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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisch angetriebenes Druckverstärkungssystem,
das benutzt wird um die Drehmomentabgabe eines Verbrennungsmotors
zu verstärken.
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Eine
Art, das von einem Hubkolben-Verbrennungsmotor bereitgestellte Drehmoment
und die Spitzenleistung zu verstärken,
ist es eine Druckverstärkungsvorrichtung
zu benutzen, um den Luftmassenstrom in den Motor hinein zu steigern.
Die gesteigerte Luftversorgung erlaubt dann, daß in jedem Verbrennungsereignis
eine größere Menge
Kraftstoff verbrannt wird.
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Beispiele
von Druckverstärkungsgeräte schließen Turbolader
und Kompressoren ein. Ein Turbolader wird ganz oder teilweise durch
Energie in dem Abgasstrom angetrieben. Dies ist eine effiziente Nutzung
von ansonsten großteils
verschwendeter Energie, aber derartige Vorrichtungen leiden unter der
Beschränkung
daß die
Aufladung bei niedrigen Motordrehzahlen (U/min) nicht verfügbar oder
unwesentlich ist. Oft fordert eine Fahrer möglicherweise bei niedrigen
Drehzahlen hohes Drehmoment von einem Motor, zum Beispiel bei Beginn
eines Überholmanövers. Ist
die Druckverstärkungsvorrichtung
nur durch Abgase angetrieben, so wird das verstärkte Drehmoment bei niedrigen
Drehzahlen nicht verfügbar
sein.
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Ein
Weg, mit der Beschränkung
umzugehen, ist es einen mit dem Turbolader verbundenen Elektromotor
bereitzustellen, welcher aktiviert wird wenn die Turboverstärkung unzureichend
ist. Diese Art von elektrisch angetriebenem Druckverstärkungsgerät ist hinsichtlich
der Hardwarekosten jedoch teuer. Eine andere Lösung ist einen Kompressor zu
verwenden, das heißt
einen Verdichter der durch andere Mittel angetrieben wird als eine
Abgasturbine; zum Beispiel über
eine mechanische Verbindung zum Motor, oder durch einen von der
Batterie und/oder dem Batterieladesystem angetriebenen Elektromotor.
Mechanische Kompressorsysteme können
mechanisch jedoch unförmig
und teuer sein. Elektrisch angetriebene Kompressorsysteme bieten
einen geringeren Preis und eine kompakte Lösung, können – wenn betrieben – aber einen
bedeutenden Betrag an elektrischer Energie benötigen, zum Beispiel bis zu
dreimal den Strom, der normalerweise durch eine typische 12 V Motorfahrzeug-Batterie
geliefert werden kann. Motorfahrzeug-Lichtmaschinen sind typischerweise spezifiziert
um entweder alles oder das meiste der Leistungsanforderung für das gesamte
Fahrzeug zu liefern, und die Batterie wird nur benutzt um ausreichend
elektrische Energie zu speichern um den Fahrzeugmotor zu starten,
und um gelegentlich Strom zu liefern wenn die Zusatzlast die Lichtmaschinenleistung übersteigt.
Typische europäische
Fahrzeuglichtmaschinen sind spezifiziert um ungefähr 130 A
an Strom zu liefern, während
ein elektrisch betriebener Kompressor mehr als 300 A benötigen kann.
Eine Lichtmaschine, die in der Lage ist so viel Strom zu liefern,
ist wesentlich teurer, schwerer und unförmiger als eine herkömmliche
Lichtmaschine.
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Weil
das Druckverstärkungsgerät nicht 100%
effizient sein kann, wird es im Zusammenhang mit der Vorrichtung
außerdem
unvermeidliche elektrische und mechanische Verluste geben, die Bauteilen innerhalb
der Vorrichtung beachtliche mechanische und thermische Belastung
auferlegen können.
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Der
Preis, die Kapazität
der Fahrzeugbatterie und des Aufladesystems zu steigern, oder mit
den Bauteilen innerhalb des Druckverstärkungsgeräts eigenen thermischen und
mechanischen Grenzen umzugehen, um jedem Niveau der Fahrerforderung nachzukommen,
kann leicht die Vorteile aufwiegen ein elektrisch betriebenes Druckverstärkungsgerät zu verwenden.
Daher ist es wichtig ein solches Gerät in einer effizienten Art
und Weise zu betreiben, und innerhalb der Grenzen der elektrischen
Stromversorgung des Fahrzeugs, und innerhalb der thermischen und
mechanischen Grenzen des Geräts
selbst. Zur gleichen Zeit ist es wichtig den vom Fahrer wahrgenommenen
Vorteil der Drehmomentverstärkung über einen
breitestmöglichen
Bereich von Fahrbedingungen hinweg zu maximieren. Weil das Niveau,
bei welchem ein elektrisch betriebenes Druckverstärkungsgerät betrieben
wird, im Wesentlichen von der Betriebsdrehzahl des Motors unabhängig ist,
ist es deswegen notwendig ein angemessenes Regelsystem zum Betrieb
des Druckverstärkungsgeräts zu erdenken,
das den Systembeschränkungen
Rechnung trägt.
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Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein praktisches und
wirtschaftliches elektrisches Druckverstärkungsgerät und -verfahren bereitzustellen,
um das von einem Verbrennungsmotor verfügbare Drehmoment zu steigern.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Luftladungs-Verstärkungssystem
oder Ansaugluftverdichtersystem für einen Verbrennungsmotor bereitgestellt,
wobei das System ein elektrisch angetriebenes Druckladegerät umfaßt; ein
elektrisches Versorgungssystem, um elektrische Leistung bereitzustellen
um das elektrische Druckldadegerät
anzutreiben, einschließlich
einer Batterie und eines motorgetriebenen Batterieladegeräts; einen
Schalter um die Batterie und das Ladegerät anzuschließen und
zu trennen; und ein Motor-Regelsystem um den Schalter und den Betrieb
des Druckladegeräts
zu regeln oder steuern; worin das Motor-Regelsystem eingerichtet ist um:
- i) eine Kapazitätsnutzung des elektrischen
Versorgungssystems zu bestimmen; und
- ii) den Schalter (53) zu regeln oder steuern, um die
Batterie zumindest teilweise von dem motorgetriebenen Batterieladegerät zu trennen;
und das Druckaufladegerät
unter Verwendung der Batterie anzutreiben, wenn diese Kapazitätsnutzung über einem
ersten Schwellenwert liegt.
