一种涡轮增压结构及其控制方法与流程

本发明属于涡轮增压技术领域，具体地说，涉及一种涡轮增压结构及其控制方法。

背景技术

能源和环境污染问题是当今世界面临的重大问题之一，能源是现代社会和生活的物质基础，随着世界人口和经济的迅速增加，能源的消耗急剧增加，并导致环境污染不断加剧。

涡轮增压技术能够提高发动机的进气量，提高发动机的燃烧效率，对尾气进行再利用。但是现有的涡轮增压发动机基本上是一个涡轮结构，这个涡轮要适应不同发动机转速，从而使得在发动机转速较低时，涡轮难以驱动，而发动机转速较高时，涡轮产生的动力弱的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种涡轮增压结构及其控制方法，这种涡轮增压结构的装置能够在不同发动机转速具有不同级的涡轮，从而充分利用发动力排出尾气的能量。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

本发明的涡轮增压结构，包括：

空气压缩机，配合安装在轴上；

涡轮机，串联形成有2～3级涡轮结构，每级涡轮均设有可选择地将气体排至排气口或下级涡轮进气口，每级涡轮通过独立的轴支撑，每级涡轮轴之间通过可选择动力传递连接或断开的动力传递装置连接；每级涡轮的排气流道设有控制排气流向排气口或下级涡轮进气口的控制阀；所述动力传递装置为电磁式联轴器。

本发明的涡轮增压结构，在电磁式联轴器与涡轮机之间的涡轮轴上安装有冷却装置，所述冷却装置包括设于动力传递装置外的由绝热材质构成的隔热罩。

本发明的涡轮增压结构，所述隔热罩包括多个依次重叠安装的隔热层，隔热层之间形成有真空或空气层的隔热腔，所述隔热罩与轴配合安装面上设有沿轴轴向方向的螺旋流道，螺旋流道内通有冷却介质，形成冷却流道的结构包括靠近涡轮机侧由隔热材质构成的第一螺旋流道体，第一螺旋流道体与轴之间设有橡胶体，形成冷却流道的结构还包括靠近动力传递装置由ptfe材质构成的第二螺旋流道体，第二螺旋流道体与第一螺旋流道体相连接，螺旋流道的进口设于第二螺旋流道体上，出口设于第一螺旋流道体上，所述隔热罩的内壁设有若干通有冷却介质的冷却腔，所述冷却腔分别与螺旋流道连通，设有介质进口及出口。

本发明的涡轮增压结构，轴上还设有由隔热陶瓷材质构成绝热轴段，所述隔热罩的螺旋流道配合安装在绝热轴段上，所述绝热轴段与轴通过焊接方式连接。

本发明的涡轮增压结构，所述轴为陶瓷材质构成的绝热轴，隔热罩的螺旋流道与陶瓷轴配合安装。

本发明的涡轮增压结构，轴与螺旋流道配合安装的位置设有至少两个金属材质构成的轴套，所述轴套之间设有2～５mm的间隙，轴套与轴同轴线安装。

本发明的涡轮增压结构，发动机上还配合安装有用于测量发动机转速的转速测量仪，转速测量仪与控制器连接，控制器分别与控制阀及动力传递装置连接，隔热罩内还设有与控制器连接的温度传感器。

本发明的涡轮增压结构，所述涡轮机侧的轴上还通过动力传递装置安装有电机-发电机两用机。

采用上述涡轮增压结构的控制方法，包括以上步骤：

步骤一，通过转速测试仪测量发动机的转速，并将测得的数据发送给控制器；

步骤二，若发动机转速小于设定值k1时，控制各涡轮机之间的动力传递装置连接，控制电机-发电机两用机驱动轴转动，控制各涡轮机之间的控制阀关闭，从而带动空气压缩机转动，控制发动机的进气量；若发动机转速大于设定值k1，小于设定值k2时，控制各涡轮机之间的动力传递装置断开，各涡轮机之间的控制阀关闭；若发动机转速大于k2，小于k3时，控制第一涡轮机与第二涡轮机之间的控制阀打开，第一涡轮机与第二涡轮机之间的动力传递装置连接，从而能够使得空气压缩机获得足够的动力，从空气压缩机侧至最后一个涡轮机依次为第一涡轮机、第二涡轮机与第三涡轮机；当发动机转速大于k3时，发动机进气量不足时，控制第二涡轮机与第三涡轮机之间的控制阀打开，第二涡轮机与第三涡轮机之间的动力传递装置连接，当达到发动机的进气量后，控制第三涡轮机与电机-发电机两用机之间的动力传递装置连接，此时电机-发电机作发电机用。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过在不同的发动机转速而取用不同的涡轮级数，从而使得发动机尾气的能量转换为空气压缩机的驱动力更加高效，设有的隔热罩能够使得动力传递装置的温度不会过高；

2、通过本涡轮增压结构的控制方法，能够控制该涡轮增压结构与发动机的配合，并根据不同发动机的转速作出不同的工作状态，从而提高发动机的响应速度及提高发动机的燃烧效率，增压发动机的扭矩。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：

