帶內置輔助電機的渦輪增壓系統及其冷卻系統的製作方法

2023-04-27 22:41:11 1

專利名稱：帶內置輔助電機的渦輪增壓系統及其冷卻系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機排放氣體驅動的渦輪增壓器，特別是涉及採用一內置電機以提高低排氣量時的輸出。
背景技術：
為了增加特定排放容量的內燃機的動力輸出，可藉助於一渦輪增壓器通過壓縮空氣來提供附加的空氣。附加的空氣允許更多的燃料燃燒以增加動力輸出。
在很低的發動機速度時，例如低速空轉，沒有足夠的排氣能量驅動渦輪增壓器快到足以產生顯著的助推效果。結果，在發動機節流閥門打開和渦輪增壓器運轉的快到足以產生足夠的助推壓力以消除加速時的煙霧之間有一明顯的滯後時間。因此採用了齒條限制裝置或膜盒控制之類的燃料控制裝置，以限制輸送到發動機氣缸的燃料數量，直到渦輪增壓器能輸送足夠的空氣以產生無煙燃燒為止。這些燃料限制裝置造成對節流打開的反應較慢，並造成發動機和汽車的反應遲緩。
因此，當需要增加發動機的動力輸出的這些時候，就必須提高排氣驅動的渦輪增壓器的輸出。
發明概述為了幫助了解本發明，可以用概述的形式敘述本發明，它所涉及的是一種廢氣驅動的渦輪增壓器，該渦輪增壓器帶有一個在排氣流速低時維持壓縮機速度的內置電機，以便向發動機提供足夠的空氣，來消除未燃燒的碳氫化合物和排出的煙霧，以及在加速時儘早提高動力。本發明包括的結構限制了電機的溫度過高並可限制傳導到電機的熱量。
本發明的一個方面是通過設置一個內置電機向一個由排氣膨脹所驅動的渦輪增壓器提供動力，以便提供扭矩來協助驅動軸沿與排氣膨脹相同的方向旋轉。
本發明的還一個方面是提供一種帶有內置電機的廢氣驅動渦輪增壓器，採用冷卻電機的措施，以便在運轉期間和之後限制電機溫度。
本發明的還一個方面是提供一個位於排氣渦輪和電機之間的隔熱件，以便在運轉期間和之後限制熱量由排氣渦輪傳導到電機。
本發明的另一個方面是提供一種排氣驅動的壓縮機，空氣沿一個方向從內置電機流到排氣渦輪，以便從電機周圍的結構中帶走熱量。
被認為具有新穎性的本發明特徵在後面的權利要求書具體地列出。參照後面的描述並結合附圖，可更好地了解本發明的構成及其操作方式，以及其它目的和優點。
附圖的簡要描述

圖1是一縱向剖視圖，該剖視圖通過汽車排氣驅動的渦輪增壓器的排氣渦輪和空氣壓縮機，並通過軸承和電機外殼，顯示了位於軸承外殼內的軸承之間的內置電機；圖2是沿圖1中所示2-2線截取的放大橫向剖視圖；和圖3示出了電機及其周圍結構的詳細結構。
優選實施例的描述本發明的渦輪增壓系統在圖1中通常以標號10表示。沿排氣渦輪12和充氣壓縮機14的連接軸16的中心線的縱剖視圖最清楚地表示了排氣渦輪12和充氣壓縮機14。排氣渦輪具有一進口渦管18，它被連接成接納來自內燃機例如柴油機的廢氣。葉輪20安裝在軸16上並使廢氣膨脹。廢氣被排放排氣管22之外。葉輪20對軸16施加一扭矩並使軸16轉動。
在軸的另一端，進氣口24接納來自外界的穿過一空氣過濾器或類似裝置之後的空氣，過濾器排除了一大部分的物理汙染物。進氣口24是渦輪增壓器的一部分，渦輪增壓器包括渦管26。壓縮機葉輪28安裝在軸16上並與之一起旋轉。壓縮機葉輪的轉動壓縮進入的空氣，所述空氣通過渦管，有時通過一中間冷卻熱交換器，輸送到內燃機。
