CN86100237A - 陆上运输工具传动系统用增压内燃机 - Google Patents

Abstract

增压内燃机的空气滤清器和增压空气总管道通 过助燃空气的多条流动路径相互连接。各流动路径 都配有止回阀、可控闭锁装置、和由永磁励磁电动机 驱动的增压空压器，此空压器有一传动机构通过一 台废气透平。内燃机传动的永磁励磁发电机为上述 电动机提供能量。根据内燃机的工作状态，一条或多 条流动路径同时处于工作状态。尤其在加速度过程， 这可最佳地提供助燃空气。因增压空压器由内燃机 拖动，故给增压空压器传动机构的能量就相当于内 燃机的运转能力。

Description

本发明涉及工具传动系统用增压内燃机。

这类内燃机以西德专利第24    16    287号而为人们所熟知。这种内燃机空转时或低负荷运转时，废气透平增压器的转数应尽可能高。因此，增压空气压缩器的空气输送因抽气管道的闭锁而受到抑制，而透平则始终获得内燃机的全部废气。当增压空气压缩器闭锁时，则由一根旁通道供给内燃机所需要的空气。当内燃机加速时，由于废气透平增压器高转数工作时存贮的传动能而出现瞬时增压空气脉冲，如果增压空气压缩器的抽气管道突然被打开的话。然而，情况表明，在内燃机低的空转范围内，废气透平增压器内存贮的能量太低，不能保障产生有效的增压空气脉冲。大家都知道，内燃机增压空气的供给，在某些运行状态下，可以通过安置一个由辅助能源驱动的附加增压空气压缩器而得到保证。但是，基于所要求的发电设备或相应的蓄能器，由于陆上运输工具所提供的空间的限制以及必须考虑到的重量的限制，提供辅助能源的问题至今没有得到满意的解决。

因此，本发明的任务是，在所有运转状态下，特别是在加速过程时为增压的内燃机最佳提供燃烧用空气，这时，可以提供的辅助能源与内燃机的运转能力是一致的。

根据本发明，这项任务是通过本发明的主要特点加以解决的。本发明的另外的特点则是本发明的进一步发展。

本发明的优点尤其在于：基于与各种临界运转状态相匹配的燃烧用空气的流动路径，内燃机在整个运转范围都可获得最佳的加速行为;可以以同样的程度提供供给电动机运转用的能量，就如同内燃机存在有燃料一样;由于发电机和电动机采用永磁激发，它们的结构极其紧凑，从而，第三条流动路径的制造体积和重量并不起重要的作用;由于第三条流动路径上增压空气压缩器的电气驱动，加速过程时，低转数便能很好地向内燃机提供增压空气。

图中示出本发明的两个实例，下面将予以进一步描述：

图1：具有三条不同的燃烧用空气流动路径的增压内燃机;

图2：具有四条不同的燃烧用空气流动路径的增压内燃机;

图3：压缩器抽气管道中改进型的闭锁装置。

陆上运输工具传动系统（图中末详细示出）用增压内燃机（11）装备有：一个空气滤清器（18），一根增压空气总管道（12），一个增压空气冷却器（14），一根废气总管道（13），一个喷油泵（15），一个对喷油泵（15）起作用的功率调节机构（16）以及一个主要是靠电子元件工作的调节装置（35）。

根据图1，空气滤清器（18）和增压空气总管道（12）通过燃烧用空气的三条不同的流动路径（21，22，23）连接在一起，这三条流动路径在增压空气冷却器（14）前汇集在一起。第一条流动路径（21）包括一个在流动方向向增压空气总管道（12）开启的止回阀（19）。如果内燃机（11）以所谓的无增压发动机运转进行工作时，流动路径（21）便用来供给燃烧用空气。

在第二条流动路径（22）上安置一个增压空气压缩器（27），它与废气透平（28）一道构成一个废气透平增压器（39）。在增压空气压缩器（27）的抽气管道内有一个可控制的闭锁装置（20），该装置有两种开关位置。第一种开关位置时，当闭锁装置（20）导通的情况下，在流动方向上有一个向增压空气总管道（12）开启的止回阀（36）起作用。当闭锁装置（20）处于第二种开关位置时，导通被封锁。如果内燃机（11）在进行工作的运转范围内所提供的废气量足以通过废气透平增压器（39）产生所需要的经过预压缩的增压空气则第二条流动路径便以闭锁装置（20）的第一种开关位置起作用。但是，如当内燃机（11）处在某些运转状态时，如果加速过程需要止回阀（36）起作用，则闭锁装置（20）也处于第一种开关位置。

根据图3，对于交替使用的闭锁装置（20′），第二种开关位置可以有一个通道（37），该通道有一个可调节的节流阀（38），可以通过该节流阀（38）调节增压空气压缩器（27）限定的空气通过量。从而，在需要时，可以使增压空气压缩器在切断的状态下也实现内部冷却的目的。

第三条流动路径（23）上有一个由一台永磁励磁电动机（32）驱动的增压空气压缩器。在增压空气压缩器（31）的抽气侧安置一个止回阀（26），在流动方向向增压空气总管道（12）开启。电动机（32）工作所需要的能量，是由一台为内燃机（11）所驱动的永磁励磁发动机（33）提供的。当内燃机转数较少时由发电机（33）产生的能量，通过包括在取电气控制装置（34）中的变频装置以整固定的或可变的变换比进行转换，从而电动机（32）达到驱动增压空气压缩器（31）所必须的高转数。

永磁励磁的电动机（32）由于结构尺寸小而使功率高度集中的结果，使得增压空气压缩器（31）可从静止状态迅速起动和提高转数，从而，几乎可以毫无延滞地提供增压空气。这样，便实现了增压内燃机迄今末能实现的加速性能。

调节装置（36）上连接有各种传感器，用于收集内燃机（11）的某些运转参数。例如，传感器（41）通过功率调节机构（16）提供功率预设定额定值的信号;。传感器（42）则提供喷油泵（15）调节器拉杆（17）瞬间位置实际值的信号。传感器（44）收集内燃机（11）的实际转数;传感器（50）收集废气透平增压器（39）的实际转数;而传感器（43）则收集增压空气总管道（12）中的瞬间压力。调节装置（35）上也连接有其它的传感器（图中没有全部示出）以便完整地反映内燃机（11）的运转状态。

内燃机（11）的运转受调节装置（35）各种输出指令的影响。通过指令线路（46）操作闭锁装置（20）或（20′）;通过指令线路（47）控制可调止挡（45），以限制调节器拉杆（17）的调节行程;而电子控制装置（34）则由指令线路（40）激活。

加速过程与内燃机的运转状态和所用部件的的使用频谱有关系。根据图1，可以得出下面两种不同的加速过程。

出现第一种加速过程时的运转状态是，内燃机（11）根据功率调节机构（16）的瞬间位置，在低空转到低负荷的范围内工作。这时，内燃机（11）所提供的废气量是很少的。闭锁装置（20，20′）处于第一种开关位置;而废气透平增压器（39）则以低的转数进行旋转，这种低的转数是由于瞬间提供的废气而出现的。根据这时在增压空气管道（12）中所产生的压力而定，或是所有三条流动路径（21，22，23）上的止回阀（19，26，和36）全部打开，或是只有流动路径（22）上的止回阀（36）敞开。

内燃机（11）通过功率调节机构（16）搭接到高的功率范围中由于废气透平增压器（39）的转数尚低，转数传感器（50）的信号便通过调节装置（35）。激活电子控制装置（34），并接通电动机（32），接着，第三条流动路径（23）上的增压空气压缩器（31便冲击式地投入输送。增压空气管道（12）中逐步增大的压力使流动路径（21和22）中的止回阀（19和36）闭合，这样，便可避免燃烧用空气逃逸。燃烧用空气的供给量通过增压空气压缩器（31）的运转而迅速增长;内燃机（11）的废气提供量也以同样的程度增加。这样，废气透平增压器（39）的转数便越来越高。增压空气压缩器（27）同时也越来越大的输送量，步进式地减少增压空气压缩器（27）抽气侧由增压空气压缩器（31）产生的压力，这种压力开始时使止回阀（36）保持闭合。压力继续减少后，止回阀（36）最终便敞开，止回阀（36）的敞开便在传感器（51）中产生一个信号，致使调节装置装置（35）通过信号线路（40）和电子控制装置（32）使电动机（32）停止运转。在内燃机（11）进一步加速的过程中，增压空气仅仅通过废气透平增压器（39）提供。这时，增压空气压缩器（27）在增压空气管道（12）中产生的压力使止回阀（19和26）闭合。

作为上述加速过程的界限，有两种标准起着决定性的作用。其中一种标准是根据电动增压空气压缩器（31）的特性得出的，这种增压空气压缩器根据其设计只有在内燃机的转数是在限定的范围内才能有效地使用。第二种界限标准是根据内燃机（11）的废气提供量和与废气透平增压器（39）的设计有关系的能力-切断增压空气压缩器（27）时达到最高转数-之间的热动力学关系得出的。

根据图1所得出的第二种加速过程，来源于下面的运转状态：内燃机（11）根据功率调节机构（16）的瞬间位置以无增压发动机运转的中等直至高转数进行工作。

等待加速过程中，影响内燃机（11）的运转参数促使调节装置（35）通过指令线路（46）将闭锁装置（20或20′）调整到第二种开关位置。这样，当使用闭锁装置（20）时，增压空气压缩器（27）的输送完全受到了抑制;而当使用闭锁装置（20′）时，由于可调节的节流阀的缘故，其输送也几乎完全受到了抑制。

由于无增压发动机运转时增压空气管道（12）内的压力低，流动路径（21和23）上的止回阀（19和26）完全敞开。内燃机（11）抽吸的燃烧用主要空气量由于流动阻力小而流经第一条流动路径（21），因为静止状态的增压空气压缩器（31）在第三条流动路径（23）上形成一个大大限制空气通过量的流动制动器。也就是说，增压空气压缩器（31）由于电动机（32）无载空转和因流动拖曳的旋转而受到阻碍。

由于电动机（32）是永磁励磁，由吸入的空气在增压空气压缩器（31）主动轮上产生的每个旋转脉冲，使得电动力在定子绕组上产生自感应，阻挠增压空气压缩器（31）的旋转。

内燃机（11）的废气送废气透平（28），其功率消耗由于增压空气压缩器（27）的切断而减少。因此，废气透平增压器（39）自动调整成较高的转数，就象内燃机（11）在这种运转状态下和增压空气压缩器（27）接通时由于提供废气而出现的情况一样。

内燃机（11）通过功率调节机构（16）搭接入高的功率范围。由于废气透平增压器（39）转数比例的关系，调节装置（35）立即将闭锁装置（20或20′）转换成第一种开关位置。正在进行输送的增压空气压缩器（27），在瞬间内可将废气透平增压器（39）过转数时存贮的能量发出一个增压空气脉冲。内燃机（11）从而获得足够的经过预压缩的燃烧用空气，以便不需其他帮助就可结束下一步的加速过程。随着增压空气压缩器（27），的输送，在增压空气管道中出现并逐渐增加压力，致使止回阀（19和26）关闭。

图2的实例与图1的实例相反，还附加第四条流动路径（24）。图1所示的装置也以同样的方式配制在图2的实例上。因而，对于完全一致的部件，都使用了相同的标记和比例系数，不再重复进行详细说明。

第四条流动路径（24）上有一个增压空气压缩器（29），其抽气侧有一个止回阀（25）。增压空气压缩器（29）由废气透平（30）驱动。废气透平（30）的废气管道上安置一个闭锁装置（48），后者通过指令线路（53）受调节装置（35）的影响。增压空气压缩器（29）和废气透平（30）构成废气透平增压器（49），后者与废气透平增压器（39）一起，是为内燃机（11）的最大增压空气和废气流量而设计的。如果内燃机（11）在部分负荷时以低的增压空气流和低的废气流工作，废气透平增压器（49）通过闭锁装置（48）的关闭而切断。然后，废气透平增压器（39）的废气透平（28）获得全部的废气流，从而以较好的效率进行工作。

内燃机（11）由低的空转开始加速时，直至用增压空气压缩器（31）激活电动机（32）的过程与图1的实例是一致的。但是，内燃机（11）通过增压空气压缩器（31）的增压空气输送而增加的废气供应量，当闭锁装置（48）开启时，开始阶段是均匀地输送给两个废气透平（28和30）。这样，废气透平增压器（39和49）便加速到较高的转数。这时，增压空气压缩器（31）还在增压空气管道（12）内所产生的增压空气压力的作用下，止回阀（19，25，36）便关闭。在这种运转状态下，增压空气压缩器（28和29）还不能有助于增压空气的提供。当废气透平增压器（49）达到预定的转数后，转数传感器（52）才发出信号，调节装置（35）才使闭锁装置（48）转换成关闭的位置。这样，废气透平增压器（49）由于供应废气而被闭锁，并以高的空转转数而继续旋转。内燃机（11）产生的废气完全到达废气透平增压器（39）的废气透平（28），因而废气透平增压器（39）的转数继续增大。增压空气压缩器（27）同时越来越大的输送，使得增压空气压缩器（27）抽气侧由增压空气压缩器（31）产生的压力步进式地减少，而增压空气压缩器（27）一开始还使止回阀（36）保持关闭。压力继续减少后，止回阀（36）终于被打开，这样，便在传感器（51）中产生一个信号，该信号致使调节装置（35）通过信号线路（40）和电子控制装置（34）使电动机（32）停下来。如果内燃机（11）所产生的废气量超过了废气透平（28）的通流能力和增压空气压缩器（27）的输送能力，则废气透平增压器（49）只有在内燃机（11）尔后的加速过程中通过开启闭锁装置（48）才能重新接通。

内燃机（11）的整个加速过程几秒钟内就完成。因此，直至接通废气透平（30）时，废气透平增压器（49）在先前的瞬时阶段所达到的转数只是略有降低。在轴承结构合适的情况下，一台废气透平增压器直至静止状态的滑行时间延续几分钟。因而，在重新接通废气透平（30）时，只有在转数水平很高的情况下，才继续从而，提高转数，增压空气压缩器（29）很快就可以输送。

对于内燃机（11）的其它加速过程，当按照图2的配制由于无增压发动机运转而形成中等直至高转数的情况下，图1的实例所描述的界限也是同样适用的。因而，加速前和开始加速后的过程如下：

等待加速过程中，影响内燃机（11）的运转参数促使调节装置（35）通过指令线路（46）将闭锁装置（20或20′）调整到第二种开关位置。这样，当使用闭锁装置（20）时增压空气压缩器（27的输送完全受到了抑制;而当使用闭锁装置（20′）时，由于可调节的节流阀的缘故，其输送也几乎完全受到了抑制。

由于无增压发动机运转时增压空气管道（12）内的压力低，流动路径（21，23和24）上的止回阀（19，25和26）完全敞开内燃机（11）抽吸的燃烧用主要空气量由于流动阻力小而流经流动路径（21和24），因为静止状态的增压空气压缩器（31）在第三条流动路径（23）上形成一个大大限制空气通过量的流动制动器，就象对图1的实例描述过的那样。

内燃机（11）的废气仅送废气透平（28），其功率消耗由于增压空气压缩器（27）的切断而减少。因此，废气透平增压器（39）自动调整成较高的转数，就象内燃机（11）在这种运转状态下和增压空气压缩器（27）接通时由于提供废气而出现的情况一样。

内燃机（11）通过功率调节机构（16）搭接入高的工率范围。由于废气透平增压器（39）转数比例的关系，调节装置（35）立即将闭锁装置（20或20′）转换成第一种开关位置。正在进行输送的增压空气压缩器（27），在瞬间内可将废气透平增压器（39）过转数时存贮的能量发出一个增压空气脉冲。然后，增压空气压缩器（27不断增加的经过预压缩的燃烧用空气被输送给内燃机（11）。内燃机（11）的转数和增压压力以以废气透平增压器（39）的转数不断增加。如果内燃机（11）所产生的废气量超过了废气透平（28）的通流能力和增压空气压缩器（27）的输送能力，调节装置（35）便通过指令线路（53）将闭锁装置（48）转换成导通的位置。这样，废气透平增压器（49）便被接通，且越来越多地与增压空气压缩器（30）一起参予对内燃机（11）的增压空气供应。

废气透平（28和30）也可以配备可调节的导向叶片。这样，它们便可以与内燃机（11）提供的废气量进行最佳匹配。在图2的实例中，除此之外，废气透平（30）可调节的导向叶片还附带地执行闭锁装置（48）的功能，从而可省去闭锁装置（48）。无论是废气透平（28）还是（30），其加速过程原则上没有变化。

发电机（33）和电动机（32）采用稀土-钴类型的永磁铁，可使它们的构造特别紧凑，而且其使用率高。这种磁性材料能适应强电流电机所出现的高磁场强度的反磁化现象，这样，永磁磁通量有时可以变成零，因为反磁化现象再循环后，本来的磁通量又重新恢复到最大值。

大功率的内燃机，其空气和废气流量也是相应地比较大。采用这种内燃机或是构造尺寸较小的废气透平增压器时，在第二和第四条流动路径上至少可以各安置两个相应的、平行工作的废气透平增压器。

对于上述两个实例，由于空气动力学的考虑，电动增压空气压缩器（31）的使用，仅限于内燃机（11）限定的转数范围内。增压空气压缩器（31）配置可以调节的扩压器，是扩大使用范围的第一项措施。

扩大永磁励磁发电机所提供的电能的使用，以便在加速过程中向内燃机（11）供给增压空气的另一个可能性是，配置两台电动的增压空气压缩器。增压空气压缩器可以形成不同大小的增压空气流;加速过程时，在内燃机的第一种转数范围内，只是第一台增压空气压缩器靠电动驱动接通，而在紧接着的或重叠的转数范围内，便是另一台增压空气压缩器靠电动驱动接通。

但是，两台电动驱动的增压空气压缩器的结构也可以同样大小。这样，首先是一台投入工作，然后，从规定的运转状态起，才接通第二台。

只有当两台电动的增压空气压缩器都各配备一个可调节的扩压器，它们的运转才能达到最佳状态。

内燃机（11）如果是在可以切断增压空气压缩器（27）的转数范围内运转时，会增加燃料的耗量，燃料耗量的增加，是由于内燃机（11）提高了排气功的结果。由于增压空气压缩器（27）增压空气输送的误差，内燃机（11）的活塞用于抽吸燃烧用空气所做的功必须多于接通增压空气压缩器（27）时所做的功。此外，以较高转数运行的废气透平（28）增加了内燃机（11）的排气功。内燃机（11）在并不迅速加速的运转时间内，可以避免上述增加燃料消耗的情况。为此，在指令线路（46）中配置一个手动开关（55），该手动开关也可以与功率调节机构（16）联合。当开关（55）断开时，指令线路（46）被中断，闭锁装置（20或20′）处于第一种开关位置，这时，止回阀（36）起作用。当内燃机（11）处于迅速加速的运转时间内。开关（55）闭合，从而可能完成所有前述的加速过程。

Claims (16)

1、传动系统用增压内燃机的空气滤清器和增压空气总管道通过燃烧用空气的多条流动路径相互连接在一起，第一条流动路径有一个止回阀，起码是第二条流动路径配备一个增压空气压缩器，在增压空气压缩器的抽气侧安置有一个可控制的闭锁装置，增压空气压缩器的驱动是通过内燃机的能量实现的，而闭锁装置则通过一个受内燃机的运转参数影响的调节装置控制，其特征在于：第二条流动路径(22)上增压空气压缩器(27)传动机构的能量，以其人所共知的方式通过一个不可切断的废气透平(28)由内燃机(11)的废气中获取；第三条流动路径(23)上有一个增压空气压缩器(31)，后者的抽气侧安置一个止回阀(26)；第三条流动路径(23)上的增压空气压缩器(31)由一台永磁励磁的电动机(32)驱动；电动机(32)所需的能量，由一台受内燃机(11)驱动的永磁励磁发电机(33)提供。

2、根据权利要求1的内燃机，其特征在于：在第四条流动路径（24）上配制一个增压空气压缩器（29），后者通过一台可切断的废气透平（30）驱动。

3、根据权利要求2的内燃机，其特征在于：在第四条流动路径（24）上的增压空气压缩器（29）的抽气侧，安置一个止回阀（25）。

4、根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：第二条流动路径（22）上的可控制的闭锁装置（20）附加配备一个止回阀（36）

5、根据权利要求2的内燃机，其特征在于：废气透平（30）是通过一个安置在废气输入管道上的可控制的闭锁装置（48）进行切断的。

6、根据权利要求2的内燃机，其特征在于：废气透平（30）的闭锁装置是由可调节的导向叶片形成的。

7、根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：调节装置（35）激活电动机（32）或可切断的废气透平（30），这取决于预设定的工作参数。

8、根据权利要求7的内燃机，其特征在于：预设定的工作参数标记内燃机（11）的一个工作范围，该工作范围相当于由内燃机无增压发动机的运转向增压运转过渡。

9、根据权利要求1的内燃机，其特征在于：发动机（33）和电动机（32）包括有稀土-钴类型的永磁铁。

10、根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：第二条和第四条流动路径（22，24）各至少有两个相应的、平行工作的废气透平增压器（39，49）。

11、根据权利要求1的内燃机，其特征在于：在电动机（32）和发电机（33）之间的电路上，安置一个包含变频装置的电子控制装置（34）。

12、根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：电动的增压空气压缩器（31）有一个可调节的扩压器。

13、根据权利要求1或2的内燃机，其特征在于：在第三条流动路径上至少配制两个电动的增压空气压缩器。

14、根据权利要求13的内燃机，其特征在于：增压空气压缩器形成不同大小的增压空气流。

15、根据权利要求13的内燃机，其特征在于：增压空气压缩器形成相同大小的增压空气流。

16、根据权利要求14或15的内燃机，其特征在于：两个增压空气压缩器各有一个可调节的扩压器。

Images