專利名稱：渦輪復合式變速器和用于控制該渦輪復合式變速器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種潤輪復合式變速器,其包括潤輪復合式潤輪機(turbo compoundturbine),該潤輪復合式潤輪機由內(nèi)燃發(fā)動機的排氣驅動；以及聯(lián)接器(coupling),所述聯(lián)接器包括第一轉子和第二轉子，該第一轉子包括適于由所述渦輪機驅動的機械輸入驅動軸，該第二轉子包括適于連接到發(fā)動機曲軸的機械輸出驅動軸。特別地，本發(fā)明涉及重型或中型柴油發(fā)動機中的渦輪復合式變速器。
背景技術：
在用于把發(fā)動機排氣流中的能量回收給曲軸的渦輪復合式渦輪機系統(tǒng)中，設置有由排氣流驅動的渦輪復合式渦輪機、以及用于將動力從該渦輪機傳遞給曲軸的變速器。
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為了使這種變速器能夠在整個驅動循環(huán)內(nèi)將動力傳遞給曲軸，它需要滿足如下幾個要求該變速器必須將渦輪機轉速降低到曲軸轉速，這通常是20至50范圍內(nèi)的傳動比。此外，曲軸中的扭轉振動應當被隔離，以免它們傳遞到渦輪機軸。為了能夠在高運行轉速(例如，在發(fā)動機制動期間或由于不正確換檔而發(fā)生的、t匕正常的發(fā)動機推進轉速高的運行轉速)下承受由于離心力而引起的應力，該渦輪機的設計應當足夠穩(wěn)健。然而，增加穩(wěn)健性會對渦輪機的效率有不利影響。而且，在發(fā)動機制動期間，該動力渦輪機可能向曲軸提供動力，這并非所期望的，因為其本意在于當處于這種狀態(tài)時，發(fā)動機應當吸收能量。最后，在低扭矩(正扭矩)工作點期間，從渦輪機提取的動力小于傳遞損失，從而曲軸不得不驅動該渦輪機。這導致了低扭矩水平下的、發(fā)動機效率的損失。在現(xiàn)有技術中，例如，已通過把渦輪機轉速降低到曲軸轉速時的傳動比(20-50)拆分成幾個傳動比級(gear steps)而解決了上述問題。通常使用至少兩個傳動比級。在此情形中，由于渦輪機軸的高轉速(大約30000至80000rpm)，高速齒輪中通常存在非常顯著的損失。關于穩(wěn)健性，現(xiàn)有的方案是調(diào)整渦輪機系統(tǒng)的尺寸以承受過大的轉速，使得渦輪機在發(fā)動機制動或錯誤換檔期間不存在爆裂的風險。來自曲軸的扭轉振動通常在粘性阻尼器中受到抑制。然而，使用這種阻尼器將產(chǎn)生 1%的滑差，這導致了總的發(fā)動機效率的損失。利用常規(guī)方案，在發(fā)動機制動模式期間，來自該動力渦輪機的動力被饋送到曲軸，從而導致了總的發(fā)動機制動功率的損失。本發(fā)明的目的是提供一種渦輪復合式變速器，該渦輪復合式變速器提供了針對一個或多個上述問題的改進方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種渦輪復合式變速器，其包括
渦輪復合式渦輪機，該渦輪復合式渦輪機由內(nèi)燃發(fā)動機的排氣驅動；和聯(lián)接器，該聯(lián)接器包括第一轉子，該第一轉子包括適于由所述渦輪機驅動的機械輸入驅動軸，第二轉子，該第二轉子包括機械輸出驅動軸，所述變速器的特征在于，還布置有制動器，以制動所述渦輪機和限制所述渦輪機的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器被布置成當所述制動器進行制動而使所述聯(lián)接器受到高于預定扭矩極限的扭矩時，所述聯(lián)接器解除聯(lián)接。當被聯(lián)接時，該聯(lián)接器將在所述轉子之間傳遞固定的扭矩比和固定的傳動比。這里，“解除聯(lián)接”是指該聯(lián)接器將不再實現(xiàn)所述固定的扭矩比和固定的傳動比。有利地，該聯(lián)接器將變得完全解除聯(lián)接，從而不傳遞或基本不傳遞任何扭矩?！?br>
