將空氣壓縮機耦合到內燃機的驅動軸上的裝置和方法

2023-04-26 06:35:21 3

專利名稱：將空氣壓縮機耦合到內燃機的驅動軸上的裝置和方法
技術領域：
本發明的主題是一種用於將一個空氣壓縮機耦合到一個作為在一個車輛上的驅動馬達運行的內燃機的驅動軸上的裝置，其中空氣壓縮機給一個壓縮空氣設備供氣，本發明的主題還是用於操作這樣一種裝置的方法。
背景技術：
在今天普通擁有壓縮空氣設備的車輛上，空氣壓縮機是通過相應的傳動裝置直接和內燃機的驅動軸耦合的。
由空氣壓縮機提供到壓縮空氣設備中的空氣量是通過設置在壓縮空氣設備中的過壓閥如此地調節的，即當超過最大壓力時多餘的空氣通過所述的過壓閥放出。
這類裝置雖然結構簡單，但是沒有考慮當今要求燃油消耗最小化。此外它還有下述缺點，即在所採用的往復運動活塞型的空氣壓縮機中，所產生的當超過上死點後通過反膨脹執行一個負的扭矩的特性導致前置的齒輪傳動裝置的齒面抬起。這種齒面變換又是產生令人極為不快的噪聲的主要原因，同時提高了參與工作齒輪的磨損。

發明內容
根據上述情況本發明的任務是提供一種將空氣壓縮機耦合到在一個車輛中的一個作為驅動馬達運行的內燃機的驅動軸上的裝置，這種裝置使內燃機的燃料消耗最小化，並且不傳遞負的扭矩。
此外，本發明的任務是提供一種用於操作根據本發明的裝置的方法。
這個任務通過根據權利要求1的特徵所述的一種裝置、以及通過按照權利要求14的特徵所述的一種方法來完成。
根據本發明的裝置或者根據本發明的方法的有利方案分別在各從屬權利要求中給出。
在完成此任務時是以此為依據的即所要求的裝置必須考慮主要是在提出任務時暗示包含的情況，即，該裝置不允許有對行駛性能、或者行駛舒適性有負面影響，就像在突然加速過程或者減速過程中感覺到的突然出現的扭矩波動，或者僅感覺到內燃機噪聲級的變化時產生的那種負面影響。
考慮了這種基本要求發現，流體動力性的耦合或者還有渦輪機離合器-只要它能接通-就通過可傳遞的力矩的滯後的形成一方面可滿足這種暗示的基本要求，另一方面也完成了所述任務。
使用一個可按通的渦輪機離合器作為在內燃機的曲軸和空氣壓縮機之間的傳動機構使得有利地在必要時接通空氣壓縮機成為可能，而感覺不到某些突然的扭矩波動和隨後的突然的小加速或者減速過程，或者內燃機的噪聲級的突然變化。
使用一種所謂的注入控制的渦輪機離合器是特別有利的，因為通過此措施可有目的地提高或者減小由渦輪機離合器傳遞的扭矩。
泵輪可旋轉地支承在和空氣壓縮機有效連接的軸上，或者特別優選地支承在和該軸防旋轉連接的渦輪上，使得根據本發明的一種特別緊湊的結構成為可能。這種類型的裝置可以有選擇地設計為僅具有一個同心地設置在渦輪-和泵輪中的流體室系統的單渦輪機離心器，或者在提高對可傳遞的力矩的要求時設計為具有兩個同心地設置在渦輪-泵輪中的流體室系統的雙渦輪機離合器。
由內燃機的曲軸驅動的泵輪由於持續地被驅動、也就是用該曲軸以一種可規定的轉速比轉動，因而該泵輪適合作為驅動內燃機的一個或者多個另外一些輔助裝置的中間機構使用，例如轉向助力泵、照明發電機等。
在這種情況下特別有利的是，在泵輪的外圓周上設置一個齒部，該齒部一方面和一個由驅動軸驅動的小齒輪嚙合，另一方面和另所述其它輔助設備的驅動小齒輪相嚙合；因為這樣渦輪機離合器的功能可以有利地集成到一個傳動鏈的一個齒輪中，並且由於輔助裝置要求驅動力矩從而防止由於空氣壓縮機撞擊齒面的問題。
最好利用設置在渦輪機離合器的流體迴路中的兩個可接通的閥門實現對於所述渦輪機離合器的注入和排空，其中所述注入通過一個高壓管道進行，所述排空通過在渦輪機離合器中起作用的離心力實現。在這種情況下，流體迴路最好是內燃機的油迴路或者冷卻水迴路的一部分。
