CN214577360U - 一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，属发动机技术领域，包括依次连接的进气通道、压气机、变速体、Ⅰ轴、Ⅱ轴、涡轮机、电子控制系统和排气道，轴承组设置于中间体内壁上，变速箱设置于中间体内部，所述中间体内上下设置Ⅰ轴和Ⅱ轴，分别贯穿变速箱与轴承组连接；电子控制系统分别与进气通道、变速箱、排气道、油门和电源连接；变速箱内设置无级变速器或常规变速器，电子控制系统内设置的所述电子控制单元控制伺服缸或档位控制器，调节变速器的传动比和压气机转速。本发明根据发动机负荷实时调节压气机转速，调速范围广，保证了压气机常在高效率区域工作，节能效果好，且通过离合器控制压气机，满足发动机宽广工况范围的需要。

Description

一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统。

背景技术

近年随着环境污染与能源紧缺问题日益严峻，世界各国制定了愈来愈严格的排放法规与油耗法规，同时各大汽车制造商致力于新能源汽车技术的开发。但是，纯电动汽车以及燃料电池汽车等不以内燃机为动力源的新能源汽车要在世界范围内得以普及，需解决基础设施(如充电桩、加氢站等)方面的难题。同时，配装有电机和内燃机的混合动力汽车，目前继续作为主流车型而存在。因此，开发高效节能的内燃机技术势在必行。其中，涡轮增压系统就是一项很好的节能减排技术。有研究表明，采用涡轮增压系统的发动机升功率可提高20％～50％。涡轮增压技术除了具有提高发动机动力性和经济性的优势外，还在降低噪声、提高高原工作性能以及降低排放等方面有很大优势：(1)与自然吸气式内燃机相比，排气可以在涡轮中进一步膨胀，排气噪声会有所降低；(2)内燃机增压后有利于高原稀薄空气条件下恢复功率，使之达到或接近平原性能；(3)增压后缸内温度和压力水平提高，可以使滞燃期缩短，有利于降低压力升高率和燃烧噪声；(4) 增压内燃机一般采用较大的过量空气系数，HC、CO和碳烟排放降低。

通过废气涡轮增压可以大大提高内燃机的功率，但同时也带来了一些问题，主要表现在以下几个方面：(1)采用涡轮增压后，当内燃机转速和 (或)负荷较低时，由于排气能量不足，增压器效率和增压压力明显降低 (增压器甚至停止工作)，导致气缸供气不足，缸内燃烧不良，燃油消耗率升高、转矩较小、排温过高和排放性能恶化等严重后果。(2)发动机高速运转时，由于排气温度和压力很高，可能会造成增压器超速。(3)增压器与发动机之间仅存在气动联系，在加速过程中增压器的响应滞后明显。由于发动机油量供给的响应比进气量供给的响应快，会导致发动机的加速性能不好，产生加速冒烟现象。随着技术的进步，一些新的废气涡轮增压系统不断出现，如废气放气涡轮增压、可变截面涡轮增压、相继涡轮增压以及可调二级涡轮增压。但都存在着各种各样的问题，比如废气旁通：该增压系统的缺点是由于在高速时需要放掉部分废气，致使废气利用率降低。可变截面涡轮增压在低转速时涡轮增压系统的综合效率低。相继涡轮增压和可调二级涡轮增压结构复杂等。另外，现有的废气涡轮增压器的压气机和涡轮是同轴刚性相连，这样导致压气机的转速时刻等于涡轮的转速，而不能主动调节。于是在低转速时容易造成压气机喘振、在高转速时容易造成压气机堵塞，且在发动机的宽广工况范围，压气机工作点经常偏离高效区。

发明内容

为克服现有技术中存在的缺点或不足，本发明提供一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，本发明能够根据工况需求和涡轮的转速，通过选择合适的速比，主动调节压气机的转速，使压气机能够在大部分工况下工作在高效区且避免喘振和堵塞工况。

