發動機的渦輪增壓系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發動機的渦輪增壓系統。
[0002]本發明尤其涉及一種連接至發動機的進氣相位類型的發動機的渦輪增壓系統。
【背景技術】
[0003]眾所周知的是，具有活塞的內燃機的分為:壓縮點火柴油發動機，其特征在于，在壓縮結束時引入細霧化燃料，因此其功率自發地發生；汽油汽化發動機，具有汽化器或者噴射并且具有火花點火和后續火焰傳播。
[0004]在汽油汽化器發動機中，通常通過發動機外部的汽化器對燃料和可燃物進行混合，引起燃料連續噴射至進氣管中，因活塞引起的空氣流入進氣管中。在汽油噴射發動機中，相比于通過汽化器汽化，在進氣相位期間以及在部分壓縮期間存在燃料直接噴射至氣缸，在消耗經濟性方面這是有利的。
[0005]此外，直接或者間接噴射相比于通過汽化器汽化具有若干優勢:1)增加容積效率，用于供給管增加的尺寸；2)消除逆火危險，因為管是無燃料的；3)改善死區清洗，這用空氣執行，能夠因此延長而不浪費排氣期間的燃料；4)因為良好燃燒所以燃料經濟性是可行的；5)更生動的加速，因為燃料不必須行進較長的管；6)更易于設計發動機，因為噴射系統(栗、任何分配器、調整器、噴射器)的位置未嚴格界定至發動機的位置。
[0006]大多數汽車裝備有四沖程發動機。圖1示出的一個操作周期由以下四個相位組成進氣相位，其中，當活塞從上死點降低至下死點時，通過打開適當進氣閥，將氣流抽吸入氣缸，氣流通過汽化器，充有燃料(段AB-是體積轉換)；-壓縮相位，其中活塞從下死點移動至上死點，壓縮氣缸中的空氣/燃料混合物，該閥被關閉(段BC-轉化理想絕熱等熵)膨脹相位，其代表發動機進行的有用作業，其中通過燃燒空氣/燃料混合物而產生膨脹，從上死點至下死點推動活塞；-燃燒相位，其中在活塞已經達到上死點不久之前，電極之間的火花通過燃起它們周圍的混合物而發生，因此燃燒傳播至剩余混合物，壓力急速增加(段C);-膨脹相位，其中活塞下降，允許燃燒氣體膨脹(段DE-絕熱轉換)排氣相位，其中在活塞已經達到下死點之前，排氣閥打開，允許仍在氣缸中的氣體以大于剩余火焰傳播的外部壓力的壓力排放，但是仍保持氣缸充滿廢氣，其壓力接近大氣壓力(段EF);-排放相位，其中活塞從下死點移動至上死點，推出去，通過適當的排氣閥，將排氣排出，氣體僅填充氣缸中的死區空間(段FA)。
[0007]發動機的功率輸送可以以若干公知方式增加。
[0008]例如，氣缸容量的增加允許功率輸出增加，因為當更多燃料/空氣混合物能夠燃燒時在較大燃燒室中可獲得更多空氣。該增加能夠通過增加氣缸的數量或者各個氣缸的體積而實現。總之，這導致更大以及更重的發動機。
[0009]增加發動機的功率輸出的另一可能性是增加其速度。這可以通過增加每單位時間點火行程的數量而實現。
[0010]但是，由于機械限制，很少使用該類型的功率增加。此外，速度的增加呈指數增長摩擦和慣性，導致發動機效率的減小。
[0011]另一可能性是增壓發動機。正如公知的，在機械馬達中，為了增壓發動機而采用不同的方案，包括使用渦輪增壓器。聯接至車輛發動機的渦輪增壓器由渦輪和壓縮機組成，渦輪和壓縮機由支撐在軸承系統上的共同軸連接。渦輪增壓器將排氣的能量損失轉移到推動至發動機的壓縮空氣，這允許發動機產生更多功率和轉矩。在沒有渦輪增壓器的發動機中，發動機作為自然吸氣式發動機操作。實際上，在進氣相位期間燃燒空氣被抽吸至氣缸并且從外部環境被吸入，其具有的壓力等于環境壓力。但是，當氧氣隨著海拔增加而減少時燃燒空氣根據海拔調節。相反，在增壓發動機中，燃燒空氣被壓縮。結果，在固定海拔，更大量的空氣和氧氣因此能夠進入燃燒室。這涉及燃燒較大量的燃燒空氣，發動機輸出功率的增加成比例于氣缸容量。
[0012]基本上，我們能夠根據固定或者可變幾何輪廓的排氣來區分機械增壓發動機與渦輪增壓發動機。
[0013]在第一種情況下，燃燒空氣被發動機依靠機械器件(諸如皮帶、齒輪鏈)等直接驅動的壓縮機所壓縮。但是，輸出功率的增長因壓縮機操作引起的擴散而局部減弱。操作機械壓縮機所需的功率需要由發動機輸送的一部分功率。
[0014]在固定幾何輪廓的渦輪增壓器中，將通常損失的排氣的能量部分地用于驅動渦輪。實際上，存在安裝在與渦輪相同的軸線上的壓縮機，該壓縮機壓縮燃燒空氣，然后將燃燒空氣供給至發動機，而無任何機械連接至發動機，正如已經描述的。渦輪的主體包括兩個部件:渦輪的“葉片輪”和“外殼/殼體”。排氣從殼體被引導至渦輪，存在于排氣中的能量使渦輪旋轉。一旦氣體已經通過渦輪的葉片，該氣體從排氣出口出來。渦輪的旋轉由發動機的速度確定，因此如果發動機處于最小模式，那么以最小速度旋轉。由于加速器的壓力，由于更大量空氣通過渦輪的殼體，渦輪開始快速自轉。
[0015]壓縮機的系統還由殼體主體和葉輪構成。
[0016]壓縮機的葉輪或者壓縮機的“輪”通過鍛鋼軸連接至渦輪。
[0017]燃燒空氣從殼體被引導至壓縮機。一旦被壓縮，空氣從壓縮機的輸出離開主體并且流入發動機氣缸。在其進入壓縮機時，空氣具有的溫度等于大氣溫度，但是，由于熱傳遞現象，空氣出來時溫度高于200°C。通過燃燒空氣與渦輪的主體接觸來確定溫度的增加，驅動渦輪的高溫排氣通過渦輪，對于相同體積來說，溫度增加引起空氣中的氧氣量減小，因而降低化學計量比。空氣的溫度增加能夠通過依靠稱為“中間冷卻器”的熱交換器從壓縮機其出口的下游冷卻空氣而抵消。
[0018]當由排氣提供的力使渦輪旋轉時，取決于發動機旋轉量，固定幾何形狀的渦輪增壓器開始操作。因此，固定幾何形狀的渦輪增壓器較好地使用于低、中或者高發動機旋轉。
[0019]—種渦輪增壓的更有效但是更復雜方法是可變幾何形狀方法，該方法包括:使用渦輪，具有捕獲能力，由于可動葉片的系統，捕獲從低速發動機操作的最小條件至高速最大條件的所有排氣。
[0020]但是，當前使用的渦輪增壓器具有各種問題，諸如重量或者尺寸；需要安裝用于每個具體發動機的排氣歧管，排氣歧管連接每個具體發動機至渦輪增壓器；確定因燃燒周期之后未清空燃燒室的負面環境影響所產生的問題，因需要約束排氣歧管的截面以增加啟動渦輪的速度所引起的在后續周期中燃燒剩余物積聚的問題。此外，因為排氣的高溫達到800/1000°C，所以需要使用由耐高溫材料(諸如鑄鐵)制成的渦形渦輪。但是，這導致渦輪增壓器的重量增加，使得必須使用抵抗高溫的潤滑油，而特別對于渦輪發動機來說潤滑油是污染物。而且，相對于容積壓縮機，問題是因需要發動機拖動所有其機械部件而引起的吸收發動機功率。
[0021]針對這些問題的第一方案已經描述在1988年8月12日頒發給西蒙皮爾森瓊斯的專利FR2610672中，該專利涉及一種置于汽化器和發動機之間的系統，該系統由兩個具有不同直徑的渦輪組成，兩個渦輪連接在相同軸線上并且以相同速度旋轉。
[0022]雖然在許多方案中是有利的，但是該設備不能夠在特定方向上傳輸流體至葉輪，并且不能夠收集從第一葉輪至第二葉輪排放的流體，第一葉輪在合適的方向傳送流體。事實上，這種方案既不包括能夠在給定方向上傳輸流體至葉輪的器件，也不包括從第一至第二葉輪收集以及引導流體的器件，然后大多數空氣能量被消散。而且，一旦在點火時越過渦輪，空氣部分地通過第二渦輪并且部分地撞擊在渦輪葉片上，干涉不對空氣做功的設備的旋轉。此外，在內燃機中，在高體積進氣歧管中進行空氣進氣時，在氣缸的交替操作期間確定脈動壓力。由于這些原因以及由于上述設備定位成非常靠近閥的事實，因此該設備不具有良好的效率。此外，由于空氣的增加僅取決于兩個渦輪的直徑比的事實，利用這種設備會產生特定超壓。此外，對于該功能，在具有汽化器的發動機中將該設備定位在汽化器和發動機之間引起以下劣勢:因為系統連接至汽化器，所以增加逆火的危險；以及因為系統的位置靠近地聯接至發動機的位置，所以更難以設計發動機。
[0023]第二方案提出于公開于2011年6月1日的戴森公司的專利DE102010043800中，該專利描述了一種具有由排氣驅動的渦輪的渦輪增壓器，該渦輪增壓器布置在排放開口的通路中，壓縮機布置在入口通路中。還存在催化劑，其布置在排放開口的通路中，在渦輪的一側，以從排氣中清除其。該方案涉及一種廢氣再循環系統，該系統中將小比例的排氣進行循環，排氣從排氣歧管進入進氣歧管以降低排氣中存在的污染物部分。為了實現該廢氣再循環，在排放的結束相位以及吸氣的初始相位期間使用特殊螺線管或者液壓閥(EGR)，特殊螺線管或者液壓閥(EGR)通過發動機控制單元經由信號控制，允許通過集電器調節排氣的量。氣體再循環至進氣歧管并且被吸入至發動機。由于通過活塞圈過濾和發動機蒸發油，回路將吸取排氣和來自卡車的氣體。
[0024]雖然在許多方面是有利的，但是該方案也具有若干問題。因為其是由排氣驅動的渦輪增壓器，所以其性能是折衷的，不僅在渦輪操作的特征比的可變性方面，而且由于其慣性在不同氣缸以及還來自相同氣缸的各種排放的干涉方面。因此，該方法應該使用于諸如渦輪的分配器通過各氣缸的排放單獨達到，或者使得分配器的相同段僅通過排氣相位不重疊的氣缸的氣體達到。
【發明內容】
[0025]本發明的目的是提供一種發動機的渦輪增壓系統，具有的特性是諸如克服仍影響先前參考公知技術描述的系統的限制。
[0026]根據本發明提供了如權利需要1限定的發動機的渦輪增壓系統。
【附圖說明】
[0027]為了更好地理解現在描述本發明的優選實施例，僅依靠非限制例子，參考附圖，其中:
[0028]-圖1示出了根據現有技術的理想汽化器四沖程發動機的作業周期；
[0029]-圖2示出了根據本發明的放置在發動機的空氣過濾器和節流單元之間的渦輪增壓系統的不意圖；
[0030]-圖3a_3b分別示出了根據本發明的渦輪增壓系統的中央主體的示意圖以及中央主體的油潤滑軸承的示意圖；
[0031]-圖4a_4b分別示出了根據本發明的渦輪增壓系統的中央主體和倍速器(speedmultiplier)的示意圖；
[0032]-圖5示出了根據本發明在渦輪增壓系統內離開空氣過濾器從空氣選取的路徑的示意圖；
[0033]-圖6示出了