СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ ИМЕЮЩИМ НАДДУВ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДУЛЯЦИИ ТОРМОЗНОЙ МОЩНОСТИ АВТОМОБИЛЯ С ИМЕЮЩИМ НАДДУВ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
BRAKING METHOD WITH SUPERCHARGING INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE BRAKING POWER MODULATION DEVICE WITH SUPERCHARGING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к способу торможения имеющим наддув двигателем внутреннего сгорания (далее «ДВС») с работающим от отработавших газов (далее «ОГ») турбонагнетателем (далее «турбонагнетатель»). Кроме того, изобретение относится к устройству для модуляции тормозной мощности имеющего наддув ДВС автомобиля.
Из уровня техники, например, DE 19821130 A1 или EP 1258603 А1, известно оснащение автомобилей, в частности, коммерческих автомобилей, моторным тормозом в виде подпорного тормоза (называемого также тормоз с выпускным клапаном или подпорный клапан). У подпорного тормоза ОГ скапливаются за счет встроенной в выпускной трубопровод дроссельной заслонки, которая расположена до или обычно после турбонагнетателя, причем давление подпора создается дроссельной заслонкой в выпускном тракте. При вытеснении содержимого цилиндра против этого давления подпора в выпускном трубопроводе двигатель совершает дополнительную работу. Подпорный клапан включается двигателем в режиме принудительного холостого хода при необходимости сжатым воздухом. Против выработанного подпорным клапаном встречного давления каждый отдельный цилиндр четырехтактного двигателя должен вытеснять содержимое каждый раз на четвертом рабочем такте. Если автомобиль катится под уклон, то для повышения тормозной мощности можно активировать моторный тормоз. Для регулирования тормозной мощности можно дополнительно изменять угол установки подпорного клапана. В таких известных из уровня техники подпорных тормозах водитель может предварительно выбирать тормозную мощность ступенями, или темпомат (круиз-контроль) настраивается на заданную скорость. Недостаток таких моторных тормозов в том, что за счет варьирования угла установки подпорного клапана не достигается очень точная модуляция тормозной мощности и что максимально достигаемая тормозная сила ограничена, будучи обусловлена конструкцией.
Из уровня техники известны другие способы торможения двигателем. Так, в DE 19853127 А1 раскрыт способ торможения имеющим наддув ДВС, при котором в режиме торможения в цилиндры подается нагретый, необходимый для сгорания воздух, причем, по меньшей мере, часть сжатого, необходимого для сгорания воздуха направляется мимо охладителя наддувочного воздуха.
В DE 10 2005 008 657 А1 раскрыт способ торможения ДВС с двумя последовательно включенными турбонагнетателями с неизменяющимся сечением турбины, причем для настройки нужной или требуемой тормозной мощности регулируются массовый поток воздуха, направляемый через перекрывающий близкий к двигателю компрессор байпас, и массовый поток ОГ, направляемый через перекрывающий близкую к двигателю, работающую от ОГ турбину байпас.
Из DE 4330487 С1 и DE 19543190 А1 известны другие способы торможения имеющим наддув ДВС с турбонагнетателем. В кольцевом сопле турбонагнетателя расположена регулируемая направляющая решетка с направляющими лопатками, с помощью которой посредством устройства для ее регулирования регулируется проходное сечение кольцевого сопла для создания нужного давления подпора в проходном канале.
В DE 19844573 А1 раскрыт способ торможения имеющим наддув ДВС с турбонагнетателем с турбиной переменной геометрии. Для оказания влияния на моторный тормоз простыми мерами так, чтобы было возможным приспособленное к различным ситуациям торможение, в режиме торможения переменная геометрия турбины регулируется между задаваемыми жесткой и плавной настройками.
Недостаток таких способов торможения двигателем в том, что они требуют дополнительных байпасных элементов или подгонок турбонагнетателя (переменная геометрия турбины или переменная направляющая решетка). Модуляция тормозной мощности также невозможна с нужной точностью.
Задачей изобретения является создание усовершенствованного способа торможения двигателем, который позволил бы избежать недостатков традиционных способов. В частности, задачей изобретения является создание способа торможения двигателем, который по сравнению с традиционными подходами обеспечивал бы более точную модуляцию тормозной мощности и более высокую тормозную мощность. Другой задачей является создание устройства для модуляции тормозной мощности автомобиля с имеющим наддув ДВС, которое позволило бы избежать недостатков традиционных устройств.
