CN1031124A - 涡轮复合发动机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮复合发动机包含具有一输出轴及排气 路线的发动机，在此排气路线上设有功率回收涡轮、 连结功率回收涡轮及发动机输出轴的齿轮系、功率反 向机构、该功率反向机构包含有装有齿轮系的液力离 合器，它可使动力涡轮所利用的能量在切换功率反向 机构后，用作对车辆的制动作用，并自反向机构切换 后的一段时间内允许液力离合器有所滑动，从而使某 种情况下所产生的巨大负荷不致作用在齿轮系上，藉 此保护车辆的驱动功率传输系统并改善了可操纵 性。

Description

本发明涉及一种车辆用的涡轮复合发动机，它能以动力涡轮膨胀功的形式回收排气能量，并将此回收能量通过齿轮系传给像发动机曲轴那样的驱动轴，在车辆减速时则呈倒拖状使动力涡轮迥转以期获取制动效果。本发明特别涉及的是涡轮复合发动机具有带离合器的齿轮系，该离合器用于吸收动力涡轮呈倒拖状时所产生的巨大载荷。

一种将来自发动机的排气能量以增压器中增压空气能量的形式来回收，同时将来自涡轮增压器的排气能量以动力涡轮中的多变膨胀功的形式来回收的涡轮复合发动机近来在日本已经得到发展。

在这种涡轮复合发动机上，其功率输出特性，油耗率，及发动机效率均由于涡轮增压器及动力涡轮的膨胀比的提高而改善了。然而，在另一方面，为抵消发动机输出功率的增长，如何获取足够的制动作用，还是一个问题（例如靠排气制动）。换言之，由于增压压力的增加，止住发动机的制动作用有所降低，以致为抵消总制动力的相对下降，必须使用主制动装置（即脚蹬闸）。保证足够的制动力不仅对车辆的机动性及安全性来说是重要的（发动机的制动力必须约大于额定输出功率的60%），而且为了更有效地使用涡轮复合发动机也是重要的。

因之，本代理人提出一种在日本专利申请61-228107（228107/1986）号中所发表的“涡轮复合发动机”。

在本申请中，如附图3所示，在车辆的排气通道4b内设置有回收排气能量用的动力涡轮12，并有一流道25和动力涡轮12的上游排气通道b2相连通以便使动力涡轮12有一旁通。在排气通道b1及流道25的交汇处设置有流道的切换器30，当车辆在减速状态下要把驱动用的功率由曲轴15传至动力涡轮12而打开流道25时，该切换器可以把流道25上游处的排气通道b1封闭。

本结构装置使动力涡轮从发动机回收排气能量成为可能，从而在正常行驶时得以把回收的能量用作驱动的能量。

当排气制动及车辆离合器在接合状态下时，流道切换器30将流道25上游的排气通道b1封闭，同时将通道b2和通道25相接通并在其连结处造成节流。与此同时，曲轴15的转动通过齿轮系之一传至动力涡轮12并靠此齿轮系使涡轮反转。相应地，原设计用于回收能量的动力涡轮12造成泵气功，亦即动力涡轮将排气通道b2中的空气压缩后送入流道25。因此，就有可能获得包括拖动发动机的摩擦功、动力涡轮的负泵气功及当排气制动时的排气制动力在内的巨大制动作用。

然而，当车辆在正常行驶时，动力涡轮的转速范围为自80，000至100，000转/分，在此种转速下其转动能量与通常发动机的飞轮的转动惯性相当（面积惯性极距）。因此，当动力涡轮由正常转向切换为逆向时，必须将可观的能量在由曲轴至动力涡轮间的某处消耗掉。

经试验后得出：由逆转之始至倒拖着的动力涡轮转速达极大值上所取的时间相对来说甚短时（2-3秒），该能量的值达极大值。因之，期待着一种能靠某种位于曲轴至动力涡轮间的装置以吸收上述能量的涡轮复合发动机的出现。

当动力涡轮反向转动时，如果上述能量未被吸收，则出现下列弊端（假定在曲轴至动力涡轮间各元件的强度足够的情况下）;

（1）车辆瞬间打滑。

（2）在打滑时反驱动力引起作用在车辆驱动系统上的极端巨大的负荷。

（3）轮胎，制动片或制动靴发生非正常磨损。

（4）乘坐的舒适性恶化。

本发明的目标之一是提供一种包含二套齿轮系的涡轮复合发动机，该二齿轮系将位于发动机排气路线中的动力回收涡轮和发动机的功率输出轴相连结以使驱动功率的传递方向得以逆转并在齿轮系切换至反转方式时使瞬间急剧增长的巨大负荷不致产生，由此使驱动功率的传输系统的寿命及车辆的可操纵性得以改善。

