專利名稱：與內燃機和控制系統一起使用的電動機－發電機輔助的渦輪增壓系統的制作方法
發電機輔助的渦輪增壓系統發明領域本發明一般涉及與內燃機一起使用的排氣驅動的渦輪增壓器和系統，更具體地涉及一種具有內置電動機-發電機和控制器的渦輪增壓器，以改善發動機性能和電流的產生。
背景技術：
渦輪增壓器是眾所周知的并廣泛地與內燃機一起使用，以用于增大功率輸出，減小燃料消耗和廢氣排放，并補償在高的海撥高度處操作時空氣密度的損失。通常，渦輪增壓器為燃燒過程提供的增壓空氣比通過利用排氣能量驅動空氣壓縮器的自然吸氣的其它方式得到的要增大。該增大的空氣供給可以燃燒更多的燃料，由此增大功率和輸出，這不是用其它方式從具有給定汽缸排量的發動機在自然吸氣條件下可以得到的。附加的優點包括可以使用低排量的較輕發動機及相應地降低車輛總重量來減小燃料消耗，和使用適用的成批生產的發動機來改進性能特征并實現功率增大與燃料消耗降低相結合。
某些渦輪增壓器用途包括聯用中間冷卻器，該冷卻器用于在增壓空氣進入發動機之前從增壓空氣中除去熱量(環境熱量分量和在增壓空氣壓縮期間產生的熱量兩者)，由此提供甚至更稠密的空氣增壓送入發動機汽缸。與同一發動機排量的自然吸氣發動機相比，應用于內燃機如柴油機的中間冷卻的渦輪增壓已知能顯著增大給定發動機尺寸的動力輸出。
渦輪增壓的附加優點包括，通過利用排氣流的某些能量改進了熱效率(否則這些排氣流的能量將消失于環境中)，以及直到高的海撥高度都能保持海平面高度的額定功率。
在中等至高的發動機速度下，在發動機排氣流中有豐富的能量，而在該操作速度范圍內，渦輪增壓器能夠向發動機汽缸供給有效燃燒所需的所有空氣和對給定發動機構造的最大功率和轉矩輸出。但是，在某些應用中，在發動機排氣流進入渦輪增壓器的渦輪機之前需要一個排氣流廢氣門(即氣孔)來放出發動機排氣流中的多余能量，以防止發動機受到過分增壓。通常，廢氣門被設定在一個壓力下打開，在該壓力下可能發生不希望有的預爆或一個不能接受地高的發動機汽缸內部壓力。
但是，渦輪增壓的發動機有一固有的缺點，就是在極低的發動機速度下在排氣流中氣體能量不充分，不像可以在較高發動機速度下發現的那樣能產生顯著水平的空氣增壓壓力，而這一能量缺點妨礙渦輪增壓器在低的發動機速度下在發動機吸入空氣系統中提供一個相當大而易于利用的增壓水平。結果，在打開節流閥以便從低速度(如空轉速度)加速發動機的時間和渦流增壓器轉子足夠快地運轉以產生足夠的空氣增壓壓力并產生所要加速度而同時消除發動機加速時的值得注意的煙氣量的時間之間，存在明顯的時間滯后。在先有技術中已經利用燃料控制裝置如齒條限制器或膜盒控制器，以限制傳送到發動機汽缸的燃料量，直到渦輪增壓器運轉得足夠快而傳送充足的空氣以產生基本上無煙的燃燒。但是，已知這些燃料限制裝置對節流閥打開產生一個顯著地較慢的響應(渦輪滯后)，在發動機和車輛響應中存在相應的停滯。
渦輪增壓器在為其設計的質量流量和壓力條件下能夠非常有效地操作。但是，當流量和壓力參數超過設計地操作時，渦輪機和壓縮機的部件效率降低。例如，如果一臺渦輪增壓器被設計和優化成在一臺特定發動機的最大速度和負載范圍中在峰值效率下運行，那么在發動機低速下渦輪機和壓縮機部件的效率多半會受損。為了增大在轉矩峰值或其下時傳送給發動機的空氣量，通過縮小渦輪殼體的煙喉區以增大進入渦輪機葉輪的氣體速度來使渦輪增壓器渦輪機匹配于低的發動機速度范圍。這增大渦輪增壓機轉子的轉動速度，但同時在發動機排氣系統中施加一較高的反壓力，這有損于發動機的性能，特別在較高的發動機速度和負載下。
更確切地說，縮小渦輪機殼體咽喉區的一個不希望有的后果是，當發動機在最大負載和速度運行時，較小的咽喉區使渦輪增壓器轉子“超速”，并由于在發動機高速和高負載下過量的排氣能量而產生可能超過設計限度的空氣增壓壓力。這個結果要求在排氣系統中使用“廢氣門”或排氣旁路閥，它使一部分排氣流流到渦輪機之外并將轉子速度限制在一個固定值。結果，在發動機高速范圍內的最大空氣壓力受限制而將發動機汽缸壓力保持在受控制的水平，同時有效地防止高于這些受限制水平的操作。
但是，通常渦輪增壓器與現有發動機匹配而在發動機速度范圍的中部具有良好性能，該速度范圍的中部通常處于需要最大轉矩的速度而一般并不處于最大的發動機速度和負載。因此，該匹配的步驟在排氣系統中一般也需要一個廢氣門以防止以上述方式處于最大的發動機速度和負載的渦輪增壓器的超速。但是，不管渦輪增壓器如何匹配，在發動機速度小于轉矩峰值和處于低的發動機速度(包括空轉速度)時排氣流中仍有不足之處。
