DE102008001024A1

DE102008001024A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, insbesondere eines Motorkühlgebläses eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008001024A1
Application number: DE102008001024A
Authority: DE
Inventors: Yannick Mougey; Trudpert Meier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US8825285B2; EP2274509B1; US20110040445A1; JP5523441B2; JP2011516784A; WO2009124842A1; EP2274509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass beim Betreiben der Antriebseinrichtung die untere Grenzdrehzahl (n1) und die obere Grenzdrehzahl (n2) eines kritischen Drehzahlbereichs [n1; n2] der Antriebseinrichtung bestimmt werden, dass ferner die Solldrehzahl (nsoll) der Antriebseinrichtung bestimmt wird und dass das Betreiben der Antriebseinrichtung mit einer der Grenzdrehzahlen erfolgt, sofern die Solldrehzahl im kritischen Drehzahlbereich liegt. Durch dieses Vorgehen wird beispielsweise vermieden, dass die Antriebseinrichtung in einem Drehzahlbereich betrieben wird, in welchem ihre Umgebung oder sie selber zu Eigenschwingungen angeregt werden, welche als Geräusche und/oder Vibrationen unerwünscht sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung.
Stand der Technik
Aus der Praxis sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Antriebseinrichtung in Form eines Motorkühlgebläses für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bekannt. Das Motorkühlgebläse dient dazu, einen Motorkühler mit einem Luftstrom zu beaufschlagen und damit die vom Verbrennungsmotor erhitzte und zwischen Verbrennungsmotor und Motorkühler umgewälzte Kühlflüssigkeit abzukühlen und Wärme des Verbrennungsprozesses aus dem Verbrennungsmotor in die Umgebung abzuführen.
Üblicherweise erfolgt der Antrieb des Motorkühlgebläses bei modernen Fahrzeugen durch einen Gleichstrommotor. Um den Energieaufwand für diesen elektrischen Antrieb zu verringern, wird dessen Leistung an die zum gegenwärtigen Zeitpunkt vom Verbrennungsmotor abzuführende Verbrennungswärme angepasst.
Im einfachsten Fall geschieht dies dadurch, dass das Motorkühlgebläse nur dann zugeschaltet wird, sobald der durch die Fahrsituation erzeugte Luftstrom zur Motorkühlung nicht mehr ausreicht, und dann mit einer festgelegten Drehzahl betrieben wird, welche bei allen denkbaren Fahr- und Umgebungssituationen eine ausreichende Motorkühlung gewährleistet.
Energetisch günstiger ist jedoch eine Steuerung, bei welcher die Leistung des Motorkühlgebläses während des Fahrbetriebs kontinuierlich an die tatsächlich erforderliche Kühlleistung angepasst wird. Das hierzu eingesetzte Steuergerät des Motorkühlgebläses (Fan Control Module FCM) ist in der Lage, die Drehzahl des elektrischen Antriebs des Motorkühlgebläses über einen weiten Drehzahlbereich, beispielsweise von 0 bis 3.000 min^–1, zu verändern. Die für den aktuellen Fahrbetrieb erforderliche Solldrehzahl n_soll wird dabei im Fahrzeugsteuergerät (ECU) vom Motormanagement des Verbrennungsmotors definiert und als PWM(Pulswellenmodulation)-Signal an das Motorkühlgebläse übermittelt. Die Umsetzung der Drehzahlanforderung in eine elektrische Spannung für den Antrieb des Motorkühlgebläses findet dann im Steuergerät des Motorkühlgebläses statt.