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制動器，該制動器旨在當發(fā)動機在過大的發(fā)動機轉速下運行時、當發(fā)動機處于發(fā)動機制動模式、或者當處于低的正扭矩(即，渦輪機動力小于傳遞損失)時，減小渦輪機的轉速或者使渦輪機停轉。有利地，能夠將渦輪機的轉速減小為零轉速(停轉)或接近于零轉速。當渦輪機減速時，所述聯(lián)接器的通常連接到發(fā)動機曲軸的機械輸出驅動軸與該渦輪機之間的聯(lián)接部分將受到扭矩。該聯(lián)接器適于傳遞所有低于預定扭矩極限的扭矩，但當聯(lián)接器上的扭矩高于所述預定扭矩極限時，該聯(lián)接器解除聯(lián)接。因此，能夠使渦輪機減速或停轉，而不影響發(fā)動機曲軸。該扭矩極限應選擇得足夠高，以便在渦輪機動力有助于發(fā)動機效率的發(fā)動機工作點處將動力從渦輪機傳遞到曲軸。由于可以在過大的發(fā)動機轉速下使渦輪機停轉，所以，這種渦輪機設計不必承受這種過大轉速，從而不會爆裂。相應地，能夠優(yōu)化該渦輪機的幾何形狀，以實現(xiàn)最好的熱力學效率。該潤輪機能夠設計成耐受爆裂轉速(burst speed),該爆裂轉速是這樣一種轉速它比相當于(曲軸最大轉速)* (曲軸和渦輪機之間的傳動比)的轉速更低。而且，通過使渦輪機停轉或將其減速到幾乎零轉速，所述制動器中消耗的動力變得可忽略不計。根據(jù)本發(fā)明，當發(fā)動機處于發(fā)動機制動模式時，也可以使該渦輪機減速或停轉。車輛中的發(fā)動機(尤其是重型或中型發(fā)動機)不僅用于產(chǎn)生推進動力(positive power),而且還用于在處于發(fā)動機制動模式時吸收動力。對于節(jié)約使用車輛的行車制動器而言，這是尤其有利的。當在發(fā)動機制動模式期間對渦輪機進行制動時，將無任何動力從渦輪機饋送到曲軸，因此，與現(xiàn)有技術的方案相比，改善了發(fā)動機制動時的動力性能。而且，如果渦輪機轉速能夠滯后于發(fā)動機轉速的增加，則改善了發(fā)動機轉速增加時出現(xiàn)的、發(fā)動機的瞬態(tài)工況(transient operation)。當潤輪機和曲軸之間的聯(lián)接器被解除聯(lián)接時，加速該渦輪機的慣性所需的扭矩并未對發(fā)動機曲軸施加載荷。而是，該渦輪機將由排氣驅動。當渦輪機轉速達到與曲軸轉速同步的同步轉速時，所述聯(lián)接器可以被重新聯(lián)接。因此，所述聯(lián)接器被有利地設計成當機械輸入驅動軸的轉速與機械輸出驅動軸的轉速基本相同時，所述聯(lián)接器能夠重新聯(lián)接。上述瞬態(tài)工況的一個實例是在曲軸的轉速快速變化期間，這可能增加正常變速(gear change)。該瞬態(tài)工況的另一個實例是由錯誤換檔引起的發(fā)動機轉速增大。在錯誤換檔之后，發(fā)動機轉速非?？斓卦龃蟆Ｒ虼?，該聯(lián)接器可以設計成在這種加速期間解除聯(lián)接，結果，使渦輪機保持低于其爆裂轉速。優(yōu)選地，所述聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器，并且所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力限定了所述預定扭矩極限，從而，所述磁力聯(lián)接器布置成當所述制動器進行制動而使所述聯(lián)接器上的扭矩高于該最大扭矩傳遞能力時，所述磁力聯(lián)接器被分離。所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力將取決于它的設計、所使用的磁體等，并且可以被選擇為適合于預期應用的值。磁力聯(lián)接器或磁力離合器利用了能夠傳遞高扭矩的磁體間聯(lián)接原理。該磁力離合器元件也將一定程度的順應性引入到傳動系中。隨著扭矩的增加，輸入轉子和輸出轉子之間將出現(xiàn)“負荷角”。該負荷角可以定義為由一個轉子產(chǎn)生的磁場與具有相同極數(shù)的另一個場之間的電角度，該另一個場要么由靜態(tài)磁體陣列和調(diào)制極靴形成的磁場的諧波產(chǎn)生， 要么由第二旋轉磁體陣列產(chǎn)生，這取決于該磁力聯(lián)接器的具體構造。在此情形中，負荷角起到了非線性扭轉彈簧或順應件的作用，它與旋轉部件的慣性相結合而用作減小所述扭轉振動的幅度的低通濾波器。當呈現(xiàn)特定的負荷角時，該磁力聯(lián)接器傳遞扭矩。而當受到高于預定扭矩極限的扭矩時，負荷角將增加到使得該磁力聯(lián)接器開始滑移或分離的程度，即“解除聯(lián)接”。當制動器未被接合時，所述磁力聯(lián)接器將根據(jù)當前的負荷角工作，且動力將從渦輪機傳遞到曲軸。除了所述磁力聯(lián)接器，還可以在渦輪機和曲軸之間連接有齒輪，以實現(xiàn)適當?shù)目倐鲃颖?。替代地，所述磁力?lián)接器也可設計為能夠單獨實現(xiàn)適當?shù)目倐鲃颖鹊拇帕﹄x合器(magnetic gear)。此外，也可以使用幾個(例如兩個)磁力離合器。