渦輪複合單元的製作方法

2023-11-01 15:35:18

本發明涉及用於將排氣的能量轉化為例如到內燃機的發動機曲軸的扭矩輸入的裝置。更特別地，本發明涉及對這種渦輪複合裝置的設計和控制的改進。

本發明適用於重型車輛，例如卡車、大客車和工程機械。雖然在下文中將參考卡車描述本發明，但本發明不限於這種特定的車輛，而是也可用在利用渦輪複合裝置的其它應用中，例如航空系統和航海系統。

背景技術：

渦輪複合單元是用於將排氣流的能量的一部分回收並將該能量轉化為軸的旋轉運動的車輛部件。軸的旋轉運動作為扭矩增量被傳遞到車輛的發動機曲軸。通常，渦輪複合單元具有軸，其中渦輪機葉輪布置在一個遠端部處。當內燃機運行時，排氣將流入渦輪複合單元中並使渦輪機葉輪旋轉。因此，渦輪複合單元的軸將相應地旋轉。該軸的相反的另一端設有帶齒的輪，所述帶齒的輪與另外的齒輪嚙合，從而引起所述軸和曲軸之間的旋轉連接。當所述軸由於流過渦輪複合單元的排氣而旋轉時，所述軸的旋轉能量將作為扭矩增量被傳遞到曲軸。

渦輪複合單元的使用已被證明對行駛經濟性和環境提供了有利優勢；從排氣流中回收能量實際上將降低車輛的燃料消耗。

US 2009/0139231描述了一種渦輪複合單元，對於所述渦輪複合單元，渦輪機葉輪的旋轉能量經由液壓離合器和自由輪傳遞到曲軸。該自由輪被結合到在渦輪機和發動機曲軸之間的傳動路徑中，以在渦輪機速度低於可比較的發動機速度時使渦輪機與發動機斷開。液壓離合器被提供用於減少來自曲軸的旋轉振蕩。

雖然渦輪複合單元防止渦輪機被發動機驅動，但仍存在的風險是：渦輪複合單元的旋轉部件經受超速，例如在錯誤換檔的情形中。因為這可能導致損壞和故障，所以，對於不僅通過允許渦輪機到自由輪而且允許控制渦輪機轉速的改進的方案，存在著需求。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種克服現有技術的上述缺點的渦輪複合單元。

根據第一方面，該目的通過根據權利要求1所述的渦輪複合單元實現。根據第二方面，該目的通過根據權利要求12所述的渦輪複合單元實現。根據第三方面，該目的通過根據權利要求19所述的方法實現。

通過提供包括制動裝置的渦輪複合單元，能夠主動地控制渦輪複合單元的關鍵部件(例如渦輪機)的轉速。

根據實施例，被構造為將渦輪機設備以可操作方式連接到曲軸的裝置包括齒輪機構(gearing)。該齒輪機構可包括至少一個齒輪，所述齒輪具有用於與曲軸的相應齒輪嚙合的齒，並且其中，惰轉裝置(freewheeling means)被設置為布置在所述齒的徑向內側的自由輪離合器(freewheel clutch)。在此，通過如下事實提供了優勢，即：該自由輪離合器不需要另外的空間，而是可結合在渦輪複合單元的現有部件中。

在一個實施例中，制動裝置包括盤式離合器。所述盤式離合器可設置在軸的一個端部處，並且自由輪離合器可布置到同一個軸上。這是有利的，因為所述軸可與曲軸相鄰地設置，使得自由輪離合器和制動裝置影響渦輪複合單元的旋轉部件中的大部分的運行。

在一個實施例中，自由輪離合器與所述盤式離合器相鄰地布置，由此，自由輪離合器和盤式離合器可在不拆卸齒輪的情況下受到維護。

在另一個實施例中，自由輪離合器和盤式離合器布置在所述軸的相反兩端，由此，所述軸的渦輪機側的通常可用的空間可用於容納盤式離合器。

在一個實施例中，盤式離合器通過活塞被液壓地促動。這是有利的，因為提供了有效的促動，從而允許迅速的響應和精確的扭矩控制。

在一個實施例中，所述軸包括機油管道，用於將潤滑流體提供到自由輪離合器和/或盤式離合器。因此，所述軸的內部空間可用於形成潤滑管道，而不需要額外的空間。

在一個實施例中，惰轉裝置和制動裝置通過離合器來提供，所述離合器具有用於使渦輪機設備與曲軸接合的連接模式、用於使渦輪機設備從曲軸斷開的惰轉模式、以及用於使渦輪機設備相對於曲軸制動的制動模式。因此，通過將自由輪和制動裝置結合在單體裝置中，實現了更簡單的技術方案。