本发明通过如下技术方案实现：本发明提供了一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，包括依次连接的进气通道、压气机、变速体、Ⅰ轴10、Ⅱ轴11、涡轮机、电子控制系统和排气道9，

所述变速体包括中间体4、变速箱5、轴承组6、Ⅰ轴10、Ⅱ轴11，所述轴承组6设置于中间体4内壁上，所述变速箱5设置于中间体4内部，所述中间体4内上下设置Ⅰ轴10和Ⅱ轴11，分别贯穿变速箱5与轴承组6 连接；

所述电子控制系统分别与进气通道、变速箱5、排气道9、油门和电源 15连接；

所述电子控制系统包括多个传感器组、电子控制单元和电源15；

所述电子控制单元14分别与多个传感器组和所述电源15连接。

更进一步地，所述进气通道包括主进气道1、进气分流阀51、副进气道52，

所述主进气道1与副进气道52的内分流口连接，并在其连接处设置有进气分流阀51，所述进气分流阀51与所述电子控制单元14连接。

更进一步地，所述变速箱5内设置无级变速器或常规变速器。

更进一步地，所述无级变速器包括伺服缸25、主动带轮26、被动带轮 28和V型金属带27，所述伺服缸25为液压伺服油缸；

所述被动带轮28与轴固定，主动带轮26同轴设置于所述被动带轮28 上，所述主动带轮26和所述被动带轮28之间通过所述V型金属带27连接且两带轮的轴心距离固定，所述伺服缸25控制所述主动带轮26轴向移动。

更进一步地，所述常规变速器包括输入轴29、中间轴30、输出轴31、齿轮组、同步器、换挡叉和档位控制器44

所述输入轴29与所述输出轴31同轴间隔设置，所述中间轴30设置于所述同轴轴心下方，三轴轴心在同一平面；

所述所有主动齿轮同轴设置在所述中间轴30上，所述所有从动齿轮同轴设置在输出轴31上，主动齿轮与从动齿轮成对设置；

更进一步地，所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；

所述主动齿轮包括第一挡主动齿轮32、第二挡主动齿轮34、第三挡主动齿轮36、第四挡主动齿轮38；

所述从动齿轮包括第一挡从动齿轮33、第二挡从动齿轮35、第三挡从动齿轮37、第四挡从动齿轮39；

更进一步地，所述同步器包括第一挡同步器40、第二挡同步器41；

所述换挡叉包括第一挡换挡叉42、第二挡换挡叉43；

所述第一挡同步器40和所述第二挡同步器41也同轴设置于所述输出轴31上，且分别设置在对应的从动齿轮之间。

更进一步地，所述变速箱5与涡轮机之间通过离合器12连接，所述离合器12与所述电子控制单元14连接。

更进一步地，所述多个传感器组包括油门位置传感器45、发动机转速传感器46、进气压力传感器47、进气温度传感器48、排气压力传感器49、排气温度传感器50，

所述油门位置传感器45设置于驾驶室内的油门踏板上；

所述发动机转速传感器46用螺栓固定在缸体的侧面；

所述进气压力传感器47与进气温度传感器48设置在所述主进气道1 内侧；

所述排气压力传感器49与排气温度传感器50设置在所述涡轮机壳体8 的内壁上方。

更进一步地，所述电子控制单元14与所述油门位置传感器45、发动机转速传感器46、进气压力传感器47、进气温度传感器48、排气压力传感器 49和排气温度传感器50、离合器12、进气分流阀51、伺服缸25和档位控制器44分别连接，用于接收上述传感器传来的测量信号，并且将接收的信号进行计算处理后，根据处理结果输出信号控制离合器12、进气分流阀51 和伺服缸25或档位控制器44，改变变速箱5的传动比，主动调节压气机叶轮2的转速。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)、本发明通过电子控制单元接收传感器组的检测信号并计算处理数据，根据工况实时调节增压器变速箱的传动速比，调速范围广，能够根据发动机工况、进气压力需求和涡轮转速，通过选择合适的速比，主动调节压气机的转速；

