複合動力系的車輛的製作方法

2023-05-31 12:07:16

專利名稱：複合動力系的車輛的製作方法
1.發明領域本發明涉及的是一種獨特的汽車複合動力系，該動力系能高效地利用由組裝在一起的內燃或外燃發動機所產生的能量。本申請涉及的是用於機動車輛的推進系統。
2.已有技術汽車使用量的日益增長使得大氣中的各種汙染物質大大地增加，包括會導致溫室效應的二氧化碳。因此，就需要提高汽車動力系的燃油利用效率。現有動力系的平均熱效率一般只有10％到15％。
傳統的汽車動力系會導致很大的能量損失，在有效地控制排放物方面也存在著困難，而且對提高汽車燃油經濟性的潛力方面也有著一定的限制。傳統的動力系由一內燃機和一具有多個獨立傳動比的簡單的機械傳動裝置所組成。由於如下文所述的低效成因，這樣一種系統中燃油能量的大約85％到90％都變成熱能浪費了。只有10％到15％的能量可以用來驅動車輛，而且這些能量中的很大一部分在制動過程中作為熱量散失。
很大一部分能量散失是因為發動機額定功率和平均功率需求之間的匹配關係較差。在某一給定的瞬間加之於發動機的載荷直接取決於在那個瞬間的總的道路阻力，而這個行駛阻力可以在最大和最小值之間變化。為了滿足加速需要，發動機必須有比推動車輛所需的平均功率大出好多倍的功率。內燃發動機的效率可隨著載荷的變化而變化，當載荷到達峰值附近的較高值時效率較佳，而載荷較低時效率較差。
由於在通常駕駛時，發動機的工作基本上在頻譜的低端進行，所以在很多時候發動機都必須在很低的效率下工作，儘管有些傳統的發動機的效率峰值可以達到35％到40％。
另一個主要的能量損失源是剎車制動。與需要將能量傳送到車輪的加速情況相反，制動時需要從車輪上除掉能量。由於一內燃發動機只能產生能量，但並不能將能量加以回收，所以一個傳統動力系只是一個單程的能量路徑。制動是通過一個摩擦制動系統來完成的，該制動系統會將那些暫時不需要的車輛動能轉化成熱能。
在一傳統的動力系中，由於需要發動機在多種不同的燃燒條件下工作，所以發動機所承受的速度和載荷的大幅度變化還給有效地控制排放帶來困難。發動機在較恆定的速度和載荷下工作會使任一排放控制裝置變得更為優化，而且發動機的總效率越高，每英裡的燃油消耗越少。
傳統的動力系對提高汽車燃油經濟性的潛力有限，但這不包括可在空氣阻力、重量以及滾動摩擦上作出聯合改進。這樣一些改進只能提高效率，並且同樣地適用於改進的動力系。
為了減輕上述的種種低效成因，現已研製出幾種複合式的車輛系統。一種複合車輛系統在驅動車輛所需的動力和內燃機產生的動力之間提供了一個「緩衝器」，以緩和發動機經受的能量需求的變化。因為這種緩衝器可以接收和儲存從除發動機外的其他能量源來的能量，所以這種緩衝器還可以進行再生制動。一種複合車輛系統的效率取決於它在峰值效率處運行發動機的能力以及緩衝器的容量和效率。典型的緩衝器包括電池、機械飛輪和液壓蓄能器。
為了用液壓蓄能器來作為緩衝器，要在該系統中結合一個液壓泵/馬達。該液壓泵/馬達可以互換地充當泵或馬達。作為一個泵，該液壓泵/馬達採用發動機或「制動」的動力將液壓流體泵送到一蓄能器，流體在該蓄能器中相對於一定體積的氣體(例如氮氣)而被加壓。作為一個馬達，加壓流體經過該泵/馬達後得以釋放，並產生動力。
有兩大類液壓複合車輛系統。一類是「串聯」系統，它通過一流體能量路徑來引導發動機產生的所有能量，因此是流體能量側經受了變化的道路阻力。因為流體能量路徑的效率不敏感於能量需求的變化，並且因為發動機與道路行駛阻力沒有聯繫，從而可以在效率峰值處進行工作或關閉，所以就提高了效率。串聯的系統在原理和控制上都比較簡單，但是與其它的系統相比，它的效率潛力較小，這是因為必須要將所有的能量都轉換成流體能量並且再轉成機械動力來推動車輛。它們要達到最佳效率還需要對發動機進行頻繁的開/關。另一類是「並聯」系統，它是在一個直接的、幾乎是傳統的機械傳動線和一個流體能量路徑之間來分隔能量流。因此，便可節省一些在轉換成流體能量並且重新返回時所需的能量。這種系統中最通常採用的是一種「幫助驅動」的方式，這裡的液壓系統主要是用於儲存制動的能量並且重新提供它們來幫助車輛進行下一次加速。由於並聯繫統既需要有一傳統的，也需要有一液壓的能量路徑通向車輪，所以該系統比串聯繫統複雜並且難以進行平滑地控制。根據特定的設計，串聯的和並聯的系統都能使發動機的尺寸有所減小，但是該兩系統還是傾向於要有一個比較大的發動機。
例如，授予Shiber的美國專利4,223,532(1980年9月23日)中揭示了一種液壓的複合傳動系統，該系統中採用了兩個泵/馬達，並且基於一種支持發動機間歇地進行工作的原理。
發明概要因而，本發明的一個目的在於，提供一種能大大減小車輛的內燃發動機尺寸的複合動力系統。
本發明的又一個目的在於，提供一種能使車輛的內燃發動機在接近效率峰值的情況下穩定工作的動力系統。
本發明還有一個目的在於提供一種複合的推進系統，在該系統中可以將由內燃機產生的不需要的能量儲存在一個「緩衝器」中，以用來在(1)當內燃機不能單獨地充分提供車輛所需的輸出力矩時，以及(2)只需要很低的功率輸出而內燃機不能有效工作(例如在交通堵塞時)時，產生驅動力。