Das Motorkühlgebläse ist eine Geräuschquelle und wird als solche bei der Festlegung der Geräuschanforderungen auf Fahrzeugebene berücksichtigt. In kritischen Drehzahlbereichen kann das Motorkühlgebläse dabei gegebenenfalls infolge Resonanz für sich alleine oder in seiner Umgebung einen erhöhten Geräuschpegel erzeugen. Auch der elektrische Antrieb des Motorgebläses kann Schwingungen verursachen, welche der Eigenfrequenz des Motorkühlgebläses oder seiner Umgebung entsprechen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten der Antriebseinrichtung insbesondere hinsichtlich der Entwicklung von Geräuschen und sonstigen Schwingungen zu optimieren.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird bei einer Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass beim Betreiben der Antriebseinrichtung die untere und die obere Grenzdrehzahl eines kritischen Drehzahlbereichs der Antriebseinrichtung bestimmt werden, dass ferner die Solldrehzahl der Antriebseinrichtung bestimmt wird und dass das Betreiben der Antriebseinrichtung mit einer der Grenzdrehzahlen erfolgt, sofern die Solldrehzahl im kritischen Drehzahlbereich liegt.
Durch dieses Vorgehen wird beispielsweise vermieden, dass die Antriebseinrichtung über einen längeren Zeitraum in einem Drehzahlbereich betrieben wird, in welchem ihre Umgebung oder sie selber zu Eigenschwingungen angeregt werden, welche als Geräusche und/oder Vibrationen unerwünscht sind. Falls es erforderlich wird, den kritischen Drehzahlbereich zum Erreichen einer der Grenzdrehzahlen zu durchfahren, geschieht dies zügig, so dass die dabei auftretenden Beeinträchtigungen möglichst gering sind.
Vorzugsweise wird das Verfahren dann angewandt, wenn die Antriebseinrichtung ein elektrischer Antrieb ist. Bei Gleichstrommotoren kann die Drehzahländerung auf besonders einfache Weise durch Anpassung der elektrischen Spannung erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit besonderem Vorteil bei dem Antrieb eines Motorkühlgebläses eingesetzt, insbesondere zur Kühlung eines Verbrennungsmotors. Die Trägheit des Kühlsystems begünstigt einen Verzicht auf das Betreiben in einem kritischen Drehzahlbereich. Ferner sind die Anforderungen an die Geräuschentwicklung von Kraftfahrzeugen und anderen Einrichtungen mit Verbrennungsmotoren üblicherweise besonders hoch.
Die Bestimmung des kritischen Drehzahlbereichs kann grundsätzlich auch während des Betreibens der Antriebseinrichtung erfolgen, beispielsweise durch regelmäßiges Durchfahren des kompletten Drehzahlbereichs und ermitteln der dabei auftretenden Geräusche oder Schwingungen. Bei Systemen, deren Resonanzverhalten sich mit der Zeit nicht oder nur unbedeutend ändert, werden die obere und/oder untere Grenzdrehzahl jedoch bevorzugt vorab ermittelt, beispielsweise durch einen Laborversuch mit einem entsprechend ausgestatteten Fahrzeug. Die so bestimmte obere und/oder untere Grenzdrehzahl kann dann auf einfache Weise elektronisch gespeichert werden.
Die Solldrehzahl der Antriebseinrichtung wird nach einer besonderen Ausbildung in Zeitabständen bestimmt, insbesondere in periodischer Wiederkehr von beispielsweise 5 bis 15 Sekunden. Durch einen Vergleich der Solldrehzahl zu einem ersten Zeitpunkt mit der Solldrehzahl zu einem nachfolgenden Zeitpunkt lässt sich feststellen, ob die Anforderungen an die Leistung der Antriebseinrichtung zunehmen oder abnehmen. Dieses Kriterium lässt sich dahingehend nutzen, ob zur Vermeidung der kritischen Drehzahl die Antriebseinrichtung mit der oberen Grenzdrehzahl oder der unteren Grenzdrehzahl zu betreiben ist.
