CN1097148C - 与内燃机和控制系统一起使用的电动机－发电机辅助的涡轮增压系统 - Google Patents
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Abstract
一种与内燃机一起使用的涡轮增压系统(10)，包括一辅助的电动机-发电机(33)和控制器(144，182)，用于增强涡轮增压的内燃机的性能，使包括废气门的涡轮增压器所固有的损失减小。该受控的辅助电动机-发电机提供增强的涡轮增压器增压，使增压压力限度以下的涡轮滞后减小，并能在高的排气流速率下产生电流。
Description
发明领域
本发明一般涉及与内燃机一起使用的排气驱动的涡轮增压器和系统，更具体地涉及一种具有内置电动机-发电机和控制器的涡轮增压器，以改善发动机性能和电流的产生。
发明背景
涡轮增压器是众所周知的并广泛地与内燃机一起使用，以用于增大功率输出，减小燃料消耗和废气排放，并补偿在高的海拨高度处操作时空气密度的损失。通常，涡轮增压器为燃烧过程提供的增压空气比通过利用排气能量驱动空气压缩器的自然吸气的其它方式得到的要增大。该增大的空气供给可以燃烧更多的燃料，由此增大功率和输出，这不是用其它方式从具有给定汽缸排量的发动机在自然吸气条件下可以得到的。附加的优点包括可以使用低排量的较轻发动机及相应地降低车辆总重量来减小燃料消耗，和使用适用的成批生产的发动机来改进性能特征并实现功率增大与燃料消耗降低相结合。
某些涡轮增压器用途包括联用中间冷却器，该冷却器用于在增压空气进入发动机之前从增压空气中除去热量(环境热量分量和在增压空气压缩期间产生的热量两者)，由此提供甚至更稠密的空气增压送入发动机汽缸。与同一发动机排量的自然吸气发动机相比，应用于内燃机如柴油机的中间冷却的涡轮增压已知能显著增大给定发动机尺寸的动力输出。
涡轮增压的附加优点包括，通过利用排气流的某些能量改进了热效率(否则这些排气流的能量将消失于环境中)，以及直到高的海拨高度都能保持海平面高度的额定功率。
在中等至高的发动机速度下，在发动机排气流中有丰富的能量，而在该操作速度范围内，涡轮增压器能够向发动机汽缸供给有效燃烧所需的所有空气和对给定发动机构造的最大功率和转矩输出。但是，在某些应用中，在发动机排气流进入涡轮增压器的涡轮机之前需要一个排气流废气门(即气孔)来放出发动机排气流中的多余能量，以防止发动机受到过分增压。通常，废气门被设定在一个压力下打开，在该压力下可能发生不希望有的预爆或一个不能接受地高的发动机汽缸内部压力。
但是，涡轮增压的发动机有一固有的缺点，就是在极低的发动机速度下在排气流中气体能量不充分，不像可以在较高发动机速度下发现的那样能产生显著水平的空气增压压力，而这一能量缺点妨碍涡轮增压器在低的发动机速度下在发动机吸入空气系统中提供一个相当大而易于利用的增压水平。结果，在打开节流阀以便从低速度(如空转速度)加速发动机的时间和涡流增压器转子足够快地运转以产生足够的空气增压压力并产生所要加速度而同时消除发动机加速时的值得注意的烟气量的时间之间，存在明显的时间滞后。在先有技术中已经利用燃料控制装置如齿条限制器或膜盒控制器，以限制传送到发动机汽缸的燃料量，直到涡轮增压器运转得足够快而传送充足的空气以产生基本上无烟的燃烧。但是，已知这些燃料限制装置对节流阀打开产生一个显著地较慢的响应(涡轮滞后)，在发动机和车辆响应中存在相应的停滞。
涡轮增压器在为其设计的质量流量和压力条件下能够非常有效地操作。但是，当流量和压力参数超过设计地操作时，涡轮机和压缩机的部件效率降低。例如，如果一台涡轮增压器被设计和优化成在一台特定发动机的最大速度和负载范围中在峰值效率下运行，那么在发动机低速下涡轮机和压缩机部件的效率多半会受损。为了增大在转矩峰值或其下时传送给发动机的空气量，通过缩小涡轮壳体的烟喉区以增大进入涡轮机叶轮的气体速度来使涡轮增压器涡轮机匹配于低的发动机速度范围。这增大涡轮增压机转子的转动速度，但同时在发动机排气系统中施加一较高的反压力，这有损于发动机的性能，特别在较高的发动机速度和负载下。
