-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Luftkompressor-Steuersystem
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Steuern eines Luftkompressors
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
-
Moderne
Lastkraftwagen enthalten Luftkompressoren, die zum Laden eines Lufttanks
verwendet werden, aus dem luftbetriebene Systeme, wie Betriebsbremsen,
Scheibenwischer, eine Luftfederung usw., Luft entnehmen können. In
einer typischen Lastkraftwagenanwendung kann ein Luftkompressor
bis zu 90 % der Zeit in einem unbelasteten Zustand laufen. Dieser
hohe Wert eines unbelasteten Gebrauchs führt zu bis zu 80 % des Luftkompressor-Kraftstoffverbrauchs
und zu erhöhten
Kompressorkopftemperaturen, wodurch sowohl der Kraftstoffnutzungsgrad
als auch die Motorleistung verringert werden. In einem Versuch,
sowohl den Kraftstoffnutzungsgrad als auch die Motorleistung zu
erhöhen,
wurden Systeme zur Verringerung des unbelasteten Gebrauchs des Luftkompressors
und zur Verringerung des Gebrauchs des Luftkompressors in Perioden
mit hohem Energieverbrauch entwickelt.
-
Die
US 2,312,728 offenbart ein
Kompressorsteuersystem, das einen Kompressor aktiviert, wenn der Druck
in einem Reservoir unter einen ersten vorbestimmten Wert fällt, und
den Kompressor deaktiviert, wenn der Druck in dem Reservoir einen
zweiten, höheren,
vorbestimmten Druck erreicht. Es wird jedoch keine optimale Luftkompressorsteuerung
ermöglicht,
da der Luftkompressor auch aktiviert wird, wenn der Tankdruck zwischen
den vorbestimmten Werten liegt und der Luftkompressor sich in einem
unbelasteten Zustand befindet.
-
In
dem Bemühen,
diese Nachteile zu beheben, offenbart die
US 4,361,204 einen Kompressor, der
in einem Motorfahrzeug verwendet wird, der während einer Bergabfahrt und
bei einer Verlangsamung aktiviert wird und während einer Bergauffahrt oder
in Perioden hohen Energieverbrauchs deaktiviert wird. Dies erhöht zwar
die Effizienz eines Teiles des Systems, aber die Effizienz im gesamten
Luftkompressorzyklus wird nicht optimiert, da der Luftkompressor
aktiviert wird, sobald der Tankdruck unter einen vorbestimmten Wert
fällt,
und der Luftkompressor deaktiviert wird, sobald der Tankdruck einen
anderen, höheren,
vorbestimmten Wert übersteigt.
-
Die
EP 0 119 505 A1 ,
die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart
eine Druckluftanlage für
Fahrzeuge. In Abhängigkeit
von den jeweiligen Betriebsgegebenheiten des Fahrzeugs kann Energie
zur Druckluftbeschaffung eingespart werden, und zwar dadurch, daß das Füllen der
Druckluftanlage vornehmlich in solche Phasen verlegt wird, in denen
die für
den Kompressor er forderliche Antriebsenergie nicht dem Fahrzeugmotor,
sondern von der Bewegungsenergie des Fahrzeugs, insbesondere bei
Bergabfahrt, abgezweigt wird. Problematisch ist, daß ein Luftkompressor
des Fahrzeugs überhitzen
kann.
-
Nach
dem Stand der Technik wird die Effizienz verschiedener Abschnitte
des Luftkompressorzyklus verbessert, ohne die Effizienz des gesamten
Zyklus des Luftkompressors zu optimieren und ohne die Kompressorkopftemperaturen
zu regulieren. Es besteht eindeutig ein Bedarf in der Technik an
einem Luftkompressor-Steuersystem, das nicht nur den Luftkompressor
in einer Weise steuert, welche die Effizienz im gesamten Betriebszyklus
optimiert, sondern auch die Kompressorkopftemperatur reguliert,
um die Lebens- bzw. Betriebsdauer des Kompressors zu verlängern.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftkompressor-Steuersystem und
ein Verfahren zum Steuern eines Luftkompressors anzugeben, wobei
auf einfache Weise die Kompressorlebensdauer erhöht und/oder ein Überhitzen
des Luftkompressors verhindert werden kann.
-
Die
obige Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Luftkompressor-Steuersystem gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren
gemäß Anspruch
9 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Eine
Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine erhöhte Kompressorlebensdauer
durch aktive Steuerung des Luftkompressors zu sorgen, so daß dieser
periodische Kühlzyklen
durchläuft,
um gewünschte
Kopfmetalltemperaturen aufrechtzuerhalten bzw. nicht zu überschreiten.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer erhöhten
Kompressorlebensdauer und einer erhöhten Fahrzeugleistung durch
das Vermeiden eines übermäßigen zyklischen
Wechsels des Kompressors zwischen belasteten und unbelasteten Zuständen.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer zusätzlichen
Drehmomentdämpfung
für Bremsvorgänge während einer
Bergabfahrt durch Betreiben des Luftkompressors in einem belasteten
Modus während
solcher Vorgänge.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
wertvoller Informationen für
die Wartungsdiagnose durch Aufzeichnung des Arbeitszyklus des Luftkompressors
zur Identifizierung ungewöhnlicher
Kompressoraktivität.
Ebenso kann eine derartige Arbeitszyklusaufzeichnung Informationen
in bezug auf den Betrieb des Fahrzeuges im allgemeinen liefern.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Steuerung eines Luftkompressors, so daß er nicht betrieben werden
kann, wenn die Kompressorkopftemperatur eine zuvor definierte Temperatur übersteigt.
