CN204877664U - 一种电动涡轮增压装置 - Google Patents

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Abstract

一种电动涡轮增压装置，属于汽车制造领域，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇（3）对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器（1）的VTA信号发送至控制器（2）控制涡轮增压风扇（3）的转速；通过VTA信号来控制涡轮增压风扇电机的转速，保证足够的进气量，为燃油在气缸中爆炸式的迅速燃烧提供必要条件，增加自然吸气发动机中低转速的进气量，提升中低转速区间的扭矩和输出功率。

Description

一种电动涡轮增压装置
技术领域
本实用新型属于汽车制造领域。
背景技术
众所周知，发动机涡轮增压能在排量不变的情况下提高发动机的功率和扭矩，使气缸中能有充足的氧气与燃油充分燃烧，达到更高的动力输出和环保要求。但是以往使用的机械增压（废气涡轮增压）制造成本高，使用维修成本高。并且对已经出售的自然吸气发动机加装困难和价格贵，是推广困难的原因。电动涡轮增压涡旋风扇增压是目前取代机械增压（废气涡轮增压）的一种方法，电动涡轮风扇种类较多，虽然很多人对电动涡轮增压器持肯定的观点，但是因缺乏稳定且有效的控制方法，导致目前还没有大力推广应用。其中一个重要的原因是没有一个准确可靠的控制模式，在目前电动涡轮控制的研制上，首先要考虑的是控制信号能否准确反映驾驶员的需要。如果取得的控制信号如不能准确反映出驾驶员的需要，取得的信号反而让电动涡轮不能完全根据驾驶员的需要而运转。能反映驾驶员驾驶车辆运动状态的就是油门开度的大小，在发动机控制技术中就是节气门位置传感器信号（VTA）。
实用新型内容
鉴于此，实用新型人提供一种电动涡轮增压装置，通过VTA信号来控制涡轮增压风扇电机的转速，保证足够的进气量，为燃油在气缸中爆炸式的迅速燃烧提供必要条件，增加自然吸气发动机中低转速的进气量，提升中低转速区间的扭矩和输出功率。
为实现实用新型目的，本实用新型提供一下技术方案：
一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后。
进一步：在所述的调速电路上并联一个转速信号器，所述转速信号器由二极管7、电阻8、光耦合元件9串联而成，二极管7连接点火信号，光耦合元件9连接在调速电路中的电流放大器5的第二极之前。
进一步：所述调速电路中的最后一级电流放大器5并联1-10个功率管。
进一步：所述电流放大器5为BU406推动管。
进一步：所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6。
有益技术效果
本实用新型是通过VTA信号来控制涡轮增压风扇电机的转速，通过电动涡轮增压保证足够的进气量，为燃油在气缸中爆炸式的迅速燃烧提供必要条件，增加自然吸气发动机中低转速的进气量，提升中低转速区间的扭矩和输出功率。低成本、扩展性好、适用范围广、加装简单的电动涡轮增压涡旋风扇控制器电路。
低成本优势。电路图中所用元器件网购价，经过生产，经销，安装到用户应当不大于400元。
风扇电机可调速范围大。对于汽车制造商而言可以使用功率大的离心式增压风机，根据离心增压风机的功率选择大功率三极管T3调节Rb1就可以满足要求。电动涡轮增压涡旋电机可调速范围大，能够满足发动机在不同工况下运行。
可扩展性强。从原理电路（图2）看出可以在B2点处叠加一个或多个信号进行控制（如果要考虑发动机转速，就可以取点火信号或者车速信号）。得（图3、图4）电路图，说明主电路图可扩展性强。使用发动机转速信号叠加控制后在3000转/分时VM增加(0.3~0.4)伏。
节省燃油5%-20%。(视具体车况而定)；充分燃烧后的尾气中降低了有害气体排放。降低发动机因低转速进气量不足导致的气缸内部积碳，延长发动机使用寿命。增强发动机动力10%~20%，提升中低转速下发动机的扭矩和功率。车辆在起步、使用空调或急加速时动力有效增强。实际安装到汽车上后，另外请了一位从来没有驾驶过这辆车的熟练驾驶员进行测评，不使用电动涡轮增压与使用电动涡轮增压行驶相同的路线。结论是：安装电动涡轮增压后低转高扭矩明显，启步轻松，加速明显，动力感觉至少增强了一个档的力量。
经过实际测试，电路工作稳定，能有效增强自然吸气发动机在中低转速下的扭矩，同时降低有害气体的排放，具有较强的经济性和实用性。
附图说明
图1：本实用新型的控制原理图；
图2：实施例1-3中的调速电路原理图；
图3：实施例4-6中的调速电路原理图；
图4：实施例7-9中的调速电路原理图；
图5：节气门传感器与ECU的连接图；
图中，1-发动机节气门位置传感器，2-控制器，3-涡轮增压风扇，4-电阻元件，5-电流放大器，6-保护二极管，7-二极管，8-电阻，9-光耦合元件。
具体实施方式：
实施例1：如图1、图2，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6。
实施例2：如图1、图2，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6。
实施例3：如图1、图2，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6。
实施例4：如图1、图3，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；在所述的调速电路上并联一个转速信号器，所述转速信号器由二极管7、电阻8、光耦合元件9串联而成，二极管7连接点火信号，光耦合元件9连接在调速电路中的电流放大器5的第二极之前。
实施例5：如图1、图3，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；在所述的调速电路上并联一个转速信号器，所述转速信号器由二极管7、电阻8、光耦合元件9串联而成，二极管7连接点火信号，光耦合元件9连接在调速电路中的电流放大器5的第二极之前。
实施例6：如图1、图3，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；在所述的调速电路上并联一个转速信号器，所述转速信号器由二极管7、电阻8、光耦合元件9串联而成，二极管7连接点火信号，光耦合元件9连接在调速电路中的电流放大器5的第二极之前。
实施例7：如图1、图4，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；所述调速电路中的最后一级电流放大器5可并联1个。
实施例8：如图1、图4，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇9，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；所述调速电路中的最后一级电流放大器5可并联5个。
