СПОСОБ ЗАПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ГИБРИДНОМ ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ
METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN HYBRID VEHICLE START-UP

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к способу запуска двигателя внутреннего сгорания в движительной системе транспортного средства в соответствии с преамбулой п. 1 прилагаемой формулы изобретения.
В частности, но не исключительно, изобретение направлено на осуществление такого способа для транспортных средств в виде колесных транспортных средств общего назначения, в частности, большегрузных транспортных средств таких как, например грузовых автомобилей и автобусов.
Предлагаемый способ относится к запуску двигателя внутреннего сгорания в движительной системе так называемого гибридного транспортного средства, в общем случае являющегося транспортным средством, привод которого могут осуществлять главный двигатель, в данном случае - двигатель внутреннего сгорания, и вспомогательный двигатель, в данном случае - электрическая машина. Электрическая машина соответственно снабжена, по меньшей мере, одним гибридным средством аккумулирования энергии, например, аккумуляторной батареей или конденсатором для аккумулирования электрической энергии, и регулирующим оборудованием для регулирования потока электрической энергии между средством аккумулирования энергии и электрической машиной. Вследствие этого электрическая машина может попеременно работать как электродвигатель и генератор в зависимости от рабочего состояния транспортного средства. Когда транспортное средство тормозят, электрическая машина генерирует электрическую энергию, которую можно аккумулировать и/или использовать непосредственно. Аккумулированную электрическую энергию можно впоследствии использовать, например, для приведения транспортного средства в движение.
Использование обычного механизма сцепления, соединяющего входной вал коробки передач c двигателем внутреннего сгорания при трогании транспортного средства с места и разъединяющего их во время процесса переключения передач в коробке передач, влечет за собой недостатки, такие как нагревание дисков механизма сцепления, что приводит к возрастающему расходу топлива и износу дисков сцепления. Это утверждение справедливо, в частности, при соединении валов. Кроме того, обычный механизм сцепления является относительно массивным и дорогостоящим. Он также занимает относительно большое пространство в транспортном средстве. При использовании гидравлического преобразователя/трансформатора крутящего момента, обычно применяемого в автоматических коробках передач, также возникают потери на трение.
Обычного механизма сцепления, а также гидравлического преобразователя, и упомянутых недостатков, связанных с ними, можно избежать, предусматривая для такого транспортного средства наличие движительной системы, в которой выходной вал двигателя внутреннего сгорания, ротор электрической машины и входной вал коробки передач взаимосвязаны планетарной передачей. Транспортное средство, имеющее движительную систему этого типа, известно из документа EP 1319546. Конечно же, постоянно предпринимаются попытки усовершенствовать способы приведения в движение транспортного средства, имеющего такую движительную систему, с точки зрения энергетической эффективности и способа взаимодействия электрической машины и двигателя внутреннего сгорания.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способ того типа, который изначально характеризуется как предусматривающий вышеупомянутые попытки. Эта задача в соответствии с изобретением решается путем разработки способа по п. 1 прилагаемой формулы изобретения.
Чтобы запустить двигатель внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым способом, транспортное средство с движительной системой вышеупомянутого типа устанавливают в исходном положении, где тормоз нажат, а в коробке передач включена надлежащая передача. Электрическая машина заводит двигатель внутреннего сгорания посредством планетарной передачи, после чего транспортное средство - по заданному сигналу - можно трогать с места без дополнительного изменения передачи. Следовательно, транспортное средство можно трогать с места быстрее после запуска двигателя внутреннего сгорания, отпуская нажатый тормоз и потребляя движущий крутящий момент с помощью акселератора. Этот способ выгоден, в частности, при коротких остановках, когда двигатель внутреннего сгорания остается теплым во время торможения, например, в городском транспорте или в случае автобуса на автобусной остановке. Вследствие этого, двигатель внутреннего сгорания запускают, когда транспортное средство стоит на месте, после чего происходит трогание с места. Этот способ также пригоден для запуска двигателя внутреннего сгорания, когда транспортное средство едет и продвигается только за счет электрической машины, например, в конце спуска с горы перед подъемом.