DE19704153A1

DE19704153A1 - Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Entgegenwirken einer Änderung der Leerlaufdrehzahl in einem Antriebssystem

Info

Publication number: DE19704153A1
Application number: DE19704153A
Authority: DE
Inventors: Thomas Pels; Klaus Revermann; Klaus-Peter Zeyen
Original assignee: ISAD Electronic Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Continental ISAD Electronic Systems GmbH and Co OHG
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1997-02-04
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2017-02-05
Also published as: DE59805188D1; US6109237A; JP2001510522A; DE19704153C2; WO1998034022A1; EP0961874A1; EP0961874B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Entgegenwirken einer Änderung der Leerlaufdrehzahl in einem Antriebssy stem.

Im Fahrbetrieb wird in einem Kraftfahrzeug-Antriebssystem i.a. das vom Verbrennungsmotor auf eine Motorwelle aufge brachte Drehmoment über eine Kupplung auf eine Getriebe welle, und dann über ein Getriebe auf eine Achsantriebs welle übertragen.

Im Leerlaufbetrieb ist dagegen die Drehmomentübertragung im Antriebsstrang unterbrochen, z. B. durch Öffnen der Kupplung oder Freischalten des Getriebes. Der Verbrennungsmotor dient dann nicht mehr zum Antrieb des Fahrzeugs, sondern braucht nur noch die von ihm selbst aufgesetzte Reibungs arbeit zu leisten und daneben mechanische oder elektrische, mit der Motorwelle gekoppelte Hilfsaggregate anzutreiben, wie Pumpen, Servoantriebe und einen Generator.

Um Kraftstoffverbrauch, Schadstoffausstoß und Geräuschent wicklung gering zu halten, soll die Leerlaufdrehzahl mög lichst niedrig sein. Sie kann jedoch nur bis zu einer be stimmten Drehzahl (sog. kritischen Drehzahl) abgesenkt wer den. Unterhalb dieser Drehzahl läuft der Verbrennungsmotor nicht mehr rund oder bleibt sogar stehen, da die momentan gespeicherte kinetische Rotationsenergie nicht ausreicht, die für einen Kompressionstakt erforderliche Kompressions- und Beschleunigungsarbeit aufzubringen. Unter Leerlaufbe trieb im weiteren Sinn wird somit jeder Betriebszustand des Antriebssystems verstanden, in dem der Verbrennungsmotor keine Fahrzeugantriebsfunktion hat und auf einer möglichst geringen Drehzahl, nahe der kritischen Drehzahl, läuft.

Die Steuerung der Leerlaufdrehzahl erfolgt in herkömmlichen Antriebssystemen i.a. über eine Veränderung der zugeführten Luftmenge und/oder des Luft-Kraftstoffverhältnisses und/oder des Zündzeitpunkts. Die Leerlaufdrehzahl soll dabei unabhängig von momentan vorliegenden Betriebsbedingungen sowie von Lastschwankungen der Hilfsaggregate einen be stimmten Sollwert annehmen (sog. Soll-Leerlaufdrehzahl) der einen gewissen Sicherheitsabstand oberhalb der kriti schen Drehzahl hat. Ein gewisser Sicherheitsabstand wäre i.a. selbst dann vonnöten, wenn keinerlei Lastschwankungen im Leerlauf zu erwarten wären, da herkömmliche Leerlauf steuerungen i.a. keine sehr genaue Konstanthaltung der Leerlaufdrehzahl auf den Sollwert gewährleisten. Um ange sichts dieser auch ohne Lastschwankung vorliegenden Dreh zahländerungen ein Unterschreiten der kritischen Drehzahl auszuschließen, muß bereits dieser gewisse Sicherheitsab stand vorgesehen sein. Dazu kommt die Auswirkung der Last schwankungen.

Es sei angemerkt, daß der Begriff "Steuerung" im gesamten vorliegenden Text in einem weiten Sinn verstanden wird, der oberbegriffsartig die Begriffe "Steuerung" (im engen Sinn, d. h. Beeinflussung einer Größe in offener Wirkungskette) und "Regelung" (d. h. Beeinflussung einer Größe aufgrund Vergleich mit einer anderen vorgegebenen Größe) umfaßt.

Entsprechendes gilt für abgeleitete Begriffe, wie "steu ern", "Steuergerät", etc.

Obwohl herkömmliche Leerlaufdrehzahl-Steuerungen grundsätz lich funktionieren, haben sie u. a. folgende Nachteile: Die Steuerung mit Hilfe der Luftmenge oder dem Luftkraft stoffverhältnis (sog. Füllungseingriff) ist relativ lang sam, d. h. nach einer Abweichung dauert es relativ lange bis die Soll-Leerlaufdrehzahl wieder erreicht wird. Um einer Änderung der Leerlaufdrehzahl schnell entgegenwirken zu können (und so insbesondere ein Unterschreiten der kriti schen Drehzahl zu vermeiden), muß das Drehmoment des Ver brennungsmotors aber sehr schnell erhöht werden können.

Es sind daher im Stand der Technik spezielle, zu einer schnelleren Angleichung an die Solldrehzahl führende Steu erverfahren vorgeschlagen worden, die z. B. auf einer sog. Störgrößenaufschaltung beruhen (Störgröße ist z. B. ein großer Verbraucher). Dennoch bedarf auch eine solche Fül lungseingriff-Steuerung einen relativ großen Sicherheits abstand von der kritischen Drehzahl und damit eine relativ hohe Leerlaufdrehzahl.

Eine Steuerung, die auf einer Verstellung des Zündzeit punkts beruht (sog. Zündungseingriff), erlaubt eine sehr schnelle Angleichung an die Soll-Leerlaufdrehzahl. Sie beruht darauf, daß ein später Zündzeitpunkt zu einem gerin geren, ein früher Zündzeitpunkt zu einem höheren Drehmoment führt. Deshalb wird der Zündzeitpunkt im Leerlauf auf "spät" eingestellt. Durch Verstellen "spät" auf "früh" bei einer Drehzahlverringerung kann daher schnell das Drehmo ment erhöht und so insbesondere ein Unterschreiten der kritischen Drehzahl verhindert werden.

