CN104612815B - 一种车用涡轮增压*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用涡轮增压***，包括压气机与设置在涡轮室内的涡轮，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机的进气口与空气滤清器管道相连，压气机的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈、行星轮、太阳轮及行星架组成，太阳轮设在齿圈的中心，行星轮啮合在太阳轮与齿圈之间，行星轮安装在行星架上，涡轮和压气机通过一套行星齿轮机构联接，将行星齿轮机构外接电机进行增压调节。与现有技术相比，本发明有效解决了当前涡轮增压器缺陷问题，能够满足发动机不同工况的增压需求，且有效利用了废气能量，起到了节能减排的作用，可在未来汽车发动机上使用。

Description

一种车用涡轮增压***

技术领域

本发明属于发动机涡轮增压领域，尤其是涉及一种车用涡轮增压***。

背景技术

汽车涡轮增压技术有助于提升发动机的充气效率和热效率，并被广泛运用于车用发动机产品之上。目前这种增压技术往往通过涡轮增压器一端的涡轮机的废气流量调节来控制同轴的增压器向内燃机输送增压空气量，但随着发动机工况变化，这种控制方法难以充分利用发动机废气能量或满足发动机进气需求，主要体现在以下几个方面：

1)发动机加速迟滞问题：由于叶轮的惯性作用对油门瞬间变化反应迟缓的缺陷，从驾驶员操作油门加速到涡轮增压器做出反应增加进气量会存在时间差，一般经过改良的涡轮增压也要至少2秒左右来增加或者减少发动机动力输出。

2)城市工况下频繁起停问题：受城市工况交通信号灯以及道路交通流量等因素影响，发动机频繁起停并在较低转速下运行，该情况下不适合传统涡轮增压器发挥进气增压作用。以斯巴鲁翼豹的涡轮增压器举例，它的启动转速是在3500转左右，最明显的动力输出点则是在4000r/min左右，而一般城市工况发动机实际转速在2000-3000r/min之间，汽车起步时发动机转速在800-1000r/min之间，显然不能有效驱动涡轮增压器。

3)高速工况下的能量流失问题：当发动机工作在高速工况下，发动机废气流速和温度都比较高，涡轮增压器可提供的增压能力远远超过发动机进气增压需求，不得不通过降低增压效率的方式来满足工况需求，造成了能量流失。

4)较低速时增压效果不明显问题：当发动机在较低速运行时，废气能量小，增压器增压效果不明显，加之维修费用高，性价比降低。

基于以上研究背景，本文提出了基于行星齿轮机构的涡轮增压***，有效弥补了传统涡轮增压的缺陷问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用涡轮增压***，本发明的***能够根据发动机工况需求提供合适的进气增压控制策略，合理地为发动机进气增压的同时进行废气能量的回收，适用于汽车在不同工况下的发动机涡轮增压控制，合理利用发动机废气能量，具有节能效果。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车用涡轮增压***，包括涡轮与压气机，所述的涡轮设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，所述的压气机的进气口与空气滤清器管道相连，压气机的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机与行星齿轮机构，所述的行星齿轮机构由齿圈、行星轮、太阳轮及行星架组成，所述的太阳轮设在齿圈的中心，所述的行星轮啮合在太阳轮与齿圈之间，所述的行星轮安装在行星架上，所述的涡轮和压气机通过一套行星齿轮机构联接，同时将行星齿轮机构外接电机进行增压调节。其中行星齿轮机构与涡轮、压气机以及电机的连接方式共包括以下八种技术方案。

方案一：所述的太阳轮与电机连接，所述的齿圈与涡轮连接，所述的行星架与压气机连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈和太阳轮输入，由行星架输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作，该模式适用于加速工况。

模式2：齿圈固定，动力从太阳轮输入，由行星架输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机前加装增速器。

模式3：动力从齿圈输入，由太阳轮和行星架输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电，该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈和太阳轮结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接行星架的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案二：所述的太阳轮与压气机连接，所述的齿圈与涡轮连接，所述的行星架与电机连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈和行星架输入，由太阳轮输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作。该模式适用于加速工况。

模式2：齿圈固定，动力从行星架输入，由太阳轮输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从齿圈输入，由太阳轮和行星架输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈和行星架结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接太阳轮的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案三：所述的太阳轮与电机连接，所述的齿圈与压气机连接，所述的行星架与涡轮连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从行星架和太阳轮输入，由齿圈输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作。该模式适用于加速工况。

