CN110446837A - 包括电辅助涡轮增压器的系统及其使用方法 - Google Patents

包括电辅助涡轮增压器的系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

提供一种产品，该产品包括涡轮增压器，其包括操作性地连接到压缩机的涡轮机；连接到涡轮机入口的排气管道；连接到压缩机出口的泄放路径，该泄放路径包括将压缩机空气排放到大气中的开口端部或连接到涡轮机上游的排气管道上的端部中的至少一个，该涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机。

Description

包括电辅助涡轮增压器的系统及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月15日提交的美国申请第15/433,376号的权益。
技术领域
本公开总体上涉及的领域包括电辅助涡轮增压器系统及其使用方法。
背景技术
车辆可以包括涡轮增压器。涡轮增压器典型地具有用于利用从发动机排出的排气的动力的涡轮机，以及机械地和/或电气地连接到涡轮机以直接或间接地并且立即或在稍后时间使用由涡轮机利用的动力的压缩机。压缩机特性线图可以基于压缩机装备测试结果或由专用计算机程序预测。或者，可以适当地缩放类似压缩机的特性线图。位于压缩机特性线图左侧的喘振区域(称为喘振线)是通常由压缩机导流器失速引起的流动不稳定性区域。当涡轮增压器长时间在喘振中运行时，可能发生轴承故障。当参考压缩机特性线图时，喘振线是与特性线图的最左侧上的岛状物邻接的线。压缩机喘振发生在经过压缩机之后的空气压力实际上高于压缩机本身能够物理保持的压力时。这种情况导致压缩机叶轮中的气流蓄积，建立压力，并且有时失速。在极端喘振的情况下，涡轮的推力轴承可能被破坏，有时甚至会导致压缩机叶轮本身的机械故障，当压缩机喘振时，压缩机是不稳定的。期望在喘振线右侧的稳定区域中操作压缩机。在一些情况下，喘振控制线可用作压缩机的操作限制。控制喘振线通常是平行于喘振线并且向喘振线的右侧偏移一个余量的线，例如喘振时入口体积流量的3-10％。在一些情况下，可能期望在压缩机特性线图上的喘振控制线处或其右侧操作压缩机。
发明内容
许多变型可以包括一种产品，该产品包括电辅助涡轮增压器，其包括涡轮机，涡轮机通过轴操作性地连接到压缩机，以及电动机，电动机连接到压缩机以辅助驱动压缩机；连接到涡轮机入口的排气管道；连接到压缩机出口的泄放路径，该泄放路径具有连接到涡轮机上游的排气管道上的端部，该涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机中。
根据下文提供的详细描述，本发明范围内的说明性变型将变得显而易见。应当理解，具体实施方式和具体示例虽然公开了本发明范围内的变型，但是仅用于说明的目的，而不用于限制本发明的范围。
附图说明
从具体实施方式和附图中将更全面地理解本发明范围内的变型的选择示例，其中：
图1示出了根据多个变型的包括电辅助涡轮增压器的系统。
图2是压缩机特性线图，示出了由在许多变型中有用的压缩机特性线图施加的喘振线限制。
具体实施方式
以下对变型的描述本质上仅是说明性的，而决不旨在限制本发明的范围、其应用或用途。
现在参见图1，在多个变型中，可以提供系统10，该系统可以包括发动机12，其产生通过排气管道14离开发动机12的排气。排气管道14的一部分连接到发动机和涡轮机16，以使排气流入涡轮机16。排气管道14的一部分可以连接到涡轮机16的出口，并且可以具有开口端部以将气体从涡轮机16排放到大气中。涡轮机16可以机械地连接到压缩机16，以及用于产生直接用于驱动压缩机18或存储在电池21中的电力的电动机/发电机20。控制器23可以与电池21和/或电动机/发电机20相关联以控制储存在电池21中或从电池21递送以驱动电动机20和压缩机18的电力量。可替代地，控制模块24可以连接到电动机/发电机20和包括电池21的其他部件，以控制来自电池21的电力的存储和输送。在许多变型中，发电机和电动机可以设置为单独的装置。在许多变型中，电动机或可齿轮连接到连接压缩机和涡轮机的轴，齿轮连接到压缩机的轮，磁体可设置在连接到压缩机的轴上或设置在压缩机轮上，使得电动机旋转压缩机。可以提供进气管道22。进气管道22的一部分可以具有从大气吸入空气的开口端部和连接到压缩机18的入口以向其输送空气的另一端部。进气管道22的另一部分可以在一端连接到压缩机18的出口，而另一端部连接到发动机12以向其输送空气。