Bei spätem Zündzeitpunkt läuft der Verbrennungsmotor jedoch im Vergleich zu einem frühen Zündzeitpunkt mit einem gerin geren Wirkungsgrad. Damit führt auch die Leerlaufdreh zahl-Steuerung mit Zündungseingriff zu einem relativ hohen Kraftstoffverbrauch.

Die Erfindung hat zum Ziel, diese Probleme der herkömmli chen Leerlaufdrehzahl-Steuerungen zu lösen. Sie erreicht dies vorrichtungsmäßig mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 und verfahrensmäßig mit demjenigen des Anspruchs 11. Danach umfaßt ein Antriebssystem, insbesondere eines Kraftfahr zeugs, einen Verbrennungsmotor, wenigstens eine elektrische Maschine, die den Verbrennungsmotor mit einem Drehmoment beaufschlagen kann, und wenigstens eine Steuerung, welche die elektrische Maschine im Leerlaufbetrieb des Verbren nungsmotors derart steuert, daß sie einer Änderung der Leerlaufdrehzahl durch Aufbringen eines antreibenden oder bremsenden Drehmoments entgegenwirkt. Das Verfahren zum Entgegenwirken einer Änderung der Leerlaufdrehzahl in einem Antriebssystem mit einem Verbrennungsmotor und wenigstens einer elektrischen Maschine, die den Verbrennungsmotor mit einem Drehmoment beaufschlagen kann, umfaßt folgende Schritte:

a) Ermitteln der Leerlaufdrehzahl und/oder deren Ände rung;
b) Ansteuern der elektrischen Maschine, so daß diese einer Änderung der Leerlaufdrehzahl entgegenwirkt.

Die elektrische Maschine wird insbesondere so gesteuert, daß sie bei einer Verringerung der Leerlaufdrehzahl ein antreibendes Drehmoment aufbringt, welches ggf. einem schon zuvor aufgebrachten bremsenden oder antreibenden Moment überlagert (z. B. zu diesem addiert) wird. Beispielsweise kann die elektrische Maschine als Generator dienen. Bei einer Leerlaufdrehzahlverringerung wird dann das anstehende generatorische Bremsmoment verringert oder durch ein an treibendes Moment ersetzt. Falls die elektrische Maschine vor der Drehzahlabsenkung als Zusatzantrieb fungiert hat, werden beide Antriebsmomente überlagert. Entsprechend bringt die elektrische Maschine bei einer Erhöhung der Leerlaufdrehzahl insbesondere ein bremsendes Drehmoment auf oder erhöht ihr bremsendes Drehmoment bzw. verringert ihr antreibendes Drehmoment oder überführt es in ein bremsendes (Anspruch 12).

Es wird angemerkt, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten gerichtet ist, die beim Hubkolbenverbrennungsmotor aufgrund von Gas- und Massenkräften im wesentlichen periodisch als Oberschwingun gen zur Kurbelwellendrehung auftreten. Beispielsweise füh ren die Massenkräfte beim Vierzylinder-Reihenmotor zu einer Drehungleichförmigkeit mit der doppelten Drehfrequenz z. B. also bei einer Leerlaufdrehzahl von 600 min^-1 mit einer Frequenz von 20 s^-1. Die aktive Dämpfung solcher Drehungs gleichförmigkeiten mit Hilfe einer elektrischen Maschine ist z. B. aus der DE 44 23 577 bekannt.

In der vorliegenden Beschreibung wird daher unter "Dreh zahl" jeweils ein über diese Drehungsgleichförmigkeiten ge mittelter (oder auf sonstigem Wege von Drehungleichförmig keiten bereinigter) Drehzahlwert verstanden. Bei der Erfin dung geht es darum, im Leerlauf Abweichungen dieser mitt leren Drehzahl von einer Solldrehzahl zu reduzieren.

Das Antriebssystem gehört vorzugsweise zu einem Fahrzeug insbesondere einem Straßenfahrzeug, oder auch einem Wasser- oder Schienenfahrzeug. Der Verbrennungsmotor dient vorzugs weise als Fahrzeug-Antriebsaggregat. Er ist insbesondere ein Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung, beispielsweise ein Otto- oder Dieselmotor. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Rotationsmaschine, die motorisch und ggf. auch generatorisch betreibbar ist. Es handelt sich bei spielsweise um eine Stromwendermaschine ("Gleichstromma schine") oder eine Drehfeldmaschine ("Drehstrommaschine").

Unter Drehfeldmaschine wird - im Gegensatz zu einer Strom wendermaschine - eine insbesondere kommutatorlose Maschine verstanden, in der ein magnetisches Drehfeld auftritt, das vorzugsweise 360°C überstreicht. Die Maschine kann insbeson dere als Asynchronmaschine, z. B. mit Kurzschlußläufer, oder als Synchronmaschine, z. B. mit Läufer mit ausgeprägten Magnetpolen ausgebildet sein. Der Kurzschlußläufer bei der Asynchronmaschine kann z. B. ein hohler Käfigläufer mit Käfigstäben in Axialrichtung sein. Bei anderen Ausgestal tungen der Asynchronmaschine weist der Läufer Wicklungen auf, die über Schleifringe extern kurzgeschlossen werden können. Die ausgeprägten Magnetpole des Läufers bei der Synchronmaschine erreicht man z. B. durch Permanentmagnete oder durch Elektromagnete, die z. B. über Schleifringe mit Erregerstrom gespeist werden können.