模式2：行星架固定，动力从太阳轮输入，由齿圈输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机前加装增速器。

模式3：动力从行星架输入，由齿圈和太阳轮输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将太阳轮和行星架结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接齿圈的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案四：所述的太阳轮与涡轮连接，所述的齿圈与压气机连接，所述的行星架与电机连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从太阳轮和行星架输入，由齿圈输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作。该模式适用于加速工况。

模式2：太阳轮固定，动力从行星架输入，由齿圈输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从太阳轮输入，由行星架和齿圈输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将太阳轮和行星架结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接齿圈的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案五：所述的太阳轮与压气机连接，所述的齿圈与电机连接，所述的行星架与涡轮连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从行星架和齿圈输入，由太阳轮输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作。该模式适用于加速工况。

模式2：行星架固定，动力从齿圈输入，由太阳轮输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从行星架输入，由太阳轮和齿圈输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈和行星架结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接太阳轮的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案六：所述的太阳轮与涡轮连接，所述的齿圈与电机连接，所述的行星架与压气机连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈和太阳轮输入，由行星架输出。即涡轮和电机共同带动压气机工作。该模式适用于加速工况。

模式2：太阳轮固定，动力从齿圈输入，行星架输出。即电机单独带动压气机工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机前加装增速器。

模式3：动力从太阳轮输入，由齿圈和行星架输出。即涡轮在带动压气机的同时，多余的能量由电机回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈和太阳轮结合为一体，以涡轮的转速作为动力输入，由连接行星架的压气机输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮增压方式相同。

方案七：所述的涡轮与压气机通过传动轴连接，该传动轴与太阳轮做成一体，所述的齿圈与电机连接。同时设计使行星架、太阳轮自由结合或分离。该方案可以采用以下三种模式进行。

模式1：行星齿轮机构各组件无一固定且互不结合，不传输动力，涡轮直接同轴驱动压气机增压。该模式与传统增压模式相同。

模式2：行星架固定，此时涡轮与电机轴转向相反，涡轮驱动压气机的同时，额外的能量对电机充电。该模式适用于高速工况。

模式3：行星架与太阳轮结合，电机与涡轮转向相同，一起驱动压气机进行增压。该模式适用于起步或低速工况。

方案八：所述的涡轮与压气机之间有两个传动轴切换，其中一个传动轴与行星架连接，另一个传动轴与太阳轮连接，齿圈与电机连接。该方案可以采用以下三种模式进行。

模式1：行星齿轮机构各组件，无一固定且互不结合，不传输动力，无论选择哪一个传动轴，涡轮直接同轴驱动压气机增压。该模式与传统增压模式相同。

模式2：涡轮选择与行星架结合的传动轴传递动力，此时太阳轮固定，涡轮和电机转向相同，联合驱动压气机增压。该模式适用于起动或低速工况。

模式3：涡轮选择与太阳轮结合的传动轴传递动力，此时行星架固定，涡轮在驱动压气机的同时，多余的能量给电机充电。该模式适用于高速工况。

与现有技术相比，本发明涡轮增压***有效解决了当前涡轮增压器缺陷问题，能够满足发动机不同工况的增压需求，且有效利用了废气能量，起到了节能减排的作用，可在未来汽车发动机上使用。具体而言，具有以下优点及有益效果：

1)首例发明行星齿轮机构式涡轮增压***，实现涡轮、压气机、电机之间的协同工作以满足不同工作的增压需求；

2)在发动机高转速下，废气涡轮除了为压气机提供动力以外，还将能量传递给电机，使电机发电，存储能量；

3)在发动机低转速或冷起动工况时，由电机提供动力给压气机，从而解决在该工况下涡轮增压动力不足的问题；

4)在其他工况下，通过电机调节制定合适的增压策略，满足进气需求；

5)通过TCCU模块控制，实现涡轮增压器的智能控制；

6)通过减速和加速装置，实现了高速涡轮与电机之间的速度协调。

附图说明

图1为实施例1～实施例6中，车用涡轮增压***结构示意图；

图2为实施例7和8中车用涡轮增压***结构示意图；

图3为实施例8中车用涡轮增压***结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮A与压气机C，涡轮A 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机C的进气口与空气滤清器管道相连，压气机C的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机B与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与电机B连接，齿圈3与涡轮A连接，行星架4与压气机C连接。本实施例可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈3和太阳轮1输入，由行星架4输出。即涡轮A和电机B 共同带动压气机C工作，该模式适用于加速工况。