泄放路径(管道)26操作性地连接到压缩机18，以允许从压缩机18输送的一些或全部空气不直接进入发动机12。在多个变型中，泄放路径26的一部分可以连接到压缩机18的出口并且连接到涡轮机16上游的排气管道14。阀28操作性地定位在泄放路径26中以控制通过其中的空气流。阀28可以通过空气或液压方法电驱动，并且可以连接到控制器24用于快速控制和移动。
在多个变型中，阀28可以构造和布置成允许压缩机空气的排放流入排气管道14中。控制器24还可以连接到阀26以快速控制其运动。在许多变型中，燃料储存容器30中可以设置有燃料，并且操作性地连接到压缩机泄放路径26以将燃料喷射到泄放路径26中。点火器34操作性地连接以点燃泄放路径26中的燃料，从而根据需要增加通过涡轮机16的气流。
压缩机排放路径(管道)26可用于避免压缩机喘振。甚至在低发动机速度下也可能发生压缩机喘振。当电动机用于驱动压缩机或用于辅助驱动机械地连接到涡轮机的压缩机时，电力用于快速地启动电动机和压缩机，在不存在压缩机泄放路径26的情况下这可能导致压缩机喘振。当压缩机泄放路径26连接到涡轮机16上游的排气管道14时，通过涡轮机16的压力和流量可快速升高并导致发动机扭矩的快速升高。
图2示出了当发动机处于1,000-2,000rpm的相对低速时，由最左边的实心黑点表示的1,000-2,000rpm点在压缩机特性线图之外，即，它们位于喘振线的左边。通过利用构造和布置成将空气压缩到排气管道14的压缩机排放路径26，用于1000-2000rpm的工作点可以保持或移动到由环表示的点，所述点在喘振线的内部并且可以导致从1000rpm到8000rpm的恒定发动机扭矩。
控制器24可以连接到电动机/发电机20以控制其操作。在多个变型中，可以提供一个或多个传感器并且与电动机/发电机20或连接到压缩机的电动机相关联，以检测或监测电动机/发电机20或连接到压缩机的电动机的电流消耗或其他运行参数，从而确定压缩机18是否在喘振状态下运行或者接近喘振状态。控制器24可以包括处理器和数据存储部件。算法、查找表、模型等可以存储在控制器24中以检测压缩机喘振。控制器24可以使用来自传感器25的数据来确定压缩机18是否在喘振中运行或者压缩机是否接近喘振状态。响应于确定压缩机18在喘振状态下运行或者如果压缩机接近喘振状态，控制器24可用于调节阀28，以允许从压缩机18排出的空气排放到大气或流入涡轮机16上游的排气管道14，从而使压缩机18进入稳定状态或保持压缩机处于稳定状态。如果控制器24确定压缩机18没有在喘振中运行，压缩机18也没有接近喘振状态，则控制器24可用于调节阀28以关闭阀28。在多个变型中，电动机/发电机监测器20或连接到压缩机的电动机的电流消耗在一段时间上并且由控制器24分析以确定电流消耗中是否存在指示涡轮增压器在喘振中运行的重复峰值或尖峰。在多个变型中，一个或多个传感器27、29可以位于系统中，例如但不限于位于压缩机18的出口处或附近的进气管道22中，或者位于发动机12的燃烧室31中。在许多变型中，传感器27、29可感测指示压缩机处于喘振的各种参数中的任一个，或可用于确定或预测压缩机处于喘振中或压缩机在预定范围内接近喘振状态。在许多变型中，传感器27、29可感测压力、声音或振动。在许多变型中，传感器27、29可以是使用模型、查找表或算法来确定或估计电动机的速度或电动机的电流消耗的虚拟传感器。
在许多变型中，控制器和传感器27、29(以硬件或虚拟形式)可用于确定电动机速度或电动机电流消耗中指示压缩机经历喘振的高频振荡，例如但不限于5-20Hz。在许多变型中，如果在速度反馈回路中控制电动机，则可以通过监测速度振荡来观察或检测喘振。在许多变型中，如果在电流或转矩反馈回路中控制电流，则可以通过监测电流振荡来观察或检测喘振。
