CN1281530A - 四冲程内燃机用的增压系统 - Google Patents

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Abstract

空气充量系统可包括一个小型的由电动机驱动的压气机(42),用于将压缩空气提供给四冲程内燃机(10),包括与涡轮增压器空气充量压气机(64)串联和并联的系统。所公开的空气充量系统可给内燃机提供有效的空气充量流流路,并且在发动机高速时可避免对空气流的各种限制。

Description

四冲程内燃机用的增压系统
本申请是1996年10月28日提出的PCT申请PCT/US96/17356的继续申请，而该PCT申请指定国为美国，并且是1995年11月15日提出的美国专利申请NO.08/559424的继续申请。
技术领域
本发明涉及将空气充量输送给一四冲程内燃机的方法和装置。
现有技术背景
当今在实际应用中利用增压器来增加四冲程内燃机的功率输出并降低其燃料消耗是很普遍的。火花点火式柴油机采用涡轮增压器是较好的，在柴油机时，一给定气缸排量的发动机的功率输出可因外加的带后冷的涡流增压而成倍增加。涡轮增压器已经发展了几十年了，并且现在用在高速柴油机和汽油机上的涡轮增压器的制造成本是相当低的，而效率是很高的，是一种耐用的商业产品。
尽管涡轮增压器使用要被浪费的废气能量，但在发动机排气系统中则要增设一废气透平，因必须产生用于驱动该涡轮增压器的压气机的功率，而不得不在透平两端形成足够的压差，这必定会增加发动机气缸的平均背压。当活塞迫使燃烧残余废气通过排气阀排出时，这个背压对活塞的向上冲程提供反作用，从而增加发动机的泵气损失。由四冲程发动机高增压产生的背压是非常高的，即使使用相当高的综合效率的增压器也是这样。可用来降低由增压器透平产生的背压的任何装置都会导致发动机性能的显著改善。例如，如果一台柴油机需要2.5倍大气压的压比来达到理想的功率输出，则单级涡轮增压器将会使排气系统中的背压保持为大气压的大约2倍。
在高的额定输出功率发动机中，现在通常常用的是串联涡轮增压器。如果两个压气机串联设置，则各压气机的压缩比被放大，所以比只由一单级涡轮增压器产生的增压压力更高的增压压力可提供给该发动机。如果例如一高比率的发动机要求压缩比为4.5(这一比率超过单级商用涡轮增压器可获得的比率)，则各串联的涡轮增压器可提供一个压缩比为2.1的低压缩级和一个压缩比为2.15的高压缩级，它们产生的综合压缩比为4.51。但这样做明显提高了排气背压。
本发明的概述
本发明针对空气充量系统，该系统可包括一个用于将空气充量提供四冲程内燃机并用电动机驱动的小型压气机，包括与涡轮增压器空气充量压气机串联和并联的系统。本发明的空气充量系统可给内燃机提供一个可避免一小型空气充量压气机对空气流的限制的有效空气充量流轨迹，和一种用于使它不断地运行从而避免一小型空气充量压气机对空气充量流产生限制作用的要求。
本发明允许使用一个由电动机驱动的小型压气机，用于在发动机的转速从怠速到大约2000-2500rpm时提供空气充量，但在发动机处于高速时不会限制空气充量流，并且允许一小型的由电动机驱动的压气机与一涡轮增压器压气机串联和并联进行使用。在本发明中使用的这些由电动机驱动的小型压气机是具有一种这样的输出容量的压气机，即其容量可以满足一台处于高速，例如超过大约2500rpm，运行的内燃机的空气充量要求，并且在它们不运行时，在这样的发动机转速时，对空气充量流具有不可接受的限制。本发明允许使用只能提供在一台四冲程发动机处于额定的速度运行时所要求的空气充量的三分之一或更少的空气充量的空气充量压气机。
本发明的空气充量系统包括一个具有一进口和一出口的空气充量小型压气机，一个相连的用于驱动该空气充量压气机的电动机，一个与该空气充量压气机的出口相连的第一空气充量管，一个第二空气充量管和一个用于将该第一和第二空气充量管连接起来的连接部，该连接部与一四冲程内燃机的进气管相连，一个空气充量单向阀处于所述第一和第二空气充量管之一用的连接部处或上游。在本发明的空气充量系统的一个优选实施例中，该空气充量小型压气机和该第二管的进口最好通过一个空气滤清器与环境大气相连，并且空气充量单向阀的工作是根据该空气充量压气机的运行情况来关闭该第二空气充量管。
