CN1757555A - 运转混合动力车辆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运转具有传动系的混合动力车辆的方法，所述车辆包括由柴油燃料驱动的内燃机和至少一个电驱动机构。为了降低氮氧化物和排气微粒排放，设置内燃机在车辆的至少一个运转范围内按可作为选择的柴油燃烧方法运转，电驱动机构被接入。

Description

运转混合动力车辆的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运转具有传动系的混合动力车辆的方法，所述车辆包括由柴油燃料驱动的内燃机和至少一个电驱动机构，以及一种用于执行该方法的混合动力车辆。
背景技术
包括柴油发动机和至少一个电驱动机构的混合动力车辆在JP2003-065099A或者EP 1007 383 B1中已公知。为了确保内燃机在尽可能最低的排放和尽可能最简单的手段下运转，EP 1007 383 B1中提出了例如由混合驱动控制单元确定在各个预定的时间段中驱动力矩在时间上的平均值，内燃机的功率输出和三相机构以如下方式控制：内燃机响应于确定的在时间上的平均值输出驱动力矩，三相机构输出当前要求的驱动力矩和内燃机输送的驱动力矩之间的差值。
更加严格的法律体制条件要求在燃烧方法的设计中必须反复采取新的方法，以便降低柴油发动机的排气微粒排放和NOx排放。
已知通过提前喷射时间而增加点火延迟，因而降低排气中的NOx和排气微粒排放，以通过稀燃料-空气混合物的自动点燃发生燃烧。此处已知的变体是HCLI(Homogeneous Charge Late Iniection均匀充气延迟喷射)方法。如果执行这种混合物燃烧，则燃料喷射因而充分晚地发生在压缩阶段的上止点前，因而导致大致均匀的燃料-空气混合物。排气的再循环确保燃烧温度保持低于NOx形成所要求的最低温度。但是，因为燃料和空气的均匀化是依赖时间的，所以这种方法的实现受到限制，其依赖于速度和负荷，而在未充分均匀化的情况下微粒的排放增加。
美国专利US 6,338,245 B1描述了根据HCLI方法运转的柴油发动机，其中燃烧温度和点火延迟以如下方法设置：在较低和中等部分负荷范围内燃烧温度位于NOx形成温度之下，空气率位于与排气微粒形成有关的值之上。通过改变排气再循环控制燃烧温度，通过改变燃料喷射时间控制点火延迟。燃烧温度在中等和高负荷下降低到如此程度以致避免形成NOx和排气微粒。缺点在于特别在中等部分负荷范围内出现较低的空气率和较低的燃烧温度，因而不得不接受较低的效率。
美国专利US 6,158,413 A公开一种直接喷射柴油发动机，其中燃料喷射不在压缩的上止点前设置，通过排气再循环降低燃烧室中的氧气浓度。这种运转方法此处也已知为HPLI(Highly Premixed Late Injection高度预混延迟喷射)方法。因为上止点后温度水平的下降(与常规的上止点前喷射相反)，以及与常规运转方法相比再循环排气量的增加，所以点火延迟比所谓的扩散燃烧中的点火延迟更长。由排气再循环率控制的较低温度水平确保燃烧温度维持在与NOx形成相关的值之下。实现有利的混合物形成，因为较晚的喷射时间导致较大的点火延迟，其导致混合物的燃烧中局部缺氧的明显减少，因而导致微粒形成的减少。燃烧进程的延迟偏移导致最高温度的降低，但是同时也导致在指定较晚的曲轴转角处的平均温度的增加，这因而增加排气微粒燃烧。燃烧移动到膨胀循环进一步导致气缸中未超过可允许水平的压力增加率，以及较高的排气再循环率，尽管因较长的点火延迟产生较大的预混燃料数量，以及因而较高的最大燃烧率。在较低的部分负荷范围内降低效率是不利的。