-
Diese
und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden insbesondere
durch die Bereitstellung eines Systems und Verfahrens zur Luftkompressorsteuerung
erreicht, wobei der Luftkompressor nur belastet wird, wenn Motoraktivitäten seine
Belastungen verlangen oder wenn Motorkraft zum Betreiben des Kompressors
zur Verfügung
steht. Ein Luftkompressorsystem ist ein motorbetriebener, vorzugsweise
kolbenartiger Kompressor, der in einem belasteten und unbelasteten
Modus arbeitet und den luftbetriebenen Vorrichtungen eines Fahrzeuges,
wie Betriebsbremsen, Luftfederung, Scheibenwischer usw., Luft bereitstellt.
Der Betriebsmodus des Kompressors ist durch einen druckaktivierten
Luftregler gesteuert, der ein Luftsignal anlegt, wenn Druck in einem
Reservoir einen eingestellten Wert erreicht, das ein Kappenventil
oder dergl. auf einer Entlastungsvorrichtung aktiviert, wodurch
der Luftkompressor angehalten wird. Wenn der Luftdruck in dem Behälter unter
einen unteren eingestellten Druck fällt oder wenn Energie "frei" ist, wie während Bergabfahrten,
zieht bzw. läßt der Luftregler
das Luftsignal ab, so daß der
Luftkompressor den Betrieb wieder aufnehmen kann. Wenn das Reservoir
einen Druck zwischen den beiden eingestellten Drücken aufweist und sich der
Luftkompressor in einem unbelasteten Zustand befindet, wird er zusätzlich in
diesem Zustand über
eine festgelegte Zeitperiode gehalten, um einen raschen zyklischen
Wechsel des Luftkompressors zu verhindern. Wenn ferner das Reservoir
einen Druck zwischen den beiden eingestellten Drücken aufweist und sich der
Luftkompressor in einem belasteten Zustand befindet, wird der Luftkompressor
nach einem festgelegten Zeitintervall entlastet, das auf einer Kompressorkopfmetalltemperatur
beruht, um die Schwellentemperaturen des Kompressorkopfmetalls in
einem geeigneten Bereich zu halten. Zusätzlich wird die Temperatur
des Kompressorkopfes aufgezeichnet, so daß, sobald die Temperatur des
Kompressorkopfes eine vorbestimmte Schwellentemperatur überschreitet,
der Luftkompressor in einen unbelasteten Zustand gebracht wird,
bis die Temperatur des Kompressorkopfes unter die vorbestimmte Schwellentemperatur
fällt.
Die Kopftemperatur kann auf jede geeignete Weise aufgezeichnet werden,
wie durch eine direkte Thermoelementablesung oder durch andere bekannte und
zugehörige
Motorbetriebsparameter.
-
Insbesondere
werden die obengenannten Aspekte durch Bereitstellung eines Luftkompressor-Steuersystems
zum Steuern eines eingebauten Luftkompressors eines Fahrzeuges erreicht,
wobei das Steuersystem einen Luftkompressor zum Bereitstellen von
Druckluft an luftbetriebene Vorrichtungen des Fahrzeuges, einen
Sensor zum Erfassen des Druckes eines Reservoirs, das Druckluft
enthält,
und zum Erzeugen eines Signals, das den Druck anzeigt, und eine
Steuervorrichtung zum Aktivieren des Luftkompressors, wenn das Signal,
das von dem Sensor erzeugt wird, unter einen vorbestimmten Schwellenwert
sinkt, der einem vorbestimmten Schwellendruck entspricht, oder wenn
Energie zum Betreiben des Luftkompressors verfügbar ist, aufweist. Ebenso
wird der Luftkompressor deaktiviert, wenn das Signal, das von dem
Drucksensor erzeugt wird, einen zweiten, vorbestimmten Schwellenwert
erreicht, der einem zweiten vorbestimmten Schwellendruck entspricht.
Der erste und zweite, vorbestimmte Schwellendruck liegen vorzugsweise
in einem Bereich von 344,7 kPa bis 1,03 MPa (50 – 150 psi) und insbesondere
in einem Bereich von 620,5 kPa bis 827,4 kPa (90 – 120 psi).
-
Vorzugsweise
deaktiviert das System den Luftkompressor, sobald eine vorbestimmte
maximale Belastungszeit, die einer vorbestimmten Kompressorkopftemperatur
entspricht, erreicht ist, um eine übermäßige Erwärmung des Kompressorkopfs bzw.
-kopfmetalls zu verhindern. Zusätzlich
oder alternativ hält
das Steuersystem einen bestimmten Modus des Luftkompressors über eine
vorbestimmte Zeitperiode aufrecht, wenn der Luftkompressor zwischen
den vorbestimmten Schwellendrücken
arbeitet, um einen übermäßigen zyklischen Wechsel
des Luftkompressors zu verhindern.
-
Ein
Verfahren zum Steuern eines Luftkompressors umfaßt insbesondere die Schritte
des Erfassens eines Druckes eines Reservoirs, das Druckluft enthält, die
durch einen Luftkompressor zugeführt
wird, des Erzeugens eines Signals, das den Druck anzeigt, und des Übertragens
des Signals zu einer Steuereinheit zum Steuern des Luftkom pressors.
