-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Generatorstroms
derart, dass eine Rotordrehzahl mit einer Kurbelwellendrehzahl synchronisiert
wird, um ein Riemengeräusch
bei einem Motor zu verringern.
-
Ein
Hilfsantriebsriemen für
einen Motor ist von der Kurbelwelle angetrieben und kann über Riemenscheiben
in Wirkverbindung mit einer Luftpumpe, einem Klimaanlagenkompressor,
einer Wasserpumpe, einer Lenkhilfepumpe und einem Generator zum
Antrieb dieser Vorrichtungen stehen. Die zu dem Generator gehörende Riemenscheibe
ist wesentlich kleiner als die Riemenscheibe, die zu der Kurbelwelle gehört, so dass
der Rotor des Generators mit einer vergleichsweise hohen Drehzahl
rotiert. Der Rotor des Generators hat auch eine vergleichsweise
hohe Masse, was eine hohe rotierende träge Masse aufgrund der hohen
Drehzahl zur Folge hat.
-
Das
Geschwindigkeitsprofil der Kurbelwelle kann während eines Motorzyklus signifikant
schwanken, insbesondere wenn der Motor eine geringe Anzahl von aktiven
Zylindern besitzt. Dementsprechend kann aufgrund der rotierenden
trägen
Masse des Rotors des Generators eine signifikante positive oder negative
Zugspannung in dem Riemen zwischen der Kurbelwelle und dem Generator
auftreten, wenn Geschwindigkeitsschwankungen in der Kurbelwelle
auftreten. Als Folge dieser Zugspan nungsschwankungen in dem Riemen
können
ein Riemengeräusch oder
ein Riemenzwitschern auftreten. Andere Probleme sind unter anderem
Schwingungen und eine verringerte Dauerhaftigkeit des Antriebsriemensystems.
-
Bei
deaktivierten Motorzylindern kann dieses Riemengeräuschproblem
sich verschlimmern, da die rotierende träge Masse des Generators auf
größere Änderungen
der Kurbelwellendrehzahl reagiert. Aufgrund der Deaktivierung bestimmter
Motorzylinder hat der Zeitraum zwischen Änderungen der Beschleunigung
und Abbremsung der Kurbelwelle eine größere Amplitude von Geschwindigkeitsveränderungen
der Kurbelwelle zur Folge, was signifikante Veränderungen der Zugspannung im
Riemen verursachen kann, wenn die Massenträgheit des Rotors des Generators überwunden
wird.
-
Diese
Riemengeräuschprobleme
können ebenfalls
in Antriebssystemen mit einem hohen Übersteuerungsverhältnis oder
in Dieselmotoren auftreten.
-
Die
DE 199 37 715 C1 beschreibt
ein Motorsteuerverfahren, das einen Betrieb des Generators mit geringer
Geräuschentwicklung
und geringem Verschleiß des
den Generator antreibenden Riemens ermöglichen soll. Wenn der Generator
dem Riemen vorauseilt, wird dabei der Erregerstrom des Generators
erhöht,
um die Generatorlast zu erhöhen. Wenn
andererseits der Riemen dem Generator vorauseilt, wird der Erregerstrom
vermindert, um die Generatorlast zu verringern.
-
Ein
Motorsteuerverfahren, welches bei Zylinderdeaktivierung durchgeführt, werden
soll, ist in der
DE
100 08 287 A1 beschrieben. Mit diesem Motorsteuerverfahren
soll der infolge Zylinderdeaktivierung hervorgerufe ne verminderte
Wirkungsgrad des Motors verbessert werden, wozu der Generator entweder
bremsend oder als antreibender Motor arbeitet: Der Generator arbeitet
dabei bremsend, wenn der Drehmomentwert des Motors
über dem
Durchschnitt liegt. Andererseits arbeitet der Generator als antreibender
Motor, wenn der Drehmomentwert des Motors unter dem Durchschnitt liegt.
