新改进的增压系统和具有该系统的内燃机 【技术领域】
本发明涉及一种新改进的、用于内燃机的增压系统，此外，本发明还涉及一种具有该增压系统的内燃机。
背景技术
现今，汽车工业中进行着巨大的改进，以寻求降低燃料消耗总量的系统。为获得良好结果，许多技术区域彼此组合、相互弥补。
改善内燃机效率的一个很好的方法是使用某种增压系统来增大进气歧管压力，以降低内部泵送损耗(internal pumping loss)。这进而会使得燃料消耗降低。此外，该方法还能够减小内燃机的尺寸，而不会影响车辆性能要求。
存在多种不同的增压系统，但它们都可以归属为下面的类型之一：
由车辆驱动轴(例如曲轴)机械驱动的增压器；
废气驱动涡轮增压器；
电动机驱动增压器。
在一些专利申请中，同一内燃机上可以使用一个以上的增压系统。
日本公开的申请号为No 2000-230427的专利申请涉及一种具有增压器的内燃机，其通过离合器实现内燃机与增压器的连接和分离。
WO 2004/025097 A1公开了一种用于操作具有涡轮增压器的内燃机的方法，其中涡轮增压器具有单独的压缩机，该压缩机由内燃机曲轴通过皮带传动方式驱动，所述压缩机连接到涡轮增压器的进口，以增加输送给涡轮增压器的进口空气的压力。这意味着所述损耗会因所述单独的压缩机和涡轮增压器之间存在额外的增压导管而增加，而且在高的电机转速下还会增加压缩机的机械损耗。
【发明内容】
本发明的目的在于将上述所有不同的驱动模式结合到一种增压系统上，以充分利用这些不同驱动模式的不同性能。此外，本发明的目的还在于能够将排放废气中富余能量转换为电能，如果需要所述电能可以用于对蓄电池再充电。根据本发明的增压系统能够实际应用于现有的内燃机上，而且能够通过所有限定类型的驱动模式驱动所述进气增压系统。
【附图说明】
下面参照附图所示的实施方式进一步说明本发明：
图1是装配有根据本发明的增压系统的内燃机的侧视示意图；
图2以结构简图的形式示意性说明了根据本发明的增压系统的基本布置结构；
图3以侧剖图的形式示意性显示了根据本发明的增压系统的一种实施方式；以及
图4是示意性显示的根据本发明的增压系统的另一种实施方式；
图5以类似于图1的视图形式显示了根据本发明的装配有增压系统的内燃机的改进实施方式；
图6至图16示意性说明了根据本发明的增压系统的其它可选择的实施方式。
【具体实施方式】
附图中所示的技术方案结合了机械增压系统、电动增压/再生系统(electrical supercharging/regenerating system)和排气驱动涡轮增压系统，这些类型的增压系统布置在共用轴上。该共用轴进而通过单向离合器(one wayclutch)单元连接到机械驱动轴上，该机械驱动轴与任意类型的内燃机驱动轴连接。
图1示意地显示了内燃机1，该内燃机1具有进气歧管2和排气歧管3。在该示意性显示的实施方式中具有四个进气歧管，这说明内燃机具有四个气缸，但是气缸的数量可以更多或更少。内燃机1具有装配有皮带轮5的曲轴4。
增压系统6以与现有涡轮增压系统的连接方式相似的方式直接连接到内燃机组上。该涡轮增压系统6包括设置在共用轴9上的涡轮机7和压缩机8，其中涡轮机7由排气歧管3排放的废气驱动，并且与涡轮机7共同旋转的压缩机叶轮8压缩通过空气过滤器10吸入的环境空气。压缩地空气在输送管11中经由中间冷却器(intercooler)12和节气门13进入进气歧管2，而排放的废气则在经过所述涡轮后通过具有触媒空气净化器15的排气管14排出。
随内燃机的曲轴4转动的皮带轮5通过传动皮带16向轴17传递转动，轴17能够通过单向离合器18连接到设置有涡轮机7和压缩机8的轴9上，因此在所述涡轮没有达到其工作区的情况下，曲轴4的转动能够传递到所述压缩机和涡轮的共用轴9上。
为了将旋转力再生为电能，共用轴9通过传动皮带19连接到电机20、蓄电池或类似物上。所述内燃机还包括内燃机制动阀21和排气门(wastegate)22。
当然，为了将上述增压系统安装到现有的内燃机上，必须将该增压系统设计为符合现有的能量转换节点(power conversion node)，即废气的入口必须定位为对应于所述排气歧管的出口，并且机械驱动力转换节点必须定位为符合内燃机现有的辅助负载输出。
所述增压系统具有下列技术优点，这些技术优点在原理上主要源于能够以各个独立子系统的最佳效率区间使用该子系统：
在内燃机转速很高时，没有或只有非常少的压缩机机械损耗；
在所述增压系统具有最佳效率时，将来自于所述增压系统的能量再生为电能；
所述压缩机轴可以帮助所述涡轮机更快地到达其工作区；
一个增压系统，一根轴线，三种不同的驱动模式；
不存在因所述压缩机和涡轮之间具有额外的增压导管而导致的损耗；
不存在涡轮滞后现象(turbo-lag)；
能够容易地用于几乎所有的现有内燃机；
能够通过电动机/发电机将废气中的富余能量再生为电能；
如果需要，即，在内燃机转速非常低时或者在内燃机转速快速瞬变过程中需要保持增压压力时，能够通过电动驱动方式暂时性地为所述机械增压系统助力；
有利于节省内燃机舱空间。
图2以结构简图的形式示意性说明了根据本发明的增压系统的基本布置结构，其中显示了设置在压缩机轴8a上的涡轮机7和压缩机8。通过离合器23(例如可以是单向离合器)，压缩机轴8a能够与行星齿轮组25的齿圈24连接或分离，行星齿轮组25的行星轮26连接到行星架上并与太阳轮27配合，太阳轮27安装在轴28上，轴28被可旋转地支撑并设置有皮带轮29，皮带轮29通过传动件(例如通过传动皮带16)连接到设置在内燃机的驱动轴(例如内燃机的曲轴4等)上的皮带轮5。然后，所述行星架通过传动件30(例如传动皮带)连接到由电子控制装置33控制的电动机32的轴31。
图3和图4示意性显示了根据本发明的增压系统的两种略有不同的实施方式。
因此，图3显示了通过轴9连接到压缩机叶轮8上的涡轮机7。轴9支撑在轴承34、34a上，在轴9的远离涡轮机7的端部设置有皮带轮31a，该皮带轮31a通过未图示的传动件(例如传动皮带)连接到未图示的发电机上，以再生(或重新利用)来自于所述涡轮机的富余能量。在增压系统的这种实施方式中，轴9可以通过离合器18、23与另一个轴28连接和分离，从而当该离合器位于接合位置时使得两个轴9和28相互连接为同轴，第二轴28支撑在轴承34上，并装配有用于变速的行星齿轮组25。在该轴28的相对端设置有另一皮带轮29，该皮带轮29通过未图示的传动件(例如传动皮带)连接到内燃机的曲轴或任意类型的其它驱动轴上，以在所述涡轮到达其工作速度之前驱动压缩机8。
图4显示了与图3所示的实施方式略有不同的增压系统的另一实施方式。
类似于图3，在根据本发明的增压系统的这种实施方式中设置有轴9，该轴9上承载有涡轮机7和压缩机8，轴9支撑在滚动轴承34和普通轴承34a上。轴9连接到行星齿轮组25的齿圈24上，行星齿轮组25具有连接到行星齿轮组25的行星轮上的相对轴28。轴28(轴28与轴9形成连续的轴线)的与所述行星齿轮组相距一段较短距离的位置上装配有皮带轮31a，该皮带轮31a通过未图示的传动件(例如传动皮带)连接到未图示的发电机上。在皮带轮31a之后设置有另一个轴，该轴可以通过离合器18与轴28连接和分离，而且该另一个轴上还设置有另一个皮带轮29，该皮带轮29通过未图示的传动件(例如传动皮带)连接到内燃机的曲轴或任意其它的驱动轴上。
图5示意性显示了内燃机1的一种实施方式，该内燃机1具有进气歧管2和排气歧管3，进气歧管2具有四个进气管，排气歧管3具有用于内燃机的四个气缸的四个排气管。内燃机1具有装配有皮带轮5的曲轴4。
连接到内燃机组的增压系统6包括设置在同一个轴9上的涡轮机7和压缩机8。压缩机8的压缩机轴8a沿与涡轮/压缩机的共用轴9相反的方向伸出。所述涡轮由排气歧管3排放的废气驱动，而且与涡轮一同旋转的压缩机8的叶轮压缩通过空气过滤器10吸入的环境空气。压缩的空气在输送管11中经由中间冷却器12和节气门13进入进气歧管2，而排气则在经过所述涡轮以后通过具有触媒空气净化器15的排气管14排出。
随内燃机的曲轴4转动的皮带轮5通过传动皮带16向轴17传递转动，轴17能够通过单向离合器单元18连接到电机20上，然后电机20连接到行星齿轮组25的齿圈24上，所述行星齿轮组25具有行星轮26和太阳轮27，其中太阳轮27连接到压缩机轴8a上。在所述涡轮机没有到达其工作区的情况下，设置有涡轮机7和压缩机8的轴9能够通过该方式将曲轴4的转动传递给轴9。
所述内燃机还包括内燃机制动阀21和排气门22。制动阀21由控制箱23控制，该控制箱23根据内燃机的不同状态参数操作以使得所述涡轮机保持尽可能高的转速，从而避免在排气侧出现危险的压力增大。
图6至图16说明了以示意形式显示的根据本发明的增压系统的可选择的布置结构，根据图6的示意图显示了根据图5的实施方式的主要部件，即涡轮机7由内燃机1的废气驱动。压缩机8与涡轮机7设置在同一个轴上，而且内燃机曲轴4通过传动件(例如传动皮带)16驱动皮带轮，该皮带轮通过自由飞轮离合器18连接到电机20的轴上，所述电机20的工作转速约为20000rpm或更高。在电机20和压缩机轴8之间设置有行星齿轮组25。
图7中显示的实施方式与根据图6的实施方式的不同之处在于，行星齿轮组25设置为最靠近离合器18，且电机20设置在离合器18的外侧。
图8所显示的实施方式中，离合器18位于曲轴4和传动件16之间，而电机20连接到行星齿轮组25的齿圈上。
图9中显示的实施方式对应于根据图7的实施方式，但是所述电机通过离合器18和另外的传动件16a连接到曲轴4上。
图10显示的实施方式中，电机20位于涡轮机7和离合器18之间，而行星齿轮组位于离合器18和所述压缩机之间。
图11显示了另一种可选择的实施方式，其中，涡轮机7和所述压缩机通过行星齿轮组25相互连接，而离合器18连接在曲轴4和驱动电机的传动件16之间。因此，在本实施方式中，行星齿轮组与涡轮室壳体形成一体。
图12显示了一种机械实施方式，其中，第一行星齿轮组25位于涡轮机7和压缩机8之间，而第二行星齿轮组25a和离合器18位于内燃机曲轴和电机20之间。
图13显示了一种电动机械方案，其中，涡轮机7驱动发电机28，该发电机28通过高电压连接线29对电机20供电。离合器18设置在电机20和传动件16的皮带轮之间，在该皮带轮和压缩机8之间设置有行星齿轮组25。发电机28的转速优选为大约100,000rpm，而电机的转速优选为大约20,000rpm。
