Способ и система привода для переключения передач транспортного средства - RU2480360C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и к системе привода для переключения передач в транспортном средстве, снабженном механической или автоматизированной механической коробкой передач. Система привода, в состав которого входит коробка передач, содержит двигатель, соединенный с коробкой передач через механизм сцепления. К системе привода подсоединен с возможностью передачи приводного усилия электродвигатель-генератор, расположенный между сцеплением и коробкой передач или между двигателем внутреннего сгорания и сцеплением. Электродвигатель-генератор соединяется с устройством аккумулирования энергии и/или с потребителем энергии.

Уровень техники

Автоматизированные коробки передач для различных транспортных средств хорошо известны специалистам в данной области техники. Такие коробки передач во многом сходны с механическими коробками передач, однако работа сцепления и переключение передач в этом случае автоматизированы.

Как для механической, так и для автоматизированной коробок передач существует проблема, заключающаяся в том, что передача мощности от двигателя на ведущие колеса прерывается на время переключения передачи. Для двигателей с турбонагнетателем кроме проблемы, связанной с прекращением передачи крутящего момента при переключении передачи, также возникает проблема, связанная с тем, что при прерывании передачи мощности падает давление наддува. Падение давления наддува отрицательно сказывается на уровне выбросов вредных веществ и на экономии топлива, и, кроме того, увеличивается интервал времени, в течение которого водитель не может управлять двигателем для подачи на ведущие колеса достаточного крутящего момента.

Решение указанных проблем предлагается в нескольких патентных документах. Например, патент US 6022290 относится к системе передачи мощности, в которой снижается падение крутящего момента, происходящее при переключении передачи. Система содержит набор планетарных шестерен для обеспечения передачи крутящего момента на ведущие колеса при переключении передачи в автоматизированной коробке передач. Система обеспечивает передачу крутящего момента на ведущие колеса при переключении передачи в автоматизированной коробке передач, используя параллельный канал, по которому движущая сила передается на колеса. В патенте US 6022290 также описывается электронное управление дроссельной заслонкой, обеспечивающее снижение мощности двигателя при переключении передач.

Патент US 6135913 получен по заявке, выделенной из заявки, по которой был получен патент US 6022290, и в нем раскрывается аккумулятор энергии, который должен использоваться для передачи на ведущие колеса крутящего момента при переключении передач.

В документе EP 1669638 раскрывается система трансмиссии, содержащая первую и вторую коробки передач. В этой системе для управления второй коробкой передач используется электромагнитный тормоз, обеспечивающий включение второй коробки передач, когда происходит переключение передачи в первой коробке передач.

И, наконец, в заявке US 2002/0065168 описывается коробка передач, соединенная с первым источником энергии (двигатель внутреннего сгорания) и со вторым источником энергии (электрический двигатель). Двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель скомпонованы таким образом, что электродвигатель обеспечивает передачу крутящего момента на ведущие колеса при переключении передач.

Хотя некоторые из вышеупомянутых технических решений, предложенных в указанных патентных документах, могут решать проблему падения давления наддува при переключении передач, однако все эти решения очень сложны, причем они в основном направлены не на проблему падения давления наддува при переключении передач, а на проблему падения крутящего момента.

Одной из целей настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего по меньшей мере предотвращение состояния разгруженного турбонагнетателя при переключении передач в автоматизированной коробке передач.

Раскрытие изобретения

Вышеуказанная задача решается в изобретении с помощью способа, включающего шаги, на которых:

обеспечивают управление электродвигателем-генератором для обеспечения крутящего момента, равного или почти (по существу) равного крутящему моменту, обеспечиваемому двигателем внутреннего сгорания, так чтобы механическая или автоматизированная коробка передач передавала лишь незначительный крутящий момент, или вообще не передавала его;

выключают включенную передачу с первым передаточным числом;

обеспечивают управление крутящим моментом, обеспечиваемым двигателем и электродвигателем-генератором, таким образом, чтобы число оборотов двигателя внутреннего сгорания соответствовало (находилось в определенном соотношении) или почти соответствовало числу оборотов, необходимому для продвижения транспортного средства на новой выбранной передаче со вторым передаточным числом; и

включают новую выбранную передачу.

