CN112031926A - 一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，包括废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动/发电机。涡轮轴贯穿安装于废气涡轮壳和进气涡轮壳内中心，涡轮轴的一端通过电磁离合器与行星齿轮组的输出端连接，电动/发电机的转轴与行星齿轮组的输入端连接，位于所述废气涡轮壳和进气涡轮壳内的涡轮轴段分别安装有废气叶轮和进气涡轮，进气涡轮壳设置空气进气通道和与气缸进气口连通的通道；本发明其结构可以让进气涡轮叶片不再受尺寸限制，使增压无迟滞，进气量更大。在提高发动机功率的同时，还大幅度提高增压器散热性能，以延长增压器轴承及密封元件使用寿命，减少或杜绝漏油带来的发动机“烧机油”问题。
Description
技术领域
本发明属于涡轮增压器技术领域，具体涉及一种双动力、无迟滞启动，快速增压，并能对其进行快速散热的涡轮增压装置。
背景技术
为适应环保要求和节能需求，多数汽车发动机上都采用了进气增压装置。通过增加进气压力和密度，往发动机内压入更多的空气，提升发动机的输出功率或者在同等输出功率下提升燃油经济性。
增压装置基本上分为机械增压和涡轮增压二类。机械增压器是一种强制性容积置换泵，由曲轴通过传动皮带驱动，与发动机同步开始工作，对进气开始增压。但机械增压归根到底还是发动机驱动，虽然传动比经过放大（驱动皮带轮直径大于增压器皮带轮）使增压器响应速度快，但其缺点是不能随着发动机转速增高而继续提高压气效率，还牺牲了部分动能，对动力进一步提升反而无益。
涡轮增压器是利用排出的高速高压废气，推动涡轮增压器排气端的叶轮高速旋转，带动与之相连的另一侧的压气机叶轮同时转动，将进气压缩注入气缸内燃烧，以提高发动机功率。但涡轮增压器启动需要大流量的废气，在发动机转速达到1250转左右时才能提供。汽车刚起步时，发动机转速由怠速500~600转/分升至1200多转前，排出的废气量不足以驱动增压器工作为进气增压，与发动机功率、转速的提升产生时间差。因此，装有废气涡轮增压器的汽车在起步加速时会产生动力迟滞现象。
发动机在启动后不久，排气温度就能达到600摄氏度以上。而使用AVG技术的涡轮增压器，排气温度更是高达1000摄氏度左右。虽然现在增压器通过润滑进、排气涡轮连接轴的机油能带走一部分热量，但发动机熄火后，增压器温度依然非常高，对涡轮的轴承、密封件损害很大。由于经常处于高速、高温状态，涡轮增压器内的轴承及密封元件均无法达到长寿命使用。尤其是密封元件，一旦老化失效，就会导致起润滑、降温作用的机油从进、排气涡轮轴处泄露。或从排气端排向三元催化器，堵塞损坏催化器；或从进气端进入气缸燃烧，在缸内活塞、气门上产生积碳，影响发动机动力。总之，不管是排向那里，都使机油消耗过快，产生“烧机油”问题。
目前，有些车辆采用机械增压+涡轮增压方式，就是为了解决两种增压器的不足，将两者的优点结合起来，解决了机械增压器高速效率低，涡轮增压器迟滞的问题。带来的缺点则是增加了成本、体积和重量。另外，高温、高速导致的“烧机油”问题始终没有妥善地解决。
发明内容
针对现有机械增压、废气涡轮增压以及双涡轮增压的方式存在的缺陷和问题，本发明提供一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其结构可以让进气涡轮叶片不再受尺寸限制，使增压无迟滞，进气量更大。在提高发动机功率的同时，还大幅度提高增压器散热性能，以延长增压器轴承及密封元件使用寿命，减少或杜绝漏油带来的发动机“烧机油”问题。
