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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinheit
zum Betreiben eines Hybridantriebs.
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Aus
dem Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge mit Hybridantrieb (im
Folgenden kurz Hybridfahrzeuge) bekannt, welche sowohl eine Brennkraftmaschine
als auch einen Elektroantrieb aufweisen.
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Dabei
ist es möglich,
dass nur der Elektroantrieb mit den Rädern des Fahrzeugs verbunden
ist, wobei die Brennkraftmaschine mittels eines Generators dann
zur Versorgung des Elektroantriebs bzw. eines elektrischen Speichers,
welcher als Energiequelle für
den Elektroantrieb dient, benutzt wird.
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Bei
anderen Hybridantriebkonzepten geben sowohl die Brennkraftmaschine
als auch zwei Elektroantriebe über
eine gemeinsame Getriebeanordnung ihre Antriebsenergie an die Fahrzeugräder, wobei
die Anordnung zusätzlich
einen Generator aufweist, welcher bei Betrieb der Brennkraftmaschine zur
Erzeugung elektrischer Energie benutzt wird.
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Bei
einem wiederum anderen Hybridantriebkonzept, wie es anhand einer
Hybridantriebanordnung 1 schematisch in 1 dargestellt
ist, wirken eine Brennkraftmaschine 5 mit einer Antriebswelle 6 und
ein Elektroantrieb 3 mit einer Antriebswelle 4 auf eine
gemeinsame Kurbelwelle 10, so dass sich die Drehmomente
von Bennkraftmaschine 5 und Elektroantrieb 3 addieren.
Ein herkömmliches
Getriebe 15 dient der Anpassung der Drehmomente von Brennkraftmaschine 5 und
Elektroantrieb 3 an die jeweilige Fahrsituation.
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Zwischen
Brennkraftmaschine 5 und Elektroantrieb 3 ist
eine Kupplung 20 angeordnet, so dass der Elektroantrieb 3 unabhän gig von
der Brennkraftmaschine 5 betrieben werden kann, um eines
oder mehrere Antriebsräder 25 über Getriebe 15,
Antriebstrang 30, und Differentialgetriebe 35 anzutreiben.
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Herkömmlicherweise
wird die Brennkraftmaschine 5 mit einem Anlasser bzw. Riemenstartergenerator 40 gestartet,
wobei der Riemenstartergenerator 40 über eine Riemenscheibe 42 und
einen Riemen 44 mit der Kurbelwelle 10 verbunden
ist.
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Mindestens
eine Steuereinheit 50 dient dazu, die Brennkraftmaschine 5,
den Riemenstartergenerator 40, den Elektroantrieb 3,
sowie das Getriebe 15 mit entsprechenden Steuerbefehlen
zu steuern.
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Eine
elektrische Energiequelle 55 versorgt den Riemenstartergenerator 40 und
den Elektroantrieb 3, der auch als Generator betrieben
werden kann, mit elektrischer Energie, wobei die elektrische Energiequelle 55 auch
von dem Elektroantrieb 3 abgegebene elektrische Energie
speichern kann, wenn der Elektroantrieb 3 als von der Brennkraftmaschine 5 angetriebener
Generator betrieben wird.
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Das
in 1 dargestellte Hybridantriebkonzept gestattet
es, dass das Fahrzeug nur durch die Antriebsleistung des Elektroantriebs 3 angetrieben werden
kann, während
die Brennkraftmaschine 5 nicht in Betrieb ist. Die für das Betreiben
des Elektroantriebs 3 benötigte elektrische Energie wird
von der Energiequelle 55 zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise
können
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine 5 mit niedriger Last, welche einen
schlechten Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine 5 zur Folge hätten, vermieden
werden. Insbesondere im Stadtverkehr, wo häufig nur unter niedriger Last
gefahren werden kann, ist ein rein elektrischer Antrieb vorteilhaft,
da dadurch Kraftstoff eingespart werden kann und der Schadstoffausstoß reduziert
wird.
