专利名称：具有内燃机和带气体再循环装置的膨胀机的驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1和2的前序部分的驱动系统、尤其是用于车辆的驱动系统，以及一种根据权利要求11和12的前序部分的用于运行车辆驱动系统、尤其是机动车驱动系统的方法。
背景技术：
由期刊MTZ 01/2010以及由NET杂志第15发行年度2010年一月/ 二月第期公开了一种由ETH Zuerich开发出的、具有压缩空气蓄能器的机动车混合动力发动机。在该混合动力发动机中，在机动车制动时内燃机燃烧室中的空气被压缩并且该压缩空气被暂时存储在压缩空气蓄能器中。在需要时、例如在内燃机起动时，压缩空气可以从压缩空气蓄能器被重新输送到内燃机的燃烧室中，以使内燃机作为压缩空气膨胀机运行。此外，压缩空气也可以在压缩期间与更大的燃料量一起被输送到气缸中以使内燃机增压。此外，这类的其它机动车驱动系统已经由WO 2004/106713Α1、US2006/0052930A1 和WO 2009/036992Α1公开。在所有这些驱动系统中，膨胀机都由内燃机构成。另外，由EP 1308614Β1已经公开一种开头提到的类型的驱动系统和方法，其中来自压力存储器的经压缩的气体在内燃机的排气涡轮增压器的涡轮机中减压/卸压。此外，由FR 2836181Α1在相似的没有膨胀机的驱动系统中已经公知(图1)将经压缩的气体从压力存储器输送到内燃机的进气系统中。
发明内容
由此出发，本发明的目的在于，改进所述类型的驱动系统和方法，使得其能够优化地利用包含在经压缩的气体中的能量。该目的在按照本发明的驱动系统方面通过用于将气体从膨胀机输送到内燃机的燃烧室或进气系统中的装置来实现，而按照本发明的方法的特征在于，将至少一部分气体从膨胀机输送到内燃机的进气系统中。优选地，内燃机具有多个气缸或燃烧室，来自膨胀机的气体被交替地输送到这些气缸或燃烧室中。本发明的基本构思在于，利用穿过膨胀机的、没有完全减压的气体的剩余能量或剩余压力，以便由此在确定的运行状态中改善内燃机的增压。在如EP 1308614Β1所描述的开放系统中，气体在穿过膨胀机之后被排出到环境中，而通过按照本发明的特征组合使该气体被输送以供继续利用。为了使由膨胀机做的机械功最大化，本发明的一种特别优选的且其本身基于本专利的设计方案规定，驱动系统包括用于使经压缩的气体在其进入膨胀机之前被加热的加热装置，以使气体的能量含量在穿过膨胀机之前被提高。用于加热经压缩的气体的加热装置优选是热交换器并且特别优选是排气热交换器，其中经压缩的气体通过与内燃机排气的热传递而在压缩时产生的发热之外被进一步加热。由此，一方面可以增加经压缩的气体的能量含量、进而增大在膨胀机中可回收(Rekuperierbar)的能量量，另一方面包含在内燃机排气中的能量的至少一部分被输送给有意义的利用。膨胀机可以是具有唯一的压力级的单级膨胀机，但也可以具有多个依次设置的压力级。优选该膨胀机具有至少一个涡轮机，因为涡轮机一方面具有比较小的结构尺寸，另一方面能够将存储在压缩气体中的能量直接转化为旋转运动。当膨胀机按照本发明的另一个优选设计方案与用于产生电能的发电机联接时，这是特别有利的，因为在这种情况下通过涡轮机的涡轮的旋转能够以小的能量损耗驱动发电机。发电机有利地被控制或调节装置控制和/或调节，控制或调节装置同时也控制或调节从膨胀机排出的、被输送到燃烧室和/或内燃机的进气系统中的气体的输送。因此，当内燃机的增压不需要附加的压缩气体或仅需要少量的压缩气体时，由发电机输出的电功率可以被提高，如果车辆的车载电网不需要该电功率，则将其存储到车辆电池中。反之，当例如在内燃机的确定的运行状态中、如在用于克服所谓的涡轮迟滞(Turboloch)的低转速范围中或者在内燃机的瞬变运行中提供较高的增压压力时，由发电机输出的电功率可以被减小，为此通常希望从压缩气体存储器将更大量的压缩气体输送到燃烧室或进气系统中。
下面根据一些在附图中示出的实施方式详细地说明本发明。其中图1示出按照本发明的用于机动车的驱动系统的示意视图，在该驱动系统中来自单独/分开/独立的膨胀机的完全或部分减压的气体在排气涡轮增压器的压缩机下游被输送到内燃机的进气系统中；图2示出根据图1的视图，而其中来自膨胀机的气体在排气涡轮增压器的压缩机上游被输送到进气系统中；图3示出根据图1和2的视图，而其中来自膨胀机的气体在空气滤清器下游被输送到进气系统中；图4示出根据图1的视图，而其中来自膨胀机的气体直接被输送到内燃机的燃烧
