涡轮复合单元的制作方法

本发明涉及用于将排气的能量转化为例如到内燃机的发动机曲轴的扭矩输入的装置。更特别地，本发明涉及对这种涡轮复合装置的设计和控制的改进。

本发明适用于重型车辆，例如卡车、大客车和工程机械。虽然在下文中将参考卡车描述本发明，但本发明不限于这种特定的车辆，而是也可用在利用涡轮复合装置的其它应用中，例如航空系统和航海系统。

背景技术：

涡轮复合单元是用于将排气流的能量的一部分回收并将该能量转化为轴的旋转运动的车辆部件。轴的旋转运动作为扭矩增量被传递到车辆的发动机曲轴。通常，涡轮复合单元具有轴，其中涡轮机叶轮布置在一个远端部处。当内燃机运行时，排气将流入涡轮复合单元中并使涡轮机叶轮旋转。因此，涡轮复合单元的轴将相应地旋转。该轴的相反的另一端设有带齿的轮，所述带齿的轮与另外的齿轮啮合，从而引起所述轴和曲轴之间的旋转连接。当所述轴由于流过涡轮复合单元的排气而旋转时，所述轴的旋转能量将作为扭矩增量被传递到曲轴。

涡轮复合单元的使用已被证明对行驶经济性和环境提供了有利优势；从排气流中回收能量实际上将降低车辆的燃料消耗。

US 2009/0139231描述了一种涡轮复合单元，对于所述涡轮复合单元，涡轮机叶轮的旋转能量经由液压离合器和自由轮传递到曲轴。该自由轮被结合到在涡轮机和发动机曲轴之间的传动路径中，以在涡轮机速度低于可比较的发动机速度时使涡轮机与发动机断开。液压离合器被提供用于减少来自曲轴的旋转振荡。

虽然涡轮复合单元防止涡轮机被发动机驱动，但仍存在的风险是：涡轮复合单元的旋转部件经受超速，例如在错误换档的情形中。因为这可能导致损坏和故障，所以，对于不仅通过允许涡轮机到自由轮而且允许控制涡轮机转速的改进的方案，存在着需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种克服现有技术的上述缺点的涡轮复合单元。

根据第一方面，该目的通过根据权利要求1所述的涡轮复合单元实现。根据第二方面，该目的通过根据权利要求12所述的涡轮复合单元实现。根据第三方面，该目的通过根据权利要求19所述的方法实现。

通过提供包括制动装置的涡轮复合单元，能够主动地控制涡轮复合单元的关键部件(例如涡轮机)的转速。

根据实施例，被构造为将涡轮机设备以可操作方式连接到曲轴的装置包括齿轮机构(gearing)。该齿轮机构可包括至少一个齿轮，所述齿轮具有用于与曲轴的相应齿轮啮合的齿，并且其中，惰转装置(freewheeling means)被设置为布置在所述齿的径向内侧的自由轮离合器(freewheel clutch)。在此，通过如下事实提供了优势，即：该自由轮离合器不需要另外的空间，而是可结合在涡轮复合单元的现有部件中。

在一个实施例中，制动装置包括盘式离合器。所述盘式离合器可设置在轴的一个端部处，并且自由轮离合器可布置到同一个轴上。这是有利的，因为所述轴可与曲轴相邻地设置，使得自由轮离合器和制动装置影响涡轮复合单元的旋转部件中的大部分的运行。

在一个实施例中，自由轮离合器与所述盘式离合器相邻地布置，由此，自由轮离合器和盘式离合器可在不拆卸齿轮的情况下受到维护。

在另一个实施例中，自由轮离合器和盘式离合器布置在所述轴的相反两端，由此，所述轴的涡轮机侧的通常可用的空间可用于容纳盘式离合器。

在一个实施例中，盘式离合器通过活塞被液压地促动。这是有利的，因为提供了有效的促动，从而允许迅速的响应和精确的扭矩控制。

在一个实施例中，所述轴包括机油管道，用于将润滑流体提供到自由轮离合器和/或盘式离合器。因此，所述轴的内部空间可用于形成润滑管道，而不需要额外的空间。

在一个实施例中，惰转装置和制动装置通过离合器来提供，所述离合器具有用于使涡轮机设备与曲轴接合的连接模式、用于使涡轮机设备从曲轴断开的惰转模式、以及用于使涡轮机设备相对于曲轴制动的制动模式。因此，通过将自由轮和制动装置结合在单体装置中，实现了更简单的技术方案。

