CN1160434A - 涡轮增压内燃机的系统配置 - Google Patents

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Abstract

一台用于内燃机(40)的涡轮增压器(2，3)在其进口与出口间装有燃烧室(7)以提供额外的能量并使其起辅助动力单元的作用。此涡轮增压器与一电动机/发电机(4)相耦合，它能用作起动电机及用作正常运行时的发电机。在其它实施例中，补助涡轮增压器的出口连结于补助燃烧室的进口上。

Description

涡轮增压内燃机的系统配置
本发明涉及涡轮增压内燃机的系统配置问题，尤指涡轮增压柴油机。
众所周知，将进入内燃机的空气进行压缩可使更多地供入燃油以便燃烧而增加产生的功率。充量靠增压器来压缩的情况下压气机由涡轮驱动，而涡轮是由离开气缸的排气来驱动的。此种系统具有二个运行上的问题：
·涡轮/压气机的转动惯量使发动机的加速率降低，此现象被称为涡轮滞后。
·当发动计之设计是藉高进气压力来获取极高的输出特性时通常要用较低的压缩比以限制缸头内的压力和温度。这就冒出来起动困难问题，尤其在寒冷条件下。
在1975年发行的GB-A-1396082中，推出了一种带一台废气涡轮增压器的内燃机，其发动机包含有由一可调电机所组成的另一种驱动装置，此电机在运用中的转速在发动机的全部运行速度下与发动机具有恒定的关系。
推出一种涡轮增压内燃机，当需要时能提供额外功率，这是本发明的一个目标。
根据本发明的一个方面所提供内燃机的具有涡轮增压的一种系统配置，配有用以驱动压气机的涡轮，其特征在于将一补助燃烧室插入涡轮增压的气路内。
此种配置最好还包括一与涡轮增压器相耦合的回转式电机。
最好此电机能作为发电机来运行而且与涡轮增压器通过一离合器装置相耦合。在此种配置方式下电机的惯量问题才得以摆脱并且作为常规涡轮增压器来运作。
发电机当通过离合器装置与发动机相连结并用作发电装置时，能量可从发电机引出。在此种系统配置方式下，所抽出能量的高低将受压气机及涡轮的空气动力匹配情况的限制，典型的是从燃烧中所能抽出的功率为10％。
在最佳实施例中设有补助装置以驱动发电机。最好的补助装置是设立一以自由涡轮方式运作的涡轮。在排气系统涡轮增压器膨胀级之后所过剩的能量中，作为下一级的膨胀级的自由涡轮在膨胀比所允许的范围内抽取尽可能多的能量。此补助装置是可以用任何方式与电动机/发电机相连结的，最有利的方式是将自由涡轮与电机通过一离合器装置相连结。
电动机/发电机做成高速，低惯性并能被涡轮直接驱动可算是本发明一个理想得多的特征。此种装置可配以先进的永磁体和固态的转换开关。
在更为理想的实施例中，发电机连同包括有补助燃烧室的涡轮增压器一起成为独立于内燃机主机的可操作的辅助动力单元。此独立动力单元也可与热交换器相组合以便从自己的及主机的排气系统中提取热量来改进热效率。
最佳实施例的另一特征为取自压气机侧的压缩空气，经过一环境空气的热交换器之后，能够膨胀至大气压力以提供旅客车厢的冷却或加热。在此种构造下，通过直接从装置的燃烧室向涡轮增压器提供额外能量的办法可使主内燃机的功率大大提高。
在更为理想的实施例中，辅助动力装置从主内燃机分立出来，在空气动力装置上来说不再成分它的一部分。
在又一个实施例中，提高涡轮增压发动机(尤指柴油机)充量的进气压力成为更专门的目标。
在本实施例中，辅助涡轮增压器包含在首次提及的涡轮增压器及补助燃烧室配置的气路之中。
最好是，内燃机具有一由涡轮及压气机、一燃烧室、及一辅助涡轮增压回路所组成的主涡轮增压器回路，辅助回路的输出用来供应主涡轮增压器进气侧的压缩空气。