在一個實施例中，渦輪複合單元還包括控制器，所述控制器具有：至少一個輸入，用於接收表示渦輪複合單元的運行狀態的信號；確定單元，所述確定單元被構造為確定渦輪複合單元的期望運行狀態並計算相應的控制信號；和至少一個輸出，用於將控制信號傳送到制動裝置和/或惰轉裝置。因此，能夠為了最優性能而主動地控制渦輪複合單元的運行。

在一個實施例中，控制器的輸入被構造為接收表示相關聯的內燃機的發動機扭矩和發動機速度的信號，並且其中，所述確定單元被構造為確定渦輪機設備中的機油洩漏的風險。這種實施例是有利的，因為該實施例能夠消除對緩衝空氣系統的需求，否則會需要所述緩衝空氣系統來防止機油洩漏到渦輪複合單元的排氣路徑中。

在一個實施例中，控制器的輸入被構造為接收表示渦輪機設備的轉速的信號，並且其中，所述確定單元被構造為確定由於發動機超速導致故障的風險。該實施例是有利的，因為制動裝置可被激活以防止故障。

在一個實施例中，控制器的輸入被構造為接收表示當前驅動模式的信號，並且所述確定單元被構造為確定渦輪複合單元的過度摩擦的風險，即：當從渦輪複合單元到發動機的淨輸出扭矩為零或低於零時的風險。

在另一個實施例中，控制器的輸入被構造為接收表示內燃機的啟動的信號，並且其中，所述確定單元被構造為確定過度載荷作用在相關聯的起動機(starter)上的風險。

在如下的描述和從屬權利要求中公開了本發明的其他優勢和有利特徵。

本發明還涉及包括具有曲軸和渦輪複合單元的內燃機的內燃機系統，並且涉及包括渦輪複合單元的車輛。

附圖說明

參考附圖，下面將更詳細地描述作為示例闡述的本發明的實施例。

在這些圖中：

圖1是根據實施例的車輛的側視圖，

圖2是根據實施例的內燃機的示意圖，

圖3是根據實施例的渦輪複合單元的截面圖，

圖4是根據實施例的渦輪複合單元的自由輪的等距截面圖，

圖5是根據實施例的渦輪複合單元的自由輪和制動裝置的截面圖，

圖6是示出了作為與渦輪機聯接的內燃機的扭矩和內燃機的速度的函數的、渦輪機之後的壓力的圖，

圖7是示出了對於給定的發動機載荷的渦輪複合單元的渦輪機之後的壓力與內燃機速度之間的關係的圖，

圖8是根據另一實施例的渦輪複合單元的自由輪和制動裝置的截面圖，

圖9是根據實施例的渦輪複合單元的自由輪裝置的截面圖，

圖10是根據實施例的方法的示意圖，並且

圖11是根據實施例的渦輪複合單元的自由輪裝置和制動裝置的截面圖。

具體實施方式

從圖1開始，示出了車輛1。被示意為卡車的車輛1具有用於驅動車輛1的內燃機10。如下文中將進一步解釋的，車輛1的內燃機10設有根據多種實施例的渦輪複合單元100。車輛1可具有另外的推進單元，例如電動驅動裝置等，只要所述車輛具有至少一個提供與渦輪複合單元100相互作用的排氣流的發動機即可。因此，車輛1非排它性地為卡車，而是也可以代表多種重型車輛，例如大客車、工程機械等。

圖2中示出了內燃機10的示例。內燃機10包括多個氣缸20，所述氣缸20運行以燃燒諸如柴油或汽油的燃料，由此將活塞在氣缸20中的往復運動轉換為曲軸30的旋轉運動。曲軸30進一步聯接到變速器(未示出)，用於將扭矩提供到驅動元件(未示出)。在例如卡車的重型車輛的情形中，該驅動元件是車輪；然而，內燃機10也可以用於其它設備，例如工程機械、航海應用等。

內燃機10還包括排氣系統40，該排氣系統40的目的是回收排氣流中的能量的至少一部分，以提高內燃機10的性能。在所示出的示例中，排氣離開氣缸20並進入歧管42，該歧管42進一步連接到渦輪增壓器50的入口52。排氣流使渦輪機葉輪54旋轉，該旋轉被轉化為壓縮機葉輪56的相應旋轉，該壓縮機葉輪56用於在將進入空氣引入到氣缸20中之前壓縮所述進入空氣。渦輪增壓器50的結構及功能技術要求在本領域內是已知的，因此將不進一步詳述。

