專利名稱：用于四沖程內燃機的兩級增壓系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及將空氣充量輸送給一四沖程內燃機的裝置。
背景技術：
當今在實際應用中利用增壓器來增加四沖程內燃機的功率輸出并降低其燃料消耗是很普遍的?；鸹c火式柴油機采用渦輪增壓器是較好的，在柴油機時，一給定氣缸排量的發(fā)動機的功率輸出可因外加的帶后冷的渦流增壓而成倍增加。渦輪增壓器已經發(fā)展了幾十年了，并且現(xiàn)在用在高速柴油機和汽油機上的渦輪增壓器的制造成本是相當?shù)偷?，而效率是很高的，是一種耐用的商業(yè)產品。
盡管渦輪增壓器使用要被浪費的廢氣能量，但在發(fā)動機排氣系統(tǒng)中則要增設一廢氣透平，因必須產生用于驅動該渦輪增壓器的壓氣機的功率，而不得不在透平兩端形成足夠的壓差，這必定會增加發(fā)動機氣缸的平均背壓。當活塞迫使燃燒殘余廢氣通過排氣閥排出時，這個背壓對活塞的向上沖程提供反作用，從而增加發(fā)動機的泵氣損失。由四沖程發(fā)動機高增壓產生的背壓是非常高的，即使使用相當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生的背壓的任何裝置都會導致發(fā)動機性能的顯著改善。例如，如果一臺柴油機需要2.5倍大氣壓的壓比來達到理想的功率輸出，則單級渦輪增壓器將會使排氣系統(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)動機中，現(xiàn)在通常常用的是串聯(lián)渦輪增壓器。如果兩個壓氣機串聯(lián)設置，則各壓氣機的壓縮比被放大，所以比只由一單級渦輪增壓器產生的增壓壓力更高的增壓壓力可提供給該發(fā)動機。如果例如一高比率的發(fā)動機要求壓縮比為4.5(這一比率超過單級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壓縮比為2.1的低壓縮級和一個壓縮比為2.15的高壓縮級，它們產生的綜合壓縮比為4.51。但這樣做明顯提高了排氣背壓。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對空氣充量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可包括一個用于將空氣充量提供四沖程內燃機并用電馬達驅動的小型壓氣機，包括與渦輪增壓器空氣充量壓氣機串聯(lián)和并聯(lián)的系統(tǒng)。本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)可給內燃機提供一個可避免一小型空氣充量壓氣機對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行從而避免一小型空氣充量壓氣機對空氣充量流產生限制作用的要求。
本發(fā)明允許使用一個由電馬達驅動的小型壓氣機，用于在發(fā)動機的轉速從怠速到大約2000-2500rpm時提供空氣充量，但在發(fā)動機處于高速時不會限制空氣充量流，并且允許一小型的由電馬達驅動的壓氣機與一渦輪增壓器壓氣機串聯(lián)和并聯(lián)進行使用。在本發(fā)明中使用的這些由電馬達驅動的小型壓氣機是具有一種這樣的輸出容量的壓氣機，即其容量可以滿足一臺處于高速，例如超過大約2500rpm，運行的內燃機的空氣充量要求，并且在它們不運行時，在這樣的發(fā)動機轉速時，對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四沖程發(fā)動機處于額定的速度運行時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。
本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)包括一個具有一進口和一出口的空氣充量小型壓氣機，一個相連的用于驅動該空氣充量壓氣機的電馬達，一個與該空氣充量壓氣機的出口相連的第一空氣充量管，一個第二空氣充量管和一個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燃機的進氣管相連，一個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)的一個優(yōu)選實施例中，該空氣充量小型壓氣機和該第二管的進口最好通過一個空氣濾清器與環(huán)境大氣相連，并且空氣充量單向閥的工作是根據該空氣充量壓氣機的運行情況來關閉該第二空氣充量管。