室中；图5示出另一个按照本发明的用于机动车的驱动系统的示意视图；图6示出根据图5的视图，而其中经压缩的气体能够从内燃机的燃烧室直接被输送到膨胀机中；图7示出根据图6的视图，而其中来自内燃机的燃烧室的、经压缩的气体能够在其被输送到膨胀机中之前被加热。
具体实施例方式在图1中示意地示出的用于机动车的驱动系统1包括一具有排气涡轮增压器3的内燃机2。为了简化仅示出内燃机2的三个气缸4，这些气缸中的每个气缸以已知方式与气缸盖和(未示出的)活塞一起限定燃烧室，燃料可以被输送到燃烧室中。气缸盖在每个气缸上方具有两个设有进气门的进气通道5、6和三个设有排气门的排气通道7、8、9。每个气缸4的进气通道5、6与内燃机2的进气系统10连接，该进气系统包括空气滤清器11、排气涡轮增压器3的压缩机12和一增压空气冷却器13。每个气缸4的排气通道7和8与内燃机2的排气系统14连接，该排气系统包括排气涡轮增压器3的涡轮机15。每个气缸4的附加排气通道9不是与排气系统14连接，而是通过集流管路16与压缩气体存储器18的存储器容器17连接。气缸4的附加排气通道9和集流管路16用于，将在内燃机的制动阶段或减速滑行阶段/推力运行阶段(Schubphase)中在燃料输送中断时输送到气缸4中的、在压缩时在气缸4中被压缩的燃烧空气从气缸4输送到压缩气体存储器18中暂时存储，在需要时可以从压缩气体存储器重新取出该经压缩的燃烧空气。分别在压缩冲程期间，通过在活塞的上死点附近使气缸4的附加排气通道9中的排气门被打开，而将经压缩的燃烧空气从各气缸4输送到压缩气体存储器18中。附加排气通道9的排气门的打开时间的控制通过内燃机2的内燃机控制装置19实现。用于控制附加排气通道的排气门的可能措施在开头提到的文献中阐述，在这里不再详细说明。因为从气缸4取出经压缩的燃烧空气，所以由于空气量不足以及压力水平下降而在接在压缩冲程后面的气缸4的膨胀冲程中在气缸中做更大的拖曳功/牵引功 (Schlepparbeit)。因此，内燃机2作为冷机工作，而在制动或减速滑行阶段中经压缩的燃烧空气被从气缸4输送到压缩气体存储器18中并且被暂时存储在那里。这又增提高了作为内燃机制动装置工作的内燃机2的制动效果。为了在存储器容器17的通过压缩气体存储器18的设计规定的最大耐压强度下使存储在该存储器容器中的、经压缩的燃烧空气的量最大化，压缩气体存储器18上游的集流管路16含有用于冷却经压缩的燃烧空气的热交换器，该热交换器优选是增压空气冷却器 13。当内燃机2设有(未示出的)排气再循环装置时，代替燃烧空气也可以在气缸4 中压缩排气或排气/空气混合物并且将其输送到压力气体存储器18中。在按照本发明的驱动系统1中，暂时存储在压缩气体存储器18中的经压缩的燃烧空气可以用于两个不同的目的一方面能够使经压缩的燃烧空气在做机械功的情况下完全地或部分地减压。另一方面使燃烧空气能够在部分减压的状态下作为增压空气被输送到内燃机2的进气系统10中，例如以便短暂地提高瞬时运行状态中的增压压力。为了最在前提到的目的，压缩气体存储器18的出口 20通过带有可控的通流横截面的阀21与膨胀机23的入口 22连接，膨胀机的出口 M为了在后提到的目的与进气系统 10连接。膨胀机23由涡轮机34构成，在阀21打开时从压力气体存储器18流出的燃烧空气使涡轮机的涡轮旋转。涡轮的轴与发电机25的转子联接，从而当膨胀机23被来自压缩空气存储器18的燃烧空气流过时，发电机25能够产生电能并且能够将电能馈入到机动车的车辆电池26或(未示出的)车载电网中。在压缩空气存储器18的出口 20和发电机25下游的可控阀21被内燃机2的内燃机控制装置19驱控，具体而言一方面根据希望输送到进气系统10中的燃烧空气的期望量和期望压力，另一方面根据希望由发电机产生的电能的量来进行驱控。例如，当希望大量的压缩空气以高的压力被输送到进气系统10中时，阀21可以被打开很大并且涡轮机34和发电机25空转(Leerlauf)运行。为了减少输送到进气系统10中的空气量，可以使阀21的通流横截面缩小。为了减少输送到进气系统10中的空气压力并且降低空气量，可以提高发电机25的负载、进而提高涡轮机的流动阻力，从而使在发电机25中被转化为电功率的压缩空气能量的份额增加。如果在此阀21的通流横截面被增大，则可以使被输送到进气系统10 中的空气在空气量不减少的情况下压力降低。如果希望仅产生电能，则可以通过相应地提高负荷而使压力减小到基本上直至环境压力。这样便能够为所述两个目的优化地利用所存储的压缩空气的能量含量。必要时可以在膨胀机23的入口 22和出口 M之间设有(未示出的)旁通通路，当车载电网或为了车辆电池26的充电而不需要电能时，可以使燃烧空气通过该旁通通路绕过膨胀机23而被从压缩空气存储器输送到进气系统10中，以避免功率损失。图2中的驱动系统与图1中的驱动系统的区别在于，从膨胀机23排出的燃烧空气在排气涡轮增压器3的压缩机12上游被输送到进气系统10中，而在图3中的驱动系统中来自膨胀机23的燃烧空气在空气滤清器11的下游被输送到进气系统10中。而在图4的驱动系统中，来自膨胀机23的燃烧空气在不绕道的情况下经过进气系统10直接被输送到内燃机2的燃烧室中。为此目的，在那里集流管路16设有三通阀27，该三通阀通过管路观与膨胀机23的出口 M连接，使得流过膨胀机23的燃烧空气可以穿过集流管路16和排气通道9被引导到燃烧室中。将燃烧空气从压缩气体存储器18直接输送到燃烧室中可用于在没有起动器的直接起动中借助压缩空气起动内燃机2或者在不将燃料输送到燃烧室中的情况下执行内燃机2的纯压缩空气运行。在这两种情况下，经压缩的空气优选在没有显著减压的情况下被从压缩气体存储器18输送到膨胀机23中或者通过在膨胀机23的入口 22和出口 M之间的旁通管路在高压下被输送到燃烧室中，其中，该输送由内燃机控制装置19通过打开和关闭排气通道9中的排气门来控制。燃烧空气到燃烧室中的直接输送也可以用于使机动车加速，其方式是在内燃机2的发动机式运行中不仅将压缩空气输送到燃烧室中，而且同时增加输送到燃烧室中的燃料量，以便由此通过“增压”来提高内燃机2的驱动功率。图5中的驱动系统与之前描述的驱动系统1的区别一方面在于，代替单级的压缩气体存储器18设有一具有两个存储器容器四、30的两级的压缩气体存储器18。两个存储器容器四、30分别通过单独的、装备有可控截止阀31、32的馈送管路与集流管路16连接， 使得通过适当地驱控截止阀31、32和排气通道9中的排气门能够对这两个存储器容器四、 30之一加载较高的压力而对另一个存储器容器加载较低压力。这两个存储器容器四、30在那里通过唯一的带有可控阀21的管路33与膨胀机23连接，该膨胀机在图5的驱动系统中构造为两级的膨胀机23并且具有两个串联的涡轮机34。此外，在图6的驱动系统中集流管路16可以通过三通阀35选择性地与压缩气体存储器18连接或者直接与膨胀机23的入口 22连接，以便为产生电能而通过排气通道9和集流管路16直接地、即在没有之前描述的在压缩气体存储器18中的暂时存储的情况下从气缸4的燃烧室(对膨胀机)加载经压缩的空气。另外压缩气体存储器18的两个存储器容器四、30在此通过两个分离的、装备有可控阀21的管路36、37与膨胀机23连接，使得能够根据车载电网需要多少电能或为车辆电池26充电需要多少电能而为该膨胀机选择性地加载较高压力下的或较低压力下的燃烧空气。在图7的驱动系统中，集流管路16也通过三通阀35选择性地与压缩气体存储器 18连接或者直接与膨胀机23连接，而其中附加地在三通阀35和膨胀机23之间设有一被排气流过且被压缩空气流过的排气热交换器38，以便在经压缩的空气被输送到膨胀机23中之前提高经压缩的空气的温度，从而显著地增加膨胀机23的功率。此外这样还能够在开放的循环过程中利用内燃机2的在其他情况下无法利用的一部分排气能量。与封闭的蒸气循环过程相比，由此得到一个重要的优点，因为在排气热交换器38中被加热的经压缩的燃烧空气能够在其在膨胀机23中减压之后作为燃烧空气用于在内燃机2中的燃烧。与封闭的蒸气循环过程不同，在这里不需要冷凝器，由此除了节省部件之外也降低了结构空间。
在压缩气体存储器18和膨胀机23之间也可以设置一被排气和燃烧空气流过的排气热交换器(未示出)，以便使来自压缩气体存储器18的经压缩的空气的温度在其被输送到膨胀机23中之前升高，从而使膨胀机23的功率提高。附图标记清单
1驱动系统
2内燃机
3排气涡轮增压器
4气缸
5进气通道
6进气通道
7排气通道
8排气通道
9排气通道
10进气系统
11空气滤清器
12排气涡轮增压器的压缩机
13增压空气冷却器
14排气系统
15排气涡轮增压器的涡轮机
16集流管路
17存储器容器
18压缩气体存储器
19发动机控制装置
20压缩气体存储器的出口
21可控阀
22膨胀机的入口
23膨胀机
24膨胀机的出口
25发电机
26车辆电池
27三通阀
28管路
29存储器容器
30存储器容器
31截止阀
32截止阀
33管路34涡轮机35三通阀36管路37管路38排气热交换器
权利要求
