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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Handhabung von Kaltstartemissionen
aus Kraftfahrzeugen. Im Spezielleren ermöglicht die Erfindung eine Reduktion
der Zeit, die erforderlich ist, damit sich die Abgassystemkomponenten
während
eines Kaltstarts erwärmen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist auf dem Gebiet der Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren bekannt,
dass die Zeit, während
der ein Motor läuft,
bevor bestimmte abgasrelevante Komponenten kritische Betriebstemperaturen
erreichen, einen beträchtlichen
Beitrag zu den Gesamtkohlenwasserstoffemissionen aus dem Auspuff
liefert. Dies trifft im Allgemeinen zu, da die zum Behandeln von
Abgasen verwendeten Katalysatoren bei niedrigeren Temperaturen unwirksam
sind und da die Abgassensoren, die zum Schließen der Schleife bei einem
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
verwendet werden, ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben
und daher nicht verwendet werden können. Darüber hinaus wird der Motor typischerweise
mit fetten Luft/Kraftstoff-Verhältnissen
kalibriert, um Fehlzündungen
und partielle Verbrennungen zu vermeiden, was weiter zu den Kohlenwasserstoffemissionen
beiträgt.
Es ist allgemein auch gut bekannt, dass Auspuffemissionen während Kaltstarts
beträchtlich
reduziert werden können,
wenn die Zeit, bis diese Komponenten annehmbare Betriebstemperaturen
erreichen, reduziert werden kann.
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Es
sind Systeme bekannt, die auf Lufteinspritzreaktionspumpen basieren,
um dem Abgas Luft für
eine Nachverbrennung, eine Kohlenwasserstoff verbrennung und Wärmeerzeugung
oberstromig des Katalysators zuzuführen. Solche Systeme besitzen Nachteile
im Hinblick auf die Kosten, Masse und Zuverlässigkeit.
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Beim
Versuch, auf diese Erfordernisse und Unzulänglichkeiten einzugehen, wurden
Ansätze vorgeschlagen,
um die Zeit zu reduzieren, die zum Erreichen kritischer Temperaturen
erforderlich ist. Es ist bekannt, dass ein Erhöhen der Motordrehzahl die Wärmeabgabe
an das Abgas erhöht
und eine Reduktion der Zeit, bis die Abgaskomponenten diese kritischen
Temperaturen erreichen, bewirken kann. Allerdings können übermäßig hohe
Motordrehzahlen für einen
Fahrer des Fahrzeugs störend
sein. Es ist auch bekannt, dass ein Verzögern des Zündzeitpunkts dazu dient, die
zu dem Abgassystem transportierte Wärmeenergie zu erhöhen. Allerdings
besitzen moderne Motoren eine begrenzte Autorität über die Zündverzögerung, da eine zu große Verzögerung zur Verbrennungsinstabilität beiträgt.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass ein Erhöhen der Motorlast und somit
der Menge an verbrauchtem Kraftstoff pro Verbrennungszyklus auch
die Wärmeabgabe
an das Abgas erhöht.
Es wurden Systeme vorgeschlagen, um die Motorlast durch Überregen
eines/r Fahrzeugstarters/Lichtmaschine in Kombination mit einer
Zündverzögerung und
einer Kraftstoffabmagerung zu erhöhen. Es wird nicht erklärt, was
mit einem Überregen
des/r Starters/Lichtma-schine gemeint ist, und es wird keine Erklärung gegeben,
die darauf hinweist, wo die zusätzliche
Energie abgeführt wird.
Allerdings legt solch eine Anordnung eine Energieabfuhr innerhalb
der Maschine nahe, was einen ungeregelten Betrieb und eine Beeinträchtigung
der Spannungs/Stromni-veaus bedeuten kann. Dies stellt eine potentielle
Beeinträchtigung
oder einen verschwenderischen Energieumgang dar.
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Es
wurden auch elektrisch erwärmte
Katalysatoren als ein Mittel zum Beschleunigen des Erwärmens des
Katalysators vorgeschlagen. Solche Systeme erfordern eine beträchtliche
elektrische Energie, um ein schnelles Erwärmen zu bewirken. Das Anlegen
einer Spannung an elektrisch erwärmte
Katalysatoren, um diese direkt zu erwärmen, indem die normalen elektrischen
Fahrzeuglasten von dem Generator und dem Generatorbetrieb in einem
ungeregelten Modus unterbrochen werden, um solch eine Katalysatorheizeinrichtung
schnell mit Energie zu versorgen, wurde vorgeschlagen.
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Die
EP 1 182 074 A und
die
US-A-5 265 418 offenbaren
beide ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Fahrzeugs
zur Reduktion von Emissionen gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Ansprüche.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und
ein Verfahren bereitzustellen, um eine Reduktion der Aufwärmzeit für bestimmte
Abgaskomponenten zu bewirken, sodass Verbesserungen bei den Kaltstartemissionen
realisiert werden können.
Vorzugsweise werden die Lösungen
keine signifikanten Kosten-, Masse- oder Zuverlässigkeitsprobleme mit sich
bringen. Darüber
hinaus ist auch eine Lösung
erwünscht,
die einen normalen Betrieb des elektrischen Systems einschließlich einer
Schutzregelung davon vorsieht. Überdies ist
die enthaltene Nutzung der ansonsten verschwendeten, abgeführten Energie
für den
Fortschritt solcher Lösungen
im Allgemeinen wünschenswert.
