DE60116317T2

DE60116317T2 - Steuerung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit elektronisch geregeltem Ansaugluftverdichter

Info

Publication number: DE60116317T2
Application number: DE60116317T
Authority: DE
Inventors: Mark Anderton Criddle; Simon Petrovich; Guy Richard Morgan; Jon Maldon Dixon
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: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2021-10-04
Also published as: EP1300559B1; JP3686645B2; EP1300559A1; US6739135B2; US20030110770A1; JP2003161156A; DE60116317D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisch gesteuertes Druckaufladesystem, das zur Erhöhung des Abtriebsdrehmomentes einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
Eine Möglichkeit, das Drehmoment und die Spitzenleistung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors zu erhöhen, ist, eine Druckaufladevorrichtung einzusetzen, die den Luftmassestrom zum Motor verstärkt. Der erhöhte Luftdurchsatz ermöglicht dann, eine größere Menge Kraftstoff in jedem Verbrennungsvorgang zu verbrennen.
Beispiele von Vorrichtungen zur Druckanhebung beinhalten Turbolader und Kompressoren. Ein Turbolader wird vollständig oder teilweise durch Energie des Abgasstromes angetrieben. Dies ist eine effiziente Verwendung von sonst zumeist ungenutzt verschwendeter Energie, diese Vorrichtungen haben aber den Nachteil einer Einschränkung dadurch, daß die Leistungserhöhung nicht oder nur unwesentlich bei niedrigen Motordrehzahlen (U/min) verfügbar ist. Es kann oft sein, daß der Fahrer bei niedrigen Drehzahlen hohes Drehmoment vom Motor verlangt, zum Beispiel zu Beginn eines Überholmanövers. Wenn die Druckaufladevorrichtung ausschließlich von den Abgasen getrieben wird, dann ist bei niedrigen Drehzahlen keine Leistungserhöhung verfügbar.
Eine Art, dieser Einschränkung zu begegnen, ist der Einbau eines Elektromotors, der mit dem Turbolader verbunden ist und dann bestromt wird, wenn die Aufladung im Turbobetrieb nicht ausreichend ist. Diese Art elektrisch angetriebener Druckaufladevorrichtung ist jedoch kostspielig in bezug auf den Materialaufwand. Eine andere Lösung ist die Verwendung eines Ladegebläses bzw. Kompressors, das/der über andere Mittel als eine Abgasturbine angetrieben wird, z.B. über eine mechanische Koppelung mit dem Motor oder über einen Elektromotor, der von der Fahrzeugbatterie und/oder dem Batterieladesystem aus angetrieben wird. Mechanische Kompressorsysteme können jedoch mechanisch platzaufwendig und teuer sein. Elektrisch angetriebene Kompressorsysteme bieten eine kompaktere und nicht so kostspielige Lösung, können aber beim Antrieb einen erheblichen Anteil elektrischer Energie erfordern, z.B. bis zum Dreifachen der Stromstärke, die normalerweise von einer typischen 12-Volt-Fahrzeugbatterie geliefert werden kann. Kraftfahrzeuglichtmaschinen werden typischerweise so ausgelegt, daß sie den Großteil bzw. die Gesamtheit des Stromverbrauchs des Fahrzeuges insgesamt decken, wobei die Batterie nur dazu dient, ausreichend elektrische Energie zu speichern, um den Fahrzeugmotor starten zu können, und gelegentlich Energie abzugeben, wenn der Verbrauch der Nebenaggregate die Ausgangsleistung der Lichtmaschine übersteigt. Typische europäische Kraftfahrzeuglichtmaschinen sind so berechnet, daß sie ungefähr 130 A liefern, während ein elektrisch angetriebener Kompressor bis über 300 A aufnehmen kann. Eine für derartige Leistungen gebaute Lichtmaschine ist jedoch sehr viel teurer, schwerer und sperriger als eine herkömmliche Lichtmaschine.
Da die Druckaufladevorrichtung nicht mit 100%igem Wirkungsgrad arbeiten kann, sind auch elektrische und mechanische Verluste bei dieser Vorrichtung unvermeidbar, die wiederum merkliche mechanische und thermische Beanspruchungen für die Komponenten in der Vorrichtung mit sich bringen.
Der Aufwand für die Erhöhung der Kapazität der Fahrzeugbatterie und des Ladesystems oder für die Verarbeitung der thermischen und mechanischen Grenzen der Komponenten in der Druckaufladevorrichtung, um auf eine beliebige fahrerseitige Forderung reagieren zu können, kann leicht die Vorteile des Einsatzes einer elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung übersteigen. Es ist daher wichtig, eine solche Einrichtung mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben, und innerhalb der Grenzen der Stromversorgung des Fahrzeuges und der thermischen und mechanischen Grenzen der Vorrichtung selbst. Gleichzeitig kommt es darauf an, den vom Fahrer wahrgenommenen Drehmomenterhöhungsnutzen zu maximieren, und zwar über einen möglichst breiten Bereich von Fahrbedingungen. Da die Leistung, mit welcher eine elektrisch getriebene Druckaufladevorrichtung angetrieben wird, im wesentlichen unabhängig von der Motordrehzahl ist, muß daher ein geeignetes Steuersystem für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung gestellt werden, das die Grenzen des Systems berücksichtigt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine praktische und wirtschaftliche Druckaufladevorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung des von einer Brennkraftmaschine lieferbaren Drehmomentes zu stellen.
Der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Luftverdichter- oder Luftchargenverstärkungssystem für eine Brennkraftmaschine gestellt, welches System eine elektrisch getriebene Druckaufladevorrichtung beinhaltet, ein elektrisches Versorgungssystem zur elektrischen Stromversorgung zum Antrieb der Druckaufladevorrichtung, mit einer Batterie und einem motorgetriebenen Batterieladeaggregat, und ein elektronisches Steuersystem zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung und des elektrischen Versorgungssystems, worin das elektronische Steuersystem ausgelegt ist, folgendes zu tun:

a) eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenzen bestimmen, bei denen die Druckaufladevorrichtung betrieben werden kann, ausgehend vom Zustand des elektrischen Versorgungssystems; und
b) die Druckaufladevorrichtung unter Einsatz des motorgetriebenen Batterieladeaggregates betreiben, wenn der Zustand des elektrischen Stromversorgungssystems in einem zulässigen Bereich liegt; und
c) die Batterie wenigstens teilweise vom motorgetriebenen Batterieladeaggregat isolieren, und die Druckaufladevorrichtung unter Einsatz der Batterie betreiben, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems nicht in einem zulässigen Bereich liegt.

Ebenso wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichter- oder Luftchargenverstärkungssystems für eine Brennkraftmaschine gestellt, welches System eine elektrisch getriebene Druckaufladevorrichtung aufweist, ein elektrisches Versorgungssystem zur elektrischen Stromversorgung zum Antrieb der Druckaufladevorrichtung, mit einer Batterie und einem motorgetriebenen Batterieladeaggregat, und ein elektronisches Steuersystem zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung und des elektrischen Versorgungssystems, worin das Verfahren die Schritte beinhaltet, das elektronische Steuersystem so zu betreiben, daß es folgendes tut:

i) eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenzen für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung berechnen, ausgehend vom Zustand des elektrischen Versorgungssystems; und
ii) die Druckaufladevorrichtung unter Einsatz des motorgetriebenen Batterieladeaggregates betreiben, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems in einem zulässigen Bereich liegt, und
iii) die Batterie wenigstens teilweise vom motorgetriebenen Batterieladeaggregat isolieren, und die Druckaufladevorrichtung über die Batterie antreiben, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems nicht in einem zulässigen Bereich liegt.

