一种增压器，包括涡轮(4)和压缩机(5)、电子离合器(8)和驱动压缩机(5)的压缩机电动机(7)，当离合器(8)分离时，压缩机(5)由压缩机电动机(7)驱动，当离合器(8)结合时，压缩机(5)由涡轮(4)驱动；该增压器还包括与涡轮(4)连接的涡轮发电机(6)。当发动机低速运行时，电子离合器分离涡轮和压缩机，由电池系统直接驱动电动压缩机，提高进气压力，高速运行时电子离合器结合涡轮和压缩机，涡轮直接驱动压缩机，充分有效利用高速废气能量，并结合对涡轮发电机控制，柔性控制发动机的排气背压，从而更为有效精确控制发动机性能。
1.一种增压器，包括涡轮(4)和压缩机(5)，其特征在于：所述增压器还包括离合器(8)和驱动压缩机(5)的压缩机电动机(7)，当离合器(8)分离时，压缩机(5)由压缩机电动机(7)驱动，当离合器(8)结合时，压缩机(5)由涡轮(4)驱动，所述增压器还包括与涡轮(4)连接的涡轮发电机(6)，所述涡轮发电机(6)将发动机燃烧后的废气推动涡轮(4)转动的机械能转换为电能，并将这些电能提供给所述压缩机电动机(7)或将电能存储于车载电源，在发动机(3)低速运行时，通过离合器(8)将涡轮(4)和压缩机(5)断开，由车载电源或由涡轮发电机(6)产生的电能直接驱动压缩机(5)；在发动机(3)高速运行时，离合器(8)结合，同时不提供给压缩机电动机(7)控制电信号，让电动机转子能够自由转动，并且提供涡轮发电机(6)控制电信号，使得涡轮发电机(6)不成为涡轮(4)的负载，涡轮(4)和压缩机(5)连接在一起，发动机(3)产生的废气直接驱动涡轮(4)，并由涡轮(4)驱动压缩机(5)。
2.如权利要求1所述的增压器，其特征在于，所述离合器(8)为电子离合器。
3.如权利要求2所述的增压器，其特征在于，所述离合器(8)包括电子离合器左线圈(17)和电子离合器右线圈(18)；固定在所述电子离合器左线圈(17)壳体上的左摩擦片(19)和固定在所述电子离合器右线圈(18)壳体上的右摩擦片(20)，当离合器(8)结合时，所述左、右摩擦片结合。
4.如权利要求3所述的增压器，其特征在于，所述左右摩擦片由耐油耐磨耐高温的耐磨材料制作的。
5.如权利要求3或4所述的增压器，其特征在于，所述离合器(8)还包括固定在所述电子离合器左线圈(17)壳体上的左花键套筒(15)和固定在所述电子离合器右线圈(18)壳体上的右花键套筒(16)，所述左、右花键套筒中心是中空圆柱筒，内壁有花键槽。
6.如权利要求5所述的增压器，其特征在于，通过改变流过所述电子离合器左线圈(17)和所述电子离合器右线圈(18)的电流强度，使得电子离合器左右两部分在结合时先缓后急，迅速结合；而在分离时先急后缓，迅速分离。
7.如权利要求6所述的增压器，其特征在于，所述增压器还包括涡轮回转轴(14)，所述涡轮回转轴(14)的右端与涡轮(4)的回转中心固定连接，所述涡轮回转轴(14)的左端是花键轴，其与电子离合器的右花键套筒(16)配合，中间将涡轮发电机(6)的电枢集成在该段上。
8.如权利要求7所述的增压器，其特征在于，所述增压器还包括压缩机回转轴(13)，所述压缩机回转轴(13)的左端与压缩机(5)固定连接，右端是花键轴，与电子离合器的左花键套筒(15)配合，中间与压缩机的电动机(7)的电枢集成在一起。
9.如权利要求7或8所述的增压器，其特征在于，在所述涡轮发电机(6)的发电机壳体(27)上设置有冷却水道。
10.如权利要求9所述的增压器，其特征在于，所述涡轮发电机(6)的冷却水道成圆柱网状分布在发电机壳体(27)上，发动机机体的冷却液通过冷却水道对涡轮发电机(6)进行冷却。
11.如权利要求10所述的增压器，其特征在于，所述涡轮发电机(6)的冷却水道上设置有按一定尺寸布置的散热片(31)。
