專利名稱：氫燃料混合動力系以及車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體通常涉及混合電動車，具體而言涉及混合電動動力系以及通過氫燃料內(nèi)燃機所提供動力的車輛。
背景技術(shù)：
近年來汽車制造商進行了集中的研究和開發(fā)以實施和商業(yè)化更快的車輛燃料電池和汽油混合電動車輛(HEV)技術(shù)。燃料電池技術(shù)利用電化學轉(zhuǎn)換裝置，諸如PEM和固態(tài)氧化物燃料電池來產(chǎn)生沒有尾管發(fā)射物的驅(qū)動力。沒有完全消除尾管發(fā)射物的汽油混合物可以用當前燃料電池技術(shù)成本的一部分來顯著地改良燃料的經(jīng)濟性。
可選地，組合氫動力內(nèi)燃機以及混合電學功能的優(yōu)點的動力系已經(jīng)被提出。在諸如美國專利申請2002/0098414中，公開了一種具有非常低排放的混合電動車，具有氫動力內(nèi)燃機，金屬氫化物氫存儲單元、電動機以及鎳金屬氫化物電池。但是，由于在使用在內(nèi)燃機中時氫氣的較低的功率密度所導致的問題是動力系在較寬范圍的操作速度上傳送汽油引擎狀性能的能力問題。之所以如此的原因是氫內(nèi)燃機通常與貧燃料空氣/燃料比例(fuel-lean air/fuel ratio)來進行操作以保持燃燒的穩(wěn)定性。
這樣，發(fā)明人意識到需要將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機和HEV技術(shù)相適應以利用氫燃料并且這樣實現(xiàn)尾管排放的相當?shù)臏p小，同時與傳統(tǒng)的汽油動力引擎相比，保持混合功能和性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種動力系，包括主動力產(chǎn)生系統(tǒng)，用于產(chǎn)生主驅(qū)動扭矩；輔助動力系統(tǒng)，具有與貧(lean)氫氣燃料混合一起操作的氫燃料內(nèi)燃機；內(nèi)燃機，具有至少一個充氣助推裝置，用于在動力系的操作速度的范圍上增加主驅(qū)動扭矩；以及輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)，具有至少一個電動扭矩產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生輔助驅(qū)動扭矩，輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)被構(gòu)造和安置這樣輔助驅(qū)動扭矩在至少動力系的較低的操作速度范圍上補償被助推的主驅(qū)動扭矩。
優(yōu)選地，分離離合器被設置在主產(chǎn)生動力系統(tǒng)(引擎)以及輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)(電動機)之間用于將主動力產(chǎn)生系統(tǒng)從輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)脫離以及配合，以及用于通過輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)傳送助推主驅(qū)動扭矩。動力傳輸系統(tǒng)連接到輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出用于接收助推主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合，助推主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合在至少動力系的較低的操作速度范圍上具有改良的扭矩特性。
由于內(nèi)燃燒使用低功率密度氫而在貧空氣/燃料比率上操作，提供了增壓(supercharging)以助推引擎的輸出扭矩。增壓改良了在更高的引擎速度上的性能，但是沒有改良在較低的引擎速度上的性能。有利地，電動機的輸出扭矩補充了較低引擎速度上的引擎輸出扭矩，這樣組合的ICE/混合動力系執(zhí)行更為與傳統(tǒng)的汽油動力動力系相似，但是具有基本減小的碳氫和CO2排放，并且具有混合功能的優(yōu)點，即，開始/結(jié)束、電動模式、啟動協(xié)助和動能恢復。
通過利用氫動力HEV動力系，可以實現(xiàn)排放和燃料節(jié)省的限制改良，但是比可比較的燃料電池動力車輛具有更低的成本。由于成本優(yōu)點的結(jié)果，所要求的氫動力HEV車輛可以產(chǎn)生更大的需求并且這樣加速了最終需要用于氫燃料電池車輛的氫基礎結(jié)構(gòu)的發(fā)展。


本發(fā)明將通過示例并參照附圖進行詳細的說明，其中圖1是通常的混合動力系系統(tǒng)的表示的示意方框圖；圖2a-2c是說明可應用到圖1的通常的混合動力系系統(tǒng)表示的不同的動力傳動單元的示例的示意方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的典型混合動力系的方框示意圖；圖4是使用在圖3的混合動力系中的氫燃料內(nèi)燃燒的實施例的示意圖；圖5是使用在圖3的混合動力系中的模塊混合動力傳動系統(tǒng)的實施例的示意圖；