Эти задачи решаются посредством устройств и способов с признаками независимых пунктов формулы. Предпочтительные варианты осуществления и применения изобретения приведены в зависимых пунктах.
Предложен способ торможения имеющим наддув двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с работающим на отработавших газах (ОГ) турбонагнетателем. Согласно изобретению, турбонагнетатель выполнен в виде работающего от электродвигателя, соответственно, поддерживаемого электродвигателем работающего на отработавших газах турбонагнетателя, называемого также электрифицированный турбонагнетатель. Поддерживаемый электродвигателем турбонагнетатель содержит электрическую машину, которая, передавая крутящий момент, может соединяться или соединена с приводным валом турбокомпрессора или, вообще, с ротором. Электрическая машина предназначена для привода, соответственно, для поддержания привода турбокомпрессора (далее называется также электромоторным режимом турбокомпрессора) и/или может генераторно приводиться турбокомпрессором. Ротор турбокомпрессора образован работающей на ОГ турбиной, компрессором и приводным валом, причем эта турбина и компрессор подвижно соединены посредством приводного вала. Из практики уже известно временное поддержание процесса наддува ДВС с помощью электродвигателя поддерживаемого электродвигателем турбонагнетателя, в частности, для преодоления так называемой задержки разгона при запуске.
Согласно общим аспектам изобретения, электрически поддерживаемый турбонагнетатель в режиме торможения двигателем, т.е., в частности, в режиме принудительного холостого хода автомобиля, используется для настройки желательной, соответственно, требуемой тормозной мощности. При этом такая настройка мощности происходит путем ускорения ротора турбонагнетателя посредством электромоторного режима турбонагнетателя и/или путем затормаживания ротора посредством генераторного режима турбонагнетателя. В генераторном режиме энергия движения ротора используется для привода электрической машины. Благодаря этому желательная тормозная мощность может быть создана быстро и с высокой точностью.
Согласно первому мероприятию, ротор турбонагнетателя можно ускорить за счет электромоторного режима турбонагнетателя, если желательная, соответственно, требуемая тормозная мощность превышает заданное первое пороговое значение. Оно может указывать, например, максимальную тормозную мощность, которая в режиме принудительного холостого хода может быть создана без работы электрической машины турбонагнетателя и, при необходимости, с использованием подпорной заслонки. Электромоторный режим повышает давление наддува в цилиндрах ДВС и за счет этого совершаемую им в режиме принудительного холостого хода работу, а также тормозную мощность.
Согласно второму мероприятию, ротор может затормаживаться посредством генераторного режима турбонагнетателя, если желательная, соответственно, требуемая тормозная мощность ниже заданного второго порогового значения. Второе пороговое значение может указывать, например, тормозную мощность, которая в режиме принудительного холостого хода создается без работы электрической машины турбонагнетателя, или может при использовании подпорной заслонки указывать минимальную тормозную мощность, которая может быть создана при неактивированной подпорной заслонке в режиме принудительного холостого хода без работы электрической машины турбонагнетателя. За счет генераторного режима трубонагнетателя тормозную мощность двигателя можно еще больше уменьшить, чтобы обеспечить, например, скатывание автомобиля под небольшой уклон в режиме принудительного холостого хода.
Согласно одному предпочтительному примеру, определенным созданием тормозной мощности можно управлять за счет соответствующего управления электромоторным режимом турбонагнетателя. Другими словами посредством управления электрической машины частота вращения компрессора для наддува может регулироваться так, что устанавливается нужная тормозная мощность и/или ее нужная характеристика. За счет этого нужную тормозную мощность можно создавать и модулировать, с одной стороны, в короткое время, а, с другой стороны, с высокой точностью. Например, интенсивность электромоторного режима турбонагнетателя можно варьировать в зависимости от требуемой в данный момент тормозной мощности, преимущественно пропорционально ей, если она превышает заданное первое пороговое значение.
Используя поддерживаемый электродвигателем турбонагнетатель для настройки требуемой тормозной мощности, можно в качестве опции отказаться от известных из уровня техники конструктивных мер (переменная геометрия турбины, подпорный клапан и т.д.). Однако существует также возможность использования поддерживаемого электродвигателем турбонагнетателя вместе с известными из уровня техники подходами для модуляции тормозной мощности.