12.如权利要求11所述的增压器，其特征在于，所述增压器还包括增压器壳体(23)，增压器壳体(23)为圆柱中空桶状，所述增压器壳体(23)内壁与发电机壳体(27)组成所述涡轮发电机(6)的所述冷却水道。
13.如权利要求10或11所述的任一增压器，其特征在于，在所述压缩机电动机(7)的电动机壳体(21)上设置有冷却水道。
14.如权利要求13所述的增压器，其特征在于，所述压缩机电动机(7)的冷却水道成圆柱网状分布在电动机壳体(21)上，发动机机体的冷却液通过冷却水道对压缩机电动机(7)进行冷却。
15.如权利要求14所述的增压器，其特征在于，所述压缩机电动机(7)的冷却水道上设置有按一定尺寸布置的散热片(26)。
16.如权利要求15所述的增压器，其特征在于，所述压缩机电动机(7)的冷却水道由所述增压器壳体(23)的内壁与发电机壳体(27)组成。
17.如权利要求14或15或16所述的增压器，其特征在于，所述压缩机电动机(7)的冷却水道与所述涡轮发电机(6)的冷却水道通过增压器壳体(23)相通。
18.如权利要求17所述的增压器，其特征在于，所述压缩机电动机(7)的冷却水道与涡轮发电机(6)的冷却水道是并联式相通的，冷却液通过设置在增压器壳体(23)上的总进水口(32)进入，分别流向设置在压缩机电动机(7)上的电动机冷却液进口(22)和设置在涡轮发电机(6)上的发电机冷却液进口(29)，冷却液流过电动机壳体(21)和发电机壳体(27)后，从设置在压缩机电动机(7)上的电动机冷却液出口(24)和设置在涡轮发电机(6)上的发电机冷却液出口(28)汇合后，从设置在增压器壳体(23)上的总出水口(33)流出。
19.如权利要求18所述的增压器，其特征在于，所述总进水口(32)设置在所述总出水口(33)的下方，
20.如权利要求19所述的增压器，其特征在于，所述总进水口(32)的口径小于所述总出水口(33)的口径。
21.如权利要求18、19或20所述的增压器，其特征在于，所述增压器还包括用来控制涡轮(4)转速的电动可变截面机构。
增压器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种增压器，具体涉及用电驱动与机械驱动结合的压缩机、涡轮发电机、涡轮与压缩机柔性独立电子离合技术以及电动可变截面技术提高发动机性能的一种实现柔性可控制的废气涡轮增压器。
背景技术
[0002] 提高发动机的进气压力的设备通常是由发动机燃烧后产生的动力驱动回转机械提供能量。如目前的涡轮增压器通常是由燃烧后的废气驱动涡轮做回转运动，涡轮的回转运动带动了涡轮回转轴高速转动，回转轴高速转动驱动了焊接在涡轮回转轴另一端的压缩机，进而通过驱动压缩机实现发动机的进气压力的提高。这种通过驱动轴或者类似机械驱动压缩机提高进气压力，对于控制进气压力相对刚性。
发明内容
[0003] 为了改善发动机进气压力的控制，实现增压器的柔性控制，将电气技术与增压器技术相结合，包括电辅助驱动的压缩机，涡轮发电机、电动可变截面机构等，本发明提供一种增压器，包括涡轮和压缩机，以及离合器和驱动压缩机的压缩机电动机，当离合器分离时，压缩机由压缩机电动机驱动，当离合器结合时，压缩机由涡轮驱动。
[0004] 增压器还包括与涡轮连接的涡轮发电机，涡轮发电机将发动机燃烧后的废气推动涡轮转动的机械能转换为电能，并将这些电能提供给所述压缩机电动机或将电能存储于车载电源。
[0005] 在发动机低速运行时，通过离合器将涡轮和压缩机断开，由车载电源或由涡轮发电机产生的电能直接驱动压缩机；在发动机高速运行时，离合器结合，同时不提供给压缩机电动机控制电信号，让电动机转子能够自由转动，并且提供涡轮发电机控制电信号，使得涡轮发电机不成为涡轮的负载，涡轮和压缩机连接在一起，发动机产生的废气直接驱动涡轮，并由涡轮驱动压缩机。