圖6包括用于非混合動力系系統(tǒng)的扭矩對速度特征的曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的混合動力系系統(tǒng)的扭矩對速度特征的視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于混合動力系系統(tǒng)的動力對速度特征的曲線圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的具有氫燃料內(nèi)燃機和模塊混合傳動系統(tǒng)的示例的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的具有氫混合動力系的等矩(isometric)視圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明具有氫混合動力系的車輛的等矩視圖；圖12是利用氫燃料注射器來改變?nèi)剂狭鲃拥姆椒ǖ牧鞒虉D，所述氫燃料注射器具有不同的最大流動速率；以及圖13是用于傳感根據(jù)本發(fā)明的氫動力內(nèi)燃機中的吸入集管逆火(backfire)的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的混合車輛系統(tǒng)100用的通常結(jié)構(gòu)。所述系統(tǒng)100包括主動力源112、諸如汽油、柴油或者氣體燃料供給裝置，所述主動力源112連接到主動力產(chǎn)生系統(tǒng)114，諸如內(nèi)燃機。主動力產(chǎn)生系統(tǒng)114產(chǎn)生通過動力傳動組件116被傳送到車輛的動力傳動系統(tǒng)(driveline)128的驅(qū)動扭矩。
動力傳動組件116可以是傳統(tǒng)的手工、自動或者連續(xù)變化的自動傳動裝置，或者其它等同的齒輪機構(gòu)，用于將產(chǎn)生的機械動力傳送到主動力產(chǎn)生系統(tǒng)114。所述系統(tǒng)110還包括輔助動力源118，諸如電池、超電容，水力蓄力器或者其它能量存儲裝置，以及輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)120，諸如一個或者多個電動機械或者其它扭矩產(chǎn)生裝置，用于補充通過主動力產(chǎn)生系統(tǒng)114所傳輸?shù)尿?qū)動扭矩。所述系統(tǒng)還可以包括連接到輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)126的輔助動力源124，諸如燃料電池系統(tǒng)或者輔助動力單元(APU)，用于提供額外的驅(qū)動扭矩。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，主動力產(chǎn)生系統(tǒng)114是氫燃燒內(nèi)燃機。氫動力源112可以包括壓縮氫氣存儲系統(tǒng)，或者諸如金屬氫化物存儲系統(tǒng)的低壓系統(tǒng)。動力傳動組件116將內(nèi)燃機114和輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)120的輸出傳送到車輛動力傳動系統(tǒng)128。動力傳動組件116優(yōu)選地是被構(gòu)造和安置具有輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)120的無轉(zhuǎn)換器自動傳動裝置，優(yōu)選地是集成高壓電機/發(fā)電機。有利地，動力傳動組件116和輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)120可以被封裝為單個模塊混合傳動單元122。
圖2a-2c顯示了能夠應用到本發(fā)明的典型混合動力系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖2a顯示了具有連接到模塊混合傳動單元204的氫燃料內(nèi)燃機202的所謂“串聯(lián)”混合結(jié)構(gòu)200。模塊混合傳動單元204包括發(fā)電機208，所述發(fā)電機208產(chǎn)生電能，用于通過電動機210和齒輪組212來對車輛驅(qū)動輪218提供動力。電力存儲裝置206在內(nèi)燃機產(chǎn)生比需要更多的動力時通過發(fā)電機208存儲電能，并在功率要求超過引擎功率輸出時通過電機210補充引擎功率。圖2b顯示了所謂的“并聯(lián)”混合結(jié)構(gòu)220，其中模塊混合傳動單元224通過具有氫燃料內(nèi)燃機202、聯(lián)結(jié)裝置228以及齒輪組230的第一動力路徑和具有電機/發(fā)電機232、聯(lián)結(jié)裝置234和齒輪組230的第二動力路徑傳輸動力傳動系統(tǒng)扭矩。在一個實施例中，聯(lián)結(jié)裝置228、234可以是相同的裝置。圖2c顯示了所謂的“并聯(lián)-串聯(lián)”結(jié)構(gòu)30，其中模塊混合傳動單元244包括通過諸如行星齒輪組電動和/或者機械聯(lián)結(jié)的電機/發(fā)電機252、253以將動力傳送到齒輪組250和動力傳動系統(tǒng)218。
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型混合動力系系統(tǒng)300的方框示意圖。所述系統(tǒng)300包括氫燃料內(nèi)燃機302，此實施例參照圖4在下面進行說明，以及模塊混合動力系統(tǒng)310，其實施例將參照圖5在下面進行說明。模塊混合傳動系統(tǒng)310包括可以可選地配合和脫離配合以將動力系300作為并聯(lián)混合系統(tǒng)來操作的離合器機構(gòu)。當離合器機構(gòu)312被配合時，引擎302的扭矩輸出被傳送以補充電機/發(fā)電機314的扭矩輸出，其連接到電池320。當操作作為電機時，電機/發(fā)電機314使用存儲在電池320中的電能，并且當操作作為發(fā)電機時，電機/發(fā)電機314提供電荷給電池320。