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ осуществляют для движительной системы, в которой упомянутый первый компонент является солнечным зубчатым колесом, упомянутый второй компонент является водилом планетарной передачи, а упомянутый третий компонент является кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением. Такая движительная система описана в еще не опубликованном документе SE 1051384-4. За счет соединения электрической машины с кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением, а выходного вала двигателя внутреннего сгорания - с солнечным зубчатым колесом, достигается компактная конструкция, которую легко посадить в уже существующие пространства для движительных систем, имеющих механизмы сцепления вместо планетарных передач. Вследствие этого гибридизированной коробке передач можно придать размеры и массу, совместимые со стандартной коробкой передач, и можно поддерживать стандартизированные сопряжения. Это значит, что увеличение массы, обычно связанное с гибридизацией, можно значительно снизить. Еще одно преимущество заключается в том, что соединение электрической машины c кольцевым зубчатым колесом с внутренним зацеплением дает больший возможный тормозной крутящий момент, связанный с электрической машиной, чем тот, который имел бы место в случае соединения с солнечным зубчатым колесом.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, управление электрической машиной на этапе b) осуществляют таким образом, что двигатель внутреннего сгорания достигает своей скорости вращения на холостом ходу. Это приводит к меньшему уровню шума, а двигатель внутреннего сгорания достигает своей скорости вращения на холостом ходу быстрее, чем за счет самостоятельной выработки крутящего момента для ускорения до скорости вращения на холостом ходу.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, на этапе (a) прикладывают воздействие тормоза к входному валу коробки передач посредством рабочего тормоза транспортного средства. В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, на этапе (a) прикладывают воздействие тормоза к входному валу коробки передач посредством стояночного тормоза транспортного средства. Можно также использовать другой механизм торможения, такой как механический фиксатор или тормоз промежуточного вала.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ осуществляют для движительной системы, в которой выходной вал двигателя внутреннего сгорания соединен с упомянутым первым компонентом планетарной передачи при фиксированном передаточном отношении и/или в которой входной вал коробки передач соединен с упомянутым вторым компонентом планетарной передачи при фиксированном передаточном отношении.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, способ осуществляют для движительной системы, в которой выходной вал двигателя внутреннего сгорания соединен с упомянутым первым компонентом планетарной передачи таким образом, что они вращаются как единое целое с одной и той же скоростью вращения и/или в которой входной вал коробки передач соединен со вторым компонентом планетарной передачи таким образом, что они вращаются как единое целое с одной и той же скоростью вращения.
Изобретение также относится к компьютерной программе, имеющей признаки, перечисленные в п. 10 формулы изобретения, компьютерному программному продукту, имеющему признаки, перечисленные в п. 11 формулы изобретения, электронному блоку управления, имеющему признаки, перечисленные в п. 12 формулы изобретения, и транспортному средству, имеющему признаки, перечисленные в п. 13 формулы изобретения.
Другие полезные признаки и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будет приведено описание изобретения на примере со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг. 1 представлен схематический чертеж движительной системы транспортного средства, для которого можно осуществить способ в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 представлен упрощенный вид части движительной системы;
на фиг. 3 показано, как крутящий момент разных компонентов в движительной системе может изменяться во времени, когда осуществляют способ;
на фиг. 4 показано, как скорость вращения компонентов, представленных на фиг. 3, может изменяться во времени, когда осуществляют способ;
на фиг. 5 представлен схематический чертеж блока управления, который предназначен для воплощения способа в соответствии с изобретением; и
на фиг. 6 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ в соответствии с изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показана движительная система 1 большегрузного транспортного средства. Движительная система содержит двигатель 2 внутреннего сгорания, коробку 3 передач, некоторое количество ведущих валов 4 и ведущих колес 5. Между двигателем 2 внутреннего сгорания и коробкой 3 передач движительная система 1 содержит промежуточный участок 6.
На фиг. 2 показан более подробный вид компонентов на промежуточном участке 6. Двигатель 2 внутреннего сгорания снабжен выходным валом 2a, а коробка 3 передач - входным валом 3a на промежуточном участке 6. Выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания расположен соосно по отношению к входному валу 3a коробки передач. Выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3a коробки передач расположены с возможностью вращения вокруг общей оси 7 вращения. Промежуточный участок 6 содержит кожух 8, окружающий электрическую машину 9 и планетарную передачу. Электрическая машина 9 содержит, как обычно, статор 9a и ротор 9b. Статор 9a содержит сердечник статора, закрепленный должным образом внутри кожуха 8. Сердечник статора содержит обмотки статора. Электрическая машина 9 выполнена с возможностью использования - в определенных рабочих ситуациях - аккумулированной электрической энергии для приложения движущей силы к входному валу 3а коробки передач и использования - в других рабочих ситуациях - кинетической энергии входного вала 3a коробки передач для отбора и аккумулирования электрической энергии.