在一个实施例中，涡轮复合单元还包括控制器，所述控制器具有：至少一个输入，用于接收表示涡轮复合单元的运行状态的信号；确定单元，所述确定单元被构造为确定涡轮复合单元的期望运行状态并计算相应的控制信号；和至少一个输出，用于将控制信号传送到制动装置和/或惰转装置。因此，能够为了最优性能而主动地控制涡轮复合单元的运行。

在一个实施例中，控制器的输入被构造为接收表示相关联的内燃机的发动机扭矩和发动机速度的信号，并且其中，所述确定单元被构造为确定涡轮机设备中的机油泄漏的风险。这种实施例是有利的，因为该实施例能够消除对缓冲空气系统的需求，否则会需要所述缓冲空气系统来防止机油泄漏到涡轮复合单元的排气路径中。

在一个实施例中，控制器的输入被构造为接收表示涡轮机设备的转速的信号，并且其中，所述确定单元被构造为确定由于发动机超速导致故障的风险。该实施例是有利的，因为制动装置可被激活以防止故障。

在一个实施例中，控制器的输入被构造为接收表示当前驱动模式的信号，并且所述确定单元被构造为确定涡轮复合单元的过度摩擦的风险，即：当从涡轮复合单元到发动机的净输出扭矩为零或低于零时的风险。

在另一个实施例中，控制器的输入被构造为接收表示内燃机的启动的信号，并且其中，所述确定单元被构造为确定过度载荷作用在相关联的起动机(starter)上的风险。

在如下的描述和从属权利要求中公开了本发明的其他优势和有利特征。

本发明还涉及包括具有曲轴和涡轮复合单元的内燃机的内燃机系统，并且涉及包括涡轮复合单元的车辆。

附图说明

参考附图，下面将更详细地描述作为示例阐述的本发明的实施例。

在这些图中：

图1是根据实施例的车辆的侧视图，

图2是根据实施例的内燃机的示意图，

图3是根据实施例的涡轮复合单元的截面图，

图4是根据实施例的涡轮复合单元的自由轮的等距截面图，

图5是根据实施例的涡轮复合单元的自由轮和制动装置的截面图，

图6是示出了作为与涡轮机联接的内燃机的扭矩和内燃机的速度的函数的、涡轮机之后的压力的图，

图7是示出了对于给定的发动机载荷的涡轮复合单元的涡轮机之后的压力与内燃机速度之间的关系的图，

图8是根据另一实施例的涡轮复合单元的自由轮和制动装置的截面图，

图9是根据实施例的涡轮复合单元的自由轮装置的截面图，

图10是根据实施例的方法的示意图，并且

图11是根据实施例的涡轮复合单元的自由轮装置和制动装置的截面图。

具体实施方式

从图1开始，示出了车辆1。被示意为卡车的车辆1具有用于驱动车辆1的内燃机10。如下文中将进一步解释的，车辆1的内燃机10设有根据多种实施例的涡轮复合单元100。车辆1可具有另外的推进单元，例如电动驱动装置等，只要所述车辆具有至少一个提供与涡轮复合单元100相互作用的排气流的发动机即可。因此，车辆1非排它性地为卡车，而是也可以代表多种重型车辆，例如大客车、工程机械等。

图2中示出了内燃机10的示例。内燃机10包括多个气缸20，所述气缸20运行以燃烧诸如柴油或汽油的燃料，由此将活塞在气缸20中的往复运动转换为曲轴30的旋转运动。曲轴30进一步联接到变速器(未示出)，用于将扭矩提供到驱动元件(未示出)。在例如卡车的重型车辆的情形中，该驱动元件是车轮；然而，内燃机10也可以用于其它设备，例如工程机械、航海应用等。

内燃机10还包括排气系统40，该排气系统40的目的是回收排气流中的能量的至少一部分，以提高内燃机10的性能。在所示出的示例中，排气离开气缸20并进入歧管42，该歧管42进一步连接到涡轮增压器50的入口52。排气流使涡轮机叶轮54旋转，该旋转被转化为压缩机叶轮56的相应旋转，该压缩机叶轮56用于在将进入空气引入到气缸20中之前压缩所述进入空气。涡轮增压器50的结构及功能技术要求在本领域内是已知的，因此将不进一步详述。