So wird die Antriebseinrichtung bevorzugt mit der unteren Grenzdrehzahl betrieben, sofern die Solldrehzahl im kritischen Drehzahlbereich liegt und die bestimmte Solldrehzahl zu einem ersten Zeitpunkt größer ist als die bestimmte Solldrehzahl zu dem nachfolgenden Zeitpunkt. Die Leistungsanforderung nimmt also mit der Zeit ab, so dass zu erwarten ist, dass die Drehzahlanforderung ohnehin in Kürze unterhalb der unteren Grenzdrehzahl liegen wird. Die Antriebseinrichtung wird bis dahin also mit der energetisch günstigeren unteren Grenzdrehzahl betrieben.
Ebenfalls wird die Antriebseinrichtung aus energetischen Erwägungen vorzugsweise mit der unteren Grenzdrehzahl betrieben, sofern die Solldrehzahl im kritischen Drehzahlbereich liegt und die bestimmte Solldrehzahl zu einem ersten Zeitpunkt der bestimmten Solldrehzahl zu dem nachfolgenden Zeitpunkt entspricht, die Leistungsanforderung also mit der Zeit weder zu- noch abnimmt.
Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung mit der oberen Grenzdrehzahl betrieben wird, sofern die Solldrehzahl im kritischen Drehzahlbereich liegt und die bestimmte Solldrehzahl zu einem ersten Zeitpunkt kleiner ist als die bestimmte Solldrehzahl zu dem nachfolgenden Zeitpunkt. Dem Anstieg der geforderten Leistung wird somit dadurch entgegen gewirkt, dass die Antriebseinrichtung bei einem positiven Gradienten der Drehanzahlforderung bereits mit der oberen Grenzdrehzahl betrieben wird.
Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zeichnet sich durch eine Antriebseinrichtung, Mittel zur Bestimmung der Solldrehzahl der Antriebseinrichtung und Mittel zum Vergleich der Solldrehzahl mit einem bestimmten kritischen Drehzahlbereich aus. Bei einem Kraftfahrzeug können diese Mittel auf einfache Weise durch Adaption der üblichen Steuergeräte von Fahrzeug, Verbrennungsmotor und/oder Motorkühlgebläse erzeugt werden.
Die vorhandenen Mittel können ferner auch zur Speicherung eines vorab festgelegten kritischen Drehzahlbereichs angepasst werden, beispielsweise durch Speicherung des kritischen Drehzahlbereichs in den dort vorhandenen elektronischen Datenspeichern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Figuren stellen am Beispiel eines Motorkühlgebläses eines Kraftfahrzeugs schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die dabei eingesetzten Mittel dar. Es zeigen:
1 die Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestatteten Kraftfahrzeugs,
2 ein Diagramm mit der Darstellung der Datenübertragung vom Verbrennungsmotor zum Motorkühlgebläse,
3 eine graphische Darstellung des geforderten und des gemessenen Geräuschpegels über die Drehzahl des Motorkühlgebläses, und
4 ein Flussdiagramm zur Steuerung des Antriebs des Motorkühlgebläses.
Beschreibung von Ausführungsformen
Das in 1 gezeigt Kraftfahrzeug 1 weist einen Verbrennungsmotor 2 und einen Motorkühler 3 auf, die über Kühlmittelleitungen 4, 4' miteinander verbunden sind und einen Kühlkreislauf ausbilden. Eine nicht dargestellte Flügelradpumpe wälzt die Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf um. Im Bereich des Motorkühlers 3 ist ein Motorkühlgebläse 5 mit einem elektrischen Antrieb 6 angeordnet. Dieses erhöht in Abhängigkeit von seiner Drehzahl den Luftstrom durch den Motorkühler 3 und verbessert damit die Wärmeabfuhr aus dem Motorkühler 3 in die Umgebung.
Der Verbrennungsmotor 2 ist mit einer elektronischen Steuerung 7 (ECU) ausgestattet, welche die zum Betreiben des Verbrennungsmotors 2 und anderer Fahrzeugsysteme (z. B. Airbagsystem) erforderlichen Daten und Prozesse verwaltet. Zu diesen Daten gehören auch die Temperatur des Kühlmittels und die sich daraus ergebende Leistungsanforderung an das Motorkühlgebläse 5. Die zentrale Steuerung 7 (ECU) kommuniziert ihrerseits über ein Bussystem mit der Steuerung 8 (FCM) des Motorkühlgebläses 5.
