CN1330864C - 用于电力辅助的涡轮增压器的空气冷却*** - Google Patents

用于电力辅助的涡轮增压器的空气冷却*** Download PDF

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Abstract

一种用于控制电力辅助的涡轮增压器(10)中的电机温度的***，该***通过位于马达外壳(20)中的电机与具有涡轮增压器(10)的内燃机(14)连接。所述马达外壳(20)具有一个马达外壳入口(40)和一个马达外壳出口(46)。所述涡轮增压器(10)具有一个带压缩机入口和压缩机出口(26)的压缩机(16)。所述涡轮增压器还具有一个涡轮机(10)。第一冷却软管(34)与压缩机出口(26)连接，并且与马达外壳入口(40)连接。第二冷却软管(36)与马达外壳出口(46)连接，并且与压缩机入口连接。

Description

用于电力辅助的涡轮增压器的空气冷却***
本发明总体上涉及涡轮增压器领域，更具体地讲，涉及用于控制安装在电力辅助的涡轮增压器内部的电机温度的空气冷却***。
本发明背景
用于汽油和柴油内燃机的涡轮增压器是本领域已知的装置，它被用于利用排出引擎的废气的热量和体积流量对吸入的空气流进行增压或加速，排入引擎的燃烧室。具体地讲，将排出引擎的废气导入涡轮增压器的涡轮机外壳中，使得由废气驱动的涡轮机在所述外壳内旋转。所述由废气驱动的涡轮机安装在为径向空气压缩机所共用的轴的一端，该径向空气压缩机安装在所述轴的相反一端。因此，所述涡轮机的旋转动作同样导致所述空气压缩机在与所述废气外壳独立的涡轮增压器的压缩机外壳内旋转。所述空气压缩机的旋转动作导致吸入空气进入所述压缩机外壳，并且被增压或加速到预定程度，然后在引擎的燃烧室中与燃料混合并且燃烧。
由于所述涡轮机的旋转动作取决于从所述引擎中排出的废气的热量和体积流量，当与涡轮增压器连接的引擎以低速运行时，涡轮增压器通常具有较低的效率。所述较低的效率通常被称为涡轮滞后。为了克服当废气的热量和体积流量较低时的涡轮滞后，业已制造了涡轮增压器，该增压器利用安装在它里面的电机协助轴的转动，并且导致压缩机旋转。
出现在电力辅助的涡轮增压器中的工作条件，有可能产生高到足以使马达过热的温度。马达过热有可能破坏电机的定子，并且有可能使电机的转子永久性消磁。另外，电力辅助的涡轮增压器特别容易进入压缩器喘振状态，因为所述压缩器的电力控制能使所述压缩器以与引擎工作状态相对独立的方式工作。
一般来说，压缩器喘振是一种涡轮增压器状态，其中，由该压缩器产生的高压空气遇到内部***阻力，通常导致所述高压空气通过所述涡轮增压器强制回流。所述喘振可能由于不同的涡轮增压器工作条件产生，并且已知在引擎的减速工作条件下发生。压缩器喘振通常是一种不希望的情况，它能导致从噪音到部件损伤的各种问题，这些问题对于涡轮增压器和引擎寿命和性能来说都是有害的。
因此，需要以这种方式制造电力辅助的涡轮增压器，该方式可以减少由于高的工作温度所导致的潜在的电机问题。可能还需要以一种方式设计电力辅助的涡轮增压器，该方式减少和/或消除喘振情况的发生。希望将上述所有电力辅助的涡轮增压器设计成能够以不会对需要的涡轮增压器性能造成负面影响的方式提供所述优点。
本发明概述