本发明的另一个这样的空气充量系统利用一涡轮增压器提供一两级压缩，该涡轮增压器具有一个废气驱动的透平和一个由该废气透平驱动的涡轮增压器压气机，该压气机的空气进口与该连接部相连，其压缩空气出口与该内燃机的进气管相连。在这种两级压缩的优选空气充量系统中，该涡轮增压器可设置有一个帮助该废气驱动的涡轮增压器的透平驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
本发明的另一种并联运行的空气充量系统包括：一个具有一进口和一出口的空气充量压气机，一个相连的用于驱动该空气充量压气机的电动机，一个与该空气充量压气机的出口相连的第一空气充量管，一个具有一个与一四冲程发动机来的废气相连的废气驱动透平和一个具有空气进口和一个压缩空气出口的涡轮增压器压气机的涡轮增压器，一个与该涡轮增压器压气机的空气出口相连的第二空气充量管，一个用于将所述第一和第二空气充量管连接起来的连接部，该连接部与该四冲程内燃机的空气进气管相连，一个空气充量单向阀设置在所述第一和第二空气充量管之一用的连接部处或上游。在并联运行的空气充量系统的这种优化实施例中，该空气充量单向阀在发动机低速时可根据该空气充量压气机运行的情况关闭该第二空气充量管，在发动机高速时可关闭该第一空气充量管。此外，在这种优化的空气充量系统中，涡轮增压器可包括一个帮助该废气驱动透平驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
本发明的另一个空气充量系统包括一个具有一进口和一出口的空气充量压气机，一个相连的用来驱动该空气充量压气机的电动机，一个具有一个与该四冲程内燃机排出的废气相连并由废气驱动的透平和一个具有一空气进口和一空气出口的涡轮增压器压气机的涡轮增压器，一个进口与所述涡轮增压器压气机的压缩空气充量出口相连的空气充量冷却器，一个与该空气充量冷却器出口相连的第一空气充量管，一个与环境大气相连的第二空气充量管，一个用于将该第一和第二空气充量管连接起来的连接部，一第三空气充量管将该第一和第二空气充量管的连接部与该空气充量压气机的空气进口相连，一个空气充量单向阀可根据所述空气充量压气机的运行进行工作，用来开启所述第二空气充量管，并在发动机高速时根据所述涡轮增压器的运行关闭所述第二空气充量管。在这样的系统中，该涡轮增压器可设置有一个帮助废气透平驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
在本发明的空气充量系统中，一电控装置可按各种方式控制电动机驱动该小型空气充量压气机，以便改善内燃机的空气充量供给。该小型电动机驱动的压气机在需要从发动机低速开始加速时，可由该控制器施加能量和/或在预定的最小速度时施加能量，从而在发动机进气管处提供带有最小的滞后的增压压力，从而降低内燃机的反应时间和有害污染物的产生。该控制器也可控制任何辅助电动机，该电动机连接得便于帮助废气能量驱动一涡轮增压器压气机，在发动机低速时，这种控制器通常可为辅助驱动这种涡轮增压器的电动机提供能量和超额能量。
本发明还提供一种利用一电动机驱动的小型压气机来改善四冲程内燃机的性能的方法。借助于利用一外部能源来驱动该小型空气充量压气机，可对该发动机进行增压，而不会如涡轮增压器那样影响排气系统的背压，并且可迅速获得空气充量密度的增加，从而允许燃料更有效地燃烧，其理想结果是从发动机废气中排到大气中的有害污染物降低了。
本发明还提供一种改善一装备有一发动机的涡轮增压器压气机的性能的方法，该方法借助于消除在节流装置的突然开启时产生的涡轮增压器压气机时间滞后，并借助于提供一个将空气充量提供给发动机进气管的小型电动空气充量压气机来改善性能。
本发明的进一步特征和优点可从各附图和当前公开的最佳实施方式和如下所述的本发明的各实施例的详细说明中变得更清楚。
各附图的简要说明
图1示意性地表示用于一四冲程内燃机的本发明的空气充量系统的一第一优化实施例，此时该空气充量在发动机低速时可由一个由一小型电动机驱动的压气机提供，而在发动机高速时由环境大气提供。
