CN1010334B - 内燃机的辅助装置 - Google Patents

Abstract

发动机的进气口和排气口分别设有透平机的叶轮，在把它们结合起来的旋转轴上形成旋转电机，并且具有根据发动机的数速和燃料供给量来检测平时发动机的负载状态的机构，在发动机超载时使交流电机作为马达工作的帮助向发动机增压空气，而在发动机的负载不大时，则使旋转电机作为发电机工作，把增压空气和多余废气能量存蓄在蓄电池里。

Description

本发明是有关内燃机的辅助装置。更确切地说，本发明是关于配置在内燃机的增压器的涡轮轴上的电动-发电机及该电动-发电机的控制。

作为采用内燃机车辆的电气装置装备有起动电动机、点火装置、喇叭、包括前大灯的各种照明装置与指示装置等许多电气装置。作为它的电源是来自车辆所用的蓄电池，进而还搭载有用来对蓄电池进行充电的由内燃机传动的发电机。而且最近又在不断研制新的电气装置，由于新电气装置的装载使车辆的电力消耗量不断地增加。

如上所述为了对耗电量进行补充，而以内燃机的输出来传动的发电机的输出电力来对蓄电池进行充电，但该电力的能量是由内燃机的曲轴通过三角皮带输入到发电机的旋转能，内燃机的净输出的一部份作为电力为电气装置所消耗。

还有，上述所用的发电机由于内燃机结构的关系，外形尺寸受到限制。最大的电力例如也只能限制在700W-24V左右，因而难于应付今后估计会增加的电气装置的耗电量的危机。

另一方面，内燃机采用增压器，是利用废气所具有的能量带动涡轮机，以与该涡轮机连动的压气机向汽缸内增压空气，而使燃料有效地燃烧。而采用该增压器，在内燃机低速运转时，由于废气的能量较少，增压压力也会变小而降低充气效率，从而影响到输出和转矩的增大。

为解决这个问题，日本公开专利申请特开昭59-101540号公报中 公开了这样一种技术：在利用发动机排出的气体能量驱动的增压器的转轴上设置转动电机，发动机低速运转时，上述转动电机作为电动机加以驱动，因而提高了涡轮增压器的转速，从而预计可以改善装有涡轮增压器的发动机低速转矩的缺点，同时为了防止发动机在高速运转时涡轮增压器超速，将上述转动电机作为发电机加以驱动，并给涡轮增压器加负荷。此外，用驱动作为发电机的该转动电机所发出的电能给蓄电池充电。但这种现有技术没有考虑在上述转动电机作为发电机驱动时，发出的电能只用以给蓄电池充电的情况下，如何根据蓄电池电能的使用状态控制发电机发电量的问题。

本发明的目的是提供发动机的这样一种辅助装置，在该辅助装置中，在利用装在车辆上的发动机排出气体的能量驱动的增压器转轴上配置有转动电机，该转动电动机在根据运转状态需要提高转矩的场合作为电动机加以驱动，发动机的负荷在规定值以下时作为发电机加以驱动，发动机排出的气体的能量通过变换成电能对蓄电池进行充电来加以回收，同时在作为发电机驱动时车辆电气装置的耗电量比充电量还大的场合，还能防止蓄电池的蓄电容量因上述转动电机发电量的增加而降低。

根据本发明，能提供一种装设于车辆上的内燃机辅助装置，该装置具有由所说车辆动力源的发动机之废气所驱动的涡轮机、被该涡轮机的旋转轴所驱动并对发动机的吸气进行加压的压气机、与该涡轮机共轴旋转的旋转电机，所说内燃机的辅助装置包括：

检测所述发动机转速的装置;

检测所述发动机燃料供给量的装置;

被搭载在所述车辆上作为车辆电气装置电源的蓄电池;本发明的特点是还包括：

根据所述转速检测装置和燃料供给量检测装置的检测信号，演算所述发动机负荷状态的装置;

控制装置，该控制装置当通过所述演算装置算出的发动机负荷状态高于予定值时，把所述蓄电池的电力供给所述旋转电机，使它作为电动机工作，而当所说负荷状态低于予定值时，则使该旋转电机作为发电机工作，并将它所产生的电力对所说蓄电池进行充电;及

