CN206582024U - 用于车辆的涡轮复合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供涡轮复合系统，其包括冲击式涡轮，其设置在涡轮增压器涡轮的废气出口处；传动系，其将冲击式涡轮连接到发动机的曲轴以传输动力；废气分配器，其设置在涡轮增压器涡轮之间；电动机辅助装置，其连接到传动系以传输动力，该电动机辅助装置生成旋转力并通过传动系将旋转力传输到发动机的曲轴以辅助发动机的输出；以及控制器，其控制废气分配器和电动机辅助装置的操作。

Description

用于车辆的涡轮复合系统

技术领域

本实用新型涉及用于车辆的涡轮复合系统及其控制方法，尤其涉及用于在涡轮复合系统作为阻力发挥作用的发动机操作条件下涡轮复合系统不起阻力作用从而改善发动机效率的车辆涡轮复合系统及其控制方法。

背景技术

关于收集从车辆丢弃的废能(诸如，发动机操作时排出的废气) 以再生电能或机械能的涡轮复合系统的研究在不断进行。

涡轮复合系统是用于收集从车辆的发动机排出的废气的动能的系统。可额外地安装冲击式涡轮(blowdown turbine)以收集除用于吸入增压的涡轮增压器涡轮之外的废气的动能。冲击式涡轮处收集的能量可电力地或机械地应用到车辆中的可用位置。

以下，将详细描述涡轮复合系统的配置及其操作方法。

图1是示意性示出涡轮复合系统的配置的视图。

在图1中，标号11表示将发动机10的废气的能量转换为机械功的涡轮增压器涡轮。涡轮增压器涡轮11经由同心轴连接到压缩机12。

此外，冲击式涡轮13设置在涡轮增压器涡轮11的排气出口侧处。

这里，冲击式涡轮13通过传动系连接到发动机10的曲轴21以传输动力。传动系包括具有减速功能的齿轮传动单元15。冲击式涡轮13 通过齿轮传动单元15连接到发动机10的曲轴21以传输动力。

详细地，第一减速齿轮16安装在冲击式涡轮13的涡轮轴14处。第一减速齿轮16与第二减速齿轮17啮合且第二减速齿轮17经由轴 18连接到输出齿轮19。

此外，输出齿轮19与曲轴21处安装的曲轴齿轮22啮合。

因此，当发动机10驱动时，从发动机10排出的废气使涡轮增压器涡轮11旋转，同时旋转经由同心轴连接到涡轮增压器涡轮11的压缩机12。此时，作为用于燃料燃烧的吸入器，压缩机12压缩环境空气以便将压缩空气增压到发动机10。

同时，驱动涡轮增压器涡轮11的废气排到冲击式涡轮13以使冲击式涡轮13旋转。

这里，冲击式涡轮13的旋转力通过齿轮传动单元15和曲轴齿轮 22传输到发动机10的曲轴21，从而增加发动机10的输出而没有额外的燃料消耗。

然而，在发动机10的整个操作区段中，所有废气穿过包括涡轮增压器涡轮11和冲击式涡轮13的涡轮复合系统，使得发动机效率在涡轮复合系统起到阻力作用的发动机操作条件下降低。

参考图2，在发动机的整个操作区段(整个负荷区段)的具有发动机转矩或相对于燃料量的发动机每分钟转数(即，500至2500rpm) 的主操作区段中，发动机效率通过涡轮复合系统的操作增加(主操作区段的发动机rpm可根据发动机的等级改变)。然而，在主操作区段外的发动机的剩余操作区段中，由于涡轮复合系统起到阻力作用，发动机效率可降低。

例如，在常规的涡轮复合发动机中，在发动机10的整个操作区段中，由于废气穿过涡轮复合系统，尤其是冲击式涡轮13，曲轴齿轮22 在涡轮复合系统(冲击式涡轮13)的旋转速度低的低速/低负荷区段中旋转输出齿轮19，从而降低发动机效率。