图2示意性地表示用于一四冲程内燃机的本发明的空气充量系统的一第二优化实施例，此时两级空气充量在发动机低速时可由一个由一小型电动机驱动并与一电动机辅助驱动的涡轮增压器压气机串联的压气机提供，而在发动机高速时可单独由该电动机辅助驱动的涡轮增压器提供。
图3示意性地表示用于一四冲程内燃机的本发明的空气充量系统的一第三优化实施例，此时在发动机低速时，由一小型电动机驱动的压气机与一涡轮增压器压气机平行布置，并且空气充量由该小型电动机驱动的压气机提供，而在发动机高速时由涡轮增压器压气机提供。
图4示意性地表示本发明的一第四优化实施例，该实施例包括一涡流空气充量压气机和与该涡流空气充量压气机相连并与一小型电动机驱动的压气机串联的空气充量冷却器，所以该空气充量在发动机低速时只由该小型电动机驱动的压气机提供，而在发动机高速时由该小型电动机驱动的压气机和该涡轮增压器压气机两者在一两级内冷系统中提供。
本发明的最佳实施方式
图1中示意性地示出了一种常规的内燃机的剖视图，并且用标号10表示该内燃机的整体。该内燃机10具有一个气缸体12，气缸14设置于该气缸体中。此时，该气缸的轴线垂直向上。活塞16在曲柄18的控制下在气缸中上下往复运动。该曲柄绕曲轴轴线旋转，并由连杆20连接到该活塞上。该曲轴和连杆装纳在曲轴箱22中，该曲轴箱装纳有润滑该发动机的下部零部件的机油。沿该曲轴轴线通常设有一组气缸。
该气缸体中的各气缸由气缸盖24盖住。该气缸盖具有一个形成空气充量进口的进气管26并带有进气阀28，该进气阀控制流向气缸中的空气流或空气与燃料的混合气流。该气缸盖24还具有一个用于每个气缸的排气口30。该排气口30由排气阀32控制。每个的气缸的进排气阀的开启和关闭借助于曲轴与控制各气阀的凸轮轴之间的相互的机械联系进行控制并与活塞的运动保持协调。燃料在合适的时候通过喷油器34喷入气缸中。在某些情况下，燃油燃料可作为燃空混合气通过进气阀输送给气缸。借助于增加输送给气缸的空气量，并相应地增压燃料量，可使发动机10的输出功率适当地增加；此外，增加发动机效率可使每单位的燃料产生更多的功。
图1表示一个用于四冲程内燃机10的本发明的空气充量系统40。该空气充量系统40包括一个具有一进口43和一出口44的小型空气充量压气机42。一电动机45与该空气充量压气机42连接用来驱动它。一第一空气充量管46与该空气充量压气机42的出口44相连。该空气充量系统40还包括一第二空气充量管47和一个将该第一和第二空气充量管46，47相连的连接部48。如图1所示，连接部48与该内燃机10的进气管26相连。该空气充量系统40还包括一个处于该连接部48处(或上游)的空气充量单向阀50。该空气充量单向阀50工作时用来关闭该第一空气充量管46或第二空气充量管47之一。如图1所示，在该空气充量单向阀50进行工作以便关闭该第二空气充量管47时，它本身是由空气充量压气机42产生的空气压力控制的，从而防止空气充量从连接部48处回流到空气滤清器52中，并且在发动机高转速时，由该内燃机10通过该第二空气充量管47吸入的空气充量可控制该空气充量单向阀50使其关闭该第一空气充量管46，如图1中虚线所示。最好如图1所示，该空气充量压气机的进口43和该第二管47都与一空气滤清器52相连。
一控制器54根据从一发动机速度传感器接收到的和/或从该内燃机控制器的加速控制接收到的信号56，对从一电源55来的作用电能进行控制。在本发明的优化控制系统中，该小型电动机驱动的压气机42在发动机转速达到2000一2500rpm时由控制器54控制。在图1所示的空气充量系统40中，该电动机驱动的压气机42可由控制器54维持处于一预定的最低转速，从而为该发动机10的进气管26提供增压压力，以备加速，所以当要求发动机加速时，在喷射额外的燃料量前，理想的空气量已经处于发动机气缸14内了。另外，电动机45可根据从发动机加速控制中接收到的一信号施加能量或强化施加能量，从而在发动机要求加速时，空气充量和增压压力能迅速增加。由于系统40包括一个小型压气机，因此它达到高的运行速度和高的增压压力的过渡时间显著降低，因此燃料可以更完全地燃烧，发动机排气中有害污染物的量可显著地降低。