Для использования энергии, обеспечиваемой электродвигателем-генератором во время переключения передачи, электрическая энергия, вырабатываемая электродвигателем-генератором, может быть передана в устройство аккумулирования энергии и/или в потребитель энергии.

Устройство аккумулирования энергии может быть аккумуляторной батареей или конденсатором. Если аккумуляторная батарея уже полностью заряжена, то электрическая энергия, вырабатываемая электродвигателем-генератором, может быть передана в потребитель энергии, такой как, например, нагревательный элемент.

Для снижения возможности перегрева нагревательного элемента он может охлаждаться с помощью системы охлаждения транспортного средства. Техническое решение, предлагаемое в настоящем изобретении, характеризуется следующими основными достоинствами:

предотвращается состояние разгруженного турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания при переключении передачи, когда сцепление выключено;

или давление наддува турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания при переключении передачи изменяется в соответствии с новой выбранной передачей, которая должна быть включена;

или давление наддува турбонагнетателя двигателя внутреннего сгорания при переключении передачи, когда сцепление выключается, сохраняется на прежнем уровне.

В другом варианте осуществления изобретения изменяют момент впрыска топлива или момент зажигания топлива, впрыснутого в двигатель внутреннего сгорания, при переключении передачи для повышения давления наддува для конкретной нагрузки двигателя.

Краткое описание чертежа

Изобретение описывается ниже со ссылками на один прилагаемый чертеж, на котором приведена схема гибридной приводной системы параллельного типа.

Осуществление изобретения

На фигуре показана схема гибридной системы параллельного типа, которая содержит двигатель 100 внутреннего сгорания (например, дизельный или бензиновый двигатель), сцепление 110, электродвигатель-генератор 120, коробку 130 передач со ступенчатым переключением передач и карданный вал 140, соединенный с ведущими колесами 150, 150'. Различные передачи могут выбираться и включаться в коробке передач известным способом.

Двигатель 100 соединяется с ведущими колесами 150, 150' таким образом, что вращательное движение выходного вала двигателя передается через сцепление 110, коробку 130 передач и карданный вал 140 на ведущие колеса 150, 150'. Электродвигатель-генератор 120 имеет двойное назначение: во-первых, он дополняет крутящий момент двигателя, когда этот момент недостаточен, и, во-вторых, заряжает, например, аккумуляторную батарею в тех ситуациях, когда требуется торможение двигателем (например, на склонах и при замедлении), или когда необходим только ограниченный крутящий момент двигателя для движения транспортного средства, и в таких ситуациях эффективность использования топлива двигателем может быть существенно улучшена путем нагружения двигателя электродвигателем-генератором, работающим в режиме генератора, то есть в этом случае часть крутящего момента двигателя используется для зарядки аккумулятора. Электрическая энергия, накапливаемая в аккумуляторе, может быть затем использована для дополнения энергии двигателя путем использования электродвигателя-генератора в режиме двигателя в тех случаях, когда необходима передача дополнительного крутящего момента на ведущие колеса.

Кроме того, энергия, накопленная в аккумуляторе, может использоваться для обеспечения движения транспортного средства при неработающем двигателе внутреннего сгорания.

Типичная схема работы вышеописанной гибридной системы заключается в следующем.

Когда транспортное средство необходимо привести в движение, то крутящий момент, необходимый для трогания с места, может обеспечиваться при одновременной работе двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя-генератора или же при работе одного из этих источников энергии движения. Однако если для трогания с места должен использоваться двигатель внутреннего сгорания, то необходимо выключить сцепление, то есть прекратить передачу крутящего момента от двигателя 100 в коробку 130 передач при неподвижном транспортном средстве и медленно отпускать педаль сцепления 110, так чтобы скорость транспортного средства соответствовала числу оборотов двигателя на выбранной передаче, прежде чем педаль сцепления будет полностью отпущена.