Die Lösung
dieser Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erreicht.
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Gemäß bestimmten
Aspekten der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Beschleunigen
der Erwärmung
von Abgassystemkomponenten während
Kaltstartbedingungen in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Solch eine
Vorrichtung umfasst einen Motorcontroller, der dazu dient, die Motordrehzahl
durch Einstellen des Motorlast-Betriebspunkts zu steuern. Ein durch
den Verbrennungsmotor angetriebener Generator stellt einen geregelten
Ausgang bereit. Der Controller ist geeignet, um zu ermitteln, wann
eine beschleunigte Erwärmung
der Abgassystemkomponenten erforderlich ist, und dient dazu, eine
elektrische Zusatzlast mit dem Generator elektrisch zu koppeln,
wenn eine beschleunigte Erwärmung
von Abgassystemkomponenten erforderlich ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur
beschleunigten Erwärmung
von Abgassystemkomponenten in einem Fahrzeug vorgesehen. Das Fahrzeug
umfasst einen Verbrennungsmotor, einen Motorcontroller und einen elektrischen
Generator, der antreibend mit dem Motor gekoppelt ist und einen
elektrischen Ausgang aufweist. Dem Generatorausgang wird eine elektrische Zusatzlast
bereitgestellt, um dem Motor eine Drehmomentlast bereitzustellen,
während
eine Motordrehzahl auf ein vorbestimmtes Motordrehzahlprofil gesteuert
wird. Die Motordrehzahl kann z. B. durch Vornehmen von Einstellungen
der Kraftstoffdosierung oder durch Vornehmen von Einstellungen an
der elektrischen Zusatzlast gesteuert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Veranschaulichung eines Fahrzeugantriebsstranges und
eines elektrischen Systems gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
grafische Veranschaulichung der allgemeinen Temperaturreaktion eines
Fahrzeugabgassystems auf erhöhte
Lasten bei verschiedenen Lasten für verschiedene Grade einer
Zündverzögerung ist;
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3 eine
grafische Veranschaulichung der allgemeinen Ausgangseigenschaften
einer Kraftfahrzeuglichtmaschine bei verschiedenen Motordrehzahlen
und mit gesteuerten und nicht gesteuerten Brückengleichrichteranordnungen
ist;
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4 eine
schematische Veranschaulichung eines Fahrzeugantriebsstranges und
eines elektrischen Systems gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 ein
Flussdiagramm ist, das verschiedene Schritte zur Implementierung
durch einen oder mehrere elektronische Controller beim Ausführen der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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6 eine
grafische Veranschaulichung einer alternativen Steuermethodik gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Eine
beispielhafte Kraftfahrzeugumgebung, in der bestimmte bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegende Erfindung ausgeführt
sein können,
ist allgemein mit Bezugnahme auf 1 veranschaulicht und
beschrieben. Ein Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang, allgemein
bei 10 bezeichnet und umfasst im Spezielleren einen Verbrennungsmotor 11, der über eine
eingerückte
Drehmomentwandler-Kupplung 13 mit einem au tomatischen Getriebe 15 mit
mehreren Übersetzungen
gekoppelt ist. Das Getriebe 15 weist eine Abtriebswelle 17 auf,
die wiederum über
ein Differential und Achsantriebs-Zahnradsätze (nicht gezeigt) mit mindestens
einem Antriebsrad mechanisch gekoppelt ist. Der Motor 11 weist
auch eine Antriebswelle 19 für Nebenaggregate auf, um eine
Vielzahl von durch den Motor angetriebenen Nebenaggregate mithilfe
eines Riemenscheiben- und Riemensystems (nicht gezeigt) anzutreiben.
Solche durch den Motor angetriebene Nebenaggregate können z.
B. Klimaanlagenverdichter, Ansaugluftkompressoren und Generatoren
des elektrischen Systems eines Fahrzeugs umfassen.
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Motor-
und Getriebesteuerfunktionen sind mithilfe eines computerbasierten
Antriebsstrang-Steuermoduls (PCM) 21 implementiert, wie
in der Fig. gezeigt. Das PCM umfasst einen Mikroprozessor, einen
Nur-Lese-Speicher ROM, einen Arbeitsspeicher RAM, einen elektrisch
programmierbaren Nur-Lese-Speicher EPROM, einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber,
einen Analog/Digital(A/D)- und einen Digital/Analog(D/A)-Schaltkreis
und Eingangs/Ausgangsschaltkreise und -vorrichtungen(E/A) und einen
geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltkreis. Das PCM 21 dient
zum Erfassen von Daten von verschiedenen Sensoren bzw. Steuern verschiedener
Aktuatoren des Antriebstrangssystems. Daher ist das PCM 21 allgemein
in einer bidirektionalen Schnittstelle mit dem Motor 11 und
dem Getriebe 15 über
die Leitungen 23 und 27 gezeigt. Ebenfalls gezeigt
ist eine TCC-Aktuatorleitung 25, die der Drehmomentwandler-Kupplung
befiehlt einzurücken
oder auszurücken.
Unter den verschiedenen Parametern, die von dem PCM 21 erfasst
werden können,
befinden sich Getriebeölsumpf-
und Motorkühlmitteltemperaturen,
die Motordrehzahl, die Getriebeeingangs- oder Pumpenraddrehzahl
und die Getriebeausgangsdrehzahl sowie die Drosselklappenposition.
Verschiedene Aktuatoren, die durch das PCM 21 gesteuert
sein können, umfassen
Kraftstoffeinspritz einrichtungen, den Leerlaufluft-Steuermotor,
den Leerlaufdrehzahl-Steuermotoren
elektronischen Drosselklappensteuermotor, Getriebeöldruckregler-
und Gangschaltungs-Solenoide. Leerlaufluft-Steuermotoren, Leerlaufdrehzahl-Steuermotoren,
elektronische Drosselklappen-Steuermotoren und der Zündzeitpunkt
können verschiedentlich
und in Kombination von dem PCM verwendet werden, um die Motorleerlaufdrehzahl
gemäß gut bekannten
Drehzahlregelungsanordnungen zu steuern. Herkömmlicherweise wird die Motordrehzahl
in solch einer geregelten Anordnung gesteuert, wobei Abweichungen
von einer Zieldrehzahl kompensiert werden. Eine Erhöhung des
Motordrehmoments (d. h. des Lastdrehmoments, das die Abtriebswelle 17 oder
die Antriebswelle 19 für
Nebenaggregate des Motors erfährt),
die z. B. erfahren werden kann, wenn der Fahrer vom Parken zum Fahren schaltet
und ein Brems- oder Straßenmoment
mit dem Antriebsstrang koppelt, oder wenn die Antriebswelle für die Nebenaggregate
durch den A/C-Verdichter, dessen Einschalten befohlen wurde, belastet wird,
würde die
Tendenz zeigen, ein Absacken der Motordrehzahl zu bewirken. Die
Motordrehzahlsteuerung passt das Motorausgangsdrehmoment durch die
Luft/Kraftstoff- und Zündzeitpunktsteuerungen an,
um die Zielmotordrehzahl aufrechtzuerhalten. Die PCM 21 stellt
auch einen Ausgang eines elektronischen Zündzeitpunktsteuerungs (EST)-Signals
auf der Leitung 29 an den Zündcontroller 31 bereit.
Der Zündcontroller 31 spricht
auf das EST-Signal an, um den Zündkerzen 33 einen
zeitgesteuerten Ausgang von Ansteuerungssignalen bereitzustellen,
um die Kraftstoffladung in den Zylindern zu verbrennen. Das EST-Signal
kann geeignet sein, um Zündzeitpunktsignale über einen
weiten Zeitsteuerungsbereich bereitzustellen. Normalerweise ist
es wünschenswert, dass
ein Zündzeitpunkt
vor dem oberen Totpunkt eines Kolbens eintritt, wobei es typisch
ist, dass bei einer Erhöhung
der Motordrehzahl der Zündzeitpunkt weiter
nach früh
verstellt wird. Dem Fachmann ist allerdings bekannt, den Zündzeitpunkt
auf nach dem oberen Totpunkt zu verzögern, um ein Motorausgangsdrehmoment
schnell zu begrenzen und während
Kaltstarts die Abgastemperatur zu erhöhen, um im Wesentlichen ein
Motorausgangsdrehmoment für Wärme einzutauschen.
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Wie
erwähnt,
ist eine Antriebswelle 19 für Nebenaggregate, wie durch
die unterbrochene Linie 18 beispielhaft dargestellt, mit
dem Fahrzeuggenerator, vorzugsweise einer Lichtmaschine, allgemein durch
die Ziffer 22 bezeichnet, funktionell gekoppelt. Im Spezielleren
ist der Rotor (nicht gezeigt) der Lichtmaschine 22 riemengetrieben,
z. B. bei einem Lichtmaschinen/Motordrehzahlverhältnis von 3:1. Gemäß der beispielhaften
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Lichtmaschine 22 von der Art, die üblicherweise
als Lundell-Maschine bezeichnet wird. Strukturell umfasst eine Lundell-Maschine
eine Rotorwelle und einen Kern, über
den eine Feldspule 27 gewickelt ist. Die Feldspule umgebend
und auch an die Welle für
eine Rotation mit dieser befestigt, ist ein Paar entgegengesetzter
Klauenpolelemente, die durch ineinander greifende sich axial erstreckende Finger
gekennzeichnet sind. Alternative der Finger stellen dadurch entgegengesetzte
magnetische Pole bereit, wenn die Feldspule erregt wird. Der Rotor,
wie beschrieben, ist von einer Statoranordnung umgeben, die im Allgemeinen
aus einer Vielzahl von gestapelten, im Wesentlichen ringförmigen Schichtungen aus
Stahl zusammengesetzt ist. Eine dreiphasige Y-Wicklung 34 ist durch den Schichtungsstapel
getragen. Die Rotation des erregten Rotors induziert eine dreiphasige
Wechselstromausgangsspannung an den Wicklungsanschlüssen A,
B und C. Die Lichtmaschine stellt der Antriebswelle für Nebenaggregate
und somit der Motorkurbelwelle ein Lastdrehmoment gemäß allgemein
der Rotationsgeschwindigkeit, dem Felderregungsstrom und dem Leistungsausgang
von der Statorwicklung bereit.
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Die
Statorwicklung 34 ist mit einem dreiphasigen Vollweg-Brückengleichrichter 41 gekoppelt,
der eine Gleichstromausgangsspannung über die Anschlüsse V+ und
GND bereit stellt, wie veranschaulicht. V+ und GND sind mit dem
positiven (+) bzw. dem negativen (–) Anschluss einer Batterie 43 gekoppelt.
Auch ist zwischen V+ und GND eine elektrische Nennlast 45 gekoppelt,
die in der Fig. als ein variabler Widerstand veranschaulicht ist.
Eine elektrische Nennlast, wie hierin verwendet, ist allgemein als aggregierte
elektrische Lasten gekennzeichnet, die ohne die Implementierung
der vorliegenden Erfindung während
des Kaltstarts als Teil des herkömmlichen
Motors oder anderer Fahrzeugsystemsteuerungen aktiv sind, oder die
durch Anforderungen vom Fahrer eines Fahrzeugs aktiviert werden.
Eine Motornennlast entspricht auf Grund der Kopplung des Generators
mit dem Motorausgang zum Teil der elektrischen Nennlast des Generators.
Zur Illustration kann die elektrische Nennlast beim Starten des
Fahrzeugs das PCM und weitere Controller, die Kraftstoffpumpe, Kraftstoffeinspritzeinrichtungen,
Aufhängungsnivellierungspumpen,
Zusatzaggregatlasten wie z. B. Audiosysteme und Klimaanlagengebläsemotoren
sowie eine ladende Batterie umfassen. Es wird darauf hingewiesen,
dass bestimmte relativ bedeutende elektrische Lasten wie z. B. Scheibenenteiser
und beheizte Sitze herkömmlicherweise
eine Anforderung durch einen Fahrer bei jedem Zündzyklus erfordern, um aktiv
zu werden. Wenn solche Lasten vom Fahrer aufgerufen werden, sind
sie in der elektrischen Nennlast ebenfalls enthalten.
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Ein
Spannungsregler 37 dient dazu, den Feldstrom IF wie
z. B. durch Pulsweitenmodulation (PWM) einer Systemspannung über die
Feldspule 27 zu verändern.
Der Spannungsregler 37 regelt die Ausgangsspannung des
Stators auf eine Sollwertspannung, die ausreicht, um den Ladestatus
der Batterie aufrecht zu erhalten und die aktiven Fahrzeuglasten 45 abzudecken.
Vorzugsweise ist der Regler 37 ein digitaler Regler, der
eine Vor richtung verwendet, die auf die relativen Größen eines
Eingangsspannungssignals auf der Leitung 49 und der gewünschten
geregelten Ausgangsspannung der Lichtmaschine oder den „Sollwert" anspricht. Das Eingangsspannungssignal
auf Leitung 49 entspricht im Wesentlichen der Lichtmaschinenausgangsspannung,
die durch das Spannungssignal auf der mit dem positiven Anschluss
der Batterie gekoppelten Leitung 61 gemessen wird.
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Wenn
die tatsächliche
Ausgangsspannung der Lichtmaschine unter dem gewünschten Sollwert liegt, erregt
der Regler die Feldwicklung mit einem Halbleiterschalter (nicht
gezeigt), der in Reihe mit der Feldwicklung 27 der Lichtmaschine 25 verbunden
ist. Der Halbleiterschalter wird mit einer vorbestimmten Pulsweite
betrieben, die erhöht
wird, wenn die tatsächliche
Ausgangsspannung unter dem Sollwert liegt und verringert wird, wenn
die tatsächliche
Ausgangsspannung über
dem Sollwert liegt.
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Die
Leitung 51 stellt dem Spannungsregler ein einphasiges Spannungssignal
zum Ermitteln der Rotation und Frequenz hiervon zur Verwendung in seiner
Ermittlung der Rotordrehzahl, die verwendet werden kann, um anzugeben,
ob die Feldspule erregt werden soll, und wenn dies der Fall ist,
einen geeigneten Betriebsmodus zu ermitteln. Zum Beispiel ist die
Feldspule wünschenswerterweise
offen, wenn der Motor nicht läuft,
und somit dreht sich der Rotor nicht. Auch ist es bei geringen Drehgeschwindigkeiten
wie z. B. solchen, die auftreten, wenn der Fahrzeugmotor gestartet
wird, wünschenswert,
die Erregungspulsweite auf einen minimalen Wert zu begrenzen, um
während
des Anlassens des Motors ein unerwünschtes zusätzliches Lastdrehmoment zu
reduzieren. Die durch das einphasige Spannungssignal auf der Leitung 51 gelieferte
Drehzahlinformation lässt
zu, dass der Spannungsregler solche Situationen erkennt. Zusätzlich ist
ein Leiter 53 direkt an den Diodenbrückenausgang angebunden und
stellt dem Spannungsregler einen Eingang bereit, der gegenüber dem
Signal auf der Leitung 49 in gewisser Weise wie folgt redundant
ist. Wenn ein Spannungssignal auf der Leitung 49 in Überschuß eines
voreingestellten Schwellenwerts (im Wesentlichen 4 bis 6 Volt Gleichstrom)
vorhanden ist, wird ein Wählschaltkreis in
dem Regler das Spannungssignal auf der Leitung 49 in der
Regelfunktion verwenden. Wenn der Spannungsschwellenwert jedoch
nicht erreicht ist, wie es der Fall sein kann, wenn das Spannungssignal
verloren geht, da der Leiter 49 unterbrochen oder offen
ist, wird der Spannungsregler-Wählschaltkreis
die Diodenbrücken-Ausgangsspannung
an dem Leiter 53 in der Regelfunktion verwenden.