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Außerdem wird
gemäß der Erfindung
ein Verfahren bereitgestellt ein Luftladungs-Verstärkungssystem oder Ansaugluftverdichtersystem
für einen
Verbrennungsmotor zu betreiben, wobei das System ein elektrisch
angetriebenes Druckladegerät umfaßt; ein
elektrisches Versorgungssystem, um elektrische Leistung bereitzustellen
um das elektrische Druckladegerät
anzutreiben, einschließlich
einer Batterie und eines motorgetriebenen Batterieladegeräts; einen
Schalter, um die Batterie und das Ladegerät anzuschließen und
zu trennen; und ein Motor-Regelsystem, um den Schalter und den Betrieb des
Druckladegeräts
zu regeln oder steuern; worin das Verfahren die Schritte umfaßt das Motor-Regelsystem
zu benutzen, um:
- i) eine Kapazitätsnutzung
des elektrischen Versorgungssystems zu bestimmen; und
- ii) den Schalter (53) zu regeln oder steuern, um die
Batterie zumindest teilweise von dem motorgetriebenen Batterieladegerät zu trennen;
und das Druckaufladegerät
unter Verwendung der Batterie anzutreiben, wenn diese Kapazitätsnutzung über einem
ersten Schwellenwert liegt.
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Dann
kann das Batterieladegerät
benutzt werden um zusätzliche
elektrische Verbraucher außer
dem Druckladegerät
zu versorgen.
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Indem
man das Druckverstärkungsgerät hauptsächlich oder
vollständig
unter Verwendung des von der Batterie gelieferten elektrischen Stroms antreibt,
können
andere elektrische Verbrauchseinheiten des Fahrzeugs – wie etwa
Lichter, elektrisch beheizte Scheiben, usw. – darin fortfahren mit ihrer vollen
Last durch die Lichtmaschine betrieben zu werden; um dadurch Spannungsabfälle der
Batterie zu vermeiden, welche aufgrund des potentiell hohen Stroms
auftreten können,
der von dem elektrisch angetriebenen Druckladegerät gefordert
wird.
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Das
Druckladegerät
kann jede Art von Gerät sein
um den Luftmassenstrom in den Motor hinein zu verstärken, ob
teilweise oder vollständig
von einer elektrischen Stromversorgung angetrieben, ist am stärksten bevorzugt
jedoch ein elektrisch angetriebener Kompressor.
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Weil
der Druckladegerät-Betrieb
innerhalb zulässiger
Betriebsgrenzen beschränkt
ist, hilft dies Probleme aufgrund eines Betriebs der Vorrichtung außerhalb
der zulässigen
Grenzen zu vermeiden, und erlaubt dadurch eine wirtschaftlichere
Systemkonstruktion. Dies wird allgemein außerdem in gesenktem elektrischem
Stromverbrauch für
das Gerät resultieren.
Beide dieser Vorteile tragen dazu bei Systemmasse, -volumen und
-preis zu senken, und den elektrischen Wirkungsgrad des Geräts zu verbessern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Druckladegerät ein elektrisch angetriebener
Kompressor. Dieser kann eine Anzahl von rotierenden Impellerschaufeln
aufweisen. Die Geometrie jeder Schaufel ist unveränderlich,
und die tatsächlich
durch den Kompressor gelieferte Luftladung wird durch die Drehgeschwindigkeit
der Impellerschaufeln bestimmt.
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Das
Schritt ii) folgende Verfahren kann außerdem den Schritt umfassen
das Motor-Regelsystem zu benutzen, um:
- iii)
den Schalter zu regeln, um die Batterie wieder an das motorgetriebene
Batterieladegerät anzuschließen, wenn
diese Kapazitätsausnutzung
unter einem zweiten Schwellenwert – gleich oder unterhalb des
ersten Schwellenwerts – liegt.
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Um
ein Hin- und Herschalten des Schalters zu vermeiden, wenn die Kapazitätsausnutzung
entweder bei dem ersten Schwellenwert oder dem zweiten Schwellenwert
liegt, ist es bevorzugt wenn auf einen dieser beiden Schwellenwerte
eine Hysterese angewandt wird.
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Auf
den Schritt ii) folgend kann das System benutzt werden um die Batteriespannung
zu überwachen.
Wenn während
Schritt ii) die Batteriespannung dann wegen Betrieb des Druckladegeräts abfällt, kann
das Motor-Regelsystem benutzt werden um die Abgabespannung des Batterieladegeräts in Reaktion auf
die überwachte
Batteriespannung zu regeln, so daß jeglicher Unterschied zwischen
der Batteriespannung und der Spannung des Batterieladegeräts wegen
Betrieb des Druckladegeräts
vermindert wird, wenn die Batterie und das Ladegerät in Schritt
iii) wieder angeschlossen werden.
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Deshalb
kann die Batterie wieder an das Batterieladegerät angeschlossen werden, ohne
das ein bedeutender Unterschied in Batterie- und Ladegerätspannungen
einen scharfen Abfall in der Spannung verursacht, die verwendet
wird um andere elektrische Verbraucher zu betreiben, was von einem
Fahrer des Fahrzeugs bemerkt werden könnte.
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Wird
die Batterie wieder an das Batterieladegerät angeschlossen, so wird die
Batterie beginnen neu aufgeladen zu werden, was die Abgabespannung
des Batterieladegeräts
veranlaßt
zu steigen.
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Die
Kapazitätsausnutzung
wird durch das Motor-Regelsystem in Übereinstimmung mit von dem Batterieladegerät gezogenen
Strom bestimmt.
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Die
Kapazitätsausnutzung
kann durch das Motor-Regelsystem in Übereinstimmung mit dem Ladezustand
der Batterie bestimmt werden. Speziell kann der Ladezustand eine
vorherbestimmte minimale Versorgungsspannung für die Batterie sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließt
das System eine Filterschaltung zwischen der Batterie und dem Batterieladegerät ein, in
welchem in Schritt ii) die Batterie und das Batterieladegerät durch
die Filterschaltung teilweise getrennt sind. Die Filterschaltung
erlaubt es der Batterie als Ballast für die Lichtmaschine zu wirken,
was hilft plötzliche Änderungen
in der Lichtmaschinenspannung wegen plötzlicher Änderungen in der elektrischen
Last auf die Lichtmaschine durch elektrische Verbrauchseinheiten
zu vermeiden.