在图1所示的空气充量系统40中，第一空气充量管46与第二空气充量管47的结合通过一单向阀50通向环境大气，这避免了在内燃机10处于高速，例如转速超过2000-2500rpm时由于压气机42的尺寸小而对流入该内燃机10的空气充量流的限制。在空气充量系统40中，使该小型压气机42去能，并且该发动机可通通过该第二管47从环境大气中吸入空气充量，例如通过空气滤清器52，并通过该空气充量单向阀50，该阀在由该内燃机产生的空气充量的压力作用下被迫处于一个使该第二管装置47开启的位置(图中虚线所示)。
本发明的空气充量系统40可允许有效的空气充量在内燃机10的整个速度范围内流入该内燃机，并允许使用一个在内燃机高速时会对流入其中的空气流产生不可接受的限制的小型电动机驱动的离心式压气机42。
该空气充量系统40可允许该空气充量压气机42的体积制造得非常小，以便只在发动机转速低于2000-2500rpm时与发动机的空气充量要求匹配，并且本发明的空气充量系统由于离心式空气充量压气机的体积更小而比现有技术的系统更经济。
图2示出了本发明的空气充量系统用于一四冲程内燃机10的第二优化实施例。该四冲程内燃机10如图1所示，并在上面作了说明。图2中所示所空气充量系统60与图1所示的系统的主要区别是具有一个涡轮增压器62，该增压器包括一个由废气驱动并连接到该内燃机10的排气口30上的透平63和一个涡轮增压器压气机64，该压气机具有一个空气进口65和一个压缩空气出口66。在图2的优化空气充量系统中，该涡轮增压器62还包括一个电动机67，该电动机在驱动该涡轮增压器压气机64时可帮助该废气驱动的透平63。图2的空气充量系统还包括一个具有一进口43和一出口44的空气充量压气机42，和一个与该压气机相连用来驱动该空气充量压气机42的电动机42。一第一空气充量管46与该空气充量压气机42的出口42相连。一第二空气充量管47从环境大气中延伸到一个用于将该第一空气充量管46和该第二空气充量管47连接起来的连接部48处。在图2所示系统中，该连接部48与该涡轮增压器压气机64的空气进口相连。如图1中所示的空气充量系统40那样，图2所示的空气充量系统60包括一个位于该连接部48处或处于该连接部的上游并用于关闭该第一和第二空气充量管46，47之一的空气充量单向阀50。
图2所示空气充量系统60还设置有一个由该内燃机来的信号56，例如从一发动机速度传感器和/或发动机控制器的加速控制装置来的信号，控制的电控装置54，以便将电源55的电能供给电动机45和67。
图2所示的空气充量系统可给内燃机10用的充量空气提供两级压缩，特别是在发动机低速时，当空气充量压气机42用的电动机45和涡轮增压器压气机的电动机67两者都由控制器54控制施加能量时更是如此。在这种工况下，环境空气被吸到空气充量压气机42的进口43处，并利用由电动机45驱动的该压气机42的压缩工作进行压缩，同时通过该第一空气充量管46输送给连接部48，在此该压缩空气的压力使该空气充量单向阀50和第二充量空气通道47关闭，如图2所示。由空气充量压气机42压缩的空气充量导流到涡轮增压器压气机64的进口65中，在此，它被进一步压缩并从该涡轮增压器压气机的出口66输送到该内燃机10的空气进口65中。在发动机低速时，内燃机的废气能量较低，此时该涡轮增压器的辅助电动机67的运行，同时该小型空气充量压气机42的运行，它们两者给流到内燃机的空气充量提供了两级压缩。
如现有技术公知的那样，由两级空气充量系统60的工作产生的增压压力可以由空气充量压气机42的压比和涡轮增压器压气机64的压比形成。在图2所示的空气充量系统中，离心式压气机42的压缩空气出口44连接到涡轮增压器压气机64的空气进口65上，从而形成一串联连接的压缩系统。在发动机低速时，根据诸如从增压压力传感器和/或节流传感器来的输入信号56，第一级离心式压气机42可由电动机45驱动。由于第一级压气机42不由一废气涡轮驱动，因此它不会提高排气背压。另外，第一级压气机42是一个小型压气机，它可根据信号56通过该电动机45的工作迅速作出反应使增压压力提高。其结果是可以获得一个相对并不复杂的两级空气充量系统，该系统可使增压压力增加，发动机的排气背压较低。例如，如果一台柴油机需要大气压2.5倍的压比才能达到理想的输出匹配功率，则单级涡轮增压器会施加在排气系统中的背压大约是大气压的2倍。然而，在一个带有与该涡轮增压器压气机64串联并由电动机驱动的压气机42的空气充量系统60中，所要求的压比2.5可借助于由电动机驱动的压气机42产生的压比1.3和由该涡轮增压器压气机64产生的压比1.92实现，涡轮增压器压气机64的压比从2.5较低到1.92将导致排气背压较低大约1.5个大气压。这就显著地内燃机10的泵气损失，从而较低燃料消耗，提高功率输出，或者两种效果同时获得，并较低排气污染。
