ТУРБОКОМПАУНДНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2009 года по МПК F02B41/10 F02B33/34 

Изобретение относится к турбокомпаундной системе, то есть системе для повышающей КПД передачи энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, который расположен в трансмиссии, посредством турбины, работающей на отработавших газах, и гидродинамической муфты на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания. Система, которая является предметом изобретения, могла бы также быть обозначена как система турбокомпаундного замедлителя, так как в то же время она имеет функцию замедлителя, то есть может передать тормозное воздействие на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, когда это требуется.

Турбокомпаундные системы, а также системы турбокомпаундного замедлителя известны специалистам. В частности, последние имеют, как правило, гидродинамическую муфту, которая служит для передачи крутящего момента между турбиной, работающей на отработавших газах, и коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания. Чтобы иметь в распоряжении описываемую функцию торможения, при этом, как правило, или лопастное колесо гидродинамической муфты механически устанавливается так, что гидродинамическая муфта становится функционально замедлителем, или турбина, работающая на отработавших газах, эксплуатируется как компрессор, см., например, US 5884482. Относительно последней названной системы также известно изменение на обратное направление вращения турбины, работающей на отработавших газах, в тормозном режиме, чтобы выработать больший тормозной момент, см., например, US 4748812.

Документы EP 0301547 A, EP 0297287 A и EP 0272680 A описывают соответственно турбокомпаундные системы, у которых направление вращения турбины, работающей на отработавших газах, в режиме торможения переключается, чтобы она работала как воздушный компрессор. За счет изменения направления вращения турбины, работающей на отработавших газах, происходит также изменение направления вращения обоих лопастных колес включенной перед ней гидродинамической муфты.

Хотя эти системы достигают определенного действия торможения в режиме торможения, на практике обнаружено, что включение турбины, работающей на отработавших газах, в качестве компрессора не приводит к удовлетворительно равномерному тормозному моменту на коленчатом валу. В системах с фиксированным лопастным колесом гидродинамической муфты, напротив, в режиме замедления гидродинамической муфты достигается тормозной момент, посредством которого тормозится коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, сильно зависящий от числа оборотов и, таким образом, также неравномерный.

В основе изобретения лежит задача предложить турбокомпаундную систему, которая предоставит в распоряжение особенно равномерный высокий тормозной момент в режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания, в частности точно предсказуемый и регулируемый.

Задача согласно изобретению решается посредством турбокомпаундной системы с признаками п.1. Зависимые пункты формулы изобретения описывают особенно целесообразные и предпочтительные усовершенствования изобретения.

Турбокомпаундная система согласно изобретению содержит двигатель внутреннего сгорания с приводимым в движение коленчатым валом, а также турбиной, работающей на отработавших газах, расположенной в потоке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. В приводном соединении между турбиной, работающей на отработавших газах, и коленчатым валом включена гидродинамическая муфта, которая содержит первичное колесо и вторичное колесо, которые образуют друг с другом рабочее пространство. Рабочее пространство заполнено или имеет возможность заполнения рабочей средой, в частности маслом, так что крутящий момент передается от первичного колеса на вторичное колесо или от вторичного колеса на первичное колесо в зависимости от того, чья сторона, первичного колеса или вторичного колеса, снаружи приводится в движение. В смысле единого обозначения для описания данного изобретения лопастное колесо гидродинамической муфты, которое расположено со стороны турбины, работающей на отработавших газах, и, в частности, находится в непосредственном механическом приводном соединении с турбиной, работающей на отработавших газах, обозначено как первичное колесо. Соответственно вторичное колесо в смысле данного изобретения является лопастным колесом гидродинамической муфты, которое расположено на стороне коленчатого вала и, в частности, находится в непосредственном механическом приводном соединении с коленчатым валом или может в таковое включаться.

В так называемом «режиме турбосцепления», также «турбокомпаундном режиме», турбина, работающая на отработавших газах, приводится в движение посредством потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, т.е. турбина, работающая на отработавших газах, переводит энергию отработавших газов во вращательное движение, и эта приводная мощность от первичного колеса гидродинамической муфты, которое находится в приводном соединении с турбиной, работающей на отработавших газах, т.е. турбинным колесом турбины, работающей на отработавших газах, через рабочую среду в рабочем пространстве гидродинамической муфты передается на вторичное колесо и дальше на коленчатый вал приводного двигателя, который находится в приводном соединении со вторичным колесом. В этом отношении вариант выполнения данного изобретения не отличается от уровня техники.