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Ebenfalls
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung überwacht
das elektrische Regelsystem während
Schritt ii) die Batteriespannung auf eine oder mehrere elektrisch
zulässige
Betriebsgrenzen. Dann handelt das Regelsystem, um den Betrieb des
Druckladegeräts
einzuschränken.
In dieser Art wird der Betrieb des Druckladegeräts geregelt und – wenn nötig – eingeschränkt, um
die Batterie nicht über
Gebühr
zu entladen.
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Es
ist besonders vorteilhaft wenn die zulässigen Betriebsgrenzen sowohl
einen weichen oder Programm (software) Grenzwert wie auch einen
harten oder Material (hardware) Grenzwert einschließen. Der
Betrieb des elektrisch angetriebenen Ladungsverstärkungsgeräts geschieht
dann derart, daß der
Betrieb des elektrisch angetriebenen Ladungsverstärkungsgeräts begrenzt
wird, wenn der Betrieb des Druckladegeräts den weichen Grenzwert überschreiten
würde;
wobei die Beschränkung
derart ist, daß der
Betrieb des Druckladegeräts
zu einer späteren
Zeit nicht bewirkt daß der
harte Grenzwert überschritten
wird. Eine derartige Beschränkung
kann mehrere Formen annehmen, aber so daß der Betrieb des Druckverstärkungsgeräts nicht
plötzlich
oder unerwartet begrenzt wird; es wird bevorzugt wenn der elektrische
Antrieb zu dem Verstärkungsgerät progressiv
begrenzt wird, während
der entsprechende Betriebsparameter sich dem harten Grenzwert nähert.
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Das
Luftladesystem kann eine elektronisch geregelte Drossel umfassen,
um die Motoransaugung zu regeln. Das System kann dann: die Drosselstellung
einstellen, um die Ansaugung des Motors zu regeln; die tatsächliche
Luftladung in Übereinstimmung
mit Motor-Betriebsbedingungen
bestimmen; die gewünschte
Luftladung mit der tatsächlichen
Luftladung vergleichen; und das Druckladegerät antreiben, um die Ansaugung
des Motors gemäß dem Vergleich
zwischen der gewünschten
Luftladung und der tatsächlichen
Luftladung nur dann zu verstärken, wenn
die Drossel weit geöffnet
ist und wenn der Drehmomentforderung durch natürliche Ansaugung allein nicht
nachgekommen werden kann.
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Die
Motor-Drehmomentabgabe bei jeder gegebenen Motordrehzahl wird bei
Drosselstellungen unterhalb weit geöffneter Drossel dann durch
die Drosselstellung geregelt. Erreicht die Drosselstellung einmal
weit geöffnete
Drossel, so betreibt das Regelsystem die Druckladevorrichtung gemäß dem Vergleich
zwischen der gewünschten
Luftladung und tatsächlicher
Luftladung; zum Beispiel in einer solchen Art und Weise, um einen
Unterschied zwischen diesen Luftladungen im Fall des Stationärbetriebs
der Druckladevorrichtung auf Null zu vermindern.
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Der
Druckladevorrichtungs-Betrieb ist daher auf Bereiche beschränkt, wo
der Drehmomentforderung mit natürlicher
Ansaugung allein nicht nachgekommen werden kann. Außerdem wird
die Effizienz einer unterstützten
Ansaugung gesteigert, indem man Beschränkungen durch eine teilweise
geöffnete Drossel
vermeidet, und indem man die tatsächliche Luftladung durch die
elektrische Regelung des Druckladegeräts auf die gewünschte Luftladung
anpaßt.
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Die
Erfindung wird nun in weiterem Detail und nur anhand eines Beispiels
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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1 ein
schematische Diagramm eines Motorfahrzeugs ist, das ein 1,4 Liter
Vierzylinder-Motorsystem mit Luftladungs-Verstärkungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt;
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2 ein
Graph ist, der für
den 1,4 Liter Motor von 1 Motordrehmoment gegen Motordrehzahl
aufträgt,
wenn natürlich
angesaugt; abgestimmt entweder für
maximales Drehmoment bei niedriger bis mäßiger Motordrehzahl, oder für maximales
Drehmoment bei moderater bis höherer
Motordrehzahl;
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3 ein
Graph ähnlich
zu dem von 2 ist, der mit dem Motor von 1 außerdem den
Effekt auf die Motordrehmoment-Abgabe zeigt, wenn man das Luftladungs-Verstärkungssystem
verwendet;
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4 ein
Graph ist, der für
den Motor von 1 Motorkompressor-Drehmomentverstärkung gegen
Drosselwinkel-Forderung des Fahrers aufträgt, und den Drehmoment verstärkenden
Effekt des Luftladungs-Verstärkungssystems
bei verschiedenen Motordrehzahlen zeigt;
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5 eine
schematische Übersicht
des Motor-Regelsystems zur Regelung des Betriebs des Druckladegeräts ist;
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6 ein
Diagramm der Regelsystem-Architektur des Luftladungs-Verstärkungssystems ist; und
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7, 8 und 9 Auftragungen sind,
die schematisch zeigen wie die Fahrzeug-Elektrizitätsversorgung auf von dem Kompressor
und anderen Fahrzeug-Verbrauchereinheiten gezogenen Strom reagieren.
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1 zeigt
schematisch den Teil eines Motorfahrzeugs 7, das einen
Hubkolben-Verbrennungsmotor 1 mit
vier Reihenzylindern 2, einem Luftansaugkrümmer 4 und
einem Abgaskrümmer 6 besitzt, die
jeweils zu jedem der Zylinder 2 und von ihnen weg führen. Ein
Kraftstoff-Einspritzsystem 8 liefert in einer in der Technik
wohlbekannten Art und Weise Kraftstoff 11 zu Zylindern 2.
Ein Druckladegerät,
hier ein elektrischer Kompressor 10, wird stromaufwärts des
Ansaugkrümmers 4 bereitgestellt.