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Für den Fall,
dass die elektrische Energiequelle 55 nicht mehr ausreichend
Energie zur Verfügung
stellen kann, d. h. wenn zum Beispiel ein bestimmter Spannungsschwellenwert
unterschritten wird, bei dem der Elektroantrieb 3 nicht
mehr funktionieren würde,
oder wenn der Fahrer ein größeres Drehmoment
anfordert, dann wird die Brennkraftmaschine 5 über die
Kupplung 20 zugeschaltet.
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Wenn
eine solche Situation eintritt, bei der eine Anforderung, die Brennkraftmaschine 5 zu
dem Elektroantrieb 3 dazuzuschalten, vorliegt, befinden sich
der Antriebstrang und damit der Elektroantrieb 3 und die
gerade gestartete Brennkraftmaschine 5 in der Regel auf
unterschiedlichen Drehzahlniveaus. So kann die Brennkraftmaschine 5 eine
Standard-Leerlaufdrehzahl
von etwa 700 bis 1400 Umdrehungen/Minute aufweisen, während der
Antriebstrang und der Elektroantrieb eine Drehzahl von etwa 2000 bis
5000 Umdrehungen/Minute aufweist. Wird in einer solchen Situation
die Kupplung 20 geschlossen, dann kommt es zu einem Ruck
im Antriebstrang, der als nachteilig für den Fahrkomfort empfunden
wird und auch schädlich
für die
Komponenten des Antriebstrangs sein kann.
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Aus
EP 0 965 475 B1 ist
ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs bekannt, durch
welches ein höherer
Komfort beim Koppeln der Brennkraftmaschine und des Elektroantriebs
erreicht werden soll. Neben dem Elektroantrieb ist ferner ein mit der
Brennkraftmaschine starr gekoppelter Generator vorgesehen. Um ein
ruckfreies Koppeln der Brennkraftmaschine mit dem Elektroantrieb
zu ermöglichen,
wird zunächst
das Ausgangsdrehmoment der Brennkraftmaschine unter. Beeinflussung
der Drosselklappe auf das von dem Elektroantrieb produzierte Ausgangsdrehmoment
geregelt. Da es durch diesen Drehmomentaufbau zu einem erheblichen
Anstieg der Drehzahl der Brennkraftmaschine kommt, wird nun der
Generator derart angesteuert, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine
und die Drehzahl des Elektroantriebs gleich sind. Nachdem sowohl
die Ausgangsdrehmomente als auch die Drehzahlen der Brennkraftmaschine
und des Elektroantriebs übereinstimmen
wird schließlich
die Kupplung zwischen der Brennkraftmaschine und dem Elektroantrieb
geschlossen.
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Aus
EP 1 201 479 B1 ist
ein Verfahren zur Steuerung eines Hybridantriebs bekannt, bei welchem
die Brennkraftmaschine mit einem elektrischen Startermotor versehen
ist und über
eine Kupplung mit dem Elektroantrieb verbindbar ist. Im entkoppelten Zustand
wird zunächst
die Drehzahl der Brennkraftmaschine mittels des elektrischen Startermotors
auf die Drehzahl des Elektroantriebs geregelt. Sobald die Brennkraftmaschine
und der Elektroantrieb synchron laufen, werden diese mittels des
Kupplungsmechanismus gekoppelt. Anschließend wird die Brennkraftmaschine
durch Aufnahme der Kraftstoffeinspritzung gestartet.
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Aus
US 6,190,282 B1 ist
ein Verfahren zum Steuern eines Hybridantriebs bekannt, bei dem
die Brennkraftmaschine mit einem ersten Elektromotor fest gekoppelt
ist und mit einem zweiten Elektroantrieb mittels einer Kupplung
verbunden werden kann. Gemäß dem Verfahren
wird in dem Zustand, bei dem der die Brennkraftmaschine und der
Elektroantrieb entkoppelt sind, die Brennkraftmaschine derart gesteuert,
das deren Ausgangsdrehmoment dem des Elektroantriebs entspricht.
