CN109812329A - 具有集成单向离合器和发动机的电气辅助涡轮增压器和利用其的车辆 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮增压器包括被配置为将扭矩传递给驱动轴的涡轮机叶轮、被配置为由从动轴驱动的压缩机叶轮、可操作地连接驱动轴和从动轴,使得驱动轴可以向从动轴传递扭矩并且从动轴可以超过驱动轴的单向离合器,以及能够将扭矩传递到从动轴或压缩机叶轮和/或产生电流的电动发电机。电动发电机经由从驱动轴提供的扭矩产生电流。能量存储装置可以通过电动发电机产生的电流选择性地再生。电动发电机被配置为交替地再生能量存储装置并以相对于驱动轴的超速速度驱动从动轴。涡轮机叶轮可由内燃机(ICE)排气驱动。ICE可以使用多个这样的涡轮增压器。
Description
背景技术
通常要求内燃机(ICE)在可靠的基础上长时间产生相当大的功率水平。许多这样的ICE组件采用增压装置,比如排气涡轮驱动的涡轮增压器,以在气流进入发动机的进气歧管之前压缩气流,以便增加功率和效率。
具体地,涡轮增压器是离心式气体压缩机,其与环境大气压力可实现的相比,能推动更多的空气并且因此让更多的氧气进入ICE的燃烧室。推进ICE的额外质量的含氧空气提高了发动机的容积效率,使其能够在给定的循环中燃烧更多的燃料,从而产生更多的动力。
典型的涡轮增压器包括中心轴,该中心轴由一个或多个轴承支撑并且在排气驱动的涡轮机叶轮和空气压缩机叶轮之间传输旋转运动。涡轮机和压缩机叶轮都固定在轴上,该轴与各种轴承部件组合构成涡轮增压器的旋转组件。
这种旋转组件的惯性通常影响涡轮增压器的响应,其中涡轮机叶轮的直径是主要因素之一。另一方面,因为涡轮增压器通常在特定范围的转速和气流上是有效的,所以涡轮机叶轮的直径也是产生用于增加发动机功率的必要气流的主要因素。这些考虑经常要求在最大发动机功率输出和响应之间进行折衷。
发明内容
本发明提供一种涡轮增压器,其包括:被配置为将扭矩传递给驱动轴的涡轮机叶轮、被配置为由从动轴驱动的压缩机叶轮、可操作地连接驱动轴和从动轴,使得驱动轴可以向从动轴传递扭矩并且从动轴可以超过驱动轴的单向离合器,以及能够选择性地将扭矩传递到从动轴或压缩机叶轮和/或产生电流的电动发电机。电动发电机可以经由从驱动轴提供的扭矩产生电流。涡轮增压器还可包括电能存储装置,并且能量存储装置可以通过电动发电机产生的电流选择性地再生。涡轮增压器还可包括电能存储装置,并且电动发电机可被配置为交替地再生能量存储装置并以相对于驱动轴的超速速度驱动从动轴。涡轮增压器还可包括被配置为控制电动发电机的可编程控制器。
还提供了一种内燃机。内燃机包括限定汽缸的汽缸体、安装到汽缸体并被配置为向汽缸供应空气和燃料用于在其中进行燃烧的汽缸盖、可操作地连接到汽缸盖和具有被配置为从汽缸排出排气的出口的排气歧管,和被配置为对从环境接收的气流加压以输送到汽缸的涡轮增压器。涡轮增压器包括被配置为由来自出口的排气驱动并将扭矩传递给驱动轴的涡轮机叶轮、被配置为对从环境接收的气流加压,以在由从动轴驱动时输送到汽缸的压缩机叶轮、可操作地连接驱动轴和从动轴,使得驱动轴可以向从动轴传递扭矩并且从动轴可以超过驱动轴的单向离合器,以及能够选择性地向从动轴或者压缩机叶轮传递扭矩和/或产生电流的电动发电机。电动发电机可以经由从驱动轴提供的扭矩产生电流。内燃机还可包括电能存储装置,并且能量存储装置可以通过电动发电机产生的电流选择性地再生。内燃机可以为车辆提供动力,并且当由涡轮机叶轮传递到从动轴的扭矩超过期望的扭矩时,电动发电机可以在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生能量存储装置。内燃机还可包括电能存储装置,并且电动发电机可被配置为交替地再生能量存储装置并以相对于驱动轴的超速速度驱动从动轴。内燃机还可包括被配置为控制电动发电机的可编程控制器。
