具有高速牵引驱动和连续可变变速箱的超级涡轮增压器的制作方法

专利名称：具有高速牵引驱动和连续可变变速箱的超级涡轮增压器的制作方法
具有高速牵引驱动和连续可变变速箱的超级涡轮增压器相关申请的交叉引用本专利申请是2009年8月5日申请的美国申请No. 12/536，421的部分连续案，所述申请要求2008年8月5日申请的美国临时专利申请No. 61/086,401的权利，所述申请的全部教示和公开内容以引用的方式并入本文中。
背景技术：
传统的涡轮增压器由废热和废气驱动，其被迫穿过排气涡轮外壳至涡轮上。涡轮通过共同涡轮轴连接至压缩器轮。当排气碰到涡轮时，两个轮同时旋转。压缩器轮的旋转通过压缩器外壳吸入空气，其迫使压缩空气进入发动机汽缸来实现改进的发动机性能和燃料效率。用于变速/可变负载应用的涡轮增压器的尺寸通常适合扭矩峰值速度下的最大效率以便产生足够升压来达到峰值扭矩。然而，在较低速度下，涡轮增压器产生不充分的升压 用于适当的发动机瞬时响应。为了克服这些问题并且提供增加效率的系统，可以使用超级涡轮增压器，所述超级涡轮增压器结合超级增压器和涡轮增压器的特征。超级涡轮增压器并入主要有益于低速高扭矩的超级增压器和通常仅有益于高速高马力的涡轮增压器的益处。超级涡轮增压器结合涡轮增压器与可以将发动机扭矩放置于涡轮轴上用于超级增压和消除涡轮迟滞的变速箱。一旦排出能量开始提供比驱动压缩器更多的工作，那么超级涡轮增压器通过施加额外功率至活塞发动机(通常通过机轴)而重新获得过多能量。因此，超级涡轮增压器完全从一个系统提供低速高扭矩和高速高马力的增值的两个益处。
发明概要因此，本发明的实施方案可以包括耦合至发动机的超级涡轮增压器，其包括涡轮，其由通过所述发动机产生的排气焓产生涡轮旋转机械能；压缩器，其压缩吸入空气并且响应由所述涡轮产生的所述涡轮旋转机械能和从所述发动机传送的发动机旋转机械能将压缩空气供应至所述发动机；轴，其具有连接至所述涡轮和所述压缩器的端部，以及具有轴牵引表面的中心部；牵引驱动，其布置在所述轴的所述中心部周围，所述牵引驱动包括多个行星滚筒，其具有多个行星滚筒牵引表面，所述行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面界接使得所述多个行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面之间存在多个第一牵引界面；环形滚筒，其由所述多个行星滚筒通过多个第二牵引界面来旋转；连续可变变速箱，其机械地耦合至所述牵引驱动和所述发动机，其将涡轮旋转机械能传送至所述发动机并且在所述发动机的操作速度下将发动机旋转机械能传送至所述超级涡轮增压器。本发明的实施方案还可以包括一种在超级涡轮增压器与发动机之间传送旋转机械能的方法，其包括由通过所述发动机产生的排气焓在涡轮中产生涡轮旋转机械能；压缩吸入空气来响应由所述涡轮产生的所述涡轮旋转机械能和由所述发动机产生的发动机旋转机械能将压缩空气供应至所述发动机；提供轴，其具有连接至所述涡轮和所述压缩器的端部，以及具有轴牵引表面的中心部；将牵引驱动机械地耦合至所述轴的所述轴牵引表面；放置多个行星滚筒的多个行星滚筒牵引表面使其接触所述轴牵引表面使得在所述多个行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面之间建立多个第一牵引界面；放置环形滚筒使其接触所述多个行星滚筒使得在所述多个行星滚筒与所述环形滚筒之间建立多个第二牵引界面；将连续可变变速箱机械地耦合至所述牵引驱动和所述发动机而将所述涡轮旋转机械能传送至所述发动机并且在所述发动机的操作速度下将发动机旋转机械能传送至所述超级涡轮增压器。本发明的实施方案还可以包括一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口 ；在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸；用来自所述高压排气口的高压排气的至少第一部分驱动高压超级涡轮增压器；将来自所述高压排气口的所述高压排气的至少第二部分提供至所述内燃机的入口歧管；用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器；将来自所述低压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述高压压缩器的空气输入端；在预定压力下，将来自所述高压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管；当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得所述高压排气的所述第二部分贯通所述内燃机再循环。
本发明的实施方案还可以包括一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口 ；在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸；用来自所述高压排气口的高压排气驱动高压超级涡轮增压器；用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器；将来自所述低压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述高压压缩器的空气输入端；在预定压力下，将来自所述高压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管；将来自所述高压超级涡轮增压器的输出端的所述高压排气引导至所述内燃机的入口歧管；当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得来自所述高压超级涡轮增压器的所述输出端的所述高压排气贯通所述内燃机再循环。本发明的实施方案还可以包括一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口 ；在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸；将来自所述高压排气口的高压排气提供至所述内燃机的入口歧管；用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器；在预定压力下，将来自所述高压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管；当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得所述高压排气的所述第二部分贯通所述内燃机再循环。附图简述图I是超级涡轮增压器的实施方案的侧视图。图2是图I的超级涡轮增压器的实施方案的透视等大图。图3A是图I和图2中图示的超级涡轮增压器的实施方案的侧视透视图。图3B是超级涡轮增压器的另一实施方案的侧视剖面图。图3C是图I、图2和图3A中图示的超级涡轮增压器的实施方案的修改方案的侧视透视图。图4至图9是使用多径行星滚筒牵引驱动的实施方案的超级涡轮增压器的各种图。


图10是闻速牵引驱动的另一实施方案的图不。图11和图12是牵引连续可变变速箱的实施方案的图示。图13是另一实施方案的侧视剖面图。图14A是超级涡轮增压的气体再循环装置的实施方案的示意图。图14B是超级涡轮增压的气体再循环装置的另一实施方案的示意图。图14C是超级涡轮增压的气体再循环装置的另一实施方案的示意图。图14D是图14A至图14C的实施方案的阀升程、流速和汽缸压力 与活塞位置的曲线图。图14E是图14A至图14C的实施方案的汽缸压力与汽缸容积的PV曲线图。图15是模拟BSFC改进方案的图示。
具体实施例方式图I是使用高速牵引驱动114和连续可变变速箱116的超级涡轮增压器100的实施方案的示意图。如图I中所示，超级涡轮增压器100耦合至发动机101。所述超级涡轮增压器包括涡轮102，所述涡轮102通过排气导管104耦合至发动机101。涡轮102从排气导管104接收热排气并且在排气口 112中排出排气之前产生旋转机械能。催化型柴油颗粒过滤器(未示出)可以连接在排气导管104与涡轮102之间。或者，所述催化型柴油颗粒过滤器(未示出)可以连接至排气口 112。由涡轮102产生的旋转机械能通过涡轮/压缩器轴(诸如图4的轴414)被传送至压缩器106，来旋转布置在压缩器106中的压缩器风扇，其压缩进气口 110并且将压缩空气传输至导管108，导管108耦合至发动机101的入口歧管(未示出)。如在以上参考申请中所公开，不同于涡轮增压器，超级涡轮增压器耦合至推进系来将能量传送至所述推进系或从所述推进系传送能量。如本文所称的推进系可包括发动机101、布置有发动机101的车辆的变速器、布置有发动机101的车辆的驱动系或由发动机101产生的旋转机械能的其它应用。换句话说，旋转机械能可以通过至少一个中间机械装置(诸如车辆的变速器或驱动系)耦合或从超级涡轮增压器传送至发动机，且反之亦然。在图I的实施方案中，超级涡轮增压器的旋转机械能通过轴118、滑轮120和传送带124直接耦合至发动机101的机轴122。同样如图I中所示，高速牵引驱动114机械地耦合至连续可变变速箱116。在操作中，图I的高速牵引驱动114是机械地耦合至涡轮/压缩器轴固定比率、高速牵引驱动，使用牵引界面将旋转机械能传送至涡轮/压缩器轴或从涡轮/压缩器轴传送旋转机械能。高速牵引驱动114具有固定比率，其可以根据发动机101而不同。对于小型发动机而言，需要高速牵引驱动114的大固定比率。对于更小的发动机而言，超级涡轮增压器的压缩器和涡轮必须更小来保持小型发动机尺寸并且匹配压缩器和涡轮的流动需求。为了使更小的涡轮和更小的压缩器适当地发挥作用，其必须以较高rmp旋转。举例而言，更小的发动机可能需要压缩器和涡轮以300，OOOrpm旋转。对于极小的发动机(诸如半公升发动机)而言，超级涡轮增压器可能需要以900，OOOrpm旋转。更小的发动机需要以更高的rpm水平操作的压缩器的一个原因是避免喘振。此外，为了以有效的方式操作，压缩器的顶端速度必须正好达不到音速。由于所述顶端不如更小的压缩器中的长，所以在相同rpm下更小的压缩器的顶端不如较大压缩器的顶端移动得快。当压缩器的尺寸减小，有效操作所需的旋转速度指数型上升。由于齿轮被限于约100，OOOrpm，所以标准的齿轮系统无法用来达到汽车发动机超级涡轮增压器所需的较高速度下消耗的功率。因此，各种实施方案使用高速牵引驱动114来增加功率并且从涡轮轴接收功率。因此，来自高速牵引驱动114的旋转机械能被降低至可以取决于涡轮/压缩器的旋转速度而改变的rpm水平，但在处于连续可变变速箱(CVT) 116的操作范围内的rpm水平。举例而言，高速牵引驱动114可以具有在Orpm与7，OOOrpm之间改变的输出，而从涡轮/压缩器轴的输入可以从Orpm改变至300，OOOrpm,或更大。连续可变变速箱116将高速牵引驱动114的rpm水平调整至机轴122和滑轮120的rpm水平来将旋转机械能施加至发动机101,或以适当的rpm水平从发动机101提取旋转机械能。换句话说，连续可变变速箱116包括用于在发动机101与高速牵引驱动114之间传送旋转机械能的界面，在根据发动机旋转速度和涡轮/压缩器旋转速度改变的适当的rpm水平下。连续可变变速箱116可包括任何所需种类的连续可变变速箱，其可以所需旋转速度操作并且具有匹配机轴122或直接或间接耦合至发动机101的其它机构的旋转速度的比率。