涡轮复合系统在发动机10的整个操作区段的主操作区段外的剩余操作区段中起到阻力作用的原因，是涡轮复合系统被研发成在发动机10的整个操作区段的主操作区段中具有优化效果。

在本实用新型的背景部分中公开的信息仅为了提高对本实用新型的背景技术的理解，且不应被认为是承认或以任何形式暗示这些信息形成已为本领域技术人员所知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的各个方面涉及提供改善发动机效率的用于车辆的涡轮复合系统及其控制方法，其中，涡轮复合系统在涡轮复合系统能够起到阻力作用的发动机操作条件下不起阻力作用。

根据本实用新型的一方面，上述和其他目的可以通过提供用于车辆的涡轮复合系统实现，该系统包括：冲击式涡轮，其设置在涡轮增压器涡轮的废气出口处以通过穿过涡轮增压器涡轮的发动机的废气旋转；传动系，其将冲击式涡轮连接到发动机的曲轴以传输动力；废气分配器，其设置在涡轮增压器涡轮和冲击式涡轮之间以调节供应到冲击式涡轮的废气量；电动机辅助装置，其连接到传动系以传输动力，该电动机辅助装置生成旋转力并通过传动系将旋转力传输到发动机的曲轴，以辅助发动机的输出；以及控制器，其控制废气分配器和电动机辅助装置的操作。

根据本实用新型的另一方面，用于车辆的涡轮复合系统的控制方法包括以下步骤：通过发动机的废气旋转涡轮增压器涡轮；确定发动机操作区段是否对应于预定的操作区段，在该预定的操作区段中，涡轮复合系统起到阻力作用；当对应于涡轮复合系统起到阻力作用的预定的操作区段时，使用废气分配器减少或阻挡穿过涡轮增压器涡轮后引入到冲击式涡轮的废气；通过冲击式涡轮和发动机的曲轴之间的传动系的控制，切断冲击式涡轮和发动机的曲轴之间的动力；且使用电动机辅助装置，经由传动系将在电动机辅助装置处生成的旋转力传输到发动机的曲轴，由此辅助发动机输出。

下文讨论本实用新型的其他方面和示例性实施例。

应当理解，如本文中所用的术语“车辆”、“车辆的”和其他类似术语通常包括机动车辆，如包括运动型多用途车(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆的客用汽车，包括各种小船、轮船的船只，飞机等等，且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，源于石油之外的资源的燃料)。如本文中所指的混合动力车辆是具有两种或多种动力源的车辆，例如以汽油动力和电动力为动力源的车辆。

下文讨论本实用新型的上述和其他特征。

本实用新型的方法和装置具有其他特征和优点，这可从并入本文的附图和下面的详细描述中显而易见或在附图和下面的详细描述中更加详细地阐述，所述附图和详细描述一起用于说明本实用新型的预定原理。

附图说明

图1是示出常规的涡轮复合系统的配置的示意图；

图2是示出包括常规的涡轮复合系统的发动机的操作区段及其效率的图表；

图3是示出根据本实用新型的示例性实施例的涡轮复合系统的配置的示意图；且

图4是由控制器执行并示出根据本实用新型的示例性实施例的涡轮复合系统的控制状态的流程图。

应当理解，附图不一定按比例绘制，而是呈现出说明本实用新型的预定原理的各种示例性特征的某种程度的简化表示。如本文所包括的本实用新型的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状，将部分通过预期的应用和使用环境确定。

在图中，贯穿附图的多个图，标号指本实用新型的相同的或等效的部件。

具体实施方式

现在将详细参考本实用新型的各种实施例，其示例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例描述本实用新型，应当理解，本说明书不旨在将本实用新型限制到那些示例性实施例。正相反，本实用新型旨在不仅涵盖示例性实施例，而且涵盖可包括在如所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内的各种替代物、修改、等效物和其他实施例。

除非有明确相反描述，贯穿本说明书所用的词语“包括(comprise)”、“包括(comprises)”或“包括(comprising)”不应被理解为排除其他元件，而是暗含包括其他元件。

