УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ СО СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ

Изобретение относится к устройству привода транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания, а именно - к гибридным силовым установкам транспортных средств и может быть применено в машиностроении.
Гибридная силовая установка транспортного средства имеет электропитание от постоянного тока блока аккумуляторных батарей, преобразователь, управляющий контроллер и двигатель внутреннего сгорания, запускаемый электрической машиной (электромашиной) в дополнение к двигателю внутреннего сгорания, то есть гибридная силовая установка со стартер-генераторным устройством имеет возможность осуществления привода не только от двигателя внутреннего сгорания, но и от электромашины как в процессе запуска двигателя, так и при движении транспортного средства.
Известная гибридная силовая установка транспортного средства со стартер-генераторным устройством имеет двигатель внутреннего сгорания, блок планетарной передачи, включающий водило и зубчатый венец, соединенные, соответственно, с коленчатым валом двигателя и приводным валом, первый электродвигатель, соединенный с солнечной шестерней блока планетарной передачи, второй электродвигатель, соединенный с приводным валом и аккумуляторную батарею, способную передавать электрическую энергию в первый электродвигатель и от него во второй электродвигатель и от него (см., например, Бюллетень выложенных патентов Японии №11-93727). В этой гибридной установке первый электродвигатель приводят в действие и управляют им для регулирования оборотов двигателя внутреннего сгорания. Устройство отличается сложностью конструкции, оно учитывает ограниченное количество параметров транспортного средства и по этой причине недостаточно эффективно.
Известен более близкий аналог настоящего изобретения в виде устройства управления приводом транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания (Патент РФ на изобретение №2221161 С2, 10.01.2004 г.). В соответствии с данным известным устройством силовой агрегат для транспортных средств, имеющий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и основную коробку передач, которая передает приводное усилие на ведущее колеса транспортного средства, первичный вал, которой имеет возможность кинематического соединения с выходным валом ДВС, а также имеющий электрическую машину, которая имеет возможность кинематического соединения через промежуточную коробку передач с основной коробкой передач и имеет возможность переключения на работу в режиме электродвигателя стартера для пуска ДВС и на работу в режиме генератора для питания электрической бортовой сети транспортного средства. При этом выходной вал ДВС и первичный вал основной коробки передач, а также электрическая машина через промежуточную коробку передач имеют возможность кинематического соединения друг с другом и с маховой массой с помощью по меньшей мере одной управляемой муфты.
Дополнительно в данном силовом агрегате электрическая машина через ступенчатую промежуточную коробку передач кинематически связана с первичным валом основной коробки передач и предусмотрен электронный блок управления, который выполнен с возможностью управления по меньшей мере любой одной муфтой, а также электрической машиной на основании информации о частоте вращения вала двигателя, частоте вращения колес и требуемом режиме работы основной коробки передач.
Наряду с реализацией функций по управлению гибридной силовой установкой по указанным параметрам основными недостатками известного устройства являются недостаточность учитываемых электронным блоком параметров, сложность конструкции, большое количество агрегатов, повышенные вес, габариты, недостаточная надежность работы.
Известно также устройство для управления работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством (Патент РФ на изобретение №2334624 С2, 07.09.2008 г.). В соответствии с этим устройством, принятым за прототип настоящего изобретения управление работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством транспортного средства, содержащего двигатель внутреннего сгорания, коробку передач, которая передает посредством карданного вала приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства и первичный вал которой имеет возможность передачи через сцепление приводного усилия с выходного вала двигателя на карданный вал, а также содержащего электрическую машину, которая имеет возможность в режиме электродвигателя стартера передачи собственного приводного усилия на выходной вал, сблокированный с коленчатым валом и с маховиком двигателя, а в режиме генератора производить подпитку блока аккумуляторных батарей электрической бортовой системы питания транспортного средства, и содержащего электронный блок управления работой двигателем, блок-преобразователь тока питания, поступающего по кабелям от электромашины в блок аккумуляторных батарей и, наоборот - в зависимости от сигнала управляющего контроллера по алгоритму работы, учитывающему поступление данных от датчика электронного блока управления работой двигателя, датчика степени зарядки блока аккумуляторных батарей, датчика режима работы электромашины, датчика режима работы преобразователя, датчика положения ключа зажигания, датчика положения рычага переключения коробки передач, датчика положения педали акселератора, датчика положения педали тормоза, датчика устройства измерения скорости транспортного средства.