Для переключения передач необходимо выключать сцепление, поскольку если переключение передач выполнять при передаче коробкой передач крутящего момента, то она очень быстро изнашивается. При выключении сцепления уменьшают подачу в двигатель горючей смеси (в случае бензинового двигателя) или уменьшают количество топлива, впрыскиваемого в цилиндры двигателя (в случае дизельного двигателя); если же уменьшение подачи горючей смеси или топлива не синхронизировать с выключением сцепления, то число оборотов двигателя может резко увеличиваться, что приводит к быстрому износу двигателя, чрезмерному шуму и повышенному выбросу вредных веществ, если закрытие дроссельной заслонки или уменьшение количества впрыскиваемого топлива происходит слишком поздно, или же может происходить быстрое замедление транспортного средства, если слишком рано закрывается дроссельная заслонка или уменьшается количество впрыскиваемого топлива.

В результате закрытия дроссельной заслонки или уменьшения количества впрыскиваемого топлива давление наддува падает (если двигатель снабжен турбонагнетателем). Как это хорошо известно специалистам, для восстановления давления наддува требуется определенное время. Это означает, что мощность двигателя будет существенно понижена в течение определенного времени, после того как сцепление будет снова включено. Таким образом, переключение передач - это достаточно длительный процесс, особенно если двигатель 100 снабжен турбонагнетателем.

Однако в соответствии с изобретением переключения передач выполняются без выключения сцепления. Это осуществляется путем управления электродвигателем-генератором таким образом, чтобы он создавал крутящий момент, соответствующий крутящему моменту, создаваемому двигателем, однако крутящий момент электродвигателя-генератора должен действовать в направлении, противоположенном направлению действия крутящего момента двигателя.

Если крутящий момент двигателя мал, он может быть достаточен для вращения электродвигателя-генератора 120 для заряда аккумулятора максимальным током, однако если аккумулятор полностью заряжен, то в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивается электрическая нагрузка в форме потребителя энергии, такого как, например, нагревательный элемент, в котором электрическая энергия, вырабатываемая электродвигателем-генератором, преобразуется в тепло. Хотя на первый взгляд такой вариант выглядит в высшей степени неэффективным, поскольку механическая энергия, вырабатываемая двигателем, рассеивается на нагревательном элементе, однако следует иметь в виду, что время переключения передачи мало (порядка 1 секунды), и, соответственно, количество рассеиваемой энергии будет небольшим.

Кроме того, даже если энергия "теряется" в нагревательном элементе (который может охлаждаться системой охлаждения двигателя), однако эта потеря энергии частично или полностью компенсируется положительными эффектами данного варианта, самым существенным из которых является предотвращение существенного падения давления турбонагнетателя, или же он будет даже сохраняться на прежнем уровне во время переключения передач. Этот положительный эффект дает увеличение мощности и повышение эффективности использования топлива, когда педаль сцепления отпускают после переключения передачи.

В другом варианте осуществления изобретения в качестве электрической нагрузки и потребителя энергии могут использоваться конденсаторы большой емкости вместо аккумулятора и/или нагревательного элемента или параллельно с ними.

Предлагаемый в изобретении способ может использоваться с так называемой автоматизированной коробкой передач. В этом случае также используется сцепление 110, работа которого автоматизирована. Работой двигателя, сцепления, электродвигателя-генератора и коробки передач может управлять один или несколько блоков управления (не показаны). Так, блок управления может быть запрограммирован для выполнения стадий различных вариантов осуществления изобретения. Предлагаемый в изобретении способ может также использоваться в гибридной трансмиссии параллельного типа, в которой управление коробкой передач и/или сцеплением осуществляет вручную водитель, то есть блок управления (или блоки управления) обеспечивает управление только двигателем и электродвигателем-генератором.

Конструкция и работа автоматизированных и механических коробок передач, сцеплений, двигателей и электродвигателей-генераторов хорошо известны специалистам в данной области, и поэтому в настоящем описании не рассматриваются.

