CN101000013B - 电辅助涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电辅助涡轮增压器。它解决了目前利用废气驱动涡轮旋转的增压器存在排量不能与发动机在全工况下理想匹配和“涡轮延迟”效应的问题，具有结构简单，使用方便，高可靠性等优点，其结构为：它包括涡轮增压器，它还包括辅助增压电动机，该辅助增压电动机与涡轮增压器装配在一起，电机转子与涡轮增压器的转子轴同轴连接，同时辅助增压电动机还与辅助控制电路连接。

Description

电辅助涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种废气涡轮增压器，尤其涉及一种电辅助涡轮增压器。

技术背景

增压器在内燃发动机上的实现形式有机械、电动、直接、间接等多种，其中废气涡轮增压器的综合性能比较优秀，获得了普遍应用。

普通涡轮增压器其流量、效率、压比与发动机在一定的范围匹配。在发动机转速较低的工况下，废气能量少，涡轮转速较低，增压压力较低。这种情况会导致进气量不足，引起发动机的输出功率和排放难以达到要求。一般车用增压器使用更小的涡壳以提高增压器的转速，还有采用可变喷嘴/截面涡轮增压器技术，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善效果十分有限，原因就是客观上废气的能量不足。发动机和涡轮增压器在较低工况段匹配后，高速工况下会产生废气能量过剩，导致涡轮机超速、产生过剩的增压排量，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路机构，高速工况下废气旁路打开而泄放部分废气，涡轮增压器只利用废气的一部分进行工作。因此利用废气驱动涡轮旋转，带动压气机增压的技术形式存在两个较大缺陷：一是增压器排量不能与发动机在全工况下理想匹配；二是所谓“涡轮延迟”效应。

发明内容

本发明的目的就是为了解决目前利用废气驱动涡轮旋转的增压器存在排量不能与发动机在全工况下理想匹配和“涡轮延迟”效应的问题，提供一种具有结构简单，使用方便，高可靠性等优点的电辅助涡轮增压器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电辅助涡轮增压器，它包括涡轮增压器，它还包括辅助增压电动机，该辅助增压电动机与涡轮增压器装配在一起，电机转子与涡轮增压器的转子轴同轴连接，同时辅助增压电动机还与辅助控制电路连接。

所述涡轮增压器包括压气机，它有压气机壳，涡轮增压器转子轴穿过压气机外壳，压气机叶轮安装在转子轴上，其一端设有密封件和止推定位套。

所述辅助增压电动机为直流无刷永磁式电动机，它为径向磁场结构，安装在涡轮增压器的压气机叶轮外侧，其定子外壳与压气机壳连接，其内部设有进气道，定子安装在定子外壳上，其定子绕组按对称方向布置，电机转子通过转子定位套、紧固件与转子轴固联。

所述辅助增压电动机为轴向磁场结构，它安装在涡轮增压器的压气机叶轮和密封件之间，密封件固定在中间壳上，中间壳与压气机壳连接，定子外壳与压气机壳和密封件连接，盘式定子安装在定子外壳上，盘式转子通过止推定位套安装在转子轴上。

所述辅助控制电路由中央控制单元、电控调速单元、传感器信号采集单元、能量变换和蓄能控制单元以及电源电路组成，其中，电源电路由蓄电池和稳定电源组成，为其他部分提供电源。

所述中央控制单元采用DSP芯片的中央控制器，它接受信号采集接口和控制规律信号，并与通信/诊断接口双向通信，获得发动机工况参数，它还分别与调速控制接口和蓄能控制接口电路双向通信；根据传感器信号采集单元检测到的发动机状态和控制规律，通过电控调速单元控制辅助增压电动机运行；还借助能量变换及蓄能控制单元控制蓄能阻尼过程。

所述传感器信号采集单元包括信号采集接口，它分别与进气压力采集电路、发动机转速采集电路、油量采集电路、蓄电池状态采集电路、增压器转速采集电路、电机电流采集电路连接；其中，进气压力采集电路与进气压力传感器连接，发动机转速采集电路与发动机转速传感器连接，油量采集电路与油门传感器连接，蓄电池状态采集电路与电池取样检测电路连接，增压器转速采集电路与增压器传感器连接，电机电流采集电路与电机状态检测电路连接。

