避免烟度过高的混合动力型柴油-电动动力总成及方法
【专利摘要】混合动力型柴油-电动动力总成包括与电机功率流连通的柴油发动机，和控制器。柴油发动机和电机的每一个配置为响应于所提供的扭矩命令而产生各自的扭矩。控制器与电机、柴油发动机和加速踏板通讯，并配置为接收来自加速踏板的驾驶员扭矩请求。响应于驾驶员扭矩请求，控制器进一步配置为命令柴油发动机产生小于烟度扭矩的输出扭矩，并命令电机产生等于驾驶员扭矩请求与柴油发动机输出扭矩之间差值的输出扭矩。
【专利说明】避免烟度过高的混合动力型柴油-电动动力总成及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及混合动力型柴油动力总成控制。
【背景技术】
[0002]机动车辆包括动力总成，其运行以推进车辆和为车载电子产品供能。动力总成或传动总成通常包括发动机，所述发动机通过多速动力变速器驱动最终的传动系统。很多车辆通过往复活塞类型的内燃发动机(ICE)驱动。内燃发动机通过与空气混合的燃料的燃烧将存储在燃料(汽油、柴油、生物燃料、天然气或其他燃料)中的化学能转化为动能。
[0003]混合动力型车辆利用多个可替换动力源推进车辆,将对提供动力的发动机的依赖最小化。混合动力型电动车辆(HEV)例如，包括电能和化学能，并将其转化为机械动力以推进车辆和为车辆系统供能。HEV—般采用一个或多个电机(马达/发电机)，其单独运行或与内燃发动机协作以推进车辆。电机将动能转化为电能，所述电能存储在能量存储装置中。来自能量存储装置的电能还可以被转换回动能，用于车辆的推进。
[0004]在柴油发动机中，过多的燃料混合物可导致产生基于碳的烟气。烟气产生常常限定扭矩载荷限值(即烟度，smoke limit)，高于该扭矩载荷极限则燃料不能被完全燃烧。尽管通过超出该烟度(由于其相当低的化学当量比)可以获得更多的附加发动机扭矩，但是最终的燃烧效率非常低，且任何额外的动力都以降低的燃烧效率、高燃料消耗和排烟为代价。
【发明内容】
[0005]混合动力型柴油电动动力总成包括与电机功率流连通的柴油发动机，和控制器。柴油发动机和电机每一个配置为响应于所提供的扭矩命令而产生各自的扭矩。控制器与电机、柴油发动机和加速踏板通讯，并配置为接收来自加速踏板的驾驶员扭矩请求。控制器可进一步配置为平滑驾驶员扭矩请求，以从信号中消除任何高频率的噪音。控制器可包括与电机通讯的混合动力控制模块和与柴油发动机通讯的发动机控制模块。
[0006]响应于驾驶员扭矩请求，控制器可配置为命令柴油发动机产生小于烟度扭矩的输出扭矩，并命令电机产生等于驾驶员扭矩请求与柴油发动机输出扭矩之间差值的输出扭矩。烟度扭矩可以是到柴油发动机的可用空气流的函数。
[0007]控制器可进一步配置为优化柴油发动机和电机的被命令扭矩，使得当电机的被命令扭矩小于最大扭矩限值时，柴油发动机的被命令扭矩小于效率限值扭矩。如可理解的，效率限值扭矩比烟度扭矩小预定量。如果电机的被命令扭矩等于针对电机的最大扭矩限值，则控制器命令柴油发动机的扭矩输出大于效率限值扭矩，但是仍小于烟度扭矩。
[0008]类似地，一种控制具有与柴油发动机功率流连通的电机的车辆动力总成的方法，包括:接收驾驶员扭矩请求；平滑所述驾驶员扭矩请求；命令柴油发动机产生小于烟度扭矩的输出扭矩；和命令电机产生等于平滑后的驾驶员扭矩请求与柴油发动机输出扭矩之间差值的输出扭矩。
[0009]本发明的上述特征和优势及其他特征和优势将从用于实施本发明的最佳模式的 以下详细描述连同附图时显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是与发动机控制模块、变速器控制模块和混合动力控制模块通讯的混合动力型柴油-电动动力总成的示意图；
[0011]图2A是作为时间的函数的驾驶员加速请求的示意图；
[0012]图2B是作为时间的函数的希望的动力总成扭矩和柴油发动机输出扭矩的示意图；
[0013]图2C是作为时间的函数的被命令的电机输出扭矩的示意图。
【具体实施方式】
