трансмиссия с использованием отработавшего газа и способ управления

Формула изобретения

1. Трансмиссия двигателя (1) внутреннего сгорания и турбины (2), работающей на отработавшем газе и расположенной в потоке отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания, включающая в себя гидродинамическую муфту (4), через которую коленчатый вал (3) двигателя внутреннего сгорания имеет возможность включения в тяговое соединение с турбиной (2), работающей на отработавшем газе так, что коленчатый вал (3) приводится турбиной (2), работающей на отработавшем газе; гидродинамическая муфта (4) имеет первичное колесо (4.1) и вторичное колесо (4.2), которые друг с другом образуют рабочую полость, которая выполнена с возможностью заполнения рабочей средой для передачи крутящего момента; первичное колесо (4.1) находится в тяговом соединении с турбиной (2), работающей на отработавшем газе; вторичное колесо (4.2) находится в тяговом соединении с коленчатым валом (3); первичное колесо (4.1) выполнено с возможностью механически тормозиться и блокироваться так, что гидродинамическая муфта (4) выполняет функцию гидродинамического тормоза-замедлителя, отличающаяся тем, что предусмотрена система управления, которая при переключении в режим замедления, в котором гидродинамическая муфта (4) получает функцию гидродинамического тормоза-замедлителя, перед и/или при торможении первичного колеса (4.1) целенаправленно опорожняет до предварительно заданной степени заполнения рабочую полость гидродинамической муфты (4).

2. Трансмиссия по п.1, отличающаяся тем, что первичное колесо (4.1) согласовано с многодисковой муфтой (5), которая выполнена для механического торможения и блокировки первичного колеса (4.1).

3. Трансмиссия по одному из п.п.1 или 2, отличающаяся тем, что гидродинамическая муфта (4) расположена в контуре (6) охлаждения автомобиля, рабочей средой является охлаждающая среда автомобиля.

4. Трансмиссия по п.3, отличающаяся тем, что в направлении потока перед гидродинамической муфтой (4) в контуре (6) охлаждения расположен 3/2-ходовой клапан (7), который при незаторможенном первичном колесе (4.1) распределяет идущий поток рабочей среды в направлении гидродинамической муфты (4) и в направлении двигателя внутреннего сгорания и прерывает поток рабочей среды в направлении гидродинамической муфты (4) непосредственно перед торможением и/или при торможении первичного колеса (4.1).

5. Трансмиссия по п.3, отличающаяся тем, что в направлении потока перед гидродинамической муфтой (4) предусмотрен подключаемый или регулируемый дроссель, который непосредственно перед торможением и/или при торможении первичного колеса (4.1) дросселирует поток рабочей среды в рабочую полость гидродинамической муфты (4).

6. Трансмиссия по п.3, отличающаяся тем, что в направлении потока позади гидродинамической муфты (4) предусмотрено подключаемое или регулируемое спускное отверстие, в частности выпускной регулируемый клапан (19), которое/который увеличивает поток рабочей среды из рабочей полости гидродинамической муфты (4) при опорожнении рабочей полости.

7. Способ управления трансмиссией по п.1 со следующими этапами:

в режиме использования отработавшего газа приведенной турбиной (2), работающей на отработавшем газе, рабочую полость гидродинамической муфты (4) поддерживают по существу или полностью заполненной рабочей средой и механически не заторможено ни одно колесо гидродинамической муфты (4), - первичное колесо (4.1) и вторичное колесо (4.2);

в режиме замедления при механически заблокированном первичном колесе (4.1) рабочую полость гидродинамической муфты (4) удерживают заполненной с предварительно заданной степенью заполнения;