所述蓄能变换和控制单元有检出定子绕组能量的全波整流器，该整流器与蓄能控制电路连接，蓄能控制电路还与蓄电池、电池取样检测电路、蓄能控制信号接口电路连接，蓄能控制电路接受中央控制单元的指令信号，电池取样检测电路反馈蓄电池的状态，并传送到中央控制单元，控制蓄能阻尼过程。

所述中央控制单元接收传感器信号采集单元测量的发动机进气压力Pt、排气压力Pw、转速N和负荷参数F，根据涡轮增压器的特性K，计算出理想进气压力P或目标转子轴转速对应的辅助增压强度T的规律L1和磁场旋转速率M的规律L2，

规律L1的表达式为：T＝L1(K，P，Pt，N，F)；

规律L2的表达式为：M＝L2(T，Nt)；

然后，中央控制单元根据辅助增压电动机的特性K2，将辅助增压强度T变换为驱动电流的幅度(脉冲宽度W)，磁场旋转速率变换为电流换向的频率D，

电流幅度变换规律L3为：W＝L3(K2，T)；

电流换向变换规律L4为：D＝L4(M)；

电控调速单元接受指令后，提供给定子线圈电流，使定子磁场符合电磁感应驱动关系；

在感应发电-蓄能阻尼状态，中央控制单元以理想进气压力P为最终目标，计算出阻尼强度，然后根据辅助增压电动机的感应发电特性K3，控制电能变换及蓄能控制单元的阻尼电流的强度B，其参量之间的关系用规律L5表示：

B＝L5(K，K3，N，Pt，Pw，F)。

本发明的电辅助涡轮增压器由电辅助装置和基本涡轮-压气机部分构成。它以发动机工况和涡轮增压器运行参数为依据，电辅助装置分为电动辅助增压和发电蓄能两种工作状态：

发动机处于低速工况时，增压器增压压力低，电辅助装置工作于辅助增压状态。其行为是使用电瓶的能量，在定子绕组产生旋转磁场，推动转子做功。即向增压器转子轴施加辅助动力，提高增压器转子的转速。相对应地，发动机进入中、高工况下，废气能量增大，增压器输出压力将提高。当压气机增压压力超过理想进气压力后，表明废气能量过剩，电辅助装置工作于发电蓄能状态。其行为是停止向定子绕组供电，涡轮增压器完全依靠废气能量运行，转子轴带动永磁转子旋转，电磁感应在定子绕组中产生电能，经过变换后形成感应电流对蓄电池充电蓄能。定子绕组中的电流将产生磁场对永磁转子发生反作用力，由此对增压器轴产生阻尼作用，其转速得到稳定而不致过高。

本发明的有益效果是：

一是根据发动机工况和增压器运行参数，灵活控制电辅助增压部分的运行，提供理想的增压压力和排量，改善低速工况下发动机的动力和排放性能；

二是利用过剩废气发电，充分地利用了燃料的能量，具有节能的意义；

三是电辅助装置与增压器转子合二为一，转动惯量小。

附图说明

图1为径向磁场辅助增压电动机的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为轴向磁场辅助增压电动机的结构示意图；

图4为电辅助涡轮增压器组成框图；

图5为中央控制单元的电气框图；

图6为电辅助增压器控制规律示意图；

图7为传感器信号采集单元电气框图；

图8为电控调速单元电气框图；

图9为电能变换和蓄能控制单元电气框图。

其中，1中央控制单元，10中央控制器，11信号采集借口，12调速控制接口，13通信/诊断接口，14控制规律，15蓄能控制接口，2辅助增压电动机，20定子，21电机转子，22进气道，23定子外壳，24定子绕组，25转子定位套，26紧固件，27盘式转子，28盘式定子，29定子外壳，3电控调速单元，30调速控制信号接口，31直流永磁电机控制电路，32功率开关，33电机状态反馈检测电路，4传感器信号采集单元，41进气压力采集电路，42发动机转速采集电路，43油量采集电路，44蓄电池状态采集电路，45增压器转速采集电路，46电机电流采集电路，5电能变换及蓄能控制单元，50蓄能控制信号接口，51全波整流器，52蓄能控制电路，53电池取样检测电路，6稳定电源，7压气机，70转子轴，71压气机壳，72压气机叶轮，73止推定位套，74密封件，8蓄电池，9中间壳。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本例中的电辅助增压电动机2采用直流无刷永磁式电动机，它采用径向磁场结构，安装在压气机叶轮72外侧，如图1、图2所示。