举例而言，除了本文公开的实施方 案之外，可以使用两个滚筒CVT以及牵引滚珠驱动和推动钢带CVT。 适于用作图I中公开的连续可变变速箱116的连续可变变速箱的实施例是图11和图12中公开的连续可变变速箱。可以用作图I的连续可变变速箱116的连续可变变速箱的其它实施例包括2009年6月2日发布的Miller等人的美国专利No. 7，540,881。Miller专利是用行星滚珠轴承的牵引驱动、连续可变变速箱的实施例。Miller的牵引驱动限于约10，OOOrpm使得MiIIer连续可变变速箱无法用作为高速牵弓I驱动，诸如高速牵弓I驱动114。然而，Miller专利确实公开一种使用牵引驱动并且适于用作可以用作为图I至图3中所示的连续可变变速箱116的连续可变变速箱的实施例。2006年6月6日发布的WilliamR. Kelley, Jr.的并且受让与Borg Warner的专利No. 7, 055, 507中公开适合的连续可变变速箱的另一实施例。1991年7月23日发布的Smith的美国专利No. 5，033，269中公开连续可变变速箱的另一实施例。此外，美国专利No. 7,491，149也公开一种将适于用作连续可变变速箱116的连续可变变速箱。2009年2月17日公布的Greenwood等人的并且受让与Torotrak有限公司的美国专利No. 7，491，149公开可以用作为连续可变变速箱116的使用牵引驱动的连续可变变速箱的实施例。所有这些专利所公开和教示的内容以引用的方式特别并入。1995年8月9日以公布No. 0517675B1公布的欧洲申请No. 92830258. 7也阐释适于用作连续可变牵引驱动116的另一连续可变变速箱3。各种种类的高速牵引驱动可以用作为高速牵引驱动114。举例而言，图4至图9中公开的高速行星牵引驱动406和图10的高速行星驱动可以用作为高速牵引驱动114。1946年4月9日公布的Birgkigt的美国专利No. 2，397，941和1998年3月24日公布的Hiereth等人的美国专利No. 5，729，978中公开使用齿轮的高速驱动的实施例。这些专利所公开和教示的内容以引用的方式特别并入本文中。这些参考资料使用标准齿轮并且不使用牵引驱动。因此，即使使用被高度抛光、特别设计的齿轮系统，这些系统中的齿轮限于约100，OOOrpm或更小的旋转速度。2005年11月I日公布的Kolstrup的并且受让与Rulounds Roadtracks Rotrex A/S 的美国专利 No. 6，960，147 公开一种能够产生 13:1 的齿轮比率的行星齿轮。Kolstrup的行星齿轮是可以用于图I的高速牵引驱动114的适当位置的高速驱动的实施例。美国专利No. 6，960，147所公开和教示的内容也以引用的方式特别并入本文中。图2是超级涡轮增压器100的示意性侧视透视图。如图2中所示，涡轮102具有接收施加至涡轮风扇130的排气的排气导管104。压缩器106具有将压缩空气供应至入口歧管的压缩空气导管108。压缩器外壳128封围压缩器风扇126并且耦合至压缩空气导管108。如上文所公开，高速牵引驱动114是耦合至连续可变变速箱116的固定比率牵引驱动。连续可变变速箱116驱动轴118和滑轮120。图3A是图I和图2中图示的超级涡轮增压器100的实施方案的侧视透视图。再贝U，如图3A中所示，涡轮102包括涡轮风扇130，而压缩器106包括压缩器风扇126。连接涡轮风扇130与压缩器风扇126的轴(未示出)耦合至高速牵引驱动114。旋转机械能从高速牵引驱动114传送至传动齿轮132，传动齿轮132将旋转机械能传送至CVT齿轮134和连续可变变速箱(CVT) 116。连续可变变速箱116耦合至轴118和滑轮120。图3B是耦合至发动机304的超级涡轮增压器300的另一实施例的示意性剖面图。 如图3B中所示，涡轮302和压缩器306通过轴320机械地耦合。高速牵引驱动308将旋转机械能传送至传动齿轮322或从传动齿轮322接收旋转机械能。图3B中图示高速牵引驱动308的特殊实施例。传动齿轮322在牵引驱动308与连续可变变速箱110之间传送旋转机械能。图3B中还图示连续可变变速箱310的特殊实施例。轴312、滑轮314和传送带316在机轴318与连续可变变速箱310之间传送旋转机械能。图3C是图I、图2和图3A中图示的超级涡轮增压器100的实施方案的修改方案的侧视示意性剖面图。如图3C中所示，涡轮102和压缩器106通过轴(未示出)耦合在一起。高速牵引驱动114耦合至所述轴。旋转机械能从高速牵引驱动114传送至传动齿轮132，传动齿轮132将旋转机械能传送至变速箱齿轮134。高速牵引驱动114、传动齿轮132和变速箱齿轮134可以全部容置在相同外壳中。变速箱齿轮134连接至变速箱140，变速箱140可以包括手动齿轮箱、CVT、直轴、自动齿轮箱或液压变速箱。接着，变速箱140连接至轴118，轴118连接至滑轮120。滑轮120耦合至推进系。在替代实施方案中，滑轮120耦合至电动马达/发电机142。图4是使用耦合至连续可变变速箱408的高速牵引驱动416的超级涡轮增压器400的另一实施方案的示意性透视图。如图4中所示，涡轮404用压缩器/涡轮轴414机械地耦合至压缩器402。以下文更详细公开的方式在压缩器/涡轮轴414与多径牵引驱动416之间传送旋转机械能。传动齿轮418在多径牵引驱动416与连续可变变速箱408的CVT齿轮420之间传送旋转机械能。轴410和滑轮412耦合至连续可变变速箱408并且在连续可变变速箱408与推进系之间传送动力。图5是耦合至传动齿轮418的多径牵引驱动416的侧视剖面示意图，传动齿轮418接着耦合至CVT齿轮420。如下文更详细地公开，压缩器/涡轮轴414在中心部上具有被抛光、硬化表面，所述表面用作为多径牵引驱动416中的恒星驱动。图6是图4中图示的超级涡轮增压器400的实施方案的分解图600。如图6中所示，涡轮外壳602容置涡轮风扇604。热侧盖板606安装在涡轮风扇604和主外壳支撑件608附近。环形密封件610密封热侧盖板606处的排气。环形滚筒轴承612安装在环形滚筒614中。压缩器/涡轮轴414延伸穿过主外壳支撑件608。热侧盖板606与涡轮风扇604连接。行星载体滚珠轴承618安装在行星载体620上。多径环形滚筒622旋转地连接至行星载体620。供油管624用来供应牵引流体至牵引表面。行星载体626安装至行星载体620并且使用行星载体滚珠轴承628。接着，固定环630安装在行星载体626外部。笼架632安装在固定环630与冷侧盖板636之间。压缩器风扇638耦合至压缩器/涡轮轴414。压缩器外壳640封围压缩器风扇638。主外壳支撑件608还支撑连续可变变速箱和传动齿轮418。各种轴承646用来安装传动齿轮418和主外壳支撑件608。连续可变变速箱包括CVT盖642和CVT承重板644。CVT齿轮420用轴承650安装在主外壳支撑件608内部。与CVT承重板644相对，CVT承重板652安装在CVT齿轮420的相对侧上。CVT盖654罩盖CVT装置的各个部分。轴410耦合至连续可变变速箱。滑轮412安装在轴410上并且在轴410与推进系之间传送旋转机械能。图7是多径牵引驱动416的分开的主要组件、以及涡轮风扇604和压缩器风扇638的透视图。如图7中所示，压缩器/涡轮轴414连接至涡轮风扇604和压缩器风扇638，并且穿过多径牵引驱动416的中心。多径牵引驱动416包括多径行星滚筒664、666 (图9)、668。这些多径行星滚筒旋转地耦合至行星载体626 (图9)。滚珠656、658、660、662置于 固定环630上用于滚珠斜坡的倾斜表面上。如下文更详细地公开，环形滚筒614由多径行 星滚筒664、666、668的内径驱动。图8是多径牵引驱动416的侧视剖面图。如图8中所示，压缩器/涡轮轴414被硬化和抛光来形成用作为恒星滚筒674的牵引表面，恒星滚筒674具有与多径行星滚筒664界接的牵引界面676。多径行星滚筒664沿着多径行星滚筒轴672旋转。多径行星滚筒664在行星滚筒664与固定环630的界面690处接触固定环630。多径行星滚筒664在界面691处接触环形滚筒614，与界面691不同，界面691距多径行星滚筒轴672有不同的径向距离。图8还图不行星载体626和与滚珠656相交的滚珠斜坡630,以及与滚珠660相交的滚珠斜坡631。滚珠656、658、660、662楔入在外壳(未不出)与固定环664上的滚珠斜坡(诸如滚珠斜坡630)之间。当扭矩施加至环形滚筒614时，这造成固定环664在环形滚筒614的旋转方向上略微移动。这造成滚珠向上移动各个滚珠斜坡，诸如滚珠斜坡630、631，这接着造成固定环630压抵于多径行星滚筒664、666、668。由于行星滚筒664与固定环630的界面691倾斜，而且多径行星滚筒664与环形滚筒690的界面倾斜，所以多径行星滚筒664上产生向内的力，这在牵引界面676上产生力来增大多径行星滚筒664与恒星滚筒674之间的牵引界面676处的牵引。此外，在多径行星滚筒664与环形滚筒614的界面691处产生力，这增大界面691处的牵引。同样如图8中所示，压缩器风扇630和涡轮风扇604都耦合至压缩器/涡轮轴414。同样如图8中所示，环形滚筒614耦合至传动齿轮418。图9是多径牵引驱动416的侧视剖面图。如图9中所示，恒星滚筒674在顺时针方向上旋转，如通过旋转方向686所不。多径行星滚筒664、666、668具有外径滚筒表面,诸如多径行星滚筒664的外径滚筒表面688。这些外径滚筒表面接触恒星滚筒674，这造成多径行星滚筒664、666、668在逆时针方向上旋转,诸如多径行星滚筒666的旋转方向684。多径行星滚筒664、666、668还具有内径滚筒表面,诸如多径行星滚筒664的内径滚筒表面680。每个多径行星滚筒的内径滚筒表面接触环形滚筒614的滚筒表面687。因此，行星滚筒664与环形滚筒614的滚筒表面687的界面678构成在施加牵引流体时传送旋转机械能的牵引界面。多径行星滚筒664、666、668的每一个与恒星滚筒674之间的界面还构成在牵引流体的施加之后传送旋转机械能的牵引界面。如上文关于图8和图9所指出，固定环630产生力，所述力推动多径行星滚筒664、666、668朝向恒星滚筒674来产生牵引。多径行星滚筒664、666、668的每一个用行星滚筒轴(诸如多径行星滚筒664的多径行星滚筒轴672)旋转地附接至行星载体626。这些轴具有略微的运转量使得多径行星滚筒664、666、668可以略微移动并且在恒星滚筒674与多径行星滚筒664、666、668的外径滚筒表面(诸如多径行星滚筒664的外径滚筒表面688)之间产生力。多径行星滚筒664朝向恒星滚筒674的移动也增大多径行星滚筒664、666、668与环形滚筒614的界面处的牵引，这是由于多径行星滚筒664、666、668与环形滚筒614的界面(诸如界面678)倾斜。多径行星滚筒664、666、668与环形滚筒614的滚筒表面687的接触造成行星载体626在顺时针方向上旋转,诸如图9中所示的旋转方向682。因此,环形滚筒614在逆时针方向上旋转(诸如旋转方向687)并且在顺时针方向上驱动传动齿轮418。图10是高速牵引驱动1000的另一实施方案的示意性横截面图。如图10中所示，轴1002 (其是连接超级涡轮增压器中的涡轮与压缩器的轴)可以作为高速牵引驱动1000 中的恒星滚筒。行星滚筒1004在牵引界面1036处接触轴1002。行星滚筒1004使用轴承1008、1010、1012、1014在轴1006上旋转。