所述磁力聯(lián)接器可設計為具有I :1的傳動比，或者替代地，也可設計為具有除了I :1之外的傳動比的磁力離合器。與常規(guī)的齒輪嚙合相比，這種磁力離合器具有更低的旋轉剛度，因此不需要液力離合器(在渦輪復合式變速器中，通常包括液力離合器)。這是有利的，因為液力離合器通常存在滑差，這會導致功率損失。此外，還可以避免與液力聯(lián)接器外殼相關的風阻損失(windage losses)。而且，常規(guī)渦輪復合式變速器中的高速齒輪能夠被磁力離合器替代，從而可以減小高速齒輪的嚙合損失和風阻損失。有利地，該磁力聯(lián)接器可以包括第一結構，該第一結構包括第一數(shù)量的永磁體，所述第一結構是高速轉子，并且是包括適于由渦輪機驅動的所述機械輸入驅動軸的所述第一轉子。優(yōu)選地，該磁力聯(lián)接器還包括與所述第一結構同心的第二結構，所述第二結構包括第二數(shù)量的永磁體。優(yōu)選地，所述第二結構是包括所述機械輸出驅動軸的所述第二轉子。可選地，所述磁力聯(lián)接器可以包括第三結構，該第三結構與所述第一結構及所述第二結構同心，并布置在所述第一結構和所述第二結構之間。有利地，所述第二結構和所述第三結構中的一個是包括所述機械輸出驅動軸的所述第二轉子，并且，所述第二結構和所述第三結構中的另一個以不可旋轉的方式固定到外殼且不連接到機械驅動軸。優(yōu)選地，當存在第三結構時，所述第三結構可以是多極元件或多極轉子。有利地，當所述磁力聯(lián)接器處于被分離狀態(tài)時，所述磁力聯(lián)接器上的振動扭矩具有等于零的平均扭矩。優(yōu)選地，當所述磁力聯(lián)接器上的扭矩低于所述預定扭矩極限時，所述磁力聯(lián)接器在所述轉子之間傳遞固定的扭矩比和固定的傳動比。優(yōu)選地，該渦輪復合式變速器的制動器是摩擦式制動器、液壓式制動器和渦流式制動器中的一種。有利地，該制動器包括在制動時互相作用的第一制動元件和第二制動元件，并且其中，所述第一制動元件以旋轉方式固定到所述第一轉子，而所述第二制動元件以旋轉方式固定到所述渦輪復合式變速器的外殼。 有利地,所述制動器是電磁制動器。優(yōu)選地，當所述聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器時，該制動器可以作為電磁制動器形成在所述磁力聯(lián)接器中，從而作為電機作用在所述第一轉子的永磁體上。有利地，該制動器是本質上與所述聯(lián)接器分開的部件。替代地，該制動器也可結合在所述聯(lián)接器中。優(yōu)選地，該制動器可進行作用以影響所述聯(lián)接器的高速轉子?？蛇x地，在所述渦輪機和第一轉子之間可布置有高速齒輪。通過考慮本文描述的該制動器的各種目的，本領域技術人員能夠容易地確定所述預定扭矩極限。優(yōu)選地，控制元件利用發(fā)動機工作負荷點作為輸入來控制所述制動器。這里的“發(fā)動機工作負荷點”是指發(fā)動機的、扭矩/轉速曲線中的點。因此，可以使用發(fā)動機轉速和扭矩這二者作為用于確定何時啟用所述制動器的參數(shù)。為此，可以與希望進行制動的不同狀況相對應地建立不同的工作區(qū)域。換句話說，本發(fā)明涉及一種渦輪復合式變速器，包括渦輪復合式渦輪機，該渦輪復合式渦輪機由內(nèi)燃發(fā)動機的排氣驅動；和聯(lián)接器，該聯(lián)接器包括第一轉子，該第一轉子包括適于由所述渦輪機驅動的機械輸入驅動軸，第二轉子，該第二轉子包括機械輸出驅動軸，所述變速器的特征在于，還布置有制動器，以制動所述渦輪機和限制所述渦輪機的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器被布置成當所述制動器進行制動而使所述聯(lián)接器上的扭矩高于預定扭矩極限時，所述聯(lián)接器被分離。在第一有利實施例中，該聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器，其包括高速轉子，所述高速轉子具有第一數(shù)量的永磁體，所述第一轉子是包括適于由渦輪機驅動的所述機械輸入驅動軸的所述高速轉子，第二同心結構，所述第二同心結構包括第二數(shù)量的永磁體，所述第二轉子是包括所述機械輸出驅動軸的所述第二同心結構，并且其中，在進行所述制動時，所述磁力聯(lián)接器過載，從而超過所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力。在第二有利實施例中，該聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器，其包括