本發(fā)明的另一個這樣的空氣充量系統(tǒng)利用一渦輪增壓器提供一兩級壓縮，該渦輪增壓器具有一個廢氣驅動的透平和一個由該廢氣透平驅動的渦輪增壓器壓氣機，該壓氣機的空氣進口與該連接部相連，其壓縮空氣出口與該內燃機的進氣管相連。在這種兩級壓縮的優(yōu)選空氣充量系統(tǒng)中，該渦輪增壓器可設置有一個幫助該廢氣驅動的渦輪增壓器的透平驅動該渦輪增壓器壓氣機的電馬達。
本發(fā)明的另一種并聯(lián)運行的空氣充量系統(tǒng)包括一個具有一進口和一出口的空氣充量壓氣機，一個相連的用于驅動該空氣充量壓氣機的電馬達，一個與該空氣充量壓氣機的出口相連的第一空氣充量管，一個具有一個與一四沖程發(fā)動機來的廢氣相連的廢氣驅動透平和一個具有空氣進口和一個壓縮空氣出口的渦輪增壓器壓氣機的渦輪增壓器，一個與該渦輪增壓器壓氣機的空氣出口相連的第二空氣充量管，一個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燃機的空氣進氣管相連，一個空氣充量單向閥設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)運行的空氣充量系統(tǒng)的這種優(yōu)化實施例中，該空氣充量單向閥在發(fā)動機低速時可根據該空氣充量壓氣機運行的情況關閉該第二空氣充量管，在發(fā)動機高速時可關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幫助該廢氣驅動透平驅動該渦輪增壓器壓氣機的電馬達。
本發(fā)明的另一個空氣充量系統(tǒng)包括一個具有一進口和一出口的空氣充量壓氣機，一個相連的用來驅動該空氣充量壓氣機的電馬達，一個具有一個與該四沖程內燃機排出的廢氣相連并由廢氣驅動的透平和一個具有一空氣進口和一空氣出口的渦輪增壓器壓氣機的渦輪增壓器，一個進口與所述渦輪增壓器壓氣機的壓縮空氣充量出口相連的空氣充量冷卻器，一個與該空氣充量冷卻器出口相連的第一空氣充量管，一個與環(huán)境大氣相連的第二空氣充量管，一個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的空氣進口相連，一個空氣充量單向閥可根據所述空氣充量壓氣機的運行進行工作，用來開啟所述第二空氣充量管，并在發(fā)動機高速時根據所述渦輪增壓器的運行關閉所述第二空氣充量管。在這樣的系統(tǒng)中，該渦輪增壓器可設置有一個幫助廢氣透平驅動該渦輪增壓器壓氣機的電馬達。
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驅動該小型空氣充量壓氣機，以便改善內燃機的空氣充量供給。該小型電馬達驅動的壓氣機在需要從發(fā)動機低速開始加速時，可由該控制器施加能量和/或在預定的最小速度時施加能量，從而在發(fā)動機進氣管處提供帶有最小的滯后的增壓壓力，從而降低內燃機的反應時間和有害污染物的產生。該控制器也可控制任何輔助電馬達，該電馬達連接得便于幫助廢氣能量驅動一渦輪增壓器壓氣機，在發(fā)動機低速時，這種控制器通?？蔀檩o助驅動這種渦輪增壓器的電馬達提供能量和超額能量。
本發(fā)明還提供一種利用一電馬達驅動的小型壓氣機來改善四沖程內燃機的性能的方法。借助于利用一外部能源來驅動該小型空氣充量壓氣機，可對該發(fā)動機進行增壓，而不會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，其理想結果是從發(fā)動機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)動機的渦輪增壓器壓氣機的性能的方法，該方法借助于消除在節(jié)流裝置的突然開啟時產生的渦輪增壓器壓氣機時間滯后，并借助于提供一個將空氣充量提供給發(fā)動機進氣管的小型電動空氣充量壓氣機來改善性能。
本發(fā)明的進一步特征和優(yōu)點可從各附圖和當前公開的最佳實施方式和如下所述的本發(fā)明的各實施例的詳細說明中變得更清楚。


圖1示意性地表示用于一四沖程內燃機的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第一優(yōu)化實施例，此時該空氣充量在發(fā)動機低速時可由一個由一小型電馬達驅動的壓氣機提供，而在發(fā)動機高速時由環(huán)境大氣提供。
