DE69020614T2 - Steuerungssystem für einen Motor mit mechanischem Lader. - Google Patents
Steuerungssystem für einen Motor mit mechanischem Lader.Info
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssystem für eine mit einem mechanischen Lader versehene Brennkraftmaschine, das die im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmale besitzt.
- Bei einem bekannten Steuerungssystem dieses Typs (DE-A 36 36 982) ist eine Steuerungsvorrichtung vorhanden, die nur dann den mechanischen Lader in Betrieb setzt, wenn die Maschine mit einer höheren Maschinendrehzahl als eine vorgegebene Maschinendrehzahl und mit einer Last, die nicht geringer als eine vorgegebene Last ist, betrieben wird. Diese vorgegebene Maschinendrehzahl, die z. B. bei 5000 min&supmin;¹ liegt, ist ungeachtet der Last stets konstant.
- Ferner ist eine Maschine mit einem mechanischen Lader bekannt, bei der der Lader mittels einer elektromagnetischen Kupplung oder ähnlichem außer Betrieb gesetzt wird, wenn die Maschine gestartet oder das Fahrzeug geschoben wird (JP-A 61-19932 und 60-240838).
- Ferner ist es üblich, den mechanischen Lader außer Betrieb zu setzen und die Ansaugluft über eine Umgehungsleitung zuzuführen, die im unteren Maschinendrehzahlbereich, der unterhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, den mechanischen Lader umgeht, um die Antriebsverluste zu verringern und die Wirtschaftlichkeit zu verbessern, da der Leistungssteigerungsbedarf relativ klein ist, wenn die Maschinendrehzahl niedrig und die Maschinenlast gering ist.
- Bei einem weiteren System für eine Maschine, die mit einem mechanischen Lader ausgerüstet ist (US-A 44 85 793), wird die Aktivierung und Deaktivierung des Laders derart gesteuert, daß über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine keine Aktivierung des Laders stattfindet, solange nicht ein vorgegebener Lastwert überschritten wird. Da sich der Lastwert in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl verändert, ist es möglich, daß der Lader aktiviert wird, wenn die Maschine von einer höheren Maschinendrehzahl auf eine niedrigere Maschinendrehzahl verzögert wird. Dies ist hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit nicht vorteilhaft, da die Wirksamkeit des Laders bei niedriger Maschinendrehzahl gering ist.
- Wenn ein mechanischer Lader im hohen Maschinendrehzahlbereich einsetzt, wird zu dem Zeitpunkt, zu dem der Lader mit der Maschinenabtriebswelle verbunden wird, ein beträchtlicher Kopplungsstoß erzeugt, der die Lebensdauer der Kupplung, des Laders selbst, des Ahtriebsriemens hierfür und dergleichen nachteilig beeinflußt. Dementsprechend setzt der mechanische Lader vorzugsweise ein, bevor die Maschinendrehzahl in den hohen Maschinendrehzahlbereich ansteigt.
- Als mechanische Lader sind verschiedene Typen bekannt wie z. B. ein Kapsellader, ein Schraubenverdichter und dergleichen.
- Wenn ein solcher mechanischer Lader bei einer vorgegebenen Maschinendrehzahl mit der Maschinenabtriebswelle gekoppelt oder von dieser getrennt wird, wird aufgrund der Steigerung bzw. Verringerung der Maschinenlast ein Drehmomentstoß erzeugt, wobei mit abnehmender Maschinenlast der Drehmomentstoß scheinbar zunimmt.
- In Fig. 5 zeigt die Kurve A die Beziehung zwischen der Maschinenlast und dem Drehmoment, das die Maschine erzeugt, wenn der mechanische Lader in Eingriff ist, während die Kurve B die gleiche Beziehung zeigt, wenn der mechanische Lader abgekoppelt ist. Die Kurven A und B schneiden sich bei einer bestimmten Maschinenlast, wobei die Maschine im Maschinenlastbereich unterhalb des vorgegebenen Wertes ein größeres Drehmoment erzeugt als bei in Eingriff befindlichem Lader. Wie aus dem Vergleich der Kurven A und B deutlich wird, wird bei Abnahme desjenigen Maschinenlastpunkts, bei dem der mechanische Lader eingreift und zu arbeiten beginnt, die Verringerung des Drehmoments im Maschinenlastbereich unterhalb des vorgegebenen Wertes größer.