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Wenn
er arbeitet strömt
Luft durch den Kompressor 10 zu dem Ansaugkrümmer 4,
oder – wenn der
Kompressor abgeschaltet ist oder sich im Leerlauf befindet – durch
einen Luft-Umgehungskanal 12 parallel
zu dem Kompressor 10. Luft wird entlang eines Einlaß-Luftweges 3 zu
dem Kompressor 10 und/oder der Umgehung 12 geliefert.
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Der
Luft-Umgehungskanal 12 weist ein Luftventil 13 auf
das automatisch öffnet,
um es Einlaßluft 5 zu
erlauben den Kompressor 10 zu umgehen 15, wenn
Luftstrom 18 durch den Kompressor unzureichend ist, um
die Motorzylinder 2 mit Luft aufzuladen. Luftversorgung 19 zu
dem Motor 1 wird dann durch Einstellung eines elektronisch
geregelten Drosselventils 17 – stromabwärts des Kompressors 10 und der
Umgehung 12 – und
die Aktivierung des Kompressors 10 geregelt. Ist der Kompressor 10 nicht
aktiviert, so saugt der Motor 1 normal an; und ist der Kompressor 10 aktiviert,
so wird der der Luftstrom zu dem Motor gesteigert.
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Der
Kompressor 10 ist nur durch einen Elektromotor mit geschalteter
Reluktanz (M) 14 angetrieben, der durch eine 12 Volt Blei/Säure-Fahrzeugbatterie 16 angetrieben
ist. Die Batterie wird durch ein motorgetriebenes Batterieladegerät angetrieben,
hier eine riemengetriebene Lichtmaschine 27. Die Batterie 16 weist
einen Nennstrom auf welcher ungefähr 30 A höher ist als normalerweise für ein Vierzylinder-Motorfahrzeug
für den
Massenmarkt spezifiziert würde.
Zusätzlich
zum Antrieb des Kompressors 10 sorgt die Batterie 16 auch
für den
Fahrzeugstart, Beleuchtungs- und Zündungsanforderungen. Die Batterie 16 liegt – innerhalb
einer hohlen Einhausung 30, welche die Batterie 16 und
Kompressor 10 umgibt – außerdem innerhalb
des Luftversorgungswegs 3, so daß Einlaßluft 5 um die Batterie 16 strömt. Ein
Luftfilter 9 wird stromabwärts der Batterie 16 und
stromaufwärts
des Kompressors 10 und der Luftumgehung 12 in
dem Luftversorgungsweg 3 bereitgestellt.
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Der
Fahrzeugführer
(nicht gezeigt) kann die Motorleistung über einen beweglichen Gaspedal-Aufbau 20 regeln,
der ein für
die Gaspedalstellung (APP, Accelerator Pedal Position; Gaspedalstellung)
bezeichnendes elektrisches Signal 120 zu einer Motor-Regeleinheit
(ECU) 32 liefert.
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Die
Motor-Regeleinheit überwacht über neun Eingangsleitungen 116, 120–127 mehrere
Motor-Betriebsparameter.
Eine Leitung 116 ist an die Batterieversorgung angeschlossen,
so daß ein
A/D-Wandler (nicht gezeigt) innerhalb der ECU 32 die Spannung von
Batterie 16 messen kann. Eine andere Eingangsleitung 127 kommt
von der Lichtmaschine, welche ihre eigene interne Elektronik und
einen Prozessor (nicht gezeigt) besitzt, welche die Temperatur der Lichtmaschine überwachen;
und außerdem
die Kapazitätsausnutzung
der Lichtmaschine in Abhängigkeit
der Lichtmaschinentemperatur, Lichtmaschinendrehzahl und des von
der Lichtmaschine gezogenen Stroms. Die Lichtmaschinen-Kapazitätsausnutzung wird
entlang der Leitung 127 von der Lichtmaschine zu der ECU 32 übermittelt.
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Sieben
andere Eingangsleitungen 120–126 sind jede an
eine jeweilige Sensorvorrichtung 20–26 angeschlossen,
um Motor-Betriebsbedingungen zu messen. Die Sensoren schließen ein:
den Gaspedalaufbau (APP) 20, um die Fahrerforderung zu
messen; einen Kurbelwellen-Stellungssensor
(CP, Crank Position; Kurbelwellenstellung) 21, um die Motordrehzahl
zu messen; einen Luftmassenstrom-Sensor (MAF, Mass Air Flow; Luftmassenstrom) 22 stromabwärts der
Drossel 17, um die Menge der in die Zylinder 2 eintretenden
Luft direkt zu messen; einen Umgebungsluftdruck-Sensor (BAP, Barometric
Air Pressur; Umgebungsluftdruck) 23, um den Umgebungsdruck
zu messen; einen Motorkühlmittel-Temperatursensor
(ECT, Engine Coolant Temperature; Motorkühlmittel-Temperatur) 24,
um die Temperatur von innerhalb des Motors zirkulierendem Kühlmittel
zu messen; einen Krümmerluftdrucksensor
(MAP, Manifold Air Pressur; Krümmerluftdruck) 25,
um den Druck von Luft in dem Ansaugkrümmer 4 zu messen; und
einen Einlaßluftladungs-Temperatursensor (ACT,
Air Charge Temperature; Luftladungstemperatur) 26, um die
Temperatur der Einlaßluft
zu messen.
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Zusätzlich mißt ein Umgebungstemperatursensor
(AT, Ambient Temperature; Umgebungstemperatur) 28 die Umgebungslufttemperatur
und liefert auf Leitung 128 eine Eingabe zu der elektronischen Regeleinheit 32.
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Optional
liefern Regelelektroniken in dem EBD-Motor 14 ein Temperatursignal
(EBDT) 110 zu der Motor-Regeleinheit 32. Alternativ
kann die Motor-Regeleinheit Temperaturparameter für den EBD 10 basierend
auf dem Umgebungstemperatursignal 128 von Umgebungstemperatursensor 28 und
dem Arbeitszyklus des EBD 10 berechnen.
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Wie
unten genauer erklärt
wird, berechnet die Motor-Regeleinheit 32 aus den verschiedenen Eingangssignalen
eine Motordrehmoment-Forderung; und liefert eine Reihe von Ausgangssignalen, um
verschiedene Fahrzeug- und Motor-Betriebsparameter zu regeln; einschließlich eines
Kraftstoffeinspritzungs-Regelsignals 108, Drosselventil-Regelsignals 117 und
Kompressormotor-Regelsignals 114. Die Motordrehmoment-Forderung
wird daher zumindest zum Teil durch die Stellung des Gaspedals 20 gesetzt.