本發明的另一個目的在於，提供一種能比以往更為有效地利用內燃機所產生能量的動力系。
本發明還有另一個目的在於，提供一種複合動力系的推進系統，該系統可在保持高效率的情況下，適應道路阻力的極端變化。
本發明提供了一種能滿足上述各個目的的獨特的「並聯」複合推進系統及其工作方法。特別是，本發明的複合動力系車輛包括一個通過可轉動地安裝於其上的驅動輪而支承在一道路表面上的車輛框架。在該車輛框架上安裝著一個主發動機，例如內燃或外燃發動機。該發動機以傳統的方式提供輸出能量和輸出軸。在車輛框架上還安裝了一個作為「緩衝器」的能量儲存裝置，它用來儲存和釋放制動能量和「過剩」的發動機能量。有一個第一傳動系，用來將發動機的能量傳遞給各驅動輪，該傳動系包括一個可連續變化的傳動裝置(CVT)，該傳動裝置具有有效直徑可變的移動式皮帶輪(或者是其它多級變速比的傳動裝置)。
在較佳實施例中，在流體壓力蓄能器和第一傳動系之間插入了一個可逆的流體轉移裝置或「可逆式泵/馬達」，以在一第一方式下通過蓄能器的流體壓力驅動來將馬達的動力輸出給第一傳動系，並且在一第二方式下作為一泵來工作，由第一傳動系驅動並將流體壓力儲存在蓄能器中。在其它的實施例中，能量儲存裝置可以是例如一蓄電池、發電機/交流發電機、以及一電動機的組合。
一第二傳動系用來將能量儲存裝置連接於第一傳動系，從而形成一個「並聯」的推進系統。
對該推進系統的控制部分地是由三個傳感器來提供的，即一車速傳感器、一能量儲存傳感器(例如一用來傳感蓄能器中流體壓力的壓力傳感器)、以及一用來探測駕駛員對車輛的力矩(或動力)需求的力矩(或動力)需求傳感器(例如一用來傳感「風門」踏板位置或「加速器」踏板下沉度的傳感器)。一微處理器包括比較裝置，該裝置用來將所傳感到的儲存能量的大小與一個預定的儲存能量的最小值作比較，並且在確定所述傳感到的值處於或低於所述預定的最小值時產生一個需求信號。該微處理器還包括一力矩輸出確定裝置，該裝置根據需求信號確定一個附加扭矩，並且把傳感到的扭矩需求和該附加扭矩之和確定為發動機輸出扭矩。微處理器還包括一確定發動機速度的處理器，該處理器根據所確定的發動機輸出扭矩和傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且用來輸出指示了所確定的發動機速度的傳動信號。一發動機速度控制裝置通過改變傳動裝置的變速比來控制發動機輸出軸的轉速。在較佳實施例中，這涉及到響應於由確定發動機速度的處理器所輸出的傳動信號來改變CVT的移動式皮帶輪的有效直徑。還有一發動機載荷控制裝置，它響應所述傳動信號，通過控制對所述主發動機的燃油供給而控制發動機的功率。還有一方式控制器使能量儲存裝置在能量儲存和能量釋放的方式之間轉換。在較佳實施例中，該方式控制器既可響應需求信號而使流體轉移裝置在第一和第二工作方式之間切換，亦可響應傳感到的流體壓力來改變流體轉移裝置的排量。
可選擇的是，可在車輛框架上安裝一例如是內燃機的副發動機，以在例如需要爬一個特別陡的坡度時提供附加的發動機動力。當在車輛框架上安裝了副發動機時，需要在副發動機的輸出軸和第一傳動系之間插入一個副發動機離合器，以使副發動機的速度能和主發動機的速度相匹配。
本發明的推進系統還可以有選擇地包括一插入在傳動裝置(CVT)和各驅動輪之間的自由輪離合器，以響應一個零能量需求而使各驅動輪和第一傳動系脫開連接。
在本發明中，通過傳感車速、傳感一流體壓力蓄能器內的流體壓力、以及傳感駕駛員對車輛動力的需求來控制推進系統。一可逆的流體排量裝置(泵/馬達)響應於扭矩需求和在蓄能器中可獲得的流體壓力而在一泵的方式和一馬達的方式之間切換。將傳感到的流體壓力與一個預定的最小值作比較，在確定了所述傳感到的流體壓力低於預定的流體壓力時產生一個需求信號。根據需求信號來確定一個增加流體壓力所需要的附加扭矩，並且將發動機的輸出扭矩確定為傳感到的扭矩需求和附加扭矩的和。一發動機速度控制器響應一個傳動信號，通過改變CVT的一移動式皮帶輪的有效直徑來控制主發動機的轉速。接著，一發動機速度處理器根據所確定的發動機輸出扭矩和傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且輸出一個指示所確定的發動機速度的傳動信號。響應傳動信號，通過控制燃油的供給來控制內燃發動機的輸出功率。
與已有技術相反，本發明的系統在主傳動系中只需要一個泵/馬達，並且可以以這樣的一種方式來利用該液壓子系統，即，可以採用一個非常小的主發動機並且使該發動機儘可能地保持為開動的狀態。
本發明是一個獨特的「並聯」式系統，但同樣也可以以串聯的方式來工作。本發明的系統包括一個接近平均功率需求，而不是峰值功率需求的非常小的發動機。液壓子系統充當了一個功率調節裝置，以「調節」發動機所承受的功率需求。也就是說，該液壓子系統的主要目的是，通過在驅動功率的需求較低時對發動機加附加載荷，在驅動功率需求較高或是峰值時提供附加的功率，從而使發動機工作時儘可能接近其峰值效率。在本發明中，一單個的液壓泵/馬達和一蓄能器可以實現兩種功能。為了對發動機施加附加的載荷，使發動機在一個相應於峰值效率的功率水平上運行，而多餘的能量通過液壓泵/馬達(作為一泵來工作)被引入蓄能器，並以非常小的損失儲存在蓄能器內。為了輸送附加的功率，儲存的能量通過液壓泵/馬達(作為一馬達來工作)而被排入到動力系中。
