CN1090283C - 带内置辅助电机的涡轮增压系统及其冷却系统 - Google Patents

带内置辅助电机的涡轮增压系统及其冷却系统 Download PDF

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Abstract

一种废气驱动的涡轮驱动一压缩机，使一内燃机增压。一位于连接轴上的内置电机向涡轮增压轴增加动力，特别是在低排气量时。对该电机的冷却包括发动机油的循环，还可包括隔热件，以限止从涡轮进入的热，以及包括穿过电机的空气流，以带走从涡轮进入的热。

Description

带内置辅助电机及其冷却系统的涡轮增压系统
发明领域
本发明涉及内燃机排放气体驱动的涡轮增压器，特别是涉及采用一内置电机以提高低排气量时的输出。
发明背景
为了增加特定排放容量的内燃机的动力输出，可借助于一涡轮增压器通过压缩空气来提供附加的空气。附加的空气允许更多的燃料燃烧以增加动力输出。
在很低的发动机速度时，例如低速空转，没有足够的排气能量驱动涡轮增压器快到足以产生显著的助推效果。结果，在发动机节流阀门打开和涡轮增压器运转的快到足以产生足够的助推压力以消除加速时的烟雾之间有一明显的滞后时间。因此采用了齿条限制装置或膜盒控制之类的燃料控制装置，以限制输送到发动机气缸的燃料数量，直到涡轮增压器能输送足够的空气以产生无烟燃烧为止。这些燃料限制装置造成对节流打开的反应较慢，并造成发动机和汽车的反应迟缓。
因此，当需要增加发动机的动力输出的这些时候，就必须提高排气驱动的涡轮增压器的输出。
发明概述
为了帮助了解本发明，可以用概述的形式叙述本发明，它所涉及的是一种废气驱动的涡轮增压器，该涡轮增压器带有一个在排气流速低时维持压缩机速度的内置电机，以便向发动机提供足够的空气，来消除未燃烧的碳氢化合物和排出的烟雾，以及在加速时尽早提高动力。本发明包括的结构限制了电机的温度过高并可限制传导到电机的热量。
本发明的一个方面是通过设置一个内置电机向一个由排气膨胀所驱动的涡轮增压器提供动力，以便提供扭矩来协助驱动轴沿与排气膨胀相同的方向旋转。
本发明的还一个方面是提供一种带有内置电机的废气驱动涡轮增压器，采用冷却电机的措施，以便在运转期间和之后限制电机温度。
本发明的还一个方面是提供一个位于排气涡轮和电机之间的隔热件，以便在运转期间和之后限制热量由排气涡轮传导到电机。
本发明的另一个方面是提供一种排气驱动的压缩机，空气沿一个方向从内置电机流到排气涡轮，以便从电机周围的结构中带走热量。
本发明提出一种涡轮增压系统，其包括：
一个外壳，所述外壳在其内设有第一和第二隔开的轴承，一根轴从一第一端到一第一第二端延伸穿过所述外壳并穿过所述轴承，这样一空气压缩机可安装在所述轴的所述第一端，并且一排气涡轮可安装在所述轴的所述第二端，以便驱动所述轴在所述轴承内转动；和
一个在所述外壳内位于所述轴承之间的电机，所述电机带有一安装在所述轴上的转子和一固定在所述外壳上的定子，这样所述电机可被通电以使所述轴以预先选定的最小速度转动，即使没有充分的废气被供给到涡轮来保持该预先选定的最小速度，该最小速度被预先选定以便除了排气涡轮单独提供的增压空气量之外向一发动机提供增压空气，所述外壳具有一个与所述定子相邻的流体通道在外壳中的所述通道与所述轴承和轴承润滑油供给源连接，其中轴承润滑油流冷却电机。
在所述转子和所述轴承之间有分隔装置，以防止轴承的油进入所述转子。