在低的發動機速度和加速期間的渦輪滯后期和渦輪增壓器的性能缺陷可以減輕并在許多情況下實際上被消除，辦法是利用一個外部動力源輔助渦輪增壓器響應發動機速度和負載的增加。一種這樣的方法是使用外部電源供給(如直流電池中貯存的能量)來作為連接到渦輪增壓器轉動裝置的電動機的動力，該裝置對渦輪增壓器轉子施加轉矩，以便在低的發動機排氣速率下保持或增大轉子速度，從而在發動機加速期間供給足夠的增壓空氣以減小煙氣和廢氣排放。
具有整體結合的輔助電動機的渦輪增壓器在我們的待審中的美國專利申請書順序號08/529,672和08/680,671中得到更完全的說明，這些公開內容參考合并于此。
因此，仍然需要一種改進的內燃機系統，這種系統能改進普通內燃機的發動機性能、低速發動機響應和減少廢氣排放的特征，還需要一種改進的渦輪增壓系統，用于控制和優化渦輪增壓發動機的性能。
發明概要本發明克服了先有系統的問題并提供改進的內燃機和渦輪增壓系統，提供了一種具有電動機-發電機輔助的渦輪增壓器的內燃機和一種用于在其整個操作范圍內改進發動機性能的控制系統。
本發明的系統最好包括渦輪增壓器如在順序號08/529,672和08/680,671中公開的那些，它們包括一個或多個永久磁鐵，由此提供內置的輔助電動機-發電機。這些磁鐵靠近電動機繞組如渦輪增壓器軸承外殼中的定子繞組。因為電動機的永久磁鐵緊固在渦輪增壓器轉動裝置上，所以輔助電動機-發電機可以以輔助方式操作而產生轉矩，以便在將轉子加速到給定的轉子速度的過程中補充可以利用的排氣能量。根據本發明，該系統可以這樣設計，使得當渦輪增壓器在峰值效率運行時，處于或接近發動機的轉矩峰值速度時，該輔助的發動機轉矩達到零值。利用一個電控制系統，使輔助電動機能夠在發動機低速范圍內將轉矩供給渦輪增壓器轉子，而電控制系統能夠在發動機高速范圍內切換到發電機方式。通過使用這樣一種控制器，由輔助電動機產生的動力量可以與在發動機高速范圍內必須提供的超量排氣能量匹配，使得在空氣吸入系統中可以保持一個恒定的增壓水平。因此，本發明的一個重要優點是免去傳統的排氣閥，由此使與未利用而廢棄的排氣流直接有關的先有技術系統的低效率減至最小或消除。其次，當發動機高速運行而輔助電動機-發電機以發電機方式從過利排氣能量產生電流時，該再產生的電流可以輸入車輛電系統用于給電池充電，而輔助電動機-發電機可以對渦輪增壓器轉子提供制動作用。這樣，當在發動機低速范圍內需要增加增壓時，該輔助電動機可以從電池取出電流，而當需要限制渦輪增壓器最大速度和當在發動機排氣流中存在可用的過剩能量時，在發動機高速范圍內該輔助電動機可以將電流輸回電池。
因此，本發明的改進的渦輪增壓器和控制器系統可以將旋轉電機的部件與渦輪增壓器組合在一種最優化的整體設計中，該設計能夠盡可能增大施加到渦輪增壓器轉子上的轉矩，并能夠盡可能減小渦輪增壓器基本設計構形中的損失，且具有一個可以消除先有技術系統的排氣閥的電動控制器，由此改善發動機性能和操作效率并減小發動機的廢氣排放。
從下述更詳細的說明和附圖可以清楚本發明的其它特點和優點。
附圖簡述

圖1是本發明的渦輪增壓器設備的一個實施例的沿通過渦輪增壓器主軸的縱向軸線的平面截取的截面圖；圖2是一個定子的立面圖，該定子做成在壓縮機輪磁鐵的徑向外面被裝入圖1所示的渦輪增壓器中；圖3是渦輪增壓器設備的另一實施例的沿通過渦輪增壓器主軸的縱向軸線的平面截取的截面圖，示出定子相對于壓縮機輪磁鐵沿軸向偏移的安裝方式；圖4是圖3的壓縮機輪的立面圖，示出緊固在壓縮機輪上的電動機磁鐵；圖5是緊固在一個面板上的電動機繞組的立面圖，該面板連接在電動機磁鐵附近的渦輪增壓器外殼上；圖6是渦輪增壓器設備的又一實施例的沿通過渦輪增壓器主軸的縱向軸線的平面截取的截面圖。示出一個在其中心外殼中一體形成的水套，用于接受發動機冷卻水流；圖7是增壓壓力相對于本發明的渦輪增壓系統和控制器的發動機速度的曲線圖，圖示相對于設有排氣閥的先有技術渦輪增壓器的過增壓損失；圖8是供根據本發明的一個實施例的二程循環發動機用的本發明控制系統的示意圖；圖9是供根據本發明的另一實施例的四程循環發動機用的本發明控制系統的示意圖。
優選實施例詳述本發明的優選實施例包括一個具有內部輔助的電動機-發電機的渦輪增壓器，它可以以多種構形實施。現在參考附圖，特別是圖1，渦輪增壓器10例如將一個旋轉電機的部件和本發明的渦輪增壓器組合在一起。
除了內部的電動機-發電機部件外，渦輪增壓器10為基本上常規的設計、結構和尺寸。渦輪增壓器10包括一個渦輪外殼或殼體12，用于支承多葉片排氣渦輪14和一個有多個葉片17的空氣增壓壓縮機輪16，兩者安裝在一個共用連接軸18的對置兩端上。渦輪機20包括一渦輪外殼12，后者有一排出氣流入口蝸管22，該蝸管22被連接成接受從內燃機來的排氣，該內燃機在某些用途中具有分成兩個區段22a、22b的排氣歧管，每個區段接受從不同一組的發動機氣缸(未示出)來的排氣。該排氣指向渦輪14和軸18并驅動它們轉動。在通過渦輪14后，排氣氣流通過排氣孔24流出渦輪增壓器。
固定在軸承外殼19中的軸18的轉動使在連接軸18的對置端部處設置的壓縮機輪16轉動，而燃氣在通過合適的濾清器(未示出)以除去污染物后通過壓縮機殼體28中形成的空氣吸入孔26而抽入。壓縮機殼體28包括一渦管30，用于將壓縮的燃氣引向發動機吸入歧管(未示出)。壓縮機輪16固定在鎖緊螺母32和軸承外殼19中的套管34之間的轉動軸18上。流入的燃氣被從動的壓縮輪葉片17壓縮，這些葉片17在壓縮機輪16的前表面上形成。在受壓縮機輪16壓縮并通過擴散器區段35之后，被壓縮的燃氣被引導通過入口蝸管30并被傳送到發動機的吸入歧管系統(未示出)。
圖1和2表示本發明的一種內部電動機-發動機/渦輪增壓器組件的一個優選實施例。例如，如圖1中所示，在這樣一種內部電動機-發電機33中，繞壓縮機輪16的背面大致周向地安裝一組磁鐵36，這些磁鐵36離連接軸18有恒定的徑向偏移距離，雖然可以想象出此種配置可以改變或以其它方式重新安置在本發明的機器內，以便產生更好的平衡、慣性、轉矩等等。在該實施例中，磁鐵36安裝在壓縮輪18的背面上形成的圓周形臺肩或凸緣38上，并通過沿圓周延伸的鋼止動套筒40抵抗離心力和軸向力而保持就位。
一種由圍繞疊層鋼芯46卷繞的銅線44之類導電體構成的電動機繞組如繞組42位于渦輪增壓器10的軸承外殼19中，并在固定于壓縮機輪16的磁鐵36的外面沿徑向延伸。在鋼止動套筒40和電動機繞組42的內徑之間設置一個通常用48表示的空氣間隙，以提供必要的運行間隙并防止其間的任何物理接觸。
發動機繞組42的導線44延伸到連接導線50，該連接導線50在位置52(示出在平面之外)處終結，在該處它們通過密封接頭54從中心外殼引出，然后引向一個控制和動力供給裝置(例如在圖8和9中的控制和動力供給裝置，下面還要敘述)。密封接頭54包圍連接線50，以防止水氣和污染物的入侵。電動機繞組42用一個或多個調整螺釘56保持在與連接軸18同軸的方位中，這些螺釘穿過軸承外殼19的向外伸出的區段58，并與電動機繞組42的外周面嚙合。
在本發明中，當定子即電動機繞組42受控制和動力源(如圖8和9)激勵時，磁鐵36將轉矩加到壓縮機輪16上并增大由排氣渦輪14施加到連接軸18上的轉矩，使渦輪增壓器的轉動組件比未按照本發明操作時轉動得更快。壓縮機輪16的更快轉動使它能在任何發動機速度下以更高的壓力向發動機供給更大的空氣流，由此改善發動機性能，同時減小在發動機加速期間排放的煙氣和污染物的量。
專業人員將會清楚，渦輪增壓器的沒有詳細討論的附加部件在該領域中是熟知的，包括設置在軸承外殼19中的軸的軸承和油的密封部件，這些油的密封部件是用于可靠地支承轉動組件和保存并過濾潤滑油所必需的，這些潤滑油通常由增壓油系統供給并冷卻那些軸承。例如，一般油流在油入口60處進入中心外殼，在通過軸承系統(包括例如滾珠軸承62和油導管64、66、68)后流到油排泄口70，然后被輸送回發動機油槽(未示出)。
現在參照圖2，電動機繞組即定子42包括多個由合適的可透磁材料制成的疊層46。定子42的疊層46被做成限定六個極，每個承載一個由銅線44制成的極繞組72，它們在疊層的外面導電地連接并可漸次地受到激勵而產生一個圍繞磁鐵36外面的轉動磁場。該生成的轉動磁場與安裝在壓縮機輪16上的磁鐵36的磁場耦合而協助渦輪增壓器(特別在低的發動機速度下)轉動。
圖3、4和5表示本發明的渦輪增壓器的第二實施例80，它包括一個內部電動機-發電機83。該第二實施例80包括多個磁鐵82，它們沿從臺肩84延伸的徑向具有較大的尺寸，該臺肩84形成在壓縮機輪16的背面上的徑向中間位置處。更具體地說，第二實施例的磁鐵82伸出一個較大的徑向高度到在臺肩84和外殼部分58的內表面86之間形成的環形空間內。定子88被支承在軸承外殼37中，與電動機磁鐵82成對置的軸向偏移關系。止動套筒85以前面敘述的方式將磁鐵82固定在壓縮機輪16上，以克服離心力和軸向力。圖3中所示的渦輪增壓器的其余部件基本上與圖1中所示的相同，并如前所述地完成相同功能。
圖3中示出了磁鐵的，安裝使繞組沿軸向偏離電動機磁鐵36，這允許使用沿壓縮機輪的背面沿徑向尺寸增大的較大磁鐵。較大的磁鐵尺寸與較大的轉矩相對應，與圖1中所示的實施例相比，該較大的轉矩因此可以施加在壓縮機輪16上。但是，圖3中所示的實施例使用沿軸向偏置的定子，增加了軸承外殼19內部的附加軸向空間，并在長度上增加了壓縮機輪16從壓縮機和軸承的懸垂。