Die elektrische Maschine kann indirekt, etwa über Ritzel, Keilriemen, etc. mit der Motorwelle gekoppelt sein. Beson ders vorteilhaft sitzt aber ein Teil der Maschine, insbe sondere der Läufer, direkt auf der Motorwelle und ist ggf. drehfest mit ihr gekoppelt. Der Läufer kann beispielsweise auf der zum Getriebe führenden Welle sitzen, oder an der anderen Seite des Verbrennungsmotors auf dem dort blind endenden Wellenstummel. Ein anderer Teil, insbesondere der Ständer, ist drehfest mit einem nicht drehbaren Teil ver bunden oder lösbar verbindbar, z. B. dem Motorgehäuse, dem Getriebegehäuse oder dem Chassis.

Neben ihrer erfindungsgemäßen Funktion im Rahmen der Leer laufsteuerung hat die elektrische Maschine vorteilhaft eine oder mehrere Zusatzfunktionen, sie dient z. B. als Starter für den Verbrennungsmotor, als Generator für die Bordnetz versorgung, als zusätzlicher Antriebsmotor für das Fahr zeug, als Fahrzeugbremse und/oder als Aktivdämpfer zur Reduzierung von Drehungleichförmigkeiten.

Die elektrische Maschine kann so ausgelegt sein, daß das von ihr erzeugbare Drehmoment klein im Vergleich zu dem des Verbrennungsmotors ist. Für manche Zusatzfunktionen ist ein großes Drehmoment vorteilhaft; z. B. ein so großes, das die elektrische Maschine beim Antrieb des Fahrzeugs beträcht lich unterstützen oder gar das Fahrzeug allein antreiben kann. Vorzugsweise erfolgt die Versorgung der elektrischen Maschine über einen Wechselrichter. Dieser kann die für die magnetischen Felder benötigten Spannungen und/oder Ströme (innerhalb gewisser Grenzen) frei wählbarer Frequenz, Am plitude und/oder Phase erzeugen.

Die Steuerung der elektrischen Maschine kann grundsätzlich durch Steuerung im engen Sinn (offene Wirkungskette) erfol gen, etwa indem bei einer Lastaufschaltung (z. B. Einschal ten eines mit dem Verbrennungsmotor gekoppelten Kompressors einer Klimaanlage) die elektrische Maschine ein im Betrag und zeitlichen Verlauf vorbestimmtes unterstützendes Dreh moment erzeugt.

Alternativ kann die Steuerung durch Regelung erfolgen. Zum Beispiel erfaßt ein Sensor die Leerlaufdrehzahl und liefert die Daten an die Steuerung, hier in Form einer Regelung. Diese steuert den Wechselrichter auf der Basis eines Ver gleichs mit dem Leerlaufdrehzahl-Sollwert so, daß die elek trische Maschine einer Änderung der Leerlaufdrehzahl durch Aufbringen eines antreibenden (oder ggf. bremsenden) Dreh moments entgegenwirkt und so die Drehzahl im wesentlichen oder genau auf dem Sollwert hält. Der Regler kann bei spielsweise eine P-, PI- oder PID-Charakteristik haben.

Vorteilhaft ist auch eine Regelung mit Störgrößenaufschal tung, bei der eine Störgröße - etwa eine Laständerung - auf den Reglereingang oder -ausgang aufgeschaltet wird, und so zu einem Drehmomenteingriff der elektrischen Maschine führt, bevor sich die Laständerung in eine Drehzahländerung auswirkt. Beispielsweise kann beim Ein- und Ausschalten eines großen mechanischen Verbrauches, z. B. eines Kompres sors einer Klimaanlage, ein entsprechendes Signal an die Regelung gegeben werden, die daraufhin unmittelbar die elektrische Maschine veranlaßt, die erwartete Laständerung noch vor Auftreten einer merklichen Drehzahländerung zu kompensieren.

Das von der elektrischen Maschine abgegebene Drehmoment kann schnell und genau verstellt werden, so daß die Leer laufsteuerung praktisch verzögerungsfrei und ohne Totzeit erfolgt. Die Leerlaufdrehzahl sinkt bei der Erfindung gar nicht oder zumindest weniger weit ab als bei einer herkömm lichen langsamen Steuerung (z. B. mit Füllungseingriff). Folglich kann die Soll-Leerlaufdrehzahl des Verbrennungs motors niedrig gewählt und dennoch ein Unterschreiten der kritischen Drehzahl verhindert werden.

Gegenüber herkömmlichen schnellen Steuerungen (z. B. mit Zündungseingriff) erlaubt die Erfindung einen Leerlaufbe trieb mit optimaler Zündzeitpunkteinstellung.

Die Erfindung hat somit folgende Vorteile: Sie bedingt

- einen geringeren Kraftstoffverbrauch;
- eine geringere Abgasemission; und
- eine geringere Lärmbelastung.

Sie bietet damit einen Beitrag zum Umweltschutz und zum sinnvollen Einsatz knapper Resourcen.

Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist die Steuerung vor zugsweise derart ausgelegt, daß sie einer Verringerung oder Erhöhung der Leerlaufdrehzahl aufgrund einer Lastaufschal tung bzw. -wegschaltung entgegenwirkt (Anspruch 2).

Ein Antriebsverbrennungsmotor treibt nämlich im Leerlauf i.a. neben einem Teil des Antriebsstrangs mehrere Hilfs aggregate an, z. B. Servoantriebe, Pumpen und einen Genera tor, der wiederum Hilfsaggregate und andere elektrische Verbraucher speist. Die Kopplung einer solchen Last mit der Motorwelle kann also z. B. mechanisch oder elektrisch unter Zwischenschaltung des mechanisch an die Motorwelle gekop pelten Generators sein. Eine Laständerung wird durch eine Änderung der Anzahl anzutreibender oder zu speisender La sten und/oder eine Änderung deren Drehmoments hervorgeru fen. Eine Vergrößerung dieser Größen wird als Lastaufschal tung, eine Verringerung als Lastwegschaltung bezeichnet. Eine Lastaufschaltung liegt z. B. vor beim Einschalten eines mechanisch angetriebenen Klimakompressors oder einer elek trischen Heizung oder etwa beim Einkuppeln des (freige schalteten) Getriebes, eine Entlastung entsprechend beim Abschalten dieser Geräte und beim Auskuppeln. Laständerun gen, die sprungartig große Werte annehmen können, führen entsprechend zu plötzlichen großen Drehzahländerungen. Aufgrund des sehr schnellen Eingriffs der elektrischen Maschine kann mit Hilfe der Erfindung dennoch die Soll-Leerlaufdrehzahl niedrig gewählt werden, ohne daß die kri tische Drehzahl bei Lastaufschaltung unterschritten würde.

Wie oben ausgeführt wurde, ist die Steuerung besonders vorzugsweise als störgrößenbeaufschaltete Regelung ausge bildet, wobei die Störgrößen insbesondere eine oder mehrere Lasten sind (Anspruch 3).

Da der Eingriff mit der elektrischen Maschine einen her kömmlichen Zündungseingriff überflüssig macht, wird der Verbrennungsmotor im Leerlaufbetrieb vorteilhaft praktisch dauernd bei optimalem Zündzeitpunkt (soweit es sich um einen Ottomotor handelt) betrieben (Anspruch 4). Für den Zündzeitpunkt gilt allgemein, daß er einerseits für einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe thermische Belastung des Verbrennungsmotors relativ früh, andererseits für eine geringe Abgasemission relativ spät liegen sollte. Der opti male Kompromiß zwischen diesen Größen, der im übrigen von der Drehzahl und der Last abhängt, bildet den "optimalen Zündzeitpunkt". Es ist derjenige Wert, der herkömmlich bei einem Motor im entsprechenden Betriebszustand eingestellt würde, wenn dieser keinen Laständerungen unterworfen wurde.

Die elektrische Maschine zusammen mit der Steuerung kann eine herkömmliche Leerlaufregelung, die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (wie die Füllung oder die Zündung) verstellt, vollständig ersetzen. Um ein Entladen oder Über laden der Fahrzeugbatterie durch die elektrische Maschine zu vermeiden, ist eine langsame Verstellung eines Verbren nungsmotor-Betriebsparameters dahingehend vorteilhaft, daß der Eingriff der elektrischen Maschine mit der Zeit ver schwindet. Das Kurzzeit-Steuerverhalten nach einer plötzli chen Laständerung wird dann allein durch die elektrische Maschine mit Steuerung bestimmt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ver brennungsmotor hingegen in das Kurzzeit-Steuerverhalten miteinbezogen, indem auch er selbst - aufgrund einer Ver änderung einer oder mehrere seiner Betriebsparameter durch die Steuerung - einer Änderung der Leerlaufdrehzahl ent gegenwirkt (Anspruch 6).

Die Steuerung kann z. B. die Betriebsparameter "zugeführte Luftmenge", "Kraftstoff-Luftverhältnis" und/oder "Zündzeit punkt" verändern (wobei der Eingriff über die beiden erst genannten Parameter bevorzugt ist).

Besonders bevorzugt reagiert dabei die elektrische Maschine schneller auf eine Änderung der Leerlaufdrehzahl als der Verbrennungsmotor (Anspruch 7). Dies erlaubt es einer Ände rung der Leerlaufdrehzahl zunächst im wesentlichen mit der elektrischen Maschine und dann im wesentlichen mit dem Verbrennungsmotor entgegenzuwirken (Anspruch 8). Vorteil dieser zweistufigen Steuerung ist einerseits, daß der Ver brennungsmotor stets bei optimalem Zündzeitpunkt betrieben werden kann, da das von ihm abgegebene Moment nur langsam geändert werden muß (z. B. über Füllungseingriff). Anderer seits wird die elektrische Maschine nur kurzzeitig von der Leerlaufsteuerung in Beschlag genommen, sie steht dann schnell wieder für andere Aufgaben zur Verfügung (z. B. der Versorgung elektrischer Verbraucher).

Bei der bevorzugt auf Regelung beruhenden Steuerung der elektrischen Maschine und/oder des Verbrennungsmotors er hält die Steuerung Information von einem Sensor, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors erfaßt, oder eine Größe, aus der diese abgeleitet werden kann (Anspruch 9). Für die bevorzugte Störgrößenaufschaltung erhält die Steuerung der elektrischen Maschine und/oder des Verbrennungsmotors au ßerdem Information von einem oder mehreren Sensoren, die Laständerungen erfassen (Anspruch 10). Hierbei kann es sich z. B. um Steuersignale zum Ein- oder Ausschalten von großen Verbrauchern handeln.

Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Entgegenwirken einer Änderung der Leerlaufdrehzahl in einem Antriebssystem, welches zusätzlich wenigstens einen der folgenden Schritte aufweist:

- Ermitteln der Soll-Leerlaufdrehzahl und/oder von Ände rungen hiervon;
- Ermitteln der Ist-Leerlaufdrehzahl und/oder von Ände rungen hiervon;
- Ermitteln des Lastzustands und/oder von Laständerun gen;
- Vergleichen von Soll-Leerlaufdrehzahl und Ist-Leer laufdrehzahl;
- Ansteuern auch des Verbrennungsmotors, so daß dieser einer Änderungen der Leerlaufdrehzahl entgegenwirkt, wobei bei einer Verringerung der Leerlaufdrehzahl das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment erhöht, und bei einer Erhöhung der Leerlaufdrehzahl das vom Verbrennungsmotor abgegebene Drehmoment verringert wird (Anspruch 14).

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der angefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktions blöcke eines Antriebssystems;

Fig. 2 eine unmaßstäblich-schematische Darstellung des Antriebssystems;

Fig. 3 eine schematische beispielhafte Darstellung der Wirkungsweise des Antriebssystems;

Fig. 4b eine schematische beispielhafte Darstellung von Soll-Leerlaufdrehzahl, kritischer Drehzahl und minimaler und maximaler tatsächlicher Leerlauf drehzahl bei Lastaufschaltung bei dem Antriebs system; im Vergleich dazu sind in Fig. 4a die entsprechenden Größen für ein Antriebssystem des Standes der Technik dargestellt;

Fig. 5 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Entgegen wirken einer Änderung der Leerlaufdrehzahl.