圖4顯示了用作圖3的混合動力系系統(tǒng)一部分的氫燃料內(nèi)燃機400的示意圖。通過示例但不是限制的引擎400是氫氣燃燒、四沖程、端口燃料噴射內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機具有多個氣缸402(只有一個被顯示)，每個氣缸具有燃燒室410和對應的與連接桿414和曲柄軸416協(xié)作的往復活塞412。根據(jù)一個實施例，活塞412被優(yōu)化用于大約12.2∶1的壓縮比并從鍛造鋁活塞所構(gòu)造?；钊?12的特征在于基本扁平的活塞頭和被優(yōu)化用于120巴峰值氣缸壓力的環(huán)形襯墊411。完全浮動、襯套類型活塞銷413將活塞412連接到連接桿414，與相似的汽油引擎連接桿相比，所述連接桿414從4340鋼車加工并縮短以容納環(huán)形襯墊411。
多個凸輪軸組件418、420被分別機械地聯(lián)結(jié)到吸入和排放閥422、424，其被操作以與各吸入和排放集管相連通。優(yōu)選地，所述閥422、424包括鎢鉻合金(Stellite)保護面和硬化閥座以改良由于氫燃料的減小的潤滑而導致的耐磨性。
被顯示一起由參考數(shù)字454、456所示的雙軌燃料噴射器系統(tǒng)包括高燃料流速噴射器454(只顯示了一個)以及低燃料流動噴射器456(再次只顯示了一個)。優(yōu)選地是盤形汽油燃料噴射器的噴射器454、456通過引擎控制模塊(ECM)914來控制(參看圖9)，其調(diào)節(jié)從壓縮氣體、金屬氫化物或者其它氫存儲介質(zhì)的氫燃料的供給。由于氫具有非常寬的燃燒范圍，ECM914名義上操作燃料噴射器454、456以在各燃燒室410中提供貧空氣/燃料混合物。通過示例而不是限制，與具有相似傳統(tǒng)汽油動力引擎的大約14.7∶1相比，引擎400可以在高速路巡航的過程中以大約86∶1的空氣/燃料比例進行操作。
在貧瘠狀態(tài)(lean regime)中的引擎400的操作允許燃料效率改良，而沒有預燃或者所謂的引擎“撞擊”。在一個實施例中，低流速噴射器456在較低的引擎速度上被操作，高流速噴射器454在較高的引擎速度上操作。燃料只在吸入閥422被打開并且排放閥424被關(guān)閉時被噴射到各燃燒室410中。此“后燃料噴射時序”允許在重疊的過程中引入冷卻排氣閥424的空氣，以最小化逆流而著火/逆火的發(fā)生。有利地，“噴射時序的結(jié)束”被固定在180度(吸入沖程的BDC)上，周期20-170度，這樣燃料不會在排放閥被關(guān)閉之前被噴射。
燃料噴射器454、456具有部分重疊的流動速率。換言之，用于較高流動速率噴射器454的最小的可實施的流動速率與較低流動噴射器456的最大流動速率相等同。這允許燃料傳送速率中的較寬的尺寸改變用于在不利的不連續(xù)的情況下被容納。這通過使用電動控制的噴射器來實現(xiàn)，所述噴射器被打開可變的時間周期，這樣的周期被稱為脈沖寬度。此方法被顯示在圖12中。相應地，當氫流被增加，如當在方框1214中所設置的問題的回答是“是”的話，低流動噴射器456的脈沖寬度通過控制器914來增加到方框1126上的重疊流速值，此時高流動噴射器454將用對應方框1218上的重疊值的脈沖寬度來操作。同時在方框1218上，低流動噴射器456的脈沖寬度將被減小，這樣來自噴射器組的整個流動將與原先來自低流動噴射器456的重疊流動速率相同。此后，高流動噴射器454的流動速率可以通過控制器914來進一步增加，并且低流動速率噴射器的流動速率可以被進一步減小，直到低流速噴射器456被關(guān)閉。在燃料傳輸從較高燃料速率減小時，高燃料流速噴射器454的脈沖寬度將在方框1222上減小到重疊值，并且在方框1224上，低流速噴射器456將在重疊值上操作，同時高流速噴射器456被同時關(guān)閉。
迅速控制氫燃料流動的能力對于具有本發(fā)明的動力系系統(tǒng)的至少一個額外的理由而言是重要的。因為端口噴射氫燃料往復內(nèi)燃機的吸入集管中的可能的逆火問題在于特定的操作狀態(tài)中，引擎400具有安裝在吸入壓力通風系統(tǒng)449中的溫度和絕對壓力(TMAP)傳感器447(圖4)。
TMAP傳感器被使用在用于控制逆火的方法中，如通過圖13中的流程圖來說明。逆火典型地導致吸入集管溫度的立即增加并且有時也導致壓力迅速增加。在方框1312上，TMAP傳感器447連續(xù)地傳感這些吸入壓力通風系統(tǒng)溫度和壓力。然后，在方框1314上，引擎控制器914比較用于溫度的測量值(如果需要，壓力)和預定的閾值。如果在方框1314上的回答是“否”，程序只是繼續(xù)。如果回答是“是”，程序繼續(xù)到方框1316，其中控制器914通過將噴射器脈沖寬度設置為0而切斷燃料。然后在方框1318上，控制器914檢查來觀察傳感器和經(jīng)過的時間是否指示逆火被停止。如果是這樣，提供燃料將在方框1320上繼續(xù)。在非提供燃料的周期的過程中，電動系統(tǒng)可以在方框1322上被使用以補償否則將發(fā)生的扭矩不足。當然，電動驅(qū)動協(xié)助將只在如果遇到諸如適當?shù)碾姵爻潆姞顟B(tài)，適當?shù)穆匪僖约捌渌鼦l件的不同的條件時可以獲得。
火花塞460(只有一個被顯示)被電學地聯(lián)結(jié)到點火系統(tǒng)462，優(yōu)選地所謂的“coil-on-plug”點火系統(tǒng)，這也通過ECM 914來進行控制。
引擎400還包括至少一個充氣助推裝置436，諸如離心類型的增壓器，用于增加引擎的動力輸出。在本發(fā)明的實施例中，離心增壓器從引擎的前端輔助驅(qū)動器(FEAD)皮帶驅(qū)動并名義上在5000rpm的引擎速度上提供90kpa(gage)助推。但是增壓具有加熱吸入空氣的不利效果并且這樣使得引擎更為易于預燃。這最終限制了引擎的動力輸出。由此，為了最小化空氣加熱，雙階段(dual stage)互冷系統(tǒng)被提供，如在美國專利申請No.09/683,072中所描述，這由本轉(zhuǎn)讓人所有并由此并入以供參考。雙階段互冷系統(tǒng)包括空氣對空氣(air-to-air)中間冷卻器438，其與增壓器436相連通，以及設置在空氣對空氣中間冷卻器438的下游上的空調(diào)對空氣中間冷卻器442用于進一步減小空氣的溫度。名義上，空調(diào)對空氣中間冷卻器442使用R-134作為冷卻介質(zhì)在較高的助推條件之下操作。