Das Aktivieren des Luftkompressors, wenn das Signal unter einen
ersten, vorbestimmten Wert sinkt, der einem ersten, vorbestimmten
Schwellendruck entspricht, oder das Aktivieren des Luftkompressors,
wenn Energie zum Betreiben des Luftkompressors verfügbar ist,
und das Deaktivieren des Luftkompressors, wenn das Signal einen
zweiten, vorbestimmten Wert erreicht, der einem zweiten, vorbestimmten
Schwellendruck entspricht. Noch einmal, das besondere Verfahren,
das hierin beschrieben ist, führt zu
der Steuerung eines Luftkompressors, so daß der Luftkompressor nach einer
vorbestimmten, maximalen belasteten Zeit, die einer vorbestimmten
Kompressorkopfmetalltemperatur entspricht, deaktiviert wird, um
eine übermäßige Erwärmung des
Kompressorkopfmetalls zu verhindern, wie auch zu einem Verfahren,
in dem ein bestimmter Modus des Luftkompressors über eine vorbestimmte Zeitperiode
aufrechterhalten wird, wenn der Luftkompressor zwischen den vorbestimmten
Drücken
arbeitet, um einen übermäßigen zyklischen
Wechsel des Luftkompressors zu verhindern.
-
Diese
wie auch zusätzliche
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung der vorliegenden Erfindung hervor, wenn diese in Zusammenhang
mit der Zeichnung betrachtet wird. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung
eines Luftkompressor-Teilsystems, das gemäß der vorliegenden Erfindung
gesteuert wird; und
-
2 eine graphische Darstellung
des ökonomischen
Betriebs eines Luftkompressors, der gemäß der vorliegenden Erfindung
gesteuert wird.
-
In
typischen Ferntransportfahrzeugen liefert ein eingebauter Luftkompressor
Luft für
die luftbetriebenen Vorrichtungen des Fahrzeuges, wie Betriebsbremsen,
Luftfederung, Scheibenwischer usw. Eine Vielzahl von Luftkompressoren
in solchen Fernfahrzeugen sind motorbetriebene, kolbenartige Kompressoren.
Solche Kompressoren laufen, sobald der Motor läuft, aber diese Kompressoren
haben zwei Betriebsmoden, nämlich einen
belasteten und einen unbelasteten Zustand. Der Betriebsmodus wird
durch einen druckaktivierten Luftregler und eine Entlastungsvorrichtung
gesteuert, die dem Luftkompressor zugeordnet ist.
-
Wie
aus 1 ersichtlich ist,
die ein Luftkompressorsystem darstellt, welches das Steuersystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, umfaßt
dieses einen Luftkompressor 12, der durch eine Kurbelwelle
eines Verbrennungsmotors 14 angetrieben wird. Der Luftkompressor 12 wird
zum Aufrechterhalten eines Druckes in einem zugeordneten Vorluftbehälter oder
Reservoir 16 innerhalb maximaler und minimaler Druckgrenzen
gehalten. Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die maximale Druckgrenze im Bereich von etwa 1,03
MPa (150 psi) liegen, während
eine minimale im Bereich von etwa 344 kPa (50 psi) liegen kann.
Vorzugsweise reicht dieser Bereich von etwa 620 kPa bis 828 kPa
(90 psi bis 120 psi).
-
Wie
zuvor festgestellt wurde, wird der Betriebsmodus des Luftkompressors
durch eine Entlastungsvorrichtung 18 und einen Luftregler 20 auf
herkömmliche
Weise gesteuert. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die besondere
Steuerung der Entlastungsvorrichtung 18 und des Reglers 20,
so daß der
unbelastete und belastete Betriebsmodus des Kompressors 12 gesteuert
wird, um den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors in vorteilhafter
Weise zu beeinflussen, wie auch andere Eigenschaften des Luftkompressors 12 beim
Betreiben des Fernfahrzeuges in vorteilhafter Weise zu nutzen und
gleichzeitig die Gebrauchsdauer des Luftkompressors 12 zu
verlängern.
-
Die
Steuerung des Kompressors 12 erfolgt durch den Luftregler 20,
der seinerseits durch eine elektronische Steuereinheit 22 gesteuert
wird, deren besonderer Betrieb in der Folge ausführlicher besprochen wird. Zusätzlich enthält das System
einen Lufttrockner 24 und einen Auslaßbehälter 26, die ebenso
auf herkömmliche
Weise arbeiten. Es ist von besonderer Bedeutung, daß der Luftdruck
in dem Reservoir 16 innerhalb der optimalen Grenzen in
einer Weise gehalten wird, die auch eine optimale Betriebsleistung
des Motors aufrechterhält.
Wenn während
des Betriebs, wie bei herkömmlichen
Luftkompressor-Teilsystemen, das Luftsystem einen Ausschaltdruck
erreicht, wie durch die Luftrückleitung 25 von
dem Reservoir 16 dargestellt ist, steuert der Luftregler 20 ein
Luftsignal zu der Entlastungsvorrichtung 18. Dadurch wird
das Kappenventil 28 der Entlastungsvorrichtung aktiviert,
wodurch der Druckluftstrom in das Luftsystem bzw. das Reservoir 16 unterbrochen wird.
Wenn der Luftdruck in dem Reservoir 16 auf oder unter den
Einschaltdruck fällt,
läßt der Luftregler 20 das Luftsignal
zu der Entlastungsanordnung ab. Dadurch kann der Kompressor 12 wie der
mit dem Pumpen von Luft in das gesamte Luftsystem und folglich in
das Reservoir 16 beginnen.
-
Wie
zuvor festgehalten wurde, ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Kopfmetalltemperaturen bzw. Kopftemperatur des Luftkompressors 12 zu
minimieren. Das heißt,
die Druckluft verläßt den Luftkompressor 12 bei
erhöhter
Temperatur, die im Bereich von 250° – 600°F liegen kann. Folglich ist
es wünschenswert,
ausreichende und periodische Kühlzyklen
bereitzustellen, um die Lebensdauer des Kompressors 12 zu
verlängern.
Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in der Folge ausführlicher
besprochen.