此外，图2所示的空气充量系统的工作可借助于一外加的并使用的辅助电动机67和一涡轮增压器得到改善。用于该涡轮增压器62的辅助电动机67可由控制装置54根据从内燃机来的合适输入信号施加能量。例如，在发动机以低速运行时可用一增压压力传感器来将一信号传递给该电控装置54；当发动机要求加速时，该增压压力传感器，和/或一节流传感器可给控制装置54产生一个输入信号56，并且空气充量压气机42用的电动机45和使该涡轮增压器压气机64旋转的电动机67两者都可被施加能量，从而在加速期间可提供更多的空气。当内燃机10提供带有足够能量的废气从而使该涡轮增压器工作足够快以便将足够的充量空气提供给该发动机时，从该内燃机来的一速度信号可使该空气充量压气机42和该涡轮增压器的辅助电动机67两者同时断电。另外，在发动机低速高负荷时，当要求最大输出功率时，涡轮增压器62的辅助电动机67可由控制装置54控制通电，同时电动机驱动的压气机42保持通电，从而提供高的增压压力。
当控制装置54在发动机高速范围内(此时废气能量足够驱动涡轮增压器压气机达到发动机所需要的空气充量和增压压力)使空气充量压气机42用的电动机45和涡轮增压器压气机的辅助电动机67两者断电时，空气充量单向阀50借助于从环境大气中来的空气充量通过该第二空气充量管47流到该涡轮增压器压气机64的进口65中而使管路47打开。如图1所示空气充量系统40那样，图2所述空气充量系统60因允许环境空气按未受限制的方式通过单向阀50流到该涡轮增压器压气机64的进口65中，从而回避了小型涡轮增压器压气机42的限制作用。另外，如图1所述的空气充量系统40那样，空气充量最好流过一空气充量过滤器52后才输送给该第二空气充量进气管和空气充量压气机42的空气进口。
该辅助电动机67和它与电控装置54的连接在图2中用虚线表示，从而说明尽管它们是最佳实施例的一部分，但它们对本发明的空气充量系统60来说并不是必要的。
本发明的空气充量系统的第三优化实施例表示于图3中。图3的空气充量系统70使用一电动机驱动的压气机42和平行布置的涡轮增压器62，通过一个按摆动方式连接的空气充量单向阀50为该四冲程内燃机10提供空气充量。
图3所示空气充量系统70包括一个带有一进口43和一出口44的空气充量压气机42，一连接得用于驱动该空气充量压气机42的电动机45和一个与空气充量压气机42的空气充量出口44连接的第一空气充量管46。该涡轮增压器62包括一个与该内燃机10的排气口30连接的废气驱动透平63，和一个具有一空气进口65和一个与该第二空气充量管68连接的压缩空气出口66的涡轮增压器压气机64。该空气充量系统70还包括一个将该第一空气充量管46和该第二空气充量管68相连的连接部48。该连接部48与该内燃机的进气管24的空气进口26相连，并且一空气充量单向阀50处于该连接部用于关闭该第一和第二空气充量管46，68之一。在空气充量系统70运行时，该充量空气单向阀50用作一摆动阀，并在该四冲程内燃机低速运行且该空气充量压气机42工作时，关闭该第二空气充量管68(如图中虚线所示)，在该四冲程发动机高速运且该涡轮增压器62运行时关闭该第一空气充量管46。
在该空气充量系统70的优选的运行中，在发动机怠速时及加速期间，电动机驱动的压气机42由电控装置54和电动机45施加能量，并且从空气充量压气机出口44流出的压缩空气充量使该空气充量单向阀50摆动到图3虚线所示位置，从而关闭该第二空气充量管68，同时使该连接部48到该内燃机10的空气充量进口26保持导通。一旦从内燃机供给该涡轮增压器的废气能量足够时，例如在发动机转速为大约2000rpm-2500rpm时，该电动机驱动的压气机42可断电，并且该涡轮增压器压气机64供给空气充量，并且增压压力使该空气充量单向阀50运动到图3中实线所示位置，从而关闭该第一空气充量管46，并从连接部48中将空气充量提供给该内燃机10的空气进口26。当利用前面所述的空气充量系统时，根据从发动机低速进行加速的需要，控制装置54可借助于从发动机速度传感器和/或一加速要求传感器(未示出)来的信号56使电动机45施加能量，从而在发动机低速时驱动该空气充量压气机42。如图3所示，空气充量压气机42用的空气进口43和涡轮增压器压气机64的空气进口65最好与一空气滤清器52相连。
