ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАВИСИМОСТИ МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02D41/02 B60W10/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к характеристике зависимости (кривой изменения) максимально допустимого крутящего момента двигателя от частоты его вращения для управления двигателем внутреннего сгорания рассчитанных на труднопроходимые дороги транспортных средств в соответствии с преамбулой п.1 прилагаемой формулы изобретения, более точно, к зависимостям крутящего момента и частоты вращения двигателей внутреннего сгорания, сопряженных с прерывающими подачу мощности трансмиссиями.

Уровень техники

На фиг.1 проиллюстрирована типичная известная характеристика 1 зависимости максимального крутящего момента от частоты вращения (оборотов) двигателя внутреннего сгорания типа дизеля с турбонаддувом современного тяжелого грузового автомобиля.

В диапазоне частот вращения n₀ (частота вращения холостого хода) и n₁ происходит ограниченное системой турбонаддува нарастание крутящего момента в диапазоне нарастания крутящего момента упомянутой характеристики. В диапазоне между n₁ и n₂ крутящий момент является постоянным или почти постоянным, представляющим собой регулируемую максимальную величину для ограничения нагрузки на остальную силовую передачу (сцепление, трансмиссия, ведомые оси). За этим диапазоном постоянных крутящих моментов следует диапазон (n₂-n₃) постоянных мощностей, в котором мощность приближена к максимальной мощности двигателя. С увеличением частоты вращения двигателя его максимальный крутящий момент постепенно снижается на протяжении диапазона постоянных мощностей. Наконец, крутящий момент линейно снижается до нулевого уровня в диапазоне от n₃ до n₄, и при этом мощность двигателя также снижается до нуля.

В целом, с точки зрения общих характеристик управляемости транспортного средства выгоден широкий общий диапазон (n₀-n₄) частот вращения двигателя. За счет этого снижается роль переключения передач. Тем не менее, с точки зрения кпд двигателя и, следовательно, расхода топлива транспортным средством выгоден меньший общий диапазон частот вращения. На фиг.1 показана область высоких частот вращения и область высоких крутящих моментов. В нормальных условиях кпд двигателя является относительно низким в области высоких частот вращения и высоким в области высоких крутящих моментов. При сокращении области высоких частот вращения повышается средний кпд двигателя.

При разработке рассчитанных на труднопроходимые дороги транспортных средств, таких как тяжелые грузовые автомобили и автобусы желательно снижать расход топлива с соблюдением обязательного нормирования состава выбросов. В прошлом повышенный кпд двигателя достигался в значительной степени за счет сокращения диапазона частот вращения двигателя и соответствующего расширения диапазона крутящих моментов. Дальнейшие усовершенствования в этом направлении были бы затруднительными без ущерба для общих характеристик управляемости транспортного средства, в особенности, если трансмиссией является прерывающая подачу мощности трансмиссия.

Согласно известным альтернативным решениям повышенный кпд двигателя может достигаться за путем сокращения диапазона частот вращения двигателя, например за счет использования оборудования для многократного наддува. Тем не менее, при этом увеличивается стоимость двигателя, что является недостатком.

Трансмиссия с более тесно расположенными передаточными отношениями могла бы снизить чувствительность общих характеристик управляемости к сокращению диапазона частот вращения двигателя. С другой стороны, для такой трансмиссии потребовалось бы больше передач, что сделало бы ее более сложной, тяжелой и дорогостоящей, чем трансмиссия с нормально разнесенными передаточными отношениями. Кроме того, потенциал сокращения диапазона частот вращения двигателя был бы небольшим.

Большая часть вопросов, связанных с общими характеристиками управляемости, вызвана прерыванием подачи мощности на ведомые колеса, что присуще традиционной прерывающей подачу мощности трансмиссии. Например, при движении в гору транспортное средство теряет скорость при переключении передач. Соответственно, диапазон частот вращения двигателя должен быть шире, чем в случае только изменения передаточного отношения.

Другим примером является ускорение при небольшой скорости и весе транспортного средства. В этом случае для обеспечения приемлемых общих характеристик управляемости потребовались бы многоступенчатые переключения передач, например с первой передачи на третью передачу или со второй передачи на пятую передачу. Это невозможно в случае сокращенного диапазона частот вращения двигателя. Отличные общие характеристики управляемости даже при сокращенном диапазоне частот вращения двигателя обеспечивает коробка передач с переключением скоростей под нагрузкой. Тем не менее, существующие коробки передач с переключением скоростей под нагрузкой являются очень дорогими. Они также имеют высокие потери мощности в процессе работы, что противоречит задачам снижения расхода топлива.