при переключении из режима использования отработавшего газа в режим замедления рабочую полость гидродинамической муфты (4) перед механическим торможением и/или при механическом торможении первичного колеса (4.1) гидродинамической муфты (4) опорожняют полностью или до предварительно заданной степени заполнения.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что предварительно заданная степень заполнения рабочей полости гидродинамической муфты (4) в режиме замедления меньше, чем степень заполнения в режиме использования энергии отработавшего газа.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что на этапе переключения из режима использования отработавшего газа в режим замедления рабочую полость гидродинамической муфты (4) опорожняют непосредственно до заданной для режима замедления степени заполнения.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что на этапе переключения из режима использования отработавшего газа в режим замедления рабочую полость гидродинамической муфты (4) сначала опорожняют до степени заполнения, которая меньше степени заполнения, заданной для режима замедления.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что на этапе переключения из режима использования отработавшего газа в режим замедления рабочую полость гидродинамической муфты (4) по существу или полностью опорожняют.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что опорожнение рабочей полости гидродинамической муфты (4) осуществляют с помощью дросселирования потока рабочей среды, подводимого в рабочую полость.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что опорожнение рабочей полости гидродинамической муфты (4) осуществляют путем увеличения потока рабочей среды, отводимого из рабочей полости.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что опорожнение осуществляют с помощью прерывания потока рабочей среды, подводимого в рабочую полость.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается трансмиссии, в частности трансмиссии автомобиля, в которой энергия отработавшего газа двигателя внутреннего сгорания с помощью турбины, работающей на отработавшем газе, используется для привода. Изобретение также касается способа управления такой трансмиссией.

Применение турбин, работающих на отработавшем газе, в трансмиссиях, в частности в трансмиссиях автомобилей, известно. Согласно известному типу в режиме использования энергии отработавшего газа коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания дополнительно приводится в движение с помощью турбины, работающей на отработавшем газе, которая включена в соответствующее тяговое (силовое) соединение с коленчатым валом. Тяговое соединение включает в себя гидродинамическую муфту, которая передает приводной момент турбины, работающей на отработавшем газе, на коленчатый вал. Равным образом могут быть промежуточно включены подходящие передаточные механизмы или редукторы.

Согласно другой разработке этого типа гидродинамическая муфта служит не только для передачи крутящего момента в режиме использования энергии отработавшего газа, но и может применяться в качестве гидродинамического тормоза, т.е. в качестве так называемого тормоза-замедлителя. Для этого механически останавливается колесо гидродинамической муфты, а именно колесо, соединенное с турбиной, работающей на отработавшем газе. В качестве альтернативы может быть предусмотрено два различных гидравлических контура, которые целенаправленно заполняют и опорожняют полость муфты и полость тормоза-замедлителя.

В качестве средства для торможения или остановки колеса гидродинамической муфты может применяться, например, многодисковая муфта. У таких многодисковых муфт постоянно возникают технические проблемы, которые большей частью сводятся к перегрузке. Соответственно расчет параметров многодисковых муфт ведется с запасом прочности, т.е. со значительными конструктивными размерами и значительным весом. С одной стороны такие параметры ведут к высоким затратам. С другой стороны дополнительный вес, в частности, у автомобилей должен рассматриваться как недостаток, так как в настоящее время, как известно, стремятся минимизировать расход топлива.

DE 3904399 А1, который может рассматриваться в качестве ближайшего уровня техники, описывает трансмиссию с признаками, которые приведены в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

WO 02/070877 А показывает другой приводной узел с турбиной, работающей на отработавшем газе, и гидродинамической муфтой, первичное колесо с лопатками которой может быть остановлено с помощью стопорящего тормоза.

Задачей изобретения является усовершенствование трансмиссии с двигателем внутреннего сгорания, турбиной, работающей на отработавшем газе, и гидродинамической муфтой в тяговом соединении между коленчатым валом и упомянутой турбиной, при этом гидродинамическая муфта применяется также и для гидродинамического торможения, таким образом, что устраняются недостатки уровня техники. В частности, должна быть обеспечена возможность использовать конструктивно меньшее средство, в частности моногодисковую муфту, для торможения или соответственно блокировки колеса муфты. Также должен быть предоставлен способ управления заявленной трансмиссией.

Поставленная задача решается с помощью трансмиссии и способа управления трансмиссией согласно независимым пунктам формулы изобретения. Зависимые пункты описывают особенно предпочтительные усовершенствования изобретения.