图3是示出根据本实用新型的示例性实施例的涡轮复合系统的配置的示意图。

如所示，将发动机10的废气能转换为机械功的涡轮增压器涡轮11 经由同心轴连接到压缩机12。冲击式涡轮13设置在涡轮增压器涡轮11 的废气出口处。

这里，冲击式涡轮13经由传动系连接到发动机10的曲轴21以传输动力。传动系包括将要说明的具有减速功能的齿轮传动装置15以及离合器41、42和43。冲击式涡轮13经由齿轮传动装置15连接到发动机10的曲轴21以传输动力。

齿轮传动装置15连接到冲击式涡轮13和发动机10的曲轴21以传输动力，同时被配置成连接电动机辅助装置50和发动机10的曲轴21 以传输动力。

以下，将详细说明齿轮传动装置15。第一减速齿轮16安装在冲击式涡轮13的涡轮轴14处。第二减速齿轮17与第一减速齿轮16啮合并经由轴18连接到输出齿轮19。

此外，输出齿轮19与曲轴21处安装的曲轴齿轮22啮合。

因此，当发动机10操作时，从发动机10排出的废气使涡轮增压器涡轮11旋转，同时旋转经由同心轴连接到涡轮增压器涡轮11的压缩机 12。这里，作为用于燃料燃烧的吸入装置，压缩机12压缩环境空气以使压缩空气增压到发动机10。

同时，驱动涡轮增压器涡轮11的废气排到冲击式涡轮13以使冲击式涡轮13旋转。

当冲击式涡轮13旋转时，冲击式涡轮13的旋转力经由第一减速齿轮16和第二减速齿轮17传输以使输出齿轮19旋转。经由输出齿轮19 输出的旋转力经由曲轴齿轮22传输到曲轴21以辅助发动机10的输出。

同时，根据本实用新型的示例性实施例的涡轮复合系统包括废气分配器，其安装在涡轮增压器涡轮11和冲击式涡轮13之间以调整流到冲击式涡轮13的废气量。

废气分配器包括用于阻止废气被引入到冲击式涡轮13同时使废气旁通的旁通路径33，以及安装在旁通路径33上的旁通阀34。

就是说，旁通路径33连接在入口侧废气路径31和出口侧废气路径32之间，其中所述入口侧废气路径31连接在涡轮增压器涡轮11的出口和冲击式涡轮13的入口之间，所述出口侧废气路径32连接到冲击式涡轮13的出口。旁通阀34安装在旁通路径33处以打开/关闭旁通路径33 并调整旁通路径33的打开程度。

旁通阀34根据控制器的信号执行打开或关闭操作，同时调整旁通路径33的打开程度。电子阀被用作旁通阀34。

这里，尽管附图中未示出，独立的开合阀可安装在从冲击式涡轮 13的入口侧废气路径31中的旁通路径33分出的点的下游侧处。根据控制器的信号执行打开或关闭操作的电子阀用作开合阀。

此外，第一离合器41安装在冲击式涡轮13和发动机曲轴21之间以选择性地传输或切断动力。在实施例中，第一离合器41可安装在第二减速齿轮17和输出齿轮19之间。详细地，第一离合器41可安装在其中安装有齿轮的输出轴18处，以传输或切断第二减速齿轮17和输出齿轮19之间的动力。

此外，涡轮复合系统包括电动机辅助装置50以供应辅助动力到发动机10。电动机辅助装置50包括生成动力(旋转力)的电动机51，驱动电动机51的逆变器52，以及起到电动机驱动电力的作用的电池 53。

电动机51连接到发动机10以供应动力到曲轴21。第二离合器42 插入发动机10和电动机51之间以选择性地传输或切断动力。

在实施例中，电动机51可经由齿轮传动装置15连接到发动机10 以传输动力。详细地，电动机51连接到输出齿轮19以传输动力，而电动机51的驱动轴51a可连接到输出轴18以传输动力，输出齿轮19 安装在所述输出轴18中。