通常由標號30表示的一軸承和電機外殼是一分隔中的外殼，如圖2所示，以便於組裝內部零件。然而，為了說明清楚起見，圖1中以剖視圖示出了外殼30。軸承32和軸承34大致在軸承外殼30的端部環繞著軸16。將所述軸承隔開的儘可能遠最為理想，以便提高軸的穩定性。軸承外殼30除了支承軸承外，壓縮機渦管26和渦輪機渦管18也安裝在軸承外殼30上。油入口36將機油輸送到軸承外殼，在此它進入環形油道38。進入軸承32和34的潤滑油從環形油道38經由軸承油道40和42來提供。大部分結構在圖2和圖3中也可以看到。環形油道38帶有通向排油腔48的排油口44和46，排油腔有一出口連接件50，用以使油返回到發動機，以重複利用。從軸承32和34朝軸承外殼的內部排出的油直接流入排油腔48。從軸承向排油腔之外流動的油經過返回通道52和54返回到排油腔。所述軸在標號56和58處具有密封，以防止流出的油流入壓縮機和膨脹機。
如上面所討論的，在發動機速度很低，例如空轉時，沒有足夠的廢氣能量將渦輪增壓器驅動得快到足以產生有效的增壓效果。結果，在發動機節流閥門打開和渦輪增壓器運轉得快到足以產生足夠增壓壓力以消除加速時的煙霧之間有一明顯的滯後時間。為了克服壓縮機運轉太慢的問題，在軸承外殼內並於軸承之間安裝有電機56，電機的轉子安裝在軸16上。一較佳類型電機是在轉子上具有永久磁鐵，以避免電機中常有的高速時換向問題。如圖3所示，軸16具有一直徑減小的頸部58，其內設置有一隔熱套60。四塊磁鐵62,64,66和68繞隔熱套60設置(見圖2)。磁鐵相互之間略微隔開以防止極端部相靠。磁鐵被成形為一圓柱形管的縱向弓形體。磁鐵的長度應能填滿頸部58。卡圈70繞磁鐵的中部卡緊以幫助磁鐵承受強大的離心力。
示於電機的左側的甩油環結構72，及其示於電機的右側的成對甩油環結構74各實現三個功能。甩油盤76保持油遠離電機。此外，密封78使油不得進入電機。而且，環繞軸16的甩油環結構的套圈具有一個包圍磁鐵的端部的凹槽80。這樣，甩油環結構的套圈就包圍磁鐵的外側，以保持端部沿縱向和徑向定位。
電機56的定子82包括多個多層，例如分層結構84，由適當的可透磁的材料製成。如圖2所示，分層結構限定了六個極，例如極86。極上支承有繞組，例如極86上的繞組88。這些繞組從外部導電連接於電機，並可適當地被有選擇和順序地通電以繞軸產生一個旋轉的磁場。該旋轉磁場與構成電機轉子的磁鐵62至68的磁場耦合，從而使得軸16旋轉。控制磁場的轉動速度就控制了電機的速度。
在這種性質的環境中，控制傳導到電機的熱量並限制電機所達到的峰值溫度是非常重要的。熱的主要來源是進入渦輪增壓系統中渦管18的內燃機廢氣。渦管被直接安裝在軸承外殼30上，但安裝面積要儘可能小，以便減小從渦管到外殼的熱傳導。環形油道38直接位於電機分層結構的外側，並且就是這裡的油帶走了大部分進入外殼30的熱量。環形油道靠近電機，並且通過其中的油要充分，以便當系統在平衡動作時限制溫度。隔熱元件上60減小了到達並通過轉子磁鐵的熱傳導。此外，排氣渦輪的葉輪20最好安裝在一個隔熱杯90上，如圖1所示隔熱杯90包在軸16的排氣渦輪端。在渦輪轉子的下面和電機轉子磁鐵的下面採用隔熱措施，結合連續油液循環所實現的油冷，足以在大致平衡的條件下控制電機的溫度。