还提供了一种包括从动轮和动力系的车辆,该动力系包括内燃机和可操作地连接到发动机并且被配置为将发动机扭矩传输到从动轮的变速器组件。发动机可包括限定汽缸的汽缸体、安装到汽缸体并被配置为向汽缸供应空气和燃料用于在其中进行燃烧的汽缸盖、可操作地连接到汽缸盖并具有第一出口和第二出口的排气歧管,并且第一出口和第二出口中的每一个可被配置为从汽缸、第一涡轮增压器和第二涡轮增压器排出排气。第一涡轮增压器可包括被配置为由来自第一出口的排气驱动并将扭矩传递给第一驱动轴的第一涡轮机叶轮、被配置为对从环境接收的气流加压,以在由第一从动轴驱动时输送到汽缸的第一压缩机叶轮、可操作地连接第一驱动轴和第一从动轴,使得第一驱动轴可以向第一从动轴传递扭矩并且第一从动轴可以超过第一驱动轴的第一单向离合器,以及能够选择性地将扭矩传递到第一从动轴或第一压缩机叶轮和/或经由第一驱动轴产生电流的第一电动发电机。第二涡轮增压器可包括被配置为由来自第二出口的排气驱动并将扭矩传递给第二驱动轴的第二涡轮机叶轮、被配置为对从环境接收的气流加压,以在由第二从动轴驱动时输送到汽缸的第二压缩机叶轮、可操作地连接第二驱动轴和第二从动轴,使得第二驱动轴可以向第二从动轴传递扭矩并且第二从动轴可以超过第二驱动轴的第二单向离合器,以及能够选择性地将扭矩传递到第二从动轴或第二压缩机叶轮和/或经由第二驱动轴产生电流的第二电动发电机。
第一涡轮增压器可以是低流量涡轮增压器。第二涡轮增压器可以是高流量涡轮增压器。车辆还可包括流量控制装置,其被配置为选择性地将排气引导至第一涡轮增压器和第二涡轮增压器。车辆还可包括可编程控制器,其被配置为调节和协调流量控制装置、第一电动发电机和第二电动发电机的操作。车辆还可包括电能存储装置,并且可以通过由第一电动发电机和第二电动发电机中的一个或多个产生的电流选择性地再生能量存储装置。当由第一涡轮机叶轮传输到第一从动轴的扭矩超过期望扭矩时,第一电动发电机可以在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生能量存储装置。当由第二涡轮机叶轮传输到第二从动轴的扭矩超过期望扭矩时,第二电动发电机可以在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生能量存储装置。车辆还可包括可编程控制器,其被配置为将由第一电动发电机和第二电动发电机中的一个或多个产生的电流引导至能量存储装置。车辆还可包括电能存储装置,并且第一电动发电机可以被配置为交替地再生能量存储装置并且以相对于第一驱动轴的超速速度驱动第一从动轴,并且第二电动发电机可以被配置为交替地再生能量存储装置并以相对于第二驱动轴的超速速度驱动第二从动轴。
根据示例性实施例的以下详细描述和附图,示例性实施例的其他目的、优点和新颖特征将变得更显而易见。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施例的车辆的示意图;
图2示出了根据一个或多个实施例的发动机的示意性局部横截面顶视图;
图3示出了根据一个或多个实施例的发动机的示意性局部横截面顶视图;
图4示出了根据一个或多个实施例的代表性涡轮增压器的示意性横截面图;
图5A示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的示意图;以及
图5B示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的示意图。
具体实施方式
参考附图,其中相同的附图标记在若干附图中对应于相同或相似的部件。图1示出了车辆10,其采用动力系12,例如经由从动轮14来推进其动力。如图所示,动力系12包括内燃机16,比如火花或压缩点火类型,以及可操作地连接到其上的变速器组件18。动力系12可以是将发动机16与一个或多个电动机/发电机组合的混合动力系统(未示出),但是本领域技术人员可以设想其存在。
图2示出了发动机16,其包括汽缸体20和汽缸盖24,其中汽缸体20具有布置在其中的多个汽缸22,而汽缸盖24安装在汽缸体上。如图2-3所示,汽缸盖24可以与汽缸体20结合在一起或与汽缸体20一起铸造。汽缸盖24接收在汽缸22内使用的空气和燃料用于随后的燃烧。每个汽缸22包括被配置为在其中往复运动的活塞。燃烧室28形成在汽缸盖22的底表面和活塞顶部之间的汽缸22内。每个燃烧室28接收来自汽缸盖24的燃料和空气,该燃料和空气形成燃料-空气混合物用于随后在目标燃烧室内进行的燃烧。尽管示出了直列式四缸发动机,但是没有任何内容阻止本公开应用于具有不同数量和/或布置的汽缸的发动机。