1
2
3
Планетарная передача расположена, по существу, радиально внутри статора 9a и ротора 9b электрической машины. Планетарная передача содержит, как обычно, солнечное зубчатое колесо 10, кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением и водило 12 планетарной передачи. Водило 12 планетарной передачи несет некоторое количество зубчатых колес (сателлитов) 13, расположенных с возможностью вращения в радиальном пространстве между зубьями солнечного зубчатого колеса 10 и кольцевого зубчатого колеса 11 с внутренним зацеплением. Солнечное зубчатое колесо 10 в этом варианте осуществления крепится к окружной поверхности выходного вала 2a двигателя внутреннего сгорания. Солнечное зубчатое колесо 10 и выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания в данном случае расположены с возможностью вращения как единое целое с первой скоростью n вращения. Водило 12 планетарной передачи содержит крепежный участок 12a, который в этом варианте осуществления крепится к окружной поверхности входного вала 3a коробки передач посредством шпоночного соединения 14. Посредством этого соединения водило 12 планетарной передачи и входной вал 3а коробки передач могут вращаться как единое целое со второй скоростью n вращения. Кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением содержит внешнюю окружную поверхность, на которую в этом варианте осуществления крепится ротор 9b. Ротор 9b и кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением в данном случае образуют вращающийся узел, выполненный с возможностью вращения с третьей скоростью n вращения.
Движительная система 1 в этом варианте осуществления также содержит блокирующее средство для взаимной блокировки двух из компонентов планетарной передачи. Блокирующее средство расположено на выходном валу 2a двигателя внутреннего сгорания и на водиле 12 планетарной передачи посредством перемещаемого сочленяющего элемента 15, предусмотренного на выходном валу 2a двигателя внутреннего сгорания, причем сочленяющий элемент 15 выполнен с возможностью соединения посредством сочленяющего участка 15a с сочленяющим участком 12b водила 12 планетарной передачи. Сочленяющий элемент 15 крепится к выходному валу 2a двигателя внутреннего сгорания посредством шпоночного соединения 16. Сочленяющий элемент 15 в этом случае крепится относительно вращения выходного вала 2a двигателя внутреннего сгорания и выполнен перемещаемым в осевом направлении по выходному валу 2a двигателя внутреннего сгорания. Схематически изображенный перемещающий элемент 17 выполнен с возможностью перемещения сочленяющего элемента 15 между первым положением, в котором сочленяющие участки 15a, 12b не введены во взаимное зацепление и которое соответствует положению расцепления блокирующего средства, и вторым положением, в котором сочленяющие участки 15a, 12b введены во взаимное зацепление и которое соответствует положению блокировки блокирующего средства. Когда сочленяющие участки 15a, 12b введены во взаимное зацепление, выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3а коробки передач будут взаимно блокированы. Следовательно, эти две оси - 2a, 3a - и ротор 9b электрической машины будут вращаться с одной и той же скоростью вращения.
1
В иллюстрируемом варианте осуществления, электрический блок 18 управления адаптирован к управлению перемещающим элементом 17. Блок 18 управления также выполнен с возможностью определения случаев, в которых электрическая машина 9 должна работать как двигатель, и случаев, в которых электрическая машина 9 должна работать как генератор. Чтобы принять это решение, блок 18 управления может принимать текущую информацию о подходящих рабочих параметрах. Блок 18 управления может быть компьютером с программным обеспечением, пригодным для этой задачи. Блок 18 управления также управляет схематически показанным регулирующим оборудованием 19, которое регулирует поток электрической энергии между средством 20 аккумулирования энергии, таким как гибридная аккумуляторная батарея, и статором 9a электрической машины. В случаях, в которых электрическая машина работает как двигатель, аккумулированная электрическая энергия подается от средства 20 аккумулирования энергии к статору 9a и/или другим потребителям. В случаях, в которых электрическая машина работает как генератор, электрическая энергия подается от статора 9a к средству 20 аккумулирования энергии. Средство 20 аккумулирования энергии подает и аккумулирует электрическую энергию с напряжением порядка 200-800 вольт. Поскольку промежуточный участок 6 между двигателем 2 внутреннего сгорания и коробкой 3 передач в транспортном средстве ограничен, требуется, чтобы электрическая машина 9 и планетарная передача составляли компактный узел. Компоненты 10-12 планетарной передачи в данном случае расположены, по существу, радиально внутри статора 9a электрической машины. Ротор 9b электрической машины, кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением планетарной передачи, выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания и входной вал 3а коробки передач в данном случае расположены с возможностью вращения вокруг общей оси 5 вращения. За счет такой конструкции, электрическая машина 9 и планетарная передача занимают сравнительно небольшое пространство. Транспортное средство оснащено функциональным блоком 21 управления электродвигателем, и посредством этого блока можно регулировать скорость n вращения двигателя внутреннего сгорания. Тем самым блок 18 управления имеет возможность активировать функциональный блок 21 управления электродвигателем при введении в зацепление и выведении из зацепления зубчатых колес в коробке 3 передач с целью создания состояния нулевого крутящего момента в коробке 3 передач. Конечно же, вместо управления движительной системой с помощью одного-единственного блока 18 управления, ею можно управлять с помощью нескольких разных блоков управления.