Dadurch, daß die Druckaufladevorrichtung über die Batterie betrieben wird, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems nicht in einem zulässigen Bereich liegt, können andere elektrische Verbraucher über das Batterieladeaggregat betrieben werden. Dies trägt dazu bei, Probleme durch den Betrieb der Vorrichtung außerhalb der zulässigen Grenzen zu vermeiden, z.B. einen Abfall der für andere elektrische Einheiten verfügbaren Spannung, so daß eine sparsamere Konstruktion ermöglicht wird. Dies ergibt im allgemeinen auch einen verringerten Stromverbrauch der Vorrichtung. Beide Vorteile tragen dazu bei, die Masse, den Raumbedarf und die Kosten des Systems zu verringern, und den elektrischen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu erhöhen.
Der betrachtete Zustand des elektrischen Versorgungssystems kann der Batterieladezustand sein. Vorzugsweise ist ein zulässiger Bereich für den Batterieladezustand eine vorgegebene Minimalversorgungsspannung für die Batterie.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Zustand des elektrischen Versorgungssystems auch die Höhe der elektrischen Last am Batterieladeaggregat sein, insbesondere eine zulässige elektrische Höchstlast.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden auch eine oder mehrere nichtelektrische zulässige Betriebsgrenzen für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung bestimmt. Der Betrieb der Druckaufladevorrichtung wird dann entsprechend derjenigen ermittelten zulässigen Betriebsgrenze eingeschränkt, welche die größte Einschränkung für die elektrisch angetriebene Druckaufladevorrichtung darstellt. Dadurch bleibt der Betrieb der Druckaufladevorrichtung jederzeit innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen.
Der zusätzliche Betriebsparameter kann ein thermischer Parameter der Druckaufladevorrichtung sein, in welchem Falle dann die ermittelte zulässige Betriebsgrenze eine thermische Höchstgrenze sein kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Berechnung der zulässigen Betriebsgrenze eine Berechnung sowohl einer durchlässigen sog. "weichen" oder programmbedingten Betriebsgrenze als auch einer festen sog. "harten" oder materialbedingten Betriebsgrenze beinhaltet. Der Betrieb der elektrisch angetriebenen Druckaufladevorrichtung wird dann begrenzt, wenn der entsprechende Parameter die "weiche" Betriebsgrenze überschreitet. Die Begrenzung ist dann derart, daß der Betriebsparameter später nicht die "harte" Betriebsgrenze überschreitet. Eine solche Begrenzung kann verschiedene Formen annehmen, damit jedoch der Betrieb der Druckaufladevorrichtung nicht plötzlich oder unerwartet begrenzt wird, wird vorgezogen, die Druckbegrenzungsvorrichtung allmählich zu begrenzen, wenn sich der betreffende Betriebsparameter der festen bzw. "harten" Betriebsgrenze nähert.
An einem heißen Sommertag zum Beispiel, wenn der Motor heiß ist, können die thermischen Grenzwerte erreicht werden, lange bevor der Ladezustand der Batterie beginnt, die Strommenge zu begrenzen, die von der Batterie geliefert werden kann, während in einer kalten Winternacht das Gegenteil der Fall sein kann.
Das Luftchargenverstärkungssystem kann eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe für die Steuerung der Motoransaugmenge sein. Das System kann dann: die Drosselklappenstellung so einstellen, daß die Ansaugmenge des Motors geregelt wird; die effektive Luftcharge den Motorbetriebsbedingungen gemäß bestimmen; die Soll-Luftcharge mit der Ist-Luftcharge vergleichen; und die Druckaufladevorrichtung so betreiben, daß die Ansaugmenge des Motors je nach dem Vergleich zwischen der Soll-Luftcharge und der Ist-Luftcharge nur dann erhöht wird, wenn die Drosselklappe schon voll geöffnet ist, und wenn die Drehmomentforderung nicht durch den natürlichen Saugbetrieb gedeckt werden kann.
Das Motorabtriebsdrehmoment bei einer beliebigen Motordrehzahl wird dann über die Drosselklappe bei Drosselklappenstellungen gesteuert, die unter der vollen Drosselklappenöffnung liegen. Hat die Drosselklappenstellung erst einmal die voll geöffnete Stellung erreicht, betreibt das Steuersystem die Druckaufladevorrichtung in Abhängigkeit von der Soll-Luftcharge und der Ist-Luftcharge, z.B. derart, daß eine Differenz zwischen diesen beiden Luftchargenwerten im stabilisierten Betrieb der Druckaufladevorrichtung bis auf Null reduziert wird.
Der Betrieb der Druckaufladevorrichtung ist daher auf Bereiche begrenzt, wo die Drehmomentforderung an den Motor nicht durch natürlichen Saugbetrieb alleine erreicht werden kann. Außerdem wird der Wirkungsgrad der Ansaughilfe dadurch erhöht, daß Einschränkungen durch eine nur teilweise geöffnete Drosselklappe vermieden werden, und dadurch, daß die effektive Luftcharge der Soll-Luftcharge über die elektrische Ansteuerung der Druckaufladevorrichtung angepaßt wird.
Die gewünschte bzw. Soll-Luftcharge kann den momentanen Motorbetriebsbedingungen gemäß berechnet werden, einschließlich gemäß einer momentanen Luftcharge. Die momentane Luftcharge kann direkt gemessen werden, z.B. mittels eines Luftdurchsatzsensors, oder indirekt, z.B. über einen Motor-Luftansaugdrucksensor und einen Motordrehzahlsensor.
Der Gesamtwirkungsgrad der Ansaughilfe wird auch durch die Anpassung der effektiven bzw. Ist-Luftcharge an die gewünschte bzw. Soll-Luftcharge mittels der elektrischen Ansteuerung der Druckaufladevorrichtung erhöht.
Das elektronische Steuersystem stellt vorzugsweise einen geschlossenen Regelkreis des Betriebes der elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung her, indem die momentane Luftcharge ständig überwacht wird. Andere Motorbetriebsparameter können auch gemessen werden, so z.B. die Motordrehzahl und die Motortemperatur. Auch kann es nützlich sein, Umgebungsbedingungen zu messen, wie z.B. die Umgebungstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit. Alle derartigen Parameter, die sich auf die Berechnung der Soll-Luftcharge auswirken können, können in diese Berechnung mit einbezogen werden.
Die Drehmomentforderung kann anhand des Fahrerwunsches berechnet werden, z.B. anhand des Ausgangssignales eines elektronischen Fahrpedalsensors. Die Motordrehmomentforderung kann anderen Eingabewerten entsprechend abgeändert werden, so z.B. je nach den Eingängen von einem Antriebsschlupfregelsystem, einem Kupplungspedalsensor, einem Aufprallwarnsystem oder einem System zur Steuerung des Betriebes eines automatischen Getriebes.
Vorzugsweise ist die gewünschte bzw. Soll-Luftcharge ein Maß des Soll-Luftdruckes und/oder des Soll-Luftdurchsatzes.