电动机驱动的小型压气机和图3所示的涡轮增压器压气机的并联连接，在使该小型空气充量压气机42的空气充量输出而突然使节流装置开启时，借助于对涡轮增压器压气机64的时间滞后进行补偿可改善一涡轮增压器四冲程发动机的性能，该压气机通过摆动阀50直接连接到内燃机10的空气进口26上。压缩空气从连接部48回流入第二管路68可由压力驱动的空气充量单向阀50防止。当涡轮增压器压气机64获得足够的速度时，其压力输出将克服单向阀50的作用，允许其压缩空气流入该连接部48和内燃机的空气进口，并借助于利用摆动阀50将该通道关闭，从而防止空气从该连接部48通过第一空气充量管46和该小型空气充量压气机42进行回流。
图4表示本发明的优化空气充量系统80的一第四实施例，在该系统中，一涡轮增压器压气机64输出的压缩空气充量通过一中冷器82(例如用在涡流增压内燃机中的空气-空气的中冷器)输送到空气充量压气机92的空气进口43中，从形成串联布置和内燃机10用的空气充量两级增压。图4所示的空气充量系统80除空气滤清器52外还包括：一辅助空气滤清器83和一个单向阀50，该单向阀在施加能量时允许该电动机驱动的压气机92直接从环境大气中将空气充量提供给内燃机10，而不存在空气滤清器52，涡轮增压器压气机64，中冷器82和相关的管路产生的限制。
图4所示空气充量系统80包括一个具有一空气进口92和出口94的空气充量压气机92，一个连接用来驱动该空气充量压气机92的电动机95，一个具有一个与该内燃机10的废气出口30相连并由废气驱动的透平63的涡轮增压器62，及一个具有一空气进口65和一个连接到空气充量冷却器82的进口上的压缩空气充量出口66的涡轮增压器压气机64。另一个空气充量管84与冷却器82的出口相连，而一第二空气充量管86与环境大气相连，并且该另一个空气充量管84和该第二空气充量管86在连接部48处连接起来，该连接部由一第三空气充量管88与该空气充量压气机92的进口93相连。一空气充量单向阀50根据空气充量压气机92的工作进行工作，以便开启该第二空气充量管86，所以空气充量可以从环境大气中通过辅助空气滤清器83提供到空气充量压气机92的进口93用于压缩，并输送到内燃机10的空气进口26中。当涡轮增压器62在高速处由该内燃机控制时，空气充量单向阀50工作用于关闭该第二空气充量管86。
不象图1-3所示空气充量系统那样，然而空气充量压气机92在发动机高速时必须由该控制装置控制，从而避免了从涡轮增压器压气机64到该内燃机10的空气进口26对空气充量流所存在的限制。然而，使用一电动机驱动的压气机92同时结合使用该单向阀50和环境空气管86，可允许该内燃机具有增加更快的增压压力以便进行加速。
如图4所建议的那样，空气充量压气机92可紧邻内燃机的进气管26安装，并且可消除空气滤清器52，涡轮增压器压气机64，中冷器82和管道84和85产生的限制性影响。在该空气充量系统80的运行中，离心式压气机92可根据控制装置54的控制由电动机45驱动以预定的最小速度旋转，从而在发动机怠速和低速低负荷工况时将增压压力提供给发动机进气管。因此，在这种工况下，在发动机控制器要求发动机加速而喷入额外的燃料之前，在内燃机10的空气进口26处存在增压压力和大量的空气充量。另外，在接收到加速信号56时，空气充量压气机92可由控制装置54和电动机45提供超额能量，并且空气充量压气机92根据该超额能量迅速作出反应，从而在发动机需要加速时可在进气管24处迅速提供空气充量和增压压力。
