專利名稱：用于四沖程內(nèi)燃機(jī)的兩級(jí)增壓系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將空氣充量輸送給一四沖程內(nèi)燃機(jī)的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)今在實(shí)際應(yīng)用中利用增壓器來增加四沖程內(nèi)燃機(jī)的功率輸出并降低其燃料消耗是很普遍的?；鸹c(diǎn)火式柴油機(jī)采用渦輪增壓器是較好的，在柴油機(jī)時(shí)，一給定氣缸排量的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出可因外加的帶后冷的渦流增壓而成倍增加。渦輪增壓器已經(jīng)發(fā)展了幾十年了，并且現(xiàn)在用在高速柴油機(jī)和汽油機(jī)上的渦輪增壓器的制造成本是相當(dāng)?shù)偷?，而效率是很高的，是一種耐用的商業(yè)產(chǎn)品。
盡管渦輪增壓器使用要被浪費(fèi)的廢氣能量，但在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中則要增設(shè)一廢氣透平，因必須產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)該渦輪增壓器的壓氣機(jī)的功率，而不得不在透平兩端形成足夠的壓差，這必定會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的平均背壓。當(dāng)活塞迫使燃燒殘余廢氣通過排氣閥排出時(shí)，這個(gè)背壓對(duì)活塞的向上沖程提供反作用，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。由四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高增壓產(chǎn)生的背壓是非常高的，即使使用相當(dāng)高的綜合效率的增壓器也是這樣?？捎脕斫档陀稍鰤浩魍钙疆a(chǎn)生的背壓的任何裝置都會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的顯著改善。例如，如果一臺(tái)柴油機(jī)需要2.5倍大氣壓的壓比來達(dá)到理想的功率輸出，則單級(jí)渦輪增壓器將會(huì)使排氣系統(tǒng)中的背壓保持為大氣壓的大約2倍。
在高的額定輸出功率發(fā)動(dòng)機(jī)中，現(xiàn)在通常常用的是串聯(lián)渦輪增壓器。如果兩個(gè)壓氣機(jī)串聯(lián)設(shè)置，則各壓氣機(jī)的壓縮比被放大，所以比只由一單級(jí)渦輪增壓器產(chǎn)生的增壓壓力更高的增壓壓力可提供給該發(fā)動(dòng)機(jī)。如果例如一高比率的發(fā)動(dòng)機(jī)要求壓縮比為4.5(這一比率超過單級(jí)商用渦輪增壓器可獲得的比率)，則各串聯(lián)的渦輪增壓器可提供一個(gè)壓縮比為2.1的低壓縮級(jí)和一個(gè)壓縮比為2.15的高壓縮級(jí)，它們產(chǎn)生的綜合壓縮比為4.51。但這樣做明顯提高了排氣背壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)空氣充量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可包括一個(gè)用于將空氣充量提供四沖程內(nèi)燃機(jī)并用電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)，包括與渦輪增壓器空氣充量壓氣機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)的系統(tǒng)。本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)可給內(nèi)燃機(jī)提供一個(gè)可避免一小型空氣充量壓氣機(jī)對(duì)空氣流的限制的有效空氣充量流軌跡，和一種用于使它不斷地運(yùn)行從而避免一小型空氣充量壓氣機(jī)對(duì)空氣充量流產(chǎn)生限制作用的要求。
本發(fā)明允許使用一個(gè)由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)，用于在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從怠速到大約2000-2500rpm時(shí)提供空氣充量，但在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速時(shí)不會(huì)限制空氣充量流，并且允許一小型的由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)與一渦輪增壓器壓氣機(jī)串聯(lián)和并聯(lián)進(jìn)行使用。在本發(fā)明中使用的這些由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)是具有一種這樣的輸出容量的壓氣機(jī)，即其容量可以滿足一臺(tái)處于高速，例如超過大約2500rpm，運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的空氣充量要求，并且在它們不運(yùn)行時(shí)，在這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)空氣充量流具有不可接受的限制。本發(fā)明允許使用只能提供在一臺(tái)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)處于額定的速度運(yùn)行時(shí)所要求的空氣充量的三分之一或更少的空氣充量的空氣充量壓氣機(jī)。
本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)包括一個(gè)具有一進(jìn)口和一出口的空氣充量小型壓氣機(jī)，一個(gè)相連的用于驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)的電馬達(dá)，一個(gè)與該空氣充量壓氣機(jī)的出口相連的第一空氣充量管，一個(gè)第二空氣充量管和一個(gè)用于將該第一和第二空氣充量管連接起來的連接部，該連接部與一四沖程內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管相連，一個(gè)空氣充量單向閥處于所述第一和第二空氣充量管之一用的連接部處或上游。在本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該空氣充量小型壓氣機(jī)和該第二管的進(jìn)口最好通過一個(gè)空氣濾清器與環(huán)境大氣相連，并且空氣充量單向閥的工作是根據(jù)該空氣充量壓氣機(jī)的運(yùn)行情況來關(guān)閉該第二空氣充量管。