本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，包括废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动/发电机。涡轮轴贯穿安装于废气涡轮壳和进气涡轮壳内中心，涡轮轴的一端通过电磁离合器与行星齿轮组的输出端连接，电动/发电机的转轴与行星齿轮组的输入端连接，位于所述废气涡轮壳和进气涡轮壳内的涡轮轴段分别安装有废气叶轮和进气涡轮，进气涡轮壳设置空气进气通道和与气缸进气口连通的通道，废气涡轮壳的入口与气缸出气口连通有高压废气进气道，废气涡轮壳的出口连接排气管；在位于废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动发电机的外壳封闭安装有空气导流罩，该空气导流罩与其内侧各壳体之间存在导流间隙，同时在所述电动/发电机的转轴另一端安装有进气风扇叶片，用于驱动气流从空气导流罩的一侧流向另一侧。
进一步的，所述废气涡轮壳与进气涡轮壳之间匹配安装有轴承座，所述废气涡轮壳和进气涡轮壳之间的涡轮轴上的匹配套装有密封轴承盒，密封轴承盒的左右两端分别与相邻涡轮壳密封连接。
进一步的，设置有从密封轴承盒一侧进入轴承盒内并从另一侧排出的油管，用于可控地对轴承盒内的轴承进行润滑、冷却。
进一步的，还设置有用于接通、断开电机/发动机与涡轮轴连接的电磁离合器B。
进一步的，所述行星齿轮组包括齿轮箱，齿轮箱内从左至右依次设置有第一组行星齿轮和第二组行星齿轮，所述第一组行星齿轮的输入端与第二组行星齿轮的输出端连接，所述第一组行星齿轮的输出端与涡轮轴连接，所述第二组行星齿轮的输入端与电动/发电机4的转轴连接。
进一步的，所述第一组行星齿轮和第二组行星齿轮的结构相同，均包括太阳轮、行星轮、行星齿轮架和外齿圈，所述太阳轮和行星轮的外缘都设有外环齿，行星轮的中部都设置有齿轮轴孔，所述太阳轮为高速输出端，所述行星轮的齿轮孔内套装有固定轴承，所述外齿圈为齿轮箱体，其内缘设有内环齿，所述太阳轮与外齿圈之间均匀设置不少于3个行星齿轮，所述行星齿轮、外齿圈和太阳轮处于常啮合状态，所述行星齿轮由行星齿轮架连接成为行星齿轮组，所述行星齿轮架上设置有行星齿轮轴孔，且输入轴与电动/发电机的转轴连接。
进一步的，所述进气风扇叶片外侧的空气导流罩内设有封堵安装的进气过滤网。
进一步的，所述进气风扇叶片与电动/发电机之间的电机转轴上设有电磁离合器C。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，结构独特，包括废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动/发电机。贯穿安装于废气涡轮壳和进气涡轮壳内中心的涡轮轴的一端通过电磁离合器与行星齿轮组的输出端连接，电动/发电机的转轴与行星齿轮组的输入端连接，电动/发电机是48V具备发电功能的电机.当汽车起步时，控制器会自动控制电动/发电机启动,并通过行星齿轮组增大传动比，使输出的转速提高，可驱动涡轮轴立即启动，从而使进气涡轮迅即为进气增压，解决了现有废气涡轮增压器的汽车在起步和急加速时产生的动力迟滞现象；并且当发动机的废气排出量达到可驱使废气涡轮高速旋转时，控制器会控制电动/发电机转换成发电模式，高速转动的涡轮轴通过行星齿轮组反向带动电动/发电机开始发电，可直接将所发电能供应给车载电器，从而降低了车载电源的负荷；在废气驱动涡轮轴反向带动电动/发电机转动过程中，传递的动力通过行星齿轮组后传动比减小，可以使电动/发电机转速降低，不仅减少了废气做功损失，还可以保护电动/发电机在其合适的转速范围内工作；当增压器需要满负荷工作时，电磁离合器B断开，停止带动电动/发电机。