2 zeigt die Übermittlung und Umwandlung der Daten im Einzelnen. Die von der Steuerung 7 (ECU) des Verbrennungsmotors 2 bestimmte Solldrehzahl n_soll wird als codiertes Signal zur Steuerung 8 (FCM) des Motorkühlgebläses 5 geleitet. Die Steuerung 8 stellt auf Grundlage dieser Drehzahlanforderung eine Spannung V bereit, welche zum Betreiben des Antriebs 6 des Motorkühlgebläses 5 mit der geforderten Solldrehzahl n_soll erforderlich ist.
Wie aus 3 ersichtlich, nehmen die Geräuschemissionen (in dB(A)) beim Betreiben des Motorkühlgebläses 5 mit steigender Drehzahl n (in min^–1) zu. Auch wenn der Geräuschpegel insgesamt im Wesentlichen unter der gestrichelt dargestellten, vom Fahrzeughersteller spezifizierten Grenze liegt, können kritische Drehzahlbereiche [n₁; n₂] bestehen, in denen infolge Resonanz eine Erhöhung der Geräuschemission auftritt. Im Ausführungsbeispiel ist der kritische Drehzahlbereich [n₁; n₂] durch die untere Grenzdrehzahl n₁ und die obere Grenzdrehzahl n₂ definiert und wird experimentell ermittelt.
Das in 4 gezeigte Flussdiagramm stellt die Entscheidungskette zur weitgehenden Vermeidung dieser erhöhten Geräuschemission dar. Die entsprechenden Abfragen können grundsätzlich in der Steuerung 7 des Verbrennungsmotors 2, in der Steuerung 8 des Motorkühlgebläses 5 (wie nachfolgend beschrieben) oder auch in einem anderen Steuerungsmodul des Kraftfahrzeugs 1 erfolgen, welches entsprechende Kapazitäten bereitstellt.
Die von der Steuerung 7 des Verbrennungsmotors 2 bestimmte Solldrehzahl n_soll wird von der Steuerung 8 des Motorkühlgebläses 5 daraufhin geprüft, ob sie oberhalb der unteren Grenzdrehzahl n₁, unterhalb der oberen Grenzdrehzahl n₂ und damit innerhalb des kritischen Drehzahlbereichs [n₁; n₂] liegt. Ist dies nicht der Fall (Ergebnis: nein), wird die Drehzahlanforderung unverändert weitergeleitet. Der Antrieb 6 des Motorkühlgebläses 5 wird somit mit der Spannung V versorgt, welche zum Betreiben mit der Solldrehzahl n_soll erforderlich ist.
Befindet sich die Solldrehzahl n_soll hingegen zwischen der unteren Grenzdrehzahl n₁ und der oberen Grenzdrehzahl n₂ und damit innerhalb des kritischen Drehzahlbereichs [n₁; n₂] (Ergebnis: ja), wird im nächsten Verfahrensschritt ermittelt, ob der Gradient der Drehzahlanforderung positiv ist (Δ n_soll = (n_soll(t_k+1) – n_soll(t_k)) > 0). In diesem Fall steigt die geforderte Solldrehzahl n_soll von einer Bestimmung zum Zeitpunkt t_k zur zeitlich nachfolgenden Bestimmung zum Zeitpunkt t_k+1 an. Trifft dieses zu (Ergebnis: ja), wird als korrigierte Solldrehzahl n_{soll korr} die obere Grenzdrehzahl n₂ festgelegt und der Antrieb 6 des Motorkühlgebläses 5 infolge des anwachsenden Kühlleistungsbedarfs bereits mit einer etwas zu hohen Spannung versorgt.
