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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum
Steuern von Emissionen und bezieht sich insbesondere auf ein System
und Verfahren zum Steuern von Emissionen in einem Hybridfahrzeug
mit parallelem Elektromotor, indem der Absolutladedruck gesteuert
wird.
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Hybridelektrofahrzeuge
erzielen eine hohe Kraftstoffeinsparung, indem ein batteriebetriebener Elektromotor/Generator
(MG) mit einer sehr effizienten Wärmekraftmaschine, typischerweise
einer Verbrennungsmaschine (ICE), kombiniert wird. Hybridfahrzeuge
mit parallelem Elektroantrieb nutzen Leistung von sowohl der Wärmekraftmaschine
als auch dem Elektromotor, um die Räder des Fahrzeugs anzutreiben.
Dies steht im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen mit seriellem Elektromotor,
welche nur Leistung vom Elektromotor nutzen, um die Räder anzutreiben,
wobei die Wärmekraftmaschine
nur als Generator dient, um die Elektromotor/Generatorbatterien
nachzuladen. Hybridfahrzeuge mit parallelem Elektromotor sind die
gebräuchlichsten
Hybridfahrzeuge mit Elektromotor und stehen im Brennpunkt der vorliegenden
Erfindung. Indem bordeigene Computersteuerungen für die Maschine
verwendet werden, um umzuschalten, wenn jeweils die Maschine oder
der Motor oder eine Kombination aus Maschine und Motor verwendet
werden, kann das Hybridfahrzeug mit parallelem Motor unter verschiedenen
Antriebsbedingungen einen Spitzenwirkungsgrad erreichen. Der Motor/Generator
dient sowohl als Motor, der über
einen gewissen Mechanismus ein Drehmoment an die Antriebsräder abgibt,
als auch als Generator, der das elektrische System des Fahrzeugs speist
und die Fahrzeugbatterien lädt.
Wenn der MG als Generator arbeitet, kann er entweder durch ein Drehmoment
von der ICE des Kraftfahrzeugs oder von den Rädern des Kraftfahrzeugs angetrieben
werden.
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Wenn
die Verbrennungsmaschine (ICE) in einem Kraftfahrzeug (insbesondere
in einem kalten Klima) zu Anfang gestartet wird, sind die Innenflächen der
Maschine kalt. Da die Maschine anfangs mit einer sehr niedrigen
UpM dreht, liegt der Absolutdruck des Ansaugkrümmers (MAP) nahe dem Atmosphärendruck.
Da flüssiger
Kraftstoff nicht so leicht oder sauber wie gasförmiger Kraftstoff verbrennt,
ist es wünschenswert,
dass der Kraftstoff in die Verbrennungszylinder der Maschine gesprüht und mit
darin eintretender Luft gemischt wird, um zur Reduzierung von Emissionen
aus der ICE verdampft zu werden. Unglücklicherweise erschweren sowohl
der verhältnismäßig hohe
MAP als auch der kalte Zustand der Maschine eine Verdampfung des
in die Verbrennungszylinder eingespritzten Kraftstoffs. Um beim Anlassen
und während
anfänglicher
Beschleunigungen mit hohem Drehmoment kurz nach dem Anlassen den
gewünschten
Leistungsbetrag zu erzeugen, wenn die Maschine noch kalt ist, müssen zusätzliche (d.h. überschüssige) Mengen
Kraftstoff in den Ansaugkrümmer
zugeführt
werden, um eine ausreichende Menge an verdampftem Kraftstoff zu
erhalten. Der gesamte zusätzliche
Kraftstoff wird nicht vollständig
verdampft, und der unvollständig
verdampfte Kraftstoff wird nicht vollständig verbrannt. Die Konsequenz
der schlechten Kraftstoffverdampfung beim Anlassen und während anfänglicher
Beschleunigungen mit hohem Drehmoment sind erhöhte Emissionen. Der überschüssige Kraftstoff,
der beim Anlassen und während
der Periode kurz nach dem Anlassen nicht vollständig verbrannt wird, erzeugt
ein Abgasgemisch, das zu kraftstoffreich ist, um beim katalytischen
Wandler stöchiometrisch
zu sein, was zu erhöhten
Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen führt. Falls ein Versuch unternommen
wird, die Emissionen zu verringern, indem die zusätzlichen
Kraftstoffmengen nicht zugeführt werden,
kann die Maschine fehlzünden,
weil nicht genug Kraftstoffdampf vorhanden ist, um richtig zu laufen.
Falls die Maschine fehlzündet,
verbrennt zusätzlich
zur Tatsache, dass eine unterdurchschnittliche Leistung geliefert
wird, nicht der gesamte in die Brennkammern eingespritzte Kraftstoff,
und das zum katalytischen Wandler geleitete Abgas ist wieder zu kraftstoffreich,
um stöchiometrisch
zu sein. Diese Situation führt
ebenfalls zu erhöhten
Kohlenwasserstoffemissionen.
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Unter
den meisten Betriebsbedingungen ist, wenn die Ansaugventile ausreichend
erhitzt worden sind, der überschüssige Kraftstoff
nicht länger
notwendig, da die erhitzten Ansaugventile den eingespritzten Kraftstoff
geeignet verdampfen. Gleichzeitig ist gewöhnlich die UpM der Maschine
auch hoch genug, um einen niedrigen MAP zu liefern, der bei der Kraftstoffverdampfung
hilft.
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Hohe
Emissionen können
sich jedoch nicht nur aus dem hohen MAP beim Anlassen, sondern auch
aus schnellen Änderungen
im MAP sogar bei der erhitzten Maschine ergeben. Wenn es einen schnellen
Abfall im Drehmomentbedarf gibt, wie z.B. am Ende einer schnellen
Beschleunigung, schließt die
Drossel, und der MAP wird vom mit der schnellen Beschleunigung vereinbaren
hohen MAP schnell auf einen mit dem niedrigeren Drehmomentbedarf
vereinbaren niedrigen MAP fallen. Etwaiger flüssiger Kraftstoff, der in den
Ansaugöffnungen übrig ist, nachdem
die Drossel schnell schließt,
kann wegen des niedrigen MAP und der heißen Maschinenkomponenten in
einen gasförmigen
Zustand verdamp fen. Für
eine vollständige
Verbrennung kann zu wenig von diesem gasförmigen Kraftstoff vorhanden
sein, und das Kraftstoff/Luftgemisch kann zu mager sein (zu viel
enthaltene Luft aufweisen), um im Zylinder der Brennkammer geeignet
und vollständig
zu zünden.
