CN103282620A - 具有增压的内燃机和涡轮复合系统的传动系 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传动系，特别是机动车传动系，其具有:产生废气流的内燃机，该内燃机具有输送轴，用于将驱动功率输入传动系中;-涡轮增压器;-涡轮复合系统，包括废气动力涡轮机，该废气动力涡轮机布置在废气流中并与内燃机的输送轴传动连接或能够与之连接。本发明的特征在于，-涡轮增压器被设计为至少两级，并且包括布置在废气流中的第一涡轮增压器涡轮机，并驱动布置在通向内燃机的新鲜空气流中的第一涡轮增压器压缩机，以及包括在废气流中布置在第一涡轮增压器涡轮机下游的第二涡轮增压器涡轮机，并驱动在新鲜空气流中布置在第一涡轮增压器压缩机上游的第二涡轮增压器压缩机;并且-废气流中的涡轮复合系统的废气动力涡轮机在其穿流方面与第二涡轮增压器涡轮机并联布置。

Description

具有增压的内燃机和涡轮复合系统的传动系
技术领域
本发明涉及一种传动系、特别是机动车传动系，该传动系具有增压的内燃机和涡轮复合系统，例如用于驱动载货车、特别是载重汽车或轨道车辆。然而本发明还可以应用于其它传动系、例如静态传动系，或应用于其它车辆、例如轿车。
背景技术
具有增压的内燃机的传动系在很长时间以来就是已知的。在这种情况下，在常被设计为活塞式压缩机，例如柴油机的内燃机的废气流中布置涡轮机，并通过废气流进入驱动压缩机的旋转运动，该压缩机对输送给内燃机的新鲜空气或新鲜空气混合气进行压缩。涡轮机和压缩机的组合称为涡轮增压器，其中涡轮机和压缩机通常布置在共同的轴、涡轮增压器轴上。当前，将涡轮机称为涡轮增压器涡轮机，并将压缩机称为涡轮增压器压缩机。
为了能够更好地充分利用废气中含有的能量，特别是用于车辆传动，近来，为增压的内燃机额外配备了所谓的涡轮复合系统。这种涡轮复合系统同样包括由废气加载并驱动的涡轮机，当前被称为动力涡轮机，该涡轮机将废气的热能和流动能转换为机械能或驱动功率。然而，并不将这个驱动功率传输给任何压缩机，而是传输给内燃机将其驱动功率所输入的那个传动系。所以，废气动力涡轮机至少间接与驱动电动机的输送轴传动连接。
欧洲专利文件EPOO91139B2描述了涡轮增压器和涡轮复合系统的组合。根据第一实施方式，涡轮增压器的涡轮机在废气流中与废气动力涡轮机并联布置。根据第二实施方式，废气首先流过涡轮增压器的涡轮机，然后流过涡轮复合系统的废气动力涡轮机。在涡轮机并联的情况下，对涡轮机面积进行划分，即，将面积的70%分摊给涡轮增压器的涡轮机，并将10%分摊给废气动力涡轮机。因此，废气动力涡轮机是非常小且快速旋转的涡轮机。在串联的情况下，对于80%的涡轮机横剖面设计增压涡轮机。在后接的动力涡轮机中，剩余压力(Restgefaelle)被转化为机械功。因此，动力涡轮机体积庞大而且昂贵，并且通常应用于较小的电动机中。优势在于，与快速旋转的并联涡轮机相比，可以将动力涡轮机和内燃机之间的传动装置设计得更加价廉。
尽管已知的解决方案已经很好地利用了存在于废气中的能量，并因此优化了内燃机的燃油消耗，还是值得追求进一步的改善。特别是应该消除前述装置的缺点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种在所述的要求方面得到改善的传动系。同时，应该能够以尽可能低廉的成本生产传动系，并且传动系应可靠地工作。
根据本发明的目的通过具有权利要求1所述特征的传动系来实现。从属权利要求中给出了本发明的有利的和特别适合的设计方案。
根据本发明的传动系具有增压的内燃机，例如柴油机或其它活塞式电动机，其中所述的内燃机具有用于将驱动功率输入传动系的输送轴。驱动功率，例如在多个静止的车辆中或者也可以在一个车辆中，用于驱动机组、特别是做功机械或发电机，或者在车辆中借助于内燃机的驱动功率驱动主动轮。所以，在后一种情况下，内燃机独自地或以与其它发动机组合地用于牵引车辆。