此外，电动机51的驱动轴51a可连接到涡轮复合系统的输出轴18，且第二离合器42插入驱动轴51a和输出轴18之间。

电动机51经由逆变器52连接到电池53。逆变器52将直流电转换为三相电流以施加到电动机51，从而驱动电动机51。

此外，电动机辅助装置50还包括发电机55，其连接到冲击式涡轮 13的涡轮轴14以选择性地传输动力。发电机55连接到电池53。

因此，当冲击式涡轮13旋转时，发电机55接收从冲击式涡轮13 生成的旋转力以发电。由发电机55生成的电能可储存在电池53中。

此外，电动机辅助装置50的电动机51通过电能驱动，所述电能在由发电机55生成之后储存在电池53中。

第三离合器43安装在涡轮轴14处。第三离合器43在冲击式涡轮 13和发电机55之间连接或分开以选择性地传输动力。

第一离合器41、第二离合器42，和第三离合器43的操作由控制器控制。每个离合器通过从控制器输出的控制信号被控制为用于传输动力的耦合状态或不传输动力的解耦状态。

此外，控制器经由逆变器52控制电动机51的驱动。

以下，将参考图4说明控制包括电动机辅助装置的涡轮复合系统的方法。

首先，在涡轮复合系统起到阻力作用的发动机操作区段(中速或中负荷区段，高速或高负荷区段)中，辅助动力通过独立的电动机辅助装置供应到发动机10。

此外，在中速或中负荷条件或低速或低负荷条件下，即，当废气量小时，阻挡引入到冲击式涡轮13的一些废气或所有废气。涡轮复合系统的齿轮传动装置15和曲轴齿轮22使用第一离合器41解耦。

结果，在涡轮复合系统起到阻力作用的操作区段中可改善，发动机效率的降低。

此外，在中速/中负荷或低速/低负荷条件中，电动机辅助装置50 连接到齿轮传动装置15以经由发电机55对电池53充电，或辅助动力通过电动机51供应到发动机10，从而改善发动机效率和燃料效率。

参考图4，控制器确定发动机10是否在发动机10的整个操作区段的预定的主操作条件(高速/高负荷)下操作。

即，控制器确定发动机10是否在高于第一预定速度的高速条件下或在高于第一预定负荷的高负荷条件下操作(S1)。这里，当发动机 10在高速/高负荷条件下操作时，控制器关闭旁通阀34以阻挡旁通路径33。因此，100％的废气引入到涡轮复合系统、涡轮复合系统的冲击式涡轮13(S2)。

这里，控制器允许第一离合器41的耦合(S3)，使得涡轮复合系统的齿轮传动装置15(第二减速齿轮17)连接到曲轴齿轮22和曲轴21以传输动力。同时，发动机10(曲轴21)和电动机51之间的第二离合器42解耦，同时冲击式涡轮13(涡轮轴14和第一减速齿轮16) 和发电机55之间的第三离合器43解耦(S3)。

结果，冲击式涡轮13通过从发动机10排出的废气旋转。冲击式涡轮13的旋转力经由齿轮传动装置15和曲轴齿轮22传输到曲轴21，从而辅助发动机10的输出。

同时，当发动机10在中速/中负荷条件而不是高速/高负荷条件下操作时，即，当发动机10在中速条件下或在中负荷条件下操作时，控制器允许旁通阀34部分打开预定的量以经由旁通路径33旁通一些废气而不经过冲击式涡轮13(S5和S6)，并将剩余的废气引入到冲击式涡轮13，其中所述中速条件等于或小于第一预定的速度，同时在预定的速度范围内，所述中负荷条件等于或小于第一预定的负荷，同时在预定的负荷范围内。