Ein Antriebssystem eines Fahrzeugs, z. B. eines Personen kraftwagens, gemäß Fig. 1 weist einen Verbrennungsmotor 1, eine elektrische Maschine 3, einen Drehzahlsensor 22, einen Regler 24, einen Leerlaufdrehzahl-Sollwertgeber 25 auf. Letzterer liefert einen konstanten Leerlaufdrehzahl-Soll wert an den Regler 24. Dieser vergleicht den durch einen Drehzahlsensor 22 gemessenen Istwert der Leerlaufdrehzahl und veranlaßt bei einer Abweichung der beiden Werte vonein ander die elektrische Maschine 3 dazu, ein Drehmoment auf zubringen, welches die Ist-Leerlaufdrehzahl auf den Soll wert bringt. Bei dem für den Vergleich verwendeten Istwert werden Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors 1, die von dessen Gas- und Massenkräften herrühren, nicht berücksichtigt, was z. B. durch entsprechende Mittelung oder Filterung von deren Beiträgen geschehen kann. Der Sollwert kann z. B. in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen, z. B. der Temperatur des Verbrennungsmotors 1 geändert werden, wobei die Zeitkonstante solcher Änderungen groß gegenüber derje nigen von typischen Leerlaufdrehzahländerungen ist. In diesem Sinn ist der Begriff "konstanter Sollwert" hier zu verstehen. Ein weiteres Signal am Eingang des Reglers 24 gibt an, ob mechanische Verbraucher 14 oder sonstige Lasten ein- oder ausgeschaltet werden. Diese Störgrößenaufschal tung erlaubt einen entsprechenden Eingriff mit der elek trischen Maschine 3 noch bevor sich die Laständerung als Drehzahländerung auswirkt. Die elektrische Maschine 3 fun giert also als Stellglied in einem Leerlaufdrehzahl-Regel kreis.

Bei dem Verbrennungsmotor 1 des Antriebssystems gemäß Fig. 2 handelt es sich beispielsweise um einen Vierzylinder-Otto motor. Er bringt ein Drehmoment auf eine Motorwelle 2 auf. Mechanisch mit der Motorwelle 2 verbunden sind Ver braucher 14, z. B. ein Kompressor für eine Klimaanlage und/oder eine Pumpe für einen Servoantrieb.

Die elektrische Maschine 3, hier eine Dreiphasen-Drehfeld maschine in Asynchron- oder Synchron-Bauart umfaßt einen Ständer 4 und einen Läufer 5. Der Ständer 4 stützt sich drehfest gegen den Verbrennungsmotor oder ein (nicht ge zeigtes) Kupplungsgehäuse ab. Der Läufer 5 sitzt auf der Motorwelle 2 und ist mit dieser drehfest gekoppelt oder koppelbar. Die elektrische Maschine 3 ist als Motor und Generator betreibbar und kann somit antreibende und brem sende Drehmomente auf die Motorwelle 2 aufbringen.

Im Fahrbetrieb wird das Drehmoment von der Motorwelle 2 über eine Kupplung 6 auf eine Getriebewelle 7, und über ein Getriebe 8 auf eine Antriebswelle 9 und Antriebsräder 10 übertragen. Im Leerlaufbetrieb ist dagegen ausgekuppelt, d. h. die Motorwelle 2 ist mit Hilfe der Kupplung 6 von der Getriebewelle 7 entkoppelt, oder das Getriebe ist freige schaltet, d. h. die Getriebewelle 7 ist von der Antriebs welle 9 entkoppelt. Bei der Kupplung 6 und dem Getriebe 8 kann es sich um eine Reibungskupplung und ein Schaltgetrie be handeln, oder alternativ z. B. um eine automatische Kupp lung oder eine Wandlerkupplung mit Schaltgetriebe, automa tischem oder stufenlosem Getriebe.

Wie oben ausgeführt wurde, fungiert die elektrische Maschi ne als Stellglied in einem Leerlaufdrehzahl-Regelkreis. Bei einer Verringerung der (über Drehungleichförmigkeiten ge mittelten) Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 1 unter den Sollwert bringt sie antreibendes Drehmoment auf oder überlagert ein solches einem ggf. bereits von ihr erzeugten Drehmoment. Entsprechend bringt sie bei einer Erhöhung der Leerlaufdrehzahl über den Sollwert ein bremsendes Drehmo ment auf bzw. überlagert ein solches einem ggf. bereits von ihr erzeugten Drehmoment. Auf diese Weise wirkt sie einer Verringerung oder Erhöhung der Leerlaufdrehzahl entgegen und hält sie auf dem Sollwert.

Erzeugt die elektrische Maschine 3 ein antreibendes Moment, fungiert sie als Motor. Die hierbei benötigte elektrische Energie wird hier zunächst einem Zwischenkreisspeicher 19 eines Wechselrichters 11 entnommen. Bei länger andauerndem Bedarf wird die elektrische Energie einem ersten Energie speicher 12 und ggf. einem zweiten Energiespeicher 13 ent nommen und über den Wechselrichter 11 bereitgestellt. Die Energiespeicher 12, 13 können jeweils als Batterie, Schwun grad, Kondensator oder Kombinationen hieraus ausgeführt sein. Hier ist der erste Energiespeicher 12 ein Kondensator und der zweite Energiespeicher 13 eine Batterie.

Erzeugt die elektrische Maschine 3 hingegen ein bremsendes Moment, fungiert sie als Generator. Die hierbei erzeugte elektrische Energie kann in den Energiespeichern 12, 13 gespeichert und für andere Zwecke wiederverwendet (also rekuperiert) werden.