Die Druckaufladevorrichtung kann eine beliebige Art einer Vorrichtung zur Erhöhung des in den Motor eingeleiteten Luftdurchsatzes sein, ob teilweise oder ganz über eine elektrische Stromquelle angetrieben, sie ist jedoch vorzugsweise ein elektrisch getriebenes Ladegebläse mit einer Reihe von Laderlaufradschaufeln. Die Geometrie jeder Schaufel ist dabei fest, und die durch das Ladegebläse gelieferte effektive Luftcharge wird bestimmt durch die Drehgeschwindigkeit der Laderlaufradschaufeln.
Die Erfindung soll nun weiter im einzelnen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden; dabei zeigt:
1: ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeuges mit einem 1,4-Liter Vierzylindermotorsystem mit einem Luftchargenverstärkungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
2: einen Graphen, in welchem das Motordrehmoment über der Motordrehzahl für den 1,4-Liter-Motor aus 1 bei natürlichem Saugbetrieb eingetragen ist, und zwar jeweils bei einer Einstellung, die auf größtmögliches Drehmoment bei niedriger bis mittlerer Motordrehzahl abzielt oder auf größtmögliches Drehmoment bei mittlerer bis höherer Motordrehzahl abzielt;
3: einen Graphen ähnlich demjenigen aus 2, der auch die Wirkung auf das Motorabtriebsdrehmoment bei dem in 1 dargestellten Motor zeigt, wenn das Luftchargenverstärkungssystem zum Einsatz kommt;
4: einen Graphen, in dem die kompressorbedingte Motordrehmomenterhöhung über der Drosselklappenstellung entsprechend der Fahrerforderung bei dem Motor aus 1 darstellt, wo der Drehmomenterhöhungseffekt des Luftchargenverstärkungssystems bei verschiedenen Motordrehzahlen zu sehen ist;
5: einen schematischen Überblick über das elektronische Steuersystem zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung;
6: ein Diagramm der Steuersystemarchitektur des Luftchargenverstärkungssystems; und
7, 8 und 9: jeweils Graphen, welche schematisch darstellen, wie die Fahrzeugstromversorgung auf Stromaufnahme durch das Ladegebläse und durch andere Fahrzeugstromverbraucher reagiert.
1 zeigt schematisch einen Teil eines Kraftfahrzeuges 7 mit einem Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 mit vier in Reihe liegenden Zylindern 2, einem Luftansaugkrümmer 4 und einem Auslaßkrümmer 6, die jeweils in die und aus den Zylindern 2 führen. Ein Kraftstoffeinspritzsystem 8 versorgt die Zylinder 2 mit Kraftstoff 11 in einer in der Technik bekannten Art und Weise. Eine Druckaufladevorrichtung, hier ein elektrisch getriebenes Ladergebläse 10, ist stromoberhalb des Einlaßkrümmers 4 angeordnet.
In den Einlaßkrümmer 4 strömt Luft durch das Ladergebläse 10, wenn sich dieses im Betrieb befindet, oder durch eine parallel zum Ladergebläse verlaufende Luftbypassleitung 12, wenn das Ladegebläse ausgeschaltet ist oder im Leerlauf läuft. Zum Ladegebläse 10 und/oder zur Bypassleitung 12 wird die Luft entlang einem Lufteinlaßpfad 3 geführt.
Die Luftbypassleitung 12 hat ein Luftventil 13, das sich automatisch öffnet, um der Einlaßluft 5 die Umgehung 15 des Ladegebläses 10 zu ermöglichen, wenn der Luftstrom 18 durch das Ladegebläse nicht ausreicht, die Motorzylinder 2 mit Luft zu füllen. Die Luftversorgung 19 des Motors 1 wird dann über die Einstellung einer elektronisch gesteuerten Drosselklappe 17 gesteuert, die stromunterhalb des Ladegebläses 10 und der Bypassleitung 12 liegt, und über die Aktivierung des Ladegebläses 10. Solange das Ladegebläse 10 nicht aktiviert ist, arbeitet der Motor 1 im normalen Saugbetrieb, und wenn das Ladegebläse 10 aktiviert ist, wird der Luftstrom zum Motor erhöht.
Das Ladegebläse 10 wird ausschließlich durch einen Reluktanz-Elektromotor (M) 14 getrieben, welcher von einer 12 V-Blei-Säure-Fahrzeugbatterie 16 gespeist wird. Nachgeladen wird die Batterie von einem motorgetriebenen Batterieladeaggregat, hier einem riemengetriebenen Wechselstromgenerator bzw. sogenannter Lichtmaschine 27. Die Batterie hat eine Stromleistung, die etwa 30 A über dem Wert liegt, der normalerweise für ein Massenmarkt-Fahrzeug mit Vierzylindermotor vorgegeben würde. Zusätzlich zum Antrieb des Ladegebläses 10 liefert die Batterie 16 auch den Strom für das Anlassen des Fahrzeuges, die Beleuchtung und den Zündungsbedarf. Außerdem liegt die Batterie im Luftzufuhrpfad 3 in einem hohlen Gehäuse 30, welches die Batterie und das Ladegebläse 10 umschließt, so daß die Einlaßluft 5 um die Batterie 16 strömt. Stromunterhalb der Batterie 16 und stromoberhalb des Ladegebläses 10 und des Luftbypasskanals 12 ist in dem Luftzufuhrpfad 3 ein Luftfilter 9 angeordnet.
Der (nicht dargestellte) Fahrzeugführer kann den Motor über eine bewegliche Fahrpedaleinheit 20 steuern, die ein elektrisches Signal 120 an eine Motorsteuereinheit (ECU) 32 liefert, wobei das Signal die Fahrpedalstellung (APP) anzeigt.
Die Motorsteuereinheit überwacht mehrere Fahrzeugbetriebsparameter über neun Eingangsleitungen 116, 120–127. Eine Leitung 116 ist an der Batteriestromversorgung angeschlossen, so daß ein (nicht dargestellter) A/D-Wandler in der Motorsteuerung 32 die Batteriespannung 16 messen kann. Eine weitere Eingangsleitung 127 kommt von der Lichtmaschine her, die ihre eigene interne Elektronik und eigenen Prozessor hat (nicht dargestellt), welche die Lichtmaschinentemperatur sowie die Kapazitätsauslastung der Lichtmaschine anhand der Lichtmaschinentemperatur, Lichtmaschinendrehzahl und von der Lichtmaschine gezogenem Strom überwachen. Die Lichtmaschinenkapazitätsauslastung wird von der Lichtmaschine über die Leitung 127 an die ECU 32 weitergeleitet.
Sieben weitere Eingangsleitungen 120–126 sind jeweils an entsprechenden Sensorvorrichtungen 20–26 angeschlossen, die Motorbetriebsbedingungen messen. Zu den Sensoren gehören: die Fahrpedaleinheit (APP) 20 zur Messung der Fahrerforderung; ein Kurbelwellenstellungsgeber (CP) 21 zur Messung der Motordrehzahl; ein Luftmassestromsensor (MAF) 22 stromunterhalb der Drosselklappe 17 zur direkten Messung der in die Zylinder 2 einströmenden Luftmenge; ein Barometerdrucksensor (BAP) 23 zur Messung des Atmosphärendruckes; ein Motorkühlmitteltemperatursensor (ECT) 24 zur Messung der Temperatur des im Motor fließenden Kühlmittels; ein Ansaugkrümmer-Luftdrucksensor (MAP) 25 zur Messung des Luftdruckes im Ansaugkrümmer 4; und ein Luftchargen-Temperatursensor (ACT) 26 zur Messung der Temperatur der Einlaßluft.
Zusätzlich dazu mißt ein Umgebungstemperatursensor (AT) 28 die Umgebungslufttemperatur und liefert ein Eingangssignal auf der Leitung 128 an die elektronische Steuereinheit 32.
Wahlweise kann die Steuerelektronik im Motor 14 der elektrischen Ladervorrichtung (EBD) auch ein Temperatursignal (EBDT) 110 an die Motorsteuereinheit 32 abgeben. Alternativ dazu kann die Motorsteuereinheit auch die Temperaturparameter für die EBD 10 anhand des Umgebungstemperatursignales 128 vom Umgebungstemperatursensor 28 und anhand der Drehzahl und der relativen Einschaltdauer der EBD 10 errechnen.
Wie weiter im einzelnen weiter unten noch erläutert werden soll, berechnet die Motorsteuereinheit 32 eine Motordrehmomentforderung anhand der verschiedenen Eingangssignale und liefert eine Reihe von Ausgangssignalen zur Steuerung verschiedener Fahrzeug- und Motorbetriebsparameter einschließlich eines Kraftstoffeinspritzsignales 117 und eines Ladegebläsemotor-Steuersignales 114. Die Motordrehmomentforderung wird daher wenigstens teilweise durch die Stellung des Fahrpedals 20 bestimmt.
Wie weiter unten noch weiter im einzelnen erläutert werden soll, bewegt sich, wenn der Fahrer das Fahrpedal 20 verstellt, um Motordrehmoment zu fordern, das über demjenigen Drehmoment liegt, das der Motor 1 im normalen Saugbetrieb abgeben kann, die Drosselklappe 17 in eine Maximalöffnungsstellung, so daß das maximale Luftvolumen 19 in die Zylinder 2 eingelassen wird. Die Motorsteuereinheit 32 aktiviert dann den Ladegebläsemotor 14 bei bestimmten mittleren oder niedrigen Motordrehzahlen, nicht jedoch bei hohen Motordrehzahlen. Solange die Drehmomentforderung das im normalen Saugbetrieb allein des Motors verfügbare Drehmoment übersteigt, wird die erhöhte Drehmomentabgabe von der Ladegebläsedrehzahl und der den Zylindern zugeführten Kraftstoffmenge bestimmt. Sobald das geforderte Drehmoment dann wieder in den im normalen Saugbetrieb verfügbaren Drehmomentbereich fällt, wird das elektrisch getriebene Ladegebläse 10 nicht mehr länger vom Ladegebläsemotor 14 angetrieben. Dadurch läßt sich die Batterie schonen und die Erwärmung des Ladegebläses 10 senken, so daß Batteriekapazität gespart und die Lebensdauer des Ladegebläses 10 verlängert wird. Ist der Motor ein Einspritzmotor, kann die Motorsteuereinheit 32 die eingespritzte Kraftstoffmenge 11 über die elektrische Ansteuerung 108 der Einspritzdüsen 8 steuern.
Ist der Betrieb des Ladegebläses nötig, stellt die Motorsteuereinheit 32 sowohl die Drehzahl des Ladegebläses 10 als auch die eingespritzte Kraftstoffmenge entsprechend der gegenwärtigen Drehmomentforderung ein. Die Motorsteuereinheit 32 überwacht die Ausgänge 120–126 der verschiedenen Sensoren 20–26 sowie die Batteriespannung 116 und paßt dann die Ladegebläsedrehzahl und/oder die Kraftstoffeinspritzmenge 11 so an, daß ein geeigneter Wert von fettem oder magerem Motorbetrieb erzielt wird.
2 zeigt einen Graphen des Motordrehmoments über der Motordrehzahl für einen herkömmlichen Vierzylinder-Reihenmotor wie oben beschrieben, jedoch ohne Aufladung. Wie aus der Kurve 34 in 2 ersichtlich ist, kann der Motor so eingestellt werden, daß er bei mittelhoher Motordrehzahl gute Leistung abgibt ("Leistungseinstellung"), dabei jedoch Drehmoment am unteren Ende einbüßt.
Alternativ dazu kann, wie Kurve 36 zeigt, der Motor so eingestellt werden, daß er bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen gutes Drehmoment abgibt ("Drehmomenteinstellung"), dabei aber Leistung am oberen Ende einbüßt. Die "Leistungseinstellung" wird dem "sportlichen" Fahrer zwar gefallen, für die Mehrheit der Wagenbesitzer jedoch wird sie unbefriedigend sein. Die Forderung, ein gutes reales "Leistungsgefühl" zu vermitteln, bedingt in der Regel eine Motordrehmomentabgabe, wie sie durch die Kurve "Drehmomenteinstellung" dargestellt ist, wo Drehmoment im höheren Drehzahlbereich kompromißhalber aufgegeben wurde, um die Drehmomentabgabe unter 3500 U/min zu begünstigen. Zwar kann die Motorübersetzung so gewählt werden, daß unerwünschte Eigenschaften minimiert werden, in der Praxis werden Motoren jedoch so eingestellt, daß sie einen Kompromiß liefern.
Mit Bezug auf 3 wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Motor mit relativ niedrigem Hubraum, z.B. einem Hubraum unter 1,8 Litern, so eingestellt, daß er bei hoher Drehzahl bei 43 gutes Drehmoment abgibt, wobei Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen 41 und bei mittleren Drehzahlen 42 aufgegeben wird, wie Kurve 38 zeigt. Dies hat den Nebeneffekt, daß die Kraftstoffersparnis bei konstanter Autobahnreisegeschwindigkeit verbessert wird, und zwar durch weiter geöffnete Drosselklappenstellungen zur Erzielung dieser Reisegeschwindigkeit. Wie aus der Kurve 40 für die Druckerhöhung des Ladegebläses (SCB) ersichtlich ist, ergibt sich dann eine Erhöhung 44, 45, 46 des verfügbaren maximalen Motordrehmoments, wenn der Fahrer mehr Leistung verlangt, als sie mit einem normalen Saugmotor erreicht werden kann. Diese Erhöhung wird unter der Kontrolle der Motorsteuereinheit 32 nur in einer Region von niedrigen 41 und von mittleren 42 Motordrehzahlen verfügbar gemacht und wird allmählich begrenzt, so daß ein sanfter Übergang auf die Motorleistung nahe oder an der Spitzenleistung 48 in der druckerhöhungslosen Drehmomentkurve 38 erzielt wird, in einem Bereich relativ hoher Motordrehzahlen 43. Dies geschieht durch die allmählich Begrenzung der maximal zulässigen Ladegebläse-Druckerhöhung in der Nähe des Punktes 48.
Auf diese Weise ermöglicht die Motorsteuereinheit 32 den Einsatz des Kompressors 10 so, daß die Motordrehmomentabgabe mit der kompressorerzeugten Drehmomenterhöhung ihren Spitzenwert 49 nur im Bereich der mittleren Motordrehzahl 42 erreicht.
4 zeigt einen Graphen der durch das Ladegebläse erzielten Motordrehmomenterhöhung über der fahrerseitigen Forderung, dargestellt in Form des Drosselklappenwinkels zwischen 0° und 90°. Die geraden Diagonalen im Graph sind jeweils mit der Motordrehzahl in U/min zwischen 1250 U/min und 5400 U/min bezeichnet. Die vertikale Skala entspricht der Differenz im Motordrehmoment in 3 zwischen der erhöhten Drehmomentkurve 40 und der Drehmomentkurve 38 ohne Erhöhung. Beim maximalen Drosselklappenwinkel von 90° erreicht die Motordrehmomenterhöhung durch das Ladegebläse ihren Spitzenwert, wie er in 3 dargestellt ist. Wenn die Drosselklappenwinkelforderung unter 90° fällt, sinkt auch die Motordrehmomenterhöhung durch das Ladegebläse, bis es auf Null-Erhöhung gesunken ist, was der Kurve 38 in 3 entspricht.
Wie aus 4 ersichtlich ist, nimmt, wenn die Motordrehzahl in Richtung auf den Übergangspunkt 48 in 3 zunimmt, die Steigung der durch das Ladegebläse bewirkten Drehmomenterhöhung ab, bis im Übergangspunkt 48 keine Drehmomenterhöhung durch das Ladegebläse mehr stattfindet. Die allmähliche Abschaltung der ladegebläsebedingten Drehmomenterhöhung ist somit graphisch dargestellt.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf 5 näher erläutert werden, die einen schematischen Überblick über ein elektronisches Steuersystem 50 zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung 10 darstellt, und mit Bezug auf 6, welche ein Diagramm der Steuersystemarchitektur 60 des Luftchargenverstärkungssystems zeigt.
5 zeigt, wie die Motorsteuereinheit (ECU) 32 die verschiedenen oben erwähnten Eingänge 116, 120–128 empfängt, um verschiedene Ausgangssignale zu erzeugen, mit welchen der Betrieb des Systems gesteuert wird. Ein Ausgang ist ein Stellbefehl 117 für die elektronische Drosselklappenposition (ETP), der einer elektronischen Drosselklappenstellungssteuerung 217 zugeführt wird, die die Drosselklappe 17 steuert. Die ETP-Steuerung 217 stellt dann die Position der Drosselklappe 17 dementsprechend ein.
Des weiteren sendet die ECU 32 einen Befehl 114 für die elektronische Ladervorrichtung (EBD) an eine EBD-Steuerung 214, die den Elektromotor 14 des Ladegebläses steuert. Wenn der Kompressor 10 nicht gebraucht wird, wird der Kompressormotor 14 so gesteuert, daß er mit einer relativ niedrigen geregelten Geschwindigkeit von ca. 10.000 U/min leer läuft, bei der er relativ wenig elektrische Energie verbraucht, und bei der auch kein nennenswerter Ladedruck erzeugt wird. Durch den Leerlaufbetrieb des Ladegebläses mit 10.000 U/min ist es möglich, die Anlaufzeit bis auf die nutzbare Arbeitsdrehzahl von ca. 60.000 U/min auf weniger als 0,3 s zu reduzieren.
Die EBD 10 kann nicht in der Lage sein, unbegrenzt mit der maximalen Leistung zu arbeiten, und zwar wegen der Grenzen der Batterieladekapazität 16 und des Lichtmaschinen-Ladestromes 27, so daß der Ladezustand (SOC) der Batterie den Betrieb einschränken kann. Außerdem können bestimmte Bestandteile der EBD 10, wie z.B. Lager oder (nicht dargestellte) Motorwicklungen bei hohen Einschaltfaktoren ihre konstruktiv vorgesehene Betriebstemperaturgrenze überschreiten. Es kann daher nötig sein, den Betrieb der EBD 10 auch im Hinblick auf diese Gesichtspunkte zu begrenzen.
Zwar kann die elektrische Stromversorgung der EBD 10 vom normalen elektrischen Bordsystem des Fahrzeuges kommen, es wird jedoch vorgezogen, wenn die EBD 10 im Betrieb oberhalb der Leerlaufgeschwindigkeit wenigstens teilweise vom Batterieladesystem 27 isoliert wird und vorwiegend oder vollständig von der Batterie 16 aus betrieben wird.
Deshalb berechnet die ECU 32 zulässige Betriebsgrenzen für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung anhand des Ladezustandes des elektrischen Versorgungssystems. Liegt der Zustand des elektrischen Versorgungssystems innerhalb eines akzeptablen Bereiches, wird das Ladegebläse unter Einsatz des motorgetriebenen Batterieladeaggregats betrieben, und wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems nicht innerhalb eines annehmbaren Bereiches liegt, wird die Batterie von der Lichtmaschine getrennt, und das Ladegebläse wird allein von der Batterie aus angetrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt die ECU den Zustand des elektrischen Versorgungssystems sowohl durch die Überwachung der Batteriespannung als auch durch Überwachung der Kapazitätsauslastung der Lichtmaschine. Wenn die elektrische Belastung der Lichtmaschine groß genug geworden ist, die Lichtmaschine zu sättigen, fällt die Systemspannung, und dies ist dann die Ursache eines merklichen Schwundes an Betriebsfähigkeit anderer elektrischer Einheiten, die von der elektrischen Anlage des Fahrzeuges bestromt werden.
Um dies zu verhindern, wird, wenn die Lichtmaschine den Sättigungspunkt erreicht hat, die EBD 10 beim Betrieb über der Leerlaufdrehzahl vom Batterieladesystem 27 getrennt und von der Batterie 16 alleine gespeist. Die Lichtmaschine kann dann die anderen Verbrauchereinheiten (CU) 51 des Fahrzeuges versorgen, z.B. das Licht und elektrische Nebenaggregate, die damit vor Spannungsabfall geschützt sind, wie er an der Batterie wegen der hohen Stromaufnahme der EBD 10 auftreten kann, welche im typischen Fall zwischen 150 A und 300 A liegen kann. Diese Umschaltung wird mittels eines Auswahlbefehls 152 für die EBD-Stromquelle erzielt, der von der ECU 32 an ein Relais 52 und einen Schalter 53 gesendet wird.
Somit betreibt die ECU die Druckaufladevorrichtung über die Lichtmaschine, wenn der Batterieladezustand in einem annehmbaren Bereich liegt, und trennt die Batterie von der Lichtmaschine und treibt die Druckaufladevorrichtung über die Batterie alleine an, wenn der Batterieladezustand nicht in einem annehmbaren Bereich liegt.
Der Regelspannungseinstellpunkt der Lichtmaschine 27 wird dann über einen Einstellpunktbefehl 127 für die Lichtmaschinenspannung gesteuert, der von der ECU 32 an die Lichtmaschine gesendet wird.
Es sei nun insbesondere Bezug genommen auf 6, wo die ECU 32 die Eingänge 120–123 vom Fahrpedalstellungsgeber 20, vom Kurbelwellenstellungsgeber 21 und von einem Barometerdrucksensor 23 verarbeitet, um das erforderliche Motordrehmoment 61 zu bestimmen. Die Berechnung 61 berücksichtigt dabei auch andere relevante Faktoren wie z.B. Motorreibung, Nebenaggregatverluste und bei fremdgezündeten Motoren den jeweiligen Zündwinkel. Daraus läßt sich dann eine gewünschte bzw. Soll-Lufteinlaßcharge 62 berechnen, d.h. die Luftmenge, die für jedes Zylinderzündereignis erforderlich ist.
Die gewünschte bzw. Soll-Einlaßluftcharge 62 wird dann von der ECU 32 zusammen mit anderen Eingängen, insbesondere mit der über die Kurbelwellenstellung 121 gemessenen Motordrehzahl und dem gemessenen Luftmassestrom 122 und/oder dem gemessenen Ansaugkrümmerdruck 125, in einer Berechnung 63 verarbeitet, in der der Ansaugkrümmer-Solldruck 64 und der Soll-Luftmassestrom 65 ermittelt werden. Innerhalb der Berechnung 63 wird eine Bestimmung vorgenommen, ob ein Betrieb der EBD nötig ist oder nicht, und zwar ausgehend davon, ob der Ansaugkrümmer-Solldruck größer als der Barometerdruck ist, und wenn dem so ist, wird ein Hystereseterm zur Anwendung gebracht, um ein schnell aufeinanderfolgendes Ein- und Ausschalten der EBD 10 zu vermeiden.
Dann ist die ECU 32 in der Lage, die Drosselklappen-Soll-Stellung und die EBD-Drehzahl 66 vorzugeben, woraus die ECU einen ETP-Stellbefehl 117 für die elektronische Drosselklappenpositionssteuerung 217 und einen uneingeschränkten EBD-Drehzahlbefehl 67 erzeugt.
Wie weiter oben schon erwähnt, wird der EBD-Drehzahlbefehl 67 unter bestimmten Umständen eingeschränkt werden müssen, z.B. wegen Überhitzung der elektronischen Ladervorrichtung 10, der maximalen Nutzdrehzahl oder relativen Einschaltdauer der Vorrichtung, aus Festigkeits- und schmiertechnischen Überlegungen, oder wegen Begrenzungen, die an den Batterieladezustand (SOC) gebunden sind. Einschränkungen können auch angewendet werden müssen, um Bereiche zu vermeiden, in welchen der Kompressor 10 Überdruckspitzen erzeugen würde. In 6 sind Berechnungen 68, 69 zweier solcher möglicher Begrenzungen durch die ECU 32 dargestellt, nämlich Beschränkungen 70 aufgrund thermischer Schätzwerte und Beschränkungen 71 aufgrund des Batterieladezustandes.
Die ECU berechnet dann bei 72 einen eingeschränkten EBD-Drehzahlbefehl 114 entsprechend den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen und führt diesen Befehl der EBD-Drehzahlsteuerung 214 zu, die dem EBD-Motor 14 zugeordnet ist.
Die Berechnung 63 ist jedoch Teil eines in geschlossener Schleife ablaufenden Regelvorganges der Motorluftcharge. Der tatsächliche Meßwert von MAF 122 oder MAP 125 wird mit dem Sollwert verglichen, und es wird eine Angleichung vorgenommen, um den Soll-MAP 64 und den Soll-MAF 65 zu erzeugen, so daß die jeweilige Soll-Einstellung präzis realisiert werden kann. Für den Fall, daß die EBD eingeschränkt läuft, oder daß der Betrieb des Systems in irgendeiner Weise eingeschränkt ist, wird auch der Ablauf der geschlossenen Regelschleife bei 73 eingeschränkt, um eine Störung der Steuerung zu vermeiden.
Wie oben beschrieben, wird die Drehmomentabgabe des Motors unter all den Betriebsbedingungen, die ohne den Betrieb der Kompressorvorrichtung 10 erzielt werden können, also wenn der Ansaugkrümmerdruck (MAP) kleiner als der Barometerluftdruck (BAP) ist, ausschließlich über die Drosselklappe 17 gesteuert. Solange die EBD 10 nicht benötigt wird, wird die EBD auf Leerlaufbetrieb eingestellt, in dem keine Druckerhöhung stattfindet. Wenn jedoch die EBD benötigt wird, dann wird zunächst die Drosselklappe auf volle Öffnung eingestellt, und die EBD-Drehzahl wird anhand des Barometerdruckes, des Ansaugkrümmer-Soll-Druckes und des Ansaugkrümmer-Soll-Luftmassestromes eingestellt, und zwar ausgehend von einem Kennfeld von EBD-Kennwerten, das im (nicht dargestellten) ECU-Speicher abgelegt ist.
Vorzugsweise werden an die thermischen und SOC-Begrenzungen Drosselfaktoren angelegt, wie sie erforderlich sind, um den endgültigen eingeschränkten EBD-Drehzahlbefehl 114 zu erzeugen. Der größte Drosselfaktor wird angelegt, wenn das System sowohl aus thermischen Gründen als auch in bezug auf den SOC-Betriebszustand eingeschränkt wird.
Die Berechnung der Drosselfaktoren sollte so gewählt werden, daß die Drosselung für den Fahrer weitestgehend unmerklich erfolgt, und so daß die gedrosselte Leistung für den Fahrer vorausschaubar ist, indem plötzliche Änderungen vermieden werden. Die Berechnung der thermischen Drosselung 68 betrifft zwei Teile, nämlich Regelung und Schätzung. Der Schätzungsteil der Berechnung basiert auf den Betriebsbedingungen der EBD 10. Sowohl gegenwärtige als auch zu erwartende stabilisierte Temperaturen kritischer Teile der Ladevorrichtung EBD werden geschätzt. Typische kritische Teile sind die die EBD-Welle tragenden Lager und die Kupferwicklungen des EBD-Motors. Wenn das System initialisiert ist, werden die Temperaturen dieser Teile ausgehend von deren Temperatur beim letzten Abschalten des Systems, der Zeit, wie lange es abgeschaltet war, und der jeweils herrschenden Umgebungstemperatur, wie sie z.B. von einem Umgebungstemperatursensor 28 gemessen wurde, geschätzt. Diese dynamische Temperaturschätzung berücksichtigt Änderungen des Luftmengestromes um die EBD, die thermische Trägheit der Komponenten und die im System von sowohl elektrischen als auch mechanischen Quellen erzeugte Wärme.
Der Regelteil beinhaltet die Vorhersage, bei welcher der Komponenten im System die konstruktiv vorgegebenen Temperaturen überschritten werden könnten, ausgehend von geschätzten oder gemessenen Temperaturen. Für diese kann der EBD-Betrieb eingeschränkt werden, um innerhalb der konstruktiv vorgegebenen Richtlinien zu bleiben. Dies wird durch die Kalibrierung von durchlässigen "weichen" Begenzungen und von festen bzw. "harten" Begrenzungen für jede dieser Komponenten erzielt. Solange die Temperatur unter der "weichen" Grenze liegt, wird nichts unternommen. Wenn die Temperatur die "weiche" Grenze übersteigt und die Temperatur für den gewünschten EBD-Betriebsgrad die feste Grenze übersteigen würde, dann muß etwas unternommen werden, um ein Überschreiten der festen Grenze zu vermeiden. Die EBD wird unter Einsatz einer Regelschleife allmählich gedrosselt, welche Schleife einen Drosselfaktor mit einem vorgegebenen Prozentsatz ausgibt, wie die Rückkopplungsschleife 73 darstellt, bis die vorgegebene stabilisierte Temperatur gleich der festen "harten" Grenze ist, bei welcher der EBD-Betriebsfaktor auf Dauer gehalten werden kann. Wenn mehr als eine Komponente des Systems die konstruktiv vorgegebenen Werte zu überschreiten droht, wird für jede derselben ein Drosselfaktor berechnet, und der kleinste Faktor wird zum Einsatz gebracht.
Die Berechnung des Ladezustandes der Batterie 69 wird analog zur EBD-Temperaturberechnung 68 durchgeführt, wie sie oben beschrieben ist. Ein Schätzungsteil der Berechnung beinhaltet ein Computermodell der Speicherkapazität der Batterie 16. Dieses wird zusammen mit der Lade- und Entladegeschichte so eingesetzt, daß eine Schätzung der gegenwärtig gespeicherten Ladung erstellt wird, die mit dem unter den gegenwärtig herrschenden Umgebungsbedingungen maximal verfügbaren Wert verglichen wird. Zusätzlich dazu wird auch die Entladerate geschätzt.
Die Regelung geht wie folgt von statten. Wenn die Stromaufnahme der EBD 10 die Ausgangsleistung der Lichtmaschine 27 sättigen würde, was dann zu einem Sturz der Systemspannung des Fahrzeuges (ihren würde, wenn die Batterie 16 als Ergänzung für die Lichtmaschine eingesetzt würde, käme es zu nicht vertretbaren Nebenwirkungen wie Schwächung des Lichtes usw. Um dies zu vermeiden, wird das Relais 52 betätigt, um bei 53 die Stromversorgung der EBD auf die Batterie alleine umzuschalten, während das restliche Fahrzeugsystem über die Lichtmaschine 27 gespeist wird.
Für den Systemladezustand (SOC), oberhalb welchem keine Vorkehrung zum Schutz der Batterie genommen zu werden braucht, wird eine durchlässige "weiche" Grenze kalibriert. Eine feste oder "harte" Grenze wird ebenfalls kalibriert, unterhalb welcher der Ladezustand der Batterie nicht fallen darf. Wenn der Ladezustand SOC unter die "weiche" Grenze fällt, muß das System beginnen, Vorkehrungen zu treffen, eine "weiche Landung" auf der festen "harten" Grenze für den SOC zu gewährleisten, ohne daß ein scharfer Abfall in der Motorausgangsleistung wegen einer Senkung der Stromversorgung der EBD 10 entsteht. Der Drosselfaktor für die EBD in der Rückkoppelungsschleife 73 wird solange erhöht, bis der von der EBD aufgenommene Strom gleich der Überschuß-Stromerzeugungskapazität der Lichtmaschine 27 ist, wo dann das Relais 52 umgeschaltet werden kann, so daß die Lichtmaschine jetzt die EBD 10 und den Rest der elektrischen Anlage des Fahrzeuges versorgt. Die Stromaufnahme der EBD 10 wird dann auf oder unter einem Pegel gehalten, der nicht zur völligen Sättigung der Lichtmaschine 27 führt.
Die Verwaltung der Fahrzeugstromversorgung ist in den schematischen Graphen der 7, 8 und 9 veranschaulicht. 7 trägt die Spannung der Fahrzeugelektroanlage über der Zeit ab, 8 zeigt eine Kurve der Fahrzeugspeisespannung über der Zeit, und 9 zeigt eine Kurve des von den elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug gezogenen Stromes über der Zeit.
In dem in diesen Figuren dargestellten Beispiel wird zu Beginn zum Zeitpunkt t₀ die Lichtmaschine 27 an der Batterie 16 angeschlossen, und die Fahrzeugversorgungsspannung V_AB hat ihren Nennwert von 13,6 Volt. Fahrzeugverbrauchereinheiten (CU) wie Licht, elektrisch beheizte Scheiben usw. ziehen anfänglich eine begrenzte Menge Strom I_CU von 50 A, die vorübergehend bis auf 75 A anwachsen kann. Zunächst wird das Ladegebläse so eingestellt, daß es mit Leerlaufdrehzahl von etwa 10.000 U/min läuft und so nur wenige Ampere Strom I_SC zieht. Da der gezogene Gesamtstrom I_CU+SC unter der elektrischen Kapazität der Lichtmaschine 27 von 150 A liegt, bleibt die Lichtmaschine 27 über das Relais 52 und den Schalter 53 elektrisch an der Batterie 16 angeschlossen.
Zum Zeitpunkt t₁ fordert der Fahrer den Betrieb des Ladegebläses 10, woraufhin der vom Ladegebläse aufgenommene Strom I_SC sprunghaft auf ca. 175 A ansteigt. Wenn der Gesamtstrom I_CU+SC zum Zeitpunkt t₂ den Schwellenwert 57 von 150 A erreicht, wird über das Relais 52 der Schalter 53 geöffnet, und die Lichtmaschine 27 wird teilweise von der Batterie 16 getrennt. Zwischen der Batterie 16 und der Lichtmaschine 27 ist ein Filter 55 angeordnet, der eine gewisse Glättung der Lichtmaschinenspannung ergibt, welche Spannung sonst wegen der relativ langsamen Reaktion der Lichtmaschine auf plötzliche Änderungen der elektrischen Last Schwankungen unterliegen könnte. In der einfachsten Form ist der Filter 55 ein 0,1 Ω-Widerstand; der Filter kann aber auch frequenzabhängige Elemente beinhalten, wie z.B. einen Hochpaßfilter.
Das Ladegebläse 10 ist jetzt frei, sehr hohe Ströme I_SC aus der Batterie 16 zu ziehen, die einen deutlichen Abfall der Batteriespannung V_B bewirken können. Da der Filter 55 den Durchgang von Strom zwischen der Lichtmaschine 27 und der Batterie 16 begrenzt, unterliegt die Lichtmaschine nicht der vollen Belastung durch das Ladegebläse 10 und ist somit in der Lage, weiter geregelte Spannung an die restlichen Systeme im Fahrzeug zu liefern.
Beim Betrieb der großen elektrischen Nebenaggregate wird die Batterie zunehmend entladen, wie der Abfall in der Batteriespannung V_B zeigt. Zum Zeitpunkt t₃ erreicht die Batteriespannung V_B einen "weichen" Schwellenwert 75 von 10 Volt, so daß die ECU 32 in Aktion tritt und den Ladegebläsestrom I_SC senkt, so daß die Batteriespannung über einer festen Schwelle 76 von 9 Volt bleibt.
Zum Zeitpunkt t₄ ist der Gesamtfahrzeugstrom I_CU+SC auf den Schwellenwert 57 von 150 A gefallen, und die ECU 32 tritt wieder in Aktion und schließt den Schalter 53, woraufhin der gesamte Fahrzeugstrom von der wieder mit der Batterie 16 verbundenen Lichtmaschine 27 geliefert wird. Bei Bedarf kann bei sinkendem Strom ein zweiter Schwellenwert 59 von 145 A eingesetzt werden, um eine gewisse Hysterese zu bieten. Zum Zeitpunkt t₆ ist der Ladegebläsestrom I_SC z.B. auf den Leerlaufwert gesunken, weil jetzt bei 43 eine hohe Motordrehzahl erreicht worden ist.
Wie 7 zeigt, senkt die ECU 32 nach dem Zeitpunkt t₂, wenn die Batteriespannung V_B voll aufgebraucht worden ist, allmählich die Lichtmaschinenspannung V_A bis auf knapp unter 11 Volt. Dadurch sinkt die Stromzufuhr der elektrischen Verbraucher, da aber dieser Abfall langsam erfolgt, ist er für den Fahrzeugführer kaum merklich. Zum Zeitpunkt t₅, wenn die Lichtmaschine wieder an der Batterie angeschlossen wird, liegt die kombinierte Spannung V_AB bei etwa 10,5 Volt, steigt dann aber kontinuierlich an, wenn die Lichtmaschine 27 die Batterie 16 wieder nachlädt.
Werden keine Vorkehrungen getroffen, die Lichtmaschinenspannung V_A zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₅ zu senken, ergäbe sich ein plötzlicher und merklicher Sturz der Systemspannung zum Zeitpunkt t₅ wenn Lichtmaschine 27 und Batterie 16 wieder miteinander verbunden werden. Durch die allmähliche Zurücknahme der Lichtmaschinenspannung V_A, während das Ladegebläse 10 aktiv ist, wird dieses Problem gemindert bzw. vermieden.
Wenn der Relaisschalter 53 geschlossen wird, liegt die Systemspannung tief genug, sicherzustellen, daß die Lichtmaschine 27 nicht gesättigt wird und keine plötzliche Änderung in der elektrischen Systemspannung auftritt. Die Systemspannung wird dann allmählich wieder bis auf die gewünschte Spannung angehoben, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch die Ladung der Batterie 16 bestimmt wird, so daß gewährleistet ist, daß die Lichtmaschine nie Sättigung erreicht und immer in der Lage ist, eine Spannungsregelung zu bieten.
Die oben beschriebene Erfindung läßt sich sowohl auf fremdgezündete Motoren als auch auf kompressionsgezündete (selbstzündende) Motoren anwenden. Die elektrische Ladervorrichtung (EBD) kann der einzige Einlaßluftverdichter im System sein, oder sie kann mit einer anderen solchen Vorrichtung kombiniert werden, z.B. mit einer abgasgetriebenen Turboladervorrichtung.
Die Erfindung bietet somit eine geeignete und wirtschaftliche elektrische Druckaufladevorrichtung und ein Verfahren zur Erhöhung des an einer Brennkraftmaschine verfügbaren Drehmomentes. Die elektrisch getriebene Ladervorrichtung ist als Teil des Lufteinlaßsystems des Motors vorgesehen und ist vollelektronisch steuerbar. Der Einsatz einer solchen Verdichtervorrichtung erhöht das maximale Ausgangsdrehmoment des Motors über Bereiche seines Betriebsbereiches, die wichtig für die vom Fahrer wahrgenommene Leistung sind. Die Erfindung ist kompakt und vermeidet die Erfordernis, die Kapazität der elektrischen Anlage des Fahrzeuges übermäßig zu erhöhen, oder auch die thermische und mechanische Leistung der Vorrichtung, womit Vorteile sowohl in bezug auf Fahrzeugleistung und Gesamtkraftstoffersparnis als auch in bezug auf einen vertretbaren Kostenaufwand des Systems erzielt werden.

Claims

Luftverdichter- oder Luftchargenverstärkungssystem für eine Brennkraftmaschine (1), welches System eine elektrisch angetriebene Druckaufladevorrichtung (10) aufweist, ein elektrisches Stromversorgungssystem zur Abgabe elektrischer Energie zum Antrieb der Druckaufladevorrichtung (10), mit einer Batterie (16) und einem motorgetriebenen Batterieladeaggregat (278), und ein elektronisches Steuersystem (32) zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung (10) und des elektrischen Stromversorgungssystems (16, 27), worin das elektronische Steuersystem (32) ausgelegt ist, folgendes zu tun: a) eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenzen (70, 71) für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) bestimmen, und zwar ausgehend von dem Zustand (116, 127) des elektrischen Versorgungssystems (16, 27); und b) die Druckaufladevorrichtung (10) unter Einsatz des motorgetriebenen Batterieladeaggregates (27) antreiben, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt; und c) die Batterie (16) wenigstens teilweise vom motorgetriebenen Batterieladeaggregat trennen, und die Druckaufladevorrichtung (10) unter Einsatz der Batterie (16) antreiben, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichter- oder Luftchargenverstärkungssystems für eine Brennkraftmaschine (1), welches System eine elektrisch angetriebene Druckaufladevorrichtung (10) aufweist, ein elektrisches Versorgungssystem zur Abgabe von elektrischer Energie zum Antrieb der Druckaufladevorrichtung (10), mit einer Batterie (16) und einem motorgetriebenen Batterieladeaggregat (27), und ein elektronisches Steuersystem (32) zur Steuerung des Betriebes der Druckaufladevorrichtung (10) und des elektrischen Versorgungssystems (16, 27), worin das Verfahren die Schritte des Einsatzes des elektronischen Steuersystems (32) beinhaltet, derart daß: i) eine oder mehrere zulässige Betriebsgrenze(n) (70, 71) für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) berechnet wird/werden, ausgehend von dem Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27); und ii) die Druckaufladevorrichtung (10) unter Einsatz des motorgetriebenen Batterieladeaggregates (27) betrieben wird, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt; und iii) die Batterie (16) wenigstens teilweise von dem motorgetriebenen Batterieladeaggregat (27) getrennt und die Druckaufladevorrichtung (10) unter Einsatz der Batterie (16) betrieben wird, wenn der Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der besagte Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) der Batterieladezustand (116) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, worin der besagte Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) eine vorgegebene Minimalspeisespannung (75, 76) für besagte Batterie (16) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der besagte Zustand des elektrischen Versorgungssystems (16, 27) eine elektrische Last (127) am Batterieladeaggregat (27) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, worin die Last eine maximal zulässige Last (57) am Batterieladeaggregat (27) ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 6, worin eine oder mehrere zusätzliche nichtelektrische Betriebsgrenze(n) (70) für den Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) berechnet wird/werden, und der Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) je nach derjenigen berechneten zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) begrenzt wird, welche die größte Einschränkung des Betriebes der elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung (10) darstellt, so daß der Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) immer innerhalb aller zulässigen Betriebsgrenzen (70, 71) bleibt.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 7, worin die Berechnung der zulässigen Betriebsgrenze (70, 71) sowohl eine "weiche" oder programmbedingte Betriebsgrenze (75) als auch eine "harte" oder materialbedingte Betriebsgrenze (76) beinhaltet, wobei der Betrieb der elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung (10) begrenzt wird, wenn der Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) die "weiche" oder programmbedingte Betriebsgrenze (75) übersteigen würde, wobei die Begrenzung derart ist, daß der Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) zu einem späteren Zeitpunkt nicht die "harte" oder materialbedingte Betriebsgrenze (76) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Betrieb der elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung (10) allmählich begrenzt wird, wenn sich der Betrieb der Druckaufladevorrichtung (10) der "harten" Betriebsgrenze (76) nähert.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 9, worin das Luftchargenverstärkungssystem eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe (17) zur Steuerung der Motoransaugmenge aufweist, worin das Verfahren die Schritte des Einsatzes des elektronischen Steuersystems (32) beinhaltet, derart, daß: die Drosselklappenposition so eingestellt wird, daß sie die Ansaugmenge des Motors (1) regelt; die Ist-Luftcharge (122, 125) je nach den Motorbetriebsbedingungen (122, 125) bestimmt wird; die Soll-Luftcharge (65) mit der Ist-Luftcharge (122, 125) verglichen wird; worin die Druckaufladevorrichtung (10) nur dann betrieben wird, um die Ansaugmenge des Motors (1) im Einklang mit dem Vergleich zwischen Soll-Luftcharge (62) und Ist-Luftcharge (122, 125) zu erhöhen, wenn sich die Drosselklappe (17) in der weit geöffneten Stellung befindet, und wenn die Drehmomentforderung (61) nicht durch den natürlichen Saugbetrieb alleine gedeckt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Soll-Luftcharge (62) entsprechend den momentanen Motorbetriebsbedingungen berechnet wird, einschließlich einer momentanen Luftcharge (122, 125).
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, worin das elektronische Steuersystem (32) eine Steuerung des Betriebes der elektrisch getriebenen Druckaufladevorrichtung (10) in geschlossener Regelschleife bietet, indem die momentane Luftcharge (122, 125) überwacht wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2 bis 12, worin die Motordrehmomentforderung (61) ausgehend von einer Fahrerforderung (20, 120) berechnet wird.