所述分隔装置包括一安装在所述轴上的甩油环。
所述分隔装置包括一个相互连接所述轴和所述外壳的密封。
所述分隔装置也包括一安装在所述轴上以便与所述轴一起旋转的甩油环。
所述电机转子包括多个磁铁，每块磁铁被成形为一圆柱形管的纵向弓形体。
一卡圈安装在所述轴上并与所述转子磁铁的各端部相邻，所述卡圈环绕所述转子磁铁以便将它们保持在所述轴上。
其进一步包括一个大致在其中部环绕所述磁铁的卡圈。
位于所述轴各端的所述卡圈在其上还支承一密封。
每个所述卡圈还在其上支承一甩油环。
电机转子包括多个磁铁，由在多个磁铁与轴之间隔热件承载在所述轴的所述第二端上安装有一个排气涡轮转子，并且其还包括位于所述排气涡轮转子和所述轴的所述第二端之间的隔热件，以防止热量从所述排气涡轮转子传导到所述轴。
所述轴是中空的且其还包括用以通过所述轴从所述第一端朝所述第二端供给空气的装置，以便从所述轴上带走从所述轴的所述第二端朝所述电机传导的热量。
供给空气的所述装置包括一个气泵，这样即使当所述轴不转动时也可通过所述轴供给空气。
本发明也提出一种涡轮增压系统，其包括：
一外壳，所述外壳具有一第一端和一第二端，所述外壳带有一根贯穿它的轴，第一和第二隔开的轴承安装在所述外壳内，所述轴延伸穿过所述轴承，这样所述轴可转动地安装在所述轴承上所述轴从所述外壳的所述第一端和所述第二端两者伸出，所述外壳被构造可将一压缩机涡管安装在所述外壳的所述第一端上并可将一空气压缩机转子安装在所述轴的所述第一端上，以便能够向内燃机提供增压空气，所述外壳被构造成可将一排气涡管安装在所述外壳的所述第二端并可将一排气涡轮转子安装在所述轴的所述第二端，这样可将所述涡管连接成接纳来自内内燃机的废气并驱动所述轴，所述外壳内具有用以连接润滑流体供给源的通道，以便润滑所述外壳内的所述轴承，并具有用以从所述外壳排出润滑流体的连接件；和
一个电机，所述电机具有安装在所述轴上位于所述轴承之间的一个转子并具有一个位于所述外壳内的定子，所述电机被连接成即使废气流不足以保持所述轴的选定最小转时该电机能够保持所述轴的这一选定速度，所述润滑流体通道相对于所述定子定位以冷却所述定子。
所述润滑剂通道包括一个环绕所述定子的环状通道。
在所述第一轴承与所述转子之间和所述第二轴承与所述转子之间设有防止油从所述第一和第二轴承流到所述转子的装置。
所述防止油流到所述转子的装置包括一密封。
所述防止油流到所述转子的装置包括一甩油环。
所述防止油流到所述转子的装置包括一甩油环。
所述转子包括多个位于所述轴上的磁铁，每块所述磁铁均被形成一圆柱形管的纵向弓形体。
在所述轴上有一与所述转子各端部相邻的卡圈，所述卡圈环绕所述磁铁以便将所述磁铁保持在所述轴上。
在每个所述卡圈上有一甩油环，以防止油从所述轴承流到所述转子。
在每个所述卡圈上有一油封，以防止油从所述轴承流到所述转子。
还设有一绕所述磁铁中部卡紧的卡圈。
在所述磁铁和所述轴之间设有隔热件，以防止所述轴内的热量传导到所述磁铁。
设有一个从所述第一端到所述第二端穿过所述轴的空气通道，和通过所述空气通道供给空气的装置，以减小从所述轴的所述第二端传导到所述转子的热量。
在所述轴的所述第二端上安装有一排气涡轮转子，在所述排气涡轮转子和所述轴之间设有一个防止热从所述转子传导到所述电机的隔热件。
所述转子包括多个位于所述轴上的磁铁，每块所述磁铁均被成形为一圆柱形管的纵向弓形体。
在所述轴上设有一个与所述转子的各端部相邻的卡圈，所述卡圈环绕所述磁铁以便将所述磁铁保持在所述轴上。