Турбокомпаундная система согласно изобретению имеет, однако, дополнительно средство переключения для изменения направления вращения первичного колеса или вторичного колеса гидродинамической муфты, так что в так называемом «режиме замедления», то есть в режиме работы турбокомпаундной системы, в котором работа торможения должна быть передана на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, в частности, когда он находится в режиме принудительного холостого хода, первичное колесо и вторичное колесо гидродинамической муфты вращаются противоположно друг другу, и таким образом образуется так называемый замедлитель встречного вращения.

Преимуществами функции замедлителя встречного вращения турбокомпаундной системы согласно изобретению являются выработка особенно большого тормозного момента, а также равномерного или соответственно более равномерного по сравнению с уровнем техники хода тормозного момента за счет большого диапазона частот вращения гидродинамической муфты, например, относительно начального числа оборотов гидродинамической муфты.

Средство переключения согласно изобретению может быть предусмотрено в различных вариантах выполнения. Согласно первому варианту выполнения средство переключения согласно изобретению способствует изменению направления вращения турбинного колеса турбины, работающей на отработавших газах, так что первичное колесо гидродинамической муфты по сравнению с «режимом гидромуфты» поворачивается. К тому же средство переключения согласно изобретению выполнено в форме приспособления, направляющего поток, например, в форме направляющего аппарата или соответственно направляющей решетки турбины, работающей на отработавших газах. Посредством этой направляющей решетки согласно описанному варианту выполнения набегающий поток турбинного колеса турбины, работающей на отработавших газах, изменяется таким образом, что устанавливается желаемое изменение направления вращения.

Согласно второму варианту выполнения изобретения средство переключения содержит механизм переключения или соответственно средство переключения выполнено в форме механизма переключения. Механизм переключения при этом согласно предпочтительному варианту выполнения может быть реверсивным механизмом, который расположен в приводном соединении между коленчатым валом и вторичным колесом гидродинамической муфты. В первом состоянии переключения (режиме сцепления) вторичное колесо приводит в движение через механизм переключения коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, причем оно направлено в первом направлении. Во втором состоянии переключения коленчатый вал приводит в движение посредством механизма переключения вторичное колесо (режим замедления), причем в этом состоянии вторичное колесо посредством соответствующего переключения механизма переключения, выполненного как реверсивный механизм, вращается во втором направлении вращения, которое противоположно первому направлению вращения.

Согласно альтернативному варианту выполнения соответствующий реверсивный механизм расположен в приводном соединении между турбиной, работающей на отработавших газах, и первичным колесом гидродинамической муфты. Соответственно первичное колесо гидродинамической муфты поворачивается в обоих положениях включения реверсивного механизма в направлениях, противоположных друг другу.

Согласно другому варианту выполнения турбокомпаундной системы согласно изобретению механизм переключения расположен параллельно гидродинамической муфте и содержит переключающую муфту, посредством которой первичное колесо и вторичное колесо гидродинамической муфты являются переключаемыми в таком механическом приводом соединении, что оба колеса вращаются в противоположном направлении друг к другу. Таким образом, в режиме замедления вторичное колесо гидродинамической муфты приводится в движение от коленчатого вала в первом направлении, в то время как первичное колесо также (промежуточно) посредством коленчатого вала приводится во второе, направленное в противоположную сторону, движение, так что гидродинамическая муфта работает как замедлитель встречного вращения.

Расположенная параллельно гидродинамической муфте переключающая муфта может быть выполнена как многодисковая муфта или так же, как гидродинамическая муфта. Реверсивный механизм выполнен, в частности, в форме планетарного механизма с переключающей муфтой.

Согласно предпочтительному варианту выполнения первичное колесо и вторичное колесо вращаются в режиме замедления в противоположном направлении вращения с отличными друг от друга по величине частотами вращения. Здесь достигается особенно высокая мощность тормоза. В качестве альтернативы возможно, что первичное колесо и вторичное колесо в режиме замедления могут вращаться в противоположном направлении вращения с одинаковыми по величине частотами вращения.

