專利名稱：渦輪增壓器制動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪增壓器和一種操作渦輪增壓器、特別是電動渦輪輔助渦輪增壓器的方法。本發(fā)明還公開了一種包括這種渦輪增壓器的發(fā)動機。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器形成發(fā)動機的一部分，并且包括響應(yīng) 于來自發(fā)動機的排氣而旋轉(zhuǎn)的渦輪增壓器軸。渦輪增壓器的主要用途是使用壓縮機壓縮氣體以將氣體引入發(fā)動機氣缸內(nèi)(稱為“增壓”)。電動渦輪輔助(ETA)渦輪增壓器軸也通過軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能。所產(chǎn)生的能量能夠被存儲在用于輔助電氣系統(tǒng)中的電池中或供給至連接到發(fā)動機曲軸的電機以改善發(fā)動機響應(yīng)。ETA系統(tǒng)提供了用于回收否則可能在排氣中的能量超過驅(qū)動壓縮機所需的能量的情況下?lián)p失的能量的附加機構(gòu)。在一些情形中，與渦輪增壓器相關(guān)聯(lián)的電氣機器也可以用作電機而不是發(fā)電機。此外，與發(fā)動機曲軸相關(guān)聯(lián)的電氣機器同樣能作為發(fā)電機操作。在渦輪不能提供足以驅(qū)動壓縮機的機械功率以滿足發(fā)動機的需求的情況下，曲軸能夠驅(qū)動其相關(guān)聯(lián)的電氣裝置使其作為發(fā)電機。來自發(fā)電機的電力將驅(qū)動潤輪增壓器軸上的作為電機的電氣機器，從而提供附加的能量以驅(qū)動壓縮機并且增加流向發(fā)動機的壓縮空氣。美國專利No.5，678，407描述了一種渦輪復(fù)合ETA系統(tǒng)的示例。美國專利No. 7，174，714描述了一種能夠使渦輪復(fù)合ETA系統(tǒng)的效率增益最大化的控制系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)動機降低其增壓需求時或者當(dāng)渦輪增壓器速度或溫度超過安全極限時，渦輪增壓器產(chǎn)生一個難題。已有的系統(tǒng)使排氣繞開渦輪增壓器渦輪以實現(xiàn)制動，尤其是當(dāng)進氣增壓需求迅速降低時。當(dāng)使用這種廢氣旁通閥時，排氣中的能量完全損失。在ETA系統(tǒng)中，電氣機器可以在發(fā)電模式下用于吸收過剩的渦輪增壓器軸功率，從而充當(dāng)制動器。然而，這種系統(tǒng)對渦輪增壓器軸制動的程度有限。此外，如果這種制動失效，則已有的系統(tǒng)僅能夠使用廢氣旁通閥，從而損失排氣能量。本發(fā)明旨在克服上述局限性中的一個或多個。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種用于向發(fā)動機提供增壓的渦輪增壓器，其包括可旋轉(zhuǎn)的軸；布置成由所述可旋轉(zhuǎn)的軸驅(qū)動的一個或多個制動轉(zhuǎn)子；一個或多個制動定子，所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子或者所述一個或多個制動定子有磁性，并且所述一個或多個制動定子相對于所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子定位成使得所述可旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子或一個或多個制動定子中感生渦流，以由此從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量；以及控制器，所述控制器設(shè)置成接收輸入?yún)?shù)并且基于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子或一個或多個制動定子處的磁場強度，從而改變渦流的生成水平并且由此控制所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。
本發(fā)明還涉及一種操作這種渦輪增壓器的方法，其包括使所述可旋轉(zhuǎn)的軸在所述渦輪增壓器操作期間旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生增壓，由此驅(qū)動所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子相對于所述制動定子旋轉(zhuǎn)；接收所述渦輪增壓器的輸入?yún)?shù)；以及基于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子或一個或多個制動定子處的磁場強度，從而控制所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子或所述一個或多個制動定子中的渦流的生成水平并且由此控制從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量的速度和所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。


所述渦輪增壓器和操作渦輪增壓器的方法可以采用各種方式實現(xiàn)，現(xiàn)將僅借助于示例并且參照附圖描述其中一種方式，在附圖中圖I示出了具有渦流制動的渦輪增壓器系統(tǒng)的概略視圖。
具體實施方式
