专利名称：将空气压缩机耦合到内燃机的驱动轴上的装置和方法
技术领域：
本发明的主题是一种用于将一个空气压缩机耦合到一个作为在一个车辆上的驱动马达运行的内燃机的驱动轴上的装置，其中空气压缩机给一个压缩空气设备供气，本发明的主题还是用于操作这样一种装置的方法。
背景技术：
在今天普通拥有压缩空气设备的车辆上，空气压缩机是通过相应的传动装置直接和内燃机的驱动轴耦合的。
由空气压缩机提供到压缩空气设备中的空气量是通过设置在压缩空气设备中的过压阀如此地调节的，即当超过最大压力时多余的空气通过所述的过压阀放出。
这类装置虽然结构简单，但是没有考虑当今要求燃油消耗最小化。此外它还有下述缺点，即在所采用的往复运动活塞型的空气压缩机中，所产生的当超过上死点后通过反膨胀执行一个负的扭矩的特性导致前置的齿轮传动装置的齿面抬起。这种齿面变换又是产生令人极为不快的噪声的主要原因，同时提高了参与工作齿轮的磨损。
发明内容
根据上述情况本发明的任务是提供一种将空气压缩机耦合到在一个车辆中的一个作为驱动马达运行的内燃机的驱动轴上的装置，这种装置使内燃机的燃料消耗最小化，并且不传递负的扭矩。
此外，本发明的任务是提供一种用于操作根据本发明的装置的方法。
这个任务通过根据权利要求1的特征所述的一种装置、以及通过按照权利要求14的特征所述的一种方法来完成。
根据本发明的装置或者根据本发明的方法的有利方案分别在各从属权利要求中给出。
在完成此任务时是以此为依据的即所要求的装置必须考虑主要是在提出任务时暗示包含的情况，即，该装置不允许有对行驶性能、或者行驶舒适性有负面影响，就像在突然加速过程或者减速过程中感觉到的突然出现的扭矩波动，或者仅感觉到内燃机噪声级的变化时产生的那种负面影响。
考虑了这种基本要求发现，流体动力性的耦合或者还有涡轮机离合器-只要它能接通-就通过可传递的力矩的滞后的形成一方面可满足这种暗示的基本要求，另一方面也完成了所述任务。
使用一个可按通的涡轮机离合器作为在内燃机的曲轴和空气压缩机之间的传动机构使得有利地在必要时接通空气压缩机成为可能，而感觉不到某些突然的扭矩波动和随后的突然的小加速或者减速过程，或者内燃机的噪声级的突然变化。
使用一种所谓的注入控制的涡轮机离合器是特别有利的，因为通过此措施可有目的地提高或者减小由涡轮机离合器传递的扭矩。
泵轮可旋转地支承在和空气压缩机有效连接的轴上，或者特别优选地支承在和该轴防旋转连接的涡轮上，使得根据本发明的一种特别紧凑的结构成为可能。这种类型的装置可以有选择地设计为仅具有一个同心地设置在涡轮-和泵轮中的流体室系统的单涡轮机离心器，或者在提高对可传递的力矩的要求时设计为具有两个同心地设置在涡轮-泵轮中的流体室系统的双涡轮机离合器。
由内燃机的曲轴驱动的泵轮由于持续地被驱动、也就是用该曲轴以一种可规定的转速比转动，因而该泵轮适合作为驱动内燃机的一个或者多个另外一些辅助装置的中间机构使用，例如转向助力泵、照明发电机等。
在这种情况下特别有利的是，在泵轮的外圆周上设置一个齿部，该齿部一方面和一个由驱动轴驱动的小齿轮啮合，另一方面和另所述其它辅助设备的驱动小齿轮相啮合；因为这样涡轮机离合器的功能可以有利地集成到一个传动链的一个齿轮中，并且由于辅助装置要求驱动力矩从而防止由于空气压缩机撞击齿面的问题。
最好利用设置在涡轮机离合器的流体回路中的两个可接通的阀门实现对于所述涡轮机离合器的注入和排空，其中所述注入通过一个高压管道进行，所述排空通过在涡轮机离合器中起作用的离心力实现。在这种情况下，流体回路最好是内燃机的油回路或者冷却水回路的一部分。
在这种情况下，用于耦合空气压缩机的装置最好按照一种方法运行，该方法一方面根据车辆的压缩空气系统中的压力接通涡轮机离合器，这对燃料需求的最小化有所贡献，另一方面该方法如此地控制对于涡轮机离合器的注入，即空气压缩机不能传递大的负扭矩、即通过空气压缩机的压缩室中的反膨胀所引起的、与空气压缩机的驱动旋转方向相反的扭矩。除了流体室为此的优化设计外，这还可有利地通过下述措施达到即该涡轮机离合器或者是持续地，或者特别有利地只是在出现负的扭矩时才以如此之多的滑转运行，即不通过所述涡轮机离合器传递这些负的扭矩。