1.用于车辆、尤其是用于机动车的驱动系统，包括内燃机，该内燃机具有至少一个由气缸和活塞界定的燃烧室；至少一个能与燃烧室连接的压缩气体存储器，所述压缩气体存储器用于存储在燃烧室中被压缩的气体；和单独的膨胀机，该膨胀机用于使来自燃烧室或来自压缩气体存储器的经压缩的气体在做机械功的情况下减压，其特征在于，设有用于将气体从膨胀机03)输送到内燃机(2)的进气系统(10)或燃烧室中的输送装置。
2.尤其是根据权利要求1所述的用于车辆、尤其是用于机动车的驱动系统，包括内燃机，该内燃机具有至少一个由气缸和活塞界定的燃烧室；至少一个能与燃烧室连接的压缩气体存储器，所述压缩气体存储器用于存储在燃烧室中被压缩的气体；和单独的膨胀机，该膨胀机用于使来自燃烧室或来自压缩气体存储器的经压缩的气体在做机械功的情况下减压，其特征在于，设有用于使来自燃烧室或来自压缩气体存储器(18)的经压缩的气体在进入膨胀机之前被加热的加热装置(38)。
3.根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，该加热装置包括热交换器、优选排气热交换器(38)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，膨胀机03)具有至少一个压力级。
5.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，膨胀机03)包括至少一个涡轮机(34)。
6.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，膨胀机与发电机 (25)联接，以便将在膨胀机中做的机械功转化为电能。
7.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，设有控制或调节装置 (19)，所述控制或调节装置用于控制或调节由膨胀机做的机械功或由该机械功产生的电能以及用于控制或调节从膨胀机03)输送到内燃机(2)的进气系统(10)或燃烧室中的气体的量和/或压力。
8.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，压缩气体存储器(18)是具有一个或多个存储器容器(17 ；29，30)的单级或多级的压缩气体存储器。
9.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，设有用于控制或调节压缩气体存储器(18)的填充和排空的控制或调节装置(19，21，31，32)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的驱动系统，其特征在于，设有用于使膨胀机 (23)绕过压缩气体存储器(18)与内燃机O)的燃烧室直接连接的单元07，35)。
11.用于运行车辆驱动系统、尤其是机动车驱动系统的方法，该车辆驱动系统包括内燃机、能与内燃机的至少一个燃烧室连接的压缩气体存储器以及单独的膨胀机，其中，在膨胀机中使在内燃机的燃烧室中被压缩的气体在做功的情况下减压，其特征在于，将气体的至少一部分从膨胀机输送到内燃机O)的进气系统(10)或燃烧室中。
12.尤其是根据权利要求11所述的用于运行车辆驱动系统、尤其是机动车驱动系统的方法，该车辆驱动系统包括内燃机、能与内燃机的至少一个燃烧室连接的压缩气体存储器以及单独的膨胀机，其中，在膨胀机中使在内燃机的燃烧室中被压缩的气体在做功的情况下减压，其特征在于，来自燃烧室或来自压缩气体存储器(18)的经压缩的气体在进入到膨胀机之前被加热。
全文摘要
本发明涉及一种用于车辆、尤其是用于机动车的驱动系统(1)，包括内燃机(2)，该内燃机具有至少一个由气缸(4)和活塞界定的燃烧室；至少一个能与燃烧室连接的压缩气体存储器(18)，其用于存储在燃烧室中被压缩的气体；和单独的膨胀机(23)，其用于使来自燃烧室或来自压缩气体存储器(18)的经压缩的气体在做机械功的情况下减压。为了能够优化地利用包含在经压缩的气体或内燃机(2)排气中的能量，根据本发明建议驱动系统(1)包括用于将气体从膨胀机(23)输送到内燃机(2)的进气系统(10)或燃烧室中的输送装置和/或用于使来自燃烧室或来自压缩气体存储器(18)的经压缩的气体在进入膨胀机(23)之前被加热的加热装置(38)。
文档编号F02M31/04GK102562368SQ20111043958
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月23日 优先权日2010年12月24日
发明者J·达维德齐亚科, M·费斯勒, T·罗伊斯 申请人:奥迪股份公司