CN103375246B - 涡轮增压器单元及运行涡轮增压器单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车传动系的涡轮增压器单元，其设有驱动单元和电机，所述驱动单元具有用于压缩汽车内燃机用的新鲜空气的压缩机叶轮和能通过涡轮增压器轴而与所述压缩机叶轮耦合的、用于从内燃机的废气引出动能的涡轮机叶轮，该电机用于加速和/或制动所述驱动单元，其中，该电机具有用于与驱动单元无接触地且变换转速地传递转矩的磁力变速器。通过避免磁力变速器中的机械摩擦接触能够使所述传动系获得良好的效率。

Description

涡轮增压器单元及运行涡轮增压器单元的方法

技术领域

本发明涉及一种涡轮增压器单元和运行这种涡轮增压器单元的方法，借助这种涡轮增压器单元，用于内燃机的新鲜空气能够通过来自内燃机的废气的动能增压。此外，本发明还涉及一种运行具有内燃机的汽车的装置。

背景技术

从DE 10 2010 011 027 A1已知一种具有驱动单元的涡轮增压器单元，在这种涡轮增压器单元中，用于通过压缩机轴压缩汽车内燃机用的新鲜空气的压缩机叶轮与用于内燃机的废气引出动能的涡轮相连接。电机间接通过机械的圆柱齿轮而与驱动单元的涡轮增压器轴持续耦合，电机交替作为驱动电动机或者发电机运行。

存在提高汽车传动系的效率的持久需求。

发明内容

本发明的任务是说明能够使汽车传动系得到良好效率的措施。

这个任务根据本发明通过一种涡轮增压器单元，通过一种用于运行汽车的装置以及一种用于运行涡轮增压器单元的方法实现。

根据本发明，一种用于汽车传动系的涡轮增压器单元设有驱动单元和用于使所述驱动单元加速和/或制动的电机，其中，所述驱动单元具有用于压缩汽车内燃机用的新鲜空气的压缩机叶轮和用于从内燃机废气引出动能的、能通过涡轮增压器轴与所述压缩机叶轮相耦合的涡轮机叶轮，所述电机具有与所述驱动单元无接触地且变换转速的传递转矩的磁力变速器。

因为电机不通过有摩擦的齿轮连接与所述驱动单元耦合，所以机械摩擦的程度能够被减小。电机和驱动单元之间的机械耦合以及所述磁力变速器内部的、降低效率的机械接触能够被避免。特别地，所述涡轮增压器单元可设置一运行状态，在该运行状态中，电机与驱动单元基本上分离，基本上既不使所述驱动单元加速，也不使其制动，而是在这种运行状态中，通过电机的可能发生的耦合的机械摩擦产生效率损失。通过磁力变速器的转速变换，由电机提供的转速能够转换成涡轮增压器轴的转速。因为涡轮增压器轴的转速常常能够非常高，例如达到290,000转/分，磁力变速器的转速变化能够降低对电机结构的要求并且能够得到高效率的结构。所述磁力变速器尤其能够具有电机的定子或转子，它通过主输电线与电源和/或电能流出件，例如汽车电池，连接。由此，能够产生磁场，该磁场通过中间接通的转速变换元件能够驱动一转速已变换的转子，该转子优选能够直接与驱动单元的部件相连接。特别地，所述磁力变速器的功能元件可能与电机的功能元件同步，使得一部件不仅能够行使磁力变速器的功能，也能够行使电机的功能。所述磁力变速器尤其能够包括具有两个或多个磁极的组合部件。所述磁极能够提供永磁性，例如通过磁化组合部件的铁磁部件和/或通过永磁体与所述组合部件相连接。附加地或者备选地，所述磁极能够只有在需要时才构成，例如借助于可电力运行的电磁铁。