在最簡單的構造下，於傳動裝置和各車輪之間的離合器裝置可在不需要從動力系獲取動力時，允許進行空轉。然而，為了簡單起見，在發動機、液壓泵/馬達以及傳動裝置之間沒有設置離合器。因此，當泵/馬達在再生制動過程中為蓄能器充填能量時或者是當通過蓄能器本身來傳輸很少量的能量時，發動機偶爾也會被帶動起來。這樣便在動力系上產生了一個會一定程度減低效率的阻力。由於內燃發動機的排量較小而且在該工作方式下的時間量也較小，故與此相關的摩擦損失是比較小的。
本發明包括了至少兩種用於液壓再生制動的構造。在第一實施例中，首先驅動摩擦制動器，之後再採用液壓制動。這種方法減少了控制裝置的複雜程度，(這種複雜性原先是為將各車輪的能量平滑地傳輸出去所需的)，並且在液壓系統失效的情況下確保安全。在第二實施例中，首先發生液壓制動，而添加摩擦制動來作為後備系統。第二實施例顯得更為複雜一些，但是它是較佳的實施例，因為它使得制動的能量得到最大限度的回收。
當從停止狀態開始加速時，發動機通過傳動系中的非液壓部分向各車輪提供動力。如果所需的動力大於發動機所能提供的動力，那麼就可以通過充當一馬達的泵/馬達來提供附加的能量。蓄能器具有足夠的尺寸，以將這些附加的能量連續地供給兩次或更多次。對再生制動而言，需要有至少能進行一次加速的蓄能器容量。在停止而不能進行再生制動的情況下，則需要有供另一次加速所需的容量作為後備。
當達到慣性滑行速度時，能量需求落到一個較低的水平，因為發動機足夠小，能達到相應於平均道路阻力之載荷特性的峰值效率，所以發動機的輸出和道路阻力是匹配的。如果為了保持峰值的工作效率而需要更多的能量時，通過充當一泵的泵/馬達來充填蓄能器，藉以提供附加的載荷。如果蓄能器不能再接受更多的充填，將泵/馬達設定為零排量，並且使發動機只在一個降低輸出的情況下運行。由於發動機的大小接近於平均動力載荷，所以在慣性滑行的過程中，這種設定下的效率損失非常小甚至於沒有。如果載荷非常小，例如在低速、停車和堵車等情況下發生的那樣，還可以將發動機關閉，用充當一馬達的泵/馬達來進行驅動。
當進行制動時，如果在蓄能器中儲存著足夠的未加使用的容量，那麼便可發生再生制動，這時的泵/馬達充當一個泵來充填蓄能器。如果在蓄能器中沒有留下容量，那麼就用摩擦制動。該系統受到控制，因而通常可以獲得足夠的用於再生制動的容量。
如果在慣性滑行期間需要有一個突然的加速，這可以通過使發動機的輸出沿著最佳效率線放提升獲得。在到達最大效率的發動機功率輸出點時，液壓系統被驅動，它通過泵/馬達而從蓄能器獲取附加的能量。
當汽車在交通堵塞時以一個很低的速度蠕動時，發動機被關閉，用泵/馬達和蓄能器來驅動汽車。在這樣一種方式下，這要優於單獨使用發動機，這是因為一泵/馬達甚至可以在很低的速度和很低的能量需求下以一個較佳的效率來工作。
通過正確地選擇構件的尺寸並且使控制系統最優化，可以將系統設計成能使各種目標都達到最優。例如，可以減少碰到a)當可以獲得再生制動的能量時，遇到完全充滿的蓄能器；或b)在沒有機會為蓄能器充能時，通過幾次快速地加速耗盡蓄能器的能量；這兩種情況的機會。
使用一個配有可儲存有限能量的蓄能器的小型發動機，在沿著一個坡度上升時會遇到困難。和加速一樣，爬一個坡度通常需要有較大的功率輸出，但是和加速不同的是，爬一個較長的坡度需要這一功率輸出持續較長時間。由於本發明的工作原理是通過一個液壓蓄能器來提供加速所需能量中的大部分，因而一個長的坡會在短時間內耗盡蓄能器，而車輛將被留下並不充分的能量。
作為一個需要很大蓄能器容量的變化形式，可以再接入一個第二發動機來補充主發動機和蓄能器輸出的能量，並且可持續工作不受時間限制，由於它只被偶爾使用，所以其花費不大而且只要有中等的耐用性即可。
附圖的簡要說明

圖1是一裝備了根據本發明第一實施例的複合動力系推進系統之車輛的示意框圖；圖2a，2b，2c和2d是圖1中所示系統在各種不同的工作方式下，發動機載荷相對於發動機速度的曲線圖；圖3是一裝備了根據本發明第二實施例的複合動力系推進系統之車輛的示意框圖；圖4是一裝備了根據本發明第三實施例的複合動力系推進系統之車輛的示意框圖；圖5是一裝備了根據本發明第四實施例的複合動力系推進系統之車輛的示意框圖；圖6是通過一微機來控制根據本發明的一車輛的工作情況的邏輯流程框圖。
對各較佳實施例的描述圖1示出了本發明的一個實施例，它適於驅動三到四千磅的車輛。用一個非常小的內燃機1(例如20馬力)來為該系統提供能量。能量是沿著構成了一個第一傳動系的傳動軸2來傳遞的，並且可以將能量按線路引入到傳動裝置3，在該實施例中它是一個可連續變化的傳動裝置(cvt)，或者是被引入泵/馬達7(在第二種方式下充當一泵)，或者是引入兩者中。泵/馬達7是一個可逆的液壓轉移裝置，例如，具有可逆向流動特性的斜盤式液壓泵，或者是通過泵體外的閥門來控制反向流動的曲軸液壓泵，這樣便可在第一方式下充當馬達，而在第二方式下充當泵。該泵/馬達7具有可變的排量。用引入泵/馬達7(充當一泵)的能量來將流體泵送到蓄能器6，使流體B相對於一定體積的氣體A加壓。被引入傳動裝置的能量沿著下傳動軸9，通過飛輪離合器4後傳送到車輪5。泵/馬達7是在其第一和第二方式之間切換的，而且它可以響應一個信號FPs而通過一泵/馬達控制器20來改變排量。