高速轉子，所述高速轉子具有第一數(shù)量的永磁體，所述第一轉子是包括適于由渦輪機驅動的所述機械輸入驅動軸的所述高速轉子， 第二同心結構，所述第二同心結構包括第二數(shù)量的永磁體，其中，所述第二結構以不可旋轉的方式固定到外殼且不連接到機械驅動軸，第三同心結構，所述第三同心結構布置在所述高速轉子和所述第二同心結構之間，并且其中，所述第三同心結構是多極轉子并且是連接到所述機械輸出驅動軸的所述第二轉子，并且其中，在進行所述制動時，所述磁力聯(lián)接器過載，從而超過所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力。在第三有利實施例中，該聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器，其包括高速轉子，所述高速轉子具有第一數(shù)量的永磁體，所述第一轉子是包括適于由渦輪機驅動的所述機械輸入驅動軸的所述高速轉子，
第二同心結構，所述第二同心結構是連接到所述機械輸出驅動軸的所述第二轉子，并包括第二數(shù)量的永磁體，第三同心結構，所述第三同心結構布置在所述高速轉子和所述第二同心結構之間，其中，所述第三同心結構是以不可旋轉的方式固定到外殼且不連接到機械驅動軸的多極轉子，并且其中，在進行所述制動時，所述磁力聯(lián)接器過載，從而超過所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力?？蛇x地，上述有利實施例可以與本文描述的其它特征相結合。在另一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制渦輪復合式變速器的方法，該渦輪復合式變速器包括渦輪復合式渦輪機，該渦輪復合式渦輪機由內(nèi)燃發(fā)動機的排氣驅動；和聯(lián)接器，該聯(lián)接器包括第一轉子，該第一轉子包括適于由所述渦輪機驅動的機械輸入驅動軸，第二轉子，該第二轉子包括機械輸出驅動軸，制動器，該制動器布置成制動所述渦輪機和限制所述渦輪機的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器被布置成當所述制動器進行制動而使所述聯(lián)接器受到高于預定扭矩極限的扭矩時，所述聯(lián)接器解除聯(lián)接，所述方法包括利用所述發(fā)動機的工作負荷點作為輸入，并控制所述制動器以在所述發(fā)動機工作負荷點位于預定工作區(qū)域時進行制動，從而減小所述渦輪機的轉速，由此，使所述聯(lián)接器解除聯(lián)接。應當理解，上述方法可以與本文中針對渦輪復合式變速器描述的、所有不同的特征和優(yōu)點相結合。
現(xiàn)在，將參考附圖、結合其示例性實施例來描述本發(fā)明，在附圖中圖I示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的、包括磁力聯(lián)接器和制動器的渦輪復合式渦輪機的實施例；
圖2是曲線圖，示出了所傳遞的扭矩與磁力聯(lián)接器的負荷角之間關系的一個實例；圖3是圖2的一部分的放大圖，示出了傳遞扭矩的工作區(qū)域；圖4是曲線圖，示出了磁力聯(lián)接器在解除聯(lián)接(滑移)期間的相對扭矩；圖5是曲線圖，示出了發(fā)動機轉速/扭矩工作區(qū)域的一個實例；圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪復合式變速器的第一實施例；圖7示意性地示出了可以與本發(fā)明一起使用的磁力聯(lián)接器的第一實例；圖8示意性地示出了可以與本發(fā)明一起使用的磁力聯(lián)接器的第二實例；圖9示意性地示出了可以與本發(fā)明一起使用的磁力聯(lián)接器的第三實例；圖10示出了可以與本發(fā)明一起使用的機械聯(lián)接器的一個實例；圖11示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪復合式變速器的第二實施例。在不同的圖中，相同的附圖標記表示同樣的特征。