在一运行状态中，应从小的转速范围加速，虽然还没有充分强烈的废气流用于驱动压缩机叶轮(“涡轮孔”)，在该运行状态中，能够通过作为驱动电动机工作的电机将转矩导入到驱动单元中，以支承内燃机充入新鲜空气和从涡轮孔的转速范围快速加速。通过由电机导入的转矩实现所述驱动单元的加速。在高转速时，如果已充入的新鲜空气达到预定的最大压力并且应使用充气压力自动控制装置以限制充入的新鲜空气的压力，通过作为发电机工作的电机，转矩从所述驱动单元导出，使得不需要为废气流设置从涡轮旁边穿过的旁路。由此能够省去用于调节相应的旁路流的旁路阀。特别地，在电机作为发电机运行时产生电能，所述电能尤其被储存并且能够在涡轮孔运行状态中再次使用，由此进一步改善效率。还可能在电机作为发电机运行时产生的电能基本上不直接利用单独的中间存储装置。通过从电机导出的转矩使所述驱动单元制动。优选地，控制单元与电机相连接，所述控制单元借助电机进行充气压力调节。由电机施加的制动力矩的调节能够例如通过脉冲波调制实现，由此能够调节时间间隔，在该时间间隔中，电机制动所述驱动单元，以能够控制确定的、暂时的平均制动力矩来限制已充入的新鲜空气的压力。

所述压缩机叶轮能够是压缩机的设置在汽车传动系的空气通道系统的进气通道中的一部分。所述压缩机的压缩机壳体能够通过机器通道本身构成。所述压缩机叶轮能够在进气通道中从进气侧进气，压缩并且在受压侧上再次给出更高的压力，使得具有提高的质量体积比的已充入的新鲜空气能够供给给内燃机。所述涡轮机叶轮能够是涡轮机的设置在空气通道系统的排气通道中的一部分。涡轮机的涡轮机壳体能够通过排气通道本身构成。通过使废气动能丧失，所述涡轮机叶轮能够由内燃机射出的废气驱动。在这里能够利用废气的动态压力(动态充气)和/或废气的气流速度。所述涡轮机叶轮和压缩机叶轮能够通过涡轮增压器轴耦合，使得所述涡轮机叶轮和压缩机叶轮能够以相同的转速转动。

在这里具体化的总的构思通过具有上述优点的电机和磁力变速器产生的电能直接或间接通过存储器使用，根据本发明，也备选地允许利用没有提供有压缩机叶轮的驱动单元。为此，根据本发明设置一个相应的装置，该装置具有驱动单元，所述驱动单元借助涡轮机叶轮提取废气动能，并且提供电机以使涡轮机叶轮加速和/或制动。此外，所述电机在这里具有磁力变速器以与所述驱动单元无接触地且变换转速地传递转矩。实际上，磁力变速器在这里是汽车传动系的没有压缩机的装置。通过省去压缩机，该装置能够获得涡轮机叶轮的所述优点，与通过磁力变速器耦合到涡轮机叶轮上的电机也可用于能够使用或需要没有压缩的新鲜空气的汽车。

特别地，所述磁力变速器可电力接通。这使电机与驱动单元耦合和/或解耦容易。为此，不需要磁力变速器的部件或电机的部件在轴向方向上相对于其余部件移动，以消除这个部件的磁耦合。特别地，通过电磁铁实现的磁耦合能够通过断开电磁铁快速且简单地消除或者通过接通电磁铁导致。

优选地，压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的涡轮增压器轴一体地构成。所述涡轮增压器轴能够作为从压缩机叶轮延伸到涡轮机叶轮的总的连续统一体。在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间设置的摩擦耦合能够被避免，使得对于涡轮机叶轮和压缩机叶轮之间的转矩传递给出更高的效率。