从奥地利实用新型申请GM 702/2002中已知在分配到第一较低部分负荷的第一运转范围内以HCLI模式运转柴油发动机，在分配到第二中等负荷的第二运转范围内以HPLI模式运转柴油发动机。尤其在较低和中等部分负荷范围内实现最小的氮氧化物和排气微粒排放，以及较高的效率。但是在满负荷下执行常规的柴油燃烧，尽管与在可作为选择的燃烧方法下相比出现较高的NOx和排气微粒排放。
发明内容
本发明的目的是避免以上缺点，降低混合动力车辆的排放和燃料消耗。
根据本发明该目的以如下方式实现：内燃机在车辆的至少一个负荷范围内按可作为选择的柴油燃烧方法运转，电驱动机构被接入。
在该过程中设置有：内燃机在至少一个运转范围内在可作为选择的燃烧下以HCLI模式运转，所述HCLI模式具有大致均匀的混合物燃烧和较晚的燃料喷射(与具有均匀燃烧的其它方法比较，例如HCCI方法(Homogeneous ChargeCompression Ignition均匀充气压缩点火))，燃料喷射开始于压缩阶段的上止点前在大约50°至5°曲轴转角之间的范围内。进一步设置有：内燃机在至少一个运转范围内在可作为选择的燃烧下以HPLI模式运转，所述HPLI模式具有低温混合物燃烧和甚至比HCLI模式中还晚的喷射，燃料喷射开始于在上止点前2°曲轴转角和压缩阶段的上止点后大约20°曲轴转角之间的范围内。与常规柴油燃烧相比，燃料喷射发生的相对较早。
优选地，内燃机在低部分负荷时以HCLI模式运转，在中等部分负荷时以HLPI模式运转。
为了在HCLI模式之上的负荷范围内降低排放和燃料消耗，这是特别有利的：所述电驱动机构在至少一个负载范围内被接入，所述负载范围位于HCLI模式的负载范围之上和/或HPLI模式的负载范围之上。因而实现在较高的部分负荷范围内内燃机在可作为选择的燃烧下运转，因而实现尽可能最低的燃料消耗和排放。尤其可能的是果断地降低NOx排放和排气微粒排放，例如，在NEDC行驶循环中(New European Drive Cycle欧洲新行驶循环)。
在本发明的进一步实施例中设置有：电驱动机构在至少一个瞬态运转范围内被接入，同时一旦内燃机达到HCLI模式或者HPLI模式的负载范围内的稳态运转点，和/或一旦内燃机要求的速度变化低于可允许的数值，则所述电驱动机构优选地再次切断。排放峰值和/或噪音峰值可避免在从一个运转模式到另一个运转模式的瞬时变迁中出现。内燃机要求的速度变化(例如负荷变化)通过致动电驱动机构也在运转模式内部(例如HCLI模式)的瞬时运转中降低，因而避免或者降低排放和/或噪音峰值的出现。
更为有利的是：电驱动机构在车辆的较高负荷范围和/或车辆的满负荷范围内接入在可选择的燃烧下运转的内燃机。这允许一方面降低满负荷运转下的排放，以及降低燃料消耗。另一方面，内燃机设置为较小的尺寸，因为电驱动机构提供力矩储备。
在HCLI模式下内燃机的有效中压在0至6bar之间，优选地在0至5.5bar之间。在HLPI运转范围内，有效中压在3.5至8bar之间，优选地在4至7bar之间。
本发明的进一步实施例中设置有：为了布置在内燃机的排气系中的至少一个微粒过滤器的再生，内燃机的负荷通过电驱动机构简单地增加，优选的通过以发动机的方式工作的电驱动机构增加，因此排气温度位于再生要求的范围内。所述驱动机构产生的能量提供给能量储存器。除了加热微粒过滤器之外，同样可设置电加热器，其由电储存器提供能量。
一种具有传动系的混合动力车辆适合于实现该方法，其包括由柴油燃料驱动的内燃机和至少一个电驱动机构，同时内燃机能在可作为选择的燃烧下运转，电驱动机构在车辆的至少一个负载范围内被接入能在可作为选择的燃烧下运转的内燃机。
附图说明
现在参考附图更加详细地解释本发明，其中：
图1示意性表示用于执行根据本发明的方法的混合动力车辆的传动系；
图2表表示柴油发动机的特性曲线族；