设置了涡轮增压器，该涡轮增压器包括大量在内燃机废气流中的涡轮增压器涡轮机和在引向内燃机的新鲜空气流中的涡轮增压器压缩机。新鲜空气流不仅是指纯新鲜空气流，在对其进行压缩后，借助于涡轮增压器压缩机将燃料以及特别是一定份额的废气引向该纯新鲜空气流，而且还指新鲜空气混合气，该混合气除了新鲜空气之外已经含有其它成分，例如燃料和/或废气。
各个涡轮增压器等级的涡轮增压器涡轮机和涡轮增压器压缩机有利地彼此纯机械地传动连接，并且能够例如抗扭地布置在共同的轴上，或由其支撑。
根据本发明的传动系还具有涡轮复合系统，包括废气动力涡轮机，废气动力涡轮机布置在内燃机的废气流中，例如沿流动方向布置在涡轮增压器的第一涡轮增压器涡轮机后面。废气动力涡轮机与内燃机的输送轴传动连接，或者能选择性地能够与之连接。另外，传动连接不仅指直接的传动连接，还指间接的传动连接，例如通过中间连接的传动装置、例如变速齿轮。有利地，在传动连接中设置可调节的或不可调节的液压离合器，该离合器一方面可以阻止旋转收缩从内燃机传递到废气动力涡轮机上，并且另一方面可以在其被设计为可排空的情况下中断废气动力涡轮机和内燃机输送轴之间的传动连接。
根据本发明，涡轮复合系统的废气动力涡轮机与第二涡轮增压器涡轮机并联地、也就是说与涡轮增压器的低压涡轮机并联地布置在内燃机的废气流中。这意味着，内燃机的废气流，特别是借助于可调节的废气流分配器，被分为至少两股废气子流，并且在第一废气子流中，废气穿流过废气动力涡轮机，并且在第二废气子流中，废气流过涡轮增压器涡轮机。
另外，可调节的废气流分配器是指所有能够有选择、有目的地改变将废气流分为至少两股废气子流的分配的适当装置。所以，不仅可以应用在闭合的调整回路中工作的废气流分配器，还可以应用可控的废气流分配器，该废气流分配器在断开的调整回路中或通过简单的控制装置得到控制。为废气在相应废气子流中所占份额预先确定额定值时，既可以预先确定体积流，又可以预先确定质量流。也可以预先确定其它指标，例如废气管路的阀门位置或开口横剖面，用于对将废气流分为各种废气子流的分配进行调整。
特别是在有利地设置的废气处理系统方面，沿着废气流动方向在废气动力涡轮机和/或并联的涡轮增压器涡轮机下游，有利地以这种方式设计废气流分配器，即，除了具有废气动力涡轮机和涡轮增压器涡轮机的前两股废气子流之外，设置并联于前两股废气子流的第三废气子流，借助于这股第三废气子流可以使废气既经过废气动力涡轮机又经过与之并联布置的涡轮增压器涡轮机。如果根据实施方式使所有或各种废气子流沿流动方向在废气涡轮机-废气动力涡轮机和涡轮增压器涡轮机-后面重新汇合为一股共同的废气流，则特别是对于紧接着流过的废气处理系统，这股共同的废气流的温度可能会因为流经废气涡轮机的废气流所占比例增大而升高。
特别有利地，将涡轮增压器设计为两级，并且涡轮增压器只包括第一涡轮增压器涡轮机以及第二涡轮增压器涡轮机。第一涡轮增压器涡轮机驱动新鲜空气流中的第一涡轮增压器压缩机，并且第二涡轮增压器涡轮机驱动新鲜空气流中的第二涡轮增压器压缩机。有利地，这两个涡轮增压器涡轮机与其配属的涡轮增压器压缩机彼此纯机械地传动连接，并且特别有利地以抗扭方式由共同的轴驱动或支撑。第一涡轮增压器涡轮机在废气流中布置在第二涡轮增压器涡轮机上游。第一涡轮增压器压缩机在新鲜空气流中布置在第二涡轮增压器压缩机下游。所以，可以将第一涡轮增压器压缩机称为高压压缩机，并将第二涡轮增压器压缩机称为低压压缩机，以及将第一涡轮增压器涡轮机称为高压涡轮机，并将第二涡轮增压器涡轮机称为低压涡轮机。根据另一种实施方式，还设置第三等级。也可以设置其它等级。废气动力涡轮机在废气流中与第二涡轮增压器涡轮机和/或在废气流中沿流动方向的下一个涡轮增压器涡轮机并联，特别是与最后一个涡轮增压器涡轮机并联。
在这种至少为两级的系统中，将废气流分为至少两股废气子流的分配有利地沿着流动方向在第一涡轮增压器涡轮机后面和/或沿着流动方向在最后一个涡轮增压器涡轮机前面进行。因此，最后一个涡轮增压器涡轮机与废气流中的废气动力涡轮机并联，或者在三级或三级以上的情况下，预定数量的多个沿流动方向布置在后面的涡轮增压器涡轮机并联于废气流中的废气动力涡轮机。