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Wie
unten genauer erklärt
wird, bewegt sich das Drosselventil 17 zu einer Maximaleinstellung,
um das Maximalvolumen an Luft 19 in die Zylinder 2 hinein
einzulassen, wenn der Fahrer das Gaspedal 20 bewegt um
Motordrehmoment über
jenes hinaus zu fordern, welches von dem Motor 1 geliefert
werden kann wenn er natürlich
ansaugt. Die Motor-Regeleinheit 32 aktiviert dann unter
bestimmten moderaten oder niedrigen Motordrehzahlen den Kompressormotor 14,
aber nicht bei hohen Motordrehzahlen. Solange die Drehmomentforderung
jene übersteigt,
welche alleine aus der natürlichen
Ansaugung des Motors heraus verfügbar
ist, wird die verstärkte
Motordrehmoment-Abgabe durch die Kompressordrehzahl und die Menge
des zu den Zylindern gelieferten Kraftstoffs geregelt. Sobald die
Drehmomentforderung innerhalb jene fällt, die aus der natürlichen
Ansaugung heraus verfügbar
ist, wird der elektrisch angetriebene Kompressor 10 nicht
länger
durch den Kompressormotor 14 angetrieben. Dies hilft Batterielebensdauer zu
sparen und Aufheizung des Kompressors 10 zu vermindern,
und erhält
damit Batteriekapazität
und verlängert
die Lebensdauer des Kompressors 10. Ist der Motor ein Einspritzmotor,
so kann die Motor-Regeleinheit 32 die Menge an eingespritztem
Kraftstoff 11 durch elektrische Regelung 108 der
Einspritzungen 8 regeln.
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Ist
Kompressorbetrieb erforderlich, so setzt die Motor-Regeleinheit 32 sowohl
die Drehzahl des Kompressors 10 wie auch die gelieferte
Kraftstoffmenge gemäß der gegenwärtigen Drehmomentforderung.
Die Motor-Regeleinheit 32 überwacht die Ausgabe 120–126 von
den verschiedenen Sensoren 20–26, ebenso wie die
Batteriespannung 116, und paßt dann die Kompressordrehzahl
und/oder die Menge an geliefertem Kraftstoff 11 an, μm ein angemessenes Niveau
von fettem oder magerem Motorbetrieb zu erreichen.
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2 zeigt
für einen
herkömmlichen
Vierzylinder-Reihenmotor – wie
etwa den oben beschriebenen, aber ohne Kompressoraufladung – einen Graph
von Motordrehmoment gegen Motordrehzahl. Wie aus Kurve 34 von 2 ersichtlich
ist, kann der Motor abgestimmt sein um gut Leistung bei moderaten
bis hohen Motordrehzahlen bereitzustellen („Leistungsabstimmung"), jedoch auf Kosten
des Drehmoments im unteren Bereich.
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Alternativ
kann der Motor – wie
durch Kurve 36 gezeigt – abgestimmt sein um gute Leistung
bei niedrigen und moderaten Motordrehzahlen zu geben („Drehmomentabstimmung"), jedoch auf Kosten
der Leistung im oberen Bereich. Während die „Leistungsabstimmung" den sportlichen
Fahrer ansprechen wird, wird sie bei der Mehrheit von Fahrzeugbesitzern in
geringerer Zufriedenheit resultieren. Die Voraussetzung, in der
wirklichen Welt ein gutes „Leistungsgefühl" zu liefern, resultiert
gemeinhin in einer Motordrehmoment-Abgabe wie in der Kurve „Drehmomentabstimmung" gezeigt, wo dem
Drehmoment bei hohen Motordrehzahlen geschadet wurde, um die Drehmomentabgabe
unterhalb von 3500 U/min zu fördern.
Obwohl Motorgetriebe gewählt
werden können
um unerwünschte
Charakteristika zu minimieren, sind herkömmliche Motoren in der Praxis
abgestimmt um einen Kompromiß zu
erzielen.
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Unter
Bezug auf 3 wird in der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ein Motor mit relativ geringem Hubraum – zum Beispiel
unterhalb von ungefähr
1,8 Liter Hubraum – abgestimmt,
um bei hohen Drehzahlen 43 gutes Drehmoment zu ergeben – wie durch
Kurve 38 veranschaulicht auf Kosten des Drehmoments bei
geringer Motordrehzahl 41 und moderater Motordrehzahl 42.
Durch die Notwendigkeit, weitere Drosselöffnungen zu verwenden um Reisegeschwindigkeit
zu erreichen, hat dies den Nebeneffekt eine gute Kraftstoffersparnis
bei kontinuierlichen Autobahngeschwindigkeiten zu erlauben. Wie aus
Kurve 40 für
Kompressorverstärkung
(SCB; Supercharger Boost; Kompressorverstärkung) ersichtlich ist, besteht
dann ein Anstieg 44, 45, 46 im maximal
verfügbaren
Motordrehmoment, wenn der Fahrer Leistung über jene hinaus fordert, welche
von einem natürlich
ansaugenden Motor verfügbar
ist. Die Verstärkung
wird unter Regelung der Motor-Regeleinheit 32 nur im Bereich
niedriger 41 und moderater 42 Motordrehzahlen
verfügbar
gemacht, und wird zunehmend begrenzt, um in einem Bereich relativ
hoher Motordrehzahl 43 weich in die Motorleistung nahe oder
bei einer Spitze 48 in der unverstärkten Drehmomentkurve 38 überzugehen.
Dies geschieht indem man die maximal zulässige Kompressorverstärkung nahe Punkt 48 zunehmend
begrenzt.
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Folglich
ermöglicht
die Motor-Regeleinheit 32 den Gebrauch des Kompressors 10 nur
in einer solchen Art und Weise, daß die Motordrehmoment-Abgabe
mit der Kompressor-Drehmomentverstärkung im
Bereich moderater Motordrehzahl 42 einen Spitzenwert erreicht.
