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Die vorliegende Erlindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der
Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors, insbesondere zur Ausstattung eines
Automobus.
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Ein Automobil, das mit einem Verbrennungsmotor mit gesteuerter Zündung oder
Kompressionszundung ausgestattet ist, muß mit elektrischer Energie versorgt werden,
um jederzeit anfahren zu können, und über eine ausreichende Menge Strom verfügen,
um die unterschiedlichen Stromaufhehmer des Fahrzeugs zu betreiben (Zündung,
Beleuchtung, Ventilator der Motorkühlung, etc.). Hierfür stattet man das Fahrzeug
üblicherweise mit einer Batterie aus elektrochemischen Akkumulatoren aus, wobei diese
Batterie während des Betriebs des Motors mit Hilfe eines elektrischen Stromerzeugers
oder Wechselstromgenerators, der durch die Drehung der Motorwelle angetrieben wird,
ständig nachgeladen wird.
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Der Wechselstromgenerator ist so ausgelegt, daß er den Einsatz der unterschiedlichen,
mit der Batterie verbundenen Stromverbraucher ermöglicht, und zwar bei den kritischen
Betriebsbedingungen des Motors, insbesondere bei der geringen Drehzahl des Motors,
die dem Leerlaufbetrieb des Motors entspricht.
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Die Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors, der in Automobile eingebaut ist, und
die der Position des vom Beschleunigungspedal angehobenen Fußes entspricht,
verändert sich üblicherweise nur geringfügig oder überhaupt nicht mit der Zeit, und
wenn, dann nur mit der Wassertemperatur. Diese Drehzahl wird für einen gegebenen
Motortyp so gering wie möglich eingestellt, um den Verbrauchs- und
Umweltschutzanforderungen zu genügen, die durch die gültigen Gesetze gefordert
werden.
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Hieraus ergibt sich somit die Notwendigkeit, die Automobile mit leistungsfähigen
Wechselstromgeneratoren auszustatten, die eine starke Stromstärke bei der geringen
Drehgeschwindigkeit erzeugen können, die den Leerlaufdrehzahlen der Motoren
entspricht. Diese große Auslegung des Wechselstromgenerators bringt zahlreiche
Nachteile mit sich: Kosten, Platzbedarf, Gewicht, etc. ...
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Das Verfahren zur Steuerung der Drehzahl des Motors in der Leerlaufphase ermöglicht
es, diese unterschiedlichen Nachteile zu beseitigen, insbesondere, indem es die
Verwendung von Wechselstromgeneratoren einer Klasse ermöglicht, die unterhalb der
üblicherweise verwendeten liegt, und dies so gut wie ohne Umsetzungskosten.
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Das Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Verbrennungsmotors in der Phase des
Leerlaufbetriebs wird erfindungsgemäß bei einem Verbrennungsmotor verwendet, der
somit elektrischen Strom liefert, der für elektrische Verbraucher über einen
Wechselstromgenerator und eine Batterie bestimmt ist und der einen Sensor zum
Messen des Spannungswertes der Anlasserbatterie, ein Motorüberwachungssystem mit
Recheneinrichtungen und Speichereinrichtungen für die Informationen und schließlich
Einrichtungen zur Regelung der Leerlaufdrehzahl aufweist, die über das
Motorüberwachungssystem angesteuert werden (vgl. mit US-A-5,054,446).
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Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Motors dadurch
gekennzeichnet, daß der Wert der Drehzahl des Motors in der Phase des
Leerlaufbetriebs von einem vorbestimmten Nennwert aus in Abhängigkeit von dem
Wert der gemessenen Batteriespannung aus erhöht wird, damit mit Hilfe des
Wechselstromgenerators die für die Verbraucher notwendige Elektrizität erzeugt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Anpassung der Leerlaufdrehzahl
eine Beibehaltung des elektrischen Gleichgewichtes selbst mit einem
Wechselstromgenerator kleiner Kenndaten. So wird, wenn die Spannung insbesondere
aufgrund der Inbetriebnahme eines leistungskräftigen elektrischen Verbrauchers zu
gering erscheint, die Leerlaufdrehzahl erhöht. Somit ist der Wechselstromgenerator in
der Lage, mehr elektrischen Strom zu erzeugen und den Elektrizitätsverbrauch
auszugleichen. Die Anhebung der Leerlaufdrehzahl des Motors ermöglicht es somit, die
Batterie zu entlasten und ihre Entladung zu verhindern, die, wenn sie wiederholt
durchgeführt wird, zu ihrer Zerstörung führt. Die Drehzahl wird auf ihren Nennwert
zurückgebracht, sobald die Batteriespannung ihren normalen Wert wiedererlangt hat.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der
Drehzahl eines Verbrennungsmotors weist dieses die folgenden Schritte auf
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a) Periodisches Messen des Wertes der Batteriespannung;
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b) Berechnen zu jedem neuen Wert der so gemessenen Batteriespannung den Wert
einer ersten statistischen Größe, die für den Mittelwert der Werte der Batteriespannung
über einem gegebenen Umfang gemessener Werte repräsentativ ist;
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c) Berechnen für jeden so gewonnenen Wert der ersten statistischen Größe die
Abweichung dieses Wertes von einem vorbestimmten Schwellenwert;
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d) Berechnen des Wertes einer zweiten statistischen Größe, die für den Mittelwert
der Abweichungen zwischen der ersten statistischen Größe und dem Schwellenwert
repräsentativ ist;
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e) Zurodnen eines der Drehzahl des Motors entsprechenden Wertes zu jedem Wert
der zweiten statistischen Größe;
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f) Steuern der Regelungseinrichtungen der Leerlaufdrehzahl dergestalt, daß man
zu jedem Zeitpunkt die Leerlaufdrehzahl des Motors mit dem Wert der Drehzahl des
Motors zusammenfallen läßt, den man aus dem Wert der zweiten statistischen Größe
ableitet.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der
Drehzahl werden die Messungen des Wertes der Batteriespannung und die Berechnung
der unterschiedlichen statistischen Werte nach einer Verweilzeit durchgeführt.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der
Drehzahl werden gemäß dem Schritt e) die zugeordneten Werte der Motordrehzahl aus
einer spezifischen Kartographie abgeleitet, die in dem Motorüberwachungssystem
enthalten ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der
Drehzahl wird der Schritt (1)) weggelassen, wobei die erste statistische Größe dann
unmittelbar gleich der Batteriespannung ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung der
Drehzahl wird der Schritt (d) weggelassen, wobei die zweite statistische Größe dann
unmittelbar gleich der Abweichung zwischen der ersten statistischen Größe und dem
vorbestimmten Schwellenwert ist.
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Weitere Ziele, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich aus
der folgenden Beschreibung eines nicht als Einschränkung aufzufassenden
Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung besser
verstehen, wobei.
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- Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors ist, der mit einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet ist;
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- Fig. 2 ein Ablaufschema ist, welches die unterschiedlichen Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;
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- Fig. 3 ein Diagramm ist, welches die Einwirkung der Batteriespannung auf die
Veränderung der Motordrehzahl im Leerlauf gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
zeigt.
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Fig. 1 beschreibt somit einen Verbrennungsmotor, der mit einer Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens zur Steuerung der Motordrehzahl während der Phasen
des Leerlaufbetriebs ausgestattet ist. Es wurden nur die für das Verständnis der
Erfindung notwendigen Elemente dargestellt.
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Der dargestellte Verbrennungsmotor 1, zum Beispiel ein Viertakter mit vier Zylindern
in Reihe, ist mit einer Brennstoffzuführ-Vorrichtung ausgestattet, zum Beispiel mit
Mehrstellen-Einspritzung, bei der jedem Zylinder Brennstoff mittels einer spezifischen
Elektro-Einspritzdüse 5 zugeführt wird.
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Die Öffnung jeder Elektro-Einspritzdüse 5 wird mittels eines
Motorüberwachungssystems 7 gesteuert, welches die Menge an eingespritztem
Brennstoff je nach den Betriebsbedingungen bestimmt.
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Das Motorüberwachungssystem 7 steuert auch den Durchfluß der Sauerstoffträgergase
insbesondere in der Phase des Leerlaufbetriebs über eine angesteuerte
Betätigungsvorrichtung 4 an, die eine Überwachung der Öffnung der
Leerlaufumgehung ermöglicht.
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Dieses Motorüberwachungssystem 7 umfaßt üblicherweise einen Rechner mit einer
CPU, einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM),
Analog/Digital-Wandlern (A/D) und unterschiedlichen Eingangs- und
Ausgangsschnittstellen. Er empfängt Eingangssignale, die sich auf die Arbeitsweise des
Motors und der Peripheneelemente beziehen, führt Operationen durch und erzeugt
Ausgangssignale, die insbesondere zu den Einspritzdüsen 5 und den
Betätigungseinrichtungen 4 geleitet werden.
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Unter den Eingangssignalen befindet sich auch die Batteriespannung-Information, die
von einem Meßsensor 22 ausgegeben wird, der in die Leitung zur Verbindung des
Wechselstromgenerators 12 mit der Batterie 3 geschaltet ist.
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Der Motor 1 treibt somit auf herkömmliche Weise einen elektrischen Stromerzeuger
oder Wechselstromgenerator 12 an, der während der Betriebsbereiche des Motors einen
Ladestrom zu der Batterie 3 aus Akkumulatoren erzeugen kann.
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Dieser Wechselstromgenerator 12 weist im wesentlichen einen Rotor und einen Stator
auf. Der von der Motorwelle angetriebene Rotor weist Elektromagnete auf, die aus
einer oder mehrerer Erregerwicklungen gebildet sind. Der Stator weist eine
Dreiphasenwicklung auf. Der in der Dreiphasenwicklung erzeugte Wechselstrom wird
in einer Gleichrichterschaltung in Gleichstrom umgewandelt, bevor er der Batterie 3
zugeführt wird.
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Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht über das
Motorüberwachungssystem 7. Letzeres steuert mittels einer in dem Rechner
festgelegten Strategie und in den Speichern abgespeicherter Wertetabellen die
Leerlaufdrehzahl an, indem es die Betätigungsvorrichtung 4 insbesondere in
Abhängigkeit von der Batteriespannung-Information steuert.
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Gemäß Fig. 2 arbeitet das Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl des Motors in
Abhängigkeit von der Anlasserbatterie 3, welches über das Motorüberwachungssystem
durchgeführt wird, wie im folgenden dargestellt.
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Die durch den Sensor 22 periodisch gemessene Batteriespannung-Information Vbat
wird mittels eines digitalen Tiefpaßfilters erster Ordnung F1 der Form 1 / (1 + cp)
derart verarbeitet, daß eine statistische Größe VMbat gewonnen wird, die für den
Mittelwert der Batteriespannung über einen gegebenen Meßumfang, wie zum Beispiel
die letzten 100 Messungen, repräsentativ ist.
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Die ausgewählte Filterungsformel ist somit:
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VMbati = VMbat i-1 + (Vbat i - (Vbat i-1))/F1)
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wobei VMbat i der Wert der statistischen Größe zum Zeitpunkt Ti ist (Ti = To + i * P);
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wobei To der Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Fahrzeugs ist und P die Meßdauer der
Batteriespannung ist),
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VMbat i-1 der Wert der statistischen Größe zum Zeitpunkt Ti-1 ist;
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VMbat i-1 der Wert der zum Zeitpunkt Ti gemessenen Batteriespannung ist;
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F1 die Filterungskonstante des Filters F list; und
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VMbat 0 = 0.
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Die Aufgabe dieser ersten Filterung ist es, eine mittlere Spannung zu betrachten, welche
die kurzen Schwankungen der Batteriespannung, wie bei einem Scheinwerfer-
Blinkzeichen, nicht berücksichtigt.
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Man kann dennoch in einem vereinfachten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens diese Filterung weglassen und den unverarbeiteten Wert der zum Zeitpunkt
Ti beobachteten Batteriespannung Vbat i unmittelbar verarbeiten. Bei diesem
abgewandelten Ausführungsbeispiel hat man dann VMbat i = Vbat i.
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Nachdem der Mittelwert VMbat i so gewonnen worden ist, wird dieser daraufhin
mittels einer Subtraktionseinrichtung S mit einem vorbestimmten Schwellenwert Vs
verglichen, welcher dem normalen Wert der Batteriespannung 3 entspricht. Die
üblicherweise verwendete Differenzspannung der Anlasserbatterie ist gleich 12,7 V.
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Die unverarbeitete Abweichung Ebat zwischen VMbat und Vs wird daraufhin mittels
neuer Filterungseinrichtungen derart verarbeitet, daß ein zweiter statistischer Wert
Embat erzeugt wird, der ftir die Veränderung der Abweichung zwischen dem
Mittelwert der Batteriespannung VMbat und der Sollspannung Vs über einen
gegebenen Umfang berechneter Werte repräsentativ ist.
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Diese Filterung verwendet zwei voneinander unterschiedliche Filterungswerte je nach
dem Vorzeichen der Abweichung. Diese Entkopplung der Verarbeitung je nach
positivem oder negativem Wert der Abweichung ermöglicht eine größere
Anpassungsfähigkeit bei der dynamischen Anpassung der Drehzahl in der Leerlaufphase
in Abhängigkeit von der Batteriespannung.
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Die Abweichung Ebat wird somit zuerst mittels einer Komparatoreinrichtung C
verarbeitet, die je nach dem Wert des Vorzeichens der Abweichung Ebat, und zwar
positiv oder negativ, diese entweder zu dem Filter F2 oder zu dem Filter F3 weiterleitet.
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Die ausgewählte Filterungsformel ist dann:
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falls Ebat i > 0 (oder auch VMbat i > Vs)
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EMbat i = EMbat i-1 - (Ebat i / F2)
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und falls Ebat i < 0
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EMbat i = EMbat i-1 - (Ebat i) / F3)
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wobei
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Ebat i der Wert der Abweichung zwischen der ersten statistischen Größe und dem
Schwellenwert zum Zeitpunkt Ti ist, Ebat i VMbat i - Vs;
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EMbat i der Wert der zweiten statistischen Größe ist, welche flir den Mittelwert der
Abweichungen zum Zeitpunkt Ti repräsentativ ist;
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EMbat i-1 der Wert der zweiten statistischen Größe zum Zeitpunkt Ti-1 ist;
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F2 die Filterungskonstante des Filters F2 ist;
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F3 die Filterungskonstante des Filters F3 ist;
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EMbat 0 = 0 ist.
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Die Verwendung zweier Konstanten ermöglicht es, die Veränderung der Werte von
Embat je nach dem Wert der beobachteten Abweichung Ebat zu trennen. Man kann so
F2 > F3 derart wählen, damit man eine schnellere Konvergenz im Falle einer positiven
Abweichung als im Falle einer negativen hat. Der Grund dieses Unterschieds der
Behandlung wird weiter unten genauer angegeben.
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Jeder Wert EMbat i der zweiten statistischen Größe Embat wird daraufhin in die
Motordrehzahl Rral i mittels einer Adressierungseinrichtung A umgewandelt, welche in
einer in den Speichern M des Motorüberwachungssystems 7 abgespeicherten Tabelle
den Wert der Drehzahl aufruft, welcher dem Wert der erzeugten statistischen Größe
entspricht.
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Fig. 3 stellt eine mögliche Beziehung zwischen den Werten von Embat und der
Motordrehzahl dar. Die Erhöhung der zweiten statistischen Größe, die einer negativen
Veränderung der Abweichung zwischen der beobachteten mittleren Spannung und der
normalen Spannung entspricht, wird von einer Erhöhung der Drehzahl begleitet, und
zwar ausgehend von der Nenndrehzahl, die den anderen Betriebsbedingungen des
Motors entsprechen, und bei einer normalen Batteriespannung bis zu einem zulässigen
Maximalwert für den Betrieb des Motors im Leerlauf.
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Die Erstellung einer derartigen Kartographie geschieht über Meßreihen auf dem
Versuchsstand für jeden Motortyp.
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Der Wert der Drehzahl kann somit unmittelbar von dem Motorüberwachungssystem
verwendet werden, um die Leerlaufdrehzahl des Motors über die
Betätigungsvorrichtung 4 und die Einspritzdüsen 5 einzustellen, sobald der Motor in die
Phase des Leerlaufbetriebs wiedereintritt.
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Gemäß dem soeben beschriebenen arbeitet das Verfahren zur Steuerung der Drehzahl
des Motors in der Phase des Leerlaufbetriebs auf die folgende Weise.
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Sobald der Motor angelassen worden ist oder vorzugsweise nach einer Verweilzeit Tbat
wendet das Motorüberwachungssystem 7 auf die Batteriespannung- Information die
zuvor beschriebene Verarbeitung an und verfügt somit ständig über den optimalen Wert
der Leerlaufdrehzahl unter Berücksichtigung der vorhandenen unterschiedlichen
elektrischen Verbraucher.
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Wenn die Batteriespannung Vbat aufgrund der Inbetriebnahme eines starken
elektrischen Verbrauchers, wie zum Beispiel der Inbetriebnahme der Klimaanlage
abnimmt, folgt hieraus ein Abfall der mittleren Spannung Vmbat, und die Abweichung
Ebat zu der normalen Spannung Vs wird weniger. Die zweite statistische Größe Embat
nimmt zu, was zu einer Erhöhung der Leerlaufdrehzahl Rral des Motors führt. Somit ist
der Wechselstromgenerator 12 in der Lage, mehr elektrischen Strom zu erzeugen und
den Elektrizitätsverbrauch zu kompensieren. Die Anhebung der Leerlaufdrehzahl des
Motors ermöglicht somit eine Schonung der Batterie 3.
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Der Wiederanstieg der Spannung in Verbindung mit der Zunahme der Drehzahl führt zu
einer Verringerung der Abweichung Ebat und somit zu einem zunehmenden Anhalten
der Zunahme der Drehzahl.
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Das Anhalten der elektrischen Verbraucher führt zu einem starken Wiederanstieg der
Batteriespannung Vbat und auf die gleiche Weise zu einem Wiederanstieg der mittleren
Spannung VMbat. Die Abweichung zwischen der normalen Spannung und der mittleren
Spannung wird somit stark positiv, was zu einer raschen Absehkung der
Leerlaufdrehzahl führt. Wie zuvor wird der Betrieb des Systems geregelt.
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Die Verwendung zweier voneinander unterschiedlicher Filterungskonstanten zur
Erstellung von Embat gemäß dem Vorzeichen der Abweichung Ebat ermöglicht es, die
Drehzahl des Motors sehr rasch zu verringern, um die Drehzahl des Nennbetriebs zu
erreichen, sobald der Bedarf an Elektrizität aufgehört hat, wohingegen der Anstieg der
Drehzahl progressiver durchgeführt werden kann.
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Mit dem edindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, auf eine Zunahme des
elektrischen Verbrauchs des Fahrzeugs zu reagieren, ohne daß man die Klasse des
Wechselstromgenerators erhöht oder die Batterie entlädt.
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Die Durchführung des Verfahrens zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl kann auf
verschiedene Arten geschehen.
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- entweder mit analogen elektronischen Bestandteilen, für welche die Summierer, die
Komparatoren und anderen Filter mit Hilfe von Operationsverstärkern hergestellt
werden;
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- oder mit digitalen elektronischen Bestandteilen, welche die Funktion mittels
verdrahteter Logik verwirklichen;
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- oder mittels eines Signalverarbeitungsalgorithmus, der in Form eines Software-Moduls
festgelegt ist, das Bestandteil eines Software-Systems zur Motoruberwachung ist und
den Mikrosteuerbaustein eines elektronischen Rechners betreibt;
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- oder aber mittels eines (maßgeschneiderten) spezifischen Chips, dessen
Hardwareund Softwaremittel optimiert worden sind, um die erfindungsgemäßen Funktionen zu
verwirklichen: Chip, das mikroprogrammierbar ist oder nicht, und zwar in einem
getrennten Gehäuse oder aber ein ganzer oder Teile eines Coprozessors, der in einem
Mikrosteuerbaustein oder Mikroprozessor etc. festgelegt ist.
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Die Erfindung kann ebenso für einen Verbrennungsmotor verwendet werden, und zwar
unabhängig von seinem Verbrennungszyklus (Zweitakter, Viertakter), dem
verwendeten Kraftstoff, wie zum Beispiel Diesel oder Benzin, oder auch der Anzahl
seiner Zylinder.