參照圖1，其示出了渦輪增壓器系統(tǒng)I的示意圖。渦輪增壓器系統(tǒng)I與發(fā)動機(未示出)相關(guān)聯(lián)。渦輪增壓器系統(tǒng)I可以包括渦輪增壓器裝置10 ;用于接收來自發(fā)動機20的排氣的輸入部；以及電氣機器70。渦輪增壓器裝置10可以包括渦輪增壓器軸15 ;以及制動轉(zhuǎn)子30。渦輪增壓器系統(tǒng)I還可以包括至少一個制動定子40 ;至少一個制動致動器50 ；以及控制器60。在圖I所示的實施例中，示出了兩個制動定子40，每個制動定子40均帶有相應(yīng)的制動致動器50。渦輪增壓器裝置10還可以包括渦輪和壓縮機(未示出)。如眾所周知的，來自發(fā)動機的排氣離開發(fā)動機后將經(jīng)輸入部20經(jīng)過排氣總管并且跨渦輪增壓器10的渦輪。渦輪由排氣驅(qū)動并且轉(zhuǎn)動其上安裝有壓縮機的渦輪增壓器軸15。壓縮機由軸15驅(qū)動并且壓縮傳送到發(fā)動機的進氣。渦輪增壓器系統(tǒng)I可以形成發(fā)動機中的渦輪復(fù)合或TC系統(tǒng)的一部分。渦輪增壓器系統(tǒng)I還可以具有電氣機器70,該電氣機器70優(yōu)選能夠在產(chǎn)生電力的模式下(即，作為發(fā)電機或交流發(fā)電機)或者在消耗電力并且將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)(機械)功率的模式下(即，作為電機)操作。電氣機器70優(yōu)選與渦輪增壓器軸15結(jié)合。這可以通過使發(fā)電機轉(zhuǎn)子(未示出)作為軸15的一部分來完成，其中定子(未示出)位于軸24周圍的固定位置。TC系統(tǒng)的一種操作模式是電氣機器70作為發(fā)電機操作。在一個實施例中，第二電氣機器(未示出)可以作為電機操作，提取功率并且通過將機械功率輸給其曲軸來輔助發(fā)動機。附加地或可選地，電力可以輸入蓄電裝置(未示出)中或用于給電氣負載(未示出)供電。在一種替代操作模式中，電氣機器70可以作為電機操作。由此，電氣機器70能夠通過將機械功率輸給渦輪增壓器10的軸而輔助渦輪增壓器10?，F(xiàn)將描述制動系統(tǒng)。在通常操作中，電氣機器70可以在發(fā)電模式中用于吸收過剩的渦輪軸功率，由此充當(dāng)制動器。在這種布置結(jié)構(gòu)中，如果電氣機器70的發(fā)電機不能提取足夠的能量以有效地使渦輪增壓器軸制動，則可以設(shè)置附加制動機構(gòu)作為二級或故障安全特征。該制動系統(tǒng)的原理是一個或多個制動定子40或者一個或多個制動轉(zhuǎn)子30中的任一者有磁性，而另一者是含鐵的。通過在作為制動定子40或制動轉(zhuǎn)子30的含鐵部分中感生渦流，阻止了渦輪增壓器軸的旋轉(zhuǎn)并且由此提取了能量。這能被控制成提供制動作用。因此，不需要廢氣旁通閥。已知將渦流測力計用于渦輪增壓器渦輪測試，例如Proceedings ofthelnstitution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of AutomobileEngineering, vol. 221，no. 2/2007 (機械工程師學(xué)會會報，D輯汽車工程雜志第221卷2/2007號)中的“用于汽車渦輪增壓器渦輪的轉(zhuǎn)矩測量的測力計的開發(fā)(The developmentof a dynamometer for torque measurement of automotive turbocharger turbines)，，。正如現(xiàn)在將描述的那樣，這種測力計技術(shù)經(jīng)修改能夠用于實現(xiàn)渦輪增壓器制動系統(tǒng)。制動轉(zhuǎn)子30由渦輪增壓器軸15驅(qū)動。優(yōu)選地，制動轉(zhuǎn)子30包括至少一個永磁體。在一個示例性實施例中，制動轉(zhuǎn)子30是封裝在直徑為大約80mm的鋁盤中的14極磁體(布置在徑向的兩行中的14X直徑12mmX 12mm深度的NdFeB紐扣磁體以及14X直徑8mmX 12mm深度的NdFeB紐扣磁體)，由被預(yù)壓縮成在高轉(zhuǎn)速下容納磁體的碳纖維復(fù)合環(huán)罐裝。 制動轉(zhuǎn)子30由渦輪增壓器軸15驅(qū)動，從而以相同的速度旋轉(zhuǎn)。制動定子40沿軸向定位在制動轉(zhuǎn)子30前面和后面。制動定子40可以名義上與制動轉(zhuǎn)子30磁性材料的旋轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)?zhǔn)。因此，它可以具有約80mm的直徑，厚度大小為Imm至2mm，并且其材料可以是涂覆有鎳-磷以限制氧化的EN2鋼。該特定尺寸可以允許高達約60kW的功率吸收。旋轉(zhuǎn)使得在制動定子40中感生渦流。由此，由于這種渦流的生成而從渦輪增壓器軸35提取了能量。這在渦輪增壓器10上施加制動力。渦流生成相對弱，因此可期望維持制動轉(zhuǎn)子30和制動定子40的平行定向，以提供這種渦流生成及因此熱量均勻地分布在定子的表面上。制動定子40與制動轉(zhuǎn)子30之間的距離35控制能量提取速度。致動器50控制制動定子40的位置，因此可以調(diào)節(jié)該距離35。致動器50優(yōu)選包括由步進電機致動的螺桿，不過本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)想其它形式的電機或致動器。最小定子-轉(zhuǎn)子間隙可以是用于最大功率吸收的大約0. 5mm的量級；換言之，為完全接合的制動。在分離狀態(tài)下，可以使用超過約12_且優(yōu)選更大的定子-轉(zhuǎn)子間隙來使功率損失最小化?？刂破?0接收指示發(fā)動機參數(shù)的輸入信號(未示出)。優(yōu)選地，發(fā)動機參數(shù)代表期望的增壓水平。附加地或可選地，發(fā)動機參數(shù)可以指示以下中的一個或多個發(fā)動機速度；發(fā)動機溫度；軸承或電氣機器的過熱指示。這些可以有助于防止永久損壞電動渦輪輔助機器?？刂破?0可以是電子的，但也可以是電子機械的或者在軟件或硬件中實現(xiàn)。