本發(fā)明的另一個(gè)這樣的空氣充量系統(tǒng)利用一渦輪增壓器提供一兩級(jí)壓縮，該渦輪增壓器具有一個(gè)廢氣驅(qū)動(dòng)的透平和一個(gè)由該廢氣透平驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)的空氣進(jìn)口與該連接部相連，其壓縮空氣出口與該內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管相連。在這種兩級(jí)壓縮的優(yōu)選空氣充量系統(tǒng)中，該渦輪增壓器可設(shè)置有一個(gè)幫助該廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器的透平驅(qū)動(dòng)該渦輪增壓器壓氣機(jī)的電馬達(dá)。
本發(fā)明的另一種并聯(lián)運(yùn)行的空氣充量系統(tǒng)包括一個(gè)具有一進(jìn)口和一出口的空氣充量壓氣機(jī)，一個(gè)相連的用于驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)的電馬達(dá)，一個(gè)與該空氣充量壓氣機(jī)的出口相連的第一空氣充量管，一個(gè)具有一個(gè)與一四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來的廢氣相連的廢氣驅(qū)動(dòng)透平和一個(gè)具有空氣進(jìn)口和一個(gè)壓縮空氣出口的渦輪增壓器壓氣機(jī)的渦輪增壓器，一個(gè)與該渦輪增壓器壓氣機(jī)的空氣出口相連的第二空氣充量管，一個(gè)用于將所述第一和第二空氣充量管連接起來的連接部，該連接部與該四沖程內(nèi)燃機(jī)的空氣進(jìn)氣管相連，一個(gè)空氣充量單向閥設(shè)置在所述第一和第二空氣充量管之一用的連接部處或上游。在并聯(lián)運(yùn)行的空氣充量系統(tǒng)的這種優(yōu)化實(shí)施例中，該空氣充量單向閥在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)可根據(jù)該空氣充量壓氣機(jī)運(yùn)行的情況關(guān)閉該第二空氣充量管，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)可關(guān)閉該第一空氣充量管。此外，在這種優(yōu)化的空氣充量系統(tǒng)中，渦輪增壓器可包括一個(gè)幫助該廢氣驅(qū)動(dòng)透平驅(qū)動(dòng)該渦輪增壓器壓氣機(jī)的電馬達(dá)。
本發(fā)明的另一個(gè)空氣充量系統(tǒng)包括一個(gè)具有一進(jìn)口和一出口的空氣充量壓氣機(jī)，一個(gè)相連的用來驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)的電馬達(dá)，一個(gè)具有一個(gè)與該四沖程內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣相連并由廢氣驅(qū)動(dòng)的透平和一個(gè)具有一空氣進(jìn)口和一空氣出口的渦輪增壓器壓氣機(jī)的渦輪增壓器，一個(gè)進(jìn)口與所述渦輪增壓器壓氣機(jī)的壓縮空氣充量出口相連的空氣充量冷卻器，一個(gè)與該空氣充量冷卻器出口相連的第一空氣充量管，一個(gè)與環(huán)境大氣相連的第二空氣充量管，一個(gè)用于將該第一和第二空氣充量管連接起來的連接部，一第三空氣充量管將該第一和第二空氣充量管的連接部與該空氣充量壓氣機(jī)的空氣進(jìn)口相連，一個(gè)空氣充量單向閥可根據(jù)所述空氣充量壓氣機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行工作，用來開啟所述第二空氣充量管，并在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)根據(jù)所述渦輪增壓器的運(yùn)行關(guān)閉所述第二空氣充量管。在這樣的系統(tǒng)中，該渦輪增壓器可設(shè)置有一個(gè)幫助廢氣透平驅(qū)動(dòng)該渦輪增壓器壓氣機(jī)的電馬達(dá)。
在本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)中，一電控裝置可按各種方式控制電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)該小型空氣充量壓氣機(jī)，以便改善內(nèi)燃機(jī)的空氣充量供給。該小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)在需要從發(fā)動(dòng)機(jī)低速開始加速時(shí)，可由該控制器施加能量和/或在預(yù)定的最小速度時(shí)施加能量，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管處提供帶有最小的滯后的增壓壓力，從而降低內(nèi)燃機(jī)的反應(yīng)時(shí)間和有害污染物的產(chǎn)生。該控制器也可控制任何輔助電馬達(dá)，該電馬達(dá)連接得便于幫助廢氣能量驅(qū)動(dòng)一渦輪增壓器壓氣機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，這種控制器通?？蔀檩o助驅(qū)動(dòng)這種渦輪增壓器的電馬達(dá)提供能量和超額能量。
本發(fā)明還提供一種利用一電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)來改善四沖程內(nèi)燃機(jī)的性能的方法。借助于利用一外部能源來驅(qū)動(dòng)該小型空氣充量壓氣機(jī)，可對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行增壓，而不會(huì)如渦輪增壓器那樣影響排氣系統(tǒng)的背壓，并且可迅速獲得空氣充量密度的增加，從而允許燃料更有效地燃燒，其理想結(jié)果是從發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中排到大氣中的有害污染物降低了。