Изобретатель показал возможность конструктивного решения соответствующей родовому понятию трансмиссии, в которой гидродинамическая муфта может быть выполнена для большой передаточной мощности и одновременно может применяться только сравнительно слабое тормозное или блокирующее устройство для торможения и блокировки колеса с лопатками гидродинамической муфты без возникновения опасности ее перегрузки. В заявленной трансмиссии из рабочих характеристик отбираются, так сказать, области наибольших пиков нагрузки. Благодаря этому с одной стороны щадится муфта, а с другой стороны повышается комфорт езды в автомобиле за счет более мягкого перехода из режима сцепления в режим замедления. Согласно изобретению это происходит за счет того, что предусмотрена система управления, которая опорожняет до предварительно заданной степени заполнения рабочую полость гидродинамической муфты перед торможением первичного колеса, т.е. колеса, которое согласовано с турбиной, работающей на отработавшем газе, и которое применяется в качестве статора в режиме замедления. Альтернативно или дополнительно опорожнение может осуществляться вместе с торможением первичного колеса гидродинамической муфты. Существенным является только то, что опорожнение происходит своевременно так, что не возникает каких-либо длительных нагрузочных режимов или вообще не возникает никаких нагрузочных режимов, которые превысили бы мощность тормозного устройства.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления тормозное устройство для торможения и механической блокировки первичного колеса гидродинамической муфты является многодисковой муфтой. К тому же предпочтительно, если гидродинамическая муфта расположена в контуре охлаждения автомобиля, а рабочая среда представляет собой охлаждающую среду автомобиля, в частности воду или водяную смесь.

Для целенаправленного опорожнения рабочей полости гидродинамической муфты перед или во время торможения первичного колеса могут найти применение различные концепции. Согласно одному варианту осуществления в направлении потока перед гидродинамической муфтой в контуре охлаждения расположен 3/2-ходовой клапан, который при незаторможенном первичном колесе, т.е. в «нормальном» режиме движения, распределяет поступающий поток рабочей среды в направлении гидродинамической муфты и одновременно в направлении двигателя внутреннего сгорания, который охлаждается рабочей или соответственно охлаждающей средой. Непосредственно перед торможением и/или во время торможения первичного колеса включается 3/2-ходовой клапан и перекрывает поток рабочей среды в направлении гидродинамической муфты так, что ввиду отсутствия притока рабочая полость (камера) гидродинамической муфты опорожняется до желаемой степени заполнения за счет продолжающегося оттока.

Альтернативно или дополнительно в направлении потока перед гидродинамической муфтой может быть предусмотрен дроссель, который перед торможением и/или во время торможения первичного колеса дросселирует поток рабочей среды в рабочую полость гидродинамической муфты. Этот дроссель может быть выполнен в форме регулируемого дросселя или в форме подключаемого дросселя, например в виде перепускного канала.

Альтернативно или дополнительно для увеличения скорости опорожнения в направлении потока позади гидродинамической муфты может быть предусмотрено регулируемое (то есть увеличиваемое или уменьшаемое) спускное отверстие или соответственно дополнительные спускные отверстия, с помощью которого/которых увеличивается имеющееся поперечное сечение потока перед торможением или во время торможения первичного колеса гидродинамической муфты.

Заявленный способ отличается по меньшей мере тремя этапами:

В режиме использования отработавшего газа, т.е. в рабочем режиме, в котором энергия отработавшего газа с помощью турбины, работающей на отработавшем газе, преобразуется в энергию вращения и используется для (дополнительного) привода коленчатого вала, рабочая полость гидродинамической муфты поддерживается по существу заполненной или полностью заполненной и соответственно желаемой функции сцепления, т.е. передачу желаемого крутящего момента от турбины, работающей на отработавшем газе, к коленчатому валу, механически не затормаживается никакое из колес муфты, т.е. ни первичное, ни вторичное колесо. В режиме замедления, т.е. в рабочем режиме, в котором механически блокируется вращение первичного колеса гидродинамической муфты, гидродинамическая муфта работает в качестве тормоза-замедлителя, рабочая полость гидродинамической муфты поддерживается при предварительно заданной степени заполнения, которая, как правило, меньше, чем степень заполнения при работе в режиме сцепления, т.е. в режиме использования энергии отработавшего газа. Как и в традиционных гидродинамических муфтах, при определенных рабочих режимах возможно частичное заполнение в режиме сцепления, и как в традиционных тормозах-замедлителях - полное заполнение в режиме замедления.

При переключении из режима использования энергии отработавшего газа в режим замедления рабочая полость гидродинамической муфты опорожняется до заданной степени заполнения. Переключение начинается торможением первичного колеса гидродинамической муфты или заранее в случае опорожнения непосредственно перед началом торможения первичного колеса.