在一个优选实施方式中，所述磁力变速器相应地构造成一个行星变速器，其具有一个太阳轮、至少一个行星轮和一个内齿轮，其中，所述太阳轮与行星轮和/或所述行星轮与内齿轮能隔着空气间隙磁耦合以传递转矩，其中，特别地，太阳轮直接与驱动单元连接。在这里例如可能的是，所述内齿轮构成电机的定子或转子，电产生的转矩通过电机的定子或转子导入。该转矩能够借助磁力连接的行星轮这样改变，以使得太阳轮以提高的转速释放到所述驱动单元上。按照对内齿轮、行星轮和太阳的直径的选择来调节所述磁力变速器的适当的转换比例。特别地，能够通过制动磁力变速器的部件来改变磁力变速器的转换比例。因为太阳轮、行星轮和内齿轮分别通过空气间隙相互分开，避免摩擦损失，特别是当转矩传递通过行星变速器配置。通过缺乏接触相对于彼此运动的部件，所述磁力变速器能够以极高的转速运行，极高的转速尤其能够使所述驱动单元能够以290,000转/分或者更高的转速来运行。

特别地，所述磁力变速器提供转换比例n为1.0＜n≤10.0，尤其是2.5≤n≤8.0，优选4.0≤n≤7.0和特别优选5.0≤n≤6.0。这样的转换比例能够进行充分的转换，以使驱动单元适当加速或制动。

优选地，所述磁力变速器的部件，尤其是内齿轮，具有至少一个电磁铁，优选是一个可流过电流的线圈。当电磁铁通电时，能够形成电磁场，该电磁场能够使电机和驱动单元之间传递转矩。当所述电磁铁不通电时，缺乏相应的电磁场，因此磁力变速器中的转矩传递被中断。因缺乏电磁场而解耦的部件在这里基本上不由驱动单元联动，由此避免效率损失。特别地，因此旋转的质量作用在驱动单元上的转动惯量减小，由此能够快速且以更小的效率损失实现所述驱动单元的加速和制动。

特别优选地，所述磁力变速器具有变速器壳体，特别地，该变速器壳体支承行星轮，其中，所述变速器壳体相对于所述驱动单元被密封。在所述变速器壳体中存在低压或相当程度的真空，使得效率损失能够通过电离的粒子避免。磁力变速器的加热也能够通过空气摩擦避免。所述变速器壳体同时作为行星架工作，在所述变速器壳体上可转动地安置至少一个行星轮。所述变速器壳体能够不能运动地构成，其方式是例如所述变速器壳体固定地安装在汽车中。所述变速器壳体也可能可转动地固定，其中，所述变速器壳体尤其能够以从所述驱动单元移动的转速和/或从所述驱动单元移动的旋转方向旋转。

特别地，设置有用于冷却所述磁力变速器的冷却装置，其中，所述冷却装置尤其是水冷却的或者油冷却的。通过所述冷却装置的冷却能够避免所述磁力变速器的部件的消磁。为此，尤其能够使用冷却水，该冷却水也能够用于内燃机的水冷却。所述冷却装置也能够使用油，该油例如从内燃机的油池提取。因此不需要提供额外的冷却介质，而是能够使用现有的冷却介质。

本发明还涉及一种汽车传动系的空气通道系统，其具有进气通道，用于吸取内燃机用的新鲜空气；排气通道，用于将废气从内燃机和涡轮增压器单元排出，所述涡轮增压器单元能够如前所述的那样构造和改进，其中，所述压缩机叶轮布置在进气通道中和所述涡轮机叶轮布置在排气通道中。通过在磁力变速器中避免机械摩擦接触能够使所述传动系得到良好的效率。

本发明涉及一种具有内燃机和与内燃机相连接的空气通道系统的汽车的传动系，所述空气通道系统能够如上所述的那样构造和改进。通过在磁力变速器避免机械摩擦接触能够使所述传动系获得良好的效率。

