[发明专利]电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法

说明书

一种电辅助可变喷嘴涡轮增压系统，属于涡轮增压器技术领域。本发明的目的是利用电机与涡轮可变喷嘴环对发动机性能的影响，对两者进行协调配合的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法。本发明的进气支管和排气支管之间直接连接柴油机气缸，进气管连接在进气支管上，排气管连接在排气支管上，在进气管上安装有中冷器，电辅助可变喷嘴涡轮增压器安装在进气管的进口和排气管的出口处。本发明基于柴油机空燃比和蓄电池状态，对高速电机进行控制，能够有效而迅速地调节气缸进气量，以配合喷油量的变化，达到油和气的协调同步，确保柴油机在各种工况下保持合适的空燃比值，同时也保证了电池工作在高效率区域。

技术领域

本发明属于涡轮增压器技术领域。

背景技术

如今涡轮增压技术已被广泛运用于车用柴油机上，它利用柴油机排出的废气能量来驱动涡轮，并带动同轴的压气机叶轮旋转压缩新鲜空气，成为有效提高发动机输出功率的重要手段。由于柴油机运行具有转速和负荷变化范围较大、工况变化频繁的特点，普通涡轮增压器与柴油机的匹配将出现以下几个问题：首先增压柴油机低速动力性差。柴油机在低速运转时，废气流量较小因而可用能量不足，导致增压器转速较低，无法提供足够的增压压力和进气量，使得发动机的输出转矩和功率不足。其次当柴油机在高速工况运转时，废气能量过剩，易造成增压器超速及发动机增压压力过高的后果。另外，涡轮增压柴油机最突出的一点就是“涡轮迟滞”现象，当柴油机处于急加速等瞬变工况时，喷油量突增，由于增压器与发动机为气动联系及涡轮本身的机械惯性，压缩机不能立即提供对应的较高进气压力，导致空气的供给明显滞后于燃油量的供应，空燃比过小，燃烧状况恶化，甚至出现排气管短时冒黑烟的现象。

为了解决上述问题，人们提出了多种改善措施。其中的可变喷嘴涡轮增压系统以其良好的特性而获得了较广泛的关注和应用。该技术通过改变喷嘴环叶片角度来改变涡轮喷嘴环流通截面积的大小，导致流经涡轮排气的流通特性发生变化，以此来调整增压器的转速和增压压力。在发动机低速时，通过减小涡轮流通截面积而使排气背压增大，从而提高涡轮转速，高速时增大涡轮流通截面积，降低排气流速，防止增压过度。然而涡轮流通截面积过小会导致泵气损失的增加，发动机动力性下降，并且对“涡轮迟滞”的改善程度有限。另一方面，增加流通面积必然会导致废气可用能量的浪费。因而此措施并不能彻底解决增压器与柴油机的匹配问题。为满足更高的要求，电辅助涡轮增压技术这种更灵活而有效的措施正逐渐受到越来越多的关注并成为许多企业和高校的研究对象。

专利申请号ZL 200710013120，名称为“电辅助涡轮增压器”的专利申请提出了一种电辅助涡轮增压方案，将辅助增压电机与涡轮增压器装配在一起，通过控制电动机的磁场旋转速率及电流幅度、换向变换规律，来实现其辅助增压强度的调节，或者利用过剩废气发电蓄能，避免涡轮转速过高，然而该专利只是关注电机的状态对涡轮增压器的作用，并没有考虑涡轮自身结构的改进。专利申请号ZL 201310343844.1，专利申请名称为“用于改进涡轮增压发动机的停止和起动的方法和系统”，在此申请中通过调节涡轮叶片位置，或者由电动机器施加于涡轮增压器的负转矩，来增加发动机背压，以改进涡轮增压发动机的停止和起动性能。专利申请号ZL 200680041850.x，专利申请名称为“用于内燃机的控制装置”，在该专利中提出一种能够抑制具有多个不同类型的增压压力调节致动器的内燃机中发生增压压力过调、欠调和振荡的可能性。根据给涡轮转动提供电动机助力的大小，改变可变喷嘴开度反馈控制灵敏度，使实际增压压力快速而平稳地收敛于目标值。上述的两个专利只是针对发动机的某个运行工况提出相应的控制方法，并没有结合电机的各个状态和可变喷嘴涡轮增压器的调节，针对发动机不同工况提出较为全面的控制方法。

发明内容

本发明的目的是利用电机与涡轮可变喷嘴环对发动机性能的影响，对两者进行协调配合的电辅助可变喷嘴涡轮增压系统及其控制方法。