在每个所述卡圈上设有一个甩油环，以防止油从所述轴承流到所述转子。
在每个所述卡圈上设有一具油封，以防止油从所述轴承流到所述转子。
还设有一绕所述磁铁中部卡紧的卡圈。
在所述磁铁和所述轴之间设有隔热件，以防止所述轴内的热传导到所述磁铁。
设有一从所述第一端到所述第二端穿过所述轴的空气通道，和通过所述空气通道供给空气的装置，以减小从所述轴的所述第二端传导到所述转子的热量。
参照后面的描述并结合附图，可更好地了解本发明的构成及其操作方式，以及其它目的和优点。
附图的简要描述
图1是一纵向剖视图，该剖视图通过汽车排气驱动的涡轮增压器的排气涡轮和空气压缩机，并通过轴承和电机外壳，显示了位于轴承外壳内的轴承之间的内置电机；
图2是沿图1中所示2-2线截取的放大横向剖视图；和
图3示出了电机及其周围结构的详细结构。
优选实施例的描述
本发明的涡轮增压系统在图1中通常以标号10表示。沿排气涡轮12和充气压缩机14的连接轴16的中心线的纵剖视图最清楚地表示了排气涡轮12和充气压缩机14。排气涡轮具有一进口涡管18，它被连接成接纳来自内燃机例如柴油机的废气。叶轮20安装在轴16上并使废气膨胀。废气被排放排气管22之外。叶轮20对轴16施加一扭矩并使轴16转动。
在轴的另一端，进气口24接纳来自外界的穿过一空气过滤器或类似装置之后的空气，过滤器排除了一大部分的物理污染物。进气口24是涡轮增压器的一部分，涡轮增压器包括涡管26。压缩机叶轮28安装在轴16上并与之一起旋转。压缩机叶轮的转动压缩进入的空气，所述空气通过涡管，有时通过一中间冷却热交换器，输送到内燃机。
通常由标号30表示的一轴承和电机外壳是一分隔中的外壳，如图2所示，以便于组装内部零件。然而，为了说明清楚起见，图1中以剖视图示出了外壳30。轴承32和轴承34大致在轴承外壳30的端部环绕着轴16。将所述轴承隔开的尽可能远最为理想，以便提高轴的稳定性。轴承外壳30除了支承轴承外，压缩机涡管26和涡轮机涡管18也安装在轴承外壳30上。油入口36将机油输送到轴承外壳，在此它进入环形油道38。进入轴承32和34的润滑油从环形油道38经由轴承油道40和42来提供。大部分结构在图2和图3中也可以看到。环形油道38带有通向排油腔48的排油口44和46，排油腔有一出口连接件50，用以使油返回到发动机，以重复利用。从轴承32和34朝轴承外壳的内部排出的油直接流入排油腔48。从轴承向排油腔之外流动的油经过返回通道52和54返回到排油腔。所述轴在标号57和59处具有密封，以防止流出的油流入压缩机和膨胀机。
如上面所讨论的，在发动机速度很低，例如空转时，没有足够的废气能量将涡轮增压器驱动得快到足以产生有效的增压效果。结果，在发动机节流阀门打开和涡轮增压器运转得快到足以产生足够增压压力以消除加速时的烟雾之间有一明显的滞后时间。为了克服压缩机运转太慢的问题，在轴承外壳内并于轴承之间安装有电机56，电机的转子安装在轴16上。一较佳类型电机是在转子上具有永久磁铁，以避免电机中常有的高速时换向问题。如图3所示，轴16具有一直径减小的颈部58，其内设置有一隔热套60。四块磁铁62，64，66和68绕隔热套60设置(见图2)。磁铁相互之间略微隔开以防止极端部相靠。磁铁被成形为一圆柱形管的纵向弓形体。磁铁的长度应能填满颈部58。卡圈70绕磁铁的中部卡紧以帮助磁铁承受强大的离心力。