另外的可选部件可包括布置在发动机16上的第一流体泵26和第二流体泵30。第一流体泵26被配置为使加压冷却剂27循环以从发动机16的各种子系统和部件(比如,活塞和阀门)移除热量。第二流体泵30被配置为使加压油31循环,以润滑发动机16的敏感部件,比如轴承。可以通过旋转发动机16的发动机部件(比如曲轴)或通过相应的电动机(未示出)直接机械驱动第一和第二流体泵26、30中的每一个。
发动机16还包括曲轴(未示出),其被配置为在汽缸体20内旋转。由于适当比例的燃料-空气混合物在燃烧室28中燃烧,从而曲轴通过活塞旋转。在空气-燃料混合物在特定燃烧室28内燃烧之后,特定活塞的往复运动用于从相应的汽缸22排出燃烧后产物(“排气”)32。汽缸盖24还被配置为经由排气歧管34从燃烧室28排出排气32。如图2-3所示,排气歧管34可以内部铸造,即形成在汽缸盖24中。来自不同汽缸22的排气流道在排气歧管34中连接在一起,从而允许形成两个单独的出口、第一出口34-1和第二出口34-2形成用于从所有汽缸22中清除排出的排气32。
发动机16还包括涡轮增压系统36,其被配置为产生增压压力,即,对从环境接收的气流38加压,以输送到汽缸22。涡轮增压系统可包括一个或多个涡轮增压器。出于说明的目的,涡轮增压系统36被示出为用于发动机16的两级强制进气装置,包括与排气歧管34流体连通并且被配置为由排气32从第一出口34-1驱动的低流量(即,高压)涡轮增压器40。低流量涡轮增压器40以较低的排气32的流速将气流38加压并排出到汽缸22,该流速通常以发动机16的较低转速(比如低于约3,000RPM)产生。
两级涡轮增压系统36还包括高流量(即,低压)涡轮增压器42,其与排气歧管34流体连通并且被配置为由来自第二出口34-2的排气32驱动。高流量涡轮增压器40以较高的排气32的流速将气流38加压并排出到汽缸22,该流速通常以发动机16的中等和较高转速(比如约3,000RPM及以上)产生。为了支持这种不同的发动机速度范围和气流速率38,低流量涡轮增压器40的尺寸通常相对较小,因此具有比高流量涡轮增压器42更小的旋转惯性。涡轮增压系统36还可以采用具有止回阀或主动控制阀的旁路(未示出),以允许当流速超过低流量涡轮增压器40时,加压空气流38从高流量涡轮增压器42引导至汽缸22。这样,排气歧管34可操作地连接到汽缸盖24,而两个单独的出口34-1和34-2允许两个涡轮增压器40、42足够分开地安装。
两级涡轮增压系统36可以被配置为作为顺序系统操作,其中至少在一些发动机速度范围(例如,较低发动机速度)下,低流量和高流量涡轮增压器同时操作,即,具有操作重叠。两级涡轮增压系统36还可以被配置为产生增压压力作为分级系统,例如其中低流量和高流量涡轮增压器依次产生增压压力,而不具有任何操作重叠。例如,第一较大流量涡轮增压器可以最大程度地(例如,进气压力的两倍)增加进气压力,并且随后的较小流量涡轮增压器可以进一步压缩来自前一级的进气(例如,再增加两倍的进气压力,总共增加四倍的大气压力。
发动机16另外包括感应系统,该感应系统可包括空气管道和涡轮增压器40、42上游的空气过滤器,该空气过滤器被配置为将气流38从环境引导至涡轮增压系统36。尽管没有示出感应系统,但是本领域技术人员将理解这种存在。每个涡轮增压器40、42还可以流体连接到进气歧管(未示出),该进气歧管被配置为将加压气流38分配到每个汽缸22,以与适量的燃料混合并随后燃烧合成的燃料-空气混合物。
如图2-3所示,涡轮增压系统36还包括流量控制装置64。流量控制装置64安装在汽缸盖24上,并直接附接到排气歧管34的第二出口34-2并与之流体连通。高流量涡轮增压器42安装到流量控制装置64,使得排气32可以仅通过首先穿过流量控制装置来进入高流量涡轮增压器。从第一歧管出口34-1流出的流体流动路径保持畅通无阻,以便将排气32供应到低流量涡轮增压器40,而来自第二歧管出口34-2的另一流体流动路径连接到流量控制装置64。
流量控制装置64包括阀66和腔室68,并且用于选择性地打开和关闭从第二歧管出口34-2进入高流量涡轮增压器42的流体流动路径。流量控制装置64也是打开的,即与低流量涡轮机壳体40-1流体连接。如图所示,阀66可以被配置为门,该门被设计成围绕轴线Y枢转,以便选择性地打开和关闭流量控制装置64。当流量控制装置64关闭并且阀66阻塞第二歧管出口34-2时,排气32自然地流入低流量涡轮增压器40。在低流量涡轮增压器40之后,排气32从低流量涡轮机壳体40-1离开进入阀66下游的高流量涡轮机壳体42-1。另一方面,因为腔室68流体连接到低流量涡轮机壳体40-1,所以当阀门66完全打开第二歧管出口34-2时,越过低流量涡轮机壳体40的两侧的压力相等,排气32将自然地流入高流量涡轮机壳体42-1。