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀況下，當(dāng)所需增壓水平顯著下降時，控制器60啟動致動器50的步進電機以縮小距離35。由此從渦輪增壓器軸15提取轉(zhuǎn)矩，從而使其減慢并且降低了壓縮機增壓。潛在地，制動定子40可能被顯著地加熱。因此，它們可以適當(dāng)?shù)囟ㄎ辉跍u輪增壓器的冷卻器壓縮機(未示出)附近，以限制來自渦輪的熱浸。此外，來自渦輪增壓器的壓縮機側(cè)的空氣可以用于冷卻制動定子40。還希望使制動定子40與電氣機器70隔離。在電氣機器70被用作發(fā)電機的情況下，如果電氣機器70發(fā)生故障，則可以僅使用制動定子40。如果電氣機器70不包括任何永磁體，則制動定子40應(yīng)該按需操作。上述潤輪增壓器系統(tǒng)I能夠在發(fā)動機如潤輪復(fù)合(turbocompounding)發(fā)動機中使用。所述發(fā)動機能夠用于各種工業(yè)應(yīng)用，諸如車輛和飛行器。盡管上文已描述了本發(fā)明的一個實施例，但技術(shù)人員能想到各種改型。例如，技術(shù)人員能認識到渦輪增壓器系統(tǒng)I的各種特征是可選的，諸如電氣機器70或者多個制動定子40的使用。此外，可以使用多個制動轉(zhuǎn)子30。制動器50可以采取替代形式，諸如不同類型的電機或磁性控制裝置。如果電氣機器70包括永磁體轉(zhuǎn)子，則該永磁體轉(zhuǎn)子可以替代地用作制動轉(zhuǎn)子30。然后可以通過使含鐵制動定子40靠近轉(zhuǎn)子移動而接合制動器，特別是在緊急停機方案中。制動定子40可以在這種方案中采取環(huán)形形式。
又一個替代方案是使用至少一個磁性制動定子40和含鐵制動轉(zhuǎn)子30。在這種實施例中，在制動轉(zhuǎn)子30中感生渦流。如果使用壓縮機排氣冷卻來冷卻制動定子40，則至少磁性制動定子40將具有益處，例如，含鐵制動轉(zhuǎn)子30將具有比磁性制動轉(zhuǎn)子小得多的慣性，因此充當(dāng)發(fā)電機的電氣機器70的瞬態(tài)操作不會由于附加部分而損失過多。在此實施例中，至少一個磁性制動定子40可以可選地包括電磁體。然后通過控制供給至電磁體的電流而調(diào)節(jié)渦流的生成。這又能夠調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)子30所經(jīng)受的磁場強度。可以使用該方法代替距離調(diào)節(jié)或與距離調(diào)節(jié)一起使用，以按需進一步增大或減小制動力。
權(quán)利要求
1.一種用于向發(fā)動機提供增壓的渦輪增壓器，包括 可旋轉(zhuǎn)的軸； 布置成由所述可旋轉(zhuǎn)的軸驅(qū)動的一個或多個永磁體制動轉(zhuǎn)子； 一個或多個制動定子，所述一個或多個制動定子相對于所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子定位成使得所述可旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)在所述一個或多個制動定子中感生渦流，以由此從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量；以及 控制器，所述控制器設(shè)置成接收輸入?yún)?shù)，并且響應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子與所述一個或多個制動定子之間的距離，從而由此改變渦流的生成水平以及控制所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。
2.一種用于向發(fā)動機提供增壓的渦輪增壓器，包括 可旋轉(zhuǎn)的軸； 設(shè)置成由所述可旋轉(zhuǎn)的軸驅(qū)動的一個或多個制動轉(zhuǎn)子； 一個或多個磁性制動定子，所述一個或多個磁性制動定子相對于所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子定位成使得所述可旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子中感生渦流，以由此從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量；以及 控制器，所述控制器設(shè)置成接收輸入?yún)?shù)，并且響應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子處的磁場強度，從而由此改變渦流的生成水平以及控制所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述一個或多個磁性制動定子包括永磁體。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述一個或多個磁性制動定子包括設(shè)置成接收電流的電磁體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述控制器設(shè)置成通過調(diào)節(jié)由所述電磁體接收的電流而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子處的磁場強度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任一項所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述控制器設(shè)置成通過調(diào)節(jié)所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子與所述一個或多個制動定子之間的距離而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子處的磁場強度。