Gleichzeitig wird der erste Elektroantrieb als Generator betrieben
und die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf die Drehzahl des Elektroantriebs
geregelt. Sobald die Synchronisation der Brennkraftmaschine und
des Elektroantriebs abgeschlossen ist, wird die Kupplung zwischen
dem Elektroantrieb und der Brennkraftmaschine geschlossen.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile
des Standes der Technik zu umgehen, und ein verbessertes Verfahren
zum Betreiben eines Hybridantriebes bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, und durch die
Steuereinheit nach Anspruch 14 gelöst.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung folgendes Verfahren zum Betreiben einer Hybridantriebanordnung vor,
wobei die Anordnung umfassen kann: eine Brennkraftmaschine mit einer
Antriebswelle, wobei die Brennkraftmaschine eine Drosselklappe umfasst; einen
Elektroantrieb mit einer Antriebswelle; ein mit dem Elektroantrieb
gekoppeltes Getriebe mit einer Getriebeausgangswelle; eine zwischen
der Brennkraftmaschine und dem Elektroantrieb angeordnete Kupplung,
welche auf Anforderung ansteuerbar ist, so dass die Antriebswelle
der Brennkraftma schine und die Antriebswelle des Elektroantriebs
drehmomentenfest miteinander verbunden werden; und eine mit dem
Elektroantrieb und der Brennkraftmaschine in Verbindung stehende
Steuereinheit; wobei das Verfahren folgende Schritte umfassen kann:
Erfassen, ob eine Anforderung besteht, die Antriebswelle der Brennkraftmaschine
und die Antriebswelle des Elektroantriebs miteinander zu verbinden;
falls eine Anforderung besteht, erhöhen der Drehzahl der Brennkraftmaschine
auf eine Drehzahl, so dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine und
die Drehzahl des Elektroantriebs im Wesentlichen synchron zueinander
sind; wobei eine Vorsteuerung der Drehzahl der Brennkraftmaschine
ausgeführt
wird, wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine von einem aktuellen
ersten Drehzahlniveau N_1 auf ein der momentanen Drehzahl des Antriebstrangs
und damit des Elektroantriebs entsprechendes zweites Drehzahlniveau N_2.
angehoben wird, und zwar durch Vorgabe eines Drosselklappensollwertes
TSP_SP der Drosselklappe. Anschließend werden über die
Kupplung die Antriebswellen der Brennkraftmaschine mit des Elektromotors
miteinander gekoppelt. Die Position der Drosselklappe wird durch
einen Lageregler eingestellt. Die Vorsteuerung kann für ein vorbestimmtes
Zeitintervall Δt
durchgeführt
werden. Der Drosselklappensollwert TSP_SP kann kleiner sein als
ein maximal möglicher Öffnungswinkel
der Drosselklappe.
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Hierbei
kann von Vorteil sein, dass durch das zeitliche Begrenzen auf ein
Zeitintervall Δt
der Vorsteuerung des Drosselklappenwinkels TSP_SP, welcher kleiner
ist als der maximal mögliche
Drosselklappenwinkel, die Drehzahl der Brennkraftmaschine nur gerade
so weit angehoben wird, bis das gewünschte Drehzahlniveau N_2 im
Wesentlichen erreicht ist. Der genaue Abgleich der Drehzahl der Brennkraftmaschine
auf die Drehzahl des Antriebstranges erfolgt dann über den
Drehzahlregler, insbesondere den Leerlaufregler. Drehzahl-Überschwinger
können
dadurch weitgehend vermieden werden. Somit kann das Schließen der
Kupplung zwischen Brennkraftmaschine und Elektroantrieb relativ schnell
und ruckfrei erfolgen kann. Diese Vorsteuerung, d. h. das schnelle
Anheben der Drehzahl auf ein gewünschtes
Drehzahlniveau durch Vorsteuern eines zeitlich begrenzten Drosselklappenwinkels,
erlaubt eine schnelle Anhebung der Drehzahl der Brennkraftmaschine
auf das Niveau des Anriebstranges trotz einer hohen Systemtotzeit.