В одном особенно предпочтительном варианте предусмотрено, что в выпускном тракте расположен подпорный клапан, активируемый в режиме торможения двигателем, причем для настройки желательной, соответственно, требуемой тормозной мощности устанавливается угол установки подпорного клапана.
Особое преимущество этих вариантов заключается в том, что вызванную подпорным клапаном тормозную мощность можно дополнительно повысить за счет привода ротора посредством моторного режима турбонагнетателя, например, на участках с сильным уклоном, и/или дополнительно уменьшить за счет генераторного режима турбонагнетателя, например, на участках с небольшим уклоном. Далее, изменяя как угол установки, так и ускорение, соответственно, затормаживание ротора за счет электрической машины, можно достичь особенно гибкой и точной модуляции тормозной мощности.
Согласно другому примеру, тормозная энергия двигателя частично рекуперируется в виде электрической энергии за счет того, что электрическая энергия, рекуперированная при затормаживании ротора за счет генераторного режима электрической машины турбонагнетателя, подается в бортовую сеть автомобиля и/или в его электрический энергоаккумулятор автомобиля.
Согласно другому аспекту изобретения, предложено устройство для модуляции тормозной мощности двигателя автомобиля с имеющим наддув ДВС. Устройством является, в частности, устройство управления электрической машиной турбонагнетателя, которое за счет управления электрической машиной может управлять и/или регулировать частоту вращения турбонагнетателя для наддува. Устройство предназначено для приема требования тормозной мощности двигателя. Кроме того, устройство предназначено для того, чтобы в режиме торможения двигателем для создания требуемой тормозной мощности в зависимости от принятого требования тормозной мощности за счет поддерживаемой электродвигателем работы турбонагнетателя ускорять его ротор и/или затормаживать его за счет генераторного режима турбонагнетателя. Устройство выполнено, в частности, для осуществления раскрытого здесь способа. Также устройство предназначено для управления подпорным клапаном, чтобы активировать его в режиме торможения двигателем и/или настраивать угол установки подпорного клапана. Во избежание повторений признаки, раскрытые чисто в части способа, должны считаться также раскрытыми и заявляемыми в части устройства.
Кроме того, изобретение относится к автомобилю, в частности, автомобилю промышленного назначения, содержащему раскрытые здесь поддерживаемый электродвигателем турбонагнетатель и устройство для модуляции тормозной мощности двигателя.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения могут комбинироваться между собой произвольно. Другие подробности и преимущества изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг. 1: блок-схему для иллюстрации тормозного устройства двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
- фиг. 2: схему последовательности этапов способа торможения двигателем в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
- фиг. 3: характеристику частоты вращения турбонагнетателя в режиме торможения двигателем в соответствии с вариантом осуществления изобретения;
- фиг. 4: характеристическое поле работы двигателя в режиме торможения для иллюстрации рабочих точек.
На фиг. 1 в виде блок-схемы изображено тормозное устройство двигателя в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Оно включает в себя имеющий двигатель 2 внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля промышленного назначения и приданный ему, поддерживаемый электродвигателем работающий на отработавших газах (ОГ) турбонагнетатель 10, называемый ниже ТН 10. Поддерживаемый электродвигателем работающий на ОГ турбонагнетатель 10 включает в себя турбину 12, приводимую отработавшими газами ДВС 2, которые подаются в нее по выпускному трубопроводу 5b. Затем смесь ОГ течет через выпуск турбины по выпускному трубопроводу 6, в котором расположен известный сам по себе подпорный клапан 3, по дополнительному выпускному трубопроводу 7 (трубопровод отработавших газов) к выпуску (на выхлоп). Турбина 12 посредством вала 13 соединена с компрессором 11. В него через его впуск 4 подается свежий воздух. Компрессор 11 сжимает подаваемый в ДВС 2 наддувочный воздух, повышая, тем самым, его мощность в режиме нормального сжигания. Сжатый компрессором 11 наддувочный воздух подается по трубопроводу для наддувочного воздуха в охладитель 8 наддувочного воздуха, а затем по трубопроводу 5а – в ДВС 2.
ТН 10 выполнен в виде поддерживаемого электродвигателем турбонагнетателя. Для этого ТН 10 оснащен эксплуатируемой в моторном и генераторном режимах электрической машиной 14, которая, передавая крутящий момент, соединяется или соединена с приводным валом 13 и предназначена для привода или для поддержания привода ротора 11, 12, 13 турбонагнетателя.