在這種情況下，用於耦合空氣壓縮機的裝置最好按照一種方法運行，該方法一方面根據車輛的壓縮空氣系統中的壓力接通渦輪機離合器，這對燃料需求的最小化有所貢獻，另一方面該方法如此地控制對於渦輪機離合器的注入，即空氣壓縮機不能傳遞大的負扭矩、即通過空氣壓縮機的壓縮室中的反膨脹所引起的、與空氣壓縮機的驅動旋轉方向相反的扭矩。除了流體室為此的優化設計外，這還可有利地通過下述措施達到即該渦輪機離合器或者是持續地，或者特別有利地只是在出現負的扭矩時才以如此之多的滑轉運行，即不通過所述渦輪機離合器傳遞這些負的扭矩。


下面藉助附圖對根據本發明的裝置以及用於操作該裝置的根據本發明的方法的其它方面進行示例性的討論。附圖示出圖1 一個集成到一個傳動鏈上的一個齒輪中的渦輪機離合器，作為可接通的空氣壓縮機驅動機構。
圖2 設計為雙渦輪機離合器的根據圖1的實施例。
圖3 用於控制根據圖2的渦輪機離合器的流體迴路。
具體實施例方式
如圖1簡化所示，為了驅動一個空氣壓縮機設置了一個渦輪機離合器1，該渦輪機離合器的渦輪4抗扭轉地設置在驅動空氣壓縮機(未示出)的軸5上。所述渦輪4具有一個大直徑的第一分區域9和一個小直徑的第二分區域10。渦輪機離合器1的泵輪2設計為環形的旋轉體，並且用它的內直徑可轉動地如此地支承在渦輪4的第二分區域10上，即渦輪4和泵輪的彼此面對的側分界面11，12彼此相鄰。在渦輪4和泵輪2中與旋轉軸線8同心地基本成半地、以它們的一半彼此對置地、分別穿過泵輪2和渦輪4的第一分區域9的相鄰的側分界面12，11地設置流體室13。流體通過一個支架固定地設置在空氣壓縮機上的流體供應通道19輸送到流體室13，並且通過所述環繞的流體輸送槽15和流體輸送通道14到達流體室13中，該流體室形成渦輪機離合器1的工作室。為了排空渦輪機離合器1，同樣設置和流體室13相連接的流體排除通道16，該流體排除通道通過一個流體排空槽17和一個與空氣壓縮機位置固定的流體排除通道20將流體從流體室13中排出。
該裝置的驅動是通過內燃機(未示出)的驅動軸3進行的。為此目的在驅動軸3上設置一個小齒輪，該小齒輪和一個設置在泵輪2的外圓周上的齒部6嚙合。通過齒部6驅動一個和這個齒部嚙合的驅動小齒輪21。該小齒輪本身對另一輔助裝置起作用，並且驅動這個輔助裝置。
關於輔助裝置可以是轉向助力泵、照明發電機等。
在圖2中同樣簡化地表示一個相對於圖1的實例作了擴展的實施形式。因為所示實施例除了所述的擴展部位外都和圖1所示的裝置相同，因此關於這些相同部件的描述請參見關於圖1的說明。
在圖2的裝置中涉及的是一種雙渦輪機離合器。對於這應理解為兩個平行的流體室系統同時起作用。為此目的除了第一分區域9和第二分區域10外還給形成渦輪4的旋轉體增設了一個第三分區域18，該第三分區域的直徑基本上與第一分區域9的直徑相對應。因為為了支承泵輪2，渦輪4的第二區域10必須是可觸及到的，所以渦輪4分成兩個分體，其中未示出的分界面與旋轉軸線8相切地設置在渦輪4的第二分區域10中。假若現在將泵輪2可轉動地設置在第二分區域10上，則可通過下述措施平行於第一流體室系統地實現一個第二流體室系統其它流體室13a與旋轉軸線8同心地、基本成半地、彼此對置地、穿過泵輪2和渦輪4的第三分區域18的分別相鄰的分界面地設置在渦輪4的第三分區域18和泵輪2的對置的部分中。
雙渦輪機離合器的優點很明顯。只要外部尺寸不是很大時就可以傳遞雙倍扭矩。
聯繫圖1和圖2說明的裝置的特徵在於，渦輪機離合器集成到一個齒輪中，因此它成為了簡單齒輪意義上的一個傳動鏈中的一個環節，但是同時它是可接通的，並且具有可控制的傳遞特性，它從這個傳遞鏈中為空氣壓縮機引出驅動力矩。
下面藉助圖3和必要時藉助圖2對操作上述裝置的根據本發明的方法進行更詳細的討論。
如上所述，根據本發明的裝置用於根據實際的壓縮空氣的需要接通一個裝備有一個壓縮空氣設備的、藉助一個內燃機驅動的車輛的空氣壓縮機，以便使燃油需求最小化。下述說明以此為依據內燃機在運行中。
