ES2288643T3 - Dispositivo para mejorar el funcionamiento de arranque-parada de un vehiculo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para mejorar el funcionamiento de arranque-parada de un vehículo, que presenta un devanado excitador asociado al generador de arranque del vehículo y conectado a la red interna del vehículo así como un aparato de control de arranque, mediante cuyas señales de control se influye en la corriente de excitación que fluye a través del devanado excitador, caracterizado porque el aparato de control de arranque (3) genera las señales de control (s) que influyen en la corriente de excitación que fluye a través del devanado excitador (1), en dependencia de las señales de salida de un transmisor de número de revoluciones (4) que registra el número de revoluciones de generador y/o de un transmisor de momentos de arranque (5), y porque se dispone de medios (6, S1, 2; 9, 1) que permiten durante un breve espacio de tiempo una mayor potencia de excitación estacionaria y una generación de corriente de excitación temporalmente más rápida.
Description
Dispositivo para mejorar el funcionamiento de
arranque-parada de un vehículo.
La invención se refiere a un dispositivo para
mejorar el funcionamiento de arranque-parada de un
vehículo.
Con el fin de reducir el consumo de combustible,
mejorar la potencia eléctrica de la red interna y mejorar el
funcionamiento de arranque-parada de un vehículo, en
los últimos años se han desarrollado sistemas que presentan un
generador de arrancador integrado sobre el eje de cigüeñal, así como
sistemas que, en lugar de un generador de arrancador usual,
presentan un generador de arranque que funciona por correa. En el
caso de estos sistemas conocidos se presenta durante el
funcionamiento de arranque en caso de funcionamiento de
arranque-parada, en especial cuando la tensión de
red interna disponible es de 12 V, en comparación con un sistema de
arranque convencional, un momento de inercia relativamente pequeño
sobre el eje de cigüeñal. Asimismo se obtiene, en el caso de un
diseño con corriente minimizada del generador de arrancador que
funciona por correa o del generador de arrancador integrado, en
comparación con un sistema de arranque convencional partiendo del
número de revoluciones cero, un momento de arranque máximo
relativamente pequeño.
Estos efectos conducen a una fuerte dependencia
de las características de arranque de la posición de penduleo del
motor de combustión interna, que se expresa en diferentes amplitudes
y energías de los momentos a superar hasta la primera compresión
completa. En especial si se dispone de una dinamo de polos
intercalados, desarrollada originalmente sólo para un
funcionamiento de generador, la excitación eléctrica se alimenta a
través de anillos colectores con un diseño de corriente minimizada,
usándose una constante de tiempo relativamente grande que, por
ejemplo, es de aproximadamente 100 ms. En el caso de un devanado
excitador caliente, por ejemplo en un margen de 180ºC, tanto la
constante de tiempo como el valor estacionario claramente disminuido
de la corriente de excitación, que fluye a través del devanado
excitador, constituyen un problema para la dinámica de arranque en
funcionamiento de arranque-parada.
Del documento DE 197 21 386 A1 se conoce un
dispositivo de arranque para arrancar un motor de combustión
interna. Este dispositivo de arranque conocido presenta un motor de
arranque, que a través de un relé de arranque puede unirse a una
fuente de tensión y puede engranarse con el motor de combustión
interna para el arranque. La activación del relé de arranque y/o
del motor de arranque se realiza a través de un aparato de control
electrónico. Este controla etapas de potencia de semiconductor
asociadas al relé de arranque y/o al motor de arranque, de tal modo
que al menos en un funcionamiento de arranque-parada
el relé de arranque presenta en el estado de parada del motor de
combustión interna su posición de engrane, es decir, el piñón del
motor de arranque engrana con la corona dentada del motor de
combustión interna. Por medio de esto se consigue, aparte de un
ahorro de tiempo al arrancar en el modo de funcionamiento de
arranque-parada, un engrane limpio y sin
desgaste.
Del documento DE 101 19 852 A1 se conocen un
procedimiento y un dispositivo para la
pre-excitación de generador retardada al arrancar
un motor de combustión interna, en el que la corriente de excitación
del generador sólo se conecta libremente retardada. Esta conexión
libre retardada depende por ejemplo del momento o del número de
revoluciones. Produce que el momento de frenado del generador se
reduzca con respecto a procedimientos y dispositivos usuales, con
los que en caso de arranque se impide un frenado del motor de
combustión interna.
Del documento DE 199 00 282 A1 se conoce un
mecanismo para aumentar la potencia de máquinas de campo giratorio
conmutadas electrónicamente, con ayuda de devanados conectados en
anillo y mayores números de madejas, en el que mediante una
activación apropiada de los puentes de convertidor asociados se
produce un reglaje óptimo tanto en el funcionamiento tanto del
motor como del generador. De este modo es posible usar las máquinas
de campo giratorio como generadores de arranque en un vehículo.
Un dispositivo con las particularidades de la
reivindicación 1 presenta, con respecto al estado de la técnica, la
ventaja de que la dinámica de arranque exigida se consigue sin un
aumento de la máquina eléctrica y/o de las corrientes fásicas en el
generador. Y además de esto de materializa conforme a la
reivindicación 1 un dispositivo excitador que permite, en un breve
espacio de tiempo, una mayor potencia de excitación estacionaria y
una estructura de corriente de excitación temporalmente más rápida.
La regulación de forma limitadora o la conmutación a la menor
potencia de excitación estacionaria se produce en dependencia del
número de revoluciones del generador.
Conforme a una primera forma de ejecución el
devanado excitador está unido, a través de un interruptor, a la
tensión de red interna o a una fuente de tensión, que pone a
disposición una tensión auxiliar mayor en comparación con la
tensión de red interna. En el caso de esta forma de ejecución el
devanado excitador está dimensionado de forma similar a las
aplicaciones conocidas de sólo generador. Tiene un número de espiras
relativamente grande. Fluye una corriente de excitación
relativamente menor. La ventaja de esta forma de ejecución es una
pequeña corriente de generador en el caso de funcionamiento de
generador y en la segunda fase del proceso de arranque, es decir,
en los momentos relevantes para el diseño de las escobillas. La
mayor tensión necesaria en la primera fase del proceso de arranque
se pone a disposición, ya sea mediante un aumento de tensión
limitado en el tiempo de la tensión de red interna regular por
medio de un regulador en aumento o con el uso de un acumulador
eléctrico, que puede acoplarse en un breve espacio de tiempo, con
una tensión mayor.
Conforme a una segunda forma de ejecución se
pone a disposición mediante un regulador de tensión la corriente de
excitación que fluye a través del devanado excitador. El devanado
excitador está ejecutado en esta forma de ejecución, en comparación
con aplicaciones conocidas de sólo generador, claramente más bajo en
ohmios. Tiene un menor número de espiras. Fluye una mayor corriente
de excitación estacionaria. La excitación se aumenta rápidamente
con el uso del regulador de tensión con la tensión de red interna
regular y se regula de forma limitadora dependiendo del número de
revoluciones de arranque. La ventaja de esta forma de ejecución
consiste en que no es necesario un aumento de tensión más allá de
la tensión de red interna regular. La elevada dinámica necesaria al
conectar la corriente de excitación y la mayor potencia de
excitación estacionaria, necesaria para momentos de arranque
elevados en el caso de devanado excitador caliente, se hacen posible
en el caso de esta forma de ejecución mediante el diseño bajo en
ohmios del devanado excitador. La adaptación a la necesaria
excitación de generador se realiza mediante un regulador de
generador adaptado de forma correspondiente. Para el control del
arranque puede usarse la etapa final del regulador de generador
adaptado con una activación, en dependencia del número de
revoluciones del generador y/o del tiempo de arranque.
Una ventaja de las dos formas de ejecución antes
citadas es la materialización de elevados momentos de arranque
mediante la creación de una potencia de excitación aumentada en un
breve espacio de tiempo, en donde al mismo tiempo se aumenta la
dinámica de la estructura de momentos.
Características adicionales de la invención se
deducen de su explicación a modo de ejemplo con base en el
dibujo.
La figura 1 muestra un esquema de conexiones de
un primer ejemplo de ejecución para un dispositivo conforme a la
invención. La figura 2 muestra un esquema de conexiones de un
segundo ejemplo de ejecución para un dispositivo conforme a la
invención.
La figura 3 muestra un primer diagrama para
visualizar el modo de funcionamiento de la invención. La figura 4
muestra un segundo diagrama para visualizar el modo de
funcionamiento de la invención.
La figura 1 muestra un esquema de conexiones de
un primer ejemplo de ejecución para un dispositivo conforme a la
invención. El dispositivo representado, por medio del cual se
consigue un funcionamiento de arranque-parada de un
vehículo, mejorado con relación al estado de la técnica, presenta un
devanado excitador 1 asociado al generador de arranque del
vehículo. La corriente de excitación que fluye a través del devanado
excitador 1 se alimenta al devando excitador a través de un
interruptor S1 y se desvía - según la posición de interruptor - ya
sea mediante una conexión de tensión de red interna o mediante una
fuente de tensión 6. La tensión de red interna es de 12 V. La
fuente de tensión 6 es o bien un regulador en aumento, en el que la
tensión de red interna de 12 V se transforma en una tensión mayor,
o un acumulador eléctrico que se carga a una mayor tensión. La
tensión mayor es de por ejemplo 100 V.
El control o la conmutación del interruptor S1
se realiza mediante una señal de control s, que se pone a
disposición mediante un aparato de arranque-parada
3. El aparato de arranque-parada 3 activa asimismo
también el regulador en aumento 6.
El aparato de control de arranque 3 genera las
citadas señales de control en dependencia de las señales de salida
de un transmisor de número de revoluciones 4, que pone a disposición
un número de revoluciones corresponiente al número de revoluciones
del generador de vehículo, y/o de un transmisor de tiempo de
arranque 5, que pone a disposición una señal de tiempo de arranque.
La señal de tiempo de arranque se dispara por ejemplo mediante el
aparato de control de motor y contiene informaciones sobre el inicio
del arranque y la duración del arranque.
En funcionamiento normal del vehículo y también
en la fase de parada del funcionamiento de
arranque-parada el interruptor S1 se encuentra en
su posición inferior, de tal modo que el suministro de energía del
devanado excitador se produce desde la red
interna.
interna.
Si en funcionamiento de
arranque-parada se produce en la fase de parada, con
el fin de iniciar un proceso de arranque, un accionamiento del
pedal de acelerador del vehículo, el aparato de control de arranque
3 genera una señal de control s, que produce una conmutación del
interruptor S1 a su posición de conexión superior. Esto tiene como
consecuencia que la mayor tensión puesta a disposición por el
regulador en aumento 6 o el acumulador eléctrico 6 está unida al
devanado excitador 1. Esto se corresponde con el inicio de un
funcionamiento de sobre-excitación, que se mantiene
por ejemplo durante un periodo de tiempo de entre unos 60 ms y unos
200 ms.
El devanado excitador 1 está dimensionado, en el
caso de este ejemplo de ejecución, de forma similar a las
aplicaciones conocidas de sólo generador. Presenta un número de
espiras relativamente elevado, por ejemplo 370 espiras. En
funcionamiento normal del vehículo fluye sólo una corriente de
excitación relativamente pequeña.
Mediante la conmutación del interruptor S1 de su
posición de conexión inferior a la superior se lleva acabo un
aumento de tensión, durante un breve espacio de tiempo, más allá de
la tensión de red interna regular de 12 V. La magnitud, la duración
y la característica de la mayor potencia de excitación dependen con
ello del número de revoluciones de generador medido, es decir, de
la señal de salida del transmisor de número de revoluciones 4, y/o
de las señales de tiempo de arranque enviadas por el transmisor de
tiempo de arranque 5.
En la primera fase de un proceso de arranque, en
la que se presenta una gran necesidad de momento de arranque,
mediante la puesta a disposición de una mayor potencia de excitación
estacionaria se alcanza una estructura temporalmente más rápida de
la corriente de excitación.
El momento de la conmutación inversa a la menor
potencia de excitación estacionaria se produce en dependencia del
número de revoluciones de generador, como se visualiza todavía más
adelante con relación a las figuras 3 y 4. Asimismo se tiene en
cuenta, con relación al momento de la conmutación inversa a la menor
potencia de excitación estacionaria, que por motivos térmicos y de
carga de corriente la mayor corriente de excitación sólo debe fluir
durante el menor tiempo posible.
La ventaja de este diseño relativamente más bajo
en ohmios del devanado excitador consiste en que, en el caso de
funcionamiento de generador y en la segunda fase del proceso de
arranque, es decir en los momentos relevantes para el diseño de
escobillas, sólo fluye una corriente de excitación relativamente
pequeña.
El aparato de control de arranque 3 tiene en
cuenta asimismo de forma ventajosa, al generar las señales de
control s, las señales de salida de un transmisor de temperatura de
devanado 8 y/o de un transmisor de corriente de excitación 7, que
puede materializarse por ejemplo como se ha representado en la
figura 1. Teniendo en cuenta la corriente de excitación medida o
apreciada y/o la temperatura de devanado medida o apreciada puede
regularse, hasta un determinado grado, la influencia de la
temperatura y de la tensión en la corriente de excitación.
El interruptor S1 está ejecutado como
interruptor electrónico. Mediante este interruptor se conmuta de
vuelta, después de alcanzar un número de revoluciones prefijado del
generador, en especial tiendo en cuenta adicionalmente criterios
temporales, del funcionamiento de sobre-excitación a
una alimentación desde la tensión de red interna regular.
En lugar de un regulador en aumento puede usarse
también, como ya se ha citado anteriormente, un acumulador
eléctrico diseñado con una mayor tensión en comparación con la
tensión de red interna. En este caso está prefijada una mínima
regulación limitadora del nivel de tensión a través de la constante
de tiempo de descarga disponible en cada caso. Una aceleración de
la regulación limitadora puede realizarse, en caso necesario,
mediante el uso de resistencias de descarga preconectadas.
La figura 2 muestra un esquema de conexiones de
un segundo ejemplo de ejecución para un dispositivo conforme a la
invención. El dispositivo representado, por medio del cual se
consigue un funcionamiento de arranque-parada de un
vehículo mejorado con relación al estado de la técnica, presenta un
devanado excitador 1 asociado al generador de arranque del
vehículo. La corriente de excitación que fluye a través de este
devanado excitador 1 se pone a disposición del devanado de
excitación mediante un regulador de tensión PWM 9. Al regulador de
tensión PWM 9 se alimenta una señal de control generada por un
aparato de control de arranque 3. Asimismo el regulador de tensión
PWM 9 está unido a una conexión de tensión de red interna de 12 V y
a la masa del vehículo 0 V. La conexión de tensión de red interna 2
de 12 V está unida asimismo al aparato de control de arranque 3.
El aparato de control de arranque 3 genera las
citadas señales de control s en dependencia de las señales de
salida de un transmisor de número de revoluciones 4, que pone a
disposición una señal de número de revoluciones correspondiente al
número de revoluciones del generador del vehículo, y/o de un
transmisor de tiempo de arranque 5 que pone a disposición una señal
de tiempo de arranque. La señal de tiempo de arranque se activa por
ejemplo mediante el aparato de control de motor y contiene
informaciones sobre el inicio del arranque y la duración del
arranque.
El aparato de control de arranque 3 tiene en
cuenta también de forma ventajosa, al generar las señales de
control s, las señales de salida de un transmisor de temperatura de
devanado 8 y/o de un transmisor de corriente de excitación 7.
Teniendo en cuenta la corriente de excitación medida o apreciada y/o
la temperatura de devanado medida o apreciada puede regularse,
hasta un determinado grado, la influencia de la temperatura y de la
tensión en la corriente de excitación.
En funcionamiento normal del vehículo y también
en la fase de parada del funcionamiento de
arranque-parada la alimentación de energía del
devanado excitador 1 se realiza de forma conocida desde la red
interna.
Si en funcionamiento de
arranque-parada se produce en la fase de parada, con
el fin de iniciar un proceso de arranque, un accionamiento del
pedal de acelerador del vehículo, el aparato de control de arranque
3 genera una señal de control s, a causa de la cual el regulador de
tensión PWM aumenta rápidamente la excitación con la tensión de red
interna regular de 12 V y, de este modo, regula de forma limitadora
la tensión en dependencia del número de revoluciones de
arranque.
El devanado excitador 1 está dimensionado, en el
caso de este ejemplo de ejecución, claramente más bajo en ohmios
que en las aplicaciones conocidas de sólo generador. Presenta un
número de espiras relativamente reducido, por ejemplo 210 espiras.
En funcionamiento normal fluye una corriente de excitación
relativamente grande.
La ventaja de este ejemplo de ejecución consiste
en que no es necesario un aumento de tensión más allá de la tensión
de red interna regular. La elevada dinámica necesaria al principio
de la fase de arranque y la mayor potencia de excitación
estacionaria, necesaria para momentos de arranque elevados en el
caso de devanado excitador caliente, se alcanzan en el caso de este
ejemplo de ejecución mediante el diseño bajo en ohmios del devanado
excitador, que presenta un número de revoluciones reducido. La
adaptación a la necesaria excitación de generador se realiza
mediante una relación de contacto del regulador de generador
adaptada de forma correspondiente. Para el control del arranque
puede usarse la etapa final del regulador de generador adaptado con
una activación, en dependencia del número de revoluciones del
generador y/o del tiempo de arranque.
En el caso del dispositivo mostrado en la figura
2 se han sustituido en consecuencia la fuente de tensión 6,
prevista en el dispositivo conforme a la figura 1, y el interruptor
S1 por un regulador de tensión PWM 9. Debido a que en el
dispositivo mostrado en la figura 2 sólo es necesario activar por
debajo de una tensión de 12 V, a causa del diseño bajo en ohmios
del devanado excitador 1 es necesario aumentar la potencia máxima
de forma correspondiente, a causa del diseño bajo en ohmios del
devanado excitador 1, con el 100% de relación de contacto. Puede
materializarse de forma económica un dispositivo conforme a la
figura 2.
La señal de número de revoluciones del generador
enviada por el transmisor de número de revoluciones 4 puede ser, en
el caso de los dos dispositivos descritos anteriormente, un valor
medio de número de revoluciones obtenido mediante una sencilla
valoración. El tiempo de arranque puede usarse en el sentido de un
valor de vigilancia térmica. Puede usarse un valor estimativo para
la temperatura del devanado excitador en el sentido de una
compensación de la influencia de temperatura para ajustar una
potencia de excitación deseada.
Los dos ejemplos de ejecución anteriormente
descritos tienen la ventaja de una materialización de elevados
momentos de arranque mediante la puesta a disposición de una
potencia de excitación aumentada durante un breve espacio de
tiempo, en donde se aumenta al mismo tiempo la dinámica de la
estructura de momentos.
A continuación se describe, con base en las
figuras 3 y 4, cómo se tiene en cuenta el número de revoluciones
del generador a la hora de generar las señales de control s mediante
el aparato de control de arranque 3.
La figura 3 muestra a modo de ejemplo el
comportamiento giratorio de un motor Otto de 4 cilindros, con la
utilización de un generador de arranque por correa y partiendo de
una posición de penduleo del motor desfavorable. La curva k1
muestra el desarrollo del número de revoluciones del generador n a
lo largo del tiempo t, la curva k2 el desarrollo del valor medio de
número de revoluciones a lo largo del tiempo t y la curva k3 el
desarrollo del valor medio de la tensión de excitación Ue a lo
largo del tiempo t. Es característico del diagrama mostrado que la
primera compresión completa se supere con un número de revoluciones
en el margen de 0. La configuración dependiente del tiempo y del
número de revoluciones del valor medio de número de revoluciones se
materializa de forma sencilla a través de una constante de tiempo
rectificadora de 0,5 s. La tensión de excitación Ue se ajusta de la
forma siguiente:
- -
- Para valores medios de número de revoluciones, que sean inferiores a 300 revoluciones por minuto, la tensión de excitación se corresponde con la tensión de excitación máxima de 12 V.
- -
- Para valores medios de número de revoluciones, que sean superiores a 300 revoluciones por minuto, se produce una regulación limitadora de la tensión de excitación desde la tensión de excitación máxima a una tensión de excitación de 9 V, en el sentido de una función e dependiente del número de revoluciones.
En la figura 3 puede verse asimismo que el
aumento del número de revoluciones se produce lentamente y como
consecuencia de ello la regulación limitadora de la tensión de
excitación no se produce hasta pasados unos 0,8 segundos.
La figura 4 muestra a modo de ejemplo el
comportamiento giratorio del mismo motor Otto de 4 cilindros, en el
caso de usarse un generador de arranque por correa y partiendo de
una posición de penduleo favorable del motor. La curva k1 muestra
el desarrollo del número de revoluciones del generador n a lo largo
del tiempo t, la curva k2 el desarrollo del valor medio de número
de revoluciones a lo largo del tiempo t y la curva k3 el desarrollo
del valor medio de la tensión de excitación Ue a lo largo del tiempo
t. Es característico del diagrama mostrado que la primera
compresión completa se supere con un número de revoluciones que es
bastante mayor que el número de revoluciones correspondiente en la
figura 3. El desarrollo de giro completo se hace más dinámico con
relación a la figura 3 y permite una regulación limitadora de la
tensión de excitación, que comienza en un momento anterior. En el
ejemplo de ejecución mostrado comienza la regulación limitadora de
la tensión de excitación transcurridos ya unos 0,5 segundos. En la
figura 4 puede verse asimismo que el aumento del número de
revoluciones se produce más rápidamente que en la figura 3.
De una comparación entre las figuras 3 y 4 se
deduce que se ha llevado a cabo una adaptación de los momentos de
arranque al desarrollo del arranque.
Claims (10)
1. Dispositivo para mejorar el funcionamiento de
arranque-parada de un vehículo, que presenta un
devanado excitador asociado al generador de arranque del vehículo y
conectado a la red interna del vehículo así como un aparato de
control de arranque, mediante cuyas señales de control se influye en
la corriente de excitación que fluye a través del devanado
excitador, caracterizado porque el aparato de control de
arranque (3) genera las señales de control (s) que influyen en la
corriente de excitación que fluye a través del devanado excitador
(1), en dependencia de las señales de salida de un transmisor de
número de revoluciones (4) que registra el número de revoluciones
de generador y/o de un transmisor de momentos de arranque (5), y
porque se dispone de medios (6, S1, 2; 9, 1) que permiten durante
un breve espacio de tiempo una mayor potencia de excitación
estacionaria y una generación de corriente de excitación
temporalmente más rápida.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios comprenden una fuente de
tensión (6), que pone a disposición una tensión auxiliar, que es
mayor que la tensión de red interna y presentan un interruptor (S
1), que tiene una primera entrada unida a la salida de la fuente de
tensión (6) y una segunda entrada unida a una conexión de tensión
de red interna (2), y porque a la entrada de control del interruptor
(S1) están asociadas las señales de control (s) generadas por el
aparato de control de arranque (3).
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque la fuente de tensión (6) es un regulador
en aumento (6).
4. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque la fuente de tensión (6) es un
acumulador eléctrico.
5. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque los medios (6, S1, 2; 9, 1) presentan un
regulador de tensión (9), cuya salida está unida al devanado
excitador (1), y porque las señales de con-
trol (s) generadas por el aparato de control de arranque (3) se alimentan al regulador de tensión (9).
trol (s) generadas por el aparato de control de arranque (3) se alimentan al regulador de tensión (9).
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque el regulador de tensión (9) está unido a
una conexión de tensión de red interna (2).
7. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el transmisor de número de
revoluciones (4) pone a disposición un valor medio de número de
revoluciones.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque presenta un transmisor de
temperatura de devanado (8), que está previsto para medir o apreciar
la temperatura del devanado excitador (1) y presenta una salida
unida al aparato de control de arranque (3).
9. Dispositivo según una de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque presenta un transmisor de
corriente de excitación (7), que está previsto para medir o apreciar
la corriente de excitación que fluye a través del devanado
excitador (1) y presenta una salida unida al aparato de control de
arranque (3).
10. Dispositivo según la reivindicación 8 ó 9,
caracterizado porque el aparato de control de arranque (3)
genera las señales de control (s) en dependencia de las señales de
salida del transmisor de temperatura de devanado (8) y/o del
transmisor de corriente de excitación (7).
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