模式2：齿圈3固定，动力从太阳轮1输入，由行星架4输出。即电机B单独带动压气机C工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机B前加装增速器。

模式3：动力从齿圈3输入，由太阳轮1和行星架4输出。即涡轮A在带动压气机C的同时，多余的能量由电机B回收发电，该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈3和太阳轮1结合为一体，以涡轮A的转速作为动力输入，由连接行星架4的压气机C输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮A增压方式相同。

实施例2

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮A与压气机B，涡轮A 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机B的进气口与空气滤清器管道相连，压气机B的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机C与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与压气机B连接，齿圈3与涡轮A连接，行星架4与电机C连接。本实施例可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈3和行星架4输入，由太阳轮1输出。即涡轮A和电机C 共同带动压气机B工作。该模式适用于加速工况。

模式2：齿圈3固定，动力从行星架4输入，由太阳轮1输出。即电机C单独带动压气机B工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从齿圈3输入，由太阳轮1和行星架4输出。即涡轮A在带动压气机B的同时，多余的能量由电机C回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈3和行星架4结合为一体，以涡轮A的转速作为动力输入，由连接太阳轮1的压气机B输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮A增压方式相同。

实施例3

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮C与压气机A，涡轮C 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机A的进气口与空气滤清器管道相连，压气机A的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机B与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与电机B连接，齿圈3与压气机A连接，行星架4与涡轮C连接。本实施例的方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从行星架4和太阳轮1输入，由齿圈3输出。即涡轮C和电机B 共同带动压气机A工作。该模式适用于加速工况。

模式2：行星架4固定，动力从太阳轮1输入，由齿圈3输出。即电机B单独带动压气机A工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机B前加装增速器。

模式3：动力从行星架4输入，由齿圈3和太阳轮1输出。即涡轮C在带动压气机A的同时，多余的能量由电机B回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将太阳轮1和行星架4结合为一体，以涡轮C的转速作为动力输入，由连接齿圈3的压气机A输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮C增压方式相同。

实施例4

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮B与压气机A，涡轮B 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机A的进气口与空气滤清器管道相连，压气机A的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机C与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与涡轮B连接，齿圈3与压气机A连接，行星架4与电机C连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从太阳轮1和行星架4输入，由齿圈3输出。即涡轮B和电机C 共同带动压气机A工作。该模式适用于加速工况。

模式2：太阳轮1固定，动力从行星架4输入，由齿圈3输出。即电机C单独带动压气机A工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从太阳轮1输入，由行星架4和齿圈3输出。即涡轮B在带动压气机A的同时，多余的能量由电机C回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将太阳轮1和行星架4结合为一体，以涡轮B的转速作为动力输入，由连接齿圈3的压气机A输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮B增压方式相同。

实施例5

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮C与压气机B，涡轮C 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机B的进气口与空气滤清器管道相连，压气机B的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机A与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与压气机B连接，齿圈3与电机A连接，行星架4与涡轮C连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从行星架4和齿圈3输入，由太阳轮1输出。即涡轮C和电机A 共同带动压气机B工作。该模式适用于加速工况。

模式2：行星架4固定，动力从齿圈3输入，由太阳轮1输出。即电机A单独带动压气机B工作。该模式适用于起动和怠速工况。

模式3：动力从行星架4输入，由太阳轮1和齿圈3输出。即涡轮C在带动压气机B的同时，多余的能量由电机A回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈3和行星架4结合为一体，以涡轮C的转速作为动力输入，由连接太阳轮1的压气机B输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮C增压方式相同。

实施例6

一种车用涡轮增压***，如图1所示，包括涡轮B与压气机C，涡轮B 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机C的进气口与空气滤清器管道相连，压气机C的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机A与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，太阳轮1与涡轮B连接，齿圈3与电机A连接，行星架4与压气机C连接。该方案可以采用以下四种模式进行。