可替换地，当发动机10在低速/低负荷条件下操作时，即发动机在低速条件下或在低负荷条件下操作时，控制器允许旁通阀34完全打开以经由旁通路径33旁通所有废气而不经过冲击式涡轮13(S5和S10)，其中所述低速条件小于预定的速度范围(即，小于第二预定速度)，所述低负荷条件小于预定的负荷范围(即，小于第二预定负荷)。

这里，当独立的开合阀安装在冲击式涡轮13的入口废气路径31 处时，控制器允许开合阀完全闭合，从而防止废气引入到冲击式涡轮 13。

当发动机10在高速/高负荷条件和中速/中负荷条件下操作时，控制器完全打开开合阀。

此外，在中速/中负荷条件和低速/低负荷条件中，控制器允许第一离合器41解耦并允许第二离合器42耦合(S7、S8、S11，和S12)。

此外，在中速/中负荷条件中，控制器允许第三离合器43耦合(S9)。在低速/低负荷条件中，控制器允许第三离合器43解耦(S13)。

因此，在中速/中负荷条件中，一些废气引入到冲击式涡轮13以使冲击式涡轮13旋转。

这里，电动机51通过第二离合器42的耦合连接到发动机10和曲轴21。控制器允许电动机51驱动，使得电动机51辅助发动机10的输出。

此外，冲击式涡轮13通过第三离合器43的耦合连接到发电机55。冲击式涡轮13的旋转力传输到发电机55。

这里，冲击式涡轮13的旋转力没有传输到曲轴21，而是通过第一离合器41的解耦传输到发电机55。因此，电能由发电机55的操作生成，同时生成的电能传输到电池53以充电。

同时，在低速/低负荷区段中，所有的废气没有引入到冲击式涡轮 13并经由旁通路径33绕开。电动机51通过第二离合器42的耦合连接到发动机10和曲轴21。

这里，控制器允许电动机51被驱动，使得电动机辅助发动机10 的输出。冲击式涡轮13和发电机55通过第三离合器43的解耦处于解耦状态。

因此，在高速/高负荷条件中，100％的废气供应到冲击式涡轮13 以使冲击式涡轮13旋转。这里，冲击式涡轮13连接到发动机10侧以传输动力，使得冲击式涡轮13的旋转力传输到曲轴齿轮22和曲轴21。因此，涡轮复合系统辅助发动机10的输出。

同时，在中速/中负荷条件中，旁通阀34部分打开，使得一些废气供应到冲击式涡轮13。这里，电动机51连接到发动机10侧以传输动力，同时冲击式涡轮13连接到发电机55以传输动力。

因此，电动机51辅助发动机10的输出，冲击式涡轮13的旋转力传输到发电机55，且发电机55发电以对电池53充电。因此，涡轮复合系统用于对电池53充电。

此外，在低速/低负荷区段中，电动机51连接到发动机10侧以传输动力，使得电动机辅助发动机的输出。同时，旁通阀34完全打开，使得所有的废气通过没有冲击式涡轮13的旁通路径33而旁通。因此，涡轮复合系统没有起到排气阻力作用，从而改善发动机效率。

如从上面的描述显而易见的那样，根据本实用新型，存在以下优点。

第一，在涡轮复合系统能够起到阻力作用的发动机操作的条件中，引入到涡轮复合系统的冲击式涡轮的废气量减少或被控制成受阻挡，使得涡轮复合系统不起阻力作用。结果，发动机效率得到改善。

第二，在涡轮复合系统能够起到阻力作用的发动机操作的条件中，引入到涡轮复合系统的冲击式涡轮的废气量减少或被控制成受阻挡，同时释放涡轮复合系统和发动机曲轴之间的离合器以切断动力传输。因此，能够防止涡轮复合系统起到阻力作用，从而改善发动机效率。

第三，提供了连接到发动机以选择性地传输动力的电动机辅助装置。当引入到涡轮复合系统的冲击式涡轮的废气量减少或被控制成受阻挡时，电动机辅助装置供应辅助动力，从而增压发动机输出。

