CN109441622A - 一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，提出采用开关磁阻电机的涡轮增压辅助、发电系统，将电机转子与涡轮‑压气机转子结为一体，并且取消传统涡轮增压的废气旁通阀机构。发动机低速废气能量不足或加速时，调节电机处于电动辅助状态；发动机高速能量过剩或减速时，调节电机处于发电制动状态，并储存电能。本发明采用独立的润滑冷却系统，内置一个齿轮泵作为润滑冷却机油循环流动的动力，齿轮泵的主动轮直接安装在涡轮压气机轴上；并在涡轮侧加装功率较小的电机，用来在发动机加速时辅助工作，提高响应速度。本发明提出主电机去除位置传感器，通过辅助电机的位置信息判断主电机转子的位置。提高系统的可靠性，降低成本。

Description

一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器

技术领域

本发明涉及涡轮增压技术领域，具体来说是一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压技术可以在保证发动机动力输出的前提下，有效的减小发动机的尺寸，提高发动机的动力性和经济性，使得此技术成为未来发动机的发展方向之一。其是利用发动机排出的废气能量推动位于排气道后的涡轮，带动与涡轮同轴的压气机叶轮转动，然后增压空气被送入气缸，从而提高了发动机的容积效率和动力输出。但是此技术有一些缺陷：发动机低速运行时，废气能量较小，涡轮增压系统几乎处于不工作的状态，不能提供足够的进气量，导致发动机输出动力不足；发动机高速运行时，废气能量过剩，将使系统过度增压。发动机加速时，排气能量首先需要用来加速涡轮-压气机转子，然后才能压缩空气并将增压后的空气送入燃烧室，这样加速瞬态过程中任意时刻的增压压力小于相应的稳定工况的增压压力，导致发动机加速过程气缸进气量不足，燃烧恶化，排放恶化，经济性变差；发动机减速时，节气门开度较小，如果涡轮增压器继续介入工作的话，可能会带来一个矛盾，就是涡轮增压器一面给节气门前进气道提供高压进气，由于节气门开度较小，节流作用强阻碍进气，这样会造成排气背压高，换气损失大，缸内残余废气增加等影响。即发动机处于瞬变工况时，由于涡轮-压气机转子的惯性会产生延迟现象，产生“涡轮迟滞”现象。

为了解决以上问题，目前比较常用的就是增加废气旁通阀机构，但这种机构不仅解决不了低速时废气能量不足的问题，而且排出废气能量会造成能量浪费，加之其对“涡轮迟滞”现象的没有明显的改善。

传统涡轮增压引入发动机润滑系统的机油，对增压器润滑并起冷却作用，但是一旦涡轮增压系统密封出现问题，涡轮增压系统机油泄露，会引起发动机润滑不良，磨损加剧甚至拉缸报废等不良后果。

发明内容

本发明为了解决涡轮增压器的“涡轮迟滞”的问题，提出了一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器。

本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，包括增压器壳体、增压器转动轴，以及安装在增压器转动轴上的压气机与涡轮。同时本发明还包括主电机与辅助电机，均安装于增压器转动轴上，采用开关磁阻电机。

其中，主电机安装于压气机与涡轮之间；辅助电机安装于增压器进气口处；主电机通过自身不同工作模式调节压气机转速；辅助电机用来辅助主电机工作，提高整个增压系统的响应速度。

本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，工作方法具体步骤为：

步骤1：当节气门开度小于35°时，调节主电机处于发电模式，调节压气机转速低于正常工作区间转速；此时涡轮增压器不介入发动机系统，发动机以自然吸气状态工作，废气能量用来发电蓄能；

步骤2：当节气门开度大于35°时，调节主电机与辅助电机，使涡轮增压系统介入发动机；应用主电机与辅助电机配合调节压气机转速。

步骤2中又包含3种控制模式：

(1)ECU根据当前发动机转速信息，辅助电机转速信息，车速信息以及节气门的位置信息和速度信息控制主电机与辅助电机的工作状态以及期望转速；计算或查询当前发动机转速和汽车转速下所需要的空气进气量，再计算出增压系统中进气歧管进气压力，根据进气压力匹配压气机期望转速，检测当前辅助电机转速信息，若当前转速大于期望转速，则调整主电机为发电制动模式；若当前转速小于期望转速，则调整主电机为电动辅助模式，并以期望转速和当前转速为控制变量，利用速度闭环PI控制，使增压器达到期望转速；此时辅助电机均处于不工作状态。

(2)当节气门速度传感器数值大于设定值，即认为驾驶者期望发动机急加速或急减速，则ECU切换控制模式：此时控制辅助电机介入增压系统，与主电机工作模式相同，增加增压系统响应速度；待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机进入不工作模式；此模式主要是在发动机速度急速变化时，辅助电机辅助主电机工作，增加增压系统响应速度；

(3)若节气门速度传感器数值在正负之间转换，主电机在发电电动状态转换，ECU切换控制模式：此时辅助电机介入增压系统，节气门速度传感器数值由正变负时，发动机由加速转为减速工况，此时调节辅助电机为发电制动模式；数值由负变正时，发动机由减速变加速工况，调节辅助电机为电动辅助模式；待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机进入不工作模式。

本发明的优点在于；

1、本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，利用双电机调控涡轮增压器涡轮轴的转速，明显的改善了涡轮增压器的“涡轮迟滞”问题，大大提高了涡轮增压系统的响应速度。同时，省去了传统涡轮增压器的旁通阀，简化结构。

2、本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，利用辅助电机位置信息判断主电机转子的位置，减小成本，提高系统的可靠性。

3、本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，相对于传统涡轮增压器，采用独立的润滑冷却系统，避免增压器的热量对发动机的不良影响，避免了因为增压器漏油对发动机造成不良后果的可能。

附图说明

图1是本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器结构侧剖图；

图2是本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器中辅助电机固定件结构横切图；

图3是本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器中主电机定子结构横切图；

图4是包含本发明采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器的增压系统示意图。

图中：

1-压气机 2-主电机 3-齿轮泵

4-涡轮 5-辅助电机 6-增压器壳体

7-增压器旋转轴 8-压气机叶轮 9-固定件内环

10-固定件外环 11-固定件支撑梁 12-空腔A

13-密封材料 14-长条状凸起 15-长条状凹槽

16-空腔B 17-环形限位台肩 18-孔道A

19-隔磁耐热材料 20-孔道B 21-进气道

22-中冷器 23-进气歧管 24-节气门

25-排气歧管 26排气道 27-功率变换器

28-蓄电池 29-汽油发动机气缸 30-进油孔

31-主电机进油孔 32-轴承送油通道 33-出油孔

34-出油口 35-隔热板 36-密封套

37-挡油环 201-主电机转子 202-主电机定子

301-主动轮 302-从动轮 303-从动轴

304-齿轮泵端盖

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，包括压气机1、主电机2、齿轮泵3、涡轮4、辅助电机5与增压器壳体6，如图1所示。

所述增压器壳体6具有左右两部分，两部分壳体连接端具有连接法兰，通过螺栓连接将两部分壳体间紧固密封。增压器壳体内设置有增压器旋转轴7，增压器旋转轴7两端分别穿过增压器壳体6左右侧面，且两端通过浮动轴承支撑于增压器壳体6左右两端。

所述压气机1、主电机2、齿轮泵3、涡轮4、依次同轴安装于单根增压器旋转轴7上。其中，主电机2采用开关磁阻电机，主电机转子201与增压器旋转轴7固定，主电机定子202安装于增压器壳体6上。压气机1进气口处同轴安装辅助电机5。辅助电机5采用定子与转子直径较小，长度较大的细长型电机。辅助电机5的转子安装在压气机叶轮8右侧增压器旋转轴7上，两者采用套筒联轴器连接，或采用其他方法连接，保证辅助电机5的转子无径向跳动即可。辅助电机5的定子通过固定件固定在压气机1的外壳壳体上。固定件为同心的两个环形结构构成，如图2所示，两个环形结构间具有周向设计的一体结构固定件支撑梁11；其中固定件外环10通过铆接，或焊接固定在压气机1的外壳上，固定件内环9可通过粘接固定辅助电机5的定子。由于固定件支撑梁11，以及辅助电机5径向尺寸均较小，因此其虽在压气机1的进气口处，但对进气影响不大。

上述主电机2利用自身的不同工作模式来调节压气机1的转速，而辅助电机5在大部分时间处于不工作状态，其主要是用来辅助主电机2工作提高整个增压系统的响应速度。辅助电机5在发动机加减速状态转换时，即主电机2电动、发电状态转换时工作，增加整个增压系统动态转换时的响应速度。辅助电机5的设计是因为汽车行驶工况复杂，经常出现加减速互相转换的工况，则要在电动发电状态互相转换，然而这个状态转换需要一定的时间，如果只有主电机2，就限制了整个增压系统的响应速度；因此增加辅助电机5可以在发动机状态转换期间迅速工作，大大提高系统的响应速度。辅助电机5还在发动机急加速或者急减速时，辅助主电机2工作，提高系统响应速度。另外，主电机2采用液体冷却，浸入机油中，位置传感器的安装困难，主电机2可不安装位置传感器，可以利用辅助电机5的位置信息确定主电机2的转子位置，使可靠性提高。

所述齿轮泵3为整个涡轮增压系统中起润滑冷却作用的机油的流动提供动力，包括主动轮301、从动轮302、从动轴303与齿轮泵端盖304，三者位于齿轮泵壳体内。本发明中在增压器壳体6内开设的空腔作为齿轮泵壳体，该空腔由齿轮泵端盖304密封，通过螺栓将齿轮泵端盖304固定于增压器壳体6上。上述齿轮泵3中，主动轮301固定安装于增压器旋转轴7上，与从动轮302啮合；从动轮302固定安装于从动轴303上；从动轴303两端通过深沟球轴承7支撑于齿轮泵端盖304与增压器壳体6上。由于齿轮泵3的主动轮301安装在压气机旋转轴7上，增加了压气机旋转轴7的惯性，降低系统响应速度，辅助电机5可以减少一些齿轮泵3的安装带来的不良影响。

增压器冷却的规律总体上为发动机排出的废气越多，增压器热量越多，同时增压器转子转速越高，齿轮泵流量越大，即冷却机油流速越大，散热越多，因此只需根据转速热量关系匹配上述齿轮泵3参数即可，不需设计一个齿轮泵流量调节机构。

本发明中，主电机2的左右端面与增压器壳体6间具有空腔A12；同时在主电机转子201侧面铺设有密封材料13，通过安装增压器壳体6时的压力将密封材料13压在主电机定子202端部，由密封材料13将主电机转子201端部密封，使空腔A12形成一个隔油的空腔，保证主电机2正常运转。如图3所示，主电机定子202外壁周向上三个等角度间隔位置设计有沿主电机2轴向的矩形长条状凸起14；同时在增压器壳体6内壁周向上三个等角度间隔位置设计有与长条状凸起14匹配矩形长条状凹槽15，由此使各矩形长条状凸起14与各矩形长条状凹槽15分别配合，实现主电机定子202与增压器壳体6间的周向定位；且可在主电机定子202外壁与增压器壳体6内壁间形成三个相差120度的空腔B16。增压器壳体6通过在主电机定子202两端设计环形限位台肩17与主电机2端部侧壁相接，实现主电机定子202的轴向定位；同时在环形限位台肩17与主电机2端部侧壁相接处，与主电机定子202外壁和增压器壳体6间周向空腔B16对应位置，开有凹槽，形成孔道A18，通过孔道A18将空腔B的两端与主电机2的定子两端的空腔A连通。此时，主电机定子202通过相邻孔道A18间形成的牙状凸起仍可实现在增压器壳体6内的轴向定位。

主电机定子202各相绕组之间留有一定空隙，如图3所示，各相绕组两端端部采用隔磁耐热材料19连接密封，且各相绕组之间形成孔道B20，孔道B20两端分别与主电机定子202两端的空腔A12连通。

增压器壳体6上还设计有括进油孔30、主电机进油孔31与轴承送油通道32；且安装有与传统涡轮增压相同的结构有隔热板35，密封套36和挡油环37。由此，齿轮泵3泵送的机油通过进油孔30进入涡轮增压器，一部分进入两条轴承送油通道32后分别进入增压器转轴两端浮动轴承上的浮动轴承油孔；另一部分通过进油孔后，还经主电机进油孔31进入一侧的空腔A12，随后依次经各孔道A18-各空腔B16后进入另一侧空腔A12，同时还经过各孔道B后进入另一侧空腔A，最后由出油孔33流出。两部分流出的机油通过增压器出油口34流出机油流动过程中，即保证了浮动轴承的工作，又带走主电机定子202热量，对其进行冷却。

本发明双电机辅助涡轮增压器，在整个增压器系统中，压气机1的出口与进气道21的入口端相接，在进气道21上安装有中冷器22，进气道21出口端连接进气歧管23，在中冷器22与进气歧管23之间的进气道21内部安装有节气门24。进气歧管23的出口端与汽油发动机气缸29的进气门连接；汽油发动机气缸29的排气门连接排气歧管25的进气端，排气歧管25的排气端与排气道26的入口端相接，排气道26的出口端与涡轮4的入口相接。主电机2和辅助电机5通过功率变换器27与蓄电池28相接，通过功率变换器27、主电机2、辅助电机5和蓄电池28进行能量转换。

本发明中单独配有铝合金散热器，机油滤清器与储油箱。其中，储油箱通过储油箱管路连接齿轮泵3的进油口；齿轮泵3的出油口通过金属材料管路连接增压器机油入口16；机油出口19接铝合金散热器后，连接油箱入口。由此使机油循环流动，对涡轮增压器润滑并散热。

本发明中，辅助电机5也采用开关磁阻电机，主电机2与辅助电机5两个电机尺寸型号和功率大小不同，但两个电极中的定子极数相同，转子的极数也相同，如两个电机均采用12/8极的主电机，根据主电机2本发明中提出两种主电机2与辅助电机5的转子位置确定方法：

方法1：主电机2与辅助电机5的定子12极三相分别安装在同一角度位置，转子8极位置也在相同角度。其中，由于主电机2的定子与增压器外壳6间周向固定，因此主电机2的定子三相位置固定，则主电机定子202某一相与其中一个长条状凸起14的角度为一定值，故可以此凸起为参照物确定辅助电机5的定子安装位置，如：设定电机与底部凸起位置对应的绕组为A相，即A相与底部凸起间的角度为零度。参照主电机2的定子上凸起位置，在压气机1的壳体与增压器壳体6向连接处分别设计一个凹槽结构与凸起结构，通过凹槽结构与凸起结构间的配合，实现压气机1的壳体安装定位；参照压气机1的壳体上的凹槽结构，在压气机1的壳体和辅助电机5的定子固定件中固定件外环10对应位置周向上设计三个等角度间隔的孔，对辅助电机5的固定件定位安装；参照其中一个孔，确定辅助电机5的定子的位置，使主电机2与辅助电机5的定子三相角度位置相同。辅助电机5的转子与增压器旋转轴7采用套筒联轴器连接，其中辅助电机5的转轴与增压器旋转轴7的键槽均以辅助电机5的转子其中一相为参照物开槽。实际应用中不限于此种方法，只要能确定主电机2与辅助电机5两者定转子位置关系即可。由此即可通过辅助电机5的位置信息判断主电机2的转子位置，控制其工作。

方法2：主电机2定转子随便安装不需要定位，辅助电机5采用一个定子与转子装好的电机。安装结束后辅助电机5通电旋转，检测主电机2各相的反电势，计算出主电机2与辅助电机5位置之间的角度差。具体为：辅助电机5通电旋转，记录辅助电机5和主电机2定子A相齿极和转子齿极第一次重合时间分别为t₁、t_1’，并利用期间转速信息ω，计算主电机2与辅助电机5的角度差θ₁；记录辅助电机5和主电机2定子A相齿极和转子齿极第二次重合时间分别为t₂、t_2’，通过上述方法得到角度差θ₂，多次重复以上步骤得到多个角度差后，剔除无效信息，并取平均值并记录在控制器内，利用辅助电机5的位置信息和两电机的角度差来判断主电机2的转子位置。此方法得到的主电机转子角度位置信息更为精确，且安装成本较低。

上述采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器的工作方法，包括以下步骤：

步骤1：当节气门开度小于35°时，调节主电机2处于发电模式，调节压气机1转速低于正常工作区间转速。此时涡轮增压器不介入发动机系统，发动机以自然吸气状态工作，废气能量用来发电蓄能。

步骤2：当节气门开度大于35°时，调节主电机2与辅助电机5，使涡轮增压系统介入发动机。应用主电机2与辅助电机5配合调节压气机1转速。

在步骤2中又包含3种控制模式：

(1)当车辆正常行驶使，ECU根据当前发动机转速信息，辅助电机5转速信息，车速信息以及节气门的位置信息和速度信息控制主电机2与辅助电机5的工作状态以及期望转速。计算或查询当前发动机转速和汽车转速下所需要的空气进气量，再计算出进气歧管23进气压力，根据进气压力匹配压气机期望转速，检测当前辅助电机5转速信息，若当前转速大于期望转速，则调整主电机2为发电制动模式；若当前转速小于期望转速，则调整主电机2为电动辅助模式，并以期望转速和当前转速为控制变量，利用速度闭环PI控制，使增压器达到期望转速。此时辅助电机均处于不工作状态。

(2)以节气门速度传感器数值判断发动机是否为加减速状态。当节气门速度传感器数值大于设定值，即认为驾驶者期望发动机急加速或急减速，则ECU迅速切换控制模式：此时控制辅助电机5介入增压系统，与主电机2工作模式相同，增加增压系统响应速度。待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机5进入不工作模式。此模式主要是在发动机速度急速变化时，辅助电机5辅助主电机2工作，增加增压系统响应速度。

(3)若节气门速度传感器数值在正负之间转换，即判定发动机在加减速状态之间转换，此时主电机2在发电电动状态转换，ECU切换控制模式：此时辅助电机5介入增压系统，节气门速度传感器数值由正变负时，发动机由加速转为减速工况，此时调节辅助电机5为发电制动模式；数值由负变正时，发动机由减速变加速工况，调节辅助电机5为电动辅助模式。待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机5进入不工作模式。此模式主要是在主电机2电动、发电状态转换不起作用时，辅助电机5辅助工作，提高增压系统的响应速度。

Claims (4)

1.一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，包括增压器壳体、增压器转动轴，以及安装在增压器转动轴上的压气机与涡轮；其特征在于：还包括主电机与辅助电机，均安装于增压器转动轴上，采用开关磁阻电机；其中主电机安装于压气机与涡轮之间；辅助电机安装于增压器进气口处；主电机通过自身不同工作模式调节压气机转速；辅助电机用来辅助主电机工作，提高整个增压系统的响应速度。

2.如权利要求1所述一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，其特征在于：还包括齿轮泵，齿轮吗泵安装于压气机与主电机之间；齿轮泵结合增压器壳体内部开设的孔道与油腔，作为独立的供油系统，由齿轮泵为整个涡轮增压系统中起润滑冷却作用的机油的流动提供动力，由机油润滑浮动轴承，同时对主电机定子进行冷却。

3.如权利要求1所述一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，其特征在于：主电机与辅助电极均采用开关磁阻电机，两个电机中的定位和转子极数相同；转子位置确定方法为：辅助电机采用定子与转子已装好的开关磁阻电机；辅助电机与主电机安装完毕后，辅助电机通电旋转，记录辅助电机和主电机定子A相齿极和转子齿极第一次重合时间分别为t₁、t_1,，并利用期间转速信息ω，计算主电机与辅助电机的角度差θ₁；记录辅助电机和主电机定子A相齿极和转子齿极第二次重合时间分别为t₂、t_2,，通过上述方法得到角度差θ₂，多次重复以上步骤得到多个角度差后，剔除无效信息，并取平均值并记录在控制器内，利用辅助电机的位置信息和两电机的角度差来判断主电机的转子位置。

4.如权利要求1所述一种采用独立润滑冷却系统的双电机辅助涡轮增压器，其特征在于：工作方法具体步骤为：

步骤1：当节气门开度小于35°时，调节主电机处于发电模式，调节压气机转速低于正常工作区间转速；此时涡轮增压器不介入发动机系统，发动机以自然吸气状态工作，废气能量用来发电蓄能；

步骤2：当节气门开度大于35°时，调节主电机与辅助电机，使涡轮增压系统介入发动机；应用主电机与辅助电机配合调节压气机转速。

步骤2中又包含3种控制模式：

(1)ECU根据当前发动机转速信息，辅助电机转速信息，车速信息以及节气门的位置信息和速度信息控制主电机与辅助电机的工作状态以及期望转速；计算或查询当前发动机转速和汽车转速下所需要的空气进气量，再计算出增压系统中进气歧管进气压力，根据进气压力匹配压气机期望转速，检测当前辅助电机转速信息，若当前转速大于期望转速，则调整主电机为发电制动模式；若当前转速小于期望转速，则调整主电机为电动辅助模式，并以期望转速和当前转速为控制变量，利用速度闭环PI控制，使增压器达到期望转速；此时辅助电机均处于不工作状态。

(2)当节气门速度传感器数值大于设定值，即认为驾驶者期望发动机急加速或急减速，则ECU切换控制模式：此时控制辅助电机介入增压系统，与主电机工作模式相同，增加增压系统响应速度；待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机进入不工作模式；此模式主要是在发动机速度急速变化时，辅助电机辅助主电机工作，增加增压系统响应速度；

(3)若节气门速度传感器数值在正负之间转换，主电机在发电电动状态转换，ECU切换控制模式：此时辅助电机介入增压系统，节气门速度传感器数值由正变负时，发动机由加速转为减速工况，此时调节辅助电机为发电制动模式；数值由负变正时，发动机由减速变加速工况，调节辅助电机为电动辅助模式；待发动机转速稳定，切换到控制模式(1)，辅助电机进入不工作模式。