[发明专利]电辅助离合式动力涡轮复合增压器

说明书

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种电辅助离合式动力涡轮复合增压器。

背景技术

当今涡轮增压器在发动机上的应用越来越普遍，涡轮增压器从结构和工作原理来看，是一种小型的空气压缩机。涡轮增压器利用发动机排放的废气能量来驱动涡轮旋转，从而带动同轴的压气端叶轮旋转，将更多的空气带到气缸内，提高了发动机内空气密度以及空气和燃料的混合比，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。但是，涡轮增压发动机还存在一些问题。在发动机低速工况下，废气能量少，涡轮转速低，增压压力较低，供气量滞后于供油量。这种情况致使供气不足导致气缸内燃烧变差，出现冒黑烟、加速扭矩不足等问题。一般车用增压器使用更小的蜗壳以提高增压器的转速，还有采用可变喷嘴、可变截面涡轮增压技术，力图扩展低速段的性能。但实践表明上述措施对低工况下增压器的性能改变效果十分有限，原因就是客观上废气的能量不足。发动机和涡轮增压器在低速工况段匹配后，高速工况下会产生废气能量过剩，导致涡轮机超速，引起在高速工况下发动机偏离理想特性。为此，多数涡轮增压器设有废气旁通系统，在高速工况下旁通系统打开排放部分废气，涡轮增压器只利用一部分废气进行工作。当前对于经过涡轮增压器涡轮做功后排放的二级废气能量的利用率较低，未被利用就排放到环境中。因此利用废气驱动涡轮旋转，带动压气机增压的技术存在三个较大缺陷：一是存在“涡轮迟滞”现象；二是增压器排量不能与发动机在全工况下理想匹配；三是二级废气能量的利用率低。

目前，针对上述问题采用的主要技术措施有二级涡轮增压、机械涡轮复合增压、动力涡轮复合增压、电辅助增压器、可变几何涡轮增压器等。现有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，即选用较小的涡轮增压器以减小转子的转动惯量、减少涡轮滞后，当发动机废气能量过剩时，利用剩余废气能量驱动另一涡轮带动发电机发电，提高废气的利用率；第三种为电动发电涡轮增压器，即集前两者于一体，电动发电涡轮增压器的电动／发电机在低速工况下作为电动机使用，在高速工况下作为发电机，发电蓄能。电动发电涡轮增压器兼具电辅助与发电功能，但是，这种电动发电机转子与涡轮增压器转子集成装在一起，会使整个转子系统质量增加，惯性增大，导致转子的加速性能变差；第四种是转子离合式电动发电涡轮增压器，离合装置能够控制电动发电机转子与转子轴结合与分离，从而减小转子系统的转动惯量。上述四种方法虽然能够解决涡轮滞后问题，但是不能兼顾增压器排量与发动机在全工况下理想匹配和提高废气能量的利用率。

现有电辅助涡轮增压器的电动发电机的布置主要有两种：一种是侧置方案，专利“电辅助涡轮增压器”(ZL200710013120.5)提出了一种电动发电机侧置方案，即将电动机安装在涡轮增压器的压气机叶轮外侧，其电机转子与增压器转子轴固联，该方案避免了涡轮端高温对电机的影响，但是电动发电机的悬臂布置方式破坏了原有涡轮增压器的平衡，使电辅助涡轮增压器转子系统的动力学性能变差，在高转速下容易引起震动过大导致发生碰摩故障。另一种是中置方案，专利“电辅助涡轮增压系统及其控制方法”(CN201610295408.5)提出了一种电动机中置方案及其控制方法；专利“转子离合式电动发电涡轮增压器”(ZL201310007013.7)提出了一种电动机中置方案，即电动发电机、离合装置围绕转子轴设置在中间体与压气机组成的空间内，电动发电机能通过离合装置的控制与转子轴结合与分离，这种方案结构紧凑，转子的转动惯量小，对涡轮增压器转子系统的性能影响最小，但电机中置，高温对电动发电机电子元件的影响较大。

发明内容

为了解决目前利用废气驱动的涡轮增压器存在“涡轮迟滞”现象、增压器排量不能与发动机在全工况下理想匹配、二级废气能量的利用率低的问题，本发明提出了一种电机外置方案，设计了一种具有电动发电机、离合装置和动力涡轮的电辅助涡轮增压器。