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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Steuern
eines Turboladers, der mit einer rotierenden Welle
versehen ist, auf der ein Motor/Generator als elektrische
rotierende Maschine angebracht ist.
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Es sind unterschiedliche Systeme vorgeschlagen worden,
bei denen ein Turbolader an dem Auspuffrohr eines Motors
mit geschlossenem Brennraum an einem Kraftfahrzeug
angebracht ist und eine rotierende Welle aufweist, an der
ein Motor/Generator direkt für die Wiedergewinnung der
Energie von Abgasen angebracht ist.
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Die japanische Patentanmeldung Nr. 60-188827 offenbart
als ein solches System ein Gerät zur Steuerung eines
Turboladers, der einem Motor mit geschlossenem Brennraum
zugeordnet ist, um den Motor/Generator wahlweise als
einen Generator oder als einen Motor in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors und
der Motorlast zu betreiben.
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Bei dem vorgeschlagenen Gerät, das in der oben genannten
Anmeldung offenbart ist, wird eine elektrische Last oder
eine Batterie mit erzeugter elektrischer Energie versorgt
wenn der Motor/Generator als ein Generator arbeitet, und
der Ladebetrieb des Turboladers wird unterstützt um
die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors zu erhöhen,
wenn der Motor/Generator als ein Motor arbeitet. Das
frühere Steuergerät hat jedoch keine Mittel für die
Optimierung des Ladedrucks des Turboladers gemäß den
Änderungen
der Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeuges
Deshalb leidet der Turbolader an einem ungenügenden
Ladedruck, selbst wenn das Kraftfahrzeug unter Bedingungen
läuft, die eine schnelle Beschleunigung verlangen, und
die erwünschte Beschleunigung kann nicht erreicht werden.
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Die EP-A-0210833 zeigt ein typisches Turboladersystem
(andere gleiche Systeme sind in der FR-A-2183337 und
EP-A-0178534 gezeigt), bei dem eine rotierende elektrische
Maschine, die als ein Motor oder als ein Generator
betrieben werden kann, elektrische Energie an die
rotierende elektrische Maschine liefert, um den Ladedruck zu erhöhen,
wenn sie als ein Motor betrieben wird und wenn der
Turboladedruck nicht einen vorgegebenen Wert erreiche. Wenn der
Ladedruck höher als ein vorgegebener Wert wird, wird die
an die rotierende elektrische Maschine gelieferte
elektrische Energie reduziert.
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Insbesondere arbeitet ein derartiges Gerät in der Weise,
daß ein vorgegebener Ladedruck entwickelt wird, wenn
die Motorlast höher als ein vorgegebener Wert ist und
die Motorgeschwindigkeit niedriger als ein vorgegebener
Wert ist.
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Die EP-A-0217537 zeigt ein System, das ähnlich dem der
vorliegenden Erfindung ist, jedoch nicht eine mögliche
Differenz zwischen der Gaspedalposition und dem an den
Verbrennungsmotor gelieferten Kraftstoffbetrag
berücksichtigt.