在所述旋转电机作为发电机工作时，检测所述蓄电池的充放电电流，当它处于放电状态时，增加对所说发动机的燃料供给量的装置。

以下根据附图对本发明的实施例进行详细说明。附图中：

图1是表示本发明一实施例的构成图。

图2是其他实施例的构成图。

图3是表示采用增压器的内燃机和控制装置的关系的方块图。

图4是表示代表内燃机之负载的燃料流量和转数的关系的曲线图。

图5是表示一实施例的处理过程的处理流程图。

在图1里，1是增压器、A是设于发动机的进气管的中间的第1透平机、B是设于发动机的排气管中间的第2涡轮机、2是压气机壳体、3是涡轮机壳体、4是中心壳体、同时在中心壳体4的中心部两端还设有固定轴承5、以及在该固定轴承5内滑动旋转的浮动轴承合金6，该浮动轴承合金6还以可自由旋转的方式支撑着旋转轴7的两端。

在旋转轴7的两端还安装有压气机叶轮8及涡轮机叶轮9，它们分别被装在压气机机壳2及涡轮机机壳3的内部。涡轮机叶轮9是接受由涡形管10送气的废气能量而旋转，并通过旋转轴7使压气机叶轮8旋转，由进气管11引进的空气在扩压段12进行压力变换，然后向内燃机的汽缸内压送空气。

还有，在上述旋转轴7的中部附近配设有转子13，它是在以轴向层迭的硅钢片的周围，以长轴方向穿通多根导体，分别使设在两端的导体板14短路，而构成所谓的鼠笼型转子。

15是与该转子13相对的定子铁心，因为具有产生一定旋转磁场的绕 组的定子线圈16，所以通过供给该定子线圈16的交流电流，转子13就能获得旋转力使旋转轴7旋转。还有，若以快于该交流产生的周期速度的高速旋转来传动旋转轴7的话，转子13、定子铁心15、定子线圈16就构成感应发电机，所以就能从定子线圈16获得电动势。因而由转子13、定子铁心15、定子线圈16组成的交流机就构成电动-发电机。

图2是表示有关本发明之内燃机的增压器的另一实施例的构成说明图。图中与图1相同的部份标上同样的标号，并省略其说明。

图2中，配设在旋转轴7的中部附近的17是含有稀土类元素，用带有很大剩磁的磁性体构成的在轴方向上的长环形磁铁转子。它的两端面是用高抗拉强度的金属圆盘18固定支持着，进而还用碳纤维把该磁铁转子17的外周紧固地捆绕起来，使之即使受到超高速旋转而产生的离心力和振动的影响，也具有作为坚固的磁铁转子的耐久力。

15是与磁铁转子17相对的定子铁心，以磁铁转子17的旋转产生的磁通量变化来接受感应，在定子线圈16产生电动势。

因此，用磁铁转子17、定子铁心15、定子线圈16构成的交流机，若通过外力来转动旋转轴7，就会成为通过由磁铁转子17的旋转产生的磁通量变化，由定子线圈16产生交流的发电机，还有，把交流电力供给定子线圈16，就会变为磁铁转子17旋转的电动机，从而构成电动-发电机。

图3是表示设有上述增压器1的内燃机20和控制装置21的关系的方框图。图中的22是连通内燃机20的排气口的排气歧管、与增压器1的涡形管10相通。23是把用增压器1的压气机叶轮8压送的增压空气导给汽缸的进气歧管。在该进气歧管23的中部，设有检测增压空气的升高压力并把信号送给控制装置21而构成检测内燃机的进气压力之机构的增压传感器24。25是附设于内燃机20的主机的喷射器，同时还设有检测该喷射器25的燃料喷射量而成为检测内燃机的负荷之机构的燃料流量传感器 26，所测得的燃料流量信号被送至控制装置21。

另外，在内燃机20的曲轴箱20a设有检测曲轴的转数把信号发给控制装置21的旋转传感器27。此外，在电动-发电机（MG）里还设有转子位置传感器28，在磁铁转子13或17高速旋转发电时，为防止穿过定子线圈16的磁通量紊乱而降低电动势的功率因数，通过把该转子位置传感器28的检测信号传给控制装置21来控制出自定子线圈16的电动势的相位，从而能够改善高速旋转发电时的功率因数。

