发动机的涡轮增压系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发动机的涡轮增压系统。
[0002]本发明尤其涉及一种连接至发动机的进气相位类型的发动机的涡轮增压系统。
【背景技术】
[0003]众所周知的是，具有活塞的内燃机的分为:压缩点火柴油发动机，其特征在于，在压缩结束时引入细雾化燃料，因此其功率自发地发生；汽油汽化发动机，具有汽化器或者喷射并且具有火花点火和后续火焰传播。
[0004]在汽油汽化器发动机中，通常通过发动机外部的汽化器对燃料和可燃物进行混合，引起燃料连续喷射至进气管中，因活塞引起的空气流入进气管中。在汽油喷射发动机中，相比于通过汽化器汽化，在进气相位期间以及在部分压缩期间存在燃料直接喷射至气缸，在消耗经济性方面这是有利的。
[0005]此外，直接或者间接喷射相比于通过汽化器汽化具有若干优势:1)增加容积效率，用于供给管增加的尺寸；2)消除逆火危险，因为管是无燃料的；3)改善死区清洗，这用空气执行，能够因此延长而不浪费排气期间的燃料；4)因为良好燃烧所以燃料经济性是可行的；5)更生动的加速，因为燃料不必须行进较长的管；6)更易于设计发动机，因为喷射系统(栗、任何分配器、调整器、喷射器)的位置未严格界定至发动机的位置。
[0006]大多数汽车装备有四冲程发动机。图1示出的一个操作周期由以下四个相位组成进气相位，其中，当活塞从上死点降低至下死点时，通过打开适当进气阀，将气流抽吸入气缸，气流通过汽化器，充有燃料(段AB-是体积转换)；-压缩相位，其中活塞从下死点移动至上死点，压缩气缸中的空气/燃料混合物，该阀被关闭(段BC-转化理想绝热等熵)膨胀相位，其代表发动机进行的有用作业，其中通过燃烧空气/燃料混合物而产生膨胀，从上死点至下死点推动活塞；-燃烧相位，其中在活塞已经达到上死点不久之前，电极之间的火花通过燃起它们周围的混合物而发生，因此燃烧传播至剩余混合物，压力急速增加(段C);-膨胀相位，其中活塞下降，允许燃烧气体膨胀(段DE-绝热转换)排气相位，其中在活塞已经达到下死点之前，排气阀打开，允许仍在气缸中的气体以大于剩余火焰传播的外部压力的压力排放，但是仍保持气缸充满废气，其压力接近大气压力(段EF);-排放相位，其中活塞从下死点移动至上死点，推出去，通过适当的排气阀，将排气排出，气体仅填充气缸中的死区空间(段FA)。
[0007]发动机的功率输送可以以若干公知方式增加。
[0008]例如，气缸容量的增加允许功率输出增加，因为当更多燃料/空气混合物能够燃烧时在较大燃烧室中可获得更多空气。该增加能够通过增加气缸的数量或者各个气缸的体积而实现。总之，这导致更大以及更重的发动机。
[0009]增加发动机的功率输出的另一可能性是增加其速度。这可以通过增加每单位时间点火行程的数量而实现。
[0010]但是，由于机械限制，很少使用该类型的功率增加。此外，速度的增加呈指数增长摩擦和惯性，导致发动机效率的减小。
[0011]另一可能性是增压发动机。正如公知的，在机械马达中，为了增压发动机而采用不同的方案，包括使用涡轮增压器。联接至车辆发动机的涡轮增压器由涡轮和压缩机组成，涡轮和压缩机由支撑在轴承系统上的共同轴连接。涡轮增压器将排气的能量损失转移到推动至发动机的压缩空气，这允许发动机产生更多功率和转矩。在没有涡轮增压器的发动机中，发动机作为自然吸气式发动机操作。实际上，在进气相位期间燃烧空气被抽吸至气缸并且从外部环境被吸入，其具有的压力等于环境压力。但是，当氧气随着海拔增加而减少时燃烧空气根据海拔调节。相反，在增压发动机中，燃烧空气被压缩。结果，在固定海拔，更大量的空气和氧气因此能够进入燃烧室。这涉及燃烧较大量的燃烧空气，发动机输出功率的增加成比例于气缸容量。
[0012]基本上，我们能够根据固定或者可变几何轮廓的排气来区分机械增压发动机与涡轮增压发动机。
[0013]在第一种情况下，燃烧空气被发动机依靠机械器件(诸如皮带、齿轮链)等直接驱动的压缩机所压缩。但是，输出功率的增长因压缩机操作引起的扩散而局部减弱。操作机械压缩机所需的功率需要由发动机输送的一部分功率。
[0014]在固定几何轮廓的涡轮增压器中，将通常损失的排气的能量部分地用于驱动涡轮。实际上，存在安装在与涡轮相同的轴线上的压缩机，该压缩机压缩燃烧空气，然后将燃烧空气供给至发动机，而无任何机械连接至发动机，正如已经描述的。涡轮的主体包括两个部件:涡轮的“叶片轮”和“外壳/壳体”。排气从壳体被引导至涡轮，存在于排气中的能量使涡轮旋转。一旦气体已经通过涡轮的叶片，该气体从排气出口出来。涡轮的旋转由发动机的速度确定，因此如果发动机处于最小模式，那么以最小速度旋转。由于加速器的压力，由于更大量空气通过涡轮的壳体，涡轮开始快速自转。
[0015]压缩机的系统还由壳体主体和叶轮构成。
[0016]压缩机的叶轮或者压缩机的“轮”通过锻钢轴连接至涡轮。
