CN102536575B - 运行内燃机的方法,内燃机的电机及控制和/或调节内燃机的动力控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于驱动带有燃烧式发动机(13)和电机(16)的内燃机(11)的方法(55),所述电机与燃烧式发动机(13)的轴(27)耦联,其中该方法(55)包括:接收用于控制和/或调节内燃机(11)的动力控制器(17)的控制信息(gs);并且根据该控制信息(gs),将电机(16)切换到马达运行(MR,MF)中。为了实现对电机(16)的简便操控,建议所述控制信息包括唯一的控制位(gs),而且当该控制位(gs)的值变为预设的第一种二进制数值时,电机(17)就被切换到所述马达运行(MR,MF)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机的方法,所述内燃机具有燃烧式发动机和电机,所述电机与燃烧式发动机的轴相耦联,其中所述方法包括:获取尤其是用于控制和/或调节燃烧式发动机的动力控制器的控制信息;并且根据该控制信息将电机切换到一种马达运行(Motorbetrieb)中。
背景技术
DE19741294A1公知了一种汽车的传动装置,所述传动装置具有燃烧式发动机以及与所述燃烧式发动机的曲轴相耦联的电机。所述电机可被切换到马达运行中或发电机运行中。借助于被切换到马达运行中的电机,曲轴可被带到可预先规定好的启动位置中,在该启动位置中通过将燃油直接喷入燃烧室中并将该燃油点燃就可使内燃机较为容易地启动。在电机和内燃机动力控制器之间设置有连接导线,从而,动力控制器可对电机进行操控。
发明内容
本发明的任务在于,给出一种用于使内燃机运行的方法,所述方法可简便地实现对内燃机的电机的操控。与之相符,还应根据该任务给出一种相应的电机,所述电机具有通过较小的费用就能实现的控制及/或调节装置,该控制及/或调节装置可由内燃机的动力控制器简便地进行操控。此外,根据该任务还应给出一种相应的用于操控和/或调节内燃机的动力控制器,通过该动力控制器所述电机也可被简便地操控。
为了解决上述任务,将提出开头所述类型的方法,该方法的特征在于,所述控制信息包含一个唯一的控制位,而且,当所述控制位变为第一预设的二进制数值时,电机就被切换到马达运行中。按照这种方法,用于传递所述控制信息的接口可被构造得极为细长。所述接口包含有控制位,其中所述控制位的变化——也就是相应控制信号的侧面(Flanke)会导致电机被切换到马达运行中。若想要所述动力控制器将电机切换到马达运行中,那么,必须只有所述控制位变换到第一预设的二进制数值。控制信息优选仅仅包含所述控制位。
在此特别有利的是,当控制位变换到第一预设的二进制数值时,依据电机的运行状态来确定在马达运行时由电机产生的扭矩的旋转方向。已经知晓的是,关于在马达运行时由电机所产生扭矩的、被所述动力控制器所期望的方向的信息,不必由动力控制器详尽地传递给电机。因为,电机可从其自身运行状态、尤其是电机转子的运动状态本身地推导出所述方向信息。
可作如下设定:当电机转子——尤其是在控制位向第一预设值转变时——已经沿着前进方向运动时,则可将前进方向确定为旋转方向,其中,所述前进方向与燃烧式发动机处于运行状态下时转子的旋转方向相应。由此导致,被切换到马达运行中的电机将驱动已经处于运行中的燃烧式发动机。在燃烧式发动机的启动过程中,所述动力控制器优选以如下方式操控所述电机,即,将电机切换到马达运行中,以促进燃烧式发动机的启动加速,从而,可更快地达到例如额定怠速转速,或者说,燃烧式发动机的启动过程将可靠、快速及/或产生很少的有害物排放。在启动过程中,对燃烧式发动机的曲轴的向前运动的辅助作用,也被称作“助推器-工作模式”。
作为上述方案的补充或备选方案还可设定:若转子在切换时刻处于静止状态,则与前进方向相反的后退方向将被确定为旋转方向。由于电机与燃烧式发动机的轴相耦联,因此燃烧式发动机的轴的静止状态相当于转子的静止状态。如果电机在被要求切换到马达运行的时刻识别出转子处于静止状态,则电机将使燃烧式发动机的轴与其对于运转的燃烧式发动机来说所设定的运行方向相反地运行,从而借助于电机使得所述轴可被调整到对于启动所述燃烧式发动机来说的最佳的位置(转角)。
当控制位的值变为第二预设的二进制数值时,电机将被优选地切换到发电机运行(Generatorbetrieb)中。在电机切换到发电机运行中时,用于操纵至少一个电机绕组、优选为定子绕组的一种功率电子电路可被去除激活,从而,所述绕组中将不再有电流流过,电机也就不再产生扭矩。可以设定的是,一旦在沿后退方向的旋转过程中达到最佳的启动位置,而且/或者一旦不再需要电机对启动过程(助推器-工作模式)的辅助作用,动力控制器就将电机切换到所述发电机运行中。
当控制位通过电导线传递时,本方法可通过特别小的费用得以实现,而所述电导线被布置在燃烧式发动机的动力控制器的控制输出端与电机的控制输入端之间。控制输出端可以是动力控制器的数字输出端,并且控制输入端可以是电机的控制及/或调节装置的数字输入端。一种线路驱动器可被串联在数字输出端之后。控制输入端可具有相应的接收电路。所述线路驱动器和/或接收电路可具有放大器、电平转换器或者相似器件。优选地,信号线路上的电数值的瞬时电平表征了所述控制位的瞬时二进制数值。低电平(低)可相当于瞬时二进制数值0,而高电平(高)可相当于瞬时二进制数值1;或者,与之相反。备选或补充地,所述控制位也可通过光缆或无线电通讯来进行传递。
作为前述任务的进一步解决方案,将提出一种内燃机的电机,所述电机可与内燃机的燃烧式发动机的曲轴相耦联,其中,电机的控制及/或调节装置被设立用于获取控制信息、优选用于获取用来控制和/或调节内燃机的动力控制器的控制信息,以及用于依据所述控制信息将电机切换到马达运行中,这种电机的特征在于,所述控制信息只包含一个唯一的控制位,而且所述控制及/或调节装置以如下方式构造,即,当控制位的值变为第一预设的二进制数值时,电机将被切换到马达运行中。借助于所述电机,按照本发明的方法的优势可得以实现。
在此有利的是,控制及/或调节装置具有控制输入端,该控制输入端被设立用于连接一种电导线,而所述电导线用于传递所述动力控制器的控制输出端的控制位。
此外,还有利的是,所述控制及/或调节装置被集成到电机中,优选被嵌入到电机的壳体中,或者被布置在所述壳体上。由此实现一种结构紧凑的电机。
所述控制及/或调节装置优选用于实施根据本发明的方法。例如,该控制及/或调节装置可具有ASIC、微控制器或者已编程的逻辑组件(PLD)。
作为前述任务的进一步解决方案,还将提出一种动力控制器,用于控制和/或调节带有燃烧式发动机及电机的内燃机,其中,电机与燃烧式发动机的曲轴相耦联,而且,所述动力控制器被设立用于将控制信息传送给电机的控制及/或调节装置,以使电机被切换到马达运行中。这种动力控制器的特征在于,控制信息包含一种唯一的控制位,从而通过将该控制位的值置为第一预设的二进制数值,电机(16)可被切换到马达运行中。借助于所述动力控制器,也可实现根据本发明的方法的优势。特别有利的是,在内燃机中既可设置按照本发明的动力控制器,也可设置按照本发明的电机。
在此极其有利的是,所述动力控制器具有控制输出端,该控制输出端用于连接一种电导线,而所述电导线用于将控制位传递给所述控制及/或调节装置的控制输入端。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在随后借助于附图对本发明的示例性的实施方式作详细阐述的说明中得出。附图示出:
图1按照一种优选实施方式的内燃机的示意图;
图2图1中内燃机的曲轴的转速-时间曲线,以及在内燃机的燃烧式发动机的启动过程中,内燃机的电机的控制及/或调节装置的信号-时间曲线;
图3所述控制及/或调节装置的控制元件的状态转变图;以及
图4电机的整流器的末级或者说输出级(Endstufe)的原理图。
具体实施方式
在图1中示意性绘出的内燃机11,具有带发动机缸体15的燃烧式发动机13以及用于控制和/或调节内燃机11的动力控制器16。此外,内燃机11还具有电机17,所述电机包括电机组件19和控制及/或调节装置21。在所示实施方式中,电机组件19和控制及/或调节装置21被集成到电机17的共用壳体23中。不同于此,所述控制及/或调节装置21也可被示例性地安置在壳体23的外部,或者通过其它方式与壳体23实现机械连接。
电机17是内燃机11的发电机,为了启动燃烧式发动机13,所述发电机可被切换到一种马达运行(Motorbetrieb)。由于电机17既可作为发电机,从而对于安装有内燃机11的汽车的车载能量供应网提供电能,也可用于启动所述燃烧式发动机13,因此它也被称作“启动发电机”。
电机组件19的转子示例性地通过楔形皮带与燃烧式发动机13的轴——优选曲轴27以如下方式实现机械耦联,即,曲轴27的旋转运动可致使转子25转动,而且,反之亦然。
电机组件19为三相他励同步电机。电机组件19的定子绕组29构成一种三角电路。所述三角电路的接头U,V,W与控制及/或调节装置21的整流器31相连。优选被布置在转子25上的励磁线圈33被接入在所述控制及/或调节装置21的励磁电路35的输出端与车载能量供应网的接地线37之间。
此外,所述控制及/或调节装置21还具有用于识别转子25的旋转状态的电路39。电路39可示例性地与定子绕组29的星形电路的单根或多根导线U,V,W相连,从而,它可借助于由转子25的旋转运动而在定子绕组29中感应生成的电压(互感电压)测得转子25的旋转状态。示例性地,电路39可获得至少一个定子绕组29的互感电压,并借助于所述至少一个获取的互感电压,测出转子25的旋转状态。转子25的旋转状态包括如下信息,即,转子25是否处于静止状态、是否沿着前进方向运动或者是否沿着与前进方向相反的后退方向运动。“前进方向”可被理解为转子25的这样一个旋转方向,即,当燃烧式发动机13运转并且在其旋转的曲轴27上产生有扭矩时所出现的旋转方向。
电路39的输出端与所述控制及/或调节装置21的控制元件41的输入端相连,从而,电路39可将由其自身产生的旋转状态信号dr传递给控制元件41。该旋转状态信号dr表征转子25的旋转状态,并且因此包含如下信息,即,转子是处于旋转还是处于静止,或者,转子25是沿前进方向还是沿后退方向旋转。
此外,所述控制及/或调节装置21还具有用于获取一种控制信号gs的控制输入端43。所述控制信号gs在所示实施方式中包含有控制位,所述控制位在下文中也同样被称作gs。尽管除了控制位gs,作为控制信息的控制信号原则上还可包含其它的信息或者比特位,但在所示实施方式中,作为控制信息的控制信号仅包含控制位gs。控制输入端43通过控制导线45与动力控制器16的控制输出端47相连,从而,动力控制器16可将控制信号或者控制位gs传递给电机17的所述控制及/或调节装置21。
控制位gs表征电机17应工作于马达运行还是发电机运行(Generatorbetrieb)。若控制位gs呈现为第一种二进制数值,如gs=0,则电机17应被置于马达运行。若控制位gs呈现为不同于第一种二进制数值的第二种二进制数值(例如gs=1),则电机17应被置于马达运行(Motorbetrieb)。与此不同的是,在未示出的一种实施方式中,二进制数值gs=1意味着电机17将被置于马达运行,而gs=0则意味着电机17应被置于发电机运行。
控制导线45可以为例如将所述控制输出端47与控制输入端43连接起来的电导线——尤其是电缆。在这种情况下,存在于控制导线45中的电数值或者说电参量(例如控制导线45上的电压或电流)表示控制位gs的值。可示例性地规定:该电数值的高电平(高,H)表征控制位gs的二进制数值1而低电平(低,L)表征控制位gs的二进制数值0。不需要为了对于控制位gs进行传递而在控制导线45上设置昂贵的通讯协议或总线系统。
动力控制器16具有控制单元,所述控制单元可被构造成例如可编程的计算机——尤其是微控制器49。微控制器49的数字输出端51与动力控制器17的控制输出端相连,从而,微控制器49可确定控制位gs的值。控制输出端47可具有线路驱动器(Leitungstreiber),而控制输入端43可具有相应的接收器。
动力控制器16以及电机17的控制及/或调节装置21均与车载能量供应网的供电导线53和车载能量供应网的接地线37相连。
随后,将借助于图2对内燃机11的工作方式作进一步阐释。图2中的曲线图示出了曲轴27的转速n的时间走向,以及旋转状态信号dr和控制位gs各自的时间走向。在图2中所述的三条曲线都分别具有相同的时间轴。
内燃机11在所谓的起/停-运行模式下工作。若短时间内不需要内燃机11,例如,当具有内燃机11的汽车停在红的交通信号灯前时,动力控制器16将关闭燃烧式发动机13,从而曲轴27进入静止状态。通过这种方式,可节省燃油。而一旦重新需要内燃机11,例如,当汽车驾驶员想要继续前进时,则燃烧式发动机13将被再次启动。
时刻t=0对应这样的瞬间,即,在该时刻,动力控制器16将开始一个启动过程,以启动所述燃烧式发动机13。曲轴27保持静止(转速n=0),旋转状态信号dr的值为0,该值表明转子25同样处于静止状态。到时刻t=0,动力控制器16将把所述控制位gs的值从0置为1。所述控制及/或调节装置21识别出所述控制位的数值从0到1的转变,并由此将电机切换到马达运行。借助于旋转状态信号dr,控制元件41可决定出由电机组件19产生的扭矩应具有怎样的旋转方向。控制元件41以如下方式工作,即,当旋转状态信号dr与转子25的静止状态相应时,它将使得整流器31促使产生后退方向的扭矩。与此相应,从时刻t=0起,所述控制及/或调节装置将操控电机组件19,以使曲轴27反向旋转。不同于此,也可作如下规定,即,当旋转状态信号dr与转子25的静止状态或者转子25的后退旋转方向相应时,控制元件41如此设置:使得整流器31能促使产生后退方向的扭矩。
通过电机17使曲轴27的被驱动的反向旋转(转速n<0)使得曲轴27沿后退方向被运动到期望的启动位置中。一旦动力控制器16识别出已到达曲轴27的启动位置,控制位gs的值就在t=t1时刻被重新置为0。控制元件41将识别出控制位从1到0的转变,并通过使得整流器31去除激活来终止电机组件19的马达运行。
可作如下设定:动力控制器16示例性地通过用于获得曲轴27的转速和/或转角的转速传感器或转角传感器来识别出曲轴27何时到达启动位置。通常,在t=0到t=t1的时间段内,曲轴27将沿后退方向转过大约10°至80°的角度。
从时刻t1开始,曲轴27将保持静止状态;或者基于发动机缸体15的燃烧室中的压缩压力,沿前进方向略微旋转。到时刻t2,动力控制器16将促使对被引入到为了启动燃烧式发动机13而选中的某个燃烧室中的燃油-空气混合物进行点火。由此,曲轴27的转速n将得以提高,这可被电路39识别。因此,到时刻t3,旋转状态信号dr将变换到表征曲轴27沿着前进方向旋转的值v。电路39通过在所述定子绕组29里的至少一个之中所感应生成的电压来识别这种旋转运动。
在时刻t3之后的时间段tv,动力控制器16将控制位gs再次从0切换到1(时刻t4)。控制元件41识别所述控制位gs的这种状态转变,并将电机从发电机运行重新切换到马达运行。在此,控制元件41接着依据旋转状态信号dr来确定旋转方向。控制元件41以如下方式操控所述整流器31,即,如果在控制信号从1向0转变的时刻所述旋转状态信号dr表明转子25已经在沿前进方向旋转,则整流器31将给所述定子绕组29供电,以产生沿着前进方向的扭矩。由此,在加速过程中,电机将从时刻t4开始辅助所述燃烧式发动机13。
一旦转速n达到最小值nSE,动力控制器16就在时刻t5将控制位gs重新转换为值0。控制信号gs的这种状态转变,由控制元件14识别。控制元件14将由此使得整流器31去除激活,以使电机17重新运行在发电机运行。为了识别出曲轴27已达到所述最低转速nSE,动力控制器16可访问(zugreifen)或者说求助于转速传感器或者转角传感器。
从时刻t5开始,所述电机将作为发电机进行工作,并产生电能,所述电能被储存到汽车的车载能量供应网中。
图3示出了方法55的状态转变图,所述方法由控制元件41实施。状态转变图中的节点57对应于方法55的不同状态,所述状态可在控制元件41工作时出现。状态转变图的边(不带附图标记)用旋转状态信号dr及控制信号gs的情况来进行标记,这些情况导致在各个状态57之间进行相应的状态转变。
当转子25处于静止状态或者不受电机17驱动的反转状态,则假定其为标记为M0的状态57。若在状态M0中所述控制位从0变为1,则将切换到状态MR中,在该状态MR中整流器31以如下方式对定子绕组29进行供电,即,使得电机17产生后退方向的扭矩。只要控制位gs保持为值1,那么状态MR也将得以保持。若控制位gs变回值0,则将重新进入到状态M0中。若方法55处于状态M0中,而且,转子25由燃烧式发动机13驱动地开始沿前进方向旋转,那么,将切换进入到所述电机17处于发电机运行的状态G中。若在状态G下,控制位gs从0变为1,则方法55将呈现为状态MF,在该状态下,控制元件14以如下方式操控所述整流器31,即,整流器31对定子绕组29进行供电,以使电机17给曲轴27施加一种沿前进方向的扭矩。状态MF将一直得以保持,直到控制位gs重新转变为0值。然后,重新回到状态G。若曲轴27或转子25进入到静止状态中,则将由状态G重新变换为状态M0。
图4示出了整流器31的其中一个输出级(Endstufe)59。输出级59包括六个断路器61,这些断路器被联结成B6-桥,在此,所述B6-桥被布置在供电导线53与接地线37之间。B6-桥具有三对断路器61,其中每对断路器61被分别串联在一起,而且,相应的串联电路被布置在供电导线53与接地线37之间。将每对断路器61连接起来的支路分别与定子绕组29的三角电路的U,V,W接头进行连接。
此外,定子绕组29的三角电路的U,V,W接头被连接在同样构造为B6-桥的整流器63的输入端处。整流器63的输出端被连接在供电导线53和接地线37上。
另外,在图4中还示出了励磁电路35和在它上面的励磁线圈33。
若方法55处于状态M0或者处于电机17工作于发电机运行的状态G,则控制元件41将以如下方式操控所述整流器31,即,所述断路器61中没有任何一个被导通。这也就是说,整流器31如此产生控制信号UH,UL,VH,VL,WH,和WL,使得所有的断路器61都被切断。由此,整流器31的输出级59被去去除激活。
励磁电路35对于励磁线圈33进行供电,从而,在转子25的旋转过程中,将在定子绕组29的三角形电路中产生三相电流(Drehstrom)。整流器63对所述三相电流进行整流,并通过供电导线53和接地线37将其储存到车载能量供应网中。
若所述方法处于电机17工作于马达运行的状态(状态MR,MF)中,则整流器31以如下方式操控各个断路器61,即,对各个定子绕组29周期性地依次供电,以使它们产生旋转磁场,并使电机在曲轴27上产生扭矩。在此,整流器31依据将由电机17产生的扭矩的、由控制元件14所设定的旋转方向来确定对各个定子绕组29进行供电的顺序。定子绕组29的这种操控方式涉及整体式换向(Blockkommutierung),这在无刷直流电机中也有相似或相同形式的应用。
在图4中突出地示出了电流路径,所述电流路径在布置于接头V和W之间的定子绕组29被通电时出现。
在示出的实施方式中,断路器61被构造成自截止的p-通道-MOEFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)。不同于此,也可设置n-通道-MOSFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)。也可涉及自导通的MOSFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)。为替换所述MOSFETS,也可设置双极晶体管。此外,也可应用其它形式的开关元件,尤其是半导体开关元件。
总的来说,本发明通过控制信号gs实现了对电机的简单操控。所述控制信号gs仅需包含如下信息,即,动力控制器16希望电机的发电机运行还是其马达运行。电机通过转子25的旋转状态获得了由电机在马达运行时产生的扭矩的旋转方向。因此,关于在所述马达运行时扭矩旋转方向的信息不必经过动力控制器16详尽地传递到电机17上。
Claims (12)
1.用于使得带有燃烧式发动机(13)和电机(17)的内燃机(11)运行的方法(55),所述电机(17)与燃烧式发动机(13)的轴(27)相耦联,其中该方法(55)包括:获取控制信息,并且根据该控制信息将电机(17)切换到马达运行(MR,MF)中,其中,所述控制信息具有唯一的控制位(gs),而且,当控制位(gs)的值变为第一预设的二进制数值时,电机(17)就被切换到马达运行(MR,MF)中,其特征在于,当控制位(gs)变换到第一预设的二进制数值时,由电机(17)在马达运行时所产生的扭矩的旋转方向(MR,MF)依据电机(17)的运行状态(dr)来确定。
2.按照权利要求1所述的方法(55),其特征在于,若电机(17)的转子(25)已经在沿前进方向转动,则将前进方向确定为旋转方向,其中,所述前进方向与燃烧式发动机(13)处于运行状态下时转子(25)的旋转方向相应。
3.按照权利要求1或2所述的方法(55),其特征在于,若转子(25)在切换时刻处于静止状态,则将与前进方向相反的后退方向确定为旋转方向。
4.按照权利要求1所述的方法(55),其特征在于,当控制位(gs)的值变为第二预设的二进制数值时,电机(17)将被切换到发电机运行(G)中。
5.按照权利要求1所述的方法(55),其特征在于,控制位(gs)通过布置于内燃机(11)的动力控制器(16)的控制输出端(47)与电机(17)的控制输入端(43)之间的电导线(45)、光缆或无线电进行传递。
6.内燃机(11)的电机(17),该电机与内燃机(11)的燃烧式发动机(13)的轴(27)相耦联,其中,电机的控制及/或调节装置(21)被设立用于获取控制信息以及依据所述控制信息将电机(17)切换到马达运行(MR,MF)中,其中,控制信息包含唯一的控制位(gs),而且,控制及/或调节装置(21)以如下方式构造,即,当控制位(gs)的值变为第一预设的二进制数值时,电机(17)将被切换到马达运行(MR,MF)中,其特征在于,所述控制及/或调节装置(21)以如下方式构造,即,当控制位(gs)变换到第一预设的二进制数值时,由电机(17)在马达运行时所产生的扭矩的旋转方向(MR,MF)依据电机(17)的运行状态(dr)来确定。
7.按照权利要求6所述的电机(17),其特征在于,控制及/或调节装置(21)具有被设立用于连接电导线(45)的控制输入端(43),所述电导线用于传递动力控制器(16)的控制输出端的控制位(gs),而所述动力控制器用于控制和/或调节内燃机(11)。
8.按照权利要求6或7所述的电机(17),其特征在于,控制及/或调节装置(21)被集成到电机中。
9.按照权利要求6所述的电机(17),其特征在于,控制及/或调节装置(21)被设立用于实施按照权利要求1至5中任一项所述的方法(55)。
10.按照权利要求8所述的电机(17),其特征在于,所述控制及/或调节装置(21)被嵌入到电机(17)的壳体(23)中或者被布置在壳体(23)上。
11.用于控制和/或调节带有燃烧式发动机(13)和电机(17)的内燃机的动力控制器(16),所述电机与燃烧式发动机(13)的轴(27)相耦联,其中所述动力控制器(16)被设立用于将控制信息传递给电机(17)的控制及/或调节装置(21),以便将电机(17)切换到马达运行(MR,MF)中,其中,所述控制信息包含唯一的控制位(gs),从而,通过将控制位(gs)的值置为第一预设的二进制数值,电机(17)能被切换到马达运行(MR,MF),其特征在于,设立所述动力控制器(16)用于当控制位(gs)变换到第一预设的二进制数值时,由电机(17)在马达运行时所产生的扭矩的旋转方向(MR,MF)依据电机(17)的运行状态(dr)来确定。
12.按照权利要求11所述的动力控制器(16),其特征在于,该动力控制器(16)具有用于连接电导线(45)的控制输出端(47),而所述电导线用于将控制位(gs)传递给控制及/或调节装置(21)的控制输入端(43)。
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