Die elektrische Maschine 3 hat neben ihrer Aufgabe als Stellglied der Leerlaufdrehzahlregelung weitere Funktionen: Sie dient einerseits als Starter für den Verbrennungsmotor 1 und ersetzt somit den herkömmlicherweise beim Kraftfahr zeug gesondert vorgesehenen Startermotor. Andererseits dient sie während des Fahrbetriebs und - soweit neben ihrer Stellaufgabe möglich - während des Leerlaufbetriebs als Generator. Sie ersetzt damit auch den herkömmlicherweise im Fahrzeug vorhandenen gesonderten Generator. Zu Zeiten ohne Versorgung durch die elektrische Maschine 3 beziehen die elektrischen Verbraucher 16, 17 ihre Energie aus den Ener giespeichern 12 und/oder 13. Dabei sind die Verbraucher 17 solche mit niedriger Leistungsaufnahme, beispielsweise Beleuchtung und elektronische Geräte, und die elektrischen Verbraucher 16 solche mit hoher Leistungsaufnahme, wie z. B. elektrische Heizungen. Ferner kann die elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs sowie zu dessen Bremsung beitra gen, also als "Booster" und als "Retarder" fungieren.

Der Wechselrichter 11 liefert einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine 3 bei einer hohen Taktfrequenz puls weitenmodulierte sinusbewertete Spannungsimpulse, die unter der Wirkung der Maschineninduktivität im wesentlichen si nusförmige Dreiphasen-Ströme ergeben, deren Amplitude, Frequenz und Phase frei wählbar ist. Damit ist ein Vier quadrantenbetrieb der elektrischen Maschine 3 bei frei einstellbaren Größen "Drehzahl" und "Drehmoment" möglich.

Die Spannungsimpulse werden mit Hilfe geeigneter Leistungs halbleiterschalter (z. B. Feldeffekttransistoren oder IGBT's) erzeugt.

Der Wechselrichter 11 ist ein Spannungszwischenkreis-Wech selrichter und umfaßt im wesentlichen drei Baugruppen: ei nen Gleichspannungswandler 18 (Eingangsbaugruppe), welcher Gleichspannung von einem niedrigen Niveau (hier 12 V) auf ein höheres Zwischenkreisniveau (hier 36 V) und in umge kehrter Richtung umsetzt, den elektrischen Zwischenkreis speicher 19, hier ein Kondensator oder eine Anordnung par allel geschalteter Kondensatoren, und einen Maschinenwech selrichter 20 (Ausgangsbaugruppe), welcher aus der Zwi schenkreis-Gleichspannung die (getaktete) Dreiphasen-Wechsel spannung variabler Amplitude, Frequenz und Phase erzeu gen kann oder - bei generatorischem Betrieb der elektri schen Maschine 3 - derartige beliebige Wechselspannungen in die Zwischenkreis-Gleichspannung umsetzen kann.

Außer dem Zwischenkreisspeicher 19 sind der erste Energie speicher 12 und der elektrische Hochleistungsverbraucher 17 mit dem Zwischenkreis verbunden und liegen auf dessen höhe rem Spannungsniveau.

Eine Steuereinrichtung 21 gibt dem Wechselrichter 11 durch entsprechende Ansteuerung seiner Halbleiterschalter zu jedem Zeitpunkt vor, welche Amplitude, Frequenz und Phase die von ihm zu erzeugende Wechselspannung haben soll, um das von der elektrischen Maschine 3 zu liefernde beschleu nigende oder bremsende Drehmoment herbeizuführen.

Die Drehmomentvorgaben im Rahmen der Leerlaufregelung er hält die Steuereinrichtung 21 von einem Verbrennungsmotor-Steuer gerät 23. Dieses ist mit dem Drehzahlsensor 22 - hier einem Inkrementalgeber oder einem Drehtransformator (sog. Resolver) - gekoppelt und enthält den (hier nicht darge stellten) Sollwertgeber. Es ermittelt aus der Drehzahlmes sung einen über Drehungleichförmigkeiten gemittelten Dreh zahl-Istwert, vergleicht diesen mit dem Sollwert und gibt bei Abweichungen ein entsprechendes Regelsignal an die Steuereinrichtung 21. Das Steuergerät vereint also hier u. a. die Funktionen des Reglers 24 sowie des Sollwertgebers 25 aus Fig. 1. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungs formen sind die Funktionen von Steuereinrichtung 21 und Steuergerät 23 in einem Gerät vereint.

Die Steuereinrichtung 21 kommuniziert mit weiteren Steuer geräten: zum Beispiel gibt ein (nicht gezeigtes) Energie verbrauchs-Steuergerät an, wieviel elektrische Energie zum Laden der Energiespeicher 16, 17 benötigt wird, so daß die Steuereinrichtung 21 die entsprechende Generatorfunktion der elektrischen Maschine 3 veranlassen kann. Ferner macht das Verbrennungsmotor-Steuergerät 23 Vorgaben zur Starter-, Boost- und Retarderfunktion.

Im übrigen ist es die Aufgabe des Verbrennungsmotor-Steuer geräts 23 Kraftstoffverbrauch, Abgaszusammensetzung, Dreh moment und Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 über zugeführ te Luftmenge (soweit diese nicht vom Fahrer durch die Fahr pedalstellung vorgegeben ist) Luftzahl, Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt, Ventilöffnung und -schließung, etc. zu steuern. Bei Ausführungsformen, bei denen die Leerlaufrege lung neben dem Eingriff mit der elektrischen Maschine 3 auch auf einem Füllungseingriff beruht, veranlaßt das Steu ergerät 23 bei Abweichungen der Leerlauf-Istdrehzahl von der Solldrehzahl neben der Ansteuerung der elektrischen Maschine auch eine entsprechende Veränderung der Luft und/oder Kraftstoffmenge. Dies kann simultan mit deren Ansteue rung oder zeitlich verzögert erfolgen.