第四，释放冲击式涡轮和发动机之间的离合器，使得动力传输被切断。这里，冲击式涡轮的旋转力被用作用于发电机的操作的动力以对电池充电。因此，废气的动能可收集作为电能。

为了在所附权利要求书中便于说明和准确定义，术语“上部”、“下部”、“内”、“外”、“上”、“下”、“上部”、“下部”、“向上”、“向下”、“前”、“后”、“后面”、“里面”、“外面”、“向内地”、“向外地”、“内部”、“外部”、“内”、“外”、“向前”和“向后”用于参考如附图中所显示的这些特征的位置描述示例性实施例的特征。

为了说明和描述的目的，提出了本实用新型的具体的示例性实施例的上述描述。它们并非旨在为详尽的或使本实用新型限制为公开的精确形式，且显而易见地，鉴于上述教导，许多修改和变化是可行的。选择并描述示例性实施例以便说明本实用新型的某些原理及它们的实践应用，从而使本领域技术人员能够作出并利用本实用新型的各种示例性实施例以及其各种替换物和修改。意图是，本实用新型的范围由所附权利要求书及它们的等效物限定。

Claims (7)

1.一种用于车辆的涡轮复合系统，其包括：

冲击式涡轮，其设置在涡轮增压器涡轮的废气出口处以通过穿过所述涡轮增压器涡轮的发动机的废气旋转；

传动系，其将所述冲击式涡轮连接到所述发动机的曲轴以传输动力；

废气分配器，其设置在所述涡轮增压器涡轮和所述冲击式涡轮之间以控制供应到所述冲击式涡轮的废气量；

电动机辅助装置，其连接到所述传动系以传输动力，所述电动机辅助装置生成旋转力并通过所述传动系将所述旋转力传输到所述发动机的曲轴，以辅助所述发动机的输出；以及

控制器，其控制所述废气分配器和所述电动机辅助装置的操作。

2.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其中所述传动系包括：

第一离合器，其根据所述控制器的信号进行操作，所述第一离合器传输或切断所述冲击式涡轮和所述发动机的曲轴之间的动力；以及

第二离合器，其根据所述控制器的信号进行操作，所述第二离合器传输或切断所述电动机辅助装置和所述发动机的曲轴之间的动力。

3.根据权利要求2所述的涡轮复合系统，其中所述传动系还包括齿轮传动装置，其设置在所述冲击式涡轮的涡轮轴和安装在所述发动机的曲轴处的曲轴齿轮之间，且

其中输出电动机的旋转力以辅助发动机输出的电动机驱动轴利用所述第二离合器连接到所述齿轮传动装置。

4.根据权利要求3所述的涡轮复合系统，其中所述齿轮传动装置包括：

第一减速齿轮，其安装在所述冲击式涡轮的涡轮轴处；

第二减速齿轮，其与所述第一减速齿轮啮合；以及

输出齿轮，其经由输出轴连接到所述第二减速齿轮，所述输出齿轮与所述曲轴齿轮啮合，

其中所述第一离合器安装在连接在所述第二减速齿轮和所述输出齿轮之间的所述输出轴上。

5.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其中所述电动机辅助装置包括：

电动机，其生成并输出旋转力以辅助发动机输出；

逆变器，其用于根据所述控制器的信号驱动所述电动机；以及

电池，其提供电力以经由所述逆变器驱动所述电动机。

6.根据权利要求5所述的涡轮复合系统，其中所述电动机辅助装置还包括发电机，其从所述冲击式涡轮接收旋转力以发电，所述发电机对所述电池充电；且

所述传动系还包括第三离合器，其根据所述控制器的信号进行操作，所述第三离合器传输或切断所述冲击式涡轮和所述发电机之间的动力。

7.根据权利要求1所述的涡轮复合系统，其中所述废气分配器包括：

旁通路径，其被安装成在所述冲击式涡轮的入口侧废气路径和出口侧废气路径之间连接以使废气旁通，使得废气不被引入到所述冲击式涡轮中；以及

旁通阀，其安装在所述旁通路径处。