當以合理的負載平衡條件運行之後關閉系統時，會產生另一個問題。在排氣渦輪的渦管18和它的轉子20中有相當大的熱質量，並且它在廢氣溫度下一直在運行。渦管機械地連接於也處於熱態的發動機的排氣系統。渦輪出口連接於一個消音器，但排氣管傳統上是由薄壁結構構成，這樣就不能傳送走大量的熱。當關機時，在排氣渦輪的渦管的熱質量中的熱大部分進入軸承和電機外殼30，而提高了它們的溫度。如果熱量不能及時排出，吸入軸承外殼和電機的熱量就會將其溫度升高到難以接受的程度。不能超過磁鐵的居裡溫度，居裡溫度取決於材料。越昂貴的材料具有越高的居裡溫度。這樣，限止了溫度就允許使用較便宜的磁鐵材料。排氣渦輪的葉輪的下方的隔熱件以及磁鐵的下方的隔熱件兩者限制了磁鐵溫度。
在一個現有的最佳實施例中，理想的是設置一個穿過軸16的中心的空氣通道90′。電機92驅動氣泵94，氣泵94通過一網屏96抽吸空氣。該網屏可以是一傳統的空氣過濾器。氣泵將空氣輸送通過向下取向的止回閥98且通過臂部100到達噴嘴102。噴嘴102將空氣輸送通過空氣通道90′，到軸的端部排出，進入廢氣管22。這樣就將熱量沿著將熱量從排氣渦輪的渦管吸入軸的方向相反的方向排出該軸。
儘管使空氣通過中空的軸的該冷卻系統主要用於在關機時防止吸入軸承外殼的熱量使電機溫度升的過高，但在安裝後，它也可以在渦輪增壓系統運轉期間操作。由於可以從空氣壓縮機14得到壓縮的空氣，它由渦管26引出並被送過止回閥104到達三通管106，在此氣流加入通道，向下通過臂部100。止回閥98和104的目的是在關閉渦輪增壓系統的時候防止氣泵94將空氣送到渦管，並在渦輪增壓系統運行的時候防止渦管將空氣送到氣泵94。如上所述，採用該中空的軸及其氣流冷卻系統並非必須依附於其它的熱流控制和溫度限制結構。這樣，兩者可以獨立地採用。
上面以目前所構思的最佳模式描述了本發明，並且很清楚在本領域技術人員的能力內可容易地作出許多改動，模式和實施例，而不超出本發明的範圍。相應地，本發明的範圍由後面的權利要求書的範圍限定。
權利要求
1．一種渦輪增壓系統，其包括一個外殼，所述外殼在其內設有第一和第二隔開的軸承，一根軸從一第一端到一第二端延伸穿過所述外殼並穿過所述軸承，這樣一空氣壓縮機可安裝在所述軸的所述第一端，並且一排氣渦輪可安裝在所述軸的所述第二端，以便驅動所述軸在所述軸承內轉動；和一個在所述外殼內位於所述軸承之間的電機，所述電機帶有一安裝在所述軸上的轉子和一固定在所述外殼上的定子，這樣所述電機可被通電以使所述軸以預先選定的最小速度轉動，即使沒有充分的廢氣被供給到渦輪來保持該預先選定的最小速度，該最小速度被預先選定以便除了排氣渦輪單獨提供的增壓空氣量之外向一發動機提供增壓空氣。
2．如權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中所述外殼具有與所述定子相鄰的流體通道，以便冷卻所述定子。
3．如權利要求2所述的渦輪增壓系統，其中所述通道是油道，並且所述油道亦被連接成潤滑所述軸承。
4．如權利要求3所述的渦輪增壓系統，其中在所述轉子和所述軸承之間有分隔裝置，以防止軸承的油進入所述轉子。
