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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Strom
erzeugenden Generator, über
den ein oder mehrere im vom Generator versorgten Bordnetzstromkreis
befindliche Verbraucher gespeist werden, wobei bei Betrieb des Motors
der vom Generator von den Verbrauchern aufgenommene Bordnetzstrom
ermittelt und in Abhängigkeit
davon die einzustellende minimale Leerlaufdrehzahl ermittelt wird,
bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung eintritt, nach
Patent
DE 102 57 024
B4 .
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Um
den Kraftstoffverbrauch zu senken und den Fahrkomfort zu erhöhen, wird
bei vielen Kraftfahrzeugen die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors
immer weiter abgesenkt, teilweise auf Leerlaufdrehzahlen von 600
U/min. Damit es nicht zu einem Einbrechen der Bordnetzspannung bei
zu niedriger Motordrehzahl und bei zu hohem Bordnetzstrom kommt,
wodurch die Batterie entladen würde, muss
gegebenenfalls eine Anhebung der Leerlaufdrehzahl vorgenommen werden.
Die Anhebung der Leerlaufdrehzahl sollte dabei nicht sofort erfolgen,
da eine solche Anhebung ohne sein Einwirken den Fahrer verunsichern
könnte,
sie sollte aber auch nicht erst nach einer erneuten Fahrt wirksam
werden, da in diesem Fall in der Zwischenzeit die Batterie entladen wird.
Die Drehzahlsteuerung sollte also nach einem Verfahren erfolgen,
das die Einstellung niedriger Leerlaufdrehzahlen flexibler ermöglicht.
Ein derartiges flexibles Verfahren ist in dem Patent
DE 102 57 024 B4 beschrieben.
Gemäß diesem
Verfahren werden bei Betrieb des Motors der Bordnetzstrom und in Abhängigkeit
davon die einzustellende minimale Leerlaufdrehzahl ermittelt, bei
der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung auftritt.
Dabei wird nicht mehr auf eine bereits gegebene Batterie entladung
reagiert, sondern von vornherein eine gerade noch zulässige Leerlaufdrehzahl
eingestellt, so dass eine mögliche
Batterieentladung den vorgegebenen Rahmen nicht überschreiten kann. Somit wird zwar
eine über
das zulässige
Maß hinausgehende Entladung
der Batterie verhindert, ein mögliches
Aufladen der Batterie im Motorleerlauf bleibt hingegen unberücksichtigt.
Bei einem solchen unerkannten Aufladen der Batterie im Motorleerlauf
ist die nach obigem Verfahren eingestellte Leerlaufdrehzahl höher als
erforderlich.
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DE 195 25 697 A1 offenbart
ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs. Bei diesem
Verfahren ist eine Einrichtung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl
des Motors vorgesehen, wobei die Regelung in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand
des Akkumulators erfolgt. Dabei wird die Einrichtung zur Regelung
der Leerlaufdrehzahl von einem vom Ladenzustand des Akkumulators
abhängigen
Regelsignal beaufschlagt.
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In
der Druckschrift
DE
44 22 329 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes beschrieben. Dabei
wird für
die Verringerung der Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer
Energie die momentane Kapazität
der Bordbatterie unter Berücksichtigung ihrer
Geschichte und des Wirkungsgrads der Energieerzeugung herangezogen.
Der Bordnetzstrom wird direkt über
einen Shunt gemessen. Ansteuersignale für die Leerlaufdrehzahl der
Brennkraftmaschine werden aufgrund der jeweiligen Batteriekapazität erzeugt.
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DE 37 29 968 C2 betrifft
eine Spannungsversorgungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Dabei wird
vorgeschlagen, dass die Leerlaufdrehzahl in Abhängigkeit vom Entladestrom des
Akkumulators geregelt wird. Damit werden auch solche Belastungen des
Akkumulators berücksichtigt,
die sich noch nicht in einer Änderung
der Betriebsspannung niederschlagen.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 652 621 A2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Aufrechterhalten des Ladezustands einer Batterie. Dabei wird vorgeschlagen,
zunächst
eine erste Systemspannung in einem ersten Betriebsmodus und eine
zweite Systemspannung in einem zweiten Betriebsmodus zu ermitteln,
welche dann verglichen werden, um ein Steuersignal unter Berücksichtigung des
Unterschieds zu ermitteln, welches die Leerlaufdrehzahl bestimmt.
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US 4,766,862 beschreibt
eine Vorrichtung, die verhindert, dass eine Leerlaufgeschwindigkeit durch
eine elektrische Last erniedrigt wird. Dabei wird die elektrische
Last gemessen, wobei ein Leerlaufbeschleunigungsmittel dann in Betrieb
gesetzt wird, wenn der gemessene Wert der elektrischen Last kontinuierlich
oberhalb eines vorbestimmten Werts für eine vorbestimmte Wartezeit
verbleibt. Dabei soll die Wartezeit derart variabel gewählt werden,
dass je größer der
gemessene Wert der elektrischen Last ist, desto kleiner die Wartezeit
ist.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung
der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass eine differenziertere
Bestimmung der einzustellenden Leerlaufdrehzahlen möglich wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Gegenstände
der unabhängigen
Patentansprüche.
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Verfahren mit den eingangs genannten
Merkmalen erfindungsgemäß vorgesehen,
dass gleichzeitig mit der Ermittlung des Bordstroms der momentane
Batterieladestrom erfasst, anhand des Bordnetzstroms und des Batterieladestroms
der aktuelle Verbraucherstrombedarf ermittelt und in Abhängigkeit
des Ermittlungsergebnisses die einzustellende Leerlaufdrehzahl bestimmt
wird.
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Der
Bordnetzstrom entspricht der Summe des Verbraucherstroms und des
Batteriestroms, ist also dem Generatorstrom gleichzusetzen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit parallel zur Bestimmung des Bordnetzstroms festgestellt,
ob gerade ein Aufladen der Batterie stattfindet. Ist dies der Fall,
so liefert der Generator aktuell mehr elektrische Energie, als im
Leerlaufbetrieb nötig ist.
Denn im Leerlauf müssen
zwar alle Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden,
nicht jedoch die Batterie, kann doch eine Zyklisierung der Batterie
sogar deren Lebensdauer verkürzen.
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Durch
die zusätzliche
Erfassung des Batterieladestroms ist es nun möglich anzugeben, welchen Strom
allein die Verbraucher zur Zeit mindestens benötigen. Dieser Mindeststrombedarf
kann dann der Ausgangspunkt für
die Bestimmung der einzustellenden Leerlaufdrehzahl sein. Somit
wird die Leerlaufdrehzahl eben nicht zu niedrig, aber auch nicht
zu hoch eingestellt. Für
die einzustellende Leerlaufdrehzahl wird neben den motorspezifischen
Randbedingungen auch der tatsächliche
Bordnetzstrom berücksichtigt.
Dadurch verringert sich der Kraftstoffbedarf des Kraftfahrzeugs
und die Abgasemissionen sinken. Diese Absenkung des Kraftstoffverbrauchs
zeigt sich vorteilhafterweise bereits beim Durchlaufen des MVEG-Zyklus.
Die einzustellende Leerlaufdrehzahl wird so bestimmt, dass der Motor
den Generator bedarfsgerecht ansteuert. Damit ist sichergestellt,
dass der Verbraucherstrombedarf abgedeckt wird, dass also insbesondere
nicht nur unerlässliche
Systeme, wie z. B. die Beleuchtungsanlagen, sondern auch Komfortsysteme
wie Heizung oder Klimaanlage im vollen Umfang zur Verfügung stehen.
Eine Zyklisierung der Batterie im Motorleerlauf wird sicher verhindert
und damit die Batterie geschont. Zur besseren Information des Fahrers
oder Beifahrers ist es möglich,
eine Anzeige des Verbraucherstrombedarfs ähnlich einer Kraftstoffbedarfsanzeige
vorzusehen, die zweckmäßigerweise
im Cockpit eingebaut wird, so dass eine kontinuierliche Visualisierung
des Verbraucherstrombedarfs möglich
wird. Eine solche Anzeige hilft dem Fahrer, den Einsatz gewisser
Komfortsysteme gegebenenfalls zu überdenken, und kann so zu einer
weiteren Absenkung des Kraftstoffbedarfs führen.
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Gemäß der Erfindung
erfolgt die Ermittlung des Bordnetzstroms indirekt über das
Tastverhältnis des
Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur.
Der gelieferte Generatorstrom hängt
zum einen vom Tastverhältnis
der Erregermaschine, also vom Erregerstrom, ab, außerdem besteht
eine Abhängigkeit
von der Generatordrehzahl und schließlich eine relativ starke Temperaturabhängigkeit.
Diese Parameter können
nun aufgenommen werden, und mit Hilfe eines Generatorstromkennfelds
kann der tatsächlich
aufgenommene Bordnetzstrom bestimmt werden. Die Generatordrehzahl
kann direkt oder indirekt über
die Motordrehzahl sowie das Übersetzungsverhältnis zum
Generator erfasst werden. Die Generatortempe ratur lässt sich
weiterhin direkt über
ein Thermoelement oder indirekt durch Messung des Generatorerregerstroms
ermitteln. Der Generatorerregerstrom kann über einen Stromsensor, z. B
einen Shunt-Widerstand, oder rechnerisch ermittelt werden, wozu
zunächst
der Widerstand der Erregermaschinenwicklung bei einer bestimmten
Temperatur, in einem zweiten Schritt der Widerstand bei einer Erwärmung der Erregerwicklung
und schließlich
der Erregerstrom anhand der bekannten Beziehung I = U/R ermittelt werden.
Die indirekte Ermittlung des Bordnetzstroms ist gegenüber der
direkten Messung über
einen Shunt-Widerstand einfacher und mit deutlich kleineren Fehlern
behaftet.
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Zur
Bestimmung des Batterieladestroms sind ebenso verschiedene Möglichkeiten
denkbar, wobei hier eine direkte Messung über einen Stromsensor, insbesondere über einen
Shunt-Widerstand, sinnvoll ist. Das Ergebnis der Batteriestrombestimmung
kann dann beispielsweise an ein Steuergerät geliefert werden, welches
für die
Steuerung der Motorleerlaufdrehzahl verantwortlich ist.
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Der
aktuelle Verbraucherstrombedarf kann aus der Differenz des momentanen
Bordnetzstroms und des momentanen Batterieladestroms berechnet werden.
Diese Berechnung kann beispielsweise in dem um diese Funktionalität erweiterten
Steuergerät zur
Motorsteuerung stattfinden, wenn an dieses zusätzlich noch die Daten des Bordnetzstroms
geliefert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die zur
Bedarfsdeckung mindestens erforderliche Motordrehzahl mittels eines Generatormodells
zu bestimmen. Bei der erfindungsgemäßen differenzierten Steuerung
der Leerlaufdrehzahl ist natürlich
ein sehr gutes und vor allem genaues Generatormodell erforderlich.
Ein solches Generatormodell kann wiederum in dem die Drehzahl des
Verbrennungsmotors steuernden Steuergerät abgelegt sein. Ein derart
ausgestaltetes Steuergerät zur
Motorsteuerung sammelt und verarbeitet also die aufgenommenen Daten,
berechnet noch fehlende Daten und bestimmt daraus die einzustellende
Motordrehzahl.
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Neben
dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft
die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor,
ein die Drehzahl des Verbrennungsmotors steuerndes Steuergerät und einen
Strom erzeugenden Generator zum Speisen eines oder mehrerer im Bordnetzstromkreis
eingebundener Verbraucher, wobei Mittel zum Ermitteln des von dem
oder den Verbrauchern aufgenommenen Bordnetzstroms bei Betrieb des
Verbrennungsmotors und zum Bestimmen der über das Steuergerät einzustellenden
minimalen Leerlaufdrehzahl, bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung
eintritt, in Abhängigkeit
des ermittelten aufgenommenen Bordnetzstroms vorgesehen sind, nach
Patent
DE 102 57 024
B4 . Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die
Mittel eine Einrichtung zur Bestimmung des momentanen Batterieladestroms,
zur Ermittlung des aktuellen Verbraucherstrombedarfs anhand des
Bordnetzstroms und des Batterieladestroms und zur Bestimmung der
einzustellenden Leerlaufdrehzahl in Abhängigkeit des Ermittlungsergebnisses
umfassen.
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Diese
Mittel umfassen weiterhin eine Einrichtung zur indirekten Ermittlung
des Bordnetzstroms anhand des Tastverhältnisses des Generatorerregerstroms,
der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur sowie anhand eines
Generatorstromkennfelds. Außerdem
kann in die Mittel ein Stromsensor, insbesondere ein Shunt-Widerstand,
zur Messung des Batterieladestrom integriert sein.
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In
einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass
die Mittel zur Berechnung des aktuellen Verbraucherstrombedarfs
aus der Differenz des momentanen Bordnetzstroms und des momentanen
Batterieladestroms ausgebildet sind. Darüber hinaus kann mit den Mitteln
die Bestimmung der einzustellenden Motordrehzahl aus dem aktuellen
Verbraucherstrombedarf mittels eines Generatormodells möglich sein.
Dieses Generatormodell ist zweckmäßigerweise im die Drehzahl
des Verbrennungsmotors steuernden Steuergerät abgelegt.
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Weitere
Vorteile- und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im
folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 ein
Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs und
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3 eine
graphische Darstellung des Bordnetzstroms bzw. des Generatorstroms
in Abhängigkeit
von der Motordrehzahl.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 mit
einem Verbrennungsmotor 2 mit zugeordnetem Generator 3,
der zum einen eine Kraftfahrzeugbatterie 4, zum anderen
verschiedene Verbraucher V1, V2 ...
Vn im Verbraucherstromkreis 5 versorgt.
Außerdem
ist ein Steuergerät 6 vorgesehen, das
mit dem Verbrennungsmotor 2 und dem Generator 3 verbunden
ist. Dieses Steuergerät 6 stellt
nicht nur die Leerlaufdrehzahl des Motors 2 ein, es kann vielmehr
auch die Daten zum Bordnetzstrom und zum Batterieladestrom sammeln
und verarbeiten und den aktuellen Verbraucherstrombedarf berechnen. Eine
vorbestimmte zulässige
Batterieentladung kann ebenfalls vorab im Steuergerät 6 definiert
werden. Die zur indirekten Ermittlung des Bordnetzstroms nötigen Parameter
Generatorerregerstrom, Generatordrehzahl und Generatortemperatur
können
ebenfalls im Steuergerät 6 aufgenommen
und verarbeitet werden. Zweckmäßigerweise
sind mögliche
Mittel zur Berechnung des aktuellen Verbraucherstrombedarfs aus
der Differenz des momentanen Bordnetzstroms und des momentanen Batterieladestroms
sowie Mittel zur Bestimmung der einzustellenden Motordrehzahl aus
dem aktuellen Verbraucherstrombedarf mittels eines Generatormodells
standardmäßig in das Steuergerät 6 integriert,
so dass dieses eine zentrale Rolle im Kraftfahrzeug erfüllt.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.
Dabei finden die Schritte a und b gleichzeitig statt. Zum einen
wird der Bordnetzstrom indirekt über
die Generatordrehzahl, die Generatortemperatur und das Erregertastverhältnis ermittelt.
Durch Aufnahme dieser Parameter lässt sich anhand eines Generatorstromkennfelds
der Bordnetzstrom bestimmen. Parallel dazu erfolgt im Schritt b
die Ermittlung des Batterieladestroms. Dies geschieht am einfachsten
direkt über einen
Stromsensor, z. B. einen Shunt-Widerstand. Die in den Schritten
a und b gleichzeitig ermittelten Daten gehen im Schritt c in die
Berechnung des Verbraucherstrombedarfs ein. Dieser ergibt sich als
Differenz des Bordnetzstroms zum Zeitpunkt t1 und
des Batteriestroms zum gleichen Zeitpunkt. Im Schritt d erfolgt
dann ein Zugriff auf ein Generatormodell, das z. B. in einem Steuergerät zur Steuerung
der Leerlaufdrehzahl des Motors abgelegt sein kann. Ein leistungsfähiges Generatormodell
ist entscheidend für die
Qualität
der Bestimmung der einzustellenden Leerlaufdrehzahl im letzten Schritt
e.
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3 stellt
den Bordnetzstrom bzw. den Generatorstrom in Abhängigkeit von der Motordrehzahl dar.
Eingetragen ist zum einen ein Grundverbrauch der Verbraucher, zum
anderen der aktuelle Verbraucherstrombedarf. Diese beiden Größen sind
konstant in der Motordrehzahl. Da die Stromlieferfähigkeit
des Generators von der Temperatur abhängt, kommt es zu einer Auffächerung
des Bordnetzstroms mit steigender Motordrehzahl. Die gestrichelte
Kurve zeigt die Stromlieferfähigkeit
des Generators zum aktuellen Zeitpunkt t1.
Außerdem
ist der Betriebspunkt zu diesem Zeitpunkt eingetragen. Kommt es
nun zu einem Rückfall
von der aktuellen Motordrehzahl in den Leerlauf, so wird eine neue
Leerlaufdrehzahl derart eingestellt, dass der Bordnetzstrom gerade
dem aktuellen Verbraucherstrombedarf entspricht. Im dargestellten
Fall ist diese neu einzustellende Leerlaufdrehzahl höher als
die ursprüngliche
Leerlaufdrehzahl. Durch die genaue Abstimmung auf den Verbraucherstrombedarf
wird eine Zyklisierung der Batterie sicher verhindert und außerdem Kraftstoff
gespart.