本发明还涉及一种用于运行涡轮增压器单元和/或空气通道系统的方法，所述涡轮增压器单元能够如上所述的那样构造和改进，所述空气通道系统能够如上所述的那样构造和改进，在涡轮孔转速之下，由电机将转矩导入到驱动单元中，在充气压力调节转速之上，由电机将转矩从所述驱动单元导出，尤其用于产生电能，并且在所述涡轮孔转速和充气压力调节转速之间，电机从驱动单元解耦。涡轮孔转速尤其能够依赖于所希望的速度进行不同地选择，在这样的涡轮孔转速之下，所述驱动单元能够由电机加速。在所述充气压力转速之上，所述驱动单元能够由电机制动，因此充入的新鲜空气不超过提供的最大压力。在涡轮孔转速和充气压力转速之间，所述电机能够被断开，其中，在这种运行状态中，作用在驱动单元上的牵引力矩能够被减小。通过避免所述磁力变速器中的机械摩擦接触能够使所述传动系获得良好的效率。

所述涡轮孔转速是预先给定和/或例如存储在驱动单元的特性曲线中的转速或者内燃机的额定转速，在涡轮孔转速之下仍然没有足够强烈的废气流用于驱动压缩机叶轮，以便能够达到汽车的充分舒适的加速(“涡轮孔”)。所述充气压力转速是预先给定的和/或例如在驱动单元的存储特性曲线的转速或者内燃机的额定转速，在充气压力转速之上超过充入的新鲜空气提供的最大压力并且因而应执行充气压力调节，通过充气压力调节，充入的新鲜空气的最大压力的超过通过作用在驱动单元上的转矩分支到电机上并应避免所述驱动单元由此达到的制动。

附图说明

下面将根据优选实施例，参照附图示例性地阐明本发明，其中，下面示出的特征能够不仅每个单独地而且以组合方式示出本发明的一个方面。在附图中：

图1：第一实施方式中的涡轮增压器单元的示意原理图；

图2：第二实施方式中的涡轮增压器单元的示意原理图；

图3：第三实施方式中的涡轮增压器单元的示意原理图；

图4：第四实施方式中的涡轮增压器单元的示意原理图；

图5：第一实施方式中的用于运行汽车的装置的示意原理图；

图6：第二实施方式中的用于运行汽车的装置的示意原理图；

图7：第三实施方式中的用于运行汽车的装置的示意原理图；和

图8：第四实施方式中的用于运行汽车的装置的示意原理图。

具体实施方式

在图1中示出的涡轮增压器单元10具有驱动单元12，驱动单元12具有压缩机叶轮14，借助压缩机叶轮14能够压缩输送给内燃机的新鲜空气。压缩机叶轮14通过非中断的整体的连续涡轮增压器轴16与驱动单元12的涡轮机叶轮18固定连接，涡轮机叶轮18能够由从内燃机排出的废气驱动。驱动单元12能够与压缩机叶轮14、涡轮增压器轴16和涡轮机叶轮18作为共同的相关组合部件以相同的转速转动，该转速例如能够达到290,000转/分。电机20耦合到驱动单元12上，以便通过在涡轮孔情形下转矩的输入使驱动单元12加速和/或通过在充气压力调节情形下转矩的输出使驱动单元12制动。电机20具有在行星变速器类型中构造的磁力变速器22，由此电机能够这样耦合到驱动单元上，使得电机20和驱动单元12之间的转矩传递不仅无接触而且变换转速地实现。磁力变速器22为此具有太阳轮24，太阳轮24与至少一个行星轮26磁力协作，行星轮26又能够与内齿轮28磁力协作。转矩转换和转速变换基本上磁力地进行，使得太阳轮24和行星轮26之间及行星轮26和内齿轮28之间分别设置空气间隙30。

在图1中示出的实施例中，太阳轮直接与涡轮增压器轴16例如通过插齿固定连接。内齿轮28能够具有电磁铁，电磁铁能够接通电和断开电。借助内齿轮28的电磁铁能够导致内齿轮28和行星轮26之间的磁耦合，以便在内齿轮28和行星轮26之间传递转矩。行星轮26能够将转矩传递到太阳轮24上，由此与内齿轮28相比，太阳轮24能够以变化的转速旋转。内齿轮28尤其能够运动固定地固定并且静止不动，即不旋转，使得内齿轮28的电磁铁能够简单地与主输电线连接。