当发动机要求加速时，由于可由本发明的空气充量系统提供更多的空气充量，因此发动机可迅速加速，燃料燃烧更完全，发动机中的有害排放物和废气都显著降低。如本技术领域的普通技术人员可明显得知的那样，用于控制本发明的空气充量系统的信号56可从进气管压力，发动机速度，发动机负荷和控制的各加速要求传感器和其他合适的各传感器的任一个或多个中获得。
尽管图3和4中没有示出该涡轮增压器压气机62可包括一个辅助电动机，但在空气充量系统70中如果需要可设置一个由控制器54控制的辅助电动机。
因此，本发明的空气充量系统也可根据发动机加速的要求，通过使用电动机驱动的小型压气机，迅速满足内燃机的空气充量要求，同时对空气充量流不存在限制，否则可能由该小型空气充量压气机会对该空气充量系统存在影响，同时本发明通过另外使用一个涡轮增压器压气机，或一个更大的电动机驱动的压气机而允许这样的系统采用两级空气充量压缩，并允许从并联运行的电动机驱动的小型压气机和一涡轮增压器压气机，或一电动机驱动的更大的压气机提供空气充量。
尽管结合几个当前认为是最佳的实施例对本发明进行了描述，但对本技术领域的普通技术人员来说，很清楚的是：本发明也可按其他实施方式和实施例具体实施。因此，本发明的保护范围由下列各权利要求确定。

Claims (28)

1．一个与一四冲程发动机的进气管相连的空气充量系统，其包括：一个具有一进口和一出口的小型空气充量压气机，一相连的用于驱动所述空气充量压气机的电动机，一个与该空气充量压气机的出口相连的一第一空气充量管，一个第二空气充量管，一个用于所述第一和第二空气充量管的连接部，所述连接部与所述进气管相连，并且一个空气充量单向阀设置于所述第一和第二空气充量管之一用的所述连接部处或上游。
2．如权利要求1所述空气充量系统，其特征在于：该小型空气充量压气机的进口和该第二空气充量管与一空气滤清器连接，并且所述空气充量单向阀根据所述空气充量压气机的运行使所述第二空气充量管关闭。
3．如权利要求2所述空气充量系统，其特征在于：还包括一个涡轮增压器，该增压器具有一个由废气驱动的透平，和一个由所述废气驱动的透平而驱动的涡轮增压器压气机，还具有一个空气进口和一个压缩空气出口，所述涡轮增压器的空气压气机的所述空气进口与所述连接部相连，并且所述压缩空气出口与所述进气管相连。
4．如权利要求3所述空气充量系统，其特征在于：该涡轮增压器包括一个帮助废气驱动的涡轮增压器透平来驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
5．一个与一四冲程发动机的进气管相连的空气充量系统，其包括：一个具有一进口和一出口的小型空气充量压气机，一相连的用于驱动所述空气充量压气机的电动机，一个与该空气充量压气机的出口相连的一第一空气充量管，一个涡轮增压器，该增压器具有一个由废气驱动并与从一四冲程发动机来的废气相连的透平和一个具有一空气进口和一压缩空气出口的涡轮增压器压气机，一个与所述涡轮增压器压气机的所述压缩空气出口相连的第二空气充量管，一个用于所述第一和第二空气充量管的连接部，所述连接部与所述进气管相连，并且一个空气充量单向阀设置于所述第一和第二空气充量管之一用的所述连接部处或上游。
6．如权利要求5所述空气充量系统，其特征在于：该空气充量单向阀在该四冲程发动机低速时根据所述空气充量压气机的运行使所述第二空气充量管关闭，在所述四冲程发动机高速时根据所述涡轮增压器的运行使所述第一空气充量管关闭。
7．如权利要求5所述空气充量系统，其特征在于：所述小型空气充量压气机的进口和该涡轮增压器压气机的所述空气进口与一个空气滤清器相连。
8．如权利要求5所述空气充量系统，其特征在于该涡轮增压器包括一个帮助该废气驱动的透平来驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
9．一个与一四冲程发动机的进气管相连的空气充量系统，其包括：一个具有一进口和一出口的小型空气充量压气机，一相连的用来驱动所述空气充量压气机的电动机，一个涡轮增压器，该增压器具有一个由废气驱动并与从一四冲程发动机来的废气相连的透平和一个具有一空气进口和一压缩空气出口的涡轮增压器压气机，一个冷却器，该冷却器具有一个与所述涡轮增压器压气机的压缩空气出口相连的进口，和一个与所述冷却器的出口相连的第一空气充量管，一个与环境大气相连的第二空气充量管，一个用于所述第一和第二空气充量管的连接部，一个将所述第一和第二空气充量管的所述连接部与该空气充量压气机的进口相连的第三空气充量管，以及一个空气充量单向阀，该单向阀设置得可根据所述空气充量压气机的运行使所述第二空气充量管开启，在发动机高速时根据所述涡轮增压器的运行可使所述第二空气充量管关闭。