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4 zeigt
einen Graph der Motordrehmoment-Kompressorverstärkung gegen Drosselwinkel-Forderung
des Fahrers zwischen 0° und
90°. Die diagonalen
geraden Linien in dem Graphen sind mit Motordrehzahl in U/min – zwischen
1250 U/min und 5400 U/min – gekennzeichnet.
Die vertikale Skala entspricht dem Unterschied im Motordrehmoment zwischen
der verstärkten
Drehmomentkurve 40 und der unverstärkten Drehmomentkurve 38 in 3. Bei
dem maximalen Drosselwinkel von 90° ist die Motordrehmoment-Kompressorverstärkung der
in 3 gezeigte Maximalwert. Während der Drosselwinkel von
90° abnimmt
tut dies auch die Motordrehmoment-Kompressorverstärkung, bis
dies zu einer Verstärkung
von Null abfällt;
was Kurve 38 von 3 entspricht.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist nimmt die Steigung der Motordrehmoment-Kompressorverstärkungskurve
ab, wenn die Motordrehzahl auf den Übergangspunkt 48 von 3 hin
zunimmt, bis an dem Übergangspunkt 48 keine
Motordrehmoment-Kompressorverstärkung besteht.
Dies zeigt graphisch die zunehmende Deaktivierung der Kompressorverstärkung.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezug auf 5 beschrieben
werden, welche einen schematischen Überblick eines elektronischen
Regelsystems 50 zeigt, um den Betrieb des Druckladegeräts 10 zu regeln;
und auch unter Bezug auf 6, welche ein Diagramm der Regelsystem-Architektur 60 des
Luftladungs-Verstärkungssystems
zeigt.
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5 zeigt
wie die Motor-Regeleinheit (ECU) 32 die oben beschriebenen,
verschiedenen Eingaben 116, 120–128 empfängt, um
verschiedene Ausgaben zu erzeugen um den Betrieb des Systems zu
regeln. Eine Ausgabe ist ein elektronischer Drosselstellungs-Befehl
(ETP; Electronic Throttle Position; elektronischer Drosselstellungs-Befehl) 117,
der an einen elektronischen Drosselstellungs-Regler 127 gesendet
wird, der die Drossel 17 regelt. Der ETP-Regler 217 stellt
dann die Stellung der Drossel 17 entsprechend ein.
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Die
ECU 32 sendet außerdem
einen elektronischen Verstärkungsgerät-Befehl
(EBD; Electronic Boost Device; elektronischer Verstärkungsgerät-Befehl) 114 an
einen EBD-Regler 214, der den Kompressor-Elektromotor 14 regelt.
Wird der Kompressor 10 nicht benötigt, so wird der Kompressormotor 14 geregelt
um bei einer relativ geringen geregelten Drehzahl von ungefähr 10000
U/min im Leerlauf zu laufen, was relativ wenig elektrische Energie
verbraucht und was außerdem
keinen bedeutenden Verstärkungsdruck
erzeugt. Indem der Kompressor bei 10000 U/min im Leerlauf läuft, ist
es möglich
die Hochdrehzahl auf die Nenndrehzahl von ungefähr 60000 U/min auf weniger
als 0,3 s zu senken.
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Das
EBD 10 ist wegen Beschränkungen
des Speichers von Batterie 16 und des Ladestroms von Lichtmaschine 27 möglicherweise
nicht in der Lage bei seiner Maximalleistung unbegrenzt zu arbeiten, und
so kann der Ladezustand (SOC, State of Charge; Ladezustand) der
Batterie den Betrieb beschränken. Zusätzlich überschreiten
manche Bauteile des EBD 10, wie etwa Lager oder Motorwicklungen
(nicht gezeigt), bei hohen Verhältnissen
von Betriebsstrom zu Volllaststrom möglicherweise Auslegungstemperaturgrenzen.
Es kann daher auch notwendig sein den Betrieb des EBD 10 wegen
dieser Überlegungen
einzuschränken.
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Obwohl
die elektrische Stromversorgung zu dem EBD 10 von dem gewöhnlichen
Fahrzeug-Elcktrosystem
erfolgen kann, wird es bevorzugt wenn das EBD 10 während Betrieb
oberhalb von Leerlaufdrehzahlen zumindest teilweise von dem Batterieladesystem 27 getrennt
ist und hauptsächlich
oder vollständig über die
Batterie 16 läuft.
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Daher
berechnet die ECU 32 für
den Betrieb des Druckladegeräts
zulässige
Betriebsgrenzen basierend auf dem Zustand des elektrischen Versorgungssystems.
Liegt der Status des elektrischen Versorgungssystems innerhalb eines
akzeptablen Bereiches, so wird der Kompressor unter Verwendung des motorgetriebenen
Batterieladegeräts
angetrieben; und liegt der Zustand des elektrischen Versorgungssystems
nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches, so wird die Batterie
von der Lichtmaschine getrennt und der Kompressor wird alleine unter
Verwendung der Batterie angetrieben.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bestimmt die ECU den Zustand des elektrischen Versorgungssystems
sowohl durch Überwachung
der Batteriespannung wie auch durch Überwachung der Kapazitätsnutzung
der Lichtmaschine. Wird die elektrische Last auf die Lichtmaschine
hoch genug um die Lichtmaschine zu sättigen, so wird die Systemspannung
abfallen, und dies kann einen wahrnehmbaren Verlust an Funktionalität in anderen durch
das Elektrosystem des Fahrzeugs mit Strom versorgten Elektroeinheiten
verursachen.
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Um
zu verhindern daß dies
geschieht, wird das EBD 10 während Betrieb oberhalb von
Leerlaufdrehzahlen von dem Batterieladesystem 27 getrennt und
alleine von der Batterie 16 betrieben, wenn die Lichtmaschine
einmal den Sättigungspunkt
erreicht. Die Lichtmaschine ist dann in der Lage andere Fahrzeug-Verbrauchereinheiten
(CU, Consumer Units; Verbrauchereinheiten) 51 mit Strom
zu versorgen, wie etwa Lichter und elektrisches Zubehör; welche daher
von Spannungsabfällen
getrennt sind, die an der Batterie wegen des hohen elektrischen
Stroms – typischerweise
zwischen 150 A und 300 A – auftreten können, der
von dem EBD 10 benötigt
wird. Diese Umschaltung wird mittels eines EBD-Stromquellen-Auswahlbefehls 152 erreicht,
der von der ECU 32 zu einem Relais 52 und Schalter 53 gesendet
wird.