[0014]参考附图，其中相同的附图标记在几幅图中用于标识相似或相同的构件，图1示意性示出了用于混合动力型柴油-电动车辆的混合动力总成10。混合动力总成10包括内燃发动机12，该内燃发动机与电动牵引马达14(电机14)机械连通。内燃发动机12可一般地由发动机控制模块16 (ECM16)控制，而电机14可一般地由混合动力控制模块18 (HCM18)控制。ECM16和HCM18可以被实施为一个或多个数字计算机或数据处理装置，其具有一个或多个微控制器或中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、电可擦可编程只读存储器(EEPR0M)、高速时钟、模拟-数字(A/D)电路、数字-模拟(D/A)电路、输入/输出(I/O)电路和/或信号调节和缓冲电子设备。每个模块16、18可被配置为自动地执行一个或多个控制/处理程序，所述程序可实施为与模块16、18相关联的软件或固件。
[0015]尽管图1 一般性地示出了混合动力型柴油-电动车辆的一个特定实施例，但是其它布置也可以类似地应用到这里所述的技术中。同样地，额外的电机也可包括在动力总成10内的各种布置中，作为用于混合动力型车辆的原动机。如此，发动机12和电机(一个或多个)14可以彼此地功率流连通，并与变速器20功率流连通，以最终为驱动轴22和一个或多个驱动轮24提供动力。
[0016]电机14可经由电机输出轴26提供扭矩的一个来源。类似地，发动机12可经由曲轴28产生扭矩，所述曲轴通过离合器30和/或一个或多个行星齿轮组(未示出)选择性地与电机输出轴26联接。来自曲轴28的扭矩可用来直接地推进车辆10，和/或驱动电机14作为发电机，以给牵引用蓄电池32充电。
[0017]电机14可实施为多相永磁/AC感应电机，其额定值为大约60伏至大约300伏或更多，这取决于车辆设计。电机14可经由功率逆变模块(PM) 34和高压汇流排36电连接到牵引用电池32。PM34可一般地配置用于将DC功率转换为AC功率，并根据需要反之进行。电池32可以选择地由施加到电机14的扭矩充电，例如当电机14通过在再生制动期间捕获能量作为发电机主动运行时，或当被发动机12驱动时。如可意识到的，电机14可以是电动机、发电机、马达/发电机，或其任何组合。在一些实施例中，例如插入式HEV (PHEV)的情况中，电池32还可以在车辆10不使用时经由车外部电源(未示出)充电。
[0018]发动机12可与进气口 40和一个或多个燃料喷射器41流体连通。进气口 40可配置为给发动机提供新鲜空气供应，其中空气可以与来自燃料喷射器41的燃料混合。在ECM16的指令下，可变节流阀42可控地调节从进气口 41到发动机12的空气的流动。类似地，ECM16可控制经由一个或多个燃料喷射器41进入到发动机12的燃料的流动。在一种配置中，进气集流管44可以设置在节流阀42和发动机12之间，以允许进气最终流入到发动机12中。
[0019]在车辆推进期间，通过选择性地改变一个或多个“扭矩促动器”的性能，ECM16可改变发动机12产生的扭矩。一般来说，扭矩促动器是发动机的可控方面，其可以选择性地增大或减小曲轴28处的扭矩输出。扭矩促动器可一般性地分为两种类别:慢速响应促动器和快速响应促动器。快速响应促动器可实现发动机输出扭矩中接近瞬时(例如20-50ms)的变化，例如通过喷射更多或更少的燃料到汽缸中、延迟火花放电(在汽油发动机中)、改变可变凸轮相位器和/或提高尾气再循环(EGR)以稀释空气/燃料混合物。相反地，慢速响应促动器可花费发动机的很多周期(例如100-500ms)来实现扭矩变化，并可经常涉及从低速到高速转动(spool)发动机。慢速响应促动器可包括例如控制节流阀42以提高/降低进入发动机12中的空气量，和/或经由一个或多个压缩机(例如涡轮增压器(未示出))改变增压压力。
[0020]一般来说，且在很多其他变量固定或忽略的情况下，当提供更富含氧的空气和燃料到发动机12时，将产生越大的扭矩。通过打开节流阀到其最宽和最不受限的位置，发动机12可以以其最高的长期扭矩输出运行(即，其最大能力)。
[0021]ECM16可使用来自各种传感器(例如进气传感器、集流管空气压力传感器、燃料传感器和/或空气量传感器)的输入来估计或计算发动机12的最大扭矩或能力。ECM16可将经确定的最大扭矩以及其他经测量的或经确定的信息发送到HCM18，HCM18可确定利用发动机12和电机14的扭矩产生能力的最有效方式。在一个实施例中，HCM18可采用扭矩优化程序来处理各种扭矩请求，其方式为尽可能经常地以发动机的最有效率状态操作发动机。HCM18则确定发动机12应产生/供应的扭矩的量，以及电机14应供应多少扭矩(正或负)。发动机扭矩请求则可被提供回到ECM16，以使得ECM16可智能地控制各种发动机扭矩促动器，以尽可能紧密地跟踪(track)扭矩请求。同样，HCM18可直接提供电机扭矩请求到PIM34，以控制电机14。一般地，发动机12的最大扭矩的更准确地估计允许通过HCM18对混合动力总成10的更准确优化。