可以调节阀66的尺寸,以便选择低流量涡轮机叶轮40-2和高流量涡轮机叶轮42-2之间的操作转换点。而且,可以经由阀66调节进入流量控制装置64的开度,以调节或改变通过低流量涡轮机壳体40-1的排气流32,从而改变低流量和高流量涡轮增压器40、42的操作之间的重叠量。此外,选择低流量和高流量涡轮机壳体40-1、42-1的相对尺寸以改变低流量涡轮机叶轮40-2和高流量涡轮机叶轮42-2之间的操作转换点。因此,也可以控制进入阀66的腔室68的开度,以实现两个涡轮增压器40、42的顺序操作。通过这种布置,流量控制装置64被配置为选择性地将排气32引导至低流量涡轮增压器40和高流量涡轮增压器42,从而在发动机16的操作期间有效地在低流量涡轮增压器和高流量涡轮增压器之间转换。
如图4所示,每个涡轮增压器40和42包括旋转组件,包含分别安装在轴40-3和42-3上的相应涡轮机叶轮40-2和42-2。涡轮机叶轮40-2和42-2被配置为通过从汽缸22发出的排气32与相应的轴40-3、42-3一起旋转。涡轮机叶轮40-2和42-2通常由耐温和抗氧化的材料比如镍-铬基合金构成,以可靠地承受排气32的温度。
涡轮机叶轮40-2和42-2设置在相应的涡轮机壳体40-1和42-1内,该涡轮机壳体40-1和42-1通常由金属(例如,铸铁或钢)构成并且包括适当配置的,即设计的和尺寸的相应的涡轮蜗壳或涡旋件。涡轮机壳体40-1和42-1的涡轮涡壳接收排气32并将气体引导到相应的涡轮机叶轮40-2和42-2。涡轮涡壳被配置为实现相应涡轮增压器40和42的特定性能特性,比如效率和响应。每个涡轮机壳体40-1和42-1还可包括集成的废气门阀(未示出)和/或是可变几何形状的涡轮增压器,以便于更精确地控制由涡轮增压系统36产生的增压压力(例如,低流量涡轮增压器40和高流量涡轮增压器42的操作之间的转换和/或重叠。流量控制装置64可以用作低流量涡轮增压器40的废气门。
每个涡轮增压器40、42还包括安装在相应的轴40-3、42-3上的压缩机叶轮40-6和42-6。因此,对于每个涡轮增压器40、42,相应的涡轮机叶轮40-2和42-2以及压缩机叶轮40-6和42-6经由共同的相应轴40-3、42-3机械联接。压缩机叶轮40-6和42-6被配置为对从环境或另一个压缩机叶轮40-6或42-6接收的气流38加压,以最终输送到汽缸22。压缩机叶轮40-6和42-6设置在相应的压缩机盖40-7和42-7内。每个压缩机盖40-7、42-7通常由金属(例如铝)构成,并包括相应的压缩机蜗壳或涡旋件。如本领域技术人员所理解的,排气32的可变流量和力影响在发动机16的整个操作范围内各个涡轮增压器40和42的每个压缩机叶轮40-6和42-6可能产生的增压压力的量。每个压缩机叶轮40-6、42-6通常由轻质和/或高强度金属(例如铝合金)形成,其为压缩机叶轮提供减小的转动惯量和更快的旋转加速响应。
涡轮增压器40、42中的每一个可选地包括轴承系统44,该轴承系统44被配置为支撑相应的涡轮机叶轮40-2、42-2、轴40-3、42-3和压缩机叶轮40-6、42-6中的一个或多个。如图所示,涡轮增压器40和42的轴承系统44沿相应轴承壳体40-8和42-8内的轴线X安装在相应的孔50中。轴承壳体40-8和42-8可以由能够承受适当的热和机械应力的合适的坚固材料(例如,铝-硅合金或球墨铸铁)形成,并且被配置为保持孔50的尺寸稳定性。每个涡轮增压器40、42中的轴承系统44可包括轴颈轴承46和止推轴承组件48,两者都在下面详细描述。
具体地,每个轴40-3、42-3通常被支撑以经由一组轴颈轴承46绕轴线X旋转。轴颈轴承46沿着轴线X在相应的轴承壳体40-8和42-8内安装在孔50中,并且由经由第一流体泵26供应的加压冷却剂27冷却,并且由通过经由第二流体泵30供应的加压油31润滑。轴颈轴承46被配置为控制相应轴40-3、42-3的径向运动和振动。
