DE19709134C2 - Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/0016Control of angular speed of one shaft without controlling the prime mover
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/06Engines with means for equalising torque

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, sowie ein Verfahren zum Steuern der Leerlaufdreh­ zahl eines Verbrennungsmotors.

Im Leerlauf dient ein z. B. als Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs fungierender Verbrennungsmotor nicht zum Antrieb des Fahrzeugs. Er braucht nur die für die Eigendrehung aufzubrin­ gende Arbeit zu leisten und daneben ggf. mechanische oder elek­ trische Hilfsaggregate anzutreiben, wie Pumpen, Servoantriebe und einen Generator.

Um Kraftstoffverbrauch, Schadstoffausstoß und Geräuschentwicklung gering zu halten, wählt man die Leerlaufdrehzahl im allgemeinen möglichst niedrig. Aus Komfortgründen kann sie jedoch nur bis zu einer bestimmten Drehzahl abgesenkt werden. Im allgemeinen ist eine Leerlaufdrehzahlregelung vorgesehen, welche die Leerlauf­ drehzahl möglichst konstant auf einem Wert etwas über dieser Mindestdrehzahl hält.

Die Mindestdrehzahl ist temperaturabhängig. Im kalten Zustand des Verbrennungsmotors liegt sie höher als z. B. bei Be­ triebstemperatur. Besonders ausgeprägt ist dies bei tiefen Mi­ nustemperaturen (z. B. minus 20°C). Die einfachste Möglichkeit, einen funktionsfähigen Leerlauf bei allen Temperaturen zu gewähr­ leisten, ist, die Leerlauf-Solldrehzahl global (d. h. für alle Temperaturen) soweit anzuheben, daß sie knapp über der Mindest­ drehzahl der tiefsten vorkommenden Temperatur liegt. Dies hat allerdings den Nachteil, daß die Leerlaufdrehzahl - von kurzen Startphasen bei der tiefsten Temperatur abgesehen - unnötig hoch läge. Im Stand der Technik wird deshalb der Leerlaufdrehzahl-Soll­ wert temperaturabhängig geführt, und zwar wird er zu niedrigen Temperaturen hin angehoben. Dies geschah anfangs durch Hand­ steuerung, seit geraumer Zeit ist eine Leerlaufdrehzahlregelung mit temperaturabhängig geführtem Drehzahl-Sollwert üblich. (siehe z. B. Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch, 21. Auflage, 1991, S. 435).

Diese, bereits seit Jahrzehnten allgemein verbreitete Lösung funktioniert grundsätzlich und wird - angesichts der nahen Posi­ tionierung des Leerlaufdrehzahl-Sollwerts an der Mindestdrehzahl bei allen praktisch vorkommenden Temperaturen - als optimale Lösung hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Schadstoffausstoß und Ge­ räuschentwicklung angesehen.

Die DE 42 13 589 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs und einer Brennkraftmaschine, die mit einer die Ungleichförmigkeiten des Motordrehmoments ausgleichenden Schwungmasse gekoppelt ist. Zum Stillsetzen der Brennkraftma­ schine wird eine Kupplung zwischen dieser und der Schwungmasse geöffnet, um die Stillsetzung und das spätere Starten der Brennkraftmaschine zu erleichtern.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein hinsichtlich des Leerlaufverhaltens verbessertes Antriebssystem sowie ein entspre­ chendes Verfahren bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig gemäß Anspruch 1 durch ein Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst, wel­ ches folgendes umfaßt:

  • - einen Verbrennungsmotor;
  • - eine elektrische Maschine, die den Verbrennungsmotor mit einem variierenden Drehmoment beaufschlagt, derart, daß Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungsmotors verringert werden,
  • - wobei die Amplitude der Änderungen des von der elektrischen Maschine aufgebrachten Drehmoments bei Leerlauf in kaltem Zustand des Verbrennungsmotors größer als im warmen Zustand ist; und
  • - eine Leerlaufsteuerung, welche die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors in kaltem Zustand nicht gegenüber derjeni­ gen in warmem Zustand erhöht.

Es sei angemerkt, daß der Begriff "Steuerung" im gesamten vor­ liegenden Text in einem weiten Sinn verstanden wird, der oberbe­ griffsartig die Begriffe "Steuerung im engen Sinn" (d. h. Beein­ flussung einer Größe in offener Wirkungskette) und "Regelung" (d. h. Beeinflussung einer Größe aufgrund Vergleich mit einer anderen vorgegebenen Größe) umfaßt. Entsprechendes gilt für abge­ leitete Begriffe, wie "Steuern", "Steuergerät", etc.

Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde: bei einem Hubkolben-Verbrennungsmotor bedingen die von der Verbrennung hervorgerufenen Gaskräfte und die durch die hin- und hergehenden Massen hervorgerufenen Massenkräfte Drehmomentschwankungen, welche sich in Drehungleichförmigkeiten um die mittlere Leerlaufdrehzahl äußern. Diese treten im wesentlichen periodisch als Oberschwin­ gungen zur Kurbelwellendrehung auf. Beispielsweise führen die Gas- und Massenkräfte beim 4-Zylinder-Reihenmotor zu einer Drehung­ leichförmigkeit, deren Grundschwingung der doppelten Drehfrequenz entspricht (z. B. hat die Grundschwingung bei einer Leerlaufdreh­ zahl von 600 min-1 eine Frequenz von 20 Hz). Bei kaltem Motor ist i. a. der zu überwindende Reibungswiderstand aufgrund der höheren Zähigkeit des Motoröls größer. Zur Überwindung dieses größeren Reibungswiderstandes muß der Motor mehr leisten, er erhält hierfür z. B. eine größere Gemischmenge. Dies wiederum bedingt eine Ver­ größerung der Gaskräfte (die nur von der Drehzahl abhängigen Massenkräfte bleiben hiervon, solange die Drehzahl sich nicht ändert, unberührt).

Es gibt bei einem Verbrennungsmotor i. a. eine Drehzahl (nicht zu verwechseln mit der o. g. Mindestdrehzahl), die auch kurzfristig nicht unterschritten werden sollte, um sicherzustellen, daß der Motor nicht unruhig läuft oder stehen bleibt. Diese Drehzahl wird im folgenden kritische Drehzahl genannt. Die mittlere (d. h. die über Drehungleichförmigkeiten gemittelte) Leerlaufdrehzahl ist so zu wählen, daß der im Verlauf der Drehungleichförmigkeiten klein­ ste auftretende Drehzahlwert einen bestimmten Sicherheitsabstand über der kritischen Drehzahl liegt (die so gewählte mittlere Drehzahl entspricht der obigen Mindestdrehzahl). Aufgrund der im kalten Zustand erhöhten Drehungleichförmigkeit muß - wie dies herkömmlicherweise auch getan wird - die mittlere Leerlaufdrehzahl entsprechend der Vergrößerung der Drehungleichförmigkeitsamplitude angehoben werden, um die kritische Drehzahl plus Sicherheitsab­ stand nicht zu unterschreiten.

Die Erfindung geht einen anderen Weg: und zwar wird bei ihr durch aktiven Eingriff vermieden, daß die Drehungleichförmigkeitsampli­ tude bei kaltem Motor größer als bei warmem ist. Dies ermöglicht, die mittlere Leerlaufdrehzahl bei Kälte nicht anzuheben, erlaubt also eine niedrige globale Leerlaufdrehzahl.

Die Verminderung der Drehungleichförmigkeitsamplitude wird dadurch bewirkt, daß die elektrische Maschine ein variierendes Drehmoment aufbringt, welches im zeitlichen Verlauf den Drehmomentschwankun­ gen des Verbrennungsmotors ähnelt, aber im wesentlichen gegen­ phasig zu ihnen ist. Grundsätzlich ist es möglich, die drehun­ gleichförmigkeits-verringernde Funktion der elektrischen Maschine nur beim Kaltleerlauf wirken zu lassen, so daß dort die Drehung­ leichförmigkeitsamplitude derjenigen des Warmlaufs angeglichen wird. Vorteilhaft wirkt die elektrische Maschine jedoch auch beim Warmlauf drehungleichförmigkeits-verringernd. In diesem Fall ist die drehungleichförmigkeits-verringernde Wirkung der elektrischen Maschine im Kaltleerlauf größer als im Warmleerlauf. Die im An­ spruch 1 angegebene Formulierung, daß die Amplitude der von der Maschine aufgebrachten Drehmomentänderungen in kaltem Zustand größer als im warmen Zustand ist, umfaßt beide obigen Möglichkei­ ten.

Die bei niedriger Temperatur größeren Gaskräfte führen i. a. nicht nur zu einer Vergrößerung der Amplitude der Gesamt-Drehungleich­ förmigkeit, sondern auch zu einer geringfügigen Verschiebung des Phasenwinkels (da die Phasen der Gas- und Massenkräfte unter­ schiedlich sind und der Anteil der Gaskräfte zunimmt). Dies wird vorteilhaft berücksichtigt, indem bei niedriger Temperatur nicht nur die Amplitude des durch die elektrische Maschine aufgebrachten Gegendrehmoments vergrößert wird, sondern auch die Phase so ver­ schoben wird, daß die Gegenphasigkeit des Gegendrehmoments im we­ sentlichen erhalten bleibt.

