ДВИГАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С ГИБРИДНЫМ ПРИВОДОМ
ENGINE UNIT AND VEHICLE WITH HYBRID DRIVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к двигательному узлу для гибридного автомобиля, использующего турбосмешивание.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
С ростом беспокойства по поводу глобального потепления, повышением нормативов по выбросам и стоимости топлива есть общая тенденция увеличивать коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания.
Транспортные средства с гибридным приводом были предложены для рекуперации энергии во время замедления транспортного средства, а затем, использования ее для разгона/приведения в движение транспортного средства или при удовлетворении электропотребления. Однако это может давать в результате значительное увеличение стоимости и веса, в то время это не восстанавливает другие формы потерянной энергии, такой как потерянное тепло вплоть до выпуска.
WO2006/117701 описывает двигательную установку для транспортного средства с гибридным приводом, содержащую газовую турбину, установленную в выпускном канале двигателя, которая механически присоединена к генератору электричества. Рекуперированная энергия, например, может использоваться для возбуждения электродвигателей или сжатия воздуха для наддува двигателя.
US2007/0151241 раскрывает двигатель внутреннего сгорания, содержащий турбину с приводом от выхлопной системы, присоединенную к генератору, и контроллер для направления выработанного электричества на электродвигатель или в накопитель энергии. Таким образом, заявлены преимущества для более эффективного использования электрической энергии, вырабатываемой генератором, вращаемым турбиной, по сравнению с непосредственными механическими соединениями, направляющими энергию турбины обратно на коленчатый вал.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению, предложен двигательный узел, содержащий:
блок управления двигателем;
двигатель внутреннего сгорания с выхлопными газами; турбину, приводимую в действие, при ее использовании, указанными выхлопными газами;
устройство накопления энергии для накопления энергии, рекуперированной из указанных выхлопных газов указанной турбиной;
при этом блок управления двигателем выполнен с возможностью изменения скорости накопления энергии в устройстве накопления энергии.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, содержащий генератор для преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем выполнен с возможностью изменения напряжения, потребляемого генератором, которое меняет скорость накопления энергии, и следовательно, меняет нагрузку турбины и создаваемое противодавление.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем управляет выходной мощностью двигателя посредством управления противодавлением двигателя посредством турбины.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем управляет рециркуляцией выхлопных газов в контуре рециркуляции выхлопных газов посредством управления противодавлением двигателя изменением скорости накопления энергии в устройстве накопления энергии.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором контур рециркуляции выхлопных газов содержит контур рециркуляции выхлопных газов низкого давления.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором контур рециркуляции выхлопных газов содержит контур рециркуляции выхлопных газов высокого давления.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем выполнен с возможностью использования двигателя в качестве воздушного насоса.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем управляет скоростью накопления энергии для усиления условий, пригодных для восстановления сажевого фильтра.
В одном из вариантов предложен двигательный узел, в котором блок управления двигателем управляет скоростью накопления энергии для усиления условий, пригодных для уловителя NOx.
Изобретение также предусматривает транспортное средство с гибридным приводом, содержащее двигательный узел.
В одном из вариантов предложено транспортное средство, потребляющее электрическую энергию для бортовой электроники из устройства накопления энергии.
В одном из вариантов предложено транспортное средство, выполненное с возможностью рекуперации некоторой части потерь энергии при торможении.
В одном из вариантов предложено транспортное средство, в котором блок управления двигателем приводится в действие для увеличения нагрузки на двигатель посредством увеличения скорости накопления энергии в устройстве накопления энергии, смещая двигатель в рабочую точку с более высоким коэффициентом полезного действия, затем, осуществляя работу транспортного средства по меньшей мере частично от устройства накопления энергии.
Таким образом, так как скорость накопления энергии в устройстве накопления энергии является переменной, величина противодавления, создаваемого выше по потоку от турбины, также меняется. Таким образом, блок управления двигателем может управлять многообразием аспектов двигателя. Более того, давление ниже по потоку также находится под влиянием и может использоваться для управления другими аспектами двигателя.