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Die
ECU treibt daher das Druckladegerät unter Verwendung der Lichtmaschine
an, wenn der Batterieladezustand innerhalb eines akzeptablen Bereiches
liegt; und trennt die Batterie von der Lichtmaschine und treibt
das Druckladegerät
allein unter Verwendung der Batterie an, wenn der Batterieladezustand
nicht innerhalb eines akzeptablen Bereiches liegt.
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Der
regulierte Spannungseinstellpunkt der Lichtmaschine 27 wird
dann durch ein Lichtmaschinen-Spannungseinstellpunkt-Befehl 127 geregelt, das
von der ECU 32 zu der Lichtmaschine 27 gesendet
wird.
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Unter
besonderem Bezug auf 6 verwendet die ECU 32 die
Eingaben 120–123 von
dem Gaspedal-Stellungssensor 20, Kurbelwellen-Stellungssensor 21 und
Umgebungsluftdruck-Sensor 23, um
das benötigte
Motordrehmoment 61 zu bestimmen. Die Rechnung 61 wird
außerdem
andere relevante Faktoren in Betracht ziehen, wie etwa Motorreibung,
Zubehörverluste
und – für einen
Funkenzündungs-Motor – den vorherrschenden
Zündwinkel. Hieraus
ist es möglich
eine gewünschte
Luftladung 62 zu berechnen, d.h. die für jedes Zylinder-Zündereignis benötigte Menge
an Luft.
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Die
gewünschte
Luftladung 62 wird zusammen mit anderen Eingaben – besonders
der Motordrehzahl, wie von dem Kurbelwellen-Stellungssensor 121 gemessen,
und dem gemessenen Luftmassenstrom 122 und/oder dem gemessenen
Krümmerdruck 125 – von der
ECU 32 dann in einer Rechnung 63 benutzt, um den
benötigten
Krümmerdruck 64 und den
benötigten
Luftmassenstrom 65 zu berechnen. Innerhalb von Rechnung 63 wird
basierend darauf, ob der gewünschte
Krümmerdruck
höher ist
als der Umgebungsluftdruck, eine Bestimmung vorgenommen ob EBD-Betrieb
benötigt
wird oder nicht; und ist dies der Fall, so wird ein Hystereseterm
angewandt um schnelle Zyklen des EBD 10 zu vermeiden.
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Die
ECU 32 ist dann in der Lage die gewünschten Drosselstellungen und
die EBD-Drehzahl 66 festzulegen, woraus die ECU den ETP-Befehl 177 für den elektronischen
Drosselstellungs-Regler 217 und
einen unbeschränkten
EBD-Drehzahlbefehl 67 erzeugt.
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Wie
oben erwähnt
wird der EBD-Drehzahlbefehl 67 unter bestimmten Umständen beschränkt werden
müssen,
zum Beispiel wegen Überhitzung des
elektrischen Verstärkungsgeräts 10,
der maximalen Nenndrehzahl oder der Einschaltdauer des Geräts, wegen
Festigkeits- und Schmierungsüberlegungen,
oder wegen der Beschränkungen
des Batterie-Ladezustands (SOC). Beschränkungen müssen möglicherweise auch angewandt
werden um Bereiche zu vermeiden, in welchen der Kompressor 10 hochjagen
würde.
In 6 sind die Berechnungen 68, 69 zweier
solcher möglicher
Beschränkungen durch
die ECU 32 gezeigt, namentlich thermische Abschätzungen
und Beschränkungen 70 und
Beschränkungen
durch den Batterie-Ladezustand 71.
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Die
ECU berechnet dann einen beschränkten
EBD-Drehzahlbefehl 114 gemäß den vorherrschenden Betriebsbedingungen,
und sendet diesen an den mit dem EBD-Motor in Zusammenhang stehenden
EBD-Drehzahlregler 124.
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Die
Berechnung 63 ist jedoch Teil einer Regelung der Motor-Luftladung
im geschlossenen Regelkreis. Der tatsächliche MAF 122 oder
MAP 125 wird mit dem gewünschten Wert verglichen; und
es wird eine Anpassung vorgenommen, um den gewünschten MAP 64 und
den gewünschten
MAF 65 zu erzeugen, um die gewünschte Einstellung genau zu verwirklichen.
Für den
Fall, daß das
EBD begrenzt oder der Betrieb des Systems in gewisser Weise beschränkt ist,
wird der Betrieb der Regelung im geschlossenen Regelkreis dann begrenzt 73,
um ein Aufschaukeln der Reglers zu verhindern.
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Wie
oben beschrieben wird das Motordrehmoment für alle Betriebsbedingungen
von der Drossel 17 alleine reguliert werden, die ohne den
Betrieb des Kompressorgeräts 10 erreicht
werden können, das
heißt
wenn der Ansaugkrümmerdruck
(MAP) niedriger ist als der Umgebungsluftdruck (BAP). Wird das EBD 10 nicht
benötigt,
so wird dem EBD festgelegt bei einer Leerlaufdrehzahl zu arbeiten,
bei der keine Verstärkung
erzeugt wird. In dem Fall, daß das EBD
benötigt
wird, wird der Drossel festgelegt vollständig zu öffnen, und die EBD-Drehzahl wird
basierend auf dem Umgebungsdruck, dem gewünschten Krümmerdruck und dem gewünschten
Krümmer-Luftstrom
gemäß einer
Verstärkungskarte
von EBD-Charakteristika festgelegt, die innerhalb des ECU-Speichers
(nicht gezeigt) aufbewahrt wird.
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Bevorzugt
werden Lastminderungsfaktoren für
die thermische EBD- und SOC-Beschränkungen angewandt wie benötigt, um
den abschließenden, beschränkten EBD-Drehzahlbefehl
zu erzeugen. Für den
Fall, daß das
System sowohl wegen thermischen Grenzen wie auch wegen SOC-Überlegungen
eingeschränkt
ist, wird dann der größte Lastminderungsfaktor
angewandt.
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Die
Berechnung der Lastminderungsfaktoren sollte so gewählt werden,
um die Wahrnehmung der Lastminderung durch den Fahrer zu minimieren, und
außerdem
um die lastgeminderte Leistung für den
Fahrer vorhersehbar zu machen, indem plötzliche Änderungen vermieden werden.