本發(fā)明還提供一種改善一裝備有一發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器壓氣機(jī)的性能的方法，該方法借助于消除在節(jié)流裝置的突然開啟時(shí)產(chǎn)生的渦輪增壓器壓氣機(jī)時(shí)間滯后，并借助于提供一個(gè)將空氣充量提供給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的小型電動(dòng)空氣充量壓氣機(jī)來改善性能。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)可從各附圖和當(dāng)前公開的最佳實(shí)施方式和如下所述的本發(fā)明的各實(shí)施例的詳細(xì)說明中變得更清楚。


圖1示意性地表示用于一四沖程內(nèi)燃機(jī)的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第一優(yōu)化實(shí)施例，此時(shí)該空氣充量在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)可由一個(gè)由一小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)提供，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)由環(huán)境大氣提供。
圖2示意性地表示用于一四沖程內(nèi)燃機(jī)的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第二優(yōu)化實(shí)施例，此時(shí)兩級(jí)空氣充量在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)可由一個(gè)由一小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)并與一電馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器壓氣機(jī)串聯(lián)的壓氣機(jī)提供，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)可單獨(dú)由該電馬達(dá)輔助驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器提供。
圖3示意性地表示用于一四沖程內(nèi)燃機(jī)的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第三優(yōu)化實(shí)施例，此時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，由一小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)與一渦輪增壓器壓氣機(jī)平行布置，并且空氣充量由該小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)提供，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)由渦輪增壓器壓氣機(jī)提供。
圖4示意性地表示本發(fā)明的一第四優(yōu)化實(shí)施例，該實(shí)施例包括一渦流空氣充量壓氣機(jī)和與該渦流空氣充量壓氣機(jī)相連并與一小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)串聯(lián)的空氣充量冷卻器，所以該空氣充量在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)只由該小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)提供，而在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)由該小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)和該渦輪增壓器壓氣機(jī)兩者在一兩級(jí)內(nèi)冷系統(tǒng)中提供。
具體實(shí)施例方式
圖1中示意性地示出了一種常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)的剖視圖，并且用標(biāo)號(hào)10表示該內(nèi)燃機(jī)的整體。該內(nèi)燃機(jī)10具有一個(gè)氣缸體12，氣缸14設(shè)置于該氣缸體中。此時(shí)，該氣缸的軸線垂直向上。活塞16在曲柄18的控制下在氣缸中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該曲柄繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)，并由連桿20連接到該活塞上。該曲軸和連桿裝納在曲軸箱22中，該曲軸箱裝納有潤滑該發(fā)動(dòng)機(jī)的下部零部件的機(jī)油。沿該曲軸軸線通常設(shè)有一組氣缸。
該氣缸體中的各氣缸由氣缸蓋24蓋住。該氣缸蓋具有一個(gè)形成空氣充量進(jìn)口的進(jìn)氣管26并帶有進(jìn)氣閥28，該進(jìn)氣閥控制流向氣缸中的空氣流或空氣與燃料的混合氣流。該氣缸蓋24還具有一個(gè)用于每個(gè)氣缸的排氣口30。該排氣口30由排氣閥32控制。每個(gè)的氣缸的進(jìn)排氣閥的開啟和關(guān)閉借助于曲軸與控制各氣閥的凸輪軸之間的相互的機(jī)械聯(lián)系進(jìn)行控制并與活塞的運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)。燃料在合適的時(shí)候通過噴油器34噴入氣缸中。在某些情況下，燃油燃料可作為燃空混合氣通過進(jìn)氣閥輸送給氣缸。借助于增加輸送給氣缸的空氣量，并相應(yīng)地增壓燃料量，可使發(fā)動(dòng)機(jī)10的輸出功率適當(dāng)?shù)卦黾?；此外，增加發(fā)動(dòng)機(jī)效率可使每單位的燃料產(chǎn)生更多的功。
