[发明专利]转子离合式电动发电涡轮增压器

说明书

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种具有转子离合装置的电动发电涡轮增压器。背景技术

涡轮增压是内燃机强化、节能、环保的最重要技术措施之一。发动机涡轮增压器利用发动机排出的废气能量驱动涡轮、涡轮带动同轴的压气机对空气做功，将压缩空气送入发动机气缸，在不增加发动机气缸容积的条件下，增加空气充量系数，使发动机喷入更多燃油，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。与自然进气发动机相比，当代涡轮增压技术能够使汽油机节能10%～20%、使柴油机节能20%～40%。但是，涡轮增压发动机在加速过程中存在“涡轮滞后（Turbolag）”现象，这是由于涡轮增压器与发动机之间只有进排气管相连，当发动机加速加载时，燃油系统能够及时快速反应、迅速供给燃油；而增压空气供应一是需要等待燃烧后的排气能量抵达涡轮、加速涡轮增压器转子系统、驱动压气机作功、提高增压压力；二是气体的可压缩特性导致的增压空气供应滞后，使发动机加速过程呈现增压空气供应滞后，导致供气量滞后于供油量的变化。发动机加速过程中进气量不足致使气缸内燃烧变差，导致冒黑烟、加速扭矩不足等问题。因此，改善涡轮增压发动机的瞬态特性，成为研究重点。目前，采用的主要技术措施有废气旁通、可变几何涡轮、混合陶瓷球轴承、机械与涡轮复合增压、二级涡轮增压、电辅助压气机、电涡轮增压等。其中依靠电动机带动涡轮增压器转子轴转动、提高加速性能的电辅助涡轮增压系统近年来得到越来越多的关注，研究表明：配有电辅助涡轮增压器的发动机的车辆，其加速时间比传统增压车辆缩短0.6s左右。

目前，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，即当发动机废气能量过剩时，剩余废气能量驱动涡轮带动发电机发电，提高废气能量利用率从而改善发动机经济性；第三种为电动发电涡轮增压器，即将前两者整合为一体，电动发电涡轮增压器的发电/电动机在涡轮增压器转子低（负荷）速工况下作为电动机使用；在高（负荷）速工况下，作为发电机模式，发电蓄能。电动发电涡轮增压器兼具电辅助与发电功能，具有明显的优势。但是，当电动发电机转子与涡轮压气机转子集成装配为一整体时，会使整个转子系统质量增加，惯性增大，使得转子的加速性能变差，同时较大质量的转子也消耗了较多的废气能量。这也是电动发电涡轮增压器虽然优势明显，但至今未得到广泛应用的原因之一。《微型涡轮喷气发动机或涡轮增压器的启动发电装置》（ZL201110247204.1）提出了一种涡轮增压器启动发电装置，永磁转子安装于叶轮内侧，定子线圈安装于涡轮增压器压气机后盖板上，该方案因叶轮尺寸限制了永磁转子的尺寸，会造成电磁起动力矩过小，叶轮疲劳强度与可靠性变差等问题。上述发明专利的技术方案均通过加装电动机实现提高涡轮增压器低（负荷）速工况下的响应，提高进气压力，但均未提出加装电动发电机引起涡轮增压器转子转动惯量增大、即电动发电机转子与涡轮增压器离合的解决方案。

现有电辅助涡轮增压器的电动发电机布置主要有两种：一种是侧置方案，专利“一种电辅助涡轮增压器”（ZL200820225752.8）提出了一种电动机侧置方案；即将电动发电机布置于压气机前，该方案避免了涡轮端的高温对电机的影响，并且能够同轴安装在现有的涡轮增压器上，但其问题是电动发电机悬臂布置方式破坏了现有涡轮增压器的平衡，使电辅助轮增压器转子动力学性能变差，难以适应高转速工况，在高转速下易引起剧烈振动造成涡轮增压器损坏；另一种方案是中置方案，专利号为ZL200720017159.X的中国实用新型专利“电辅助涡轮增压器”提出了一种电动机中置方案；专利号为ZL200710013120.5的中国发明专利“电辅助涡轮增压器”提出了电机中置方案的控制方法；即将电动发电机布置在涡轮和压气机中间，这种方案结构紧凑，特别是对涡轮增压器转子系统性能影响最小，能提高涡轮增压器的瞬态响应，但由于涡轮端的高温对电动发电机电子元器件影响较大，同时该方案中电动机转子磁极安装在增压器转子轴上会加大涡轮增压器转子的转动惯量，消耗较多的废气能量。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决电动发电机导致转子轴转动惯量过高、消耗废气能量过多、增压器总效率低、发动机燃油消耗高的问题，本发明提出了一种带有转子离合装置的电动发电涡轮增压器。不同工况下电动发电机转子与转子轴能够分离或结合。