Als elektrische Maschine ist jede Rotationsmaschine geeignet, welche die geforderte schnelle Variation der Drehmomente erzeugen kann. Besonders vorteilhaft ist hierfür eine Drehfeldmaschine. Hierunter wird - im Gegensatz zu einer Stromwendermaschine - eine insbesondere kommutatorlose Maschine verstanden, in der z. B. der Ständer ein magnetisches Drehfeld erzeugt, welches um 360° umläuft und den Läufer mitnimmt. Die elektrische Maschine kann insbesonde­ re 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 Käfigläufer mit Kurzschlußstäben in Axialrichtung sein. Bei anderen Ausgestaltungen der Asynchronmaschine weist der Läufer Wicklungen auf, die über Schleifringe extern kurzgeschlos­ sen 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 Drehmomentvariation wird durch eine entsprechende Variation des Drehfelds bewirkt. Beispielsweise wird die elektrische Maschine im schnellen Wechsel als Generator und Motor betrieben. Die hierfür nötigen veränderlichen Ströme und Spannungen können z. B. mit Hilfe eines Wechselrichters erzeugt werden, der Generator- und Motorbetrieb herbeiführen kann und schnell zwischen beiden Betriebsweisen umsteuert. Ein Beispiel für die aktive Dämpfung von Drehungleichförmigkeiten mit Hilfe einer elektrischen Maschine - dort einer Sektormaschine - ist aus der DE 44 23 577 A1 bekannt.

Die elektrische Maschine kann indirekt, etwa über Ritzel, Keilrie­ men, etc. mit der Verbrennungsmotorwelle gekoppelt sein. Vorteil­ haft sitzt aber ein Teil der Maschine, insbesondere 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 Maschinenteil, insbesondere der Ständer, ist drehfest mit einem nicht drehbaren Teil verbunden oder lösbar verbindbar, z. B. dem Motor- oder Ge­ triebegehäuse.

Neben ihrer erfindungsgemäßen Funktion im Rahmen der Leerlauf­ steuerung kann die elektrische Maschine vorteilhaft eine oder mehrere Zusatzfunktionen haben, z. B. als Aktivdämpfer zur Reduzie­ rung von Drehungleichförmigkeiten auch bei höheren Drehzahlen, als Starter für den Verbrennnungsmotor, als Generator für die Bord­ netzversorgung, als zusätzlicher Fahrzeugantriebsmotor und/oder als zusätzliche Fahrzeugbremse dienen.

Gegenüber herkömmlichen Leerlaufdrehzahlregelungen hat die Erfin­ dung aufgrund der Nichterhöhung der Leerlaufdrehzahl im Kaltleer­ lauf deutliche Vorteile, indem sie

  • - einen geringeren Kraftstoffverbrauch,
  • - eine geringere Abgasemission, und
  • - eine geringere Lärmbelastung

ermöglicht. Sie leistet damit einen Beitrag zum Umweltschutz und zum sinnvollen Einsatz knapper Ressourcen.

Die aktive Verringerung von Drehungleichförmigkeiten erlaubt nicht nur eine Absenkung der herkömmlicherweise höheren Kalt-Leerlauf­ drehzahl auf den Wert der Warm-Leerlaufdrehzahl, sondern darüber­ hinaus auch eine Absenkung der so entstandenen globalen Leerlauf­ drehzahl auf einen Wert unterhalb der herkömmlichen Warm-Leerlauf­ drehzahl. Vorteilhaft wird die elektrische Maschine nämlich so gesteuert, daß sie die Drehungleichförmigkeiten des Verbrennungs­ motors im Kalt- wie im Warm-Leerlauf zu einem überwiegenden Teil oder sogar praktisch vollständig kompensiert. Vorzugsweise wird dann die mittlere Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors wesent­ lich in Richtung der kritischen Drehzahl plus dem üblicherweise bei dem jeweiligen Verbrennungsmotor erforderlichen Sicherheits­ abstand abgesenkt (Anspruch 2). Vorzugsweise wird hierunter eine Absenkung der mittleren Leerlaufdrehzahl gegenüber der Warm-Leer­ laufdrehzahl des gleichen ungedämpften Motors verstanden, die wenigstens 50%, besonders vorzugsweise wenigstens 75% der Dreh­ zahlschwankungsamplitude des gleichen ungedämpften Motors im Warm­ leerlauf beträgt.