В завершение ниже приводится полная последовательность работы гибридной системы, в состав которой входит двигатель внутреннего сгорания с турбонаддувом и в которой используется предлагаемый в настоящем изобретении способ.

1. Когда транспортное средство находится на стоянке, двигатель 100 либо выключен, либо работает на холостых оборотах; причем, когда двигатель работает на холостых оборотах, сцепление 110 выключено, или коробка передач находится в нейтральном положении, то есть крутящий момент на ведущие колеса 150, 150' от двигателя 100 не передается.

2. Когда водитель решает начать движение, сцепление выключено, и водитель включает первую передачу (которая необязательно должна быть передачей, имеющей самое большое передаточное число). В этом случае возможны два варианта действий. В соответствии с первым вариантом при трогании с места двигатель 100 не используется, и весь необходимый крутящий момент обеспечивается электродвигателем-генератором 120. В этом случае неважно, выключен ли двигатель или работает на холостых оборотах, поскольку сцепление выключено. В соответствии со вторым вариантом при трогании с места двигатель работает, и сцепление переводится из положения "выключено" в положение "включено", то есть используется "нормальный" способ трогания с места транспортного средства, снабженного автоматизированной или механической коробкой передач. В этом случае может осуществляться управление электродвигателем-генератором 120 для передачи с него в трансмиссию крутящего момента, в результате чего транспортное средство будет быстрее разгоняться. Также может использоваться комбинация первого и второго вариантов, когда начальный крутящий момент для трогания с места обеспечивается электродвигателем-генератором 120, и затем, после достижения транспортным средством определенной скорости, включается сцепление, так что двигатель 100 обеспечивает дополнительный крутящий момент для ускорения и движения транспортного средства.

3. Когда скорость транспортного средства достигнет некоторого значения, при котором число оборота двигателя 100 будет слишком большим для обеспечения оптимального расхода топлива, наступает момент переключения передачи, так чтобы двигатель мог работать на более экономичных оборотах. Как уже указывалось, для механической или автоматизированной коробки передач критичным является то, что крутящий момент, передаваемый коробкой передач, равен нулю или близок к нулю, при переключении передач. Однако это не все: чтобы выключить передачу, достаточно, чтобы крутящий момент, передаваемый коробкой передач, был равен нулю, но для включения следующей передачи, скорости вращения входного и выходного валов должны совпадать или почти совпадать. В результате будет обеспечиваться:

а) быстрое выключение первой передачи; и

б) быстрое включение следующей выбранной новой передачи.

Однако необходимо отметить, что скорости вращения входного и выходного валов, необходимые для обеспечения быстрого переключения передач, не равны для включения всех следующих передач; в случае ускорения транспортного средства, когда передачи переключаются от низшей передачи (более высокое передаточное число), при которой двигатель работает на более высоких оборотах для заданной скорости транспортного средства, к более высокой передаче (меньшее передаточное число), при которой двигатель работает на меньших оборотах для заданной скорости транспортного средства, число оборотов двигателя, необходимое для включения следующей передачи, ниже, чем число оборотов двигателя, необходимое для выключения предыдущей передачи. Если переключение передачи выполняется при замедлении транспортного средства, то скорость вращения входного вала должна быть выше его скорости при выключении предыдущей передачи.

4. Для действительного переключения передачи подача топлива в двигатель 100 снижается таким образом, чтобы создаваемый им крутящий момент был меньше крутящего момента, который может быть поглощен электродвигателем-генератором 120. Сразу же после этого, или одновременно, осуществляется управление электродвигателем-генератором для создания такого же крутящего момента (или почти такого же крутящего момента), направленного в сторону, противоположную направлению крутящего момента, создаваемого двигателем. Это уменьшит величину крутящего момента в механической или автоматизированной коробке передач до нуля или почти до нуля, так что включенная передача может быть выключена.

5. После выключения первой передачи осуществляется управление системой, содержащей двигатель 100 и электродвигатель-генератор 120 таким образом, чтобы число оборотов двигателя и, соответственно, число оборотов электродвигателя-генератора 120 соответствовало или почти соответствовало числу оборотов двигателя, подходящему для движения транспортного средства на этой новой передаче с текущей скоростью движения транспортного средства; если при переключении передачи осуществляется переход от нижней передачи (высокое передаточное число) к более высокой передаче (меньшее передаточное число), то число оборотов двигателя, подходящее для новой включенной передачи, будет ниже числа оборотов двигателя для предыдущей передачи, и наоборот.

Предлагаемый в изобретении способ может использоваться для всех видов переключения передач (переключение вверх и вниз, а также переключение с нарушением последовательности передач), в которых двигатель создает положительный крутящий момент.

Используя предлагаемый в настоящем изобретении способ, можно получить очень ценный положительный эффект по сравнению с известными техническими решениями.

Во-первых, можно по меньшей мере предотвратить падение давления наддува. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения при переключении передач давление наддува может поддерживаться на текущем уровне. Это обеспечивает возможность создания двигателем полного крутящего момента почти сразу после переключения передачи, то есть сразу же после включения новой выбранной передачи.

В соответствии с другим вариантом давление наддува может быть изменено при переключении передачи таким образом, чтобы оно соответствовало новой передаче, которая будет включена. При этом блок управления может быть запрограммирован таким образом, чтобы он рассчитывал требуемый крутящий момент для новой передачи, и давление наддува может быть изменено соответствующим образом путем управления двигателем 100 и электродвигателем-генератором 120.

В известных технических решениях при переключении передач давление наддува падало, и требовалось достаточное время для его восстановления, чтобы обеспечить выход двигателя на полную мощность.

Во-вторых, переключения передач могут выполняться быстрее, поскольку крутящий момент двигателя и давление наддува не должны восстанавливаться до прежнего уровня после переключения передачи. Это относится как к переключениям передач вверх, так и к переключениям вниз.

Вышеуказанные достоинства изобретения особенно важны для случаев, когда транспортное средство поднимается вверх по склону: быстрое переключение передач уменьшает потерю скорости при переключении передачи и быстрое восстановление давления наддува обеспечивает более высокую часть полной мощности двигателя, которая может использоваться для продвижения транспортного средства.

В-третьих, может быть уменьшен износ сцепления. Это позволяет использовать менее износостойкое сцепление, что, в свою очередь, означает, что вес сцепления может быть снижен.

В известных технических решениях, когда транспортное средство, снабженное автоматизированной коробкой передач, разгоняется на низких передачах, двигатель будет создавать крутящий момент, передаваемый на ведущие колеса, в короткие промежутки времени включения каждой передачи. Обычно двигатель каждый раз не имеет достаточно времени для достижения максимального крутящего момента до момента переключения на следующую передачу, когда крутящий момент снова должен уменьшиться для получения нулевого или почти нулевого крутящего момента в коробке передач. Поэтому обычно при разгоне двигатель достигает только примерно 60% максимально возможного крутящего момента в течение каждого периода движения на включенной передаче. При использовании вариантов настоящего изобретения, в зависимости от конструкции электродвигателя-генератора, может быть достигнута величина до 100% максимально возможного крутящего момента благодаря более быстрой реакции электродвигателя-генератора по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. В результате улучшаются характеристики разгона транспортного средства.

В известных технических решениях управление двигателем может осуществляться таким образом, чтобы крутящий момент уменьшался линейно перед выключением сцепления и увеличивался линейно после включения сцепления, чтобы водитель выполнял переключение передач более мягко, с минимальными рывками. В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения электродвигатель-генератор может использоваться для улучшения управления вышеуказанными линейными уменьшениями/увеличениями крутящего момента, поскольку управлять выходным крутящим моментом электродвигателя-генератора легче благодаря его более быстрой реакции по сравнению с двигателем внутреннего сгорания.