以下对变体的描述仅是对被认为在本发明范围内的部件、元件、动作、产品和方法的说明，而不是以任何方式旨在通过具体公开或未明确阐述的内容来限制这种范围。在此描述的部件、元件、动作、产品和方法可以组合和重新布置，而不是如在此明确描述的，并且仍然被认为在本发明的范围内。
变型1可以包括一种产品，该产品包括：电辅助涡轮增压器，其包括涡轮机，该涡轮机通过轴操作性地连接到压缩机，以及电动机，该电动机操作性地连接到压缩机以辅助驱动压缩机；连接到涡轮机入口的排气管道；连接到压缩机出口的泄放路径，该泄放路径具有连接到涡轮机上游的排气管道上的端部，该涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机中。
变型2可以包括如变型1所述的产品，该产品进一步包括在泄放路径中的阀，该阀构造和布置成用于控制从压缩机通过泄放路径的空气流。
变型3可以包括如变型1-2中任一项所述的产品，该产品进一步包括在泄放路径中的阀，该阀构造和布置成用于控制通过端部的空气流，该端部连接到涡轮机上游的排气管道，该涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机中。
变型4可以包括如变型1-3中任一项所述的产品，该产品进一步包括操作性地连接到阀的电致动器，并且进一步包括连接到电致动器以便对其进行控制的控制器。
变型5可以包括如变型1-4中任一项所述的产品，其中该电动机是电动机/发电机。
变型6可以包括如变型1-5中任一项所述的产品，该产品进一步包括连接到涡轮机的发电机。
变型7可以包括如变型1-6中任一项所述的产品，该产品进一步包括：燃料喷射器，其操作性地连接到压缩机泄放路径上以将燃料喷射到泄放路径中；以及点火器，其操作性地连接到泄放路径上以点燃泄放路径中的燃料，从而增加通过涡轮机的气体流。
变型8可以包括一种方法，该方法包括：提供包括一种产品，该产品包括涡轮增压器，其包括操作性地连接到压缩机的涡轮机；连接到涡轮机入口的排气管道；连接到压缩机出口的泄放路径，该泄放路径包括连接到涡轮机上游的排气管道上的端部，涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机；泄放路径中的阀；连接以辅助压缩机旋转的电动机；连接到电动机以驱动电动机的电力源；连接到阀以控制阀的运动的控制器，所述控制器连接到电动机以控制电动机；传感器，该传感器构造和布置成用于感测压缩机的运行，该控制器构造和布置成接收来自传感器的数据，并且确定压缩机是否在喘振中运行或者压缩机是否接近喘振状态；从电力源向驱动电力源的电动机供应电力并使压缩机旋转；使用传感器和控制器来确定以下各项中的至少一项：压缩机是否在喘振中运行或者压缩机是否在预定范围内接近喘振状态；响应于确定压缩机是否在喘振中运行或者压缩机是否在预定范围内接近喘振状态，调节阀以控制泄放路径中的空气流。
变型9可以包括如变型8所述的产品，其中调节阀以控制泄放路径中的空气流包括如果确定压缩机在喘振中运行或者如果压缩机在预定范围内接近喘振状态则打开阀。
变型10可以包括如变型8-9中任一项所述的产品，其中调节阀以控制泄放路径中的空气流包括如果确定压缩机在喘振中运行则打开阀。
变型11可以包括如变型8-10中任一项所述的产品，其中使用传感器和控制器包括使用传感器和控制器来确定压缩机是否在喘振中运行。
变型12可以包括如变型8-11中任一项所述的产品，其中使用传感器和控制器来确定压缩机是否在喘振中运行包括监测电动机随时间的电流消耗，并且确定电动机的电流消耗中是否存在指示涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
变型13可以包括如变型8-11中任一项所述的产品，其中使用传感器和控制器来确定压缩机是否在喘振中运行包括监测电动机随时间的速度，并且确定在电动机的速度中是否存在指示涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