图3表表示行驶循环过程中的中压曲线；
图4表表示行驶循环过程中的NOx排放曲线；
图5表表示加速过程中的中压曲线；
图6表表示加速过程中的NOx曲线；
图7示意性表表示混合动力车辆的排气系。
具体实施方式
图1表示混合动力传动系统10的整体结构。传动系11中的混合驱动源是柴油发动机12，所述柴油发动机相对于基准动力被降低，其通过离合器50被连接为以自动化的方式与例如具有6个齿轮的自动变速器14一起被致动。电驱动机构16通过接合和脱离离合器50a、50b与自动变速器14连接，例如接合和脱离同步离合器。电驱动机构16即可作为发电机也可作为电动机工作，在实施例中具有大约10kW的恒定输出功率，以及持续5秒的大约25kW的峰值输出功率。它由功率电子设备20通过12V的电池电压22以及通过42V的双层电容器24触发。电驱动机构16一方面与驱动轴30连接，另一方面与自动变速器的从动轴32通过中间齿轮(未详细表示)连接。从动轴32通向驱动轮34。
图2以速度n对应的中压BMEP表示柴油发动机12的特性曲线族。在HCLI(Homogeneous Charge Late Injection均匀充气延迟喷射)范围内喷射的起点在压缩循环中(与常规的柴油燃烧比较)相对提前，也就是在压缩循环后上止点之前接近大约50°至5°的曲轴转角，因而使较长的点火延迟成为可能，以便形成用于预混燃烧的部分均匀混合物(与HCCI(Homogeneous Charge CompressionIgnition均匀充气压缩点火)方法比较，喷射执行得比较晚)。通过特殊的预混和稀释，可实现极低的排气微粒和NOx排放值。局部空气比率在HCLI范围内明显位于与排气微粒形成有关的阈值之上。在50％至80％之间的高排气再循环率确保局部燃烧温度总是保持低于氮氧化物的最低形成温度。喷射发生在400至1000bar之间的压力。较长的点火延迟确保燃烧阶段偏移到上止点附近的最佳效率位置。燃烧中心位于上止点后-10°至+10°曲轴转角之间的范围内，因此实现高效率。HCLI模式要求的高排气再循环率通过可变气门控制或者仅由外部排气再循环实现，或者由结合外部和内部排气再循环实现。HCLI范围与较低的部分负荷有关，一直到大约4至6bar。
在中压BMEP大约为3.5至8bar之间的中等运转范围内，内燃机12根据HLPI方法(Highly Premixed Late Injection高度预混延迟喷射)运转。喷射阶段的主要部分位于压缩阶段的上止点后。在HPLI模式中，内燃机12在20％至40％之间的排气再循环率下运转。喷射的起点位于上止点前2°曲轴转角一直到上止点后20°曲轴转角之间的范围内。因为完全分开喷射的止点和燃烧的起点，所以实现局部均匀的带有预混燃烧的混合物。点火延迟因温度水平和再循环排气量而更长，所述温度水平与上止点前的常规喷射比较下降，所述再循环排气量与常规运转模式比较增加。其它手段也可用于延长点火延迟，例如降低有效压缩率和/或进气温度，以及增加喷射压力和/或增大喷射嘴喷孔的横截面，以便降低喷射持续时间。要求较短的喷射持续时间，以便确保喷射的止点位于燃烧的起点之前。在这种情况下有可能将排气微粒排放保持在非常低的水平。这可采用如下方式解释：避免了燃料喷嘴中的液态燃料和以常规方式包围所述喷嘴的火焰的同时发生，因此也防止氧化反应靠近喷嘴，使氧化反应在缺少空气的条件下进行，另外还导致排气微粒的形成。喷射时间的晚点结合相对长的点火延迟导致整个燃烧进程的延迟偏移，因此气缸压力进程也以延迟的方式移动，最高温度被降低，导致较低的NOx排放。
燃烧进程的延迟移动导致最高温度的降低，但是同时导致在特定较晚的曲轴转角处温度的升高，这再次促进排气微粒的燃烧。
燃烧移动到膨胀循环导致气缸中未超过可允许数值的压力增加率和高排气再循环率，尽管因较长的点火延迟产生较大的预混燃料量，以及因此较高的最大燃烧率。导致高度恒定容积的较高最大燃烧率能部分补偿由燃烧阶段的延迟移动引起的效率损失。为了实现高效率，燃烧中心应尽可能接近压缩阶段的上止点。
HPLI运转模式的优势在于获得了非常低的NOx和微粒排放，以及实现了较高的排气温度，这有利于微粒过滤器的再生。局部燃烧温度稍微位于较低的NOx形成温度之上。局部空气比率大部分位于排气微粒形成温度之上。尽管在燃烧过程开始时排气微粒在HPLI运转模式中形成，但是排气微粒被因高压喷射产生的强烈涡流和燃烧过程止点处的高温氧化，因而导致整体非常低的排气微粒排放。
在以C标示的运转范围内，内燃机在0％至30％之间的排气再循环率下常规运转，同时多点喷射也是可能的。这允许执行预混和扩散燃烧。外部和内部排气再循环的结合可用于排气再循环。常规的运转范围C从HPLI允许范围一直到达满负荷线V。与HPLI燃烧比较，常规燃烧中获得了相当高的NOx排放，以及相当高的排气微粒排放。从环境污染的观点来看，因而希望在部分负荷的较高范围内也使内燃机以HPLI燃烧的方式运转。
如果1.8L柴油发动机在NEDC行驶循环中的中级车辆(测试重量1350kg)中运转，则超过了可作为选择的HCLI、HPLI燃烧的限制，如图2中的点DC所示。这导致排放的显著增加。
图3和图4示意性以实线表示NEDC行驶循环中柴油发动机的瞬时运转条件下中压BMEP和NOx排放各自的时间曲线。图表表示一旦动态离开可选择的燃烧范围排放就强烈上升。这导致平均排放和整体排放的增加。
当电驱动机构16用于在短的动态阶段中支持柴油发动机12时可避免这种情况。内燃机12保持在可选择的燃烧范围内，例如在HPLI模式下。尽管内燃机12的单位消耗量与常规燃烧相比稍微高，但是在整体平衡中这种策略导致NOx排放降低大约20％，只要再生能量用于支持传动，以及消耗量降低大约14％。图3和4以虚线BMEP′和NOx′表示具有电驱动机构16支持的内燃机12的运转。图3还进一步表示电驱动机构的功率要求Pe。可清楚看到在电动支持的情况下可以避免在两个互相不同的运转范围之间的瞬态变迁中的NOx峰值。
如图5和6中所示，如果驾驶员在较长的基础上要求负荷的增加，则电驱动机构16的力矩在一定的时间段之后被降低，因而实现在可选择的燃烧HCLI、HPLI和常规燃烧C范围之间的平滑变迁。排放和/或燃烧噪音因而也被明显降低，因为NOx排放控制导致的超调量被避免在不同的燃烧范围之间的动态变迁中出现。图5和6中的实线BMEP、NOx再次表示没有电动支持的运转。虚线BMEP″、NOx″表示具有电动支持的柴油发动机的运转。
图7示意性表示具有柴油燃烧发动机12和电驱动机构16的车辆的传动系。在内燃机12的排气系3中微粒过滤器17位于排气涡轮增压器4的下游。一旦由差值压力测量装置8和温度传感器9检测到微粒过滤器17的增加的微粒负荷，则致动微粒过滤器再生。为了增加排气温度，通过电驱动机构16向内燃机12施加额外的负荷，同时电驱动机构16以发动机的方式工作。施加的能量因而能部分再次收回。车辆的能量储存器5、6在再生之前只要允许就被清空，以便在再生过程中给内燃机12加载最大的阻抗力矩，再次充满能量储存器5、6。另外或者作为其替代方案，获得的电能可用于通过电阻加热7加热微粒过滤器17。电子控制单元ECU通过车内控制网络CAN控制和监视再生。
本发明不局限于任何特定的混合传动系统，可有利地在串联和并联混合传动中使用，也可与手动、自动或者半自动变速器连接。

Claims (16)