油消耗控制措施被設置以防止自動點火并基本減小碳基和有毒氧化物排放。相應地，氣缸402被車加工，使用波紋鋼板氣缸鉆頭珩磨，以優(yōu)化氣缸壁的幾何形狀。環(huán)形襯墊411中的活塞環(huán)的端部間隙被優(yōu)化用于增加的壓力和可靠性，閥桿密封件最小化所拉動的油并改良抗磨損。
并入分離器452和止回閥446、448以及文氏管434的曲軸箱正壓通風(PCV)系統(tǒng)也被包括以將油蒸汽從曲柄箱氣體中移除。這樣的系統(tǒng)在美國專利No.6,606,982中進行了說明，其由本發(fā)明的受讓人所擁有并由此并入以供參考。PCV系統(tǒng)是發(fā)射控制系統(tǒng)，其設計用于從曲柄箱和提取被燃燒和部分燃燒的氣體并重新燃燒它們，并且特別地可以與加壓/真空引入系統(tǒng)來使用以提供改良的油/空氣分離。
由于貧空氣/氫氣燃料混合物、增壓和中間冷卻的結(jié)果，圖4的引擎400被優(yōu)化用于最大的效率，動力和范圍。此外，如上所述的油控制措施用于基本最小化引擎400中的碳氫化合物、NOx、和CO2排放物。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型混合動力系500系統(tǒng)的橫截面視圖。動力系500允許“完全”的混合功能，包括引擎開始/停止，引擎助推、再生制動(動能恢復)以及電動驅(qū)動。動力系系統(tǒng)500從左到右包括氫燃料內(nèi)燃機400、一體電機發(fā)電機(M-G)/分離離合器組件510以及動力傳動組件550。優(yōu)選地，組件510、550被一起作為“模塊混合傳動系統(tǒng)”而封裝在一起，這通過圖1中諸如參考數(shù)字122來識別。模塊混合傳動系統(tǒng)現(xiàn)在將在下面進行說明，并且進一步地在美國專利No.6,585,066中進行了說明，美國專利No.6,585,066由本受讓人所擁有并且此處并入以供參考?？蛇x的實施例在美國專利No.6,176,080中進行了說明，其也通過本受讓人所擁有并且此處并入以供參考。
參照圖5，集成M-G/分離離合器組件510包括設置在氫內(nèi)燃機400和動力傳動組件512之間的殼體514。通過螺栓或者其它適當?shù)倪B接裝置將殼體連接至一端上的發(fā)動機組499以及至另外一個上的傳動殼體552上的殼體。殼體514用作電動機-發(fā)電機的封閉物，“浸油離合器”組件和阻尼組件。名義上，電動機-發(fā)電機是感應型電動機械，具有定子518和轉(zhuǎn)子520和至少25kW的最大動力輸出。但是，電機-發(fā)電機的實際尺寸可能依賴于動力系的功率輸出要求和對應的電存儲裝置的電動功率能力。
替換傳統(tǒng)的液壓動力扭矩轉(zhuǎn)換器的浸油離合器組件被軸向地安置在連接到傳動殼體的支撐軸承軸522上的轉(zhuǎn)子520之內(nèi)。離合器組件包括浸油離合器氣缸524用于容納環(huán)形活塞526，所述環(huán)形活塞526與氣缸524協(xié)作以形成壓力腔。壓力腔通過多個液壓通道(未示出)所供給并用于使得多個安置在離合器支撐部件530上的離合器板528動作。當離合器板被釋放時，混合動力系500可以在電動模式中操作，因為電機-發(fā)電機扭矩只是傳輸?shù)絺魉洼斎胼S542的扭矩。離合器釋放時，動力系也可以在動能恢復和再生制動模式中操作。當離合器板528被配合時，引擎被機械地聯(lián)結(jié)到傳送輸入軸542，由此補充在傳輸輸入上的電機-發(fā)電機扭矩，如果有的話。當離合器被配合時，動力系500可以只在引擎模式中操作，或者組合引擎/電機模式(例如，啟動協(xié)助)，并且用于開始/停止操作所述引擎的電機-發(fā)電機。
盡管浸油離合器組件是優(yōu)選的，此處所要求權(quán)利的發(fā)明也利用干摩擦元件。但是，浸油離合器組件是優(yōu)選的，因為其與美國專利No.6,176,080中所描述的干元件相比，顯示了更為穩(wěn)定的摩擦特征。此外，通過浸油離合器設計，具有傳動流體的電機518、520的噴灑可以冷卻電機的端部繞組，這反過來改良了電機的恒定動力操作。同樣，封裝成本通過使用襯套而被減小以安裝轉(zhuǎn)子520而不是軸承。
阻尼器組件被提供以最小化來自氫燃料內(nèi)燃機的扭轉(zhuǎn)振動。所述組件包括輪軸532、阻尼器驅(qū)動板534、阻尼器彈簧536、阻尼器殼體538，以及曲柄軸驅(qū)動板540。如圖5中所示，輪軸532與離合器支撐元件530以及阻尼器驅(qū)動板534相連通。反過來阻尼器驅(qū)動板534與阻尼器彈簧536相連通，這被選擇或者反過來進一步最小化氫燃料內(nèi)燃機的扭轉(zhuǎn)振動。反過來阻尼器彈簧538與阻尼器殼體538相協(xié)作，其機械地固定到曲柄軸驅(qū)動板540。曲柄軸驅(qū)動板540反過來固定到曲柄軸416。
圖5的模塊混合傳動系統(tǒng)還包括動力傳動組件550。通過系統(tǒng)的模塊設計，傳動組件550可以是任何人工、自動或者連續(xù)的可變傳送機構(gòu)，適于混合和非混合應用。只是通過示例而不是限制，此處參照圖5所描述的傳動組件(通過示例而不是限制)是ZF-Batavia的CD4E 4速自動傳動機構(gòu)的修改版。其它的傳送機構(gòu)和齒輪布置可以在不影響權(quán)利要求的情況下使用。
動力傳動組件550包括液壓控制組件554，其設置在傳動殼體552的一側(cè)上。液壓控制組件554包括閥室556和電動模塊558用于容納電動開關(guān)元件。與設有傳動機構(gòu)550的不同的離合器裝置一起，液壓控制組件554被用于配合和脫離上述的分離離合器組件。在引擎關(guān)閉的過程中，集成到閥室552中的較小的電動泵(未示出)保持所需量的液壓至傳動組件550。
相對本發(fā)明的實施例，傳動機構(gòu)550包括五個獨立的離合器/摩擦元件用于提供至少四個前向驅(qū)動齒輪比和一個反向齒輪比反向齒輪558、直接離合器560、前向離合器562、低和反向制動器564和斷帶(break band)566。每個離合器/摩擦元件558、560、562、564和566通過行星齒輪組568、570、572和鏈574來構(gòu)造以產(chǎn)生如上述美國專利No.6,585,066中詳細描述的前向和反向齒輪比值。所獲得的扭矩通過行星齒輪組572被傳送到差分齒輪576，并最終傳動到半軸578和580。可選地，額外的或者修改的齒輪裝置被設置在行星齒輪組572的輸出部上以提供四輪驅(qū)動能力。
這樣，非常低排放“并聯(lián)”混合動力系系統(tǒng)通過將圖5的模塊混合傳動系統(tǒng)與圖4的氫內(nèi)燃機相組合來實現(xiàn)。動力系用并聯(lián)混合系統(tǒng)可以只操作氫引擎或者電動機之一作為動力產(chǎn)生源，或者在提供額外的動力時操作引擎和電機。混合動力系使得能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動功能，所述功能恢復動能作為電動能量，所述能量否則在制動的過程中將作為熱能喪失。在后續(xù)的啟動、加速、通過或者爬山操作過程中，諸如被恢復的電能可以被用于(至少部分地)對車輛提供動力。動力系也使得能夠電動車輛模式操作以及引擎開始/停止。對于引擎啟動/停止，例如，引擎可以自動關(guān)閉以節(jié)省燃料和低排放。當制動踏板被釋放、進行加速、車輛系統(tǒng)控制器無縫地控制電機以重新啟動引擎并重新配合分離的離合器。
現(xiàn)在參照圖6-8，其顯示了參照圖4-5所描述的氫燃料混合動力系系統(tǒng)的優(yōu)點。曲線610-650每個顯示了在引擎操作速度的較寬范圍之上最大的引擎輸出扭矩(Nm)，即在傳動輸入驅(qū)動軸上可獲得的曲柄軸扭矩。曲線610顯示了用于傳統(tǒng)的2.3L汽油燃料內(nèi)燃機的扭矩/速度特性。在1000-5000rpm的操作范圍之上，用于汽油燃料內(nèi)燃機的最大引擎扭矩大約從160Nm(在1000rpm上)變化到大約210Nm(在4000rpm上)。這表示了從峰值最大值變化了大約23.8％。通過比較，用于相同的用氫作為燃料的并如圖4所構(gòu)造的曲線620-650實現(xiàn)了較大的功率輸出性能減小。對于沒有增壓的氫燃料引擎的曲線650顯示了大于120Nm的最大輸出扭矩，這與汽油引擎的210Nm形成對比。盡管增壓改良了性能，即，曲線620、630和640分別增壓了100％、40％和20％，增壓的優(yōu)點在2500rpm之下不是很明顯?！埃ピ鰤?或者助推)”此處指的是％上述大氣壓，助推裝置對入口充氣加壓，即，25％助推是1.25∶1的壓力比率或者助推是14.7psi*1.25＝18.3psi。在2500rpm之上，只有100％的增壓情況(曲線620)最靠近汽油引擎性能。對于100％增壓，在1000-5000rpm范圍之上的峰值最大值的變化百分比是大約57.4％((202-85.66)/(202*100))。特別地，對于較低的操作速度范圍，即，在2500rpm之下，引擎的最大扭矩輸出與在更高的速度之上，即5000rpm，的輸出相比顯著減小。
盡管貧空氣/燃料操作的組合，增壓和中間冷卻優(yōu)化了氫引擎的性能，功率輸出與傳統(tǒng)的汽油燃燒內(nèi)燃機相比顯著地減小。減小的性能特別在引擎的較低的操作速度上特別明顯，此處增壓的益處并沒有完全實現(xiàn)。此性能的缺陷，特別在動力系操作速度在2500rpm之下時基本被通過使用參照圖3-5所描述的氫混合動力系所克服。
圖7顯示了參照圖3-5所描述的氫混合動力系的最大的輸出扭矩特征。曲線720-750顯示了在動力系操作速度的較寬范圍之上在傳動輸入驅(qū)動上可獲得的最大的扭矩。最顯著的是，部分由于電動機發(fā)電機的較低速度性能特征，扭矩性能對于操作速度在2500rpm之下極大地改良。并且，當在超過40％的水平上增壓時，對于操作速度大于2500rpm時性能極大改良。對于100％增壓，在1000-5000rpm之上從峰值最大值的百分比變化是大約21％，這可與傳統(tǒng)的汽油燃料引擎相比。此外，平均最大輸出與汽油的情況相比增加。
圖8顯示了就最大動力輸出而言的氫混合系統(tǒng)的優(yōu)點。再次地，隨著增壓的增加，即曲線820(100％增壓)、830(40％增壓)、840(20％增壓)和850(0％增壓)，動力系的功率輸出超過了汽油燃料引擎曲線810。當增壓超過40％，氫引擎和模塊混合傳動的功率產(chǎn)生特征在動力系的操作速度范圍之上彼此互補。
這樣模塊混合傳動機構(gòu)和氫燃料內(nèi)燃機引擎的組合允許了功率性能與傳統(tǒng)的汽油動力引擎相比得到改良，但是具有相當減小的CO2排放和只有一部分碳氫化合物和氮氧化物排放。此外，所述組合允許“完全”的混合性能，即，引擎啟動/停止、引擎助推、再生制動(動能恢復)以及電力驅(qū)動，這進一步減小了釋放并改良燃料經(jīng)濟性。
圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的典型氫燃料內(nèi)燃機的方框示意圖。所述車輛包括氫燃料、具有電動節(jié)流閥的增壓2.3L內(nèi)燃機902，具有25kW電機/發(fā)電機的電動無轉(zhuǎn)換模塊混合傳動系統(tǒng)904以及對應的動力電子器件905，280V的鋰離子電池906，壓縮氫氣存儲系統(tǒng)908以及對應的氫檢測傳感器910。車輛包括幾個控制模塊，這可以單獨或者一起在一個或者多個高速板上通信網(wǎng)絡上實施，包括但是不限于車輛系統(tǒng)控制器(VSC)912，引擎控制和燃料注射模塊(ECM/FIM)914，電功率協(xié)助引導(EPAS)模塊916，傳動控制模塊(TCM)918，電池控制模塊(BCM)920以及氫管理模塊922。TCM918從車輛讀取輸入，諸如踏板位置，PRNDL位置，速度(例如，傳動輸入、傳動輸出、傳動齒輪速度、引擎等)，引擎和電機扭矩和壓力(例如，fwd/rev離合器和線)以控制不同的襯墊螺線管(VFS)和小電動泵。優(yōu)選地，TCM918也控制車輛啟動、引擎-輪分離、配合、引擎啟動、在插入/拔出(tip-in/out)和傳動齒輪變速的過程中的動力傳動系統(tǒng)振蕩。對于額定操作壓力5000-10,000psi，一個實施例中的燃料箱可以是鋁壓力障礙物(barrier)，其具有碳纖維結(jié)構(gòu)殼體。
圖10、11顯示了氫混合車輛1100中的氫混合動力系1000和安置的立體圖。氫混合車輛1100包括內(nèi)燃機902和在引擎和車輛1100的前向室之內(nèi)安置和構(gòu)造的模塊混合傳動系統(tǒng)904。包括高壓電池906和氫存儲箱1112、1114和1116的能量存儲裝置被容納在車輛1100的存儲或者后室中?？蛇x地，存儲箱或者電池之一或者多個可以被容納在車輛的中間部分內(nèi)，例如在車輛1100的底板的乘客座之下。
參照圖10，氫混合動力系的關(guān)鍵部件包括前端輔助組件1010、離心助推器組件1028、雙燃料軌1030和1032、以及電動拖動電機1040、液壓閥組件1042、以及動力電子和控制模塊1044。電動拖動電機1040名義上是25kW峰值/10kW連續(xù)動力感應電機，但是可以根據(jù)車輛的重量、應用或者其它本領(lǐng)域所公知或者可以理解的設計準則相應地調(diào)整尺寸。其它主要部件和布置被顯示在圖11中并包括空氣對空氣中間冷卻器1102、空氣對空調(diào)中間冷卻器1104、高壓電池906、電池冷卻入口和出口組件1108、1110，氫存儲箱1112、1114和1116，以及氫燃料容器1118。一個實施例中的氫箱存儲被壓縮的氫氣，例如在5000或者10,000psi上?？蛇x的存儲系統(tǒng)包括超絕緣液體和金屬氫化物存儲系統(tǒng)。
所述車輛還包括通風系統(tǒng)(未示出)用于主動和被動氫氣通風，這在美國專利No.6,446,616中進行了說明，其也通過本受讓人所擁有并且此處并入以供參考。
由于氫混合動力系1000具有更高的壓縮比、更快的燃料燃燒率的屬性，與傳統(tǒng)的非混合汽油動力車輛相比，增壓器、電機、以及主動和被動通風、車輛1110和元件趨于產(chǎn)生增高水平的噪音，振動和刺耳性(NVH)。包括曲柄軸滑輪1012、水泵滑輪1014、增壓器滑輪1016、帶張緊器1018、第一惰輪1020、空調(diào)滑輪1022、第二惰輪1024和帶1026的FEAD組件1100例如被優(yōu)化以最小化NVH。增壓器滑輪1016包括允許增壓器1028自由在一個方向滾動的單向離合器以防止帶打滑并最小化帶“振動”。此離合器系統(tǒng)與在美國專利No.5,669,336中描述的離合器相似，所述專利也是本受讓人所有并且此處并入以供參考。具有較低(或者更高)的摩擦系數(shù)的帶1026也減小帶振動。也優(yōu)化以減小NVH的曲柄軸滑輪1012包括軟和硬橡膠材料的雙阻尼器布置以阻尼不同的噪音頻率。帶張緊器1018名義上是具有更高阻尼的“松散側(cè)”張緊器并被安置以減小張緊器運動和FEAD“敲擊”噪音。
為了進一步減小NVH，引擎902和傳動系統(tǒng)904通過噪音吸收材料包圍或者封裝。有一個或者多個吸音材料所制造的第一障礙物諸如Thinsulate或者其它泡沫材料，例如可以被用于引擎和乘客室之間。泡沫罩襯墊形式的第二障礙物也可以被用于抑制噪音。另外，被安置作為增壓器“腹部盤”的第三層可以被用于減小通過增壓器所產(chǎn)生的噪音。在一個實施例中，腹部盤從板金屬材料所構(gòu)造并與雕刻泡沫對齊以減小從增壓器組件1028所發(fā)出的噪音泄漏。
可選地，內(nèi)燃機的吸入和排放系統(tǒng)可以被設計以進一步減小噪音。例如，封裝在車輛的下體管道區(qū)域中被調(diào)到87Hz的管狀消聲器1120可以減小2dB噪音。安裝在空氣和盒增壓器之間被調(diào)到133Hz的亥姆霍茲共振器(參考圖4中的491)可以被用于最小化吸入噪音。本領(lǐng)域的這些和其它方法可以被用于最小化從氫混合動力系的吸入和排放系統(tǒng)所發(fā)出的噪音。
權(quán)利要求
1.一種動力系，包括主動力產(chǎn)生系統(tǒng)，用于產(chǎn)生主驅(qū)動扭矩，主動力系統(tǒng)具有氫燃料內(nèi)燃機，所述內(nèi)燃機與貧氫氣燃料混合物操作，內(nèi)燃機具有至少一個空氣排放助推裝置，用于在動力系的操作速度的范圍上增加主驅(qū)動扭矩；以及輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)，具有至少一個電動扭矩產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生輔助驅(qū)動扭矩，輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)被構(gòu)造和安置，這樣輔助驅(qū)動扭矩在至少動力系的較低操作速度范圍上補充被助推的主驅(qū)動扭矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，主動力產(chǎn)生系統(tǒng)包括至少一個中間冷卻裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，主動力產(chǎn)生系統(tǒng)包括雙階段中間冷卻器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，主動力產(chǎn)生系統(tǒng)包括前端輔助組件，所述前端輔助組件被優(yōu)化用于減小與動力系相關(guān)聯(lián)的噪音、振動和刺耳性(NVH)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，主動力產(chǎn)生系統(tǒng)用吸音障礙物來屏蔽以減小從充氣裝置所發(fā)出的NVH。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)包括電機/發(fā)電機。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，還包括設置在主動力產(chǎn)生系統(tǒng)和輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)之間的分離離合器，用于將主動力產(chǎn)生系統(tǒng)從輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)分離和配合并用于通過輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)傳輸被助推的主驅(qū)動扭矩。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的動力系，其特征在于，分離離合器包括浸油離合器組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的動力系，其特征在于，分離離合器包括干離合器組件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，還包括聯(lián)結(jié)到輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出的動力傳動系統(tǒng)，用于接收被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合，被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合在動力系的至少較低操作速度范圍之上具有改良的扭矩特征。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動力系，其特征在于，動力傳動系統(tǒng)是手動傳動機構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動力系，其特征在于，動力傳動系統(tǒng)是自動傳動機構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的動力系，其特征在于，動力傳動系統(tǒng)是連續(xù)可變傳動機構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力系，其特征在于，還包括設置在主動力產(chǎn)生系統(tǒng)和輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)之間的分離離合器，用于將主動力產(chǎn)生系統(tǒng)從輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)分離和配合，并用于通過輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)傳輸被助推的主驅(qū)動扭矩；以及聯(lián)結(jié)到輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出的動力傳動系統(tǒng)，用于接收被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合，被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合至少在動力系的較低操作速度范圍之上具有改良的扭矩特征，輔助動力產(chǎn)生系統(tǒng)、分離離合器和動力傳動系統(tǒng)作為一個模塊混合傳動系統(tǒng)被封裝。
15.一種車輛，包括用于存儲氫燃料的氫存儲系統(tǒng)；聯(lián)結(jié)到氫存儲系統(tǒng)的氫燃料內(nèi)燃機，內(nèi)燃機用貧氫氣燃料混合物操作，氫燃料內(nèi)燃具有至少一個充氣助推裝置，用于主要在較寬的操作速度范圍之上增加所述主驅(qū)動扭矩；電動存儲裝置；以及電機/發(fā)電機，聯(lián)結(jié)到電能存儲裝置，用于產(chǎn)生用于車輛的輔助驅(qū)動扭矩和用于回收在電動存儲裝置中的存儲用的電能，電機/發(fā)電機被構(gòu)造和安置，這樣輔助驅(qū)動扭矩在至少較低的操作速度范圍之上補充被助推的主驅(qū)動扭矩。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，氫存儲系統(tǒng)包括壓縮氫氣存儲系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，氫存儲系統(tǒng)包括液體存儲系統(tǒng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，氫存儲系統(tǒng)包括固體金屬存儲系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，氫存儲系統(tǒng)被安置在車輛的后部或者中間部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，電動存儲裝置包括電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，電動存儲裝置包括超電容器。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，電動存儲裝置被安置在車輛的后部或者中部。
23.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，還包括設置在內(nèi)燃機和電機/發(fā)電機之間的分離離合器，用于將內(nèi)燃機與電機/發(fā)電機配合和分離并用于通過電機/發(fā)電機傳輸被助推的主驅(qū)動扭矩；以及聯(lián)結(jié)到電機/發(fā)電機的輸出的動力傳動系統(tǒng)，用于接收被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合，被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合至少在動力系的較低操作速度范圍之上具有改良的扭矩特征。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的車輛，其特征在于，內(nèi)燃機、電機/發(fā)電機、分離離合器和動力傳動系統(tǒng)被安置在車輛的前部部分上。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的車輛，其特征在于，電機/發(fā)電機、分離離合器和動力傳動系統(tǒng)作為一個模塊混合傳動系統(tǒng)被封裝。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的車輛，其特征在于，內(nèi)燃機和模塊混合傳動系統(tǒng)被安置在車輛的前部部分上。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，還包括至少一個在引擎和模塊混合傳動系統(tǒng)的附近中的吸音障礙物。
28.根據(jù)權(quán)利要求15所述的車輛，其特征在于，還包括氫通風系統(tǒng)。
29.一種操作具有氫燃料內(nèi)燃機的混合車輛的方法，包括使用貧氫氣燃料混合物產(chǎn)生用于車輛的主驅(qū)動扭矩；主要在較高的操作速度范圍上增加輔助驅(qū)動扭矩；產(chǎn)生輔助驅(qū)動扭矩，這樣輔助驅(qū)動扭矩在至少較低的操作速度范圍上補充被助推的主驅(qū)動扭矩；可選地傳輸被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合，被助推的主驅(qū)動扭矩和輔助驅(qū)動扭矩的組合至少在較低操作速度范圍之上具有改良的扭矩特征。
30.一種用于改變具有脈沖燃料噴射器的氫燃料內(nèi)燃機用的燃料傳輸率的方法，每個所述噴射器對于各氣缸具有低流動燃料噴射器和高流動燃料噴射器，包括步驟通過增加低流動噴射器的脈沖寬度來增加燃料傳輸率，直到流動速率達到重疊的值；在靠近重疊值的速率上操作高流動噴射器；以及立即減小低流量噴射器的脈沖寬度，這樣來自高和低流動噴射器的總流量等于來自低流動噴射器的最大流量。
31.根據(jù)權(quán)利30所述的方法，還包括步驟通過減小高流動噴射器的脈沖寬度而減小來自更高燃料供給速率的燃料率直到流動速率達到重疊值；以及在重疊值上同時操作所述低流動噴射器，同時關(guān)閉所述高流動噴射器。
32.一種用于傳感和響應在氫燃料往復內(nèi)燃機的吸入系統(tǒng)中所引起的逆火的方法，包括步驟通過傳感吸入系統(tǒng)內(nèi)的溫度而傳感逆火；以及當逆火被傳感時，關(guān)閉至引擎的氫燃料。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包括步驟在氫燃料被關(guān)閉的情況下增加與引擎相關(guān)的電動驅(qū)動系統(tǒng)的輸出扭矩。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包括步驟通過傳感引擎的吸入系統(tǒng)內(nèi)的壓力而傳感逆火。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包括步驟一旦逆火事件停止繼續(xù)用氫所進行的引擎的供給燃料。
全文摘要
一種氫動力混合動力系系統(tǒng)(100，200，300，500，1000)，包括氫燃料內(nèi)燃機(114，202，302，400，902)，操作在貧空氣/燃料混合物上，以及增壓器(436)，用于助推通過主要在高操作速度范圍之上的引擎所產(chǎn)生的主驅(qū)動扭矩。電機/發(fā)電機(232、314，905)產(chǎn)生用于車輛的輔助驅(qū)動扭矩，這樣輔助驅(qū)動扭矩在至少動力系的較低的操作速度范圍上補充被助推的主驅(qū)動扭矩。設置在引擎和電機/發(fā)電機之間的分離離合器(312，510)將引擎從電機/發(fā)電機配合和脫離配合，并用于通過電機/發(fā)電機傳送被助推的主驅(qū)動器扭矩并至動力傳動系統(tǒng)(116，316，550)。動力傳動裝置上的輸入這樣是被助推的主驅(qū)動扭矩和在至少低操作速度范圍之上具有改良的扭矩特征的輔助驅(qū)動扭矩的組合。
文檔編號F02M21/02GK1735522SQ200380108266
公開日2006年2月15日 申請日期2003年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月4日
發(fā)明者托尼·加里·格拉博夫斯基, 阿倫·庫爾馬·堯拉, 懷特·奧特曼, 羅伯特·納特金, 斯蒂芬·施瓦博斯基, 愛德華·吉, 布萊特·奧洛托曼斯, 亞當·登靈格, 賈斯萬特·迪隆 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司