根据有利的实施方式，设置了废气回流装置，借助于这个废气回流装置能将废气从废气流引入新鲜空气流。为此，可以可替换地或共同地为废气设计各种分支点，对此，将在下文中在附图说明中作进一步阐述。于是，废气回流装置例如可以包括废气回流管路，其在废气流分配器下游，特别是沿流动方向在废气动力涡轮机和并联的涡轮增压器涡轮机前面从废气管路中分支出来。可替换地或作为补充，可以将废气回流管路的分支设置在废气流分配器上游，特别是沿着废气流动方向设置在第一涡轮增压器涡轮机前面。有利地，按照压力比将一条或多条废气回流管路的管口设置在新鲜空气流中的分支点处，在第一和/或第二涡轮增压器压缩机下游和/或上游。
可以设置用于一个或多个涡轮增压器压缩机的旁路。
特别有利地，设置了控制装置、特别是电子控制装置，该控制装置可以控制和/或调节废气流分配器，用于改变将废气流分为各种废气子流的分配。例如可以根据内燃机输送轴的转数，或取决于此的转数、例如与内燃机串联的变速齿轮的转数进行这种分配。为此，可以设置相应的转数传感器，其探测这个转数并与控制装置连接，用于将测量结果传递给控制装置。为了对这一分配进行调节，可以采用其它计算出的或测得的参量，例如预先确定的或测得的气体状态。
控制装置例如可以这样工作，即，在特别是内燃机输送轴的转数相对较高时，利用废气动力涡轮机将废气流中相对较大的一部分引向废气子流，并在转数较低时利用与废气动力涡轮机并联的涡轮增压器涡轮机将废气流中较大的一部分引向废气子流。
这种控制或调节可以叠加另一种调节，其根据需要引导废气流中相对较大的一部分经过两个并联的废气涡轮机进入废气处理系统。这种叠加的调节或控制例如可以与探测到的或计算出的转数或其它对分配控制十分重要的数值无关地进行。
根据实施方式，并联用于至少一个在废气流中布置在废气流分配器上游的涡轮增压器涡轮机的旁路，用于引导废气经过这个涡轮增压器涡轮机并将废气输送给废气流分配器和/或位于废气流分配器下游的至少一股废气子流。因此，可以更加灵活地将内燃机的废气流分配到第一涡轮增压器涡轮机、第二涡轮增压器涡轮机和废气动力涡轮机上。有利地，可以变化地调整穿过各种废气涡轮机的废气子流的比例，其中，可以完全避免考虑单个的废气涡轮机。为了避免吸气侧、即新鲜空气管路中可能出现的回授，可以考虑单个压缩机等级或具有共同旁路或分别具有自己的旁路的单个涡轮增压器压缩机。
在废气回流装置中，可以设置一个或多个中间冷却器。
附图说明
以下根据两个实施例对本发明进行示范性的描述。
其示出:
图1示出根据本发明的具有两级涡轮增压器并且没有废气回流装置的传动系的第一实施方式;
图2示出根据本发明的具有两级涡轮增压器和各种废气回流可能性的传动系的第二实施方式。
具体实施方式
在附图中，以参考标号1表示内燃机，以参考标号2表示涡轮增压器，并以参考标号3表示涡轮复合系统。内燃机1具有输送轴1.1，该输送轴与图中末示出的士动轮和/或借助于内燃机1驱动的机组传动连接，并且还与涡轮复合系统3的废气动力涡轮机3.1传动连接。在废气动力涡轮机3.1和输送轴1.1之间的传动连接中布置了各种机械变速器传动比等级以及当前被设计为可调节的液压离合器。对液压离合器10的调节可以通过改变其工作腔的充气度和/或通过将至少一个扼流圈元件引入工作腔中的工作介质的循环气流中来完成。尽管当前这样示出液压离合器10的位置，即相对于废气动力涡轮机3.1借助于唯一的机械变速档位使离合器变慢，并相对于输送轴1.1借助于多个机械变速档位使离合器变快，还是可以在液压离合器10和废气动力涡轮机3·1以及输送轴1·1之间采用其它装置和传动比。