[0022]除ECM16和HCM18之外，动力总成10可进一步包括变速器控制模块50 (TCM50)，其可以管理变速器20的运行。TCM50可与ECM16和HCM18的每一个通讯，且，在自动变速器配置中，可有助于协调变速器20中的齿轮变换。例如，在齿轮变换期间，通过变速器20传递的净扭矩可能希望地为低于驾驶员请求扭矩的某个预定值。以此方式，ECM16和/或HCM18可暂时不顾任何驾驶员请求的扭矩命令，以促进与TCM50协作的齿轮变换。
[0023]在一种操作模式中，ECM16/HCM18可协作，以响应于加速踏板62处提供的瞬时驾驶员扭矩请求60而控制发动机12的一个或多个扭矩促动器(注意在实践中，在其从非促动到完全促动的过程中，这种扭矩请求可以更平缓和/或多噪音)。在发动机12是柴油发动机12 (即压燃)的配置中，驾驶员扭矩请求60可由ECM16接收，并首先被滤波/平滑，以去除任何高频噪音。经平滑的请求则可通过改变经燃料喷射器41供应到发动机12的燃料的量而被用于控制发动机12的扭矩输出。ECM16则可响应于燃料命令而控制流经节流阀42(以及任何EGR)的空气流的量，使得其维持希望的燃料/空气混合，以提供有效、干净的燃烧。尽管燃料供应一般是快速响应扭矩促动器，以维持通常有效的燃烧，但是可在正常加速期间人为地限制燃料响应，所述燃料响应是节流阀/空气流动力学特性的函数。动力总成的该控制方式典型地与火花点燃的汽油发动机(其中驱动扭矩请求60被用于操纵节流阀42，并且燃料供应取决于可用的气流)不同。
[0024]图2A、2B和2C —般地示出了其中驾驶员加速踏板请求60在时间80处被“递增”(tipped in)或增大的情形。图2A中的图表82示意性地显示了这种随时间的请求84,而第二和第三图表86、88 (分别在图2B和2C中示出)示意性地示出了作为时间84的函数的扭矩90。三幅附图/图表82、86、88的每一个分别被以时间为坐标，然而，各曲线的大小不
一定按比例显示。
[0025]图2B和2C—般地示出了四个不同的扭矩曲线100、102、104和106。曲线100代表来自动力总成10的希望的扭矩请求100。希望的扭矩请求100代表被转换为加速扭矩请求的驾驶员加速踏板请求60。曲线106是被命令的扭矩106，其从希望的扭矩请求100被平滑/滤波，且一般地是到由HCM18执行的发动机/电机优化的输入。曲线102是通过HCM18提供到ECM14的被命令的发动机扭矩102，曲线104是被提供到PIM34的被命令电机扭矩104。如可意识到的，在电机和发动机在相同的曲轴上的配置中，被命令的电机扭矩104和被命令的发动机扭矩102应相加得到曲线106。
[0026]如以上一般地提出的，在柴油发动机中，燃烧必须适当地被管理，以提供干净、有效的燃烧。如此，ECM16可以将发动机12的燃料响应限制为在任何给定时刻的可用新鲜空气流的函数。这种限制可以于是直接转变为在任何一个时刻的可用扭矩的最大量。扭矩上限一般称为“烟度108”。如图2所示，烟度108可随时间82而增大，尽管典型地以与慢速响应扭矩促动器相应的速率。
[0027]在非混合动力型动力总成中，ECM16可允许发动机扭矩102升高到烟度108。然而，这样做可能导致燃料经济性/效率的降低，同时还降低任何尾气后处理颗粒过滤器的寿命。
[0028]在本系统中，ECM16可试图将发动机扭矩102维持在烟度108之下至少一预定量110(S卩，在小于烟度108的效率限值112处)。不幸的是，在仅发动机功率下，动力总成可能不准确地跟踪所需的扭矩请求106。因此，在需要时，HCM18可能指令电机14 (经由PM34)用来自电机14的正扭矩补充发动机供应的扭矩102。如果在一种配置中电机12达到最大扭矩限值114，则电机扭矩104可能饱和，HCM18 (—般地在116处示出)可指令发动机增大发动机扭矩102超出效率限值(一般地在118处示出)。在这种配置中，发动机扭矩102仍可以被限制防止超过烟度108。在另一种配置中，不是超出效率限值，而是HCM18可仅重新优化所需形状的扭矩106轨迹线，以使电机不达到其最大扭矩限值102。