同样如图10中所示，齿轮1016布置并且连接至载体1018的外表面。载体1018通过容许载体1018和齿轮1016旋转的轴承1032、1034耦合至外壳(未示出)。固定环1020、1022分别包括滚珠斜坡1028、1030。滚珠斜坡1028、1030类似于图7和图8中所示的滚珠斜坡630。当齿轮1016移动时，滚珠1024、1026分别在滚珠斜坡1028、1030中移动，并且迫使固定环1020、1022向内朝向彼此。当滚珠1024、1026迫使固定斜坡1020、1022向内朝向彼此时，在牵引表面1038、1040处的固定环1020、1022与行星滚筒1004的表面之间产生力。如图10中所示，由固定环1020、1022产生的力还迫使行星滚筒1004向下，因此在牵引表面1036处的轴1002与行星滚筒1004之间产生力。因此，在牵引表面1036和牵引表面1038、1040处实现更大的牵引。牵引流体施加至这些表面，因为牵引流体由于在牵引表面1036、1038、1040处产生摩擦而被加热，所以牵引流体变得粘性并且增大牵引表面处的摩擦。图10中所示的高速牵引驱动1000能够以超过100，OOOrpm的高速旋转,所述速度无法通过齿轮系统达到。举例而言，高速牵引驱动1000可能以大于300，OOOrpm的速度旋转。然而，高速牵引驱动1000因尺寸的物理限制而限于约10:1的齿轮比率。高速牵引驱动1000可以使用三个行星滚筒，诸如围绕轴1002径向布置的行星滚筒1006。如图9中所示，行星滚筒的尺寸相对于恒星滚筒而受限。如果图9中的行星滚筒的直径增大，那么行星滚筒将彼此邻接。因此，如图10中所示，仅约10:1的齿轮比率可以用行星牵引驱动达到，而如图7至图9中所示，连接至行星载体的多径行星驱动可以具有高达47:1或更大的比率。因此，如果必须以300，OOOrpm有效旋转的更小发动机需要压缩器，那么如图7至图9中所示，47:1比率的牵引驱动可以将300，OOOrpm的最大旋转减速至约6，400rpm。接着，标准齿轮或牵引的连续可变变速箱可以用来在高速牵引驱动与发动机的推进系之间传送旋转机械能。如上文所公开，图10中所示的高速牵引驱动1000可以具有10:1般大的比率。假设小型发动机的超级涡轮增压器的轴1002的旋转速度是300，OOOrpm，那么所述轴的300，OOOrpm旋转速度在齿轮1016处可以被降低至30，OOOrpm。可以使用各个种类的连续可变变速箱116，其使用标准齿轮技术操作高达30，OOOrpm0牵引驱动的连续可变变速箱(诸如图11和图12中所示的牵引驱动的连续可变变速箱116)也可以用作为图I中所示的连续可变变速箱116。此外，高达100:1的比率可以用图4至图9中所示的多径牵引驱动416来实现。因此，可能需要以900，OOOrpm操作的压缩器的5公升的小型发动机可以被降低至9，OOOrpm，这是可以由各种连续可变变速箱116容易地用来在推进系与涡轮/压缩器轴之间率禹合旋转机械能的旋转速度。图11和图12图示可以用作为图I的连续可变变速箱116的连续可变的牵引驱动变速箱的实施例。图11和图12中所示的牵引驱动的连续可变变速箱通过在座圈表面上在横向方向上平移座圈1116、1118来操作，所述座圈表面具有造成滚珠轴承的接触位置移动的曲率半径，所述移动接着造成滚珠以不同旋转角度旋转来以不同速度驱动座圈1122。换 句话说，座圈表面上的所述轴承的每一个的接触位置由于座圈1116、1118的横向平移而改变，这改变了所述轴承在接触位置处的旋转速度，如下文更详细地解释。如图11中所示，输入轴1102耦合至传动齿轮132 (图3A)。举例而言，齿条1104可以键接至图3A中所示的CVT齿轮134。因此，输入轴1102的齿条输入齿轮1104可以通过高速牵引驱动114耦合至超级涡轮增压器，如图3A中所示。以此方式，推进系的输入扭矩用以驱动输入轴1102的齿条输入齿轮1104。齿条输入齿轮1104上的输入扭矩使输入轴1102和其关联的结构(包括输入座圈1114)在旋转方向1112上旋转。输入座圈1116也响应由齿条1166从输入轴1102授予给输入座圈1116的扭矩而围绕旋转轴1106旋转。输入轴1102、输入座圈1114和输入座圈1116的旋转授予多个滚珠轴承1132上的旋转，这是因为固定座圈1120阻止滚珠轴承在与固定座圈1120的接触点处的旋转。输入座圈1114和输入座圈1116以相同角速度旋转，这是因为它们通过齿条1116耦合在一起。输入座圈1114和输入座圈1116造成滚珠轴承1132在大致垂直的定向上旋转，这是由于滚珠轴承1132接触固定座圈1120。滚珠轴承1132抵着固定座圈1120的接触也造成滚珠轴承1132围绕座圈1114、1116、1118、1120的周边旋进。在图11所示的实施方案中，可以存在在座圈1114、1116、1118、1120的表面上旋转的多达20个的滚珠轴承1132。滚珠轴承1132由于由输入座圈1114和输入座圈1116驱动而引起的旋转在输出座圈1118上建立滚珠轴承1132的切线接触。取决于输出座圈1118上的滚珠轴承1132的接触位置，输入座圈1114、1116相对于输出座圈1118的旋转速度的比率可以改变。输出座圈1118耦合至输出齿轮1122。输出齿轮1122接合输出齿轮1124，输出齿轮1124接着连接至输出轴1126。图11中所示的牵引驱动的连续可变变速箱1100改变输入轴1102与输出轴126之间的比率的方式通过改变与滚珠轴承1132接触的四个座圈1114、1116、1118、1120之间的接触点的相对位置而实现。座圈1114、1116、1118、1120与滚珠轴承1132的接触表面改变的方式是通过改变平移夹1152的位置。如图11中所示，平移夹1152响应电动致动器1162而水平移动。电动致动器1162具有接合伸缩式变速器1158并且使伸缩式变速器1158旋转的轴。伸缩式变速器1158在内部和外部上具有不同的螺纹种类。不同螺纹种类的螺距的差异造成平移夹1152响应电动致动器1162的轴的旋转而水平移动，这授予伸缩式变速器1158中的旋转。与轴承夹1164接触的平移夹1152的横向平移造成输入座圈1116和输出座圈1118的横向平移。在图11中所示的实施方案中，输入座圈1116和输出座圈1118的横向平移可以改变约十分之一英寸。输入座圈1116和输出座圈1118的平移改变滚珠轴承1132与输出座圈1118之间的接触角度，这因为固定座圈1120与输入座圈1114和输入座圈1116之间的接触角度的改变而改变滚珠轴承1132在所述座圈中的移动比率或速度。所述座圈之间的角度的改变的组合容许滚珠轴承1132与输出座圈1118之间的接触速率或接触点改变，这造成输入轴1102的旋转速度的0%至高达输入轴1102的旋转速度的30%之间的速度变化。呈输入轴1102的旋转速度的0%至30%的输出座圈1118的速度变化提供可以在输出轴1126处达到的大范围的可调整旋转速度。 为了确保滚珠轴承1132在座圈1114、1116、1118、1120之间的适当夹持，提供弹簧1154、1156。弹簧1154在输入座圈1114与固定座圈1120之间产生夹持力。弹簧1156在输入座圈1116与输出座圈1118之间产生夹持力。抵着滚珠轴承1132的这些夹持力保持在平移夹1152的整个平移距离内。伸缩式变速器1158在内表面上具有连接至固定螺纹装置1160的螺纹。固定螺纹装置1160固定至外壳1172并且提供相对于外壳1172的固定位置，使得平移夹1152能够因伸缩式变速器1158的两侧上的不同螺纹而在水平方向上平移。同样如图11中所示，牵引驱动的连续可变变速箱1100的旋转组件都在相同方向 (即旋转方向1112)上旋转并且输出齿轮1122的旋转1128。夹持螺母1168将弹簧1156固持在适当位置并且预先加载弹簧1156而在固定座圈1120与输入座圈1114之间产生适当的对角压力。如图11中所示，当平移夹1152水平平移时，存在输入轴1102的略微平移，根据接触滚珠轴承1132的座圈1114至1120的角度。齿条输入齿轮1104容许在方向1108、1110上的平移移动，根据滚珠轴承1132接触座圈1114至1120的点和所述座圈相对于滚珠轴承1132的特定接触角度。外壳1170紧紧地栓接至外壳1172来容纳弹簧1154，这在输入座圈1114与固定座圈1120之间产生适当量的夹持力。如图11中所示，滚珠轴承1132具有在四个座圈1114、1116、1118、1120中的旋转行进1131。如图11中所示，轴1102的旋转方向1112造成齿轮1122在旋转方向1128上的旋转。图12是座圈1114至1120和滚珠1132的特写图，其图示牵引驱动的连续可变变速箱1100的操作。如图12中所示，座圈1114在接触位置1134处强有力地接触滚珠1132。座圈1116在接触位置1136处强有力地接触滚珠1132。座圈1118在接触位置1138处强有力地接触滚珠1132。座圈1120在接触位置1140处强有力地接触滚珠1132。接触位置1134、1136、1138、1140的每一个位于滚珠1132的表面上的共同大圆上。所述大圆位于容纳滚珠1132的中心和轴1102的轴1106的平面中。滚珠1132绕着穿过滚珠1132的中心的旋转轴1142旋转并且对开容纳接触位置1134、1136、1138、1140的所述大圆。滚珠1132的旋转轴1142与垂直轴1144成角度1146倾斜。布置在围绕牵引驱动1100的圆周的座圈中的滚珠的每一个的倾斜角1146相同。倾斜角1146在距离比率与圆周速度比率之间建立数学关系。距离比率是第一距离1148与第二距离1150之间的比率，第一距离1148是从旋转轴1142到接触位置1134的垂直距离，第二距离1150是从旋转轴1142到接触位置1136的垂直距离。这个距离比率等于所述圆周速度比率。所述圆周速度比率是第一圆周速度与第二圆周速度之间的比率，其中所述第一圆周速度是滚珠1132在座圈1114处的圆周速度与滚珠1132的共同轨道圆周速度以及所述座圈中的其它滚珠之间的差异，而所述第二圆周速度是滚珠1132在座圈1116上的圆周速度与滚珠1132的共同轨道圆周速度之间的差异，以及布置在所述座圈中的其它滚珠。座圈1114至1120的每一个的曲率半径不一定是恒定的曲率半径，而可以改变。此外，所述四个座圈的每一个的曲率半径不一定相等。
当座圈1116、1118在横向方向(诸如横向平移方向1108)上同时平移时，轴1102的旋转的速度比率和旋转方向1112相对于齿轮1122的旋转和旋转方向1128改变，座圈1116、1118在横向方向1108上的平移造成第一距离1148增大而且第二距离1150减小。因此，距离比率以及圆周速度比率改变，这改变齿轮1122相对于轴1102的旋转速度。如上文所指出，连续可变变速箱输出端与连接至涡轮压缩器轴的牵引驱动减速机构齿轮接触。如上文所指出，可以使用至少两种或三种不同种类的牵引驱动减速系统。典型的种类是图6至图9和图10中公开的用于高速减速的行星式牵引驱动。如果涡轮轴与行星滚筒之间需要大的速度差，那么图10的实施方案可以仅使用两个滚筒而不是三个，以便获得所需的齿轮比率改变。在三个滚筒的情况下，存在约10:1的减速限制，而且可能需要大约20:1的变速箱来获得高速250，OOOrpm操作，低于10:1的变速箱所需要的25，OOOrpm。因此，在图10中，
