運轉混合動力車輛的方法

專利名稱：運轉混合動力車輛的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于運轉具有傳動系的混合動力車輛的方法，所述車輛包括由柴油燃料驅動的內燃機和至少一個電驅動機構，以及一種用于執行該方法的混合動力車輛。
背景技術：
包括柴油發動機和至少一個電驅動機構的混合動力車輛在JP2003-065099A或者EP 1007 383 B1中已公知。為了確保內燃機在盡可能最低的排放和盡可能最簡單的手段下運轉，EP 1007 383 B1中提出了例如由混合驅動控制單元確定在各個預定的時間段中驅動力矩在時間上的平均值，內燃機的功率輸出和三相機構以如下方式控制內燃機響應于確定的在時間上的平均值輸出驅動力矩，三相機構輸出當前要求的驅動力矩和內燃機輸送的驅動力矩之間的差值。
更加嚴格的法律體制條件要求在燃燒方法的設計中必須反復采取新的方法，以便降低柴油發動機的排氣微粒排放和NOx排放。
已知通過提前噴射時間而增加點火延遲，因而降低排氣中的NOx和排氣微粒排放，以通過稀燃料-空氣混合物的自動點燃發生燃燒。此處已知的變體是HCLI(Homogeneous Charge Late Iniection均勻充氣延遲噴射)方法。如果執行這種混合物燃燒，則燃料噴射因而充分晚地發生在壓縮階段的上止點前，因而導致大致均勻的燃料-空氣混合物。排氣的再循環確保燃燒溫度保持低于NOx形成所要求的最低溫度。但是，因為燃料和空氣的均勻化是依賴時間的，所以這種方法的實現受到限制，其依賴于速度和負荷，而在未充分均勻化的情況下微粒的排放增加。
美國專利US 6,338,245 B1描述了根據HCLI方法運轉的柴油發動機，其中燃燒溫度和點火延遲以如下方法設置在較低和中等部分負荷范圍內燃燒溫度位于NOx形成溫度之下，空氣率位于與排氣微粒形成有關的值之上。通過改變排氣再循環控制燃燒溫度，通過改變燃料噴射時間控制點火延遲。燃燒溫度在中等和高負荷下降低到如此程度以致避免形成NOx和排氣微粒。缺點在于特別在中等部分負荷范圍內出現較低的空氣率和較低的燃燒溫度，因而不得不接受較低的效率。
美國專利US 6,158,413 A公開一種直接噴射柴油發動機，其中燃料噴射不在壓縮的上止點前設置，通過排氣再循環降低燃燒室中的氧氣濃度。這種運轉方法此處也已知為HPLI(Highly Premixed Late Injection高度預混延遲噴射)方法。因為上止點后溫度水平的下降(與常規的上止點前噴射相反)，以及與常規運轉方法相比再循環排氣量的增加，所以點火延遲比所謂的擴散燃燒中的點火延遲更長。由排氣再循環率控制的較低溫度水平確保燃燒溫度維持在與NOx形成相關的值之下。實現有利的混合物形成，因為較晚的噴射時間導致較大的點火延遲，其導致混合物的燃燒中局部缺氧的明顯減少，因而導致微粒形成的減少。燃燒進程的延遲偏移導致最高溫度的降低，但是同時也導致在指定較晚的曲軸轉角處的平均溫度的增加，這因而增加排氣微粒燃燒。燃燒移動到膨脹循環進一步導致氣缸中未超過可允許水平的壓力增加率，以及較高的排氣再循環率，盡管因較長的點火延遲產生較大的預混燃料數量，以及因而較高的最大燃燒率。在較低的部分負荷范圍內降低效率是不利的。
從奧地利實用新型申請GM 702/2002中已知在分配到第一較低部分負荷的第一運轉范圍內以HCLI模式運轉柴油發動機，在分配到第二中等負荷的第二運轉范圍內以HPLI模式運轉柴油發動機。尤其在較低和中等部分負荷范圍內實現最小的氮氧化物和排氣微粒排放，以及較高的效率。但是在滿負荷下執行常規的柴油燃燒，盡管與在可作為選擇的燃燒方法下相比出現較高的NOx和排氣微粒排放。

發明內容
本發明的目的是避免以上缺點，降低混合動力車輛的排放和燃料消耗。