本发明涉及一种用于控制与内燃机连接的电力辅助的涡轮增压器的电机温度的***。该***具有一个涡轮增压器，它具有一个安装在马达外壳内的电机。所述马达外壳具有一个马达外壳空气流入口和一个马达外壳空气流出口。所述涡轮增压器具有一个压缩机，该压缩机具有一个压缩机空气流入口和一个压缩机空气流出口。所述涡轮增压器还具有一个安装在所述涡轮机外壳内的涡轮机。从所述压缩机出口下游排出的高压空气进入所述马达外壳空气流入口，以便给所述电机提供冷却空气。通过所述马达外壳空气出口将冷却空气从所述电机中排出，并且导向压缩机入口。
在本发明的另一种实施方案中，所述***具有一个靠近所述马达外壳出口安装的可变喷孔配件，用于控制通过所述马达外壳出口的空气量。将一个合适的驱动器与所述可变喷孔配件连接，以便操纵所述喷孔。该***还具有一个与所述电机形成电连接，和与所述驱动器形成电连接的电机控制器。所述电机控制器控制所述电机的工作和所述电力驱动器的工作，以便控制所述电机的速度和导向那里的冷却空气量，从而控制电机的温度。
一个电机温度传感器与所述电机控制器形成电连接。由所述电机温度传感器检测电机的温度，并且由所述电机控制器根据接收到的来自所述电机温度传感器的信号控制所述可变喷孔配件。因此，所述可变喷孔配件能够适当冷却，以防电机过热，并且还能防止有太多的空气被从压缩机出口中吸出，这样有可能对引擎性能产生负面影响。
在采用可变喷孔配件和电力驱动器的另一种实施方案中，一个引擎速度传感器与所述电机控制器形成电连接，以便检测所述内燃机的旋转速度。另外，将一个涡轮增压器速度传感器与所述电机控制器连接，以便检测所述涡轮增压器轴的旋转速度。将一个存储器与所述电机控制器形成电连接。该存储器具有保存在它里面的与内燃机的速度和涡轮增压器的速度相关的喘振状态的多维图谱。将所述电机控制器设计成根据来自所述引擎速度传感器的信号和来自涡轮增压器速度传感器的信号，对照储存在所述存储器中的喘振状态的多维图谱，控制所述电力驱动器和可变喷孔配件，以便避免喘振。
在采用可变喷孔配件和电力驱动器的另一种实施方案中，将一个吸入空气传感器与所述电机控制器形成电连接。由所述吸入空气传感器检测进入所述涡轮增压器的空气体积。同样将一个压力比传感器与所述电机控制器形成电连接。由所述压力传感器检测压缩机压力比。一个存储器与所述电机控制器形成电连接。在所述存储器中储存了有关内燃机速度和涡轮增压器速度的喘振状态的多维图谱。所述电机控制器设计成根据来自吸入空气传感器和来自压力比传感器的信号，对照保存在所述存储器中的喘振状态的多维图谱，控制所述电子驱动器和所述可变喷孔配件，以避免喘振。
附图说明
通过结合附图和以下详细说明，可以更方便地理解本发明的各个方面，其中：
图1是根据本发明一种实施方案的涡轮增压器和引擎***的剖视图；
图2是根据本发明一种实施方案的涡轮增压器的剖视图；
图3是根据本发明一种实施方案的具有一个控制马达外壳的可变喷孔配件的涡轮增压器的剖视图；和
图4是根据本发明一种实施方案的具有一个控制马达外壳的可变喷孔配件的驱动器的涡轮增压器的第二种剖视图；和
图5是表示作为引擎速度(X轴)和涡轮增压器速度(Y轴)的函数的喘振状态的多维图谱的曲线。
具体实施方式
本发明的电力辅助的涡轮增压器包括一个安装在马达外壳内的电机，该外壳被设计成容纳压缩机下游的高压空气，以便冷却所述电机，并因此防止潜在的电机过热。另外，本发明的电力辅助的涡轮增压器被设计成具有一个控制装置，用于调节朝向所述电机的冷却空气的量，以便能够通过降低压缩机的背压来控制电机工作温度，并且能够避免压缩机喘振。