當車輪5處需要的動力大於由發動機1單獨傳送的動力時，可以通過泵/馬達7(在第一方式下充當馬達)來提供額外的能量。在這種方式中，蓄能器6中的加壓流體流入泵/馬達7(充當一馬達)後，產生了沿著傳動軸30傳遞到傳動軸2，進而是傳動裝置3，再是各車輪5的能量。液壓蓄能器6、泵/馬達7以及軸30構成了一個「並聯」於第一傳動系的第二傳動系。
標號26表示的是一個發動機控制裝置，例如一個響應信號Es(它是發動機速度的函數)來控制發動機1的燃油供應的燃油注入泵。信號Es可以由處理器18計算出來，或者可以是直接從一轉速傳感器40接收到的信號。
用於車輛操縱的控制硬體包括一車速傳感器，例如能探測飛輪離合器4下遊的傳動軸之轉速的轉速傳感器12；一壓力傳感器16，它用來探測流體壓力蓄能器6中的壓力並且相應於探測到的壓力而產生一個信號Ps；以及一個功率需求傳感器14，例如用來探測「加速踏板」位置的傳感器。一第一處理器42接收到由傳感器16探測到的相應於流體壓力的信號Ps，並且拿探測到流體壓力與一個預定的最小流體壓力作比較，並在傳感壓力探測值低於預定之最小流體壓力時產生一個需求信號FPs。該需求信號FPs被傳送到泵控制器20，使泵/馬達7轉換成作為泵來進行工作的第二方式，從而使能量在蓄能器6中以流體壓力的形式儲存起來。
一第二處理器44根據需求信號FPs以及由傳感器14探測到的能量需求量和所確定的附加能量之和所確定的發動機輸出能量，來確定一個附加的能量。一第三處理器46根據所確定的發動機的總輸出功率確定效率最佳的發動機速度，並按傳感到的車速來給發動機速度控制器24輸出一個指示了所確定的最佳發動機速度的傳動信號Ts。控制器24響應信號Ts，通過改變CVT3的皮帶輪22的有效直徑來調節發動機的速度。處理器42，44和46可以供擇地結合成一包括存儲器48的單個微處理器18。信號Ts是參考一儲存在存儲器48內的兩維映射來確定的，該兩維映射中最佳效率的功率和發動機速度是相併聯的。知道了所需的發動機速度和由傳感器12傳感的車速，就可以計算出信號Ts。該控制系統對下面將要描述的其它實施例也是適用的。
用一個可選擇的副發動機10還可以提供另外的儲存動力。在這種情況下，可以通過一電控的離合器11來接合，從發動機10來的動力可以通過該離合器送入該系統。副發動機10可以為加速困難和重複的情況，以及為需要連續工作以保持長時間高速和/或坡度較陡的情況提供後備動力。副發動機10和離合器11可以如圖所示的那樣安裝(為傳動軸2提供動力)或者是直接向傳動軸9提供動力。發動機10可以是電控地啟動，而離合器11則響應一信號SEs1而接合，該信號是作為例如探測到的「加速踏板」的位置和探測到的蓄能器流體壓力的函數來產生的。離合器11在主發動機的輸出速度下接合副發動機。將主發動機1和副發動機10結合起來時，可以把它們看作是一個可排量發動機的功能等效體。
當車輪需要零動力時，車輛便響應從微處理器18來的信號Cs通過脫開自由輪離合器4而成為慣性滑行的方式。在這種方式下，車輛與傳動系中的轉動摩擦損失便沒有關係了，因而車輛的所有動能都可以用來克服滾動阻力和空氣阻力。離合器4通常是接合的，只有當傳感器14探測到需要有零功率輸出時才會脫開。
當駕駛員剎車時，會發生再生制動。動能從車輪5開始，經過離合器4、傳動裝置3，沿著傳動軸2而進入到泵/馬達7(充當一泵)。泵/馬達7對流體加壓，從而將能量以與上述相同的方式儲存在蓄能器6中。
通過蓄能器6中的流體壓力，可以用以第一方式即以馬達方式進行工作的泵/馬達7來啟動發動機1，因而就不再需要傳統的啟動馬達。
結合圖2A-2D可以更清楚地理解本發明的工作情況。在下面的討論中，術語「最佳效率」指的是速度和負載(即功率)在點A和點B之間的一個範圍，在該範圍內，發動機1的效率被視作合理地接近其最佳效率。
圖2A表示的是圖1所示實例中當能量需求大於的發動機1在最佳效率處(點B)之輸出能量的那種情況(方式1)下的曲線圖。在這種情況下，超過B點的那部分載荷是由泵/馬達7(充當一馬達)提供的，而發動機1則提供了其餘部分。在發動機和泵/馬達的軸沒有連接的各實施例中，發動機1、泵/馬達7和傳動裝置3的輸入軸將以相同的速度工作。可以在不改變這種方式之基本功能的情況下，裝入一個離合器裝置或一個齒輪減速裝置。
圖2B示出了圖1中系統在方式2下的工作情況，即當發動機1的能量需求處於最佳效率範圍內(在功率水平線A和B之間)時的情況。發動機1的能量需求取決於微處理器18，該微處理器考慮了駕駛員14的能量需求以及是否需要對蓄能器6提供能量或者是從中抽取能量。如果不需要再補充蓄能器6，那麼所有的動力都由發動機1來提供，而泵/馬達7則通過控制器20而處於零排量位置(即，空檔位置)，在這個位置上，它既不向蓄能器6泵送流體，也不為系統提供能量。