10．如权利要求1所述空气充量系统，其特征在于：还包括一个所述电动机用的控制器，所述控制器根据一发动机的速度信号和加速要求信号中至少一个作出反应，从而给所述电动机施加能量。
11．如权利要求10所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器给所述电动机施加能量，并且在该内燃机启动后使该电动机保持在一预定的最小速度。
12．如权利要求10所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器根据一加速要求信号给该电动机施加一超额能量。
13．如权利要求10所述空气充量系统，其特征在于：该电动机在高于发动机低速的速度时断电。
14．如权利要求13所述空气充量系统，其特征在于：在发动机转速处于大约2000至大约2500rpm时该电动机断电。
15．如权利要求10所述空气充量系统，其特征在于：该控制器对发动机速度信号和发动机加速信号中的至少一个作出响应，以便操作该帮助废气驱动的透平来驱动该涡轮增压器压气机的电动机。
16．如权利要求4所述空气充量系统，其特征在于：还包括一个控制器，所述控制器对发动机速度信号和发动机加速信号中的至少一个作出响应，以便给连接用来驱动该小型压气机的电动机和帮助驱动该涡轮增压器压气机的电动机这两者之一或两者施加能量。
17．如权利要求5所述空气充量系统，其特征在于：还包括用于控制所述电动机的控制器，所述控制器对发动机速度信号和发动机加速信号中的至少一个作出响应，以便给所述电动机施加能量。
18．如权利要求17所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器给所述电动机施加能量，并且在该内燃机启动后使所述电动机保持在一预定的最小速度。
19．如权利要求17所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器根据一加速要求的信号对该电动机施加超额能量。
20．如权利要求17所述空气充量系统，其特征在于：该电动机在转速高于发动机低速时断电。
21．如权利要求20所述空气充量系统，其特征在于：该电动机在发动机转速处于大约2000-2500rpm时断电。
22．如权利要求8所述空气充量系统，其特征在于：还包括一个控制器，所述控制器对发动机速度信号和加速要求信号中的至少一个作出响应，以便给连接用来驱动该小型压气机的电动机和帮助驱动该涡轮增压器压气机的电动机这两者之一或两者施加能量。
23．如权利要求9所述空气充量系统，其特征在于：还包括所述电动机用的控制器，所述控制器对发动机速度信号和发动机加速信号中的至少一个作出响应，以便给所述电动机施加能量。
24．如权利要求23所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器给所述电动机施加能量，并且在该内燃机启动后使所述电动机保持在一预定的最小速度。
25．如权利要求23所述空气充量系统，其特征在于：所述控制器根据一加速要求的信号对该电动机施加超额能量。
26．如权利要求23所述空气充量系统，其特征在于：该电动机在转速高于发动机低速时断电。
27．如权利要求23所述空气充量系统，其特征在于：该电动机在发动机转速处于大约2000-2500rpm时断电。
28．如权利要求9所述空气充量系统，其特征在于：该涡轮增压器包括一个帮助废气透平来驱动该涡轮增压器压气机的电动机，并且该系统还包括一个控制器，该控制器对发动机速度信号和加速要求信号中的至少一个作出响应，以便给连接用来驱动该第二空气充量压气机的电动机和帮助废气驱动的透平来驱动该涡轮增压器压气机的电动机这两者之一或同时施加能量。
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