5．如權利要求4所述的渦輪增壓系統，其中所述分隔裝置包括一安裝在所述軸上的甩油環。
6．如權利要求4所述的渦輪增壓系統，其中所述分隔裝置包括一個相互連接所述軸和所述外殼的密封。
7．如權利要求6所述的渦輪增壓系統，其中所述分隔裝置也包括一安裝在所述軸上以便與所述軸一起旋轉的甩油環。
8．如權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中所述電機轉子安裝在所述軸上並包括位於所述轉子和所述軸之間的隔熱件。
9．如權利要求8所述的渦輪增壓系統，其中所述電機轉子包括多個磁鐵，每塊磁鐵被大致成形為一圓柱形管的縱向弓形體。
10．如權利要求9所述的渦輪增壓系統，其中一卡圈安裝在所述軸上並與所述轉子磁鐵的各端部相鄰，所述卡圈環繞所述轉子磁鐵以便將它們保持在所述軸上。
11．如權利要求10所述的渦輪增壓系統，其進一步包括一個大致在其中部環繞所述磁鐵的卡圈。
12．如權利要求10所述的渦輪增壓系統，其中位於所述軸各端的所述卡圈在其上還支承一密封。
13．如權利要求10所述的渦輪增壓系統，其中每個所述卡圈還在其上支承一甩油環。
14．如權利要求1所述的渦輪增壓系統，其中在所述軸的所述第二端上安裝有一個排氣渦輪轉子，並且其還包括位於所述排氣渦輪轉子和所述軸的所述第二端之間的隔熱件，以防止熱量從所述排氣渦輪轉子傳導到所述軸。
15．如權利要求14所述的渦輪增壓系統，其中所述軸是中空的且其還包括用以通過所述軸從所述第一端朝所述第二端供給空氣的裝置，以便從所述軸上帶走從所述軸的所述第二端朝所述電機傳導的熱量。
16．如權利要求15所述的渦輪增壓系統，其中供給空氣的所述裝置包括一個氣泵，這樣即使當所述軸不轉動時也可通過所述軸供給空氣。
17．一種渦輪增壓系統，其包括一外殼，所述外殼具有一第一端和一第二端，所述外殼帶有一根貫穿它的軸，第一和第二隔開的軸承安裝在所述外殼內，所述軸延伸穿過所述軸承，這樣所述軸可轉動地安裝在所述軸承上所述軸從所述外殼的所述第一端和所述第二端兩者伸出，所述外殼被構造可將一壓縮機渦管安裝在所述外殼的所述第一端上並可將一空氣壓縮機轉子安裝在所述軸的所述第一端上，以便能夠向內燃機提供增壓空氣，所述外殼被構造成可將一排氣渦管安裝在所述外殼的所述第二端並可將一排氣渦輪轉子安裝在所述軸的所述第二端，這樣可將所述渦管連接成接納來自內內燃機的廢氣並驅動所述軸，所述外殼內具有用以連接潤滑流體供給源的通道，以便潤滑所述外殼內的所述軸承，並具有用以從所述外殼排出潤滑流體的連接件；和一個電機，所述電機具有安裝在所述軸上位於所述軸承之間的一個轉子並具有一個位於所述外殼內的定子，所述電機被連接成即使廢氣流不足以保持所述軸的選定最小轉時該電機能夠保持所述軸的這一選定速度，所述潤滑流體通道相對於所述定子定位以冷卻所述定子。
18．如權利要求17所述的渦輪增壓系統，其中所述選定最小轉速應足以向一發動機提供足夠的增壓空氣，以便顯著減小未燃燒的碳氫化合物和廢氣煙霧。
19．如權利要求17所述的渦輪增壓系統，其中所述潤滑劑通道包括一個環繞所述定子的環狀通道。
