一种电动辅助涡轮增压器及控制方法与流程

1.本发明涉及涡轮增压器技术领域，尤其涉及一种电动辅助涡轮增压器及控制方法。


背景技术：

2.涡轮增压发动机指的是配备涡轮增压器的发动机，电动辅助涡轮增压器可以优化增压器性能，使得柴油机低负荷时，外界储能系统向高速电机供电，高速电机旋转带动涡轮增压器旋转，使得涡轮增压器很快达到柴油机所需压比、流量，柴油机高负荷时，增压器压比高，超过柴油机需用，高速电机切换为发电模式，向外界储能系统供电，电动辅助涡轮增压器可实现增压器在柴油机全工况都运行在高效区，可减小柴油机燃油消耗量、减小碳排放，是当前世界最先进的涡轮增压技术。
3.目前传统的涡轮增压器存在柴油机启动时低速扭矩特性差，响应延迟等不足，随着高速电机技术发展，将高速电机技术应用于涡轮增压器领域实现电动辅助增压即可解决现有涡轮增压器在柴油机低负荷时扭矩特性差、响应延迟问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电动辅助涡轮增压器及控制方法，旨在解决现有涡轮增压器在柴油机低负荷时扭矩特性差、响应延迟问题。
5.为实现上述目的，第一方面本发明提供了一种电动辅助涡轮增压器控制方法，包括以下步骤：
6.对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果；
7.基于所述第一判断结果对增压器进行检测，得到第二数据；
8.基于所述第一判断结果和第二数据对所述增压器与高速电机进行判断匹配，得到匹配结果；
9.基于所述匹配结果对所述涡轮增压器进行控制。
10.其中，所述对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果，包括：
11.对柴油机进行检测，得到第一检测数据；
12.对所述第一检测数据进行判断，得到判断结果。
13.其中，基于所述第一判断结果和第二数据对所述增压器与高速电机进行判断匹配，得到匹配结果，包括：
14.对所述第二数据进行判断，得到判断结果；
15.基于所述判断结果对所述增压器与高速电机进行匹配，得到匹配结果。
16.其中，所述第一数据包括排气压力和排气温度。
17.其中，所述第二数据包括转速、压比和流量。
18.第二方面，一种电动辅助涡轮增压器，应用于第一方面所述的电动辅助涡轮增压器的控制方法，包括外壳、电机定子、空心轴、法兰盘、连接螺栓、轴套、涡轮轴、叶轮锁紧螺
母、压气叶轮、线圈和端匝，所述电机定子设置于所述外壳内，所述法兰盘设置于所述外壳内，所述空心轴设置于所述电机定子内，所述法兰盘设置于所述空心轴上，所述连接螺栓贯穿所述空心轴，并与所述法兰盘螺纹连接，所述轴套设置于所述法兰盘内，所述涡轮轴设置于所述轴套的内侧壁，所述叶轮锁紧螺母设置于所述涡轮轴的外侧壁，所述压气叶轮设置于所述叶轮锁紧螺母上，所述线圈固定安装在所述电机定子上，所述端匝固定安装在所述空心轴上。
19.本发明的一种电动辅助涡轮增压器及控制方法，对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果；基于所述第一判断结果对增压器进行检测，得到第二数据；基于所述第一判断结果和第二数据进行判断匹配，得到匹配结果；基于所述匹配结果对所述涡轮增压器进行控制。本发明所采用的的控制方法，实现了柴油机低负荷时高速电机旋转带动涡轮增压器旋转，快速达到设计的压比、流量，柴油机高负荷时，高速电机切换为发电模式，向储能系统供电，回收柴油机多余能量，整个系统使得增压器始终运行在高效区，本发明达到了设计的初衷，节约了柴油机燃油消耗量、提高了排气质量、减小了碳排放。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明提供的一种电动辅助涡轮增压器控制方法的流程图。
22.图2是常规增压器与电动辅助增压器运行对比。
23.图3是电动辅助涡轮增压器控制方法流程图。
24.图4是电动辅助涡轮增压器的结构示意图。
25.1-外壳、2-电机定子、3-轴套、4-连接螺栓、5-叶轮锁紧螺母、6-压气叶轮、7-涡轮轴、8-法兰盘、9-空心轴、10-线圈、11-端匝。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.第一方面，请参阅图1至图3，本发明提供一种电动辅助涡轮增压器及控制方法，包括以下步骤：
28.s1对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果；
29.s11对柴油机进行检测，得到第一检测数据；