Вместе с тем, известный прототип также имеет недостатки, заключающиеся в сложности конструкции, в частности в наличии двух электромашин и двух преобразователей, в недостаточном количестве учитываемых в электронном блоке управления (управляющем контроллере) параметров. Эти недостатки в условиях эксплуатации ведут к недостаточному качеству управления работой гибридной силовой установкой, недостаточной надежности ее работы, большими весом и габаритами устройств.
Целью настоящего изобретения является создание компактного устройства в целом, упрощение схемы управления и, вместе с тем, увеличение учитываемых в схеме управления параметров, что должно позволить увеличить эффективность работы предлагаемого устройства как в части снижения эксплуатационного расхода топлива, так и в части снижения выброса вредных веществ в атмосферу при его применении.
Дополнительными целями изобретения являются повышение надежности работы, снижение веса и габаритов устройства.
Поставленные цели достигаются тем, что в предлагаемом устройстве для управления работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством транспортного средства, содержащего двигатель внутреннего сгорания, коробку передач, карданный вал, ведущие колеса, первичный вал коробки передач, сцепление, выходной вал двигателя, электрическую машину, коленчатый вал двигателя, маховик, блок аккумуляторных батарей электрической бортовой системы питания транспортного средства, причем коробка передач передает посредством карданного вала приводное усилие на ведущие колеса транспортного средства, первичный вал коробки передач имеет возможность передачи через сцепление приводного усилия с выходного вала двигателя на вал карданный, электрическая машина имеет возможность в режиме электродвигателя стартера передачи собственного приводного усилия на выходной вал, сблокированный с коленчатым валом и с маховиком двигателя, и в режиме генератора производить подпитку блока аккумуляторных батарей, и содержащего также электронный блок управления работой двигателем, блок-преобразователь тока питания, электрические кабели, управляющий контроллер, причем ток питания блока-преобразователя поступает по кабелям от электромашины в блок и, наоборот, - в зависимости от сигнала управляющего контроллера, и содержащего датчик электронного блока управления работой двигателя, датчик степени зарядки блока аккумуляторных батарей, датчик режима работы электромашины, датчик режима работы преобразователя, датчик положения ключа зажигания, датчик положения рычага переключения коробки передач, датчик положения педали акселератора, датчик положения педали тормоза, датчик устройства измерения скорости транспортного средства, каждый из которых сблокирован с управляющим контроллером. Мощность электромашины по величине не превышает 15% от мощности двигателя. Электромашина, сцепление, маховик, измеритель оборотов установлены соосно с коленчатым валом двигателя внутри единого блока, состоящего из торцевой части двигателя и корпуса сцепления. Дополнительно устройство оснащено датчиком температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя, датчиком измерителя оборотов выходного вала двигателя, датчиком режима работы сцепления, которые также сблокированы с управляющим контроллером. Для поступающих в последний от всех датчиков данных установлены пороговые параметры, например, для оборотов двигателя, скорости транспортного средства, температуры охлаждающей жидкости, степени зарядки блока аккумуляторных батарей, положений педалей акселератора, тормоза, сцепления, рычага коробки передач, ключа зажигания, режима работы электронного блока управления двигателем, и по передаваемым данным которыми по задаваемым алгоритмам управляют работой гибридной силовой установкой на следующих режимах: «стоп-старт», «холостой ход», «управление по крутящему моменту», «рекуперация» и «замещение».
Кроме того устройство дополнительно оснащено жидкостной системой охлаждения по байпасной схеме по отношению к системе охлаждения двигателя, в которых циркулирует общая единая охлаждающая жидкость.
Устройство характеризуется тем, что работа его блокируется при температуре наружного воздуха выше - 10°С.
Устройство дополнительно оснащено датчиком фиксации водителя транспортного средства на сиденье и при отсутствии водителя блокирует работу устройства.