如图1所示，电力辅助的涡轮增压器10是靠近内燃机14的排气歧管12安装的。所述电力辅助的涡轮增压器10包括一个压缩机16和一个涡轮机18。从排气歧管12中排出的废气使涡轮机18旋转。在压缩机16和涡轮机18之间有一个马达外壳20。
压缩机16的入口通过第一个空气软管24与空气过滤器22连接。所述空气通过它的出口离开压缩机16，在较高的压力下通过第二个空气软管26。由所述压缩机产生的压缩空气通过一个中间冷却器28，在这里对所述空气进行冷却。一旦所述空气通过所述中间冷却器28，就通过第三个空气软管30将所述空气导向到入口歧管32，由它向内燃机14输送空气。
在本发明的一种实施方案中，通过第一个冷却软管34将由压缩机16产生的高压空气导向电力辅助的涡轮增压器10的马达外壳20。所述空气通过所述马达外壳20，并且通过第二个冷却软管36排出，该冷却软管引导所述空气通过第一空气软管24返回所述压缩机出口。在本发明的另一种实施方案中，所述第一冷却软管34连接在第三空气软管30和马达外壳20之间，以便进入所述第一冷却软管34的空气业已从所述中间冷却器中通过。在另一种实施方案中，由所述第一冷却软管34引导来自所述压缩机上游的空气，并且引导该空气进入马达空腔20。在另一种实施方案中，所述空气是从所述压缩机的诸如压缩机轮的背部的部位或从压缩机涡壳内部的部位排放到马达外壳20中。
参见如图2所示的更详细的空气通过所述马达外壳的路径，空气通过马达外壳空气流入口40从第一冷却软管34进入所述马达外壳。所述空气通过所述电机的定子42和转子44，并且通过位于与马达外壳空气流入口40相反的周向末端上的马达外壳空气流出口46。
当高压空气从所述压缩机开始通过第一冷却软管34，通过马达外壳20，并且返回第一空气软管24时产生了压力梯度，空气软管24是具有较低压力的部位。该压力梯度保持所述空气流过所述马达外壳20。
在本发明的一种实施方案中，将马达外壳入口40和马达外壳出口46设计成在所述马达外壳20中保持正压力。所述入口和出口具有合适的大小，以便充分冷却所述马达，而又不会对由所述压缩机增压的导向所述入口歧管32的空气流产生负面影响。
在图3和4中所示出的另一种实施方案中，为了对电机进行适当冷却而又不会将过多的增压空气排出所述内燃机，通过空气流控制装置控制所述压力梯度。在一种典型实施方案中，所述空气流控制装置是一个可变喷孔配件48，该配件与被通过马达外壳导向的空气形成空气流连通。在一种典型实施方案中，所述可变喷孔配件被安装在电机空气流出口46上。所述可变喷孔配件是通过电力驱动器50控制的。将一个与引擎电子控制装置(ECU)形成电连接的温度传感器(未示出)或一个电机控制器安装在电机定子附近。由所述ECU或电机控制器根据检测到的电机定子的温度控制可变喷孔配件，以便确保最佳冷却的空气流。
在另一种实施方案中，利用所述可变喷孔配件预防和/或处理喘振状态。将一个电机控制器与多个传感器(未示出)连接，将所述传感器设计成监测多种不同的引擎和/或涡轮增压器工作状态/参数。在本发明的一种实施方案中，将所述传感器设计成用于评估：例如，(1)以每分钟的转速计算的引擎速度(RPM)；(2)引擎负荷；(3)吸入的空气流量；(4)在压缩机之前和之后的涡轮增压器工作压力；和(5)以每分钟的转速(RPM)计算的涡轮增压器速度。
将所述电机控制器设计成具有保存和读取包含有关特定压缩机与多个可确定的引擎和压缩机特性相关的喘振状态的多维图谱的能力。所述电机控制器借助通过所述传感器检测的状态使用所述多维图谱，以便利用驱动器50改变可变喷孔配件48，如压缩机接近，或进入喘振状态。一般来说，如果检测到喘振状态，就需要使所述驱动器以打开所述可变喷孔配件的大小的方式工作，以便降低压缩机下游的加压空气的压力水平，并且提高输送给电机的冷却空气流的速度。
