CN112031928A - 一种机械式涡轮增压系统及方法 - Google Patents

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赵艳婷
刘贝
刘子豪
殷勇
阳松林
张辉亚
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

本申请公开了一种机械式涡轮增压系统及方法，涉及发动机技术领域，该系统包括：压气机，连接于发动机的进气管；涡轮机，连接于发动机的排气管；第一离合器，其输出端连接压气机，其输入端连接电动机，以将电动机耦联至压气机；第二离合器，其输入端与涡轮机连接，其输出端与齿轮机构连接，以将涡轮机耦联至齿轮机构；且当其中一个离合器接合时，另一个离合器断开；齿轮机构连接发动机的曲轴，齿轮机构用于当第二离合器接合时，将涡轮机产生的机械能传递给发动机。本申请，当第一离合器接合，可通过电动机带动压气机，以实现增压补偿功能；当第二离合器接合，可将涡轮机产生的机械能通过齿轮机构传递给发动机，实现发动机废热能量的回收利用。

Description

一种机械式涡轮增压系统及方法
技术领域
本申请涉及发动机技术领域，具体涉及一种机械式涡轮增压系统及方法。
背景技术
目前，涡轮增压器是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的压气机，以压送空气使之增压进入发动机。
相关技术中，由于车用柴油机在中低速中高负荷时对空燃比要求较高，即上述工况亟待较充足的新鲜进气量，通过将电辅助增压器布置在现有涡轮增加器的上游或者下游，与涡轮增压器共存，即可提高空燃比，改善发动机燃油经济性。
但是，上述电动增压器与传统涡轮增加器共同布置，不仅增加生产成本，且在高速高负荷工况下，废气的能量仍较为充足，并以被浪费能量的形式离开发动机，无法回收利用，造成能量损失。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种机械式涡轮增压系统及方法以解决相关技术中生产成本高，且废气能量损失的问题。
本申请第一方面提供一种机械式涡轮增压系统，其包括：
压气机，连接于发动机的进气管；
涡轮机，连接于上述发动机的排气管，上述涡轮机与压气机同轴连接；
第一离合器，其输出端连接上述压气机，其输入端连接电动机，以将上述电动机耦联至压气机；
第二离合器，其输入端与上述涡轮机连接，其输出端与齿轮机构连接，以将上述涡轮机耦联至上述齿轮机构；
且当其中一个离合器接合时，另一个离合器断开；
上述齿轮机构连接上述发动机的曲轴，上述齿轮机构用于当第二离合器接合时，将上述涡轮机产生的机械能传递给上述发动机。
一些实施例中，上述压气机与上述发动机之间的进气管上还设有中冷器，上述中冷器采用隔热材料制成，用于对上述进气管中的进气降温。
一些实施例中，上述系统还包括控制器，上述控制器用于根据上述发动机的运行状态，响应控制第一离合器接合、或者第二离合器接合。
一些实施例中，上述控制器还包括MAP数据存储器，上述MAP数据存储器用于存储发动机负荷与扭矩对应关系的MAP图。
一些实施例中，上述系统还包括蓄电池，上述蓄电池用于给电动机供电。
一些实施例中，第一离合器和第二离合器均为无级变速器CVT。
本申请第二方面提供一种基于上述机械式涡轮增压系统的方法，其包括步骤：
判断发动机的运行状态；
当上述发动机处于中低速中高负荷状态时，第一离合器接合，将电动机耦联至压气机；
当上述发动机处于高速高负荷状态时，第二离合器接合，将涡轮机耦联至齿轮机构，并将上述涡轮机产生的机械能传递给发动机；
否则，上述第一离合器和第二离合器均断开，由上述发动机带动上述压气机和涡轮机运行。
一些实施例中，上述判断发动机的运行状态之前，还包括：通过发动机台架试验标定，得到发动机负荷与扭矩的对应关系，生成MAP图并存储。
一些实施例中，上述系统还包括控制器；上述判断发动机的运行状态，具体包括：
上述控制器采集发动机当前的工况状态信息，并根据上述工况状态信息和上述MAP图，判断发动机的运行状态。
一些实施例中，上述齿轮机构至少包括第一齿轮和第二齿轮，上述第一齿轮安装于上述第二离合器输出端的输出轴上，上述第二齿轮安装于上述曲轴上，且第二齿轮与第一齿轮之间传动连接。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
本申请的机械式涡轮增压系统及方法，由于压气机与第一离合器的输出端连接，第一离合器的输入端与电动机连接，涡轮机与第二离合器的输入端连接，第二离合器的输出端与齿轮机构连接，因此，当发动机处于中低速中高负荷状态时，第一离合器接合，第二离合器不接合，以便于将电动机耦联至压气机，通过电动机带动压气机实现增压补偿功能，提高发动机新鲜进气量，改善发动机空燃比和燃油经济性；当发动机处于高速高负荷状态时，第二离合器接合，第一离合器不接合，以便于将涡轮机耦联至齿轮机构，并将涡轮机产生的机械能通过齿轮机构传递给发动机，以实现发动机废热能量的回收利用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的机械式涡轮增压系统的连接示意图；
图2为本申请实施例提供的机械式涡轮增压方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本申请作进一步详细说明。
参见图1所示，本申请实施例提供一种机械式涡轮增压系统，其包括压气机、涡轮机、第一离合器和第二离合器。
上述压气机连接在发动机的进气管上。涡轮机连接在上述发动机的排气管上，上述涡轮机与压气机同轴连接。
第一离合器的输出端连接上述压气机，第一离合器的输入端连接电动机，以将上述电动机耦联至压气机。第二离合器的输入端与上述涡轮机连接，第二离合器的输出端与齿轮机构连接，以将上述涡轮机耦联至上述齿轮机构。且当其中一个离合器接合时，另一个离合器断开。即，当第一离合器接合时，第二离合器断开；当第二离合器接合时，第一离合器断开。
上述齿轮机构连接上述发动机的曲轴。当第二离合器接合时，上述齿轮机构用于将上述涡轮机产生的机械能传递给上述发动机。
本申请实施例的机械式涡轮增压系统，当发动机处于中低速中高负荷状态时，第一离合器接合，第二离合器不接合，以便于将电动机耦联至压气机，通过电动机带动压气机实现增压补偿功能，提高发动机新鲜进气量，改善发动机空燃比和燃油经济性；当发动机处于高速高负荷状态时，第二离合器接合，第一离合器不接合，以便于将涡轮机耦联至齿轮机构，并将涡轮机产生的机械能通过齿轮机构传递给发动机，以实现发动机废热能量的回收利用。
本实施例中，上述压气机与上述发动机之间的进气管上还设有中冷器，上述中冷器采用隔热材料制成，上述中冷器用于对上述进气管中的进气降温，以降低发动机的热负荷，提高进气量，进而增加发动机的功率。
优选地，上述系统还包括控制器，上述控制器用于根据上述发动机的运行状态，响应控制第一离合器接合、或者第二离合器接合。
进一步地，上述控制器还包括MAP数据存储器，上述MAP数据存储器用于存储发动机负荷与扭矩对应关系的MAP图。上述控制器还用于根据MAP数据存储器中存储的MAP图对发动机的运行状态进行判断。
本实施例中，上述系统还包括蓄电池，上述蓄电池用于给电动机供电，以便于电动机带动压气机运动。
可选地，上述第一离合器和第二离合器均为CVT(Continuously VariableTransmission，无级变速器)。
参见图2所示，本申请实施例还提供一种基于上述机械式涡轮增压系统的方法，其包括步骤：
S1.判断发动机的运行状态。
S2.当上述发动机处于中低速中高负荷状态时，发动机空燃比不足，通过控制第一离合器接合，将电动机耦联至压气机，以通过电动机带动压气机实现增压补偿功能，提高发动机新鲜进气量，改善发动机空燃比和燃油经济性。
S3.当上述发动机处于高速高负荷状态时，第二离合器接合，将涡轮机耦联至齿轮机构，并将上述涡轮机产生的机械能传递给发动机曲轴，以实现发动机废热能量的回收利用。
S4.否则，在除上述工况状态外的其他工况下，上述第一离合器和第二离合器均断开，由上述发动机带动上述压气机和涡轮机运行，即发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮机，涡轮机又带动同轴的压气机，压气机压送空气，使之增压进入气缸，以实现传统涡轮增压器的功能。
优选地，上述步骤S1中判断发动机的运行状态之前，还包括：通过发动机台架试验标定，得到发动机负荷与扭矩的对应关系，生成MAP图并存储。
本实施例中，上述系统还包括控制器。上述步骤S1中判断发动机的运行状态，具体包括：
上述控制器采集发动机当前的工况状态信息，然后根据上述工况状态信息和上述MAP图，判断发动机的运行状态，进而根据发动机的运行状态，控制第一离合器接合、或者第二离合器接合，或者二者均不接合。