再一次參照圖3，定子88安置在磁鐵82的附近，其間有一個小的空氣間隙。定子88的繞組包括六個疊層的芯92，銅線94以一層或多層卷繞芯92。通向每個線94的連接線引向單個位置并通過密封件96從軸承外殼37引出，并可連接于一控制和動力源(如圖8和9中所示，下面進一步敘述)。例如可以按照圖4中所示的一個具有四個磁鐵82的實施例來設置安裝在壓縮機輪16背面上的磁鐵82；但是，可以與該渦輪增壓系統一起采用數目更多或更少的電動機磁鐵82和數目更多或更少的定子極。按照圖4中所示的實施例，在壓縮機輪16的背面鄰近定子處以交替的北-南極方式設置四個磁鐵82，它們互相電絕緣。
圖5表示設置在面板98上的疊層磁芯92的前視圖，面板98連接在渦輪增壓器的軸承外殼37上。一個或多個霍爾(Hall effect)效應傳感器100固定在組件上并最好在一個或多個疊層磁芯92上的中心位置處，這些傳感器用于檢測轉動件上的磁鐵82(圖4)的位置并將一信號連到控制器(如圖8和圖9中所述，在下面進一步敘述)，用于指示渦輪增壓器轉子速度和何時每個獨立的繞組場受到激勵。
如前所述，由于被安裝在渦輪增壓器的轉動的壓縮機輪上并與其絕緣，所以渦輪增壓器實施例10或80的電動機磁鐵仍然較冷。壓縮機輪吸入處于環境溫度下的空氣，由于壓縮過程在壓縮機輪的背面上磁鐵位置外側良好地發生，因此溫度上升。但是，可以通過設置一整體結合在渦輪增壓器軸承外殼(如圖1中的軸承外殼19)中的冷卻氣流路徑來冷卻繞組，如圖6中所示。更具體地說，從發動機冷卻系統來的冷卻水能夠在入口104處進入水套102，通過水套102進行循環，然后在出口106處流出。冷卻水套102延伸到并通過顯著的積熱區，這些積熱區與渦輪增壓器外殼內的定子繞組42成熱傳遞關系。當然，冷卻流體循環可以與裝有本發明渦輪增壓器的內燃機所用的冷卻系統無關。
實施例10或80的渦輪增壓器或外部電動機-發電機在本發明的電動控制器的指令下的性能表示在示范性渦輪增壓的柴油機的升壓對發動機速度曲線上，這表示于圖7中，也進一步表示于圖8和9中，控制器144、182控制渦輪增壓器組件142、162的輔助電動機-發電機146、164,其操作將在下面描述。
如上所述，本發明的渦輪增壓器可以包括一個或多個傳感器(如100)，它們可以將渦輪增壓器的轉子速度作為信號輸出到輔助電動機-發電機控制器144、182上。當該控制器包括微處理器時，電動機-發電機控制器144、182可以包括或被編程而包括將渦輪增壓器轉子速度轉換為發動機速度的機構。除此之外或作為替代，控制器可以被供給從發動機轉速表來的發動機速度信號和/或發動機歧管壓力信號，或其它可以利用的發動機參數信號(在圖8和9中用虛線145和165指示)，并可利用這些發動機信號來啟動輔助電動機-發電機，停止輔助電動機-發電機，和通過與電流負載的連接來給輔助電動機-發電機加載，這在下面敘述。
如實線的性能曲線130所示，在約600RPM的低空轉速度下，由于排氣氣流的低溫和低流量，先有技術系統的渦輪增壓器不能產生顯著的增壓壓力。在超過約1400RPM即滿載的發動機速度下，渦輪增壓器將超速并且在沒有廢氣閥的情況下將產生大于容許限度(表示為約45英寸汞柱的示范性增壓壓力)的增壓壓力，如圖7中點劃線134所示。但是，在帶有一個于或大約于容許增壓壓力限度(如45英寸汞柱)操作的增壓壓力控制的排氣閥的情況下，渦輪增壓器的增壓限于容許限度，如實線130所示。但是，排氣閥通過在渦輪增壓器渦輪機周圍排出廢氣流和流出排氣管而不理想地浪費了高于此限度的能量。
但是，根據本發明，對于一臺示范性的柴油發動機在額定速度達到2000RPM的整個發動機速度范圍內(以及在其它柴油發動機和其它類型的內燃發動機的更高或更低的發動機速度下)，一臺具有輔助電動機-發電機的渦輪增壓器可以給發動機提供一個理想的增壓曲線。輔助電動機-發電機(例如上述實施例的內部電動機-發電機33或83)起電動機作用，并輔助渦輪增壓器以空轉時預定最小速度和大到1400RPM的中等轉矩峰值速度轉動，如虛線132所示。高于1400RPM的中間轉矩峰速時，輔助電動機-發電機(如33或83)起發電機的作用，在高于1400RPM的速度下制動該渦輪增壓器，以便在容許增壓壓力限度下保持基本上恒定的升壓(如虛線132所示)，而并不如先有技術所需地以其它方式放出有用的排氣流能量。由于沒有排氣閥排氣的無輔助渦輪增壓器超速產生的過大增壓壓力用點劃線134表示，該曲線在高于增壓壓力限度的增壓壓力處從性能曲線130延伸。