在上面的实施例中所能发出的额外功率仅受制于主内燃机所能达到的物理极限。况且，此种设计比整体式设计较少受限制。在多级涡轮增压发动机的情况下，可以发现，通过改变内燃机与第一涡轮增压器间的腔室、以及涡轮增压器间的腔室内的排气数量得以在决定内燃机温度及压力的运行工况方面具有很大的灵活性。
最佳实施例可以在内燃机起动以前用来预先向进气管充气，从而克服高强化、低压缩比发动机所经受的冷起动困难。
装设一阀来关闭内燃机进气管的正常空气通路以后，就有可能将排气从补助燃烧室直接引向进气管，这是因为其空气/燃料比所含之过剩氧足以起动一柴油机。空气也可出于同一目的从压气机级喂入。在某些环境条件下，内燃机可以省去电起动而启动起来。
最佳实施可分成二类：也即，一类为其涡轮增压器回路的空气动力组成部分与主发动机共享；另一类为自由独立的，其涡轮增压器的涡轮可以独立运转。
为使更好了解本发明，下面用举例方法予以说明并参阅附图，其中
图1表明按照本发明的一种整体式涡轮增压配置方案的基本回路；
图2表明按照本发明的另一种整体式涡轮增压配置方案；
图3A至图3E表示在不同运行条件下图2中之回路；
图4表示又一实施例，其涡轮增压器的涡轮可以独立运转；
图4a表示图4中实施例的又一方案；
图4b表示图4中实施例的又一方案；
图4c表示图4中实施例的又一方案；
图4d表示图4中实施例的又一方案；
图4e表示图4中实施例的又一方案；
图4f表示图4中实施例的又一方案。
在不同实施例中，参照用的标号相同时所指认的零部件也相同。
图1所示之回路包含有藉连结轴3连结于涡轮2上的压气机1所组成的涡轮增压器。一高速、低惯量的电动机/发电机4通过离合器5连结于轴3上。离合器5使电机与压气机1相连结或相脱开。离合器5可以是一单向装置。
导管6向燃烧室7供应压缩空气。发动机的进气管8使导管6分枝出来，在位于导管6的入口的第一导阀9的控制下，通过进气道8a(只示出其中之一)向往复式内燃机40的气缸中供入压缩空气，此第一导阀可以在9a、9b、和9c三个位置间活动。
导管10连结燃烧室7的出口，而发动机的排气导管11将排气从发动机40的排气道11a供向涡轮2。第二组导阀12能在12a、12b及12c三个位置间活动，并被配置在导管10与排气导管11相会处(在简化装置中，这些阀可省略)。经膨胀后的排气通过排气导管13排至大气。喷嘴14从燃油箱(未显示)通过燃烧室7的壁伸入将燃油喷入燃烧室7必要时用以提供额外的排气能量。
运行时，以通常方式空气被供入压气机1以及排气被供入涡轮2。当涡轮2在运行中以及离合器5把电机4连结于轴3时，发出之电流被一整流器(未显示)进行整流并可以储存在蓄电池中。在这种方式下，回路用于生产及储存电能。当发动机运转时，电机4可用来供应辅助功率，这一点在发动机低负荷运行时特别有用，此时排气能量不足以驱动涡轮达到压缩进气空气所必需的速度。
电动机/发电机4是交流电机并装有普通的具有控制输入41的固态转换开关S以控制整流而不轮电能被吸收或产生。
在图2的实施例中，回路增设了位于电动机/发电机4末端的续加涡轮20并通过一单向离合器5连结到压气机1上。用于续加涡轮20的导管21连结到主涡轮的排气侧。离合器脱开。导阀22设置于导管21与22的会合处，并且能在位置22a与22b间活动。
虽然固态转换开关S及内燃机40，在本实施例及以后所述实施例中均存在着，但为简化起见，从图2开始及至后续各图中，均予以省略。
图3a表示，用于正常涡轮增压之运行时，图2回路之运行方式，此时离合器脱开，空气供入压气机和排气供入涡轮。
图3b是在起动时刻，压气机由通入电流的电动机所驱动而进行供气(在某些情况下，这样一来就能起动内燃机而毋需借助起动电机)。
图3c中，为助动低速发电，离合器5脱开，空气供入压气机和藉燃油阀定时之延迟和空气之分流所得之额外能量被供入涡轮。
图3d中通常在过渡工况为给主发动机以额外助动给电机4通入电流以加速涡轮增压器。离合器5成啮合状。