圖2示意性地表示用于一四沖程內燃機的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第二優(yōu)化實施例，此時兩級空氣充量在發(fā)動機低速時可由一個由一小型電馬達驅動并與一電馬達輔助驅動的渦輪增壓器壓氣機串聯(lián)的壓氣機提供，而在發(fā)動機高速時可單獨由該電馬達輔助驅動的渦輪增壓器提供。
圖3示意性地表示用于一四沖程內燃機的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)的一第三優(yōu)化實施例，此時在發(fā)動機低速時，由一小型電馬達驅動的壓氣機與一渦輪增壓器壓氣機平行布置，并且空氣充量由該小型電馬達驅動的壓氣機提供，而在發(fā)動機高速時由渦輪增壓器壓氣機提供。
圖4示意性地表示本發(fā)明的一第四優(yōu)化實施例，該實施例包括一渦流空氣充量壓氣機和與該渦流空氣充量壓氣機相連并與一小型電馬達驅動的壓氣機串聯(lián)的空氣充量冷卻器，所以該空氣充量在發(fā)動機低速時只由該小型電馬達驅動的壓氣機提供，而在發(fā)動機高速時由該小型電馬達驅動的壓氣機和該渦輪增壓器壓氣機兩者在一兩級內冷系統(tǒng)中提供。
具體實施例方式
圖1中示意性地示出了一種常規(guī)的內燃機的剖視圖，并且用標號10表示該內燃機的整體。該內燃機10具有一個氣缸體12，氣缸14設置于該氣缸體中。此時，該氣缸的軸線垂直向上?；钊?6在曲柄18的控制下在氣缸中上下往復運動。該曲柄繞曲軸軸線旋轉，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)動機的下部零部件的機油。沿該曲軸軸線通常設有一組氣缸。
該氣缸體中的各氣缸由氣缸蓋24蓋住。該氣缸蓋具有一個形成空氣充量進口的進氣管26并帶有進氣閥28，該進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還具有一個用于每個氣缸的排氣口30。該排氣口30由排氣閥32控制。每個的氣缸的進排氣閥的開啟和關閉借助于曲軸與控制各氣閥的凸輪軸之間的相互的機械聯(lián)系進行控制并與活塞的運動保持協(xié)調。燃料在合適的時候通過噴油器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氣閥輸送給氣缸。借助于增加輸送給氣缸的空氣量，并相應地增壓燃料量，可使發(fā)動機10的輸出功率適當?shù)卦黾樱淮送?，增加發(fā)動機效率可使每單位的燃料產生更多的功。
圖1表示一個用于四沖程內燃機10的本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)40。該空氣充量系統(tǒng)40包括一個具有一進口43和一出口44的小型空氣充量壓氣機42。一電馬達45與該空氣充量壓氣機42連接用來驅動它。一第一空氣充量管46與該空氣充量壓氣機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與該內燃機10的進氣管26相連。該空氣充量系統(tǒng)40還包括一個處于該連接部48處(或上游)的空氣充量單向閥50。該空氣充量單向閥50工作時用來關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進行工作以便關閉該第二空氣充量管47時，它本身是由空氣充量壓氣機42產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)動機高轉速時，由該內燃機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，該空氣充量壓氣機的進口43和該第二管47都與一空氣濾清器52相連。
一控制器54根據從一發(fā)動機速度傳感器接收到的和/或從該內燃機控制器的加速控制接收到的信號56，對從一電源55來的作用電能進行控制。在本發(fā)明的優(yōu)化控制系統(tǒng)中，該小型電馬達驅動的壓氣機42在發(fā)動機轉速達到2000-2500rpm時由控制器54控制。在圖1所示的空氣充量系統(tǒng)40中，該電馬達驅動的壓氣機42可由控制器54維持處于一預定的最低轉速，從而為該發(fā)動機10的進氣管26提供增壓壓力，以備加速，所以當要求發(fā)動機加速時，在噴射額外的燃料量前，理想的空氣量已經處于發(fā)動機氣缸14內了。另外，電馬達45可根據從發(fā)動機加速控制中接收到的一信號施加能量或強化施加能量，從而在發(fā)動機要求加速時，空氣充量和增壓壓力能迅速增加。