电动机解耦式电辅助涡轮增压器及其与发动机的匹配方法

技术领域

本发明涉及的是一种增压器，具体地说是涡轮增压器以及其与发动机的匹配方法。

背景技术

电辅助涡轮增压具有压比可调控、加速响应快等优点，是涡轮增压技术的重要发展方向。传统的涡轮增压器靠回收内燃机排气余热驱动压气机，加速时从排气能量变化为增压压力需要一定时间，不可避免会出现涡轮迟滞现象。在重载或特种柴油机上，所用涡轮增压器转动惯量大，涡轮迟滞尤为显著，导致发动机出现低速扭矩差、起动冒黑烟等问题。电辅助涡轮增压在发动机低速工况下利用高速电机辅助驱动，在进气充量调控、加速响应性方面具备传统涡轮增压难以比拟的优势。混合动力技术同样可以增加动力输出以提升车辆加速性能，但与之相比，电辅助涡轮增压技术有独到的优势。相关研究表明：电辅助涡轮增压技术可使曲轴输出功率增加到其所耗电能的10倍以上，在电池功率有限的情况下，电辅助增压技术的优势非常明显。根据电机安装位置的不同，电辅助涡轮增压器可分为电机外置式和中置式两种。电机外置式构型将电机布置在压气机进口前，对传统涡轮增压器结构改动小，且电机距离涡轮最远，散热压力小，但缺点是轴系长，外置电机会对压气机进气产生一定影响。电机中置式结构是将高速电机集成布置在涡轮增压器中间体之内。电机中置式构型整体结构紧凑，不影响压气机性能，缺点是需要重新设计涡轮增压器润滑与密封系统，且涡轮端的高温排气对高速电机热管理带来巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供能快速提升压气机转速以减少其增压响应时间，改善发动机动力性，同时还可在高工况时回收废气能量，有利于发动机综合热效率提高的电动机解耦式电辅助涡轮增压器及其与发动机的匹配方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明电动机解耦式电辅助涡轮增压器，其特征是：包括压气机、涡轮、电动机，压气机与涡轮通过增压器转轴相连，所述压气机包括压气机蜗壳，压气机蜗壳里设置压气机叶轮，压气机叶轮旁的压气机蜗壳设置压气机进口，压气机蜗壳的端部设置压气机出口，电动机连接增压器转轴。

本发明电动机解耦式电辅助涡轮增压器还可以包括：

1、增压器转轴上安装增压器轴端锥齿轮，电动机的转轴上安装电动机端锥齿轮，增压器轴端锥齿轮与电动机端锥齿轮相啮合，电动机采取中置式，增压器转轴与电动机转轴相互垂直。

2、电动机的转轴与增压器转轴通过蜗轮蜗杆方式相连。

电动机解耦式电辅助涡轮增压器与发动机的匹配方法，其特征是：确定发动机的匹配工况点，然后基于原压气机选择小流量涡轮，直到发动机达到最佳综合热效率；在建立并校验完成原压气机模型之后，优化设计高压比压气机，同时实现效率最大化，直至压气机运行点位于稳定的高效率区，最终确定电辅助涡轮增压系统运行策略，完成以上过程之后，匹配结束。

本发明的优势在于：本发明中电动机和增压器不同轴降低了转动惯量，改善了涡轮迟滞的现象，减少了发动机低速扭矩差，起动冒黑烟等问题。当更换电辅助涡轮增压器时可以选择替换电动机、压气机、涡轮或改变锥齿轮传动比来满足需求，实现部件解耦后，大大降低了零部件更换和维修成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明电辅助涡轮增压器包含电动机5、压气机和涡轮三大部件。发动机工作后，气缸排出的废气仍然具有很大一部分能量，高温高压的废气经排气管到达涡轮入口10，经过涡轮蜗壳8膨胀加速后，吹动涡轮叶轮旋转，最终经涡轮出口9进入大气。旋转的涡轮叶轮通过增压器转轴12带动与之同轴的压气机叶轮3旋转，空气沿着压气机入口2在叶轮流道内经过压缩后到达压气机蜗壳4，进一步压缩后到达压气机出口1。然而在发动机起动或工作在低工况时，废气的能量不足使得压气机无法供给气缸所需要的空气量。此时，电动机5将参与涡轮增压器的工作过程。电动机根据当前的工况以一定的转速旋转，电机轴端锥齿轮7与增压器轴端锥齿轮11啮合传动，使得压气机有足够的能量压缩空气。因为电动机和增压器以锥齿轮连接，电动机型号和锥齿轮齿数可以方便更换，通过匹配不同的工作点，使得本发明的电辅助涡轮增压器工作范围极大拓宽。