- Da der Eingriffstoß beträchtlich ist, wenn der mechanische Lader bei hoher Maschinendrehzahl eingreift, wie oben beschrieben ist, und der Fahrer mit abnehmender Maschinenlast bei vorgegebener Drehmomentschwankung einen größeren Stoß wahrnimmt, besteht ein großer Bedarf an einer Unterdrückung des Drehmomentstoßes, der erzeugt wird, wenn der mechanische Lader einsetzt.
- Angesichts der vorangehenden Betrachtungen und Beschreibungen ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Maschine mit einem mechanischen Lader zu schaffen, bei dem der Drehmomentstoß, der als Antwort auf das Einkoppeln und Aus koppeln des mechanischen Laders erzeugt wird, insbesondere im Bereich niedriger Maschinenlast unterdrückt werden kann.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der mechanische Lader mit der Maschinenabtriebswelle betätigungsverbunden, wenn die Maschinendrehzahl nicht niedriger als eine vorgegebene Maschinendrehzahl ist, während er von der Maschinenabtriebswelle abgekoppelt ist, wenn die Maschinendrehzahl niedriger als die vorgegebene Maschinendrehzahl ist. Dabei wird die Maschinenlast erfaßt und die vorgegebene Maschinendrehzahl mit abnehmender Maschinenlast niedriger festgelegt.
- Mit dieser Anordnung kann der Drehmomentstoß, der als Antwort auf das Einkoppeln und Aus koppeln des mechanischen Laders erzeugt wird, minimiert werden, wobei gleichzeitig der mechanische Lader außer Betrieb gesetzt werden kann, wodurch im niedrigen Maschinendrehzahlbereich die Wirtschaftlichkeit verbessert wird.
- Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Steuerungssystem für eine Maschine mit einem mechanischen Lader gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
- Fig. 2 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Steuerungssystems,
- Fig. 3 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Betriebszustandsbereiche,
- Fig. 4 ist eine Ansicht zur Erläuterung der Veränderung der Ventilüberschneidung, und
- Fig. 5 ist eine Ansicht, die die Beziehungen zeigt zwischen der Maschinenlast und dem Drehmoment, die die Maschine erzeugt, wenn der mechanische Lader in Eingriff ist, und zwischen der Maschinenlast und dem Drehmoment, die die Maschine erzeugt, wenn der mechanische Lader ausgekoppelt ist.
- Wie in Fig. 1 gezeigt, sind in einer Ansaugleitung 2 zum Zuführen von Luft in die Zylinder 1a einer Maschine ein Luftfilter 3, ein Luftmengenmesser 4 sowie ein Drosselventil 5 angeordnet. Ein mechanischer Lader 6 ist stromabseitig zum Drosselventil 5 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist der mechanische Lader ein Schraubenverdichtungs-Typ (Lysholm-Typ) eines internen Kompressorladers, bei dem zwei schraubenähnliche Rotoren 6a, die miteinander in Eingriff sind, in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, wobei die Luft im Zwischenraum, der durch die innere Oberfläche des Gehäuses und die Einschnitte der Rotoren 6a definiert ist, unter Druck abgegeben wird.
- In der Ansaugleitung 2 ist stromabseitig zum mechanischen Lader 6 ein Ladeluftkühler 8 angeordnet, wobei stromabseitig zum Ladeluftkühler 8 in der Ansaugleitung 2 ein Druckausgleichsbehälter 7 ausgebildet ist. Die Ansaugleitung 2 teilt sich in einem Abschnitt stromabseitig zum Druckausgleichsbehälter 7 in Einzelansaugleitungen 2a, die zu den entsprechenden Zylindern 1a führen. In jeder Einzelansaugleitung 2a ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 9 angeordnet. Eine Lader-Umgehungsleitung 11 ist mit einem Ende zwischen dem Drosselventil 5 und dem mechanischen Lader 6 an der Ansaugleitung 2 angeschlossen, während sie mit dem anderen Ende zwischen dem Ladeluftkühler 8 und dem Druckausgleichsbehälter 7 an der Ansaugleitung 2 angeschlossen ist. Die Lader-Umgehungsleitung 11 ist mit einem Lader-Umgehungsventil 12 versehen, welches einen Ventilkörper 12a, der die Lader-Umgehungsleitung 11 schließt oder öffnet, und ein Membranbetätigungselement 12b umfaßt, das den Ventilkörper 12a auf und ab-bewegt, wodurch die Lader-Umgehungsleitung 11 geöffnet oder geschlossen wird. Das Membranbetätigungselement 12b besitzt eine Druckkammer 12c, in die über eine Druckleitung 13 der Ansaugdruck (Unterdruck) stromabseitig zum Drosselventil 5 eingeleitet wird. Wenn der Ansaugdruck einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird das Ventil 12a um ein Maß, das dem Wert des Ansaugdrucks entspricht, angehoben, wobei die Kraft einer Feder 12d überwunden wird. Das heißt, die Lader-Umgehungsleitung 11 wird um ein Maß geöffnet, das den Wert des Ansaugdrucks entspricht.
- Der mechanische Lader 6 wird durch die Maschinenausgangsleistung angetrieben, die von der Maschinenabtriebswelle 16 über eine Riemenscheibe 17 und eine Riemenscheibe 15 an diesen übertragen wird. Die Riemenscheibe 15 ist mit einer elektromagnetischen Kupplung 14 versehen. Unter der Steuerung eines Antriebssignals (ein Ein-Aus-Signal), das von einer Steuervorrichtung 20 ausgegeben wird, verbindet die elektromagnetische Kupplung 14 den mechanischen Lader 6 mit der Maschine 1 bzw. trennt dieselben voneinander.
- Eine Drosselventil-Umgehungsleitung 21 verbindet die Abschnitte der Ansaugleitung 2 stromaufseitig und stromabseitig zum Drosselventil 5 miteinander und ist mit einem Drosselventil-Umgehungsventil 22 versehen, das die Luftströmung durch die Drosselventil-Umgehungsleitung 21 steuert. Die Steuervorrichtung 20 gibt ein Steuersignal an das Drosselventil-Umgehungsventil 22 aus, welches das Ventil 22 steuert und synchron mit dem Einkuppeln und Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung 14 die Maschinenausgangsleistung korrigiert. Das Drosselventil- Umgehungsventil 22 wird ferner für die Steuerung der Maschinenleerlaufdrehzahl verwendet, wobei dann, wenn sich die Maschine im Leerlauf befindet, die Steuervorrichtung 20 ein Leerlaufsteuersignal an das Ventil 22 ausgibt.
- Ein Ventilsteuerzeiten-Veränderungssystem 33 verändert die Öffnungs- und Schließzeiten des Auslaßventils 31 für jeden Zylinder 1a, um die Ventilüberschneidung, d. h. die Zeitspanne, während der das Auslaßventil 31 und das Einlaßventil 32 gleichzeitig geöffnet sind, zu verändern. Die Steuervorrichtung 20 gibt gemäß dem Betriebszustand der Maschine 1 ein Steuersignal an das Ventilsteuerzeiten-Veränderungssystem 33 aus und veranlaßt das Ventilsteuerzeiten-Veränderungssystem 33 dazu, die Ventilüberschneidung in dem Betriebsbereich, der denjenigen Betriebsbereich umfaßt, in dem die elektromagnetische Kupplung 14 in Eingriff ist, zu verlängern.
- Die Steuervorrichtung 20 empfängt vom Luftmengensensor 4 (als Maschinenlasterfassungsvorrichtung F) ein Ansaugluftmengensignal, von einem Maschinendrehzahlsensor 25, der die Maschinendrehzahl erfaßt, ein Maschinendrehzahlsignal und von einem Drosselventilsensor 26, der den Öffnungswinkel des Drosselventils 5 erfaßt, ein Drosselventilöffnungswinkelsignal.
- Die Steuervorrichtung 20 veranlaßt in Abhängigkeit von der Maschinenlast (Drosselventilöffnungswinkel) und der Maschinendrehzahl ein Einkuppeln oder Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung 14 und öffnet bzw. schließt synchron mit dem Einkuppeln und Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung 14 das Drosselventil-Umgehungsventil 22.
- Wenn sich der Betriebszustand der Maschine auf der Grundlage der Maschinenlast und der Maschinendrehzahl in den Bereichen I oder III in Fig. 3 befindet, in welchen der Drosselventilöffnungswinkel TVO (die Maschinenlast) unterhalb der Linie L1 und die Maschinendrehzahl unterhalb der Linie L2 liegen, werden die elektromagnetische Kupplung 14 ausgekuppelt und der mechanische Lader 6 von der Maschinenabtriebswelle getrennt, während dann, wenn sich die Betriebsbedingung der Maschine in dem mit II bezeichneten anderen Bereich befindet, die elektromagnetische Kupplung 14 eingekuppelt und der mechanische Lader 6 mit der Maschinenabtriebswelle betätigungsverbunden werden.
- Die Linie L2 ist geneigt, so daß die elektromagnetische Kupplung bei einer niedrigeren Maschinendrehzahl einkuppelt, wenn die Maschinenlast niedriger ist, wobei der Drehmomentstoß im unteren Maschinenlastbereich unterdrückt wird. Der Grund für die Krümmung der Linie L2 liegt darin, daß die Maschinenlast durch den Drosselventilöffnungswinkel dargestellt ist, wobei die Linie L1 zu einer Geraden wird, wenn die Maschinenlast durch ein Beschleunigungssignal oder eine Lademenge (Q/N) dargestellt wird.
- Im Bereich III mit geringer Last und niedriger Maschinendrehzahl, der im Bereich I enthalten ist, veranlaßt die Steuervorrichtung 20 das Ventilsteuerzeiten-Veränderungssystem 33 dazu, das Auslaßventil 31 früher zu schließen, wodurch die Ventilüberschneidung verkürzt wird. In den anderen Bereichen wird die Ventilüberschneidung verlängert. In Fig. 4 ist das Auslaßventil für den Bereich III mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Wie in Fig. 4 zu sehen ist, wird das Auslaßventil im Bereich III früher geschlossen als in den anderen Bereichen, wobei die Ventilüberschneidung OL1 bei im Bereich III liegenden Betriebszuständen kürzer ist als die Ventilüberschneidung OL2 bei in anderen Bereichen liegenden Betriebszuständen.
- Um das in den Zylindern 1a zurückbleibende Abgas zu verringern und die Temperatur der Zylinder 1a zu senken, was hinsichtlich der Unterdrückung des Maschinenklopfens vorteilhaft ist, wird im Bereich II mit großer Last und hoher Maschinendrehzahl, in dem der mechanische Lader 6 in Betrieb ist, die Ventilüberschneidung verlängert.
- Wenn andererseits im Bereich III mit geringer Last und niedriger Maschinendrehzahl die Ventilüberschneidung lang ist, kann das Abgas in die Ansaugleitung 2 zurückgeblasen werden, wenn die Maschinendrehzahl sinkt und der Abgasdruck größer als der Ansaugdruck wird, wodurch die Verbrennung in den Zylindern 1a nachteilig beeinflußt wird. Dementsprechend wird im Bereich III die Ventilüberschneidung verkürzt.
- Im Bereich I außerhalb des Bereichs III kann die Verbrennungsstabilität selbst dann erhalten werden, wenn die Ventilüberschneidung lang ist. Folglich wird im Bereich I außerhalb des Bereiches III die Ventilüberschneidung verlängert, um die in den Zylindern 1a zurückbleibende Abgasmenge und den Drosselventilöffnungswinkel, der erforderlich ist, um eine bestimmte Menge Ansaugluft zuzuführen, zu steigern, wodurch der Pumpverlust verringert und die Wirtschaftlichkeit verbessert wird. Wenn der Bereich I und der Bereich III deckungsgleich sind, verändert sich die Ventilüberschneidung gleichzeitig mit dem Einkuppeln und Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung 14, wobei der Drehmomentstoß gemildert werden kann. Die Bereiche I und III können jedoch grundsätzlich dekkungsgleich sein.
- Im folgenden wird mit Bezug auf das in Fig. 2 gezeigte Flußdiagramm die Funktionsweise der Steuervorrichtung 20 beschrieben. Das in Fig. 2 dargestellte Flußdiagramm zeigt nur die Funktionsweise der Steuervorrichtung 20 in bezug auf die elektromagnetische Kupplung 14 und das Drosselventil-Umgehungsventil 22. Zuerst liest die Steuervorrichtung 20 in Schritt S1 die Maschinendrehzahl N und den Drosselventilöffnungswinkel TVO. Dann bestimmt die Steuervorrichtung 20 in Schritt S2 aufgrund des in Fig. 3 gezeigten Kennlinienfeldes, ob die Maschinenlast groß ist. Das heißt, die Steuervorrichtung 20 bestimmt, ob der Wert des Drosselventilöffnungswinkels TVO im Bereich oberhalb der Linie L1 liegt. Wenn in Schritt S2 festgestellt wird, daß die Maschinenlast gering ist, bestimmt die Steuervorrichtung 20 in Schritt S3, ob die Maschinendrehzahl N hoch ist, d. h., ob die Maschinendrehzahl N im Bereich rechts der Linie L2 liegt.
- Wenn in Schritt S3 festgestellt wird, daß die Maschinendrehzahl niedrig ist, d. h., wenn der Betriebszustand im Bereich I liegt, schließt die Steuervorrichtung 20 in Schritt S6 das Drosselventilumgehungsventil 22 und kuppelt in Schritt S7 die elektromagnetische Kupplung 14 aus. Das heißt, der mechanische Lader 6 wird nicht angetrieben. In diesem Zustand öffnet sich das Lader-Umgehungsventil 12 unter der Kraft des Ansaugunterdrucks, der in die Druckkammer 12c eingeleitet wird, wobei die Ansaugluft durch die Lader-Umgehungsleitung 11 in die Zylinder 1a geleitet wird.
- Wenn in Schritt S2 festgestellt wird, daß die Maschinenlast groß ist, oder wenn in Schritt S3 festgestellt wird, daß die Maschinendrehzahl N hoch ist, d. h., wenn festgestellt wird, daß sich die Betriebsbedingung im Bereich II befindet, wird von der Steuervorrichtung 20 in Schritt S4 das Drosselventil-Umgehungsventil 22 weit geöffnet, um die Maschinenausgangsleistung zu steigern, wobei in Schritt S5 die elektromagnetische Kupplung 14 einkuppelt, um den mechanischen Lader 6 anzutreiben.
- Während der mechanische Lader 6 in Betrieb ist, wird das Lader-Umgehungsventil 12 allmählich geschlossen, da der in die Druckkammer 12c eingeleitete Druck ansteigt, was zu einer Erhöhung des Ladedrucks beiträgt.
- Wenn die Antworten für die Schritte S2 und S3 nach NEIN wechseln, während die elektromagnetische Kupplung 14 in Eingriff ist und der mechanische Lader 6 in Betrieb ist, wird von der Steuervorrichtung 20 zuerst das Drosselventil-Umgehungsventil 22 vollständig geschlossen (Schritt S6), um die Maschinenausgangsleistung zu verringern, woraufhin die elektromagnetische Kupplung 14 auskuppelt (Schritt S7). Auf diese Weise wird der Drehmomentstoß unterdrückt.
- Bei der obenbeschriebenen Ausführungsform ist die Linie L2, die zur Bestimmung des Schaltpunkts zwischen dem Einkuppeln und dem Auskuppeln der elektromagnetischen Kupplung 14 verwendet wird, so festgelegt, daß die elektromagnetische Kupplung 14 mit abnehmender Maschinenlast bei niedriger Maschinendrehzahl einkuppelt oder auskuppelt. Somit kann der Drehmomentstoß, der erzeugt wird, wenn die elektromagnetische Kupplung 14 einkuppelt, insbesondere im unteren Motorlastbereich, in dem der Drehmomentstoß stärker wahrgenommen wird, wirksam unterdrückt werden.
- Wenn der mechanische Lader 6 vom Typ eines internen Kompressorladers ist, wie in der obenbeschriebenen Ausführungsform, sind die Antriebslast und der Drehmomentstoß besonders groß, so daß die vorliegende Erfindung bei einem solchen mechanischen Lader besonders vorteilhaft ist.
Claims (8)
1. Steuerungssystem f&ir eine Brennkraftmaschine mit einem
mechanischen Lader (6), bei welcher der Lader mit der
Ausgangswelle (16) der Brennkraftmaschine koppelbar und von
dieser antreibbar ist, mit einer Last-Detektoreinrichtung
(26) zur Feststellung der Maschinenlast, einer Drehzahl-
Detektoreinrichtung (25) zur Feststellung der
Maschinendrehzahl und einer Steuereinrichtung (20), die eine
Vorgabeeinrichtung zur Vorgabe einer bestimmten
Maschinendrehzahl enthält und Signale der Last-Detektoreinrichtung
sowie der Drehzahldetektoreinrichtung aufnimmt, wobei die
Steuereinrichtung eine Koppelung des Laders mit der
Ausgangswelle der Brennkraftmaschine veranlasst, wenn die
festgestellte Maschinendrehzahl nicht niedriger als die
bestimmte Maschinendrehzahl ist, und eine Trennung von der
Ausgangswelle der Brennkraftmaschine veranlasst, wenn
zugleich die festgestellte Maschinendrehzahl niedriger als
die bestimmte Maschinendrehzahl und die festgestellte
Maschinenlast geringer als eine bestimmte Maschinenlast (L&sub1;)
sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bestimmte Maschinendrehzahl (L2) derart vorgegeben
wird, daß sie sich mit der Maschinenlast ändert, indem sie
bei geringer werdender Maschinenlast niedriger wird.
2. Steuerungssystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mechanische Lader mit der Ausgangswelle der Maschine
mittels einer Kupplung (14) koppelbar ist.
3. Steuerungssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Last-Detektoreinrichtung (26) die Maschinenlast über
den Öffnungsgrad eines Drosselventils (5) der Maschine
feststellt.
4. Steuerungssystem nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
eine Koppelung des Laders mit der Ausgangswelle der Maschine,
wenn der Öffnungsgrad des Drosselventils (5) nicht kleiner
als ein bestimmter Wert ist.
5. Steuerungssystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der bestimmte Wert in Abhängigkeit von der
Maschinendrehzahl bestimmt wird.
6. Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß es eine Maschinenleistungs-Korrektureinrichtung (21,22)
umfasst, die synchron mit dem Schaltvorgang des Kuppelns bzw.
Trennens der Kupplung (14) die Maschinenleistung erhöht oder
verringert.
7. Steuerungssystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Maschinenleistungs-Korrektureinrichtung die
Maschinenleistung erhöht, wenn die Kupplung eingreift, und
die Maschinenleistung verringert, wenn die Kupplung trennt,
8. Steurungssystem nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Maschinenleistungs-Korrektureinrichtung ein Ventil
(22) aufweist, das eine Bypaß-Leitung (21), welche das
Drosselventil (5) der Maschine umgeht, öffnet und schließt.
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