在位于废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动发电机的外侧封闭安装有空气导流罩，该空气导流罩与其内侧各壳体之间存在导流间隙，同时在所述电动/发电机4的转轴另一端安装有进气风扇叶片。冷车启动时，安装在发动机冷却系统中的温控器控制电磁离合器C断开，进气风扇叶片静止；发动机温度正常后，电磁离合器C结合，进气风扇页片与电动/发电机的转轴同步转动，且进气风扇页片D转动时会将空气导流罩E外的空气吸入空气导流罩E内，并沿空气导流罩E与其内侧各壳体之间存在的导流间隙向另一侧排出，加快了空气导流罩E内的空气流动速度，将空气导流罩E内的高温热量迅速排出，从而对增压器进行持续降温，提高了增压器的散热性能。并且在发动机熄火后，控制器自动控制电动/发电机4继续工作，延时停止。先带动涡轮轴和进气风扇叶片同时转动，以避免涡轮轴处的机油因“热停机”而使机油发生氧化（积碳）的现象。N（≥1）分钟后，电磁离合器B断开行星齿轮组输出轴与涡轮轴的连接，电动/发电机4则继续带动进气风扇叶片转动，对增压器进行持续降温。N（≥1~3）分钟后，电动/发电机停止工作。
本发明提供一种双动力、无迟滞启动，并且可以快速散热的涡轮增压器。其结构可以让进气涡轮叶片不再受尺寸限制，使增压无迟滞，进气量更大。在解决装有以上三种方式增压装置问题，提高发动机功率的同时，还大幅度提高增压器散热性能，以延长增压器轴承及密封元件使用寿命，减少或杜绝漏油带来的发动机“烧机油”问题。其中电磁离合器B作用：（1）启动时，发动机没有提供高压废气时，电磁离合器B闭合，使电动机对传动轴提供动力，以及其他需要急加速时由电动机对传动轴提供动力。（2）油管连接发动机缸体主油道。熄火时，控制器控制电磁离合器B持续工作1分钟左右后停止。（3）发动机满负荷工作时（例如持续爬坡、高原区域），电磁离合器B断开，卸载电动发电机。发动机非满负荷工作时，高压废气进气道的压力过多（现有通过泄压阀卸到一部分压力），本方案能够将多余能量转化为发动机能量转入蓄电池（电量充满后，充电调节器断开充电，发电机空转，仅带动进气风扇转动）。
冷车启动时，电磁离合器C断开，不能让电扇转，发动机工作时一直转，停机后延迟一段时间。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明行星齿轮组结构示意图。
图3是本发行星齿轮太阳轮与行星轮位置关系示意图。
图4是本发明行星架结构示意图。
图中标号：1、废气涡轮壳，2、进气涡轮壳，3、行星齿轮组，31为齿轮箱，32为第一组行星齿轮，33为第二组行星齿轮，34、太阳轮，35、行星轮，36、外齿圈，361、内环齿，37、固定轴承，38、行星齿轮架，381、输入轴，382、销孔，4、电动/发电机，5、涡轮轴，6、废气涡轮，7、进气涡轮，B、1号电磁离合器，C、2号电磁离合器，D、进气风扇叶片，E、空气导流罩，F、进气滤网，G、电机轴承座及轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
涡轮增压器是利用发动机排出的高速高压废气，推动涡轮增压器排气端的叶轮高速旋转，带动与之相连的另一侧的压气机叶轮同时转动，将进气压缩注入气缸内燃烧，以提高发动机功率。但涡轮增压器启动需要大流量的废气，在发动机转速达到1250转左右时才能提供。汽车刚起步时，发动机转速由怠速500~600转/分升至1200多转前，排出的废气量不足以驱动增压器工作为进气增压，与发动机功率、转速的提升产生时间差。因此，装有废气涡轮增压器的汽车在起步加速时会产生动力迟滞现象。