Das nicht verbrannte Kraftstoff/Luftgemisch wird ausgestoßen und
gelangt zum katalytischen Wandler. Dieses nicht verbrannte Kraftstoff/Luftgemisch führt wieder
zu Erhöhungen
bei den Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidemissionen. Dieses Problem
kann besonders ausgeprägt
sein, wenn die Maschine kalt ist, wie zum Beispiel in der kurzen
Periode nach einem Anlassen. Während
dieser Periode kann ein gewisser Teil des überschüssigen Kraftstoffs, der in
die Brennkammern eingespritzt wurde, sich auf den Zylinderansaugöffnungen
sammeln. Falls der MAP aufgrund der Drosselschließung plötzlich fällt, kann
der flüssige
Kraftstoff schnell in einen gasförmigen
Zustand verpuffen, was zu den oben beschriebenen Problemen führt.
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Luftregelsysteme,
auch mit Sekundärlufteinblasung,
(AIR) wurden als ein Mittel entwickelt, um die Emissionen zu reduzieren,
die sich aus einem Anlassen und dem Fahren unmittelbar danach ergeben, indem
Luft in die Auslasskanäle
gepumpt wird. Die eingeblasene Luft hilft dabei, eine exotherme
Reaktion zu erzeugen, um die Temperatur des katalytischen Wandlers
zu erhöhen.
Weiterentwickelte Motor- bzw. Maschinensteuerungen wurden außerdem verwendet,
um für
eine Einspritzung in die Zylinder ein einfacher gezündetes Kraftstoff/Luftgemisch
zu liefern. Ein Ansatz, um Emissionen an einem Kraftfahrzeug ohne
Hybridantriebsstrang zu steuern, ist mit der Verwendung einer elektronischen
Drosselsteuerung (ETC) verbunden. Eine ETC hat einen Sensor am Gaspedal,
der die Stellung des Gaspedals misst, und somit wieviel Leistung
(oder Drehmoment) vom Fahrer gerade von der Maschine angefordert
wird. Der Sensor ist mit einem Maschinensteuerungscomputer verbunden,
der auf der Basis von Signalen vom Gaspedalsensor entscheidet, wieweit
die Drosselklappe im Ansaugkrümmer
zu öffnen
ist, wodurch der Leistungsbetrag bestimmt wird, den die Maschine
erzeugt. Unter normalen Betriebsbedingungen öffnet oder schließt der Maschinensteuerungscomputer
die Drossel sofort, um die gewünschte
Maschinenleistung zu erhalten. Der Maschinensteuerungscomputer kann
jedoch so programmiert sein, dass er das Öffnen oder Schließen der
Drossel verlangsamt, um eine Situation mit hohen Emissionen zu vermeiden, die
sich aus einem zu schnellen Öffnen
oder Schließen
der Drossel ergeben kann, wie oben beschrieben wurde. Bei all diesen
Ansätzen
gibt es jedoch Probleme. Das AIR-System wird beim Anlassen des Kraftfahrzeugs
nur für
weniger als eine Minute genutzt und hat danach im Betrieb des Kraftfahrzeugs keine
Funktion. Das AIR-System addiert Gewicht und Komplexität (und somit
Kosten) zum Kraftfahrzeug und ist dennoch nur für eine kurze Zeitspanne beim Kaltstart
funktional notwendig. Die weiterentwickelten Maschinensteuerungen
addieren ebenfalls Komplexität
und Kosten zum Kraftfahrzeug. Die ersten beiden Verfahren helfen
in erster Linie beim Reduzieren von Anlass- und Anfangsemissionen
und sind weitgehend nicht imstande, Emissionen in anderen Fahrsituationen
wie z.B. Bedingungen, die schnelle Änderungen im MAP zur Folge
haben, zu reduzieren. Das mit der Verwendung einer ETC verbundene
Verfahren kann dabei helfen, Emissionen zu reduzieren, die auf schnellen Änderungen
im MAP basieren, kann aber die Ansprechempfindlichkeit der Maschine auf
Fahrereingaben reduzieren, da ein von der Maschine abgegebenes Drehmoment
langsam erhöht oder
verringert wird, um hohe Emissionen zu vermeiden.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf an einem Verfahren, um Emissionen in einem Hybridfahrzeug
mit parallelem Elektromotor zu steuern, das die Nachteile der Techniken
nach dem Stand der Technik überwindet,
ohne die Fahrzeugleistung preiszugeben. Andere wünschenswerte Merkmale und Kennzeichen
der vorliegenden Erfindung werden überdies aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich werden, die
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und diesem Hintergrund
der Erfindung geliefert wird.
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Es
wird ein System geschaffen, um den Absolutladedruck in einer Verbrennungsmaschine
eines Hybridelektrofahrzeugs zu steuern. Das System enthält eine
Verbrennungsmaschine, einen Elektromotor/Generator und eine Steuerungseinheit.