图3e中，为了用作燃气涡轮辅助动力装置，离合器脱开，进气被导入燃烧室7以及燃气带动二台涡轮。
图3f中，为了主发动机稳定状态的加力而用作复合式发动机，阀9处于C位置使进气空气在补助燃烧室7及主内燃机40(未显示)间分摊。阀12在C位置使从主内燃机40及补助燃烧室7来的燃气得以一起推动涡轮2。
在所有情况下，排气分流阀12a，12b及22为某些特性损失之简化可以省略。
本发明的发动机由于结构上的优点及其运转方式可以起下列作用：
1、当主机不工作时，可用作燃气涡轮辅助动力装置及组合式热力及动力单元。
2、作为预增压器以帮助或完成主机的起动。
3、作为瞬间助动器藉助电流来加速压气机。
4、在主机低速时作为具有额外容量能力的发电机。
5、藉助电动压气机之加速用作消除涡轮滞后之装置。
6、用作通常的涡轮增压器。
7、用作往复式主发动机功率稳定状态得到加力的复合式发动机。
图4的实施例的主要目的为增加主内燃机的功率输出以及在相当长的时间内作为复合发动机而运转。
图4所示之回路包含有由连结于涡轮1的压气机2所组成的涡轮增压器T1。一导管11将压缩空气从涡轮增压器T1供向内燃机的气缸(未显示)。排气由发动机经导管8导向涡轮增压器T1的压气机2。导管8分流向配有阀25a的歧管42，此阀实为将过剩燃气分流入导管13的放气阀。
根据本发明装有辅助涡轮机组T2。涡轮机组包含有压气机30及涡轮20，藉轴3通过离合器装置5连向一电动机或交流发电机4。交流电机/电动机4可用电子方式进行控制，按照与主机控制系统成一体的电子控制单元的指令来抽取或提供电能。在本最佳实施例中还设有一辅助涡轮增压器T3。辅助涡轮机组T2的压气机20的输出通向具有燃油喷嘴14的燃烧室7。燃烧室输出的气通过导管10后经可调操纵阀12d进入排气引入管8，以及经可调操纵阀25进入排气引入管13。涡轮增压器T3的出口端经导管28连向涡轮增压器T1，从而使主机进气管11的压力得以提升至远高于单独使用涡轮增压器T1所能达到的压力。主发动机因此得以燃烧额外的燃油从而大大提高曲轴发出的功率。放气控制阀26是用来控制进气导管11及28中的压力的。如果发动机的用途是运行在稳定状态附近的条件下，则放气阀25及26也许就不必要。
众所周知，如对从补助燃烧室7进入导管8及13的排气流量进行专门控制，内燃机40中的压力及温度工况便可予以密切控制，以使主机在其结构材料所赋予的物理极限范围内达到功率输出的极大值。
交流电机/电动机4可藉从电池中抽取电流以加速涡轮机组T2来减小涡轮增压器的滞后。
藉调节阀12d及25的关闭，涡轮机组T2及燃烧室7可作为独立的补助动力单元来驱动交流电机4。
该系统可以作为单级涡轮增压系统来运转，如果只装有涡轮增压器T1，来自燃烧室7的排气则通过可调阀12d引入导管8。可调阀25将被省去。
在主发动机的特性产生加力的那个最大可用功率等于发电机4正常所吸收的功率，在主发动机要求最大加力时发电机的功率生成很小甚至没有。任何其中间阶段能够提供一种加力功率与发电功率的组合，最低直至二可调阀12d及25均被关闭为止，同时系统就成为一独立运转的辅助动力装置。
在图4a的实施例中，系统被简化，从燃烧室7出来之燃气只允许进入到原始增压器涡轮2的前方。此种系统也可应用于单级装置。在图4c中可调阀12d关闭，此时系统像独立的辅助动力单元那样运转。
在图4b实施例中增压器涡轮1及23二者均承受着相同的进口压力，且两个增压器均排向大气。该系统降低了系统的背压并改进了效率和功率输出，只是不具备图4所述系统的灵活性。在图4d中可调阀12d是关闭的，系统作为独立的辅助动力单元那样运转。
在4e实施例中，系统更进一步被简化，把排气从燃烧室7经可调阀25引入导管13。此系统插入到现有系统中相对来说是容易设计的，只是缺乏图4所述系统的灵活性。图4f表示系统4e作为独立的辅助动力单元那样运转。
