DE68904701T2 - Antriebssystem fuer turbolader mit drehender elektrischer maschine. - Google Patents

Antriebssystem fuer turbolader mit drehender elektrischer maschine.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen Turbolader, der in einen Motor mit geschlossenem Brennraum an einem Kraftfahrzeug wie z.B. einem Automobil eingebaut ist, und insbesondere ein Antriebssystem für einen Turbolader, der mit einer rotierenden elektrischen Maschine kombiniert ist, die als ein Elektromotor in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Motors mit geschlossenen Brennraum arbeiten kann.
  • Die EP-A-0 217 537 offenbart einen Turbolader, der in einen Motor mit geschlossenem Brennraum an einem Kraftfahrzeug eingebaut ist und eine Turbinenwelle aufweist, an der eine rotierende elektrische Maschine angebracht ist, die alternativ entweder als ein Elektromotor oder als ein Generator arbeiten kann. Die rotierende elektrische Maschine wird so gesteuert, daß sie als der Motor oder der Generator arbeitet auf der Grundlage eines Signals, das ein Maß für die Last des Motors ist, und eines Signales, das ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Motors ist.
  • Gemäß diesem Stand der Technik wird die rotierende elektrische Maschine als der Generator betrieben, und erzeugte elektrische Energie wird benutzt, um die Batterie zu laden, wenn der Motor einer Teillast unterworfen ist. Wenn der Motor bei einer geringen Geschwindigkeit läuft, während er unter einer hohen Last ist, wird gespeicherte elektrische Energie von der Batterie zu der rotierenden elektrischen Maschine geliefert, um letztere als den Motor zu betreiben. Die Drehung des Turboladers, die durch die Energie der Abgase von dem Verbrennungsmotor bewirkt wird, wird nun unterstützt, um den Ladedruck anzuheben, so daß der Verbrennungsmotor in die Lage versetzt wird, eine höhere Leistungsabgabe bei der geringen Motordrehzahl unter einer hohen Motorlast hervorzubringen.
  • Um die rotierende elektrische Maschine anzutreiben, wird eine große Menge an elektrischer Engergie benötigt. Wenn der Verbrennungsmotor bei einer geringen Drehgeschwindigkeit arbeitet, insbesondere, wenn der Verbrennungsmotor ein Benzinmotor ist, da die Energie der abgegebenen Abgase gering ist, muß eine große Menge an elektrischer Energie von der Batterie geliefert werden, um den Turbolader ausreichend anzutreiben, so daß er das Aufladen des Verbrennungsmotors unterstützt. Folglich neigt die Spannung der Batterie dazu, in weiten Bereichen bis zu dem Punkt abzufallen, bei dem verschiedene elektrische Teile an dem Kraftfahrzeug nicht mehr mit Strom versorgt werden, und die Batterie kann eine geringe Lebensdauer haben.
  • Es ist z.B. aus der DE-C-696 111 und JP-A-60-128 935 bekannt, einen Motor eines Turboladers direkt von einem Generator anzutreiben, der durch den Motor mit geschlossenem Brennraum selbst angetrieben wird. Außerdem ist z.B. aus der EP-A-0 094 686 und FR-A-2 495 384 die Verbindung eines Generators mit einem antreibenden Motor mit geschlossenem Brennraum über eine Kupplung bekannt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem für einen Turbolader vorzusehen, der in einen Motor mit geschlossenem Brennraum eingebaut ist und mit einer rotierenden elektrischen Maschine kombiniert ist, wobei das System einen Generator einschließt, der durch den Verbennungsmotor antreibbar ist, um elektrische Energie zu erzeugen, die zu der rotierenden elektrischen Maschine geliefert wird, wenn die rotierende elektrische Maschine als ein Elektromotor arbeitet, um die Drehung des Turboladers zu unterstützen.
  • Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird also ein Antriebssystem für einen Turbolader bereitgestellt, der in einen Motor mit geschlossenem Brennraum installiert ist und mit einer rotierenden elektrischen Maschine kombiniert ist, wobei die rotierende elektrische Maschine durch die elektrische Energie antreibbar ist, die in einer Batterie gespeichert ist, sowie durch elektrische Energie, die durch einen Generator erzeugt wird, der durch den Verbrennungsmotor antreibbar ist, wobei das System Mittel einschließt, die, wenn die rotierende elektrische Maschine als ein Elektromotor arbeitet, um die Drehung des Turboladers zu unterstützen, den Generator antreiben, wenn die Spannung der Batterie unter ein vorgegebenes Niveau abfällt, um elektrische Energie zu erzeugen, die an die rotierende elektrische Maschine geliefert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Antriebssystem für einen Turbolader vorgesehen, das in einem Motor mit geschlossenem Brennraum an einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, mit: einer rotierenden elektrischen Maschine, die an der rotierenden Welle des Turboladers angebracht ist;
  • einer Batterie für die Speicherung elektrischer Energie, die an die rotierende elektrische Maschine zu liefern ist;
  • Mitteln zur Lieferung elektrischer Energie von der Batterie zu der rotierenden elektrischen Maschine;
  • Mitteln zur Feststellung der Spannung über die Batterie und
  • Mitteln zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine als einen Elektromotor in Abhängigkeit von einer Betriebsbedingung des Verbrennungsnotors, das gekennzeichnet ist durch
  • einen Generator, der durch den Leistungsausgang des Motors antreibbar ist;
  • Mittel zur Zufuhr von durch den Generator erzeugte elektrische Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine;
  • eine Kupplung, die zwischen dem Generator und dem Verbrennungsmotor angeordnet ist und ein- und ausrückbar ist zur wahlweisen Ankupplung und Abkupplung der Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zu dem bzw. von dem Generator; und
  • Mittel zur Einlegung der Kupplung, um den Generator anzutreiben, wenn die rotierende elektrische Maschine als ein Motor betrieben wird und wenn die Spannung über der Batterie geringer ist als ein vorgegebenes Niveau.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher von der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems für einen Turbolader mit einer rotierenden elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • Fig. 2 eine schematische Ansicht, die das Verhältnis zwischen einem Verbrennungsmotor und einem Turbolader in dem System der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, wird ein Motor 1 mit geschlossenem Brennraum, der an einem Kraftfahrzeug wie z.B. einem Automobil angebracht ist, durch die Verbrennungsenergie von Luft, die durch ein Einlaßrohr 1a eingesaugt wird, und Kraftstoff angetrieben, der an den Verbrennungsmotor geliefert wird, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Abgase von dem Verbrennungsmotor 1 werden durch ein Auspuffrohr 1b abgegeben.
  • Ein Turbolader 2 ist an den Motor 1 über das Einlaßrohr 1a und das Auspuffrohr 1b verbunden. Der Turbolader 2 hat einen Kompressor 2a zum Komprimieren von an den Verbrennungsmotor 1 zu liefernder Luft und eine Turbine 2b, die durch die Abgasenergie von dem Verbrennungsmotor 1 antreibbar ist. Der Kompressor 2a und die Turbine 2b sind axial durch eine rotierende Welle miteinander verbunden, auf der eine rotierende elektrische Maschine 3 angebracht ist.
  • Wenn die Turbine 2b durch die Abgasenergie von dem Verbrennungsmotor 1 in Drehung versetzt wird, wird der damit koaxial angeordnete Kompressor 2a ebenfalls angetrieben, um Einlaßluft zu komprimieren, und die komprimierte Einlaßluft wird durch das Einlaßrohr 1a in den Verbrennungsmotor 1 geliefert, um den Verbrennungsmotor 1 in die Lage zu versetzen, eine höhere Ausgangsleistung hervorzubringen.