Кроме того, решение, предлагаемое в изобретении, является более привлекательным с экологической точки зрения. Как это хорошо известно специалистам в данной области техники, в интервале времени, в течение которого устанавливается давление наддува, происходит увеличение концентрации выбрасываемых частиц сажи; двигатель всасывает значительно меньше воздуха по сравнению со случаем, когда имеется давление наддува, и несмотря на это должны впрыскиваться большие количества топлива для быстрого восстановления давления наддува. Эта проблема в большей или меньшей степени устраняется настоящим изобретением.

Как уже указывалось, это является достоинством, если электродвигатель-генератор, используемый в качестве генератора, может обеспечивать почти такой же крутящий момент, как и крутящий момент, развиваемый двигателем. Такой большой крутящий момент, обеспечиваемый электродвигателем-генератором, связан с проблемой, заключающейся в том, что генератор в течение непродолжительного времени будет генерировать достаточное количество электрической энергии. Как это хорошо известно специалистам в области аккумуляторов, зарядка высокой мощностью (то есть током) может вывести аккумулятор из строя. Одно из возможных решений этой проблемы заключается в использовании конденсатора для хранения в течение непродолжительного времени электрической энергии, вырабатываемой электродвигателем-генератором во время переключения передачи. После переключения передачи энергия, накопленная в конденсаторе, может быть либо передана в аккумулятор (если необходима его подзарядка), либо использована электродвигателем-генератором для продвижения транспортного средства.

Еще одной мерой, которая может быть предпринята для поддержания по меньшей мере части давления наддува при переключении передач, является задержка момента зажигания (для бензиновых двигателей) или момента впрыска топлива (для дизельных двигателей). Специалистам в данной области техники хорошо известно, что такие задержки повышают температуру отработавших газов двигателя без существенного увеличения его крутящего момента. В результате может быть получено увеличение энергии, используемой для турбонаддува. Эта мера может быть полезной, если максимальный крутящий момент, который может быть поглощен электродвигателем-генератором 120, будет существенно ниже крутящего момента, создаваемого двигателем 100; если крутящий момент, который может быть поглощен электродвигателем-генератором 120, будет ниже максимального крутящего момента, создаваемого двигателем 100, то могут быть трудности по поддержанию давления наддува, если двигатель работает с использованием "стандартного" времени впрыска, то есть времени, настроенного для получения максимального КПД двигателя. Задержка впрыска может в некоторых случаях обеспечивать турбонагнетатель отработавшими газами, содержащими достаточно энергии, без превышения максимального крутящего момента, который может быть поглощен электродвигателем-генератором 120.

Турбонаддув двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен с использованием турбины, приводимой отработавшими газами, или компрессора, приводимого двигателем непосредственно, или же с использованием системы турбокомпаундирования (см., например, патент US 5884482).

Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть также применены в трансмиссии, в которой электродвигатель-генератор располагается между двигателем и сцеплением, например, в трансмиссии, снабженной интегрированным стартером-генератором.

Понятно, что специалист в данной области техники может модифицировать рассмотренные в описании варианты осуществления изобретения без выхода за пределы объема изобретения, который определяется прилагаемой формулой.

Реферат

Группа изобретений относится к способу и системе привода для переключения передач транспортного средства. Способ включает шаги, на которых обеспечивают управление электродвигателем-генератором, выключение передачи с первым передаточным числом, управление крутящим моментом, включение новой выбранной передачи. Управление электродвигателем-генератором осуществляют так, чтобы он поглощал крутящий момент, равный крутящему моменту двигателя внутреннего сгорания. Управление двигателем и электродвигателем-генератором осуществляют так, что предотвращается возникновение состояния разгруженного турбонагнетателя двигателя. Крутящим моментом двигателя управляют так, чтобы число оборотов двигателя соответствовало числу оборотов, необходимому для обеспечения движения транспортного средства на новой выбранной передаче со вторым передаточным числом. Система привода содержит механическую или автоматизированную механическую коробку передач, двигатель внутреннего сгорания, блок управления двигателем и электродвигателем-генератором. Блок управления обеспечивает выполнение операций заявленного способа. Технический результат заключается в предотвращении состояния разгруженного турбонагнетателя при переключении передач. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула