[发明专利]活塞发动机的涡轮增压器结构

说明书

技术领域

本发明涉及根据权利要求1前序的活塞发动机的涡轮增压器结构(turbocharger arrangement)。

背景技术

已有技术已知对活塞发动机进行增压，对活塞发动机进行增压具有很多优势。因为使用了原本可能被浪费的废气中包含的能量，所以，废气增压(即，涡轮增压)尤其是执行增压的一种非常有优势的方法。在涡轮增压器中，发动机的废气流中的涡轮部被设置为驱动在到发动机的进气流中的压缩部。涡轮部和压缩部通常位于公共轴末端，此轴被轴向地并且径向地安装在涡轮增压器的机身上的轴承中。

对涡轮增压器中的轴承系统有很高的要求。增压器的转子以每分钟几万次的转速旋转，轴承面临高温。废气流经由涡轮部的涡轮机叶轮将轴向力发送到轴上，需要由轴向轴承来补偿此力。另一方面，涡轮机叶轮以及压缩叶轮和它们各自外壳之间的径向间隙非常小，从而对轴向轴承有很高的要求。

美国专利申请公开2005/0198956A1公开了一种利用磁轴承实现的用于涡轮增压器的轴承系统，该系统中，径向轴承被实现为无源永磁铁，而轴向轴承被实现为有源永磁铁。利用感应器确定轴的轴向位置，感应器的信号引导有源轴承的电磁，从而，轴向偏移将得到补偿。

由于涡轮增压器的操作原理，在其中废气的温度和质量流率低(例如，具有低负载和操作速度)的发动机运行条件下，通常不可能利用涡轮增压器的压缩机来产生发动机的送气系统所希望的增压压力。另一方面，涡轮增压器的操作也受其质量影响。在发动机负载的暂态情况下，涡轮增压器的操作并不总能够以足够的速度跟上发动机负载的变化，涡轮增压器的响应具有一定延时，这也相应阻滞了发动机的反应。

已经有建议解决与涡轮增压器的操作相关的上述问题，例如，通过将独立供电的附加压缩机串联至涡轮增压器的压缩机，以及利用与涡轮增压器的轴相连接的辅助电动机。

美国专利公开6,390,789B1公开了一种电动机驱动的涡轮压缩机装置，其中，利用气流冷却电动机及其轴承，所述气流从压缩级的压力侧流向电动机，然后，再返回压缩级的吸气端。此结构所提供的制冷不够充分。

德国专利申请公开10 2005 056797A1公开了一种两级涡轮增压器结构，其同时包括两级压缩机和涡轮。涡轮-压缩机对都连接至它们各自的轴，并且轴被互相安置。在嵌套轴的一端设置涡轮，而在另一端设置压缩机。这种解决方案相对复杂，对于两个独立的涡轮-压缩机对的轴承系统的情况尤其如此。

此公开总体上示出了可以结合轴来调整所组合的发动机-发电机，以便或者向轴提供能量，或者从轴提取能量。为内部涡轮-压缩机对特别配备这样的发动机-发电机在技术上是非常困难的。无论从构造还是操作来看，此解决方案都很复杂。

2007年出版的《Modern Engine Technology from A to Z(现代发动机技术大全)》(SAE)第956-957页示出了一种涡轮增压器，其中，在连接压缩机和涡轮的轴上设置电动机。利用该文公开的解决方案给压缩机提供充分的压力比会导致效率降低，从而出现问题。

尽管以上解决方案具有所述的优势，但是，最近对于改进涡轮增压器操作以及发动机操作的需求增加。为了使用电动机以及使其适应于涡轮增压器是非常有挑战性的，这是因为例如需要相对高的旋转速度。为了在其它组件的整个使用期内可靠操作，这类电动机的构造和操作需要满足涡轮增压器的操作和构造对于电动机的要求。

发明内容

因此，具体而言，本发明的目的在于，通过呈现这样的涡轮增压器结构提高现有技术的技术水平，该涡轮增压器结构包括压缩部、涡轮部以及电机，其中，压缩部包括第一压缩级以及第二压缩级，并且，其操作为，当连接至发动机时，在不同的操作条件下提供更好的发动机整体操作。

根据本发明的涡轮增压器结构的特征主要在于压缩部、涡轮部和电机连接到相同的轴。

这样，高效地操作压缩部，并且，在各种操作状态下，发动机和增压器结构的操作更可控。通过利用两级压缩机来实现增压，还可以实现比单级压缩机明显更高的增压。并且，通过两级增压，可以显著提高涡轮增压器的效率，此外，具体而言，利用电机，两极压缩部的操作可以例如在发动机的暂态情况下快速响应。

优选地，在轴上设置所述压缩部、涡轮部以及电机，从而所述压缩部在轴向上安装在所述电机和所述涡轮部之间。这样，气体流经所述压缩机，并且可以通过为电机提供至少一个流路并将压缩部的吸管设置为与所述电机的气体流路进行连通，从而压缩部的吸入空气被设置为流经所述电机的所述至少一个气体流路，来高效、紧凑地设置所述电动机的制冷。