Моторным и генераторным режимами электрической машины 14, например, электродвигателя, управляет устройство 1 управления, которое для этого соединено электрическими линиями с электродвигателем 14 и энергоаккумулятором 15 для электрической энергии, например, стартерной батареей или высоковольтной батареей гибридной трансмиссии, что схематично обозначено штриховыми линиями 9, 17. Для осуществления моторного режима электрической машины 14 энергия к ней подается из энергоаккумулятора 15. Вырабатываемый в генераторном режиме электрической машины 14 ток может подаваться через устройство 1 управления к энергоаккумулятору 15. Устройство 1 управления выполнено в данном примере в виде устройства управления двигателем и, например, для инициирования режима торможения двигателем может переключать ДВС 2 через управляющую линию 18 на режим «несжигания» и прерывать подачу топлива к ДВС 2 или переключать его на холостой ход.
Устройство 1 управления предназначено далее для управления работой подпорного клапана 3, что обозначено электрической линией 16.
Особенность предложенного решения заключается в том, что устройство 1 управления предназначено далее для управления тормозной мощностью двигателя автомобиля и для ее модулирования за счет управления ТН 10.
Соответствующие режим и способ торможения двигателем проиллюстрированы в качестве примера на схеме последовательности этапов на фиг. 2. На первом этапе S1 устройство 1 управления принимает известным сам по себе образом требование МА тормозной мощности. Оно может вырабатываться, например, расположенным в кабине водителя исполнительным элементом, с помощью которого водитель в режиме торможения двигателем может предварительно выбирать ступенями тормозную мощность. Кроме того, требование МА может вырабатываться тормозным темпоматом, который настраивает автомобиль на заданную скорость.
На этапе S2 устройство 1 управления проверяет, необходимо ли в зависимости от требования МА активировать подпорный клапан 3 в режиме принудительного холостого хода. При высоких требованиях устройство 1 управления по управляющей линии 16 активирует известным сам по себе образом подпорный клапан 3 и управляет им так, что в зависимости от уровня требования МА устанавливается соответствующий угол установки подпорного клапана 3.
На этапе S3 устройство 1 управления проверяет далее, необходим ли в зависимости от требования МА моторный или генераторный режим электрической машины 14 ТН 10.
Если требование МА высокое, т.е., например, больше первого порогового значения W1, то выполняется этап S4, на котором устройство 1 управления запускает моторный режим электрической машины 14. Соединенный с приводным валом 13 ротора 11, 12, 13 электродвигатель 14 ускоряет этот ротор ТН 10, в результате чего повышаются давление наддува в цилиндрах ДВС 2 и, следовательно, совершаемая в режиме принудительного холостого хода работа. Таким образом, за счет моторного режима ТН 10 тормозная мощность повышается.
Если требование МА меньше второго порогового значения W2, то выполняется этап S5, на котором устройство 1 управления запускает генераторный режим электрической машины 14. Она затормаживает ротор 11, 12, 13, в результате чего понижаются давление наддува в цилиндрах ДВС 2 и, следовательно, совершаемая в режиме принудительного холостого хода работа. Таким образом, за счет генераторного режима ТН 10 тормозная мощность уменьшается.
На этапах S4, S5 можно использовать, например, предварительно определяемую экспериментальным путем и хранящуюся в устройстве 1 управления характеристику, которая приводит в соответствие требованию МА частоту вращения ротора 11, 12, 13, так что устройство 1 управления управляет электродвигателем 14 таким образом, что фактическая частота вращения ротора 11, 12, 13 устанавливается на заданную (номинальную) частоту вращения, которая получается в зависимости от текущего требования МА согласно характеристике.
Если требование МА больше или равно W2 и меньше или равно W1, то выполняется этап S6, на котором электрическая машина 4 не активируется. Частота вращения ротора 11, 12, 13 получается из динамического равновесия. Значения W2, W1 могут указывать нижний и верхний пределы тормозной мощности, которые могут достигаться только с помощью подпорного клапана 3, так что электродвигатель выполняет только поддерживающую функцию для повышения границ устойчивой работы.
Контур управления продолжается далее с этапом S1, в результате чего контур управления замыкается.
