DE60113118T2

DE60113118T2 - Steuerung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit elektronisch geregeltem Ansaugluftverdichter

Info

Publication number: DE60113118T2
Application number: DE60113118T
Authority: DE
Inventors: Mark Anderton Criddle; Kevin Paul Standford-le-Hope Cutts; Jon Dixon; Sunoj Cherian George; Simon Petrovich
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Valeo Air Management UK Ltd
Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2021-10-04
Also published as: EP1300560B1; DE60113118D1; EP1300560A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisch angetriebenes Druckverstärkungssystem, das benutzt wird um die Drehmomentabgabe eines Verbrennungsmotors zu verstärken.
Eine Art, das von einem Hubkolben-Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment und die Spitzenleistung zu verstärken, ist es eine Druckverstärkungsvorrichtung zu benutzen, um den Luftmassenstrom in den Motor hinein zu steigern. Die gesteigerte Luftversorgung erlaubt dann, daß in jedem Verbrennungsereignis eine größere Menge Kraftstoff verbrannt wird.
Beispiele von Druckverstärkungsgeräte schließen Turbolader und Kompressoren ein. Ein Turbolader wird ganz oder teilweise durch Energie in dem Abgasstrom angetrieben. Dies ist eine effiziente Nutzung von ansonsten großteils verschwendeter Energie, aber derartige Vorrichtungen leiden unter der Beschränkung daß die Aufladung bei niedrigen Motordrehzahlen (U/min) nicht verfügbar oder unwesentlich ist. Oft fordert eine Fahrer möglicherweise bei niedrigen Drehzahlen hohes Drehmoment von einem Motor, zum Beispiel bei Beginn eines Überholmanövers. Ist die Druckverstärkungsvorrichtung nur durch Abgase angetrieben, so wird das verstärkte Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen nicht verfügbar sein.
Ein Weg, mit der Beschränkung umzugehen, ist es einen mit dem Turbolader verbundenen Elektromotor bereitzustellen, welcher aktiviert wird wenn die Turboverstärkung unzureichend ist. Diese Art von elektrisch angetriebenem Druckverstärkungsgerät ist hinsichtlich der Hardwarekosten jedoch teuer. Eine andere Lösung ist einen Kompressor zu verwenden, das heißt einen Verdichter der durch andere Mittel angetrieben wird als eine Abgasturbine; zum Beispiel über eine mechanische Verbindung zum Motor, oder durch einen von der Batterie und/oder dem Batterieladesystem angetriebenen Elektromotor. Mechanische Kompressorsysteme können mechanisch jedoch unförmig und teuer sein. Elektrisch angetriebene Kompressorsysteme bieten einen geringeren Preis und eine kompakte Lösung, können – wenn betrieben – aber einen bedeutenden Betrag an elektrischer Energie benötigen, zum Beispiel bis zu dreimal den Strom, der normalerweise durch eine typische 12 V Motorfahrzeug-Batterie geliefert werden kann. Motorfahrzeug-Lichtmaschinen sind typischerweise spezifiziert um entweder alles oder das meiste der Leistungsanforderung für das gesamte Fahrzeug zu liefern, und die Batterie wird nur benutzt um ausreichend elektrische Energie zu speichern um den Fahrzeugmotor zu starten, und um gelegentlich Strom zu liefern wenn die Zusatzlast die Lichtmaschinenleistung übersteigt. Typische europäische Fahrzeuglichtmaschinen sind spezifiziert um ungefähr 130 A an Strom zu liefern, während ein elektrisch betriebener Kompressor mehr als 300 A benötigen kann. Eine Lichtmaschine, die in der Lage ist so viel Strom zu liefern, ist wesentlich teurer, schwerer und unförmiger als eine herkömmliche Lichtmaschine.
Weil das Druckverstärkungsgerät nicht 100% effizient sein kann, wird es im Zusammenhang mit der Vorrichtung außerdem unvermeidliche elektrische und mechanische Verluste geben, die Bauteilen innerhalb der Vorrichtung beachtliche mechanische und thermische Belastung auferlegen können.
Der Preis, die Kapazität der Fahrzeugbatterie und des Aufladesystems zu steigern, oder mit den Bauteilen innerhalb des Druckverstärkungsgeräts eigenen thermischen und mechanischen Grenzen umzugehen, um jedem Niveau der Fahrerforderung nachzukommen, kann leicht die Vorteile aufwiegen ein elektrisch betriebenes Druckverstärkungsgerät zu verwenden. Daher ist es wichtig ein solches Gerät in einer effizienten Art und Weise zu betreiben, und innerhalb der Grenzen der elektrischen Stromversorgung des Fahrzeugs, und innerhalb der thermischen und mechanischen Grenzen des Geräts selbst. Zur gleichen Zeit ist es wichtig den vom Fahrer wahrgenommenen Vorteil der Drehmomentverstärkung über einen breitestmöglichen Bereich von Fahrbedingungen hinweg zu maximieren. Weil das Niveau, bei welchem ein elektrisch betriebenes Druckverstärkungsgerät betrieben wird, im Wesentlichen von der Betriebsdrehzahl des Motors unabhängig ist, ist es deswegen notwendig ein angemessenes Regelsystem zum Betrieb des Druckverstärkungsgeräts zu erdenken, das den Systembeschränkungen Rechnung trägt.
Ein Beispiel eines elektrisch angetriebenen Turboladers ist in DE 195 18 317 A offenbart. Ein Elektromotor des Turboladers wird in Abhängigkeit verschiedener unterschiedlicher Parameter reguliert. Um Batterieleistung zu sparen endet die Vorverdichtung der Ansaugluft zum Beispiel, wenn der Motor nicht innerhalb einer annehmbaren Zeit startet (vergleiche mit den vorliegenden unabhängigen Ansprüchen, 1. Teil).
U.S. 3,386,427 offenbart ein Kraftstoffsystem, das Überlastung, Überdrehen und Überhitzung eines Motors und Turboladers vermeidet.
U.S. 4,604,701 offenbart ein Turbolader-Regelsystem, das einen maximalen Ladedruck berechnet und diesen dann beschränkt, um den Motor vor einer Überladung zu schützen.
In U.S. 4,745,755 werden Batterielade- und -entladeströme berechnet und verglichen. Ist der Entladestrom zu hoch, so wird der Elektroantrieb zu einem Motorkompressor abgestellt, um die Batterie zu schützen.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein praktisches und wirtschaftliches elektrisches Druckverstärkungsgerät und -verfahren bereitzustellen, um das von einem Verbrennungsmotor verfügbare Drehmoment zu steigern.