Die nur teilweise Öffnung
der Drosselklappe ist ausreichend um einen hohen Drehzahlgradienten
der Brennkraftmaschine zu erzielen. Der eingestellte Öffnungswinkel
ist jedoch auch ein Kompromiss, um anschließend die Drosselklappe schnell
wieder schließen
zu können. Es
wird deshalb von einer Vorsteuerung gesprochen, da zunächst das
Drehzahlniveau schnell angehoben wird, und dann die Drehzahl der
Brennkraftmaschine in bekannter Weise auf eine Solldrehzahl eingeregelt wird,
bevor die Kupplung geschlossen wird.
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Vorzugsweise
ist das Zeitintervall Δt
im Wesentlichen proportional zu einer Summe einer von der Brennkraftmaschine
aufzuwendenden kinetischen Energie ΔWkin,
um vom aktuellen ersten Drehzahlniveau N_1 auf das zweite Drehzahlniveau
N_2 zu gelangen, und einer von der Brennkraftmaschine aufzuwendenden
Energie WFriction, um eine interne Reibung zu überwinden,
wobei Werte für
die kinetische Energie ΔWkin und Werte für die Energie WFriction jeweils
in Kennfeldern abgelegt sein können.
Dabei wird die Drosselklappe nur für das Zeitintervall Δt, dessen Dauer
von der Drehzahl des zweiten Drehzahlniveaus N_2 abhängig ist,
geöffnet
und danach wieder geschlossen.
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Der
Vorteil liegt hierbei darin, dass sich das Zeitintervall Δt, während dessen
die Drosselklappe so weit geöffnet
wird, dass die Brennkraftmaschine gerade vom ersten Drehzahlniveau
N_1 auf das zweite Drehzahlniveau N_2 angehoben wird, aus der von
der Brennkraftmaschine aufzuwendenden kinetischen Energie ΔWkin und der von der Brennkraftmaschine aufzuwendenden
Reibungsenergie WFriction ableiten lässt. Dadurch
wird weitgehend vermieden, dass die Brennkraftmaschine eine für die Synchronisation,
d. h. das synchrone Drehen der Antriebswelle der Brennkraftmaschine
mit der Antriebswelle des Elektroantriebes und dem Schließen der
Kupplung, zu hohe Drehzahl erreicht (so genannte Überschwinger).
Durch das Vermeiden eines Über schwingens findet
die Synchronisation von Bennkraftmaschine und Elektroantrieb in
relativ kurzer Zeit und ohne Ruckeln statt.
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Eine
Anforderung, die Antriebswelle der Brennkraftmaschine und die Antriebswelle
des Elektroantriebs drehmomentenfest miteinander zu verbinden, besteht
z. B. dann, wenn eine Versorgungsspannung für den Elektroantrieb unter
einen Schwellenwert fällt,
oder wenn von einem Nutzer eine solche Anforderung vorgegeben wird.
Somit kann sichergestellt werden, dass der Fahrbetrieb des Hybridfahrzeugs
nicht unterbrochen wird, wenn zum Beispiel die elektrische Versorgung
für den
Elektroantrieb nicht mehr ausreichend ist. Sollte der Nutzer mehr Leistung
benötigen,
als von dem Elektroantrieb zur Verfügung gestellt werden kann,
dann liegt auch eine solche Anforderung, bei welcher die Brennkraftmaschine
den Elektroantrieb unterstützen
soll, vor.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn die Brennkraftmaschine mittels einer
elektrischen Startvorrichtung gestartet wird, wenn eine entsprechende Anforderung
in der Steuereinheit vorliegt. Dabei sorgt die Startvorrichtung
dafür,
dass die Brennkraftmaschine relativ schnell auf eine gewünschte Drehzahl gebracht
wird, um den Verbrennungsprozess selbständig aufrechtzuerhalten.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird vorzugsweise nach Ablauf einer festgelegten Zeitdauer (Δt) ein Sollmoment
der Brennkraftmaschine sprungartig auf einen niedrigen Wert reduziert,
um so ein Überschwingen
der Drehzahl über
eine Zieldrehzahl zu vermeiden, so dass die Synchronisation von Bennkraftmaschine
und Elektroantrieb in relativ kurzer Zeit stattfinden kann.