圖2C示出了發動機1可以滿足駕駛員之能量需求的情況，並具有需要(蓄能器的能量已經到達一個預定的最小水平，但是發動機1可以在最佳的功率水平點(b)上進行工作)，或要求(即，需要發動機在所示的駕駛員能量需求點(a)上以最佳效率進行工作)補充蓄能器(方式3)。當用圖2C中的點(a)或(b)來表示克服道路行駛阻力的需求時，發動機的功率輸出是沿著最佳效率線增加的，一直到可產生足夠剩餘功率的那一點，這裡由點(c)來表示。剩餘功率不是用來克服道路行駛阻力的，它被供給到泵/馬達7(充當一泵)，該泵/馬達將這些剩餘功率儲存在蓄能器6中以用於將來的方式1或方式4的情況。
圖2D示出了方式4，其中經受的是一個通常較小的道路行駛阻力。在這種情況下，發動機不能以可接收的效率來提供這樣小的一個功率，而且在蓄能器6中存在相當大的壓力。流向發動機的燃油流體被關掉，而由泵/馬達7(充當一馬達)來提供動力。
可以把再生制動看作是方式4(圖2D)的一個延伸，方式4中的能量需求量為零。而車輛必須以一個大於滾動阻力和空氣阻力的速度來減速。駕駛員驅動制動裝置，該制動裝置再驅動泵/馬達7(充當一泵)，該泵/馬達如前所述的那樣利用從傳動軸2、傳動裝置3和下傳動軸9傳遞而來的車輪動能來對流體進行加壓。這將會導致一個類似於摩擦制動而引起的減速現象，但是能量被儲存起來而不是被拋棄。
圖3中示出了一個變化型的實施例，它適用於希望進行更大範圍停車和行駛的情況。在連續的停車和行駛的情況中，執行了這樣一種方式，即，泵/馬達在沒有發動機幫助的情況下直接驅動車輛。在這種情況下，於發動機1和泵/馬達7之間設置了一個離合器8，用以在這種方式下使發動機1脫開連接，並且防止與發動機1運轉有關的摩擦。
圖4中還示出另一個實施例，其中在傳動裝置和各車輪之間設置了一第二泵/馬達13。這樣的構造可以使再生的制動能量通過第二泵/馬達13直接傳遞到蓄能器6，從而避了在通過傳動裝置3的過程中發生的摩擦損失。如果當第二泵/馬達13處於空檔位置時其阻力十分小的話，該第二泵/馬達13可以在所有的驅動方式下都處在直接連接於車輪傳動軸9的線路上。為了消除這種「空檔」阻力，可以在第二液壓泵/馬達13和車輪驅動軸9之間加上一個離合器。因為該第二泵/馬達13還可以在加速和慣性滑行的情況下為車輪提供動力，因此它可讓第一泵/馬達7的尺寸減小。小尺寸的泵/馬達7可使這兩套泵/馬達可選擇地運行，因而可以使所選定的馬達與車輪所需的功率更好的匹配，從而提高平均效率。這對於在市區內的駕駛尤為重要，因為在市區內，較低而且是平緩的加速是經常的駕駛方式，與一個大型的泵/馬達相比，一個小型泵/馬達7可以為主發動機1更有效地補充小的功率增量。添加第二泵/馬達13可以應付加速率很高和很急劇的情況，擴大了的等級還可以使傳動裝置大大減小，而這對於CVIs是特別重要的。在爬陡坡時，可以驅動發動機10，並將泵/馬達7當作一個泵來驅動被當作一馬達的泵/馬達13。或者，可以將一泵連接於發動機10，除去離合器11，通過作為一馬達的泵/馬達13來提供維持動力。
圖5中示出了另一個實施例，它包括直接接合於驅動軸9的第二發動機10，它處在自由輪離合器4的上遊或下遊，而不是如圖1，3和4中各實施例那樣處在主發動機1的後面。這種配置可使第二發動機10所產生的能量直接傳遞到車輪5，從而避免了在該傳動線的上遊構件中所引起的能量損失，並且可以用一個比較小的傳動裝置3，而且如果連接在下遊的話，還可以用一個比較小的自由輪離合器4。在這兩個位置上，第二發動機10均可為不同的目的來提供動力，這些目的包括但是不限於為持續的爬坡提供附加的功率，在加速特別困難的時候提供附加的加速功率，在蓄能器耗盡的情況下提供緊急的能量，為使蓄能器或泵/馬達的尺寸減小而對正常加速提供後備動力。為了使選定發動機的尺寸和克服道路行駛阻力的需求匹配得更好而提供可選擇的運行。
圖3所示的實施例有這樣一種改進的可能，即，去掉傳動裝置3，並且通過適當地使用自由輪離合器4而藉泵/馬達7來啟動車輛。
圖4所示實施例有這樣一種改進的可能，即，去掉傳動裝置3(和可選擇的離合器12)，並且在泵/馬達13和車輪驅動軸9之間添加一個離合器。該車輛可以由泵/馬達7(保留離合器8)或者是泵13來驅動。當速度在一特定的最小值(例如每小時20英裡)之上時，發動機1被接合，並且直接為軸輸出能量，其運行如前所述。這種構造可以消除由於蓄能器的壓力耗盡而造成的危險。