发动机在启动后不久，排气温度就能达到600摄氏度以上。而使用AVG技术的涡轮增压器，排气温度更是高达1000摄氏度左右。虽然现在增压器通过润滑进、排气涡轮连接轴的机油能带走一部分热量，但发动机熄火后，增压器温度依然非常高，对涡轮的轴承、密封件损害很大。由于经常处于高速、高温状态，涡轮增压器内的轴承及密封元件均无法达到长寿命使用。尤其是密封元件，一旦老化失效，就会导致起润滑、降温作用的机油从进、排气涡轮轴处泄露。或从排气端排向三元催化器，堵塞损坏催化器；或从进气端进入气缸燃烧，在缸内活塞、气门上产生积碳，影响发动机动力。总之，不管是排向那里，都使机油消耗过快，产生“烧机油”问题。
针对上述问题，本实施例提供了一种双动力、无迟滞启动，并且可以快速散热的涡轮增压器。如图1-4所示，包括废气涡轮壳1、进气涡轮壳2、行星齿轮组3和电动/发电机4，贯穿安装于废气涡轮壳1和进气涡轮壳2内中心的涡轮轴5的一端通过1号电磁离合器B与行星齿轮组3的高速输出端连接，且废气涡轮壳1和进气涡轮壳2之间的涡轮轴上的匹配套装有密封轴承盒，密封轴承盒的左右两端分别与相邻涡轮壳密封连接，使废气涡轮壳1与进气涡轮壳2两者内部空间相互独立，电动/发电机4的左端转轴与行星齿轮组3的低速输入端连接。具体地：
行星齿轮组包括齿轮箱31，齿轮箱31内从左至右依次设置有第一组行星齿轮32和第二组行星齿轮33，且第一组行星齿轮32与第二组行星齿轮33的结构相同，均包括太阳轮34、行星轮35和外齿圈36，太阳轮34的直径尺寸小于行星轮35的直径尺寸，且太阳轮34和行星轮35的外缘都设有外环齿，太阳轮34为高速输出端，行星轮35的齿轮孔内套装有固定轴承37，外齿圈36的内缘设有内环齿361，太阳轮34与外齿圈5之间均匀设置3个行星轮35，行星轮35、外齿圈36和太阳轮34处于常啮合状态，且外齿圈5的右侧设有行星架38，行星架38的中部设置有输入轴381，与电动/发电机4连接，为电动/发电机动力输入端，行星架38与各行星轮35固定轴承37对应位置上开设有销轴382，对应固定轴承37固定套接；
如图2所示，第一组行星齿轮32的输入端通过与行星齿轮架中心轴一体的太阳轮34与第二组行星齿轮35啮合连接，涡轮轴5通过1号电磁离合器B与第一组行星齿轮32啮合连接，1号电磁离合器B具有断开、结合功能，通过控制1号电磁离合器B操控涡轮轴5是否与行星齿轮组传动连接；第二组行星齿轮的输入端与电动/发电机4的转轴连接，电动/发电机4为48V直流带有发电功能的电机，该电机具有响应速度快、起始扭矩大、瞬间可达到高速旋转的特性。
位于废气涡轮壳1和进气涡轮壳2内的涡轮轴5上分别安装有废气驱动的叶轮和进气涡轮7，进气涡轮壳2上设置有空气进气通道和与气缸进气口连通的通道，废气涡轮壳2的入口与气缸出气口连通有高压废气进气道，废气涡轮壳的出口连接排气管，且位于废气涡轮壳1、进气涡轮壳2、行星齿轮组3和电动/发电机4的外侧封闭安装有空气导流罩E，且空气导流罩为管状，空气导流罩E与其内侧各壳体之间存在导流间隙，同时电动/发电机4的右端转轴通过电机轴承座及轴承G与空气导流罩固定在一起，且电机轴承座及轴承G外侧的转轴上匹配安装有进气风扇叶片D。轴承G与风扇叶片D之间有电磁离合器C，用于控制与风扇叶片D断开和结合。