实施例9：如图1、图4，一种电动涡轮增压装置，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇3对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器1的VTA信号发送至控制器2控制涡轮增压风扇3的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇3转速随之增大，反之则减小；所述的控制器2是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件4、3级电流放大器5串联而成，发动机节气门位置传感器1的VTA信号通过电阻元件4传至电流放大器5，电流放大器5的一端连接涡轮增压风扇3，另一端接地，涡轮增压风扇3的电机接于主继电器触电之后，所述涡轮增压风扇3的电机上设置有保护二极管6；所述调速电路中的最后一级电流放大器5可并联10个。
实施例10：实施例1-9中任意一项所述的电流放大器5为BU406推动管，其余部分均相同。
工作原理：
实施例中的调速电路设计是依据表1和图5的数据和节气门位置传感器信号（ＶＴＡ）取得进行的，是一个三级直流放大器电路。
表1：节气门传感器电压和电阻对应表
选用的涡轮增压涡旋风扇直径:60mm*60mm；电机长度:76mm(双电机)；电机工作电压：10.8-13V；电机标称电流:2.7A(双电机)；电机功率:32.4W(双电机)；电机出线：红橙色线为正极黑灰色线为负极。涡旋风扇转速在14000转时风压2.5Kpa左右，内装两只转速不同的独立电机（共装4颗高速滚珠轴承），两个风扇，双面扇叶反转设计。进风口增压风扇为5扇叶，出风口涡旋风扇叶为7扇叶。涡轮工作时先从每分钟14000转的5风叶进风扇增压，再经过每分钟12000转的逆转风7叶涡旋风扇增加风压。三洋　SanAce60风扇电动机有三种功率，分别是DC12V2.7A；DC12V3.2A；DC12V4A。T3选择BU406β≥180，T1T2选S8050β≥100，选择60*60*30mm的散热片或者CPU的散热片，二极管要求不高，只需普通的整流管，反向击穿电压大于50伏即可。电阻，电位器，没有特殊要求，出于低成本设计考虑，没有专门设计印刷电路板，只需将BU406固定在散热片上即可。
焊接完毕后，检查无误后，进行通电调试试验。用7805三端稳压电源模拟节气门5伏电源，选择一个12千欧姆电位器，中抽头当作VTA信号。将试验电源电压调定14伏，用模拟负载12V35W灯泡替代增压电动机（M）进行调试，不能直接用增压电动机进行，因为整流子的换向作用，直流电流是断续的，而实际工作中，测量电压比较方便，所以使用测量模拟负载电压的方式进行校准调试。
表2：VVTA电压调试
满负荷试验1小时稳定后，（因为车辆不可能1小时油门全开，属于超规格试验，电动机是感性负载，实际功耗比标称要小）。模拟负载功率适当大于增压风扇电动机功率，保证电动涡轮增压控制器能长时间稳定工作。
电路调试完毕后，接入增压风扇电动机。测得增压风扇电动机最低的启动运转稳定时信号VVTA电压在1.6V~1.75V之间。
试验测试改装电涡轮增压系统的车辆为海马普力马汽车，排量1.6L，手动档车型。电动涡轮增压涡旋风扇（M）安装在节气门之前空气过滤器之后的管道，控制器安装在空气滤清器之前的空气滤清箱中。控制器只有三条线，接负极（车壳金属件）线、接电动机负极线、接信号（VTA）线。电动机正极取主继电器之后为驱动电源。电源取主继电器之后是保证发动机起动后控制器才得电工作，增压量的多少全由驾驶员的需求——即油门大小决定。
怠速时车辆VVTA在0.3V~0.8V之间，本电路在VVTA≤1.5V时增压涡轮风扇电动机是不会主动运转的，但是有可能被发动机怠速吸气拉动而转动，流经增压涡旋风扇后的气流就变成了涡旋气体运动能与燃油充分混合。虽然起阻碍作用，会适当降低发动机转速，实车安装后观测大概降低（5~10）转/分，而发动机怠速额定转速800±50rpm，可以肯定的说对发动机怠速运转时没有影响。
1.5V<VVTA≤5V时，因为节气门位置传感器所用电位器是线性电阻，我们把汽车发动机负荷分为三个区，轻负荷区VVTA≤2.2V,中度负荷区2.2V<VVTA≤3.6V,高负荷区3.6V<VVTA≤5V。从表2数据可看出在中高负荷区时，涡轮增压已经处在明显的（运转）增压范围了。
低成本优势。电路图中所用元器件网购价：光耦合元件PC817，二极管，2S8050均价在0.2元/只左右，BU406价为0.55元/只左右，散热片10元/片左右，SanAce60风扇电动机有三种功率的价格在（28~100）元之间，SanAce80风扇电动机的价格在（80~150）元之间，可以看出制作成本是很低的。对于改装选择SanAce60比较适合。经过生产，经销，安装到用户应当不大于400元。
风扇电机可调速范围大。对于汽车制造商而言可以使用功率大的离心式增压风机，根据离心增压风机的功率选择大功率三极管T3调节Rb1就可以满足要求。电动涡轮增压涡旋电机可调速范围大，能够满足发动机在不同工况下运行。
可扩展性强。从原理电路（图2）看出可以在B2点处叠加一个或多个信号进行控制（如果要考虑发动机转速，就可以取点火信号或者车速信号）。得（图5）电路图，说明主电路图可扩展性强。使用发动机转速信号叠加控制后在3000转/分时VM增加(0.3~0.4)伏。
使用转速信号或者车速信号参与控制（如图3），我们认为不能准确反映驾驶员的需求，因为开车必须与安全行车为准，车辆的发动机必须精确听从驾驶员的控制，故不用为好。
该电路可根据涡旋风扇功率进行调整：（1）三洋SanAce60系列涡轮涡旋增压风扇适用于1.6升排量以下的发动机，功率在50W以内，(图2)电路直接安装使用就可以了，调定VVTA=4V调节Rb1使VM（模）=11V即可使用。（2）三洋　SanAce80系列涡轮涡旋增压风扇功率在100W以内，适用于1.6升排量以上的发动机并且发动机进气软管直径是80mm，只须在(图2)中与T3并联一只BU406就可得T（3）(图4)，要求T3T（3）β值相同，使用模拟负载为12V100W灯泡，调定VVTA=4V，调节Rb1使VM（模）=10V就能使三洋SanAce80系列涡轮涡旋增压风扇正常工作。
根据T2的推动能力，一只T2能推动10只BU406，T3可用多只BU406并联复合而得。就是说只要增压风扇选定，就可以轻松算出T3需要的个数，BU406参数中ICM≤7A，估算原则是取ICM的65%，所以不同功率增压风扇电动机，只需调整Rb和增减T3并联的只数就可以达到使用要求。达到轻松制作大功率涡轮增压控制器的目的。
节省燃油5%-20%。(视具体车况而定)；充分燃烧后的尾气中降低了有害气体排放。降低发动机因低转速进气量不足导致的气缸内部积碳，延长发动机使用寿命。增强发动机动力10%~20%，提升中低转速下发动机的扭矩和功率。车辆在起步、使用空调或急加速时动力有效增强。实际安装到汽车上后，另外请了一位从来没有驾驶过这辆车的熟练驾驶员进行测评，不使用电动涡轮增压与使用电动涡轮增压行驶相同的路线。结论是：安装电动涡轮增压后低转高扭矩明显，启步轻松，加速明显，动力感觉至少增强了一个档的力量。
在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对实用新型进行各种变换及等同代替，因此，本实用新型专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方案。

Claims (5)

1.一种电动涡轮增压装置，其特征在于，在汽车发动机的节气门之前空气过滤器之后安装涡轮增压风扇（3）对发动机气缸进气增压，发动机节气门位置传感器（1）的VTA信号发送至控制器（2）控制涡轮增压风扇（3）的转速；随着节气门的增大，涡轮增压风扇（3）转速随之增大，反之则减小；所述的控制器（2）是由一个调速电路组成，取节气门位置的VTA信号对调速电路进行控制，所述调速电路由电阻元件（4）、3级电流放大器（5）串联而成，发动机节气门位置传感器（1）的VTA信号通过电阻元件（4）传至电流放大器（5），电流放大器（5）的一端连接涡轮增压风扇（3），另一端接地，涡轮增压风扇（3）的电机接于主继电器触电之后。
2.根据权利要求1所述的一种电动涡轮增压装置，其特征在于，在所述的调速电路上并联一个转速信号器，所述转速信号器由二极管（7）、电阻（8）、光耦合元件（9）串联而成，二极管（7）连接点火信号，光耦合元件（9）连接在调速电路中的电流放大器（5）的第二极之前。
3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种电动涡轮增压装置，其特征在于，所述调速电路中的最后一级电流放大器（5）并联1-10个功率管。
4.根据权利要求3所述的一种电动涡轮增压装置，其特征在于，所述电流放大器（5）为BU406功率管。
5.根据权利要求1或2任意一项所述的一种电动涡轮增压装置，其特征在于，所述涡轮增压风扇（3）的电机上设置有保护二极管（6）。
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