所有4、4a、4b、4e实施例均能当主发动机在起动过程中、完成启动前将主机的进气管加压。这就能使主发动机能以低得多的压缩比来运转从而功率输出也高得多，否则可能运行的压缩比会高很多。
经电动机/发电机7用作电动机来运行时所施电能的采用可将图1至3的实施例中的涡轮增器滞后效应抵消。
在本发明的某些实施例中可省免补助燃烧室，尤其是，按照本发明的另外一个方面，提出了一种其涡轮增压器由驱动一压气机及回转式电动力机械所组成的内燃机系统配置方案，此电动力机械经离合器连接在涡轮增压器上作为发电机用。
本发明同样可扩展至此处发明的一切新型组合或次组合方案。

Claims (17)

1、其涡轮增压器驱动压气机(1)的涡轮所组成的一种内燃机系统配置，以补助燃烧室(7)并包含于涡轮增压器回路(7、8、10、11)为其特征。
2、根据权利要求1的一种内燃机系统配置，它还包括有与涡轮增压器(1、2)相偶接的一回转式电动力机械(4)。
3、根据权利要求2的一种内燃机系统配置，其中电动力机械(4)可作为发电机来运行而且涡轮增压器(1、2)经一离合器装置(5)与之相连结。
4、根据权利要求2的一种内燃机系统配置，其中设有辅助装置(20)以驱动电动力机械(4)。
5、根据权利要求4的一种内燃机系统配置，其中上述辅助装置为一续加涡轮(20)用作自由涡轮方式来运行。
6、根据权利要求4或权利要求5的一种内燃机系统配置，其中所述辅助装置(20)经离合器装置(5)连结于上述电动力机械(4)。
7、根据权利要求5或权利要求6的一种内燃机系统配置，其中所述续加涡轮(20)的出口导管(21)在热力上与热交换器相偶接用来从排气中抽取热量。
8、根据任一权利要求2至6的一种内燃机系统配置，其中所述电动力机械(4)为一种高速、低惯量的机械，接受涡轮增压器与自身转速相同的转速下的驱动。
9、根据前述任一权利要求的一种内燃机系统配置，其中所述电动力机械(4)为一交流电机并配有门控半导体开关装置(5)以控制其发电机。
10、根据前述任一权利要求的一种内燃机系统配置，其中辅助涡轮机组(T3)包含于上述首次涉及的涡轮增压器(T1)和/或上述补助燃烧室(7)的回路之中。
11、根据权利要求11的一种内燃机系统配置，其中所述辅助涡轮机组(T3)回路的输出端(28)按排为供应压缩空气至上述首次涉及的涡轮增压器(T1)的输入侧。
12、根据权利要求10或权利要求11的一种内燃机系统配置，其中所述补助燃烧室(7)包含于续加涡轮机组(T2)回路，及所述第三涡轮机组的回路输出端与上述辅助涡轮机组的输入端相连接及/或与上述内燃机的排气管相连接。
13、根据权利要求12的一种内燃机系统配置，其中装有阀装置(12d，25)以控制有关气流从上述续加涡轮机组(T2)的输出端到上述主涡轮增压器(T1)及辅助涡轮机组(T3)的输入端。
14、根据权利要求12或权利要求13作为权利要求2的附款的一种内燃机的系统配置，其中所述电动力机械(4)与上述后续涡轮机组(T2)相耦合。
15、根据权利要求10的一种内燃机的系统配置，其中所述补助燃烧室(7)被包括在续加涡轮机组(T2)的回路中，并且所述续加涡轮机组回路的出口与其涡轮与上述内燃机排气管相连的主增压器(T1)的排出口一起连接到上述辅助涡轮机组(T3)的进气道上。
16、根据权利要求15的一种内燃机系统配置，其中阀(25)连结于上述续加涡轮机组(T2)回路的出口与上述辅助涡轮机组(T3)的进口间。
17、根据权利要求15或作为权利要求2的附款的权利要求16的一种内燃机系统配置，其中所述电动力机械(4)与续加涡轮机组(T2)相耦合。
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