  • Die rotierende elektrische Maschine 3 umfaßt einen Rotor, der aus Permanentmagneten mit starken magnetischen Remanenzkräften besteht, und einen Stator, der mehrphasige Windungen trägt. Wenn Wechselstromenergie an die mehrphasigen Windungen gegeben wird, wird die rotierende elektrische Maschine 3 als ein Elektromotor betrieben, um den Kompressor 2a in Drehung zu versetzen, so daß der Turbolader 2 beim Aufladen des Verbrennungsmotors 1 unterstützt wird. Wenn die Abgasenergie des Verbrennungsmotors intensiv ist, bewirkt die Drehung des koaxial mit der Turbine 2b angeordneten Rotors eine Änderung in dem magnetischen Fluß, so daß in den mehrphasigen Windungen des Stators Wechselstromenergie erzeugt wird. Die erzeugte Wechselstromenergie wird dann gleichgerichtet, um eine Batterie 4 zu laden. Die Spannung der durch die rotierende elektrische Maschine 3 erzeugten elektrischen Energie wird durch einen Spannungsmesser 31 festgestellt. Die Spannung über die Batterie 4 wird durch einen Spannungsmesser 41 festgestellt. Festgestellte Ausgangssignale von diesen Spannungsmessern 31, 41 werden an einen Kontroller 9 (wird später beschrieben) gegeben.
  • An den Verbrennungsmotor 1 ist über eine Kupplung 51 ein Generator 5 antriebsseitig angeschlossen, die als Mittel zur Steuerung der Übertragung von Leistung von dem Verbrennungsmotor 1 dient. Der Generator 5 wandelt so einen Teil der mechanischen Leistung des Verbrennungsmotors 1 in Gleichstromenergie. Wenn der Verbrennungsmotor 1 bei geringer Drehzahl unter einer hohen Last arbeitet und der Ladedruck des Turboladers 2 angehoben werden soll, wird die durch den Verbrennungsmotor 1 erzeugte elektrische Energie an die rotierende elektrische Maschine 3 gegeben, um den Turbolader 2 beim Aufladen des Verbrennungsmotors 1 zu unterstützen. Die Kupplung 51 umfaßt eine elektromagnetische Kupplung, die, wenn sie unter Strom gesetzt ist, die Motorleistung an den Generator 5 überträgt. Die Kupplung 51 kann durch ein Befehlssignal von dem Kontroller 9 eingerückt oder getrennt werden.
  • Ein Spannungswandler 6 weist einen Schaltkreis auf, der aus Halbleitersteuerelementen, einem spannungserhöhenden Transformator und einem Gleichrichter besteht. Der Spannungswandler 6 dient dazu, die Spannung der von dem Generator 5 gelieferten Gleichstromenergie zu erhöhen.
  • Ein Inverter 7 ist an den Spannungswandler 6 angeschlossen, um die Gleichstromenergie von dem Spannungswandler 6 in elektrische Energie umzuwandeln, die eine vorgeschriebene Frequenz hat, um die rotierende elektrische Maschine 3 anzutreiben. Der Spannungswandler 6 und der Inverter 7 werden während des Betriebes durch Steuerbefehle von den Kontroller 9 gesteuert.
  • Ein Regler 8 wandelt Wechselstromenergie, die durch die rotierende, als ein Generator arbeitende elektrische Maschine 3 erzeugt worden ist, in Gleichstromenergie um, die zum Laden der Batterie 4 benutzt wird. Die Spannung und der Strom der von dem Regler 8 erzeugten elektrischen Energie werden durch einen Steuerbefehl von dem Kontroller 9 gesteuert. Scheinwerfer 10, die als ein Beispiel für ein elektrisches, an dem Fahrzeug angebrachtes Bauteil gezeigt sind, werden mit elektrischer Energie von der Batterie 4 versorgt.
  • Die Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors 1 wird durch einen Motorgeschwindigkeitssensor 11 festgestellt. Der Betrag, um den ein Gaspedal des Motors niedergedrückt wird, wird durch einen Gaspedalbewegungssensor 12 festgestellt. Festgestellte Ausgangssignale in diesen Sensoren 11, 12 werden an den Kontroller 9 gegeben.
  • Der Kontroller 9 umfaßt z.B. einen Mikrocomputer und hat eine zentrale Prozessoreinheit, einen Speicher und einen Eingangs-/Ausgangsschaltkreis. Der Kontroller 9 reagiert auf Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 1, Betriebsbedingungen der rotierenden elektrischen Maschine 3 und ein Signal von dem Voltmesser 41 zur Ausgabe von Steuerbefehlen jeweils zu der Kupplung 51, den Spannungswandler 6, dem Inverter 7 und dem Regler 8 gemäß einem Steuerprogramm, das in dem Speicher abgelegt ist.
  • Der Betrieb des Antriebssysteiris mit der vorangehend vorgestellten Konstruktion wird nachfolgend beschrieben.
  • (1) Wenn der Verbrennungsmotor 1 in Betrieb ist, wird die Turbine 2b des Turboladers 2 durch die Energie der abgegebenen Abgase angetrieben, um den Kompressor 2a zu betreiben und Einlaßluft zu komprimieren, um Ladeluft in den Verbrennungsmotor 1 zu liefern. Wenn der Verbrennungsmotor eine hohe Ausgangsleistung benötigt wie für den Fall, bei dem das Kraftfahrzeug z.B. bergauf fährt, läuft er bei einer geringen Drehzahl unter hoher Last; der Motor 1 kann nicht ausreichend durch den Turbolader 2 aufgeladen werden, da die Abgasenergie von dem Motor 1 gering ist, insbesondere wenn der Motor 1 ein Benzinmotor ist.
  • Der Kontroller 9 erhält ein Ausgangssignal von dem Motorgeschwindigkeitssensor 11 und ein Ausgangssignal von dem Gaspedalbewegungssensor 12 und stellt fest, daß der Motor bei einer geringen Geschwindigkeit unter einer hohen Last auf der Grundlage der erhaltenen Ausgangssignale arbeitet. Dann steuert der Kontroller 9 den Spannungswandler 6 und den Inverter 7, so daß sie elektrische Energie von der Batterie 4 zu der rotierenden elektrischen Maschine 3 liefern, um so die rotierende elektrische Maschine 3 als einen Motor zu betreiben und den Ladedruck zu erhöhen. Weil die zu der rotierenden elektrischen Maschine 3 gelieferte elektrische Energie groß ist, fängt die Spannung über die Batterie 4 an, abzufallen. Wenn der Kontroller 9 feststellt, daß die Batteriespannung unter ein vorgegebenes Niveau fällt auf der Basis des Spannungssignals von dem Spannungsmesser 41, erzeugt er einen Steuerbefehl, um die Kupplung 51 einzurücken, womit der Generator 5 mit dem Motor 1 verbunden wird, worauf der Generator 5 betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen. Der Kontroller 9 steuert ebenso den Spannungswandler 6 und den Inverter 7, um von dem Generator 5 erzeugte elektrische Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umzuwandeln, die eine vorgegebene Spannung und Frequenz aufweist. Die Wechselstromenergie, die von dem Inverter 7 hervorgebracht wird, wird dann an die rotierende elektrische Maschine gegeben. Die rotierende elektrische Maschine 3 unterstützt die Drehung des Kompressors 2a, um den Ladedruck zu erhöhen und so verdichtete Einlaßluft zu dem Verbrennungsmotor 1 zu liefern, der in dieser Weise eine höhere Leistungsabgabe hervorbringt.
  • Wenn vom Kontroller 9 festgestellt wird, daß der Motor bei geringer Geschwindigkeit unter einer hohen Last arbeitet oder eine Beschleunigung des Kraftfahrzeuges auf der Basis der festgestellten Signale von dem Motorgeschwindigkeitssensor 11 und den Gaspedalbewegungssensor 12 erforderlich wird, kann der Kontroller 9 den Generator 5 unabhängig von der Batteriespannung betreiben.
  • (2) Während das Kraftfahrzeug mit hoher Geschwindigkeit fährt, ist die von dem Motor 1 abgegebene Abgasenergie ausreichend groß, und es ist nicht notwendig, elektrische Energie an die rotierende elektrische Maschine 3 zur Aufladung des Motors 1 zu geben. Da die Spannung über die Batterie 4 ein normales Niveau hat und das festgestellte Signal von dem Spannungsmeßgerät 41 einen normalen Wert hat, erzeugt der Kontroller 9 einen Steuerbefehl, die Kupplung 51 zu öffnen, um so den Generator 5 von dem Motor 1 zu trennen. Die rotierende elektrische Maschine 3 an dem Turbolader 2 wird nun als ein Generator betrieben, um Wechselstromenergie zu erzeugen, die von dem Regler 8 in Gleichspannungsenergie umgewandelt wird. Die gleichgerichtete Gleichspannungsenergie wird an die Batterie 4 zu deren Ladung gegeben.
  • Mit der vorliegenden, vorangehend beschriebenen Erfindung wird der durch den Leistungsausgang des Motors 1 antreibbare Generator 5 wirksam mit dem Motor 1 mit Hilfe der Kupplung 51 verbunden. Wenn der Motor bei geringer Geschwindigkeit und unter einer hohen Last arbeitet, wird die Kupplung 51 geschlossen, um den Generator 5 zu betreiben, wonit er in die Lage versetzt wird, elektrische Energie zu erzeugen. Die erzeugte elektrische Energie wird an die rotierende elektrische Maschine 3 gegeben, um den Turbolader 2 beim Aufladen des Motors 1 zu unterstützen. Es ist deshalb für die Batterie 4 nicht erforderlich, gespeicherte elektrische Energie an die rotierende elektrische Maschine 3 zu geben, und folglich wird die Batteriespannung daran gehindert, unverhältnismäßig stark abzufallen. Irgendwelche elektrischen Bauteile an dem Fahrzeug werden deshalb daran gehindert, einen Betriebsausfall zu erleiden, was andernfalls durch einen Batterieenergiemangel verursacht werden würde. Die Batterie speichert so einen hinreichenden Betrag an elektrischer Energie, und ihre Lebensdauer wird nicht verkürzt.

Claims (4)

1. Ein Antriebssystem für einen Turbolader (2), der in einen Motor (1) mit geschlossenen Brennraum an einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, mit
einer rotierenden elektrischen Maschine (3), die an einer rotierenden Welle des Turboladers angebracht ist,
einer Batterie (4) zur Speicherung elektrischer Energie, die an die rotierende elektrische Maschine geliefert werden kann,
Mitteln (8) zur Zufuhr von elektrischer Energie von der Batterie zu der rotierenden elektrischen Maschine,
Mitteln (41) zur Feststellung der Spannung über die Batterie und
Mitteln (6,7) zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine (3) als ein Elektromotor in Abhängigkeit von einer Betriebsbedingung des Motors, gekennzeichnet durch
einen Generator (5) , der durch einen Ausgang des Motors antreibbar ist,
Mittel (6,7) zur Zufuhr von von dem Generator erzeugter elektrischer Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine,
eine Kupplung (51), die zwischen dem Generator (5) und dem Motor (1) angeordnet ist und einrückbar und ausrückbar zur wahlweisen Ankupplung oder Abkupplung der Ausgangsleistung des Motors zu dem bzw. von dem Generator (5) ist, und
Mittel (9) zum Einkuppeln der Kupplung (51), um den Generator (5) anzutreiben, wenn die rotierende elektrische Maschine als ein Motor betrieben wird und wenn die Spannung über die Batterie (4) geringer ist als ein vorgewähltes Niveau.
2. Ein System nach Anspruch 1, bei dem die Kupplung eine elektromagnetische Kupplung (51) umfaßt.
3. Ein System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Generator einen Gleichstrongenerator (5) umfaßt, die Mittel zur Zufuhr elektrischer Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine einen Spannungskonverter (6) zur Anhebung der Spannung der von dem Gleichstromgenerator erzeugten Gleichstromenergie und einen Inverter (7) zur Wandlung der Gleichstromenergie mit der Spannung aufweisen, die durch den Spannungskonverter zu einer Wechselstromenergie mit einer vorgegebenen Frequenz angehoben worden ist, und die Wechselstromenergie an die rotierende elektrische Maschine (3) liefern.
4. Ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem mit
Mitteln (11) zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Motors (1),
Mitteln (12) zur Feststellung der Last auf den Motor (1), bei dem
die rotierende elektrische Maschine als ein Elektromotor betrieben wird, wenn als Ergebnis der Signale von beiden Feststellungsmitteln (11,12) erkannt wird, daß der Motor bei einer niedrigen Geschwindigkeit unter einer hohen Last arbeitet.
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