如上所述，渦輪機離合器22以已知的方式用於傳遞作為工作介質的一種流體的扭矩，該流體通過一個外部的流體迴路22輸送到渦輪機離合器1。流體迴路22從一個貯存容器27出發，經過一個泵26、一個高壓管道25、一個第一可接通的閥門23、必要時經過其它的管道通給和空氣壓縮機位置固定的流體供應管道19，該流體供應管道又經過流體輸送槽15和流體輸送管道14與流體室13，13a連接。為了排空渦輪機離合器1，流體排除通道16經過流體排空槽17、與空氣壓縮機位置固定的流體排除通道20、以及必要時其它管道和一個第二可接通的閥門24從流體室13，13a返回到貯存容器27。
正如已述的，流體迴路22可以是內燃機油迴路的一部分，或者是內燃機冷卻水迴路的一部分。在這種情況下，為了輸送流體的而設置的泵26或者是內燃機的油泵，或者是其冷卻水泵。若在渦輪機離合器中使用的流體是一種專門的介質，則為了使泵26工作而需要一種合適的驅動機構，在該實例中是一個馬達32。
為了對空氣壓縮機的運行進行控制，設置了一個控制單元29，它可以由在今天普通的車輛上使用的車輛電子控制機構組成，或者是其中的分部件。
在內燃機處於工作狀態時藉助控制單元29對一個設置在壓縮空氣設備中的壓力傳感器28周期性地進行詢問，並且將如此確定的、和壓縮空氣設備中的實際壓力成比例的測量值與一個所存儲的最小值或者最大值進行比較。若該比較得出低於所存儲的最小值，則控制單元29打開第一可接通的閥門23，這樣，由泵26從貯存容器27輸送到高壓管道25中的流體經過該閥門、所述位置固定的流體供應通道19、流體輸送槽15和流體輸送通道14到達流體室13，13a中。在這一時刻第二可接通的閥門24關閉，這樣，流體室13，13a注入流體、也就是工作介質。隨著流體室13，13a中的液位的提高，渦輪機離合器1開始將扭矩傳遞到與空氣壓縮機有效連接的軸5上，這樣隨著渦輪機離合器1中的滑轉的降低這個空氣壓縮機柔和地起動。通過這種柔和的起動避免了扭矩的任何突然的變化，因此空氣壓縮機的接通對車輛的行駛性能和噪聲級沒有明顯的影響。
流體迴路的注入量是通過控制單元29藉助一個注入量傳感器30如此地調節的，即在渦輪機離合器1中存在的注入量允許渦輪機離合器1中的一個預先規定的滑轉，以防止由渦輪機離合器1傳遞已提到的在往復運動活塞型的空氣壓縮機中出現的負的扭矩。上述注入量傳感器30例如可設計為一個流體輸送管道中的流量計，或者在一個簡化的實施形式中設計為決定第一可接通的閥門23的打開時間的限時元件。在一個替代的實施形式中可通過下述措施對這方面提供支持，即，只要出現負的扭矩時就短時間地減少渦輪機離合器1的注入量。這點藉助控制單元29通過短時打開用於排空的第二可接通的閥門24和通過短時打開用於重新注入的第一可接通的閥門23來實現。對於打開和關閉第二可接通的閥門24或者第一可接通的閥門23的時刻是由控制單元29通過對空氣壓縮機的運行周期的監控來測定的。為此，採用了例如一個轉角傳感器形式的傳感器機構31，通過該傳感器機構所述與這些傳感器機構相連的控制單元29測定對由於空氣壓縮機的活塞超過上死點而出現的負轉距進行補償的時刻。在打開第二可接通的閥門24時通過有效的離心力使所述渦輪機離心泵很快排空，這樣，通過閥門23，24的快速換向可將渦輪機離合器1的注入量的降低限制在很短的時間範圍內。
若控制單元29通過壓力傳感器28測定車輛壓縮空氣設備中的超過最大允許的壓力，則藉助控制單元29通過打開第二可接通的閥門24將渦輪機離合器1排空。無論是在注入過程中還是在排空過程中，通過對第一可接通的閥門23或者第二可接通的閥門24的有節拍的控制，所述注入速度或者排空速度均可和空氣壓縮機的所希望的接通-或者斷開特性相匹配。