下面將結合附圖中的圖6來描述通過微處理器18來控制邏輯流程的情況。圖6示出了一個通過微處理器或計算機單元18來控制流程的流程圖。在步驟S1處，根據從制動傳感器50來的關於制動器是否被接合的信號來作出決定。如果制動器已被接合(Y)，那麼發動機1便被關停或者是脫開連接，以使充當泵的泵/馬達7運行而進行再生制動，將制動的能量轉化成儲存在蓄能器6中的壓力能。在步驟S2處確定除了再生制動之外是否還需要其它制動。如果需要，可以結合使用摩擦制動。在步驟S3處，根據從傳感器14來的信號確定駕駛員是否需要動力。如果不需要動力，程序繼續進行到步驟S4，在這裡，拿蓄能器壓力(它作為從傳感器16傳過來的信號的函數)與一個預定的最小值作比較，如果蓄能器的壓力在該最小值之下，那麼發動機就保持運行，而泵/馬達7作為一個泵來工作，將發動機的能量轉化成流體壓力形式的能量儲存起來。如果步驟S4處的壓力比較的結果是傳感到的流體壓力在預定的最小值之上，那麼就關停或者是脫開發動機，並且使該控制流程重新開始。如果在步驟S3處駕駛員確定需要動力，那麼該控制流程就繼續進行到步驟S5，在那裡確定對於所需的功率輸出和車速發動機是否在最佳效率下進行工作。這個確定是參考儲存在存儲器48中的一個發動機輸出扭矩(即載荷)相對車速的曲線圖上的一用於最佳效率的映射或曲線(該曲線上的每一個點都代表一個特定的能量水平)而作出的。如果在步驟S5處確定了發動機1是在一個最佳效率的範圍內工作，那麼控制流程就繼續進行到步驟S6，在那裡確定傳感到的流體壓力是否處於或者是高於一個預定的非常高的流體壓力值。如果在步驟S6中發現流體壓力高於一個預定的非常大的值，駕駛員所要求的動力便由作為一馬達的泵/馬達7來供給，這時的泵/馬達是依靠蓄能器6釋放出來的流體壓力能還工作的。如果蓄能器或流體的壓力並未達到預定的很高的值，那麼該控制流程便會進行到步驟S7，在那裡拿傳感到的流體壓力與預定的非常低的值作比較，如果它低於這個預定的較低值，流程就進行到步驟S8，在那裡確定是否可以獲得附加的發動機動力，如果可以獲得附加的發動機動力，那麼這種附加的發動機動力便通過作為一泵的泵/馬達7的工作而成為附加的流體壓力能儲存在蓄能器中。如果在步驟S7中傳感到的流體壓力不在預定的很小的值之下，或者是在步驟S8中確不能提供發動機動力，那麼該控制流程便會返回到起點。如果在步驟S5處確定了發動機1不在一最佳的效率範圍內工作，那麼控制流程便會進行到步驟S9，在那裡確定發動機是否在低於最佳效率的範圍內工作。如果在步驟S9處作出的確定是正的，那麼流程便會進行到步驟S10，在那裡拿傳感到的流體壓力與一個預定的低流體壓力值作比較，如果它低於這個預定的低的流體壓力值，那麼發動機的功率便增加，而且泵/馬達7作為一個泵來工作以增加蓄能器6之中的壓力。如果在步驟S10處確定了蓄能器的壓力不「低」的話，便可通過驅動動力系來滿足能量需求，這時的泵/馬達7是作為一馬達來工作，它是由蓄能器6所釋放的流體壓力來驅動的。
如果在步驟S9處確定了發動機不是在最佳效率範圍之下工作，也就是說在最佳效率範圍之上工作，那麼程序便會進行到步驟S11，在那裡拿傳感到的流體壓力與一個預定的「非常低」的流體壓力值作比較。如果在步驟S11中發現流體壓力值低於預定的「非常低」的流體壓力值，那麼副發動機10便開始啟動，離合器11(在圖1的實施例中)被接合，因而兩個發動機便串聯起來工作以驅動車輛。如果在步驟S11處的確定是正的，那麼程序便會進行到步驟S12，在那裡確定是否需要更多的能量。如果確定需要附加的能量，那麼泵/馬達7便作為一馬達來工作以提供附加的能量。如果在步驟S11處確定傳感到的流體壓力高於預定的「非常低」的流體壓力值，那麼副發動機便不會啟動，車輛由主發動機1和作為一馬達進行工作的泵/馬達7驅動。
圖6中的注釋如下(1)設定可連續變化的傳動(CVT)比率和液壓泵的排量，以達到所需的制動程度，直到車輪打滑為止。
(2)設定CVT比率以達到最佳的發動機速度/功率。
(3)設定CVT比率和液壓馬達排量，以達到最佳效率的功率。
(4)設定CVT比率以達到最大功率的發動機速度。
在不偏離本發明的精神和重要特徵的情況下，還可以對本發明作出各種特別形式的實施例。因此，應該將現在的各實施例看成是描述性質的，而不是想有所限制，本發明的保護範圍應由所附權利要求來限定而不是由前述的說明書來限定，在權利要求的含義和等價變換的範圍內作出的所有變化都應落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種複合動力系的車輛，包括一車輛框架；可轉動地安裝在所述車輛框架上的諸驅動輪；一主發動機，它被安裝在所述車輛框架上，用於在一輸出軸上提供發動機動力；能量儲存裝置，它被安裝在所述車輛框架上，用於儲存和釋放由所述主發動機產生的能量；用來將所述發動機動力傳遞給所述諸驅動輪的第一傳動系裝置，所述第一傳動系裝置包括一具有可調節的速度輸入和輸出的傳動裝置；可逆裝置，它可在所述第一方式下工作，將所述發動機動力傳遞給所述能量儲存裝置，或者在一第二方式下作為一個馬達工作，從所述能量儲存裝置將所述儲存的能量傳遞給所述第一傳動系；將所述可逆裝置連接於所述第一傳動系裝置的第二傳動系裝置，它用來在所述第一方式下將所述儲存能量傳遞給所述第一傳動系裝置，並在所述第二方式下將所述發動機動力傳遞給所述可逆裝置；用於傳感車速的車速傳感裝置；用於傳感儲存在所述能量儲存裝置中的能量大小的儲存能量傳感裝置；用於傳感車輛駕駛員對能量需求的能量需求傳感裝置；比較裝置，它用來將所述傳感到的儲存能量的大小與一個預定的儲存能量的最小值作比較，並且在確定所述傳感到的量低於所述預定的量時產生一個需求信號；功率輸出確定裝置，它用來根據所述需求信號確定一個功率附加增量，並且把傳感的功率需求和功率附加增量的和確定為發動機輸出能量；發動機速度控制裝置，它響應一個傳動信號來改變所述傳動裝置的輸入速度，藉以控制所述輸出軸轉速；發動機速度確定裝置，它根據所述確定的發動機輸出能量和傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且用來將指示了所確定的發動機速度的傳動信號輸出給所述發動機速度控制裝置；發動機載荷控制裝置，它響應所述傳動信號，通過控制對所述主發動機的燃油送給而控制所述發動機功率；方式控制裝置，它用來使所述可逆裝置響應需求信號而在所述第一和第二方式之間轉換。