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Wenn
sich die Drehzahl der Brennkraftmaschine im Bereich der Zieldrehzahl
befindet, wird die Drosselklappe schnell geschlossen, so dass auch der
Saugrohrdruck im Saugrohr fällt.
Wenn der Saugrohrdruck einen Schwellwert unterschreitet, kann somit
vorzugsweise von der Vorsteuerung auf das Regeln der Drehzahl gewechselt
werden. In weiterer Ausgestaltung kann dann, das heißt nach
dem Regeln auf eine Zieldrehzahl und nach dem Schließen der
Kupplung, die Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine beendet und
auf eine Drehmomentregelung der Brennkraftmaschine gewechselt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Hybridantriebanordnung, an welcher
die vorliegende Erfindung erläutert
werden soll;
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2 ein
Diagramm des Drehzahlverlaufs während
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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3 ein
Diagramm des Momentenverlaufs während
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Hybridantriebanordnung 1 wie
sie in ihren wesentlichen Punkten in der Einleitung schon beschrieben
worden ist.
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1 zeigt
außerdem
eine für
den Betrieb der Brennkraftmaschine 5 erforderliche Ansauganlage 7,
welche aus einem Saugrohr 8 und vier Luftzuleitungen 9 besteht,
wobei durch die Luftzuleitungen die durch das Saugrohr 8 angesaugte
Luft jeweils Zylindern 11 der Brennkraftmaschine für den Verbrennungsprozess
zugeführt
wird. Im Saugrohr 8 ist eine Drosselklappe 12 angeordnet,
mit der die durch das Saugrohr 8 angesaugte Luftmenge reguliert
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren,
das von der Steuereinheit 50 durchgeführt wird, wird anhand der 2 und 3 näher erläutert. An
Stelle der einzigen Steuereinheit 50 können auch mehrere separate
Steuereinheiten angeordnet sein, welche jeweils die Steuerung von
Startvorrichtung 40, Brennkraftmaschine 5, Elektroantrieb 3 und
Getriebe 15 übernehmen.
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2 zeigt
ein Drehzahl-Diagramm, an welchem nun das erfindungsgemäße Verfahren
erläutert werden
soll.
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In
dem in 2 dargestellten Diagramm ist der zeitliche Ablauf
einer Fahrsituation dargestellt, welche in sechs aneinanderfolgende
und mit römischen
Ziffern I bis VI markierte Zeitabschnitte unterteilt ist.
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Auf
der Abszisse 60 sind Zeitwerte aufgetragen (in Sekunden),
auf der Ordinate 70 Drehzahlwerte (in Umdrehungen pro Minute),
sowie Zustandswerte ”0” und ”1” für eine Kurve 63.
Zu sehen sind weiterhin drei Kurven, welche mit Bezugszeichen 61, 62, und 63 bezeichnet
sind, und folgende Bedeutungen haben:
- 61: Drehzahl
der Brennkraftmaschine (gepunktete Linie);
- 62: Sollwert einer von der Brennkraftmaschine zu erreichenden
Zieldrehzahl (durchgezogene Linie); und
- 63: Zustand = 1, wenn der Drehzahlregler, insbesondere
der Leerlaufregler aktiv ist oder wenn die Vorsteuerung eingeschaltet
ist, (gestrichelte Linie).
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Weiterhin
sind das aktuelle, erste und das zweite Drehzahlniveau N_1, N_2
eingetragen (jeweils bei 300 und bei 1900).
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In
Zeitabschnitt I ist die Brennkraftmaschine 5 zunächst ausgeschaltet.
Die Drehzahl ist null. Das Fahrzeug wird nur über den Elektroantrieb 3 bewegt.
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Zu
Beginn von Zeitabschnitt II (bei 22,5 s) entscheidet die Steuereinheit 50,
dass der Elektroantrieb 3 durch die Brennkraftmaschine 5 unterstützt werden
soll, da z. B. die Versorgungsspannung der Batterie 55 einen
Schwellenwert unterschritten hat oder der Fahrer ein höheres Drehmoment
anfordert (durch Druck auf ein Gaspedal).
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Zum
Starten der Brennkraftmaschine 5 wird die elektrische Startvorrichtung 40 aktiviert
(bei 22,6 s). Durch eine Verzögerung
in der Momentenabgabe der Startvorrichtung, bedingt durch das sich
erst aufbauende Magnetfeld in der elektrischen Startvorrichtung,
und einer Verzögerung
in der Drehzahlerfassung der Brennkraftmaschine (die Drehzahl kann erst
erfasst werden, wenn das Kurbelwellengeberrad eine bestimmte Position
erreicht hat), kommt es erst zu Beginn von Zeitabschnitt III zu
einem Anstieg der Kurve 61 (Brennkraftmaschinendrehzahl),
wobei die Drehzahl der Brennkraftmaschine 5 auf einen Wert von
ca. 300 Umdrehungen/Minute angehoben wird.
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Ab
Zeitabschnitt IV kommt es durch die Arbeitstakte der Brennkraftmaschine 5 zu
einer Momentenfreisetzung und damit zur weiteren Erhöhung der
Brennkraftmaschinendrehzahl. Ab diesem Zeitpunkt wird die Startvorrichtung 40 wieder
deaktiviert. Die Brennkraftmaschine 5 befindet sich nun
im Leerlauf, d. h. auf einem ersten Drehzahlniveau N_1. Die Drehzahl
im Leerlauf kann zwischen 700 und 900 U/Minute liegen. Im Leerlauf
wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine von einem Drehzahlregler
geregelt.
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Um
nun die Drehzahl der Brennkraftmaschine 5 schnellstmöglich und
vorzugsweise ohne Überschwinger
auf eine sprungartig heraufgesetzte Solldrehzahl (Kurve 62)
anzuheben, welche dem prädiziertem
zweiten Drehzahlniveau N_2 bei erfolgter Synchronisation entspricht,
setzt nun die Vorsteuerung ein, die die Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine
ablöst.
Das zweite Drehzahlniveau kann im Bereich zwischen 1900 und 5000
U/min liegen. Versuche haben gezeigt, dass wegen hoher Systemtotzeit
im Luftpfad der Zielkonflikt zwischen hoher Synchronisationsgeschwindigkeit
und geringem Drehzahlüberschwingen
mit einem Regelkreis nicht zu lösen
ist.
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Bei
der Vorsteuerung wird die Drosselklappe vorzugsweise auf einen Öffnungswinkel
von etwa 40° eingestellt
wird. Die Tatsache, dass die Drosselklappe auf einen Öffnungswinkel
von etwa 40° eingestellt wird
und nicht etwa vollständig
geöffnet
wird, liegt darin begründet,
dass eine Öffnung
von 40° schon
eine ausreichende Luftmenge für
den Verbrennungsprozess zur Verfügung
stellt, um einen ausreichenden Drehzahlgradienten zu erzielen. Im
Gegensatz zur vollständigen Öffnung der
Drosselklappe wird für eine Öffnung von
nur 40° und
das anschließende Schließen weniger
Zeit beansprucht, was sich vorteilhaft auf eine kurze Zeitdauer
des Synchronisationsprozesses auswirkt.
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Die
Steuerung der Drosselklappe wird von einem Lageregler ausgeführt. Der
Sollwert für
den Öffnungswinkel
der Drosselklappe ist in dem in 3 dargestellten
Diagramm anhand von Kurve 84 bei dem Zeitwert 22,7 zu erkennen.
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Bevor
nun die Wirkungsweise der Vorsteuerung, insbesondere die Bestimmung
des Zeitintervalls Δt,
erläutert
wird, soll zunächst
auf die Bestandteile des Diagramms in 3 eingegangen
werden.
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3 zeigt
im Wesentlichen ein Momenten-Diagramm der selben in Zeitabschnitte
I bis VI unterteilten Fahrsituation in Ergänzung zum Drehzahl-Diagramm
in 2.
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Auf
der Abszisse 80 sind wiederum Zeitwerte aufgetragen (in
Sekunden), auf der Ordinate 90 Drehmomentwerte (in Newtonmeter)
für Kurve 85 und 86,
Winkelwerte (in °)
für den
Sollwert der Drosselklappenöffnung
für eine
Kurve 84, Drehzahlwerte (in Umdrehungen pro Minute) für eine Kurve 81,
sowie Zustandswerte ”0” und ”1” für eine Kurve 83.
Die Kurven haben folgende Bedeutungen:
- 81: Drehzahl
der Brennkraftmaschine (punktierte Linie);
- 83: Zustand = 1, wenn der Drehzahlregler, insbesondere
der Leerlaufregler aktiv ist, oder wenn die Vorsteuerung aktiv ist;
- 84: Drosselklappensollwerte (lange Striche);
- 85: Drehmomentenanforderung an die Brennkraftmaschine
nach Schließen
der Kupplung 20 und abgeschlossener Synchronisation (kurze
Striche); und
- 86: Drehmomentensollwerte der Brennkraftmaschine während des
Synchronisationsvorganges (durch gezogene Linie).
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Wie
oben bereits für 2 beschrieben, setzt,
da eine entsprechende Anforderung vorliegt, auch zu Beginn von Zeitabschnitt
IV in 3 die Vorsteuerung ein, d. h. Kurve 83 steigt
an auf ”1”. Es handelt
sich um einen Start der Brennkraftmaschine mit anschließender Synchronisation
auf die Drehzahl des Antriebstranges, was im Sprung des Leerlaufdrehzahl-Sollwertes
von ca. 900 auf 2000 rpm (1) zum Ausdruck
kommt. Zeitgleich wird die Drehmomentenanforderung 85 in
der Art erhöht, dass über das
Saugrohrmodell ein Drosselklappensollwert von etwa 40° (Kurve 84)
als Eingangswert für den
Drosselklappenlageregler ausgegeben wird.
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Wie
anhand von Kurve 86 zu sehen ist, springt der Drehmomentensollwert
der Brennkraftmaschine während
des Synchronisationsvorganges auf einen Wert von 130 Nm. Als Folge
davon wird über
das Saugrohrmodell ein Drosselklappensollwert ermittelt, welcher
für eine Öffnung der
Drosselklappe sorgt. Die zeitliche Begrenzung Δt der Vorsteuerung für den Sprung
im Momentensollwert wird folgendermaßen aus Grundgleichungen der
Drehbewegung einer Brennkraftmaschine ermittelt:
Die von der
Brennkraftmaschine zu leistende Arbeit W1→2,
um vom Drehzahlniveau N_1 zu dem Drehzahlniveau N_2 zu gelangen,
ergibt sich aus der Summe der Reibarbeit WFriction und
der aufzuwendenden kinetischen Energie ΔWkin,
so dass gilt: W1→2 =
WFriction + ΔWkin.
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Bei
konstantem Reibmoment ergibt sich für Reibarbeit bezogen auf die
zu erreichende Synchronisationsdrehzahl:
WFriction =
TQFriction·φ = f(N_2, ...)·φ, wobei φ der während des
Synchronisationsvorganges zurückgelegte Drehwinkel
der Brennkraftmaschine ist.
wobei gilt TQFriction (N_2)
= f(N_2, TCO, TOIL, TQ_LOSS_AD)
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Hierbei
bezeichnen:
- TCO
- die Kühlwassertemperatur
der Brennkraftmaschine;
- TOIL
- die Öltemperatur
der Brennkraftmaschine; sowie
- TQ_LOSS_AD
- Drehmomentverluste
der Brennkraftmaschine aufgrund von Zusatzkomponenten wie z. B.
Lenkhilfepumpe und Klimakompressor.
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Für die zusätzliche
kinetische Energie ΔWkin ergibt sich mit dem Trägheitsmoment
J der Brennkraftmaschine: ΔWkin = 12 J(N22 – N21 ).
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Unter
Annahme einer konstanten Winkelbeschleunigung α während des Synchronisationsvorganges
der Brennkraftmaschine, d. h. bei Erhöhen der Drehzahl von der ersten
zur zweiten Drehzahl ergibt sich: φ = 12 (N1 + N2)·Δtbzw. ΔWkin = J(N2 – N1)·φ·1Δt .