Изобретение должно быть подробно объяснено дальше на основе различных вариантов выполнения и чертежей.

На чертежах изображено:

Фиг.1 - первый вариант выполнения изобретения с изменением набегающего потока турбины, работающей на отработавших газах, посредством регулировки направляющей решетки турбины, работающей на отработавших газах, в режиме турбосцепления и в режиме замедления.

Фиг.2 - второй вариант выполнения изобретения с механизмом переключения, содержащим переключающую муфту, между первичным и вторичным колесом гидродинамической муфты.

На фиг.1 можно опознать турбокомпаундную систему согласно изобретению с двигателем 1 внутреннего сгорания, коленчатый вал 1.1 которого в режиме турбосцепления (также называемом турбокомпаундным режимом) посредством гидродинамической муфты 3, рабочее пространство которой между первичным колесом 3.1 и вторичным колесом 3.2 заполнено рабочей средой, приводится в движение дополнительно от турбины 2, работающей на отработавших газах, расположенной в потоке отработавших газов двигателя 1 внутреннего сгорания. При этом с обеих сторон гидродинамической муфты 3, то есть между коленчатым валом 1.1 и вторичным колесом 3.2, а также турбиной 2, работающей на отработавших газах, и первичным колесом 3.1, расположено по одному передаточному механизму. Как можно видеть, целенаправленный подвод потока отработавших газов на турбину, работающую на отработавших газах, или на направляющую решетку на турбинном колесе турбины, работающей на отработавших газах, ведет к первому направлению вращения первичного колеса 3.1 гидродинамической муфты в режиме турбосцепления.

В режиме замедления, напротив, направление потока отработавших газов по сравнению с режимом турбосцепления переключено таким образом, что направление вращения турбины 2, работающей на отработавших газах, и вместе с ним первичного колеса 3.1 гидродинамической муфты 3 изменено на противоположное. Соответственно этому вращается в режиме замедления первичное колесо 3.1 и вторичное колесо 3.2 в противоположных направлениях, в то время как оба эти колеса 3.1, 3.2 в режиме турбосцепления, как изображено, вращаются постоянно в одинаковом направлении.

Изменение направления вращения турбины 2, работающей на отработавших газах, может быть достигнуто или посредством регулировки направляющей решетки потока отработавших газов, или посредством переключения подвода потока отработавших газов, например, от первого входа на второй вход.

На фиг.2 показан альтернативный вариант выполнения средства переключения для изменения направления вращения первичного колеса 3.1 гидродинамической муфты 3 в режиме замедления в отличие от режима турбосцепления. Как можно видеть, параллельно гидродинамической муфте 3 расположен механизм 4 переключения, который содержит переключающую муфту 4.1. В режиме турбосцепления переключающая муфта включается в открытое состояние, так что никакого механического приводного соединения между первичным колесом 3.1 и вторичным колесом 3.2 гидродинамической муфты 3 не существует, и вторичное колесо 3.2 приводится в движение от первичного колеса 3.1 исключительно посредством циркуляционного течения рабочей среды в рабочем пространстве гидродинамической муфты, так что оба колеса 3.1, 3.2 вращаются одинаково. В режиме замедления, напротив, переключающая муфта 4.1 закрыта, так что первичное колесо 3.1 гидродинамической муфты приводится в движение от коленчатого вала 1.1 с направлением вращения, противоположным направлению вращения вторичного колеса 3.2. В то же время турбина, работающая на отработавших газах, приводится в движение в направлении, противоположном направлению вращения в режиме турбосцепления, и работает таким образом в качестве компрессора или соответственно «воздушного насоса», что способствует дополнительному тормозному моменту для торможения коленчатого вала.

Таким образом, в варианте выполнения, изображенном на фиг.2, передача момента вращения в режиме турбосцепления от турбины 2, работающей на отработавших газах, на коленчатый вал 1.1 происходит чисто гидродинамически, в то время как в режиме замедления оба колеса - первичное колесо 3.1 и вторичное колесо 3.2 - гидродинамической муфты приводятся во вращение механически противоположно друг другу, и гидродинамическая муфта 3 выполняет функцию замедлителя встречного вращения.

