CN102770634A - 涡轮增压器制动器 - Google Patents

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Abstract

排气能够绕开涡轮增压器（10）以使其速度降低，但这损失了气体中的能量。能够实现一种用于涡轮增压器的制动，该制动使用由涡轮增压器可旋转的轴（15）驱动的至少一个转子（30）以及至少一个定子（40）。转子或定子中的任一者有磁性，另一者是含铁的，以使得轴的旋转在含铁部分中感生涡流，由此从轴提取能量。能够响应于输入参数而调节含铁部分所经受的磁场，以控制制动水平。

Description

涡轮增压器制动器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器和一种操作涡轮增压器、特别是电动涡轮辅助涡轮增压器的方法。本发明还公开了一种包括这种涡轮增压器的发动机。
背景技术
涡轮增压器形成发动机的一部分，并且包括响应于来自发动机的排气而旋转的涡轮增压器轴。涡轮增压器的主要用途是使用压缩机压缩气体以将气体引入发动机气缸内（称为“增压”）。
电动涡轮辅助（ETA）涡轮增压器轴也通过轴的旋转而产生电能。所产生的能量能够被存储在用于辅助电气系统中的电池中或供给至连接到发动机曲轴的电机以改善发动机响应。ETA系统提供了用于回收否则可能在排气中的能量超过驱动压缩机所需的能量的情况下损失的能量的附加机构。
在一些情形中，与涡轮增压器相关联的电气机器也可以用作电机而不是发电机。此外，与发动机曲轴相关联的电气机器同样能作为发电机操作。在涡轮不能提供足以驱动压缩机的机械功率以满足发动机的需求的情况下，曲轴能够驱动其相关联的电气装置使其作为发电机。来自发电机的电力将驱动涡轮增压器轴上的作为电机的电气机器，从而提供附加的能量以驱动压缩机并且增加流向发动机的压缩空气。
美国专利No.5,678,407描述了一种涡轮复合ETA系统的示例。美国专利No.7,174,714描述了一种能够使涡轮复合ETA系统的效率增益最大化的控制系统。
当发动机降低其增压需求时或者当涡轮增压器速度或温度超过安全极限时，涡轮增压器产生一个难题。已有的系统使排气绕开涡轮增压器涡轮以实现制动，尤其是当进气增压需求迅速降低时。当使用这种废气旁通阀时，排气中的能量完全损失。
在ETA系统中，电气机器可以在发电模式下用于吸收过剩的涡轮增压器轴功率，从而充当制动器。然而，这种系统对涡轮增压器轴制动的程度有限。此外，如果这种制动失效，则已有的系统仅能够使用废气旁通阀，从而损失排气能量。本发明旨在克服上述局限性中的一个或多个。
发明内容
本发明涉及一种用于向发动机提供增压的涡轮增压器，其包括：可旋转的轴；布置成由所述可旋转的轴驱动的一个或多个制动转子；一个或多个制动定子，所述一个或多个制动转子或者所述一个或多个制动定子有磁性，并且所述一个或多个制动定子相对于所述一个或多个制动转子定位成使得所述可旋转的轴的旋转在所述一个或多个制动转子或一个或多个制动定子中感生涡流，以由此从所述可旋转的轴提取能量；以及控制器，所述控制器设置成接收输入参数并且基于所述输入参数而调节在所述一个或多个制动转子或一个或多个制动定子处的磁场强度，从而改变涡流的生成水平并且由此控制所述可旋转的轴的制动。
本发明还涉及一种操作这种涡轮增压器的方法，其包括：使所述可旋转的轴在所述涡轮增压器操作期间旋转以产生增压，由此驱动所述一个或多个制动转子相对于所述制动定子旋转；接收所述涡轮增压器的输入参数；以及基于所述输入参数而调节在所述一个或多个制动转子或一个或多个制动定子处的磁场强度，从而控制所述一个或多个制动转子或所述一个或多个制动定子中的涡流的生成水平并且由此控制从所述可旋转的轴提取能量的速度和所述可旋转的轴的制动。
附图说明
所述涡轮增压器和操作涡轮增压器的方法可以采用各种方式实现，现将仅借助于示例并且参照附图描述其中一种方式，在附图中：