模式1：动力从齿圈3和太阳轮1输入，由行星架4输出。即涡轮B和电机A 共同带动压气机C工作。该模式适用于加速工况。

模式2：太阳轮1固定，动力从齿圈3输入，行星架4输出。即电机A单独带动压气机C工作。该模式适用于起动和怠速工况。但由于该模式为降速传动，可在电机A前加装增速器。

模式3：动力从太阳轮1输入，由齿圈3和行星架4输出。即涡轮B在带动压气机C的同时，多余的能量由电机A回收发电。该模式适用于高速工况。

模式4：将齿圈3和太阳轮1结合为一体，以涡轮B的转速作为动力输入，由连接行星架4的压气机C输出，传动比为1。即该模式与传统涡轮B增压方式相同。

实施例7

一种车用涡轮增压***，如图2所示，包括涡轮B与压气机C，涡轮B 设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机C的进气口与空气滤清器管道相连，压气机C的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机A与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，涡轮B与压气机C通过传动轴连接，该传动轴与太阳轮1做成一体，齿圈3与电机A连接。同时设计使行星架、太阳轮自由结合或分离。该方案可以采用以下三种模式进行。

模式1：行星齿轮机构各组件无一固定且互不结合，不传输动力，涡轮B直接同轴驱动压气机C增压。该模式与传统增压模式相同。

模式2：行星架4固定，此时涡轮B与电机A轴转向相反，涡轮B驱动压气机C的同时，额外的能量对电机A充电。该模式适用于高速工况。

模式3：行星架4与太阳轮1结合，电机A与涡轮B转向相同，一起驱动压气机C进行增压。该模式适用于起步或低速工况。

实施例8

一种车用涡轮增压***，包括涡轮B与压气机C，涡轮B设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，压气机C的进气口与空气滤清器管道相连，压气机C的排气口接在发动机的进气歧管上；还包括电机A与行星齿轮机构，行星齿轮机构由齿圈3、行星轮2、太阳轮1及行星架4组成，太阳轮1设在齿圈3的中心，行星轮2啮合在太阳轮1与齿圈3之间，行星轮2安装在行星架4上，涡轮B与压气机C之间有两个传动轴切换，其中一个传动轴与行星架4连接，齿圈3与电机A连接，如图3所示。另一个传动轴与太阳轮1连接，齿圈3同样与电机A连接，此时连接关系如图2所示。该方案可以采用以下三种模式进行。

模式1：行星齿轮机构各组件，无一固定且互不结合，不传输动力，无论选择哪一个传动轴，涡轮B直接同轴驱动压气机C增压。该模式与传统增压模式相同。

模式2：涡轮B选择与行星架4结合的传动轴传递动力，见图3，此时太阳轮 1固定，涡轮B和电机A转向相同，联合驱动压气机C增压。该模式适用于起动或低速工况。

模式3：涡轮B选择与太阳轮1结合的传动轴传递动力，见图2，此时行星架 4固定，涡轮B在驱动压气机C的同时，多余的能量给电机A充电。该模式适用于高速工况。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种车用涡轮增压***，包括涡轮与压气机，所述的涡轮设置在涡轮室内，涡轮室的进气口与发动机排气歧管相连，涡轮室的排气口接在发动机排气管上，所述的压气机的进气口与空气滤清器管道相连，压气机的排气口接在发动机的进气歧管上；其特征在于，还包括电机与行星齿轮机构，所述的行星齿轮机构由齿圈、行星轮、太阳轮及行星架组成，所述的太阳轮设在齿圈的中心，所述的行星轮啮合在太阳轮与齿圈之间，所述的行星轮安装在行星架上，所述的涡轮和压气机通过一套行星齿轮机构联接，同时将行星齿轮机构外接电机进行增压调节；

所述的涡轮与压气机通过传动轴连接，该传动轴与太阳轮做成一体，所述的齿圈与电机连接；

车用涡轮增压***使行星架、太阳轮自由结合或分离，可以采用以下三种模式进行：

模式1：行星齿轮机构各组件无一固定且互不结合，不传输动力，涡轮直接同轴驱动压气机增压，该模式与传统增压模式相同；

模式2：行星架固定，此时涡轮与电机轴转向相反，涡轮驱动压气机的同时，额外的能量对电机充电，该模式适用于高速工况；

模式3：行星架与太阳轮结合，电机与涡轮转向相同，一起驱动压气机进行增压，该模式适用于起步或低速工况。