本发明的第一种实施方案采用一种可变喷孔配件来防止喘振状态，包括一个被设计成用于监测引擎速度的传感器，和一个被设计成用于监测涡轮增压器速度的传感器。产生了一个多维图谱，它使引擎速度和涡轮增压器速度与被控制的特定电力辅助的涡轮增压器的喘振状态相关联，即画出特定压缩机和引擎设计的可能的喘振状态。
下面参见图5，将所述图谱划分成三个不同的区；即具有正常工作范围的第一区，具有一个喘振危险的第二区，以及喘振状态的第三区。图5的多维图谱表示假设的涡轮增压器和引擎***的三个这样的区，并且是出于参考目的提供的。可以理解的是，这三个区根据特定的用途和涡轮增压器设计特征，即压缩机设计，在所述图上占据不同的位置。
将所述图谱保存在由所述电机控制器输入的存储器中。每次都将引擎速度和涡轮增压器速度与所述电机控制器联系，由所述电机控制器在所保存的多维图谱上画出所述引擎速度和涡轮增压器的图。
如果来自所提供的传感器信息的图形表明所述涡轮增压器是在正常工作范围内工作，就不根据喘振状态的威胁改变所述可变喷孔配件。涡轮增压器在正常范围内工作的一个典型的场合是，引擎以大约4000rpm的速度工作，而涡轮增压器以大约20000rpm的速度工作。当在图5所示的图谱上作图时，上述工作状态产生了在点A标出的位置，它处在该图谱的正常工作范围中。
不过，如果来自所述传感器信息的图形表明存在喘振的危险，所述马达控制器就操纵所述驱动器，该驱动器然后又操纵所述可变喷孔配件，以避免出现喘振状态。存在喘振危险的一种典型的场合是，引擎以2000rpm的速度工作，而涡轮增压器以20000rpm的速度工作。当在图5所示的图谱上作图时，所述工作状态会产生由点B所标明的位置，该点处在所述图谱的喘振危险中。
如果来自所述传感器信息的图形表明业已进入了喘振状态，所述马达控制器就操纵所述驱动器，所述驱动器然后又打开所述可变开口，以便终止喘振状态。通过打开所述可变喷孔，使更多的压缩空气流过所述马达外壳，并且往回流入到压缩机空气入口气流中，因此绕过了所述引擎的进气歧管。业已达到喘振状态的一种典型场合是，引擎以大约1000rpm的速度工作，而涡轮增压器以30000rpm的速度工作。当在图5所示的图谱上作图时，所述工作状态产生了一个在点C上所标明的曲线，该点处在所述图谱的喘振状态中。
图5中的图谱表示具有三种不同的压缩机工作状态的二维图谱。在本发明的另一种实施方案中，所述图谱可以划分成三种以上状态，每一种状态具有一种不同的动作过程。另外，所述图谱可能基于两种以上不同的引擎和/或涡轮增压器性能参数。
在采用可变喷孔配件防止喘振状态的第二种实施方案中，由一个控制流传感器检测进入所述压缩机的空气流。另外，监测通过所述压缩机的压力比。在这种替代实施方案中，所述多维图谱包含压缩机所特有的信息。
将所述喘振信息作为吸入空气流和压缩机压力比的函数保存在多维图谱中。每一次都将所述空气流和所述压缩机压力比与所述电机控制器联系在一起，由所述电机控制器在所保存的多维图谱上画出所述空气流和压缩机压力比的图。对于上面所提供的典型实施方案来说(有关引擎速度和涡轮增压器速度的实施方案)，如果所述曲线表明了不存在或不接近喘振状态，就不操纵所述可变喷孔配件，以避免喘振状态。不过，如果所述图表明了正在接近或已经出现了喘振状态，就由所述电机控制器给所述驱动器提供动力，以便打开所述可变喷孔配件，使更多的增压空气从进气歧管中排出，并且返回所述低压压缩机进入空气流。