Folgendes Zahlenbeispiel soll dies veranschaulichen: bei einem Verbrennungsmotor beträgt die kritische Drehzahl z. B. 600 min-1 und der Sicherheitsabstand 50 min-1. Die Drehzahlschwankungsamplitude im Warmleerlauf beträgt 100 min-1, in Kaltleerlauf 250 min-1. Im herkömmlichen Fall ergibt sich mit diesen Zahlen folgendes: im warmen Zustand beträgt die mittlere Leerlaufdrehzahl 750 min-1 (nämlich die Summe von kritischer Drehzahl, Sicherheitsabstand und Ungleichförmigkeitsamplitude). Die Momentandrehzahl schwankt dann zwischen 650 min-1 (der Summe von kritischer Drehzahl und Sicher­ heitsabstand) und zwischen 850 min-1 (nämlich der Summe von kriti­ scher Drehzahl, Sicherheitsabstand und zweifacher Schwankungs­ amplitude). Im kalten Zustand beträgt die mittlere Leerlaufdreh­ zahl 900 min-1, ihr Momentanwert schwankt zwischen 650 min-1 und 1150 min-1. Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 ist die (jetzt globale) mittlere Leerlaufdrehzahl gegenüber der Warm-Leerlauf­ drehzahl des ungedämpften Motors z. B. um den halben Wert der ungedämpften Drehzahlschwankungsamplitude im warmen Zustand abge­ senkt, also um 50 min-1 auf 700 min-1. Im Grenzfall entspricht die Absenkung der gesamten Drehzahlschwankungsamplitude, die Absenkung beträgt also 100 min-1 und führt auf 650 min-1.

Wie im folgenden erläutert wird, sind verschiedene Be­ triebszustände der elektrischen Maschine möglich. Im einfachsten Fall hat sie im Mittel keine antreibende oder bremsende Zusatz­ funktion, sondern dient nur der Drehungleichförmigkeitsverringe­ rung. Sie bringt hierzu ein Wechseldrehmoment auf, und zwar wirkt sie bei einem unter dem mittleren Verbrennungsmotor-Drehmoment liegenden Drehmoment-Momentanwert antreibend und bei einem dar­ überliegenden Drehmoment-Momentanwert bremsend. Die Maschine arbeitet also im schnellen Wechsel motorisch/generatorisch. Abge­ sehen von geringfügigen Verlusten gleicht dabei der bei der an­ treibenden Phase benötigte Energiebetrag dem bei der bremsenden Phase gewonnenen. Dieser jeweils zu einer Antriebs- und Bremsphase gehörende Energiebetrag kann in einem schnellen Speicher, z. B. einem Kondensator zwischengespeichert werden. Die Drehungleichför­ migkeitsverringerung ist also eine Drehmomentglättung, die - abgesehen von den geringfügigen Verlusten - keine Energie ver­ braucht.

Vorteilhaft sind jedoch auch andere Betriebsweisen, bei denen die elektrische Maschine im Leerlauf zusätzlich zu dem variierenden Drehmoment ein konstantes Drehmoment aufbringt (Anspruch 3).

"Konstant" schließt hier auch "relativ langsam veränderlich" (bezogen auf die schnelle Variation für die Drehungleichförmig­ keitsverringerung) ein. Das konstante Drehmoment kann ein bremsen­ des Drehmoment sein und z. B. der bereits oben erwähnten Generator­ funktion dienen. Ein Beispiel für eine Überlagerung eines antrei­ benden Drehmoments ist eine Funktionsweise, bei der die elektri­ sche Maschine im Rahmen einer Leerlaufregelung ein Absinken der mittleren Leerlaufdrehzahl aufgrund einer plötzlichen Lastzuschal­ tung eines mechanischen Verbrauchers durch Aufbringen eines ent­ sprechenden antreibenden Moments vermeiden hilft.

In diesen Fällen ist die Energiebilanz der elektrischen Maschine nicht mehr - wie im Fall der reinen Drehungleichförmigkeitsver­ ringerung - ausgeglichen. Beispielsweise liefert sie bei über­ lagertem bremsenden Drehmoment in den Bremsphasen mehr Energie als sie in den jeweils folgenden Antriebsphasen benötigt (diese Über­ schußenergie ist z. B. zur Versorgung des Bordnetzes bestimmt). Falls der Betrag des überlagerten Drehmoments größer als die Drehmomentschwankungsamplitude ist, wechselt das von der elek­ trischen Maschine aufgebrachte Drehmoment sein Vorzeichen nicht mehr. Sie wirkt dann nur noch bremsend (oder antreibend), wobei das Bremsmoment (bzw. das Antriebsmoment) variiert.