由于系統(tǒng)40包括一個小型壓氣機，因此它達到高的運行速度和高的增壓壓力的過渡時間顯著降低，因此燃料可以更完全地燃燒，發(fā)動機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的結合通過一單向閥50通向環(huán)境大氣，這避免了在內燃機10處于高速，例如轉速超過2000-2500rpm時由于壓氣機42的尺寸小而對流入該內燃機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42去能，并且該發(fā)動機可通通過該第二管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，該閥在由該內燃機產生的空氣充量的壓力作用下被迫處于一個使該第二管裝置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燃機10的整個速度范圍內流入該內燃機，并允許使用一個在內燃機高速時會對流入其中的空氣流產生不可接受的限制的小型電馬達驅動的離心式壓氣機42。
該空氣充量系統(tǒng)40可允許該空氣充量壓氣機42的體積制造得非常小，以便只在發(fā)動機轉速低于2000-2500rpm時與發(fā)動機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的體積更小而比現(xiàn)有技術的系統(tǒng)更經濟。
圖2示出了本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)用于一四沖程內燃機10的第二優(yōu)化實施例。該四沖程內燃機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)別是具有一個渦輪增壓器62，該增壓器包括一個由廢氣驅動并連接到該內燃機10的排氣口30上的透平63和一個渦輪增壓器壓氣機64，該壓氣機具有一個空氣進口65和一個壓縮空氣出口66。在圖2的優(yōu)化空氣充量系統(tǒng)中，該渦輪增壓器62還包括一個電馬達67，該電馬達在驅動該渦輪增壓器壓氣機64時可幫助該廢氣驅動的透平63。圖2的空氣充量系統(tǒng)還包括一個具有一進口43和一出口44的空氣充量壓氣機42，和一個與該壓氣機相連用來驅動該空氣充量壓氣機42的電馬達42。一第一空氣充量管46與該空氣充量壓氣機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64的空氣進口相連。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包括一個位于該連接部48處或處于該連接部的上游并用于關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還設置有一個由該內燃機來的信號56，例如從一發(fā)動機速度傳感器和/或發(fā)動機控制器的加速控制裝置來的信號，控制的電控裝置54，以便將電源55的電能供給電馬達45和67。
圖2所示的空氣充量系統(tǒng)可給內燃機10用的充量空氣提供兩級壓縮，特別是在發(fā)動機低速時，當空氣充量壓氣機42用的電馬達45和渦輪增壓器壓氣機的電馬達67兩者都由控制器54控制施加能量時更是如此。在這種工況下，環(huán)境空氣被吸到空氣充量壓氣機42的進口43處，并利用由電馬達45驅動的該壓氣機42的壓縮工作進行壓縮，同時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關閉，如圖2所示。由空氣充量壓氣機42壓縮的空氣充量導流到渦輪增壓器壓氣機64的進口65中，在此，它被進一步壓縮并從該渦輪增壓器壓氣機的出口66輸送到該內燃機10的空氣進口65中。在發(fā)動機低速時，內燃機的廢氣能量較低，此時該渦輪增壓器的輔助電馬達67的運行，同時該小型空氣充量壓氣機42的運行，它們兩者給流到內燃機的空氣充量提供了兩級壓縮。