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Durch
Einsetzen ergibt sich:
TQ·φ = TQFriction·φ + J(N2 – N1)·φ·1Δt ,woraus
für die
zeitliche Begrenzung des Momenteneingriffs folgt
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Dabei
ist TQ eine Funktion der zweiten Drehzahl N2, dem prädizierten
zweiten Drehzahlniveau N2 bei erfolgter Synchronisation, und wobei
während der
zeitlichen Begrenzung Δt
TQ dem Verlauf der Kurve 86 in 3 entspricht,
d. h. einen kurzzeitigen Wert von ca. 130 Nm erreicht.
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Der
Ausdruck J(N2 – N1)
ist in einem Kennfeld der Steuereinheit 50 abgelegt. Somit
ist die Zeit, während
der ein sprungartiger Momenteneingriff stattfindet, d. h. die Drosselklappe
sprungartig geöffnet
wird, auf Δt
begrenzt, so dass es praktisch nicht zu einem Überschwingen in der angeforderten
Drehzahl der Brennkraftmaschine kommt.
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Nach
Ablauf von Δt
wird der Momenteneingriff wieder sprungartig reduziert, wie der
Verlauf von Kurve 86 in 3 bei t
= 22,9 zeigt. Auf diese Weise wird die Drosselklappe wieder geschlossen
und der Saugrohrdruck wird durch die Brennkraftmaschine reduziert.
Durch das nur kurzzeitige Öffnen
und wieder Schließen
der Drosselklappe kommt es zu einem Drehzahlanstieg der Brennkraftmaschine
auf einen Wert nahe dem prädiziertem
zweiten Drehzahlniveau N2.
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Zu
Beginn von Zeitabschnitt V in 2 befindet
sich die Drehzahl dann bereits im Bereich des Sollwerts, Über den
zu diesem Zeitpunkt wieder aktivierten Drehzahlregler (Leerlaufregler)
wird die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf das Drehzahlniveau der
Kurve 62 feinjustiert.
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Es
wird dann ein herkömmlicher
Drehzahlregler, beispielsweise ein Leerlaufregler aktiviert, welcher
ab Zeitabschnitt V für
ein schnelles Einregeln der Drehzahl auf den Sollwert sorgt. Die
Aktivierung des Drehzahlreglers zu Beginn von Abschnitt V erfolgt
vorzugsweise, wenn der Saugrohrdruck unter einen Schwellwert gefallen
ist, so dass für
die Aktivierung des Drehzahlreglers gelten muss: MAP < C_THR_MAP_IS_JUMP_SLOW,wobei
MAP den Saugrohrdruck und C_THR_MAP_IS_JUMP_SLOW einen Saugrohrdruck-Schwellwert
bezeichnet.
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Zu
Beginn von Zeitabschnitt VI (siehe 2 und 3)
hat die Brennkraftmaschine 5 eine zu der Drehzahl des Elektroantriebs 3 synchrone
Drehzahl erreicht, so dass die Kupplung 20 ohne eine merkliche
Drehzahländerung
des Antriebstranges geschlossen wird, und vom drehzahlgeregelten
auf den momentengeregelten Betrieb der Brennkraftmaschine 5 umgestellt
wird, um den Beschleunigungsvorgang des Fahrzeugs zu unterstützen. In 3 ist dies
durch das Zurückgehen
der Kurve 86 (Drehmomentensollwerte der Brennkraftmaschine
während des
Synchronisationsvorganges) auf den Wert 0 und ein Ansteigen der
Drehmomentenanforderung (Kurve 85) an die Brennkraftmaschine
nach dem Schließen
der Kupplung 20 und abgeschlossener Synchronisation dargestellt.
Das Ansteigen der Drehmomentenanforderung kann von einer erhöhten Momentenanforderung
durch den Fahrer (Beschleunigungswunsch) oder durch die Anforderung,
die Fahrzeugbatterie wegen Unterschreitung eines unteren Schwellwerts
aufzuladen, herrühren.