下面借助附图对根据本发明的装置以及用于操作该装置的根据本发明的方法的其它方面进行示例性的讨论。附图示出图1 一个集成到一个传动链上的一个齿轮中的涡轮机离合器，作为可接通的空气压缩机驱动机构。
图2 设计为双涡轮机离合器的根据图1的实施例。
图3 用于控制根据图2的涡轮机离合器的流体回路。
具体实施例方式
如图1简化所示，为了驱动一个空气压缩机设置了一个涡轮机离合器1，该涡轮机离合器的涡轮4抗扭转地设置在驱动空气压缩机(未示出)的轴5上。所述涡轮4具有一个大直径的第一分区域9和一个小直径的第二分区域10。涡轮机离合器1的泵轮2设计为环形的旋转体，并且用它的内直径可转动地如此地支承在涡轮4的第二分区域10上，即涡轮4和泵轮的彼此面对的侧分界面11，12彼此相邻。在涡轮4和泵轮2中与旋转轴线8同心地基本成半地、以它们的一半彼此对置地、分别穿过泵轮2和涡轮4的第一分区域9的相邻的侧分界面12，11地设置流体室13。流体通过一个支架固定地设置在空气压缩机上的流体供应通道19输送到流体室13，并且通过所述环绕的流体输送槽15和流体输送通道14到达流体室13中，该流体室形成涡轮机离合器1的工作室。为了排空涡轮机离合器1，同样设置和流体室13相连接的流体排除通道16，该流体排除通道通过一个流体排空槽17和一个与空气压缩机位置固定的流体排除通道20将流体从流体室13中排出。
该装置的驱动是通过内燃机(未示出)的驱动轴3进行的。为此目的在驱动轴3上设置一个小齿轮，该小齿轮和一个设置在泵轮2的外圆周上的齿部6啮合。通过齿部6驱动一个和这个齿部啮合的驱动小齿轮21。该小齿轮本身对另一辅助装置起作用，并且驱动这个辅助装置。
关于辅助装置可以是转向助力泵、照明发电机等。
在图2中同样简化地表示一个相对于图1的实例作了扩展的实施形式。因为所示实施例除了所述的扩展部位外都和图1所示的装置相同，因此关于这些相同部件的描述请参见关于图1的说明。
在图2的装置中涉及的是一种双涡轮机离合器。对于这应理解为两个平行的流体室系统同时起作用。为此目的除了第一分区域9和第二分区域10外还给形成涡轮4的旋转体增设了一个第三分区域18，该第三分区域的直径基本上与第一分区域9的直径相对应。因为为了支承泵轮2，涡轮4的第二区域10必须是可触及到的，所以涡轮4分成两个分体，其中未示出的分界面与旋转轴线8相切地设置在涡轮4的第二分区域10中。假若现在将泵轮2可转动地设置在第二分区域10上，则可通过下述措施平行于第一流体室系统地实现一个第二流体室系统其它流体室13a与旋转轴线8同心地、基本成半地、彼此对置地、穿过泵轮2和涡轮4的第三分区域18的分别相邻的分界面地设置在涡轮4的第三分区域18和泵轮2的对置的部分中。
双涡轮机离合器的优点很明显。只要外部尺寸不是很大时就可以传递双倍扭矩。
联系图1和图2说明的装置的特征在于，涡轮机离合器集成到一个齿轮中，因此它成为了简单齿轮意义上的一个传动链中的一个环节，但是同时它是可接通的，并且具有可控制的传递特性，它从这个传递链中为空气压缩机引出驱动力矩。
下面借助图3和必要时借助图2对操作上述装置的根据本发明的方法进行更详细的讨论。
如上所述，根据本发明的装置用于根据实际的压缩空气的需要接通一个装备有一个压缩空气设备的、借助一个内燃机驱动的车辆的空气压缩机，以便使燃油需求最小化。下述说明以此为依据内燃机在运行中。