在三个行星驱动系统中的适当位置可以使用两个滚筒行星牵引驱动，以便实现最小型最高速系统所需的减速。两个滚筒还提供较小惯性，因为每一个滚筒给想所述系统增加一定量的惯性。为了最小惯性，两个滚筒应足够。牵引滚筒的宽度略宽于三个滚筒实施方案。抵着轴滚动的多径行星滚筒由弹性材料制成，例如弹簧钢或其他材料，所述材料容许滚筒在外圆筒内的少许变形。弹簧加载的滚筒的应用可以提供轴上的必需压力但不会限制轴寻找其理想旋转中心的能力。当涡轮增压器以极高速操作时，其具有造成轴必须找到其自身的旋转中心的平衡约束。所述平衡将由中心轴的移动来补偿。这个移动可由弹簧加载的滚筒来补偿。所述弹簧加载的滚筒还可以通过制成为没有容许其以非常小的惯性抵着轴操作的薄钢带而制成为极轻的重量。带厚度必须足够厚而在牵引表面上赋予足够的压力来提供牵引所需的法向力。凸轮随动件可以布置在滚筒内，所述凸轮随动件将定位每个滚筒并且使所述位置固定在系统内。滚筒必须以非常直的直线排列在外圆筒与涡轮/压缩器轴之间操作，但减小惯性的关键在于重量轻。可以使用一个或两个凸轮随动件来将钢带固持在适当位置，适当所述钢带呈直线排列停留在所述系统中。环形滚筒614在外表面上连接至齿轮使得所述环形滚筒可以将动力传输入或传输出多径牵引驱动416。环形滚筒614可以许多方式制成。环形滚筒614可以简单地为钢或能够将扭矩传输入或传输出多径牵引驱动416的其他合适材料的固体件。环形滚筒614可以由容许环形滚筒614为轻量级的许多材料制成，但环形滚筒614必须由可以用作为滚筒表面687上的牵引驱动表面的材料制成。适当的滚筒表面687容许行星滚筒664、666、668通过牵引传输扭矩。涡轮/压缩器轴414也必须保持呈非常精确的直线排列。涡轮/压缩器轴414在外壳内的直线排列容许压缩器的叶片的顶端与压缩器外壳之间保持有间隙。较紧的间隙增大压缩器效率。更精确的位置降低涡轮压缩器风扇638与压缩器外壳640之间的接触机会。需要一种控制由抵着压缩器轮压缩气体引起的推力负载的方法来确保存在最小间隙。这可以使用供油的推力轴承(未示出)或是滚珠轴承的推力轴承或滚筒轴承种类的轴承来完成。在涡轮增压器中，为可靠性的目的，轴承通常是在内侧和外侧都具有油间隙的套管轴承，以便容许涡轮轴在其谐和旋转时将其自身置于中心。高容积制造的涡轮增压器的平衡需求是通过使用双间隙轴承来降低。因为需要较紧的间隙和涡轮增压器的轴的更精确的直线排列，所以已经使用这些轴承种类。滚珠轴承用来固持压缩器和涡轮并且用于保持从侧向运动透视图所见的与外壳更好的对齐。这可以由一个或两个滚珠轴承来完成。由油加压的外部区域内的轴承的直线排列容许所述轴承浮动并且容许所述轴承找到中心。这确实影响外壳、涡轮与压缩器外边缘之间的间隙，但容许保持小的推力间隙。涡轮轴轴承提供第三限制点来保持滚筒的直线排列。在所述滚筒中间的凸轮随动件可以使所述滚筒相互保持120度。每个滚筒可以使用两个小凸轮随动件来消除当动力改变方向时引起的后冲。也可以使用较大的涡轮。涡轮轮的直径可以制成为大于常规直径。甚至可以使涡轮外径大于压缩器轮，而不会达到顶端接近音速之处的临界速度，这是因为排气密度低于入口空气而且因此音速较高。这容许排气在涡轮/压缩器轴上产生更多扭矩而无较高反压力。具有较高扭矩造成所述涡轮重新获得比压缩入口空气所需的能量更多的能量。这产生比可以重新获得并且传输至发动机的能量更多的能量。压缩所不需要的来自相同排气流的更多能量杯传送至机轴并且产生较低的燃料消耗。
此外，可以使用控制排气撞入涡轮轮的进入角度的导叶片来改进涡轮效率。这使得峰值效率更高，但缩短了实现效率所取决的速度范围。狭窄的速度范围不利于常规涡轮增压器，而且对于管理者可以提供必需的速度控制的超级涡轮增压器而言不是问题。与跨过压缩器的压力相比，跨过涡轮的较高的反压力还可以产生不平衡的超级涡轮增压器。对于常规涡轮增压器而言，这个压力差是相反的。具有较高的反压力造成所述涡轮重新获得比压缩入口空气所需的能量更多的能量。这产生比可以重新获得并且传输至发动机的能量更多的能量。柴油机的高压EGR回路需要较高的反压力。高的反压力通常需要阀或限制，因此高的反压力通常损失能量，这是因为常规涡轮增压器无法不平衡而不超速。增大反压力不利于汽油发动机和天然气发动机，这是因为其增大汽缸中捕获的排气量，这使得发动机更可能具有爆炸问题。根据另一实施方案，第二涡轮轮可以定位在涡轮/压缩器轴上来增大由所述涡轮重新获得的能量并且改进发动机系统的燃料效率。同样，第二压缩器轮可以定位在相同轴上来增大超级涡轮增压器的升压电势并且容许级之间的中间冷却。这使入口温度较冷而用于给定升压并且因此降低NOx。此外，可以提供涡轮叶片冷却贯通翼片顶端来降低高温应用中的温度。这可以由所述涡轮的外边缘的中空翼片顶端来完成。这个特殊的顶端设计增加了涡轮效率并且提供用于冷却空气穿过所述叶片的路径。涡轮翼片冷却还可以由从压缩器侧跨过外壳供给至涡轮轮的背侧的压缩空气来提供。此外，可以使用热管来冷却所述涡轮轮和叶片。此外，动力路径上可以使用扭矩软化装置。可以以使得在进入外壳之前移除来自发动机或推进系的扭矩推动而不损失所述能量的方式来使机轴能量或来自推进系的旋转机械能穿过挠曲轴或推动软化装置(弹簧加载或挠曲)。通过不用牵引驱动上的扭矩峰值影响变速箱，降低峰值扭矩需求。通过消除这些扭矩峰值，牵引驱动更可靠，这是因为牵引需求受限于系统上的最大扭矩。通过最小化牵引驱动上的这些扭矩峰值，可以最小化所述牵引驱动的尺寸和表面接触面积。最小的表面接触面积最大化所述系统的效率，并且仍可以实现传输连续动力所需的扭矩。或者并且根据另一实施方案，可以使用在轴、传送带或吃了驱动的适当位置具有固定位移液压泵的可变速牵引驱动设计。这使得所述系统更易于封装，这对于具有多个涡轮增压器的非常大的发动机而言尤其有用。在图13中图示的另一实施方案中，第二超级涡轮增压器使用一个变速箱作为获得较高压力比率的方式，并且作为通过使用第二中间冷却器获得较冷的入口温度的方式。这因两个超级涡轮增压器之间的固定速度比率而可能。第一超级涡轮增压器1302具有进气导管1308并且压缩从压缩空气导管1310供应至发动机的空气。排气导管1314接收来自所述发动机的排气来运行第一超级涡轮增压器1302的涡轮。排气排出排气出口导管1312。第一超级涡轮增压器1302用传动齿轮1306耦合至第二超级涡轮增压器1304。图14A图示使用两个超级涡轮增压器(诸如低压超级涡轮增压器1402和高压超级涡轮增压器1404)的执行方案的另一实施方案的示意图。标准的超级涡轮增压器不善于在排气阀第一次打开时重新获得由汽缸产生的高压脉冲。如图14A中所示，为了改进这个推动压力重新获得，四个阀的发动机的高压排气阀口 1406、1408与低压排气阀口 1410、1412分离。高压排气口 1406、1408通过高压排气歧管1430导引至高压涡轮1434，而低压排气口通过低压排气歧管1428导引至低压涡轮1420。通过改变高压排气口 1406、1408中的阀时序，使得高压排气口 1406、1408上的阀首先打开并且开口朝向高压涡轮1434，更好地重新获得脉冲能量。高压排气口 1406、1408上的阀快速关闭，并且接着低压排气口 1410、1412 上的阀在排气冲程的整段时期内打开。低压排气口 1410、1412上的阀开口朝向低压涡轮1420。这个过程减少了使汽缸排气时活塞所需的工作。这个过程改进待机燃料效率，或至少消除待机时的附加损失。高压涡轮1434的出口还连接至低压涡轮1420。催化型柴油颗粒过滤器(未示出)也可以布置在较低压涡轮之前。同样如图14A中所示，EGR导管1438连接至高压排气歧管1430。EGR导管1438容许来自高压排气歧管1430的排气的一部分通过冷却器1440和EGR阀1442被导引回至入口歧管1444。通过EGR导管1438导引的来自高压排气歧管1430的排气被导引至入口歧管1444用于排气再循环的目的。流过排气再循环导管1438的排气协助降低燃烧腔室中的燃烧温度，尤其是在冷却器1440中冷却之后。所述排气含有湿气和其他液体，其协助降低燃烧腔室的温度来因此减少从发动机的NOx排放。再循环排气的量由EGR阀1442控制。EGR阀1442可以(诸如通过使用节流阀)固定或可以取决于发动机的受监测的NOx排放而改变。同样如图14A中所示，高压空气通过高压压缩器歧管1446从高压压缩器1432漏至入口歧管1444。因此，入口歧管1444保持由高压压缩器1432的输出端所指示的预定高压水平。为了使再循环气体流过EGR导管1438，高压歧管1430中的压力必须高于入口歧管1444中的压力，如由高压压缩器1432的输出压力所指示。如此，高压排气口 1406、1408中的阀在活塞的向下冲程期间足够早地打开，这时剩余压力仍存在于活塞中以在高压排气歧管1430中产生足够的压力来驱动从高压排气歧管1430穿过EGR导管1438的排气。如下文所公开，高压排气口 1406、1408中的阀在向下驱动活塞的过程中存在少量能量损失的点打开。高压阀的打开点早于底部死点，但超过机轴上活塞的最大扭矩点，这点上杆大致呈90°。这点发生在大约100°。扭矩量与杆的角的余弦值成比例，使得当高压阀打开时活塞越低，驱动活塞时损失的能量就越少。然而，汽缸腔室中残留足够量的剩余压力，这可在到达底部死点之前由高压阀从汽缸腔室中排出，其可用以驱动EGR导管1438中的排气使其进入高压涡轮1434。通过使用高压排气口 1406、1408的高压阀预先排气所述汽缸，汽缸中的大量剩余压力在打开低压排气口 1410、1412之前被排出。当打开时，低压排气口 1410、1412能够从汽缸排出大多数压力。如此，汽缸中的剩余压力用以导引排气穿过EGR导管1438来降低NOx排放并且驱动高压涡轮1434，这为发动机增加了额外动力和效率。同样如图14A中所示，来自低压排气歧管的排气用以驱动低压超级涡轮增压器1402的低压涡轮1420。由高压涡轮1434排放的排气与来自低压排气口 1410、1412的低压排气结合来驱动低压涡轮1420。来自低压涡轮1420的排气由排气口 1436排出。低压涡轮1420耦合至低压压缩器1418，低压压缩器1418压缩预定量的入口空气1422。导管1424将压缩空气从低压压缩器1418导引至高压压缩器1432的输入端，高压压缩器1432用来进一步压缩1424中的加压空气来产生更高压的压缩空气，所述更高压的压缩空气由高压压缩器歧管1446导引至入口歧管1444。图14B图示14A中所示的实施方案的变更方案。如图14B中所示，高压排气口1406、1408结合至耦合至高压涡轮1434的高压排气歧管中。换句话说，来自高压排气歧管 1430的全部高压排气被施加至高压涡轮1434来驱动高压涡轮1434，这接着驱动高压压缩器1432。高压压缩器1432从低压超级涡轮增压器1402的压缩入口空气1422的低压压缩器1418接收导管1424中的压缩空气。高压压缩器1432的输出通过高压压缩器歧管1446被供给至输入歧管1444。低压压缩器1418由低压涡轮1420驱动，低压涡轮1420由低压排气歧管1428中的低压排气驱动，所述低压排气由低压排气口 1410、1412所排放。来自低压涡轮1420的排气通过排气口 1436排出。驱动高压涡轮1434的来自高压排气歧管1430的高压气体耦合至排气再循环(EGR)导管1426并且传输回至入口歧管1444。驱动高压涡轮1434的来自高压排气歧管1430的高压气体的压力大体上不会降低并且具有足够高的压力来将来自EGR导管1426的排气压入入口歧管1444中。图14B提供NOx气体的最大减少，这是由于来自高压排气歧管1430的本质上全部排气都再循环至入口歧管1444。同样如图14B中所示，可以使用废气阀门1448来将高压排气从高压排气歧管1430旁通至EGR导管1426。有时高压排气可能太热及/或可能提供处于会过度驱动高压涡轮1434的压力下的排气。