1、一种用于运转具有传动系的混合动力车辆的方法，所述车辆包括由柴油燃料驱动的内燃机和至少一个电驱动机构，其特征在于，内燃机在车辆的至少一个运转范围内用可选择的柴油燃烧方法运转，以及电驱动机构被接入。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，内燃机在至少一个运转范围内在可选择的燃烧下以HCLI模式运转，所述HCLI模式具有大致均匀的混合物燃烧和较晚的燃料喷射，燃料喷射开始于压缩阶段的上止点前在大约50°至5°曲轴转角之间的范围内。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，内燃机在至少一个运转范围内在可选择的燃烧下以HPLI模式运转，所述HPLI模式具有低温混合物燃烧和甚至比HCLI模式中还晚的喷射，燃料喷射开始于在上止点前2°曲轴转角和压缩阶段的上止点后大约20°曲轴转角之间的范围内。
4、如权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，所述HCLI模式与较低的部分负荷相关。
5、如权利要求1至4中之一所述的方法，其特征在于，所述HPLI模式与中等的部分负荷相关。
6、如权利要求1至5中之一所述的方法，其特征在于，所述电驱动机构在负载范围满足以下条件时被接入：其位于所述HCLI模式的负载范围之上和/或所述HPLI模式的负载范围之上。
7、如权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，所述电驱动机构在至少一个瞬态运转范围内被接入。
8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，一旦内燃机达到所述HCLI模式或者所述HPLI模式的负载范围内的稳态运转点，和/或一旦内燃机要求的速度变化低于可允许的数值，则所述电驱动机构优选地再次切断。
9、如权利要求6至8中之一所述的方法，其特征在于，所述电驱动机构在车辆的较高负荷范围和/或车辆的满负荷范围内接入在可选择的燃烧下运转的内燃机。
10、如权利要求1至9中之一所述的方法，其特征在于，在HCLI模式下内燃机的有效中压在0至6bar之间，优选地在0至5.5bar之间。
11、如权利要求1至10中之一所述的方法，其特征在于，在HPLI模式下内燃机的有效中压在3.5至8bar之间，优选地在4至7bar之间。
12、如权利要求1至11中之一所述的方法，其特征在于，为了布置在内燃机的排气系中的至少一个微粒过滤器的再生，内燃机的负荷优选地通过电驱动机构简单地增加，更为优选的通过以发电机的方式工作的电驱动机构增加。
13、如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述驱动机构产生的能量提供给能量储存器。
14、如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述驱动机构产生的能量用于加热微粒过滤器。
15、一种具有传动系(11)的混合动力车辆，包括以柴油燃料可工作的内燃机(12)和用于执行根据权利要求1至14中之一所述的方法的至少一个电驱动机构(16)，其特征在于，内燃机(12)可在可选择的燃烧下运转，电驱动机构(16)可被接入在车辆的至少一个负荷范围内在可选择的燃烧下运转的内燃机(12)。
16、如权利要求15所述的混合动力车辆，其特征在于，至少一个微粒过滤器(17)布置在内燃机(12)的排气系中，在微粒过滤器(17)的再生过程中，内燃机(12)的负荷可优选地通过电驱动机构简单地增加，更为优选地通过以发电机的方式工作的电驱动机构(16)增加。
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