另外,每个涡轮增压器40、42的轴承系统44可包括止推轴承组件48。每个止推轴承组件48被配置为吸收由相应的涡轮机叶轮40-2、42-2、轴40-3、42-3和压缩机叶轮40-6、42中的一个或多个产生的推力,而涡轮增压器40、42对气流38加压。如图4所示,止推轴承组件48包括止推环51和止推垫圈52。每个轴承壳体40-8、42-8包括止推壁54。止推轴承组件48还包括止推板56,该止推板56由止推保持器58抵靠止推壁54保持就位。
低流量涡轮增压器40还包括第一电动发电机40-9和/或高流量涡轮增压器42还包括第二电动发电机42-9。电动发电机40-9、42-9被配置为例如经由电能存储装置74提供的动力选择性地辅助排气32驱动相应的涡轮增压器40和/或42。可选地,由于发动机16的期望性能所需,第一电动发电机40-9可以可操作地连接到并且并入高流量涡轮增压器42中,和/或第二电动发电机42-9可以可操作地连接并结合到低流量涡轮增压器40中。特别地,电动发电机40-9、42-9被配置为在加速时选择性地辅助排气32驱动相应的涡轮增压器40和/或42,以补偿由压缩机叶轮40-6和/或称为“涡轮迟滞”的42-6产生的不足的增压。电动发电机40-9和/或42-9附加地或替代地被配置为在经由低流量涡轮增压器40和/或高流量涡轮增压器42驱动时产生电流。在一个示例中,当涡轮机叶轮40-2和/或42-2经由排气32产生的扭矩超过为压缩机叶轮40-6和/或42-6供电所需的扭矩时,电动发电机40-9和/或42-9可以限制转换成压缩机叶轮40-6和/或42-6的功率并产生电流。产生的电流可以再生(例如,充电)能量存储装置74,或者向一个或多个其他电力消耗者提供电流。在另一个示例中,电动发电机40-9和/或42-9可以通过转换一些或全部涡轮机叶轮40-6和/或42-6扭矩来经由再生制动在制动时间期间产生电流。驱动电动发电机40-9和/或42-9的一个或两个涡轮机叶轮40-2、42-2也增加发动机上的背压,这有助于制动。
如图2-4所示,电动发电机40-9和/或42-9可以结合到相应涡轮增压器40和/或42的轴承壳体40-8和/或42-8中。如本领域中已知的,电动发电机40-9和42-9可以通过各种方式附接到相应的轴40-3、42-3。或者,电动发电机40-9和42-9可以可操作地连接到压缩机叶轮40-6和42-6或与压缩机叶轮40-6和42-6成为一体,而不是将扭矩传递给相应的轴40-3、42-3。具体地,电动发电机40-9和42-9可以在压缩机叶轮40-6和42-6的与涡轮机40-6和42-6相对的一侧上可操作地连接到压缩机叶轮40-6和42-6或与压缩机叶轮40-6和42-6成为一体;这种配置如下面的图5B所示。本领域技术人员将知道参考图2-4中所示的电动发电机40-9、42-9方向描述的实施例不排除利用图5B所示的电动发电机40-9和42-9方向的相同实施例的类似公开。
如上所述,每个涡轮增压器40、42的轴颈轴承46和止推轴承组件48由通过相应的冷却剂套管60循环的加压冷却剂27冷却。为了利用轴承壳体40-8、42-8内提供的冷却,第一电动发电机40-9和第二电动发电机42-9可以布置在特别是靠近冷却套从而进行有效冷却的相应的轴承壳体内。电动发电机40-9、42-9的这种对流冷却旨在促进电动发电机的可靠性能。涡轮增压器40、42可以附加地或替代地包含专用冷却回路(未示出),用于实现与一个或两个电动发电机40-9和42-9的热传递。
涡轮机叶轮40-2和42-2以及压缩机叶轮40-6和42-6经由共同的相应的轴40-3、42-3机械地联接,使得每个涡轮机叶轮40-2或42-2及其相应的压缩机叶轮40-6或42-6共享旋转特性(例如,旋转速度)。因此,当利用电动发电机来辅助涡轮增压器以驱动附属压缩机叶轮时,能量也被浪费在驱动附属涡轮机叶轮方面。因此,如图5A-B所示,提供涡轮增压器40、42,其包括飞轮或单向离合器40-0、42-0。单向离合器40-0、42-0使压缩机叶轮40-6、42-6与涡轮机叶轮40-2或42-2之间,如图5B所示,或者电动发电机40-9、42-9和涡轮机叶轮40-2或42-2之间的轴40-3、42-3分叉,如图5A所示,以形成驱动轴40-4、42-4和从动轴40-5、42-5。驱动轴40-4、42-4将涡轮机叶轮40-2或42-2机械地联接到单向离合器40-0、42-0,并且从动轴40-5、42-5将单向离合器40-0、42-0机械地联接到压缩机叶轮40-6、42-6。