2.如權利要求1所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括一副發動機；一副發動機離合器，它響應傳感到的功率需求而使所述副發動機的輸出軸連接於所述第一驅動裝置。
3.如權利要求2所述的複合動力系車輛，其特徵在於，所述比較裝置將傳感到的功率需求與所述主發動機的一個預定的最大值作比較，並且產生一個啟動所述副發動機的命令信號，而當所述傳感到的功率需求超過所述預定的最大值時接合所述副發動機離合器。
4.如權利要求3所述的複合動力系車輛，其特徵在於，所述命令信號只是在確定了所述傳感到的儲存能量的量低於所述預定量時才會產生。
5.如權利要求1所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括插入在所述傳動裝置和所述驅動輪之間的自由輪離合器，它響應一個指示了傳感到的零功率需求的信號而使各驅動輪與所述第一傳動系脫開。
6.如權利要求1所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括一個存儲器，該存儲器儲存了一與所述最佳發動機速度和發動機輸出功率的值相關的映射；其中所述發動機速度確定裝置為所述映射施加了所述確定的發動機輸出功率和所述傳感到的車速，以確定最佳效率的發動機速度。
7.一種用來控制裝備有複合動力系推進系統之車輛的方法，所述系統包括諸驅動輪、一為驅動輪提供動力的主發動機、可逆驅動裝置、用於儲存由所述主發動機產生之能量的能量儲存裝置、一具有可調節的速度輸入和速度輸出的傳動裝置、以及用來改變所述傳動裝置之輸入速度的發動機速度控制裝置，所述方法包括如下步驟傳感所述車輛的速度；傳感所述能量儲存裝置內所儲存能量的量；傳感駕駛員對車輛動力的需求；通過該可逆驅動裝置從能量儲存裝置傳送能量，利用作為一馬達的可逆驅動裝置，響應一指示了一高於主發動機之輸出功率的需求功率的信號來驅動所述諸驅動輪；利用所述可逆驅動裝置，響應一個傳感到的低於一預定值的儲存能量的數量，將主發動機輸出能量的一部分傳遞給所述能量儲存裝置；將傳感到的儲存能量的數量與一個預定的最小值作比較，並且在確定了所述傳感到的儲存能量的數量低於所述預定的最小值時產生一個需求信號；根據該需求信號來確定一個附加的輸出功率，並且將發動機的功率確定為傳感到的功率需求與附加輸出功率之和；響應一個傳動信號，通過改變傳動裝置的輸入速度來控制主發動機的轉速；以及根據所確定的發動機輸出功率和傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且根據所確定的發動機速度來輸出傳動信號。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述推進系統包括一個存儲器，它儲存了與所述最佳發動機速度和所確定的發動機輸出功率的值相關的第一儲存映射，以及一與車速和所述傳動信號的值相關的第二映射，每個所述傳動速度都表示一個為達到最佳的發動機速度的傳動速度(變速)比，其中通過對所述映射施加所確定的發動機輸出動率和一傳感到的車速來確定最佳的發動機速度，以對所述確定的發動機輸出功率和所述傳感到車速選擇一個最佳效率的發動機速度，並且設定所述傳動信號。
9.一種複合動力系的車輛，包括一車輛框架；可轉動地安裝在所述車輛框架上的諸驅動輪；一主發動機，它被安裝在所述車輛框架上，用於在一輸出軸上提供發動機動力；一流體壓力蓄能器，它被安裝在所述車輛框架上，用於儲存和釋放流體壓力；用來將所述發動機動力傳遞給所述諸驅動輪的第一傳動系裝置，所述第一傳動系裝置包括一具有至少一個有效直徑可變的皮帶輪的連續可調節的傳動裝置；可逆流體排量裝置，它在所述第一方式下作為一馬達工作並藉所述蓄能器釋放的流體壓力來流體地驅動，以將馬達的能量輸出到所述第一傳動系，或者是在一第二方式下作為一泵工作並由所述第一傳動系驅動，以儲存所述流體壓力；將所述流體排量裝置連接於所述第一傳動系裝置的第二傳動系裝置，它用來在所述第一方式下將所述馬達的能量傳遞給所述第一傳動系裝置，並在所述第二方式下將所述發動機動力傳遞給所述流體轉移裝置；用於傳感車速的車速傳感裝置；用於傳感所述蓄能器中流體壓力的壓力傳感裝置；用於傳感駕駛員對車輛功率需求的功率需求傳感裝置；比較裝置，它用來將所述傳感到的流體壓力與一個預