Gemäß der Erfindung wird ein Luftladungs-Verstärkungssystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt, wobei das System ein elektrisch angetriebenes Druckladegerät und ein elektronisches Regelsystem zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts umfaßt, in dem das elektronische Regelsystem eingerichtet ist um:

a) eine gewünschte Luftladung gemäß der Motordrehmoment-Forderung zu berechnen;
b) auf Grundlage mindestens eines Betriebsparameters des Luftladungs-Verstärkungssystems eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenzen für den Betrieb des Druckladegeräts zu berechnen; und
c) das Druckladegerät in Reaktion auf die gewünschte Luftladung innerhalb der berechneten zulässigen Betriebsgrenze anzutreiben;

Außerdem wird gemäß der Erfindung ein Verfahren bereitgestellt ein Luftladungs-Verstärkungssystem für einen Verbrennungsmotor zu betreiben, wobei das System ein elektrisch angetriebenes Druckladegerät und ein elektronisches Regelsystem zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts umfaßt; in dem das Verfahren die Schritte umfaßt das elektronische Regelsystem zu verwenden, um:

i) eine gewünschte Luftladung gemäß der Motordrehmoment-Forderung zu berechnen;
ii) auf Grundlage mindestens eines Betriebsparameters des Luftadungs-Verstärkungssystems eine oder mehrere Betriebsgrenzen für den Betrieb des Druckladegeräts zu berechnen; und
iii) das Druckladegerät in Reaktion auf die gewünschte Luftladung und innerhalb der berechneten zulässigen Betriebsgrenze anzutreiben;

dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der zulässigen Betriebsgrenze einen Bezug sowohl auf eine weiche Betriebsgrenze (oder erträgliche oder Toleranz-Betriebsgrenze) wie auch auf eine harte oder imperative Betriebsgrenze beinhaltet, und der Betrieb des elektrisch angetriebenen Ladungs-Verstärkungsgeräts beschränkt wird, wenn der entsprechende Betriebsparameter die weiche Betriebsgrenze übersteigt; wobei die Beschränkung derart ist, daß der Betriebsparameter zu einer späteren Zeit die harte Betriebsgrenze nicht übersteigt.
Das Druckladegerät kann jeder Gerätetyp zur Aufladung des Luftmassenstroms in den Motor hinein sein – ob teilweise oder vollständig von einer elektrischen Stromversorgung angetrieben –, ist am stärksten bevorzugt jedoch ein elektrisch angetriebener Kompressor.
Weil der Druckladegerät-Betrieb innerhalb zulässiger Betriebsgrenzen beschränkt ist, hilft dies Probleme aufgrund eines Betriebs der Vorrichtung außerhalb der zulässigen Grenzen zu vermeiden, und erlaubt dadurch eine wirtschaftlichere Systemkonstruktion. Dies wird allgemein außerdem in gesenktem elektrischem Stromverbrauch für das Gerät resultieren. Beide dieser Vorteile tragen dazu bei Systemmasse, -volumen und -preis zu senken, und den elektrischen Wirkungsgrad des Geräts zu verbessern.
Die Gesamteffizienz einer unterstützten Ansaugung wird außerdem gesteigert, indem man die tatsächliche Luftladung durch die elektrische Regelung des Druckladegeräts an die gewünschte Luftladung anpaßt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Druckladegerät ein elektrisch angetriebener Kompressor. Dieser kann eine Anzahl von rotierenden Impellerschaufeln aufweisen. Die Geometrie jeder Schaufel ist unveränderlich, und die tatsächlich durch den Kompressor gelieferte Luftladung wird durch die Drehgeschwindigkeit der Impellerschaufeln bestimmt.
Der Betriebsparameter kann ein thermischer Parameter des Druckladegeräts sein, in welchem Fall die berechnete zulässige Betriebsgrenze ein maximaler thermischer Grenzwert sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann der Betriebsparameter ein Ladezustands-Parameter für eine Motorfahrzeug-Batterie sein, in welchem Fall die berechnete zulässige Betriebsgrenze eine minimale Versorgungsspannung für diese Batterie sein kann.
Vorzugsweise gibt es jedoch eine Mehrzahl von Betriebsparametern, und die berechnete zulässige Betriebsgrenze ist die Grenze, die dem Betrieb des elektrisch angetriebenen Druckladegeräts die größte Beschränkung auferlegt, so daß alle Betriebsparameter innerhalb zulässiger Grenzen bleiben. Der Betrieb des Geräts wird dann eingeschränkt, so daß der Betrieb für jenen Parameter geeignet ist, welcher dem Betrieb des Geräts die größte Beschränkung auferlegt. Zum Beispiel können an einem heißen Sommertag mit einem heißen Motor die thermischen Grenzwerte erreicht werden, deutlich bevor der Batterie-Ladezustand beginnt den Strombetrag zu begrenzen, der von der Batterie geliefert werden kann; während in einer kalten Winternacht das umgekehrte der Fall sein kann.
Die Beschränkung über die weiche Betriebsgrenze hinaus kann mehrere Formen annehmen, aber damit. der Betrieb des Druckladegeräts nicht plötzlich oder unerwartet beschränkt wird, ist es bevorzugt wenn das angetriebene Aufladegerät zunehmend beschränkt wird, während der entsprechende Betriebsparameter die harte Betriebsgrenze erreicht.
Das Luftladesystem kann eine elektronisch geregelte Drossel umfassen, um die Motoransaugung zu regeln. Das System kann dann: die Drosselstellung einstellen, um die Ansaugung des Motors zu regeln; die tatsächliche Luftladung in Übereinstimmung mit Motor-Betriebsbedingungen bestimmen; die gewünschte Luftladung mit der tatsächlichen Luftladung vergleichen; und das Druckladegerät antreiben, um die Ansaugung des Motors gemäß dem Vergleich zwischen der gewünschten Luftladung und der tatsächlichen Luftladung nur dann zu verstärken, wenn die Drossel weit geöffnet ist und wenn der Drehmomentforderung durch natürliche Ansaugung allein nicht nachgekommen werden kann.
Die Motor-Drehmomentabgabe bei jeder gegebenen Motordrehzahl wird bei Drosselstellungen unterhalb weit geöffneter Drossel dann durch die Drosselstellung geregelt. Erreicht die Drosselstellung einmal weit geöffnete Drossel, so betreibt das Regelsystem die Druckladevorrichtung gemäß dem Vergleich zwischen der gewünschten Luftladung und tatsächlicher Luftladung; zum Beispiel in einer solchen Art und Weise, um einen Unterschied zwischen diesen Luftladungen im Fall des Stationärbetriebs der Druckladevorrichtung auf Null zu vermindern.
Der Druckladevorrichtungs-Betrieb ist daher auf Bereiche beschränkt, wo der Drehmomentforderung mit natürlicher Ansaugung allein nicht nachgekommen werden kann. Außerdem wird die Effizienz einer unterstützten Ansaugung gesteigert, indem man Beschränkungen durch eine teilweise geöffnete Drossel vermeidet, und indem man die tatsächliche Luftladung durch die elektrische Regelung des Druckladegeräts auf die gewünschte Luftladung anpaßt.
Die gewünschte Luftladung kann gemäß gegenwärtiger Motor-Betriebsbedingungen bestimmt werden, einschließlich einer gegenwärtigen Luftladung. Die gegenwärtige Luftladung kann direkt gemessen werden, zum Beispiel mittels eines Luftstrom-Sensors; oder indirekt, zum Beispiel durch einen Motoreinlaßluftdruck-Sensor und einen Motordrehzahl-Sensor.
Das elektronische Regelsystem stellt bevorzugt eine Regelung des elektrisch betriebenen Druckladegeräts im geschlossenen Regelkreis bereit, indem es die gegenwärtige Luftladung überwacht. Andere Motor-Betriebsparameter können ebenfalls gemessen werden, zum Beispiel Motordrehzahl, Motortemperatur. Es kann außerdem nützlich sein Umgebungsbedingungen – wie etwa Umgebungstemperatur und relative Luftfeuchte – zu messen. Jeder derartige Parameter, der eine Auswirkung auf die gewünschte Luftladung haben kann, kann in in diese Berechnung eingeschlossen werden.
Die Motordrehmoment-Forderung kann gemäß einer Fahrerforderung berechnet werden, zum Beispiel der Ausgabe eines elektronischen Gaspedal-Sensors. Die Motordrehmoment-Forderung kann gemäß anderen Eingaben modifiziert werden, zum Beispiel einer Eingabe von einem Traktions-Regelsystem, einem Kupplungspedal-Sensor, einem Kollisions-Warnsystem, oder einem System zur Regelung des Betriebs eines Automatikgetriebes.
Vorzugsweise ist die gewünschte Luftladung ein Maß des gewünschten Luftdrucks und/oder des gewünschten Luftmassenstroms.
Die Erfindung wird nun in weiterem Detail und nur anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 ein schematische Diagramm eines Motorfahrzeugs ist, das ein 1,4 Liter Vierzylinder-Motorsystem mit Luftladungs-Verstärkungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt;
2 ein Graph ist, der für den 1,4 Liter Motor von 1 Motordrehmoment gegen Motordrehzahl aufträgt, wenn natürlich angesaugt; abgestimmt entweder für maximales Drehmoment bei niedriger bis mäßiger Motordrehzahl, oder für maximales Drehmoment bei moderater bis höherer Motordrehzahl;
3 ein Graph ähnlich zu dem von 2 ist, der mit dem Motor von 1 außerdem den Effekt auf die Motordrehmoment-Abgabe zeigt, wenn man das Luftladungs-Verstärkungssystem verwendet;
4 ein Graph ist, der für den Motor von 1 Motorkompressor-Drehmomentverstärkung gegen Drosselwinkel-Forderung des Fahrers aufträgt, und den Drehmoment verstärkenden Effekt des Luftladungs-Verstärkungssystems bei verschiedenen Motordrehzahlen zeigt;
5 eine schematische Übersicht des Motor-Regelsystems zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts ist;
6 ein Diagramm der Regelsystem-Architektur des Luftladungs-Verstärkungssystems ist; und
7, 8 und 9 Auftragungen sind, die schematisch zeigen wie die Fahrzeug-Elektrizitätsversorgung auf von dem Kompressor und anderen Fahrzeug-Verbrauchereinheiten gezogenen Strom reagieren.
1 zeigt schematisch den Teil eines Motorfahrzeugs 7, das einen Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 mit vier Reihenzylindern 2, einem Luftansaugkrümmer 4 und einem Abgaskrümmer 6 besitzt, die jeweils zu jedem der Zylinder 2 und von ihnen weg führen. Ein Kraftstoff Einspritzsystem 8 liefert in einer in der Technik wohlbekannten Art und Weise Kraftstoff 11 zu Zylindern 2. Ein Druckladegerät, hier ein elektrischer Kompressor 10, wird stromaufwärts des Ansaugkrümmers 4 bereitgestellt.
Wenn er arbeitet strömt Luft durch den Kompressor 10 zu dem Ansaugkrümmer 4, oder – wenn der Kompressor abgeschaltet ist oder sich im Leerlauf befindet – durch einen Luft-Umgehungskanal 12 parallel zu dem Kompressor 10. Luft wird entlang eines Einlaß-Luftweges 3 zu dem Kompressor 10 und/oder der Umgehung 12 geliefert.
Der Luft-Umgehungskanal 12 weist ein Luftventil 13 auf das automatisch öffnet, um es Einlaßluft 5 zu erlauben den Kompressor 10 zu umgehen 15, wenn Luftstrom 18 durch den Kompressor unzureichend ist, um die Motorzylinder 2 mit Luft aufzuladen. Luftversorgung 19 zu dem Motor 1 wird dann durch Einstellung eines elektronisch geregelten Drosselventils 17 – stromabwärts des Kompressors 10 und der Umgehung 12 – und die Aktivierung des Kompressors 10 geregelt. Ist der Kompressor 10 nicht aktiviert, so saugt der Motor 1 normal an; und ist der Kompressor 10 aktiviert, so wird der Luftstrom zu dem Motor gesteigert.
Der Kompressor 10 ist nur durch einen Elektromotor mit geschalteter Reluktanz (M) 14 angetrieben, der durch eine 12 Volt Blei/Säure-Fahrzeugbatterie 16 angetrieben ist. Die Batterie wird durch ein motorgetriebenes Batterieladegerät angetrieben, hier eine riemengetriebene Lichtmaschine 27. Die Batterie 16 weist einen Nennstrom auf welcher ungefähr 30 A höher ist als normalerweise für ein Vierzylinder-Motorfahrzeug für den Massenmarkt spezifiziert würde.
Zusätzlich zum Antrieb des Kompressors 10 sorgt die Batterie 16 auch für den Fahrzeugstart, Beleuchtungs- und Zündungsanforderungen. Die Batterie 16 liegt – innerhalb einer hohlen Einhausung 30, welche die Batterie 16 und Kompressor 10 umgibt – außerdem innerhalb des Luftversorgungswegs 3, so daß Einlaßluft 5 um die Batterie 16 strömt. Ein Luftfilter 9 wird stromabwärts der Batterie 16 und stromaufwärts des Kompressors 10 und der Luftumgehung 12 in dem Luftversorgungsweg 3 bereitgestellt.
Der Fahrzeugführer (nicht gezeigt) kann die Motorleistung über einen beweglichen Gaspedal-Aufbau 20 regeln, der ein für die Gaspedalstellung (APP, Accelerator Pedal Position; Gaspedalstellung) bezeichnendes elektrisches Signal 120 zu einer Motor-Regeleinheit (ECU) 32 liefert.
Die Motor-Regeleinheit überwacht über neun Eingangsleitungen 116, 120–127 mehrere Motor-Betriebsparameter. Eine Leitung 116 ist an die Batterieversorgung angeschlossen, so daß ein A/D-Wandler (nicht gezeigt) innerhalb der ECU 32 die Spannung von Batterie 16 messen kann. Eine andere Eingangsleitung 127 kommt von der Lichtmaschine, welche ihre eigene interne Elektronik und einen Prozessor (nicht gezeigt) besitzt, welche die Temperatur der Lichtmaschine überwachen; und außerdem die Kapazitätsausnutzung der Lichtmaschine in Abhängigkeit der Lichtmaschinentemperatur, Lichtmaschinendrehzahl und des von der Lichtmaschine gezogenen Stroms. Die Lichtmaschinen-Kapazitätsausnutzung wird entlang der Leitung 127 von der Lichtmaschine zu der ECU 32 übermittelt.
Sieben andere Eingangsleitungen 120–126 sind jede an eine jeweilige Sensorvorrichtung 20–26 angeschlossen, um Motor-Betriebsbedingungen zu messen. Die Sensoren schließen ein: den Gaspedalaufbau (APP) 20, um die Fahrerforderung zu messen; einen Kurbelwellen-Stellungssensor (CP, Crank Position; Kurbelwellenstellung) 21, um die Motordrehzahl zu messen; einen Luftmassenstrom-Sensor (MAF, Mass Air Flow; Luftmassenstrom) 22 stromabwärts der Drossel 17, um die Menge der in die Zylinder 2 eintretenden Luft direkt zu messen; einen Umgebungsluftdruck-Sensor (BAP, Barometric Air Pressur; Umgebungsluftdruck) 23, um den Umgebungsdruck zu messen; einen Motorkühlmittel-Temperatursensor (ECT, Engine Coolant Temperature; Motorkühlmittel-Temperatur) 24, um die Temperatur von innerhalb des Motors zirkulierendem Kühlmittel zu messen; einen Krümmerluftdrucksensor (MAP, Manifold Air Pressur; Krümmerluftdruck) 25, um den Druck von Luft in dem Ansaugkrümmer 4 zu messen; und einen Einlaßluftladungs-Temperatursensor (ACT, Air Charge Temperature; Luftladungstemperatur) 26, um die Temperatur der Einlaßluft zu messen.
Zusätzlich mißt ein Umgebungstemperatursensor (AT, Ambient Temperature; Umgebungstemperatur) 28 die Umgebungslufttemperatur und liefert auf Leitung 128 eine Eingabe zu der elektronischen Regeleinheit 32.
Optional liefern Regelelektroniken in dem EBD-Motor 14 ein Temperatursignal (EBDT) 110 zu der Motor-Regeleinheit 32. Alternativ kann die Motor-Regeleinheit Temperaturparameter für den EBD 10 basierend auf dem Umgebungstemperatursignal 128 von Umgebungstemperatursensor 28 und dem Arbeitszyklus und der Drehzahl des EBD 10 berechnen.
Wie unten genauer erklärt wird, berechnet die Motor-Regeleinheit 32 aus den verschiedenen Eingangssignalen eine Motordrehmoment-Forderung; und liefert eine Reihe von Ausgangssignalen, um verschiedene Fahrzeug- und Motor-Betriebsparameter zu regeln; einschließlich eines Kraftstoffeinspritzungs-Regelsignals 108, Drosselventil-Regelsignals 117 und Kompressormotor-Regelsignals 114. Die Motordrehmoment-Forderung wird daher zumindest zum Teil durch die Stellung des Gaspedals 20 gesetzt.
Wie unten genauer erklärt wird, bewegt sich das Drosselventil 17 zu einer Maximaleinstellung, um das Maximalvolumen an Luft 19 in die Zylinder 2 hinein einzulassen, wenn der Fahrer das Gaspedal 20 bewegt um Motordrehmoment über jenes hinaus zu fordern, welches von dem Motor 1 geliefert werden kann wenn er natürlich ansaugt. Die Motor-Regeleinleit 32 aktiviert dann unter bestimmten moderaten oder niedrigen Motordrehzahlen den Kompressormotor 14, aber nicht bei hohen Motordrehzahlen. Solange die Drehmomentforderung jene übersteigt, welche alleine aus der natürlichen Ansaugung des Motors heraus verfügbar ist, wird die verstärkte Motordrehmoment-Abgabe durch die Kompressordrehzahl und die Menge des zu den Zylindern gelieferten Kraftstoffs geregelt. Sobald die Drehmomentforderung innerhalb jene fällt, die aus der natürlichen Ansaugung heraus verfügbar ist, wird der elektrisch angetriebene Kompressor 10 nicht länger durch den Kompressormotor 14 angetrieben. Dies hilft Batterielebensdauer zu sparen und Aufheizung des Kompressors 10 zu vermindern, und erhält damit Batteriekapazität und verlängert die Lebensdauer des Kompressors 10. Ist der Motor ein Einspritzmotor, so kann die Motor-Regeleinheit 32 die Menge an eingespritztem Kraftstoff 11 durch elektrische Regelung 108 der Einspritzungen 8 regeln.
Ist Kompressorbetrieb erforderlich, so setzt die Motor-Regeleinheit 32 sowohl die Drehzahl des Kompressors 10 wie auch die gelieferte Kraftstoffmenge gemäß der gegenwärtigen Drehmomentforderung. Die Motor-Regeleinheit 32 überwacht die Ausgabe 120–126 von den verschiedenen Sensoren 20–26, ebenso wie die Batteriespannung 116, und paßt dann die Kompressordrehzahl und/oder die Menge an geliefertem Kraftstoff 11 an, um ein angemessenes Niveau von fettem oder magerem Motorbetrieb zu erreichen.
2 zeigt für einen herkömmlichen Vierzylinder-Reihenmotor – wie etwa den oben beschriebenen, aber ohne Kompressoraufladung – einen Graph von Motordrehmoment gegen Motordrehzahl. Wie aus Kurve 34 von 2 ersichtlich ist, kann der Motor abgestimmt sein um gut Leistung bei moderaten bis hohen Motordrehzahlen bereitzustellen („Leistungsabstimmung"), jedoch auf Kosten des Drehmoments im unteren Bereich.
Alternativ kann der Motor – wie durch Kurve 36 gezeigt – abgestimmt sein um gute Leistung bei niedrigen und moderaten Motordrehzahlen zu geben („Drehmomentabstimmung"), jedoch auf Kosten der Leistung im oberen Bereich. Während die „Leistungsabstimmung" den sportlichen Fahrer ansprechen wird, wird sie bei der Mehrheit von Fahrzeugbesitzern in geringerer Zufriedenheit resultieren. Die Voraussetzung, in der wirklichen Welt ein gutes „Leistungsgefühl" zu liefern, resultiert gemeinhin in einer Motordrehmoment-Abgabe wie in der Kurve „Drehmomentabstimmung" gezeigt, wo dem Drehmoment bei hohen Motordrehzahlen geschadet wurde, um die Drehmomentabgabe unterhalb von 3500 U/min zu fördern. Obwohl Motorgetriebe gewählt werden können um unerwünschte Charakteristika zu minimieren, sind herkömmliche Motoren in der Praxis abgestimmt um einen Kompromiß zu erzielen.
Unter Bezug auf 3 wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Motor mit relativ geringem Hubraum – zum Beispiel unterhalb von ungefähr 1,8 Liter Hubraum – abgestimmt, um bei hohen Drehzahlen 43 gutes Drehmoment zu ergeben – wie durch Kurve 38 veranschaulicht auf Kosten des Drehmoments bei geringer Motordrehzahl 41 und moderater Motordrehzahl 42. Durch die Notwendigkeit, weitere Drosselöffnungen zu verwenden um Reisegeschwindigkeit zu erreichen, hat dies den Nebeneffekt eine gute Kraftstoffersparnis bei kontinuierlichen Autobahngeschwindigkeiten zu erlauben. Wie aus Kurve 40 für Kompressorverstärkung (SCB; Supercharger Boost; Kompressorverstärkung) ersichtlich ist, besteht dann ein Anstieg 44, 45, 46 im maximal verfügbaren Motordrehmoment, wenn der Fahrer Leistung über jene hinaus fordert, welche von einem natürlich ansaugenden Motor verfügbar ist. Die Verstärkung wird unter Regelung der Motor-Regeleinheit 32 nur im Bereich niedriger 41 und moderater 42 Motordrehzahlen verfügbar gemacht, und wird zunehmend begrenzt, um in einem Bereich relativ hoher Motordrehzahl 43 weich in die Motorleistung nahe oder bei einer Spitze 48 in der unverstärkten Drehmomentkurve 38 überzugehen. Dies geschieht indem man die maximal zulässige Kompressorverstärkung nahe Punkt 48 zunehmend begrenzt.
Folglich ermöglicht die Motor-Regeleinheit 32 den Gebrauch des Kompressors 10 nur in einer solchen Art und Weise, daß die Motordrehmoment-Abgabe mit der Kompressor-Drehmomentverstärkung im Bereich moderater Motordrehzahl 42 einen Spitzenwert erreicht.
4 zeigt einen Graph der Motordrehmoment-Kompressorverstärkung gegen Drosselwinkel-Forderung des Fahrers zwischen 0° und 90°. Die diagonalen geraden Linien in dem Graphen sind mit Motordrehzahl in U/min – zwischen 1250 U/min und 5400 U/min – gekennzeichnet. Die vertikale Skala entspricht dem Unterschied im Motordrehmoment zwischen der verstärkten Drehmomentkurve 40 und der unverstärkten Drehmomentkurve 38 in 3. Bei dem maximalen Drosselwinkel von 90° ist die Motordrehmoment-Kompressorverstärkung der in 3 gezeigte Maximalwert. Während der Drosselwinkel von 90° abnimmt tut dies auch die Motordrehmoment-Kompressorverstärkung, bis dies zu einer Verstärkung von Null abfällt; was Kurve 38 von 3 entspricht.
Wie aus 4 ersichtlich ist nimmt die Steigung der Motordrehmoment-Kompressorverstärkungskurve ab, wenn die Motordrehzahl auf den Übergangspunkt 48 von 3 hin zunimmt, bis an dem Übergangspunkt 48 keine Motordrehmoment-Kompressorverstärkung besteht. Dies zeigt graphisch die zunehmende Deaktivierung der Kompressorverstärkung.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf 5 beschrieben werden, welche einen schematischen Überblick eines elektronischen Regelsystems 50 zeigt, um den Betrieb des Druckladegeräts 10 zu regeln; und auch unter Bezug auf 6, welche ein Diagramm der Regelsystem-Architektur 60 des Luftladungs-Verstärkungssystems zeigt.
5 zeigt wie die Motor-Regeleinheit (ECU) 32 die oben beschriebenen, verschiedenen Eingaben 116, 120–128 empfängt, um verschiedene Ausgaben zu erzeugen um den Betrieb des Systems zu regeln. Eine Ausgabe ist ein elektronischer Drosselstellungs-Befehl (ETP; Electronic Throttle Position; elektronischer Drosselstellungs-Befehl) 117, der an einen elektronischen Drosselstellungs-Regler 127 gesendet wird, der die Drossel 17 regelt. Der ETP-Regler 217 stellt dann die Stellung der Drossel 17 entsprechend ein.
Die ECU 32 sendet außerdem einen elektronischen Verstärkungsgerät-Befehl (EBD; Electronic Boost Device; elektronischer Verstärkungsgerät-Befehl) 114 an einen EBD-Regler 214, der den Kompressor-Elektromotor 14 regelt. Wird der Kompressor 10 nicht benötigt, so wird der Kompressormotor 14 geregelt um bei einer relativ geringen geregelten Drehzahl von ungefähr 10000 U/min im Leerlauf zu laufen, was relativ wenig elektrische Energie verbraucht und was außerdem keinen bedeutenden Verstärkungsdruck erzeugt. Indem der Kompressor bei 10000 U/min im Leerlauf läuft, ist es möglich die Hochdrehzeit auf die Nenndrehzahl von ungefähr 60000 U/min auf weniger als 0,3 s zu senken.
Das EBD 10 ist wegen Beschränkungen des Speichers von Batterie 16 und des Ladestroms von Lichtmaschine 27 möglicherweise nicht in der Lage bei seiner Maximalleistung unbegrenzt zu arbeiten, und so kann der Ladezustand (SOC, State of Charge; Ladezustand) der Batterie den Betrieb beschränken. Zusätzlich überschreiten manche Bauteile des EBD 10, wie etwa Lager oder Motorwicklungen (nicht gezeigt), bei hohen Verhältnissen von Betriebsstrom zu Volllaststrom möglicherweise Auslegungstemperaturgrenzen. Es kann daher auch notwendig sein den Betrieb des EBD 10 wegen dieser Überlegungen einzuschränken.
Obwohl die elektrische Stromversorgung zu dem EBD 10 von dem gewöhnlichen Fahrzeug-Elektrosystem erfolgen kann, wird es bevorzugt wenn das EBD 10 während Betrieb oberhalb von Leerlaufdrehzahlen zumindest teilweise von dem Batterieladesystem 27 getrennt ist und hauptsächlich oder vollständig über die Batterie 16 läuft.
Daher berechnet die ECU 32 für den Betrieb des Druckladegeräts zulässige Betriebsgrenzen basierend auf dem Zustand des elektrischen Versorgungssystems. Liegt der Status des elektrischen Versorgungssystems innerhalb eines akzeptablen Bereiches, so wird der Kompressor unter Verwendung des motorgetriebenen Batterieladegeräts angetrieben; und liegt der Zustand des elektrischen Versorgungssystems nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches, so wird die Batterie von der Lichtmaschine getrennt und der Kompressor wird alleine unter Verwendung der Batterie angetrieben.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestimmt die ECU den Zustand des elektrischen Versorgungssystems sowohl durch Überwachung der Batteriespannung wie auch durch Überwachung der Kapazitätsnutzung der Lichtmaschine. Wird die elektrische Last auf die Lichtmaschine hoch genug um die Lichtmaschine zu sättigen, so wird die Systemspannung abfallen, und dies kann einen wahrnehmbaren Verlust an Funktionalität in anderen durch das Elektrosystem des Fahrzeugs mit Strom versorgten Elektroeinheiten verursachen.
Um zu verhindern daß dies geschieht, wird das EBD 10 während Betrieb oberhalb von Leerlaufdrehzahlen von dem Batterieladesystem 27 getrennt und alleine von der Batterie 16 betrieben, wenn die Lichtmaschine einmal den Sättigungspunkt erreicht. Die Lichtmaschine ist dann in der Lage andere Fahrzeug-Verbrauchereinheiten (CU, Consumer Units; Verbrauchereinheiten) 51 mit Strom zu versorgen, wie etwa Lichter und elektrisches Zubehör; welche daher von Spannungsabfällen getrennt sind, die an der Batterie wegen des hohen elektrischen Stroms – typischerweise zwischen 150 A und 300 A – auftreten können, der von dem EBD 10 benötigt wird. Diese Umschaltung wird mittels eines EBD-Stromquellen-Auswahlbefehls 152 erreicht, der von der ECU 32 zu einem Relais 52 und Schalter 53 gesendet wird.
Die ECU treibt daher das Druckladegerät unter Verwendung der Lichtmaschine an, wenn der Batterieladezustand innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt; und trennt die Batterie von der Lichtmaschine und treibt das Druckladegerät allein unter Verwendung der Batterie an, wenn der Batterieladezustand nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt.
Der regulierte Spannungseinstellpunkt der Lichtmaschine 27 wird dann durch ein Lichtmaschinen-Spannungseinstellpunkt-Befehl 127 geregelt, der von der ECU 32 zu der Lichtmaschine 27 gesendet wird.
Unter besonderem Bezug auf 6 verwendet die ECU 32 die Eingaben 120, 121, 123 von dem Gaspedal-Stellungssensor 20, Kurbelwellen-Stellungssensor 21 und Umgebungsluftdruck-Sensor 23, um das benötigte Motordrehmoment 61 zu bestimmen. Die Rechnung 61 wird außerdem andere relevante Faktoren in Betracht ziehen, wie etwa Motorreibung, Zubehörverluste und – für einen Funkenzündungs-Motor – den vorherrschenden Zündwinkel. Hieraus ist es möglich eine gewünschte Luftladung 62 zu berechnen, d.h. die für jedes Zylinder-Zündereignis benötigte Menge an Luft.
Die gewünschte Luftladung 62 wird zusammen mit anderen Eingaben – besonders der Motordrehzahl, wie von dem Kurbelwellen-Stellungssensor 121 gemessen, und dem gemessenen Luflmassenstrom 122 und/oder dem gemessenen Krümmerdruck 125 – von der ECU 32 dann in einer Rechnung 63 benutzt, um den benötigten Krümmerdruck 64 und den benötigten Luftmassenstrom 65 zu berechnen. Innerhalb von Rechnung 63 wird basierend darauf, ob der gewünschte Krümmerdruck höher ist als der Umgebungsluftdruck, eine Bestimmung vorgenommen ob EBD-Betrieb benötigt wird oder nicht; und ist dies der Fall, so wird ein Hystereseterm angewandt um schnelle Zyklen des EBD 10 zu vermeiden.
Die ECU 32 ist dann in der Lage die gewünschten Drosselstellungen und die EBD-Drehzahl 66 festzulegen, woraus die ECU den ETP-Befehl 177 für den elektronischen Drosselstellungs-Regler 217 und einen unbeschränkten EBD-Drehzahlbefehl 67 erzeugt.
Wie oben erwähnt wird der EBD-Drehzahlbefehl 67 unter bestimmten Umständen beschränkt werden müssen, zum Beispiel wegen Überhitzung des elektrischen Verstärkungsgeräts 10, der maximalen Nenndrehzahl oder der Einschaltdauer des Geräts, wegen Festigkeits- und Schmierungsüberlegungen, oder wegen der Beschränkungen des Batterie-Ladezustands (SOC). Beschränkungen müssen möglicherweise auch angewandt werden um Bereiche zu vermeiden, in welchen der Kompressor 10 hochjagen würde. In 6 sind die Berechnungen 68, 69 zweier solcher möglicher Beschränkungen durch die ECU 32 gezeigt, namentlich thermische Abschätzungen und Beschränkungen 70, und Beschränkungen durch den Batterie-Ladezustand 71.
Die ECU berechnet dann einen beschränkten EBD-Drehzahlbefehl 114 gemäß den vorherrschenden Betriebsbedingungen, und sendet diesen an den mit dem EBD-Motor 14 in Zusammenhang stehenden EBD-Drehzahlregler 124.
Die Berechnung 63 ist jedoch Teil einer Regelung der Motor-Luftladung im geschlossenen Regelkreis. Der tatsächliche MAF 122 oder MAP 125 wird mit dem gewünschten Wert verglichen; und es wird eine Anpassung vorgenommen, um den gewünschten MAP 64 und den gewünschten MAF 65 zu erzeugen, um die gewünschte Einstellung genau zu verwirklichen. Für den Fall, daß das EBD begrenzt oder der Betrieb des Systems in gewisser Weise beschränkt ist, wird der Betrieb der Regelung im geschlossenen Regelkreis dann begrenzt 73, um ein Aufschaukeln der Reglers zu verhindern.
Wie oben beschrieben wird das Motordrehmoment für alle Betriebsbedingungen von der Drossel 17 alleine reguliert werden, die ohne den Betrieb des Kompressorgeräts 10 erreicht werden können, das heißt wenn der Ansaugkrümmerdruck (MAP) niedriger ist als der Umgebungsluftdruck (BAP). Wird das EBD 10 nicht benötigt, so wird dem EBD festgelegt bei einer Leerlaufdrehzahl zu arbeiten, bei der keine Verstärkung erzeugt wird. In dem Fall, daß das EBD benötigt wird, wird der Drossel festgelegt vollständig zu öffnen, und die EBD-Drehzahl wird basierend auf dem Umgebungsdruck, dem gewünschten Krümmerdruck und dem gewünschten Krümmer-Luftstrom gemäß einer Verstärkungskarte von EBD-Charakteristika festgelegt, die innerhalb des ECU-Speichers (nicht gezeigt) aufbewahrt wird.
Bevorzugt werden Lastminderungsfaktoren für die thermische EBD- und SOC-Beschränkungen angewandt wie benötigt, um den abschließenden, beschränkten EBD-Drehzahlbefehl zu erzeugen. Für den Fall, daß das System sowohl wegen thermischen Grenzen wie auch wegen SOC-Überlegungen eingeschränkt ist, wird dann der größte Lastminderungsfaktor angewandt.
Die Berechnung der Lastminderungsfaktoren sollte so gewählt werden, um die Wahrnehmung der Lastminderung durch den Fahrer zu minimieren, und außerdem um die lastgeminderte Leistung für den Fahrer vorhersehbar zu machen, indem plötzliche Änderungen vermieden werden. Die thermische Lastminderungsberechnung 68 beinhaltet zwei Teile, namentlich Regulierung und Schätzung. Der Schätzungsteil der Berechnung basiert auf den Betriebsbedingungen des EBD 10. Sowohl die gegenwärtigen wie auch zukünftige Stationärzustand-Temperaturen kritischer Teile des EBD werden abgeschätzt. Kritische Teile schließen typischerweise jene eine EBD-Welle tragende Lager und Kupferwicklungen des EBD-Motors ein. Wird das System initialisiert, so werden die Temperaturen dieser Teile auf Grundlage der Temperaturen geschätzt, wenn das System abgeschaltet wurde; der Zeit, die es ausgeschaltet war; und der vorherrschenden Umgebungstemperatur, zum Beispiel von einem Umgebungstemperatur-Sensor 28. Die dynamische Temperaturschätzung trägt Variationen in dem Luftstrom an dem EBD vorbei Rechnung, der Wärmeträgheit der Bauteile, und der sowohl durch elektrische wie auch mechanische Quellen in dem System erzeugten Wärme.
Der Regulierungsteil beinhaltet die Vorhersage, für welches der Bauteile in dem System die Auslegungstemperaturen überschritten werden könnten; basierend auf geschätzten oder gemessenen Temperaturen. Hierfür kann der EBD-Betrieb begrenzt werden, um innerhalb von Konstruktionsrichtlinien zu bleiben. Dies wird durch die Kalibrierung „weicher" und „harter" Grenzen für jedes dieser Bauteile erreicht. Wenn die Temperatur unterhalb der weichen Grenze liegt, wird keine Handlung vorgenommen. Wenn die Temperatur die weiche Grenze übersteigt, und die Temperatur am gewünschten EBD-Betriebsniveau darin resultieren wird, daß die harte Grenze im Stationärzustand-Betrieb überstiegen wird, dann muß eine Handlung vorgenommen werden, um ein Übersteigen der harten Grenze zu vermeiden. Das EBD wird unter Verwendung einer Regelschleife mit einer Ausgabe eines Lastminderungsfaktors von vorherbestimmtem Prozentsatz zunehmend in der Leistung gemindert, wie durch Rückführungsschleife 73 gezeigt ist, bis die vorhergesagte Stationärzustand-Temperatur gleich der harten Grenze ist; an welchem Punkt die EBD-Einschaltdauer beibehalten werden kann. Wenn mehr als ein Bauteil des Systems möglicherweise Konstruktionsgrenzen übersteigt, wird für jedes ein Lastminderungsfaktor berechnet, und der minimale wird für den Gebrauch verwendet.
Die Batterieladezustands-Berechnung 69 wird in einer zu der – oben beschriebenen – thermischen EBD-Berechnung 68 analogen Art und Weise verrichtet. Ein Abschätzungsteil der Berechnung beinhaltet ein Computermodell der Speicherkapazität der Batterie 16. Dies wird zusammen mit der Historie der Ladung und Entladung benutzt, um eine Abschätzung der gegenwärtig gespeicherten Ladung verglichen mit der maximal verfügbaren bei den vorherrschenden Umgebungstemperaturen vorzunehmen. Zusätzlich wird die Entladungsgeschwindigkeit abgeschätzt.
Die Regulierung wird dann wie folgt verrichtet. Wenn der Stromverbrauch des EBD 10 die Leistungsabgabe der Lichtmaschine 27 sättigen würde – was in einem Abfall in der Fahrzeug-Systemspannung resultiert, wenn die Batterie 16 benutzt wurde um die Lichtmaschine zu ergänzen – können unannehmbare Effekte, wie etwa Schwächung von Lichtern usw., erfahren werden. Um dies zu verhindern wird das Relais 52 in Anspruch genommen, um die Stromversorgung des EBD alleinig auf Batterie umzuschalten 53, während das verbleibende Fahrzeugsystem von der Lichtmaschine 27 mit Strom versorgt wird.
Eine weiche Grenze wird für den System-Ladezustand (SOC) kalibriert, oberhalb dessen keine Handlung unternommen werden muß um die Batterieladung zu schützen. Außerdem wird eine harte Grenze kalibriert, unterhalb welcher der Batterie-SOC nicht zu fallen erlaubt sein sollte. Wenn SOC unter die weiche Grenze sinkt, muß das System beginnen eine Handlung zu unternehmen, um an der harten Grenze von SOC eine „weiche Landung" ohne scharfen Abfall in der Motorleistung – wegen der Leistungsminderung zu dem EBD 10 – zu erreichen. Der Lastminderungsfaktor für das EBD in der Rückführungsschleife 73 wird gesteigert, bis die von dem EBD gezogene Leistung gleich der überschüssigen Erzeugungskapazität der Lichtmaschine 27 ist, an welchem Punkt das Relais 52 umgeschaltet werden kann, so daß die Lichtmaschine nun das EBD 10 ebenso wie das verbleibende Fahrzeug-Elektrosystem mit Strom versorgt. Die EBD-Leistung wird dann bei oder unterhalb eines Niveaus gehalten, das keine vollständige Sättigung der Lichtmaschine 27 verursacht.
Das Management der Fahrzeug-Elektroversorgung wird in den schematischen Graphen von 7, 8 und 9 veranschaulicht. 7 trägt die Spannung der Fahrzeug-Elektroversorgung gegen die Zeit auf, 8 trägt den Fahrzeug-Versorgungsstrom gegen die Zeit auf, und 9 trägt den von elektrischen Fahrzeugverbrauchern gezogenen Strom gegen die Zeit auf.
In dem in diesen Abbildungen gezeigten Beispiel ist die Lichtmaschine zu Zeit t₀ anfänglich an die Batterie 16 angeschlossen, und die Fahrzeug-Versorgungsspannung V_AB beträgt nominell 13,6 Volt. Elektrische Verbrauchereinheiten (CU) des Fahrzeugs, wie etwa Lichter, elektrisch beheizte Scheiben usw., ziehen anfänglich einen mäßigen Strombetrag I_CU, 50 A, der vorübergehend auf 75 A ansteigt. Der Kompressor 10 ist anfänglich bei ungefähr 10000 U/min auf Leerlauf eingestellt, und zieht nur ein paar Ampere an Strom I_SC. Weil der insgesamt gezogene Strom I_CU+SC unterhalb der elektrischen Kapazität der Lichtmaschine 27 von 150 A liegt, ist die Lichtmaschine 27 durch das Relais 52 und Schalter 53 elektrisch an die Batterie 16 angeschlossen.
Zu Zeit t₁ verlangt die Fahrerforderung Betrieb des Kompressors 10, wonach der Kompressorstrom I_SC schnell auf ungefähr 175 A ansteigt. Wenn der Gesamtstrom I_CU+SC zu Zeit t₂ einen Schwellenwert 57 von 150 A erreicht, bringt das Relais 52 den Schalter 53 dazu zu öffnen, und die Lichtmaschine 27 wird teilweise von der Batterie 16 getrennt. Zwischen der Batterie 16 und Lichtmaschine 27 wird ein Filter bereitgestellt, um ein gewisses Maß an Glättung der Lichtmaschinenspannung bereitzustellen, welche sonst – wegen der relativ langsamen Reaktion der Lichtmaschine auf plötzliche Änderungen in elektrischen Lasten – schwanken könnte. In seiner einfachsten Form ist der Filter 55 ein Widerstand von 0,1 Ω, obgleich der Filter auch frequenzabhängige Elemente enthalten könnte, wie etwa ein Hochpaßfilter.
Dem Kompressor 10 steht es nun frei sehr hohe Ströme I_SC von der Batterie 16 zu ziehen, welche die Batteriespannung V_B dazu bringen können deutlich abzufallen. Weil der Filter 55 den Stromfluß zwischen der Lichtmaschine 27 und der Batterie 16 begrenzt, ist die Lichtmaschine nicht der vollen Last des Kompressors 10 ausgesetzt, und ist in der Lage damit fortzufahren geregelte Leistung zu dem Rest des Fahrzeugsystems zu liefern.
Während des Betriebs der großen elektrischen Zusatzlast wird die Batterie zunehmend entladen werden, wie durch den Abfall in Batteriespannung V_B gezeigt ist. Zu Zeit t₃ erreicht Batteriespannung V_B einen weichen Schwellenwert 75 bei 10 Volt, und die ECU 32 ergreift eine Handlung um den Kompressorstrom I_SC zu senken, so daß die Batteriespannung über einer harten Grenze 76 von 9 Volt bleibt.
Zu Zeit t₄ ist der gesamte Fahrzeugstrom I_CU+SC auf den Schwellenwert 57 von 150 A abgefallen, und so wirkt die ECU 32 um den Schalter 53 zu schließen, wonach der gesamte Fahrzeugstrom durch die angeschlossene Lichtmaschine 27 und Batterie 16 bereitgestellt wird. Optional kann ein zweiter Schwellenwert 59 von 145 A verwendet werden, wenn der Strom in der Bereitstellung einer Hysterese versagt. Zu Zeit t₆ ist der Kompressorstrom I_SC zum Beispiel auf ein Leerlaufniveau abgefallen, weil eine hohe Motordrehzahl 43 erreicht wurde.
Wie in 7 gezeigt, erniedrigt die ECU 32 auf Zeit t₂ folgend allmählich die Lichtmaschinenspannung V_A auf wenig unter 11 Volt, während die Batteriespannung V_B vermindert wird. Dies bringt die Leistung in elektrischen Verbrauchern dazu abzufallen, aber dies ist für den Fahrzeugführer nicht wahrnehmbar, weil dieser Abfall langsam ist. Zu Zeit t₅, wenn die Lichtmaschine und Batterie wieder angeschlossen werden, beträgt die gemeinsame Spannung V_AB ungefähr 10,5 Volt; steigt dann aber stetig an, während die Lichtmaschine 27 die Batterie 16 erneut auflädt.
Würde keine Handlung unternommen um die Lichtmaschinenspannung V_A zwischen den Zeiten t₂ und t₅ zu senken, so würde zu Zeit t₅ ein plötzlicher und wahrnehmbarer Abfall in der Systemspannung stattfinden, wenn die Lichtmaschine 27 und Batterie 16 erneut angeschlossen werden. Indem man die Lichtmaschinenspannung V_A allmählich senkt, während der Kompressor 10 aktiv ist, wird dieses Problem gemindert oder beseitigt.
Wenn der Relaisschalter 53 geschlossen wird, ist die Systenspannung daher ausreichend niedrig, um sicherzustellen daß die Lichtmaschine 27 nicht gesättigt ist und keine plötzliche Änderung in der Elektrosystem-Spannung auftritt. Die Systemspannung wird dann – mit einer durch die Ladung von Batterie 16 bestimmten Geschwindigkeit – allmählich wieder auf die gewünschte Spannung erhöht, um sicherzustellen daß die Lichtmaschine niemals gesättigt ist und stets in der Lage ist eine Spannungsregelung bereitzustellen.
Die oben beschriebene Erfindung ist sowohl auf Funkenzündungs-Motoren wie auch auf Verdichtungsmotoren anwendbar. Das elektrische Verstärkungsgerät (EBD) kann die einzige Einlaßluft-Verdichtervorrichtung in dem System sein, oder es kann mit einer anderen derartigen Vorrichtung kombiniert sein, zum Beispiel einer abgasgetriebenen Turbolader-Vorrichtung.
Die Erfindung stellt daher ein praktisches und wirtschaftliches elektrisches Druckverstärkungsgerät bereit, und ein Verfahren um das von einem Verbrennungsmotor verfügbare Drehmoment zu steigern. Das elektrisch angetriebene Druckverstärkungsgerät wird als ein Teil des Luftansaugsystems des Motors bereitgestellt und ist vollständig elektronisch regelbar. Der Gebrauch einer derartigen Verdichtervorrichtung steigert die maximale Drehmomentabgabe des Motors über Abschnitte seines Betriebsbereiches hinweg, welche für die von dem Fahrer wahrgenommene Leistung bedeutsam sind. Die Erfindung ist kompakt und vermeidet die Notwendigkeit die Kapazität des Fahrzeug-Elektrosystems – oder die thermischen und mechanischen Nennlasten der Vorrichtung – übermäßig zu erhöhen, und erlaubt folglich Vorteile sowohl bezüglich der Fahrzeugleistung wie auch der gesamten Kraftstoffersparnis bei vernünftigen Systemkosten.

Claims

Ein Luftladungs-Verstärkungssystem für einen Verbrennungsmotor (1), wobei das System ein elektrisch angetriebenes Druckladegerät (10) und ein elektronisches Regelsystem (32) zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts (10) umfaßt, in dem das elektronische Regelsystem (32) eingerichtet ist um: a) eine gewünschte Luftladung (62) gemäß der Motordrehmoment-Forderung (61) zu berechnen; b) auf Grundlage mindestens eines Betriebsparameters (110, 116, 127) des Luftladungs-Verstärkungssystems eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenzen (70, 71) für den Betrieb des Druckladegeräts (10) zu berechnen; und c) das Druckladegerät (10) in Reaktion auf die gewünschte Luftladung (62) und innerhalb der berechneten zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) anzutreiben oder zu steuern; dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) einen Bezug sowohl auf eine Toleranz- oder weiche Betriebsgrenze (75) wie auch auf eine harte oder imperative Betriebsgrenze (76) beinhaltet, und der Betrieb des elektrisch angetriebenen Ladungs-Verstärkungsgeräts (10) beschränkt wird, wenn der entsprechende Betriebsparameter (116) die weiche oder erträgliche Betriebsgrenze (75) übersteigt; wobei die Beschränkung derart ist, daß der Betriebsparameter (116) zu einer späteren Zeit die harte oder imperative Betriebsgrenze (76) nicht übersteigt.
Ein Verfahren ein Luftladungs-Verstärkungssystem für einen Verbrennungsmotor (10) zu betreiben, wobei das System ein elektrisch angetriebenes Druckladegerät (10) und ein elektronisches Regelsystem (32) zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts (10) umfaßt; in dem das Verfahren die Schritte umfaßt das elektronische Regelsystem (32) zu verwenden, um: i) eine gewünschte Luftladung (62) gemäß der Motordrehmoment-Forderung (61) zu berechnen; ii) auf Grundlage mindestens eines Betriebsparameters (110, 116, 127) des Luftladungs-Verstärkungssystems eine oder mehrere Betriebsgrenzen (70, 71) für den Betrieb des Druckladegeräts (10) zu berechnen; und iii) das Druckladegerät (10) in Reaktion auf die gewünschte Luftladung (62) und innerhalb der berechneten zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) anzutreiben oder zu steuern; dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) einen Bezug sowohl auf eine weiche Betriebsgrenze (75) wie auch auf eine harte Betriebsgrenze (76) beinhaltet, und der Betrieb des elektrisch angetriebenen Ladungs-Verstärkungsgeräts (10) beschränkt wird, wenn der entsprechende Betriebsparameter (116) die weiche Betriebsgrenze (75) übersteigt; wobei die Beschränkung derart ist, daß der Betriebsparameter (116) zu einer späteren Zeit die harte Betriebsgrenze (76) nicht übersteigt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, in welchem der Betriebsparameter ein thermischer Parameter (110) des Druckladegeräts (10) ist, und die berechnete zulässige Betriebsgrenze eine thermische Maximalgrenze ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 2 oder Anspruch 3 beansprucht, in welchem der Betriebsparameter ein Ladezustands-Parameter (116) für eine Motorfahrzeug-Batterie (16) ist, und die berechnete zulässige Betriebsgrenze eine minimale Versorgungsspannung (75, 76) für diese Batterie (16) ist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 4 beansprucht, in welchem das Luftladungs-Verstärkungssystem ein elektrisches Versorgungssystem einschließlich einer Batterie (16) und eines motorbetriebenen Batterieladegeräts (27) umfaßt, um elektrischen Strom für den Antrieb des Druckladegeräts (10) zu liefern; worin das elektronische Regelsystem (32): den Betrieb des Druckladegeräts (10) auf Grundlage des Batterie-Ladezustands (116) regelt; das Druckladegerät (10) unter Verwendung des motorbetriebenen Batterieladegeräts (27) antreibt, wenn der Batterie-Ladezustand (116) innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt; und die Batterie (16) zumindest teilweise von dem motorbetriebenen Batterieladegerät (27) isoliert und das Druckladegerät (10) unter Verwendung der Batterie (16) antreibt, wenn der Batterie-Ladezustand (116) nicht innerhalb eines akzeptablen Bereichs liegt.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5 beansprucht, in welchem eine Mehrzahl von Betriebsparametern (110, 116, 127) besteht, und die berechnete zulässige Betriebsgrenze (70, 71) jene Grenze ist, welche dem Betrieb des elektrisch angetriebenen Druckladegeräts (10) die größten Beschränkungen auferlegt, so daß alle Betriebsparameter (110, 116, 127) innerhalb zulässiger Grenzen bleiben.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7 beansprucht, in welchem der Betrieb des elektrisch angetriebenen Verstärkungsgeräts (10) zunehmend beschränkt wird, während der entsprechende Betriebsparameter (116) sich der harten Betriebsgrenze (76) nähert.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7 beansprucht, in welchem das Luftladungs-Verstärkungssystem eine elektronisch geregelte Drossel (17) umfaßt, um die Motoransaugung zu regeln, und worin das Verfahren die Schritte umfaßt das elektronische Regelsystem (32) zu verwenden um: die Drosselstellung einzustellen, um die Ansaugung des Motors (1) zu regulieren; die tatsächliche Luftladung (122, 125) gemäß den Motor-Betriebsbedingungen (22, 25) zu bestimmen; die gewünschte Luftladung (62) mit der tatsächlichen Luftladung (122, 125) zu vergleichen; worin das Druckladegerät (10) angetrieben wird (114, 214) um die Ansaugung des Motors (1) im Einklang mit dem Vergleich zwischen der gewünschten Luftladung (62) und der tatsächlichen Luftladung (122, 125) nur dann zu verstärken, wenn die Drossel (17) weit geöffnet ist und wenn der Drehmomentforderung (61) durch natürliche Ansaugung allein nicht nachgekommen werden kann.
Ein Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, in welchem das elektronische Regelsystem (32) eine Regelung des Betriebs des elektrisch angetriebenen Druckladegeräts (10) bereitstellt, indem es die gegenwärtige Luftladung (122, 125) überwacht.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der Ansprüche 2 bis 9 beansprucht, in welchem die Motor-Drehmomentforderung (61) im Einklang mit einer Fahreranforderung (20, 120) berechnet wird.