在这种情况下，废气阀门1448可以打开来将高压排气的一部分从高压排气歧管1430直接供给至EGR导管1426。此外，可以增加EGR阀1450，其将EGR导管1426连接至低压排气歧管1428。如果足够排气量通过EGR导管1426供给，那么那些气体的一部分可以通过EGR阀1450从EGR导管1426导引至低压排气歧管1428。接着，来自EGR导管1426的过多气体可以用来运作低压涡轮1420来通过增加入口歧管压力1444而给发动机增加额外动力。EGR阀1450的使用提供可以重新获得再循环气体来给发动机增加额外动力并且提高发动机的操作效率的额外方式。图14C图示图14A和图14B的实施方案的另一修改方案。如图14C中所示，入口空气1422由低压压缩器1418压缩。来自低压压缩器1418的压缩空气由导管1424供给入口歧管1444。同样如图14C中所示，不使用第二高压涡轮并且全部再循环气体从高压排气口 1406、1408通过EGR导管1426再循环至入口歧管1444。来自低压排气口 1410、1412的排气结合至导管1428中来操作低压涡轮1420。接着，在排气口 1436处排出所述排气。因此，来自高压排气口 1406、1408的全部向下吹的气体被供给回至入口歧管1444来产生NOx气体的较大减少。或者，EGR阀1450可以用来将EGR导管1426中的排气的一部分导引至低压排气歧管1428，这给低压涡轮1420增加了另外的动力并且减少了 EGR导管1426中的再循环气体量。EGR阀1450可以被调整来调整从EGR导管1426供给至低压排气歧管1428的排气量。如果足够排气量在EGR导管1426中再循环来减少发动机的NOx输出，那么这个过程可以有益。图14D是顶部死点之后的阀升程、汽缸压力和流速与活塞位置的曲线图。如图14D中所示，在活塞的整个冲程过程中，汽缸压力1450在顶部死点之后稳定降低。高压阀1456的升程产生高压流1452。高压阀1456的升程发生约100°旋转并且产生从高压排气口1406、1408 (图14A、图14B和图14C)排出的高压流1452的较大向下喘振。曲线1454图示低压阀的升程。低压阀升程在低压排气口 1410、1412中产生低压流1458。因此，汽缸中的汽缸压力1450进一步降低。图14E是活塞在汽缸中向下移动并且接着向上移动时汽缸压力与汽缸容积的PV曲线图。近零表示顶部死点，而I表示汽缸旋转的底部死点。图14E中示出两条曲线。曲线1464表示不使用赖利循环的发动机的汽缸压力与容积的曲线。曲线1462是图示赖利循环装置的汽缸压力与汽缸容积的曲线，诸如图14A至图14C中所示。如图14A至图14C中所示，在点1466处，高压阀在赖利循环装置上打开，并且压力降低。点1466、1470之间的区 域1468表示通过打开所述高压阀而损失的能量。然而，如图14E中所指出，在点1472处，赖利循环装置中的压力下降低于非赖利循环装置中的压力并且在到点1474的全程中保持低于所述非赖利循环装置的压力。在1472与点1474之间，汽缸中存在较小压力，这造成当汽缸从点1472移动至点1474时汽缸上的较小的反压力。点1472与1476之间由1478指示的赖利循环曲线1462与常规曲线1464之间的大量区域指示通过在较低压力下汽缸中活塞的移动而节约的能量。在替代实施方案中，超级涡轮增压器可以用作为用于后处理的抽气泵，以及用于发动机并且消除仅用于燃烧炉的分离泵之需。在另一实施方案中，提供管理者(未示出)来防止过度加速，保持压缩器免于喘振情况并且控制涡轮和压缩器的最大效率。超级涡轮增压器与常规涡轮增压器相比是独一无二的，这是因为涡轮效率的峰值和压缩器效率的峰值可以在相同速度下。为了给定升压需求而控制这个峰值效率速度可以被模制并且编程在电子管理者中。致动器可以提供管理，但电动变速箱不需要致动器。在另一实施方案中，用于超级涡轮增压器的加油系统拉动外壳内的真空，并且因此减少高速组件的空气动力损失。在另一替代实施方案中，双离合器超级涡轮增压器包括自动变速的手动变速箱。这种变速箱非常平稳地变速，这是因为其在两端上都具有离合器。图3C图示可以有许多不同种类的变速箱。在另一实施方案中，使用用于变速箱和从涡轮轴的减速的牵引驱动。使用滚珠轴承，牵引流体也作为润滑剂。在超级增压期间，系统改进负载接收、减少煤烟排放、提供低端扭矩的高达30%的增加和峰值动力的高达10%的增加。在涡轮组合期间，系统提供改进的高达10%的燃料节约率并且控制反压力。为了发动机缩小化，系统提供容许发动机小30%至50%的30%的更多低端扭矩、具有较低的发动机质量以及17%或更多的改进的车辆燃料节约率。图15图示用于天然气发动机的模拟BSFC改进方案。催化剂、DPF或甚至燃烧炉加DPF也可以定位在超级涡轮增压器的涡轮前方来将排气加热至比发动机的热度更高的温度。更高的温度使空气膨胀，甚至进一步使跨过涡轮的流率更高。这个热量增加的大约22%可以转变为跨过超级涡轮增压器的机械功，呈现80%的涡轮效率。供给至涡轮的较大量的排气会减慢涡轮响应并且甚至产生更大的涡轮迟滞，但超级涡轮增压器用驱动压力响应的牵引驱动114和连续可变变速箱116克服这个问题。2009年7月24日申请的Van Dyne等人的题为《使用超级涡轮增压器改进活塞发动机的燃料效率》(“Improving Fuel Efficiency for a Piston Engine Using aSuper-Turbocharger”)的国际专利申请No. PCT/US 2009/051742中公开使用催化式净化器的类似技术，所述申请所公开和教示的内容以引用的方式特别并入本文中。图16是形成高效率、超级涡轮增压的发动机系统1600的一个实施方案的图示的简化单线图。如本领域技术人员将从以下描述了解，这种超级涡轮增压的发动机系统1600特别适用于柴油发动机和客车和商用车中所使用的一些火花点燃的汽油发动机，并且因此本文讨论的示例性实施例使用这一环境来有助于本发明的理解。然而，应意识到系统1600的实施方案适用于其他操作环境，举例而言，诸如陆基发电机和其它陆基发动机，采用这些实施例应为了说明而不是为了限制。如图16中所示，超级涡轮增压器1604包括涡轮1606、压缩器1608和变速箱1610， 变速箱1610耦合至发动机1602的机轴1612或推进系的其它部分。虽然所有实施方案中不需要，但图16所示的实施方案还包括中间冷却器1614来提高从压缩器108供应至发动机1602的空气的密度来进一步提高从发动机1602可得的动力。超级涡轮增压器具有涡轮增压器的某些优点。涡轮增压器使用由发动机的排气驱动的涡轮。这个涡轮耦合至压缩器，所述压缩器压缩供给至发动机的汽缸中的入口空气。涡轮增压器中的涡轮由来自发动机的排气驱动。如此，当第一次加速直至存在足够热排气来旋转涡轮而为机械地耦合至涡轮的压缩器供以动力来产生足够升压时，发动机经受升压迟滞。为了最小化迟滞，通常使用较小及/或较轻的涡轮增压器。轻量级的涡轮增压器的较小惯性容许其非常快速地旋转，从而最小化性能上的迟滞。不幸地，这种较小及/或轻量级的涡轮增压器在发动机高速操作期间当产生大量排气流和温度时可能超速。为了防止发生这种超速，典型的涡轮增压器包括安装在涡轮上游的排气管中的废气阀门。所述废气阀门是当压缩器的输出压力超过预定极限值时转移涡轮周围的一些排气的压力操作阀。这个极限值设定在指示所述涡轮增压器将要超速的压力。不幸地，这导致浪费了从发动机的排气可得的能量的一部分。应意识到传统的涡轮增压器牺牲低端性能用于高端动力，已开发已知为超级涡轮增压器的装置。2009年2月17日发布的题为《超级涡轮增压器》(“Super-Turbocharger”)的美国专利No. 7，490，594中描述这种超级涡轮增压器，这个专利所公开和教示的内容以弓I用的方式特别并入本文中。如上文引用的申请中所讨论，在超级涡轮增压器中，在发动机低速操作期间当不够热的发动机排气无法用来驱动涡轮时，压缩器由耦合至发动机的发动机机轴通过变速箱来驱动。由所述发动机供应至所述压缩器的机械能降低传统涡轮增压器所遭受的涡轮迟滞问题，并且容许使用较大或更效率的涡轮和压缩器。图16中所示的超级涡轮增压器1604操作以从压缩器1608供应压缩空气至发动机1602而不遭受传统涡轮增压器低端的涡轮迟滞问题并且不浪费在高端从供应至涡轮1606的发动机排气热量可得的能量。这些优点因包括超级涡轮增压器变速箱1610而提供，在发动机1602的各种操作模式期间，超级涡轮增压器变速箱1610可以从发动机机轴1612提取动力并且供应动力至发动机机轴1612来分别驱动压缩器1608和加载涡轮1606。在启动期间，当传统涡轮增压器由于缺乏来自发动机的足够的动力来驱动涡轮而遭受迟滞时，超级涡轮增压器1604提供超级增压行为，由此通过超级涡轮增压器变速箱1610从机轴1612获得动力来驱动压缩器1608而为发动机1602提供足够的升压。当所述发动机达到速度而且从发动机排气热量可得的动力量足以驱动涡轮1606时，通过变速箱1610从机轴1612获得的动力量减少。此后，涡轮1606继续供应动力至压缩器1608使其压缩入口空气而给发动机1602所使用。当发动机速度增加时，从发动机排气热量可得的动力量增加至其中传统涡轮增压器中的涡轮1606会超速的点。然而，使用超级涡轮增压器1604，由发动机排气热量提供至涡轮1606的过多的能量通过变速箱1610被导引至发动机机轴1612，同时使压缩器1608保持在适当速度来为发动机1602供应理想的升压。从发动机1602的排气热量可得的输出动力越大，通过变速箱1610被导引至机轴1612的由涡轮1606产生的动力越多，同时保持从压缩器1608可得的最佳升压。涡轮1606通过变速箱1610的这个加载防止涡轮1606超速 并且最大化从发动机排气提取的动力的效率。如此，不需要传统的废气闸门。虽然在传统超级涡轮增压的应用中可用以驱动涡轮1606的动力量严格受限于从发动机排气可得的动力量，但如果可以完全使用及/或可以增加供应至涡轮叶片的热能和质量流，那么涡轮1606能够产生明显更多的动力。然而，涡轮1606无法在特定温度上操作而无损坏，而且质量流传统上受限于从发动机1602出来的排气。意识到这点，系统1600的实施方案通过在涡轮1606上游放置催化型柴油颗粒过滤器1616来保护涡轮1606免于高温瞬变。在一个实施方案中，催化型柴油颗粒过滤器放置在涡轮上游接近排气歧管，这实现导致在发动机的持久高速或负载操作期间排气温度的增加的放热反应。使用催化型数字颗粒过滤器，可以从在催化型柴油颗粒过滤器1616上燃烧的煤烟、碳氢化合物和一氧化碳重新获得能量来为位于催化型数字颗粒过滤器1616下游的超级涡轮增压器增加动力。可以从具有几乎100%煤烟收集率的非常有限的流通容量的传统柴油颗粒过滤器或通过使用流通催化型数字颗粒过滤器来重新获得能量。流通催化型数字颗粒过滤器是一种仅收集大约一半煤烟并且使另一半穿过的柴油颗粒过滤器。两种数字颗粒过滤器都是催化型以便在适度低的温度下燃烧具有排放物。数字颗粒过滤器的催化是通过为颗粒过滤器元件提供钼涂层来确保煤烟、碳氢化合物和一氧化碳在低温下燃烧而实现。此外，可以使用柴油颗粒过滤器和燃烧器来使超级涡轮增压器上游的数字颗粒过滤器的煤烟烧尽。汽油发动机通常不具有足够煤烟来需要柴油颗粒过滤器。然而，一些汽油直接注入发动机产生足够煤烟和其它颗粒，因此使用颗粒过滤器可能有益，并且可以用本文所公开的方式来展开使用催化型柴油颗粒过滤器。为了在到达涡轮之前冷却排气，由压缩器产生的压缩空气的一部分通过控制阀1618被直接供给至涡轮上游的排气中，并且被添加至离开催化型柴油颗粒过滤器1616的发动机排气。如下文更详细地描述，较冷的入口空气膨胀并且冷却所述排气并且为排气流增加额外质量，这为涡轮1606增加了额外动力。当更冷的空气被提供至热排气来使到达涡轮1606的组合流的温度保持处于最佳温度时，输送至所述涡轮叶片的能量和质量流也增力口。这显著增加了由所述涡轮供以驱动发动机机轴的动力。