定的流體壓力的最小值作比較，並且在確定所述傳感到的流體壓力低於所述預定的流體壓力時產生一個需求信號；發動機輸出功率確定裝置，它用來根據所述需求信號確定一個附加的功率增量，並且把傳感到的功率需求和附加的功率增量之和確定為發動機輸出功率；發動機速度控制裝置，它響應一個傳動信號來改變所述皮帶輪的有效直徑，藉以控制所述輸出軸轉速；發動機速度確定裝置，它根據所述確定的發動機輸出功率和所述傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且用來將指示所確定的發動機速度的傳動信號輸出到所述發動機速度控制裝置；發動機載荷控制裝置，它響應所述傳動信號，通過控制對所述主發動機的燃油進給而控制所述發動機功率；以及方式控制裝置，它用來使所述流體排量裝置響應需求信號而在所述第一和第二方式之間轉換，並且響應傳感到的流體壓力來改變所述流體排量裝置的排量。
10.如權利要求9所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括一副發動機；一副發動機離合器，它響應傳感到的功率需求而使所述副發動機的輸出軸連接於所述第一驅動裝置。
11.如權利要求10所述的複合動力系車輛，其特徵在於，所述比較裝置將傳感到的功率需求與所述主發動機的一個預定的最大功率作比較，並且當所述傳感到的功率需求超過所述預定的最大值時產生一個啟動所述副發動機並且連接上所述副發動機離合器的命令信號。
12.如權利要求11所述的複合動力系車輛，其特徵在於，所述命令信號只是在確定了所述傳感到的流體壓力低於所述預定的流體壓力時才會產生。
13.如權利要求9所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括一插入在所述傳動裝置和所述驅動輪之間的自由輪離合器，它響應一個指示傳感到的零功率需求的信號而使各驅動輪與所述第一傳動系脫開。
14.如權利要求9所述的複合動力系車輛，其特徵在於，它還包括一個存儲器，該存儲器儲存了一個與所述最佳發動機速度和發動機輸出功率的值相關的儲存映射；其中所述發動機速度確定裝置為所述映射施加了所述確定的發動機輸出功率和所述傳感到的車速，以確定最佳效率的發動機速度。
15.一種用來控制裝備有複合動力系推進傳動系統之車輛的方法，所述系統包括諸驅動輪、一為驅動輪提供動力的主發動機、一可逆的流體排量裝置、一用於儲存流體壓力的蓄能器、一具有一有效直徑可變的移動式皮帶輪的可連續變化的傳動裝置、以及用來機械地移動皮帶輪以改變其有效直徑的控制器，所述方法包括如下步驟傳感所述車輛的速度；傳感所述蓄能器內的流體壓力；傳感駕駛員對車輛動力的需求；通過一可逆的流體排量裝置從蓄能器傳送流體壓，利用作為一馬達的流體轉移裝置，響應一指示高於主發動機之輸出的功率需求信號來驅動所述諸驅動輪；將所述流體壓力泵送入所述蓄能器，響應一個傳感到的低於一預定值的流體壓力，利用所述主發動機輸出功率中的一部分來驅動作為一泵的可逆流體排量裝置，將傳感到的流體壓力與一個預定的最小流體壓力值作比較，並且在確定了所述傳感到的流體壓力低於所述預定的低的流體壓力值時產生一個需求信號；根據該需求信號來確定一個附加的輸出功率，並且將發動機的輸出功率確定為傳感到的功率需求與附加輸出動力之和；響應一個傳動信號，通過改變移動式皮帶輪的有效直徑來控制主發動機的轉速；以及根據所確定的發動機輸出功率和傳感到的車速來確定一個最佳效率的發動機速度，並且根據所確定的發動機速度來輸出傳動信號。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述推進系統包括一個存儲器，它儲存了與所述最佳發動機速度和發動機輸出能量的值相關的第一儲存映射，以及與車速和所述傳動信號值的相關的第二映射，每個所述傳動速度都表示一個為達到最佳的發動機速度的傳動速度(變速)比，其中通過對所述諸映射施加所確定的發動機輸出動率和一傳感到的車速來確定最佳的發動機速度，以為所述確定的發動機輸出功率和所述傳感到的車速選擇一個最佳效率的發動機速度，並且設定所述傳動信號。
全文摘要
通過調節一連續可變的傳動裝置(CVT)(3)的輸入速度，可以控制發動機(1)的輸出速度達到最佳效率。當功率需求大於發動機(1)所能提供的功率時，從一個由儲存在蓄能器(6)中的流體壓力來驅動的流體馬達(7)向傳動系輸入附加的能量。當在行駛條件下，處於最佳工作效率下的發動機(1)產生了大於車輛所需的功率時，流體馬達(7)反過來作為一個泵來工作，多餘的發動機動力被用來驅動泵(7)，並且將能量以流體壓力的形式儲存在蓄能器(6)中。一CPU(18)將所需的發動機輸出功率確定為由一傳感器(14)傳感的駕駛員對車輛功率的需求與將蓄能器(6)中的壓力保持在一個閾值之上而所需的功率增量之和。
文檔編號B60K6/12GK1149856SQ95193378
公開日1997年5月14日 申請日期1995年6月2日 優先權日1994年6月3日
發明者查爾斯L·小格雷, 卡爾H·海爾曼, 麥可J·薩夫汀 申請人:美國環境保護署