Изобретение касается турбокомпаундной системы: с коленчатым валом, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания; с расположенной в потоке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания турбиной, работающей на отработавших газах; с гидродинамической муфтой, содержащей первичное колесо и вторичное колесо, которые образуют друг с другом заполненное или заполняемое рабочей средой рабочее пространство, причем гидродинамическая муфта расположена в приводном соединении между коленчатым валом и турбиной, работающей на отработавших газах, таким образом, что при заполненном рабочем пространстве гидродинамической муфты у турбины, работающей на отработавших газах, приводимой потоком отработавших газов, приводная мощность передается от турбины, работающей на отработавших газах, на коленчатый вал. При этом предусмотрено средство переключения для изменения направления вращения первичного колеса или вторичного колеса гидродинамической муфты. Изобретение обеспечивает равномерный высокий тормозной момент в режиме принудительного холостого хода двигателя внутреннего сгорания. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбокомпаундная система

1.1 с коленчатым валом (1.1), приводимым в движение от двигателя (1) внутреннего сгорания;

1.2 с турбиной (2), работающей на отработавших газах, расположенной в потоке отработавших газов двигателя (1) внутреннего сгорания;

1.3 с гидродинамической муфтой (3), содержащей первичное колесо (3.1) и вторичное колесо (3.2), которые образуют друг с другом рабочее пространство (3.3), заполненное или заполняемое рабочей средой, причем гидродинамическая муфта (3) расположена в приводном соединении между коленчатым валом (1.1) и турбиной (2), работающей на отработавших газах таким образом, что при заполненном рабочем пространстве (3.3) гидродинамической муфты (3) при турбине (2), работающей на отработавших газах, приводимой в движение потоком отработавших газов, приводная мощность передается от турбины (2), работающей на отработавших газах, на коленчатый вал (1.1),
отличающаяся тем, что

1.4 предусмотрено средство переключения для изменения на обратное направления вращения первичного колеса (3.1) или вторичного колеса (3.2) гидродинамической муфты (3), так что первичное колесо (3.1) и вторичное колесо (3.2) гидродинамической муфты (3) вращаются противоположно друг к другу и образуют замедлитель встречного вращения.

2. Турбокомпаундная система по п.1, отличающаяся тем, что средство переключения содержит приспособление, направляющее поток, в потоке отработавших газов, которое для изменения направления вращения первичного колеса (3.1), расположенного со стороны турбины, работающей на отработавших газах, в гидродинамической муфте (3) изменяет направление течения отработавших газов таким образом, что направление вращения турбины (2), работающей на отработавших газах, изменяется на обратное.

3. Турбокомпаундная система по п.2, отличающаяся тем, что приспособление, направляющее поток, содержит направляющую решетку или направляющий аппарат турбины (2), работающей на отработавших газах.

4. Турбокомпаундная система по п.1, отличающаяся тем, что средство переключения содержит механизм (4) переключения.

5. Турбокомпаундная система по п.4, отличающаяся тем, что механизм (4) переключения выполнен в форме реверсивного механизма, который позиционирован в приводном соединении между коленчатым валом (1.1) и вторичным колесом (3.2), которое расположено со стороны коленчатого вала в гидродинамической муфте (3).

6. Турбокомпаундная система по п.4, отличающаяся тем, что механизм (4) переключения выполнен в форме реверсивного механизма, который позиционирован в приводном соединении между турбиной (2), работающей на отработавших газах, и первичным колесом (3.1), которое расположено со стороны турбины, работающей на отработавших газах, в гидродинамической муфте (3).

7. Турбокомпаундная система по п.4, отличающаяся тем, что механизм (4) переключения расположен параллельно гидродинамической муфте (3) и содержит переключающую муфту (4.1), посредством которой первичное колесо (3.1) и вторичное колесо (3.2) гидродинамической муфты (3) имеют возможность включения с противоположным направлением вращения в механическое приводное соединение.

8. Турбокомпаундная система по п.7, отличающаяся тем, что переключающая муфта (4.1) выполнена как многодисковая муфта.

9. Турбокомпаундная система по п.7, отличающаяся тем, что переключающая муфта (4.1) выполнена как гидродинамическая муфта.

10. Турбокомпаундная система по одному из пп.7-9, отличающаяся тем, что механизм (4) переключения выполнен как планетарный механизм с переключающей муфтой (4.1).