蜗轮增压器包括压气机7，它有压气机壳71，其内安装压气机叶轮72，在压气机叶轮72的背侧是止推定位套73和密封件74。

辅助增压电动机2包括定子外壳23，其内轴向加工有进气道22，空气穿过进气道22进入压气机7的进气口，流入压气机叶轮72。定子20安装在定子外壳23中，其定子绕组24按对称方向布置，电机转子21通过紧固件26和转子定位套25与转子轴70连接。同时，电辅助增压电动机2与辅助电路连接；压气机7则通过传感器组与辅助电路连接。

实施例2：

在本实施例中，如图3所示，辅助增压电动机2采用轴向磁场结构实现，安装于压气机叶轮72和密封件74之间，密封件74安装在中间壳9上。

辅助增压电动机2的定子外壳23与压气机壳71连接，密封件74与中间壳9连接，盘式定子28安装在定子外壳23上，同时盘式转子27通过止推定位套73与转子轴70连接。压气机叶轮72也安装在转子轴70上。

同时，电辅助增压电动机2与辅助电路连接；压气机7则通过传感器组与辅助电路连接。

本发明的辅助控制电路如图4所示，它包括中央控制单元1、电控调速单元3、传感器信号采集单元4、能量变换及蓄能控制单元5、稳定电源6和蓄电池8。

其中，中央控制单元1如图5所示，中央控制器10为TMS320型DSP处理器，作为整个控制单元的核心。它集成的多通道A/D转换器构成模拟量输入的信号采集接口11，分别采集压力、转速、电压、电流等，形成内燃机的运行状态参数和涡轮增压器运行参数。中央控制器依据这些参数确定电辅助装置的工作状态。中央控制单元1通过调速控制接口12对电控调速单元3实施测控；通过蓄能控制接口15电路对能量变换及蓄能控制单元5进行测控。以DSP集成的通信控制器为基础，增加物理层电路和通信软件，构成CAN总线型通信与诊断接口13，用于和发动机控制单元ECU交换信息。

中央控制器按照控制规律运行。控制规律14是实现辅助增压所依据的模型，体现电辅助增压器与发动机的匹配要求。该模型的输入变量有发动机转速N、增压器转速Nt、增压器压力Pt、燃料流量F等。根据涡轮增压器的特性K，计算出理想进气压力P(或目标转子轴转速)对应的辅助增压强度T的规律L1和磁场旋转速率M的规律L2。

规律L1的表达式为：T＝L1(K，P，Pt，N，F)；

规律L2的表达式为：M＝L2(T，Nt)；

中央控制单元的运行程序是一种前后台结构。前台程序主要有初始化模块、辅助增压电机控制模块组成。初始化模块包括状态初始化、电机控制算法初始化、启动转速测量初始化、启动定时中断初始化。辅助增压电机控制模块完成控制规律L1、L2的主回路，它通过电流、转速双闭环控制方式实现，提高系统的动态性能和稳态精度。转速环控制子程序采用PI控制算法；电流环控制子程序采用PID控制算法；后台程序主要有定时中断服务模块、输入事件捕捉服务模块和系统的监测和故障处理模块。定时中断服务模块、输入事件捕捉服务模块的主要功能是驱动完成实时性任务，包括内燃机运行状态及电辅助涡轮增压器反馈信号的采集、电机转速计算、控制指令更新。系统的监测和故障处理模块用于判断电辅助装置各个部分的工作是否正常，防止电流、电压、转速、压力等超限。故障处理功能则在故障发生时，控制电辅助装置安全退出运行，并给出警告。