排气离开涡轮增压器50流动到涡轮复合单元100，可选地经由排气压力调节器(未示出)。所述进入排气(其一部分能量已用于驱动涡轮增压器50的涡轮机叶轮54)被引导通过涡轮复合单元100的涡轮机叶轮102，因此使涡轮机叶轮102和相关联的涡轮机轴104旋转。涡轮机轴104的旋转经由液压联接器110以及自由轮120和制动装置130转换为带齿的轮200的相应旋转。自由轮120和/或制动装置130连接到控制单元300，该控制单元300用于执行多种方法以控制自由轮120和/或制动装置130的运行。所述带齿的轮200与另外的齿轮机构205啮合，以将涡轮机轴104联接到曲轴30。因此，在迫使涡轮机叶轮102旋转时，涡轮机轴104将向曲轴130提供另外的扭矩。

图3中进一步详细示出了涡轮复合单元的实施例。涡轮复合单元100与涡轮增压器50串联布置，但涡轮复合单元100的其它实施例不包括涡轮增压器50的这种设置。

离开涡轮增压器50的出口58的排气被引导到涡轮复合单元100的轴流式或径向流入式(未示出)的涡轮机叶轮102，由此使涡轮机叶轮102开始旋转。涡轮机叶轮102的旋转被传递到涡轮机轴104，由此，涡轮机叶轮102和涡轮机轴104形成涡轮机设备105。提供了减速齿轮机构106，用于调节涡轮机设备105的转速，使得所述转速与曲轴30的转速(即内燃机10的速度)相对应。因此，减速齿轮机构106形成了被构造为将涡轮机设备105以可操作方式连接到曲轴30的装置的至少一部分。

提供了液压离合器110，以减小来自曲轴30的扭矩波动。涡轮机设备105布置在液压离合器110的主侧(primary side)，即，通常与扭矩输入相关联的一侧，而自由轮120和制动装置130设置在副侧(secondary side)，即，通常与扭矩输出相关联的一侧。

如图3所示，自由轮120和制动装置130设置在公共轴140上，所述公共轴140形成了减速齿轮机构106的一部分。事实上，轴140可在相反两端处设有两个齿轮142a、142b，其中一个齿轮142a与曲轴30连接，而另一个齿轮142b与液压离合器110的副侧连接。

具有轴向间隔开的两个齿轮142a、142b的轴140通常被称为大齿轮(bull gear)。图4中示出了根据实施例的大齿轮。轴140设有第一齿轮142a，该第一齿轮142a具有齿144a，所述齿144a用于与相邻的曲轴30的齿轮的相应齿啮合。第二齿轮142b设置在相反的另一端处，用于将大齿轮与液压联接器110的输出侧(即，副侧)连接。自由轮120被设置为布置在所述齿144a的径向内侧的自由轮离合器。该自由轮离合器优选被构造为使得其在一个方向上通过摩擦来传递或支持扭矩，并允许在相反的方向上空转。这通过将多个楔块(sprag)145布置在滚子轴承146和球轴承147之间来实现。因此，所述轴将总是驱动齿轮142a，而齿轮142a则从不驱动所述轴140。

图5中进一步示出了大齿轮，其中该轴140设有制动装置130。制动装置130因此布置在液压联接器110的副侧，即，布置在与涡轮机设备105相反的一侧。制动装置130包括盘组件(disk package)132和活塞134，所述活塞134被构造为在液压激活时压紧所述盘组件132。第一组盘被固定地附接到轴140，而第二组盘被固定地附接到相邻的壳体。当盘组件132被压紧时，将限制轴140相对于壳体旋转。为此，轴140包括压力入口148，用于将液压流体供应到制动装置130。除此之外，还提供了机油入口149a，且所述机油入口149a连接到机油管道149b，用于将润滑流体提供到自由轮离合器。优选地，入口148、149a布置在轴140的轴向端处。

至此所述的涡轮复合单元100可提供改进的运行和降低的构造设计复杂性。已熟知的是，在特定的运行条件期间，涡轮机叶轮之后的压力可能降低，从而引起来自涡轮复合单元壳体(turbocompound housing)的抽吸压力，即，来自对涡轮机轴进行支撑的部件的抽吸压力。因为该抽吸压力可能将机油和其它润滑流体吸入到排气流中，所以希望总是涡轮机之后维持过压。针对该问题的现有解决方案包括提供缓冲空气，这意味着将加压空气供应到壳体和涡轮机叶轮之间的区域。