具體實施例方式圖I示出了渦輪復合式渦輪機系統(tǒng)的實施例。經(jīng)由壓縮機C向發(fā)動機E饋送壓縮空氣。來自發(fā)動機E的排氣被饋送到由排氣流驅動的第一渦輪機Tl。此外，在起始于發(fā)動機E的排氣路徑中布置有第二渦輪機T2。第二渦輪機T2聯(lián)接到發(fā)動機E的曲軸。在第二渦輪機T2和曲軸之間，布置有聯(lián)接器(在本實施例中為磁力聯(lián)接器MC)和用于對第二渦輪機T2進行制動的制動器B。圖2示出了該磁力聯(lián)接器在特定的負荷角下如何傳遞扭矩。該磁力聯(lián)接器利用了能夠傳遞高扭矩的磁體間聯(lián)接原理。該磁力離合器元件也將一定程度的順應性引入到傳動系中。隨著扭矩的增加，輸入轉子和輸出轉子之間將出現(xiàn)“負荷角”。該負荷角可以定義為由一個轉子產(chǎn)生的磁場與具有相同極數(shù)的另一個場之間的電角度，該另一個場要么由靜態(tài)磁體陣列和調(diào)制極靴形成的磁場的諧波產(chǎn)生，要么由第二旋轉磁體陣列產(chǎn)生。在此情形中，負荷角起到了非線性扭轉彈簧或順應件的作用，它與旋轉部件的慣性相結合而用作減小所述扭轉振動的幅度的低通濾波器。對于給定的、高的正扭矩或負扭矩水平，負荷角將超過正90度或負90度且所述磁力聯(lián)接器將開始滑移/解除聯(lián)接(即，在圖2中，相對扭矩=1)。在一個示例性實施例中，除了所述磁力聯(lián)接器之外，在所述渦輪機和曲軸之間還連接有齒輪，以實現(xiàn)適當?shù)目倐鲃颖?。當所述制動器未被接合時，動力從渦輪機傳遞到曲軸，并且，所述磁力聯(lián)接器根據(jù)圖3 (它是圖2的一部分區(qū)域的放大圖)所示的負荷角范圍而工作。在圖4中，示出了在滑移或解除聯(lián)接期間、相對扭矩如何隨著負荷角而變化。特別地，可以注意到，在解除聯(lián)接期間的平均扭矩為零。因此，所述聯(lián)接器中消耗的動力變得可忽略不計。鑒于以上內(nèi)容，可以得知所述磁力聯(lián)接器具有特定的扭矩水平，當高于該扭矩水平時，它開始滑移或解除聯(lián)接(相對扭矩=1，見圖2)。參見圖4，在解除聯(lián)接期間，其平均扭矩為零，因此，該磁力聯(lián)接器中不消耗任何動力(或者可忽略不計)。這意味著該系統(tǒng)不需要離合器，從而避免了任何滑差功率/滑差能量(能量=[扭矩*角度]的積分)。然而，在解除聯(lián)接/滑移期間發(fā)生的平均扭矩為零的振動扭矩可能在軸承上引起應變和/或產(chǎn)生噪聲。如果出現(xiàn)這些問題中的任何一個，則可以使用單向離合器來解決這些問題。上述制動器的功能在于當發(fā)動機在過大轉速下工作或者當發(fā)動機處于發(fā)動機制動模式時，減小渦輪機的轉速或者使渦輪機停轉。在圖5中，示出了發(fā)動機轉速/扭矩工作區(qū)域的一個實例，其中，發(fā)動機在過大轉速100下工作，或者發(fā)動機處于發(fā)動機制動模式200。在低扭矩工作點處，當傳遞損失(transmission losses)高于由潤輪機提取的動力時，該制動器也能用于使渦輪機停轉。因此，可以避免從曲軸提取動力來驅動渦輪機，因此可以改善發(fā)動機的燃料消耗率。圖5中示出了這種工作區(qū)域300的一個實例 所述磁力聯(lián)接器可具有I :1的傳動比，但也可設計為具有除了 I :1之外的傳動比的磁力離合器。與常規(guī)的齒輪嚙合相比，這種磁力聯(lián)接器具有較低的旋轉剛度，從而允許省去液力離合器(在渦輪復合式變速器中，通常包括液力離合器)，并且能夠避免與液力離合器相關的滑差并避免由于滑差而導致的功率損失。常規(guī)渦輪復合式變速器中的高速齒輪能夠被磁力離合器替代并能夠減小高速齒輪的嚙合損失和風阻損失。還避免了與能夠省去的液力聯(lián)接器外殼相關的風阻損失。車輛中的重型或中型發(fā)動機不僅用于產(chǎn)生推進動力，而且還用于吸收動力以節(jié)約使用行車制動器，即發(fā)動機制動模式。在發(fā)動機制動模式期間對渦輪機進行制動的另一個優(yōu)點在于消除了在發(fā)動機制動模式期間饋送到曲軸的動力，從而改善了發(fā)動機制動的動力性能。如果渦輪機轉速能夠滯后于發(fā)動機轉速的增加，則改善了發(fā)動機轉速增加時的、發(fā)動機的瞬態(tài)工況，因為加速該渦輪機的慣性所需的扭矩并未對發(fā)動機曲軸施加載荷。當被解除聯(lián)接時，渦輪機將由排氣驅動且其轉速將達到同步轉速，然后所述磁力聯(lián)接器將被重新聯(lián)接。上述瞬態(tài)工況的一個實例是曲軸的更快的轉速變化，從而增加了正常變速(gearchange)。瞬態(tài)的發(fā)動機轉速增加的另一個實例出現(xiàn)在錯誤換檔期間。在錯誤換檔之后，發(fā)動機轉速非常快地加速，并且所述磁力離合器能夠被設計成在這種加速期間脫離并使渦輪機保持低于爆裂轉速。基于來自發(fā)動機控制單元、變速器控制單元的信號以及傳感器信息，控制器(例如圖6中的控制器元件67)可以在穩(wěn)態(tài)工作點期間或者在瞬態(tài)事件期間使所述制動器接合。該控制器確定應將渦輪機控制在哪個轉速。當渦輪機上的制動扭矩被去除時，渦輪機由排氣加速。隨著渦輪機轉速接近與旋轉磁場同步的同步轉速時，可以使用該制動器來幫助使