在图2中示出的涡轮增压器单元10的实施例中，与图1示出的涡轮增压器单元10的实施例相比，磁力变速器22附加地具有变速器壳体32，变速器壳体32尤其也能够用作行星轮26的行星架。变速器壳体32能够相对于驱动单元12被密封，以便例如在变速器壳体32内部提供低压。变速器壳体32能够运动固定地静止不动或者可围绕涡轮增压器轴16的中心轴线旋转地安置。内齿轮28能够与变速器壳体32无相对转动地连接。行星轮26还可能围绕自身可旋转以与变速器壳体32连接。变速器壳体32为此能够例如具有持距设置的螺栓，在那些螺栓上可转动安置各行星轮26。特别地，变速器壳体32由冷却介质34，例如冷却水或者冷却油，流过，以便冷却磁力变速器。

在图3中示出的涡轮增压器单元10的实施例中，与图1中示出的涡轮增压器单元10的实施例相比，太阳轮24不直接与涡轮增压器轴16连接，而是直接与压缩机叶轮14连接。备选地，太阳轮24不是与涡轮增压器轴16连接，而是直接与涡轮机叶轮18连接。太阳轮24尤其构造为中空圆柱体，该中空圆柱体在径向方向上相对于涡轮增压器轴16间隔开地布置。

在图4中示出的涡轮增压器单元10的实施例中，与图2中示出的涡轮增压器单元10的实施例相比，太阳轮24不直接与涡轮增压器轴16连接，而是直接与压缩机叶轮14连接。备选地，太阳轮24不是与涡轮增压器轴16连接，而是直接与涡轮机叶轮18连接。

在图1至4中分别示出涡轮增压器单元10的不同实施例，而图5至8示出用于运行汽车的装置的不同实施例，该用于运行汽车的装置基本上基于使用磁力变速器20的相同构思，但是不具有压缩机叶轮14并且因而也不具有涡轮增压器单元。但是，除了压缩机特征外，这个实施例基本上与图1和2的涡轮增压器单元相同，因而在此相同的元件使用相同的附图标记表示。

图5示出用于运行汽车的装置，该用于运行汽车的装置按照图1的涡轮增压器单元10的实例，只是不具有压缩机14。因而对于相对应的说明，请参考对图1的说明。

在图6示出如同图5中的类似装置，只是在根据图2的实施方式中。因而对于该结构，除压缩机外，请参考对图2的说明。

图7和8对应图4和5的实例，不同之处在于这里示例性地示出，代替离心涡轮机18，在这里使用恰好轴流式涡轮机43。

在图5至8示出的本发明的变型中，在内燃机的废气流中设有发电机。通过这里未示出的储能器，涡轮机18、43能够通过磁力变速器22加速。如果涡轮机18、43足以提供变速器的功率，则变速器22以负的力矩制动轴44。根据制动功率，借助电机20通过变速器22获得流，电机20当前用作发电机工作。最大电能能够只借助电控制器42提供给变速器22，电控制器42通过连接41连接到磁力变速器22上。通过变速器22的这个控制，相应地也控制涡轮机18、43的转速，因而能够达到优化的运行转速，例如通过制动或加速。为了能够不仅控制而且调节变速器22或者涡轮机18、43，控制装置41连接到汽车的BUS系统上并且例如与发动机控制器通信。

借助在这里描述的无压缩机的发电机电路中获得的流提供传动系的效率。所述能量能够被储存或者供电力设备(例如空调设备、伺服系统或者空气压缩机)使用。

获得的其他优点是现在可能的触发改进发动机效率，其中，在发动机点火后(在点火后，曲轴的角位置0°—X°；0°＜X°＜180°)，热能利用曲轴转变成机械能。利用传动系的废气路径中的这里所述的装置，排气阀允许只比通常更早地开启(在点火后，曲轴的角位置X°—180°；0°＜X°＜180°)。如果活塞驱动效率已经下降，则废气的热能已经利用涡轮机18,43和变速器22转变成电能。在发动机排气阶段(在点火后，曲轴的角位置180°—X°；180°≤X°≤400°)，来自排气能量的电能利用涡轮机18,43和变速器22产生。因而能够提高发动机的效率并且曲轴轴承的径向力负荷及圆柱体壁的平均热负荷降低。