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Der vorgegebene Wert für den Ladedruck ist ein für alle
Male festgelegt, und als Folge davon sind derartige Systeme
nicht in der Lage, den Ladedruck so zu steuern, daß er
ein Optimum in Abhängigkeit von den Fahrerabsichten
erreicht, die teilweise durch die Betätigung des Gaspedales
bestimmbar sind. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Gerät zur Steuerung eines Turboladers
mit einer rotierenden elektrischen Maschine vorzusehen,
um einen optimalen Ladedruck zu erhalten mit gutem
Ansprechverhalten gemäß dem Betrag, um den ein Gaspedal
niedergedrückt wird, was die Absichten des Fahrers anzeigt, und
um so die Beschleunigungsfähigkeit des Kraftfahrzeuges
zu verbessern, das mit dem Turbolader ausgestattet ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gerät zur Steuerung
eines Turboladers vorgesehen, der eine Turbine, die an
einen Verbrennungsmotor an einem Kraftfahrzeug angebracht
und durch von dem Verbrennungsmotor ausgestoßene Abgase
antreibbar ist, eine rotierende Welle, die mit der Turbine
verbunden ist, einen Kompressor, der mit der rotierenden
Welle zur Lieferung von Luft unter Druck an den
Verbrennungsmotor verbunden ist, und eine rotierende elektrische
Maschine aufweist, die an der rotierenden Welle angebracht
ist, wobei das Gerät einen Motorgeschwindigkeitssensor
zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des
Verbrennungsmotors, einen Beschleunigungssensor für die Feststellung
des Betätigungsbetrages eines Beschleunigerpedals, das
den Betrieb des Verbrennungsmotors steuert, einen
Motorlastsensor zur Feststellung des in den Verbrennungsmotor
eingespritzten Kraftstoffbetrages, einen Ladedrucksensor
zur Feststellung des Druckes der zu dem Verbrennungsmotor
gelieferten Luft,
Turbinengeschwindigkeitsfeststellungsmittel zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit der Turbine
und eine Batterie aufweist, die an dem Kraftfahrzeug
angebracht ist, sowie
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Mittel für die Berechnung einer elektrischen Energie,
die von der rotierenden elektrischen Maschine entsprechend
der Drehgeschwindigkeit der Turbine auf der Basis eines
Signales von den
Turbinengeschwindigkeitsfeststellungsmitteln benötigt wird;
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Mittel
zur Berechnung einer elektrischen Energie,
die durch die rotierende elektrische Maschine entsprechend
der Differenz zwischen einer Beschleunigerposition und
einem eingespritzten Kraftstoffbetrag auf der Basis eines
Signals von dem Beschleunigungssensor und eines Signals
von dem Motorlastsensor benötigt wird;
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Mittel für die Addition der berechneten elektrischen
Energien in eine elektrische Energie, die geliefert werden
muß und
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Mittel zur Lieferung der zuletzt genannten elekbrischen
Energie von der Batterie zu der rotierenden elektrischen
Maschine.
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Die voranstehend genannte und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch
deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als reines
Anschauungsbeispiel gezeigt wird.
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In den Zeichnungen zeigen:
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Figur 1 ein Blockdiagramm eines Steuergerätes für
einen Turbolader mit einer elektrischen rotierenden
Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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Figuren 2 (A) und 2 (B) ein Flußdiagramm zum Betrieb
des Steuergerätes der vorliegenden Erfindung und
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Figur 3 eine Grafik, die das Verhältnis der
Drehgeschwindigkeit eines Verbrennungsmotors und des durch
ihn erzeugten Drehmomentes wiedergibt.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Die Figur 1 zeigt in Blockform ein Gerät zur Steuerung
eines Turboladers mit einer elektrischen rotierenden
Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 1 mit geschlossenem Brennraum
zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt),
der durch die Energie betrieben wird, die durch die
Verbrennung gelieferten Kraftstoffs mit Luft produziert wird,
die durch ein Einlaßrohr 11 angesaugt wird. Von dem
Verbrennungsmotor 1 durch Kraftstoffverbrennung
ausgestossene Abgase werden durch ein Auspuffrohr 12 abgeleitet.
Mit 13 ist ein Sensor für die Bewegung eines
Beschleunigerpedals (Gaspedals) für die Feststellung des
Betätigungsbetrages eines Gas- oder Beschleunigerpedals, mit 14 ist
ein Lastsensor (die Last auf den Verbrennungsmotor 1) zur
Feststellung des Kraftstoffbetrages, der auf der Basis der
Position einer Zahnstange einer Kraftstoffeinspritzpumpe
(nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors 1 eingespritzt wird,
und mit 15 ist ein Motorgeschwindigkeitssensor zur
Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors 1
bezeichnet. Diese Sensoren übertragen festgestellte Signale
zu einer elektronischen Steuereinheit (wird später
beschrieben)
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Ein Turbolader 2 ist an das Auspuffrohr 12 und das
Einlaßrohr 11 angebaut. Der Turbolader 2 hat eine Turbine 22,
die durch Abgase antreibbar ist, und einen Kompressor
21 zur Lieferung von Einlaßluft in das Einlaßrohr 11.