Die Steuerungseinheit ist mit der Verbrennungsmaschine und mit dem
Elektromotor/Generator gekoppelt und dafür ausgelegt, das von der Verbrennungsmaschine
und dem Elektromotor/Generator gelieferte Drehmoment zu steuern,
um den gesamten Drehmomentbedarf des Fahrzeugs zu erfüllen und
den Absolutladedruck und die Rate einer Änderung des Absolutladedrucks, der
im Ansaugkrümmer
der Verbrennungsmaschine gemessen wird, innerhalb akzeptabler Grenzen
einer Schadstoffregelung zu halten.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, um einen Absolutladedruck
in einem Hybridelektrofahrzeug zu steuern, das parallel mit einem
Elektromotor/Generator eine Verbrennungsmaschine enthält. Das
Verfahren umfasst die Schritte: Überwachen
des Drehmomentbedarfs am Hybridelektrofahrzeug, Überwachen des Absolutladedrucks
der Verbrennungsmaschine, Liefern eines Drehmoments von der Verbrennungsmaschine,
um den Drehmomentbedarf zu erfüllen, und
Liefern eines Drehmoments vom Motor/Generator, um einen Lastausgleich
am von der Verbrennungsmaschine gelieferten Drehmoment vorzunehmen
und den Absolutladedruck der Verbrennungsmaschine innerhalb eines
akzeptablen Bereich zu halten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben,
in dieser zeigt:
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1 schematisch ein System
zur Steuerung des Absolutladedrucks eines parallelen Hybridantriebs
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 schematisch den zulässigen Bereich des
Absolutladedrucks; und
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3 schematisch in Form eines
Flussdiagramms einen Prozess gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, um den Absolutladedruck im Ansaugkrümmer einer
Verbrennungsmaschine zu steuern.
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung der Erfindung ist in ihrer Art nur beispielhaft und
soll die Erfindung oder die Anwendung und Nutzungen der Erfindung
nicht beschränken.
Ferner soll sie durch keine in dem vorhergehenden Hintergrund der
Erfindung oder der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung
präsentierte
Theorie begrenzt sein.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist ein System zur Steuerung des Absolutladedrucks
zur Verwendung in einem Hybridfahrzeug mit parallelem Elektromotor
vorgesehen. Das Hybridfahrzeug mit parallelem Elektromotor enthält ein Energiespeichersystem
wie zum Beispiel ein batteriebetriebenes Elektroantriebs/Erzeugungssystem
(wie z.B. einen Elektromotor/Generator), das mit einem Verbrennungsantriebssystem
(wie z.B. einer Verbrennungsmaschine) parallel gekoppelt ist. Zur
einfachen Beschreibung, aber ohne Beschränkung, werden im Folgenden
das Elektroantriebs/Generatorsystem und das Verbrennungsantriebssys tem
als Elektromotor/Generator (MG) bzw. Verbrennungsmaschine (ICE)
bezeichnet. Das Steuerungssystem gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung nimmt einen Lastausgleich an der Verbrennungsmaschine
vor und steuert dadurch sowohl die Größe als auch die Rate einer Änderung
des Absolutladedrucks (MAP), der im Ansaugkrümmer der Verbrennungsmaschine gemessen
wird, wodurch Kohlenwasserstoffemissionen reduziert werden. Das
Steuerungssystem steuert die Operation sowohl des Elektromotors/Generators
als auch der Verbrennungsmaschine, wobei der Elektromotor/Generator
parallel zur Verbrennungsmaschine in einer Weise betrieben wird,
so dass der MG das von der ICE gelieferte Drehmoment ergänzt, um
den Drehmomentbedarf des Fahrzeugs zu erfüllen, tut dies aber in einer
Weise, dass die ICE in einem idealen umweltverträglichen MAP-Bereich mit niedrigen
Emissionen arbeitet.
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1 zeigt schematisch einen
Antriebsstrang 8 eines Hybridfahrzeugs mit parallelem Elektromotor,
das ein System zur Steuerung des Absolutladedrucks gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung enthält.
Das Hybridelektrofahrzeug enthält
eine Verbrennungsmaschine (ICE) 10, die mit einem Motor/Generator
(MG) 16 parallel gekoppelt ist. Eine Steuerungseinheit 22 steuert
den Betrieb sowohl der Verbrennungsmaschine als auch des Motors/Generators,
um das angeforderte Drehmoment des Fahrzeugs mit niedrigen Emissionen
gemäß einem
Verfahren der Erfindung zu liefern, das im Folgenden vollständiger erläutert wird.
Die Steuerungseinheit 22 kann zum Beispiel ein eigenständiger Prozessor, eine
Mikrocontrollereinheit, ein Teil der Maschinensteuerungseinheit
oder dergleichen sein. Die Steuerungseinheit kann basierend auf
entweder Experiment- oder Modellergebnissen oder beiden programmiert
sein, um die im Folgenden im Detail dargelegten Funktionen auszuführen. Eine
Programmierung der Steuerungseinheit auf solch eine Weise ist dem Fachmann
offenkundig.
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Ein
Ansaugkrümmer 12 befördert Luft
zu jedem Zylinder der Verbrennungsmaschine 10. Gemäß der veranschaulichten
Ausführungsform
ist die ICE 10 eine Vierzylindermaschine, obgleich die
Erfindung für
eine ICE mit einer größeren oder
geringeren Anzahl Zylinder anwendbar ist. Vier Kraftstoffeinspritzdüsen 11 sind
im Ansaugkrümmer
vorgesehen, wobei jede Kraftstoffeinspritzdüse nahe der Ansaugöffnung eines
der vier Zylinder angeordnet ist. Eine Kraftstoffpumpe 15 gibt
Kraftstoff über
entsprechende Kraftstoffleitungen an die Kraftstoffeinspritzdüsen 11 ab.
Ein Drucksensor 14 befindet sich im Ansaugkrümmer 12,
um Messungen des Absolutladedrucks (MAP) im Ansaugkrümmer zu
liefern. Ein Temperatursensor 17 für die Ansaugluft misst die
Temperatur der einströmenden
Ansaugluft, und ein Temperatursensor 29 für das Maschinenkühlmittel
misst die Temperatur des Maschinenkühlmittels in der ICE 10. Eine
Drosselklappe 28 steuert die Luftmenge, die man durch den
Ansaugkrümmer 12 zu
jedem einzelnen Zylinder der Verbrennungsmaschine strömen lässt. Die
Drosselklappe ist in herkömmlicher
Weise dafür
ausgelegt, über
einen Bogen von neunzig Grad innerhalb des Ansaugkrümmers von
einer "geschlossenen" Stellung senkrecht
zum Luftstrom, die den Luftstrom vollständig blockiert, bis zu einer "offenen" Stellung parallel
zum Luftstrom zu drehen, die einen unbeschränkten Luftstrom zulässt. Die
Drosselklappe ist entweder physisch oder elektronisch mit einem Gaspedal 25 gekoppelt.
Der Grad, in dem die Drosselklappe 28 offen ist, wird durch
die Stellung des Gaspedals 25 und gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung durch die Steuerungseinheit 22 bestimmt. Die
Drosselklappe kann z.B. über
ein Drosselkabel 27 mit dem Gaspedal physisch gekoppelt
sein. Drücken
des Gaspedals 25 bewirkt, dass das Kabel 27 die
Drosselklappe 28 aufzieht. Die Verbrennungsmaschine ist
mit einem Getriebe 26 gekoppelt, das wiederum mit den (nicht
veranschaulichten) Antriebsrädern
des Hybridfahrzeugs gekoppelt ist. Die ICE gibt Leistung über das
Getriebe 26 an die Antriebsräder ab.
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Der
Elektromotor/Generator (MG) 16 zieht Leistung von einem
Batterieaggregat 18 und ist über eine Kopplung 20 mit
der ICE 10 verbunden. Die Kopplung 20 kann zum
Beispiel ein System von Zahnrädern,
ein Riemenantrieb oder dergleichen sein. Die Kopplung 20 erlaubt
alternativ, dass der Elektromotor/Generator als Startermotor für die ICE 10 dient
oder dass der MG parallel mit der ICE 10 Leistung an das
Getriebe 26 liefert oder der MG 16 durch die ICE 10 angetrieben
wird, damit der MG als Generator für das Batterieaggregat 18 dient.
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Die
Steuerungseinheit 22 ist dafür ausgelegt, mehrere Kommunikationssignale
zu senden und zu empfangen, um das erfindungsgemäße Steuerungssystem geeignet
zu betreiben. Die Steuerungseinheit 22 empfängt Kommunikationssignale
vom Drucksensor 14, Sensor 17 für die Ansauglufttemperatur
und Sensor 29 für
die Kühlmitteltemperatur
der Maschine, sendet Kommunikationssignale an die Kraftstoffeinspritzdüsen 11 und
sendet Kommunikationssignale an die ICE 10, die Drosselklappe 28,
das Batterieaggregat 18 und den Elektromotor/Generator 16 und
empfängt
Kommunikationssignale von diesen. (Nicht veranschaulichte) zusätzliche
Sensoren messen auch die Geschwindigkeit des Hybridfahrzeugs und
die Umdrehungen pro Minute (UpM) der Kurbelwelle 23 der
ICE. Ein weiterer Sensor bestimmt, welcher Getriebegang 26 eingelegt
ist. Jeder dieser zusätzlichen
Sensoren sendet auch Kommunikationssignale an die Steuerungseinheit 22.
Auf der Basis dieser drei zusätzlichen
Einspeisungen und des Grads, in dem die Drosselklappe 28 offen
ist (oder alternativ dazu der Antwort eines Sensors 24 für die Pedalstellung
in einem elektronischen Drosselsteuerungssystem) kann die Steuerungseinheit 22 das
gesamte gewünschte
Abtriebsdrehmoment der Kurbelwelle berechnen. Das gewünschte Abtriebsdrehmoment
der Kurbelwelle ist eine Funktion der vorliegenden Betriebszustände des
Fahrzeugs und der Anforderungen des Fahrers/Bedieners, wie sie über das
Gaspedal übermittelt
werden. Die Steuerungseinheit 22 ist dafür ausgelegt,
die Frequenz und Länge
der Kraftstoffimpulsbreite zu steuern, wie sie durch die Kraftstoffeinspritzdüsen eingespritzt
werden, sowie den Grad anzupassen, in dem die Drosselklappe 28 offen ist,
um die ICE 10 den gewünschten
Drehmomentbetrag erzeugen zu lassen. Die Steuerungseinheit ist programmiert,
um das Luftvolumen, das durch den Ansaugkrümmer 12 gelangt, auf
der Basis des Grads, in dem die Drosselklappe offen ist, zu berechnen.
Durch Einstellen der Frequenz und Pulsbreite der Kraftstoffeinspritzdüsen, um
das Volumen einströmender
Luft vom Ansaugkrümmer
abzustimmen, kann die Steuerungseinheit ein Kraftstoff/Luftgemisch
erzeugen, das den Maschinenbedarf erfüllt und gemäß der Erfindung auch äußerst effizient
ist und geringe Emissionen liefert. Wie im Folgenden vollständiger erläutert wird,
steuert die Steuerungseinheit auch den Leistungsbetrag, den der
Elektromotor/Generator 16 über die Kopplung 20 an
die ICE 10 liefert, und die Leistungsmenge, die der MG 16 von
der ICE 10 abzieht, wenn der MG als Generator arbeitet.
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Die
Erfinder haben bestimmt, dass Emissionen von dem Hybridelektrofahrzeug
innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden können, falls der Absolutladedruck
und die Rate einer Änderung
des Absolutladedrucks, wie er im Ansaugkrümmer der Verbrennungsmaschine
gemessen wird, besonders während
des Anlassens (wenn der Motor kalt ist) und während Situationen mit großer Drehmomentänderung
entweder während
oder nach dem Anlassen gesteuert und innerhalb bestimmter Grenzen
gehalten werden können.
Ein hoher Absolutladedruck (MAP) oder eine Rate einer Änderung
des MAP, die berechnete Maxima überschreiten,
verhindern, dass eingespritzter Kraftstoff geeignet verdampft. Als
Konsequenz kann der Kraftstoff in der Brennkammer nicht richtig
verbrennen. Ein niedrigerer MAP, der unterhalb eines berechneten
minimalen Drucks liegt, oder eine Rate einer Verringerung des MAP,
die eine berechnete maximale Rate einer Druckabnahme überschreitet,
bewirkt, dass eingespritzter Kraftstoff schlecht verbrennt oder
zu schnell in einen gasförmigen
Zustand verpufft und durch die Brennkammer gelangt, ohne zu verbrennen
oder ohne vollständig zu
verbrennen. In beiden Fällen
führt die
unvollständige
Verbrennung des Kraftstoffs zu einem nicht verbrannten oder nicht
stöchiometrischen
Gemisch aus Kraftstoff und Luft beim katalytischen Wandler und führt zu höheren Emissionen. 2 veranschaulicht schematisch
den zulässigen
Bereich des Absolutladedrucks und den zulässigen Bereich einer Rate der Zunahme
oder Abnahme des Absolutladedrucks für eine gegebene ICE-Betriebstemperatur.