如上所述，涡轮机离合器22以已知的方式用于传递作为工作介质的一种流体的扭矩，该流体通过一个外部的流体回路22输送到涡轮机离合器1。流体回路22从一个贮存容器27出发，经过一个泵26、一个高压管道25、一个第一可接通的阀门23、必要时经过其它的管道通给和空气压缩机位置固定的流体供应管道19，该流体供应管道又经过流体输送槽15和流体输送管道14与流体室13，13a连接。为了排空涡轮机离合器1，流体排除通道16经过流体排空槽17、与空气压缩机位置固定的流体排除通道20、以及必要时其它管道和一个第二可接通的阀门24从流体室13，13a返回到贮存容器27。
正如已述的，流体回路22可以是内燃机油回路的一部分，或者是内燃机冷却水回路的一部分。在这种情况下，为了输送流体的而设置的泵26或者是内燃机的油泵，或者是其冷却水泵。若在涡轮机离合器中使用的流体是一种专门的介质，则为了使泵26工作而需要一种合适的驱动机构，在该实例中是一个马达32。
为了对空气压缩机的运行进行控制，设置了一个控制单元29，它可以由在今天普通的车辆上使用的车辆电子控制机构组成，或者是其中的分部件。
在内燃机处于工作状态时借助控制单元29对一个设置在压缩空气设备中的压力传感器28周期性地进行询问，并且将如此确定的、和压缩空气设备中的实际压力成比例的测量值与一个所存储的最小值或者最大值进行比较。若该比较得出低于所存储的最小值，则控制单元29打开第一可接通的阀门23，这样，由泵26从贮存容器27输送到高压管道25中的流体经过该阀门、所述位置固定的流体供应通道19、流体输送槽15和流体输送通道14到达流体室13，13a中。在这一时刻第二可接通的阀门24关闭，这样，流体室13，13a注入流体、也就是工作介质。随着流体室13，13a中的液位的提高，涡轮机离合器1开始将扭矩传递到与空气压缩机有效连接的轴5上，这样随着涡轮机离合器1中的滑转的降低这个空气压缩机柔和地起动。通过这种柔和的起动避免了扭矩的任何突然的变化，因此空气压缩机的接通对车辆的行驶性能和噪声级没有明显的影响。
流体回路的注入量是通过控制单元29借助一个注入量传感器30如此地调节的，即在涡轮机离合器1中存在的注入量允许涡轮机离合器1中的一个预先规定的滑转，以防止由涡轮机离合器1传递已提到的在往复运动活塞型的空气压缩机中出现的负的扭矩。上述注入量传感器30例如可设计为一个流体输送管道中的流量计，或者在一个简化的实施形式中设计为决定第一可接通的阀门23的打开时间的限时元件。在一个替代的实施形式中可通过下述措施对这方面提供支持，即，只要出现负的扭矩时就短时间地减少涡轮机离合器1的注入量。这点借助控制单元29通过短时打开用于排空的第二可接通的阀门24和通过短时打开用于重新注入的第一可接通的阀门23来实现。对于打开和关闭第二可接通的阀门24或者第一可接通的阀门23的时刻是由控制单元29通过对空气压缩机的运行周期的监控来测定的。为此，采用了例如一个转角传感器形式的传感器机构31，通过该传感器机构所述与这些传感器机构相连的控制单元29测定对由于空气压缩机的活塞超过上死点而出现的负转距进行补偿的时刻。在打开第二可接通的阀门24时通过有效的离心力使所述涡轮机离心泵很快排空，这样，通过阀门23，24的快速换向可将涡轮机离合器1的注入量的降低限制在很短的时间范围内。
若控制单元29通过压力传感器28测定车辆压缩空气设备中的超过最大允许的压力，则借助控制单元29通过打开第二可接通的阀门24将涡轮机离合器1排空。无论是在注入过程中还是在排空过程中，通过对第一可接通的阀门23或者第二可接通的阀门24的有节拍的控制，所述注入速度或者排空速度均可和空气压缩机的所希望的接通-或者断开特性相匹配。
最后应该提到的是，空气压缩机1的接通或者断开也可以根据压缩空气设备的、内燃机或者空气压缩机本身的其它工作参数进行，为此只须将该控制单元29和相应的受这些部件影响的传感器和/或这些部件的控制机构连接起来。
若涡轮机离合器1中所使用的工作介质既不是内燃机的油回路中的油，也不是内燃机冷却水回路中的冷却水，而是一种专门的流体，则泵26的驱动通过一个分开的发动机32进行。然后根据当时的输送需要由控制单元29对该发动机进行控制。