图1示出了具有涡流制动的涡轮增压器系统的概略视图。
具体实施方式
参照图1，其示出了涡轮增压器系统1的示意图。涡轮增压器系统1与发动机（未示出）相关联。涡轮增压器系统1可以包括：涡轮增压器装置10；用于接收来自发动机20的排气的输入部；以及电气机器70。
涡轮增压器装置10可以包括：涡轮增压器轴15；以及制动转子30。涡轮增压器系统1还可以包括：至少一个制动定子40；至少一个制动致动器50；以及控制器60。在图1所示的实施例中，示出了两个制动定子40，每个制动定子40均带有相应的制动致动器50。
涡轮增压器装置10还可以包括涡轮和压缩机（未示出）。如众所周知的，来自发动机的排气离开发动机后将经输入部20经过排气总管并且跨涡轮增压器10的涡轮。涡轮由排气驱动并且转动其上安装有压缩机的涡轮增压器轴15。压缩机由轴15驱动并且压缩传送到发动机的进气。
涡轮增压器系统1可以形成发动机中的涡轮复合或TC系统的一部分。涡轮增压器系统1还可以具有电气机器70，该电气机器70优选能够在产生电力的模式下（即，作为发电机或交流发电机）或者在消耗电力并且将其转化为旋转（机械）功率的模式下（即，作为电机）操作。电气机器70优选与涡轮增压器轴15结合。这可以通过使发电机转子（未示出）作为轴15的一部分来完成，其中定子（未示出）位于轴24周围的固定位置。
TC系统的一种操作模式是电气机器70作为发电机操作。在一个实施例中，第二电气机器（未示出）可以作为电机操作，提取功率并且通过将机械功率输给其曲轴来辅助发动机。附加地或可选地，电力可以输入蓄电装置（未示出）中或用于给电气负载（未示出）供电。在一种替代操作模式中，电气机器70可以作为电机操作。由此，电气机器70能够通过将机械功率输给涡轮增压器10的轴而辅助涡轮增压器10。
现将描述制动系统。在通常操作中，电气机器70可以在发电模式中用于吸收过剩的涡轮轴功率，由此充当制动器。在这种布置结构中，如果电气机器70的发电机不能提取足够的能量以有效地使涡轮增压器轴制动，则可以设置附加制动机构作为二级或故障安全特征。
该制动系统的原理是一个或多个制动定子40或者一个或多个制动转子30中的任一者有磁性，而另一者是含铁的。通过在作为制动定子40或制动转子30的含铁部分中感生涡流，阻止了涡轮增压器轴的旋转并且由此提取了能量。这能被控制成提供制动作用。因此，不需要废气旁通阀。
 已知将涡流测力计用于涡轮增压器涡轮测试，例如Proceedings of theInstitution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of AutomobileEngineering,vol.221,no.2/2007（机械工程师学会会报，D辑：汽车工程杂志第221卷2/2007号）中的“用于汽车涡轮增压器涡轮的转矩测量的测力计的开发（The development of a dynamometer for torque measurementof automotive turbocharger turbines）”。正如现在将描述的那样，这种测力计技术经修改能够用于实现涡轮增压器制动系统。
制动转子30由涡轮增压器轴15驱动。优选地，制动转子30包括至少一个永磁体。在一个示例性实施例中，制动转子30是封装在直径为大约80mm的铝盘中的14极磁体（布置在径向的两行中的14×直径12mm×12mm深度的NdFeB纽扣磁体以及14×直径8mm×12mm深度的NdFeB纽扣磁体），由被预压缩成在高转速下容纳磁体的碳纤维复合环罐装。
制动转子30由涡轮增压器轴15驱动，从而以相同的速度旋转。制动定子40沿轴向定位在制动转子30前面和后面。制动定子40可以名义上与制动转子30磁性材料的旋转区域对准。因此，它可以具有约80mm的直径，厚度大小为1mm至2mm，并且其材料可以是涂覆有镍-磷以限制氧化的EN2钢。该特定尺寸可以允许高达约60kW的功率吸收。