轉速一致。圖6示出了具有渦輪增壓器25的內(nèi)燃發(fā)動機21的實施例，該渦輪增壓器25包括渦輪增壓器渦輪機25a和渦輪增壓器壓縮機25b。然而，應當理解，該渦輪增壓器25是可選的。發(fā)動機21經(jīng)由曲軸或聯(lián)接器68而聯(lián)接到負載(例如飛輪69)。此外，該系統(tǒng)包括由發(fā)動機21的排氣驅動的動力回收渦輪機27 (在下文中被稱為“渦輪機”、“渦輪復合式渦輪機”等)。排氣管道29將渦輪機27連接到發(fā)動機21。該系統(tǒng)還包括聯(lián)接器33，在本實施例中，該聯(lián)接器包括磁力離合器裝置33。該聯(lián)接器包括第一轉子和第二轉子，該第一轉子包括適于由渦輪機27驅動的機械輸入驅動軸47,該第二轉子包括機械輸出驅動軸51。還布置有制動器73，以制動所述渦輪機和限制所述渦輪機的旋轉。該制動器由控制器67控制。該聯(lián)接器被設計成使得當所述制動器73進行制動而使所述聯(lián)接器上的扭矩高于預定扭矩極限時，該聯(lián)接器將解除聯(lián)接。在所示的實施例中，該聯(lián)接器包括磁力離合器裝置，其中，第一轉子39是高速轉子并包括第一數(shù)量的永磁體41，第二轉子是作為多極轉子43的低速轉子。此外，與該第二轉子同心地布置有第二數(shù)量的永磁體37。這些第二數(shù)量的永磁體連接到第二結構，該第二結構以不可旋轉的方式固定到外殼并且不連接到機械驅動軸。
圖7是圖6的聯(lián)接器33的放大圖。圖8示出了可以在渦輪復合式系統(tǒng)(例如圖6中描述的渦輪復合式系統(tǒng))中使用的聯(lián)接器833的實施例。與圖6的實施例一樣，在此實例中，第一轉子39也攜載有第一數(shù)量的永磁體41。第二轉子849包括第二數(shù)量的永磁體837。第三結構包括多極元件843，該第三結構以不可旋轉的方式固定到外殼并且不連接到機械驅動軸。圖9示出了可以在渦輪復合式系統(tǒng)(例如圖6中描述的渦輪復合式系統(tǒng))中使用的聯(lián)接器933的實施例。在此實例中，第一轉子39包括第一數(shù)量的永磁體41。第二轉子949包括第二數(shù)量的永磁體937。在圖9的實施例中，不存在多極轉子或具有多個極的第三同心結構。圖6至圖9公開了其磁體同心地布置在不同徑向平面內(nèi)的轉子。本發(fā)明也可以用如下的磁力聯(lián)接器來實現(xiàn)其中，轉子的磁體同心地布置在不同的軸向平面內(nèi)。很多其它替代形式的磁力聯(lián)接器也適于結合本發(fā)明來使用。例如，可以使用諸如W02007/144556和W02007/125284中描述的磁力離合器。雖然磁力聯(lián)接器是最優(yōu)選的，但本發(fā)明不限于此。也可以使用其特性類似于所描述的磁力聯(lián)接器的任何聯(lián)接器即，傳遞最高達某個水平的扭矩，并且當高于該水平時，不傳遞任何平均扭矩。例如，可以使用與布置在電動螺桿驅動器中的聯(lián)接器類似的機械聯(lián)接器，其中，當所述聯(lián)接器上的扭矩超過特定的最大扭矩極限時，所述聯(lián)接器被分離并終止向螺桿的扭矩傳遞。圖10描述了這種機械聯(lián)接器的一個實例，其包括輸入/輸出凸輪轉子2和用于保持簧載凸輪隨動件3的輸入/輸出轉子I。與磁力聯(lián)接器相比，機械聯(lián)接器通常將由于摩擦而遭受更大的損耗。圖6至圖10示出了其中制動器是與聯(lián)接器分開的部件的實施例。圖11示出了一個不同的實施例，其中，制動器與聯(lián)接器被包括在同一部件中。在此情形中，該聯(lián)接器是磁力聯(lián)接器33，其中，制動器定子被布置成以磁力方式進行作用，以對高速轉子39施加制動力。在本實施例中，制動器定子53與磁力轉子39、49同心地布置并通過外側磁體37和極靴轉子43以磁力方式進行作用，以對高速轉子39施加制動扭矩。制動器定子和制動器轉子的這種布置結構在功能上類似于具有較大氣隙的電機。通過在該制動器裝置中也利用了所述高速轉子，可以減小所述渦輪復合式系統(tǒng)的慣性和軸向長度。在該制動器在功能上類似于電機的實施例中，可以對高速轉子施加正的運動扭矩(motoring torque)。通過主動控制該制動器裝置的扭矩,能夠控制滑移角度,從而允許磁力變速器具有更小尺寸。W02007/125284中示出了適于在上述實施例中使用的電機的一個實例。鑒于以上內(nèi)容，可以得知根據(jù)本發(fā)明，能夠獲得提高的發(fā)動機總效率和改善的制動器性能。特別地，這些優(yōu)點可以由諸如以下項的因素引起a)改善的渦輪機幾何形狀/效率b)高速齒輪中的更低的齒輪嚙合損失/風阻損失c)消除了液力離合器中的滑差損失
