[发明专利]增压涡轮复合混合发动机装置

说明书

发明领域

本发明涉及特别地用于工业交通工具的增压涡轮复合混合发动机装置及该装置的控制方法。本发明也在船舶发动机、运输交通工具及农业应用的领域中获得应用，独立于燃料、汽油、柴油、气体或氢气的类型。

现有技术描述

两级涡轮增压已被建议作为在特别是诸如那些用于工业交通工具或船的重型柴油发动机的发动机中实现高效率的方式。两个涡轮增压器串联地放置在发动机进气管道上，由放置在排放管道上的涡轮机驱动，放置在排放管道上的涡轮机也可串联放置或以另一种方式布置。

涡轮复合解决方案包括串联地放置在排放管道上的两个涡轮机，其中低压的一个通过减速齿轮连接到柴油发动机的曲轴。因此，该第二涡轮机为发动机提供了补充扭矩。

通过专利EP2042705公开了双涡轮复合方案。其示出了布置在排放管道上的高压涡轮机和低压涡轮机。由于两个涡轮机的不同特性，这种涡轮机可并行地放置或在彼此之间通过合适的连接件及减压阀（reduction valve）串联地放置（特别当两个涡轮机并行配置时）。

高压涡轮机与高压增压器机械地连接。

低压涡轮机通过机械联接件连接到曲轴。该联接件包括减小速度变化的机构，该机构放置在第二涡轮机和曲轴之间，如常规的涡轮复合发动机的情况。此外，该机械联接件也连接低压增压器，该低压增压器布置在进气管道上，相对于高压增压器在上游，高压增压器直接地连接到内燃发动机的进气处。

驱动压缩机（drivenCompressor）和动力涡轮机（Powerturbine）经由液力离合器及减速齿轮耦联到发动机。液力离合器的工作在于减少从曲轴到涡轮机齿轮的扭矩振荡。在EP2042705中的离合器的另外的功能在于将驱动压缩机和动力涡轮机与发动机连接和断开。该功能使能够作为自由运行的具有一些另外的齿轮摩擦损失的低压涡轮增压器运行该系统。

WO2010/066452教导了操纵液力离合器助推器(hydrodynamic clutch boost)的滑动以用于控制排放气体的背压及EGR。

低压增压器接收来自发动机的机械能量或也经由该联接件接收来自低压涡轮机的机械能量。

DE102005003714示出了两级复合系统。由于该方案，所驱动的低压压缩机需要高能量以产生升压。然而，机械驱动的低压压缩机的可控性难以操控。

典型的涡轮复合方案相对于设置有可变几何涡轮机（VTG）的内燃发动机能够提供在5%到10%之间范围的燃料消耗减少（fuel consumption reduction）及在100%到110%范围的更好的功率密度。

功率密度定义为功率【kW】/发动机排量【l（升）】，因此被称为具体的功率输出量。该输出量对于具有电子可控VTG的现代重型柴油机系统在30kW/l-34kW/l之间。两级系统和两级复合系统可达到50kW/l。

相对地，典型的两级涡轮增压方案相对于VTG方案能够提供在0%到5%之间范围的低的燃料消耗减少及在115%到130%范围的更好的功率密度。术语“涡轮增压器”与“增压器”或“压缩机”同义。

所谓的“电气涡轮复合方案”也是已知的，其包括将与高压涡轮机轴向地连接的高压增压器，以及与产生电能的发电机轴向地连接的低压涡轮机。电动机也与内燃发动机的曲轴相连接。第一逆变器将由发电机产生的能量转变成注入DC总线的直流电且与所述DC总线相连接的第二逆变器适合于向电动机供电。后者向内燃发动机供给补充扭矩。

相对于机械涡轮复合方案，在该电气方案中，低压涡轮机因此与发动机曲轴断开且这意味着其不受发动机振荡影响。同时将补充扭矩传递到内燃发动机的曲轴也可以独立的方式通过连接到该曲轴的电动机来执行。

尽管相对于机械方案的这些毫无疑问的优点，但是无论如何也已知的电气涡轮复合方案不允许明显地克服诸如低功率密度及高燃料消耗量的一些缺点。此外，已知的电气方案和已知的机械方案不允许可估量的回收策略以及显著的瞬态性能。

发明概述

因此，本发明的主要目标在于提供允许克服以上指出的缺点的增压涡轮复合发动机装置。在该目标下，第一目的在于提供允许燃料消耗减少且功率密度增加的增压发动机装置。本发明的另一个目的在于提供在瞬态操作和静态操作中都允许较少的烟的发动机装置。另一个目的在于提供允许相对于已知解决方案的最好的瞬态性能的发动机装置。此外，另一个目的在于提供在其中排放温度可显著地下降以停留在所使用材料的极限以下的发动机装置。本发明的并非最后的目的在于提供可靠的且易于以具有竞争力的费用制造的发动机装置。