备选地，代替磁力变速器22，也能够直接安装交流或直流发电机。然而，对于在如上所述的优选转速范围内运行的涡轮机18、43的控制也许是更困难的。

附图标记列表

10 涡轮增压器单元

12 驱动单元

14 压缩机叶轮

16 涡轮增压器轴

18 涡轮机叶轮

20 电机

22 磁力变速器

24 太阳轮

26 行星轮

28 内齿轮

30 空气间隙

32 变速器壳体

34 冷却介质

40 从动单元

41 电控制器

42 连接

43 轴流式涡轮机

44 轴

Claims (15)

1.用于汽车传动系的装置，具有

驱动单元(12)，其具有

压缩机叶轮(14)，用于压缩汽车内燃机用的新鲜空气，和

能通过涡轮增压器轴(16)而与所述压缩机叶轮(14)耦合的涡轮机叶轮(18)，用于从内燃机的废气引出动能，

电机(20)，用于加速和/或制动所述驱动单元(12)，

其特征在于，

所述装置是涡轮增压器单元，并且

所述电机(20)具有磁力变速器(22)，所述磁力变速器(22)用于与所述驱动单元(12)无接触地且变换转速地传递转矩。

2.用于运行汽车的装置，其具有内燃机和驱动单元(40)，所述驱动单元具有

涡轮机叶轮(18)，用于从内燃机的废气引出动能，和

电机(20)，用于加速和/或制动所述涡轮机叶轮(18)，

其特征在于，

所述电机(20)具有用于与所述驱动单元(40)无接触地且变换转速地传递转矩的磁力变速器(22)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁力变速器(22)是可电地开关的。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涡轮增压器轴(16)在所述压缩机叶轮(14)和涡轮机叶轮(18)之间一体地构成。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁力变速器(22)相应地构造成一个具有一个太阳轮(24)、至少一个行星轮(26)和一个内齿轮(28)的行星变速器，其中，所述太阳轮(24)与行星轮(26)和/或所述行星轮(26)与内齿轮(28)能隔着空气间隙(30)磁耦合以传递转矩，其中，所述太阳轮(24)直接与所述驱动单元(12,40)连接。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁力变速器提供的转换比例n为1.0＜n≤10.0。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转换比例n为2.5≤n≤8.0。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转换比例n为4.0≤n≤7.0。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述转换比例n为5.0≤n≤6.0。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁力变速器(22)的部件具有至少一个电磁铁，所述电磁铁为电流可流过的线圈。

11.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述磁力变速器(22)具有变速器壳体(32)，所述变速器壳体支承所述行星轮(26)，其中，所述变速器壳体(32)相对于所述驱动单元(12,40)被密封。

12.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设置用于冷却所述磁力变速器(22)的冷却装置(34)，其中，所述冷却装置(34)水冷却的或油冷却的。

13.用于汽车传动系的空气通道系统，其具有用于吸取内燃机用的新鲜空气的进气通道、用于从内燃机排出废气的排气通道和根据权利要求1或3至9中任一项所述的涡轮增压器单元(10)，其中，所述压缩机叶轮(14)布置在该进气通道中，所述涡轮机叶轮(18)布置在该排气通道中。

14.用于运行根据权利要求1或3至9中任一项所述的涡轮增压器单元(10)和/或根据权利要求10所述空气通道系统的方法，在该方法中，

在涡轮孔转速之下，由电机(20)将转矩导入到驱动单元(12)中，

在充气压力转速之上，由电机(20)将转矩从驱动单元(12)导出，和

在所述涡轮孔转速和充气压力转速之间，电机(20)从所述驱动单元(12)解耦。

15.根据权利要求14所述空气通道系统的方法，其特征在于所述导出的转矩用于产生电能。