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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit variabler Geometrie sowie Mittel zum Steuern eines solchen Turboladers.
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Turbolader mit variabler Geometrie, im Allgemeinen mit verstellbaren Leitschaufeln, erlauben es, das Verhältnis zwischen Abgasdurchsatz und Turbinendrehzahl zu variieren und auf diese Weise eine gute Verdichtungsleistung auch bei niedriger Motordrehzahl bereit zu stellen. Um eine benötigte Verdichtungsleistung zu erzielen, kann es notwendig sein, die Leitschaufeln so einzustellen, dass die Turbine nahe an einer zulässigen maximalen Drehzahl läuft, obwohl der Abgasdurchsatz noch von seinem Maximum entfernt ist. Eine plötzliche Zunahme des Abgasdurchsatzes, insbesondere im Zusammenhang mit einer plötzlichen Drehzahlzunahme beim Zurückschalten eines Getriebes des Kraftfahrzeugs, kann dann zu einer Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl der Turbine und damit zu einer Gefährdung des Turboladers führen. Vor allem Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe oder automatisiertem Schaltgetriebe erlauben sehr schnelle Rückschaltvorgänge, die eine solche Grenzwertüberschreitung zur Folge haben können. Das Problem stellt sich in besonderer Schärfe beim Einsatz des Fahrzeuges in dünner Luft, d. h. beim Fahren in großer Höhe im Gebirge, weil der dort verringerte Luftdruck die vom Verdichter des Turboladers pro Umdrehung angesaugte Luftmasse reduziert und dementsprechend auch die pro Umdrehung an der angesaugten Luft vom Verdichter verrichtete Arbeit verringert ist, der Turbolader also schwächer verzögert wird als beim Fahren unter hohem Luftdruck im Tiefland.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kraftfahrzeug mit einem Turbolader anzugeben, bei dem die Gefahr einer Überschreitung der maximal zulässigen Drehzahl des Turboladers beseitigt oder zumindest verringert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, einem Schaltgetriebe, einem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine vorverdichtenden Turbolader mit variabler Geometrie und einer Turbolader-Steuereinheit zum Variieren der Turbolader-Geometrie die Turbolader-Steuereinheit eingerichtet ist, vor einem Herunterschalten des Getriebes die Geometrie des Turboladers in Richtung einer Verringerung der Drehzahl des Turboladers zu variieren.
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Um die Leistung des Turboladers nicht unnötig zu beschränken, ist die Turbolader-Steuereinheit vorzugsweise eingerichtet, die Drehzahl des Turboladers zu überwachen und die Geometrie nur dann in Richtung einer Verringerung der Drehzahl zu variieren, wenn sie beim Herunterschalten über einem Drehzahlgrenzwert liegt. Dieser Drehzahlgrenzwert ist im Allgemeinen kleiner als die maximal zulässige Drehzahl des Turboladers.
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Da die Gefahr einer ungewollten Drehzahlsteigerung des Turboladers beim Herunterschalten des Getriebes umso höher ist, je niedriger der Umgebungsluftdruck ist, kann es zweckmäßig sein, die Differenz zwischen dem Drehzahlgrenzwert und der maximal zulässigen Drehzahl als Funktion des Umgebungsluftdrucks vorzugeben.
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Um rechtzeitig vor einem Herunterschalten des Getriebes die Geometrie des Turboladers variieren zu können, kann die Turbolader-Steuereinheit mit einer Steuereinheit des Getriebes verbunden sein, um Signale von dieser zu empfangen, oder sie kann an einen Drehzahlsensor und einen Tachometer des Fahrzeugs angeschlossen sein, um das Vorliegen der Bedingungen für ein Herunterschalten des Getriebes selbsttätig zu erkennen. Wenn die Turbolader-Steuereinheit in der Lage ist, die Bedingungen für ein Herunterschalten zu erkennen, kann sie zweckmäßigerweise auch die Funktion einer Steuereinheit für das Getriebe übernehmen.
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Während die Steuereinheit, falls die Drehzahl des Turboladers unter dem Drehzahlgrenzwert liegt, das Getriebe bei Unterschreitung des Schaltgrenzwerts zweckmäßigerweise sofort herunterschalten wird, ist für den Fall, dass die Drehzahl über dem Drehzahlgrenzwert liegt, vorzugsweise vorgesehen, zunächst die Geometrie des Turboladers in Richtung einer Verringerung der Drehzahl zu variieren und erst anschließend das Getriebe herunter zu schalten. Mit anderen Worten wird, wenn die Turboladerdrehzahl niedrig genug ist, bei Vorliegen der Voraussetzungen für ein Herunterschalten das Getriebe sofort geschaltet, wohingegen, wenn die Turboladerdrehzahl über dem Drehzahlgrenzwert liegt, das Herunterschalten des Getriebes mit einer Verzögerung erfolgt, um vorher eine Drehzahlverringerung des Turboladers zu ermöglichen.
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Die Zeitverzögerung zwischen dem Variieren der Turboladergeometrie und dem Herunterschalten des Getriebes kann vorgegeben sein, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Umgebungsluftdruck oder der Höhe über dem Meer, an der sich das Fahrzeug aufhält.
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Eine andere Möglichkeit, eine Überschreitung der maximal zulässigen Turboladerdrehzahl zu verhindern, ist, falls die Drehzahl über dem Drehzahlgrenzwert liegt, die Steuereinheit einen Hilfs-Schaltgrenzwert überwachen zu lassen, der höher als der eigentliche Schaltgrenzwert ist, und bereits im Falle einer Unterschreitung des Hilfs-Schaltgrenzwerts die Geometrie des Turboladers in Richtung einer Verringerung der Drehzahl zu variieren. So kann die Drehzahlverringerung des Turboladers bereits vollzogen sein, wenn die Drehzahl der Brennkraftmaschine den eigentlichen Schaltgrenzwert erreicht, und das Rückschalten kann unverzüglich erfolgen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Steuern eines Getriebes und eines Turboladers mit variabler Geometrie in einem Kraftfahrzeug mit den Schritten:
- – Entscheiden, ob ein Herunterschalten des Getriebes nötig ist oder nicht;
- – Wenn entschieden wurde, dass ein Herunterschalten nötig ist, vor dem Herunterschalten Variieren der Geometrie des Turboladers in Richtung einer Verringerung von dessen Drehzahl.
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Ein weiterer Erfindungsgegenstand ist ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die einen Computer befähigen, als Turbolader-Steuereinheit in einem Kraftfahrzeug wie oben beschrieben zu arbeiten oder das oben angegebene Verfahren auszuführen, sowie ein computerlesbarer Datenträger, auf dem Programmanweisungen aufgezeichnet sind, die einen Computer befähigen, als Turbolader-Steuereinheit wie oben beschrieben zu arbeiten oder das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
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2 Diagramme, die die Bedingungen für ein Herunterschalten sowie die Durchführung des Herunterschaltvorgangs gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung veranschaulichen;
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3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Luftdruck bzw. Höhe über dem Meer und Rückschaft-Zeitverzögerung darstellt; und
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4 ein zu einem Teildiagramm der 2 analoges Diagramm zur Veranschaulichung der Überwachung der Herunterschaltbedingung gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein an sich bekannter Turbolader 1 mit variabler Geometrie versorgt eine Brennkraftmaschine 2 mit vorverdichteter Verbrennungsluft. Die Brennkraftmaschine 2 treibt über ein Schaltgetriebe 3 Räder 4 des Fahrzeugs an.
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Eine elektronische Steuereinheit 5 auf Mikroprozessor-Grundlage ist mit einem Fahrpedal 6 verbunden, um die Kraftstoffzumessung zur Brennkraftmaschine 2 und die Stellung der Schaufeln in einer Turbine des Turboladers 1 entsprechend der Stellung des Fahrpedals 6 zu steuern. Die Steuereinheit 5 ist in der Figur auch mit dem Schaltgetriebe 3 verbunden dargestellt und eingerichtet, den jeweils im Schaltgetriebe 3 eingelegten Gang zu steuern. Außerdem ist die Steuereinheit 5 hier mit einem Umgebungsdrucksensor 7 verbunden, der es ihr ermöglicht, die Dichte der vom Turbolader 1 angesaugten Verbrennungsluft zu beurteilen.
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Alternativ käme als ein Mittel zum Abschätzen des Umgebungsluftdrucks ein Empfänger für GPS- oder ähnliche Navigationssysteme in Betracht, der eingerichtet ist, anhand der empfangenen Signale die Höhe des Fahrzeugs über dem Meeresspiegel zu berechnen und anhand dieser Höhe den Luftdruck zu berechnen oder aus einer Tabelle abzulesen.
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Die Steuereinheit 5 legt den jeweils im Schaltgetriebe 3 eingelegten Gang in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Stellung des Fahrpedals 6 fest. Das oberste der drei Diagramme der 2 zeigt einen typischen Verlauf einer Rückschaltschwelle 8, zum Beispiel für ein Herunterschalten vom dritten in den zweiten Gang, in einem zweidimensionalen Diagramm, an dessen horizontaler Achse die Fahrzeuggeschwindigkeit v und an dessen vertikaler Achse die Stellung θ des Fahrpedals aufgetragen ist. Bei geringer Betätigung des Fahrpedals 6 ist die Grenzgeschwindigkeit, deren Unterschreitung zum Herunterschalten führt, von der Fahrpedalstellung unabhängig. Bei stärkerer Fahrpedalbetätigung nimmt diese Grenzgeschwindigkeit allmählich zu. Ein Pfeil 9 bezeichnet die Arbeitspunktverlagerung eines Kraftfahrzeugs, das unter hoher Last allmählich verlangsamt, zum Beispiel wenn es mit angekuppeltem Anhänger einen Hang hinauffährt. Das Fahrpedal 6 ist hier nahezu zu 100% betätigt. Der Pfeil 9 kreuzt die Rückschaltschwelle 8 bei der Grenzgeschwindigkeit vs. Wenn die Geschwindigkeit des Fahrzeugs auf den Wert vs abgenommen hat, erkennt folglich die Steuereinheit 5, dass ein Herunterschalten vom dritten in den zweiten Gang erforderlich ist. Dieser Verlangsamung des Fahrzeugs entspricht im untersten Diagramm der 2 eine kontinuierliche Abnahme der Drehzahl Ω der Brennkraftmaschine 1 in einem Zeitintervall von t0 bis t1, dargestellt durch eine Kurve 16.
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Eine nicht erfindungsgemäße Steuereinheit würde bei Unterschreitung der Grenzgeschwindigkeit vs zum Zeitpunkt t1 sofort einen Herunterschaltbefehl 10, dargestellt als punktiertes Rechteck im zweiten Teildiagramm der 2, an Aktuatoren des Schaltgetriebes 3 senden. Das Herunterschalten führt zu einer sprunghaften Zunahme der Drehzahl Ω der Brennkraftmaschine 2, dargestellt durch einen punktierten Kurvenverlauf 17 im dritten Teildiagramm, und infolge dessen auch des Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine 2, und der erhöhte Abgasausstoß wiederum beschleunigt den Turbolader 1. Wenn dessen Drehzahl ω0 aufgrund der hohen Last bereits vor dem Rückschalten nahe an der zulässigen Höchstdrehzahl ωmax war, wird durch das Herunterschalten diese zulässige Höchstdrehzahl ωmax überschritten, wie durch eine punktierte Kurve 11 in dem dritten Teildiagramm der 2 dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Steuereinheit 5 hingegen reagiert auf die Unterschreitung der Grenzgeschwindigkeit vs, falls gleichzeitig die Drehzahl ω des Turboladers 1 über einem Grenzwert ω* liegt, zum Zeitpunkt t1 zunächst durch eine Verstellung der Turbinenschaufeln im Turbolader 1. Diese Verstellung führt zu einer Verringerung der Drehzahl ω des Turboladers 1, wie im dritten Teildiagramm durch eine durchzogene Kurve 12 dargestellt. Die Zeit, die der Turbolader 1 benötigt, um eine neue stationäre Drehzahl zu erreichen, ist bauartbedingt und bekannt. Kurz vor Verstreichen dieser Zeit, mit einem Zeitversatz Δt gegenüber der Unterschreitung der Grenzgeschwindigkeit vs, sendet die Steuereinheit 5 zu Zeitpunkt t2 einen Herunterschaltbefehl 13 an das Schaltgetriebe 3. Auch hier führt das Herunterschalten zu einer Beschleunigung des Turboladers 1, doch da sich diese Beschleunigung mit der durch die Verstellung der Turbinenschaufeln verursachten Verlangsamung überlagert, ist der Drehzahlanstieg langsamer als im Fall der Kurve 11, und da er von einem gegenüber ω0 niedrigeren Anfangswert ω1 ausgeht, ist auch die sich nach dem Schalten einstellende stationäre Drehzahl des Turboladers 1 geringer. Zweckmäßigerweise ist das Ausmaß der Schaufelverstellung jeweils so vorgegeben, dass sich nach dem Herunterschalten die gleiche Drehzahl ω0 der Turbine wie vorher wieder einstellt.
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Die Differenz zwischen dem Grenzwert ω* und der zulässigen Höchstdrehzahl ωmax des Turboladers 1 ist wenigstens so groß wie die Schwankungsbreite der Drehzahl beim Herunterschalten, d. h. wie die Differenz zwischen ω0 und den Extremwerten der Kurven 11 oder 12.
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Die Geschwindigkeit, mit der sich nach einer Schaufelverstellung die Geschwindigkeit ω des Turboladers 1 ändert, hängt ab von der Leistung, die der Turbolader 1 beim Verdichten der Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine 2 fortlaufend erbringt. Wenn man der Einfachheit halber davon ausgeht, dass jede Umdrehung des Turboladers ein gleiches Luftvolumen um einen gleichen vorgegebenen Faktor komprimiert, dann erkennt man, dass diese Leistung proportional zum Ausgangsdruck der Verbrennungsluft, d. h. proportional zum Umgebungsluftdruck, sein muss. Solange sich das Fahrzeug in geringer Höhe über dem Meeresspiegel bewegt, kann die Verdichtungsleistung so hoch sein, dass der durch die Kurve 11 dargestellte Drehzahlanstieg unterdrückt bzw. auf ein solches Maß reduziert wird, dass es nicht zu einer Überschreitung von ωmax kommt. Für diesen Fall kann Δt gleich Null gesetzt werden. Je niedriger der Umgebungsluftdruck ist, umso geringer ist seine verzögernde Wirkung auf den Turbolader 1, und umso größer ist die Zeitverzögerung Δt, die zwischen einem Verstellen der Turbinenschaufeln und dem Zurückschalten erforderlich ist, um eine Überschreitung von ωmax zu verhindern. 3 veranschaulicht diesen Sachverhalt anhand einer Kurve 14, die den Zusammenhang zwischen Umgebungsluftdruck p (oder Höhe h des Fahrzeugs über dem Meer) und der Verzögerung Δt darstellt. In einem linken Bereich des Diagramms, bei hohem Druck p bzw. geringer Höhe h, ist die Verzögerung Δt konstant Null; in einem mittleren Druck- bzw. Höhenbereich nimmt sie linear mit abfallendem Druck bzw. zunehmender Höhe zu, um schließlich, in großer Höhe h bzw. bei geringem Umgebungsdruck p, wieder einen konstanten Wert anzunehmen.
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4 veranschaulicht eine zweite Ausgestaltung der Erfindung anhand eines zum ersten Teildiagramm der 2 analogen Diagramms. An den Achsen des Diagramms sind wiederum die Fahrzeuggeschwindigkeit v und die Fahrpedalstellung θ aufgetragen. Die Rückschaltschwelle 8 ist die gleiche wie in 2. Benachbart zu dieser, zu höheren Geschwindigkeiten verschoben, ist eine Hilfs-Schaltschwelle 15 eingezeichnet. Wenn in der in Verbindung mit 2 betrachteten Beispielsituation eines Fahrzeugs, das mit angekoppeltem Anhänger einen Hang hinauffährt, dessen Geschwindigkeit v abnimmt, kreuzt der Pfeil 9 zunächst die Hilfs-Schaltschwelle 15. Wenn dies geschieht, verstellt die Steuereinheit 5 zunächst die Schaufeln des Turboladers 1, um dessen Geschwindigkeit ω zu verringern. Wenn sich die Abnahme der Fahrzeuggeschwindigkeit v fortsetzt und der Pfeil 9 schließlich bei der Geschwindigkeit vs die Rückschaltschwelle 8 kreuzt, ist die Geschwindigkeit ω des Turboladers 1 bereits so weit reduziert, dass das Schaltgetriebe 3 unverzüglich heruntergeschaltet werden kann.
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Steigt hingegen nach Überqueren der Hilfs-Schaltschwelle 15 die Geschwindigkeit v des Fahrzeugs wieder an, so dass sich das Herunterschalten als überflüssig erweist, kann die Verstellung der Turboladerschaufeln 1 wieder rückgängig gemacht werden, sobald der Arbeitspunkt des Fahrzeugs im Diagramm der 4 die Hilfsschaltschwelle 15 in Richtung steigender Geschwindigkeiten überquert hat.
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Um sicherzustellen, dass zwischen dem Überqueren der Hilfsschaltschwelle 15 und dem Überqueren der Rückschaltschwelle 8 eine für die erforderliche Drehzahlverringerung des Turboladers 1 ausreichende Zeitspanne Δt vorhanden ist, überwacht die Steuereinheit 5 die Beschleunigung a des Fahrzeugs, sei es mittels eines Beschleunigungssensors oder durch Ableiten des Tachometersignals nach der Zeit. Die Geschwindigkeitsdifferenz Δv zwischen den Schaltschwellen 8, 15 wird dynamisch neu festgelegt gemäß Δv = aΔt, wobei Δt die oben mit Bezug auf 3 erläuterte luftdruck- bzw. höhenabhängige Verzögerung ist. Mit anderen Worten: während die Lage der Rückschaltschwelle 8 für jedes Paar von Gängen des Getriebes 3 fest vorgegeben und unveränderlich ist, wird die Lage der Hilfs-Schaltschwelle 15 nach Bedarf, insbesondere bei jeder signifikanten Änderung der Beschleunigung a, neu festgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Turbolader
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Schaltgetriebe
- 4
- Räder
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Fahrpedal
- 7
- Umgebungsdrucksensor
- 8
- Rückschaltschwelle
- 9
- Pfeil
- 10
- Rückschaltbefehl
- 11
- Kurve
- 12
- Kurve
- 13
- Rückschaltbefehl
- 14
- Kurve
- 15
- Hilfsschaltschwelle
- 16
- Kurve
- 17
- Kurve