Der Ausdruck "zulässig" meint, dass unter
diesen Bedingungen eingespritzter Kraftstoff richtig verdampft und richtig
verbrannt wird, was zu umweltverträglichen Emissionspegeln führt. Die
horizontale Linie 40 repräsentiert den maximalen Absolutladedruck,
die horizontale Linie 42 repräsentiert den minimalen Absolutladedruck,
die Linie 44 repräsentiert
die maximale Rate einer Zunahme des Absolutladedrucks, und die Linie 46 repräsentiert
die maximale Rate einer Abnahme des Absolutladedrucks. Sowohl die
zulässige MAP-Größe als auch
die zulässige
Rate einer MAP-Änderung
hängen
von vielen Maschinenbedingungen einschließlich, nicht aber darauf beschränkt, der
Maschinentemperatur, der Ansauglufttemperatur und der Breite und
Frequenz der Kraftstoffimpulse ab.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung betreibt die Steuerungseinheit 22 den Motor/Generator 16 und
die Verbrennungsmaschine 10 in einer Weise, um das angeforderte
Fahrzeugdrehmoment zu liefern, während
man die Verbrennungsmaschine innerhalb des zulässigen MAP-Bereichs arbeiten
lässt.
Die Steuerungseinheit modelliert die angeforderte Antriebskraft
des Fahrzeugs (Drehmomentbedarf des Fahrzeugs) auf der Basis der
Fahrereingabe, wie sie durch die Gaspedalstellung und Änderung
der Gaspedalstellung, die Fahrzeuggeschwindigkeit, den Getriebegang
und die UpM der Kurbelwelle repräsentiert
wird. Gleichzeitig wird das gesamte angeforderte Drehmoment mit
dem maximalen Drehmoment verglichen, das von der Verbrennungsmaschine
erzeugt werden kann, während
zulässige
MAP-Werte eingehalten werden. Falls während einer Beschleunigung
das angeforderte gesamte Fahrzeugdrehmoment oder die gesamte Rate
einer Zunahme des Fahrzeugdrehmoments bei der gegebenen UpM einen
MAP oder eine Änderungsrate des
MAP erfordert, der oder die größer als
die in 2 veranschaulichten
Grenzen ist, wird das positive Motor/Generatordrehmoment parallel
mit dem von der ICE erzeugt Drehmoment gekoppelt, um das Nettomoment
der Kurbelwelle zu verstärken,
das durch den Hybridantriebsstrang erzeugt wird. Der Elektromotor/Generator
ergänzt
das ICE-Drehmoment auf solch eine Weise, dass die ICE in einem idealen
MAP-Bereich mit niedrigen Emissionen arbeitet.
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Hohe
Emissionen können
sich auch ergeben, wenn sich der Drehmomentbedarf plötzlich von einem
hohen Bedarf (wie z.B. während
einer Beschleunigung) in einen niedrigen Bedarf (wie z.B. unmittelbar
nach einer Beschleunigung) ändert.
Plötzliches
Schließen
der Drossel, um das Abtriebsdrehmoment der ICE zu verringern, kann
einen drastisch verringerten MAP zur Folge haben, so dass etwaiger Kraftstoff,
der im Ansaugkrümner
zurückbleibt,
in einen gasförmigen
Zustand verpufft, wobei er meist unverbrannt durch die Brennkammer
gelangt und zu höheren
Emissionen führt.
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung veranlasst die Steuerungseinheit 22, statt
die Drosselklappe schnell zu schließen (und Emissionen zu erhöhen), dass
die Drossel so langsam schließt,
dass das von der ICE erzeugte Drehmoment nicht schnell ab nimmt.
Die Steuerungseinheit veranlasst, dass das überschüssige ICE-Drehmoment umgeleitet wird, um über die
Kopplung 20 den MG anzutreiben (was den MG als Generator
arbeiten lässt).
Das heißt,
falls während
einer Abbremsung bzw. Verlangsamung das angeforderte Drehmoment
(Maschinenbremse) oder die Rate einer Drehmomentabnahme einen MAP
oder eine Rate einer MAP-Abnahme vorschreibt, der oder die außerhalb
der in 2 veranschaulichten
Grenzen liegt, wird ein negatives Drehmoment des Elektromotors/Generators
parallel mit dem von der ICE erzeugten Drehmoment gekoppelt. Die
Verbrennungsmaschine dreht somit den Motor/Generator, und der MG ist
als Generator tätig,
der das Batterieaggregat 18 lädt. Der Motor/Generator erhöht die positive
Last auf die ICE, um den MAP innerhalb zulässiger Grenzen zu halten. Gemäß der Erfindung überwacht
folglich die Steuerungseinheit kontinuierlich die Betriebs- und
Umgebungsbedingungen und berechnet eine geeignete Kombination des
ICE-Drehmoments und MG-Drehmoments (entweder additiv oder belastend),
um den Drehmomentbedarf zu erfüllen,
während
MAP-Werte eingehalten werden, die noch eine geeignete Kraftstoffverdampfung
gewährleisten.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung misst am Anfang die Steuerungseinheit die Temperatur
des Maschinenkühlmittels
(als ein Maß der
Maschinentemperatur) und die Diagnosewerte des Elektromotors/Generators
und Batterieaggregats. Solange die Temperatur des Maschinenkühlmittels
unter einer vorbestimmten Temperatur liegt und Diagnosewerte des
Elektromotors/Generators und Batterieaggregats innerhalb von Betriebsparametern liegen,
ergänzt
der MG das Drehmoment, das die Verbrennungsmaschine liefern soll,
so dass der Absolutladedruck in einem vorbestimmten und zulässigen MAP-Bereich
bleibt. Der Elektromotor/Generator und die Verbrennungsmaschine
liefern zusammen genug kombiniertes Drehmoment, um das vom Fahrer
des Fahrzeugs angeforderte Drehmoment bereitzustellen. Der beschränkte MAP-Bereich,
innerhalb dessen zu arbeiten die Verbrennungsmaschine gezwungen
ist, sorgt für
eine ausreichende Verdampfung des in die Brennkammern der Verbrennungsmaschine
eingespritzten Kraftstoffs sogar unter kalten Maschinenzuständen, so
dass die Maschinenemissionen beim Kaltstart gesteuert werden. Sobald
das Maschinenkühlmittel
eine vorbestimmte Temperatur erreicht (die angibt, dass die ICE
bei einer Temperatur liegt, die ausreichend hoch ist, um jeglichen,
in die ICE-Zylinder eingespritzten Kraftstoff sogar unter hohen
MAP-Zuständen
zu verdampfen), stoppt der Elektromotor/Generator damit, das ICE-Drehmoment auf
der Basis einer MAP-Größe zu ergänzen, und
die Steuerungseinheit kann in einen herkömmlicheren Steuerungsmodus
eines Hybridelektroantriebs eintreten. Während und nach dieser Zeitspanne
reguliert gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Steuerungseinheit auch ein Öffnen der Drossel und das Drehmoment
vom Elektromotor/Generator, um schnelle MAP-Änderungen zu vermeiden, die
zu hohen Emissionen führen
können.