圖1表示一個(gè)用于四沖程內(nèi)燃機(jī)10的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)40。該空氣充量系統(tǒng)40包括一個(gè)具有一進(jìn)口43和一出口44的小型空氣充量壓氣機(jī)42。一電馬達(dá)45與該空氣充量壓氣機(jī)42連接用來驅(qū)動(dòng)它。一第一空氣充量管46與該空氣充量壓氣機(jī)42的出口44相連。該空氣充量系統(tǒng)40還包括一第二空氣充量管47和一個(gè)將該第一和第二空氣充量管46，47相連的連接部48。如圖1所示，連接部48與該內(nèi)燃機(jī)10的進(jìn)氣管26相連。該空氣充量系統(tǒng)40還包括一個(gè)處于該連接部48處(或上游)的空氣充量單向閥50。該空氣充量單向閥50工作時(shí)用來關(guān)閉該第一空氣充量管46或第二空氣充量管47之一。如圖1所示，在該空氣充量單向閥50進(jìn)行工作以便關(guān)閉該第二空氣充量管47時(shí)，它本身是由空氣充量壓氣機(jī)42產(chǎn)生的空氣壓力控制的，從而防止空氣充量從連接部48處回流到空氣濾清器52中，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，由該內(nèi)燃機(jī)10通過該第二空氣充量管47吸入的空氣充量可控制該空氣充量單向閥50使其關(guān)閉該第一空氣充量管46，如圖1中虛線所示。最好如圖1所示，該空氣充量壓氣機(jī)的進(jìn)口43和該第二管47都與一空氣濾清器52相連。
一控制器54根據(jù)從一發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器接收到的和/或從該內(nèi)燃機(jī)控制器的加速控制接收到的信號(hào)56，對(duì)從一電源55來的作用電能進(jìn)行控制。在本發(fā)明的優(yōu)化控制系統(tǒng)中，該小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000-2500rpm時(shí)由控制器54控制。在圖1所示的空氣充量系統(tǒng)40中，該電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42可由控制器54維持處于一預(yù)定的最低轉(zhuǎn)速，從而為該發(fā)動(dòng)機(jī)10的進(jìn)氣管26提供增壓壓力，以備加速，所以當(dāng)要求發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，在噴射額外的燃料量前，理想的空氣量已經(jīng)處于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸14內(nèi)了。另外，電馬達(dá)45可根據(jù)從發(fā)動(dòng)機(jī)加速控制中接收到的一信號(hào)施加能量或強(qiáng)化施加能量，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)要求加速時(shí)，空氣充量和增壓壓力能迅速增加。由于系統(tǒng)40包括一個(gè)小型壓氣機(jī)，因此它達(dá)到高的運(yùn)行速度和高的增壓壓力的過渡時(shí)間顯著降低，因此燃料可以更完全地燃燒，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中有害污染物的量可顯著地降低。
在圖1所示的空氣充量系統(tǒng)40中，第一空氣充量管46與第二空氣充量管47的結(jié)合通過一單向閥50通向環(huán)境大氣，這避免了在內(nèi)燃機(jī)10處于高速，例如轉(zhuǎn)速超過2000-2500rpm時(shí)由于壓氣機(jī)42的尺寸小而對(duì)流入該內(nèi)燃機(jī)10的空氣充量流的限制。在空氣充量系統(tǒng)40中，使該小型壓氣機(jī)42去能，并且該發(fā)動(dòng)機(jī)可通通過該第二管47從環(huán)境大氣中吸入空氣充量，例如通過空氣濾清器52，并通過該空氣充量單向閥50，該閥在由該內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的空氣充量的壓力作用下被迫處于一個(gè)使該第二管裝置47開啟的位置(圖中虛線所示)。
本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)40可允許有效的空氣充量在內(nèi)燃機(jī)10的整個(gè)速度范圍內(nèi)流入該內(nèi)燃機(jī)，并允許使用一個(gè)在內(nèi)燃機(jī)高速時(shí)會(huì)對(duì)流入其中的空氣流產(chǎn)生不可接受的限制的小型電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的離心式壓氣機(jī)42。
該空氣充量系統(tǒng)40可允許該空氣充量壓氣機(jī)42的體積制造得非常小，以便只在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000-2500rpm時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣充量要求匹配，并且本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)由于離心式空氣充量壓氣機(jī)的體積更小而比現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。
圖2示出了本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)用于一四沖程內(nèi)燃機(jī)10的第二優(yōu)化實(shí)施例。該四沖程內(nèi)燃機(jī)10如圖1所示，并在上面作了說明。圖2中所示所空氣充量系統(tǒng)60與圖1所示的系統(tǒng)的主要區(qū)別是具有一個(gè)渦輪增壓器62，該增壓器包括一個(gè)由廢氣驅(qū)動(dòng)并連接到該內(nèi)燃機(jī)10的排氣口30上的透平63和一個(gè)渦輪增壓器壓氣機(jī)64，該壓氣機(jī)具有一個(gè)空氣進(jìn)口65和一個(gè)壓縮空氣出口66。在圖2的優(yōu)化空氣充量系統(tǒng)中，該渦輪增壓器62還包括一個(gè)電馬達(dá)67，該電馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)該渦輪增壓器壓氣機(jī)64時(shí)可幫助該廢氣驅(qū)動(dòng)的透平63。圖2的空氣充量系統(tǒng)還包括一個(gè)具有一進(jìn)口43和一出口44的空氣充量壓氣機(jī)42，和一個(gè)與該壓氣機(jī)相連用來驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)42的電馬達(dá)42。一第一空氣充量管46與該空氣充量壓氣機(jī)42的出口42相連。一第二空氣充量管47從環(huán)境大氣中延伸到一個(gè)用于將該第一空氣充量管46和該第二空氣充量管47連接起來的連接部48處。在圖2所示系統(tǒng)中，該連接部48與該渦輪增壓器壓氣機(jī)64的空氣進(jìn)口相連。如圖1中所示的空氣充量系統(tǒng)40那樣，圖2所示的空氣充量系統(tǒng)60包括一個(gè)位于該連接部48處或處于該連接部的上游并用于關(guān)閉該第一和第二空氣充量管46，47之一的空氣充量單向閥50。