В заявке US 2005/0145218 описан пример имеющей узкий пик характеристики зависимости крутящего момента двигателя внутреннего сгорания в сочетании с бесступенчатой трансмиссией.

Раскрытие изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача снижения расхода топлива путем снижения частот вращения двигателя с сохранением приемлемых общих характеристик управляемости и низкой стоимости продукции.

Решение этой задачи достигнуто за счет характеристики зависимости максимально допустимого крутящего момента двигателя от частоты его вращения для управления двигателем внутреннего сгорания согласно п.1 прилагаемой формулы изобретения. Согласно первой особенности изобретения предложена характеристика зависимости максимально допустимого крутящего момента двигателя от частоты его вращения для управления двигателем внутреннего сгорания, который имеет блок управления для регулирования крутящего момента на выходе и частоты вращения двигателя таким образом, чтобы они не выходили за пределы упомянутой зависимости, которая задана по меньшей мере интервалом (n₀-n₁) нарастания крутящего момента, диапазоном (n₂-n₃) постоянных мощностей и диапазоном (n₃-n₄) линейного снижения крутящего момента. Предложенная в изобретении характеристика зависимости отличается тем, что диапазон линейного снижения крутящего момента задан таким образом, чтобы частота вращения двигателя снижалась при высокой мощности двигателя, а при низкой мощности двигателя обеспечивались высокие частоты его вращения.

В одном из вариантов осуществления характеристики зависимости согласно изобретению высокая мощность двигателя определяется как мощность, превышающая 50% максимальной мощности двигателя, а низкая мощность двигателя определяется как мощность, составляющая менее 50% максимальной мощности двигателя.

В другом варианте осуществления характеристики зависимости согласно изобретению разность между максимальной частотой вращения двигателя при 50% и 75% максимальной мощности двигателя должна превышать 150 об/мин.

В одном из дополнительных вариантов осуществления характеристики зависимости согласно изобретению максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя должна составлять менее 2300 об/мин.

В другом варианте осуществления характеристика зависимости максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя должна превышать умноженную на 1,2 максимальную частоту вращения двигателя при 95% максимальной мощности двигателя.

В другом варианте осуществления характеристика зависимости согласно изобретению при максимально допустимой частоте вращения двигателя и 0% максимальной мощности двигателя разность между максимально допустимой частотой вращения двигателя и частотой вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя превышает 100 об/мин.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения двигатель внутреннего сгорания сопряжен с прерывающей подачу мощности автоматической трансмиссией и(или) двигатель внутреннего сгорания содержит средство наддува турбокомпаундного типа.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение более подробно описано со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых в порядке примера проиллюстрированы дополнительные предпочтительные варианты осуществления изобретения, а также технические предпосылки, и на которых:

на фиг.1 схематически проиллюстрирована характеристика зависимости максимального крутящего момента двигателя согласно известному уровню техники,

на фиг.2 - характеристика зависимости максимального крутящего момента двигателя согласно одному из вариантов осуществления изобретения,

на фиг.3 - характеристика зависимости максимального крутящего момента двигателя согласно другому варианту осуществления изобретения,

на фиг.4 - характеристика зависимости максимального крутящего момента двигателя согласно другому варианту осуществления изобретения,

на фиг.5 - изобретение, реализованное в компьютерном устройстве.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг.1 снижение частоты вращения имеет двойную выгоду с точки зрения кпд двигателя. Во-первых, не используются неэффективные режимы работы. Во-вторых, может оптимизироваться работа двигателя, и повышаться его кпд при более низких частотах вращения. В частности, системе наддува не приходится работать в условиях сочетаний высоких частот вращения и высоких мощностей.

В определенных пределах было бы также выгодным с точки зрения расхода расход топлива сдвинуть область высоких крутящих моментов в сторону более высоких крутящих моментов. Хотя более крутое нарастание крутящего момента является технически осуществимым, по ряду причин значительные изменения были бы неблагоприятными. Соответственно, во избежание ущерба для общих характеристик управляемости при низкой скорости движения автомобиля и для обеспечения многоступенчатых переключений передач необходимо, чтобы двигатель был способен работать с достаточно высокими частотами вращения, когда он сопряжен с прерывающей подачу мощности трансмиссией. К счастью, многоступенчатые переключения передач при низких скоростях движения автомобиля обычно связаны с условиями вождения, в которых не требуется очень большая мощность двигателя. В нормальных условиях требуется менее половины максимальной мощности двигателя.

В одном из вариантов осуществления изобретения (фиг.2) снижается частота вращения двигателя в условиях линейного снижения крутящего момента при высокой мощности (более 50% максимальной мощности), а при низкой мощности (менее 50% максимальной мощности) обеспечиваются достаточно высокие частоты вращения двигателя.

Показанная на фиг.2 характеристика зависимости крутящего момента также обеспечивает многоступенчатые переключения передач при небольшой скорости и весе автомобиля. Системе наддува не требуется высокая частота вращения двигателя и полезная мощность. Вместо этого ее работа может быть оптимизирована с целью повышения кпд в остальной рабочей области.

С целью максимального использования модифицированного линейного снижения крутящего момента следует максимально расширить область сниженных частот вращения. Тем не менее, начало линейного снижения крутящего момента при слишком низкой частоте вращения двигателя (n₃ на фиг.2) снизило бы диапазон постоянных мощностей. Это имело бы отрицательные последствия для работы автомобиля в условиях вождения, в которых требуется высокая мощность двигателя. Соответственно, желательно обеспечить крутое линейное снижение крутящего момента от не слишком малой величины n₃ до величины, несколько превышающей уровень половинной максимальной мощности. В случае рассчитанного на труднопроходимые дороги автомобиля эта величина может быть представлена в количественной форме следующим образом: разность между максимальными частотами вращения при 50% и 75% максимальной мощности двигателя (см. фиг.2; n_max50% минус n_max75%) должна превышать 150 об/мин. Кроме того, чтобы это решение с использованием низких частот вращения было действительно эффективным и не требовало слишком больших усилий от системы наддува, частота вращения двигателя должна быть ограничена, например величина n_max50% должна составлять менее 2100 об/мин.

Таким образом, характеристика зависимости согласно изобретению применима в двигателе внутреннего сгорания с наддувом рассчитанных на труднопроходимые дороги автомобилей (грузоподъемностью 15-100 тонн), оснащенных прерывающей подачу мощности (ступенчатой) трансмиссией, при этом в одном из вариантов осуществления:

n_max50% минус n_mах75%>150 об/мин, а n_mах50%<2100 об/мин.

В дополнительных вариантах осуществления изобретения разность между частотами вращения двигателя n_max50% и n_max75% превышает 200 или даже 250 об/мин.

В другом варианте осуществления частота вращения n_max50% составляет менее 2000 об/мин и(или) даже менее 1900 об/мин. В одном из дополнительных вариантов осуществления частота вращения двигателя n_max50% составляет менее 2300 об/мин.

В альтернативном варианте осуществления изобретения максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя (n_max50%) должна превышать умноженную на 1,2 максимальную частоту вращения двигателя при 95% максимальной мощности двигателя (n_max95%). В одном из дополнительных вариантов осуществления максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя (n_max50%) должна превышать умноженную на 1,3 максимальную частоту вращения двигателя при 95% максимальной мощности двигателя (n_max95%).

В другом варианте осуществления изобретения поддерживается высокая максимальная частота n₄ вращения двигателя при максимально допустимой частоте вращения двигателя (см.и фиг.2); при этом разность между частотами n₄ вращения и n_max50% превышает 100 об/мин. В дополнительных вариантах осуществления изобретения эта разность может превышать 125 об/мин или даже 150 об/мин. За счет этого улучшаются общие характеристики управляемости в условиях низкой нагрузки с минимальным воздействием на кпд двигателя.

В другом варианте осуществлении изобретения предложено решение задачи устранения непривычных для водителя ощущений, связанных с быстрым изменением максимальной частоты вращения двигателя на уровне выше половинной максимальной мощности. В случае прерывающей подачу питания автоматической трансмиссии эта задача может быть решена за счет выбора соответствующих передач. Таким образом, изобретение весьма полезно в автоматических механических трансмиссиях (АМТ) или полуавтоматических трансмиссиях, в которых выбор передач и их переключение осуществляются автоматически. Это объясняется тем, что в силовых передачах, оснащенных прерывающей подачу питания автоматической трансмиссией, блок управления регистрирует действующее выбранное передаточное отношение и запланированное следующее передаточное отношение, которое будет выбрано. Таким образом, все выгод изобретения могут лучше использоваться в силовой передаче, в которой моментами переключения передач способна управлять система. Выгоды изобретения также могут использоваться, когда двигатель сопряжен с трансмиссией с двойным сцеплением (DCT).