Die Steuerung des Gesamtsystems aus elektrischer Maschine 3 und Verbrennungsmotor 1 erfolgt von außen über die Fahr pedalstellung und daneben über Brems-, Kupplungs- und Ge triebebetätigung sowie durch Betriebsgrößen wie Kurbelwel lendrehzahl, Kurbelwellenwinkel (Verbrennungsmotortempera tur), Klopfen, gemessener Lambda-Wert etc.

Der Leerlaufdrehzahlregler 24 hat vorzugsweise P- oder PI-Charakteristik. Besonders vorzugsweise hat er zusätzlich auch D-Charakteristik (insgesamt z. B. PID), um bereits auf Änderungen der Drehzahl anzusprechen, bevor sich diese noch in merkbaren Abweichungen vom Sollwert manifestieren. Bei zusätzlichem Füllungseingriff kann nach einer Drehzahlände rung nach einiger Zeit der Eingriff der elektrischen Ma schine 3 zurückgenommen werden, da dann der Verbrennungs motor 1 infolge des Füllungseingriffs allein die Solldreh zahl halten kann. Bei Leerlaufregelung mit Störgrößenauf schaltung (nicht dargestellt in Fig. 2) ist ein noch schnellerer Eingriff der elektrischen Maschine 3 möglich.

Ein Beispiel für die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Antriebssystems ist in Fig. 3 veranschaulicht. Dargestellt ist die Ist-Leerlaufdrehzahl n, die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀, das von einer elektrischen Maschine auf eine Motorwelle aufgebrachte Drehmoment M_E und das von einem Verbrennungs motor auf die Motorwelle aufgebrachte Drehmoment M_V, je weils als Funktion der Zeit t. Die elektrische Maschine bringt zunächst ein bremsendes Drehmoment M_E0 auf, z. B. im Rahmen ihrer Generatorfunktion zur Erzeugung elektrischer Energie.

Zum Zeitpunkt t₁ kommt es zu einer Lastaufschaltung eines mechanischen Verbrauchers 14, der hier in Form einer Sprungfunktion mit Sprung bei t₁ angenommen wird. Es wirkt so ein erhöhtes Gegendrehmoment auf die Motorwelle 2 und die Leerlaufdrehzahl n sinkt zunächst unter die Soll-Leer laufdrehzahl n₀. Die elektrische Maschine verringert dann - aufgrund unvermeidlicher Verzögerungen erst zum Zeitpunkt t₂ - das von ihr aufgebrachte bremsende Drehmoment, hier von M_E0 auf M_E1, bis die Leerlaufdrehzahl n wieder die Soll-Leer laufdrehzahl n₀ erreicht.

Zum Zeitpunkt t₃ kann die elektrische Maschine 3 ihr Brems moment wieder erhöhen (hier auf M_E0), da inzwischen der Verbrennungsmotor 1 das von ihm abgegebene Drehmoment (hier von M_v0 auf M_v1) durch Füllungseingriff entsprechend erhöht hat. Die Leerlaufdrehzahl bleibt bei diesem Übergang prak tisch auf dem Sollwert; die elektrische Maschine kann wie der mehr elektrische Energie erzeugen.

In Fig. 4a sind bei einer herkömmlichen Leerlaufregelung die (über Drehungleichförmigkeiten gemittelte) Leerlauf drehzahl n', die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀' des Antriebs systems sowie die kritische Drehzahl n_krit des Verbrennungs motors, die nicht unterschritten werden darf, jeweils als Funktion der Zeit dargestellt. Grundsätzlich kann es hier - aufgrund der relativ ungenauen Steuerung der Leerlaufdreh zahl mit Hilfe von Füllungs- oder Zündungseingriff - selbst ohne Laständerung zu relativ großen Abweichungen zwischen der Soll-Leerlaufdrehzahl n₀' und der Leerlaufdrehzahl n¹ kommen, so daß letztere in einem Band zwischen n'_min und n'_max liegt. Aufgrund der relativ langsamen Regelung kann bei Füllungseingriff der Lastvergrößerung (hier zum Zeitpunkt t₁') erst relativ spät (hier zum Zeitpunkt t₂') entgegen gewirkt werden. Die Leerlaufdrehzahl kann dann recht weit absinken. Damit die kritische Drehzahl n_krit nicht unter schritten wird, muß die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀' aufgrund der a) ungenauen Steuerung um einen Betrag a', und aufgrund b) langsamen Regelung um einen Betrag b' höher eingestellt werden als die kritische Drehzahl n_krit, d. h. insgesamt um einen Betrag a'+ b' höher als die kritische Drehzahl n_krit.

Wesentlich günstiger liegen die Verhältnisse bei der Erfin dung: In Fig. 4b ist entsprechend die Leerlaufdrehzahl n'', die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀'' sowie die kritische Drehzahl n_krit des Verbrennungsmotors dargestellt. Aufgrund der wesent lich genaueren Steuerung der Leerlaufdrehzahl mit Hilfe der elektrischen Maschine 3 kommt es nur zu relativ kleinen Abweichungen zwischen der Soll-Leerlaufdrehzahl n₀'' und der Leerlaufdrehzahl n'', hier in einem wesentlich engeren Band zwischen n''_min und n''_max. Aufgrund der wesentlich schnel leren Regelung der Vergrößerung (hier zum Zeitpunkt t₁'') kann schon relativ früh (hier zum Zeitpunkt t₂'') entgegen gewirkt werden. Die Leerlaufdrehzahl n'' sinkt dann wesent lich weniger weit ab. Damit die kritische Leerlaufdrehzahl n_krit nicht unterschritten wird, muß die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀'' nur um einen Betrag a'' + b'' höher eingestellt werden als die kritische Drehzahl n_krit. Insgesamt kann die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀'' wesentlich niedriger, d. h. wesentlich näher bei der kritischen Drehzahl n_krit eingestellt werden als bei dem herkömmlichen Antriebssystem.