圖2所示空氣充量系統(tǒng)60還設(shè)置有一個(gè)由該內(nèi)燃機(jī)來的信號(hào)56，例如從一發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器和/或發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的加速控制裝置來的信號(hào)，控制的電控裝置54，以便將電源55的電能供給電馬達(dá)45和67。
圖2所示的空氣充量系統(tǒng)可給內(nèi)燃機(jī)10用的充量空氣提供兩級(jí)壓縮，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，當(dāng)空氣充量壓氣機(jī)42用的電馬達(dá)45和渦輪增壓器壓氣機(jī)的電馬達(dá)67兩者都由控制器54控制施加能量時(shí)更是如此。在這種工況下，環(huán)境空氣被吸到空氣充量壓氣機(jī)42的進(jìn)口43處，并利用由電馬達(dá)45驅(qū)動(dòng)的該壓氣機(jī)42的壓縮工作進(jìn)行壓縮，同時(shí)通過該第一空氣充量管46輸送給連接部48，在此該壓縮空氣的壓力使該空氣充量單向閥50和第二充量空氣通道47關(guān)閉，如圖2所示。由空氣充量壓氣機(jī)42壓縮的空氣充量導(dǎo)流到渦輪增壓器壓氣機(jī)64的進(jìn)口65中，在此，它被進(jìn)一步壓縮并從該渦輪增壓器壓氣機(jī)的出口66輸送到該內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口65中。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的廢氣能量較低，此時(shí)該渦輪增壓器的輔助電馬達(dá)67的運(yùn)行，同時(shí)該小型空氣充量壓氣機(jī)42的運(yùn)行，它們兩者給流到內(nèi)燃機(jī)的空氣充量提供了兩級(jí)壓縮。
如現(xiàn)有技術(shù)公知的那樣，由兩級(jí)空氣充量系統(tǒng)60的工作產(chǎn)生的增壓壓力可以由空氣充量壓氣機(jī)42的壓比和渦輪增壓器壓氣機(jī)64的壓比形成。在圖2所示的空氣充量系統(tǒng)中，離心式壓氣機(jī)42的壓縮空氣出口44連接到渦輪增壓器壓氣機(jī)64的空氣進(jìn)口65上，從而形成一串聯(lián)連接的壓縮系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)，根據(jù)諸如從增壓壓力傳感器和/或節(jié)流傳感器來的輸入信號(hào)56，第一級(jí)離心式壓氣機(jī)42可由電馬達(dá)45驅(qū)動(dòng)。由于第一級(jí)壓氣機(jī)42不由一廢氣渦輪驅(qū)動(dòng)，因此它不會(huì)提高排氣背壓。另外，第一級(jí)壓氣機(jī)42是一個(gè)小型壓氣機(jī)，它可根據(jù)信號(hào)56通過該電馬達(dá)45的工作迅速作出反應(yīng)使增壓壓力提高。其結(jié)果是可以獲得一個(gè)相對(duì)并不復(fù)雜的兩級(jí)空氣充量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使增壓壓力增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓較低。例如，如果一臺(tái)柴油機(jī)需要大氣壓2.5倍的壓比才能達(dá)到理想的輸出匹配功率，則單級(jí)渦輪增壓器會(huì)施加在排氣系統(tǒng)中的背壓大約是大氣壓的2倍。然而，在一個(gè)帶有與該渦輪增壓器壓氣機(jī)64串聯(lián)并由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42的空氣充量系統(tǒng)60中，所要求的壓比2.5可借助于由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42產(chǎn)生的壓比1.3和由該渦輪增壓器壓氣機(jī)64產(chǎn)生的壓比1.92實(shí)現(xiàn)，渦輪增壓器壓氣機(jī)64的壓比從2.5較低到1.92將導(dǎo)致排氣背壓較低大約1.5個(gè)大氣壓。這就顯著地內(nèi)燃機(jī)10的泵氣損失，從而較低燃料消耗，提高功率輸出，或者兩種效果同時(shí)獲得，并較低排氣污染。
此外，圖2所示的空氣充量系統(tǒng)的工作可借助于一外加的并使用的輔助電馬達(dá)67和一渦輪增壓器得到改善。用于該渦輪增壓器62的輔助電馬達(dá)67可由控制裝置54根據(jù)從內(nèi)燃機(jī)來的合適輸入信號(hào)施加能量。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)以低速運(yùn)行時(shí)可用一增壓壓力傳感器來將一信號(hào)傳遞給該電控裝置54；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求加速時(shí)，該增壓壓力傳感器，和/或一節(jié)流傳感器可給控制裝置54產(chǎn)生一個(gè)輸入信號(hào)56，并且空氣充量壓氣機(jī)42用的電馬達(dá)45和使該渦輪增壓器壓氣機(jī)64旋轉(zhuǎn)的電馬達(dá)67兩者都可被施加能量，從而在加速期間可提供更多的空氣。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)10提供帶有足夠能量的廢氣從而使該渦輪增壓器工作足夠快以便將足夠的充量空氣提供給該發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，從該內(nèi)燃機(jī)來的一速度信號(hào)可使該空氣充量壓氣機(jī)42和該渦輪增壓器的輔助電馬達(dá)67兩者同時(shí)斷電。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)低速高負(fù)荷時(shí)，當(dāng)要求最大輸出功率時(shí)，渦輪增壓器62的輔助電馬達(dá)67可由控制裝置54控制通電，同時(shí)電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42保持通電，從而提供高的增壓壓力。