-
Die
WO 02/075914 A1 beschreibt ein Motorsteuerverfahren zur Verringerung
der Geräuschentwicklung,
welche von einem einen Drehstromgenerator antreibenden Riemen ausgeht,
welcher von dem Motor angetrieben wird. Bei diesem Motorsteuerverfahren
wird die Generatorausgangsleistung während Beschleunigungsphasen
des Motors reduziert, wodurch sich der für die Geräuschentwicklung verantwortliche
Schlupf zwischen Riemenscheibe und Riemen verringern lässt.
-
In
der
DE 102 56 715
A1 wird ein Steuergerät für eine Wechselstrommaschine
beschrieben, welche über
einen Riemen von einer Kraftfahrzeugmaschine angetrieben wird. Hierbei
wird der den Feldwicklungen der Wechselstrommaschine zugeführte Erregerstrom
von dem Steuergerät
so gesteuert, dass sich das Trägheitsmoment
des Rotors der Wechselstrommaschine ändert, um einer Änderung in
der Drehzahl der Kraftfahrzeugmaschine entgegenzuwirken.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Realisierung anzugeben,
mit welcher sich energiewirtschaftlich die Beanspruchungen eines
einen Generator antreibenden Riemens eines Verbrennungsmotors in
Phasen geringen Motorleistungsbedarfs reduzieren lassen.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
-
Der
Erfinder hat erkannt, dass der elektrische Generator in der Lage
ist, eine variable und steuerbare "Brems"-Kraft (d.h. eine elektromagnetische
Kraft, welche der Rotation entgegenwirkt) zu erzeugen, welche seiner
eigenen rotierenden trägen Masse
entgegenwirken kann oder sie sogar vergrössern kann. Diese variable
Bremskraft kann verwendet werden, um die Effekte von angestiegenen Schwankungen
der Kurbelwellendrehzahl auf das Hilfsantriebssystem zu dämpfen, wenn
ein Motor in einem Zylinderdeaktivierungsmodus betrieben wird.
-
Dementsprechend
stellt die Erfindung ein Verfahren zum Verringern des mit dem Riemen
in Zusammenhang stehenden Geräuschs
in einem Motor zur Verfügung,
wobei der Riemen mit einer mit einem Generator verbunden Generatorriemenscheibe
und einer mit einer Motorkurbelwelle verbundenen Kurbelwellenriemenscheibe
in Eingriff steht. Das Verfahren umfasst ein Steuern des Rotorstroms
in dem Generator derart, dass Schwankungen der Rotordrehzahl mit
Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl selektiv synchronisiert werden,
wodurch große Schwankungen
der Riemenspannung zur Verringerung des Geräuschs verhindert werden. Bei
einer Drehzahlverringerung der Kurbelwelle wird der Rotorstrom erhöht, um das
Bremsen des Rotors zu erhöhen,
und bei einer Beschleunigung der Kurbelwelle wird der Rotorstrom
verringert, um das Rotorbremsen zu verringern. Diese Steuerung wird
vorzugsweise zur Verfügung
gestellt, wenn in dem Motor Zylinder deaktiviert sind.
-
Der
Rotorstrom wird von einer Steuerung gesteuert, welche die an dem
Generator anliegende Spannung überwacht
und verändert.
Die Steuerung kann ebenfalls eine Motordrehzahl, einen Zylinderdeaktivierungsmodus,
eine Synchronisierung der Kurbelwelle mit dem Rotor des Generators,
eine Systemspannung und einen Ansaugdruck überwachen. Diese Steuerung
kann eine separate Generatorsteuereinheit sein oder sie kann in
ein Motorsteuerungsmodul oder eine andere Steuerung integriert sein.
-
Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein System
zum Verringern des mit einem Riemen in Zusammenhang stehenden Geräuschs im
Motor zur Verfügung
gestellt. Dieses System umfasst einen Generator, welcher über einen Riemen
mit einer Motorkurbelwelle in Wirkverbindung steht. Der Generator
weist einen Rotor auf. Eine Steuerung, wie oben beschrieben, wird
betrieben, um den Rotorstrom derart zu steuern, dass Schwankungen
in der Rotordrehzahl mit Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl selektiv
synchronisiert werden, wodurch große Schwankungen der Riemenspannung
zur Verringerung des Geräuschs
vermieden werden.
-
Die
obigen Eigenschaften und Vorteile und andere Eigenschaften und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genauen Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor.
-
1 zeigt
eine schematische Stirnansicht eines Motors mit einer typischen
Hilfsantriebsanordnung;
-
2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Steuersystems zum erfindungsgemäßen Steuern
eines Generators zur Verringerung des Riemengeräusches;
-
3 zeigt
eine Diagrammdarstellung der Kurbelwellendrehzahl in Abhängigkeit
von einer Winkelstellung der Kurbelwelle für einen Motor; und
-
4 zeigt
eine Diagrammdarstellung von Kurbelwellendrehzahl und Motorstrom
in Abhängigkeit
von der Winkelstellung der Kurbelwelle gemäß der Erfindung.
-
1 zeigt
eine schematische Stirnansicht eines Motors 10 und illustriert
die Hilfsantriebsanordnung des Motors. Wie dargestellt, weist der
Motor einen Riemen 12 auf, der von einer Kurbelwellenriemenscheibe 14 angetrieben
ist. Der Antrieb des Riemens 12 durch die Kurbelwellenriemenscheibe 14 treibt
verschiedene Hilfssysteme an dem Motor 10 an. Der Riemen 12 treibt
die Wasserpumpenriemenscheibe 16, die Klimaanlagenkompressor-Riemenscheibe 18,
die Luftpumpenriemenscheibe 20, die Generatorriemenscheibe 22 und
die Lenkhilfenpumpenriemenscheibe 24 an. Ein federbelasteter
Riemenspanner 26 ist vorgesehen, um die Zugspannung im
Riemen 12 aufrecht zu erhalten.
-
Der
Riemenspanner 26 ist bei normalen Betriebsbedingungen des
Motors ausreichend, um ein vorbestimmtes Zugspannungsniveau in dem
Riemen aufrechtzuerhalten. Wenn allerdings Zylinder deaktiviert
werden, wird die Häufigkeit
von Drehzahlschwankungen der Kurbelwelle signifikant verringert und
die Amplituden der Schwankungen werden signifikant erhöht, was
signifikante Zugspannungsschwankungen im Riemen 12 zur
Folge hat, da die träge
Masse des Generators den Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl entgegenwirkt.
-
3 zeigt
eine Diagrammdarstellung der Kurbelwellendrehzahl in Abhängigkeit
von einer Winkelstellung der Kurbelwelle, wobei das Profil C die Schwankungen
der Kurbelwellendrehzahl im normalen Modus (alle Zylinder aktiv)
und Profil D die Kurbelwellendrehzahl bei Zylinderde aktivierung
darstellt. Wie dargestellt, erhöht
sich infolge der verringerten Häufigkeit
der Motorzyklusereignisse die Amplitude von Geschwindigkeitsschwankungen
in der Kurbelwelle erheblich, wenn Zylinder deaktiviert sind.
-
Bei
einem typischen Hilfsantriebssystem für einen Motor wird der elektrische
Generator mit Drehzahlen von etwa 2,5-mal der Kurbelwellendrehzahl angetrieben.
Wie vorstehend beschrieben, verursacht diese relativ hohe Drehzahl
gemeinsam mit der hohen rotierenden Masse des Generators einen Schwungradeffekt
am Generator aufgrund der rotierenden trägen Masse. Wie in 3 dargestellt,
läuft die
Kurbelwelle nicht mit einer konstanten Drehzahl, sondern schwankt
in Bezug auf eine Solldrehzahl aufgrund der verschiedenen Ereignisse
in dem Motorzyklus. In einem Mehrzylindermotor, der mit allen Zylindern
in aktiviertem Zustand betrieben ist, stellt der Schwungradeffekt
des Generators auf die Hilfsantriebsriemenspannung normalerweise
kein Problem dar. Dies liegt daran, dass die Zündfrequenz des Motors hoch
ist und die unmittelbare Schwankung der Kurbelwellendrehzahl niedrig
ist. Allerdings wird üblicherweise
während
einer Zylinderdeaktivierung die Häufigkeit der Schwankungen der
Kurbelwellendrehzahl halbiert und die Amplituden werden fast verdoppelt,
wie in 3 dargestellt ist. Aufgrund der Trägheit des
Generators und des Nachfolgens des Antriebsriemensystems, können die
Kurbelwelle und der Generator ihren gegenseitigen Geschwindigkeitsschwankungen
nicht mehr folgen und arbeiten oft gegeneinander. Dies ruft übermäßige Schwankungen
der Riemenspannung hervor, die Geräusche, Schwingungen und eine
verringerte Dauerhaftigkeit des Antriebsriemensystems verursachen.
Diese Situation wird deutlicher, wenn Motoren mit einer geringeren
Zylinderanzahl Zylinderdeaktivierung nutzen. Bei einer gerin geren
Anzahl von aktiven Zylindern treten die Drehzahlimpulse in dem Hilfsantrieb
bei niedrigeren Frequenzen auf und der Schwungradeffekt des Generators
wird vergrößert.
-
Dementsprechend
steuert die Erfindung den Generator derart, dass Schwankungen der
Drehzahl des Rotor des Generators mit Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl
selektiv synchronisiert werden, wodurch große Schwankungen in der Riemenspannung
verhindert werden, um das in Zusammenhang mit dem Riemen stehenden
Geräusch
zu vermindern. Genauer wird der elektrische Generator zur Erzeugung
einer variablen und steuerbaren Bremskraft verwendet, um den Auswirkungen
seiner eigenen rotierenden trägen
Masse entgegenzuwirken. Diese variable Bremskraft wird verwendet,
um die Auswirkungen von erhöhten
Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl auf das Hilfsantriebssystem
zu verringern, wenn der Motor im Zylinderdeaktivierungsmodus betrieben
wird.
-
Die
Bremskraft des Generators wird durch die Interaktion des magnetischen
Felds des Rotors mit dem Stator erzeugt. Diese Kraft ist veränderlich
in Abhängigkeit
von der Rotordrehzahl und dem Rotorstrom. In der Praxis fließt fast
immer Rotorstrom. Regulierungen des Rotorstroms können verwendet
werden, um die Stärke
der der Rotation entgegenwirkenden Kraft zu steuern. Wenn dieser
variable Rotorstrom in Zeit und Amplitude mit Motorereignissen synchronisiert
ist, folgt die Drehzahl des Generators den Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl
besser, wodurch die Schwankungen in der Antriebsriemenspannung reduziert
werden. Insbesondere wird die Bremswirkung bei einer Drehzahlabnahme
der Kurbelwelle erhöht
und bei einer Beschleunigung der Kurbelwelle verringert.
-
In 2 ist
ein System 30 zum Verringern des mit dem Riemen in Zusammenhang
stehenden Geräuschs
in einem Motor dargestellt. Das System 30 umfasst den Generator 32 (auch
in 1 gezeigt), der den Stator 34 und den
Rotor 36 umfasst. Im Generator 32 wird über den
Rotor 36 hinweg über Bürsten 38, 40 und
Gleitringe 42, 44 eine Spannung angelegt, um einen
Stromfluss durch die Windungen des Rotors 36 zu verursachen.
Wenn eine Gleichspannung an den Spulen oder Windungen des Rotors 36 angelegt
wird, wird der Rotor 36 zu einem Elektromagneten. Wenn
der Rotor sich dreht, induziert das magnetische Feld einen Wechselstrom
in den feststehenden Spulen des Stators 34. Der Wechselstrom
aus den drei Bereichen 46, 48, 50 des
Stators wird dann von den Dioden 52, 54, 56, 58, 60, 62 in
Gleichstrom gewandelt. Dieser Gleichstrom wird verwendet, um die
Batterie zu laden und elektrische Systeme des Fahrzeugs anzutreiben.
-
Wie
ferner in 2 dargestellt, weist das System 30 auch
eine Generatorsteuerung 64 auf, welche eine separate Generatorsteuereinheit
innerhalb des Generators sein kann oder in ein Motorsteuermodul
oder eine andere Steuerung integriert sein kann. Als Eingangswerte
erhält
die Generatorsteuerung 64 die Systemspannung 66 (das
heißt
die Spannung des elektrischen Fahrzeugsystems), die Motordrehzahl 68,
den Zylinderdeaktivierungsmodus 70 (das heißt, ob Zylinder
deaktiviert worden sind), die Kurbelwellensynchronisierung 62 (das
heißt
die zeitliche Übereinstimmung
der Kurbelwellenrotation mit dem Rotorstrom) und den Ansaugdruck 74 (da
die Schwankung der Kurbelwellendrehzahl proportional zur Motorlast
ist). Basierend auf den Eingangswerten 66, 68, 70, 72, 74 bestimmt
die Generatorsteuerung 64 ein Spannungsprofil 76,
welches in den Generator 32 eingegeben wird, um einen passenden
Strom im Rotor 36 zu erzeugen, um die gewünschte Bremskraft
des Generators 32 zu erreichen. Im normalen Modus oder
im Zylinder-nicht-deaktiviert-Modus,
wird dem Generator 32 ein flaches Spannungsprofil A geliefert,
und während
einer Zylinderdeaktivierung wird dem Generator 32 das veränderliche
Profil B geliefert, um die gewünschte
Bremskraft zur Synchronisierung der Rotordrehzahl mit der Kurbelwellendrehzahl
zur Verfügung
zu stellen.
-
Die
Modulierung des Rotorstroms des Generators während der Zylinderdeaktivierung
kann so eingesetzt werden, dass das resultierende Ausgangsniveau
des Generators nicht verändert
wird. Der Rotorstrom bei deaktiviertem Zylinder hat eine höhere Schwankung
der Amplitude um den Mittelwert und ein ausreichend hohe Frequenz,
um das gleiche resultierende Ausgangsniveau wie im normalen Modus
zu erzeugen. Beispielsweise ist bei einem Sechszylindermotor mit
drei deaktivierten und drei in Betrieb befindlichen Zylindern die
Frequenz gleich 1,5 mal der Kurbelwellendrehzahl, und bei einem Achtzylindermotor
mit vier deaktivierten und vier aktiven Zylindern ist die Frequenz
gleich zwei mal der Kurbelwellendrehzahl.
-
Das
in 2 dargestellte Profil B ist ausgewählt, um
die Frequenz des Rotorstroms mit den Motorzyklusereignissen (das
heißt
mit Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl) zu synchronisieren.
-
4 zeigt
eine Diagrammdarstellung einer vorgeschlagenen zeitlichen Koordinierung
der Schwankungen des Rotorstroms in Bezug auf Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl.
Wie von dem Rotorstromprofil B illustriert, wächst das Rotorstromprofil B
an, um das Bremsen des Rotors zur Synchronisierung der Rotordrehzahl
mit der Kurbelwellendrehzahl zu erhöhen, wenn das Kurbelwellendrehzahlprofil
D abnimmt (das heißt
bei einer Drehzahlabnahme der Kurbelwelle). Auf ähnliche Weise wird das Rotorstromprofil
B gleichzeitig bei anwachsendem Kurbelwellendrehzahlprofil D verringert,
um das Bremsen des Motors zu verringern, wodurch die Riemenspannung
verringert wird, die durch Drehzahlunterschiede zwischen der Rotorriemenscheibe
und der Kurbelwellenriemenscheibe hervorgerufen wird. Das Profil
A stellt wieder den Rotorstrom während normaler
Arbeitsbedingungen dar (alle Zylinder aktiv).
-
Zusammengefasst
wird ein Verfahren zum Verringern eines mit einem Riemen in Zusammenhang
stehenden Geräuschs
in einem Motor zur Verfügung
gestellt, wobei der Riemen mit einer mit einem Generator verbundenen
Generatorriemenscheibe und mit einer mit einer Motorkurbelwelle
verbundenen Kurbelwellenriemenscheibe in Eingriff steht. Das Verfahren
umfasst ein Steuern des Rotorstroms in dem Generator derart, dass
Schwankungen der Rotordrehzahl mit Schwankungen der Kurbelwellendrehzahl
selektiv synchronisiert werden, wodurch große Schwankungen der Riemenspannung
zur Verringerung des Geräuschs
verhindert werden.