Наконец, устройство дополнительно оснащено цифровым табло перед рабочим местом водителя, отображающим параметры работы систем устройства.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для управления работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством для транспортного средства, а на фиг.2 отдельно показана конструкция единого компактного блока устройства, в котором размещены электромашина, маховик, сцепление и измеритель оборотов.
На фиг.1 показано устройство для управления работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством транспортного средства, которое содержит двигатель (1) внутреннего сгорания, коробку передач (2), карданный вал (3), ведущие колеса (4), первичный вал (5) коробки передач (2), сцепление (6), выходной вал (7) двигателя (1), электрическую машину (8), коленчатый вал (9) двигателя (1), маховик (10), блок (11) аккумуляторных батарей электрической бортовой системы питания транспортного средства, причем коробка передач (2) передает посредством карданного вала (3) приводное усилие на ведущие колеса (4) транспортного средства, первичный вал (5) коробки передач (2) имеет возможность передачи через сцепление (6) приводного усилия с выходного вала (7) двигателя (1) на вал карданный (3), электрическая машина (8) имеет возможность в режиме электродвигателя стартера передачи собственного приводного усилия на выходной вал (7), сблокированный с коленчатым валом (9) и с маховиком (10) двигателя (1), и в режиме генератора производить подпитку блока (11) аккумуляторных батарей. Оно содержит также электронный блок (12) управления работой двигателем(1), блок-преобразователь (13) тока питания, электрические кабели (14), (15), управляющий контроллер (16), причем ток питания блока-преобразователя (13) поступает по кабелям (14) и (15) от электромашины (8) в блок (11) и наоборот - в зависимости от сигнала управляющего контроллера (16). Устройство содержит датчик (17) электронного блока (12) управления работой двигателя (1), датчик (18) степени зарядки блока (11) аккумуляторных батарей, датчик (19) режима работы электромашины (8), датчик (20) режима работы преобразователя (13), датчик (21) положения ключа зажигания (22), датчик (23) положения рычага переключения коробки передач (2), датчик (24) положения педали акселератора (25), датчик (26) положения педали тормоза (27), датчик (28) устройства измерения скорости (29) транспортного средства, каждый из которых сблокирован с управляющим контроллером (16). Мощность электромашины (8) по величине не превышает 15% от мощности двигателя (1). Электромашина (8), сцепление (2), маховик (10), измеритель оборотов (33) установлены соосно с коленчатым валом (9) двигателя (1) внутри единого блока (35), состоящего из торцевой части двигателя (1) и корпуса сцепления (6) - см. фиг.2. Дополнительно - см. фиг.1, устройство оснащено датчиком (30) температуры охлаждающей жидкости в системе (31) охлаждения двигателя (1), датчиком (32) измерителя (33) оборотов выходного вала (7) двигателя (1), датчиком (34) режима работы сцепления (6), которые также сблокированы с управляющим контроллером (16), причем для поступающих в последний от всех датчиков данных установлены пороговые параметры, например, для оборотов двигателя, скорости транспортного средства, температуры охлаждающей жидкости, степени зарядки блока (11) аккумуляторных батарей, положений педалей акселератора (25), тормоза (27), сцепления (6), рычага коробки передач (2), ключа зажигания (22), режима работы электронного блока (12) управления двигателем (1), и по передаваемым данным которыми по задаваемым алгоритмам управляют работой гибридной силовой установкой на следующих режимах: «стоп-старт», «холостой ход», «управление по крутящему моменту», «рекуперация» и «замещение».
Устройство для управления работой гибридной силовой установкой дополнительно оснащено жидкостной системой охлаждения по байпасной схеме по отношению к системе охлаждения двигателя, в которых циркулирует общая единая охлаждающая жидкость (на фиг.1, 2 не показано).
Устройство для управления работой гибридной силовой установкой блокируется при температуре наружного воздуха выше - 10°С.
Устройство для управления работой гибридной силовой установкой дополнительно оснащено датчиком фиксации положения водителя транспортного средства на сиденье и при отсутствии водителя блокирует работу устройства (на фиг.1, 2 не показано).
Устройство также дополнительно оснащено цифровым табло перед рабочим местом водителя, отображающим параметры работы систем устройства (на фиг.1, 2 не показано).
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Управление работой гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством транспортного средства осуществляют при мощности электромашины (8) по величине, не превышающей 15% от мощности двигателя (1) внутреннего сгорания транспортного средства. В управляющий контроллер (16) вводят данные датчика (17) электронного блока (12) управления работой двигателя (1), датчика (18) степени зарядки блока (11) аккумуляторных батарей, датчика (19) режима работы электромашины (8), датчика (20) режима работы блока-преобразователя (13), датчика (21) положения ключа зажигания (22), датчика (23) положения рычага переключения коробки передач (2), датчика (24) положения педали акселератора (25), датчика (26) положения педали тормоза (27), датчика (28) устройства измерения скорости (29) транспортного средства, датчика (30) температуры охлаждающей жидкости в системе (31) охлаждения двигателя (1), датчика (32) измерителя (33) оборотов выходного вала (7) двигателя (1), датчика (34) режима работы сцепления (6). Для поступающих в управляющий контроллер (16) от датчиков данных устанавливают пороговые параметры оборотов двигателя (1), скорости транспортного средства (29), температуры охлаждающей жидкости (31), степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11), положений педалей акселератора (25), тормоза (27), сцепления (6), рычага коробки передач (2), ключа зажигания (22), режима работы электронного блока управления (12) двигателем (1), и учетом поступающих данных управляют работой гибридной силовой установкой на следующих режимах: «стоп-старт», «холостой ход», «управление по крутящему моменту», «рекуперация» и «замещение», каждый из которых задают по отдельному алгоритму управления.
Управление гибридной силовой установкой в режиме «стоп-старт» осуществляют только при степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11) выше нижнего порогового параметра в 70% от максимальной ее величины, при температурах наружного воздуха выше - 10°С, при закрытых дверях и багажника транспортного средства, при положении водителя на месте водителя, фиксируемого датчиком положения водителя и только при включенном положении ключа зажигания (22) и температуре охлаждающей жидкости в системе охлаждения (31) более 75°С путем выключения двигателя (1) при остановках транспортного средства и включения двигателя (1) с помощью электромашины (8). При этом выключение двигателя (1) производят путем прекращения подачи в него топлива с помощью электронного блока управления (12) по воздействию управляющего контроллера (16) при нажатом положении педали акселератора (25), нейтральном положении рычага коробки передач (2) и при полной остановке транспортного средства при условии торможения транспортного средства перед остановкой начиная со скорости 5 км/ч в течение времени более 2 сек, а включение двигателя (1) производят с помощью электромашины (8) путем подачи напряжения на электромашину (8) от блока аккумуляторных батарей (11) и включения работы электронного блока управления двигателем (12), производимыми управляющим контроллером (16) после нажатия водителем педали акселератора (25). После запуска двигателя (1) переводят его в режим работы «холостой ход» при нейтральном положении рычага переключения коробки передач (2) и в режим «замещение» при выключенном положении рычага (2).
Управление работой гибридной силовой установкой в режиме «холостой ход» осуществляют путем работы двигателя (1) внутреннего сгорания без участия электромашины (8). После запуска двигателя электромашиной (8) производят подзарядку блока аккумуляторных батарей (11), при этом в процессе езды транспортного средства данный режим устанавливают при не нажатом положении педалей тормоза (27) и акселератора (25), нейтральном положении рычага коробки передач (2) или при нажатом положении педали сцепления (6). При неподвижном положении транспортного средства данный режим устанавливают путем перевода рычага переключения коробки передач (2) в нейтральное положение или нажатием педали сцепления (6). Также режим «холостой ход» устанавливают при резком торможении транспортного средства с полной его остановкой в течение времени до 2 сек. начиная со скорости движения в 5 км/ч.
Управление работой гибридной силовой установкой в режиме «управление по крутящему моменту» осуществляют путем увеличения крутящего момента на выходном валу (7) двигателя (1) с помощью электромашины (8) на генераторном режиме работы, при котором задаваемый водителем транспортного средства с помощью педали акселератора (25) крутящий момент более чем на 90% задается крутящим моментом, развиваемым на соответствующих оборотах коленчатого вала (9) двигателем (1). Генераторный режим работы электромашины (8) в этом случае формирует до 10% величины общего крутящего момента и его задают при движении транспортного средства при оборотах двигателя (1) более 1200 об/мин, степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11) свыше 70%, а при отключенном сцеплении (6), нейтральном положении рычага коробки передач (2) и не нажатом положении педали акселератора (25) двигатель (1) переводят в режим «холостой ход». При степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11) ниже 70% отключают работу электромашины (8) и развиваемый крутящий момент на валу (7) задают только за счет работы двигателя внутреннего сгорания (1).