现在，已经根据专利条例的需要对本发明进行了详细说明，本领域技术人员可以认识到对本文所披露的具体实施方案的改进和替代。所述改进属于本发明的范围和意图。

Claims (4)

1.一种用于控制与内燃机连接的电力辅助的涡轮增压器中的电机温度的***，它包括：
一个涡轮增压器，该增压器具有：
一个安装在马达外壳中的电机，所述马达外壳具有一个马达外壳空气流入口和一个马达外壳空气流出口；
一个压缩机，该压缩机具有一个压缩机入口和一个压缩机出口；和
一个相互连接的涡轮机，以便驱动所述压缩机；
一个与所述压缩机出口连接并且与所述马达外壳入口连接的第一冷却软管；和
一个与所述马达外壳出口连接并且与所述压缩机入口连接的第二冷却软管。
2.如权利要求1所述的用于控制与内燃机连接的电力辅助的涡轮增压器中的电机温度的***，它还包括：
一个控制通过所述马达外壳出口的空气量的可变喷孔配件；
一个控制所述可变喷孔配件的电力驱动器；
一个与所述电机形成电连接并且与所述电力驱动器形成电连接的电机控制器，由所述电机控制器控制所述电机的工作，并且控制所述电力驱动器的工作；和
一个与所述电机控制器形成电连接的电机温度传感器，由所述电机温度传感器检测所述电机的温度，其中，将所述电机控制器设计成根据来自所述电机温度传感器的信号控制所述电力驱动器。
3.如权利要求1所述的用于控制与内燃机连接的电力辅助的涡轮增压器中的电机温度的***，它还包括：
一个用于控制通过所述马达外壳出口的空气量的可变喷孔配件；
一个用于控制所述可变喷孔配件的电力驱动器；
一个与所述电机形成电连接并且与所述电力驱动器形成电连接的电机控制器，由该电机控制器控制所述电机的工作，并且控制所述电力驱动器的工作；
一个与所述电机控制器形成电连接的引擎速度传感器，由所述引擎速度传感器检测内燃机的旋转速度；
一个与所述电机控制器连接的涡轮增压器速度传感器，由所述涡轮增压器速度传感器检测涡轮增压器轴的旋转速度；和
一个与所述电机控制器形成电连接的存储器，在所述存储器中保存了与内燃机的速度和涡轮增压器的速度相关的喘振状态的多维图谱，其中，将所述电机控制器设计成根据来自引擎速度传感器和涡轮增压器速度传感器的信号，对照所述存储器中保存的喘振状态的多维图谱控制所述电力驱动器。
4.如权利要求1所述的用于控制与内燃机连接的电力辅助的涡轮增压器中的电机温度的***，它还包括：
一个用于控制通过所述马达外壳出口的空气量的可变喷孔配件；
一个用于控制所述可变喷孔配件的电力驱动器；
一个与所述电机形成电连接并且与所述电力驱动器形成电连接的电机控制器，由该电机控制器控制所述电机的工作，并且控制所述电力驱动器的工作；
一个与所述电机控制器形成电连接的吸入空气传感器，由该吸入空气传感器检测进入涡轮增压器的空气体积；
一个与所述电机控制器连接的压力比传感器，由该压力比传感器检测压缩机压力比；
一个与所述电机控制器形成电连接的存储器，在所述存储器中保存了与内燃机的速度和涡轮增压器的速度相关的喘振状态的多维图谱，其中，将所述电机控制器设计成根据来自所述吸入空气传感器和来自所述压力比传感器的信号，对照所述存储器中保存的喘振状态的多维图谱控制所述电力驱动器。
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