В другом варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3, крутящий момент круто линейно снижается от диапазона постоянных мощностей. Это может быть представлено в количественной форме как разность между максимальными частотами вращения при 75% и 95% максимальной мощности двигателя (n_max75%-n_max95%), составляющая менее 150 об/мин. В дополнительных вариантах осуществления эта разность (n_mах75%-n_mах95%) может составлять менее 125 об/мин или даже менее 100 об/мин.

В одном из дополнительных вариантов осуществления диапазон постоянных крутящих моментов уменьшен, а максимальный крутящий момент двигателя увеличен, как показано на фиг.3 (толстая линия и тонкая линия). Соответственно, стало возможным сдвинуть все линейное снижение крутящего момента в сторону меньших частот вращения двигателя. Это дает дополнительную возможность оптимизации работы двигателя и повышения кпд. Диапазон постоянных мощностей оставлен достаточно широким для обеспечения работы автомобиля, когда необходима высокая мощность двигателя. В целом это может быть представлено в количественной форме следующим образом:

n_max95% составляет менее 1600 об/мин или менее 1500 об/мин или даже менее 1400 об/мин и,

соотношение максимальной и минимальной частот вращения двигателя при 95% максимальной мощности двигателя (n_max95%/n_min95%) превышает 1,25 или 1,3 или даже 1,35.

В связи с вариантом осуществления, проиллюстрированным на фиг.3, может быть возможен другой вариант осуществления, в котором диапазон постоянных крутящих моментов может быть снижен до нуля, а максимальный крутящий момент двигателя может быть еще больше увеличен, как показано на фиг.4 (толстая линия характеристики 4 зависимости и тонкая линия). Таким образом, как показано на фиг.4, изобретение применимо в так называемом двигателе постоянной мощности (см. характеристику 4 зависимости).

Последнее требование касается ступеней соотношений (т.е. соотношений между передаточными отношениями двух идущих подряд передач, например, передаточными отношениями 4 и 5 передач) в большинстве прерывающих подачу мощности трансмиссий рассчитанных на труднопроходимые дороги автомобилей. Эти ступени соотношений составляют от 1,15 до 1,35.

Различные варианты осуществления изобретения могут быть реализованы несколькими различными способами. Может быть использован обычный двигатель, который может быть реконфигурирован на работу согласно изобретению, например путем перепрограммирования программ управления силовой передачей (блока управления двигателем и блока управления трансмиссией). Может быть также изначально разработан двигатель для работы согласно изобретению. Это может быть сделано путем адаптации нескольких компонентов силовой передачи, таких как средства наддува (для обеспечения кпд при допустимом более узком рабочем диапазоне), система охлаждения двигателя и т.д., и в результате всех различных адаптации будет получена характеристика зависимости согласно изобретению. Упомянутое средство наддува может быть сконструировано в расчете на работу, например, в существенно более узком рабочем диапазоне по сравнению с обычными средствами наддува. Может быть адаптирован нагнетатель, эффективно действующий (обеспечивающий высокий крутящий момент и(или) высокий кпд) при низких частотах вращения двигателя, но не способный действовать при максимальной или почти максимальной мощности и высоких частотах вращения двигателя. Нагнетатель будет способен демонстрировать оптимальные характеристики при низкой мощности двигателя и высоких частотах вращения двигателя, как показано на фиг.2, 3 и 4.

В соответствии с рассмотренными вариантами осуществления изобретения может регулироваться частота вращения и крутящий момент двигателя. Регулирование в пределах, заданных для различных сочетаний частот вращения и крутящих моментов двигателя, осуществляется известным способом.

Изобретение выгодно применимо, в особенности, в одноступенчатых двигателях внутреннего сгорания с наддувом. Изобретение также может применяться, например, в двигатель внутреннего сгорания турбокомпаундного типа.

Упомянутой прерывающей подачу мощности трансмиссией может являться автоматическая механическая трансмиссия (АМТ).

На фиг.5 показано устройство 500 согласно одному из вариантов осуществления изобретения, содержащее энергонезависимую память 520, процессор 510 и память 560 с оперативной записью и считыванием. Память 520 имеет первую область 530, в которой хранится компьютерная программа для управления устройством 500. Компьютерной программой для управления устройством 500, хранящейся в области 530 памяти, может являться операционная система.

Устройство 500 может помещаться, например, в блоке управления, таком как блок управления двигателем внутреннего сгорания. Блоком 510 обработки данных может являться, например, микрокомпьютер.