当汽车起步时，发动机转速达不到废气涡轮增压器增压转速时，控制器会自动控制1号电磁离合器B闭合，使电动/发电机4与涡轮轴5结合连接，并同步启动与行星齿轮组低速输入端连接的电动/发电机4，电动/发电机4转轴的转速经行星齿轮组放大后，驱动涡轮轴提速转动，从而使进气涡轮7加速转动为进气增压，解决了现有废气涡轮增压器的汽车在起步、急加速过程中产生动力迟滞现象，并且在其他需要急加速时，也可通过电动/发电机4对涡轮轴提供动力；当发动机转速提升至所排出废气压力能驱使废气涡轮转速达到正常增压力时，控制器会自动控制电动/发电机4自动断电，并转为发电模式，高速转动的涡轮轴5会通过行星齿轮组驱动电动发电机开始发电，其所发的电能可直接对车载电器进行供应，降低了车载电源的负荷；在废气驱动涡轮轴反向带动电动/发电机转动过程中，传递的动力通过行星齿轮组后传动比减小，可以使电动/发电机转速降低，不仅减少了废气做功损失，还可以保护电动/发电机在其合适的转速范围内工作；当增压器需要满负荷工作时，电磁离合器B断开，停止带动电动/发电机旋转，电动/发电机则通电工作，带动进气风扇页片旋转，继续为增压器散热降温。
当发动机需要满负荷工作时，例如：爬坡或在高原区域行使时，控制器会控制电磁离合器B自动断开，卸载电动发电机，并控制电动发电机自动转为输出模式驱动进气风扇叶片转动。
当电动/发电机4的电机转轴转动时，会带动进气风扇页片D转动，且进气风扇页片D转动时，会将空气导流罩E外的空气吸入空气导流罩E内并沿空气导流罩E与其内侧各壳体之间存的导流间隙向外排出，加快了空气导流罩E内的空气流动速度，可将空气导流罩E内的高温热量迅速排出，从而对增压器进行持续降温，解决了增压器在工作时长期处于高温状态而导致密封元件加速老化的问题，提高了增压器的使用寿命。
冷车启动时，安装在发动机冷却系统中的温控器控制电磁离合器C断开，进气风扇叶片静止不动；发动机温度正常后，电磁离合器C结合，进气风扇页片与电动/发电机的转轴同步转动，将导流罩E外部空气吸入空气导流罩E内为增压器散热降温；在发动机熄火后，控制器自动控制电动/发电机4继续工作，延时停止。先带动涡轮轴和进气风扇叶片继续转动，以避免涡轮轴处的机油因“热停机”而使机油发生氧化（积碳）的现象。N（≥1）分钟后，电磁离合器B断开行星齿轮组输出轴与涡轮轴的连接，电动/发电机4则继续带动进气风扇叶片转动，对增压器进行持续降温。N（≥1~3）分钟后，电动/发电机停止工作。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于空气导流罩上设有导流板。
位于废气涡轮壳1和进气涡轮壳2外部的空气导流罩E的内侧壁上设有朝向轴承盒位置的导流板。当进气风扇页片D转动将空气导流罩E外的空气吸入空气导流罩E内，并沿空气导流罩E与其内侧各壳体之间存的导流间隙向外排出时，吸入空气导流罩E内的空气会经导流板引导直接吹至轴承盒上对其降温，提高了轴承盒的散热效率。
实施例3
实施例3与实施例2的区别在于，密封轴承盒内设置有从密封轴承盒一侧进入轴承盒内并从另一侧排出的油管，油管连接发动机缸体主油道，通过油管向密封轴承盒内注入润滑油，通过注入的润滑油直接对轴承盒内部进行润滑、冷却。当在发动机熄火后控制器自动控制电动/发电机4继续工作时，转动的进气涡轮轴转动时会使轴承处的润滑油继续对密封轴承盒内部进行润滑以避免滞留在涡轮轴处的机油因“热停机”而使其发生氧化（积碳）的现象。
实施例4
实施例4与实施例3的区别在于，所述进气风扇叶片外侧的空气导流罩内设有封堵安装有进气过滤网。
如图1所示，进气风扇叶片D外侧的空气导流罩内设有封堵安装有进气过滤网F，当进气风扇页片D转动将空气导流罩E外的空气吸入空气导流罩E内并沿空气导流罩E与其内侧各壳体之间存的导流间隙向外排出时，进气滤网会将进气风扇页片D所吸入空气导流罩E内空气中的杂质，例如灰尘，阻挡至进气滤网外，防止杂质进入空气导流罩内。
实施例5