輔助電動機-發電機(如上述實施例的內部電動機-發電機33或83)可以被設計成，當由控制器將內燃機電池(如圖8和9的150或168)的滿電壓加到輔助電動機-發電機上時和當渦輪增壓器轉子被發動機排氣能量推動到更高速度時(如在圖7例子中在大于1400RPM的發動機速度下)，使渦輪增壓器在所要的最大轉子速度下轉動。該輔助電動機-發動機可以產生電流，用作(例如)使內燃機電池重新充電的電力負載并起使渦輪增壓器轉子轉動的制動器的作用。作為本發明結果的發動機制動作用被表示為發動機速度大于1400RPM時曲線132和134之間增壓壓力的差異。圖7是本發明一個結果的示例。按照不同種類的發動機應用的要求，輔助電動機-發電機的電動機轉矩和發電機輸出可以由控制機構改變而產生其它的增壓對發動機速度的特性曲線。
可以產生一種非常理想的操作方式，辦法是在第一激勵水平下在低發動機速度下操作該輔助電動機-發電機(如33或83)，以輔助渦輪增壓器保持預定的產生增壓的速度水平，然后當要求發動機從低發動機速度加速到較高速度時短時間地升高激勵水平。以這種方式，該輔助電動機-發電機可以產生一個轉矩，該轉矩比發動機加速期間由渦輪增壓器提供用以提高增壓壓力的第一水平還要高出很多，由此降低排出的煙氣，降低排出的發射物，縮短加速時間，并改善發動機對負載突然變化的反應。可以理解，本發明不限于柴油機，可以應用于具有排氣氣流的任何種類的內燃機。
利用合適的電氣控制來改變電動機轉矩和發電機制動效果，可以得到許多其它所希望的操作特性。再一次參照圖8和9，示出操作二行程和四行程內燃機用的控制系統；這些控制系統提供增強的操作控制，具有所有上述優點。
更具體地說，參照圖8，在用標號140示意表示的二程循環內燃機的情況下，發動機沒有吸入沖程，除非在曲柄轉動期間利用一個壓縮機迫使燃氣進入汽缸141，否則發動機不可能起動。采用本發明的電動機輔助渦輪增壓器系統，當發動機被起動電動機回轉時輔助電動機可以被激勵，而渦輪增壓器轉子可以被輔助電動機以充分足夠高的速度轉動從而在吸入歧管系統中提供正的增壓。因此不需要獨立的受發動機驅動的壓縮機以提供起動用的增壓，也免去了其相關機械驅動系統的復雜性，從而節省了重量和減少了系統復雜性。
圖8表示應用于具有電動機輔助的渦輪增壓器142的二程循環發動機的本發明控制系統的第一實施例。該控制系統包括一個電氣控制器144，它被可操作地連接，以便將激勵電流供應給渦輪增壓器用的輔助電動機146。當該二程循環發動機14。被起動時點火開關148被閉合，由此由能量源150激勵輔助電動機146，從而將渦輪增壓器轉子加速到最小的連續操作速度，該速度使發動機140能夠起動并在輕載下運行。當氣缸踏板、節流聯動裝置或變速桿(未示出)被移動而快速地加速發動機和/或汽車時，一個“節流”開關152被關閉而接通一個超高能量源154，該超高能量源補充能量源150以超強激勵輔助電動機146而幫助加速渦輪增壓器轉子，并因此改善發動機的加速性“節流”開關152可以設置一個緩沖筒操作器，使得只有當快速移動發動機節流閥時才閉合“節流”開關。
一個供渦輪增壓器142用的轉子速度傳感器156(它可以設置在渦輪增壓器142中的一個內置電動機的附近或其中)可以向控制器144發送一個轉子速度信號156a，以便當轉子速度超過預定高的水平時斷開電動機146的兩個激勵電路150、154，此時渦輪增壓器142能夠產生比排氣壓力高的增壓壓力，由此維持發動機操作。在任何后隨的時間中，當渦輪增壓器轉子速度下降到一個使渦輪增壓器不再能維持發動機操作的水平時，可以通過控制器144利用轉子速度信號來激勵的輔助電動機146處于其最小連續水平，而該輔助電動機146可以輔助該渦輪增壓器維持一個保持發動機操作所必需的轉子速度。在任何時間，當需要發動機加速時，節流開關152閉合超高激勵電路154，以再次輔助渦輪增壓器和發動機加速。在任何時間當轉子速度超過預定的高水平如對應于增壓壓力限度的水平時(圖7)，轉子速度信號156a被控制器144用于斷開兩個激勵電路150、154。如果希望，除此之外或作為替代，可以給控制裝置144提供一個或多個發動機操作信號145以實現該操作。
圖9表示應用于四程循環發動機的本發明控制系統的另一實施例，該發動機用標號160示意地表示，使用了一個由控制器182控制的電動機輔助的渦輪增壓器162，如下面所描述的。與二程循環發動機不一樣，四程循環發動機包括一吸入沖程且不需要輔助壓縮機來產生發動機增壓空氣。因此，四程循環發動機可以不需渦輪增壓器裝置162的輔助而起動。