Другая возможность заключается в приравнивании значений W1, W2, если, например, подпорный клапан не используется или если электрическая машина 14 в режиме торможения двигателем должна всегда выполнять поддерживающую функцию, поскольку этим можно достичь, например, быстрого создания нужной тормозной мощности и поскольку в генераторном режиме можно быстро рекуперировать тормозную энергию.
Фиг. 3 иллюстрирует характеристику частоты вращения ТН в режиме торможения двигателем в соответствии с вариантом осуществления изобретения, обозначенную штриховой линией, по сравнению с характеристикой частоты вращения ТН в соответствии с традиционным способом торможения двигателем с подпорным клапаном, обозначенной сплошной линией.
Прежде всего, следует описать характеристику частоты вращения ТН в соответствии с традиционным способом торможения двигателем с подпорным клапаном. Турбонагнетатель не соединен с электродвигателем или в режиме торможения, по меньшей мере, не ускоряется или не затормаживается электродвигателем.
В течение времени между временными моментами 31, 32 двигатель находится в режиме принудительного холостого хода. Частота вращения ротора ТН устанавливается на основе термодинамического равновесия мощности между компрессором и турбиной, что обусловлено энергией ОГ двигателя.
Во временной момент 32 за счет высокого требования тормозной мощности активируется подпорный клапан. За счет этого в выпускном тракте создается давление подпора ОГ, в результате чего частота вращения ТН уменьшается между временными моментами 32, 33, пока не установится новое термодинамическое равновесие мощности. ТН остается на этом уровне частоты вращения, пока во временной момент 34 не потребуется меньшая тормозная мощность, так что подпорный клапан деактивируется. Вслед за этим частота вращения ТН снова возрастает до временного момента 35а, в который устанавливается новое текущее термодинамическое равновесие мощности.
В отличие от этого традиционного способа, в предложенном способе во временной момент 32 после получения высокого требования тормозной мощности не только активируется подпорный клапан, но и запускается моторный режим электрической машины 14, в результате чего ротор ТН 10 ускоряется, так что частота вращения ТН 10 возрастает между временными моментами 32, 33b, благодаря чему можно быстро создать высокую тормозную мощность. Между временными моментами устройство 1 управления управляет частотой вращения ротора так, что она остается на постоянном уровне, который создает требуемую тормозную мощность.
Во временной момент 34 устанавливается меньшее требование тормозной мощности. В ответ на это электрическая машина 14 эксплуатируется в генераторном режиме, так что частота вращения ТН быстро уменьшается до временного момента 35b до нужного уровня, который создает требуемую меньшую тормозную мощность. В генераторном режиме часть кинетической энергии ротора ТН рекуперируется в виде электрической энергии. Угол установки подпорного клапана можно привести в соответствие с изменившимся требованием тормозной мощности.
На фиг. 4 изображено характеристическое поле режима торможения двигателем. Поз. 41 обозначает кривую ограничения полной нагрузки характеристического поля моторного режима. Область рабочих точек, окруженная линией 40, обозначает для примерного двигателя автомобиля промышленного назначения рабочие точки в режиме торможения двигателем. Вырабатываемые ДВС 2 крутящие моменты являются в режиме торможения отрицательными и затормаживают автомобиль.
Изобретение не ограничено описанными выше предпочтительными примерами. Напротив, возможно большое число вариантов и модификаций, в которых также использована идея изобретения и которые поэтому подпадают под охрану. В частности, в изобретении заявлена также охрана для предмета и признаков зависимых пунктов, в независимости от их зависимости.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 – устройство управления
2 – двигатель внутреннего сгорания
3 – подпорный клапан двигателя
4 – впускной трубопровод компрессора
5а – выпускной трубопровод компрессора, соответственно, трубопровод наддувочного воздуха
5b – впускной трубопровод турбины
6 – выпускной трубопровод турбины
7 – выпускной трубопровод к выпуску
8 – охладитель наддувочного воздуха
9 – электрическая линия
10 – работающий на ОГ турбонагнетатель
11 – компрессор
12 – турбина
13 – приводной вал
14 – электрическая машина
15 – аккумулятор электрической энергии
16 – управляющая линия
17 – электрическая линия
18 – управляющая линия
40 – режим торможения двигателем
41 – кривая ограничения полной нагрузки характеристического поля моторного режима