[0006] 离合器为电子离合器，包括电子离合器左线圈和电子离合器右线圈；固定在电子离合器左线圈壳体上的左摩擦片和固定在电子离合器右线圈壳体上的右摩擦片，当离合器结合时，左、右摩擦片结合。
[0007] 摩擦片由耐油耐磨耐高温的耐磨材料制作的。
[0008] 电子离合器还包括固定在电子离合器左线圈壳体上的左花键套筒和固定在所述电子离合器右线圈壳体上的右花键套筒，花键套筒中心是中空圆柱筒，内壁有花键槽；通过改变流过电子离合器左线圈和电子离合器右线圈的电流强度，使得电子离合器左右两部分在结合时先缓后急，迅速结合；而在分离时先急后缓，迅速分离。
[0009] 增压器还包括涡轮回转轴，涡轮回转轴的右端与涡轮的回转中心固定连接，涡轮回转轴的左端是花键轴，其与电子离合器的右花键套筒配合，中间将涡轮发电机的电枢集成在该段上。
[0010] 增压器还包括压缩机回转轴，压缩机回转轴的左端与压缩机固定连接，右端是花键轴，与电子离合器的左花键套筒配合，中间与压缩机的电动机的电枢集成在一起。
[0011] 在涡轮发电机的发电机壳体上设置有冷却水道，冷却水道成圆柱网状分布在发电机壳体上，发动机机体的冷却液通过冷却水道对涡轮发电机进行冷却，涡轮发电机的冷却水道上设置有按一定尺寸布置的散热片。
[0012] 增压器还包括圆柱中空桶状的增压器壳体，，增压器壳体内壁与发电机壳体组成涡轮发电机的冷却水道。
[0013] 在压缩机电动机的电动机壳体上设置有冷却水道，该冷却水道成圆柱网状分布在电动机壳体上，由增压器壳体的内壁与发电机壳体组成。发动机机体的冷却液通过冷却水道对压缩机电动机进行冷却，该冷却水道上设置有按一定尺寸布置的散热片。
[0014] 压缩机电动机的冷却水道与涡轮发电机的冷却水道通过增压器壳体相通。
[0015] 压缩机电动机的冷却水道与涡轮发电机的冷却水道是并联式相通的，冷却液通过设置在增压器壳体上的总进水口进入，分别流向设置在压缩机电动机上的电动机冷却液进口和设置在涡轮发电机上的发电机冷却液进口，冷却液流过电动机壳体和发电机壳体后，从设置在压缩机电动机上的电动机冷却液出口和设置在涡轮发电机上的发电机冷却液出口汇合后，从设置在增压器壳体上的总出水口流出。
[0016] 总进水口设置在所述总出水口的下方，总进水口的口径小于总出水口的口径。
[0017] 增压器还包括用来控制涡轮转速的电动可变截面机构。
[0018] 本发明的涡轮增压器结合了电动压缩机、涡轮发电机、电动可变截面机构以及电子离合器，增压器实现了柔性控制，低速时电子离合器分离涡轮和压缩机，由电池系统直接驱动电动压缩机，提高进气压力，高速时电子离合器结合涡轮和压缩机，涡轮直接驱动压缩机，充分有效利用高速废气能量，并结合对涡轮发电机控制，柔性控制发动机的排气背压，从而更为有效精确控制发动机性能。
附图说明
[0019] 图1为涡轮增压器和发动机的简化示意图；
[0020] 图2为新型增压器和发动机的简化示意图；
[0021] 图3为电动压缩机与涡轮发电机的示意图；
[0022] 图4为电子离合器的示意图；
[0023] 图5-a为电动机壳体正视图；
[0024] 图5-b为电动机壳体右视图；
[0025] 图6-a为涡轮发电机壳体正视图；
[0026] 图6-b为涡轮发电机壳体左视图；
[0027] 图7为增压器壳体示意图；
[0028] 图8-a电动可变截面机构示意图；
[0029] 图8-b电动可变截面机构右视图；
[0030] 在图1-8中，1：涡轮；2：压缩机；3：发动机；4：带发电机涡轮；5：电动压缩机；6：涡轮发电机；7：压缩机驱动用电动机；8：电子离合器；9：压缩机轴承；10：涡轮轴承；11：