实施例5与实施例4的区别在于，如图1所示，进气风扇叶片与电动发电机4之间的电机转轴上设有2号电磁离合器C，2号电磁离合器C与控制器控制连接，冷车启动时，安装在发动机冷却系统中的温控器控制电磁离合器C断开，进气风扇叶片静止不动；发动机温度正常后，电磁离合器C结合，进气风扇页片与电动/发电机的转轴同步转动，将导流罩E外部空气吸入空气导流罩E内为增压器散热降温。
Claims (8)
1.一种双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，包括废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动/发电机，其特征在于，涡轮轴贯穿安装于废气涡轮壳和进气涡轮壳内中心，涡轮轴的一端通过电磁离合器与行星齿轮组的输出端连接，电动/发电机的转轴与行星齿轮组的输入端连接，位于所述废气涡轮壳和进气涡轮壳内的涡轮轴段分别安装有废气叶轮和进气涡轮，进气涡轮壳设置空气进气通道和与气缸进气口连通的通道，废气涡轮壳的入口与气缸出气口连通有高压废气进气道，废气涡轮壳的出口连接排气管；在位于废气涡轮壳、进气涡轮壳、行星齿轮组和电动发电机的外壳封闭安装有空气导流罩，该空气导流罩与其内侧各壳体之间存在导流间隙，同时在所述电动/发电机的转轴另一端安装有进气风扇叶片，用于驱动气流从空气导流罩的一侧流向另一侧。
2.根据权利要求1所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，所述废气涡轮壳与进气涡轮壳之间匹配安装有轴承座，所述废气涡轮壳和进气涡轮壳之间的涡轮轴上的匹配套装有密封轴承盒，密封轴承盒的左右两端分别与相邻涡轮壳密封连接。
3.根据权利要求1所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，设置有从密封轴承盒一侧进入轴承盒内并从另一侧排出的油管，用于对轴承盒内的轴承进行润滑、冷却。
4.根据权利要求1所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，还设置有用于接通、断开电机/发动机与涡轮轴连接的电磁离合器B。
5.根据权利要求1述所的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，所述行星齿轮组包括齿轮箱，齿轮箱内从左至右依次设置有第一组行星齿轮和第二组行星齿轮，所述第一组行星齿轮的输入端与第二组行星齿轮的输出端连接，所述第一组行星齿轮的输出端与涡轮轴连接，所述第二组行星齿轮的输入端与电动/发电机的转轴连接。
6.根据权利要求5所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，所述第一组行星齿轮和第二组行星齿轮的结构相同，均包括太阳轮、行星轮、行星齿轮架和外齿圈，所述太阳轮和行星轮的外缘都设有外环齿，行星轮的中部都设置有齿轮轴孔，所述太阳轮为高速输出端，所述行星轮的齿轮孔内套装有固定轴承，所述外齿圈为齿轮箱体，其内缘设有内环齿，所述太阳轮与外齿圈之间均匀设置不少于3个行星齿轮，所述行星齿轮、外齿圈和太阳轮处于常啮合状态，所述行星齿轮由行星齿轮架连接成为行星齿轮组，所述行星齿轮架上设置有行星齿轮轴孔，且输入轴与电动/发电机4的转轴连接。
7.根据权利要求1所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，所述进气风扇叶片外侧的空气导流罩内设有封堵安装的进气过滤网。
8.根据权利要求1所述的双动力无迟滞并可快速散热的涡轮增压器，其特征在于，所述进气风扇叶片与电动/发电机之间的电机转轴上设有电磁离合器C。
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