更确切地说，缩小涡轮机壳体咽喉区的一个不希望有的后果是，当发动机在最大负载和速度运行时，较小的咽喉区使涡轮增压器转子“超速”，并由于在发动机高速和高负载下过量的排气能量而产生可能超过设计限度的空气增压压力。这个结果要求在排气系统中使用“废气门”或排气旁路阀，它使一部分排气流流到涡轮机之外并将转子速度限制在一个固定值。结果，在发动机高速范围内的最大空气压力受限制而将发动机汽缸压力保持在受控制的水平，同时有效地防止高于这些受限制水平的操作。
但是，通常涡轮增压器与现有发动机匹配而在发动机速度范围的中部具有良好性能，该速度范围的中部通常处于需要最大转矩的速度而一般并不处于最大的发动机速度和负载。因此，该匹配的步骤在排气系统中一般也需要一个废气门以防止以上述方式处于最大的发动机速度和负载的涡轮增压器的超速。但是，不管涡轮增压器如何匹配，在发动机速度小于转矩峰值和处于低的发动机速度(包括空转速度)时排气流中仍有不足之处。
在低的发动机速度和加速期间的涡轮滞后期和涡轮增压器的性能缺陷可以减轻并在许多情况下实际上被消除，办法是利用一个外部动力源辅助涡轮增压器响应发动机速度和负载的增加。一种这样的方法是使用外部电源供给(如直流电池中贮存的能量)来作为连接到涡轮增压器转动装置的电动机的动力，该装置对涡轮增压器转子施加转矩，以便在低的发动机排气速率下保持或增大转子速度，从而在发动机加速期间供给足够的增压空气以减小烟气和废气排放。
具有整体结合的辅助电动机的涡轮增压器在我们的待审中的美国专利申请书顺序号08/529,672和08/680,671中得到更完全的说明，这些公开内容参考合并于此。
因此，仍然需要一种改进的内燃机系统，这种系统能改进普通内燃机的发动机性能、低速发动机响应和减少废气排放的特征，还需要一种改进的涡轮增压系统，用于控制和优化涡轮增压发动机的性能。
发明概要
本发明克服了先有系统的问题并提供改进的内燃机和涡轮增压系统，提供了一种具有电动机-发电机辅助的涡轮增压器的内燃机和一种用于在其整个操作范围内改进发动机性能的控制系统。
本发明提出一种与由加速器操作的内燃机一起使用的涡轮增压系统，包括：一个包括一转子和一传感器的涡轮增压器，该转子具有一个用于接受从内燃机来的排气流的排气涡轮和一个向内燃机提供压缩空气的受涡轮驱动的压缩机，该传感器用于提供一个与涡轮增压器转子速度有关的信号；一个辅助电动机-发电机，用于辅助涡轮增压器向内燃机提供压缩空气；一个用于控制所述辅助电动机-发电机的控制器，其包括：一个用于在所述内燃机操作时激励所述辅助电动机-发电机作为电动机以在最低连续水平操作涡轮增压器速度的第一开关；一个用于在加速器快速减速时超强激励所述电动机-发电机作为电动机的第二开关；和一个用于在一个预定较高涡轮增压器速度以上时解除激励所述电动机-发电机的第三开关。
本发明也提出一种使内燃机涡轮增压的方法，包括下列步骤：提供一个涡轮增压器，用于利用从内燃机来的排气能量来产生压缩的燃气流；提供一个电动机-发电机，连接成用于辅助该涡轮增压器产生所述压缩的燃气流；向所述电动机-发电机提供能量，用于在所述内燃机操作时在预定的最低涡轮增压器转子速度下辅助操作该涡轮增压器；操作第一开关，用于在内燃机操作期间向所述电动机-发电机提供能量来在预定的最低该涡轮增压器速度下操作该涡轮增压器；操作第二开关，控制提供到该电动机-发电机的能量，用以在内燃机加速期间提供增加该涡轮增压器的速度；操作第三开关，用于在一个预定涡轮增压器速度以上时解除激励所述电动机-发电机。本发明的系统最好包括涡轮增压器如在顺序号08/529,672和08/680,671中公开的那些，它们包括一个或多个永久磁铁，由此提供内置的辅助电动机-发电机。这些磁铁靠近电动机绕组如涡轮增压器轴承外壳中的定子绕组。因为电动机的永久磁铁紧固在涡轮增压器转动装置上，所以辅助电动机-发电机可以以辅助方式操作而产生转矩，以便在将转子加速到给定的转子速度的过程中补充可以利用的排气能量。根据本发明，该系统可以这样设计，使得当涡轮增压器在峰值效率运行时，处于或接近发动机的转矩峰值速度时，该辅助的发动机转矩达到零值。利用一个电控制系统，使辅助电动机能够在发动机低速范围内将转矩供给涡轮增压器转子，而电控制系统能够在发动机高速范围内切换到发电机方式。通过使用这样一种控制器，由辅助电动机产生的动力量可以与在发动机高速范围内必须提供的超量排气能量匹配，使得在空气吸入系统中可以保持一个恒定的增压水平。