2)、本发明通过调节压气机的转速，使压气机避免喘振和堵塞工况且在大部分工况下工作在高效区，实现更好的节能减排效果，提升发动机的动力性、降低燃油消耗；

3)、本发明根据发动机工况和进排气压力等信息控制离合器的连接与断开，使发动机增压器能适应更宽广的工况范围，即根据具体工况选择是否增压，同时增加涡轮增压器的使用寿命和可靠性；

4)、本发明电子控制单元的控制系统逻辑性好，响应快速，性能稳定，节能效果好。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于调节压气机转速的涡轮增压装置结构示意图；

图2是本发明中的中间体的局部放大结构示意图；

图3是本发明中的轴承组装配的局部放大结构示意图；

图4是本发明中的无级变速器的结构示意图；

图5是本发明中的常规变速器结构示意图；

图6是本发明中的电子控制单元的结构流程示意图；

附图标号说明：1-主进气道，2-压气机叶轮，3-压气机壳体，4-中间体， 5-变速箱，6-轴承组，7-涡轮机叶轮，8-涡轮机壳体，9-排气道，10-Ⅰ轴， 11-Ⅱ轴，12-离合器，13-传感器组，14-电子控制单元，15-电源，16-油道， 16-1进油口，16-2出油口，17-冷却水套，17-1冷却液入口，17-2冷却液出口，18-螺钉，19-挡圈，20-角接触球轴承，20-1第一角接触球轴承，20-2 第二角接触球轴承，20-3第三角接触球轴承，20-4第四角接触球轴承，21- 垫圈，21-1第一垫圈，21-2第二垫圈，22-圆螺母，22-1第一圆螺母，22-2 第二圆螺母，23-轴套，24-支座，25-伺服缸，26-主动带轮，27-V型金属带， 28-被动带轮，29-输入轴，30-中间轴，31-输出轴，32-第一挡主动齿轮，33- 第一挡从动齿轮，34-第二挡主动齿轮，35-第二挡从动齿轮，36-第三挡主动齿轮，37-第三挡从动齿轮，38-第四挡主动齿轮，39-第四挡从动齿轮，40-第一挡同步器，41-第二挡同步器，42-第一挡换挡叉，43-第二挡换挡叉， 44-档位控制器，45-油门位置传感器，46-发动机转速传感器，47-进气压力传感器，48-进气温度传感器，49-排气压力传感器，50-排气温度传感器， 51-进气分流阀，52-副进气道。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的方案并不仅限于实施例。

如图1所示，本实施例的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，包括：主进气道1、压气机叶轮2、压气机壳体3、中间体4、变速箱5、轴承组6、涡轮机叶轮7、涡轮机壳体8、排气道9、Ⅰ轴10、Ⅱ轴11、离合器12、进气分流阀51、副进气道52。

Ⅰ轴10一端与涡轮机叶轮7连接，另一端与轴承组6连接固定在中间体6内，Ⅱ轴11一端与压气机叶轮2连接，另一端与轴承组6连接固定在中间体内，且在Ⅰ轴10与涡轮机叶轮7连接、Ⅱ轴11与压气机叶轮2连接端均装有油封，用来防止机油窜入压气机或涡轮机蜗壳内；变速箱5与涡轮机依靠离合器12连接，离合器12接收电子控制单元14(见图6)的输出信号控制动力传输的离合器12的连接与断开，变速箱5内为无级变速器(见图4)或常规变速器(见图5)。

中间体4通过焊接的方式连接在涡轮机和压气机壳体3之间，如图2 所示，中间体4内设置有油道16和冷却水套17；润滑油从进油口16-1进入，经油道36分流后润滑与冷却轴承组6、变速箱5、Ⅰ轴10和Ⅱ轴11，最后汇聚在中间体4下部，经出油口16-2流出进入油底壳后再循环；冷却液进口17-1设置在涡轮机壳体8一侧且位于中间体4的下方，冷却液出口17-2设置在压气机壳体3一侧且位于中间体4的上方，冷却液进口17-1与冷却液出口17-2用软管与发动机的冷却系统相连接，冷却液从冷却液入口 17-1流入冷却水套，从冷却液出口17-2流回发动机冷却系统，冷却液在所述冷却水套17中不断循环，使涡轮增压器内各部件得到冷却。