在各种实施例中,电动发电机40-9、42-9可各自驱动一个或多个从动轴40-4、42-4或一个或多个压缩机叶轮40-6、42-6。如图5A所示,从动轴40-5、42-5将电动发电机40-9、42-9机械地联接到单向离合器40-0、42-0和压缩机叶轮40-6、42-6。在这样的实施例中,每个从动轴40-5、42-5可包含两个轴,例如在电动发电机40-9、42-9的任一侧上的一个轴。如图5B所示,从动轴40-5、42-5将单向离合器40-0、42-0机械地联接到压缩机叶轮40-6、42-6一侧的压缩机叶轮40-6、42-6上,并且电动发电机40-9、42-9在压缩机叶轮40-6、42-6的相对侧机械地联接到压缩机叶轮40-6、42-6。
单向离合器40-0、42-0设置成使得从动轴40-5、42-5可以超过(即,以比其更大的速度旋转)驱动轴40-4、42-4。因此,当电动发电机40-9、42-9用于直接或经由从动轴40-5、42-5驱动压缩机叶轮40-6、42-6时,通过类似地驱动涡轮机叶轮40-2或42-2而不浪费能量,相比于压缩机叶轮40-6、42-6涡轮机叶轮40-2或42-2具有明显更高的惯性,这是由于其由重材料(例如,耐高温材料)构造成。这在涡轮增压器40,42加速期间特别有利,因为更快地产生更高的增压压力,从而例如减少涡轮迟滞。此外,通过不给涡轮机叶轮40-2或42-2通电,需要较少的电能来实现压缩机叶轮40-6或42-6的所需运动。另外,因为增加的增压压力允许更多的燃料喷射到发动机16的一个或多个汽缸22中,所以排气32的流速和/或焓进一步增加了涡轮机叶轮40-2或42-2的输出扭矩。因此,可以更快地实现期望的增压压力,并且能量消耗更少。虽然通过单向离合器40-0、42-0将额外的惯性添加到每个涡轮增压器40、42的旋转组件,但是增加的惯性可以由电动发电机40-9、42-9补偿。此外,单向离合器40-0、42-0的增加的惯性小于与其分离的相应的涡轮机叶轮40-2或42-2的惯性,因此在加速和其它增压事件期间需要更少的能量。
此外,单向离合器40-0、42-0有利地不干扰电动发电机40-9、42-9产生的电流。当需要增压时,必须将相应量的所需扭矩传递到压缩机叶轮40-6、42-6,以便产生所需的增压压力。在某些情况下,排气32的流量可能不足以驱动涡轮机叶轮40-2、42-2产生并将所需量的扭矩传输给压缩机叶轮40-6、42-6;因此,一个或两个电动发电机40-9和/或42-9可以驱动一个或多个压缩机叶轮40-6、42-6或从动轴40-5和42-5以提供所需的增压压力(例如,以补偿涡轮迟滞)。例如,一个或两个电动发电机40-9和/或42-9的这种操作可以由控制器70控制。当排气32流量足以驱动涡轮机叶轮40-2、42-2产生并将所需量的扭矩传输到压缩机叶轮40-6、42-6时,单向离合器40-0、42-0自动地实现从驱动轴40-4、42-4到从动轴40-5和42-5的扭矩传输。当从驱动轴40-4、42-4传输到从动轴40-5和42-5的扭矩增加时,由一个或两个电动发电机40-9和/或42-9传递的扭矩驱动一个或多个压缩机叶轮40-6、42-6或从动轴40-5和42-5可以相应地减少或完全消除。在某些情况下,当涡轮机叶轮40-2、42-2产生超过希望传输到压缩机叶轮40-6、42-6的扭矩时,过量扭矩可由一个或两个电动发电机40-9和/或42-9用于产生电流。由一个或两个电动发电机40-9和/或42-9产生的电流可用于再生电力存储装置74。具体地,在车辆10的操作期间,当由相应的涡轮机叶轮40-2、42-2,从而是相应的压缩机叶轮40-6、42-6传输到相应的从动轴40-5、42-5的扭矩超过了期望的扭矩时,一个或两个电动发电机40-9和/或42-9可以在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生能量存储装置74。具体地,能量存储装置74可包含电池,并且再生电池可包含对电池充电。