示于电机的左侧的甩油环结构72，及其示于电机的右侧的成对甩油环结构74各实现三个功能。甩油盘76保持油远离电机。此外，密封78使油不得进入电机。而且，环绕轴16的甩油环结构的套圈具有一个包围磁铁的端部的凹槽80。这样，甩油环结构的套圈就包围磁铁的外侧，以保持端部沿纵向和径向定位。
电机56的定子82包括多个多层，例如分层结构84，由适当的可透磁的材料制成。如图2所示，分层结构限定了六个极，例如极86。极上支承有绕组，例如极86上的绕组88。这些绕组从外部导电连接于电机，并可适当地被有选择和顺序地通电以绕轴产生一个旋转的磁场。该旋转磁场与构成电机转子的磁铁62至68的磁场耦合，从而使得轴16旋转。控制磁场的转动速度就控制了电机的速度。
在这种性质的环境中，控制传导到电机的热量并限制电机所达到的峰值温度是非常重要的。热的主要来源是进入涡轮增压系统中涡管18的内燃机废气。涡管被直接安装在轴承外壳30上，但安装面积要尽可能小，以便减小从涡管到外壳的热传导。环形油道38直接位于电机分层结构的外侧，并且就是这里的油带走了大部分进入外壳30的热量。环形油道靠近电机，并且通过其中的油要充分，以便当系统在平衡动作时限制温度。隔热元件上60减小了到达并通过转子磁铁的热传导。此外，排气涡轮的叶轮20最好安装在一个隔热杯90上，如图1所示隔热杯90包在轴16的排气涡轮端。在涡轮转子的下面和电机转子磁铁的下面采用隔热措施，结合连续油液循环所实现的油冷，足以在大致平衡的条件下控制电机的温度。
当以合理的负载平衡条件运行之后关闭系统时，会产生另一个问题。在排气涡轮的涡管18和它的转子20中有相当大的热质量，并且它在废气温度下一直在运行。涡管机械地连接于也处于热态的发动机的排气系统。涡轮出口连接于一个消音器，但排气管传统上是由薄壁结构构成，这样就不能传送走大量的热。当关机时，在排气涡轮的涡管的热质量中的热大部分进入轴承和电机外壳30，而提高了它们的温度。如果热量不能及时排出，吸入轴承外壳和电机的热量就会将其温度升高到难以接受的程度。不能超过磁铁的居里温度，居里温度取决于材料。越昂贵的材料具有越高的居里温度。这样，限止了温度就允许使用较便宜的磁铁材料。排气涡轮的叶轮的下方的隔热件以及磁铁的下方的隔热件两者限制了磁铁温度。
在一个现有的最佳实施例中，理想的是设置一个穿过轴16的中心的空气通道90′。电机92驱动气泵94，气泵94通过一网屏96抽吸空气。该网屏可以是一传统的空气过滤器。气泵将空气输送通过向下取向的止回阀98且通过臂部100到达喷嘴102。喷嘴102将空气输送通过空气通道90′，到轴的端部排出，进入废气管22。这样就将热量沿着将热量从排气涡轮的涡管吸入轴的方向相反的方向排出该轴。
尽管使空气通过中空的轴的该冷却系统主要用于在关机时防止吸入轴承外壳的热量使电机温度升的过高，但在安装后，它也可以在涡轮增压系统运转期间操作。由于可以从空气压缩机14得到压缩的空气，它由涡管26引出并被送过止回阀104到达三通管106，在此气流加入通道，向下通过臂部100。止回阀98和104的目的是在关闭涡轮增压系统的时候防止气泵94将空气送到涡管，并在涡轮增压系统运行的时候防止涡管将空气送到气泵94。如上所述，采用该中空的轴及其气流冷却系统并非必须依附于其它的热流控制和温度限制结构。这样，两者可以独立地采用。
上面以目前所构思的最佳模式描述了本发明，并且很清楚在本领域技术人员的能力内可容易地作出许多改动，模式和实施例，而不超出本发明的范围。相应地，本发明的范围由后面的权利要求书的范围限定。