根據本發明該目的以如下方式實現內燃機在車輛的至少一個負荷范圍內按可作為選擇的柴油燃燒方法運轉，電驅動機構被接入。
在該過程中設置有內燃機在至少一個運轉范圍內在可作為選擇的燃燒下以HCLI模式運轉，所述HCLI模式具有大致均勻的混合物燃燒和較晚的燃料噴射(與具有均勻燃燒的其它方法比較，例如HCCI方法(Homogeneous ChargeCompression Ignition均勻充氣壓縮點火))，燃料噴射開始于壓縮階段的上止點前在大約50°至5°曲軸轉角之間的范圍內。進一步設置有內燃機在至少一個運轉范圍內在可作為選擇的燃燒下以HPLI模式運轉，所述HPLI模式具有低溫混合物燃燒和甚至比HCLI模式中還晚的噴射，燃料噴射開始于在上止點前2°曲軸轉角和壓縮階段的上止點后大約20°曲軸轉角之間的范圍內。與常規柴油燃燒相比，燃料噴射發生的相對較早。
優選地，內燃機在低部分負荷時以HCLI模式運轉，在中等部分負荷時以HLPI模式運轉。
為了在HCLI模式之上的負荷范圍內降低排放和燃料消耗，這是特別有利的所述電驅動機構在至少一個負載范圍內被接入，所述負載范圍位于HCLI模式的負載范圍之上和/或HPLI模式的負載范圍之上。因而實現在較高的部分負荷范圍內內燃機在可作為選擇的燃燒下運轉，因而實現盡可能最低的燃料消耗和排放。尤其可能的是果斷地降低NOx排放和排氣微粒排放，例如，在NEDC行駛循環中(New European Drive Cycle歐洲新行駛循環)。
在本發明的進一步實施例中設置有電驅動機構在至少一個瞬態運轉范圍內被接入，同時一旦內燃機達到HCLI模式或者HPLI模式的負載范圍內的穩態運轉點，和/或一旦內燃機要求的速度變化低于可允許的數值，則所述電驅動機構優選地再次切斷。排放峰值和/或噪音峰值可避免在從一個運轉模式到另一個運轉模式的瞬時變遷中出現。內燃機要求的速度變化(例如負荷變化)通過致動電驅動機構也在運轉模式內部(例如HCLI模式)的瞬時運轉中降低，因而避免或者降低排放和/或噪音峰值的出現。
更為有利的是電驅動機構在車輛的較高負荷范圍和/或車輛的滿負荷范圍內接入在可選擇的燃燒下運轉的內燃機。這允許一方面降低滿負荷運轉下的排放，以及降低燃料消耗。另一方面，內燃機設置為較小的尺寸，因為電驅動機構提供力矩儲備。
在HCLI模式下內燃機的有效中壓在0至6bar之間，優選地在0至5.5bar之間。在HLPI運轉范圍內，有效中壓在3.5至8bar之間，優選地在4至7bar之間。
本發明的進一步實施例中設置有為了布置在內燃機的排氣系中的至少一個微粒過濾器的再生，內燃機的負荷通過電驅動機構簡單地增加，優選的通過以發動機的方式工作的電驅動機構增加，因此排氣溫度位于再生要求的范圍內。所述驅動機構產生的能量提供給能量儲存器。除了加熱微粒過濾器之外，同樣可設置電加熱器，其由電儲存器提供能量。
一種具有傳動系的混合動力車輛適合于實現該方法，其包括由柴油燃料驅動的內燃機和至少一個電驅動機構，同時內燃機能在可作為選擇的燃燒下運轉，電驅動機構在車輛的至少一個負載范圍內被接入能在可作為選擇的燃燒下運轉的內燃機。


現在參考附圖更加詳細地解釋本發明，其中圖1示意性表示用于執行根據本發明的方法的混合動力車輛的傳動系；圖2表表示柴油發動機的特性曲線族；圖3表表示行駛循環過程中的中壓曲線；圖4表表示行駛循環過程中的NOx排放曲線；圖5表表示加速過程中的中壓曲線；圖6表表示加速過程中的NOx曲線；圖7示意性表表示混合動力車輛的排氣系。
具體實施例方式
圖1表示混合動力傳動系統10的整體結構。傳動系11中的混合驅動源是柴油發動機12，所述柴油發動機相對于基準動力被降低，其通過離合器50被連接為以自動化的方式與例如具有6個齒輪的自動變速器14一起被致動。電驅動機構16通過接合和脫離離合器50a、50b與自動變速器14連接，例如接合和脫離同步離合器。電驅動機構16即可作為發電機也可作為電動機工作，在實施例中具有大約10kW的恒定輸出功率，以及持續5秒的大約25kW的峰值輸出功率。它由功率電子設備20通過12V的電池電壓22以及通過42V的雙層電容器24觸發。電驅動機構16一方面與驅動軸30連接，另一方面與自動變速器的從動軸32通過中間齒輪(未詳細表示)連接。從動軸32通向驅動輪34。
圖2以速度n對應的中壓BMEP表示柴油發動機12的特性曲線族。在HCLI(Homogeneous Charge Late Injection均勻充氣延遲噴射)范圍內噴射的起點在壓縮循環中(與常規的柴油燃燒比較)相對提前，也就是在壓縮循環后上止點之前接近大約50°至5°的曲軸轉角，因而使較長的點火延遲成為可能，以便形成用于預混燃燒的部分均勻混合物(與HCCI(Homogeneous Charge CompressionIgnition均勻充氣壓縮點火)方法比較，噴射執行得比較晚)。通過特殊的預混和稀釋，可實現極低的排氣微粒和NOx排放值。局部空氣比率在HCLI范圍內明顯位于與排氣微粒形成有關的閾值之上。在50％至80％之間的高排氣再循環率確保局部燃燒溫度總是保持低于氮氧化物的最低形成溫度。噴射發生在400至1000bar之間的壓力。較長的點火延遲確保燃燒階段偏移到上止點附近的最佳效率位置。燃燒中心位于上止點后-10°至+10°曲軸轉角之間的范圍內，因此實現高效率。HCLI模式要求的高排氣再循環率通過可變氣門控制或者僅由外部排氣再循環實現，或者由結合外部和內部排氣再循環實現。HCLI范圍與較低的部分負荷有關，一直到大約4至6bar。
在中壓BMEP大約為3.5至8bar之間的中等運轉范圍內，內燃機12根據HLPI方法(Highly Premixed Late Injection高度預混延遲噴射)運轉。噴射階段的主要部分位于壓縮階段的上止點后。在HPLI模式中，內燃機12在20％至40％之間的排氣再循環率下運轉。噴射的起點位于上止點前2°曲軸轉角一直到上止點后20°曲軸轉角之間的范圍內。因為完全分開噴射的止點和燃燒的起點，所以實現局部均勻的帶有預混燃燒的混合物。點火延遲因溫度水平和再循環排氣量而更長，所述溫度水平與上止點前的常規噴射比較下降，所述再循環排氣量與常規運轉模式比較增加。其它手段也可用于延長點火延遲，例如降低有效壓縮率和/或進氣溫度，以及增加噴射壓力和/或增大噴射嘴噴孔的橫截面，以便降低噴射持續時間。要求較短的噴射持續時間，以便確保噴射的止點位于燃燒的起點之前。在這種情況下有可能將排氣微粒排放保持在非常低的水平。這可采用如下方式解釋避免了燃料噴嘴中的液態燃料和以常規方式包圍所述噴嘴的火焰的同時發生，因此也防止氧化反應靠近噴嘴，使氧化反應在缺少空氣的條件下進行，另外還導致排氣微粒的形成。噴射時間的晚點結合相對長的點火延遲導致整個燃燒進程的延遲偏移，因此氣缸壓力進程也以延遲的方式移動，最高溫度被降低，導致較低的NOx排放。
燃燒進程的延遲移動導致最高溫度的降低，但是同時導致在特定較晚的曲軸轉角處溫度的升高，這再次促進排氣微粒的燃燒。
燃燒移動到膨脹循環導致氣缸中未超過可允許數值的壓力增加率和高排氣再循環率，盡管因較長的點火延遲產生較大的預混燃料量，以及因此較高的最大燃燒率。導致高度恒定容積的較高最大燃燒率能部分補償由燃燒階段的延遲移動引起的效率損失。為了實現高效率，燃燒中心應盡可能接近壓縮階段的上止點。
HPLI運轉模式的優勢在于獲得了非常低的NOx和微粒排放，以及實現了較高的排氣溫度，這有利于微粒過濾器的再生。局部燃燒溫度稍微位于較低的NOx形成溫度之上。局部空氣比率大部分位于排氣微粒形成溫度之上。盡管在燃燒過程開始時排氣微粒在HPLI運轉模式中形成，但是排氣微粒被因高壓噴射產生的強烈渦流和燃燒過程止點處的高溫氧化，因而導致整體非常低的排氣微粒排放。
在以C標示的運轉范圍內，內燃機在0％至30％之間的排氣再循環率下常規運轉，同時多點噴射也是可能的。這允許執行預混和擴散燃燒。外部和內部排氣再循環的結合可用于排氣再循環。常規的運轉范圍C從HPLI允許范圍一直到達滿負荷線V。與HPLI燃燒比較，常規燃燒中獲得了相當高的NOx排放，以及相當高的排氣微粒排放。從環境污染的觀點來看，因而希望在部分負荷的較高范圍內也使內燃機以HPLI燃燒的方式運轉。
如果1.8L柴油發動機在NEDC行駛循環中的中級車輛(測試重量1350kg)中運轉，則超過了可作為選擇的HCLI、HPLI燃燒的限制，如圖2中的點DC所示。這導致排放的顯著增加。
圖3和圖4示意性以實線表示NEDC行駛循環中柴油發動機的瞬時運轉條件下中壓BMEP和NOx排放各自的時間曲線。圖表表示一旦動態離開可選擇的燃燒范圍排放就強烈上升。這導致平均排放和整體排放的增加。
當電驅動機構16用于在短的動態階段中支持柴油發動機12時可避免這種情況。內燃機12保持在可選擇的燃燒范圍內，例如在HPLI模式下。盡管內燃機12的單位消耗量與常規燃燒相比稍微高，但是在整體平衡中這種策略導致NOx排放降低大約20％，只要再生能量用于支持傳動，以及消耗量降低大約14％。圖3和4以虛線BMEP′和NOx′表示具有電驅動機構16支持的內燃機12的運轉。圖3還進一步表示電驅動機構的功率要求Pe。可清楚看到在電動支持的情況下可以避免在兩個互相不同的運轉范圍之間的瞬態變遷中的NOx峰值。
如圖5和6中所示，如果駕駛員在較長的基礎上要求負荷的增加，則電驅動機構16的力矩在一定的時間段之后被降低，因而實現在可選擇的燃燒HCLI、HPLI和常規燃燒C范圍之間的平滑變遷。排放和/或燃燒噪音因而也被明顯降低，因為NOx排放控制導致的超調量被避免在不同的燃燒范圍之間的動態變遷中出現。圖5和6中的實線BMEP、NOx再次表示沒有電動支持的運轉。虛線BMEP″、NOx″表示具有電動支持的柴油發動機的運轉。
圖7示意性表示具有柴油燃燒發動機12和電驅動機構16的車輛的傳動系。在內燃機12的排氣系3中微粒過濾器17位于排氣渦輪增壓器4的下游。一旦由差值壓力測量裝置8和溫度傳感器9檢測到微粒過濾器17的增加的微粒負荷，則致動微粒過濾器再生。為了增加排氣溫度，通過電驅動機構16向內燃機12施加額外的負荷，同時電驅動機構16以發動機的方式工作。施加的能量因而能部分再次收回。車輛的能量儲存器5、6在再生之前只要允許就被清空，以便在再生過程中給內燃機12加載最大的阻抗力矩，再次充滿能量儲存器5、6。另外或者作為其替代方案，獲得的電能可用于通過電阻加熱7加熱微粒過濾器17。電子控制單元ECU通過車內控制網絡CAN控制和監視再生。
本發明不局限于任何特定的混合傳動系統，可有利地在串聯和并聯混合傳動中使用，也可與手動、自動或者半自動變速器連接。
權利要求
1.一種用于運轉具有傳動系的混合動力車輛的方法，所述車輛包括由柴油燃料驅動的內燃機和至少一個電驅動機構，其特征在于，內燃機在車輛的至少一個運轉范圍內用可選擇的柴油燃燒方法運轉，以及電驅動機構被接入。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，內燃機在至少一個運轉范圍內在可選擇的燃燒下以HCLI模式運轉，所述HCLI模式具有大致均勻的混合物燃燒和較晚的燃料噴射，燃料噴射開始于壓縮階段的上止點前在大約50°至5°曲軸轉角之間的范圍內。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，內燃機在至少一個運轉范圍內在可選擇的燃燒下以HPLI模式運轉，所述HPLI模式具有低溫混合物燃燒和甚至比HCLI模式中還晚的噴射，燃料噴射開始于在上止點前2°曲軸轉角和壓縮階段的上止點后大約20°曲軸轉角之間的范圍內。
4.如權利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，所述HCLI模式與較低的部分負荷相關。
5.如權利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于，所述HPLI模式與中等的部分負荷相關。
6.如權利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于，所述電驅動機構在負載范圍滿足以下條件時被接入其位于所述HCLI模式的負載范圍之上和/或所述HPLI模式的負載范圍之上。
7.如權利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，所述電驅動機構在至少一個瞬態運轉范圍內被接入。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，一旦內燃機達到所述HCLI模式或者所述HPLI模式的負載范圍內的穩態運轉點，和/或一旦內燃機要求的速度變化低于可允許的數值，則所述電驅動機構優選地再次切斷。
9.如權利要求6至8中之一所述的方法，其特征在于，所述電驅動機構在車輛的較高負荷范圍和/或車輛的滿負荷范圍內接入在可選擇的燃燒下運轉的內燃機。
10.如權利要求1至9中之一所述的方法，其特征在于，在HCLI模式下內燃機的有效中壓在0至6bar之間，優選地在0至5.5bar之間。
11.如權利要求1至10中之一所述的方法，其特征在于，在HPLI模式下內燃機的有效中壓在3.5至8bar之間，優選地在4至7bar之間。
12.如權利要求1至11中之一所述的方法，其特征在于，為了布置在內燃機的排氣系中的至少一個微粒過濾器的再生，內燃機的負荷優選地通過電驅動機構簡單地增加，更為優選的通過以發電機的方式工作的電驅動機構增加。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述驅動機構產生的能量提供給能量儲存器。
14.如權利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述驅動機構產生的能量用于加熱微粒過濾器。
15.一種具有傳動系(11)的混合動力車輛，包括以柴油燃料可工作的內燃機(12)和用于執行根據權利要求1至14中之一所述的方法的至少一個電驅動機構(16)，其特征在于，內燃機(12)可在可選擇的燃燒下運轉，電驅動機構(16)可被接入在車輛的至少一個負荷范圍內在可選擇的燃燒下運轉的內燃機(12)。
16.如權利要求15所述的混合動力車輛，其特征在于，至少一個微粒過濾器(17)布置在內燃機(12)的排氣系中，在微粒過濾器(17)的再生過程中，內燃機(12)的負荷可優選地通過電驅動機構簡單地增加，更為優選地通過以發電機的方式工作的電驅動機構(16)增加。
全文摘要
本發明涉及一種用于運轉具有傳動系的混合動力車輛的方法，所述車輛包括由柴油燃料驅動的內燃機和至少一個電驅動機構。為了降低氮氧化物和排氣微粒排放，設置內燃機在車輛的至少一個運轉范圍內按可作為選擇的柴油燃燒方法運轉，電驅動機構被接入。
文檔編號B60W20/00GK1757555SQ200510119930
公開日2006年4月12日 申請日期2005年9月2日 優先權日2004年9月2日
發明者R·伊靈格, W·克里格勒, M·威斯貝克, P·伊貝納 申請人:Avl里斯脫有限公司