如图3所示，轴承组6布置在轴的两端，与轴同轴安装在中间体4内部，轴承组6包括：螺钉18、挡圈19、角接触球轴承20、垫圈21、圆螺母22、轴套23，所述角接触球轴承(20)包括四对角接触球轴承，分别为 20-1第一角接触球轴承，20-2第二角接触球轴承，20-3第三角接触球轴承， 20-4第四角接触球轴承，Ⅰ轴10与Ⅱ轴11各设置两对所述四对角接触球轴承，且设置方式相同，此处只说明Ⅰ轴10，Ⅱ轴11的两对轴承和安装方式与Ⅰ轴10的相同，挡圈19用螺钉18固定在所述Ⅰ轴10的左端，用于固定第一角接触球轴承20-1与第二角接触球轴承20-2的左侧移动，螺钉 18设有防松措施，可用于在高转速下承受大的轴向力；第一角接触球轴承 20-1与第二角接触球轴承20-2为面对面DB设置，这种安装方式结构简单、拆装方便，并且两轴承之间设置有第一垫圈21-1，目的是提高轴承的刚性，使轴承实现理想的游隙；轴承右端安装有所述第一圆螺母22-1以及止动垫圈紧固，所述第一角接触球轴承20-1与所述第一角接触球轴承20-2的外圈有支座24固定；第三角接触球轴承20-3与第四角接触球轴承20-4也采用面对面DB安装方式，并且两轴承之间设有所述第二垫圈21-2，轴承左侧用所述第二圆螺母22-2以及止动垫圈紧固，右侧用所述轴套23定位其内圈，轴承外圈由支座24固定。

如图4所示，变速箱5内的无级变速器，布置在中间体内部，安装在两轴中间位置，无级变速器包括：伺服缸25、主动带轮26、被动带轮28 和V型金属带27，所述伺服缸25为液压伺服油缸，每个带轮都由两个带有斜面的半个带轮而组成一体，其中固定在轴上的半轮叫被动带轮28，主动带轮26同轴安装在被动带轮28上，通过伺服缸25来控制其轴向移动，主动带轮与被动带轮通过V型金属带27连接；两个带轮轴之间的距离是固定的，V型金属带27的周长也是固定不变的，半轮间的轴向相对位移通过伺服缸25来控制，所以当主动轮的有效半径r1处于较大时(半轮间的距离较宽)，被动轮的有效半径r2处于较小时(半轮间的距离较窄)，即传动比小于1，变速器处于加速挡；当主动轮的有效半径r1等于被动轮的有效半径r2时，即传动比等于1，变速器处于等速档；反之当主动轮的有效半径 r1处于较小时(半轮间的距离较窄)，被动轮的有效半径r2处于较大时(半轮间的距离较宽)，即传动比大于1，变速器处于减速挡；伺服缸25接收电子控制单元14(见图6)输出信号，控制有效半径r1和r2的连续变化，实现无级变速。

如图5所示，变速箱5内的常规变速器，布置在中间体4内部，安装在两轴中间位置，常规变速器包括：输入轴29、中间轴30、输出轴31、齿轮组、挡同步器、挡换挡叉和档位控制器44，所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；所述主动齿轮包括第一挡主动齿轮32、第二挡主动齿轮34、第三挡主动齿轮36、第四挡主动齿轮38；所述从动齿轮包括第一挡从动齿轮33、第二挡从动齿轮35、第三挡从动齿轮37、第四挡从动齿轮39；所述挡同步器包括第一挡同步器40、第二挡同步器41；所述挡换挡叉包括第一挡换挡叉42、第二挡换挡叉43；所述输入轴29与所述输出轴31同轴间隔设置，所述中间轴30设置于所述同轴轴心下方，三轴轴心在同一平面，Ⅰ轴 10(见图1)被分为两段，右半段为输入轴29外接涡轮机叶轮7(见图1)，左半段为输出轴31外接压气机叶轮2(见图1)，Ⅱ轴11(见图1)即为中间轴30；所有主动齿轮同轴安装在中间轴30上，所有从动齿轮同轴安装在输出轴31上，主动齿轮与从动齿轮成对安装，输入轴齿轮与中间轴30齿轮等大，所以上述所述第一档和第二挡为减速挡，第三档为等速档，第四挡为加速挡；第一挡同步器40和第二挡同步器41也同轴安装在输出轴31 上，且分别安装在所对应的从动齿轮之间；档位控制器44接收所述电子控制单元14(见图6)输出信号，控制换挡叉实现同步器与从动轮的接合与分离进而改变传动比。

如图6所示，本实施例的电子控制单元14采集油门位置传感器45、发动机转速传感器46、进气压力传感器47、进气温度传感器48、排气压力传感器49和排气温度传感器50的信号；所述电源(15)为车载电源或蓄电池，与电子控制单元(14)电连接，油门位置传感器45安装在驾驶室内的油门踏板上，发动机转速传感器46用螺栓拧在缸体的侧面，进气压力传感器47与进气温度传感器48安装在主进气道1(见图1)内侧，排气压力传感器49与所述排气温度传感器50安装所述涡轮机壳体8(见图1)的内壁上方；当电子控制单元14检测到排气温度或压力低于设定的最低值时，输出信号控制离合器12断开，控制进气分流阀51关闭主进气道1，打开副进气道52，此时废气能量不足以使涡轮增压器正常工作，涡轮动力不传输，空气从副进气道52进入，采用自然进气的方式提供空气；当电子控制单元 14检测到排气温度或压力高于设定的最高值时，输出信号控制离合器12断开，控制进气分流阀51关闭主进气道1，打开副进气道52，涡轮动力不传输，保护增压器和中间体4内其他零件，空气从副进气道52进入，采用自然进气的方式提供空气；当电子控制单元14检测到排气温度或压力处于在一定正常范围内，发动机转速大于零，油门位置小于设定值时，控制离合器12连接，控制进气分流阀51打开主进气道1，关闭副进气道52，控制变速箱5调节成传动比为1的状态，即等速状态，相当于普通涡轮增压器；当电子控制单元14检测到排气温度或压力处于在一定正常范围内，发动机转速大于零，油门位置大于设定值时，控制离合器12连接，控制进气分流阀51打开主进气道1，关闭副进气道52，调节变速箱5使传动比小于1，即加速状态，传动比具体调节量根据发动机转速与油门位置变化量调节，此时空气压缩程度高，发动机的进气量就相应地得到增加，就可以增加发动机的功率；当电子控制单元14检测到排气温度或压力处于在一定正常范围内，发动机处于怠速或减速状态时，控制离合器12连接，控制进气分流阀51打开主进气道1，关闭副进气道52，调节变速箱5使传动比大于1，即减速状态，传动比具体调节量根据发动机转速变化量调节，此时空气压缩程度低，发动机的进气量就相应地得到减少，燃油消耗也会降低；同时电子控制单元14根据进气温度和进气压力进行反馈调节，当检测到进气压力(温度)低于常规值时，即空气密度较低时，与常规工况同样的空燃比下，同等质量空气需要更大流量，此时可略减小变速箱5传动比，使空气压缩程度更高，以解决发动机的高原反应。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围不应当以本申请的权利要求和实施例所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，包括依次连接的进气通道、压气机、变速体、涡轮机、电子控制系统和排气道(9)，