Bei dem Verfahren gemäß Fig. 5 wird zunächst die konstante Soll-Leerlaufdrehzahl n₀''' erfaßt/ermittelt. Diese ergibt sich aus konstanten Parametern, z. B. dem verwendeten Motor typ, sowie variablen Parametern, wie etwa die Verbrennungs motortemperatur, die die Soll-Leerlaufdrehzahl n₀''' beein flussen. Als nächstes wird die Leerlaufdrehzahl n''' direkt oder indirekt erfaßt/ermittelt. Dies ist insbesondere die tatsächliche momentane Leerlaufdrehzahl. Eine Störgrößen aufschaltung kann verfahrensmäßig z. B. so realisiert sein, daß nicht die tatsächliche, sondern die erwartete Leerlauf drehzahl ermittelt wird, z. B. aus der momentanen Leerlauf drehzahl und zusätzlichen Größen, wie Laständerungen, die diese beeinflussen werden. Die Leerlaufdrehzahl n''' (dar unter fällt die tatsächliche oder die erwartete) wird mit der Soll-Leerlaufdrehzahl n₀''' verglichen. Liegt der Wert der Leerlaufdrehzahl n''' über dem der Soll-Leerlaufdreh zahl n₀''', erzeugt die elektrische Maschine ein relatives bremsendes Moment. Beispielsweise verringert sie ihr an treibendes Moment oder erhöht ihr bremsendes Moment. Zu sätzlich kann z. B. durch Füllungseingriff das vom Verbren nungsmotor abgegebene Drehmoment verringert werden. Ent sprechend umgekehrtes gilt, wenn der Wert der Leerlaufdreh zahl n''' unter dem der Soll-Leerlaufdrehzahl n₀''' liegt.

Claims

1. Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit

- einem Verbrennungsmotor (1);
- wenigstens einer elektrischen Maschine (3), die den Verbrennungsmotor (1) mit einem Drehmoment beaufschlagen kann; und
- einer Steuerung (21), welche die elektrische Ma schine (3) im Leerlaufbetrieb des Verbrennungs motors (1) derart steuert, daß sie einer Änderung der Leerlaufdrehzahl durch Aufbringen eines an treibenden oder bremsenden Drehmoments entgegen wirkt.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Steue rung (21) derart ausgelegt ist, daß die elektrische Maschine (3) einer Verringerung oder Erhöhung der Leerlaufdrehzahl aufgrund einer Lastaufschaltung bzw. -wegschaltung entgegenwirkt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 2, bei welchem die Steue rung eine störgrößenbeaufschaltete Regelung ist.

4. Antriebssystem nach Anspruch 3, bei welchem Lasten Störgrößen darstellen.

5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem der Verbrennungsmotor (1) im Leer laufbetrieb bei optimalem Zündzeitpunkt betrieben wird.

6. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem auch der Verbrennungsmotor (1) selbst einer Änderung der Leerlaufdrehzahl entgegenwirkt.

7. Antriebssystem nach Anspruch 4, bei welchem die elek trische Maschine (3) einer Änderung der Leerlaufdreh zahl schneller als der Verbrennungsmotor (1) entgegen wirkt.

8. Antriebssystem nach einer der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem einer Änderung der Leerlaufdrehzahl zunächst im wesentlichen mit der elektrischen Maschine (3) und dann im wesentlichen mit dem Verbrennungsmotor (1) entgegengewirkt wird.

9. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem die Steuerung (21, 23) der elektri schen Maschine (3) und/oder des Verbrennungsmotors (1) Information von einem Sensor (22) erhält, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) erfaßt.

10. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welchem die Steuerung (21, 23) der elektri schen Maschine (3) und/oder des Verbrennungsmotors (1) Information von einem Sensor erhält, der Lastwechsel erfassen kann.

11. Verfahren zum Entgegenwirken einer Änderung der Leer laufdrehzahl in einem Antriebssystem, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Verbrennungsmotor (1) und wenigstens eine elek trische Maschine (3), die den Verbrennungsmotor (1) mit einem Drehmoment beaufschlagen kann, mit folgenden Schritten:

a) Ermitteln der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungs motors (1) und/oder deren Änderung;
b) Ansteuern der elektrischen Maschine (3), so daß diese einer Änderung der Leerlaufdrehzahl entge genwirkt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die elektri sche Maschine (3) bei einer Verringerung der Leerlauf drehzahl ein antreibendes Drehmoment aufbringt, das einem ggf. zuvor vorhandenen antreibenden oder brem senden Drehmoment überlagert wird und so das antrei bende Drehmoment erhöht bzw. das bremsende verringert oder in ein antreibendes überführt.

13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem die elektrische Maschine (3) bei einer Erhöhung der Leer laufdrehzahl ein bremsendes Drehmoment aufbringt, ein ggf. zuvor vorhandenes bremsendes Drehmoment erhöht bzw. ein antreibendes Drehmoment verringert oder in ein bremsendes überführt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, welches zusätzlich wenigstens einen der folgenden Schritte aufweist:

- Ermitteln der Soll-Leerlaufdrehzahl und/oder von Änderungen der Soll-Leerlaufdrehzahl;
- Ermitteln der Ist-Leerlaufdrehzahl und/oder der Änderungen hiervon;
- Erfassen/Ermitteln des Lastzustands und/oder von Laständerungen;
- Vergleichen von Soll-Leerlaufdrehzahl und Ist-Leerlaufdrehzahl;
- Ansteuern auch des Verbrennungsmotors (1), so daß dieser einer Änderung der Leerlaufdrehzahl ent gegenwirkt, wobei bei einer Verringerung der Leerlaufdrehzahl das vom Verbrennungsmotor (1) abgegebene Drehmoment erhöht, und bei einer Erhö hung der Leerlaufdrehzahl das vom Verbrennungs motor (1) abgegebene Drehmoment verringert wird.