В режиме «рекуперация» осуществляют подзарядку блока аккумуляторных батарей (11) с помощью электрической машины (8) при скорости движения транспортного средства более 6 км/ч, включенном положении рычага коробки передач (2), отпущенном положении педали сцепления (6) и нажатом положении педали тормоза (27). Это производится путем включения управляющим контроллером (16) работы электромашины (8) в режиме генератора, передачи вырабатываемого тока из электромашины (8) через блок преобразователя (13) в блок аккумуляторных батарей (11). При скорости транспортного средства менее 6 км/ч, нейтральном положении рычага коробки передач (2), нажатой педали сцепления (6) и не нажатом положении педали тормоза (27) двигатель переводят в режим работы «холостой ход».
Управление работой гибридной силовой установкой в режиме «замещение» задают путем передачи приводного усилия на колеса (4) транспортного средства преимущественно от электромашины (8), работающей в «тяговом» режиме, а мощность двигателя (1) задают по величине, требуемой только для компенсации разницы в мощностях между мощностью, задаваемой водителем с помощью педали акселератора (25) на соответствующих оборотах работы двигателя (1) и вырабатываемой мощностью электромашины (8) при оборотах двигателя менее 1200 об/мин, скорости движения транспортного средства менее 7 км/ч. при степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11) более 70%, включенном положении рычага коробки передач (2). При степени зарядки блока аккумуляторных батарей (11) ниже 70%, оборотах двигателя более 1200 об/мин и скорости движения транспортного средства более 7 км/ч управление работой гибридной силовой установки переводят в режим «управление», а при нейтральном положении рычага коробки передач (2) и отпущенной педали акселератора (25) - в режим «холостой ход».
Оснащение устройства для управления работой гибридной силовой установкой жидкостной системой охлаждения по байпасной схеме по отношению к системе охлаждения двигателя, в которых циркулирует общая единая охлаждающая жидкость, позволяет организовать его эффективное охлаждение в процессе эксплуатации.
Устройство блокируется при температуре наружного воздуха выше -10°С.
Оно дополнительно оснащено датчиком фиксации положения водителя транспортного средства на сиденье и при отсутствии водителя блокирует работу устройства.
Устройство для управления работой гибридной силовой установкой также дополнительно оснащено цифровым табло перед рабочим местом водителя, отображающим параметры работы систем устройства.
Применение предложенного устройства для управления гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством позволяет повысить эффективность за счет:
- компактности конструкции единого блока устройства, в котором размещены электромашина (8), сцепление (2), маховик (10) и измеритель оборотов(33);
- увеличения количества параметров при управлении работой гибридной силовой установкой;
- упрощения самой схемы управления в результате применения в ней одной электромашины (8), размещенной соосно на валу (7) передачи приводного усилия от двигателя внутреннего сгорания (1) и электромашины (8) на колеса (4) транспортного средства;
- разделения управления работой системы управления на 5 отдельных режимов, а именно: «стоп-старт», «холостой ход», «управление по крутящему моменту», «рекуперация» и «замещение», каждый из которых управляет по отдельному задаваемому алгоритму.
В результате практического применения данного устройства для управления гибридной силовой установкой со стартер-генераторным устройством на транспортном средстве, при котором реализуются режимы работы «стоп-старт», разгон с докруткой коленчатого вала от электромашины в режиме «выбега» и равномерного движения, режим торможения транспортного средства электромашиной (8) с дозарядкой блока аккумуляторных батарей (11), особенно в городских условиях эксплуатации, достигаются следующие результаты:
- снижение расхода топлива на транспортном средстве с полной массой до 3,5 тонн в городских условиях эксплуатации составляет более 20%;
- снижаются выбросы вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания;
- относительное уменьшение тормозного пути транспортного средства в сравнении с аналогом без гибридной силовой установки составляет не менее 10%.