车辆10可另外包括可编程控制器70,其被配置为比如通过控制喷射到汽缸22中的燃料量以用于与加压气流38混合和用于随后的燃烧来调节发动机的操作。控制器70可以被配置为中央处理单元(CPU),其被配置为调节内燃机16(在图1中示出)、混合动力传动系(未示出)或其他替代类型的发电厂以及其他车辆系统或专用控制器的操作。为了适当地控制发动机16的操作,控制器70包括存储器,其中至少一些存储器是有形的和非暂时的。存储器可以是参与提供计算机可读数据或处理指令的任何可记录介质。这种介质可以采用许多形式,包括但不限于非易失性介质和易失性介质。
用于控制器70的非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘,以及其他永久存储器。易失性介质可以包括例如可以构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。这些指令可以由一个或多个传输介质,包括同轴电缆、铜线和光纤传输,包括含有联接到计算机处理器的系统总线的电线。控制器70的存储器还可包括软盘、软磁盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质等。控制器70可以配置或配备有其他所需的计算机硬件,比如高速时钟、必需的模数(A/D)和/或数模(D/A)电路、任何必要的输入/输出电路和设备(I/O),以及适当的信号调节和/或缓冲电路。控制器70所需的或可由其访问的任何算法可以存储在存储器中并自动执行以提供所需的功能。
控制器70可以被编程为关闭流量控制装置64(如图2所示)以将排气32引导至低流量涡轮增压器40并打开控制阀(如图3所示)以根据发动机16的操作参数,比如负载、温度和转速来将排气引导至高流量涡轮增压器42。因此,控制器70可以被编程为以低于排气32的预定流量72关闭流量控制装置64并且以预定流量或高于预定流量打开控制阀。
控制器70可以被配置为控制一个或两个电动发电机40-9和/或42-9。例如,控制器70可以被配置为将由第一电动发电机40-9和第二电动发电机42-9中的一个或多个产生的电流引导到能量存储装置74。此外,控制器70可以被配置为调节和协调流量控制装置64、第一电动发电机40-9和第二电动发电机42-9的操作。在一个实施例中,例如在涡轮增压器40、42加速期间,控制器70可以基于命令的增压压力来确定要传递给从动轴40-5和42-5或压缩机叶轮40-6、42-6的所需扭矩。控制器可以经由一个或多个电动发电机40-9、42-9向从动轴40-5、42-5或压缩机叶轮40-6、42-6传递不同水平的扭矩,使得由一个或多个电动发电机40-9、42-9和相应的涡轮40-2、42-2传递到从动轴40-5、42-5或压缩机叶轮40-6、42-6的组合扭矩对期望的增压压力产生影响。
虽然以上描述了示例性实施例,但并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语,并且应当理解,在不脱离本公开的精神和范围的情况下,可以进行各种改变。如前所述,各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或说明的本发明的其他实施例。尽管各种实施例可以被描述为相对于一个或多个期望特性提供优势或优选于其他实施例或现有技术实施方式,但是本领域普通技术人员认识到可以损害一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性,这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易组装性等。因此,描述为相对于一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实施方式所期望的实施例不在本公开的范围之外,并且对于特定应用可能是期望的。
Claims (10)
1.一种涡轮增压器,包含:
涡轮机叶轮,其被配置为将扭矩传递到驱动轴;
压缩机叶轮,被配置为由从动轴驱动;
单向离合器,其可操作地连接所述驱动轴和所述从动轴,使得所述驱动轴可以向所述从动轴传递扭矩,并且所述从动轴可以超过所述驱动轴;以及
电动发电机,其能够选择性地向所述从动轴或所述压缩机叶轮传递扭矩,和/或经由从所述驱动轴提供的扭矩产生电流。
2.一种内燃机,包含:
汽缸体,其限定汽缸;
汽缸盖,其安装在所述汽缸体上并被配置为向所述汽缸供应空气和燃料用于在其中进行燃烧;
排气歧管,其可操作地连接到所述汽缸盖上并具有被配置为从所述汽缸排出排气的出口;以及
涡轮增压器,其被配置为对从环境接收的气流加压以输送到所述汽缸,所述涡轮增压器包括:
涡轮机叶轮,其被配置为由来自所述出口的排所述气驱动并将扭矩传递给驱动轴;
压缩机叶轮,其被配置为对从环境接收的气流加压,以在由从动轴驱动时输送到所述汽缸;
单向离合器,其可操作地连接所述驱动轴和所述从动轴,使得所述驱动轴可以向所述从动轴传递扭矩,并且所述从动轴可以超过所述驱动轴;以及
电动发电机,其能够选择性地向所述从动轴或所述压缩机叶轮传递扭矩,和/或经由从所述驱动轴提供的扭矩产生电流。
3.根据上述权利要求所述的涡轮增压器或内燃机,还包含电能存储装置,其中所述能量存储装置通过由所述电动发电机产生的电流选择性地再生。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器或内燃机,还包含电能存储装置,其中所述电动发电机被配置为交替地再生所述能量存储装置并且以相对于所述驱动轴的超速速度驱动所述从动轴。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器或内燃机,其中所述内燃机为车辆提供动力,并且当由所述涡轮机叶轮传输到所述从动轴的所述扭矩超过期望扭矩时,所述电动发电机在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生所述能量存储装置。
6.一种车辆,包含:
从动轮;以及
动力系,其包括内燃机和可操作地连接到所述发动机并且被配置为将发动机扭矩传递到所述从动轮的变速器组件,所述发动机包括:
汽缸体,其限定汽缸;
汽缸盖,其安装在所述汽缸体上并被配置为向所述汽缸供应空气和燃料用于在其中进行燃烧;
排气歧管,其可操作地连接到所述汽缸盖并具有第一出口和第二出口,其中所述第一出口和所述第二出口中的每一个被配置为排出来自所述汽缸的排气;
第一涡轮增压器,其包括:
第一涡轮机叶轮,其被配置为由来自所述第一出口的所述排气驱动并将扭矩传递给第一驱动轴;
第一压缩机叶轮,其被配置为对从环境接收的气流加压,以在由第一从动轴驱动时输送到所述汽缸;
第一单向离合器,其可操作地连接所述第一驱动轴和所述第一从动轴,使得所述第一驱动轴可以向所述第一从动轴传递扭矩,并且所述第一从动轴可以超过所述第一驱动轴;以及
第一电动发电机,其能够选择性地向所述第一从动轴或所述第一压缩机叶轮传递扭矩,和/或经由所述第一驱动轴产生电流;以及
第二涡轮增压器,其包括:
第二涡轮机叶轮,其被配置为由来自所述第二出口的所述排气驱动并将扭矩传递给第二驱动轴;
第二压缩机叶轮,其被配置为对从环境接收的气流加压,以在由所述第二从动轴驱动时输送到所述汽缸;
第二单向离合器,其可操作地连接所述第二驱动轴和所述第二从动轴,使得所述第二驱动轴可以向所述第二从动轴传递扭矩,并且所述第二从动轴可以超过所述第二驱动轴;以及
第二电动发电机,其能够选择性地向所述第二从动轴或所述第二压缩机叶轮传递扭矩,和/或经由所述第二驱动轴产生电流。
7.根据权利要求6所述的车辆,还包含流量控制装置和可编程控制器,所述可编程控制器被配置为调节并协调所述流量控制装置、所述第一电动发电机和所述第二电动发电机的操作。
8.根据权利要求6-7所述的车辆,还包含电能存储装置,其中通过由所述第一电动发电机和所述第二电动发电机中的一个或多个产生的所述电流选择性地再生所述能量存储装置。
9.根据权利要求6-8所述的车辆,其中当由所述第一涡轮机叶轮传递到所述第一从动轴的扭矩超过期望扭矩时,所述第一电动发电机在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生所述能量存储装置,并且其中当由所述第二涡轮机叶轮传递到所述第二从动轴的扭矩超过期望扭矩时,所述第二电动发电机在非制动车辆操作期间以及在车辆制动事件期间再生所述能量存储装置。
10.根据权利要求6-9所述的车辆,还包含电能存储装置,其中所述第一电动发电机可以被配置为交替地再生所述能量存储装置并且以相对于所述第一驱动轴的超速速度驱动所述第一从动轴,并且其中所述第二电动发电机可以被配置为交替地再生所述能量存储装置并以相对于所述第二驱动轴的超速速度驱动所述第二从动轴。
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