30.具体的，检测柴油机是否有排气压力、排气温度
31.s12对所述第一检测数据进行判断，得到判断结果。
32.所述第一数据包括排气压力和排气温度。
33.具体的，如果否，则进入故障报警、切断高速电机与电源系统连接，如果是则进入检测增压器转速、压比、流量；
34.s2基于所述第一判断结果对增压器进行检测，得到第二数据；
35.所述第二数据包括转速、压比和流量。
36.具体的，检测所述增压器的转速、压比、流量。
37.s3基于所述第一判断结果和第二数据进行判断匹配，得到匹配结果；
38.s31对所述第二数据进行判断，得到判断结果；
39.具体的，判断所述增压器是否达到所述柴油机启动时的设计值，若增压器转速、流量、压比未达到柴油机启动时的设计值，则外接供电系统向高速电机供电，使得高速电机旋转从而带动增压器旋转，实现增压器快速达到设计的压比、流量，以快速启动柴油机，提高增压器响应性。
40.s32基于所述判断结果对所述增压器与高速电机进行匹配，得到匹配结果。
41.具体的，基于所述判断结果对所述增压器与高速电机进行匹配得到匹配结果。
42.s4基于所述匹配结果对所述涡轮增压器进行控制。
43.具体的，控制系统动态控制电机与增压器匹配，外界储能系统实时向高速电机充电及回收电能，使得涡轮增压器始终运行在高效区。
44.如图1-图3所示，主要包括、高速电机、涡轮增压器、高速电机供电及储能系统，主要控制方法包含柴油机、增压器运行状态监测，高速电机与增压器匹配，其主要包含以下步骤：
45.柴油机、增压器运行状态监测，高速电机控制系统实时监测柴油机排气压力、排气温度、增压器转速、增压器压比、流量等关键参数，判断柴油机是否正常启机，若判定柴油机正常启机，则进入后续高速电机与增压器匹配过程，若监测柴油机非正常启动及其他异常情况，则切断高速电机与外界电源系统，并报警。
46.高速电机与增压器匹配分为模拟匹配与柴油机台架试验匹配，首先通过仿真软件联合进行柴油机、涡轮增压器、高速电机运行模拟，模拟柴油机启动排气能量不足时，高速电机如何快速响应，带动增压器旋转，实现柴油机启动时增压器设计的压比、流量，模拟柴油机在不同负荷下，增压器的运行状态，检测其压比、流量、转速是否满足设计要求，若不满足设计要求，如压比不足，则高速电机快速响应带动增压器旋转，使增压器达到设计的压比，如压比超过设计值则切换为发电模式，向外界储能系统供电，回收电能。柴油机台架匹配试验时，启动柴油机，控制系统同时启动，检测柴油机排气压力、排气温度、增压器转速、压比等相关参数，查看高速电机是否按设定执行，柴油机不断升负荷，查看高速电机是否在带动增压器加速旋转及发电之间切换。
47.图2所示为常规增压器与电动辅助涡轮增压器运行对比，图中横坐标为柴油机负荷(百分比表示)，纵坐标为柴油机功率变化率，随着柴油机负荷不断增大，柴油机功率变化率逐渐减小，在85％负荷以上，柴油机功率变化率为0，在整个增压器与柴油机匹配范围内，电动辅助涡轮增压器与柴油机匹配，功率变化较小，在85％负荷以上，电动辅助涡轮增压器开始切换为发电模式，实现柴油机多余废气发电。
48.第二方面，请参阅图4，一种电动辅助涡轮增压器，应用于第一方面所述的电动辅助涡轮增压器的控制方法，包括外壳1、电机定子2、空心轴9、法兰盘8、连接螺栓4、轴套3、涡轮轴7、叶轮锁紧螺母5、压气叶轮6、线圈10和端匝11，所述电机定子2设置于所述外壳1内，所述法兰盘8设置于所述外壳1内，所述空心轴9设置于所述电机定子2内，所述法兰盘8设置
于所述空心轴9上，所述连接螺栓4贯穿所述空心轴9，并与所述法兰盘8螺纹连接，所述轴套3设置于所述法兰盘8内，所述涡轮轴7设置于所述轴套3的内侧壁，所述叶轮锁紧螺母5设置于所述涡轮轴7的外侧壁，所述压气叶轮6设置于所述叶轮锁紧螺母5上，所述线圈10固定安装在所述电机定子2上，所述端匝11固定安装在所述空心轴9上。
49.具体的，高速永磁电机轴设计为异形空心结构，所述空心轴9为阶梯形式，右侧加工为与所述法兰盘8配合的圆盘形结构，左侧加工有环形缺口，方便安装所述端匝11，中间部分与所述线圈10配合，所述空心轴9安装到位后，轴右侧端面与所述轴套3及所述涡轮轴7端面均接触，这样设计的目的是为了提高所述空心轴9运行稳定性，同样设计为所述空心轴9的目的是为了降低轴的转动惯量，同时采用空气对流换热可以大大降低高速永磁电机发热量，提高高速永磁电机寿命。高速永磁电机轴采用悬臂梁布置形式，取消轴承等结构，大大简化了高速永磁电机的结构。所述电机定子2安装在高速永磁电机所述外壳1中，所述电机定子2内孔端面倒斜角。所述高速永磁电机的所述外壳1外形设计为流线形，内孔与所述电机定子2配合，有一定的间隙，内孔端面加工为流线形与所述电机定子2端面配合。