本发明所提的涡轮复合发动机在连结发动机输出轴与动力涡轮的齿轮系中包含有功率反向装置，该功率反向装置具有一液力离合器，在离合器连结时可以互相滑移，所以当动力涡轮呈倒拖状时所产生的巨大能量可以被液力离合器所吸收。

为完成上述目标，按本发明提出一种在液力离合器连结状态下在由曲轴向动力涡轮相连结的齿轮系中包含有行星齿轮的涡轮复合发动机，这就使行星齿轮能改变来自曲轴的转向。

当车辆减速时，液力离合器在连结状态下，动力涡轮被行星齿轮所倒拖。当动力涡轮处于正向转动及反向转动两者之间时，液力离合器发生滑移，藉此使从曲轴到动力涡轮间所产生的能量被吸收。

图1是按本发明提出的涡轮复合发动机一最佳实施例的系统图。

图2是图1中涡轮复合发动机的流程图。

图3是表示相互关系的示意图。

本发明中的涡轮复合发动机的最佳实施例的描述将结合附图进行。

在图1中标号1表示车辆（未显示）的发动机，2表示发动机1的进气支管，3表示发动机1的排气支管。

如图1所示，排气管道4a和排气支管3相连，而空气进气管道5与进气支管2相连接。涡轮增压器10的涡轮10a设置在排气管道4a的中间点处而压气机10b则设置在进气管道5内。在涡轮增压器10下游的排气管道4b中设置有回收排气能量用的动力涡轮12。流道25由动力涡轮12及涡轮增压器10的涡轮10a间的排气管道4b处分出并和动力涡轮12下游处的流道4c相连结。在动力涡轮12的上游流道25与管道4b的连结处有一通道的切换器30，是为关闭通道25并将管道4b节流至预先指定的程度用的。此切换器30所用结构形式是这样的：它至少有二个切换位置。排气通道4c将流道25与动力涡轮12的出气口6相连结而外部空气导管7则与此排气通道4c相连结。在通道7与4c相交会处装设有切换器31，它能在关闭排气通道4c时将外部空气导管7打开。此外，有一个排气制动阀32装设在切换阀30及涡轮10a间的通道4b上。

现在将要说明连结动力涡轮12与曲轴15的齿轮系。

如图1所示，在动力涡轮12的轴13的末端13a上装有输出齿轮16，有行星齿轮17a及17b与之相啮合。行星齿轮17a与17b再与齿圈18相啮合，该齿圈与配有锁紧机构21a的液力偶合器21的输入泵轮21b一起迥转。换句话说，输出齿轮16是通过包含有行星齿轮17a及17b的行星齿轮机构19而和液力偶合器21相连结的，所以动力涡轮的转动传递给了液力偶合器21的输出泵轮21c。周转齿轮19的使用是因为它具有大的减速比及高的传动效率。在输出泵轮21c上固定地接装有齿轮20并与泵21c一起旋转，而在曲轴15上固定地接装有曲轴齿轮23。

为使曲轴（齿轮）23与齿轮20相连结，以及在正常及倒拖状态下为使动力涡轮12旋转而用的另一周转齿轮系40将在下面予以说明。

周转齿轮系40包含一中心齿轮轴42及一中心齿轮41;一齿圈44，该齿圈与沿其周边方向以一定间隔绕中心齿轮41周边而设的许多行星齿轮43相啮合;当行星齿轮43绕中心齿轮自转而又公转时，为保持行星齿轮43与中心齿轮41间相对的位置关系不变而设置的齿轮架45。

现在将更深入说明周转齿轮系40。

中心齿轮轴42上装有第一级传动齿轮46，它和曲轴一端上的曲轴齿轮23相啮合，并靠在其另一端附近的轴承47支承着上述齿轮架45。在另一方面，齿圈44具有和齿轮20相啮合的第二级传动齿轮48。第二级传动齿轮48包含一空心轴49，空心轴内包着在第一和第二两级传动齿轮46及48间的一部分中心齿轮轴42。空心轴49绕轴42而旋转并装有单向离合器50。单向离合器50只有当驱动功率是从齿轮46传至曲轴15时才使第一级传动齿轮46和轴49相连接。齿轮架45包含一径向往外伸出的离合器元件51。

液力离合装置包含一附装在行星齿轮上的齿轮架上的离合器板，以及与上述离合器板相偶合的离合器板，使该两离合器板在互相基于所供入的油压而相己匣蚍掷氲淖饔闷鳌?

周转齿轮系40的转动方向受液力离合装置55所控制。在本实施例中，离合器装置55包合一液力离合器56，它能和上述离合器元件51相连接，从而在连接方式下能使齿轮架45停止不动;向液力离合器56供工作油的泵57;装在连接泵57和液力离合器56的工作油导管58中的阀59;以及控制着阀59的控制器60。

来自发动机1的离合器开关62的通合-断开信号;来自加速开关63的通合-断开信号;来自发动机1的转速传感器61的转速信号;以及来自制动控制开关64的制动控制信号均输入到控制器60中去，而从控制器60则把控制信号输出到切换阀30及31去;到排气制动阀32去;到周转齿轮系19去以及到遮断阀59去。图示实施例中的制动控制开关64具有一个“断开”位，一个“1”位及一个“2”位。控制器60在“1”位下仅输出一个全部关闭排气制动阀32的命令信号;在“2”位下控制器输出一个关闭排气通道4c同时打开空气进气道7的命令信号;一个使流道25上的切换阀30作用至预定的节流开度的命令信号;一个全部关闭液力离合器56的遮断阀59的命令信号以及一个取消锁紧机构21a的锁紧作用的命令信号。当制动控制开关64向控制器60提供一个“断开”位的指令时，控制器60就给切换阀30发出全关闭流道25的指令;给切换阀31发出全关闭外界空气导管7的指令，给锁紧机构21a发出锁紧指令;给阀59发出全关闭指令以使液力离合器56从离合器元件51中放松开来。

现在将用图2来描述控制器60在车辆减速时的一种控制方法。

在正常驾驶时，在控制器60中，在第70步时判别加速开关63是否“断开”位;在71步时判别离合器开关62是否“通合”位;在第72步时判别发动机转速是否大于或等于700转/分。当在70，71，72步时的答案均为“是”时，控制器60认为车辆正在减速，就执行下一步。首先，在73步将排气制动阀32全关闭以提高排气压力，然后判别制动控制开关64是否在2位。如果在74步的答案是“否”，程序转向70步并重复上述过程。如果在70至72步中的答案中有一个是“否”，它意味着制动控制开关64处于“断开”位，程序跳至第82步。如果74步的答案为“是”时，如图中标号为75的方框中所述，控制器60向液力偶合器21的锁紧机构21a送出一取消锁紧的命令信号。然后控制器在第76步向阀30送出一命令信号以使流道25可以节流至预先指定的程度，同时在第77步向阀31送出一信号使排气通道4c关闭并打开外界空气导管7。在第78步根据命令信号关闭了遮断阀59。

返回来参照图1，一俟遮断阀59关闭后，离合器元件51与液力离合器56互相连接在一起。于是，通过第一级传动齿轮46及行星齿轮43，曲轴15的驱动功率从曲轴齿轮23传给了功率传递方向已被逆转的中心齿轮41，然后驱动功率从中心齿轮41传给也被倒转的齿轮20。此后，功率通过液力偶合器21传给周转轮系19。周转轮系19变为逆向转动并把迥转功率传给动力涡轮12，就使动力涡轮的迥转方向和它自己在车辆正常行驶时的迥转方向相反，空气因之通过管道7被吸入而动力涡轮起着空气压缩机的作用。动力涡轮作为通常排气制动作用的补充把空气压缩所消耗的能量用作发动机1的制动作用。因此，巨大的制动作用可施加于发动机1。与此同时，可以把离合器元件51及液力离合器56结构设计成如此形式，使在离合器元件51及液力离合器56间允许足够的滑移发生，就有可能吸收动力涡轮反向时所产生的能量。

再次参阅图2，在第79步对液力离合器56的连接是否持续3分钟进行判别。如果答案是“否”，则重复第75步至78步，以使液力离合器56中产生的热量限制在某一预先设定的范围内，不致在某种情况下，有过分巨大的制动作用施加于发动机1上。当第79步的答案为“是”时锁紧机构21a开始作用。然后，如果制动控制开关64在第81步仍处于“通合”状态，也即：如果制动控制开关处于“1”位或“2”位，上述减速控制重复进行。减速控制的重复性使发动机转速得以逐步降低，同时液力离合器56的负荷受到抑制。当第81步的答案为“是”时，则完成的控制是正常行驶。更具体地说，就是控制器60输出命令信号到阀30，31及59，使液力离合器56关断并封闭流道25及空气管7。因此，动力涡轮12在正常方式下用排气启动迥转并将正常转向下的迥转功率通过行星齿轮系19，及其它齿轮20，48，46及23传给曲轴15。

Claims (8)

1、一种涡轮复合发动机包含有功率反向机构及液力离合装置。该功率反向机构设置在把发动机输出轴与设置在发动机排气道中的动力涡轮相连结的齿轮系中。液力离合装置的连接状态在预定的时间内有所滑移的该液力离合装置设置在功率反向机构中。

2、权利要求1中的一种涡轮复合发动机，其中：所述之排气道具有一使上述功率回收涡轮旁通的旁通路线;在旁通路线的上游设置有排气制动阀;在旁通路线与排气路线的交汇处设有当车辆减速而开启旁通路线时得以关闭排气路线的开关阀;在旁通路线及功率回收涡轮间的一部分排气路线上连接有一外界空气导管;以及用以在外界空气导管打开时关闭上述部分排气路线的设置在上述部分排气路线上的开关阀。

3、权利要求1中的一种涡轮复合发动机，其中所述之功率反向机构包含一个中心齿轮;与中心齿轮相啮合的行星齿轮;具有内齿与行星齿轮相啮合、具有外齿与连向功率回收涡轮的齿相啮合的齿圈;限制行星齿轮迥转的液力离合器装置;由一个和齿圈一起迥转的空心轴所支承通过一单向离合器以便和上述输出轴齿轮相啮合的传动齿轮;以及一个和穿过空心轴的中心齿轮轴一起迥转的传动齿轮。

4、由权利要求1至3中之一种涡轮复合发动机，其中所述之液力离合装置包含一附装在行星齿轮的齿轮架上的离合器板，和上述离合器板相偶合的离合器板，使该两离合器板互相基于所供入的油压而相偶合或分离的作用器。

5、一种涡轮复合发动机包含着一种车用发动机，该车用发动机具有：一可迥转的输出轴及排气路线，一带涡轮的涡轮增压器，一个设置在涡轮增压器涡轮下游的排气路线内以便回收排气能量的功率回收涡轮;使功率回收涡轮旁通的排气旁通路线;设置于排气旁通路线上游的排气制动阀;一个设置于旁通路线及排气路线交汇处，当车辆减速时能使旁通路线打开并关闭排气路线的开关阀;一个和在功率回收涡轮出气口及旁通路线之间的一部分排气路线相连的外界空气导管;设置在功率回收涡轮出气口及旁通路线间的上述一部分排气路线上的，当车辆减速时为使外界空气导管得以打开，排气路线得以关闭的一个开关阀;一个使发动机输出轴和设置在排气路线上的功率回收涡轮相连结的齿轮系;为使发动机输出轴与功率回收涡轮相连结并使输出轴和功率回收涡轮间的迥转功率得以反向传递的功率反向装置;设置在上述连结发动机输出轴及功率回收涡轮间的在发动输出轴和功率回收涡轮连接后的预先设定的时间内液力离合装置允许滑移的液力离合装置，开关排气制动阀及用于车辆减速的诸切换阀并操作液力离合装置的一个控制器。

6、权利要求5中之涡轮复合发动机，其中所述功率反向装置包含一个中心齿轮;与中心齿轮相啮合的行星齿轮;具有内齿与行星齿轮相啮合，具有外齿与连向功率回收涡轮的齿轮相啮合的齿圈;限制行星齿轮迥转的液力离合装置;由一个和齿圈一起迥转的空心轴所支承，通过一单向离合器以便和上述输出轴齿轮相啮合的传动齿轮;以及一个和穿过空心轴的与中心齿轮轴一起迥转的传动齿轮。

7、权利要求5或8中的涡轮复合发动机，其中：所述之液力离合装置包含一附装在行星齿轮的齿轮架上的离合器板，一个和上述离合器板相偶合的离合器板，使该两离合器板互相基于所供入的油压而相偶合或分离的作用器。

8、权利要求5中之涡轮复合发动机，其中所述的控制器按如下形式结构而成：它发出命令信号以关闭排气制动阀;操作位于旁通路线上的切换阀及位于功率回收涡轮下游的切换阀，并操作连结用的离合器装置。