當(dāng)控制裝置54在發(fā)動(dòng)機(jī)高速范圍內(nèi)(此時(shí)廢氣能量足夠驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器壓氣機(jī)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的空氣充量和增壓壓力)使空氣充量壓氣機(jī)42用的電馬達(dá)45和渦輪增壓器壓氣機(jī)的輔助電馬達(dá)67兩者斷電時(shí)，空氣充量單向閥50借助于從環(huán)境大氣中來的空氣充量通過該第二空氣充量管47流到該渦輪增壓器壓氣機(jī)64的進(jìn)口65中而使管路47打開。如圖1所示空氣充量系統(tǒng)40那樣，圖2所述空氣充量系統(tǒng)60因允許環(huán)境空氣按未受限制的方式通過單向閥50流到該渦輪增壓器壓氣機(jī)64的進(jìn)口65中，從而回避了小型渦輪增壓器壓氣機(jī)42的限制作用。另外，如圖1所述的空氣充量系統(tǒng)40那樣，空氣充量最好流過一空氣充量過濾器52后才輸送給該第二空氣充量進(jìn)氣管和空氣充量壓氣機(jī)42的空氣進(jìn)口。
該輔助電馬達(dá)67和它與電控裝置54的連接在圖2中用虛線表示，從而說明盡管它們是最佳實(shí)施例的一部分，但它們對(duì)本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)60來說并不是必要的。
本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的第三優(yōu)化實(shí)施例表示于圖3中。圖3的空氣充量系統(tǒng)70使用一電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42和平行布置的渦輪增壓器62，通過一個(gè)按擺動(dòng)方式連接的空氣充量單向閥50為該四沖程內(nèi)燃機(jī)10提供空氣充量。
圖3所示空氣充量系統(tǒng)70包括一個(gè)帶有一進(jìn)口43和一出口44的空氣充量壓氣機(jī)42，一連接得用于驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)42的電馬達(dá)45和一個(gè)與空氣充量壓氣機(jī)42的空氣充量出口44連接的第一空氣充量管46。該渦輪增壓器62包括一個(gè)與該內(nèi)燃機(jī)10的排氣口30連接的廢氣驅(qū)動(dòng)透平63，和一個(gè)具有一空氣進(jìn)口65和一個(gè)與該第二空氣充量管68連接的壓縮空氣出口66的渦輪增壓器壓氣機(jī)64。該空氣充量系統(tǒng)70還包括一個(gè)將該第一空氣充量管46和該第二空氣充量管68相連的連接部48。該連接部48與該內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管24的空氣進(jìn)口26相連，并且一空氣充量單向閥50處于該連接部用于關(guān)閉該第一和第二空氣充量管46，68之一。在空氣充量系統(tǒng)70運(yùn)行時(shí)，該充量空氣單向閥50用作一擺動(dòng)閥，并在該四沖程內(nèi)燃機(jī)低速運(yùn)行且該空氣充量壓氣機(jī)42工作時(shí)，關(guān)閉該第二空氣充量管68(如圖中虛線所示)，在該四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)且該渦輪增壓器62運(yùn)行時(shí)關(guān)閉該第一空氣充量管46。
在該空氣充量系統(tǒng)70的優(yōu)選的運(yùn)行中，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)及加速期間，電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42由電控裝置54和電馬達(dá)45施加能量，并且從空氣充量壓氣機(jī)出口44流出的壓縮空氣充量使該空氣充量單向閥50擺動(dòng)到圖3虛線所示位置，從而關(guān)閉該第二空氣充量管68，同時(shí)使該連接部48到該內(nèi)燃機(jī)10的空氣充量進(jìn)口26保持導(dǎo)通。一旦從內(nèi)燃機(jī)供給該渦輪增壓器的廢氣能量足夠時(shí)，例如在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為大約2000rpm-2500rpm時(shí)，該電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)42可斷電，并且該渦輪增壓器壓氣機(jī)64供給空氣充量，并且增壓壓力使該空氣充量單向閥50運(yùn)動(dòng)到圖3中實(shí)線所示位置，從而關(guān)閉該第一空氣充量管46，并從連接部48中將空氣充量提供給該內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口26。當(dāng)利用前面所述的空氣充量系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)從發(fā)動(dòng)機(jī)低速進(jìn)行加速的需要，控制裝置54可借助于從發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感器和/或一加速要求傳感器(未示出)來的信號(hào)56使電馬達(dá)45施加能量，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)42。如圖3所示，空氣充量壓氣機(jī)42用的空氣進(jìn)口43和渦輪增壓器壓氣機(jī)64的空氣進(jìn)口65最好與一空氣濾清器52相連。