电辅助涡轮增压器的匹配和设计首先是确定发动机的匹配工况点，然后基于原压气机选择小流量涡轮，直到发动机达到最佳综合热效率。接着要确立合理的设计目标，开始设计涡轮。在建立并校验完成原压气机模型之后，需要基于设计的涡轮，优化设计高压比压气机，同时实现效率最大化，直至压气机运行点位于稳定的高效率区。最终确定电辅助涡轮增压系统运行策略。完成以上过程之后，匹配结束。详细过程见图2。

电动机和增压器采用锥齿轮连接实现了部分解耦，传统的电辅助涡轮增压器电动机、涡轮和压气机同轴连接，需要满足转速、功率和流量平衡，本发明中电动机5和增压器的转速可以不相等，只需满足传动比即可。电动机5和增压器不同轴，相比传统的电辅助涡轮增压器，降低了增压器转轴的转动惯量，缓解了涡轮迟滞问题，改善了低工况特性。使用锥齿轮传动后电动机5和增压器转速不必保持相等，电动机5和增压器转速之比等于传动比，这使得电动机的选择更加灵活。涡轮增压器的转速可达每分钟十几万转以上，传统的电辅助涡轮增压器要求电动机有相同的转速，这对电动机的性能提出了很高的要求，在本发明中锥齿轮的传动方式使得电动机转速不必和增压器相等，选择合适的传动比可以降低电动机的转速要求，极大节约了成本。本发明电动机5位于压气机和涡轮之间，对比传统电辅助涡轮增压器属于电机中置式，使用锥齿轮传动后，电动机转轴和增压器转轴互相垂直且保持一定距离，对原有涡轮增压器的改动较小，同时电动机和涡轮保持了一定距离，避免了涡轮高温废气对电动机工作稳定性的影响。

针对本发明通过仿真试验研究，给出了电辅助涡轮增压器的匹配设计方法。在发动机转速1134rpm，输出功率稳定于502kW的25％负荷低工况下，当电机功率在未达到6kW时，发动机热效率和涡轮、压气机效率随电机功率有显著提升；而超过6kW时，发动机热效率和压气机效率升高的速度明显减缓，这些变化将有利于发动机综合热效率的提升。以6kW处为分界点，涡轮效率呈现先增加后小幅下降的趋势，这将不利于发动机综合热效率的提升。同时发现，发动机综合热效率在6kW附近出现拐点，同时涡轮的最佳效率所对应的电机功率与发动机综合热效率基本一致。在发动机转速1800rpm，输出功率稳定在2024kW的100％负荷高工况下，此时电机处于发电模式。随着发电功率的不断增加，涡轮入口废气温度持续升高，在电机回收功率达到48kW时温度上升近20％，而涡轮通过转轴向压气机输送的功率逐渐减少，导致压气机增压压力不断降低，发动机进气密度持续降低，缸内燃烧情况恶化，为维持发动机输出功率保持不变，喷油量上升，发动机热效率持续下降。当电机功率未达到48kW时，压气机出口压缩空气能量减小，这有益于发动机综合热效率小幅上升，由于发动机热效率和涡轮效率的急剧下降，直接引起综合热效率的下降。由此可见，高工况下发动机综合热效率存在峰值。

本发明电动机解耦式电辅助涡轮增压器通过锥齿轮传动实现了电动机和增压器的解耦，电动机和增压器分离后彼此独立，二者不同的选型对应不同的工作点，拓展了电辅助涡轮增压器的工作范围。

电动机和增压器采用锥齿轮啮合传动，传统的电辅助涡轮增压器电动机和增压器的转速必须相同，而本发明电动机和增压器转速之比等于传动比，转速选择更加灵活。锥齿轮传动使得电动机转轴和增压器转轴垂直分布，避免涡轮高温废气对电机工作稳定性的影响。

锥齿轮的安装位置可以在压气机和涡轮之间、压气机之前，分别实现电机中置式和外置式电辅助涡轮增压器。本发明呈现了电动机中置这种形式，对增压器的改动仅限于转轴上的锥齿轮，相对传统电机中置式电辅助涡轮增压的改动，所造成的影响更小。

电动机和涡轮增压器的传动方式可灵活替换，此外还可以选择其他类型齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等。本发明中采用的锥齿轮具有传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点。