出于易读性，此温度将被称为电动机器8的温度Tce。

电动机器8的温度Tce可以由安装在机器8的壳体11中的温度传感器提供。

根据一个替代方案，电动机器8的温度Tce可以由例如微处理器的计算器件得到，该计算器件被设计成用于根据发动机速度、压缩机操作以及任何其他合适的参数来计算随后时刻电动机器8的温度Tce的估计值和/或预测值。

根据另一个替代方案，计算器件例如微处理器可以使用合适的热消散模型来预测电动机器的发热，以便预期电磁阀60的开度的调节，以便使电动机器8的壳体11中的温度Tce的调节为最佳。

如果电磁阀60处于关闭位置，则电动机器8的温度Tce接下来与上限温度T1(被称为激活温度T1)进行比较101，该上限温度例如为包含在60℃与150℃之间的激活温度T1。

如果电动机器8的温度Tce超过激活温度，则命令105电磁阀60打开，以便允许空气在冷却回路41、42中循环，其低于50℃。热交换器14可以是水类型/空气类型的交换器，因为与被认为是高温回路(诸如发动机冷却回路)的其冷却流体达到90℃与120℃之间的温度的冷却回路相比，冷却水回路是被认为是水温不超过60℃、优选地50℃的低温回路的冷却回路。根据实施例的替代形式，热交换器14可以是安排在机动车辆正面上的空气/空气类型，以便从空气吸收冷能量来对压缩空气进行冷却。

如果电磁阀60处于打开位置，则针对每个时刻t，将电动机器8的温度值与去激活值T2进行比较107，例如包含在40℃与80℃之间的温度值。

如果电动机器8的温度值低于去激活温度T2，则命令110电磁阀60关闭。

在本实施例中，去激活值T2低于激活值T1，以便确保对电动机器8进行足够的冷却。

还可以预见多个激活温度值T1，每个激活温度值T1限定电磁阀60的不同中间打开位置，使得当电磁阀60处于完全打开位置时，每个激活值T1允许对应于冷却回路41、42中的最大可能流动速率的不同部分的流动速率。因此，激活温度值T1越高，电磁阀60打开的程度就越大。

还可以预见多个去激活值，以便在电动机器8冷却时逐渐重新关闭电磁阀60。

以这种方式，可以控制冷却回路41、42中允许的空气流动速率，以便根据电动机器8的冷却需求来使经冷却的压缩空气在主回路44中的循环最大化。

根据一个替代方案，例如根据在热交换器14的出口47附近测量的或估计的压力值、在进气歧管3的入口45附近的连结48处的压力、以及主回路44的长度来计算冷却回路41、42两端的压力梯度。

如果计算出的梯度具有包含在10mbar与300mbar量级之间的值，则命令控制器件(在这个例子中为电磁阀60)部分关闭以便产生压降，使得通过文丘里效应，在进气歧管3的入口45附近的主回路44中的空气流动速率致使空气被吸入到冷却回路41、42中。

在控制方法中还可以提供一种标准，该标准在于：当发动机的功率需求非常高时，防止空气进入冷却回路41、42，以便不限制对车辆的控制。

根据另一个替代方案，可以提出根据由预定电动机器温度值Tce校准的滞后来控制电磁阀60的打开和关闭。

在仍然保持在本发明的范围内的情况下，除了电动压缩机6之外，用于对内燃发动机进行增压的装置还可以包括传统压缩机，每个压缩机优选地在内燃发动机2的不同负载点处运行。

对电动压缩机6供应经冷却的空气的管道优选地是在交换器14附近制作的支路，或者甚至根据一个实施例被直接包含在交换器14的出口集管内，该出口集管于是包括主空气出口47和次级出口，经由该次级出口冷却空气可以通向待冷却的电动压缩机6或控制装置。根据未描绘的实施例的替代形式，包括电磁阀60的空气流动速率控制器件可以例如通过模制出口集管而直接结合到交换器14中。

Claims (13)

1.一种用于对内燃发动机(2)进行增压的增压装置(1)，该增压装置包括：空气入口(5)，由合适的控制装置操作的电动压缩机(6)，该电动压缩机用于对来自该空气入口(5)的空气进行压缩，以及用于对来自该压缩机(6)的压缩空气进行冷却的热交换器(14)，经冷却的压缩空气流向该内燃发动机(2)的进气歧管(3)，

其特征在于，所述增压装置(1)包括用于对该电动压缩机(6)和/或该控制装置进行冷却的冷却回路(41，42)，该冷却回路(41，42)包括将空气输送到该电动压缩机(6)和/或输送到该控制装置的空气输送管道(41)，该空气输送管道在该热交换器(14)的出口(47)与该电动压缩机(6)和/或该控制装置之间延伸，以便能够获得经冷却的压缩空气，该冷却回路进一步包括空气再循环管道(42)，该空气再循环管道在该电动压缩机(6)和/或该控制装置与该进气歧管(3)的入口(45)附近之间延伸。

2.如权利要求1所述的增压装置，其特征在于，该电动压缩机(6)包括安装在壳体(11)中的电动机器(8)，并且该冷却回路(41，42)包括该壳体(11)的内部的至少一部分。

3.如权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，该控制装置包括其中容纳有至少一个功率电子器件的外壳，并且该冷却回路(41，42)包括该外壳的内部的至少一部分。

4.如权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，该空气再循环管道(42)在该进气歧管(3)的该入口(45)附近向外开口以便形成连结(48)，在所述连结(48)附近与经冷却的压缩空气流动的方向正交。

5.如权利要求1或2所述的增压装置，其特征在于，该增压装置进一步包括控制器件，该控制器件用于控制被允许在所述冷却回路(41，42)中循环的经冷却的压缩空气的量。

6.如权利要求5所述的增压装置，其特征在于，所述控制器件包括电磁阀(60)。

7.如权利要求6所述的增压装置，其特征在于，该电磁阀(60)被安排在该热交换器(14)的该出口(47)附近的该冷却回路(41，42)中。

8.如权利要求7所述的增压装置，其特征在于，该电动压缩机(6)包括用于产生穿过该冷却回路(41，42)的强制空气流的器件。

9.如权利要求8所述的增压装置，其特征在于，用于产生强制空气流的所述器件是安排在转子上的叶片，所述叶片能够根据该转子的特定绕组与该转子一体形成。

10.一种用于控制如权利要求5至9中任一项所述的增压装置(1)的控制方法(200)，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

-获取(100)指示该压缩机温度(Tce)的值；

-将指示该压缩机温度(Tce)的所述值与至少一个激活值(T1)进行比较(101)；

-确定打开该冷却回路(41，42)的打开值，

-根据所述确定的打开值来命令(105，110)控制器件，以便控制被允许在所述冷却回路(41，42)中循环的经冷却的压缩空气的量。

11.如权利要求10所述的控制方法(200)，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：

-将指示该压缩机温度(Tce)的所述值与至少一个去激活值(T2)进行比较(107)；

-确定关闭该冷却回路的关闭值，该控制器件的所述命令(105，110)也是根据所述确定的关闭值进行的。

12.如权利要求10或11所述的控制方法(200)，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：确定针对与该冷却回路(41，42)相关联的压力梯度的值，该控制器件的该命令(105，110)也是根据所述压力梯度值的，使得当该压力梯度值低于预定阈值时，该控制器件至少部分地防止经冷却的压缩空气在该冷却回路(41，42)中循环。

13.一种机动车辆，包括如权利要求1至9中任一项所述的增压装置(1)。

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