当然，上述无论是装置的实施例还是操作该装置的方法的实施例可用技术人员熟悉的结构措施在不脱离本发明的基本构思的情况下可以多种多样的方式进行设计，因此，所述实施形式仅具有示例性的特点。
权利要求
1.用于将一个空气压缩机耦合到一个车辆的作为驱动马达运行的内燃机的驱动轴上的装置，其中，空气压缩机给压缩空气设备供气，其特征在于，所述装置含有一个可接通的涡轮机离合器(1)，它的泵轮(2)可通过内燃机的驱动轴(3)驱动，并且通过作为工作介质的流体驱动涡轮(4)，该涡轮本身和待驱动的空气压缩机的轴(5)有效连接。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可接通的涡轮机离合器(1)是一个充气控制的涡轮机离合器。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，涡轮(4)防扭转地设置在一个与空气压缩机有效连接的轴(5)上，泵轮(2)可转动地支承在涡轮(4)上，或者支承在与空气压缩机有效连接的轴(5)上，并且和内燃机的驱动轴(3)有效连接。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，-涡轮(4)通过一个第一旋转体形成，该旋转体从它的旋转轴线(8)的方向看由至少两个分区域(9，10)构成，其中，一个第一分区域(9)具有一个大直径，一个第二分区域(10)相对于第一分区域(9)具有一个较小的直径，-泵轮(2)通过一个环形的旋转体形成，该旋转体如此地可转动地设置在具有小直径的第二分区域(10)中的涡轮(4)上，即，泵轮(2)和涡轮(4)的各侧面分界表面(11，12)彼此紧邻，-涡轮机离合器(1)的流体室(13)与其旋转轴线同心地基本上成半个地、以它的半室彼此面对地、穿过泵轮(2)和涡轮(4)的第一分区域(9)相邻的侧分界表面(12，11)地设置在涡轮(4)的第一分区域(9)和泵轮(2)中，-设置至少一个流体输送通道(14)，该流体输送通道由一个离轮毂近的流体输送槽(15)给流体室(13)提供流体，-至少设置一个流体排除通道(16)，该流体排除通道将流体从流体室(13)排除到离轮毂远的流体排空槽(17)中。
5.按照权利要求4所述的装置，其特征在于，-形成涡轮(4)的旋转体从它的旋转轴线(8)的方向看具有一个第三分区域(18)，其中，这个第三分区域具有一个和第一分区域(9)的直径大约相应的直径，-涡轮分成两个分体，其中，与旋转轴线(8)相切的分界面在具有第二小直径的第二分区域(10)中延伸，-泵轮(2)可旋转地设置在涡轮(4)的第一和第三分区域(9，18)之间，其中，泵轮(2)的侧面的分界面中的一个分别和涡轮(4)的第一和第三分区域(9，18)的内置的侧面的分界面中的一个紧相邻，-与旋转轴线(8)同心地设置其它的流体室(13a)，该流体室基本上成半个地彼此面对地、穿过泵轮(2)和涡轮(4)的第三分区域(18)的相邻的侧面的分界面地设置在涡轮(4)的第三分区域(18)和泵轮(2)中。
6.按照权利要求4或5的任一项所述的装置，其特征在于，-一个位置固定的流体供应通道(19)和流体输送槽(15)连接，-一个位置固定的流体排除通道(20)和流体排空槽(17)连接，-设置一个和流体供应通道(19)、并且和流体排除通道(20)相连接的流体回路(22)，通过该回路可在外部对流体室(13，13a)进行控制、加注和排空。
7.按照权利要求3至6中任一项所述的装置，其特征在于，泵轮(2)和至少另一个将要通过内燃机的驱动轴(3)驱动的辅助装置有效连接。
8.按照权利要求3至7中任一项所述的装置，其特征在于，泵轮(2)在它的外圆周上具有一个齿部(6)，该齿部和一个由内燃机的驱动轴(3)驱动的小齿轮(7)啮合。