控制装置21是由进行运算处理的处理装置（CPU）、存储控制电动-发电机MG与后述的变换器29的程序的只读存储器（ROM）、输入口、输出口、存储运算结果等的随机存取存储器（RAM）以及把这些连接起来的地址数据总线（BUS）构成的。在输入口连接有增压传感器24、燃料流量传感器26，旋转传感器27、转子位置传感器28等，接收来自各种传感器的检测信号。另外，在输出口除了电动-发电机MG以外还连接有变换器29、脉宽调制（PWM）控制器30、调整器31、并输出控制这些装置的信号。

变换器29是通过控制装置21由蓄电池32来供给直流电源、然后把该电源变换成交流使电动-发电机（MG）作为电动机进行工作。并且，让旋转轴7旋转使之帮助以废气能来旋转的压气机叶轮8的增压动作。还有，该帮助工作是由遵照控制装置21发出的指示的变换器29的输出频率与输出电压来进行控制的。

PWM控制器30是接收电动-发电机（MG）作为发电机工作时的发电电力，把该电力的电压控制在一定值的控制器。电压被控制在一定值的电力是用调整器31来调整为与蓄电池32相匹配的电压，然后对该蓄电池32进行充电。此外，33是在蓄电池充电出现不佳状态时发出指示故障的故障信号灯。

图4是通过表示内燃机负载的燃料流量Q和内燃机的转数N来表示 的曲线图。A表示无负载曲线、B表示全负载曲线、C表示转矩增大曲线。因而例如在燃料流量Qn、转数Nn的情形下，就形成无负载曲线A和全负载曲线B之间的Xn，而显示出内燃机是处于部分负载场合。

以下，对上述构成的本实施例的工作进行说明。在由喷射器25向内燃机20供给燃料的流量为Qn、内燃机20的转数为Nn的情形下，就会向控制装置21发出基于来自燃料流量传感器26的Qn的信号，和基于来自旋转传感器27的Nn的信号。控制装置21根据所接收的基于Qn和Nn的信号。由存储在ROM内的程序测出内燃机20是处于无负载曲线A和全负载曲线B之间的部分负载场合，使电动-发电机MG作为发电机进行工作。于是，由于磁铁转子13或17的旋转而起电的定子线圈16的电力被送到PWM控制器30，该电力被控制在一定的电压值。而且还用调整器31来调整使之与蓄电池32的电压相匹配，然后给该蓄电池充电。此外，在上述的发电时，磁铁转子13或17的旋转若变为超高速的话，发电电力则变为高频率，电压与电流的相位差扩大而降低功率因数，但是通过用转子位置传感器28检测出这种相位差，并把信号传送给控制装置21，控制装置21就能对定子线圈16的线圈电流进行控制，以减少相位差，改善功率因数。

接着，增加供给内燃机20的燃料流量，例如在图4所示的全负载曲线B和转矩增大曲线C之间的区域里的情形时，燃料流量传感器26和旋转传感器27分别将测出的信号送给控制装置21。于是，控制装置21根据存储于ROM的电动-发电机MG的控制程序来进行控制，使该电动-发电机MG作为电动机进行工作。进而，还基于燃料流量传感器26、旋转传感器27、增压传感器24的检测信号，遵照所存储的控制图像来控制变换器29的输出频率、输出电压，向定子线圈16输送电力，帮助压气机叶轮8的增压动作以获得最适的增压使电动-发电机MG作为电动机进行工作。此外，通过上述的一连串工作。废气的能量也会上升。所以涡轮机叫轮9的传动力也上升，但控制装置21则进行控制使增压不会超越规定的上 限。也就是说，增压达到上限的时候，是作为发电机进行工作，也就能够吸收动力。还有，即使使电动-发电机MG作为电动机工作，以帮助压气机叶轮8的增压工作也还未能使增压达到规定的值的时候，控制变换器29的输出频率、输出电压把电力供给定子线圈16使电动机的输出能进一步增加。

图5是表示本实例之一例的处理操作流程图。图中，首先由旋转传感器27的信号对转数进行检测（步骤a），该转数为规定的空载转数时则进到步骤b，对蓄电池电压进行检测。在此电压为正常或者是在一定的电压值以上的时候，由于无须对蓄电池进行充电，把燃料流量保持在标准值再回到步骤a。

接着，在步骤b，蓄电池电压是在规定的电压值以下时，就以PWM控制器30对来自作为发电机工作的电动-发电机MG的电力进行控制，使充电电流增加，然后通过调整器31对蓄电池32进行充电。于是，由于这个充电电力会增加电动-发电机MG的负载，所以就增加燃料流量使废气能量增加（步骤c）。