因此，本发明的一个重要优点是免去传统的排气阀，由此使与未利用而废弃的排气流直接有关的先有技术系统的低效率减至最小或消除。其次，当发动机高速运行而辅助电动机-发电机以发电机方式从过利排气能量产生电流时，该再产生的电流可以输入车辆电系统用于给电池充电，而辅助电动机-发电机可以对涡轮增压器转子提供制动作用。这样，当在发动机低速范围内需要增加增压时，该辅助电动机可以从电池取出电流，而当需要限制涡轮增压器最大速度和当在发动机排气流中存在可用的过剩能量时，在发动机高速范围内该辅助电动机可以将电流输回电池。
因此，本发明的改进的涡轮增压器和控制器系统可以将旋转电机的部件与涡轮增压器组合在一种最优化的整体设计中，该设计能够尽可能增大施加到涡轮增压器转子上的转矩，并能够尽可能减小涡轮增压器基本设计构形中的损失，且具有一个可以消除先有技术系统的排气阀的电动控制器，由此改善发动机性能和操作效率并减小发动机的废气排放。
从下述更详细的说明和附图可以清楚本发明的其它特点和优点。
附图简述
图1是本发明的涡轮增压器设备的一个实施例的沿通过涡轮增压器主轴的纵向轴线的平面截取的截面图；
图2是一个定子的立面图，该定子做成在压缩机轮磁铁的径向外面被装入图1所示的涡轮增压器中；
图3是涡轮增压器设备的另一实施例的沿通过涡轮增压器主轴的纵向轴线的平面截取的截面图，示出定子相对于压缩机轮磁铁沿轴向偏移的安装方式；
图4是图3的压缩机轮的立面图，示出紧固在压缩机轮上的电动机磁铁；
图5是紧固在一个面板上的电动机绕组的立面图，该面板连接在电动机磁铁附近的涡轮增压器外壳上；
图6是涡轮增压器设备的又一实施例的沿通过涡轮增压器主轴的纵向轴线的平面截取的截面图。示出一个在其中心外壳中一体形成的水套，用于接受发动机冷却水流；
图7是增压压力相对于本发明的涡轮增压系统和控制器的发动机速度的曲线图，图示相对于设有排气阀的先有技术涡轮增压器的过增压损失；
图8是供根据本发明的一个实施例的二程循环发动机用的本发明控制系统的示意图；
图9是供根据本发明的另一实施例的四程循环发动机用的本发明控制系统的示意图。
优选实施例详述
本发明的优选实施例包括一个具有内部辅助的电动机-发电机的涡轮增压器，它可以以多种构形实施。现在参考附图，特别是图1，涡轮增压器10例如将一个旋转电机的部件和本发明的涡轮增压器组合在一起。
除了内部的电动机-发电机部件外，涡轮增压器10为基本上常规的设计、结构和尺寸。涡轮增压器10包括一个涡轮外壳或壳体12，用于支承多叶片排气涡轮14和一个有多个叶片17的空气增压压缩机轮16，两者安装在一个共用连接轴18的对置两端上。涡轮机20包括一涡轮外壳12，后者有一排出气流入口蜗管22，该蜗管22被连接成接受从内燃机来的排气，该内燃机在某些用途中具有分成两个区段22a、22b的排气歧管，每个区段接受从不同一组的发动机气缸(未示出)来的排气。该排气指向涡轮14和轴18并驱动它们转动。在通过涡轮14后，排气气流通过排气孔24流出涡轮增压器。
固定在轴承外壳19中的轴18的转动使在连接轴18的对置端部处设置的压缩机轮16转动，而燃气在通过合适的滤清器(未示出)以除去污染物后通过压缩机壳体28中形成的空气吸入孔26而抽入。压缩机壳体28包括一涡管30，用于将压缩的燃气引向发动机吸入歧管(未示出)。压缩机轮16固定在锁紧螺母32和轴承外壳19中的套管34之间的转动轴18上。流入的燃气被从动的压缩轮叶片17压缩，这些叶片17在压缩机轮16的前表面上形成。在受压缩机轮16压缩并通过扩散器区段35之后，被压缩的燃气被引导通过入口蜗管30并被传送到发动机的吸入歧管系统(未示出)。
图1和2表示本发明的一种内部电动机-发动机/涡轮增压器组件的一个优选实施例。例如，如图1中所示，在这样一种内部电动机-发电机33中，绕压缩机轮16的背面大致周向地安装一组磁铁36，这些磁铁36离连接轴18有恒定的径向偏移距离，虽然可以想象出此种配置可以改变或以其它方式重新安置在本发明的机器内，以便产生更好的平衡、惯性、转矩等等。在该实施例中，磁铁36安装在压缩轮18的背面上形成的圆周形台肩或凸缘38上，并通过沿圆周延伸的钢止动套筒40抵抗离心力和轴向力而保持就位。