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或6所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述控制器設(shè)置成響應(yīng)于指示所需增壓水平的降低的輸入?yún)?shù)而縮短所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子與所述一個或多個制動定子之間的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求I、6或7中任一項所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述控制器還包括制動致動器，所述制動致動器設(shè)置成使所述一個或多個制動定子相對于所述可旋轉(zhuǎn)的軸移動，以由此調(diào)節(jié)所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子與所述一個或多個制動定子之間的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述制動致動器包括步進電機。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述輸入?yún)?shù)表示以下中的至少一者所需的增壓水平；發(fā)動機溫度；發(fā)動機速度；以及渦輪增壓器溫度。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述渦輪增壓器還包括發(fā)電機裝置，所述發(fā)電機裝置包括 設(shè)置成由所述可旋轉(zhuǎn)的軸驅(qū)動的一個或多個永磁體發(fā)電機轉(zhuǎn)子；以及發(fā)電機定子，所述發(fā)電機定子相對于所述一個或多個發(fā)電機轉(zhuǎn)子定位成使得所述可旋轉(zhuǎn)的軸的旋轉(zhuǎn)在所述發(fā)電機定子中感生發(fā)電電流。
12.根據(jù)從屬于權(quán)利要求I的權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述發(fā)電機轉(zhuǎn)子中的至少一個也是制動轉(zhuǎn)子。
13.—種包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的渦輪增壓器的渦輪復(fù)合發(fā)動機系統(tǒng)。
14.一種操作渦輪增壓器的方法，所述渦輪增壓器包括可旋轉(zhuǎn)的軸和制動裝置，所述制動裝置包括一個或多個永磁體制動轉(zhuǎn)子和一個或多個制動定子，所述方法包括 使所述可旋轉(zhuǎn)的軸在所述渦輪增壓器操作期間旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生增壓，由此驅(qū)動所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子相對于所述制動定子旋轉(zhuǎn)； 接收所述渦輪增壓器的輸入?yún)?shù)；以及 響應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子與所述一個或多個制動定子之間的距離，以控制所述一個或多個制動定子中的渦流生成水平并且由此控制從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量的速度和所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。
15.一種操作渦輪增壓器的方法，所述渦輪增壓器包括可旋轉(zhuǎn)的軸和制動裝置，所述制動裝置包括一個或多個制動轉(zhuǎn)子和一個或多個磁性制動定子，所述方法包括 使所述可旋轉(zhuǎn)的軸在所述渦輪增壓器操作期間旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生增壓，由此驅(qū)動所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子相對于所述制動定子旋轉(zhuǎn)； 接收所述渦輪增壓器的輸入?yún)?shù)；以及 響應(yīng)于所述輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)在所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子處的磁場強度，以控制所述一個或多個制動轉(zhuǎn)子中的渦流生成水平并且由此控制從所述可旋轉(zhuǎn)的軸提取能量的速度和所述可旋轉(zhuǎn)的軸的制動。
全文摘要
排氣能夠繞開渦輪增壓器(10)以使其速度降低，但這損失了氣體中的能量。能夠?qū)崿F(xiàn)一種用于渦輪增壓器的制動，該制動使用由渦輪增壓器可旋轉(zhuǎn)的軸(15)驅(qū)動的至少一個轉(zhuǎn)子(30)以及至少一個定子(40)。轉(zhuǎn)子或定子中的任一者有磁性，另一者是含鐵的，以使得軸的旋轉(zhuǎn)在含鐵部分中感生渦流，由此從軸提取能量。能夠響應(yīng)于輸入?yún)?shù)而調(diào)節(jié)含鐵部分所經(jīng)受的磁場，以控制制動水平。
文檔編號F02B37/12GK102770634SQ201080060273
公開日2012年11月7日 申請日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者A·W·科斯塔爾 申請人:珀金斯發(fā)動機有限公司