如現(xiàn)有技術公知的那樣，由兩級空氣充量系統(tǒng)60的工作產生的增壓壓力可以由空氣充量壓氣機42的壓比和渦輪增壓器壓氣機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42的壓縮空氣出口44連接到渦輪增壓器壓氣機64的空氣進口65上，從而形成一串聯(lián)連接的壓縮系統(tǒng)。在發(fā)動機低速時，根據諸如從增壓壓力傳感器和/或節(jié)流傳感器來的輸入信號56，第一級離心式壓氣機42可由電馬達45驅動。由于第一級壓氣機42不由一廢氣渦輪驅動，因此它不會提高排氣背壓。另外，第一級壓氣機42是一個小型壓氣機，它可根據信號56通過該電馬達45的工作迅速作出反應使增壓壓力提高。其結果是可以獲得一個相對并不復雜的兩級空氣充量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使增壓壓力增加，發(fā)動機的排氣背壓較低。例如，如果一臺柴油機需要大氣壓2.5倍的壓比才能達到理想的輸出匹配功率，則單級渦輪增壓器會施加在排氣系統(tǒng)中的背壓大約是大氣壓的2倍。然而，在一個帶有與該渦輪增壓器壓氣機64串聯(lián)并由電馬達驅動的壓氣機42的空氣充量系統(tǒng)60中，所要求的壓比2.5可借助于由電馬達驅動的壓氣機42產生的壓比1.3和由該渦輪增壓器壓氣機64產生的壓比1.92實現(xiàn)，渦輪增壓器壓氣機64的壓比從2.5較低到1.92將導致排氣背壓較低大約1.5個大氣壓。這就顯著地內燃機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67可由控制裝置54根據從內燃機來的合適輸入信號施加能量。例如，在發(fā)動機以低速運行時可用一增壓壓力傳感器來將一信號傳遞給該電控裝置54；當發(fā)動機要求加速時，該增壓壓力傳感器，和/或一節(jié)流傳感器可給控制裝置54產生一個輸入信號56，并且空氣充量壓氣機42用的電馬達45和使該渦輪增壓器壓氣機64旋轉的電馬達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。當內燃機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)動機時，從該內燃機來的一速度信號可使該空氣充量壓氣機42和該渦輪增壓器的輔助電馬達67兩者同時斷電。另外，在發(fā)動機低速高負荷時，當要求最大輸出功率時，渦輪增壓器62的輔助電馬達67可由控制裝置54控制通電，同時電馬達驅動的壓氣機42保持通電，從而提供高的增壓壓力。
當控制裝置54在發(fā)動機高速范圍內(此時廢氣能量足夠驅動渦輪增壓器壓氣機達到發(fā)動機所需要的空氣充量和增壓壓力)使空氣充量壓氣機42用的電馬達45和渦輪增壓器壓氣機的輔助電馬達67兩者斷電時，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64的進口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64的進口65中，從而回避了小型渦輪增壓器壓氣機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氣管和空氣充量壓氣機42的空氣進口。
該輔助電馬達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施例的一部分，但它們對本發(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使用一電馬達驅動的壓氣機42和平行布置的渦輪增壓器62，通過一個按擺動方式連接的空氣充量單向閥50為該四沖程內燃機10提供空氣充量。
圖3所示空氣充量系統(tǒng)70包括一個帶有一進口43和一出口44的空氣充量壓氣機42，一連接得用于驅動該空氣充量壓氣機42的電馬達45和一個與空氣充量壓氣機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包括一個與該內燃機10的排氣口30連接的廢氣驅動透平63，和一個具有一空氣進口65和一個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64。該空氣充量系統(tǒng)70還包括一個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與該內燃機的進氣管24的空氣進口26相連，并且一空氣充量單向閥50處于該連接部用于關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運行時，該充量空氣單向閥50用作一擺動閥，并在該四沖程內燃機低速運行且該空氣充量壓氣機42工作時，關閉該第二空氣充量管68(如圖中虛線所示)，在該四沖程發(fā)動機高速運且該渦輪增壓器62運行時關閉該第一空氣充量管46。