Для того чтобы иметь возможность выполнить устройство для торможения и блокировки особенно малым, при переключении рабочая полость гидродинамической муфты опорожняется полностью. Однако часто бывает достаточно, если имеет место только частичное опорожнение. Если в режиме замедления гидродинамическая муфта работает с частичным заполнением, например, чтобы отрегулировать оптимальную мощность торможения, существует две возможности «запуска» этого состояния частичного заполнения. При первой возможности перед или при торможении первичного колеса гидродинамической муфты «запускается» непосредственно эта степень заполнения режима замедления. При второй возможности «запускается» степень заполнения, которая меньше, чем степень заполнения в режиме замедления. Соответственно затем муфта заполняется снова до степени заполнения режима замедления.

Далее изобретение поясняется более подробно с помощью примера осуществления.

На чертежах показано:

фиг.1 - принципиальная конструкция тягового соединения между турбиной, работающей на отработавшем газе, и коленчатым валом;

фиг.2 - схема управления для заявленной трансмиссии;

фиг.3 - режимы 3/2-ходового клапана, изображенного на фиг.2, в деталях.

На фиг.1 показано тяговое соединение между турбиной 2, работающей на отработавшем газе, и коленчатым валом 3 не изображенного здесь двигателя внутреннего сгорания, которое выполнено согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Ведущий вал турбины, работающей на отработавшем газе, через первую передачу 8 соединен с первичным колесом 4.1 гидродинамической муфты 4. Коленчатый вал 3 через вторую передачу 9 соединен со вторичным колесом 4.2 гидродинамической муфты 4. В соответствии с этим при заполнении рабочей полости гидродинамической муфты 4, преимущественно при полном заполнении, крутящий момент или соответственно мощность вращения от турбины 2, работающей на отработавшем газе, передается коленчатому валу 3.

Чтобы создать тормозной момент, первичное колесо 4.1 гидродинамической муфты 4 может быть заторможено и механически заблокировано с помощью многодисковой (фрикционной) муфты 5. Такое блокирование в данном выполнении имеет два эффекта: первоначально гидродинамическая муфта 4 действует как тормоз-замедлитель, т.е. коленчатый вал 3 через передачу 9 приводит в движение вторичное колесо 4.2 гидродинамической муфты 4, а через заполненную рабочую полость гидродинамической муфты 4, преимущество с заданным частичным заполнением, крутящий момент от вторичного колеса 4.2 передается на первичное колесо 4.1 и отводится многодисковой муфтой 5. Благодаря этому возникает тормозное действие, которое тормозит коленчатый вал 3.

Второй эффект следует усматривать в том, что многодисковая муфта 5 через первичное колесо 4.1 и передачу 8 устанавливает ротор турбины 2, работающей на отработавшем газе. В соответствии с этим поток отработавшего газа, идущий через турбину, работающую на отработавшем газе, дросселируется, что приводит к повышению давления отработавшего газа, которое в свою очередь тормозит не показанный двигатель внутреннего сгорания. Это действие можно было бы сравнить с действием заслонки моторного тормоза-замедлителя.

На фиг.2 показана управляющая схема для возможного управления заявленной трансмиссией или возможного способа управления согласно изобретению. Для уже показанных на фиг.1 конструктивных элементов использованы те же позиции, так что их описание не нуждается в повторении.

Гидродинамическая муфта 4 расположена в контуре 6 охлаждения автомобиля. Для охлаждения охлаждающей среды, которая одновременно является рабочей средой гидродинамической муфты, а это преимущественно вода или водяная смесь, в контур 6 охлаждения включен охладитель 10. Он может, если не требуется охлаждение, обходиться через показанный перепускной канал. Выходные данные термостата 11 привлекаются для распределения соответствующего потока охлаждающей среды, или через охладитель 10, или через перепускной канал.

Охлаждающая среда или рабочая среда с помощью водяного насоса 12 циркулирует в контуре охлаждения. Как видно, во всем контуре предусмотрен только один водяной насос 12.

Далее представлены другие известные компоненты традиционного контура охлаждения, например температурные датчики 13 перед и после двигателя 1, охлаждаемого охлаждающей средой, уравнивающий резервуар 14, в котором оканчиваются выпуск 15 мотора и выпуск 16 охладителя, 2/2-ходовой клапан 17, который при необходимости направляет охлаждающую среду из уравновешивающего резервуара в контур охлаждения, а также различные обратные клапаны 18.