根据本申请的涡轮复合单元能够以不同的方式解决该问题。图6中示出了涡轮机叶轮之后的压力的图，该压力被示出为发动机速度和发动机扭矩的函数。对于涡轮复合单元的涡轮机叶轮之后的压力而言，对应于较低发动机扭矩下的较高发动机速度的虚线区域是关键的。因此，机油泄漏最可能在与该阴影区域相对应的运行条件下发生。

图7示出了另一个图，其中用实线将涡轮机之后的压力描绘为发动机速度的函数。然而，该图中也示出了：如果涡轮复合单元能够控制惰转装置(freewheeling means)120或制动装置130(虚线)时的涡轮机之后的压力。清楚的是，该制动或惰转(freewheeling)将维持的涡轮机之后的高压力，因此防止机油逸出到排气流中。为此，涡轮复合单元可包括控制器300，在图1中，所述控制器300被示出为具有：至少一个输入(input)302，用于接收表示涡轮复合单元100的运行状态的信号；确定单元304，该确定单元304被构造为确定涡轮复合单元100的期望运行状态并计算相应的控制信号；以及至少一个输出306，用于将控制信号传送到制动装置130和/或惰转装置120。从图6和图7明显可以看到，通过监测涡轮复合单元100的运行状态，例如在该情形中通过监测相关联的内燃机的运行状态，能够控制惰转装置120和/或制动装置130，从而允许涡轮复合单元100以最优的方式运行。

控制涡轮复合单元的以上示例通过控制器300来实现，该控制器300用作控制单元，且具有：至少一个输入302，用于接收表示涡轮复合单元100的运行状态的信号；确定单元304，该确定单元304被构造为确定与运行状态相关联的风险并确定相应的控制信号；和至少一个输出306，用于将控制信号传送到制动装置130和/或惰转装置120。

在参考图6和图7描述的实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示相关联的内燃机10的发动机扭矩和发动机速度的信号，且所述确定单元304被构造为确定机油泄漏的风险。

在另一个实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示涡轮机设备105的转速的信号。在这种实施例中，所述确定单元304可被预编程以评估超速的风险，所述超速可能导致涡轮机叶轮102的严重损坏。如果确实存在发动机超速的风险，则控制单元300可发出用于制动涡轮机设备105的输出信号。由于涡轮复合单元100可设计为接近其极限，这样的实施例是特别有利的，因为控制功能将防止损坏和故障。

在又一个实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示当前行驶模式的信号，且所述确定单元304被构造为确定当从涡轮复合单元到发动机的净输出扭矩为零或低于零时的风险。在运行期间可能发生一些情形，其中发动机10具有比涡轮复合单元100高的速度。通常这将对燃料消耗有负面影响，因为发动机10也必须驱动涡轮复合单元100。然而，控制器300可以确定存在在错误的方向上(即，从发动机10到涡轮复合单元100的方向上)传递扭矩的风险，并相应地使涡轮复合单元100制动或惰转。

在另外的实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示内燃机10的启动的信号。为最小化启动时的旋转质量，确定单元304可确定过度载荷作用在相关联的起动机上的风险，且控制器300可输出用于使涡轮复合单元100惰转的信号。

在另外的实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示相关联的排气后处理系统的状态的信号。确定单元304可被预编程以确定非最优的能量使用的风险，这种非最优的能量使用例如可表明：与涡轮复合单元100中相比，排气流的热量可更好地用在后处理系统中。因此，控制器300可输出用于使涡轮复合单元100惰转和/或制动的信号。

在一个实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示排气温度的信号。确定单元304被构造为确定相关联的排气后处理系统的不利运行的风险。因此，如果流入到涡轮复合单元中的排气的温度不足以允许相关联的后处理系统的最优运行，则控制器300可指令涡轮复合单元的惰转。

在又一个实施例中，控制器300的输入302被构造为接收表示发动机制动的信号，且所述确定单元304被构造为确定从涡轮复合单元到曲轴的非期望的扭矩传递的风险。

在图8中，示出了制动装置130和惰转装置120的实施例。该特定实施例由于如下事实是有利的，即：可更容易地提供维护，而不需要从涡轮复合单元上拆卸大齿轮。该大齿轮类似于图5中所示的，但制动装置130(即液压促动的联接器130)布置在自由轮离合器120的相反的另一侧。

