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CN103620198A - 混合动力驱动系、混合动力车辆、运行方法 - Google Patents

混合动力驱动系、混合动力车辆、运行方法 Download PDF

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CN103620198A CN201180071681.5A CN201180071681A CN103620198A CN 103620198 A CN103620198 A CN 103620198A CN 201180071681 A CN201180071681 A CN 201180071681A CN 103620198 A CN103620198 A CN 103620198A
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Abstract

本发明涉及一种用来运行混合动力驱动系（3）的方法，该混合动力驱动系至少具有电机（5）和内燃机（4）；内燃机（4）在转速和/或负载处于较小和中等区域（9）内时借助贫NOx的运行方法来运行，其中在点火时刻在内燃机（4）的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ>1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者燃料-废气-空气混合物，并且通过外源点火引发的火焰前锋燃烧转化到空间点火燃烧；并且内燃机（4）在转速和/或负载处于较大的区域（13）内时借助外源点火运行方法来运行，其中在点火时刻在内燃机（4）的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ=1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者燃料-废气-空气混合物，并且通过外源点火引发的火焰前锋燃烧转化不会转化到空间点火燃烧。

Description

混合动力驱动系、混合动力车辆、运行方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力驱动系。本发明还涉及一种具有这种混合动力驱动系的混合动力车辆。最后，本发明还涉及一种运行这种混合动力驱动系的方法。
背景技术
混合动力驱动系包含至少一个内燃机和至少一个电机。内燃机和电机两者都用来产生驱动系的驱动功率，该驱动功率在车辆中用来产生牵引力。
由DE 10 2007 016 551 A1已知一种混合动力驱动系，它的内燃机能够以自点火运行方法运行。已知的混合动力驱动系这样运行，即在转速或者负载较低时驱动功率只通过电机提供，而内燃机是关闭的。
由DE 11 2007 000 515 T5已知一种用来控制混合动力驱动系的方法，在该方法中首先录入至少一组路线输入数据，该组路线输入数据包含混合动力车辆的优选路线的起点和终点。紧接着，在该至少一组路线输入数据的基础上确定抵达终点的最佳的节省燃料的路线。随后，为达到该最佳的节省燃料的路线选择一种驱动系控制策略，其中该驱动系控制策略包含确定内燃机和电机应该何时运行以及电池应该何时充电。最后，实施该驱动系控制策略。
在内燃机中划分有不同的燃烧运行方法。通常已知的是外源点火运行方法，它借助火焰前锋燃烧来工作。外源点火运行方法在汽油发动机中是常见的。在点火时刻，借助点火装置引发火焰前锋燃烧。火焰前锋以点火位置为出发点在空间上在各燃烧室中扩散。与此不同的是，自点火运行方法原则上无需点火装置。它的特征通常在于空间点火燃烧（Raumzündverbrennung），其中在燃烧室中在许多分布在空间中的位置上同时开始燃烧反应。自点火运行方法对于柴油发动机来说是典型的。
柴油发动机通常混合气稀薄地（mager）运行，而在汽油发动机中一般以理论配比形成混合气。但也已知用于汽油发动机的现代外源点火运行方法，其中同样以外源方式点燃稀薄的混合气。例如能够借助分层充气并且结合直接喷射点燃稀薄的混合气。
现代汽油发动机在某些情况下同样能够以自点火运行方法运行。汽油发动机中问题是，该自点火运行方法只有在相对较小的转速和/或负载时才能可靠地发挥功能。在负载和/或转速较高时，自点火运行方法是不稳定的，会有明显的爆震趋势。
为了稳定自点火运行方法，在汽油发动机中原则上可能的是，借助外源点火来引发空间点火燃烧，从而能够实现期望的点火时刻。通过边界条件（如温度和压力）的预先确定，能够借助外源点火达到可靠的自点火所需的条件，因此通过外源点火能够直接引发空间点火燃烧。
该空间点火燃烧与火焰前锋燃烧相比具有更好的能效。
发明内容
本发明致力于解决该问题，为混合动力驱动系或为混合动力车辆或为相关的运行方法提出一种更好的或至少另一种实施形式，其特征尤其在于能效高。
按本发明，所述问题通过独立权利要求的内容得以实现。有利的实施形式是从属权利要求的内容。
本发明是以通用的理念为基础的，即混合动力驱动系的内燃机在转速和/或负载处于较小和中等区域内时借助贫NOx的运行方法（它是以空间点火燃烧为基础的）来运行，并在负载处于较高区域内时以外源点火运行方法（它是以火焰前锋燃烧为基础的）来运行。该贫NOx的运行方法的特征在于，在点火时刻借助点火装置以外源方式点燃了均质的、稀薄的、由空气和燃料以及可能的再循环的废气组成的混合物，以便引发火焰前锋燃烧，该火焰前锋燃烧继而引发空间点火燃烧。因此在所述贫NOx的运行方法中，两次触发空间点火燃烧，即首先是通过外源点火借助点火装置，由此引发火焰前锋燃烧。另一方面，通过火焰前锋燃烧实现另一触发，它引发了空间点火燃烧。为了能通过外源点火激活火焰前锋燃烧（其继而激活空间点火燃烧），必须在各燃烧室中创造为此所需的边界条件如温度和压力，这在现代内燃机中能够通过适当的措施来实现。
内燃机的贫NOx的运行的特征在于，在有害物质排放较低时（即在NOx排放较低时）达到了相对较高的能效。当然，在贫NOx的运行中也限制了内燃机的功率输出。为了更高的功率而转换到外源点火运行中，其中在各自点火时刻以外源方式点燃了均质的、理论配比的由空气和燃料以及可能的再循环的废气组成的混合物，以便引发火焰前锋燃烧，它与贫NOx的运行方法不同的是：不会转入到空间点火燃烧中。为此，在各燃烧室中借助适当的措施创造出对此所需的边界条件（如压力和/或温度）。该外源点火运行方法的特征在于高的功率输出。然而必须为此容忍效率和有害物质排放方面的变差。
适宜地，混合动力驱动系的运行在很大程度上是在贫NOx的运行方法中进行，其中能够通过各电机实现功率支持。
尤其有利的实施形式是，减小压缩比，以便从贫NOx的运行方法转换到外源点火运行方法。在构成为活塞式引擎的内燃机中，将压缩比理解为压缩之前的整个燃烧室与压缩之后留下的空间之间的比例。因此，该压缩比算作为压缩容积（压缩之后留下的空间）除以行程容积（压缩之前的容积和压缩之后的容积之间的差）和压缩容积（压缩之后的容积）之和所得的商。
在压缩比较高时，在空间点火燃烧的基础上可实现高能效的贫NOx的运行方法。但是，该贫NOx的运行方法正是由于较高的压缩比而被限制在较小的功率，因为功率较高时会出现不稳定（如爆震）。相反如果降低该压缩比，则进入常见的外源点火的火焰前锋燃烧的区域内，其即使在高负载时也是稳定的，但具有降低的效率。内燃机（在此可调节压缩比）能够配备相应的、用来改变压缩比的装置。例如活塞行程是可改变的。
在另一有利的实施形式中可规定，为了从贫NOx的运行方法变换成外源点火运行方法，而在幅度和/或开启持续时间方面扩大换气阀的行程。为了能在各燃烧室中为贫NOx的运行方法或外源点火运行方法创造合适的边界条件，可能必要的是，对换气阀进行不同的操纵，尤其在幅度和/或开启持续时间方面改变行程。例如以换气阀的行程（其对于外源点火运行是合适的）为出发点，可能必须在幅度和/或开启持续时间方面缩小行程，以便创造适用于贫NOx的运行的边界条件。
在换气阀的行程可变的内燃机中，可例如配备一装置，用来在幅度和/或开启持续时间方面调节换气阀的行程。
按照尤其有利的实施形式可以规定，内燃机在转速和/或负载处于较小和中等区域内时准静态地运行。在较小和中等的转速和/或负载变化时内燃机的该静态或准静态的运行的特征在于，尽管转速和/或负载是变化的，但内燃机的各运行点不会变化或只会相对轻微地变化，因此内燃机在所述的运行点中准静态地运行。尤其在内燃机的该准静态的运行时，转速和/或负载只有在相对小的局部区域可以调节。在此表述“小”包括，转速或负载的各自区域的最大带宽的最多20%（优选最多10%）的改变。以这种方式，能够在具有较小和中等转速和/或负载的区域内总是在燃料优化的运行状态下运行该内燃机，从而使内燃机具有特别高的能效。
如果所需的目标负载超过在静态运行时由内燃机提供的实际负载，则目标与实际之差通过该至少一个电机提供。各电机在此由混合动力驱动系的蓄电池供电。
相反，如果所需的目标负载低于在静态运行时由内燃机提供的实际负载，则目标与实际之差通过该至少一个电机降低，该电机在这种情况下作为发电机运行。因此，例如可给前述的电池充电。
此外还可能出现，所需的目标负载超过了静态运行时内燃机的实际负载，此外目标与实际之差还超过了该至少一个电机的最大功率。在这种情况下，由贫NOx的运行方法的静态运行转换到外源点火运行方法，然后能够以外源点火运行方法动态地运行该内燃机。由于内燃机在外源点火运行方法中的动态运行，内燃机能够迅速地适应于变化的转速和负载。并且在该高负载和转速下，也能通过各电机实现功率支持。
按本发明的混合动力驱动系包含内燃机和至少一个电机以及电池。此外，混合动力驱动系还包含控制器，该控制器这样构成和/或编程，即它能够实施上述运行方法。
按本发明的混合动力车辆优选指道路车辆，并包含底盘，尤其是车体或者说车身，其中设置有上述类型的混合动力驱动系。
本发明的其它重要特征和优点由从属权利要求、附图和借助附图的相关的附图描述中得出。
应理解，以上所述的以及下面还将阐述的特征不仅能够应用在各自提到的组合中，而且还能在其它组合中或者单独地应用，而不会离开本发明的范围。
附图说明
本发明的优选实施例在附图中示出，并在以下的描述中进行详细阐述，其中相同的参考标记表示相同或类似的或功能相同的构件。
分别示意性地示出了：
图1在明显简化的、电路图状的原理图中示出了具有混合动力驱动系的混合动力车辆，
图2在负载-转速图表中展示了用于混合动力驱动系的运行方法。
具体实施方式
根据图1，优选为道路车辆的混合动力车辆1包含底盘2以及混合动力驱动系3。显然，在车辆1为道路车辆的情况下，底盘2还配备有车轮等。
混合动力驱动系3包含至少一个内燃机4和至少一个电机5以及至少一个电池6，该电池以适当的方式与该至少一个电机5相连。图1示例性示出的内燃机4和电机5的串联布置也可以由并联布置或其它任意形式的布置来替代。各电机5尤其还能设计成轮毂电机，它能够直接设置在车辆1的驱动轮上。
此外，混合动力驱动系3还包含控制器7，它根据输入的信号来控制内燃机4和电机5。在此，该控制器7能够适宜地这样配置，即它能够实施下面结合图2所示的图表阐述的运行方法。
图2所示的图表在横坐标上示出了转速，并在纵坐标上示出了负载，它们能够借助内燃机4实现。在此，曲线8表示能够借助贫NOx的运行方法实现的转矩曲线。由此可达到的负载位于曲线8的下方。在图2中借助9表示与贫NOx的运行方法相关的区域。借助虚线标出了曲线10，它描述了可在贫NOx的运行方法的区域9中实现的功率。
在转矩曲线8的上方，由虚线与之平行地示出了平行的转矩曲线11，它描述了临界区域并且基本上与爆震界限相关。
此外，图2示出了曲线12，它描述了内燃机4在外源点火运行方法中的转矩曲线。该外源点火运行方法在此位于该转矩曲线12的下方，并且位于贫NOx的运行方法的转矩曲线8的上方。在图2中用13标出了所属的区域。该具有外源点火运行方法的区域13还配备有功率曲线14，它反映了内燃机4在外源点火运行方法中可达到的功率。可看到，这两个运行方法（即一是区域9的贫NOx的运行方法，二是区域13的外源点火运行方法）的不同之处一方面在于明显不同的转矩曲线8、11或12，另一方面在于不同的功率曲线10或14。
箭头15表示压缩比在各燃烧室中的降低，以便从贫NOx的运行方法的区域9抵达外源点火运行方法的区域13。箭头16表示从贫NOx运行方法至外源点火运行方法的变换。箭头17表示从外源点火运行方法至贫NOx的运行方法的变换。
如果所需的功率或所需的负载处于转速和/或负载较小和中等的区域9中，则内燃机4借助贫NOx的运行方法来运行。在这种情况下，在预先设定的点火时刻在内燃机4的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ>1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者均质的燃料-废气-空气混合物，并由该外源点火引发火焰前锋燃烧，该火焰前锋燃烧进一步引发空间点火燃烧或转化到空间点火燃烧。
但如果需要更大的转速和/或负载或者说功率（它们位于区域13中），则内燃机4在外源点火运行方法中运行，其中在预先设定的点火时刻在内燃机4的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ=1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者均质的燃料-废气-空气混合物，其中通过外源点火引发了火焰前锋燃烧，该火焰前锋燃烧不会转化到空间点火燃烧。
因此在贫NOx的运行方法或者说贫NOx的燃烧（NAV）时，主要存在以空间点火燃烧为基础的燃烧。与此不同的是，在外源点火运行方法中，存在以火焰前锋燃烧为基础的燃烧。
现在为了按箭头16将贫NOx的运行方法转化为外源点火运行方法，控制器7可按箭头15减小压缩比。同时，该控制器7可在幅度和/或开启持续时间方面扩大换气阀的行程。从而创造出实现外源点火运行方法所需的边界条件。
如果应该反过来按箭头17将外源点火运行方法转化为贫NOx的运行方法，则相应地提高压缩比，并且相应地在幅度和/或开启持续时间方面缩小换气阀的行程，以便为贫NOx的运行方法创造边界条件。
在转速或负载较小和/或中等的区域9中，内燃机4准静态地运行。因此在该区域9内，内燃机4在转速和/或负载方面的变化只在相对较小的局部区域的范围内进行。在此，以最佳燃耗在该区域9中实现内燃机4的准静态运行。
如果在贫NOx的运行方法期间所需的目标负载超过了当前由内燃机4在所述的静态运行时实现的实际负载，则目标与实际之差通过该至少一个电机5提供或平衡。在此，各电机5由电池6供电。
相反，如果在贫NOx的运行方法期间所需的目标负载超过了在静态运行时内燃机4的实际负载，则目标与实际之差通过作为发电机运行的电机5降低。在此，这样获得的电力用来给电池6充电。
尤其如果所需的目标负载超过了在静态运行时内燃机的实际负载，并且如果目标与实际之差还超过了该至少一个电机5的最大功率，则从贫NOx的运行方法转化为外源点火运行方法。在实施外源点火运行方法的区域13中，内燃机4动态地运行，这样就可以在大的负载变化和转矩变化范围内继续运行该内燃机。