图1为该电动涡轮增压器总体结构示意图；

图2为冷却装置与轴的安装结构图；

图3为隔热罩与轴配合位置的结构图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

如图1至图3所示的涡轮增压结构，包括：空气压缩机1，配合安装在轴2上；涡轮机3，串联形成有2～3级涡轮结构，也可以为更多级，本实施例优选为三级涡轮结构，每级涡轮均设有可选择地将气体排至排气口31或下级涡轮进气口32，每级涡轮通过独立的轴支撑，每级涡轮轴之间通过可选择动力传递连接或断开的动力传递装置4连接；每级涡轮的排气流道设有控制排气流向排气口31或下级涡轮进气口32的控制阀33，控制阀33可以是三通阀，即控制气体通向排气口或下级涡轮进气口32；所述动力传递装置4为电磁式联轴器，电磁式联轴器选用耐高温的电磁式联轴器，电磁联轴器具有响应快，非接触式连接，结构可靠，寿命长。

在电磁式联轴器与涡轮机之间的涡轮轴上安装有冷却装置5，所述冷却装置5包括设于动力传递装置外的由绝热材质构成的隔热罩51，隔热罩51分为两瓣，便于安装。所述隔热罩51包括多个依次重叠安装的隔热层51a，隔热层51a之间形成有真空或空气层的隔热腔51b，最好为真空层，真空层隔热效果更好，所述隔热罩51与轴配合安装面上设有沿轴轴向方向的螺旋流道51c，螺旋流道内通有冷却介质，形成冷却流道的结构包括靠近涡轮机侧由隔热材质构成的第一螺旋流道体51d，第一螺旋流道体51d与轴之间设有橡胶体51e，橡胶体51e对第一螺旋流道体51d与轴套之间形成密封，形成冷却流道的结构还包括靠近动力传递装置由ptfe材质构成的第二螺旋流道体51f，第二螺旋流道体51f与第一螺旋流道体51d相连接，螺旋流道51c的进口设于第二螺旋流道体51f上，出口设于第一螺旋流道体51d上，所述隔热罩51的内壁设有若干通有冷却介质的冷却腔51d，所述冷却腔51d分别与螺旋流道51c连通，设有介质进口及出口。通过上述的隔热罩能够保证动力传递装置4的环境温度适宜。带走热量的方式为，通过流体进入隔热罩内冷却腔51d，再部分或全部流向第二螺旋流道体51f及第一螺旋流道体51d，在流向冷却腔及其出口。为了能够更加高效吸收动力传递装置4位置的热量，通过将隔热罩51内壁设为铜或铝材质。从技术人员实施时可知，冷却装置5肯定包括冷却液及外部循环管路。

轴2上还设有由隔热陶瓷材质构成绝热轴段21，所述隔热罩51的螺旋流道配合安装在绝热轴段21上，所述绝热轴段21与轴通过焊接方式连接，陶瓷与金属焊接已经是现有技术。

轴的另一种结构为，所述轴2为陶瓷材质构成的绝热轴，轴2为完全陶瓷材质构成，但其应当能够承受高温及机械冲击，隔热罩51的螺旋流道与陶瓷轴配合安装。

轴2与螺旋流道配合安装的位置设有至少两个金属材质构成的轴套22，所述轴套22之间设有2～５mm的间隙，轴套与轴同轴线安装。通过设有的轴套能够与隔热罩形成可靠密封。

发动机上还配合安装有用于测量发动机转速的转速测量仪，转速测量仪与控制器连接，控制器分别与控制阀33及动力传递装置4连接，隔热罩51内还设有与控制器连接的温度传感器。

所述涡轮机侧的轴上还通过动力传递装置4安装有电机-发电机两用机，优选为，电机-发电机两用机。

采用上述涡轮增压结构的控制方法，包括以上步骤：

步骤一，通过转速测试仪测量发动机的转速，并将测得的数据发送给控制器；

步骤二，若发动机转速小于设定值k1时，控制各涡轮机之间的动力传递装置4连接，控制电机-发电机6两用机驱动轴转动，控制各涡轮机之间的控制阀关闭，从而带动空气压缩机转动，控制发动机的进气量；若发动机转速大于设定值k1，小于设定值k2时，控制各涡轮机之间的动力传递装置4断开，各涡轮机之间的控制阀关闭；若发动机转速大于k2，小于k3时，控制第一涡轮机与第二涡轮机之间的控制阀打开，第一涡轮机与第二涡轮机之间的动力传递装置4连接，从而能够使得空气压缩机获得足够的动力，从空气压缩机侧至最后一个涡轮机依次为第一涡轮机3a、第二涡轮机3b与第三涡轮机3c；当发动机转速大于k3时，发动机进气量不足时，控制第二涡轮机与第三涡轮机之间的控制阀打开，第二涡轮机与第三涡轮机之间的动力传递装置4连接，当达到发动机的进气量后，控制第三涡轮机与电机-发电机两用机之间的动力传递装置4连接，此时电机-发电机作发电机用。其中，k1为800～1500r/min，k2为1500～3000r/min，k3为3000～5000r/min，该取值为参考取值，可根据不同发动机而变化参数。

通过上述的涡轮增压结构的控制方法，能够便于控制该涡轮增压的工作，提高发动机的响应速度，为发动机提供充足的进气量，从而提高发动机的进气效率，在发动机转速高时，多级涡轮工作，从而提高对尾气的利用效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。