在图9中，示出了惰转装置120的另一个实施例。在本实施例中，自由轮的功能是可控的。类似于参考图4和图5所描述的，自由轮装置120通过经由轴承146、147支撑在轴140上的齿轮142a形成。然而，在本实施例中不存在楔块，这意味着齿轮142a相对于轴140自由旋转。自由轮控制借助于自由轮联接器1200来实现，所述自由轮联接器1200在受到促动时将使齿轮142a与轴140连接，使得齿轮142a或轴140的旋转被传递到齿轮142a或轴140中的另一个。

自由轮联接器1200包括盘组件1210，所述盘组件1210具有固定地连接到轴140的第一组盘和固定地连接到齿轮142a的第二组盘。弹簧偏压的液压活塞1220可将第一组盘和第二组盘朝向彼此推压，使得在第一组盘和第二组盘之间不存在滑动或存在非常小的滑动。为了同步，活塞1220可包括非旋转部分1222和旋转部分1224；旋转部分1224被允许与齿轮142a或轴140一起旋转。旋转部分1224经由轴承1226布置在非旋转部分1222上。应认识到的是，形式为联接器1200的自由轮装置120可与例如根据参考图5描述的实施例的制动装置130结合。轴140的一端因此可设有自由轮联接器1200，而轴140的相反的另一端可设有制动装置130。

现在转到图10a，示意性地示出了用于控制涡轮复合单元的运行的方法200。该方法200包括：接收表示内燃机10或涡轮复合单元100的运行状态的信号的第一步骤202。如前文中所述，该信号例如可以是表示相关联的内燃机的发动机扭矩和发动机速度的信号、表示涡轮机设备的转速的信号、表示当前行驶模式的信号、或表示内燃机的起动的信号。

在随后的步骤204中，根据以上描述，该方法确定与运行状态相关联的风险(例如在涡轮机设备中的机油泄漏的风险)、由于超速导致故障的风险、涡轮机设备的过度摩擦的风险、或在相关联的起动机上的过度载荷的风险。

该方法然后执行步骤206，在步骤206中，生成控制信号，其中根据所确定的风险来构造所述控制信号。

方法200还包括将控制信号输出并传递到涡轮复合单元100的惰转装置120和/或制动装置130以控制涡轮复合单元100的运行的步骤208。

至此所述的实施例可要求制动装置130和/或惰转装置120的主动控制。在图5和图8中，制动装置130可通过提供液压流体促动活塞而被控制，然而，自由轮120是被动部件。图9中示出了主动的自由轮，即可控的自由轮。如果希望提供可控的惰转装置，则惰转装置120和制动装置130可通过离合器来提供，所述离合器具有用于使涡轮机设备105与曲轴30接合的连接模式、用于使涡轮机设备105从曲轴30断开的惰转模式和用于使涡轮机设备105相对于曲轴30制动的制动模式。惰转模式例如可通过将可控的联接器布置在大齿轮的两个齿轮142a、142b之间来实现。

图11中示出来这样的离合器1300的实施例。该离合器1300包括被构造为连接到曲轴的第一齿轮142a和被构造为连接到液压联接器110的输出的第二齿轮142b(见图3)。第一齿轮142a例如经由压配合而直接支撑到轴140上，而第二齿轮142b经由球轴承147支撑到轴140上。离合器1300还包括促动器1310，该促动器1310能够在与自由轮模式相对应的中性模式与其中齿轮142a旋转连接到齿轮142b的接合模式或其中齿轮142b连接到静止壳体1320的制动模式之间移动。图11示出了处于中性位置的促动器1310，即齿轮142b相对于轴140惰转。如果促动器1310可被控制为在图中向左移动，则促动器将使齿轮142b与壳体1320连接，从而将防止齿轮142b旋转。如果促动器替代地被控制为在图中从其中性位置向右移移动，则促动器将使齿轮142b与轴140连接，使得齿轮142b将随轴140旋转。可设置同步环1330以在接合之前使两侧的速度同步。

在优选实施例中，涡轮复合单元100还可包括弹性元件，所述弹性元件布置在曲轴和涡轮机设备105之间的某处。这种弹性元件(例如，其形式为并入在制动装置130和/或惰转装置120的盘联接器中的弹簧)将因此使液压联接器110且因此也将使涡轮机设备105与来自发动机的扭矩脉动隔离。

应理解的是，本发明不限于上文所述且在图中示出的实施例；而是，本领域普通技术人员将认识到，在所附权利要求的范围内可进行各种修改和变型。