旋转使得在制动定子40中感生涡流。由此，由于这种涡流的生成而从涡轮增压器轴35提取了能量。这在涡轮增压器10上施加制动力。涡流生成相对弱，因此可期望维持制动转子30和制动定子40的平行定向，以提供这种涡流生成及因此热量均匀地分布在定子的表面上。
制动定子40与制动转子30之间的距离35控制能量提取速度。致动器50控制制动定子40的位置，因此可以调节该距离35。致动器50优选包括由步进电机致动的螺杆，不过本领域的技术人员可以设想其它形式的电机或致动器。
最小定子-转子间隙可以是用于最大功率吸收的大约0.5mm的量级；换言之，为完全接合的制动。在分离状态下，可以使用超过约12mm且优选更大的定子-转子间隙来使功率损失最小化。
控制器60接收指示发动机参数的输入信号（未示出）。优选地，发动机参数代表期望的增压水平。附加地或可选地，发动机参数可以指示以下中的一个或多个：发动机速度；发动机温度；轴承或电气机器的过热指示。这些可以有助于防止永久损坏电动涡轮辅助机器。控制器60可以是电子的，但也可以是电子机械的或者在软件或硬件中实现。
在发动机运转状况下，当所需增压水平显著下降时，控制器60启动致动器50的步进电机以缩小距离35。由此从涡轮增压器轴15提取转矩，从而使其减慢并且降低了压缩机增压。
潜在地，制动定子40可能被显著地加热。因此，它们可以适当地定位在涡轮增压器的冷却器压缩机（未示出）附近，以限制来自涡轮的热浸。此外，来自涡轮增压器的压缩机侧的空气可以用于冷却制动定子40。
还希望使制动定子40与电气机器70隔离。在电气机器70被用作发电机的情况下，如果电气机器70发生故障，则可以仅使用制动定子40。如果电气机器70不包括任何永磁体，则制动定子40应该按需操作。
上述涡轮增压器系统1能够在发动机如涡轮复合（turbocompounding）发动机中使用。所述发动机能够用于各种工业应用，诸如车辆和飞行器。
尽管上文已描述了本发明的一个实施例，但技术人员能想到各种改型。例如，技术人员能认识到涡轮增压器系统1的各种特征是可选的，诸如电气机器70或者多个制动定子40的使用。此外，可以使用多个制动转子30。制动器50可以采取替代形式，诸如不同类型的电机或磁性控制装置。
如果电气机器70包括永磁体转子，则该永磁体转子可以替代地用作制动转子30。然后可以通过使含铁制动定子40靠近转子移动而接合制动器，特别是在紧急停机方案中。制动定子40可以在这种方案中采取环形形式。
又一个替代方案是使用至少一个磁性制动定子40和含铁制动转子30。在这种实施例中，在制动转子30中感生涡流。如果使用压缩机排气冷却来冷却制动定子40，则至少磁性制动定子40将具有益处，例如，含铁制动转子30将具有比磁性制动转子小得多的惯性，因此充当发电机的电气机器70的瞬态操作不会由于附加部分而损失过多。
在此实施例中，至少一个磁性制动定子40可以可选地包括电磁体。然后通过控制供给至电磁体的电流而调节涡流的生成。这又能够调节制动转子30所经受的磁场强度。可以使用该方法代替距离调节或与距离调节一起使用，以按需进一步增大或减小制动力。

Claims (15)

1.一种用于向发动机提供增压的涡轮增压器，包括：
可旋转的轴；
布置成由所述可旋转的轴驱动的一个或多个永磁体制动转子；
一个或多个制动定子，所述一个或多个制动定子相对于所述一个或多个制动转子定位成使得所述可旋转的轴的旋转在所述一个或多个制动定子中感生涡流，以由此从所述可旋转的轴提取能量；以及
控制器，所述控制器设置成接收输入参数，并且响应于所述输入参数而调节所述一个或多个制动转子与所述一个或多个制动定子之间的距离，从而由此改变涡流的生成水平以及控制所述可旋转的轴的制动。
2.一种用于向发动机提供增压的涡轮增压器，包括：
可旋转的轴；
设置成由所述可旋转的轴驱动的一个或多个制动转子；
一个或多个磁性制动定子，所述一个或多个磁性制动定子相对于所述一个或多个制动转子定位成使得所述可旋转的轴的旋转在所述一个或多个制动转子中感生涡流，以由此从所述可旋转的轴提取能量；以及