9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于，至少另一辅助装置可通过一个驱动小齿轮(21)驱动，其中，该驱动小齿轮(21)和泵轮(2)的齿部(6)啮合。
10.按照前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，可接通的涡轮机离合器(1)可通过一个流体回路(22)注入流体，其中，为了注入流体在流体回路(22)中设置一个第一可接通的阀门(23)，并且通过一个第二可接通的阀门(24)进行涡轮机离合器(1)的排空。
11.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，借助一个高压管道(25)进行注入，其中，借助一个泵(26)从一个贮存容器(27)输送流体，并且在压力下输送到高压管道(25)中。
12.按照权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述流体回路(22)是用于润滑内燃机的油回路的一部分。
13.按照权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述流体回路(22)是用于冷却内燃机的水回路的一部分。
14.用于将一个空气压缩机耦合到车辆上作为驱动马达运行的内燃机的驱动轴上的装置的操作方法，其特征在于，由一个控制单元(29)询问一个设置在压缩空气设备中的压力传感器(28)，然后由控制单元(29)确定是低于最小压力还是超过最大压力，其中，-当低于最小压力时控制单元(29)打开第一可接通的阀门(23)，这样，流体就可流入到流体回路(22)中，-当超过最大压力时控制单元(29)关闭第一可接通的阀门(23)，并且将第二可接通的阀门(24)打开，这样，流体就可从流体回路(22)中排出。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，在流体回路(22)中设置一个注入量传感器(30)，为了测定实际的注入量控制单元(29)周期性地询问该注入量传感器，并且控制单元(29)借助可接通的阀门(23，24)根据同样由控制单元(29)所测得的内燃机和/或空气压缩机和/或压缩空气设备的运行参数来控制注入量。
16.按照权利要求14或15的任一项所述的方法，其中，空气压缩机是一种往复运动活塞-空气压缩机，其特征在于，控制单元(29)通过传感器机构(31)监控空气压缩机的运行周期，并且在每个运行周期中、当空气压缩机的往复运动活塞即将到达它的上死点之前控制单元通过可控制的阀门(23，24)短时间地如此降低注入量，即，涡轮机离合器不将大的扭矩传递到与空气压缩机的驱动-旋转方向相反的旋转方向。
17.按照权利要求14或15的任一项所述的方法，其中，空气压缩机是一种往复运动活塞-空气压缩机，其特征在于，控制单元(29)最大仅如此程度地提高注入量，即通过此措施所产生的涡轮机离合器的滑转使涡轮机离合器不能传递短时间与空气压缩机的驱动方向相反出现的扭矩。
全文摘要
本发明的主题是一种将空气压缩机耦合到车辆上的作为驱动马达运行的内燃机的驱动轴上的装置，其中，该空气压缩机给压缩空气设备供气，以及操作这样一种装置的一种方法。该装置包含一个可接通的涡轮机离合器，它的泵轮可通过内燃机的驱动轴驱动，并且通过作为工作介质的流体驱动涡轮，该涡轮就它而言和待驱动的空气压缩机的轴有效连接。其中，该装置是如此地运行的，即该装置根据压缩空气设备中的压力接通，其中，如此地控制涡轮机离合器，即它不传递空气压缩机的负扭矩。
文档编号F16D33/16GK1680715SQ200510064049
公开日2005年10月12日 申请日期2005年4月6日 优先权日2004年4月6日
发明者H·默勒 申请人:德国曼商用车辆股份公司