電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)和圖3所示的渦輪增壓器壓氣機(jī)的并聯(lián)連接，在使該小型空氣充量壓氣機(jī)42的空氣充量輸出而突然使節(jié)流裝置開啟時(shí)，借助于對(duì)渦輪增壓器壓氣機(jī)64的時(shí)間滯后進(jìn)行補(bǔ)償可改善一渦輪增壓器四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，該壓氣機(jī)通過擺動(dòng)閥50直接連接到內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口26上。壓縮空氣從連接部48回流入第二管路68可由壓力驅(qū)動(dòng)的空氣充量單向閥50防止。當(dāng)渦輪增壓器壓氣機(jī)64獲得足夠的速度時(shí)，其壓力輸出將克服單向閥50的作用，允許其壓縮空氣流入該連接部48和內(nèi)燃機(jī)的空氣進(jìn)口，并借助于利用擺動(dòng)閥50將該通道關(guān)閉，從而防止空氣從該連接部48通過第一空氣充量管46和該小型空氣充量壓氣機(jī)42進(jìn)行回流。
圖4表示本發(fā)明的優(yōu)化空氣充量系統(tǒng)80的一第四實(shí)施例，在該系統(tǒng)中，一渦輪增壓器壓氣機(jī)64輸出的壓縮空氣充量通過一中冷器82(例如用在渦流增壓內(nèi)燃機(jī)中的空氣-空氣的中冷器)輸送到空氣充量壓氣機(jī)92的空氣進(jìn)口43中，從形成串聯(lián)布置和內(nèi)燃機(jī)10用的空氣充量兩級(jí)增壓。圖4所示的空氣充量系統(tǒng)80除空氣濾清器52外還包括一輔助空氣濾清器83和一個(gè)單向閥50，該單向閥在施加能量時(shí)允許該電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)92直接從環(huán)境大氣中將空氣充量提供給內(nèi)燃機(jī)10，而不存在空氣濾清器52，渦輪增壓器壓氣機(jī)64，中冷器82和相關(guān)的管路產(chǎn)生的限制。
圖4所示空氣充量系統(tǒng)80包括一個(gè)具有一空氣進(jìn)口92和出口94的空氣充量壓氣機(jī)92，一個(gè)連接用來驅(qū)動(dòng)該空氣充量壓氣機(jī)92的電馬達(dá)95，一個(gè)具有一個(gè)與該內(nèi)燃機(jī)10的廢氣出口30相連并由廢氣驅(qū)動(dòng)的透平63的渦輪增壓器62，及一個(gè)具有一空氣進(jìn)口65和一個(gè)連接到空氣充量冷卻器82的進(jìn)口上的壓縮空氣充量出口66的渦輪增壓器壓氣機(jī)64。另一個(gè)空氣充量管84與冷卻器82的出口相連，而一第二空氣充量管86與環(huán)境大氣相連，并且該另一個(gè)空氣充量管84和該第二空氣充量管86在連接部48處連接起來，該連接部由一第三空氣充量管88與該空氣充量壓氣機(jī)92的進(jìn)口93相連。一空氣充量單向閥50根據(jù)空氣充量壓氣機(jī)92的工作進(jìn)行工作，以便開啟該第二空氣充量管86，所以空氣充量可以從環(huán)境大氣中通過輔助空氣濾清器83提供到空氣充量壓氣機(jī)92的進(jìn)口93用于壓縮，并輸送到內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口26中。當(dāng)渦輪增壓器62在高速處由該內(nèi)燃機(jī)控制時(shí)，空氣充量單向閥50工作用于關(guān)閉該第二空氣充量管86。
不象圖1-3所示空氣充量系統(tǒng)那樣，然而空氣充量壓氣機(jī)92在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)必須由該控制裝置控制，從而避免了從渦輪增壓器壓氣機(jī)64到該內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口26對(duì)空氣充量流所存在的限制。然而，使用一電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)92同時(shí)結(jié)合使用該單向閥50和環(huán)境空氣管86，可允許該內(nèi)燃機(jī)具有增加更快的增壓壓力以便進(jìn)行加速。
如圖4所建議的那樣，空氣充量壓氣機(jī)92可緊鄰內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣管26安裝，并且可消除空氣濾清器52，渦輪增壓器壓氣機(jī)64，中冷器82和管道84和85產(chǎn)生的限制性影響。在該空氣充量系統(tǒng)80的運(yùn)行中，離心式壓氣機(jī)92可根據(jù)控制裝置54的控制由電馬達(dá)45驅(qū)動(dòng)以預(yù)定的最小速度旋轉(zhuǎn)，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和低速低負(fù)荷工況時(shí)將增壓壓力提供給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管。因此，在這種工況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制器要求發(fā)動(dòng)機(jī)加速而噴入額外的燃料之前，在內(nèi)燃機(jī)10的空氣進(jìn)口26處存在增壓壓力和大量的空氣充量。另外，在接收到加速信號(hào)56時(shí)，空氣充量壓氣機(jī)92可由控制裝置54和電馬達(dá)45提供超額能量，并且空氣充量壓氣機(jī)92根據(jù)該超額能量迅速作出反應(yīng)，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)需要加速時(shí)可在進(jìn)氣管24處迅速提供空氣充量和增壓壓力。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)要求加速時(shí)，由于可由本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)提供更多的空氣充量，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可迅速加速，燃料燃燒更完全，發(fā)動(dòng)機(jī)中的有害排放物和廢氣都顯著降低。如本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可明顯得知的那樣，用于控制本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的信號(hào)56可從進(jìn)氣管壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)速度，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和控制的各加速要求傳感器和其他合適的各傳感器的任一個(gè)或多個(gè)中獲得。