d)避免了曲軸在低扭矩工作點下驅動動力渦輪機e)在發(fā)動機制動模式期間，不將渦輪機動力饋送到曲軸f)冷卻和潤滑該渦輪復合式變速器所需的機油更少g)高速齒輪的更小噪聲h)固有的、針對突然的發(fā)動機轉速變化或過大扭矩而對渦輪機軸和齒輪嚙合的保護i )避免了液力離合器的風阻損失。本領域技術人員將能夠容易地構思出本文描述的實施例的其他替代形式，它們也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種渦輪復合式變速器，優(yōu)選為重型或中型柴油發(fā)動機中的渦輪復合式變速器，其包括 渦輪復合式渦輪機(27)，所述渦輪復合式渦輪機(27)由內(nèi)燃發(fā)動機(21)的排氣驅動；和 聯(lián)接器(33，733，833，933)，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)包括 第一轉子，所述第一轉子包括適于由所述渦輪機(27)驅動的機械輸入驅動軸(47)， 第二轉子，所述第二轉子包括機械輸出驅動軸(51)， 所述變速器的特征在于，還布置有制動器(73)，以制動所述渦輪機(27)和限制所述渦輪機(27)的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)被布置成當所述制動器(73)進行制動而使所述聯(lián)接器受到高于預定扭矩極限的扭矩時，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)解除聯(lián)接。
2.根據(jù)權利要求I所述的渦輪復合式變速器，其中，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)是磁力聯(lián)接器，并且其中，所述磁力聯(lián)接器的最大扭矩傳遞能力限定了所述預定扭矩極限，從而所述磁力聯(lián)接器布置成當所述制動器(73)進行制動而使所述聯(lián)接器上的扭矩高于所述最大扭矩傳遞能力時，所述磁力聯(lián)接器被分離。
3.根據(jù)權利要求2所述的渦輪復合式變速器，其中，所述磁力聯(lián)接器(33，733，833，933)包括 第一結構(39)，所述第一結構(39)包括第一數(shù)量的永磁體(41)，所述第一結構是高速轉子(39)，并且是包括適于由所述渦輪機驅動的所述機械輸入驅動軸(47)的所述第一轉子。
4.根據(jù)權利要求3所述的渦輪復合式變速器，其中，所述磁力聯(lián)接器(33，733，833，933)還包括與所述第一結構(39)同心的第二結構(53，853，953)，所述第二結構(53，853，953)包括第二數(shù)量的永磁體(37,837，937)。
5.根據(jù)權利要求4所述的渦輪復合式變速器，其中，所述第二結構(853，953)是包括所述機械輸出驅動軸(851，951)的所述第二轉子。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的渦輪復合式變速器，還包括第三結構(43，843)，所述第三結構(43，843)與所述第一結構及所述第二結構同心，并布置在所述第一結構(39)和所述第二結構(53，853)之間。
7.根據(jù)權利要求6所述的渦輪復合式變速器，其中，所述第二結構和所述第三結構中的一個(43，853)是包括所述機械輸出驅動軸(51，851)的所述第二轉子(49，849)，并且，所述第二結構和所述第三結構中的另一個(53，843)以不可旋轉的方式固定到外殼且不連接到機械驅動軸。
8.根據(jù)權利要求5到7中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，所述第三結構(43，843 )包括多極元件或多極轉子。
9.根據(jù)權利要求2到7中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，當所述磁力聯(lián)接器(33，733，833，933)處于被分離狀態(tài)時，所述磁力聯(lián)接器上的振動扭矩具有等于零的平均扭矩。