图14显示了如何将连接涡轮机7和压缩机8的涡轮轴9设置在封闭的壳体内并使得该涡轮轴浮置在磁场中。该方案装配有电磁离合器30和气密封件31。齿轮32设置为从第一行星齿轮组25向第二行星齿轮组25a传递动力。
图15显示了高电压混合传动方式，该混合传动方式具有共用轴9和直接连接到所述涡轮轴上的高速电机，并具有高电压电池组33和高速高压电机20b。
最后，图16显示了一种与根据图15的实施方式相似的实施方式，但是其中围绕涡轮轴布置的电机连接到行星齿轮组的任意构件上，并具有电压为600V的电池组33，而且电机20、20c均具有600V的电压。
为了更简单地说明本装置的结合操作，说明下述子系统。
涡轮增压系统：
涡轮增压系统意味着驱动时的效率良好，但其依赖于内燃机的高转速以使得排放的废气具有足够的动力，从而使得废气将所述涡轮驱动得足够快以形成充分的进气歧管压力。
与其它所有的增压系统相比，涡轮增压的一个主要优点在于其使用废气的多余能量来对进气歧管内的空气增压。
通过这种方法，可以形成良好的进气歧管压力而不会消耗额外的燃料。进气歧管压力与涡轮转速的关系规则具有下述表现形式：
增压意味着从低转速增大进气歧管压力，并成比例地增大与转速相匹配的进气歧管压力。但是，在更高的转速下，增压器的效率因高的内摩擦和热损耗而变低。
电动增压系统：
电动增压系统以与机械增压系统相同的方式工作，但其具有以下优点：电动增压系统不仅能够在需要时通过供应电力而将进气歧管压力控制在限定的水平，而且在可能的情况下能够通过废气再生电能。
现有的电力电子监控系统：
电子监控系统的能量管理算法必须能够再生动力并将该动力输入车辆的电力系统。现今的很多车辆已经研制出了用于该系统。该系统被设计为跟踪当前的辅助负载并监视蓄电池状态。如果需要对蓄电池充电并且动力因未使用所有的辅助系统而可以利用，则系统可以提高发电机负载电压以开始对系统进行充电。
可以重新设定算法，以使得该算法除了能够用于现有的应用之外，还可以在电池没有完全充满时从增压系统再生出提供给电源的电能。通过这种做法，例如在高速公路驾驶过程中，电力系统能够更好地为起动-停止用途做好准备，而对于良好的起动-停止操作来说，完全充满的电池非常重要。
为了决定电机如何运转以及何时运转，需要使新算法支持充电再生模式。这可以通过使用产品中的已有的硬件来实现(例如可以将转数传感器、压力传感器和流量传感器与改进的现有的电子监控系统一起使用)。
能量划分和限定的驱动模式：
为了清楚地说明本发明的不同驱动模式，限定下面的能量转换节点：
A：化学能(流量，压力)＝＞机械能(转速，扭矩)
B：机械能(转速，扭矩)＝＞化学能(流量，压力)
C：生成：电能(I，U)＝＞机械能(转速，扭矩)
再生：机械能(转速，扭矩)＝＞电能(I，U)
总结：
本发明通过以一种新方式结合现有的系统而提供了一种相对简单的降低燃料消耗总量的方法。如果将本发明结合到装配有起动-停止系统的内燃机上，由于本发明在电子监控系统(CEM)必须介入并关闭起动-停止用途以避免电池损耗之前能够增加启动所述内燃机的次数，因此本发明会进一步提高所述启动-停止系统的性能。
本发明不限于附图中所示的和参照附图所说明的实施方式，在附带的权利要求限定的范围内可以进行各种改变和修改。
所说明的传动件显示为传动皮带，但可以使用任意类型的适当的传动件。文中提到的离合器单元可以是任意适当类型的机械单向离合器，也可以是电离合器、粘性耦合器等。