50.在所述轴套3上铣削有六方结构，安装、拆卸时只需要将所述涡轮轴7止动，采用扭力扳手即可进行所述轴套3安装拆卸，所述轴套3左侧端面与所述空心轴9右侧端面接触，并有一小过盈量，这将大大提高所述空心轴9运行稳定性。
51.在所述空心轴9右侧与所述轴套3端面接触部分设计为圆弧形结构，这样设计能减小高速永磁电机旋转时所述的离心力，降低所述空心轴9惯性，同时圆弧形结构能降低所述空心轴9应力，改善应力分布，减小应力集中，提高所述空心轴9高周疲劳寿命。同时圆弧形区域所围成的空腔，充满空气，在所述空心轴9旋转时，空气被吸入与圆弧形空腔内的空气对流换热，降低所述空心轴9温度。所述空心轴9与所述法兰盘8配合处存在间隙(所述法兰盘8外圆面与高速永磁电机所述空心轴9内圆面配合有一定的间隙，所述法兰盘8左侧端面与高速永磁电机所述空心轴9配合有一定的间隙)，这样方便高速永磁电机轴拆卸。
52.锁紧所述压气叶轮6锁紧螺母5安装到位以后，通过工装将所述法兰盘8安装在所述轴套3上，再将所述轴套3安装在所述涡轮轴7上，将所述空心轴9通过所述连接螺栓4连接在所述法兰盘8上，将所述线圈10安装在所述电机定子2上，将所述电机定子2安装到所述外壳1中，将所述外壳1安装在涡轮增压器所述压气叶轮6罩壳内，即完成高速永磁电机安装，所述轴套3与所述法兰盘8配合处涂有耐磨涂层，提高了所述轴套3和所述法兰盘8的使用寿命，在所述轴套3和所述法兰盘8磨损以后，只需要将其更换，无需要维修所述空心轴9，降低维修成本。
53.以上所揭露的仅为本发明一种电动辅助涡轮增压器及控制方法较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种电动辅助涡轮增压器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果；基于所述第一判断结果对增压器进行检测，得到第二数据；基于所述第一判断结果和第二数据对所述增压器与高速电机进行判断匹配，得到匹配结果；基于所述匹配结果对所述涡轮增压器进行控制。2.如权利要求1所述的一种电动辅助涡轮增压器控制方法，其特征在于，所述对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果，包括：对柴油机进行检测，得到第一检测数据；对所述第一检测数据进行判断，得到判断结果。3.如权利要求2所述的一种电动辅助涡轮增压器控制方法，其特征在于，基于所述第一判断结果和第二数据对所述增压器与高速电机进行判断匹配，得到匹配结果，包括：对所述第二数据进行判断，得到判断结果；基于所述判断结果对所述增压器与高速电机进行匹配，得到匹配结果。4.如权利要求3所述的一种电动辅助涡轮增压器控制方法，其特征在于，所述第一数据包括排气压力和排气温度。5.如权利要求4所述的一种电动辅助涡轮增压器控制方法，其特征在于，所述第二数据包括转速、压比和流量。6.一种电动辅助涡轮增压器，应用于权利要求1-5所述的电动辅助涡轮增压器的控制方法，其特征在于，包括外壳、电机定子、空心轴、法兰盘、连接螺栓、轴套、涡轮轴、叶轮锁紧螺母、压气叶轮、线圈和端匝，所述电机定子设置于所述外壳内，所述法兰盘设置于所述外壳内，所述空心轴设置于所述电机定子内，所述法兰盘设置于所述空心轴上，所述连接螺栓贯穿所述空心轴，并与所述法兰盘螺纹连接，所述轴套设置于所述法兰盘内，所述涡轮轴设置于所述轴套的内侧壁，所述叶轮锁紧螺母设置于所述涡轮轴的外侧壁，所述压气叶轮设置于所述叶轮锁紧螺母上，所述线圈固定安装在所述电机定子上，所述端匝固定安装在所述空心轴上。

技术总结
本发明涉及涡轮增压器技术领域，具体涉及一种电动辅助涡轮增压器及控制方法，包括以下步骤：对柴油机进行检测判断，得到第一判断结果；基于第一判断结果对增压器进行检测，得到第二数据；基于第一数据和第二数据对增压器与高速电机进行判断匹配，得到匹配结果；基于匹配结果对涡轮增压器进行控制。本发明所采用的的控制方法，实现了柴油机低负荷时高速电机旋转带动涡轮增压器旋转，快速达到设计的压比、流量，柴油机高负荷时，高速电机切换为发电模式，向储能系统供电，回收柴油机多余能量，整个系统使得增压器始终运行在高效区，本发明达到了设计的初衷，节约了柴油机燃油消耗量、提高了排气质量、减小了碳排放。减小了碳排放。减小了碳排放。


技术研发人员：刘扬 王文鼎 陈世凡 周黎 黄礼洋 钟佳宏 王强 申华 王政川 彭正军 龙家豪 祝磊
受保护的技术使用者：重庆江增船舶重工有限公司
技术研发日：2023.04.22
技术公布日：2023/6/7