在步骤a为规定的空载转数以上的情形时，就要对来自蓄电池32的消耗电流和充电电流做一比较（步骤d），在充电电流不足的时候，就要对使电动-发电机发出的充电电力增加的机构即PWM控制器30进行控制，和增加燃料流量使充电电流增加（步骤e）。于是，通过旋转传感器27的信号来检测内燃机是否以规定的转数进行运转，还有以燃料流量传感器26的信号来对负载状态进行检测（步骤f，步骤g），如果双方都处于规定的范围内的话就进到步骤h。

在步骤h，根据燃料流量传感器26、旋转传感器27、增压传感器24发出的信号，遵照控制装置21的存储在ROM里的控制模式来进行控制，在处于全负载曲线B和转矩增大曲线C之间的范围里的时候。就对变换器29的输出进行运算，并对变换器29进行控制以便使电动-发电机MG作 为电动机进行工作。接着，对增压传感器24发出的检测信号进行检测，增压达规定值时，就对充电电力的累计值进行运算，并对该电力累计值进行核实（步骤i，步骤j）。这是因为电动-发电机MG在作为电动机工作时，就要停止供给蓄电池32的充电电流，所以作为蓄电池32的过放电的监视而要对电力累计值进行核实，如果没问题的话就返回最初的步骤a。

还有，在经核实发现电力累计值有问题的时候，故障信号灯33就会亮，再返回步骤h，对上述控制模式的微调进行运算，使电动-发电机MG作为发电机进行工作对蓄电池32进行充电。另外，在步骤i对增压进行检测而未能达到规定值的时候，就返回步骤h再次进行运算。

另外，在本实施例里，作为检测内燃机的负载的机构，是在喷射器25配设一燃料流量传感器26，但是也可以采用油门踏板的踩踏量传感器，以及根据不同的内燃机的种类例如柴油机的话就可采用燃料喷射量齿条的位置传感器，而汽油机的话，则可采用化油器的进气阀的开度传感器等来对负载进行检测。

Claims (7)

1、一种内燃机的辅助装置，被装设于车辆上，具有：由所述车辆动力源的发动机之废气所驱动的涡轮机、被该涡轮机的旋转轴所驱动并对发动机的吸气进行加压的压气机、与该涡轮机共轴旋转的旋转电机，所说内燃机的辅助装置包括：

检测所述发动机转速的装置；

检测所述发动机燃料供给量的装置；

被搭载在所述车辆上作为车辆电气装置电源的蓄电池；其特征在于：

根据所述转速检测装置和燃料供给量检测装置的检测信号，演算所述发动机负荷状态的装置；

控制装置，该控制装置当通过所述演算装置算出的发动机负荷状态高于予定值时，把所述蓄电池的电力供给所述旋转电机，使它作为电动机工作，而当所述负荷状态低于予定值时，则使该旋转电机作为发电机工作，并将它所产生的电力对所述蓄电池进行充电；

在所述旋转电机作为发电机工作时，检测所述蓄电池的充放电电流，当它处于放电状态时，增加对所述发动机的燃料供给量的装置。

2、如权利要求1所述的内燃机辅助装置，其特征在于：所述旋转电机是采用鼠笼型转子的感应交流电机。

3、如权利要求1所述的内燃机辅助装置，其特征在于：所述旋转电机是采用永久磁铁作转子的交流电机。

4、如权利要求1所述的内燃机的辅助装置，其特征在于还包括：检测所述压气机的增压装置;

当所述旋转电机作为电动机工作，而所述被检测到的增压在予定值以下时，提高和校正该旋转电机的转速的装置。

5、如权利要求4所述的内燃机辅助装置，其特征在于还包括：

检测所述旋转电机转速的检测装置;

当所述旋转电机作为电动机工作时，根据所述被检测的转速信号，对供给所述电机的交流电力的频率进行校正的装置。

6、如权利要求1所述的内燃机辅助装置，其特征在于还包括：

当所述旋转电机作为发电机工作所产生的电力被用来向所述蓄电池充电时，对该被产生的电力的电压进行校正的装置。

7、如权利要求6所述的内燃机辅助装置，其特征在于还包括：检测所述旋转电机的转速检测装置;

根据所述旋转电机作为发电机工作时被检测的所述转速信号，以控制由该旋转电机所产生的电力的相位控制装置。

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