在圖9的系統中，當需要發動機160在負載下加速(例如)來移動一輛有負載的車輛時，在自動變速的情況下車輛變速桿被推進到驅動位置，或者在手動變速的情況下，選擇和嚙合適當的齒輪。這一動作閉合一個傳動開關166，該開關通過控制器182啟動了供渦輪增壓器(如164)用的輔助電動機的連續操作，即通過連續能源168(如內燃機電池)激勵該輔助電動機。通過將渦輪增壓器轉子速度增大到一預定的最小速度來為發動機第一次加速做好準備。然后，當車輛氣動踏板或節流閥(未示出)被快速操作時，例如為車輛急加速，一個“節流”開關170被閉合，而且通過控制器182，輔助電動機164由超高能量源172進行超強激勵，以輔助渦輪增壓器和發動機加速。該“節流”開關170可以設置一個緩沖筒操作器，使得只有當車輛氣動踏板或節流閥快速移動時該“節流”開關才閉合。
一個供渦輪增壓器162用的轉子速度傳感器174可以設置在渦輪增壓器中的內部輔助電動機164內，該傳感器174可以向控制器182提供渦輪增壓器速度信號174a，當渦輪增壓器轉子速度達到一預定的最大速度如對應于增壓壓力限度的速度時，控制器可以斷開兩個能量源168、172。任何時間當轉子速度下降到預定的最小水平以下時，轉子速度傳感器174將一個速度信號174a傳送給控制器182以閉合電動機的連續激勵電路168，從而將轉子速度保持在預定的最低水平上，以準備發動機160的下一次加速。在發動機160操作期間，一股增壓空氣流從渦輪增壓器162被引導通過空氣吸入系統176而經吸入閥188引入發動機汽缸178。如果需要，除此之外或作為替代，可以向控制器182提供一個或多個發動機操作信號165以實現此類操作。
在操作中，在內燃機額定功率為在發動機的中速至高速范圍內可以利用過剩的排氣能量的場合下，電動機輔助的渦輪增壓器162中的電動機-發電機164將以一個高到足以產生電流的速度操作。在這種情況下，該電流可以通過控制器182反饋而對能量源168、172中的任一個再充電，這些能量例如可以是內燃機或汽車用的電池或電池組。如果這些電池被充分地充電，那么控制器182可以被編制程序而通過開關192將電流轉向到其它附屬設備或一個電流耗散電阻190上，以便提供渦輪增壓器轉子制動。
在使用二程循環或四程循環發動機140、160的電動機輔助的渦輪增壓器142、162中，輔助電動機可以設置一個內部溫度傳感器(未示出)作為保護裝置，如果內部溫度超過一個預定的安全值，該傳感器就給控制器144、182發出信號而使輔助電動機斷電。
對于希望監控渦輪增壓器轉子速度的應用場合，可以由電動機或控制器供給一個數字讀出顯示器(未示出)，并在發動機操作期間在任何時間在方便的觀察位置進行顯示。
這樣，本發明的系統有多重功能以輔助方式用于輔助處于低發動機速度中的和在加速期間的內燃機，并對發動機處于中速至高速時的渦輪增壓器轉子起制動作用。該輔助電動機-發電機在高發動機速度和負載下，可你為發電機以發電機方式工作，與一個可以調節電流將其送向電池充電電路的控制器相結合，而當貯電電池完全充電時，可以使過剩電流轉向到其它用途或轉到電流耗散電阻上。
雖然本文已經描述了本發明的某些優選實施例，但使用本發明的該技術的專業人員可以清楚，可以對已描述的實施例進行變化和修改而并不偏離本發明的精神和范圍。因此，預定本發明僅僅在附屬的權利要求書和適用的法律條文所要求的程度上受到限制。
權利要求
1．一種與內燃機一起使用的渦輪增壓系統，包括一個包括轉子的渦輪增壓器，具有一個用于接受從內燃機來的排氣流的排氣渦輪和一個向內燃機提供壓縮空氣的受渦輪驅動的壓縮機；一個輔助電動機-發電機，用于輔助渦輪增壓器向內燃機提供壓縮空氣；一個控制器，用于根據渦輪增壓器轉子速度由外部能量源激勵所述輔助電動機-發電機和對后者解除激勵；一個傳感器，用于向所述控制器提供一個渦輪增壓器轉子速度信號。
2．權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中所述控制器激勵作為電動機的所述電動機-發電機，以便將渦輪增壓器轉子速度保持在最低的連續水平，以準備加速發動機。
3．權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中所述控制器超強激勵作為電動機的所述電動機-發電機，以便在發動機加速期間輔助加速該渦輪增壓器轉子。
4．權利要求1所述折渦輪增壓系統，其中當渦輪增壓器轉子速度達到一預定水平時，所述控制器使所述輔助電動機-發電機解除激勵。