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3 veranschaulicht in Form
eines Flussdiagramms einen Prozess zum Steuern des Absolutladedrucks
in einem Hybridelektrofahrzeug gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Wenn die Verbrennungsmaschine 10 gestartet
wird, d.h. wenn die Zylinder damit beginnen, Kraftstoff zu empfangen und
zu verbrennen (Schritt 50), beginnt die Steuerungseinheit 22 einen
Prüfzyklus.
Die Steuerungseinheit prüft
zunächst
basierend auf Signalen vom MG 16 und Batterieaggregat 18,
um zu bestimmen, ob die Diagnosewerte des Elektromotors/Generators und
Batterieaggregats innerhalb der Betriebsparameter liegen (Schritt 52).
Die Diagnosewerte beinhalten zum Beispiel die MG-Temperatur, Batterieaggregattemperatur,
Batterieladungszustand (SOC) und dergleichen. Falls die Diagnosewerte
des Elektromotors/Generators nicht innerhalb der Betriebsparameter
liegen, tritt die Steuerungseinheit nicht in einen MAP-Steuerungsmodus gemäß der Erfindung
ein, sondern fährt
damit fort, die Diagnosewerte des Elektromotors/Generators zu prüfen, bis
sie innerhalb der Betriebsbedingungen liegen. Falls die Diagnosewerte
des Elektromotors/Generators innerhalb der Betriebsparameter liegen,
fährt dann
die Steuerungseinheit damit fort, in einen MAP-Steuerungsmodus einzutreten.
Um zu entscheiden, welcher Steuerungsmodus zu verwenden ist, prüft die Steuerungseinheit 22 basierend
auf Signalen vom Sensor 29 für die Temperatur des Maschinenkühlmittels,
ob die Maschinentemperatur oberhalb einer vorbestimmten Temperatur
liegt oder nicht (Schritt 54). Falls die Temperatur des
Maschinenkühlmittels
unterhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt, tritt dann die Steuerungseinheit
in einen MAP-Steuerungsmodus A ein (Schritt 56). Falls
die Temperatur des Maschinenkühlmittels
oberhalb einer vorbestimmten Temperatur liegt, tritt dann die Steuerungseinheit
in einen MAP-Steuerungsmodus B ein (Schritt 58). Wie oben erläutert wurde,
werden, falls die Maschinentemperatur oberhalb einer bestimmten
vorbestimmten Betriebstemperatur liegt, die Innenflächen (Ventile
und Ansaugkrümmer)
ausreichend erhitzt, um jeglichen eingespritzten Kraftstoff zu verdampfen,
so dass hohe MAP-Werte
keine unannehmbar hohe Kohlenwasserstoffemissionen bewirken. Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung tritt folglich das MAP-Steuerungssystem je nach Maschinentemperatur
entweder in den Modus A oder den Modus B ein. Die Steuerungseinheit 22 fährt damit
fort, die Diagnosewerte des Elektromotors/Generators und die Temperatur
des Maschinenkühlmittels
zu überwachen. Falls
zum Beispiel die ICE 10 zu Anfang von einem Kaltstart aus
gestartet wird, tritt die Steuerungseinheit 22 zu Anfang
in den Steuerungsmodus A ein (unter der Annahme, dass die Diagnosewerte
des Elektromotors/Generators innerhalb der Betriebsparameter liegen).
Nachdem die ICE 10 für
eine ausreichende Zeit betrieben wurde, um auf eine höhere Temperatur
als die vorbestimmte Tempe ratur zu heizen, schaltet die Steuerungseinheit 22 auf
den Steuerungsmodus B um, wenn die Steuerungseinheit erfasst, dass
die Maschinentemperatur oberhalb der vorbestimmten Temperatur liegt
(wieder unter der Annahme, dass die Diagnosewerte des Elektromotors/Generators
innerhalb von Betriebsparameter bleiben).
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Der
MAP-Steuerungsmodus A versucht, den Absolutladedruck der Verbrennungsmaschine
zwischen akzeptablen maximalen und minimalen Grenzen zu halten und
die Rate einer Änderung
des Absolutladedrucks auf annehmbare maximale Raten zu beschränken. Der
MAP-Steuerungsmodus
B versucht nur, die maximale Rate einer Änderung des MAP zu beschränken. Akzeptable
Beschränkungen des
MAP und die akzeptable maximale Rate einer Änderung des MAP sind diejenigen
Werte, die umweltverträglich
niedrige Kohlenwasserstoffemissionen erzeugen.