所述变速体包括中间体(4)、变速箱(5)、轴承组(6)、Ⅰ轴(10)、Ⅱ轴(11)，所述轴承组(6)设置于中间体(4)内壁上，所述变速箱(5)设置于中间体(4)内部，所述中间体(4)内上下设置Ⅰ轴(10)和Ⅱ轴(11)，分别贯穿变速箱(5)与轴承组(6)连接；

所述电子控制系统分别与进气通道、变速箱(5)、排气道(9)、油门和电源(15)连接；

所述电子控制系统包括多个传感器组、电子控制单元和电源(15)；

所述电子控制单元(14)分别与多个传感器组和所述电源(15)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述进气通道包括主进气道(1)、进气分流阀(51)、副进气道(52)，

所述主进气道(1)与副进气道(52)的内分流口连接，并在其连接处设置有进气分流阀(51)，所述进气分流阀(51)与所述电子控制单元(14)连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述变速箱(5)内设置无级变速器或常规变速器。

4.根据权利要求3所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，无级变速器包括伺服缸(25)、主动带轮(26)、被动带轮(28)和V型金属带(27)，所述伺服缸(25)为液压伺服油缸；

所述被动带轮(28)与轴固定，主动带轮(26)同轴设置于所述被动带轮(28)上，所述主动带轮(26)和所述被动带轮(28)之间通过所述V型金属带(27)连接且两带轮的轴心距离固定，所述伺服缸(25)控制所述主动带轮(26)轴向移动。

5.根据权利要求3所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述常规变速器包括输入轴(29)、中间轴(30)、输出轴(31)、齿轮组、同步器、换挡叉和档位控制器(44)

所述输入轴(29)与所述输出轴(31)同轴间隔设置，所述中间轴(30)设置于同轴轴心下方，三轴轴心在同一平面；

主动齿轮同轴设置在所述中间轴(30)上，从动齿轮同轴设置在输出轴(31)上，主动齿轮与从动齿轮成对设置。

6.根据权利要求5所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述齿轮组包括主动齿轮和从动齿轮；

所述主动齿轮包括第一挡主动齿轮(32)、第二挡主动齿轮(34)、第三挡主动齿轮(36)、第四挡主动齿轮(38)；

所述从动齿轮包括第一挡从动齿轮(33)、第二挡从动齿轮(35)、第三挡从动齿轮(37)、第四挡从动齿轮(39)。

7.根据权利要求5所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，

所述同步器包括第一挡同步器(40)、第二挡同步器(41)；

所述换挡叉包括第一挡换挡叉(42)、第二挡换挡叉(43)；

所述第一挡同步器(40)和所述第二挡同步器(41)也同轴设置于所述输出轴(31)上，且分别设置在对应的从动齿轮之间。

8.根据权利要求1所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述变速箱(5)与涡轮机之间通过离合器(12)连接，所述离合器(12)与所述电子控制单元(14)连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述多个传感器组包括油门位置传感器(45)、发动机转速传感器(46)、进气压力传感器(47)、进气温度传感器(48)、排气压力传感器(49)、排气温度传感器(50)，

所述油门位置传感器(45)设置于驾驶室内的油门踏板上；

所述发动机转速传感器(46)用螺栓固定在缸体的侧面；

所述进气压力传感器(47)与进气温度传感器(48)设置在主进气道(1)内侧；

所述排气压力传感器(49)与排气温度传感器(50)设置在涡轮机壳体(8)的内壁上方。

10.根据权利要求9所述的一种用于调节压气机转速的涡轮增压系统，其特征在于，所述电子控制单元(14)与所述油门位置传感器(45)、发动机转速传感器(46)、进气压力传感器(47)、进气温度传感器(48)、排气压力传感器(49)和排气温度传感器(50)、离合器(12)、进气分流阀(51)、伺服缸(25)和档位控制器(44)分别连接，用于接收上述传感器传来的测量信号，并且将接收的信号进行计算处理后，根据处理结果输出信号控制离合器(12)、进气分流阀(51)和伺服缸(25)或档位控制器(44)，改变变速箱(5)的传动比，主动调节压气机叶轮(2)的转速。

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