В направлении потока позади водяного насоса 12 предусмотрен 3/2-ходовой клапан 7, который распределяет поток охлаждающей среды или поток рабочей среды в двух направлениях, а именно в направлении гидродинамической муфты 4 и в направлении двигателя 1. Если требуется целенаправленно опорожнить рабочую полость гидродинамической муфты 4, причем под опорожнением следует понимать как частичное, так и полное опорожнение, переключающий клапан 7 из показанного положения переключается так (на чертеже в направлении налево), что поток рабочей среды в направлении гидродинамической муфты 4 перекрывается. Соответственно происходит опорожнение рабочей полости гидродинамической муфты 4, а именно через ответвление 6.1 контура 6 охлаждения, в которое включен выпускной регулирующий клапан 19.

С помощью выпускного регулирующего клапана 19 можно устанавливать эффективное поперечное сечение потока в трубопроводе, по которому рабочая среда отводится из гидродинамической муфты 4. Выпускной регулирующий клапан 19 может быть при этом преимущественным образом расположен непосредственно на гидродинамической муфте 4 или в гидродинамической муфте 4, однако также возможно расположение выпускного регулирующего клапана 19 позади гидродинамической муфты 4 в трубопроводе для рабочей среды. Путем увеличения потока рабочей среды, то есть увеличения эффективного поперечного сечения потока, с помощью выпускного регулирующего клапана 19 может увеличиваться скорость отвода или соответственно объем отвода рабочей среды из гидродинамической муфты 4, что ведет к более быстрому опорожнению рабочей полости гидродинамической муфты 4.

Как уже было выше представлено, наличие выпускного регулирующего клапана 19 совершенно необязательно для заявленного управления, а представляет только выборочный вариант для более быстрого опорожнения. Вместо применения переключающего клапана или соответственно 3/2-ходового клапана 7 для опорожнения рабочей полости гидродинамической муфты 4 мог бы применяться также дроссель (не показан). В этом случае в рабочую полость гидродинамической муфты 4 постоянно подавался бы поток, который бы целенаправленно дросселировался с помощью дросселя при переключении из режима сцепления в режим замедления.

На фиг.3 в деталях еще раз показан 3/2-ходовой клапан 7. Как видно, имеется два положения переключения, а именно положение I переключения, в котором подводимый через присоединение 7.1 поток рабочей среды распределяется на оба выпуска 7.2 и 7.3, при этом выпуск 7.2 ведет к гидродинамической муфте 4 и выпуск 7.3 ведет к двигателю 1 внутреннего сгорания, как это показано на фиг.2. В положении II переключения рабочая среда, подводимая через присоединение 7.1, направляется только лишь к выпуску 7.3, т.е. в направлении двигателя 1 внутреннего сгорания, в это время выпуск 7.2 перекрыт.

При езде в режиме сцепления, в частности, 12 л/мин направляется в направлении гидродинамической муфты 4, т.е. через присоединение 7.2. При торможении в режиме замедления гидродинамической муфты к гидродинамической муфте подается преимущественно 400 литров в минуту.

При переключении из режима, использующего энергию отработавшего газа, в режим замедления, как было описано, рабочая полость гидродинамической муфты перед механическим торможением и/или при механическом торможении первичного колеса гидродинамической муфты предпочтительно опорожняется полностью или до предварительно заданной степени заполнения. Эта степень заполнения согласно особому варианту осуществления определяется, например, с помощью предварительно заданного периода времени, за который происходит опорожнение рабочей полости. Например, клапан 7 может на определенный период времени переключаться в положение II, а также альтернативно или дополнительно на определенный период времени может увеличиваться поперечное сечение выпускного регулирующего клапана 19.

Список ссылочных позиций

1 Двигатель внутреннего сгорания

2 Турбина, работающая на отработавшем газе

3 Коленчатый вал

4 Гидродинамическая муфта

4.1 Первичное колесо

4.2 Вторичное колесо

5 Многодисковая муфта

6 Контур охлаждения

7 3/2-ходовой клапан

7.1, 7.2, 7.3 Присоединение

8 Передача

9 Передача

10 Охладитель

11 Термостат

12 Водяной насос

13 Температурный датчик

14 Уравновешивающий резервуар

15 Выпуск двигателя

16 Выпуск охладителя

17 2/2-ходовой клапан

18 Обратный клапан

19 Выпускной регулирующий клапан

I Положение переключения в режиме сцепления и замедления

II Положение переключения при переключении из режима сцепления в режим замедления