电动机定子线圈；12：发电机定子线圈；13：压缩机回转轴；14：涡轮回转轴；15：电子离合器左花键套筒；16：电子离合器右花键套筒；17：电子离合器左线圈；18：电子离合器右线圈；19：电子离合器左摩擦片；20：电子离合器右摩擦片；21：电动机壳体；22：电动机冷却液进口；23：增压器壳体；24：电动机冷却液出口；25：电动机壳体冷却液密封面；26：电动机壳体散热片；27：发电机壳体；28：发电机冷却液出口；29：发电机冷却液进口；30：发电机壳体冷却液密封面；31：发电机壳体散热片；32：增压器壳体总进水口；33：增压器壳体总出水口；34：可变截面驱动电机；35：驱动齿轮；36：从动齿轮；37：可变截面机构气流引导槽；38：可变截面喷嘴拨环；39：可变截面喷嘴拨杆；40：可变截面喷嘴气流导流片；41：
可变截面机构驱动拨杆；42：导轨柱；43：驱动拨杆回转轴；44：气流导流片回转轴；
具体实施方式
[0031] 图1所示，为传统的涡轮增压器和发动机的简化图，涡轮1和压缩机2直接用轴连接在一起，发动机3燃烧后的废气驱动涡轮1高速转动。涡轮1绕着回转轴高速转动，从而带动连接在回转轴另一端的压缩机高速转动，压缩机的高速转动为发动机3提高进气压力，从而为发动机3带入更多的新鲜空气，提高发动机性能。由于发动机3尤其是车用发动机的运行工况变化范围很宽，发动机3低速运行过程中，废气流量比较小驱动涡轮1运转的能力有限，发动机进气压力提高有限，改善发动机性能有限。为此传统的涡轮增压器改善发动机3性能范围比较窄，无法达到发动机3运行全工况改善发动机3的性能。
[0032] 相比较于图1所示的传统的涡轮增压器，图2所示为一种新型增压器，带发电机涡轮4和电动压缩机5通过电子离合器8相连接。在发动机3低速运行时，发动机燃烧后废气流量少驱动压缩机的能力有限。通过电子离合器8将带发电机涡轮4和电动压缩机5断开，通过车载电源直接驱动电动压缩机5，由电动机7直接驱动压缩机，实现更加柔性的提高发动机3进气压力，改善发动机3的性能。同时为了有效利用发动机燃烧后的废气能量，通过在涡轮的回转轴上安装发电机6，将废气带动涡轮转动的机械能转化为电能存储起来，结合电动可变截面机构提高废气利用效率。在发动机3高速运行时，电动机7不提供控制电信号，让电动机转子能够自由转动，同时提供发电机控制电信号，使得发电机不成为涡轮负载。电子离合器8在电磁场的作用下吸合，电动机回转轴与涡轮发电机回转轴连接在一起，大流量的废气直接驱动涡轮，并由涡轮通过已经由电子离合器连接在一起的回转轴直接驱动压缩机，提高发动机进气效率，改善发动机性能。
[0033] 图3所示为电动压缩机和涡轮发电机，图中的左半部分为电动压缩机5，压缩机的叶轮焊接在回转轴13的左端，而回转轴13的右端为花键轴，用于连接电子离合器8的花键套筒，使得电子离合器8在电磁场的作用下沿着回转轴13轴向往复运动。发动机低速运行过程中，在回转轴13上的电动机7直接驱动压缩机的叶轮转动，通过控制转子电磁场，在转子电磁场与电动机定子线圈11磁场的作用下控制电动机7转速，在电动机7作用下，安装在轴承9上的压缩机回转轴，带动压缩机运转，提高发动机进气压力。图3中右半部分为涡轮发电机6，涡轮焊接在发电机回转轴14的右端，左端为花键轴，用于连接电子离合器8花键套筒，电子离合器8右半部分可以沿着花键轴轴向往复运动。在发动机低速运行时，电子离合器8的作用下，涡轮和压缩机断开，废气驱动涡轮，由涡轮驱动发电机6发电，发出电能存储在车载电源上。这个过程由于涡轮和压缩机是相对独立的控制，压缩机通过车载电源直接驱动电动机7，提高低速进气压力。同时通过控制发电机6负荷而增加涡轮4的负荷，结合电动可变截面机构，有效地控制发动机的排气背压，有效改善发动机工作过程。如在低温环境下，通过提高排气背压，使得发动机暖机过程缩短，改善发动机的工作过程。发动机高速运行时，通过电子离合器8直接将图3中涡轮和压缩机连接在一起，由废气直接驱动压缩机5，改善废气能力的利用效率。