传感器信号采集单元4如图7所示。进气压力采集电路41的进气压力传感器安装在发动机进气管上，用以检出增压压力；转速采集电路42获取转速传感器信号，油量采集电路43获取油门位置传感器信号，二者用来反映发动机的工况；蓄电池状态检测电路44功能是检测端电压、充电/放电电流，保证蓄电池不过度充电和放电；辅助增压电动机转速采集电路45用来测量增压器转子的转速；电机电流采集电路46检测电机状态。传感器信号采集单元的输出信号经过信号采集接口11，作为中央控制单元1的输入。如果上述信息可以通过与发动机主控制单元(ECU)通信获得，则该部分电路可以省掉。

电控调速单元3如图8所示。调速控制信号接口30接受中央处理单元1发送的的指令，按照辅助增压电动机2的特性K2的要求，将辅助增压强度T变换为驱动电流的幅度(脉冲宽度W)，磁场旋转速率变换为电流换向的频率D。

电流幅度变换规律L3为：W＝L3(K2，T)；

电流换向变换规律L4为；D＝L4(M)；

经过功率开关32，将蓄电池8提供的能源以PWM方式馈入定子绕组产生磁场，使定子磁场符合电磁感应驱动关系要求，驱动转子实现辅助增压。电机状态反馈检测33形成反馈信号，构成闭环控制。

换向变换规律L4可概括为任何时刻三相中只有两相被激励；每转60度就需要换相一次；换向截断电流的相绕组的感应电动势要反相，从而通过零点。得知某相的过零点的时刻，将其延迟30度就可以得到需要的换相信号。其中，三个绕组端对地电压(电位)由DSP内的ADC采集，并计算出中性点电压。相电压与中性点电压的差就是反向电动势。根据此反电动势信号可计算出电机转子的位置和增压器转速Nt。辅助增压强度T(速度给定)与旋转速度Nt进行比较，速度控制器按照规律L3输出相电流的给定值；磁场控制器比较相电流的反馈，产生所需的PWM控制信号。磁场控制器还使用电流换向变换规律L4形成换向信息。

功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，控制器31使输出变成高阻态。

电能变换及蓄能控制单元5，如图9所示，全波整流器51、蓄能控制电路52、定子绕组24和蓄电池8构成回路。定子绕组24中产生交流感应电动势形成感应电流。蓄能控制电路52将定子绕组24中的感应电流变换为可调脉动直流，对蓄电池8充电蓄能，即废气的能量通过涡轮和电磁感应转变为电能。蓄能控制电路52接受中央控制单元1的指令，控制阻尼电流的强度。其他条件不变情况下，控制电流增大，则定子绕组磁场对转子产生的阻尼加重，导致压气机转速下降。相反地，减小电流，阻尼作用减弱，压气机转子转速升高。在感应发电-蓄能阻尼状态，中央控制单元1以理想进气压力P为最终目标，计算出阻尼强度，然后根据辅助增压电动机2的感应发电特性K3，控制电能变换及蓄能控制单元的阻尼电流的强度B，其参量之间的关系用规律L5表示：B＝L5(K，K3，N，Pt，Pw，F)。

根据进气压力和排气压力的关系，中央控制单元1产生蓄能电流基准Ic。蓄能控制电路52接受电流基准Ic和限压设定V信号，并借助电池取样检测电路53获得的端电压Vc和蓄能电流B的反馈，根据设定信号与反馈信号的差值进行调节。

同时，蓄能控制电路52按照蓄电池8“最佳充电电流曲线”，采用“限压——定流”充电方式，防止高工况下产生超过蓄电池最大允许电流和电压极限的操作。

稳定电源6部分属于小功率、宽稳压范围开关稳定电源。它将蓄电池的电力变换为其他部分的工作电源，但不包括辅助增压电动机的能源。

Claims (3)