Claims (9)

1.一种用来运行混合动力驱动系（3）的方法，该混合动力驱动系具有至少一个电机（5）和至少一个内燃机（4），
-其中内燃机（4）在转速和/或负载处于较小和中等区域（9）内时借助贫NOx的运行方法来运行，其中在点火时刻在内燃机（4）的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ>1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者燃料-废气-空气混合物，并且其中通过外源点火引发的火焰前锋燃烧转化到空间点火燃烧；
-其中内燃机（4）在转速和/或负载处于较大的区域（13）内时借助外源点火运行方法来运行，其中在点火时刻在内燃机（4）的各燃烧室中借助点火装置以外源方式点燃具有λ=1的空燃比的均质的燃料-空气混合物或者燃料-废气-空气混合物，并且其中通过外源点火引发的火焰前锋燃烧不会转化到空间点火燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了从贫NOx的运行方法转化到外源点火运行方法，而降低压缩比。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了从贫NOx的运行方法转化到外源点火运行方法，而在幅度和/或开启持续时间方面扩大换气阀的行程。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，内燃机（4）在转速和/或负载处于较小和中等区域（9）内时准静态地运行，因此尤其在转速和/或负载处于较小和中等区域（9）内时对于内燃机（4）来说转速和/或负载仅在相对小的局部区域可被调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果所需的目标负载超过在静态运行时内燃机（4）的实际负载，则目标与实际之差由所述至少一个电机（5）提供。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，如果所需的目标负载低于在静态运行时内燃机（4）的实际负载，则目标与实际之差通过作为发电机运行的所述至少一个电机（5）降低。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，如果所需的目标负载超过了在静态运行时内燃机（4）的实际负载，并且如果目标与实际之差超过了所述至少一个电机（5）的最大功率，则从贫NOx的运行方法转化为外源点火运行方法，其中在外源点火运行方法中尤其动态地运行内燃机（4）。
8.一种混合动力驱动系，尤其是车辆（1）的混合动力驱动系，
-具有至少一个内燃机（4），
-具有至少一个电机（5），
-具有控制器（7），用来根据按权利要求1至7中任一项所述的方法来运行混合动力驱动系（3）。
9.一种混合动力车辆，尤其是道路车辆，
-具有底盘（2），
-具有按权利要求8所述的混合动力驱动系（3）。
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