控制器，所述控制器设置成接收输入参数，并且响应于所述输入参数而调节在所述一个或多个制动转子处的磁场强度，从而由此改变涡流的生成水平以及控制所述可旋转的轴的制动。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述一个或多个磁性制动定子包括永磁体。
4.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述一个或多个磁性制动定子包括设置成接收电流的电磁体。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述控制器设置成通过调节由所述电磁体接收的电流而调节在所述一个或多个制动转子处的磁场强度。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的涡轮增压器，其特征在于，所述控制器设置成通过调节所述一个或多个制动转子与所述一个或多个制动定子之间的距离而调节在所述一个或多个制动转子处的磁场强度。
7.根据权利要求1或6所述的涡轮增压器，其特征在于，所述控制器设置成响应于指示所需增压水平的降低的输入参数而缩短所述一个或多个制动转子与所述一个或多个制动定子之间的距离。
8.根据权利要求1、6或7中任一项所述的涡轮增压器，其特征在于，所述控制器还包括制动致动器，所述制动致动器设置成使所述一个或多个制动定子相对于所述可旋转的轴移动，以由此调节所述一个或多个制动转子与所述一个或多个制动定子之间的距离。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其特征在于，所述制动致动器包括步进电机。
10.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器，其特征在于，所述输入参数表示以下中的至少一者：所需的增压水平；发动机温度；发动机速度；以及涡轮增压器温度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括发电机装置，所述发电机装置包括：
设置成由所述可旋转的轴驱动的一个或多个永磁体发电机转子；以及
发电机定子，所述发电机定子相对于所述一个或多个发电机转子定位成使得所述可旋转的轴的旋转在所述发电机定子中感生发电电流。
12.根据从属于权利要求1的权利要求11所述的涡轮增压器，其特征在于，所述发电机转子中的至少一个也是制动转子。
13.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮增压器的涡轮复合发动机系统。
14.一种操作涡轮增压器的方法，所述涡轮增压器包括可旋转的轴和制动装置，所述制动装置包括一个或多个永磁体制动转子和一个或多个制动定子，所述方法包括：
使所述可旋转的轴在所述涡轮增压器操作期间旋转以产生增压，由此驱动所述一个或多个制动转子相对于所述制动定子旋转；
接收所述涡轮增压器的输入参数；以及
响应于所述输入参数而调节所述一个或多个制动转子与所述一个或多个制动定子之间的距离，以控制所述一个或多个制动定子中的涡流生成水平并且由此控制从所述可旋转的轴提取能量的速度和所述可旋转的轴的制动。
15.一种操作涡轮增压器的方法，所述涡轮增压器包括可旋转的轴和制动装置，所述制动装置包括一个或多个制动转子和一个或多个磁性制动定子，所述方法包括：
使所述可旋转的轴在所述涡轮增压器操作期间旋转以产生增压，由此驱动所述一个或多个制动转子相对于所述制动定子旋转；
接收所述涡轮增压器的输入参数；以及
响应于所述输入参数而调节在所述一个或多个制动转子处的磁场强度，以控制所述一个或多个制动转子中的涡流生成水平并且由此控制从所述可旋转的轴提取能量的速度和所述可旋转的轴的制动。
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