[0017]燃烧空气从壳体被引导至压缩机。一旦被压缩，空气从压缩机的输出离开主体并且流入发动机气缸。在其进入压缩机时，空气具有的温度等于大气温度，但是，由于热传递现象，空气出来时温度高于200°C。通过燃烧空气与涡轮的主体接触来确定温度的增加，驱动涡轮的高温排气通过涡轮，对于相同体积来说，温度增加引起空气中的氧气量减小，因而降低化学计量比。空气的温度增加能够通过依靠称为“中间冷却器”的热交换器从压缩机其出口的下游冷却空气而抵消。
[0018]当由排气提供的力使涡轮旋转时，取决于发动机旋转量，固定几何形状的涡轮增压器开始操作。因此，固定几何形状的涡轮增压器较好地使用于低、中或者高发动机旋转。
[0019]—种涡轮增压的更有效但是更复杂方法是可变几何形状方法，该方法包括:使用涡轮，具有捕获能力，由于可动叶片的系统，捕获从低速发动机操作的最小条件至高速最大条件的所有排气。
[0020]但是，当前使用的涡轮增压器具有各种问题，诸如重量或者尺寸；需要安装用于每个具体发动机的排气歧管，排气歧管连接每个具体发动机至涡轮增压器；确定因燃烧周期之后未清空燃烧室的负面环境影响所产生的问题，因需要约束排气歧管的截面以增加启动涡轮的速度所引起的在后续周期中燃烧剩余物积聚的问题。此外，因为排气的高温达到800/1000°C，所以需要使用由耐高温材料(诸如铸铁)制成的涡形涡轮。但是，这导致涡轮增压器的重量增加，使得必须使用抵抗高温的润滑油，而特别对于涡轮发动机来说润滑油是污染物。而且，相对于容积压缩机，问题是因需要发动机拖动所有其机械部件而引起的吸收发动机功率。
[0021]针对这些问题的第一方案已经描述在1988年8月12日颁发给西蒙皮尔森琼斯的专利FR2610672中，该专利涉及一种置于汽化器和发动机之间的系统，该系统由两个具有不同直径的涡轮组成，两个涡轮连接在相同轴线上并且以相同速度旋转。
[0022]虽然在许多方案中是有利的，但是该设备不能够在特定方向上传输流体至叶轮，并且不能够收集从第一叶轮至第二叶轮排放的流体，第一叶轮在合适的方向传送流体。事实上，这种方案既不包括能够在给定方向上传输流体至叶轮的器件，也不包括从第一至第二叶轮收集以及引导流体的器件，然后大多数空气能量被消散。而且，一旦在点火时越过涡轮，空气部分地通过第二涡轮并且部分地撞击在涡轮叶片上，干涉不对空气做功的设备的旋转。此外，在内燃机中，在高体积进气歧管中进行空气进气时，在气缸的交替操作期间确定脉动压力。由于这些原因以及由于上述设备定位成非常靠近阀的事实，因此该设备不具有良好的效率。此外，由于空气的增加仅取决于两个涡轮的直径比的事实，利用这种设备会产生特定超压。此外，对于该功能，在具有汽化器的发动机中将该设备定位在汽化器和发动机之间引起以下劣势:因为系统连接至汽化器，所以增加逆火的危险；以及因为系统的位置靠近地联接至发动机的位置，所以更难以设计发动机。
[0023]第二方案提出于公开于2011年6月1日的戴森公司的专利DE102010043800中，该专利描述了一种具有由排气驱动的涡轮的涡轮增压器，该涡轮增压器布置在排放开口的通路中，压缩机布置在入口通路中。还存在催化剂，其布置在排放开口的通路中，在涡轮的一侧，以从排气中清除其。该方案涉及一种废气再循环系统，该系统中将小比例的排气进行循环，排气从排气歧管进入进气歧管以降低排气中存在的污染物部分。为了实现该废气再循环，在排放的结束相位以及吸气的初始相位期间使用特殊螺线管或者液压阀(EGR)，特殊螺线管或者液压阀(EGR)通过发动机控制单元经由信号控制，允许通过集电器调节排气的量。气体再循环至进气歧管并且被吸入至发动机。由于通过活塞圈过滤和发动机蒸发油，回路将吸取排气和来自卡车的气体。
[0024]虽然在许多方面是有利的，但是该方案也具有若干问题。因为其是由排气驱动的涡轮增压器，所以其性能是折衷的，不仅在涡轮操作的特征比的可变性方面，而且由于其惯性在不同气缸以及还来自相同气缸的各种排放的干涉方面。因此，该方法应该使用于诸如涡轮的分配器通过各气缸的排放单独达到，或者使得分配器的相同段仅通过排气相位不重叠的气缸的气体达到。
【发明内容】
[0025]本发明的目的是提供一种发动机的涡轮增压系统，具有的特性是诸如克服仍影响先前参考公知技术描述的系统的限制。
[0026]根据本发明提供了如权利需要1限定的发动机的涡轮增压系统。
【附图说明】
[0027]为了更好地理解现在描述本发明的优选实施例，仅依靠非限制例子，参考附图，其中:
[0028]-图1示出了根据现有技术的理想汽化器四冲程发动机的作业周期；
[0029]-图2示出了根据本发明的放置在发动机的空气过滤器和节流单元之间的涡轮增压系统的不意图；
[0030]-图3a_3b分别示出了根据本发明的涡轮增压系统的中央主体的示意图以及中央主体的油润滑轴承的示意图；
[0031]-图4a_4b分别示出了根据本发明的涡轮增压系统的中央主体和倍速器(speedmultiplier)的示意图；
[0032]-图5示出了根据本发明在涡轮增压系统内离开空气过滤器从空气选取的路径的示意图；
[0033]-图6示出了