В первом варианте осуществления, блок управления двигателем таким образом управляет выходной мощностью двигателя, по выбору, вместо дроссельного впускного клапана, посредством управления противодавлением двигателя посредством турбины. Посредством уменьшения потока воздуха таким образом, энергия может рекуперироваться посредством турбины вместо безвозвратного дросселирования потока воздуха посредством впускного дроссельного клапана.
Во втором варианте осуществления, блок управления двигателем, таким образом, управляет рециркуляцией выхлопных газов в контуре рециркуляции выхлопных газов. Традиционно, турбонагнетатель с изменяемой геометрией (VGT) может управляться, для того чтобы создавать достаточное давление для рециркуляции выхлопных газов, или, если рециркуляция выхлопных газов берется ниже по потоку от турбонагнетателя, дроссельный клапан выхлопных газов традиционно используется для такой цели. В любом случае, это неэффективно, и варианты осуществления настоящего изобретения предлагают такое повышение давления и рекуперирование некоторого количества энергии, требуемого для выполнения этого, которая раньше тратилась впустую. Использование машины турбосмешивания для увеличения перепада давления на системе EGR может применяться в системах низкого давления и высокого давления.
Контур EGR высокого давления обычно является тем, в котором рециркуляция газов начинается выше по потоку от турбины турбонагнетателя и осуществляется рециркуляция обратно в положение ниже по потоку от компрессора турбонагнетателя.
Контур EGR низкого давления обычно является тем, в котором рециркуляция газов начинается ниже по потоку от турбины турбонагнетателя (или другого устройства, вызывающего падение давления) и осуществляется рециркуляция обратно в положение выше по потоку от компрессора турбонагнетателя (или другого указанного устройства).
Изменение скорости накопления энергии в устройстве накопления энергии может включать в себя изменение нагрузки на турбине.
Устройство накопления энергии часто является аккумуляторной батареей, но оно может содержать любое пригодное устройство, такое как конденсатор или маховик.
Обычно, генератор содержится в двигательном узле. Что касается вариантов осуществления, в которых двигательный узел содержит генератор, блок управления двигателем может быть выполнен с возможностью изменения напряжения, потребляемого генератором, которое меняет скорость накопления энергии, и следовательно, меняет нагрузку турбины и создаваемое противодавление. Один из примеров генератора, меняющего нагрузку, описан в US 7812467, (включенном в материалы настоящего описания посредством ссылки во всей свой полноте), где описывается способ регулирования электрической нагрузки на двигатель IC.
Варианты осуществления изобретения предоставляют возможность рекуперации энергии почти во всех условиях работы двигателя. Действительно, авторы настоящего изобретения выявили, что приблизительно треть энергии двигателя часто теряется в выхлопных газах. Что касается вариантов осуществления настоящего изобретения, большая доля этого может рекуперироваться, как описано в материалах настоящего описания.
Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что в них осуществляют рекуперацию потерянной энергии, когда двигатель работает под различными нагрузками, а не только когда транспортное средство является тормозящим, как имеет место у многих традиционных гибридных систем. Эта энергия может использоваться для приведения в действие транспортного средства.
Дополнительное преимущество некоторых вариантов осуществления состоит в том, что также можно использовать энергию для приведения в движение транспортного средства одновременно с тем, когда вырабатывается энергия, посредством электродвигателя (в противоположность традиционным гибридным системам, в которых энергия вырабатывается при торможении и не используется в это время).
Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что можно уменьшать размер устройства накопления энергии гибридной системы, так как оно может использоваться быстрее по сравнению с некоторыми известными гибридными системами.
Например, блок управления двигателем может приводиться в действие, чтобы увеличивать нагрузку на двигатель посредством увеличения скорости накопления энергии в устройстве накопления энергии, смещая двигатель в рабочую точку с более высоким коэффициентом полезного действия. Когда достаточное количество энергии было накоплено посредством турбины согласно настоящему изобретению, двигатель может выключаться, а транспортное средство работать от устройства накопления энергии. Впоследствии, двигатель может включаться вновь, а та же самая процедура повторяться бесконечно. Такая система «толчка и курсирования» может быть особенно эффективным использованием топлива.
Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что эта система может увеличивать диапазон режимов для безопасной работы двигателя, она избегает необходимости располагать большую электрическую машину между двигателем и коробкой передач. Более того, общая длина двигателя и системы коробки передач/сцепления часто является определяющим фактором в конструкции транспортного средства.
Дополнительное преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что они предоставляют возможность большей свободы компоновки.
Кинетическая энергия также могла бы рекуперироваться этой системой самостоятельно или в комбинации со вторым генератором в системе привода на ведущие колеса (содержащий установленный двигатель). Второй генератор может содержать генератор переменного тока. Таким образом, транспортное средство может отбирать электрическую энергию для бортовой электроники из устройств накопления энергии. Таким образом, дополнительное преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что генератор переменного тока может быт совсем удален и не содержать привода навесного оборудования переднего расположения (FEAD). Это вновь будет улучшать экономию топлива и улучшать себестоимость относительно равенства выгод, в особенности, так как настоящее изобретение поглощает кинетическую энергию вместо энергии, которая, в ином случае, использовалась бы для приведения в действие транспортного средства.
Преимущество некоторых вариантов осуществления изобретения состоит в том, что электрическая машина и турбина могут быть выполнены с возможностью работы в одном и том же диапазоне скоростей вращения без значительной компрометации того или другого. Это означает, что нет необходимости в редукторах между узлами.
Транспортное средство также может быть выполнено с возможностью рекуперации некоторой части энергии, теряемой при торможении.
Блок управления двигателем может быть выполнен с возможностью использования двигателя в качестве воздушного насоса при замедлении. Воздух, прокачиваемый через двигатель затем, в свою очередь, приводит в действие турбину и рекуперирует большее количество энергии при замедлении (или движении вниз по склону). В противоположность, традиционные двигатели будут закрывать дроссельный клапан, расходуя понапрасну кинетическую энергию транспортного средства.
Блок управления двигателем может управлять скоростью накопления энергии, для того чтобы усиливать условия, пригодные для восстановления сажевого фильтра.
Блок управления двигателем может управлять скоростью накопления энергии, для того чтобы усиливать условия, пригодные для уловителя NOx.
Транспортное средство с гибридным приводом, могло бы быть пассажирским автомобилем, но также могло бы быть дорожным коммерческим транспортным средством, таким как погрузочный грузовой автомобиль, или внедорожным транспортным средством, таким как карьерный самосвал.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вариант осуществления настоящего изобретения далее будет описан со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых
фиг.1 - схематичный вид компоновки двигателя в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - альтернативный схематичный вид компоновки двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показывающий контур EGR как высокого давления, так и низкого давления; и
фиг.3 - еще один дополнительный схематичный вид компоновки двигателя, показывающий присутствие уловителя обедненных NOx.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает двигательный узел 10 транспортного средства с гибридным приводом, содержащий двигатель 12, выпускной коллектор 14, расположенную ниже по потоку турбину с приводом от выхлопной системы, электрический генератор 18 и блок 19 управления двигателем (ECU). Также представлены другие компоненты двигательного узла, в том числе, турбонагнетатель 20 с изменяемой геометрией (VGT) 20, промежуточный охладитель 22 и воздушный фильтр 24.
Двигательный узел 10 работает как обычно за исключением того, что энергия рекуперируется из турбины 16 и подается на электрический генератор 18. Рекуперированная энергия затем используется как для обычного транспортного средства с гибридным приводом.
ECU 19 может менять нагрузку, потребляемую генератором 18, а потому, величину противодавления, создаваемого турбиной 16. В свою очередь, это оказывает влияние на работу двигателя. Вследствие изменения противодавления, уменьшающего поток воздуха через двигатель, двигателю, оснащенному впускным дросселем, может быть возможным уменьшать уровень дросселирования впуска. Если турбина 16 является узлом с изменяемой геометрией, положение лопасти также могло бы устанавливаться для оптимизации общего коэффициента полезного действия. Общий коэффициент полезного действия может оптимизироваться для конкретного условия работы двигателя или, более универсально, для максимизации преимущества режима работы «толчка и курсирования».
В особенно предпочтительных вариантах осуществления, такой режим «толчка и курсирования» происходит в тех случаях, когда двигатель 12 работает на более высоких (но более эффективных) нагрузках, чем обычно, и энергия выхлопных газов рекуперируется турбиной, затем, транспортное средство питается от генератора (или другого накопительного устройства) на низких нагрузках транспортного средства, с отключенным двигателем. Авторы настоящего изобретения отметили, что, несмотря на то, что двигатель, конечно, будет потреблять большее количество топлива на более высоких нагрузках, такая наиболее эффективная нагрузка на двигатель часто является более высокой, чем типично осуществляемая пользователем. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения приносят пользу по той причине, что они могут повышать нагрузки до более эффективного использования двигателя, а затем, рекуперировать энергию, поступающую в выхлопные газы, посредством турбины 16 и электрического генератора 18.
Чтобы довести до максимума рекуперированную энергию, или регулировать уровень энергии, которая может накапливаться, VGT в положении 16 и/или 20 может приводиться в соответствие скорости вращения. Таким образом, наиболее эффективная рабочая точка может устанавливаться для данной электрической мощности. Таким образом, оптимальные рабочие характеристики могут достигаться между коэффициентом полезного действия двигателя, отдачей турбины и коэффициентом полезного действия электрической машины.
В предпочтительных вариантах осуществления, любая форма входного дросселирования прекращается предпочтительно для доведения до максимума энергии выхлопных газов, имеющейся в распоряжении, чтобы осуществлять рекуперацию при замедлении транспортного средства. Это включает в себя оптимизацию клапанного распределения, а также открывание дросселя, если он установлен. Для двигателя с выводом из работы цилиндров, все цилиндры должны быть включены.
Еще один вариант осуществления системы 110 двигателя по настоящему изобретению показан на фиг.2, содержащей, контуры рециркуляции выхлопных газов высокого 130 и низкого 140 давления. Альтернативные варианты осуществления могут содержать контуры EGR низкого 140 или высокого 130 давления. Одинаковые части совместно используют общие номера ссылки за исключением начинающихся с «1».
Система 110 содержит двигатель 112, контур 130 рециркуляции выхлопных газов высокого давления с охладителем 132 и пропорциональным распределительным клапаном 133; и турбонагнетатель 120. В выпускной магистрали ниже по потоку от турбонагнетателя 120, есть дизельный окислительный каталитический нейтрализатор 126 и дизельный сажевый фильтр 128. Турбосмеситель, содержащий турбину 116 и аккумуляторную батарею 118, обеспечен ниже по потоку от дизельного сажевого фильтра 128. Обходной контур 144 обеспечен вокруг турбосмесителя и управляется пропорциональным клапаном 142. Контур 140 EGR низкого давления обеспечен ниже по потоку от турбосмесителя 116, 118 и управляется клапаном 146 EGR. Воздушный фильтр 124 и промежуточный охладитель 122 также присутствуют, как происходит традиционно.
Как у всех двигателей, иногда давление подвергнутых рециркуляции выхлопных газов не является достаточно высоким, чтобы осуществлять возврат на сторону впуска двигателя. Дроссель выхлопных газов может быть обеспечен для увеличения давления для предоставления возможности рециркуляции выхлопных газов. В качестве альтернативы, турбонагнетатель 120 с изменяемой геометрией может использоваться для того же самого результата. Однако, в любом случае, энергия теряется для обеспечения этого повышения давления. В противоположность, для этого варианта осуществления настоящего изобретения, некоторая часть энергии может рекуперироваться из турбины 116. Чтобы делать это, ECU 119 повышает нагрузку на турбину 130, которая, в свою очередь, повышает давление на выходе двигателя 112, и значит, создает давление выхлопных газов на входе контура 130 EGR высокого давления, чтобы создавать перепад давлений между выпускным и впускным коллекторами, для того чтобы осуществлять возврат на сторону впуска двигателя и предоставлять возможность рециркуляции. Таким образом, некоторая часть энергии, потерянной от повышения давления таким образом, рекуперируется турбиной 116 и генератором 118 в противоположность традиционной технологии использования турбонагнетателя с изменяемой геометрией или дроссельного клапана для осуществления этого, которая теряет энергию.
Если контур 140 EGR низкого давления потребует повышения давления, турбина 116 может подобным образом повышать давление по мере надобности, таким образом, рекуперируя некоторую часть энергии, которая обычно была бы потеряна, например, из-за дроссельного клапана.
Таким образом, EGR может использоваться с меньшей или без необходимости в выпускном дросселе EGR.
Перепускной канал 144 используется для избегания любых отрицательных потерь при очень низкой нагрузке. Это также может использоваться при восстановлении устройства последующей очистки, если выхлопные газы слишком холодны, такого как дизельный сажевый фильтр.
Варианты осуществления изобретения обладают преимуществом по той причине, что устройство может быть расположено ниже по потоку от сажевого фильтра, как показано на фиг.2. Оно затем может использоваться для содействия в восстановлении сажевого фильтра посредством увеличения противодавления на двигателе для увеличения нагрузки (по этой причине, большего количества топлива и более горячих выхлопных газов) и уменьшения потока воздуха через двигатель (по этой причине, более горячих выхлопных газов, а также более низких NOx вследствие большей внутренней EGR).
ECU 119 может определять надлежащие удобные случаи, в которых требуется такое повышение давления, реагируя на информацию, полученную с датчиков, и/или используя прогнозирующую модель.
Обычно, при использовании ECU 119 рассчитывает потребление топлива и другие установки, такие как установка момента впрыска, запрошенный AFR, и т.д., для достижения требуемой мощности на коробке передач. Таким образом, ECU 119 может определять оптимальное положение турбосмесителя и нагрузки, требуемой от него, для того чтобы управлять контурами EGR и/или регулировать впуск из двигателя.
Пропорциональный перепускной клапан 142, управляющий перепускным каналом вокруг турбосмесителя 116, турбонагнетатель 120 с изменяемой геометрией и пропорциональный клапан 133 EGR могут управляться, для того чтобы акцентировать разные результаты управления, приносимые изменением нагрузки турбосмесителя. Например, при управлении режимом ниже по потоку от турбосмесителя, перепускной клапан 142 вокруг турбосмесителя 116 может использоваться, для того чтобы минимизировать эффекты противодавления изменения нагрузок турбосмесителя. (Это является возможным решением. Оно также могло бы быть управлением посредством электрической нагрузки на 118 через ECU.)
Фиг.3 показывает альтернативный вариант осуществления, в котором устройство 216, 218 турбосмешивания в комбинации с перепускным каналом 244 также может быть помещено ниже по потоку от двигателя 210, но выше по потоку от уловителя 250 обедненных NOx (LNT). Есть узкий интервал температур пиковой эффективности для поглощения NOx и для уменьшения накопленных NOx во время коротких периодов работы с обогащенными выхлопными газами. Также есть температура, при которой устройство будет выпускать NOx, если она превышена. Отсюда, это устройство может использоваться для содействия идеальному функционированию LNT 250. LNT обычно является гораздо более дешевой, чем система избирательного каталитического восстановления (SCR). Более того, положение LNT может меняться, для того чтобы добиваться оптимальной рабочей температуры.
Таким образом, варианты осуществления добиваются требуемого перепада давления с использованием блока турбосмешивания вместо чрезмерного закрывания основной VGT двигателя или замены дроссельного клапана.
В альтернативных вариантах осуществления, преобразователь/накопитель энергии не обязательно должен быть генератором, но может быть конденсатором, маховиком или любой комбинацией таковых вместо генератора. Различные компоненты в гибридном автомобиле могут приводиться в действие от маховика, конденсатора, и т.д. Предпочтительные варианты осуществления, однако, предоставляют возможность для быстрой зарядки, чтобы довести до максимума энергию, которая может рекуперироваться.
Улучшения и модификации могут быть произведены, не выходя из объема изобретения.