1
2
3
1
2
3
На фиг. 3 и 4 показано, как крутящие моменты T, T и T и скорости вращения n, n и nвыходного вала 2a двигателя внутреннего сгорания (пунктирная линия), входного вала 3а коробки передач (точечная линия) и ротора 9b электрической машины (сплошная линия), соответственно, могут изменяться во времени t при реализации варианта осуществления способа в соответствии с изобретением. По определению, двигатель 2 внутреннего сгорания, который вращается лишь в одну сторону, вращается с положительной скоростью вращения. Поэтому компоненты, вращающиеся в том же направлении, что и двигатель внутреннего сгорания, по определению вращаются с положительной скоростью вращения, а компоненты, вращающиеся в противоположном направлении, по определению вращаются с отрицательной скоростью вращения. В этом варианте осуществления предлагаемого способа используется движительная система 1, в которой ротор 9b электрической машины расположен с возможностью вращения как единое целое с кольцевым зубчатым колесом 11 с внутренним зацеплением, выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания расположен с возможностью вращения как единое целое с солнечным зубчатым колесом 10, а входной вал 3а коробки передач расположен с возможностью вращения как единое целое с водилом 12 планетарной передачи. На фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая способ.
При запуске двигателя 2 внутреннего сгорания в соответствии с данным изобретением, транспортное средство сначала оказывается в надлежащем исходном положении 610, которое может быть либо положением ожидания, которое бывает в случае езды, показанном на фиг. 3 и 4, или положением, в котором транспортное средство подвергается торможению. В исходном положении, прикладывают воздействие тормоза к входному валу 3a коробки передач и замедляют его вращение, включая при этом подходящую передачу в коробке 3 передач. Блокирующее средство находится в положении расцепления. Какая передача является подходящей - это зависит от многих факторов, таких как масса транспортного средства, наклон грунта, скорость транспортного средства, тип коробки передач, направление движения и т.д. В исходном положении отсутствия движения должна быть включена передача, подходящая для трогания с места. Если двигатель внутреннего сгорания надо запустить во время движения вперед, подходящее исходное положение получают за счет торможения посредством тормозного механизма (не показан), воздействующего на входной вал 3а коробки передач. В этом варианте осуществления, приложение воздействия тормоза к входному валу 3a коробки передач приводит непосредственно к торможению водила 12 планетарной передачи, соединенного с валом 3а.
0
3
3
1
1
1
3
3
2
Когда двигатель 2 внутреннего сгорания на этапе 611 надо запустить в момент t=t, электрическая машина 9 принимает сигнал из блока 18 управления. Электрическая машина 9 на этапе 612 прикладывает отрицательный крутящий момент T, действующий на кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением, так что кольцевое зубчатое колесо с внутренним зацеплением приводится - посредством ротора 9b - во вращение с отрицательной скоростью n вращения. Теперь электрическая машина 9 функционирует как электродвигатель, который заводит двигатель 2 внутреннего сгорания, поскольку вращение кольцевого зубчатого колеса 11 с внутренним зацеплением, осуществляемое совместно с торможением водила 12 планетарной передачи посредством входного вала 3a коробки передач, дает крутящий момент T реакции, действующий на солнечное зубчатое колесо 10. Этот крутящий момент реакции на этапе 613 передается посредством солнечного зубчатого колеса 10 двигателю 2 внутреннего сгорания. Вследствие этого, выходной вал 2a двигателя внутреннего сгорания начинает вращаться с ускоряющей положительной скоростью n вращения. Электрическая машина 9 должным образом ускоряет двигатель 2 внутреннего сгорания до тех пор, пока последний в момент t=t на этапе 614 не достигнет своей скорости вращения на холостом ходу. Кольцевое зубчатое колесо 11 с внутренним зацеплением продолжает вращаться со скоростью n вращения, но теперь крутящий момент T равен нулю. Работа двигателя 2 внутреннего сгорания поддерживается системой управления скоростью холостого хода, пока водитель в момент t=t на этапе 615 не нажмет на акселератор. Затем - на этапе 616 - отпускают тормоз, воздействующий на входной вал 3a коробки передач.