1.一种电辅助涡轮增压器，它包括涡轮增压器，其特征是：它还包括辅助增压电动机(2)，该辅助增压电动机(2)与涡轮增压器装配在一起，电机转子(21)与涡轮增压器的转子轴(70)同轴连接，同时辅助增压电动机(1)还与辅助控制电路连接；所述涡轮增压器包括压气机(7)，它有压气机壳(71)，涡轮增压器转子轴(70)穿过压气机外壳(71)，压气机叶轮(72)安装在转子轴(70)上，压气机叶轮(72)背侧设有密封件(74)和止推定位套(73)；所述辅助控制电路由中央控制单元(1)、电控调速单元(3)、传感器信号采集单元(4)、能量变换和蓄能控制单元(5)以及电源电路组成，其中，电源电路由蓄电池(8)和稳定电源(6)组成，为其他部分提供电源；中央控制单元(1)采用DSP芯片的中央控制器(10)，它接受信号采集接口(11)和控制规律(14)信号，并与通信/诊断接口(13)双向通信，获得发动机工况参数，它还分别与调速控制接口(12)和蓄能控制接口(15)电路双向通信；根据传感器信号采集单元(4)检测到的发动机状态和控制规律，通过电控调速单元(3)控制辅助增压电动机(2)运行；还借助能量变换及蓄能控制单元(5)控制蓄能阻尼过程；

所述中央控制单元(1)接收传感器信号采集单元(4)测量的发动机进气压力Pt、排气压力Pw、转速N和负荷参数F，根据涡轮增压器的特性K，计算出理想进气压力P或目标转子轴转速对应的辅助增压强度T的规律L1和磁场旋转速率M的规律L2，

规律L1的表达式为：T＝L1(K，P，Pt，N，F)；

规律L2的表达式为：M＝L2(T，Nt)；

然后，中央控制单元(1)根据辅助增压电动机的特性K2，将辅助增压强度T变换为驱动电流的幅度(脉冲宽度W)，磁场旋转速率变换为电流换向的频率D，

电流幅度变换规律L3为：W＝L3(K2，T)；

电流换向变换规律L4为：D＝L4(M)；

电控调速单元接受指令后，提供给定子线圈电流，使定子磁场符合电磁感应驱动关系；

在感应发电-蓄能阻尼状态，中央控制单元(1)以理想进气压力P为最终目标，计算出阻尼强度，然后根据辅助增压电动机(2)的感应发电特性K3，控制电能变换及蓄能控制单元的阻尼电流的强度B，其参量之间的关系用规律L5表示：

B＝L5(K，K3，N，Pt，Pw，F)；

所述传感器信号采集单元(4)包括信号采集接口(11)，它分别与进气压力采集电路(41)、发动机转速采集电路(42)、油量采集电路(43)、蓄电池状态采集电路(44)、增压器转速采集电路(45)、电机电流采集电路(46)连接；其中，进气压力采集电路(41)与进气压力传感器连接，发动机转速采集电路(42)与发动机转速传感器连接，油量采集电路(43)与油门传感器连接，蓄电池状态采集电路(44)与电池取样检测电路连接，增压器转速采集电路(45)与增压器传感器连接，电机电流采集电路(46)与电机状态检测电路连接；

所述蓄能变换和控制单元(5)有检出定子绕组能量的全波整流器(51)，该整流器与蓄能控制电路(52)连接，蓄能控制电路(52)还与蓄电池(8)、电池取样检测电路(53)、蓄能控制信号接口电路(50)连接，蓄能控制电路(52)接受中央控制单元(1)的指令信号，电池取样检测电路(53)反馈蓄电池的状态，并传送到中央控制单元(1)，控制蓄能阻尼过程。

2.根据权利要求1所述的电辅助涡轮增压器，其特征是：所述辅助增压电动机(2)为直流无刷永磁式电动机，它为径向磁场结构，安装在涡轮增压器的压气机叶轮(72)外侧，其定子外壳(23)与压气机壳(71)连接，定子外壳(23)内部设有进气道(22)，定子(20)安装在定子外壳(23)上，其定子绕组(24)按对称方向布置，电机转子(21)通过转子定位套(25)、紧固件(26)与转子轴(70)固联。

3.根据权利要求1所述的电辅助涡轮增压器，其特征是：所述辅助增压电动机(2)为轴向磁场结构，它安装在涡轮增压器的压气机叶轮(72)和密封件(74)之间，密封件(74)固定在中间壳(9)上，中间壳(9)与压气机壳(71)连接，定子外壳(23)与压气机壳(71)连接，密封件(74)与中间壳(9)连接，盘式定子(28)安装在定子外壳(23)上，盘式转子(27)通过止推定位套(73)安装在转子轴(70)上。

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