在該空氣充量系統(tǒng)70的優(yōu)選的運行中，在發(fā)動機怠速時及加速期間，電馬達驅動的壓氣機42由電控裝置54和電馬達45施加能量，并且從空氣充量壓氣機出口44流出的壓縮空氣充量使該空氣充量單向閥50擺動到圖3虛線所示位置，從而關閉該第二空氣充量管68，同時使該連接部48到該內燃機10的空氣充量進口26保持導通。一旦從內燃機供給該渦輪增壓器的廢氣能量足夠時，例如在發(fā)動機轉速為大約2000rpm-2500rpm時，該電馬達驅動的壓氣機42可斷電，并且該渦輪增壓器壓氣機64供給空氣充量，并且增壓壓力使該空氣充量單向閥50運動到圖3中實線所示位置，從而關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燃機10的空氣進口26。當利用前面所述的空氣充量系統(tǒng)時，根據從發(fā)動機低速進行加速的需要，控制裝置54可借助于從發(fā)動機速度傳感器和/或一加速要求傳感器(未示出)來的信號56使電馬達45施加能量，從而在發(fā)動機低速時驅動該空氣充量壓氣機42。如圖3所示，空氣充量壓氣機42用的空氣進口43和渦輪增壓器壓氣機64的空氣進口65最好與一空氣濾清器52相連。
電馬達驅動的小型壓氣機和圖3所示的渦輪增壓器壓氣機的并聯(lián)連接，在使該小型空氣充量壓氣機42的空氣充量輸出而突然使節(jié)流裝置開啟時，借助于對渦輪增壓器壓氣機64的時間滯后進行補償可改善一渦輪增壓器四沖程發(fā)動機的性能，該壓氣機通過擺動閥50直接連接到內燃機10的空氣進口26上。壓縮空氣從連接部48回流入第二管路68可由壓力驅動的空氣充量單向閥50防止。當渦輪增壓器壓氣機64獲得足夠的速度時，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和內燃機的空氣進口，并借助于利用擺動閥50將該通道關閉，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42進行回流。
圖4表示本發(fā)明的優(yōu)化空氣充量系統(tǒng)80的一第四實施例，在該系統(tǒng)中，一渦輪增壓器壓氣機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燃機中的空氣-空氣的中冷器)輸送到空氣充量壓氣機92的空氣進口43中，從形成串聯(lián)布置和內燃機10用的空氣充量兩級增壓。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和一個單向閥50，該單向閥在施加能量時允許該電馬達驅動的壓氣機92直接從環(huán)境大氣中將空氣充量提供給內燃機10，而不存在空氣濾清器52，渦輪增壓器壓氣機64，中冷器82和相關的管路產生的限制。
圖4所示空氣充量系統(tǒng)80包括一個具有一空氣進口92和出口94的空氣充量壓氣機92，一個連接用來驅動該空氣充量壓氣機92的電馬達95，一個具有一個與該內燃機10的廢氣出口30相連并由廢氣驅動的透平63的渦輪增壓器62，及一個具有一空氣進口65和一個連接到空氣充量冷卻器82的進口上的壓縮空氣充量出口66的渦輪增壓器壓氣機64。另一個空氣充量管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92的進口93相連。一空氣充量單向閥50根據空氣充量壓氣機92的工作進行工作，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92的進口93用于壓縮，并輸送到內燃機10的空氣進口26中。當渦輪增壓器62在高速處由該內燃機控制時，空氣充量單向閥50工作用于關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92在發(fā)動機高速時必須由該控制裝置控制，從而避免了從渦輪增壓器壓氣機64到該內燃機10的空氣進口26對空氣充量流所存在的限制。然而，使用一電馬達驅動的壓氣機92同時結合使用該單向閥50和環(huán)境空氣管86，可允許該內燃機具有增加更快的增壓壓力以便進行加速。
如圖4所建議的那樣，空氣充量壓氣機92可緊鄰內燃機的進氣管26安裝，并且可消除空氣濾清器52，渦輪增壓器壓氣機64，中冷器82和管道84和85產生的限制性影響。在該空氣充量系統(tǒng)80的運行中，離心式壓氣機92可根據控制裝置54的控制由電馬達45驅動以預定的最小速度旋轉，從而在發(fā)動機怠速和低速低負荷工況時將增壓壓力提供給發(fā)動機進氣管。因此，在這種工況下，在發(fā)動機控制器要求發(fā)動機加速而噴入額外的燃料之前，在內燃機10的空氣進口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56時，空氣充量壓氣機92可由控制裝置54和電馬達45提供超額能量，并且空氣充量壓氣機92根據該超額能量迅速作出反應，從而在發(fā)動機需要加速時可在進氣管24處迅速提供空氣充量和增壓壓力。
