CN101148145A - 具有双发动机的汽车动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双发动机的汽车动力系统，包括由主发动机、主离合器、主变速器、差速器和车轮依次相连构成的主动力系统，还包括一个由辅助发动机和辅助变速器相连构成的辅助动力系统，所述辅助动力系统的输出轴通过齿轮组与主发动机的输出轴相连接。本发明能够有效地节省燃油，降低排放和研发成本。本发明同时公开了这种双发动机动力系统的控制方法。

Description

具有双发动机的汽车动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种汽车动力系统，具体涉及一种具有两个发动机的汽车动力系统，同时涉及这种动力系统的控制方法。

背景技术

能源与环境已经成为影响汽车产业发展未来发展的两大决定性因素。提升发动机效率和发展新能源汽车既是解决能源制约的重要途径，也是提升本国竞争力的制高点。目前在技术上的选择已经形成了多元化的趋势。

由发动机动力特性可知，要使发动机工作时的燃油做功的效率最高，势必要使发动机工作在最大负荷率状态下。然而在车辆上，由于车辆行驶所需要的发动机动力匹配是不确定的；因此使发动机满负荷工作是不现实的。因此，对于车辆而言，要想达到较大的节油效果，包括排放效果；最实际和可行的办法就是设法使车辆上运行的发动机尽可能的工作在较大负荷状态下。也就是说使用小功率发动机，使它的工作负荷状态得以提升。但问题的关键是在发动机的排量下降以后，如何使车辆的动力配置既能满足提高发动机负荷的要求；又能解决因发动机功率的下降所引起的驱动力亏损所带来的车辆在加速时的驱动力不足的动力补偿问题；以及如何化解现实(比如：使用技术的成熟度、开发费用、产品的价格等)条件的制约。混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。在欧美国家及日本已形成产业化。混合动力电动汽车(HybridElectric Vehicle，简称HEV)是将电力驱动与辅助动力(APU)结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生优势的车辆。根据混合动力系统连接方式的不同，混合动力汽车主要可以分为三种结构形式，即串联、并联和混联，它们各有优缺点。

串联式混合动力系统示意图如图1所示。串联结构的特征是以电力形式进行复合，发动机直接驱动发电机对储能装置和牵引电机供电，电动机用来驱动车轮，储能装置起着发动机输出和电动机需求之间的调节作用。其优点是发动机的运行独立于车速和道路条件，适用于车辆频繁起步、加速和低速运行。发动机在最佳工况点附近运转，避免了怠速和低速工况，从而提高了效率，提高了排放性能。但在机械能与电能的转化过程中有效率损失，很难达到明显降低油耗的目的，目前主要用于城市大客车，在轿车中很少见。

并联式混合动力系统示意图如图2所示。并联结构的特征是以机械形式进行复合，发动机通过变速并联混合动力系统示意图装置和驱动桥直接相连，电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。但是由于发动机和驱动桥机械连接，在城市工况时，发动机并不能运行在最佳工况点，车辆的燃油经济性比串联时要差。

混联式结合了串联和并联的优点。以丰田Prius为例，如图3所示，Prius采用行星齿轮机构作为动力分配装置，发动机与行星架相连，发动机的一部分功率通过发电机转换为电能对电机供电或对储能装置进行充电；另一部分机械能直接作用于齿圈上，同时电机与齿圈相连，提供部分功率和转矩。但是它的缺点是结构比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种新的汽车动力系统，可以更有效地节约燃料和降低排放，并且成本较低。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有双发动机的汽车动力系统，包括由主发动机、主离合器、主变速器、差速器和车轮依次相连构成的主动力系统，还包括一个由辅助发动机和辅助变速器相连构成的辅助动力系统，所述辅助动力系统的输出轴通过齿轮组与主发动机的输出轴相连接。

优选地，所述主发动机为汽油发动机，所述辅助发动机为乙醇发动机。

优选地，所述辅助变速器为两档行星齿轮变速器。

本发明的工作原理与油电混合动力系统相似，但与油电混合动力相比，双发动机组合不会增加自重太多，从而增加了有效负荷量；并且可以用功率组合的方法以最大限度地提升发动机的负荷带来实现节油。同时本发明是基于现有的成熟发动机技术，可以节约开发成本和使用成本。

本发明另外要解决的技术问题是提供了这种双发动机动力系统的控制方法。

当车辆启动时，主离合器处于非结合状态，主发动机首先启动进入怠速工作状态；两档行星齿轮变速器也处于空挡状态，辅助发动机暂不工作。

当车辆起步切入档位时，两档行星齿轮变速器结合，主发动机通过齿轮组带动辅助发动机启动工作状态；并同时提供起步动力。

车辆加速时，根据不同的负荷状态来控制两档行星齿轮变速器的结合状态，使辅助发动机与主发动机进行动力匹配输出。在低负荷加速状态，两档行星齿轮变速器处于空档，由主发动机工作来提供动力输出；在中负荷加速状态，两档行星齿轮变速器中的离合器结合，辅助发动机以直接传动的方式与主发动机一起提供动力输出；在高负荷加速状态，两档行星齿轮变速器中的离合器分离，齿圈制动器结合，辅助发动机以减速增扭的方式与主发动机一起提供动力输出。

在车辆巡航工作状态下，辅助发动机进入怠速工作状态，只有主发动机提供动力。

在车辆停下来时，根据车度、档位和延时时间来判断是否让辅助发动机停机。一般在车辆空档怠速停车5秒后，辅助发动机停止工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是现有串联式混合动力系统的示意图。

图2是现有并联式混合动力系统的示意图。

图3是现有混联式混合动力系统的示意图。

图4是本发明双发动机汽车动力系统的示意图。

图5是本发明双发动机汽车动力系统的控制原理图。

图中：1-主发动机、2-辅助发动机、3-主离合器、4-辅助变速器、5-齿轮组、6-主变速器、7-差速器、8-车轮

具体实施方式

如图4所示，本发明的双发动机汽车动力系统，包括一个与传统汽车相同的由主发动机1、主离合器3、主变速器6、差速器7和车轮8依次相连所构成的主动力系统，另外还包括一个与主发动机1并联的辅助发动机2，辅助发动机2的输出轴与一个辅助变速器4相连接，该辅助变速器可采用两档行星齿轮变速器，两档行星齿轮变速器4的输出轴再通过一个齿轮组5与主发动机1的输出轴相连接。为了优化能源结构，采用主发动机1为汽油发动机，辅助发动机2为乙醇发动机的配置方式。

当分离两档行星齿轮变速器4中的离合器和齿圈制动器时，两档行星齿轮变速器4处于空档状态，辅助发动机2无动力与主动力系统相连，主发动机1的动力可以通过主离合器3、主变速器6和差速器7传递给车轮8，这是传统方式的动力传递路线。当两档行星齿轮变速器4中的离合器结合时，辅助发动机2与主发动机1构成了并联连接，辅助发动机2可以1∶1的传动比方式输出动力。当分离两档行星齿轮变速器4中的离合器、结合齿圈制动器时，辅助发动机2可以大于1的减速传动方式输出动力。

下面对本发明双发动机汽车动力系统的控制方法进行说明。

如图5所示为发动机控制单元(ECU)闭循环控制简化图。主要参与闭循环控制的输入信号有：电子油门、发动机转速、车速、档位等。输出驱动信号主要有：发动机1和2的点火、喷油脉冲、节气门驱动信号、两档行星变速器驱动信号等。

1、启动工作过程

启动时，首先主发动机1进入怠速工作状态，辅助发动机2暂不工作；但共用的冷却系统可以使辅助发动机2得到预热。此时，由于主离合器3处于非结合状态，无动力输出；两档档行星齿轮变速器4也处于空挡状态。

2、起步工作过程

在起步档位切入时，由离合器位置传感器，档位传感器，电子油门传感发出传感信号给发动机控制单元，由控制单元判断，形成启动辅助发动机2的启动控制信号和相关控制信号，让两档行星齿轮变速器4中的离合器结合；这样主发动机1的动力可以通过齿轮组5，带动辅助发动机2启动转动，使辅助发动机2启动工作；并同时能提供起步动力。

3、加速工作过程

车辆进入加速工作(包括起步)时，首先由电子油门提供传感信号，ECU经过运算输出使主辅发动机动力在不同的负荷状态下进行动力匹配输出。比如：(1)在缓加速状态(特别是车辆在低速行驶状态时，此时主发动机仍有富余动力)可以由主发动机工作来提供动力输出完成低负荷加速；(2)在中负荷加速状态，此时只用主发动机加速已经不能满足动力输出要求；因此在主发动机以较大负荷工作的同时，辅助发动机也以直接传动的方式提供动力，使车辆满足中负荷加速的要求。(3)在高负荷加速(即急加速时)，要求较大的动力输出；此时两档行星齿轮变速器4中的离合器分离，齿圈制动器结合，辅助发动机2以减速增扭的的方式进行动力输出来满足急加速的要求。

4、巡航工作过程

在车辆加速过程中，动力的不足是由辅助发动机的动力来补充实现的。在加速完成后，辅助发动机的动力补偿也结束了(辅助发动机进入怠速工作状态，以备下一次加速的到来)。而车辆的巡航工作状态的动力只依靠主发动机来承担。

5、停车过程

在车辆停下来时，ECU可以通过速度传感器，电子油门传感器，档位传感器，加上延时时间来判断是否让辅助发动机停机。一般来说，在车辆怠速停车5秒后，辅助发动机停止工作。这样可以减少油耗和气体排放量。

本发明的工作原理与油电混合动力相像，但对比油电混合动力具有以下优势：

(1)更具节约燃油的潜力-因为混合动力的电力驱动要显现出应有的节能效果，需要较大的电池容量来支撑电力驱动；因此电池组会大大增加车辆的自重，使油耗增加。而双发动机组合不会增加自重太多，增加了有效负荷量；同时双发机组合系统可以用功率组合的方法以最大限度地提升发动机的负荷带来节油。由于发动机的排量的减小，使得总排放的物质减少，同时发动的工作负荷的提高对于排放生成物的质量也有提高作用。如果使用汽油和乙醇双发动机系统，对于排放的提高尤其有利，这是因为乙醇发动机的排放物中硫和磷化合物的排放几乎为零；同时二氧化碳的排放较同样排量的汽油发动机下降了80％。因此，本发明也更加环保。

(2)更具价格上的优势-因为油电混合动力涉及到动力电池组、电源变换器、电机和控制单元等；因此这些必须的器件使成本大幅度提高，其价格较同类传统车型提高超过一倍以上，使推广运用成为了困难。而本发明双发动机组合只是将大排量发动机，变成为两个小排量发动机，存在着许多公用部件，因此开发费用和使用成本不会太高，在价格上变化不会很大。

(3)不存在工作盲区-因为油电混合动力在需上长坡和长时间进行急加速情况下，电池组的电能会消耗殆尽；因此不可避免出现只有发动机提供动力的情况，此时将会呈现出动力不足的现象，即动力盲区。而双发动机组合工作方式，动力随时可以提供，因此不会出现这样的动力盲区。

(4)技术上有保证-因为油电混合动力用到了动力电池组、电源变换器、交流变频电机和各种控制单元等；因此车辆系统变得较为复杂，自然事故率和维护费用将会大大提升；而双机组合工作方式，仍是发动机技术的延伸，因此事故率和维护费用不会因此有太大变化。

(5)在乙醇燃料的运用上更具选择性-因为油电混合动力，只使用了汽油燃料。而如果直接选择乙醇燃料作为动力，在输出功率有较大的损失，同时技术上也存在亟需解决的问题，尤其存在由乙醇理化特性决定的冷启动性能差的问题。而在本发明中，如果选择汽油和乙醇双发动机系统，并以乙醇发动机作为辅助发动机；这样一方面可以克服输出功率上的不足，也使乙醇发动机的冷启动问题迎刃而解；另一方面可以优化能源结构，实际汽油燃料的用量所占的比重应在30％左右(视工况而定)。这对环保和可再生资源的充分使用意义重大。

Claims (10)

1.一种具有双发动机的汽车动力系统，包括由主发动机(1)、主离合器(3)、主变速器(6)、差速器(7)和车轮(8)依次相连构成的主动力系统，其特征是：还包括一个由辅助发动机(2)和辅助变速器(4)相连构成的辅助动力系统，所述辅助动力系统的输出轴通过齿轮组(5)与主发动机(1)的输出轴相连接。

2.根据权利要求1所述的具有双发动机的汽车动力系统，其特征是：所述主发动机(1)为汽油发动机，所述辅助发动机(2)为乙醇发动机。

3.根据权利要求1所述的具有双发动机的汽车动力系统，其特征是：所述辅助变速器(4)为两档行星齿轮变速器。

4.一种双发动机汽车动力系统的控制方法，所述动力系统中主发动机通过主离合器与主变速器相连接，辅助发动机通过一个两档行星齿轮变速器、齿轮组与主发动机相并联，其特征是：车辆启动时，主离合器处于非结合状态，主发动机首先启动进入怠速工作状态；两档行星齿轮变速器也处于空挡状态，辅助发动机暂不工作。

5.一种双发动机汽车动力系统的控制方法，所述动力系统中主发动机通过主离合器与主变速器相连接，辅助发动机通过一个两档行星齿轮变速器、齿轮组与主发动机相并联，其特征是：车辆起步切入档位时，两档行星齿轮变速器结合，主发动机通过齿轮组带动辅助发动机启动。

6.一种双发动机汽车动力系统的控制方法，所述动力系统中主发动机通过主离合器与主变速器相连接，辅助发动机通过一个两档行星齿轮变速器、齿轮组与主发动机相并联，其特征是：车辆加速时，根据不同的负荷状态来控制两档行星齿轮变速器的结合状态，使辅助发动机与主发动机进行动力匹配输出。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征是：在低负荷加速状态，两档行星齿轮变速器处于空档，由主发动机工作来提供动力输出；在中负荷加速状态，两档行星齿轮变速器中的离合器结合，辅助发动机以直接传动的方式与主发动机一起提供动力输出；在高负荷加速状态，两档行星齿轮变速器中的离合器分离，齿圈制动器结合，辅助发动机以减速增扭的方式与主发动机一起提供动力输出。

8.一种双发动机汽车动力系统的控制方法，所述动力系统中主发动机通过主离合器与主变速器相连接，辅助发动机通过一个两档行星齿轮变速器、齿轮组与主发动机相并联，其特征是：在车辆巡航工作状态下，辅助发动机进入怠速工作状态，只有主发动机提供动力。

9.一种双发动机汽车动力系统的控制方法，所述动力系统中主发动机通过主离合器与主变速器相连接，辅助发动机通过一个两档行星齿轮变速器、齿轮组与主发动机相并联，其特征是：在车辆停下来时，根据车度、档位和延时时间来判断是否让辅助发动机停机。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征是：在车辆怠速停车5秒后，辅助发动机停止工作。

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