[0034] 图4所示是新型增压器的电子离合器8示意图，电子离合器8由左右两部分组成，电子离合器左半部分，花键套筒15焊接在电磁线圈17的壳体上，而电磁线圈壳体17右侧连接着摩擦片19。花键套筒15中心是中空圆柱筒，内壁有花键槽，将花键套筒15装配到花键轴13，在电磁线圈的磁场力的作用下，花键套筒15沿着花键轴13轴向运动。电子离合器右半部分与左半部分是对称式的结构，是由花键套筒16、电磁线圈18以及摩擦片20组成的。花键套筒16的功用和花键套筒15是一样的，装配在花键轴14上。控制电磁线圈电流方向，使得电磁线圈17、18在摩擦片侧的电磁极性相同，则推动电子离合器8左右两部分断开，从而实现压缩机5和涡轮4独立控制。控制电磁线圈电流方向及电流大小，使得电磁线圈17、18在摩擦片侧的电磁极性相异，使得电子离合器8左右两部分缓缓结合，减少涡轮高速运转带来的冲击，从而实现在高速运行工况下由废气驱动压缩机提高发动机进气压力，改善发动机性能。
[0035] 图5-a所示为电动机壳体，由于电动机采用高速伺服电动机，高速运行时电动机需要通过对壳体的冷却改善电动机工作条件。图5-a中，电动机7壳体21上有网状的冷却水道，在冷却水道上按照一定尺寸布置有如图5-b中所示的散热片26。电动机7定子壳体21与增压器壳体23通过密封面25的密封形成了中空的冷却水道，冷却液通过电动机冷却液进口22进入电动机7冷却水道中，并通过电动机冷却液出口24流出，通过冷却液的流动带走电动机上热量达到对电动机冷却的目的。
[0036] 图6-a所示为发电机壳体，发电机由于转子的高速运转以及靠近发动机废气侧，发电机工作环境温度高，需要通过冷却方法改善发电机工作条件。图6-a，发电机6壳体27上有网状的冷却水道，在冷却水道上按照一定尺寸布置有如图6-b所示的散热片31。发电机6定子壳体27与增压器壳体23通过密封面30的密封形成了中空的冷却水道，冷却液通过发电机冷却液进口29进入发电机6冷却水道中，并通过电动机冷却液出口28流出，通过冷却液的流动带走电动机上热量达到对电动机冷却的目的。
[0037] 图7所示为增压器壳体23，壳体23为一个圆柱中空桶状，壳体23内壁与电动机壳体21、发电机壳体27组成一个密闭的环形冷却水道。在增压器壳体23上有总进水口32和总出水口33，冷却液通过总进水口进入后，通过增压器壳体23上的水道从电动机冷却液进口22以及发电机冷却液进口29分别进入电动机7冷却水道和发电机6冷却水道带走热量后分别从电动机冷却液出口24和发电机出口28流出并在增压器壳体23汇总后从总出水口33流出。
[0038] 图8-a，图8-b所示为电动可变截面机构，步进电动机34通过齿轮35、36减速增扭后，由齿轮36带动驱动拨杆回转轴43转动，从而带动可变截面机构驱动拨杆41绕着驱动拨杆回转轴43转动，同时拨动可变截面喷嘴拨环38沿着导轨柱42的导轨绕着可变截面喷嘴拨环38回转中心做回转滑动。可变截面喷嘴拨环38带动可变截面喷嘴拨杆39绕着气流导流片回转轴44转动，从而带动可变截面喷嘴气流导流片40转动，通过可变截面喷嘴气流导流片40的转动改变可变截面喷嘴气流导流片40之间的气流流过面积，即改变了冲刷到涡轮气流喷嘴的面积，那么通过可变截面机构气流引导槽37的发动机燃烧后废气在流过涡轮时废气流速发生改变，从而有效地改变涡轮的转速。依据不同发动机运行工况，通过控制步进电机34转动角度，达到控制废气喷嘴的截面面积，达到精确有效利用发动机燃烧废气能量。