盡管圖3和4中沒有示出該渦輪增壓器壓氣機(jī)62可包括一個(gè)輔助電馬達(dá)，但在空氣充量系統(tǒng)70中如果需要可設(shè)置一個(gè)由控制器54控制的輔助電馬達(dá)。
因此，本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)也可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)加速的要求，通過使用電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)，迅速滿足內(nèi)燃機(jī)的空氣充量要求，同時(shí)對(duì)空氣充量流不存在限制，否則可能由該小型空氣充量壓氣機(jī)會(huì)對(duì)該空氣充量系統(tǒng)存在影響，同時(shí)本發(fā)明通過另外使用一個(gè)渦輪增壓器壓氣機(jī)，或一個(gè)更大的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)而允許這樣的系統(tǒng)采用兩級(jí)空氣充量壓縮，并允許從并聯(lián)運(yùn)行的電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的小型壓氣機(jī)和一渦輪增壓器壓氣機(jī)，或一電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的更大的壓氣機(jī)提供空氣充量。
盡管結(jié)合幾個(gè)當(dāng)前認(rèn)為是最佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，很清楚的是本發(fā)明也可按其他實(shí)施方式和實(shí)施例具體實(shí)施。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍由下列各權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的兩級(jí)的空氣充量系統(tǒng)，所述內(nèi)燃機(jī)具有廢氣管和進(jìn)氣管，其包括一能夠供應(yīng)小于大約全速和負(fù)載下運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)的空氣充量需要量三分之一的第一級(jí)空氣充量壓氣機(jī)，所述第一級(jí)空氣充量壓氣機(jī)具有一空氣進(jìn)口和一壓縮空氣出口；一用于驅(qū)動(dòng)所述第一級(jí)空氣充量壓氣機(jī)的電馬達(dá)；一在一端與該壓縮空氣出口連接并在另一端與一連接部連接的第一空氣充量管；一在一端與該連接部連接并在另一端對(duì)大氣開口的第二空氣充量管；一用于靠近該連接部的該第二空氣充量管的壓力致動(dòng)單向閥；一渦輪增壓器，其具有一與該內(nèi)燃機(jī)廢氣總管連接的廢氣驅(qū)動(dòng)的透平和一由該廢氣透平驅(qū)動(dòng)的第二級(jí)空氣充量壓氣機(jī)，該渦輪增壓器的所述第二空氣充量壓氣機(jī)具有與該內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣管連接的空氣充量出口和一與該第一和第二空氣充量管的連接部連接的空氣進(jìn)口；以及一用于該兩級(jí)空氣充量系統(tǒng)的控制器，所述控制器與一內(nèi)燃機(jī)速度傳感器和內(nèi)燃機(jī)加速要求傳感器連接并具有一用于響應(yīng)內(nèi)燃機(jī)加速要求信號(hào)來為該第一級(jí)電馬達(dá)施加能量以及在高于預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度時(shí)使第一級(jí)電馬達(dá)斷電的輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的空氣充量系統(tǒng)，其特征在于，一渦輪增壓器電馬達(dá)幫助廢氣透平驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器的第二級(jí)空氣充量壓氣機(jī)并且該控制器具有一在有內(nèi)燃機(jī)加速要求信號(hào)時(shí)來為該渦輪增壓器電馬達(dá)施加能量以及在高于預(yù)定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度時(shí)使渦輪增壓器電馬達(dá)斷電的輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的空氣充量系統(tǒng)，其特征在于，該壓力致動(dòng)單向閥在所述第一級(jí)空氣充量壓氣機(jī)運(yùn)行時(shí)關(guān)閉所述第二空氣充量管并且在所述渦輪增壓器在所述內(nèi)燃機(jī)的高發(fā)動(dòng)機(jī)速度下運(yùn)行時(shí)關(guān)閉所述第一空氣充量管。
4.如權(quán)利要求1所述的空氣充量系統(tǒng)，其特征在于，該空氣充量壓氣機(jī)的所述空氣進(jìn)口和該渦輪增壓器的所述空氣進(jìn)口與一空氣濾清器連接。
全文摘要
空氣充量系統(tǒng)可包括一個(gè)小型的由電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)(42)，用于將壓縮空氣提供給四沖程內(nèi)燃機(jī)(10)，包括與渦輪增壓器空氣充量壓氣機(jī)(64)串聯(lián)和并聯(lián)的系統(tǒng)。所公開的空氣充量系統(tǒng)可給內(nèi)燃機(jī)提供有效的空氣充量流流路，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)可避免對(duì)空氣流的各種限制。
文檔編號(hào)F02B37/16GK1439801SQ0312015
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期1998年7月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月29日
發(fā)明者E·M·哈利米, W·E·沃林維伯 申請(qǐng)人:渦輪動(dòng)力系統(tǒng)有限公司