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3A veranschaulicht die Schritte,
die befolgt werden, falls die Betriebstemperatur der Maschine unterhalb
der vorbestimmten Temperatur liegt und die Steuerungseinheit 22 in
den MAP-Steuerungsmodus A eintritt. Die Steuerungseinheit 22 empfängt Signale
von den verschiedenen Maschinensensoren, bestimmt die Stellung der
Drosselklappe 28, die Stellung des Gaspedals 25,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, die UpM der Kurbelwelle und den Getriebegang
und berechnet auf der Basis dieser erfassten Zustände das
gesamte gewünschte
Kurbelwellenmoment. Die Steuerungseinheit berechnet basierend auf
der aktuellen Maschinentemperatur und Ansauglufttemperatur auch
den Absolutladedruck und die Rate einer Erhöhung oder Verringerung des Absolutladedrucks,
die sich ergeben würden,
falls die ICE diesen Drehmomentbetrag liefern würde (Schritt 60).
Die Steuerungseinheit 22 berechnet dann den maximalen und
minimalen zulässigen
MAP und die maximale zulässige
Rate einer MAP-Erhöhung
oder -Verringerung (d.h. die noch für eine geeignete Kraft stoffverbrennung
mit niedrigen Emissionen sorgt) auf der Basis der Maschinentemperatur,
Ansauglufttemperatur und dergleichen (Schritt 62). Als
nächstes
berechnet die Steuerungseinheit, ob der MAP oder die Rate einer Änderung
des MAP, die erforderlich sind, um das gewünschte Drehmoment zu liefern,
außerhalb
des gerade berechneten zulässigen
MAP-Bereichs liegen (Schritt 64). Falls der erforderliche
MAP innerhalb des MAP-Betriebsbereichs liegt, ist kein Lastausgleich
durch den Elektromotor/Generator erforderlich (Schritt 66).
Die Steuerungseinheit öffnet oder
schließt
die Drosselklappe und stellt die Impulsbreite der Kraftstoffeinspritzdüsen ein,
was sicherstellt, dass die ICE-Zylinder das richtige Kraftstoff/Luftgemisch
haben, das benötigt
wird, um das gewünschte
Drehmoment zu erzeugen. Falls der erforderliche MAP oder die erforderliche
Rate einer Änderung
des MAP nicht innerhalb des zulässigen
Betriebsbereichs liegt, ist ein Lastausgleich erforderlich. Die
Steuerungseinheit berechnet basierend auf den aktuellen Diagnosewerten
des Elektromotors/Generators das maximale positive Drehmoment, das
der MG 16 der ICE liefern kann, falls der MG als Motor fungieren
soll, oder das maximale negative Drehmoment, das der MG von der
ICE abziehen kann, falls der MG als Generator fungieren soll (Schritt 68).
Die Steuerungseinheit bestimmt, ob das vom Elektromotor/Generator
verfügbare
Drehmoment größer als
die Differenz zwischen dem erforderlichen Drehmoment des Antriebsstrangs
und dem Drehmoment ist, das die ICE liefern kann, während man
innerhalb des zulässigen
MAP-Bereichs bleibt (Schritt 70). Diese Drehmomentdifferenz
ist das Drehmoment, das notwendig ist, um einen Lastausgleich an
der ICE vorzunehmen. Falls das Drehmoment (positiv oder negativ),
das der MG der ICE liefern kann, größer als das für einen
Lastausgleich mit der ICE notwendige Drehmoment ist, veranlasst
die Steuerungseinheit, dass der MG (über die Kopplung 20)
der ICE den jeweiligen Drehmomentbetrag liefert, der notwendig ist,
um einen Lastausgleich mit der Maschine vorzunehmen und den MAP
der ICE innerhalb des zulässigen
Bereichs zu halten (Schritt 72). Gleichzeitig stellt die Steuerungseinheit
die Drosselklappe und die Impulsbreite der Kraftstoffeinspritzdüsen ein,
was sicherstellt, dass die ICE-Zylinder das geeignete Kraftstoff/Luftgemisch
haben, das notwendig ist, um das gewünschte Drehmoment zu erzeugen.
Die Steuerungseinheit überwacht
auch über
den Drucksensor 14 den MAP und beschränkt die Öffnung der Drosselklappe, wenn
die Druckgrenze des MAP erreicht wird. Falls der Drehmomentbedarf
oder der Bedarf der Drehmomentrate an der ICE so ist, dass die zulässige Rate
einer MAP-Änderung
verletzt werden könnte,
um das gewünschte
Drehmoment zu erzeugen, begrenzt die Steuerungseinheit das Öffnen oder Schließen der
Drosselklappe auf das maximal mögliche,
das keine Änderung
des MAP mit einer Rate bewirkt, die die zulässige Rate einer Änderung
des MAP überschreitet.
Falls jedoch das Drehmoment vom Elektromotor/Generator geringer
als das Drehmoment ist, das für
einen Lastausgleich mit der ICE notwendig ist, oder der MG ein Drehmoment
nicht schnell genug liefern kann, veranlasst gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung die Steuerungseinheit, dass der MG das maximale Drehmoment
oder die maximale Drehmomentänderung
liefert, und lässt zu,
dass der zulässige
MAP-Bereich verletzt wird, um die Drehmomentanforderung des Fahrers
zu erfüllen (74).
Das Steuerungsverfahren für
den Absolutladedruck gemäß der Erfindung
ist kontinuierlich. Die Steuerungseinheit 22 fährt damit
fort, Maschinen- und Umgebungsbedingungen und Anforderungen des
Fahrers kontinuierlich zu überwachen,
wie durch einen Pfeil 80 angegeben ist.
-
3B veranschaulicht die Schritte,
die befolgt werden, falls die Betriebstemperatur der Maschine oberhalb
der vorbestimmten Temperatur liegt und die Steuerungseinheit 22 in
den MAP-Steuerungsmodus B eintritt. Die Steuerungseinheit 22 empfängt Signale
von den verschiedenen Maschinensensoren, bestimmt die Stellung der
Drosselklappe 28, die Stellung des Gaspedals 25,
die Fahrzeuggeschwindigkeit, die UpM der Kurbelwelle und den Getriebegang
und berechnet auf der Basis dieser erfassten Zustände das
gesamte gewünschte
Kurbelwellenmoment. Die Steuerungseinheit berechnet auch die Rate
einer Erhöhung
oder Verringerung des Absolutladedrucks auf der Basis der aktuellen
Maschinentemperatur und Ansauglufttemperatur, die sich ergeben würde, falls
die ICE diesen Drehmomentbetrag liefern würde (Schritt 90).