变型14可以包括一种方法，该方法包括：提供一种产品，该产品包括涡轮增压器，其包括操作性地连接到压缩机的涡轮机；操作性地联接到压缩机以驱动压缩机的电动机；连接到涡轮机入口的排气管道；连接到压缩机出口的泄放路径，该泄放路径包括连接到涡轮机上游的排气管道，该涡轮机构造和布置成使空气从压缩机流入涡轮机中；产品中的传感器，其构造和布置成用于感测指示压缩机喘振的一个或多个参数，或者可以用于确定或预测压缩机处于喘振中或者压缩机在预定范围内接近喘振状态；使用传感器和控制器来确定以下各项中的至少一项：压缩机是否在喘振中运行或者压缩机是否在预定范围内接近喘振状态；响应于确定压缩机是否在喘振中运行或者压缩机是否在预定范围内接近喘振状态，调节泄放路径中的空气流。
变型15可以包括如变型14所述的方法，其中传感器构造和布置成用于感测由电动机消耗的电流或电动机速度。
变型16可以包括如变型14所述的方法，其中使用传感器和控制器来确定压缩机是否在喘振中运行包括监测电动机随时间的电流消耗，并且确定电动机的电流消耗中是否存在指示涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
变型17可以包括如变型14所述的方法，其中使用传感器和控制器来确定压缩机是否在喘振中运行包括监测电动机随时间的速度，并且确定在电动机的速度中是否存在指示涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
变型18可以包括如变型14所述的方法，其中传感器是压力传感器。
变型19可以包括如变型14-18中任一项所述的方法，其中该产品进一步包括在泄放路径中的阀，并且其中调节泄放路径中的空气流包括移动该阀。
变型20可以包括如变型12所述的方法，其中高频范围在5-20Hz之间。
变型21可以包括如变型13所述的方法，其中高频范围在5-20Hz之间。
变型22可以包括如变型16所述的方法，其中高频范围在5-20Hz之间。
变型23可以包括如变型17所述的方法，其中高频范围在5-20Hz之间。
在本发明范围内的选择变型的上述描述本质上仅仅是说明性的，因此，其变型或变体不被认为脱离了本发明的精神和范围。

Claims (23)

1.一种产品，包括：
电辅助涡轮增压器，其包括涡轮机，所述涡轮机通过轴操作性地连接到压缩机，以及电动机，所述电动机操作性地联接到所述轴以辅助驱动所述压缩机；连接到所述涡轮机入口的排气管道；连接到所述压缩机出口的泄放路径，所述排放路径具有连接到所述涡轮机上游的所述排气管道的端部，所述涡轮机构造和布置成使空气从所述压缩机流入所述涡轮机。
2.如权利要求1所述的产品，进一步包括在所述泄放路径中的阀，所述阀构造和布置成用于控制从所述压缩机通过所述泄放路径的空气流。
3.如权利要求1所述的产品，进一步包括在所述泄放路径中的阀，所述阀构造和布置成用于控制通过所述端部的空气流，所述端部连接到所述涡轮机上游的所述排气管道，所述涡轮机构造和布置成使空气从所述压缩机流入所述涡轮机中。
4.如权利要求1所述的产品，进一步包括操作性地连接到所述阀的电致动器，并且进一步包括连接到所述电致动器以便对其进行控制的控制器。
5.如权利要求1所述的产品，其中所述电动机包括连接到所述涡轮机和压缩机的电动机/发电机。
6.如权利要求1所述的产品，进一步包括连接到所述涡轮机的发电机。
7.如权利要求1所述的产品，进一步包括：燃料喷射器，其操作性地连接到所述压缩机泄放路径上以便将燃料喷射到所述泄放路径中；以及点火器，其操作性地连接到所述泄放路径上以点燃所述泄放路径中的燃料，从而增加通过所述涡轮机的气体流。
8.一种方法，包括：
提供一种产品，所述产品包括涡轮增压器，其包括操作性地连接到压缩机的涡轮机；连接到所述涡轮机入口的排气管道；连接到所述压缩机出口的泄放路径，所述泄放路径包括连接到所述涡轮机上游的排气管道上的端部，所述涡轮机构造和布置成使空气从所述压缩机流入所述涡轮机；所述泄放路径中的阀；连接以辅助所述压缩机旋转的电动机；连接到所述电动机以驱动所述电动机的电力源；连接到所述阀以控制所述阀的控制器，所述控制器连接到所述电动机以控制所述电动机；构造和布置成用于感测所述压缩机的操作的传感器，所述控制器构造和布置成用于在确定所述压缩机是否在喘振中运行或者所述压缩机是否接近喘振状态时从所述传感器接收数据；
从所述电力源向所述电动机供应电力，驱动所述电动机并使所述压缩机旋转；
使用所述传感器和所述控制器来确定以下各项中的至少一项：所述压缩机是否在喘振中运行或者所述压缩机是否在预定范围内接近喘振状态；