一种由围绕叠层钢芯46卷绕的铜线44之类导电体构成的电动机绕组如绕组42位于涡轮增压器10的轴承外壳19中，并在固定于压缩机轮16的磁铁36的外面沿径向延伸。在钢止动套筒40和电动机绕组42的内径之间设置一个通常用48表示的空气间隙，以提供必要的运行间隙并防止其间的任何物理接触。
发动机绕组42的导线44延伸到连接导线50，该连接导线50在位置52(示出在平面之外)处终结，在该处它们通过密封接头54从中心外壳引出，然后引向一个控制和动力供给装置(例如在图8和9中的控制和动力供给装置，下面还要叙述)。密封接头54包围连接线50，以防止水气和污染物的入侵。电动机绕组42用一个或多个调整螺钉56保持在与连接轴18同轴的方位中，这些螺钉穿过轴承外壳19的向外伸出的区段58，并与电动机绕组42的外周面啮合。
在本发明中，当定子即电动机绕组42受控制和动力源(如图8和9)激励时，磁铁36将转矩加到压缩机轮16上并增大由排气涡轮14施加到连接轴18上的转矩，使涡轮增压器的转动组件比未按照本发明操作时转动得更快。压缩机轮16的更快转动使它能在任何发动机速度下以更高的压力向发动机供给更大的空气流，由此改善发动机性能，同时减小在发动机加速期间排放的烟气和污染物的量。
专业人员将会清楚，涡轮增压器的没有详细讨论的附加部件在该领域中是熟知的，包括设置在轴承外壳19中的轴的轴承和油的密封部件，这些油的密封部件是用于可靠地支承转动组件和保存并过滤润滑油所必需的，这些润滑油通常由增压油系统供给并冷却那些轴承。例如，一般油流在油入口60处进入中心外壳，在通过轴承系统(包括例如滚珠轴承62和油导管64、66、68)后流到油排泄口70，然后被输送回发动机油槽(未示出)。
现在参照图2，电动机绕组即定子42包括多个由合适的可透磁材料制成的叠层46。定子42的叠层46被做成限定六个极，每个承载一个由铜线44制成的极绕组72，它们在叠层的外面导电地连接并可渐次地受到激励而产生一个围绕磁铁36外面的转动磁场。该生成的转动磁场与安装在压缩机轮16上的磁铁36的磁场耦合而协助涡轮增压器(特别在低的发动机速度下)转动。
图3、4和5表示本发明的涡轮增压器的第二实施例80，它包括一个内部电动机-发电机83。该第二实施例80包括多个磁铁82，它们沿从台肩84延伸的径向具有较大的尺寸，该台肩84形成在压缩机轮16的背面上的径向中间位置处。更具体地说，第二实施例的磁铁82伸出一个较大的径向高度到在台肩84和外壳部分58的内表面86之间形成的环形空间内。定子88被支承在轴承外壳37中，与电动机磁铁82成对置的轴向偏移关系。止动套筒85以前面叙述的方式将磁铁82固定在压缩机轮16上，以克服离心力和轴向力。图3中所示的涡轮增压器的其余部件基本上与图1中所示的相同，并如前所述地完成相同功能。
图3中示出了磁铁的，安装使绕组沿轴向偏离电动机磁铁36，这允许使用沿压缩机轮的背面沿径向尺寸增大的较大磁铁。较大的磁铁尺寸与较大的转矩相对应，与图1中所示的实施例相比，该较大的转矩因此可以施加在压缩机轮16上。但是，图3中所示的实施例使用沿轴向偏置的定子，增加了轴承外壳19内部的附加轴向空间，并在长度上增加了压缩机轮16从压缩机和轴承的悬垂。
再一次参照图3，定子88安置在磁铁82的附近，其间有一个小的空气间隙。定子88的绕组包括六个叠层的芯92，铜线94以一层或多层卷绕芯92。通向每个线94的连接线引向单个位置并通过密封件96从轴承外壳37引出，并可连接于一控制和动力源(如图8和9中所示，下面进一步叙述)。例如可以按照图4中所示的一个具有四个磁铁82的实施例来设置安装在压缩机轮16背面上的磁铁82；但是，可以与该涡轮增压系统一起采用数目更多或更少的电动机磁铁82和数目更多或更少的定子极。按照图4中所示的实施例，在压缩机轮16的背面邻近定子处以交替的北-南极方式设置四个磁铁82，它们互相电绝缘。
图5表示设置在面板98上的叠层磁芯92的前视图，面板98连接在涡轮增压器的轴承外壳37上。一个或多个霍尔(Hall effect)效应传感器100固定在组件上并最好在一个或多个叠层磁芯92上的中心位置处，这些传感器用于检测转动件上的磁铁82(图4)的位置并将一信号连到控制器(如图8和图9中所述，在下面进一步叙述)，用于指示涡轮增压器转子速度和何时每个独立的绕组场受到激励。