5．權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中在大于預定的發動機速度時所述控制器使所述電動機-發電機產生一個電流，從而對渦輪增壓器轉子起制動作用。
6．權利要求5所述的渦輪增壓系統，其中在大于預定的發動機速度時所述控制器使所述電動機-發電機產生一個，從而對內燃機保持恒定的增壓空氣壓力。
7．權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中一個點火開關輸入信號連接在所述控制器上，而所述控制器開關激勵作為電動機的所述電動機-發電機，以便將渦輪增壓器驅動到一個根據所述點火開關輸入信號向二程循環內燃機提供起動空氣所需的速度。
8．權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中所述控制器激勵作為電動機的電動機-發電機，以便將渦輪增壓器轉子速度保持在最低的連續水平，以便當排出氣體的能量水平不足以維持發動機操作時使一個二程循環內燃機能夠操作。
9．一種與內燃機一起使用的渦輪增壓系統，包括一個渦輪增壓器，包括一個排氣渦輪，用于接受從內燃機來的排氣氣流和驅動一個向內燃機提供壓縮空氣的壓縮機；一個輔助的發電機-發電機，用于輔助渦輪增壓器向內燃機提供壓縮空氣；一個控制器，用于激勵所述輔助的電動機-發電機和對其解除激勵；一個傳感器，用于向所述控制器提供一個渦輪增壓器速度信號；一個傳感器，用于向所述控制器提供一個指示發動機傳動嚙合的信號；一個傳感器，用于當發動機在負載下要求加速時向所述控制器提供一個從所述內燃機的節流聯動裝置來的信號。
10．一種與內燃機一起使用的渦輪增壓系統，包括一個渦輪增壓器，包括一個用于接受從內燃機來的排氣流的排氣渦輪和一個用于接受環境空氣的燃氣壓縮機，所述壓縮機和所述排氣渦輪操作而將壓縮空氣引向所述內燃機；一個輔助電動機-發電機，用于通過所述渦輪增壓器在預定的渦輪增壓器最小增壓和預定的渦輪增壓器最大增壓之間輔助將壓縮空氣引向所述發動機，并用于當發動機排氣中存在過剩能量時產生電力。
11．權利要求10所述的渦輪增壓系統，包括一個供所述輔助電動機-發電機用的控制器，其中所述輔助電動機-發電機受到激勵而將渦輪增壓器保持在一個對應于最小空氣壓力的速度。
12．權利要求10所述的渦輪增壓裝置，包括一個供所述輔助電動機-發電機用的控制器，其中當所述渦輪增壓器達到一個對應于預定增壓的速度時所述輔助電動機-發電機被所述控制系統解除激勵。
13．權利要求10所述的渦輪增壓裝置，包括一個供所述輔助電動機-發電機用的控制器，其中當所述渦輪增壓器達到一個最大的渦輪增壓器增壓時所述輔助電動機-發電機被所述控制系統解除激勵。
14．權利要求10所述的渦輪增壓裝置，包括一個控制器和一個第一激勵電路，其中所述輔助電動機-發電機從所述第一激勵電路受所述控制器激勵，以便保持一個對內燃機的基本上恒定的增壓。
15．權利要求10所述的渦輪增壓裝置，包括一個第二激勵電路，其中所述輔助電動機-發電機從所述第二激勵電路受所述控制器激勵而在內燃機加速期間提供一個增大的增壓。
16．一種內燃機用的電動機-發電機渦輪增壓系統，包括一個具有內部電動機-發電機的渦輪增壓器，其中該內部電動機-發電機可以由一個外部動力源激勵，以便在一個低的發動機速度范圍內輔助該渦輪增壓器，并可在一個中等到高的發動機速度范圍內產生電流，從而將渦輪增壓器的轉動速度限止在一個預定值。
17．權利要求16所述的電動機-發電機渦輪增壓系統，還包括一個控制機構，用于改變處于低速下的內部電動機-發電機的激勵水平和用于設定處于高的發動機速度范圍內的渦輪增壓器轉動速度限制的水平。
18．權利要求17所述的電動機-發電機渦輪增壓系統，其中該控制器將產生的電流引回到外部能量源。
19．一種內燃機用的電動機-發電機渦輪增壓系統，包括一個渦輪增壓器和一個輔助電動機-發電機；以及一個控制器，用于在低的發動機速度下在低水平激勵時連續地激勵所述輔助電動機-發電機和用于當內燃機被加速時用較高的激勵水平來激勵所述輔助電動機-發電機。
20．一種使內燃機渦輪增壓的方法，包括下列步驟提供一個渦輪增壓器，用于利用從內燃機來的排氣能量，以便產生壓縮的燃氣流；提供一個電動機，連接用于輔助該渦輪增壓器產生所述壓縮的燃氣流；向所述電動機提供能量，用于輔助該渦輪增壓器達到一預定的發動機速度；利用速度超過所述預定的發動機速度的過剩排氣能量以產生電能。
21．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟。通過操作電動機將渦輪增壓器保持在最低速度。