响应于确定所述压缩机是否在喘振中运行或者所述压缩机是否在预定范围内接近喘振状态，调节所述阀以控制所述泄放路径中的空气流。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述调节所述阀以控制所述泄放路径中的空气流的步骤包括：如果所述确定是所述压缩机在喘振中运行或者如果所述压缩机在预定范围内接近喘振状态，则打开所述阀。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述调节所述阀以控制所述泄放路径中的空气流包括：如果所述确定是所述压缩机在喘振中运行，则打开所述阀。
11.如权利要求8所述的方法，其中使用所述传感器和所述控制器包括使用所述传感器和所述控制器来确定所述压缩机是否在喘振中运行。
12.如权利要求8所述的方法，其中使用所述传感器和所述控制器来确定所述压缩机是否在喘振中运行包括监测所述电动机随时间的电流消耗，并且确定所述电动机的电流消耗中是否存在指示所述涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
13.如权利要求8所述的方法，其中使用所述传感器和所述控制器来确定所述压缩机是否在喘振中运行包括监测所述电动机随时间的速度，并且确定在所述电动机的速度中是否存在指示所述涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
14.一种方法，包括：
提供一种产品，所述产品包括涡轮增压器，其包括操作性地连接到压缩机的涡轮机；电动机，所述电动机操作性地联接到所述压缩机以驱动所述压缩机；连接到所述涡轮机入口的排气管道；连接到所述压缩机出口的泄放路径，所述泄放路径包括连接到所述涡轮机上游的排气管道的端部，所述涡轮机构造和布置成使空气从所述压缩机流入所述涡轮机；所述产品中的传感器，其构造和布置成用于感测指示压缩机喘振的一个或多个参数，或者可以用于确定或预测所述压缩机处于喘振中或者所述压缩机在预定范围内接近喘振状态；
使用所述传感器和所述控制器来确定以下各项中的至少一项：所述压缩机是否在喘振中运行或者所述压缩机是否在预定范围内接近喘振状态；
响应于确定所述压缩机是否在喘振中运行或者所述压缩机是否在预定范围内接近喘振状态，调节所述泄放路径中的空气流。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述传感器构造和布置成用于感测由所述电动机消耗的电流或电动机速度。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述产品进一步包括连接到所述压缩机以驱动所述压缩机的电动机，并且其中使用所述传感器和所述控制器来确定所述压缩机是否在喘振中运行包括监测所述电动机随时间的电流消耗，并且确定所述电动机的电流消耗中是否存在指示所述涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述产品进一步包括连接到所述压缩机以驱动所述压缩机的电动机，并且其中使用所述传感器和所述控制器来确定所述压缩机是否在喘振中运行包括监测所述电动机随时间的速度，并且确定所述电动机的速度是否存在指示所述涡轮增压器在喘振中运行的高频振荡。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述传感器是压力传感器。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述产品进一步包括在所述泄放路径中的阀，并且其中调节所述泄放路径中的空气流包括移动所述阀。
20.如权利要求12所述的方法，其中所述高频范围在5-20Hz之间。
21.如权利要求13所述的方法，其中所述高频范围在5-20Hz之间。
22.如权利要求16所述的方法，其中所述高频范围在5-20Hz之间。
23.如权利要求17所述的方法，其中所述高频范围在5-20Hz之间。
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