Claims (34)

1.一种涡轮增压系统，其包括：
一个外壳，所述外壳在其内设有第一和第二隔开的轴承，一根轴从一第一端到一第一第二端延伸穿过所述外壳并穿过所述轴承，这样一空气压缩机可安装在所述轴的所述第一端，并且一排气涡轮可安装在所述轴的所述第二端，以便驱动所述轴在所述轴承内转动；和
一个在所述外壳内位于所述轴承之间的电机，所述电机带有一安装在所述轴上的转子和一固定在所述外壳上的定子，这样所述电机可被通电以使所述轴以预先选定的最小速度转动，即使没有充分的废气被供给到涡轮来保持该预先选定的最小速度，该最小速度被预先选定以便除了排气涡轮单独提供的增压空气量之外向一发动机提供增压空气，所述外壳具有一个与所述定子相邻的流体通道在外壳中的所述通道与所述轴承和轴承润滑油供给源连接，其中轴承润滑油流冷却电机。
2.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中在所述转子和所述轴承之间有分隔装置，以防止轴承的油进入所述转子。
3.如权利要求2所述的涡轮增压系统，其中所述分隔装置包括一安装在所述轴上的甩油环。
4.如权利要求3所述的涡轮增压系统，其中所述分隔装置包括一个相互连接所述轴和所述外壳的密封。
5.如权利要求4所述的涡轮增压系统，其中所述分隔装置也包括一安装在所述轴上以便与所述轴一起旋转的甩油环。
6.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述电机转子包括多个磁铁，每块磁铁被成形为一圆柱形管的纵向弓形体。
7.如权利要求6所述的涡轮增压系统，其中一卡圈安装在所述轴上并与所述转子磁铁的各端部相邻，所述卡圈环绕所述转子磁铁以便将它们保持在所述轴上。
8.如权利要求7所述的涡轮增压系统，其进一步包括一个大致在其中部环绕所述磁铁的卡圈。
9.如权利要求7所述的涡轮增压系统，其中位于所述轴各端的所述卡圈在其上还支承一密封。
10.如权利要求7所述的涡轮增压系统，其中每个所述卡圈还在其上支承一甩油环。
11.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中电机转子包括多个磁铁，其由在多个磁铁与轴之间的隔热件承载，在所述轴的所述第二端上安装有一个排气涡轮转子，并且其还包括位于所述排气涡轮转子和所述轴的所述第二端之间的隔热件，以防止热量从所述排气涡轮转子传导到所述轴。
12.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述轴是中空的且其还包括用以通过所述轴从所述第一端朝所述第二端供给空气的装置，以便从所述轴上带走从所述轴的所述第二端朝所述电机传导的热量。
13.如权利要求12所述的涡轮增压系统，其中供给空气的所述装置包括一个气泵，这样即使当所述轴不转动时也可通过所述轴供给空气。
14.一种涡轮增压系统，其包括：
一外壳，所述外壳具有一第一端和一第二端，所述外壳带有一根贯穿它的轴，第一和第二隔开的轴承安装在所述外壳内，所述轴延伸穿过所述轴承，这样所述轴可转动地安装在所述轴承上所述轴从所述外壳的所述第一端和所述第二端两者伸出，所述外壳被构造可将一压缩机涡管安装在所述外壳的所述第一端上并可将一空气压缩机转子安装在所述轴的所述第一端上，以便能够向内燃机提供增压空气，所述外壳被构造成可将一排气涡管安装在所述外壳的所述第二端并可将一排气涡轮转子安装在所述轴的所述第二端，这样可将所述涡管连接成接纳来自内内燃机的废气并驱动所述轴，所述外壳内具有用以连接润滑流体供给源的通道，以便润滑所述外壳内的所述轴承，并具有用以从所述外壳排出润滑流体的连接件；和