最後應該提到的是，空氣壓縮機1的接通或者斷開也可以根據壓縮空氣設備的、內燃機或者空氣壓縮機本身的其它工作參數進行，為此只須將該控制單元29和相應的受這些部件影響的傳感器和/或這些部件的控制機構連接起來。
若渦輪機離合器1中所使用的工作介質既不是內燃機的油迴路中的油，也不是內燃機冷卻水迴路中的冷卻水，而是一種專門的流體，則泵26的驅動通過一個分開的發動機32進行。然後根據當時的輸送需要由控制單元29對該發動機進行控制。
當然，上述無論是裝置的實施例還是操作該裝置的方法的實施例可用技術人員熟悉的結構措施在不脫離本發明的基本構思的情況下可以多種多樣的方式進行設計，因此，所述實施形式僅具有示例性的特點。
權利要求
1.用於將一個空氣壓縮機耦合到一個車輛的作為驅動馬達運行的內燃機的驅動軸上的裝置，其中，空氣壓縮機給壓縮空氣設備供氣，其特徵在於，所述裝置含有一個可接通的渦輪機離合器(1)，它的泵輪(2)可通過內燃機的驅動軸(3)驅動，並且通過作為工作介質的流體驅動渦輪(4)，該渦輪本身和待驅動的空氣壓縮機的軸(5)有效連接。
2.按照權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述可接通的渦輪機離合器(1)是一個充氣控制的渦輪機離合器。
3.按照權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，渦輪(4)防扭轉地設置在一個與空氣壓縮機有效連接的軸(5)上，泵輪(2)可轉動地支承在渦輪(4)上，或者支承在與空氣壓縮機有效連接的軸(5)上，並且和內燃機的驅動軸(3)有效連接。
4.按照權利要求3所述的裝置，其特徵在於，-渦輪(4)通過一個第一旋轉體形成，該旋轉體從它的旋轉軸線(8)的方向看由至少兩個分區域(9，10)構成，其中，一個第一分區域(9)具有一個大直徑，一個第二分區域(10)相對於第一分區域(9)具有一個較小的直徑，-泵輪(2)通過一個環形的旋轉體形成，該旋轉體如此地可轉動地設置在具有小直徑的第二分區域(10)中的渦輪(4)上，即，泵輪(2)和渦輪(4)的各側面分界表面(11，12)彼此緊鄰，-渦輪機離合器(1)的流體室(13)與其旋轉軸線同心地基本上成半個地、以它的半室彼此面對地、穿過泵輪(2)和渦輪(4)的第一分區域(9)相鄰的側分界表面(12，11)地設置在渦輪(4)的第一分區域(9)和泵輪(2)中，-設置至少一個流體輸送通道(14)，該流體輸送通道由一個離輪轂近的流體輸送槽(15)給流體室(13)提供流體，-至少設置一個流體排除通道(16)，該流體排除通道將流體從流體室(13)排除到離輪轂遠的流體排空槽(17)中。
5.按照權利要求4所述的裝置，其特徵在於，-形成渦輪(4)的旋轉體從它的旋轉軸線(8)的方向看具有一個第三分區域(18)，其中，這個第三分區域具有一個和第一分區域(9)的直徑大約相應的直徑，-渦輪分成兩個分體，其中，與旋轉軸線(8)相切的分界面在具有第二小直徑的第二分區域(10)中延伸，-泵輪(2)可旋轉地設置在渦輪(4)的第一和第三分區域(9，18)之間，其中，泵輪(2)的側面的分界面中的一個分別和渦輪(4)的第一和第三分區域(9，18)的內置的側面的分界面中的一個緊相鄰，-與旋轉軸線(8)同心地設置其它的流體室(13a)，該流體室基本上成半個地彼此面對地、穿過泵輪(2)和渦輪(4)的第三分區域(18)的相鄰的側面的分界面地設置在渦輪(4)的第三分區域(18)和泵輪(2)中。
6.按照權利要求4或5的任一項所述的裝置，其特徵在於，-一個位置固定的流體供應通道(19)和流體輸送槽(15)連接，-一個位置固定的流體排除通道(20)和流體排空槽(17)連接，-設置一個和流體供應通道(19)、並且和流體排除通道(20)相連接的流體迴路(22)，通過該迴路可在外部對流體室(13，13a)進行控制、加注和排空。
7.按照權利要求3至6中任一項所述的裝置，其特徵在於，泵輪(2)和至少另一個將要通過內燃機的驅動軸(3)驅動的輔助裝置有效連接。
8.按照權利要求3至7中任一項所述的裝置，其特徵在於，泵輪(2)在它的外圓周上具有一個齒部(6)，該齒部和一個由內燃機的驅動軸(3)驅動的小齒輪(7)嚙合。
9.按照權利要求8所述的裝置，其特徵在於，至少另一輔助裝置可通過一個驅動小齒輪(21)驅動，其中，該驅動小齒輪(21)和泵輪(2)的齒部(6)嚙合。
10.按照前述權利要求中任一項所述的裝置，其特徵在於，可接通的渦輪機離合器(1)可通過一個流體迴路(22)注入流體，其中，為了注入流體在流體迴路(22)中設置一個第一可接通的閥門(23)，並且通過一個第二可接通的閥門(24)進行渦輪機離合器(1)的排空。
11.按照權利要求10所述的裝置，其特徵在於，藉助一個高壓管道(25)進行注入，其中，藉助一個泵(26)從一個貯存容器(27)輸送流體，並且在壓力下輸送到高壓管道(25)中。
12.按照權利要求10或11所述的裝置，其特徵在於，所述流體迴路(22)是用於潤滑內燃機的油迴路的一部分。
13.按照權利要求10或11所述的裝置，其特徵在於，所述流體迴路(22)是用於冷卻內燃機的水迴路的一部分。
14.用於將一個空氣壓縮機耦合到車輛上作為驅動馬達運行的內燃機的驅動軸上的裝置的操作方法，其特徵在於，由一個控制單元(29)詢問一個設置在壓縮空氣設備中的壓力傳感器(28)，然後由控制單元(29)確定是低於最小壓力還是超過最大壓力，其中，-當低於最小壓力時控制單元(29)打開第一可接通的閥門(23)，這樣，流體就可流入到流體迴路(22)中，-當超過最大壓力時控制單元(29)關閉第一可接通的閥門(23)，並且將第二可接通的閥門(24)打開，這樣，流體就可從流體迴路(22)中排出。
15.按照權利要求14所述的方法，其特徵在於，在流體迴路(22)中設置一個注入量傳感器(30)，為了測定實際的注入量控制單元(29)周期性地詢問該注入量傳感器，並且控制單元(29)藉助可接通的閥門(23，24)根據同樣由控制單元(29)所測得的內燃機和/或空氣壓縮機和/或壓縮空氣設備的運行參數來控制注入量。
16.按照權利要求14或15的任一項所述的方法，其中，空氣壓縮機是一種往復運動活塞-空氣壓縮機，其特徵在於，控制單元(29)通過傳感器機構(31)監控空氣壓縮機的運行周期，並且在每個運行周期中、當空氣壓縮機的往復運動活塞即將到達它的上死點之前控制單元通過可控制的閥門(23，24)短時間地如此降低注入量，即，渦輪機離合器不將大的扭矩傳遞到與空氣壓縮機的驅動-旋轉方向相反的旋轉方向。
17.按照權利要求14或15的任一項所述的方法，其中，空氣壓縮機是一種往復運動活塞-空氣壓縮機，其特徵在於，控制單元(29)最大僅如此程度地提高注入量，即通過此措施所產生的渦輪機離合器的滑轉使渦輪機離合器不能傳遞短時間與空氣壓縮機的驅動方向相反出現的扭矩。
全文摘要
本發明的主題是一種將空氣壓縮機耦合到車輛上的作為驅動馬達運行的內燃機的驅動軸上的裝置，其中，該空氣壓縮機給壓縮空氣設備供氣，以及操作這樣一種裝置的一種方法。該裝置包含一個可接通的渦輪機離合器，它的泵輪可通過內燃機的驅動軸驅動，並且通過作為工作介質的流體驅動渦輪，該渦輪就它而言和待驅動的空氣壓縮機的軸有效連接。其中，該裝置是如此地運行的，即該裝置根據壓縮空氣設備中的壓力接通，其中，如此地控制渦輪機離合器，即它不傳遞空氣壓縮機的負扭矩。
文檔編號F16D33/16GK1680715SQ200510064049
公開日2005年10月12日 申請日期2005年4月6日 優先權日2004年4月6日
發明者H·默勒 申請人:德國曼商用車輛股份公司