Ist der Gradient der Drehzahlanforderung hingegen gleich Null oder negativ (Ergebnis: nein), wird als korrigierte Solldrehzahl n_soll
korr in Erwartung eines gleichbleibenden oder sinkenden Kühlleistungsbedarfs die untere Grenzdrehzahl n₁ festgelegt. Sollte sich die sich nun einstellende Kühlleistung als zu gering erweisen, wird sich bei den nachfolgenden Bestimmungen ein positiver Gradient der Drehzahlanforderung einstellen und die Grenzdrehzahl auf den oberen Wert n₂ angehoben. Ein geeigneter Algorithmus verhindert, dass die korrigierte Solldrehzahl n_{soll korr} in schneller Folge zwischen den Grenzdrehzahl n₁ und n₂ schwankt.
In Abwandlung dieser Verfahrensabfolge ist grundsätzlich auch denkbar, als korrigierte Solldrehzahl n_{soll korr} stets die untere Grenzdrehzahl n₁ vorzusehen, sofern die geforderte Solldrehzahl n_soll im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt, und die Kühlleistung erst dann anzuheben, wenn die Solldrehzahl n_soll die obere Grenzdrehzahl n₂ überschreitet. Ebenso ist vorstellbar, stets mit einem Überschuss an Kühlleistung zu arbeiten, sofern die geforderte Solldrehzahl n_soll im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt, in diesem Fall als korrigierte Solldrehzahl n_{soll korr} also die obere Grenzdrehzahl n₂ einzustellen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, mit den Schritten: – Bestimmen der unteren und oberen Grenzdrehzahl (n₁, n₂) eines kritischen Drehzahlbereichs [n₁; n₂] der Antriebseinrichtung, – Bestimmen der Solldrehzahl (n_soll) der Antriebseinrichtung, – Betreiben der Antriebseinrichtung mit einer Grenzdrehzahl (n₁, n₂), sofern die Solldrehzahl (n_soll) im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung ein elektrischer Antrieb (6) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung der Antrieb (6) eines Motorkühlgebläses (5) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorkühlgebläse (5) zur Kühlung eines Verbrennungsmotors (2), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere und/oder obere Grenzdrehzahl (n₁, n₂) vorab festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die untere und/oder obere Grenzdrehzahl (n₁, n₂), elektronisch gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solldrehzahl n_soll in vorzugsweise periodisch wiederkehrenden Zeitabständen (t_k, t_k+1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung mit der unteren Grenzdrehzahl (n₁) betrieben wird, sofern die Solldrehzahl (n_soll) im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt und die bestimmte Solldrehzahl (n_soll) zu einem ersten Zeitpunkt (t_k) größer ist als die bestimmte Solldrehzahl (n_soll) zu dem nachfolgenden Zeitpunkt (t_k+1).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung mit der unteren Grenzdrehzahl n₁ betrieben wird, sofern die Solldrehzahl (n_soll) im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt und die bestimmte Solldrehzahl (n_soll) zu einem ersten Zeitpunkt (t_k) der bestimmten Solldrehzahl (n_soll) zu dem nachfolgenden Zeitpunkt (t_k+1) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung mit der oberen Grenzdrehzahl n₂ betrieben wird, sofern die Solldrehzahl (n_soll) im kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂] liegt und die bestimmte Solldrehzahl (n_soll) zu einem ersten Zeitpunkt (t_k) kleiner ist als die bestimmte Solldrehzahl (n_soll) zu dem nachfolgenden Zeitpunkt (t_k+1).
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Antriebseinrichtung, Mittel zur Bestimmung der Solldrehzahl der Antriebseinrichtung und Mittel zum Vergleich der Solldrehzahl (n_soll) mit einem bestimmten kritischen Drehzahlbereich [n₁; n₂].
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mittel zur Speicherung eines vorab festgelegten kritischen Drehzahlbereichs [n₁; n₂].
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Speicherung des kritischen Drehzahlbereichs einen elektronischen Datenspeicher umfassen.