3
Теперь управление электрической машиной 9 осуществляется так, что она стремится к положительному крутящему моменту T, который определяется положением акселератора.
3
1
1
2
3
При этом скоростью вращения двигателя 2 внутреннего сгорания управляют так, что скорость вращения поддерживается, по существу, постоянной. Теперь электрическая машина 9 функционирует как генератор, и электрическая энергия подается от статора 9a к средству 20 аккумулирования энергии. Поскольку положительный крутящий момент T электрической машины 9 воздействует, уменьшая скорость n вращения двигателя 2 внутреннего сгорания, результат этого воздействия заключается в том, что, для поддержания скорости вращения двигателя внутреннего сгорания, функциональный блок 21 управления электродвигателем управляет двигателем внутреннего сгорания таким образом, что тот прикладывает положительный крутящий момент T, воздействующий на солнечное зубчатое колесо 10. Это приводит к результирующему положительному крутящему моменту T, воздействующему на входной вал 3a коробки передач. Поскольку тормоз больше не действует на водило 12 планетарной передачи, входной вал 3a коробки передач ускоряется, и транспортное средство трогается с места, а одновременно с этим скорость n вращения электрической машины снижается до нуля. Тем самым осуществление предлагаемого способа завершается, а управление двигателем внутреннего сгорания и электрической машиной после этого проводят в зависимости от желаемого режима езды.
Управление крутящим моментом электрической машины предпочтительно осуществляют таким образом, что электрическая машина заводит двигатель внутреннего сгорания, достигающий своей скорости вращения на холостом ходу, во время процедуры запуска, но возможно и прерывание управления несколько раньше и предоставление двигателю внутреннего сгорания возможности самому ускориться до его скорости вращения на холостом ходу.
Тормоз, воздействие которого прикладывают к входному валу коробки передач во время процедуры запуска, предпочтительно является рабочим тормозом транспортного средства, но может быть и стояночным тормозом или другим механизмом торможения, который непосредственно или косвенно воздействует на входной вал коробки передач или на водило планетарной передачи, соединенное с этим валом. В этом контексте, термин «механизм торможения, косвенно воздействующий на входной вал коробки передач», означает, что механизм торможения воздействует непосредственно на компонент, соединенный с входным валом коробки передач, например, на ведущие колеса транспортного средства. И стояночный тормоз, и рабочий тормоз воздействуют на входной вал коробки передач косвенно.
В считываемую компьютерную программу, которая занесена с возможностью считывания во внутреннюю память компьютера, такую как внутренняя память электронного блока управления автомобиля, надлежащим образом введен код компьютерной программы для воплощения способа в соответствии с изобретением. Такая компьютерная программа должным образом поставляется посредством компьютерного программного продукта, содержащего носитель данных, считываемый электронным блоком управления, причем этот носитель данных имеет хранимую на нем компьютерную программу. Упомянутый носитель данных является, например, оптическим носителем данных в виде диска CD-ROM, диска DVD и т.д., магнитным носителем данных в виде жесткого диска, дискеты, ленты и т.д., или флэш-памятью или памятью типа ROM, PROM, EPROM или EEPROM.
Фиг. 5 весьма схематично иллюстрирует электронный блок 40 управления, содержащий исполнительное средство 41, такое как центральный процессор (CPU), для исполнения компьютерной программы. Исполнительное средство 41 осуществляет связь с памятью 42, например, типа RAM, посредством шины 43 данных. Блок 40 управления содержит также носитель 44 данных, например, в виде флэш-памяти или памяти типа ROM, PROM, EPROM или EEPROM. Исполнительное средство 41 осуществляет связь с носителем 44 данных посредством шины 43 данных. На этом носителе 44 данных хранится компьютерная программа, содержащая код компьютерной программы для воплощения способа в соответствии с изобретением.
Конечно же, изобретение никоим образом не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления, а многие возможности его воплощения в рамках объема притязаний изобретения, охарактеризованного предлагаемой формулой изобретения, будут очевидны специалисту в данной области техники.