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Alternative
Fahrzeugantriebsstrang-Architekturen sind anwendbare Umgebungen,
um die vorliegende Erfindung auszuführen. Zum Beispiel können Hybridantriebsstränge, in
denen ein elektrischer Generator antreibend mit Verbrennungsmotoren
gekoppelt ist, sowohl seriell als auch parallel verwendet werden.
Tatsächlich
ist jede Konfiguration, in der ein elektrischer Generator mit einem
Verbrennungsmotor verbunden ist, gleichermaßen anwendbar.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zwischen V+ und GND eine elektrische Zusatzlast 44,
in der Fig. schematisch als ein variabler Widerstand dargestellt,
der in Übereinstimmung
mit einem Ausgangssignal von dem PCM auf der Leitung 24 gesteuert
wird. Wie hierin verwendet, ist eine elektrische Zusatzlast eine
elektrische Last, die gemäß der Steuerung
der vorliegenden Erfindung und zusätzlich zu der elektrischen
Nennlast abgerufen wird. Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird die elektrische Zusatzlast derart
aktiviert und gesteuert, dass die elektrische Nettolast des Fahrzeugs bei
einem vorbestimmten Punkt wie z. B. dem Betriebspunkt eines maximalen
Lichtmaschinenausgangs, der hierin später weiter erklärt ist,
liegt. Der Gesamtlaststrom, d. h. der von der Statorwicklung bereitgestellte
Nettostrom, ist in der Fig. mit IL bezeichnet
und umfasst die elektrischen Nennlasten und die elektrischen Zusatzlasten.
Die elektrischen Zusatzlasten können
zweckmäßigerweise
bereits existierende Fahrzeuglasten, z. B. Fahrzeugzusatzaggregatlasten
mit einer Funktion, die unabhängig von
ihrer geeigneten Funktion als eine elektrische Zusatzlast gemäß der vorliegenden
Erfindung ist, umfassen. Elektrische Zusatzlasten können auch elektrische
Lasten umfassen, die vorwiegend hinzugefügt werden, um als die elektrische
Zusatzlast gemäß der vorliegenden
Erfindung zu fungieren. Eine elektrische Zusatzlast kann die Form
eines Hochlastwiderstands einnehmen, der, z. B. mit einem Relais, einem
Halbleiter-Treiber oder jeder Art von geeignetem Schaltmechanismus,
in und aus einen/m Schaltkreis geschaltet werden kann. Ein variabler
Hochlastwiderstand (z. B. ein Reglerwiderstand) kann als elektrische
Zusatzlast verwendet werden, um die dargebotene Last zu steuern.
Zusätzlich
und am geeignetsten mittels einer Festkörperschaltung implementiert
kann eine elektrische Zusatzlast in den Schaltkreis pulsweitenmoduliert
werden, um einen steuerbaren Bereich effektiver elektrischer Lasten
zu erreichen. Eine Lastschaltung kann mithilfe von Relais bewerkstelligt
werden, die durch PCM-Ausgänge oder
direkt über
Hochlasttransistoren oder -treiber innerhalb des PCM gesteuert sind.
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Da
allgemein vorhersehbar ist, dass die Verlustleistung durch solch
eine Zusatzlast beträchtlich sein
kann (d. h. in der Größenordnung
von mehreren hundert Watt bis zu 1 Kilowatt und mehr), kann eine Wärmeübertragung,
insbesondere bei einer Zusatzlast, die kompakt ist und somit eine
relativ hohe Energiedissipationsdichte aufweist, kritisch sein.
Somit sind bevorzugte Anordnungen für die elektrische Zusatzlast,
um die Wärme
am effizientesten zu übertragen,
vorgeschlagen. Beispiele für
solche bevorzugten Anordnungen umfassen eine Wärmeübertragungsverbindung mit dem
Motorblock, einem Kühlmittel,
der Kraftstoffversorgung und der Einlass luft. Im Speziellen kann
solch eine elektrische Zusatzlast die Form einer Motorblockheizeinrichtung,
einer Motorkühlmittelheizein-richtung,
einer Motoreinlassluft-Heizeinrichtung oder einer Motorkraftstoffheizeinrichtung
annehmen. Weitere elektrische Lasten wie z. B. Abgassensorheizeinrichtungen
und elektrische Karosserielasten, die (eine) elektrisch beheizte Spiegel-
und Heckscheibe umfassen, sind von der vorliegenden Erfindung ebenfalls
umfasst. Bereits existierende elektrische Fahrzeuglasten, die als
elektrische Zusatzlasten genutzt werden können, können durch einen Redundanzschaltkreis
parallel zu dem normalen Steuerschaltkreis oder durch das geeignet machen
des normalen Steuerschaltkreises für solche Lasten gesteuert werden.
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4 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die eine wünschenswertere Implementierung
sein kann, wobei bereits existierende elektrische Fahrzeuglasten als
die Zusatzlast
44 verwendet werden können.
4 veranschaulicht
viele derselben Merkmale wie
1, wobei
dieselben Bezugsziffern, die in den zwei Fig. verwendet werden,
denselben Merkmalen entsprechen. Eine Wiederholung derselben Merkmale
erfolgt hierin nicht; allerdings sind bestimmte Unterschiede wie
folgt beschrieben. Bereits existierende elektrische Fahrzeuglasten,
insbesondere elektrische Karosserielasten mit hohem Stromverbrauch wie
z. B. Scheibenenteiser (einschließlich (einer) elektrisch beheizter/n
Spiegel- und Heckscheibe) werden üblicherweise
durch ein Karosseriesteuermodul (BCM) oder eine andere Steuereinheit
getrennt von dem PCM gesteuert. Das BCM
26 ist in einer
Zweiwegkommunikation mit dem PCM über einen seriellen Bus
28 oder
ein alternatives Mittel gezeigt. Das BCM
26 spricht auf
Fahreranforderungen wie z. B. von augenblicklichen Schaltereingängen an, um
solche Lasten in und aus den/m Schaltkreis zu steuern. Eine Lastschaltung
kann mithilfe von Relais, die durch BCM-Ausgänge oder direkt über Leistungstransistoren
oder -driver innerhalb des BCM gesteu ert sind, bewerkstelligt werden.
Die Leitung
30 von dem BCM stellt die Steuerleitung für eine elektrische Zusatzlast
44 dar.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung kommuniziert das PCM Anforderungen für elektrische Zusatzlasten über den
Bus
28 und das BCM reagiert, indem es elektrische Zusatzlasten
in den Schaltkreis schaltet. Darüber
hinaus können
selbst Hochspannungslasten, die auf geregelten oder ungeregelten
Niveaus, die höher
sind als die Systemspannungen, erregt werden, eine elektrische Zusatzlast gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitstellen, vorausgesetzt, die Regelung der normalen
elektrischen Lasten bleibt aufrecht. Ein solches Fahrzeugsystem, das
für solch
eine Verwendung geeignet gemacht werden kann, ist in der
USPN 4 780 619 offenbart.
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Während die
wichtigen Fahrzeugsysteme, die sich auf bestimmte beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beziehen, somit unter Bezugnahme auf
die 1 und 4 beschrieben wurden, wird nun
auf 2 Bezug genommen. Drei Kurven, bezeichnet mit 75, 76 und 77,
sind gegen ein Paar Achsen aufgetragen gezeigt. Die Kurven stellen
verschiedene Zeiten in Sekunden dar, die ein bestimmter Abschnitt
eines Fahrzeugabgassystems benötigt,
um von einem Kaltstart-Umgebungstemperaturzustand und bei verschiedenen
Motorlasten eine Zieltemperatur T zu erreichen. In dem vorliegenden
Beispiel beträgt
die Umgebungstemperatur im Wesentlichen 25 Grad C und die Zieltemperatur
T beträgt
im Wesentlichen 350 Grad C. Die Motorlast ist über die horizontale Achse dargestellt,
wobei der Einlasskrümmer-Absolutdruck
(MAP) angegeben ist und einzusehen ist, dass der MAP ein allgemein
anerkannter Indikator einer Motorlast bei einem stöchiometrischen
Motorbetrieb für
einen bestimmten Motor, der bei einem gegebenen Zündzeitpunkt
arbeitet, ist. Jede der verschiedenen Linien 75, 76 und 77 entspricht
verschiedenen Zündverzögerungsanwendungen
von 5, 15 bzw. 25 Grad nach dem oberen Totpunkt. Die Bewegung entlang
jeder der Kurven in der Fig. ist beispielhaft für die Reduktionen der Zeit
bis zur Temperatur T, die aus Anstiegen der Motorlast resultieren,
während
die in der Fig. ausgeführte
Kurvenverschiebung gemäß einer
größeren Zündverzögerung beispielhaft
für die
daraus resultierenden Reduktionen der Zeit bis zu der Temperatur
T ist. Gemäß dem Verfahren
und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine Motorlast
erhöht,
indem der Lichtmaschine eine elektrische Zusatzlast bereitgestellt
wird, und infolgedessen ist die Zeit bis zu der Temperatur T verringert.
Gemäß einem
weiteren Aspekt können
zusätzliche
Reduktionen der Zeit bis zur Temperatur erreicht werden, indem auf
den Motor eine Zündverzögerung in
Verbindung mit der der Lichtmaschine dargebotenen elektrischen Zusatzlast angewendet
wird. Eine Erhöhung
der Motordrehzahl ist ebenfalls ein weiterer Steuerfaktor, der,
wenn er mit der elektrischen Zusatzlast gekoppelt ist, auf Grund
eines erhöhten
Volumen- und Massendurchsatzes des Motors zusätzliche Reduktionen der Zeit bis
zu der Temperatur bereitstellen kann. Es ist jedoch ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung, dass Erhöhungen einer Motordrehzahl
mit bestimmten Ausführungsformen
davon abgeschwächt
oder vermieden werden können.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf
3 ist hierin
eine typische Leistungsausgangskapazitätskurve einer Fahrzeuglichtmaschine
gezeigt und mit
100 bezeichnet. Im Allgemeinen ist die
Leistungsausgangskapazität
bei höheren
Rotationsgeschwindigkeiten höher.
Der Ausgang ist relativ niedrig bei niedrigen Motordrehzahlen wie
z. B. 750 U/min und wesentlich höher
bei höheren
Motordrehzahlen wie z. b. 1500 U/min. Bei 1500 U/min ist die durch
die elektrische Nennlast verbrauchte Leistung durch den Bereich
113 dargestellt.
Die zusätzliche
Kapazität
115 oder
ein beliebiger Teil davon kann der elektrischen Zusatzlast bereitgestellt
werden. Bei niedrigeren Drehzahlen wie z. B. 750 U/min kann die
elektrische Nennlast im Wesentlichen die gesamte Ausgangskapazität
121 der
Lichtmaschine verbrauchen. Daher würden zusätzliche Lasten gegenüber einer elektrischen
Ladung des Generators typischerweise einen Motorbetrieb bei den
höheren
Drehzahlen erfordern. Solch ein Betrieb kann für den Fahrer störend sein,
da solch eine hohe Motordrehzahl überhöht scheinen mag. Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Leistungsfaktor der
Lichtmaschine geändert
werden, um eine höhere Ausgangskapazität bei einer
niedrigeren Drehzahl zu erreichen, wie durch die bei
101 bezeichnete
Kurve beispielhaft dargestellt. Ein/e beispielhafte/s Vorrichtung
und Verfahren zur Bewerkstelligung solch einer Leistungsfaktorsteuerung
ist in der
USPN 5 773 964 beschrieben,
deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Darin ermöglicht ein
aktiv gesteuerter Brückengleichrichter,
dass eine Strom/Spannungsphasen-steuerung eine Lichtmaschinenausgangssteuerung
beeinflusst, während
gleichzeitig eine Lichtmaschinenregelung aufrechterhalten bleibt. Somit
ist der zusätzliche
Kapazitätsbereich
123,
der der Energiefaktorsteuerung zugeordnet werden kann, bei niedrigeren
Drehzahlen verfügbar,
um dem Nebenaggregatantrieb über
die Lichtmaschine ein Drehmoment hinzuzufügen.
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5 ist
ein Flußdiagramm
für die
Schritte, die durch einen oder mehrere Controller, der/die das PCM 21,
das BCM 26 und den Spannungsregler 37 umfasst/en,
beim Ausführen
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden können, wobei
bestimmte Generatorparameter bei der Ermittlung der abzurufenden
elektrischen Zusatzlast verwendet werden. Die Schritte können ein
Teil einer viel größeren Gruppe
von Routinen sein, die verschiedene Antriebsstrang-, Karosseriezusatzaggregat- oder Lichtmaschinensteuerungen,
die hierin nicht gezeigt sind, implementieren. Die Routine beginnt
bei Schritt 501, der eine Lichtmaschinenregelungssteuerung darstellt.
Wie hierin beschrieben, ist die Lichtmaschine über Einstellungen am Feldstrom
IF auf eine Sollwert-Systemspannung Vreg spannungsgesteuert oder -geregelt. Wenn
eine Leistungsfaktorsteuerung der Lichtmaschine praktisch umgesetzt
wird, kann der Lichtmaschi nenausgang durch Einstellen der Ausgangsstrom/Spannungsphase über den
einer passiven brückengleichgerichteten
Implementierung hinaus erhöht
werden. Als Nächstes
stellt Schritt 502 eine Motordrehzahlsteuerung dar, wobei
die Motordrehzahl auf ein vorbestimmtes Profil gesteuert ist, das
eine konstante Geschwindigkeit umfasst. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Kaltstart-Motordrehzahl im Allgemeinen höher sein
als eine Warmstart-Motordrehzahl. Dies lässt einen größeren thermischen
Beitrag zu dem Abgassystem infolge der häufigeren Kraftstoffladungsverbrennung zu.
Allerdings besteht, wie zuvor erwähnt, ein Vorteil der vorliegenden
Erfindung darin, dass auch erhöhte Motordrehzahlen,
die für
einen Fahrer eines Fahrzeugs störend
sein können,
durch die vorliegende Erfindung vermeidbar sind. Eine Implementierung
wird ein Gleichgewicht zwischen diesen konkurrierenden Kriterien
sein. In jedem Fall stellt die Motordrehzahlsteuerung den Motorlast-Betriebspunkt
derart ein, dass er der ihm dargebotenen Last entspricht und die gewünschte Motordrehzahl
aufrecht erhalten wird. Eine höhere
Motorbelastung erfordert massivere Kraftstoff/Luft-Zylinderladungen,
wobei der limitierende Faktor darin besteht, wieviel Luft in den
Motor angesaugt werden kann. Ein maximaler Luftdurchsatz wird selbstverständlich mit
dem geringsten Betrag an Einlassverengung erreicht. Daher ist in
einem gedrosselten Motor eine Steuerung, die eine volle Drosselautorität oder große Luftumgehungswege
darum herum erlaubt am bevorzugtesten. Für Benzinmotoren sind daher
Systeme, die eine durch Motoren gesteuerte Drossel aufweisen (elektronische
Drosselklappensteuerungen), für
die aggressivste Implementierung der vorliegenden Ausführungsform
bevorzugt. Bei Schritt 503 erfolgt eine Prüfung, um
zu ermitteln, ob es erwünscht
ist, die Kaltstart-Steuerung zu starten oder fortzusetzen. Wenn
z. B. bestimmte vorbestimmte Bedingungen vorliegen, z. B., dass
genügend
Zeit seit dem vorhergehenden Zündzyklus
vergangen ist, und ein Betrieb innerhalb eines bestimmten Fensters
seit dem gegenwärtigen
Zündzyklus,
wird der Schritt 503 eine bestä tigende Antwort erhalten und
die Steuerung zu Schritt 505 weitergeleitet. Wenn es nicht
gewünscht
ist, die Kaltstart-Steuerung einzuleiten oder fortzusetzen, schreitet
die Steuerung danach zu Schritt 509 weiter, der die Zusatzlast
steuerbar freigibt und die Steuerung dann zu Schritt 511 weiterleitet,
bei dem die Routine verlassen wird. Bei Schritt 505 wird
ermittelt, ob eine zusätzliche
Lichtmaschinenausgangskapazität
für einen
Verbrauch durch die Zusatzlast verfügbar ist. Wenn die Systemspannung
Vsys unter der geregelten Sollwertspannung
Vreg liegt, dann überschreitet die gesamte elektrische
Last an dem elektrischen System die Regelungskapazität der Lichtmaschine.
In solch einer Situation wird der Schritt 509 abgerufen und
die Zusatzlast wird zurückgeschraubt
oder reduziert. Nachfolgende Schleifen durch die Routine würden danach
die Zusatzlast an einem Punkt stabilisieren, an dem die Lichtmaschinenregelung
effektiv ist. Dort, wo die Lichtmaschinenregulierung effektiv ist, ist
die Systemspannung Vsys nicht unter die
Regelungsspannung Vreg abgefallen und die
Steuerung schreitet zu Schritt 507 weiter. Bei Schritt 507 kann die
elektrische Zusatzlast weiter erhöht und die Routine bei Schritt 511 verlassen
werden.
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Eine
weitere Implementierung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme
auf 6 beschrieben, die eine alternative Steuermethodik
grafisch veranschaulicht. Ein gewünschtes Motordrehzahlprofil 601,
z. B. um 1200 bis 1400 U/min, wird erstellt, das für Motordrehzahlen
sorgen würde,
die für
den Fahrer akzeptabel sind und die einen erhöhten Volumen- und Massedurchsatz
des Motors erzeugen. Das Profil 601 in dem vorliegenden
Beispiel tendiert mit der Zeit nach unten zu geringeren Drehzahlen
hin. Andere Profile einschließlich
einer konstanten und einer ansteigenden Motordrehzahl sind auf das
vorliegende Verfahren gleichermaßen anwendbar. Es wird auch
ein gewünschtes
Kraftstoffdosierprofil 603 erstellt, das für eine erhöhte Kraftstoffversorgung
während
der Aufwärmperiode
anschlie ßend
an einen Kaltstart sorgen würde.
Selbstverständlich
wird die Einlassluft, die dem Motor zusammen mit dem Kraftstoff
bereitgestellt wird, um die Zylinderladung zu bilden, in ähnlicher
Weise erhöht,
um das gewünschte Luft/Kraftstoffverhältnis aufrecht
zu erhalten, das vorzugsweise einem stöchiometrischen nahe ist, um übermäßige Kohlenwasserstoffemissionen
auf dem Auspuff zu vermeiden. Das Kraftstoffdosierprofil 603 stellt
beispielsweise ein Einspritzeinrichtungs-Pulsweitenprofil dar. Da
ein Kaltstart durch einen Betrieb mit offener Regelschleife gekennzeichnet
ist, sind die Luft/Kraftstoff-Schemen durch Nachschlagetabellen bereitgestellt
und können
während
eines tatsächlichen
Motorbetriebs mit geschlossener Regelschleife adaptiv eingestellt
oder abgestimmt werden. Anschließend an ein/en Motoranlassen
und -start bei einer bestimmten Zeit T0+ wird die Zylinderladung
gemäß dem Kraftstoffdosierprofil 603 geliefert.
Die beobachtete Motordrehzahl 605 erhöht sich schnell in Richtung
des gewünschten
Motordrehzahlprofils 601. Dann wird die Motordrehzahl gesteuert,
indem die elektrische Zusatzlast, die dazu dient, den Motor zu belasten,
wie zuvor beschrieben, variiert wird. Gut bekannte PID-Steuerungen
können
verwendet werden, um den Motordrehzahlfehler einem Minimum anzunähern, indem
die Größe der elektrischen
Zusatzlast entsprechend geändert
wird. Die Steuerung der elektrischen Zusatzlast ist durch die Linie 607 in der
Fig. dargestellt, z. B. als ein PWM-Signal, um die Größe der Zusatzlast
von dem Generator aus gesehen in Übereinstimmung mit der Drehzahlfehlersteuerung
zu ändern.
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Als
eine Abwandlung an der mit Bezug auf 6 beschriebenen
Steuerung kann ein Zusatzlastziel oder -profil erstellt werden,
und die Zylinderkraftstoff- und -luftladung könnte gesteuert sein, um die Motordrehzahl
in Übereinstimmung
mit dem gewünschten
Motordrehzahlprofil aufrecht zu erhalten. Es wird jedoch bevorzugt,
die Motordrehzahl dadurch auf das gewünschte Profil zu steuern, dass
die elektrische Zusatzlast angepasst wird und die Zylinderladung
gemäß einem
vorbestimmten Schema bereitgestellt wird, da sich stabilere Auspuffemissionen
ergeben können.
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Die
verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung können auch
mit weiteren Motorsteuerungen wie z. B. Zündverzögerungssteuerungen kombiniert
werden, um das beschleunigte Erwärmen
von Abgaskomponenten, das durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist,
weiter zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hierin mit Bezug auf bestimmte bevorzugte
Ausführungsformen
und Abwandlungen beschrieben. Weitere alternative Ausführungsformen,
Abwandlungen und Implementierungen können in der Praxis ausgeführt werden,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der ausschließlich durch
die nachfolgenden Ansprüche
beschränkt
ist.