[0029]因此，如大体在图2A、2B和2C中示出的，从最初时间120开始，被命令的发动机扭矩102可超出希望的输出扭矩100。该正差值122可通过电机12处的负电机扭矩104抵消，所述负电机扭矩可发电以补充牵引电池32。
[0030]在时间80处，当驾驶员请求扭矩60递增(tip in)时,ECM16可发送增大的希望扭矩命令100到HCM18。HCM18可指令ECM16在效率限值112内增大发动机扭矩102，而其同时开始增大电机扭矩104。在时间124处，当电机14开始消耗来自电池32的能量以辅助发动机12时，电机扭矩104可变为正值。当发动机扭矩102朝向希望的输出扭矩100的稳定状态水平126增大时，被命令的电机扭矩104可降低(一般地在128处)。[0031]在时间130处，发动机扭矩102可超出希望的输出扭矩100的稳定状态水平126，其中HCM18可命令电机14开始发电以将最终扭矩106维持在希望水平126。以此方式，在加速辅助期间，电池可针对任何消耗的能量进行回收。
[0032]在另一种配置中，效率限值112可以是可变限值，由此，根据发动机扭矩与烟度108的接近程度指定惩罚因子。当进行其发动机/电机优化时，HCM18可以将这种惩罚因子考虑在内，且仅接近该烟度108到平衡燃料效率与动力总成响应所需要的程度。换种方式来说，发动机扭矩104高于某一效率限值112的任何使用情况将付出代价，应理解，将要求额外的燃料消耗来实现。
[0033]尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。目的是，包含在上述描述或附图中所示的所有事物应该解释为仅说明性且非解释为限制性。
[0034]相关申请的交叉引用
[0035]本申请要求申请日为2012年6月5日的美国临时专利申请N0.61/655，723和申请日为2012年9月14日提交的美国专利序列号N0.13/616895的优先权，其全部内容被合并在此作为引用。
【权利要求】
1.一种控制具有与柴油发动机功率流连通的电机的车辆动力总成的方法，该方法包括: 接收驾驶员扭矩请求； 平滑所述驾驶员扭矩请求； 命令柴油发动机产生小于烟度扭矩的输出扭矩；和命令电机产生等于平滑后的驾驶员扭矩请求与柴油发动机输出扭矩之间差值的输出扭矩。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括，优化柴油发动机和电机的被命令的扭矩，使得当电机的被命令的扭矩小于最大扭矩限值时，使柴油发动机的被命令的扭矩小于效率限值扭矩；和其中效率限值扭矩比烟度扭矩小预定量。
3.如权利要求2所述的方法，其中当电机的被命令的扭矩等于最大扭矩限值时，柴油发动机的被命令的扭矩大于效率限值扭矩，并小于烟度扭矩。
4.如权利要求1所述的方法，其中经由加速踏板的促动而提供驾驶员扭矩请求。
5.如权利要求1所述的方法，其中烟度扭矩限值是到柴油发动机的可用空气流的函数。
6.一种混合动力型柴油-电动动力总成,包括: 与电机功率流连通的柴油发动机，柴油发动机和电机每一个配置为响应于所提供的扭矩命令而产生各自的扭矩； 控制器，其与电机、柴油发动机和加速踏板通讯，该控制器配置为: 接收来自加速踏板的驾驶员扭矩请求； 命令柴油发动机产生小于烟度扭矩的输出扭矩； 命令电机产生等于驾驶员扭矩请求与柴油发动机输出扭矩之间差值的输出扭矩。
7.如权利要求6所述的混合动力型柴油-电动动力总成，其中控制器进一步配置为在命令电机产生输出扭矩之前平滑驾驶员扭矩请求。
8.如权利要求6所述的混合动力型柴油-电动动力总成，其中控制器进一步配置为优化柴油发动机和电机的被命令的扭矩，使得当电机的被命令扭矩小于最大扭矩限值时柴油发动机的被命令扭矩小于效率限值扭矩；和其中效率限值扭矩比烟度扭矩小预定量。
9.如权利要求8所述的混合动力型柴油-电动动力总成，其中当电机的被命令扭矩等于最大扭矩限值时，柴油发动机的被命令扭矩大于效率限值扭矩并小于烟度限值扭矩。
10.如权利要求6所述的混合动力型柴油-电动动力总成，其中烟度扭矩是到柴油发动机的可用空气流的函数。
【文档编号】B60W10/08GK103465900SQ201310220514
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】C.E.惠特尼, L.斯卡沃尼, A.H.希普 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司