Die Steuerungseinheit 22 berechnet dann die maximale zulässige Rate
einer MAP-Erhöhung
oder -Verringerung (d.h. die noch für eine geeignete Kraftstoffverbrennung
mit geringer Emission sorgt) basierend auf der Maschinentemperatur,
Ansauglufttemperatur und dergleichen (Schritt 92). Als
nächstes
berechnet die Steuerungseinheit, ob die Rate einer MAP-Änderung,
die erforderlich ist, um das gewünschte
Drehmoment bereitzustellen, außerhalb
des gerade berechneten zulässigen
MAP-Bereichs liegt (Schritt 94). Falls die erforderliche
Rate einer MAP-Änderung innerhalb
des MAP-Betriebsbereichs liegt, ist kein Lastausgleich mit dem Elektromotor/Generator
erforderlich (Schritt 96). Die Steuerungseinheit öffnet oder schließt die Drosselklappe
und stellt die Impulsbreite der Kraftstoffeinspritzdüsen ein,
wobei sichergestellt wird, dass die ICE-Zylinder das geeignete Kraftstoff/Luftgemisch
haben, das benötigt
wird, um das gewünschte
Drehmoment zu erzeugen. Falls die erforderliche Rate einer MAP-Änderung
nicht innerhalb des zulässigen
Betriebsbereichs liegt, ist ein Lastausgleich erforderlich. Die
Steuerungseinheit berechnet auf der Basis aktueller Diagnosewerte
des Elektromotors/Generators das maximale positive Drehmoment, das
der MG 16 der ICE liefern kann, falls der MG als Motor fungieren
soll, oder das maximale negative Drehmoment, das der MG von der
ICE abziehen kann, falls der Motor als Generator fungieren soll
(Schritt 98). Die Steuerungseinheit bestimmt, ob das vom
Elektromotor/Generator verfügbare Drehmoment
größer als
die Differenz zwischen dem angeforderten Drehmoment des Antriebsstrangs
und dem Drehmo ment ist, das die ICE bereitstellen kann, falls er
innerhalb des zulässigen
MAP-Bereichs bleibt (Schritt 100). Diese Drehmomentdifferenz
ist das Drehmoment, das notwendig ist, um einen Lastausgleich an
der ICE vorzunehmen. Falls das (positive oder negative) Drehmoment,
das der MG der IC bereitstellen kann, größer als das Drehmoment ist,
das für
den Lastausgleich mit der ICE notwendig ist, veranlasst die Steuerungseinheit,
dass der MG die ICE (über
die Kopplung) mit dem jeweiligen Drehmomentbetrag versorgt, der
notwendig ist, um den Lastausgleich mit der Maschine vorzunehmen
und den MAP der ICE innerhalb des zulässigen Bereichs zu erhalten
(Schritt 102). Gleichzeitig stellt die Steuerungseinheit
die Drosselklappe und die Impulsbreite der Kraftstoffeinspritzdüsen ein,
was sicherstellt, dass die ICE-Zylinder das richtige Kraftstoff/Luftgemisch
haben, das notwendig ist, um das gewünschte Drehmoment zu erzeugen.
Falls der Drehmomentbedarf oder der Bedarf einer Drehmomentrate
an der ICE so ist, dass die zulässige
Rate einer MAP-Änderung
verletzt werden würde,
um das gewünschte Drehmoment
zu erzeugen, beschränkt
die Steuerungseinheit das Öffnen
oder Schließen
der Drosselklappe auf das maximal mögliche, so dass keine Änderung
des MAP mit einer Rate hervorgerufen wird, die die zulässige Rate
einer Änderung
des MAP übersteigt.
Falls jedoch das Drehmoment vom Elektromotor/Generator geringer
als das Drehmoment ist, das für
einen Ausgleich mit der ICE notwendig ist, oder der MG ein Drehmoment
nicht schnell genug bereitstellen kann, veranlasst gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung die Steuerungseinheit, dass der MG das maximale Drehmoment
oder die maximale Drehmomentänderung
liefert, und erlaubt, dass der zulässige MAP-Bereich verletzt wird, um die Drehmomentanforderung
des Fahrers zu erfüllen (104).
Das Steuerungsverfahren für
den Absolutladedruck gemäß der Erfindung
ist ein kontinuierliches. Die Steuerungseinheit 22 fährt damit
fort, Maschinen- und Umgebungsbedingungen und Anforderungen des
Fahrers kontinuierlich zu überwachen,
wie durch einen Pfeil 106 angegeben ist.
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Obgleich
verschiedene beispielhafte Ausführungsformen
in der vorhergehenden ausführlichen Beschreibung
der Erfindung präsentiert
wurden, versteht es sich, dass es eine enorme Zahl von Variationen
gibt. Es sollte sich auch verstehen, dass die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder Ausführung der
Erfindung in keiner Weise beschränken
sollen. Vielmehr liefert die vorhergehende ausführliche Beschreibung dem Fachmann
eine zweckmäßige Anleitung
zur Umsetzung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Es
versteht sich, dass verschiedene Änderungen in Funktion und Anordnung
von Elementen, die in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben wurden,
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt
ist. Es werden Verfahren und Vorrichtungen geschaffen, um den Absolutladedruck
in einem Hybridelektrofahrzeug zu steuern, das parallel zu einem
Elektromotor/Generator eine Verbrennungsmaschine enthält. Das
Verfahren enthält
die Schritte: Überwachen
des Drehmomentbedarfs des Hybridelektrofahrzeugs, Überwachen
der Größe und Rate
einer Änderung
des Absolutladedrucks der Verbrennungsmaschine, Liefern eines Drehmoments
von der Verbrennungsmaschine, um den Drehmomentbedarf zu erfüllen; und
Liefern eines Drehmoments vom Motor/Generator, um einen Lastausgleich
am von der Verbrennungsmaschine gelieferten Drehmoment vorzunehmen
und den Absolutladedruck der Verbrennungsmaschine und dessen Rate
innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten.