CN103557068A - 超高增压的涡轮增压米勒循环发动机 - Google Patents

超高增压的涡轮增压米勒循环发动机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，包括涡轮增压器和米勒循环发动机，涡轮增压器的增压比可超过2.5，而米勒循环发动机的压缩比可低至4。涡轮增压器中的涡轮能够吸收更多的功率，且为可调截面涡轮VTG；而增压器可以是离心增压器，或者罗茨泵增压器，或者转子泵；并且达到这样一个条件：涡轮吸收的热功非常接近排气中所含可释放的热功。米勒循环发动机可以是固定压缩比的，也可以是可调压缩比的；当采用固定压缩比的米勒循环发动机时，增压器必需采用固定流量的增压器，例如罗茨泵，或者转子泵。当采用固定流量的增压器时，VTG涡轮通过变速器与米勒循环发动机的曲轴相连。本发明大幅度提高了内燃机的效率。

Description

超高增压的涡轮增压米勒循环发动机
技术领域
本发明涉及一种一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，利用更大的涡轮提高从排气中吸收热功的比例，从而提高热效率，形成更高效率和高功率的阿特金森循环发动机。
背景技术
改进以便提高内燃机的热效率是内燃机最重要的改进设计。现在使用最普遍的米勒循环发动机可以实现膨胀比超过1的阿特金森循环，且大量制造，技术成熟，可以令高温燃气充分膨胀从而提高热效率。
但米勒循环的功率密度很低，比自然吸气的四冲程发动机还要低，因而需要大幅度增加其功率密度。离心增压器是个很常用的方法，但是会改变发动机的总压缩比，因此往往需要可变压缩比发动机来配合。也可以使用罗茨泵或者转子泵增压器，气体流量相对固定，因而发动机的总压缩比也固定。但传统机械增压并没有涡轮的加入，而涡轮-离心增压器的惯性又太大，因此需要更好的设计方案。
公开号为CN101092893A之高增压米勒循环发动机及其控制方法，虽然有利用增压器为米勒循环发动机增压，但是增压的结果是排气的压力也增加了，排气过程中损失的热功也增加，因而效率下降，其实也就是相当于四冲程内燃机，所以米勒循环发动机是不可以通过简单增压来提高功率并保持高效率的。
发明内容
本专利针对上述缺陷作出新的解决方案，设计了一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，包括涡轮增压器和米勒循环发动机，涡轮增压器的增压比超过2.5。而米勒循环发动机的压缩比可低至4。涡轮增压器中的涡轮能够吸收更多的功率，且为可调截面涡轮VTG；而增压器可以是离心增压器，或者罗茨泵增压器，或者转子泵；并且达到这样一个条件：涡轮吸收的热功非常接近排气中所含可释放的热功。米勒循环发动机可以是固定压缩比的，也可以是可调压缩比的；当采用固定压缩比的米勒循环发动机时，增压器必需采用固定流量的增压器，例如罗茨泵，或者转子泵。当采用固定流量的增压器时，VTG涡轮通过变速器与米勒循环发动机的曲轴相连。当采用机械增压器时，米勒循环发动机的曲轴与涡轮通过变速器相连；当采用离心增压器时，涡轮直接与增压器相连。
附图说明
图1是超高增压的涡轮增压米勒循环发动机的总体示意图，示出了超高增压的涡轮增压米勒循环发动机的结构特征和涡轮的特征特征。
图2是超高增压的涡轮增压米勒循环发动机使用涡轮-离心增压器的方案，涡轮-离心增压器直接用轴相连，不通过曲轴。
图3是超高增压的涡轮增压米勒循环发动机使用涡轮-机械增压器的方案，涡轮与机械增压器皆通过变速器链接曲轴。
具体实施方式
本发明的所述的超高增压的涡轮增压米勒循环发动机可参考图1。空气通过进气管5进入增压器，增压后的空气经过近期歧管1进入米勒循环发动机，米勒循环发动机排出的与进气歧管1同等压力的废气通过排气歧管2进入涡轮，做功后的废气经排气管3排出。涡轮所吸收的机械功可以通过轴4直接提供给增压器，或者通过轴6提供给米勒循环发动机的曲轴。当使用机械增压器时，米勒循环发动机可以通过轴7驱动机械增压器。米勒循环发动机是不可以直接使用增压器增压的，否则其循环就变成机械增压的奥托循环了，而且还浪费大量能量，并不能提高效率。这里的涡轮，不是普通的涡轮，而是可调几何涡轮(VTG)，例如中华人民共和国专利公开号CN101384807所述之具有可变涡轮几何形状的涡轮增压器，而且其功率比普通的要大很多。普通的奥托发动机加涡轮增压，其涡轮不能吸收很多排气的热功，否则根据能量守恒，涡轮吸收过多热功将导致离心增压器转速提高，增加空气流量和压力，导致排气的温度和压力更高，形成一个正反馈循环，最终导致涡轮增压器超速旋转，奥托发动机压缩比超过额定值，是个不稳定的设计。因此普通的涡轮增压发动机不能从循环的意义上节能，只能是增加了功率密度，降低了发动机的散热面积而节能。而超高增压的涡轮增压米勒循环发动机的涡轮可以吸收几乎全部的排气中可以吸收的热功，并且这个热功不会造成离心增压器超速，因为主发动机是米勒循环，已经吸收了很多排气中的热功，留给涡轮吸收的热功本就不多，因而是个稳定的状态。从能量守恒来说，涡轮吸收多少功率，就传递给增压器多少功率，不会超过增压器在额定条件下的需要，甚至稍有不足，如此就不会造成正反馈令转速超标。基础的原理就是提高整个米勒发动机的出口和入口的空气压力，从而提高其功率密度，并更加节油。这里，可调几何涡轮(VTG)是关键，因为发动机中空气的加热比是变化的，因此排气的压力也是变化的，为了让排气的压力能得以充分释放，必需采用可调几何涡轮(VTG)，这样才能让发动机在所有功率所有转速下皆有更高的效率。
图2是超高增压的涡轮增压米勒循环发动机使用涡轮-离心增压器的方案，涡轮与离心增压器直接用轴4相连，不通过曲轴。其他的特征是普通的进气管5、近期歧管1、排气歧管2和排气管3。因为可调截面积涡轮(VTG)的特性与离心压气机近似，因此将他们直接相连，好处是结构简单，不需要变速器，因而损耗更小、效率更高，结构更加紧凑。但这里的米勒循环发动机一定是可变压缩比的，因为离心增压器的增压压力不是随流量增加而恒定的，会导致增压压力的变化，为保证总体压缩比不变，米勒循环发动机的压缩比必然是无级可调的，不仅仅对于汽油机很重要，以防止爆震的发生，对于柴油机也是如此，启动时离心增压器增压压力过低，会导致不易点火的故障。如何构建可变压缩比的米勒循环发动机?利用普通奥托发动机可以改进成米勒循环发动机，将普通奥托发动机改成可变压缩比的技术是已知技术，例如公开号是CN102297029A内燃机中活塞可变压缩比装置，类似技术很多，又例如公开号CN100470024C可变压缩比内燃机。显而易见，通过改变凸轮的角度和驱动机构的设计，就可以变成米勒循环发动机，属于现有技术。当然，根据现有技术，离心增压器至米勒循环发动机之间还具有节气门，离心增压器还具有短路用的空气管，并由空气活门控制，以便实现功率控制。
图3是超高增压的涡轮增压米勒循环发动机使用涡轮-机械增压器的方案，涡轮与机械增压器皆通过变速器8和轴6连接曲轴，机械增压器则是通过变速器9和轴7与曲轴相连。机械增压器可以是罗茨泵增压器，或者转子泵增压器，总之是固定流量的增压器，优点就是无论转速是多少，总的增压压力近似相同，因此米勒循环发动机不需要改变压缩比，更加简单，成本更低，而且机械增压器总体上效率高于离心增压器，因而从提高效率的角度使用机械增压器更好。其他的特征是普通的进气管5、近期歧管1、排气歧管2和排气管3。
就一般的具有增压器的发动机而言，中冷器是必不可少的设备，在本发明当中虽然未详述，但也作为增压器***的必备设备而应予以包含在内。
图1至图3所示出的这种涡轮增压***，不仅仅可以用在米勒循环发动机上，也可以用于应用二冲程阿特金森循环的多模全顶置气门二冲程内燃机上。
总体而言，超高增压的涡轮增压米勒循环发动机就是使用比较大的可变几何涡轮VTG，尽可能更多吸收排气中的热功，来提高整个米勒循环发动机的进排气压力，从而提高整个米勒循环发动机的功率密度，让更小排量的米勒循环发动机发出更大的功率。本发明大部分部件和全部的关键部件均来自现成的部件和发动机，进经过少数改动即可，因而就整个设计与生产过程而言，本发明可达到内燃机效率与成本的最佳平衡。
上述叙述仅仅是用于解释本发明的例示性实施例，它不是排他的或将本发明限制与其公开的具体形式。本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的范围内，可以做出各种改变以及其中的元素可用等同元素来替换。此外，可以做出很多修改以使特定情形或材料适用于本发明的主旨而不偏离实质范围。因此，本发明不限于作为构思实现本发明的最佳模式所公开的特定实施例，而是本发明包括属于本发明范围的所有实施方式。在不偏离本发明的精神和范围内，本发明能够以具体解释和阐明的方式以外的其他方式实施。

Claims (3)

1.一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，包括涡轮增压器和米勒循环发动机，涡轮增压器的增压比超过2.5，而米勒循环发动机的压缩比可低至4。涡轮增压器中的涡轮能够吸收更多的功率，且为可调几何涡轮VTG；而增压器可以是离心增压器，或者罗茨泵增压器，或者转子泵；并且达到这样一个条件：涡轮吸收的热功非常接近排气中所含可释放的热功。 
2.如权利要求1所述的一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，其特征还在于其米勒循环发动机可以是固定压缩比的，也可以是可调压缩比的；当采用固定压缩比的米勒循环发动机时，增压器必需采用固定流量的增压器，例如罗茨泵，或者转子泵；当采用离心增压器时，米勒循环发动机必需无级可调节压缩比。 
3.如权利要求1所述的一种超高增压的涡轮增压米勒循环发动机，其特征还在于当采用机械增压器时，米勒循环发动机的曲轴与涡轮通过变速器相连；当采用离心增压器时，涡轮直接与增压器相连。 
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