为了不干扰超级涡轮增压器1616中的化学反应，压缩器反馈空气被添加至催化型柴油颗粒过滤器1616下游。在这一实施方案中，发动机排气穿过催化型柴油颗粒过滤器1616而且所述排气的温度因放热反应而升高。接着，所述压缩器反馈空气被添加并且膨胀使得供应至所述涡轮的总质量流增加。本发明的实施方案控制被供以冷却排气并且驱动所述涡轮的压缩反馈空气量来确保较冷压缩反馈空气与发动机排气的组合以用于涡轮叶片操作的最佳温度被输送至所述涡轮。由于图16中所示的催化型柴油颗粒过滤器1616具有比来自发动机1602的排气大的热质量，所以催化型柴油颗粒过滤器1616起初操作为热节气阀，其防止高温热峰到达涡轮1606。然而，由于催化型柴油颗粒过滤器1616中的反应本质上是放热的，所以离开催化型柴油颗粒过滤器1616的排气温度高于进入催化型柴油颗粒过滤器1616的排气温度。只要进入涡轮的排气温度保持低于涡轮1606的最大操作温度，就不存在问题。然而，在发动机1602的持久高速和高负载操作期间，来自催化型柴油颗粒 过滤器1616的转变排气的排出温度可以超过涡轮1606的最大操作温度。如上文所述，排出催化型柴油颗粒过滤器1616的排气温度因通过反馈阀1618供应来自压缩器1608的压缩空气的一部分而降低，并且与排出催化型柴油颗粒过滤器1616的排气混合。显著改进的燃料节约率通过在这类情况下不使用燃料作为冷却剂而实现，如在传统系统中所做。此外，变速箱的操作受控制来容许压缩器1608供应足够的压缩空气量而为发动机1602提供最佳升压并且通过反馈阀1618提供压缩反馈空气至涡轮1606。因通过所述涡轮的压缩空气的增加的质量流所引起的由涡轮1606产生的过多动力通过变速箱1610被导引至机轴1612，仍然进一步提高燃料效率。来自压缩器1608的压缩空气的输出温度通常介于约200° C至300° C之间。传统涡轮可以最佳操作来从大约950° C的气体提取动力，但不会更高而不扭曲或可能故障。因为涡轮叶片的材料限制，在约950° C下达到最佳动力。由于材料将排气温度限制至约950° C，所以在温度极限值(例如950° C)下供应更多空气来增加跨过涡轮的质量流提高了所述涡轮的性能。虽然在200° C至300° C的压缩反馈空气流有助于降低从催化型柴油颗粒过滤器1616出来的排气温度，但应意识到当温度和质量流被最大化而处于涡轮1606的热极限值内时可以供应来自涡轮1606的最大动力。如此，在一个实施方案中，反馈空气量受控制使得排气与反馈空气的组合保持在涡轮的最高操作温度下或接近所述最高操作温度，因此最大化或显著提高输送至涡轮的动力量。由于压缩器1608通常不需要全部这些过多动力来为1602供应最佳升压以及通过反馈阀1616供应压缩器反馈空气，所以所述过多动力可以通过变速箱1610被传送至发动机1602的机轴1612，因此提高发动机1602的总效率或动力。如上文所讨论，在一个实施方案中，压缩器反馈空气通过反馈阀1618的连接使用催化型柴油颗粒过滤器1616作为发动机1602与涡轮1606之间的热缓冲器。如此，来自所述压缩器的空气供应被提供在催化型柴油颗粒过滤器1616的下游以便不中断催化型柴油颗粒过滤器1616中的化学反应。即，在使用催化型柴油颗粒过滤器1616的实施方案中，在催化型柴油颗粒过滤器1616上游供应压缩器反馈空气会导致过多氧气被供应至催化型柴油颗粒过滤器1616，由此防止催化型柴油颗粒过滤器1616产生适当操作所需的化学反应。
由于当压缩器反馈空气与涡轮叶片上的排气的气体混合物的温度最大化(在涡轮自身的材料极限值内)时达到由涡轮1606产生的动力的最佳效率，所以通过反馈阀1618进入的压缩器反馈空气量受限制，以便不降低温度使其显著低于这个最佳温度。因为催化型柴油颗粒过滤器1616通过放热反应产生更多热能而且来自催化型柴油颗粒过滤器1616的转变排气的温度升高至涡轮1606的最大操作温度以上的温度，所以可通过反馈阀1618供应更多压缩器反馈空气，所述压缩器反馈空气增加质量流和供应至涡轮1606的能量。因为由催化型柴油颗粒过滤器1616产生的热能的量减少，所以由反馈阀1618供应的压缩器反馈空气的量也会减少，以便避免供应比所需更多的空气，这导致在最佳操作条件下保持气体混合物的温度。在另一实施方案中，系统使用反馈阀1618用于将较冷压缩器空气供给回至低速高负载操作状态下的涡轮前部的排气中，以避免压缩器的喘振。由于发动机以慢rpm转动并且不需要太多入口空气流，所以当压缩器压力变高但发动机中容许的质量流为低时，发生压缩器喘振。由跨过压缩器叶片的低空气流引起的压缩器喘振(空气动力停转)造成压缩器的效率非常迅速地下降。在常规涡轮增压器的情况中，足够的喘振会使涡轮停止旋转。在超级涡轮增压器的情况中，可使用来自发动机机轴的动力来推动压缩器使其喘振。打开反 馈阀1618容许压缩空气的一部分反馈在发动机周围。这个反馈流使压缩器免于喘振并且容许更高的升压到达发动机1602，由此容许发动机1602产生比通常在发动机低速下可能产生的动力更多的动力。将压缩空气注入涡轮前部的排气中保存通过压缩器的总质量流，因此全部流到达涡轮，这最小化了发动机超级增压至高升压水平所需的动力。在另一实施方案中，可以包括额外的冷启动控制阀1620用于在富发动机冷启动期间的操作。在这个发动机冷启动期间，来自发动机1602的排气通常包括过多未燃燃料。由于这个富混合物并非化学计量，所以催化型柴油颗粒过滤器1616不能充分减少排气中的未燃碳氢化合物(UHC)。在此期间，冷启动控制阀1620可以打开来提供压缩器反馈空气至催化型柴油颗粒过滤器1616的输入端而供应所需的额外氧气来使富混合物下降至化学计量水平。这容许催化型柴油颗粒过滤器1616的重量更快地减轻并且更有效地降低冷启动活动期间的排放。如果发动机待机，那么常规涡轮增压器不会有升压来能够供应反馈空气。然而，变速箱1610的变速比率可以被调整来给予压缩器足够的速度来产生空气流过阀1620所需的压力。如此，控制信号1624可以用来调整变速箱1610的比率使得在待机期间，尤其在冷启动期间可以由发动机驱动轴1612为压缩器1608提供足够的旋转速度来压缩足够的空气使其流过冷启动阀1620并且用足够的氧气量点燃催化型柴油颗粒过滤器1616。在冷启动活动中额外氧气的需求通常受限，并且通常仅持续30秒至40秒。许多车辆通常包括分离抽气泵而在冷启动活动期间供应氧气，与这种抽气泵操作所需的受限时间量相比，需要大量成本和重量。通过用简单的冷启动控制阀1620代替分离抽气泵，实现了大量的成本节约、重量节约和复杂性节约。因为超级涡轮增压器1604可以通过变速箱1610控制压缩器1608的速度，所以冷启动控制阀1620可以包括简单的开/关阀。接着，可以通过变速箱1610在控制信号1624的操作下控制压缩器1608的速度来控制在冷启动活动期间供应的空气量。如果燃料用作为发动机内及/或用于催化型柴油颗粒过滤器1616的冷却剂而不管对燃料效率的负面影响，那么冷启动控制阀1620还可以在极高温度操作期间使用。在这种情况下，冷启动控制阀1620将能够供应所需额外氧气来使富排气下降回至化学计量水平而容许催化型柴油颗粒过滤器1616适当地减少排气中未燃碳氢化合物排放。这为先前系统上的环境提供巨大好处。在其中冷启动控制阀1620时开/关阀的实施方案中，系统可以调制冷启动控制阀1620来改变供应的压缩空气量，以便使排气下降至化学计量水平。其它种类的可变流动控制阀也可以用来完成相同功能。图16还公开控制器1640。控制器1640控制反馈阀1618和冷启动阀1620的操作。控制器1640操作以最佳化不同状况下流过反馈阀1618的空气量。如上文描述，流过反馈阀1618的空气量是获得特殊所需状况所需要的最小空气流量。存在两种其中控制器1640操作反馈阀1618的特殊状态，所述状况是I)对于给定升压需求的压缩器的喘振极限近似于发动机的低rpm、高负载；和2)气体混合物的温度近似于进入高rpm高负载状况下的涡轮1606。 如图16中所示，控制器1640从温度传感器1638接收气体混合物温度信号1630，温度传感器1638检测从压缩器1608供应的冷却空气与由催化型柴油颗粒过滤器1616产生的热排气混合的气体混合物的温度。此外，控制器1640检测由压力传感器1636产生的压缩空气入口压力信号1632，压力传感器1636布置在从压缩器1608供应的压缩空气的导管中。此外，从发动机1602或节流阀供应的发动机速度信号1626和发动机负载信号1628被供给至控制器1640。关于在高速、高负载状况下控制供应至涡轮1606的气体混合物的温度，控制器1640将气体混合物的温度限制至最大化涡轮1606的操作的温度，而不会高得损坏涡轮1606的机构。在一个实施方案中，大约925° C的温度是气体混合物操作涡轮1606的最佳温度。一旦供给至涡轮1606的气体混合物的温度开始超过900° C，那么反馈阀1618打开以容许来自从压缩器1608的压缩空气在穿入涡轮1606之前冷却来自催化型柴油颗粒过滤器1616的热排气。控制器1640可以被设计以大约925° C的温度为目标，上界限为950° C而且下界限为900° C。950° C的极限值是使用传统材料可能发生对涡轮1606的损坏的温度。当然，取决于涡轮1606中使用的组件和材料的特殊种类，所述控制器可以被设计用于其它温度。控制器1640中可以使用传统比例积分微分(PID)控制逻辑装置来产生这些受控结果。控制进入涡轮1606的气体混合物的温度的好处在于消除在排气中使用燃料来限制气体混合物的涡轮入口温度。使用较冷压缩空气流来冷却来自催化型柴油颗粒过滤器1616的热排气需要大量空气，这包含大质量来达到气体混合物的所需较冷温度。冷却来自催化型柴油颗粒过滤器1616的热排气所需的空气量很大，这是因为来自压缩器1608的较冷压缩空气并非良好的冷却剂，尤其是与注入排气的液体燃料相比时。来自催化型柴油颗粒过滤器1616的输出端的热排气造成来自压缩器1608的较冷压缩气体膨胀以产生气体混合物。由于来自压缩器1608的大质量的较冷压缩空气需要降低来自催化型柴油颗粒过滤器1616的热排气的温度，所以大质量的气体混合物流流过涡轮1606，这大大提高了涡轮1606的输出。涡轮动力因由质量流减去压缩流过反馈阀1618的压缩空气所需的功的微分产生的动力差而提高。通过从温度传感器1638获得气体混合物温度信号1630并且通过反馈阀1618控制压缩空气的添加，便不会超过最大温度。
控制器1640还控制反馈阀1618来限制压缩器1608中的喘振。喘振极限是随着升压、通过压缩器的空气流和压缩器1608的设计改变而改变的界限。当入口空气1622流为低并且入口空气1622与压缩空气之间的压力比为高时，涡轮增压器中通常使用的压缩器(例如压缩器1608)超过喘振极限。在传统超级涡轮增压器中，当发动机速度(rpm) 1626为低时，入口空气1622流为低。在低rpm下，当发动机1602不大量使用压缩空气时，入口空气1622的质量流为低而且因为旋转压缩器1608无法在无合理的入口空气1622流的情况下将空气推至高压导管中而发生喘振。反馈阀1618容许穿过压缩空气导管1609的流并且防止或减少压缩器1608中的喘振。一旦压缩器1608中发生喘振，那么无法保持压缩空气导管1609中的压力。因此，在发动机1602的低rpm、高负载操作状态下，压缩空气导管1609中的压缩空气的压力可下降低于所需水平。通过打开反馈阀1618，增加穿过压缩器1608的入口空气1622流，尤其是在发动机1602的低rpm、高负载操作状态下，这容许在压缩空气导管1609中达到所需升压水平。反馈阀1618可以被简单地打开直至压缩空气导管1609中达到所需压力。然而，通过简单地检测压缩空气导管1609中的升压，在打开反馈阀1618使压缩器1608免于喘振状态之前将发生喘振。然而，优选的是在发生喘振状态之前测定喘振极限并且预先打开反馈阀1618。对 于给定rpm和所需升压水平，可以测定喘振极限。反馈阀1618可以在压缩器1608达到计算喘振极限之前开始打开。早先打开所述阀容许压缩器更快地向上绕转至更高的升压，这是因为所述压缩器更接近于压缩器操作参数的较高效率点。接着可实现低rpm下上升的快速升压。通过在发生喘振之前打开所述阀，还可以实现更稳定的控制系统。以一种使得改进发动机1602的响应的方式打开反馈阀1618时通过容许当发动机1602处于较低rpm时发动机1602更快速地达到更高升压来实现。压缩器1608也更有效，这造成变速箱1610用较少的功实现超级增压。喘振极限控制可以被模制在基于控制模拟代码的标准模式中，例如MATLAB。以这种方式模制将容许控制器1640的模拟和控制器1640的运算法则的自动编码。如上文描述的基于控制系统的模式是唯一的，因为使用变速箱1610来控制涡轮1606的旋转和压缩器1608产生升压而无涡轮迟滞。换句话说，变速箱1610可以从机轴1612提取旋转能来驱动压缩器1608而非常快速并且在涡轮1606产生足够机械能来以这个所需水平驱动压缩器108之前在压缩空气导管1609中达到所需升压。以此方式，减少或消除传统涡轮增压器中减少迟滞的控制件。基于控制器1640的控制的模式应被设计来使压缩器1608的最佳效率保持在压缩器108的操作参数内。控制器1640的控制模式还应仔细地模制压力操作参数，其绘制为对比其中目标速度和负载可相对于车辆节流阀的位置所界定的给定目标速度和负载的发动机所容许的质量流。如图16中所示，发动机速度信号1626可以从发动机1602获得并且施加至控制器1640。类似地，发动机负载信号1628可以从发动机1602获得并且施加至控制器1640。或者，这些参数可以从位于发动机节流阀(未示出)上的传感器获得。接着，反馈阀1618可以响应由控制器1640产生的控制信号1642而操作。压力传感器1636产生施加至控制器1640的压缩空气入口压力信号1632，控制器1640响应发动机速度信号1626、发动机负载信号1628和压缩空气入口压力信号1632来计算控制信号1642。在发动机1602的操作状态期间，其中压缩器1608不接近喘振极限并且如由温度传感器1638所检测并未达到气体混合物的温度，反馈阀1618关闭时的系统作为传统超级涡轮增压的系统来工作。这发生在发动机1602的大部分操作参数上。当发生发动机1602的高负载和低rpm状态时,反馈阀1618打开来防止喘振。类似地,在发动机1602的高rpm、高负载操作状态下，在催化型柴油颗粒过滤器1616的输出端的排气中产生高温，因此反馈阀1618必须打开来使施加至涡轮1606的燃料混合物的温度降低至低于会对涡轮1606造成损坏的温度。图17是图16中所示的高效超级涡轮增压的发动机系统1600的实施方案的详图。如图17中所示，发动机1602包括如上文关于图16所描述已被修改的超级涡轮增压器来提供比传统超级涡轮增压的发动机更高的总效率，以及提供低rpm、高负载操作状态中的高、最佳效率和高rpm、高负载状态下的高、最佳效率。超级涡轮增压器包括由轴机械地连接至压缩器1608的涡轮1606。压缩器1608压缩入口空气1622并且将压缩入口空气供应至导管1704。导管1704连接至反馈阀1618和中间冷却器1614。如上文所公开，中间冷却器1614用来冷却在压缩过程期间变热的压缩空气。中间冷却器1614连接至压缩空气导管1726，压缩空气导管1726接着连接至发动机1602的入口歧管(未示出)。压力传感器1636连接至 压缩空气导管1704来检测压力并且通过施加至控制器1640的压缩空气压力信号1632供应压力读数。如上文所公开，反馈阀1618受控于由控制器1640产生的控制器反馈阀控制信号1642。在某些操作状态下，反馈阀1618打开来将压缩空气从压缩空气导管1704供应至混合腔室1706。如图17的实施方案中所示，混合腔室1706简单地包括由压缩空气导管1704包围的催化型柴油颗粒过滤器输出导管1708中的一系列开口 1702，使得从压缩空气导管1704供应的压缩空气穿过开口 1702来与催化型柴油颗粒过滤器输出导管1708中的排气混合。可以使用任何所需种类的混合腔室来混合较冷压缩空气与排气而降低所述排气的温度。温度传感器1638位于催化型柴油颗粒过滤器输出导管1708中。温度传感器1638供应气体混合物温度信号1630至控制器1640，控制器1640控制反馈阀1618来确保催化型柴油颗粒过滤器输出导管208中的排气的温度不超过会对涡轮1606造成损坏的最大温度。催化型柴油颗粒过滤器1616通过催化型柴油颗粒过滤器入口导管1714连接至排气歧管1710。通过将催化型柴油颗粒过滤器1616定位为接近排气歧管1710，来自发动机的热排气直接流至催化型柴油颗粒过滤器1616中，这有助于启动催化型柴油颗粒过滤器1616。换句话说，催化型柴油颗粒过滤器1616接近发动机排气的出口的最近位置不容许所述排气在进入催化型柴油颗粒过滤器1616之前实质上冷却，这提高了催化型柴油颗粒过滤器1616的性能。当所述排气穿过催化型柴油颗粒过滤器1616时，催化型柴油颗粒过滤器1616为所述排气增加额外热量。催化型柴油颗粒过滤器1616的输出端的这些非常热的排气被供应至催化型柴油颗粒过滤器输出导管208并且在混合腔室1706中用来自压缩空气导管1704的压缩入口空气冷却。取决于在催化型柴油颗粒过滤器1616的输出端产生的非常热的排气的温度，其根据发动机1602的操作状态而改变，在高速、高负载状态期间不同量的压缩入口空气将被添加至所述排气中。在发动机低速、发动机高负载状态期间，反馈阀1618也用以容许入口空气流过压缩器来避免喘振。喘振类似于压缩器叶片的空气动力停转，这由于在发动机低速状态期间穿过压缩器的低流状态而发生。但发生喘振时，入口歧管(未示出)中的压力下降，这是因为压缩器1608无法压缩入口空气。通过由于打开反馈阀1618而容许空气流过压缩器1608，可以保持入口歧管中的压力，使得当在发动机低速下需要高扭矩时，所述高扭矩可以由于高入口歧管压力而得以实现。如上文所公开，当发动机在高速、高负载状态下操作时，催化型柴油颗粒过滤器1616造成被供应至催化型柴油颗粒过滤器输出导管1708的排气中产生大量热量。通过供应压缩、较冷的入口空气至催化型柴油颗粒过滤器输出导管1708，高速、高负载状态下的热排气被冷却。当发动机的负载和速度提高时，产生更热的气体并且需要来自导管1704的更多压缩空气。如果涡轮1606不提供足够旋转能来驱动压缩器，诸如在低速、高负载状态下，那么发动机机轴1612可以通过驱动带1722、驱动滑轮1718、轴1724、连续可变变速箱1716和变速箱1728供应旋转能至压缩器1608。再者，可以使用推进系的任何部分来供应旋转能至压缩器1608，并且图17公开根据一个公开实施方案的一个执行方案。同样如图17中所示，冷启动阀1620也连接至压缩空气导管1704，接着压缩空气导管1704连接至冷启动导管1712。冷启动导管1712连接至在催化型柴油颗粒过滤器1616上游的催化型柴油颗粒过滤器入口导管1714。如上文所公开，冷启动阀的目的是在启动状 态下提供压缩入口空气至催化型柴油颗粒过滤器1616的输入端。在启动状态下，在催化型柴油颗粒过滤器1616达到全操作温度之前，通过冷启动导管1712提供额外氧气来开始催化过程。通过冷启动导管1712提供的所述额外氧气有助于催化过程的开始。控制器1640响应发动机速度信号1626、发动机负载信号1628和气体混合物温度信号1630通过控制器冷启动阀控制信号1644来控制冷启动阀1620。因此，高效、超级涡轮增压的发动机1600以类似于超级涡轮增压器的方式操作，除了反馈阀1618由于两个原因将压缩空气的一部分从压缩器供应至涡轮的输入端之外。一个原因是在排气进入涡轮之前冷却所述排气使得在高速、高负载状态下可以使用所述排气的全部能量并且不需要废气闸门。另一个原因是提供穿过压缩器的空气流来防止低rpm、高负载状态下的喘振。此外，在排气到达涡轮之前，催化型柴油颗粒过滤器可以连接在排气流中，使得由催化型柴油颗粒过滤器1616产生的热量可以用来驱动涡轮1606，并且使与来自催化型柴油颗粒过滤器1616的热气体混合的压缩入口空气膨胀，这大大提高了系统的效率。此外，冷启动阀1620可以用来通过在启动状态期间提供氧气至排气而开始催化型柴油颗粒过滤器1616中的催化过程。因此，公开一种使用具有固定比率的高速牵引驱动的唯一的超级涡轮增压器，所述固定比率将涡轮/压缩器轴的旋转机械速度降低至可由在推进系与涡轮/压缩器轴之间耦合能量的连续可变变速箱使用的rpm水平。所述超级涡轮增压器设计的唯一性在于变速箱布置在系统内。所述连续可变变速箱布置在超级涡轮增压器外壳的下部分内。连续可变变速箱1116提供在超级涡轮增压器与发动机之间传送旋转机械能所需的无级可变速度t匕。任一齿轮连续可变变速箱可以用作为连续可变变速箱1116或可以使用牵引驱动的连续可变变速箱。因此，牵引驱动可以用于高速牵引驱动114和连续可变变速箱1116两者。已为说明和描述的目的呈现本发明的前述描述。并非意欲详尽或将本发明限制为所公开的准确形式，而且根据上述教示可以有其他修改和变更。实施方案是为了最好地解释本发明的原理和其实践应用而选择和描述，由此能够让本领域其他技术人员以适于预期的特殊用途的各种实施方案和各种修改方案最好地使用本发明。随附权利要求意欲被解释为除了受限于先前技术的范围，还包括本发明的其它替代实施方案。
权利要求
1.一种耦合至发动机的超级涡轮增压器，其包括 涡轮，其由通过所述发动机产生的排气焓产生涡轮旋转机械能； 压缩器，其压缩吸入空气并且响应由所述涡轮产生的所述涡轮旋转机械能和从所述发动机传送的发动机旋转机械能将压缩空气供应至所述发动机； 轴，其具有连接至所述涡轮和所述压缩器的端部，以及具有轴牵引表面的中心部； 牵引驱动，其布置在所述轴的所述中心部周围，所述牵引驱动包括 多个行星滚筒，其具有多个行星滚筒牵引表面，所述行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面界接使得所述多个行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面之间存在多个第一牵引界面； 环形滚筒，其由所述多个行星滚筒通过多个第二牵引界面来旋转； 连续可变变速箱，其机械地耦合至所述牵引驱动和所述发动机，其将涡轮旋转机械能传送至所述发动机并且在所述发动机的操作速度下将发动机旋转机械能传送至所述超级涡轮增压器。
2.根据权利要求I所述的超级涡轮增压器，其中所述连续可变变速箱包括牵引驱动的连续可变变速箱。
3.根据权利要求2所述的超级涡轮增压器，其中所述连续可变变速箱包括行星滚珠轴承牵弓I驱动的连续可变变速箱。
4.根据权利要求2所述的超级涡轮增压器，其中所述牵引驱动包括具有至少两个行星滚筒的行星牵引驱动。
5.根据权利要求4所述的超级涡轮增压器，其中所述行星牵引驱动具有至少三个行星滚筒。
6.根据权利要求4所述的超级涡轮增压器，其中所述行星牵引驱动具有其上安装有所述行星滚筒的行星载体。
7.根据权利要求6所述的超级涡轮增压器，其中所述行星牵引驱动具有多径行星滚筒。
8.根据权利要求6所述的超级涡轮增压器，其中所述环形滚筒具有环形滚筒牵引表面，所述环形滚筒牵引表面与所述多个行星滚筒牵引表面界接以建立所述多个第二牵引界面。
9.根据权利要求7所述的超级涡轮增压器，其中所述环形滚筒具有与直径小于所述多个行星滚筒牵引表面的多个额外的行星滚筒牵引表面界接来建立所述多个第二牵引界面的环形滚筒牵引表面。
10.一种在超级涡轮增压器与发动机之间传送旋转机械能的方法，其包括 由通过所述发动机产生的排气焓在涡轮中产生涡轮旋转机械能； 使用压缩器压缩吸入空气来响应由所述涡轮产生的所述涡轮旋转机械能和由所述发动机产生的发动机旋转机械能将压缩空气供应至所述发动机； 提供轴，其具有连接至所述涡轮和所述压缩器的端部，以及具有轴牵引表面的中心部; 将牵引驱动机械地耦合至所述轴的所述轴牵引表面； 放置多个行星滚筒的多个行星滚筒牵引表面使其接触所述轴牵引表面使得在所述多个行星滚筒牵引表面与所述轴牵引表面之间建立多个第一牵引界面； 放置环形滚筒使其接触所述多个行星滚筒使得在所述多个行星滚筒与所述环形滚筒之间建立多个第二牵引界面； 将连续可变变速箱机械地耦合至所述牵引驱动和所述发动机而在所述发动机的操作速度下将所述涡轮旋转机械能传送至所述发动机并且在所述压缩器和所述涡轮的操作速度下将发动机旋转机械能传送至所述轴。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述超级涡轮增压器与所述发动机之间传送旋转机械能的所述过程包括通过至少一个机械装置传送旋转机械能。
12.根据权利要求11所述的方法，其中通过至少一个机械装置传送旋转机械能的所述过程包括通过车辆的变速箱来传送旋转机械能。
13.根据权利要求11所述的方法，其中通过至少一个机械装置传送旋转机械能的所述过程包括传送旋转机械能至车辆的推进系。
14.根据权利要求10所述的方法，其中放置所述环形滚筒使其接触所述多个行星滚筒的所述过程包括 放置所述环形滚筒的环形滚筒牵引表面使其接触所述多个行星滚筒牵引表面来建立所述多个第二牵引界面。
15.根据权利要求10所述的方法，其中放置所述环形滚筒使其接触所述多个行星滚筒的所述过程包括 放置所述环形滚筒的环形滚筒牵引表面使其接触直径小于所述多个行星滚筒牵引表面的多个额外的行星滚筒牵引表面来建立所述多个第二牵引界面。
16.根据权利要求10所述的方法，其中将连续可变变速箱机械地耦合至所述牵引驱动的所述过程包括 将牵弓I驱动的连续可变变速箱机械地耦合至所述牵弓I驱动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中将牵引驱动的连续可变变速箱机械地耦合至所述牵引驱动的所述过程包括 将行星滚珠轴承的连续可变变速箱机械地耦合至所述牵弓I驱动。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将牵引驱动机械地耦合至所述轴牵引表面的所述过程包括 机械地耦合具有至少三个多径行星滚筒的行星牵引驱动。
19.一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括 在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口； 在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸； 用来自所述高压排气口的高压排气的至少第一部分驱动高压超级涡轮增压器； 将来自所述高压排气口的所述高压排气的至少第二部分提供至所述内燃机的入口歧管； 用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器； 将来自所述低压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述高压压缩器的空气输入端； 在预定压力下，将来自所述高压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管； 当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得所述高压排气的所述第二部分贯通所述内燃机再循环。
20.根据权利要求19所述的方法，其还包括 使用阀控制所述高压排气的所述第二部分相对于所述高压排气的所述第一部分的所述量，所述阀布置在将所述高压排气的所述第二部分提供至所述入口歧管的导管中。
21.一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括 在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口； 在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸； 用来自所述高压排气口的高压排气驱动高压超级涡轮增压器； 用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器； 将来自所述低压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述高压压缩器的空气输入端；在预定压力下，将来自所述高压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管； 将来自所述高压超级涡轮增压器的输出端的所述高压排气引导至所述内燃机的入口歧管； 当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得来自所述高压超级涡轮增压器的所述输出端的所述高压排气贯通所述内燃机再循环。
22.根据权利要求21所述的方法，其还包括 将来自所述高压超级涡轮增压器的所述输出端的所述高压排气的一部分提供至所述低压排气来协助驱动所述低压超级涡轮增压器。
23.一种利于超级涡轮增压的内燃机中的排气再循环的方法，其包括 在所述内燃机中提供第一预定尺寸的高压排气口； 在所述内燃机中提供第二预定尺寸的低压排气口，所述第二预定尺寸实质上大于所述第一预定尺寸； 将来自所述高压排气口的高压排气提供至所述内燃机的入口歧管； 用来自所述低压排气口的低压排气驱动低压超级涡轮增压器； 在预定压力下，将来自所述低压压缩器的输出端的压缩空气提供至所述内燃机的入口歧管； 当所述高压排气口中的压力大于所述预定压力时打开所述高压排气口使得所述高压排气的所述第二部分贯通所述内燃机再循环。
24.根据权利要求23所述的方法，其还包括 将所述高压排气的一部分提供至所述低压排气来协助驱动所述低压超级涡轮增压器。
25.—种改进超级涡轮增压的发动机系统的效率的方法，其包括 提供发动机； 提供催化型柴油颗粒过滤器，其连接至接近所述发动机从所述发动机接收发动机排气的排气口，所述发动机排气激活所述催化型柴油颗粒过滤器中的放热反应，所述放热反应为所述发动机排气增加额外的能量并且在所述催化型柴油颗粒过滤器的输出端产生比所述发动机排气更热的催化型排气； 使用压缩器提供压缩空气流至所述发动机的入口； 在处于所述催化型柴油颗粒过滤器下游的混合腔室中将所述压缩空气的一部分与所述催化型排气混合来产生所述催化型排气与所述压缩空气的气体混合物； 使用控制阀调节进入所述混合腔室的所述压缩空气的所述流来使所述气体混合物保持低于最大温度，并且在所述发动机的操作相位期间当所述压缩器中否则会发生喘振时使所述压缩空气流保持穿过所述压缩器； 响应所述气体混合物流将所述气体混合物供应至产生涡轮旋转机械能的涡轮； 将所述涡轮旋转机械能从所述涡轮传输至所述压缩器，当穿过所述涡轮的所述气体混合物的所述流足以驱动所述压缩器时，所述压缩器使用所述涡轮旋转机械能压缩空气源来产生所述压缩空气； 从所述涡轮提取所述涡轮旋转机械能的至少一部分并且在不需要来自所述涡轮的所述涡轮旋转机械能的所述部分来使所述压缩器运行时将所述涡轮旋转机械能的所述部分施加至推进系； 当穿过所述涡轮的所述气体混合物的所述流不足以驱动所述压缩器时，将来自所述推进系的推进系旋转机械能提供至所述压缩器来防止涡轮迟滞。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述气体混合物的所述最大温度低于所述气体混合物否则会对所述涡轮造成损坏的温度。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述气体混合物的所述最大温度低于约950°C。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述发动机的所述效率通过不使用废气阀门来排出所述气体混合物的过多气体来得以改进。
29.根据权利要求28所述的方法，其中从所述涡轮提取过多涡轮旋转机械能并且将来自所述推进系的推进系旋转机械能提供至所述压缩器的所述过程包括 使用在所述推进系与连接所述涡轮与所述压缩器的轴之间耦合所述过多涡轮旋转机械能与所述推进系旋转机械能的变速箱。
30.根据权利要求29所述的方法，其中在所述发动机的操作相位期间维持所述压缩空气流的所述过程包括 当所述发动机低速操作并且需要高扭矩时，通过打开所述反馈阀来减少喘振使所述压缩空气流保持穿过所述压缩器。
31.根据权利要求30所述的方法，其中在混合腔室中混合所述压缩空气与所述催化型排气的所述过程包括 在连接至压缩空气导管的排气导管中提供至少一个开口使得所述压缩空气流过所述至少一个开口并且与所述排气导管中的所述更热的排气混合。
32.根据权利要求31所述的方法，其还包括 在所述发动机的冷启动期间混合所述压缩空气的一部分与处于所述催化型柴油颗粒过滤器上游的所述排气来提供氧气至所述催化型柴油颗粒过滤器，这有助于所述催化式净化器开始所述放热反应。
33.一种超级涡轮增压的发动机系统，其包括 发动机；催化型柴油颗粒过滤器，其连接至接近所述发动机的排气口的排气导管使得来自所述发动机的热排气激活所述催化型柴油颗粒过滤器中的放热反应，所述放热反应为所述热排气增加能量并且产生催化型排气； 压缩器，其连接至提供压缩空气的空气源，所述压缩空气具有大于所述排气的压力水平的压力； 导管，其将所述压缩空气供应至所述催化型排气使得所述压缩空气的至少一部分与所述催化型排气混合来产生气体混合物； 涡轮，其机械地耦合至所述压缩器并且由所述气体混合物产生涡轮旋转机械能； 阀，其调节穿过所述导管的所述压缩空气的所述部分流来使所述气体混合物保持低于预定最大温度，并且在所述发动机的操作相位期间当所述压缩器中否则会发生喘振时使来自所述空气源的空气流保持穿过所述压缩器； 变速箱，当穿过所述涡轮的所述排气的所述流不足以视需要驱动所述压缩器时，将来自推进系的推进系旋转机械能提供至所述压缩器来减少涡轮迟滞...
全文摘要
本发明提供一种超级涡轮增压器，其使用耦合至连续可变变速箱的高速、固定比率的牵引驱动来容许高速操作。高速牵引驱动用来提供从高速涡轮轴的速度减慢。第二牵引驱动通过连续可变变速箱提供无级可变的速度比。还公开了超级涡轮增压器中的气体再循环。
文档编号F02B33/44GK102822471SQ201080065828
公开日2012年12月12日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者E·万迪尼, B·T·布林克斯, M·B·莱利, J·W·布朗 申请人:万迪尼苏珀特宝公司