废气动力涡轮机3.1在废气流5中与涡轮增压器2的第二涡轮增压器涡轮机2.3并联。第二涡轮增压器涡轮机2.3驱动第二涡轮增压器压缩机2.4。在新鲜空气流4中，在第二涡轮增压器压缩机2.4下游布置第一涡轮增压器压缩机2.2，借助于第一涡轮增压器涡轮机2·1驱动第一涡轮增压器压缩机。第一涡轮增压器涡轮机2·1布置在废气流5中第二涡轮增压器涡轮机2.3的上游，并且因而也布置在涡轮复合系统3的废气动力涡轮机3.1的下游。在第一涡轮增压器涡轮机2.1下游借助于废气流分配器6将废气流5分为三股废气子流5.1，5.2和5.3。在第一废气子流5.1中布置废气动力涡轮机3.1，在第二废气子流5.2中布置第二涡轮增压器涡轮机2.3，并且第三废气子流5.3中没有这样的废气涡轮机。因为借助于废气分配器6将废气流5分为各种废气子流5·1，5·2，5·3的分配是可变的，所以，可以在对增压空气的需求量高时，将绝大部分废气流5引到第二涡轮增压器涡轮机2.3上，反之，特别是在发动机转数较高时，其中有更多的废气能量可供使用，将废气的质量流或体积流显著地或全部引到废气动力涡轮机3.1上。附加地，例如当此处图中末示出的废气处理系统中要求更高的废气温度时，可以引导废气流5经过两个后接于第一涡轮增压器涡轮机2.1的废气涡轮机。
当前，还设计了用于第一涡轮增压器涡轮机2.1的旁路11，借助于该旁路，可以部分或全部地引导废气流5经过第一涡轮增压器涡轮机2.1，并输送给废气分配器6。因此，可以利用第二涡轮增压器涡轮机2.3和第二涡轮增压器压缩机2.4有选择地只运行涡轮复合系统3或第二涡轮增压器等级。
经过压缩的新鲜空气流4在被输送给内燃机1之前，其当前由增压空气冷却器12引导。理所当然地，还可以，例如在单个或所有回流的废气子流中，设置多个增压空气冷却器来代替示出的唯一设置的增压空气冷却器12。增压空气冷却器12是冷却系统、特别是车辆冷却系统的组成部分，除了增压空气冷却器，还包括冷却水冷却器13，其与增压空气冷却器12一起被环境空气流过或环流。
按照根据图1的实施例，示出了可能的旁路14，15，借助于这些旁路，可以有选择地部分或完全引导新鲜空气流4经过第一涡轮增压器压缩机2.2和/或第二涡轮增压器压缩机2.4。也可以设置一条共同的旁路来代替图中示出的两条彼此分开设置的旁路14，15，每个涡轮增压器压缩机设一条旁路。
按照根据图2的实施例，示出了可能的废气回流装置7，当前包括四条管路7.1，7.2，7.3和7.4，借助于这些管路可以有选择地将废气从废气流5引入新鲜空气流4。在图中示出的实施例中，三条管路7.2，7.3和7.4在废气流分配器6下游从废气流5中分支出来，即从每股废气子流5.1，5.2和5.3中分出一条管路。另外，管路7.1在废气流分配器6上游、当前在第一涡轮增压器涡轮机2.1上游从废气流5中分支出来。废气流分配器6下游的管路7.2，7.3和7.4在第二涡轮增压器压缩机2.4下游和第一涡轮增压器压缩机2.2上游通入新鲜空气流4中。第一管路7.1在两个涡轮增压器压缩机2.4，2.2下游通入新鲜空气流4中。
按照根据图1的实施例，还示意性地示出了控制装置8，该控制装置借助于废气流分配器6控制和/或调节将废气流5分为各种废气子流5.1，5.2，5.3的分配。为此，控制装置8连接转数传感器9，转数传感器检测内燃机1的输送轴1.1的转数。测量结果用于确定将多少份额的废气流5输送给哪股废气子流5.1，5.2和5.3。理所当然地，也可以借助于控制装置8或附加的控制装置来控制将新鲜空气流4分到相应的涡轮增压器压缩机2.4，2.2和相应的旁路14，15或废气回流装置7中的质量流或体积流的分配。
通过根据本发明的设计方案，可以以最佳的方式来调节传动系的效率或内燃机的燃料消耗。同时，可以在废气温度方面对于废气处理进行调整。

Claims (10)

1.一种传动系，特别是机动车传动系，具有：
1.1产生废气流（5）的内燃机（1），所述内燃机具有输送轴（1.1），用于将驱动功率输入所述传动系中；
1.2涡轮增压器（2）；
1.3涡轮复合系统（3），包括废气动力涡轮机（3.1），所述废气动力涡轮机布置在废气流（3）中并与所述内燃机（1）的所述输送轴（1.1）传动连接或能够与所述输送轴连接；
其特征在于，
1.4所述涡轮增压器（2）被设计为至少两级，并且包括布置在所述废气流（5）中的第一涡轮增压器涡轮机（2.1），并驱动布置在通向所述内燃机（1）的新鲜空气流（4）中的第一涡轮增压器压缩机（2.2），以及包括在所述废气流（5）中布置在所述第一涡轮增压器涡轮机（2.1）下游的第二涡轮增压器涡轮机（2.3），并驱动在所述新鲜空气流（4）中布置在所述第一涡轮增压器压缩机（2.2）上游的第二涡轮增压器压缩机（2.4）；并且