一个电机，所述电机具有安装在所述轴上位于所述轴承之间的一个转子并具有一个位于所述外壳内的定子，所述电机被连接成即使废气流不足以保持所述轴的选定最小转时该电机能够保持所述轴的这一选定速度，所述润滑流体通道相对于所述定子定位以冷却所述定子。
15.如权利要求14所述的涡轮增压系统，其中所述润滑剂通道包括一个环绕所述定子的环状通道。
16.如权利要求14所述的涡轮增压系统，其中在所述第一轴承与所述转子之间和所述第二轴承与所述转子之间设有防止油从所述第一和第二轴承流到所述转子的装置。
17.如权利要求16所述的涡轮增压系统，其中所述防止油流到所述转子的装置包括一密封。
18.如权利要求16所述的涡轮增压系统，其中所述防止油流到所述转子的装置包括一甩油环。
19.如权利要求17所述的涡轮增压系统，其中所述防止油流到所述转子的装置包括一甩油环。
20.如权利要求14所述的涡轮增压系统，其中所述转子包括多个位于所述轴上的磁铁，每块所述磁铁均被形成一圆柱形管的纵向弓形体。
21.如权利要求20所述的涡轮增压系统，其中在所述轴上有一与所述转子各端部相邻的卡圈，所述卡圈环绕所述磁铁以便将所述磁铁保持在所述轴上。
22.如权利要求21所述的涡轮增压系统，其中在每个所述卡圈上有一甩油环，以防止油从所述轴承流到所述转子。
23.如权利要求21所述的涡轮增压系统，其中在每个所述卡圈上有一油封，以防止油从所述轴承流到所述转子。
24.如权利要求21所述的涡轮增压系统，其中还设有一绕所述磁铁中部卡紧的卡圈。
25.如权利要求20所述的涡轮增压系统，其中在所述磁铁和所述轴之间设有隔热件，以防止所述轴内的热量传导到所述磁铁。
26.如权利要求25所述的涡轮增压系统，其中设有一个从所述第一端到所述第二端穿过所述轴的空气通道，和通过所述空气通道供给空气的装置，以减小从所述轴的所述第二端传导到所述转子的热量。
27.如权利要求14所述的涡轮增压系统，其中在所述轴的所述第二端上安装有一排气涡轮转子，在所述排气涡轮转子和所述轴之间设有一个防止热从所述转子传导到所述电机的隔热件。
28.如权利要求27所述的涡轮增压系统，其中所述转子包括多个位于所述轴上的磁铁，每块所述磁铁均被成形为一圆柱形管的纵向弓形体。
29.如权利要求28所述的涡轮增压系统，其中在所述轴上设有一个与所述转子的各端部相邻的卡圈，所述卡圈环绕所述磁铁以便所述磁铁保持在所述轴上。
30.如权利要求29所述的涡轮增压系统，其中在每个所述卡圈上设有一个甩油环，以防止油从所述轴承流到所述转子。
31.如权利要求29所述的涡轮增压系统，其中在每个所述卡圈上设有一具油封，以防止油从所述轴承流到所述转子。
32.如权利要求29所述的涡轮增压系统，其中还设有一绕所述磁铁中部卡紧的卡圈。
33.如权利要求28所述的涡轮增压系统，其中在所述磁铁和所述轴之间设有隔热件，以防止所述轴内的热传导到所述磁铁。
34.如权利要求33所述的涡轮增压系统，其中设有一从所述第一端到所述第二端穿过所述轴的空气通道，和通过所述空气通道供给空气的装置，以减小从所述轴的所述第二端传导到所述转子的热量。
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