當發(fā)動機要求加速時，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)動機可迅速加速，燃料燃燒更完全，發(fā)動機中的有害排放物和廢氣都顯著降低。如本技術領域的普通技術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56可從進氣管壓力，發(fā)動機速度，發(fā)動機負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或多個中獲得。
盡管圖3和4中沒有示出該渦輪增壓器壓氣機62可包括一個輔助電馬達，但在空氣充量系統(tǒng)70中如果需要可設置一個由控制器54控制的輔助電馬達。
因此，本發(fā)明的空氣充量系統(tǒng)也可根據發(fā)動機加速的要求，通過使用電馬達驅動的小型壓氣機，迅速滿足內燃機的空氣充量要求，同時對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會對該空氣充量系統(tǒng)存在影響，同時本發(fā)明通過另外使用一個渦輪增壓器壓氣機，或一個更大的電馬達驅動的壓氣機而允許這樣的系統(tǒng)采用兩級空氣充量壓縮，并允許從并聯(lián)運行的電馬達驅動的小型壓氣機和一渦輪增壓器壓氣機，或一電馬達驅動的更大的壓氣機提供空氣充量。
盡管結合幾個當前認為是最佳的實施例對本發(fā)明進行了描述，但對本技術領域的普通技術人員來說，很清楚的是本發(fā)明也可按其他實施方式和實施例具體實施。因此，本發(fā)明的保護范圍由下列各權利要求確定。
權利要求
1.一種用于內燃機的兩級的空氣充量系統(tǒng)，所述內燃機具有廢氣管和進氣管，其包括一能夠供應小于大約全速和負載下運行的內燃機的空氣充量需要量三分之一的第一級空氣充量壓氣機，所述第一級空氣充量壓氣機具有一空氣進口和一壓縮空氣出口；一用于驅動所述第一級空氣充量壓氣機的電馬達；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單向閥；一渦輪增壓器，其具有一與該內燃機廢氣總管連接的廢氣驅動的透平和一由該廢氣透平驅動的第二級空氣充量壓氣機，該渦輪增壓器的所述第二空氣充量壓氣機具有與該內燃機進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口；以及一用于該兩級空氣充量系統(tǒng)的控制器，所述控制器與一內燃機速度傳感器和內燃機加速要求傳感器連接并具有一用于響應內燃機加速要求信號來為該第一級電馬達施加能量以及在高于預定發(fā)動機運行速度時使第一級電馬達斷電的輸出。
2.如權利要求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幫助廢氣透平驅動渦輪增壓器的第二級空氣充量壓氣機并且該控制器具有一在有內燃機加速要求信號時來為該渦輪增壓器電馬達施加能量以及在高于預定發(fā)動機運行速度時使渦輪增壓器電馬達斷電的輸出。
3.如權利要求1所述的空氣充量系統(tǒng)，其特征在于，該壓力致動單向閥在所述第一級空氣充量壓氣機運行時關閉所述第二空氣充量管并且在所述渦輪增壓器在所述內燃機的高發(fā)動機速度下運行時關閉所述第一空氣充量管。
4.如權利要求1所述的空氣充量系統(tǒng)，其特征在于，該空氣充量壓氣機的所述空氣進口和該渦輪增壓器的所述空氣進口與一空氣濾清器連接。
全文摘要
空氣充量系統(tǒng)可包括一個小型的由電馬達驅動的壓氣機(42)，用于將壓縮空氣提供給四沖程內燃機(10)，包括與渦輪增壓器空氣充量壓氣機(64)串聯(lián)和并聯(lián)的系統(tǒng)。所公開的空氣充量系統(tǒng)可給內燃機提供有效的空氣充量流流路，并且在發(fā)動機高速時可避免對空氣流的各種限制。
文檔編號F02B37/16GK1439801SQ0312015
公開日2003年9月3日 申請日期1998年7月23日 優(yōu)先權日1997年9月29日
發(fā)明者E·M·哈利米, W·E·沃林維伯 申請人:渦輪動力系統(tǒng)有限公司