20．如權利要求17所述的渦輪增壓系統，其中在所述第一軸承與所述轉子之間和所述第二軸承與所述轉子之間設有防止油從所述第一和第二軸承流到所述轉子的裝置。
21．如權利要求20所述的渦輪增壓系統，其中所述防止油流到所述轉子的裝置包括一密封。
22．如權利要求21所述的渦輪增壓系統，其中所述防止油流到所述轉子的裝置包括一甩油環。
23．如權利要求22所述的渦輪增壓系統，其中所述防止油流到所述轉子的裝置包括一甩油環。
24．如權利要求17所述的渦輪增壓系統，其中所述轉子包括多個位於所述軸上的磁鐵，每塊所述磁鐵均被成形為一圓柱形管的縱向弓形體。
25．如權利要求24所述的渦輪增壓系統，其中在所述軸上有一與所述轉子各端部相鄰的卡圈，所述卡圈環繞所述磁鐵以便將所述磁鐵保持在所述軸上。
26．如權利要求25所述的渦輪增壓系統，其中在每個所述卡圈上有一甩油環，以防止油從所述軸承流到所述轉子。
27．如權利要求25所述的渦輪增壓系統，其中在每個所述卡圈上有一油封，以防止油從所述軸承流到所述轉子。
28．如權利要求25所述的渦輪增壓系統，其中繞所述磁鐵並在其中部附近還設有一卡圈。
29．如權利要求24所述的渦輪增壓系統，其中在所述磁鐵和所述軸之間設有隔熱件，以防止所述軸內的熱量傳導到所述磁鐵。
30．如權利要求29所述的渦輪增壓系統，其中設有一個從所述第一端到所述第二端穿過所述軸的空氣通道，和通過所述空氣通道供給空氣的裝置，以減小從所述軸的所述第二端傳導到所述轉子的熱量。
31．如權利要求17所述的渦輪增壓系統，其中在所述軸的所述第二端上安裝有一個排氣渦輪轉子，在所述排氣渦輪轉子和所述軸之間設有一個防止熱從所述轉子傳導到所述電機的隔熱件。
32．如權利要求31所述的渦輪增壓系統，其中所述轉子包括多個位於所述軸上的磁鐵，每塊所述磁鐵均被成形為一圓柱形管的縱向弓形體。
33．如權利要求32所述的渦輪增壓系統，其中在所述軸上設有一個與所述轉子的各端部相鄰的卡圈，所述卡圈環繞所述磁鐵以便將所述磁鐵保持在所述軸上。
34．如權利要求33所述的渦輪增壓系統，其中在每個所述卡圈上設有一個甩油環，以防止油從所述軸承流到所述轉子。
35．如權利要求33所述的渦輪增壓系統，其中在每個所述卡圈上設有一具油封，以防止油從所述軸承流到所述轉子。
36．如權利要求33所述的渦輪增壓系統，其中繞所述磁鐵並在其中部附近還設有一卡圈。
37．如權利要求32所述的渦輪增壓系統，其中在所述磁鐵和所述軸之間設有隔熱件，以防止所述軸內的熱傳導到所述磁鐵。
38．如權利要求37所述的渦輪增壓系統，其中設有一個從所述第一端到所述第二端穿過所述軸的空氣通道，和通過所述空氣通道供給空氣的裝置，以減小從所述軸的所述第二端傳導到所述轉子的熱量。
全文摘要
一種廢氣驅動的渦輪驅動一壓縮機,使一內燃機增壓。一位於連接軸上的內置電機向渦輪增壓軸增加動力,特別是在低排氣量時。對該電機的冷卻包括發動機油的循環,還可包括隔熱件,以限止從渦輪進入的熱,以及包括穿過電機的空氣流,以帶走從渦輪進入的熱。
文檔編號F02B37/22GK1217764SQ96198383
公開日1999年5月26日 申請日期1996年9月16日 優先權日1995年9月18日
發明者E·M·哈利米, R·P·馬魯弗, W·E·伍爾林韋伯 申請人:渦輪動力系統有限公司