Die Steuerung der elektrischen Maschine zur Erzielung der Tempera­ turabhängigkeit der Drehungleichförmigkeitsverrringerung kann vorteilhaft durch Steuerung (im engen Sinn), Regelung und/oder Mischformen hiervon erfolgen (Anspruch 4). Besonders einfach ist die Steuerung (im engen Sinn): beispielsweise können in einem Kennfeld die erwarteten Werte für die Amplitude und ggf. die Phase der Drehmomentvariationen des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Verbrennungsmotortemperatur und ggf. der Lufttemperatur gespeichert sein. Nach Ermittlung der Temperatur(en) durch einen oder mehrere geeignete Temperatursensoren wird der entsprechende Amplituden- und ggf. Phasenwert aus dem Kennfeld gelesen; daraus wird die Amplitude und ggf. Phase der entgegenzurichtenden Dreh­ moment-"Schwingung" der elektrischen Maschine bestimmt. Die Tempe­ ratur des Verbrennungsmotoers kurz nach dem Start kann auch indi­ rekt ermittelt werden, z. B. durch Messung des zum Starten erfor­ derlichen Moments, auf das wiederum indirekt durch den zum Starten erforderlichen elektrischen Leistungsverlauf geschlossen werden kann. Selbstverständlich kann im Kennfeld auch von vornherein die von der elektrischen Maschine aufzubringende Drehmomentschwingung in Abhängigkeit von der/den Temperaturen charakterisiert sein. Diese Steuerungsart kann allerdings Störgrößen, die nicht in das Kennfeld eingegeangen sind (z. B. Motorverschleiß), nicht berück­ sichtigen.

Bei einer reinen Regelung benötigt man hingegen keine Temperatur­ messung und auch keine Vorkenntnis der Abhängigkeit der Ungleich­ förmigkeitsamplitude von der Temperatur und anderen Störgrößen. Es genügt, die jeweils aktuell vorliegende Drehungleichförmigkeit zu messen - etwa durch Auswertung der Signale eines Kurbelwellen- Drehwinkelgebers - und die elektrische Maschine so zu steuern, daß sie den Drehungleichförmigkeiten in Abhängigkeit von dem Meßwert entgegenwirkt. Da sich eine Drehmomentschwankung des Verbrennungs­ motors nur verzögert als Drehungleichförmigkeit äußert (z. B. bei einer sinusförmigen Ungleichförmigkeit mit einer Phasenverschie­ bung von 0° bis 90°), ist die Regelung i. a. so ausgebildet, daß sich eine gemessene Über- oder Unterschreitung der mittleren Drehzahl erst in einem nachfolgenden Arbeitstakt in einem ent­ sprechenden entgegengerichteten Eingriff der elektrischen Maschine auswirkt. Da die Drehungleichförmigkeiten i. a. eine relativ große zeitliche Kohärenz aufweisen, d. h. über mehrere aufeinanderfolgen­ de Takte stark korreliert sind, kann man mit dem nur verzögerten Regeleingriff eine relativ starke Drehungleichförmigkeitsunter­ drückung erzielen.

Vorteilhaft sind auch Mischformen von Steuerung (im engen Sinn) und Regelung. Möglich ist beispielsweise eine störgrößenbeauf­ schaltete Regelung, bei der z. B. das Temperatursignal den Regler­ eingang oder -ausgang beeinflußt, so daß bereits dem ersten Ein­ griff der elektrischen Maschine ein ungefährer Wert für die zu bei der vorliegenden Temperatur erwartende Drehungleichförmigkeit zugrundegelegt wird. Die anfängliche Regeldifferenz ist dadurch kleiner und kann wesentlich schneller zurückgelegt werden. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit ist eine Adaptivsteuerung (im engen Sinn). Hierbei werden die bei der gesteuerten Verringerung unerwünscht verbleibenden Drehungleichförmigkeiten ermittelt und nach Mittelung zu einer langsamen Verstellung (Adaption) der Steuerwerte verwendet, dahingehend, daß diese unerwünschten Ab­ weichungen verschwinden. Hiermit finden Störgrößen, wie z. B. Verschleiß, im Kennfeld Berücksichtigung.

Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Leerlaufsteuerung eines Verbrennungsmotors gerichtet. Bezüglich der Merkmale, Ausge­ staltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf Anspruch 5 sowie die vorstehenden und folgenden Ausführungen zum Antriebssystem und dessen Ausgestaltungen verwiesen.

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

Fig. 1 ein Drehmoment- und Drehzahl-Zeit-Diagramm für Leerlauf bei Betriebstemperatur sowie tiefer Temperatur;

Fig. 2 ein Diagramm entsprechend Fig. 1, jedoch mit zusätzli­ cher Leerlaufdrehzahl-Absenkung;

Fig. 3 eine Schemadarstellung der wichtigsten Funktionseinhei­ ten des Antriebssystems;

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Leerlaufsteu­ erung;

Fig. 5 ein Diagramm entsprechend Fig. 1, jedoch bei einem System mit herkömmlicher Leerlaufsteuerung.

Zur Veranschaulichung wird zunächst die im Stand der Technik übliche Leerlaufsteuerung beschrieben: ein Hubkolben-Verbrennungs­ motor zeigt gemäß Fig. 5 bei Betriebstemperatur Drehzahlschwan­ kungen um eine mittlere Leerlaufdrehzahl ωwarm. Diese haben i. a. als Funktion der Zeit einen komplizierten Verlauf, der hauptsäch­ lich periodisch ist und einen hier vernachlässigten, kleinen, nicht-periodischen Anteil aufweist. Zur Vereinfachung wird im fol­ genden ein sinusförmiger Verlauf angenommen. Die Amplitude der Drehzahlschwankungen hat bei Betriebstemperatur den Wert Δωwarm. Ursache der Drehungleichförmigkeiten sind Drehmomentschwankungen ΔM des Verbrennungsmotors, deren Phase zwischen 0° und 90° voreilt (gestrichelt gezeichnet). In den Figuren ist zur deutlicheren Darstellung eine Voreilung von 90° gezeichnet. Der Verbrennungs­ motor hat eine sog. kritische Drehzahl krit, die auch kurzfristig nicht unterschritten werden darf. Um zu erreichen, daß die klein­ ste vorkommende Drehzahl einen Sicherheitsabstand S über der kritischen Drehzahl ωkrit liegt, ist die mittlere Leerlaufdrehzahl ωwarm auf den folgenden Wert eingestellt: ωwarm = ωkrit + δωwarm. Typi­ sche Zahlenwerte hierfür sind: ωkrit = 600 min-1, S = 50 min-1, Δωwarm = 100 min-1, woraus folgt: ωwarm = 750 min-1. Bei tiefer Temperatur, z. B. bei -20°C, ist die Drehzahlschwankungsamplitude auf einen Wert Δωkalt erhöht. Damit die kleinste vorkommende Drehzahl nach wie vor den Sicherheitsabstand S über der kritischen Drehzahl liegt, ist die mittlere Leerlaufdrehzahl im Stand der Technik um den Betrag der Vergrößerung der Drehzahlschwankungsamplitude, also um Δωkalt - Δωwarm erhöht. Typische Zahlenwerte hierfür sind: Δωkalt = 250 min-1, Δωkalt - Δωwarm = 150 min-1, woraus folgt: Δωkalt = 900 min-1.

Bei dem Fig. 1 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung werden die Drehungleichförmigkeiten aktiv gedämpft. Bei kalten Temperaturen ist die Bedämpfung entsprechend der dort größeren Drehzahlschwankungsamplitude vergrößert, so daß sich im Ergebnis bei Betriebstemperatur wie bei tiefer Temperatur eine gleich große verbleibende Drehzahlschwankung zeigt. Bei dem darge­ stellten Beispiel beträgt deren Amplitude Δgedämpft die Hälfte der Amplitude Δwarm der ungedämpften Drehzahlschwankung bei Be­ triebstemperatur. Bei anderen (nicht gezeigten) Ausführungsformen ist die Bedämpfung stärker; hier verbleiben 25% der ungedämpften Amplitude Δwarm oder weniger (z. B. weniger als 20%, 15%, 10%). Aufgrund der Verringerung der Amplitude liegt bei unveränderter mittlerer Leerlaufdrehzahl - jetzt als global bezeichnet - ein vergrößerter Sicherheitsabstand S* vor. Beispielsweise beträgt die Dämpfung der Amplitude 50%, die verbleibende Amplitude Δωgedämpft be­ trägt also 50 min-1. Entsprechend hat sich der Sicherheitsabstand vergrößert auf S* = 100 min-1.

Bei dem Fig. 2 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel ist der Sicherheitsabstand wieder auf den mindestens notwendigen Wert S zurückgeführt, und zwar durch globale Absenkung der mittleren Leerlaufdrehzahl auf einen verringerten Wert ωred. Der Absen­ kungsbetrag der mittleren Leerlaufdrehzahl entspricht dem Betrag der Amplitudenverringerung aufgrund der aktiven Dämpfung. Wird etwa die Drehzahlschwankungsamplitude - wie im obigen Beispiel - um 50% von 100 min-1 auf 50 min-1 verringert, so wird die mittlere Leerlaufdrehzahl entsprechend von 750 min-1 auf 700 min-1 abgesenkt.

Bei anderen (nicht durch eigene Figur veranschaulichten) Ausfüh­ rungsformen erfolgt die aktive Drehungleichförmigkeitsdämpfung nur bei kalten Temperaturen. Bei Betriebstemperatur ergibt sich daher ein Bild entsprechend dem mit "warm" gekennzeichneten Teil von Fig. 5. Bei niedrigen Temperaturen werden die Drehungleichförmig­ keiten hingegen aktiv auf den bei Betriebstemperatur vorliegenden Wert gedämpft, so daß sich auch hierfür ein Bild entsprechend dem mit "warm" gekenneichneten Teil von Fig. 5 ergibt.

Ein Antriebssystem eines Fahrzeugs, z. B. eines Personenkraftwa­ gens, gemäß Fig. 3 weist einen Verbrennungsmotor 1 auf, der Drehmoment über eine Antriebswelle 2 (z. B. die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1), eine Kupplung 3 und weitere (nicht gezeig­ te) Teile eines Antriebsstrangs auf die Antriebsräder des Fahr­ zeugs abgibt. Bei dem hier interessierenden Leerlaufbetrieb ist die Kupplung 3 geöffnet. Auf der Antriebswelle 2 sitzt konzen­ trisch eine elektrische Maschine 4, hier eine Asynchron-Drehstrom­ maschine. Sie weist einen direkt auf der Antriebswelle 2 sitzenden und drehfest mit ihr verbundenen Läufer 5 sowie einen z. B. am Gehäuse des Verbrennungsmotors 1 abgestützten Ständer 6 auf. Die (nicht dargestellte) Ständerwicklung wird durch einen Wechselrich­ ter 7 mit elektrischen Strömen und Spannungen praktisch frei einstellbarer Amplitude, Phase und Frequenz gespeist. Es handelt sich z. B. um einen Gleichspannungs-Zwischenkreis-Wechselrichter, welcher aus einer konstant gehaltenen Zwischenkreis-Gleichspannung mit Hilfe von elektronischen Schaltern (z. B. Feldeffekttransi­ storen oder IGBT's) breitenmodulierte Pulse herausschneidet, die - gemittelt durch die Induktivität der elektrischen Maschine 4 - zu nahezu sinusförmigen Strömen der gewünschten Frequenz Amplitude und Phase führen. Der Wechselrichter 7 ist mit einem schnellen Energiespeicher 8, z. B. einem Kondensatorspeicher sowie einem Fahrzeugbordnetz 9 mit einer Bordnetzbatterie 10 gekoppelt. Wenn die elektrische Maschine 4 als Generator fungiert und Energie lie­ fert, gibt der Wechselrichter 7 diese Energie nach Gleichrichtung an den schnellen Speicher 8 und/oder das Fahrzeugbordnetz 9 mit der Batterie 10 ab, je nach dem, ob die Energie kurzfristig ge­ speichert und/oder dem Bordnetz 9 mit der Batterie 10 zugeführt werden soll. Wenn die elektrische Maschine 4 als Motor fungiert, erhält sie die nötige elektrische Energie über den Wechselrichter 7 aus dem schnellen Speicher 8 und/oder der Batterie 10. Ein Steuergerät 11 steuert den Wechselrichter 7 und darüber die elek­ trische Maschine 4. Es empfängt Eingangssignale von einem Drehwin­ kelgeber 12 - aus denen es die momentane Drehzahl der Antriebs­ welle 2 ermittelt - sowie von einem Temperatursensor 13, der Information z. B. über die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungs­ motors 1 trägt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel übernimmt das Steuergerät 11 auch die Leerlaufdrehzahlregelung des Verbren­ nungsmotors 1 und steuert hierzu über eine Stelleinrichtung die Kraftstoffzufuhr, z. B. mittels der Drosselklappe 14 des Verbren­ nungsmotors 1, sowie ggf. die Zündanlage, insbesondere den Zünd­ zeitpunkt.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Antriebssystems von Fig. 3 anhand des Flußdiagramms gemäß Fig. 4 erläutert: im Schritt S1 wird zunächst geprüft, ob der Verbrennungsmotor 1 im Leerlauf läuft. Nur dann kommen die folgenden Schritte zur Ausführung. (Bei anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen kann die elektrische Maschine 4 jedoch auch bei höheren Drehzahlen und unter Last zur aktiven Drehungleichförmigkeitsdämpfung dienen). Im folgenden Schritt S2 wird die Temperatur des Verbrennungsmotors 1 z. B. mit Hilfe des Temperatursensors 13 gemessen. Im folgenden Schritt S3 liest das Steuergerät 9 Erwartungswerte für die Amplitude und Phase der Drehungleichförmigkeiten bzw. der Drehmomentschwankungen bei der gemessenen Temperatur aus einem Speicher (z. B. einem Kennfeld), welcher Teil des Steuergeräts sein kann. Im Schritt S4 wird durch Kommunikation mit einem (nicht gezeigten) Energiever­ sorgungssteuergerät bestimmt, ob und mit welchem Betrag die elek­ trische Maschine 4 Energie für das Fahrzeugbordnetz 9 liefern soll. Im Schritt S5 steuert das Steuergerät den Wechselrichter 7 und damit die elektrische Maschine 4 anhand der mit dem Drehwin­ kelgeber 12 gemessenen momentanen Winkelstellung der Antriebswelle 2 und der aus dem Speicher gelesenen Erwartungswerte so, daß die elektrische Maschine 4 ein zu den Drehmomentschwankungen des Ver­ brennungsmotors 1 im wesentlichen gegenphasiges Wechseldrehmoment geeigneter Amplitude erzeugt. Diesem Wechseldrehmoment ist je nach gewünschter Generatorfunktion ein bremsendes Konstantdrehmoment überlagert. Ein Energiebetrag, welcher durch den Wechselanteil des Drehmoments kurzfristig in den Bremsphasen anfällt und in den jeweils nachfolgenden Antriebsphasen wieder verbraucht wird, wird im schnellen Speicher 7 jeweils für etwa eine halbe Periodenlänge zwischengespeichert (Schritt S6). Der vom überlagerten Konstant­ drehmoment herrührende konstante Energiefluß wird hingegen ins Bordnetz 9 abgeführt. Im Schritt S7 wird bestimmt, wie groß die trotz aktiver Dämpfung verbleibenden Drehungleichförmigkeiten sind. Falls Sie eine vorgegebene Höchstgrenze überschreiten, wird hieraus auf eine Abweichung der tatsächlichen Drehungleichförmig­ keitswerte von den erwarteten Werten geschlossen und die im Steu­ ergerät 11 gespeicherte und im Schritt S3 verwendete Erwartungs­ wertinformation geändert, und zwar den tatsächlichen Werten ange­ nähert. Die Schritte S5 und S6 werden in dauernder Wiederholung hintereinander durchlaufen. Ein Durchlaufen der Schritte S1 bis S4 ist nur erforderlich, falls sich an den äußeren Bedingungen (z. B. der Temperatur des Verbrennungsmotors 1, dem Energiebedarf des Bordnetzes 9 oder der Leerlaufbedingung) etwas ändert. Es genügt, daß diese Schritte nur auf Anforderung bei einer Änderung (z. B. durch einen Interrupt) abgearbeitet werden, oder jeweils nach einer Vielzahl von Abarbeitungen der Schritte S5 und S6. Auch der Schritt S7 für die Speicheradaption braucht nur hin und wieder ausgeführt zu werden. Für den Ablauf des Verfahrens gemäß Fig. 4 sorgt z. B. ein entsprechend programmierter Mikrocontroller, der Teil des Steuergeräts 11 ist.

Die temperaturabhängige Drehungleichförmigkeitsdämpfung ist so eingerichtet, daß die verbleibenden Drehzahlschwankungen bei allen Temperaturen gleich sind und z. B. der Hälfte des ungedämpften Werts bei Betriebstemperatur entsprechen. Das Steuergerät 11 regelt die Leerlaufdrehzahl auf einen abgesenkten, temperaturunab­ hängigen Wert, entsprechend der Darstellung gemäß Fig. 2.

Claims (5)

1. Antriebssystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit
  • - einem Verbrennungsmotor (1);
  • - wenigstens einer elektrischen Maschine (4), die den Verbrennungsmotor (1) mit einem variierenden Drehmoment beaufschlagt, so daß Drehungleichförmigkeiten des Ver­ brennungsmotors (1) verringert werden,
  • - wobei die Amplitude der Änderungen des von der elektri­ schen Maschine (4) aufgebrachten Drehmoments bei Leer­ lauf in kaltem Zustand des Verbrennungsmotors (1) grö­ ßer als im warmen Zustand ist; und
  • - einer Leerlaufsteuerung, welche die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (1) in kaltem Zustand nicht ge­ genüber derjenigen in warmem Zustand erhöht.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, bei welchem die mittlere Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (1) in Richtung der kritischen Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) zuzüglich einem üblicherweise erforderlichen Sicherheitsabstand abge­ senkt ist.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die elek­ trische Maschine (4) zusätzlich ein konstantes Drehmoment aufbringt, welchem das variierende Drehmoment zur Drehun­ gleichförmigkeitsverringerung überlagert ist.
4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Temperaturabhängigkeit der Drehungleichförmigkeitsver­ ringerung durch die elektrische Maschine (4) durch Steuerung, Regelung und/oder Mischformen hiervon erzielt wird.
5. Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbren­ nungsmotors, insbesondere bei einem Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem
  • - wenigstens eine mit dem Verbrennungsmotor (1) gekoppel­ te elektrische Maschine (4) so gesteuert wird, daß sie ein den Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors (1) entgegenwirkendes variierendes Drehmoment aufbringt,
  • - wobei die Größe des variierenden Drehmoments von der Temperatur des Verbrennungsmotors (1) abhängt, so daß verbleibende Drehmomentschwankungen im wesentlichen temperaturunabhängig sind, und
  • - wobei die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors (1) bei tiefen Temperaturen nicht gegenüber derjenigen bei hohen Temperaturen angehoben wird.
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