1.5所述废气流（5）中的所述涡轮复合系统（3）的所述废气动力涡轮机（3.1）在穿流方面与所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3）并联布置。
2.根据权利要求1所述的传动系，其特征在于，在所述废气流（5）中，在并联的所述废气动力涡轮机（3.1）和所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3）的上游设置了能调节的废气流分配器（6），借助于所述废气流分配器能够将所述废气流分为至少两股废气子流（5.1，5.2），其中，在第一废气子流（5.1）中布置所述废气动力涡轮机（3.1）并在第二废气子流（5.2）中布置所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3），并且借助于所述废气流分配器（6）可以改变将所述废气流（5）分为所述废气子流（5.1，5.2）的分配。
3.根据权利要求2所述的传动系，其特征在于，除了前两股所述废气子流（5.1，5.2），所述废气流分配器（6）从所述废气流（5）中引出第三废气子流（5.3），借助于所述第三废气子流能引导废气经过所述废气动力涡轮机（3.1）和与所述废气动力涡轮机并联布置的所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3）。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传动系，其特征在于，所述第一涡轮增压器涡轮机（2.1）在所述废气流（5）中布置在上游并与所述涡轮复合系统（3）的所述废气动力涡轮机（3.1）串联布置。
5.根据权利要求2和4所述的传动系，其特征在于，所述废气流分配器（6）在所述废气流（5）中布置在所述第一涡轮增压器涡轮机（2.1）的下游，并且布置在所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3）和所述废气动力涡轮机（3.1）的上游。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传动系，其特征在于，设置有废气回流装置（7），借助于所述废气回流装置能将所述废气从所述废气流（5）导入所述新鲜空气流（4）中。
7.根据权利要求6所述的传动系，其特征在于，所述废气回流装置（7）至少包括一条废气回流管路，其中所述废气回流管路在所述废气流分配器（6）的上游和/或下游、特别是沿流动方向在所述废气动力涡轮机（3.1）和并联的所述第二涡轮增压器涡轮机（2.3）之前分支，并在所述第一涡轮增压器压缩机（2.2）的下游和/或上游将所述废气输送给所述新鲜空气流（4）。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的传动系，其特征在于，设置有控制装置（8）、特别是电子控制装置，其中所述控制装置对所述废气流分配器（6）进行控制和/或调节，用于改变将所述废气流（5）分为所述废气子流（5.1，5.2，5.3）的所述分配，其中，特别是还设置了转数传感器（9），用于探测所述内燃机（1）的输送轴（1.1）的转数，所述内燃机与所述控制装置（8）连接。
9.根据权利要求8所述的传动系，其特征在于，这样设置所述控制装置（8），即所述控制装置取决于所述内燃机（1）的所述输送轴（1.1）的所述转数来改变将所述废气流（5）分为所述废气子流（5.1，5.2，5.3）的所述分配。
10.根据权利要求9所述的传动系，其特征在于，这样设置控制装置（8），即在所述输送轴（1.1）的转数相对较高的情况下利用所述废气动力涡轮机（3.1）将所述废气流（5）中的比例较大的部分引到所述废气子流（5.1）上。
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