-
Sobald
die Druckluft den Luftkompressor 12 verläßt, wird
sie zu dem Lufttrockner 24 geleitet, wo die Temperatur
auf weniger als 150° Fahrenheit
sinkt. Wie bei den meisten herkömmlichen
Luftsystemen dient der Trockner vorwiegend als Trocknungsmittel,
das Feuchtigkeit aus der Druckluft entfernt. Dies verhindert stromabwärtige Vereisungen
und eine Korrosion der Luftleitungen, Luftbehälter und Ventilkomponenten.
Der Trockner dient auch als Sammelbehälter für Öl und Luftverunreinigungen,
wodurch im Prinzip die Lebensdauer des Systems verlängert wird.
Von dem Trockner wird die Druckluft zu dem Vorluftbehälter oder
Reservoir 16 geleitet. Wie bei den meisten Systemen enthält das Reservoir 16 ein
Sicherheitsventil, das für
gewöhnlich
bei Drücken über etwa
1 MPa (150 psi) öffnet,
so daß die
Möglichkeit
einer Überlastung
des Reservoirs 16 ausgeschaltet wird. Das Reservoir 16 liefert
Druckluft an eine beliebige Anzahl primärer und sekundärer Reservoirs, die
durch den Luftbedarf des Fahrzeuges bestimmt sind. Aus Sicherheitsgründen enthalten
die primären
und sekundären
Luftreservoirs Einweg-Absperrventile, die einen Rückstrom
von Luft zu dem Reservoir 16 verhindern. Dies garantiert,
daß selbst
bei einem Versagen des Luftkompressors das Fahrzeug über einen
gewissen Restluftdruck zur Betätigung
des Bremssystems verfügt.
-
Auch
hier ist, wie zuvor festgehalten wurde, eine primäre Aufgabe
der vorliegenden Erfindung die Verlängerung der Lebensdauer des
Luftkompressors 12 auf das größtmögliche Ausmaß, während gleichzeitig
die Kraftstoffeffizienz des Motors maximiert wird.
-
Einer
der Hauptfaktoren, der die Lebensdauer des Luftkompressors 12 beeinträchtigt,
sind die hohen Temperaturen, wie zuvor hierin festgehalten wurde.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung können
durch Steuerung der Länge
des Kompressorbelastungszyklus wie auch der Frequenz der Kompressorbelastungszyklen die
Kopftemperaturen verringert werden. In Studien stellte sich heraus,
daß etwa
85 % der Luftkompressorzyklen weniger als eine Minute dauern. Für gewöhnlich sind
die Belastungszyklen während
des Motoranlassens nach einer längeren
Ausschaltzeit am längsten,
aber unter diesen Bedingungen ist der Motor kühl und das Kühlsystem
kann somit den Luftkompressor 12 ausreichend kühl halten.
Problematisch sind die Kopftemperaturen während anderer Stillstandsvorgänge. Das
heißt,
die Kopftemperatur kann während
eines betrieblichen Stillstands des Fahrzeugs ziemlich hoch sein,
da das Kühlsystem
von anderen Motorkomponenten belastet wird. Ein Verhältnis zwischen
der Kompressorkopfmetalltemperatur und anderen Motorbetriebsfaktoren
wurde bestimmt. Insbesondere wurde ein Versuch unternommen, die
Kompressorkopf(metall)temperatur des Kompressors 12 als
Funktion der Ansaugkrümmertemperatur,
der Kompressordrehzahl, des Ladedrucks, des Vorluftbehälterdrucks
und der Kühlmitteltemperatur
zu charakterisieren. Wenn diese Variablen, die bereits der elektronischen
Steuereinheit des Motors zugeführt
werden, so formuliert sind, daß sie
eine Anzeige der Kompressorkopf(metall)temperatur liefern, kann
eine Steuerung der Belastung und Entlastung des Luftkompressors 12 auf
der Basis solcher Parameter erreicht werden.
-
Wie
zuvor hierin festgestellt wurde, kann die Kopf(metall)temperatur
des Kompressors 12 als Funktion des Ansaugkrümmerdrucks,
der Kompressordrehzahl, des Ladedrucks, des Vorluftbehälterdrucks
und der Kühlmitteltemperatur
charakterisiert werden.
-
Da
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Luftkompressorkopfmetalltemperaturen
zu verringern und somit die gesamte Lebensdauer des Luftkompressors 12 zu
erhöhen,
können
die obengenannten Parameter zur Bestimmung der optimalen Kompressorbetriebszyklusdauer
aufgezeichnet werden. Zusätzlich wird
durch die Verringerung der Luftkompressorkopf(metall)temperatur
und die folglich kurzen Kompressorzyklen die Lufttrocknerleistung
erhöht,
was zu der Verwendung von Trocknern geringeren Gewichts oder zu
einer Verlängerung
der Lebensdauer des Trocknungsmittels gegenwärtiger Trockner führen kann.
-
Der
Luftkompressor 12 kann bis zu etwa 4,4 bis 5,9 kW (6-8
PS) während
des Bergabfahrtbetriebs des Fahrzeuges unter Belastung absorbieren
bzw. aufnehmen, wodurch das Bremsen des Fahrzeuges unterstützt wird.
Natürlich
ist es aus mehreren Gründen
günstig,
den Luftkompressor während
Bergabfahrten im belasteten Modus zu betreiben. Während der
Bergabfahrt ist Energie "frei". Das heißt, der
Kraftstoffverbrauch ist nicht durch den belasteten Zustand des Luftkompressors 12 beeinflußt. Zweitens
wird das Motordrehmoment vom Luftkompressor 12 gedämpft, was
für das
Bremsen des Motors von Nutzen ist. Dies ist besonders für Fahrzeuge
vorteilhaft, die nicht mit Motor- bzw. Kompressionsbremsen ausgestattet
sind und somit nur von Betriebsbremsen zur Dämpfung des Drehmoments abhängen. Und
drittens ist es durch den Betrieb des Luftkompressors 12 über seinem "normalen" Einschaltdruck und
möglicherweise über seinem "normalen" Ausschaltdruck (wie
in der Folge ausführlicher
beschrieben wird) möglich,
einen zusätzlichen
Bremspuffer für
den Fahrer zu schaffen. Dies ist besonders für einen Fahrer von Vorteil,
der auf einer langen Gefällstrecke
fährt,
wo es häufig notwendig
ist, die Bremsen periodisch zu pumpen, während der Luftdruck aus Angst überwacht
wird, daß die Betriebsbremsen
aufgrund einer Erschöpfung
des Luftvorrats versagen könnten.
-
Zusätzlich ist
es wichtig, daß das
System einen plötzlichen
Betrieb des Luftkompressors 12 minimiert, wenn sich das
Fahrzeug im Leerlauf befindet, was zu Senkungen bzw. Schwankungen
in der Motorleerlaufgeschwindigkeit führen kann, die ihrerseits eine
Instabilität
bei einem geringfügig
stabilen Regler hervorrufen können.
Ferner wird mit dem vorliegenden System die Motorleistung während kurzfristiger,
starkmotoriger Übergänge verbessert,
da der Luftkompressor während
solcher starkmotoriger Übergänge im unbelasteten
Zustand gehalten wird. Indem dafür
gesorgt wird, daß der
Kompressor nur dann belastet wird, wenn es absolut notwendig ist,
oder wenn Energie "frei" ist, wird ein optimales
Gleichgewicht zwischen Leistung und sparsamem Kraftstoffverbrauch
erreicht.
-
Das
besondere Steuersystem der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher
besprochen, wobei das Steuersystem insbesondere zur Erfüllung von
fünf Hauptaufga ben
konstruiert bzw. ausgelegt ist. Die erste ist die Verringerung des
Kraftstoffverbrauches, der zum Betreiben des Luftkompressors notwendig
ist. Die zweite ist die Verringerung der Auswirkung des Luftkompressorbetriebs
auf die Fahrzeugleistung, das heißt, des Ausmaßes und
der Rate einer Drehmomentänderung,
die an den Antriebsgetriebesatz des Fahrzeuges geleitet wird. Die
dritte besteht darin, den Luftkompressor als Drehmomentdämpfer arbeiten
zu lassen. Die vierte ist die Erhöhung der Lebensdauer des Luftkompressors
durch Regulierung der Luftkompressorzykluszeit, und die fünfte ist
die Aufzeichnung von Parametern, wie des Luftkompressorarbeitszyklus,
der Zyklusdauer, des Vorluftbehälterdrucks
und von Betriebsbremsvorgängen,
als Beitrag zur Diagnose von Luftleckstellen und ungewöhnlichen
Bremsmustern.
-
Das
Luftkompressor-Steuersystem gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet Daten, die im elektronischen Teilsystem des
Motors vorhanden sind, wobei dieses Teilsystem entscheidet, wann
es ökonomisch ist,
den Luftkompressor zu betreiben. Das Teilsystem entscheidet des
weiteren, wann es notwendig ist, die Drehmomentdämpfung zu erhöhen, und
wann es notwendig ist, für
ein höheres
Drehmoment oder eine rasche Drehmomentänderung zu sorgen. Da diese
Information für
den Betrieb anderer Komponenten des Motors notwendig ist, ist diese
Information eine globale Eigenschaft des Motorbetriebs und wird
von der elektronischen Steuereinheit geliefert. Insbesondere entscheidet
das Luftdrucksteuerteilsystem, wann der Kompressor laufen muß, wann
er nicht laufen darf und wann die Bedingungen derart sind, daß er entweder
laufen oder nicht laufen kann. Die Entscheidung wird getroffen,
um zu gewährleisten,
daß die
primäre
Funktion des Luftkompressors nicht beeinträchtigt ist, wobei aber Entscheidungen
derart getroffen werden, daß der
Kraftstoffnutzungsgrad und der Motorbetrieb optimiert werden. Die
letztgenannte Information ist eine lokale Eigenschaft des Luftkompressorbetriebs,
ist aber auch für
das globale elektronische Motorteilsystem verfügbar.
-
Wie
zuvor hierin festgehalten wurde, bestimmt das Luftkompressor-Steuerteilsystem,
wann der Luftkompressor laufen muß, das heißt, sich im belasteten Zustand
(dem Zustand R in der folgenden Tabelle) befinden muß, nicht
laufen darf, das heißt,
sich im unbelasteten Zustand (dem Zustand N in der folgenden Tabelle)
befinden muß,
oder wann die Motorbetriebsbedingungen indifferent sind, so daß sich der
Luftkompressor im belasteten oder unbelasteten Zustand (dem Zustand
O in der folgenden Tabelle) befinden kann. Der Luftkompressor muß im belasteten
Zustand laufen, um seine Funktion zu erfüllen, dem Zustand R. Das heißt, wenn
der Vorluftbehälterdruck
unter einen vorbestimmten minimalen Schwellendruck fällt. Dieser
minimale Schwellendruck kann im Bereich von 50 psi bis 150 psi liegen
und liegt vorzugsweise im Bereich von 90 psi bis 120 psi. Es wird
jedoch festgehalten, daß,
sobald der Behälterdruck
110 psi erreicht, der Kompressorzustand nicht zu einem belasteten
Zustand zurückkehrt,
bis der Druck tatsächlich
unter 90 psi fällt.
Dieses 20 psi-Band (etwa 137,9 kPa-Band) sorgt dafür, daß Geräusch- bzw.
Druckschwankungen in der Luftleitung keine unnötigen Pumpzyklen verursacht.
Ein weiterer Luftkompressorzustand ist ein Zustand, in dem der Luftkompressor
in einem unbelasteten Zustand, dem Zustand N, laufen muß. Diese
Bedingung ist erfüllt,
wenn der Vorluftbehälterdruck
höher oder
gleich einem maximalen Schwellendruck ist. Dieser Druck liegt im
Bereich von etwa 689 kPa bis etwa 1 MPa (100 – 150 psi) und beträgt vorzugsweise
etwa 930,8 kPa (135 psi). Dies garantiert, daß der Luftdruck die Sicherheitsgrenzen
des Reservoirs nicht überschreitet.
-
Wenn
sich der Kompressor in keinem der obengenannten Zustände befindet,
befindet er sich in einem Zustand, in dem es möglich ist, den Luftkompressor
in einem belasteten Modus laufen zu lassen, falls notwendig, und
in dem es möglich
ist, den Luftkompressor nicht in einem belasteten Modus laufen zu
lassen, falls notwendig, dem Zustand O. Dies ist der Fall, wenn
der Luftdruck in dem Reservoir zwischen dem minimalen Schwellendruck
und dem maximalen Schwellendruck, das heißt, zwischen 50 psi und 150
psi und insbesondere zwischen 90 psi und 120 psi liegt.
-
Wie
zuvor hierin festgehalten wurde, bestimmen die Motorbetriebszustände, ob
der Luftkompressor in einem belasteten Zustand während des Luftkompressorzustandes,
in dem es indifferent ist, ob der Luftkompressor betrieben wird
oder nicht, laufen gelassen wird. Insbesondere kann ein solcher
Motorbetriebszustand ein Motorzustand sein, in dem es ökonomisch
ist, den Luftkompressor zu betreiben, wie ein Motorantriebszustand
(Zustand E), während
ein anderer Zustand Situationen kennzeichnet, in welchen es tatsächlich günstig ist,
möglichst
viel des Drehmoments von dem Motor zu dämpfen, z.B., wenn sich das
Fahrzeug eine lange Gefällstrecke
abwärts
bewegt und der Fahrer die Bremsen betätigen muß, um die Fahrzeuggeschwindigkeit
unter Kontrolle zu halten (Zustand A). Der Zustand E, auf den zuvor
Bezug genommen wurde, ist eine Untereinheit von Zustand A und ist
in einem solchen Zustand A enthalten. Wenn daher Zustand A zutrifft,
trifft ebenso Zustand E zu. Ein weiterer Betriebszustand ist ein
Zustand D, der ein Zustand des Motors ist, wenn sich dieser weder
in Zustand E noch Zustand A befindet. Oder anders gesagt, wenn er
sich nicht in Zustand A befindet, in dem Zustand A Zustand E beinhaltet.
Ein besonderer Zustand, in dem der Zustand D eindeutig zutrifft,
ist während
starkmotoriger Übergänge bzw.
leistungsstarker Schaltvorgänge.
Die folgende Tabelle zeigt besser, wann der Kompressor im belasteten
und unbelasteten Zustand bei verschiedenen Motorzuständen betrieben wird.
-
-
Daher
zeigt diese Tabelle deutlich, daß der Kompressor im belasteten
Zustand, Zustand R, laufen muß,
wenn der Reservoirdruck unter einen vorbestimmten, minimalen Schwellendruck
fällt,
während
der Kompressor nicht im belasteten Zustand laufen darf, wenn der
Druck im Reservoir höher
als ein vorbestimmter, maximaler Schwellendruck ist, Zustand N.
Zur Maximierung der Motorleistung ist es jedoch entscheidend bzw. kritisch,
die Belastung und Entlastung des Luftkompressors vorschlagsgemäß insbesondere
ausschließlich nur
in der Zeit zu steuern, wenn der Luftdruck in dem Reservoir höher als
der minimale Schwellendruck und geringer als der maximale Schwellendruck
ist, im Zustand O. Wenn sich der Kompressor im "O"-Zustand
befindet und sich der Kompressor in einem unbelasteten Betriebsmodus
befindet, wird daher der Luftkompressor in diesem Zustand über eine
vorbestimmte Sperrzeit bzw. Zeitperiode, vorzugsweise in der Größenordnung von
10 bis 20 Sekunden und vorzugsweise 15 Sekunden, selbst im Falle
einer eigentlich vorgesehenen Änderung
des Betriebszustandes von unbelastet zu belastet gehalten. Dies
ist vorzugsweise jedoch nur dann der Fall, wenn der Luftdruck währenddessen über dem
minimalen Schwellendruck liegt. Danach nimmt der Luftkompressor
den Zustand ein, der durch die obengenannte Entscheidungsmatrix
bestimmt wird. Diese Maßnahme
verhindert einen raschen zyklischen Wechsel des Kompressors, falls
der Motorzustand sich rasch ändert,
d.h., zwischen E und D, was in einer hügeligen Region der Fall sein
kann. Da es eine primäre
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Lebensdauer des Kompressors
zu verlängern,
beschränkt
ferner das System die Zeit, in welcher der Luftkompressor im belasteten
Modus läuft,
wenn der Kompressorzustand "O" ist. Der Kompressor
wird aufgrund des berechneten Wertes der Kompressorkopf(metall)temperatur
entlastet, was in der Folge ausführlicher
besprochen wird. In dieser Hinsicht wird der Luftkompressor entlastet,
sobald die Kopf(metall)temperatur einen kalibrierten Schwellenwert übersteigt
und der Kompressor im "O"-Zustand betrieben
wird. Das heißt,
wenn der Kompressorzustand "O" ist und die Entscheidungsmatrix
anweist, daß sich der
Kompressor in einem belasteten Zustand befinden sollte, läuft der
Luftkompressor im belasteten Modus, bis die Kopftemperatur einen
vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
Danach läuft
der Luftkompressor über eine
vorbestimmte Zeitperiode beispielsweise in der Größenordnung
von 20 bis 40 Sekunden und vorzugsweise 30 Sekunden, im unbelasteten
Modus. Am Ende dieser vorbestimmten Zeitperiode läuft der
Luftkompressor, wie durch die Entscheidungsmatrix bestimmt wird.
Die "Abkühlperiode" trägt dazu
bei, die Betriebstemperaturen des Luftkompressors zu senken, und
verlängert
folglich die Lebensdauer des Kompressors. Es sollte auch festgehalten
werden, daß die
Abkühlperiode
erst einsetzt, wenn sich der Kompressor im "O"-Zustand
befindet. Somit erfährt
der Fahrer keine Aufpumpverzögerungen,
wenn das Fahrzeug das erste Mal nach einer längeren Ausschaltzeit gestartet
wird, da der Kompressorzustand sich in einem Modus befindet, in
dem der Reservoirdruck geringer als der vorbestimmte minimale Schwellenwert
ist.
-
Das
oben angeführte,
automatische Steuersystem für
einen Luftkompressor zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden
Erfindung wurde auf mehreren verschiedenen Streckenformen getestet.
Die Ergebnisse einer dieser Strekken sind in 2 dargestellt.
-
Eine
anfängliche
Teststrecke wurde als "alltägliche" Strecke betrachtet.
Diese Strecke war eine gemischte Strecke, wobei das Fahrzeug im
Stadtverkehr, teilweise bei mitt lerer Geschwindigkeit und teilweise
in hügeligem
Gelände
fuhr. Die Rundfahrt dauerte etwa zwei Stunden. Die zweite Strecke
sollte eine längere
Version der anfänglichen
Strecke sein. Diese Strecke beinhaltete das Fahren über eine
längere
Zeitperiode auf Bundesautobahnen wie auch den Stadtverkehr. Auf
dieser Strecke war eine Fahrt in langsamer Fahrweise mit häufigem Anhalten,
die Bewältigung
normaler Gefällstrecken
und das Fahren auf Autobahnen vorgesehen. Die Rundfahrt dauert etwa
vier Stunden. Auf einer weiteren Strecke war eine Fahrt mit einer
großen
Anzahl von Situationen, die durch langsame Fahrweise und häufiges Anhalten
gekennzeichnet waren, vorgesehen, die etwa drei Stunden dauert,
und schließlich
wurde eine Tagesfahrt, die etwa acht Stunden dauerte, auf einer
Autobahn zurückgelegt.
Diese Strecke sollte das normale Fahrgelände eines Fahrzeuges für Ferntransporte
der Klasse 8 auf einem Autobahnnetz nachahmen.
-
Diese
Strecken wurden so festgelegt, daß sie die Gelegenheit boten,
die Prototypleistung unter verschiedenen Fahrbedingungen zu bewerten.
Neben der Testung des Konzepts auf diesen Strecken wurde der Prototyp
in einem Fernschwerlastfahrzeug verwendet, das von Indiana nach
Utah fuhr.
-
Wie
aus 2 ersichtlich ist,
ist der Kraftstoffverbrauch während
des automatischen Modus des Luftkompressorbetriebs 45 % geringer
als während
des manuellen Betriebsmodus. Dies wurde trotz der Tatsache erreicht,
daß der
Luftkompressor im automatischen Modus mehr läuft, wie aus 2 erkennbar ist. Das heißt, der
erste Balkensatz von 2 zeigt,
daß die
Einschaltzeit des Kompressors im automatischen Modus 6,2 % beträgt, im Vergleich
zu 4,31 % im manuellen Modus. Im automatischen Modus jedoch wurden
4,08 % der Zeit ausgeführt,
während
dem Motor kein Kraftstoff zugeführt
wurde, im Vergleich zu 0,44 % im manuellen Modus. Jedoch beträgt die Einschaltzeit
des Kompressors während
einer Kraftstoffzufuhr im automatischen Modus 2,13 % im Vergleich
zu 3,87 % im manuellen Modus. Dies führt eindeutig zu einer wesentlichen
Verringerung des Kraftstoffverbrauchs durch den Luftkompressor.
-
Zusätzlich zu
dem Vorhergesagten kann eine Analyse von Daten, wie des Arbeitszyklus
des Kompressors, der Zykluslänge,
der gesamten Kompressorpumpenbetriebszeit und der Reservoirdruckänderungsraten, wobei
alle diese Parameter sofort von der Motorsteuereinheit bereitgestellt
werden können,
eine wertvolle Information in Bezug auf die Wartungsdiagnostik zu
Garantiezwecken liefern. Durch Aufzeichnung des Arbeitszyklus des
Luftkompressors können
ungewöhnliche
Aktivitäten,
die ein Austreten von Luft in dem Druckluftsystem anzeigen, identifiziert
werden. Leckstellen in dem Luftsystem von Fahrzeugen können bewirken,
daß der Luftkompressor
häufiger
als notwendig und über
längere
Zeitperioden läuft.
Dies verringert den sparsamen Kraftstoffverbrauch und erhöht den gesamten
Energieverbrauch des Luftkompressors, wodurch der Betrieb des Fahrzeuges
kostspieliger wird.
-
Zusätzlich zu
der Wartungsdiagnostik können
die Betriebseigenschaften des Fahrzeuges aus diesen Daten bewertet
werden, was ebenso für
Garantiezwecke nützlich
sein kann. Durch die Aufzeichnung der obengenannten Parameter kann
das Bremsverhalten des Fahrers bewertet werden. Da schadhafte Bremsen
der häufigste
Grund für
die Außerbetriebsetzung
eines Fahrzeuges durch das Department of Transportation (Verkehrsamt)
ist und die Reparatur von Bremsen sehr teuer ist, ist es für einen
Wagenparkbetreiber günstig, über ein
Mittel zur Bewertung der Fahrprofile seiner Fahrer zu verfügen. Ferner
werden Fahrer, denen bewußt
ist, daß ihr
Wagenparkbetreiber über
ein derartiges Mittel zur Bewertung ihres Fahrverhaltens verfügt, das
Fahrzeug wahrscheinlich seltener falsch behandeln.
-
Daher
wird durch die Steuerung des Betriebs des Luftkompressors in der
zuvor beschriebenen Weise ein Luftkompressorbetrieb, der den zum
Betreiben des Luftkompressors verwendeten Kraftstoff verringert, eine
Verringerung in der Auswirkung des Luftkompressors auf die Fahrzeugleistung,
die Verwendung des Luftkompressors als Drehmomentdämpfer und
eine Verlängerung
der Lebensdauer des Luftkompressors durch Regulierung der Kompressorzykluszeit
und Minimierung der Kopf(metall)temperaturen des Kompressors erreicht.
Das heißt,
indem der Kompressor auf die zuvor beschriebene Weise nur dann betrieben
wird, wenn dies absolut notwendig ist oder wenn Energie "frei" ist, wird ein Betrieb
eines Luftkompressors erhalten, der für die Gesamtleistung des Motors
günstig
ist und auch die Lebensdauer des Kompressors verlängert. Ferner
werden die Wartungsdiagnostik und Fahrerkontrolle deutlich durch
die Beurteilung von Daten verbessert, die bereits dem System zur
Verfügung
stehen, wie des Arbeitszyklus, der Zykluslänge, der Gesamtpumpdauer und
der Reservoirdruckänderungsraten.
-
Insbesondere
werden ein System und ein Verfahren zur Luftkompressorsteuerung,
vorgeschlagen, wobei der Luftkompressor nur belastet wird, wenn
die Motoraktivitäten
seine Belastung verlangen, oder wenn freie Motorleistung zum Betreiben
des Kompressors verfügbar
ist. Ein Luftkompressorsystem ist ein motorbetriebener, kolbenartiger
Kompressor, der in einem belasteten und einem unbelasteten Modus
arbeitet und luftbetriebene Vorrichtungen eines Fahrzeuges, wie
Betriebsbremsen, Luftfederung, Scheibenwischer usw., mit Luft versorgt.
Der Betriebsmodus des Kompressors wird durch einen druckaktivierten
Luftregler gesteuert, der ein Luftsignal anlegt, wenn Druck in einem
Reservoir einen festgelegten Wert erreicht, der ein Kappenventil
an einer Entlastungsvorrichtung aktiviert, wodurch der Luftkompressor
angehalten wird. Wenn der Luftdruck in dem Reservoir unter einen
unteren festgelegten Druck fällt,
oder wenn Energie "frei" ist, wie während Bergabfahrten,
bläst der
Luftregler das Luftsignal aus, so daß der Luftkompressor den Betrieb
wieder aufnehmen kann. Wenn sich das Reservoir bei einem Druck zwischen
den beiden festgelegten Drücken
und in einem unbelasteten Zustand befindet, wird es zusätzlich in
diesem Zustand über
eine festgelegte Zeitperiode gehalten, um einen raschen zyklischen
Wechsel des Luftkompressors zu vermeiden. Wenn sich des weiteren
das Reservoir bei einem Druck zwischen den beiden festgelegten Drücken und
in einem belasteten Zustand befindet, wird der Luftkompressor nach
einem festgelegten Zeitintervall entlastet, das auf einer Kompressorkopfmetalltemperatur
beruht, um Schwellentemperaturen des Kompressorkopfmetalls in einem
geeigneten Bereich zu halten. Zusätzlich wird der Kompressorkopf
bewertet, so daß der
Luftkompressor, sobald die Kompressorkopftemperatur eine vorbestimmte
Schwellentemperatur übersteigt,
in einen unbelasteten Zustand gebracht wird, bis die Kompressorkopftemperatur
unter die vorbestimmte Schwellentemperatur fällt. Das System kann ferner Daten
aufzeichnen, welche den Kompressorbetrieb anzeigen, um Leckstellen
in dem Luftsystem und Fahrzeuglenkereigenschaften zu erfassen.
-
Es
werden ein System und ein Verfahren zur Steuerung eines Luftkompressors
eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Ein Reservoir bzw. Druckluftbehälter ist
an den Luftkompressor angeschlossen, und der Luftdruck im Reservoir
wird erfaßt.
Sofern der Luftdruck unterhalb eines maximalen Schwellendrucks und
oberhalb eines minimalen Schwellendrucks liegt, wird der Luftkompressor
eingeschaltet bzw. aktiviert, d. h. mit dem Reservoir zum Pumpen
gegen den Luftdruck verbunden, wenn überschüssige Antriebsenergie vorhanden
ist, beispielsweise bei Bergabfahrten, wobei eine Sperrzeit nach
einem Ausschalten bzw. Deaktivieren des Luftkompressors ein vorschnelles
Wiedereinschalten verhindert und insbesondere wobei der Luftkompressor
bei Erreichen bzw. Überschreiten
einer zulässigen
Kopftemperatur abgeschaltet wird.