排氣離開渦輪增壓器50流動到渦輪複合單元100，可選地經由排氣壓力調節器(未示出)。所述進入排氣(其一部分能量已用於驅動渦輪增壓器50的渦輪機葉輪54)被引導通過渦輪複合單元100的渦輪機葉輪102，因此使渦輪機葉輪102和相關聯的渦輪機軸104旋轉。渦輪機軸104的旋轉經由液壓聯接器110以及自由輪120和制動裝置130轉換為帶齒的輪200的相應旋轉。自由輪120和/或制動裝置130連接到控制單元300，該控制單元300用於執行多種方法以控制自由輪120和/或制動裝置130的運行。所述帶齒的輪200與另外的齒輪機構205嚙合，以將渦輪機軸104聯接到曲軸30。因此，在迫使渦輪機葉輪102旋轉時，渦輪機軸104將向曲軸130提供另外的扭矩。

圖3中進一步詳細示出了渦輪複合單元的實施例。渦輪複合單元100與渦輪增壓器50串聯布置，但渦輪複合單元100的其它實施例不包括渦輪增壓器50的這種設置。

離開渦輪增壓器50的出口58的排氣被引導到渦輪複合單元100的軸流式或徑向流入式(未示出)的渦輪機葉輪102，由此使渦輪機葉輪102開始旋轉。渦輪機葉輪102的旋轉被傳遞到渦輪機軸104，由此，渦輪機葉輪102和渦輪機軸104形成渦輪機設備105。提供了減速齒輪機構106，用於調節渦輪機設備105的轉速，使得所述轉速與曲軸30的轉速(即內燃機10的速度)相對應。因此，減速齒輪機構106形成了被構造為將渦輪機設備105以可操作方式連接到曲軸30的裝置的至少一部分。

提供了液壓離合器110，以減小來自曲軸30的扭矩波動。渦輪機設備105布置在液壓離合器110的主側(primary side)，即，通常與扭矩輸入相關聯的一側，而自由輪120和制動裝置130設置在副側(secondary side)，即，通常與扭矩輸出相關聯的一側。

如圖3所示，自由輪120和制動裝置130設置在公共軸140上，所述公共軸140形成了減速齒輪機構106的一部分。事實上，軸140可在相反兩端處設有兩個齒輪142a、142b，其中一個齒輪142a與曲軸30連接，而另一個齒輪142b與液壓離合器110的副側連接。

具有軸向間隔開的兩個齒輪142a、142b的軸140通常被稱為大齒輪(bull gear)。圖4中示出了根據實施例的大齒輪。軸140設有第一齒輪142a，該第一齒輪142a具有齒144a，所述齒144a用於與相鄰的曲軸30的齒輪的相應齒嚙合。第二齒輪142b設置在相反的另一端處，用於將大齒輪與液壓聯接器110的輸出側(即，副側)連接。自由輪120被設置為布置在所述齒144a的徑向內側的自由輪離合器。該自由輪離合器優選被構造為使得其在一個方向上通過摩擦來傳遞或支持扭矩，並允許在相反的方向上空轉。這通過將多個楔塊(sprag)145布置在滾子軸承146和球軸承147之間來實現。因此，所述軸將總是驅動齒輪142a，而齒輪142a則從不驅動所述軸140。

圖5中進一步示出了大齒輪，其中該軸140設有制動裝置130。制動裝置130因此布置在液壓聯接器110的副側，即，布置在與渦輪機設備105相反的一側。制動裝置130包括盤組件(disk package)132和活塞134，所述活塞134被構造為在液壓激活時壓緊所述盤組件132。第一組盤被固定地附接到軸140，而第二組盤被固定地附接到相鄰的殼體。當盤組件132被壓緊時，將限制軸140相對於殼體旋轉。為此，軸140包括壓力入口148，用於將液壓流體供應到制動裝置130。除此之外，還提供了機油入口149a，且所述機油入口149a連接到機油管道149b，用於將潤滑流體提供到自由輪離合器。優選地，入口148、149a布置在軸140的軸向端處。

至此所述的渦輪複合單元100可提供改進的運行和降低的構造設計複雜性。已熟知的是，在特定的運行條件期間，渦輪機葉輪之後的壓力可能降低，從而引起來自渦輪複合單元殼體(turbocompound housing)的抽吸壓力，即，來自對渦輪機軸進行支撐的部件的抽吸壓力。因為該抽吸壓力可能將機油和其它潤滑流體吸入到排氣流中，所以希望總是渦輪機之後維持過壓。針對該問題的現有解決方案包括提供緩衝空氣，這意味著將加壓空氣供應到殼體和渦輪機葉輪之間的區域。

根據本申請的渦輪複合單元能夠以不同的方式解決該問題。圖6中示出了渦輪機葉輪之後的壓力的圖，該壓力被示出為發動機速度和發動機扭矩的函數。對於渦輪複合單元的渦輪機葉輪之後的壓力而言，對應於較低發動機扭矩下的較高發動機速度的虛線區域是關鍵的。因此，機油洩漏最可能在與該陰影區域相對應的運行條件下發生。

圖7示出了另一個圖，其中用實線將渦輪機之後的壓力描繪為發動機速度的函數。然而，該圖中也示出了：如果渦輪複合單元能夠控制惰轉裝置(freewheeling means)120或制動裝置130(虛線)時的渦輪機之後的壓力。清楚的是，該制動或惰轉(freewheeling)將維持的渦輪機之後的高壓力，因此防止機油逸出到排氣流中。為此，渦輪複合單元可包括控制器300，在圖1中，所述控制器300被示出為具有：至少一個輸入(input)302，用於接收表示渦輪複合單元100的運行狀態的信號；確定單元304，該確定單元304被構造為確定渦輪複合單元100的期望運行狀態並計算相應的控制信號；以及至少一個輸出306，用於將控制信號傳送到制動裝置130和/或惰轉裝置120。從圖6和圖7明顯可以看到，通過監測渦輪複合單元100的運行狀態，例如在該情形中通過監測相關聯的內燃機的運行狀態，能夠控制惰轉裝置120和/或制動裝置130，從而允許渦輪複合單元100以最優的方式運行。

控制渦輪複合單元的以上示例通過控制器300來實現，該控制器300用作控制單元，且具有：至少一個輸入302，用於接收表示渦輪複合單元100的運行狀態的信號；確定單元304，該確定單元304被構造為確定與運行狀態相關聯的風險並確定相應的控制信號；和至少一個輸出306，用於將控制信號傳送到制動裝置130和/或惰轉裝置120。

在參考圖6和圖7描述的實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示相關聯的內燃機10的發動機扭矩和發動機速度的信號，且所述確定單元304被構造為確定機油洩漏的風險。

在另一個實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示渦輪機設備105的轉速的信號。在這種實施例中，所述確定單元304可被預編程以評估超速的風險，所述超速可能導致渦輪機葉輪102的嚴重損壞。如果確實存在發動機超速的風險，則控制單元300可發出用於制動渦輪機設備105的輸出信號。由於渦輪複合單元100可設計為接近其極限，這樣的實施例是特別有利的，因為控制功能將防止損壞和故障。

在又一個實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示當前行駛模式的信號，且所述確定單元304被構造為確定當從渦輪複合單元到發動機的淨輸出扭矩為零或低於零時的風險。在運行期間可能發生一些情形，其中發動機10具有比渦輪複合單元100高的速度。通常這將對燃料消耗有負面影響，因為發動機10也必須驅動渦輪複合單元100。然而，控制器300可以確定存在在錯誤的方向上(即，從發動機10到渦輪複合單元100的方向上)傳遞扭矩的風險，並相應地使渦輪複合單元100制動或惰轉。

在另外的實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示內燃機10的啟動的信號。為最小化啟動時的旋轉質量，確定單元304可確定過度載荷作用在相關聯的起動機上的風險，且控制器300可輸出用於使渦輪複合單元100惰轉的信號。

在另外的實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示相關聯的排氣後處理系統的狀態的信號。確定單元304可被預編程以確定非最優的能量使用的風險，這種非最優的能量使用例如可表明：與渦輪複合單元100中相比，排氣流的熱量可更好地用在後處理系統中。因此，控制器300可輸出用於使渦輪複合單元100惰轉和/或制動的信號。

在一個實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示排氣溫度的信號。確定單元304被構造為確定相關聯的排氣後處理系統的不利運行的風險。因此，如果流入到渦輪複合單元中的排氣的溫度不足以允許相關聯的後處理系統的最優運行，則控制器300可指令渦輪複合單元的惰轉。

在又一個實施例中，控制器300的輸入302被構造為接收表示發動機制動的信號，且所述確定單元304被構造為確定從渦輪複合單元到曲軸的非期望的扭矩傳遞的風險。

在圖8中，示出了制動裝置130和惰轉裝置120的實施例。該特定實施例由於如下事實是有利的，即：可更容易地提供維護，而不需要從渦輪複合單元上拆卸大齒輪。該大齒輪類似於圖5中所示的，但制動裝置130(即液壓促動的聯接器130)布置在自由輪離合器120的相反的另一側。

在圖9中，示出了惰轉裝置120的另一個實施例。在本實施例中，自由輪的功能是可控的。類似於參考圖4和圖5所描述的，自由輪裝置120通過經由軸承146、147支撐在軸140上的齒輪142a形成。然而，在本實施例中不存在楔塊，這意味著齒輪142a相對於軸140自由旋轉。自由輪控制藉助於自由輪聯接器1200來實現，所述自由輪聯接器1200在受到促動時將使齒輪142a與軸140連接，使得齒輪142a或軸140的旋轉被傳遞到齒輪142a或軸140中的另一個。

自由輪聯接器1200包括盤組件1210，所述盤組件1210具有固定地連接到軸140的第一組盤和固定地連接到齒輪142a的第二組盤。彈簧偏壓的液壓活塞1220可將第一組盤和第二組盤朝向彼此推壓，使得在第一組盤和第二組盤之間不存在滑動或存在非常小的滑動。為了同步，活塞1220可包括非旋轉部分1222和旋轉部分1224；旋轉部分1224被允許與齒輪142a或軸140一起旋轉。旋轉部分1224經由軸承1226布置在非旋轉部分1222上。應認識到的是，形式為聯接器1200的自由輪裝置120可與例如根據參考圖5描述的實施例的制動裝置130結合。軸140的一端因此可設有自由輪聯接器1200，而軸140的相反的另一端可設有制動裝置130。

現在轉到圖10a，示意性地示出了用於控制渦輪複合單元的運行的方法200。該方法200包括：接收表示內燃機10或渦輪複合單元100的運行狀態的信號的第一步驟202。如前文中所述，該信號例如可以是表示相關聯的內燃機的發動機扭矩和發動機速度的信號、表示渦輪機設備的轉速的信號、表示當前行駛模式的信號、或表示內燃機的起動的信號。

在隨後的步驟204中，根據以上描述，該方法確定與運行狀態相關聯的風險(例如在渦輪機設備中的機油洩漏的風險)、由於超速導致故障的風險、渦輪機設備的過度摩擦的風險、或在相關聯的起動機上的過度載荷的風險。

該方法然後執行步驟206，在步驟206中，生成控制信號，其中根據所確定的風險來構造所述控制信號。

方法200還包括將控制信號輸出並傳遞到渦輪複合單元100的惰轉裝置120和/或制動裝置130以控制渦輪複合單元100的運行的步驟208。

至此所述的實施例可要求制動裝置130和/或惰轉裝置120的主動控制。在圖5和圖8中，制動裝置130可通過提供液壓流體促動活塞而被控制，然而，自由輪120是被動部件。圖9中示出了主動的自由輪，即可控的自由輪。如果希望提供可控的惰轉裝置，則惰轉裝置120和制動裝置130可通過離合器來提供，所述離合器具有用於使渦輪機設備105與曲軸30接合的連接模式、用於使渦輪機設備105從曲軸30斷開的惰轉模式和用於使渦輪機設備105相對於曲軸30制動的制動模式。惰轉模式例如可通過將可控的聯接器布置在大齒輪的兩個齒輪142a、142b之間來實現。

圖11中示出來這樣的離合器1300的實施例。該離合器1300包括被構造為連接到曲軸的第一齒輪142a和被構造為連接到液壓聯接器110的輸出的第二齒輪142b(見圖3)。第一齒輪142a例如經由壓配合而直接支撐到軸140上，而第二齒輪142b經由球軸承147支撐到軸140上。離合器1300還包括促動器1310，該促動器1310能夠在與自由輪模式相對應的中性模式與其中齒輪142a旋轉連接到齒輪142b的接合模式或其中齒輪142b連接到靜止殼體1320的制動模式之間移動。圖11示出了處於中性位置的促動器1310，即齒輪142b相對於軸140惰轉。如果促動器1310可被控制為在圖中向左移動，則促動器將使齒輪142b與殼體1320連接，從而將防止齒輪142b旋轉。如果促動器替代地被控制為在圖中從其中性位置向右移移動，則促動器將使齒輪142b與軸140連接，使得齒輪142b將隨軸140旋轉。可設置同步環1330以在接合之前使兩側的速度同步。

在優選實施例中，渦輪複合單元100還可包括彈性元件，所述彈性元件布置在曲軸和渦輪機設備105之間的某處。這種彈性元件(例如，其形式為併入在制動裝置130和/或惰轉裝置120的盤聯接器中的彈簧)將因此使液壓聯接器110且因此也將使渦輪機設備105與來自發動機的扭矩脈動隔離。

應理解的是，本發明不限於上文所述且在圖中示出的實施例；而是，本領域普通技術人員將認識到，在所附權利要求的範圍內可進行各種修改和變型。