本实施例中，上述齿轮机构至少包括第一齿轮和第二齿轮，上述第一齿轮安装在第二离合器输出端的输出轴上，上述第二齿轮安装在上述发动机的曲轴上，且第二齿轮与第一齿轮之间传动连接，以便于当上述第二离合器接合后，将涡轮机耦联至第一齿轮和第二齿轮，进而将上述涡轮机产生的机械能传递给发动机曲轴。
可选地，上述第一齿轮和上述第二齿轮之间传动比根据发动机转速、第二离合器转速和涡轮机转速限制进行匹配。
本实施例中，第二离合器的传动比范围为0.5～2，第一齿轮和第二齿轮之间的传动比范围为15～20。
本实施例的机械式涡轮增压方法，适用于上述各涡轮增压系统，可根据发动机的不同运行状态来满足增压补偿、废热能量回收利用，或者实现传统涡轮增压器的功能；其中，当发动机处于中低速中高负荷状态时，控制器控制第一离合器接合，以便于将电动机耦联至压气机，通过电动机带动压气机实现增压补偿功能；当发动机处于高速高负荷状态时，控制器控制第二离合器接合，以便于将涡轮机耦联至齿轮机构，并将涡轮机产生的机械能通过齿轮机构传递给发动机，以实现发动机废热能量的回收利用；否则，在除上述工况状态外的其他工况下，上述第一离合器和第二离合器均断开，通过发动机带动压气机和涡轮机运行，以实现传统涡轮增压器的功能。
本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械式涡轮增压系统，其特征在于，其包括：
压气机，连接于发动机的进气管；
涡轮机，连接于所述发动机的排气管，所述涡轮机与压气机同轴连接；
第一离合器，其输出端连接所述压气机，其输入端连接电动机，以将所述电动机耦联至压气机；
第二离合器，其输入端与所述涡轮机连接，其输出端与齿轮机构连接，以将所述涡轮机耦联至所述齿轮机构；
且当其中一个离合器接合时，另一个离合器断开；
所述齿轮机构连接所述发动机的曲轴，所述齿轮机构用于当第二离合器接合时，将所述涡轮机产生的机械能传递给所述发动机。
2.如权利要求1所述的机械式涡轮增压系统，其特征在于：所述压气机与所述发动机之间的进气管上还设有中冷器，所述中冷器采用隔热材料制成，用于对所述进气管中的进气降温。
3.如权利要求1所述的机械式涡轮增压系统，其特征在于：所述系统还包括控制器，所述控制器用于根据所述发动机的运行状态，响应控制第一离合器接合、或者第二离合器接合。
4.如权利要求3所述的机械式涡轮增压系统，其特征在于：所述控制器还包括MAP数据存储器，所述MAP数据存储器用于存储发动机负荷与扭矩对应关系的MAP图。
5.如权利要求1所述的机械式涡轮增压系统，其特征在于：所述系统还包括蓄电池，所述蓄电池用于给电动机供电。
6.如权利要求1所述的机械式涡轮增压系统，其特征在于：所述第一离合器和第二离合器均为无级变速器CVT。
7.一种基于权利要求1所述机械式涡轮增压系统的方法，其特征在于，其包括步骤：
判断发动机的运行状态；
当所述发动机处于中低速中高负荷状态时，第一离合器接合，将电动机耦联至压气机；
当所述发动机处于高速高负荷状态时，第二离合器接合，将涡轮机耦联至齿轮机构，并将所述涡轮机产生的机械能传递给发动机；
否则，所述第一离合器和第二离合器均断开，由所述发动机带动所述压气机和涡轮机运行。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断发动机的运行状态之前，还包括：通过发动机台架试验标定，得到发动机负荷与扭矩的对应关系，生成MAP图并存储。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述系统还包括控制器；所述判断发动机的运行状态，具体包括：
所述控制器采集发动机当前的工况状态信息，并根据所述工况状态信息和所述MAP图，判断发动机的运行状态。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述齿轮机构至少包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮安装于所述第二离合器输出端的输出轴上，所述第二齿轮安装于发动机的曲轴上，且第二齿轮与第一齿轮之间传动连接。
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