Die Turbine 22 und der Kompressor 21 sind mit Hilfe einer
rotierenden Welle 23 miteinander verbunden, auf der eine
elektrische, rotierende Maschine 3 angebracht ist, die
wahlweise als ein Motor oder als ein Generator arbeitet.
Der Turbolader 2 hat ein Abgaseinlaßrohr 24, das an das
Auspuffrohr 12 angeschlossen ist, und enthält ein
Trennstück
25, das in einer Abgaspassage zum Antreiben der
Turbine 22 angebracht ist, um die Abgaspassage in zwei
Kanäle zu unterteilen. Ein Ein-/Ausventil 26 ist in
einem der aufgeteilten Kanäle untergebracht Wenn der
Betrag an ausgestoßenen Abgasen gering ist, wird das
Ein-/Ausventil 26 geschlossen, um die
Strömungsgeschwindigkeit der Abgase durch den anderen Kanal zum Antrieb der
Turbine 22 mit hoher Geschwindigkeit anzuheben.
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Die elektrische rotierende Maschine 3 hat einen Rotor
31, der durch elektrische Energie in Drehung versetzt
werden kann, die von einer Batterie über einen
Leistungswandler 4 geliefert wird. Wenn der Rotor 31 in Drehung
versetzt wird, arbeitet der Kompressor 21, um Einlaßluft
zu verdichten und den Verbrennungsmotor 1 durch das
Einlaßrohr 11 aufzuladen. Der durch den Kompressor 21
entwickelte Ladedruck wird durch einen Ladedrucksensor 16
ermittelt, der sein festgestelltes Signal zu der
elektronischen Steuereinheit 6 leitet.
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Der Leistungswandler 4 hat Leistungssteuerkreise, wie
zum Beispiel einen gleichrichtenden/glättenden Kreis
zur Wandlung von Wechselstrom- in Gleichstromenergie,
einen Konverterstromkreis zur Umwandlung der Spannung
der Gleichstromenergie in Wechselstromenergie mit frei
einstellbarer Frequenz und einen
Betriebsfaktorsteuerkreis zur Steuerung der Spannung von elektrischer
Energie mit Halbleitersteuerelementen. Der Leistungswandler
4 ist elektrisch zwischen die elektrische, rotierende
Maschine 3 und die Batterie 5 geschaltet. Die
verschiedenen Leistungssteuerungsstromkreise des
Leistungswandlers 4 werden durch Befehle von der elektronischen
Steuereinheit 6 gesteuert.
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Die Wechselstromenergie von der elektrischen, rotierenden
Maschine 3, wenn sie als Generator arbeitet, wird in
Gleichstromenergie durch den gleichrichtenden/glättenden
Stromkreis des Leistungswandlers 4 verwandelt, und die
Gleichstromenergie wird durch den Wandlerstromkreis und
den Betriebsfaktorsteuerkreis gesteuert, so daß sie für
das Laden der Batterie 5 geeignet ist. Wenn die
elektrische, rotierende Maschine 3 als ein Motor arbeitet,
wird die Wechselstromenergie von der Batterie 5 durch
die Konverter- und Inverterkreise des Leistungswandlers
4 in Wechselstromenergie einer vorgegebenen Frequenz
und Spannung umgewandelt, die zu einem Stator 32 der
elektrischen, rotierenden Maschine zur Unterstützung
des Ladebetriebes des Turboladers geleitet wird, der von
den Abgasen angetrieben wird.
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In der Figur 1 ist mit 33 ein Wechselstromvoltmeter für
die Feststellung der Spannung über dem Stator 32 der
elektrischen, rotierenden Maschine 3 und mit 41 ein
Gleichstromvoltmeter zur Feststellung der Anschluß-Gleichspannung
des Leistungskonverters 4 bezeichnet. Die von diesen
Voltmetern 33, 41 festgestellten Signale werden an die
elektronische Steuereinheit 6 gegeben.
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Die elektronische Steuereinheit 6 umfaßt einen Mikrocomputer,
der eine zentrale Prozeßeinheit aufweist, die mit Signalen
von den unterschiedlichen, vorangehend erläuterten Sensoren
zur Anzeige von Betriebsbedingungen des Motors 1 und
Signalen von den Voltmetern versorgt wird, um arithmetische
Operationen durchzuführen und Steuervorfälle oder Zyklen
zu zählen, umfaßt unterschiedliche Speicher zum Speichern
einer Karte von Daten, die das Verhältnis zwischen den
Motorbetriebsbedingungen und den erforderlichen Ladedrücken
angeben, sowie ein Programm zur Steuerung des Betriebes
der elektrischen, rotierenden Maschine sowie ein
Eingangs-/Ausgangsgerät zum Empfang unterschiedlicher Eingangssignale
und zur Ausgabe von Steuerbefehlen an einen Betätiger
und den Leistungswandler.
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Die Figuren 2 (A) und 2 (B) sind Flußdiagramme einer
Betriebssequenz des Steuergerätes der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird der Betrieb des Steuergerätes mit Bezug
auf die Figuren 2 (A) und 2 (B) beschrieben.
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Ein Schritt überprüft die Drehgeschwindigkeit des
Verbrennungsmotors 1 auf der Grundlage eines Signales von dem
Geschwindigkeitssensor 15. Wenn die Drehgeschwindigkeit
höher als zum Beispiel 800 UpM ist, geht die Steuerung
zu einem Schritt 2, in dem die Motordrehgeschwindigkeit
NE gelesen wird auf der Basis eines Signales von dem
Motorgeschwindigkeitssensor 15. Dann liest ein Schritt
3 den Betrag des Niederdrückens des Beschleuniger- bzw.
Gaspedals auf der Basis eines Signals von dem
Beschleunigerpedalbewegungssensor 13 ein. Dann wird die
Zahnstangenposition gelesen auf der Basis eines Signals von dem
Motorlastsensor 14 in einem Schritt 4. Ein Schritt 5
legt dann fest, ob die elektrische, rotierende Maschine
3 in einer Generatorbetriebsweise oder in einer
Motorbetriebsweise zu betreiben ist auf der Grundlage der
Motordrehgeschwindigkeit, der Gaspedalbetätigung und
der Zahnstangenposition, die in den Schritten 2, 3, 4
gelesen worden sind. Wie in Figur 3 gezeigt wird, arbeitet
insbesondere die elektrische, rotierende Maschine 3 in
der Motorbetriebsart, wenn das Gaspedal sich in einer
Position Lac1 in einer Zone geringer Geschwindigkeit
bei ansteigendem Drehmoment befindet, in der das
Motordrehmoment über ein Motordrehmoment Ctc hinaus angehoben
werden sollte, das durch den Betrieb des Turboladers
lediglich durch die Energie der Abgase von dem Motor
produziert wird, oder wenn das Gaspedal sich in einer
Position Lac2 befindet, die größer ist als eine
Kraftstoffzahnstangenposition
Fp für die Beschleunigung. Im
übrigen arbeitet die elektrische, rotierende Maschine 3
in der Generatorbetriebsweise.
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Wenn die elektrische, rotierende Maschine 3 in der
Generatorbetriebsweise arbeiten soll, wird eine von der
elektrischen, rotierenden Maschine 3 erzeugte Spannung VL
in einem Schritt 6 gemessen und mit einer Batteriespannung
V in einem Schritt 7 verglichen. Wenn V ≥ VL ist, wird der
Betriebsfaktor einer Hochfrequenzspule in einem Schritt
8 überprüft, in einem Schritt 9 ein
Batterierelaisstromkreis umgeschaltet und es wird in einem Schritt 10
überprüft, ob die Batterie geladen wird. Wenn die Batterie
nicht geladen wird, wird in einem Schritt 11 ein
Fehlersignal erzeugt.
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Wenn N < 800 UpM in dem Schritt 1 ist, geht die Steuerung
zu einem Schritt 12, in dem der Betätiger 27 betätigt wird,
um das Ein-/Ausventil 26 zur Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit der Abgase zu schließen, um die Drehgeschwindigkeit
des Turboladers zu erhöhen. Dann wird in einem Schritt
13 eine von der elektrischen rotierenden Maschine 3 erzeugte
Spannung V1 gemessen, woran sich ein Schritt 14 anschließt,
der die hervorgerufene Spannung V1 infolge der erhöhren
Abgasgeschwindigkeit und die Batteriespannung V vergleicht.
Wenn V > V1 ist, wird in einem Schritt 15 der Betriebsfaktor
zur Erhöhung der Spannung über der Hochfrequenzspule
des Leistungswandlers 4 überprüft, um die erzeugte Spannung
mit der Batteriespannung auszugleichen, wonach die Steuerung
zu dem Schritt 9 geht.
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Wenn V > VL in dem Schritt 7 ist, dann wird in einem
Schritt 16 die erzeugte Spannung V gemessen, und der
Betriebsfaktor der Hochfrequenzspule wird in einem Schritt
17 überprüft, um den Strom für eine schnelle Ladung der
Batterie zu erhöhen, wonach die Steuerung zu dem Schritt
9 geht. Da die elektrische rotierende Maschine ein
Permanentgenerator ist, steigt mit der Drehgeschwindigkeit
des Rotors 31 die damit erzeugte Spannung an. In den
meisten Fällen ist deshalb die erzeugte Spannung höher
als die Batteriespannung.
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Wenn die Zone geringer Geschwindigkeit mit ansteigender
Drehmomentkurve oder die Beschleunigung in dem Schrift
5 bestätigt wird, springt die Steuerung zu einem Schritt
18 zum Schalten der elektrischen rotierenden Maschine
3 in die Motorbetriebsart. Der Schritt 18 stellt die
Gaspedalposition Lac auf der Basis des Signales von dem
Gaspedalbewegungssensor 13 fest. Dann wird in einem
Schritt 19 die Kraftstoffzahnstangenposition Fp der
Kraftstoffeinspritzpumpe durch ein Signal von dem
Motorlastsensor 14 festgestellt. Die Turbinengeschwindigkeit
NT wird aus der Wechselstromfrequenz der elektrischen
rotierenden Maschine 3 in einem Schritt 20 festgestellt,
und dann wird eine Beschleunigungsspannung in einem
Schritt 21 festgelegt, die die Summe der Spannung NT.V,
festgelegt durch die Motorgeschwindigkeit, und der
Spannung (Lac - Fp) .V entsprechend Lac - Fp ist, also der
Spannung entsprechend NT.V + (Lac - Fp) .V. Danach wird
in einem Schritt 22 der Betriebsfaktor zur Anhebung der
Spannung in Bezug auf die Batterie gewandelt, die
Frequenz und die Phase in einem Schritt 23 festgelegt und
der Inverter zum Antreiben des Motors in einem Schritt
24 eingeschaltet. Wenn der Inverter eingeschaltet ist,
werden lediglich die Bedingungen der Phase und der
Spannung geändert.
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Ein nächster Schritt 25 legt fest, ob eine
Drehmomentanhebung bei geringer Geschwindigkeit notwendig ist oder
nicht. Genauer gesagt legt der Schritt 25 fest, ob die
Differenz zwischen der Gaspedalstellung Lac und einer
Turboladerdrehmoment-Kraftstoffposition Ltc gemäß der
Motorgeschwindigkeit N (entsprechend einer generellen
Kraftstoffposition für einen turbogeladenen Motor),
also Lac - Ltc = Lup, positiv oder negativ ist.
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Wenn Lup < 0 ist, dann geht die Steuerung zu einem Schritt
26, um den Grad sicherzustellen, zu dem die Beschleunigung
erreicht wird, und zwar durch die Feststellung, ob die
Differenz zwischen der Gaspedalposition Lac und der
Zahnstangenposition Ep der Kraftstoffeinspritzpumpe Null (0)
ist oder nicht. Wenn Lac - EP Null ist, wenn also die
Zahnstangenposition Ep mit der Gaspedalstellung Lac
übereinstimmt, wird die elektrische rotierende Maschine 3
in den Generatorbetrieb umgesetzt, und die Steuerung
geht zum Schritt 6.
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Wenn Lac - Ep > 0 in dem Schritt 26 ist, erreicht die
Zahnstangenposition Ep nicht die Beschleuniger- bzw.
Gaspedalposition Lac, und folglich wird die Motorbetriebsweise
beibehalten, und die Steuerung geht zu einem Schritt
27, um die Beschleunigung fortzusetzen.
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Wenn Lup > 0 in dem Schritt 25 ist, wird ein
Ladedruckanstieg Bup entsprechend Lup in einem Schritt 28 berechnet.
In diesem Fall befindet sich die Gaspedalstellung in
der Zone der geringen Geschwindigkeit bei ansteigender
Drehmomentkurve oberhalb der Drehmomentkurve Ctc, die
gezeichnet ist, wenn der Lader lediglich durch die Abgase
von dem Motor betrieben wird. Ein Ladedruckanstieg wird
von der Gaspedalstellung Lac berechnet. Es muß elektrische
Energie bis zu der Spannung geliefert werden, die in
der Lage ist, den Ladedruck beizubehalten, der derzeitige
Ladedruck B wird von dem Ladesensor 16 in einem Schritt
29 festgestellt, und der derzeitige Ladedruck B und der
Ladedruckanstieg Bup werden in einem Schritt 30
miteinander verglichen. Wenn B < Bup ist, dann wird in einem
Schritt 31 die Spannung berechnet, die notwendig ist,
um Bup zu halten, der entsprechende Betriebsfaktor zum
Antrieb des Motors wird in einem Schritt 32 festgelegt,
und die Turbinengeschwindigkeit NT wird in einem Schritt
33 festgestellt, wonach die Steuerung zurück zu dem Schritt
23 geht.
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Wenn B > Bup in dem Schritt 30 ist, wird die
Beschleunigungsspannung durch ΔV in einem Schritt 34 abgesenkt und
die Steuerung geht zu dem Schritt 18 zurück.
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Mit der vorliegenden, vorangehend beschriebenen Erfindung
werden die Motorgeschwindigkeit, die Gaspedalstellung und
die Kraftstoffzahnstangenposition zu allen Zeiten überprüft,
um ein Optimum an Ladedruck zu erreichen, der für eine
schnelle Beschleunigung in Abhängigkeit von der
Betriebsbedingung des Kraftfahrzeuges erforderlich ist. Deshalb
wird das Ansprechverhalten des Motors angehoben, wodurch
es möglich wird, das Kraftfahrzeug durch sich schnell
bewegendes Treiben zu fahren.
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Darüber hinaus wird festgestellt, ob der Ladedruck, der
von dem Motor gemäß dem Betätigungsbetrag des Gaspedals
gefordert wird, oberhalb des Ladedruckes liegt der von
dem Turbolader ausschließlich durch die Energie der von
dem Motor abgegebenen Abgase erzeugt wird. Wenn eine
entsprechende Anhebung bei dem Drehmoment bei geringer
Geschwindigkeit erforderlich ist, wird die elektrische
rotierende Maschine mit elektrischer Energie versorgt,
um den durch den Turbolader entwickelten Ladedruck
anzuheben, um so ein Drehmoment bei geringer Geschwindigkeit
zu produzieren, das den Zielen des Fahrers entspricht.