10.根據(jù)權利要求2到9中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，當所述磁力聯(lián)接器(33，733，833，933)上的扭矩低于所述預定扭矩極限時，所述磁力聯(lián)接器在所述轉子之間傳遞固定的扭矩比和固定的傳動比。
11.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，所述制動器(73)是摩擦式制動器、液壓式制動器和渦流式制動器中的一種。
12.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，所述制動器(73)包括在制動時互相作用的第一制動元件和第二制動元件，并且其中，所述第一制動元件以旋轉方式固定到所述第一轉子，而所述第二制動元件以旋轉方式固定到所述渦輪復合式變速器的外殼。
13.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其特征在于，在所述渦輪機(27)和所述第一轉子(39)之間布置有高速齒輪。
14.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，利用發(fā)動機工作負荷點作為輸入來控制所述制動器。
15.根據(jù)前述權利要求中的任一項所述的渦輪復合式變速器，其中，所述制動器(73)是電磁制動器。
16.根據(jù)權利要求15所述的渦輪復合式變速器，其中，所述制動器形成在所述磁力聯(lián)接器(33，733，833，933)中，從而作為電機作用在所述第一轉子(45)的永磁體(41)上。
17.一種用于控制渦輪復合式變速器的方法，所述渦輪復合式變速器包括 渦輪復合式渦輪機(27)，所述渦輪復合式渦輪機(27)由內(nèi)燃發(fā)動機(21)的排氣驅動；和 聯(lián)接器(33，733，833，933)，所述聯(lián)接器所述聯(lián)接器(33，733，833，933)包括 第一轉子，所述第一轉子包括適于由所述渦輪機(27)驅動的機械輸入驅動軸(47); 第二轉子，所述第二轉子包括機械輸出驅動軸(51 )， 制動器(73)，所述制動器(73)布置成制動所述渦輪機(27)和限制所述渦輪機(27)的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)被布置成當所述制動器(73)進行制動而使所述聯(lián)接器受到高于預定扭矩極限的扭矩時，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)解除聯(lián)接， 所述方法包括 利用所述發(fā)動機的工作負荷點作為輸入，并控制所述制動器(73)以在所述工作負荷點位于預定工作區(qū)域時進行制動，從而減小所述渦輪機(27)的轉速，由此，使所述聯(lián)接器(33，733，833，933)解除聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪復合式變速器，優(yōu)選為重型或中型柴油發(fā)動機中的渦輪復合式變速器，其包括渦輪復合式渦輪機(27)，該渦輪復合式渦輪機(27)由內(nèi)燃發(fā)動機(21)的排氣驅動；和聯(lián)接器(33，733，833，933)，該聯(lián)接器(33，733，833，933)包括第一轉子和第二轉子，第一轉子包括適于由渦輪機(27)驅動的機械輸入驅動軸(47)，第二轉子包括機械輸出驅動軸(51)，該變速器的特征在于，還布置有制動器(73)，以制動所述渦輪機(27)和限制所述渦輪機(27)的旋轉，并且其中，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)被布置成當所述制動器(73)進行制動而使所述聯(lián)接器受到高于預定扭矩極限的扭矩時，所述聯(lián)接器(33，733，833，933)解除聯(lián)接。本發(fā)明還涉及一種用于控制渦輪復合式變速器的方法。
文檔編號F02B39/16GK102947565SQ201180031173
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權日2010年6月22日
發(fā)明者佩爾·佩爾松, 馬丁·韋斯特, 戈蘭·哈拉德遜 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司