Память 520 также имеет вторую область 540, в которой хранится программа управления частотой вращения и крутящим моментом двигателя согласно изобретению. В одном из альтернативных вариантов осуществления программа управления частотой вращения и крутящим моментом двигателя хранится в отдельной энергонезависимой запоминающей среде (средстве) 550, такой как, например, компакт-диск или полупроводниковая память со сменными дисками. Программа может храниться в выполнимой форме или в сжатом виде.

Когда далее указано, что блок 510 обработки данных выполняет конкретную функцию, должно быть ясно, что блок 510 обработки данных выполняет конкретную часть программы, хранящейся в памяти 540, или конкретную часть программы, хранящейся энергонезависимой среде 550 для записи.

Блок 510 обработки данных рассчитан на обмен данными с памятью 550 посредством шины 514 данных. Блок 510 обработки данных также рассчитан на обмен данными с памятью 520 посредством шины 512 данных. Кроме того, блок 510 обработки данных рассчитан на обмен данными с памятью 560 посредством шины 511 данных. Блок 510 обработки данных также рассчитан на обмен данными с портом 590 данных путем использования шины 515 данных.

Предложенный в настоящем изобретении способ может быть осуществлен блоком 510 обработки данных, который выполняет программу, хранящуюся в памяти 540, или программу, хранящуюся в энергонезависимой среде 550 для записи.

Изобретение не следует считать ограниченным описанными выше вариантами осуществления, и предполагается ряд дополнительных вариантов и усовершенствований, входящих в объем следующей далее формулы изобретения.

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для управления двигателями внутреннего сгорания, расчитанных на труднопроходимые дороги транспортных средств. Технический результат - снижение расхода топлива путем снижения частоты вращения двигателя с сохранением приемлемых общих характеристик управляемости. В заявке описана характеристика (2, 3, 4) зависимости максимально допустимого крутящего момента от частоты его вращения для управления двигателем внутреннего сгорания, который имеет блок управления для регулирования крутящего момента на выходе и частоты вращения двигателя таким образом, чтобы они не выходили за пределы упомянутой зависимости, которая задана по меньшей мере интервалом (n₀-n₁) нарастания крутящего момента, диапазоном (n₀-n₁) постоянных мощностей и диапазоном (n₂-n₃) линейного снижения крутящего момента. Диапазон линейного снижения крутящего момента задан таким образом, чтобы частота вращения двигателя снижалась при высокой мощности двигателя, а при низкой мощности двигателя обеспечивались высокие частоты его вращения. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Блок управления двигателем внутреннего сгорания, обеспечивающий регулирование крутящего момента на выходе и частоты вращения двигателя таким образом, чтобы они не выходили за пределы характеристики зависимости максимально допустимого крутящего момента двигателя от частоты его вращения, которая задана по меньшей мере интервалом (n₀-n₁) нарастания крутящего момента, диапазоном (n₂-n₃) постоянных мощностей и диапазоном (n₃-n₄) линейного снижения крутящего момента, отличающийся тем, что диапазон линейного снижения крутящего момента задан таким образом, чтобы частота вращения двигателя снижалась при высокой мощности двигателя, а при низкой мощности двигателя обеспечивались высокие частоты его вращения, и при этом компоненты силовой передачи, частью которой является двигатель, адаптированы для получения упомянутой зависимости.

2. Блок управления по п.1, отличающийся тем, что высокая мощность двигателя определяется как мощность, превышающая 50% максимальной мощности двигателя, а низкая мощность двигателя определяется как мощность, составляющая менее 50% максимальной мощности двигателя.

3. Блок управления по п.2, отличающийся тем, что разность между максимальной частотой вращения двигателя при 50% и 75% максимальной мощности двигателя должна превышать 150 об/мин.

4. Блок управления по п.3, отличающийся тем, что максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя (n_max50%) должна составлять менее 2300 об/мин.

5. Блок управления по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что максимальная частота вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя (n_max50%) должна превышать умноженную на 1,2 максимальную частоту вращения двигателя при 95% максимальной мощности двигателя (n_max90%).

6. Блок управления по п.5, отличающийся тем, что при максимально допустимой частоте (n₄) вращения двигателя и 0% максимальной мощности двигателя разность между максимально допустимой частотой вращения двигателя и частотой вращения двигателя при 50% максимальной мощности двигателя (n_max50%) превышает 100 об/мин.

7. Блок управления по п.1, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания сопряжен с прерывающей подачу мощности автоматической трансмиссией.

8. Блок управления по п.1, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит средство наддува турбокомпаундного типа.

9. Блок управления по п.1, отличающийся тем, что упомянутые компоненты силовой передачи включают средства наддува и систему охлаждения двигателя.