如前所述，由于被安装在涡轮增压器的转动的压缩机轮上并与其绝缘，所以涡轮增压器实施例10或80的电动机磁铁仍然较冷。压缩机轮吸入处于环境温度下的空气，由于压缩过程在压缩机轮的背面上磁铁位置外侧良好地发生，因此温度上升。但是，可以通过设置一整体结合在涡轮增压器轴承外壳(如图1中的轴承外壳19)中的冷却气流路径来冷却绕组，如图6中所示。更具体地说，从发动机冷却系统来的冷却水能够在入口104处进入水套102，通过水套102进行循环，然后在出口106处流出。冷却水套102延伸到并通过显著的积热区，这些积热区与涡轮增压器外壳内的定子绕组42成热传递关系。当然，冷却流体循环可以与装有本发明涡轮增压器的内燃机所用的冷却系统无关。
实施例10或80的涡轮增压器或外部电动机-发电机在本发明的电动控制器的指令下的性能表示在示范性涡轮增压的柴油机的升压对发动机速度曲线上，这表示于图7中，也进一步表示于图8和9中，控制器144、182控制涡轮增压器组件142、162的辅助电动机-发电机146、164，其操作将在下面描述。
如上所述，本发明的涡轮增压器可以包括一个或多个传感器(如100)，它们可以将涡轮增压器的转子速度作为信号输出到辅助电动机-发电机控制器144、182上。当该控制器包括微处理器时，电动机-发电机控制器144、182可以包括或被编程而包括将涡轮增压器转子速度转换为发动机速度的机构。除此之外或作为替代，控制器可以被供给从发动机转速表来的发动机速度信号和/或发动机歧管压力信号，或其它可以利用的发动机参数信号(在图8和9中用虚线145和165指示)，并可利用这些发动机信号来启动辅助电动机-发电机，停止辅助电动机-发电机，和通过与电流负载的连接来给辅助电动机-发电机加载，这在下面叙述。
如实线的性能曲线130所示，在约600RPM的低空转速度下，由于排气气流的低温和低流量，先有技术系统的涡轮增压器不能产生显著的增压压力。在超过约1400RPM即满载的发动机速度下，涡轮增压器将超速并且在没有废气阀的情况下将产生大于容许限度(表示为约45英寸汞柱的示范性增压压力)的增压压力，如图7中点划线134所示。但是，在带有一个于或大约于容许增压压力限度(如45英寸汞柱)操作的增压压力控制的排气阀的情况下，涡轮增压器的增压限于容许限度，如实线130所示。但是，排气阀通过在涡轮增压器涡轮机周围排出废气流和流出排气管而不理想地浪费了高于此限度的能量。
但是，根据本发明，对于一台示范性的柴油发动机在额定速度达到2000RPM的整个发动机速度范围内(以及在其它柴油发动机和其它类型的内燃发动机的更高或更低的发动机速度下)，一台具有辅助电动机-发电机的涡轮增压器可以给发动机提供一个理想的增压曲线。辅助电动机-发电机(例如上述实施例的内部电动机-发电机33或83)起电动机作用，并辅助涡轮增压器以空转时预定最小速度和大到1400RPM的中等转矩峰值速度转动，如虚线132所示。高于1400RPM的中间转矩峰速时，辅助电动机-发电机(如33或83)起发电机的作用，在高于1400RPM的速度下制动该涡轮增压器，以便在容许增压压力限度下保持基本上恒定的升压(如虚线132所示)，而并不如先有技术所需地以其它方式放出有用的排气流能量。由于没有排气阀排气的无辅助涡轮增压器超速产生的过大增压压力用点划线134表示，该曲线在高于增压压力限度的增压压力处从性能曲线130延伸。
辅助电动机-发电机(如上述实施例的内部电动机-发电机33或83)可以被设计成，当由控制器将内燃机电池(如图8和9的150或168)的满电压加到辅助电动机-发电机上时和当涡轮增压器转子被发动机排气能量推动到更高速度时(如在图7例子中在大于1400RPM的发动机速度下)，使涡轮增压器在所要的最大转子速度下转动。该辅助电动机-发动机可以产生电流，用作(例如)使内燃机电池重新充电的电力负载并起使涡轮增压器转子转动的制动器的作用。作为本发明结果的发动机制动作用被表示为发动机速度大于1400RPM时曲线132和134之间增压压力的差异。图7是本发明一个结果的示例。按照不同种类的发动机应用的要求，辅助电动机-发电机的电动机转矩和发电机输出可以由控制机构改变而产生其它的增压对发动机速度的特性曲线。
可以产生一种非常理想的操作方式，办法是在第一激励水平下在低发动机速度下操作该辅助电动机-发电机(如33或83)，以辅助涡轮增压器保持预定的产生增压的速度水平，然后当要求发动机从低发动机速度加速到较高速度时短时间地升高激励水平。以这种方式，该辅助电动机-发电机可以产生一个转矩，该转矩比发动机加速期间由涡轮增压器提供用以提高增压压力的第一水平还要高出很多，由此降低排出的烟气，降低排出的发射物，缩短加速时间，并改善发动机对负载突然变化的反应。可以理解，本发明不限于柴油机，可以应用于具有排气气流的任何种类的内燃机。
利用合适的电气控制来改变电动机转矩和发电机制动效果，可以得到许多其它所希望的操作特性。再一次参照图8和9，示出操作二行程和四行程内燃机用的控制系统；这些控制系统提供增强的操作控制，具有所有上述优点。
更具体地说，参照图8，在用标号140示意表示的二程循环内燃机的情况下，发动机没有吸入冲程，除非在曲柄转动期间利用一个压缩机迫使燃气进入汽缸141，否则发动机不可能起动。采用本发明的电动机辅助涡轮增压器系统，当发动机被起动电动机回转时辅助电动机可以被激励，而涡轮增压器转子可以被辅助电动机以充分足够高的速度转动从而在吸入歧管系统中提供正的增压。因此不需要独立的受发动机驱动的压缩机以提供起动用的增压，也免去了其相关机械驱动系统的复杂性，从而节省了重量和减少了系统复杂性。
图8表示应用于具有电动机辅助的涡轮增压器142的二程循环发动机的本发明控制系统的第一实施例。该控制系统包括一个电气控制器144，它被可操作地连接，以便将激励电流供应给涡轮增压器用的辅助电动机146。当该二程循环发动机14。被起动时点火开关148被闭合，由此由能量源150激励辅助电动机146，从而将涡轮增压器转子加速到最小的连续操作速度，该速度使发动机140能够起动并在轻载下运行。当气缸踏板、节流联动装置或变速杆(未示出)被移动而快速地加速发动机和/或汽车时，一个“节流”开关152被关闭而接通一个超高能量源154，该超高能量源补充能量源150以超强激励辅助电动机146而帮助加速涡轮增压器转子，并因此改善发动机的加速性“节流”开关152可以设置一个缓冲筒操作器，使得只有当快速移动发动机节流阀时才闭合“节流”开关。
一个供涡轮增压器142用的转子速度传感器156(它可以设置在涡轮增压器142中的一个内置电动机的附近或其中)可以向控制器144发送一个转子速度信号156a，以便当转子速度超过预定高的水平时断开电动机146的两个激励电路150、154，此时涡轮增压器142能够产生比排气压力高的增压压力，由此维持发动机操作。在任何后随的时间中，当涡轮增压器转子速度下降到一个使涡轮增压器不再能维持发动机操作的水平时，可以通过控制器144利用转子速度信号来激励的辅助电动机146处于其最小连续水平，而该辅助电动机146可以辅助该涡轮增压器维持一个保持发动机操作所必需的转子速度。在任何时间，当需要发动机加速时，节流开关152闭合超高激励电路154，以再次辅助涡轮增压器和发动机加速。在任何时间当转子速度超过预定的高水平如对应于增压压力限度的水平时(图7)，转子速度信号156a被控制器144用于断开两个激励电路150、154。如果希望，除此之外或作为替代，可以给控制装置144提供一个或多个发动机操作信号145以实现该操作。
图9表示应用于四程循环发动机的本发明控制系统的另一实施例，该发动机用标号160示意地表示，使用了一个由控制器182控制的电动机辅助的涡轮增压器162，如下面所描述的。与二程循环发动机不一样，四程循环发动机包括一吸入冲程且不需要辅助压缩机来产生发动机增压空气。因此，四程循环发动机可以不需涡轮增压器装置162的辅助而起动。
在图9的系统中，当需要发动机160在负载下加速(例如)来移动一辆有负载的车辆时，在自动变速的情况下车辆变速杆被推进到驱动位置，或者在手动变速的情况下，选择和啮合适当的齿轮。这一动作闭合一个传动开关166，该开关通过控制器182启动了供涡轮增压器(如164)用的辅助电动机的连续操作，即通过连续能源168(如内燃机电池)激励该辅助电动机。通过将涡轮增压器转子速度增大到一预定的最小速度来为发动机第一次加速做好准备。然后，当车辆气动踏板或节流阀(未示出)被快速操作时，例如为车辆急加速，一个“节流”开关170被闭合，而且通过控制器182，辅助电动机164由超高能量源172进行超强激励，以辅助涡轮增压器和发动机加速。该“节流”开关170可以设置一个缓冲筒操作器，使得只有当车辆气动踏板或节流阀快速移动时该“节流”开关才闭合。
一个供涡轮增压器162用的转子速度传感器174可以设置在涡轮增压器中的内部辅助电动机164内，该传感器174可以向控制器182提供涡轮增压器速度信号174a，当涡轮增压器转子速度达到一预定的最大速度如对应于增压压力限度的速度时，控制器可以断开两个能量源168、172。任何时间当转子速度下降到预定的最小水平以下时，转子速度传感器174将一个速度信号174a传送给控制器182以闭合电动机的连续激励电路168，从而将转子速度保持在预定的最低水平上，以准备发动机160的下一次加速。在发动机160操作期间，一股增压空气流从涡轮增压器162被引导通过空气吸入系统176而经吸入阀188引入发动机汽缸178。如果需要，除此之外或作为替代，可以向控制器182提供一个或多个发动机操作信号165以实现此类操作。
在操作中，在内燃机额定功率为在发动机的中速至高速范围内可以利用过剩的排气能量的场合下，电动机辅助的涡轮增压器162中的电动机一发电机164将以一个高到足以产生电流的速度操作。在这种情况下，该电流可以通过控制器182反馈而对能量源168、172中的任一个再充电，这些能量例如可以是内燃机或汽车用的电池或电池组。如果这些电池被充分地充电，那么控制器182可以被编制程序而通过开关192将电流转向到其它附属设备或一个电流耗散电阻190上，以便提供涡轮增压器转子制动。
在使用二程循环或四程循环发动机140、160的电动机辅助的涡轮增压器142、162中，辅助电动机可以设置一个内部温度传感器(未示出)作为保护装置，如果内部温度超过一个预定的安全值，该传感器就给控制器144、182发出信号而使辅助电动机断电。
对于希望监控涡轮增压器转子速度的应用场合，可以由电动机或控制器供给一个数字读出显示器(未示出)，并在发动机操作期间在任何时间在方便的观察位置进行显示。
这样，本发明的系统有多重功能：以辅助方式用于辅助处于低发动机速度中的和在加速期间的内燃机，并对发动机处于中速至高速时的涡轮增压器转子起制动作用。该辅助电动机-发电机在高发动机速度和负载下，可你为发电机以发电机方式工作，与一个可以调节电流将其送向电池充电电路的控制器相结合，而当贮电电池完全充电时，可以使过剩电流转向到其它用途或转到电流耗散电阻上。
虽然本文已经描述了本发明的某些优选实施例，但使用本发明的该技术的专业人员可以清楚，可以对已描述的实施例进行变化和修改而并不偏离本发明的精神和范围。因此，预定本发明仅仅在附属的 书和适用的法律条文所要求的程度上受到限制。
Claims (19)
1.一种与由加速器操作的内燃机一起使用的涡轮增压系统，包括：
一个包括一转子和一传感器的涡轮增压器，该转子具有一个用于接受从内燃机来的排气流的排气涡轮和一个向内燃机提供压缩空气的受涡轮驱动的压缩机，该传感器用于提供一个与涡轮增压器转子速度有关的信号；
一个辅助电动机-发电机，用于辅助涡轮增压器向内燃机提供压缩空气；
一个用于控制所述辅助电动机-发电机的控制器，其包括：
一个用于在所述内燃机操作时激励所述辅助电动机-发电机作为电动机以在最低连续水平操作涡轮增压器速度的第一开关；
一个用于在加速器快速减速时超强激励所述电动机-发电机作为电动机的第二开关；和
一个用于在一个预定较高涡轮增压器速度以上时解除激励所述电动机-发电机的第三开关。
2.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述控制器连接所述电动机-发电机以在所述预定的较高速度以上时能够产生电流，从而对涡轮增压器转子起制动作用。
3.如权利要求2所述的涡轮增压系统，其中所述控制器连接所述电动机-发电机以在所述预定的较高速度以上时能够产生电流，从而保持对内燃机的恒定的增压空气压力。
4.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述控制器连接所述电动机-发电机产生电流，用于对电能的外源充电。
5.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中第一开关是一个连接在所述控制器上的一个点火开关，而所述点火开关根据点火开关输入信号激励作为电动机的所述电动机-发电机，以便将涡轮增压器转子保持在最低的连续速度水平上，从而向二程循环内燃机供给起动空气。
6.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中还包括：
一个用于向所述控制器提供一个指示发动机传动啮合的信号的传感器；并所述第二开关包括一个用于当要求发动机在负载下加速时向所述控制器提供一个从所述内燃机的节流联动装置来的信号的传感器。
7.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述辅助电动机-发电机受激励而将涡轮增压器转子保持在一个对应于最小空气压力的速度上。
8.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中当所述涡轮增压器转子达到一个与一预定的增压压力对应的速度时，所述辅助电动机-发电机被所述第三开关解除激励。
9.如权利要求8所述的涡轮增压系统，其中当所述涡轮增压器达到最大的涡轮增压器增压压力时，所述辅助电动机-发电机被所述控制器解除激励。
10.如权利要求1所述的涡轮增压系统，其中所述的第一和第二开关操作该辅助电动机-发电机，从而确保由所述涡轮增压器在预定的最小涡轮增压器增压压力和预定的最大涡轮增压器增压压力之间向所述发动机提供压缩空气，并所述第三开关连接该辅助电动机-发电机，从而当发动机排气内存在过剩能量时产生电力。
11.如权利要求1所述的涡轮增压装置，其中所述控制器包括一个用于所述辅助电动机-发电机的温度传感器和一个第四开关，该第四开关用于当所述辅助电动机-发电机的温度超出一预定温度时解除激励所述辅助电动机-发电机。
12.一种使内燃机涡轮增压的方法，包括下列步骤：
提供一个涡轮增压器，用于利用从内燃机来的排气能量来产生压缩的燃气流；
提供一个电动机-发电机，连接成用于辅助该涡轮增压器产生所述压缩的燃气流；
向所述电动机-发电机提供能量，用于在所述内燃机操作时在预定的最低涡轮增压器转子速度下辅助操作该涡轮增压器；
操作第一开关，用于在内燃机操作期间向所述电动机-发电机提供能量来在预定的最低该涡轮增压器速度下操作该涡轮增压器；
操作第二开关，控制提供到该电动机-发电机的能量，用以在内燃机加速期间提供增加该涡轮增压器的速度；
操作第三开关，用于在一个预定涡轮增压器速度以上时解除激励所述电动机-发电机。
13.如权利要求12所述的涡轮增压方法，其中所述电动机-发电机在内燃机的转矩峰值附近被解除激励。
14.如权利要求12所述所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：切换电动机-发电机的操作，使其从辅助电动机方式转换成产生电能方式。
15.如权利要求14所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：利用产生的电能来在所述预定的高的涡轮增压器转子速度附近制动该涡轮增压器。
16.如权利要求12所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：感测该电动机-发动机的内部温度，如果被感测的温度超过一预定温度，使该电动机-发电机解除激励。
17.如权利要求14所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：将产生的电能引向车辆的电系统。
18.如权利要求17所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：将电能引向贮电电池。
19.如权利要求14所述的涡轮增压方法，包括下列附加步骤：将电能引向一耗散电阻装置，以便制动该涡轮增压转子。
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