22．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟當渦輪增壓器達到升高的操作速度時，使電動機解除激勵。
23．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟在內燃機的轉矩峰值附近減小電動機輸出轉矩。
24．權利要求23所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟切換電動機的操作，使其從輔助方式變為產生電能方式。
25．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟將產生的電能用于制動在升高的渦輪增壓器速度下的渦輪增壓器。
26．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟對電動機的內部溫度進行感測，如果被傳感的溫度超過一預定溫度對電動機解除激勵。
27．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟將產生的電能引向車輛的電系統。
28．權利要求27所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟將電能引向貯電電池。
29．權利要求20所述的渦輪增壓方法，包括下列附加步驟將電能引向耗散電阻裝置，以便制動渦輪增壓器轉子。
30．一個供電動機輔助的渦輪增壓器用的控制器，該渦輪增壓器用于將壓縮的燃氣供給內燃機，該控制器包括一個第一輸入電路，用于接受指示發動機傳動嚙合的第一信號；一個第二輸入電路，用于接受渦輪增壓器轉動速度的第二信號；一個第三輸入電路，用于接受指示需要增大功率的第三信號；一個由所述第一信號操作的第一開關，用于將一預定的第一電能水平連接到該電動機輔助的渦輪增壓器的電動機上；一個由所述第二信號操作的第二開關，用于從所述電動機斷開電能；一個由所述第三信號操作的第三開關，用于將一第二較高的電能水平連接到所述電動機上。
31．一種與內燃機一起使用的渦輪增壓系統，包括一個渦輪增壓器，包括一個排氣渦輪，用于接受從內燃機來的排氣流和驅動一壓縮機，該壓縮機處于將壓縮空氣提供給內燃機的速度下；一個輔助電動機-發電機，用于輔助渦輪增壓器向內燃機提供壓縮空氣；一個供輔助電動機-發電機用的控制器，所述控制器與從內燃機來的輸入相連接并操作所述輔助電動機-發電機，以便在預定的發動機低速和預定的發動機中速之間驅動所述渦輪增壓器，并在預定的發動機中速以上制動該渦輪增壓器。
32．權利要求31所述的渦輪增壓系統，其中所述輔助電動機-發電機被所述控制器激勵，以便將渦輪增壓器保持在一預定的最低速度。
33．權利要求31所述的渦輪增壓系統，還包括一個測定渦輪增壓器速度用的傳感器，其中當所述渦輪增壓器達到一預定的轉動速度時所述輔助電動機-發電機被所述控制器解除激勵。
34．權利要求31所述的渦輪增壓系統，其中所述控制器利用第一能量源激勵所述輔助電動機-發電機，以便對內燃機保持一預定的最低增壓壓力。
35．權利要求34所述的渦輪增壓系統，其中所述控制器利用另一個能量源激勵所述輔助電動機-發電機，以便在加速期間提供增大的增壓壓力。
36．權利要求31所述的渦輪增壓系統，其中輔助電動機-發電機可以在選定的發電機速度范圍內由產生的電流控制而將渦輪增壓器速度限制在一預定的最高水平。
37．權利要求36所述的渦輪增壓系統，其中所選定的發動機速度范圍超過該預定的發動機中等速度。
38．權利要求36所述的渦輪增壓系統，其中所述選定的發動機速度范圍包括一個在該速度上產生最大的發動機轉矩的發動機速度，延伸到最高的發動機速度。
39．權利要求31所述的渦輪增壓系統，其中所述輔助電動機-發電機被包括在渦輪增壓器裝置內。
全文摘要
一種與內燃機一起使用的渦輪增壓系統(10),包括一輔助的電動機－發電機(33)和控制器(144,,182),用于增強渦輪增壓的內燃機的性能,使包括廢氣門的渦輪增壓器所固有的損失減小。該受控的輔助電動機－發電機提供增強的渦輪增壓器增壓,使增壓壓力限度以下的渦輪滯后減小,并能在高的排氣流速率下產生電流。
文檔編號F02B37/10GK1211300SQ97192217
公開日1999年3月17日 申請日期1997年10月7日 優先權日1996年10月15日
發明者E·M·哈里米, W·E·伍倫維伯 申請人:渦輪動力系統有限公司