Die thermische Lastminderungsberechnung 68 beinhaltet zwei
Teile, namentlich Regulierung und Schätzung. Der Schätzungsteil
der Berechnung basiert auf den Betriebsbedingungen des EBD 10.
Sowohl die gegenwärtigen wie
auch zukünftige
Stationärzustand-Temperaturen kritischer
Teile des EBD werden abgeschätzt.
Kritische Teile schließen
typischerweise jene eine EBD-Welle tragende Lager und Kupferwicklungen des
EBD-Motors ein. Wird das System initialisiert, so werden die Temperaturen
dieser Teile auf Grundlage der Temperaturen geschätzt, wenn
das System abgeschaltet wurde; der Zeit, die es ausgeschaltet war; und
der vorherrschenden Umgebungstemperatur, zum Beispiel von dem Umgebungstemperatur-Sensor 28.
Die dynamische Temperaturschätzung
trägt Variationen
in dem Luftstrom an dem EBD vorbei Rechnung, der Wärmeträgheit der
Bauteile, und der sowohl durch elektrische wie auch mechanische Quellen
in dem System erzeugten Wärme.
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Der
Regulierungsteil beinhaltet die Vorhersage, für welches der Bauteile in dem
System die Auslegungstemperaturen überschritten werden könnten; basierend
auf geschätzten
oder gemessenen Temperaturen. Hierfür kann der EBD-Betrieb begrenzt werden,
um innerhalb von Konstruktionsrichtlinien zu bleiben. Dies wird
durch die Kalibrierung „weicher" und „harter" Grenzen für jedes
dieser Bauteile erreicht. Wenn die Temperatur unterhalb der weichen Grenze
liegt, wird keine Handlung vorgenommen. Wenn die Temperatur die
weiche Grenze übersteigt, und
die Temperatur am gewünschten
EBD-Betriebsniveau darin resultieren wird, daß die harte Grenze im Stationärzustand-Betrieb überstiegen wird,
dann muß eine
Handlung vorgenommen werden um ein Übersteigen der harten Grenze
zu vermeiden. Das EBD wird unter Verwendung einer Regelschleife
mit einer Ausgabe eines Lastminderungsfaktors von vorherbestimmtem
Prozentsatz zunehmend in der Leistung gemindert, wie durch Rückführungsschleife 73 gezeigt ist,
bis die vorhergesagte Stationärzustand-Temperatur
gleich der harten Grenze ist; an welchem Punkt die EBD-Einschaltdauer beibehalten
werden kann. Wenn mehr als ein Bauteil des Systems möglicherweise
Konstruktionsgrenzen übersteigt,
wird für
jedes ein Lastminderungsfaktor berechnet, und der minimale wird
für den
Gebrauch verwendet.
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Die
Batterieladezustands-Berechnung 69 wird in einer zu der – oben beschriebenen – thermischen
EBD-Berechnung 68 analogen Art und Weise verrichtet. Ein
Abschätzungsteil
der Berechnung beinhaltet ein Computermodell der Speicherkapazität der Batterie 16.
Dies wird zusammen mit der Historie der Ladung und Entladung benutzt,
um eine Abschätzung
der gegenwärtig
gespeicherten Ladung verglichen mit der maximal verfügbaren bei
den vorherrschenden Umgebungstemperaturen vorzunehmen. Zusätzlich wird
die Entladungsgeschwindigkeit abgeschätzt.
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Die
Regulierung wird dann wie folgt verrichtet. Wenn der Stromverbrauch
des EBD 10 die Leistungsabgabe der Lichtmaschine 27 sättigen würde – was in
einem Abfall in der Fahrzeug-Systemspannung
resultiert, wenn die Batterie 16 benutzt wurde um die Lichtmaschine
zu ergänzen – können unannehmbare
Effekte, wie etwa Schwächung
von Lichtern usw., erfahren werden. Um dies zu verhindern wird das
Relais 52 in Anspruch genommen, um die Stromversorgung
des EBD alleinig auf Batterie umzuschalten 53, während das
verbleibende Fahrzeugsystem von der Lichtmaschine 27 mit
Strom versorgt wird.
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Eine
weiche Grenze wird für
den System-Ladezustand (SOC) kalibriert, oberhalb dessen keine Handlung
unternommen werden muß um
die Batterieladung zu schützen.
Außerdem
wird eine harte Grenze kalibriert, unterhalb welcher der Batterie-SOC
nicht zu fallen erlaubt sein sollte. Wenn SOC unter die weiche Grenze
sinkt, muß das
System beginnen eine Handlung zu unternehmen, um an der harten Grenze
von SOC eine „weiche
Landung" ohne scharfen
Abfall in der Motorleistung – wegen
der Leistungsminderung zu dem EBD 10 – zu erreichen. Der Lastminderungsfaktor
für das
EBD in der Rückführungsschleife 73 wird
gesteigert, bis die von dem EBD gezogene Leistung gleich der überschüssigen Erzeugungskapazität der Lichtmaschine 27 ist,
an welchem Punkt das Relais 52 umgeschaltet werden kann,
so daß die
Lichtmaschine nun das EBD 10 ebenso wie das verbleibende
Fahrzeug-Elektrosystem mit Strom versorgt. Die EBD-Leistung wird
dann bei oder unterhalb eines Niveaus gehalten, das keine vollständige Sättigung
der Lichtmaschine 27 verursacht.
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Das
Management der Fahrzeug-Elektroversorgung wird in den schematischen
Graphen von 7, 8 und 9 veranschaulicht. 7 trägt die Spannung
der Fahrzeug-Elektroversorgung gegen
die Zeit auf, 8 trägt den Fahrzeug-Versorgungsstrom
gegen die Zeit auf, und 9 trägt den von elektrischen Fahrzeugverbrauchern
gezogenen Strom gegen die Zeit auf.
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In
dem in diesen Abbildungen gezeigten Beispiel ist die Lichtmaschine
zu Zeit t0 anfänglich an die Batterie 16 angeschlossen,
und die Fahrzeug-Versorgungsspannung VAB beträgt nominell
13,6 Volt. Elektrische Verbrauchereinheiten (CU) des Fahrzeugs,
wie etwa Lichter, elektrisch beheizte Scheiben usw., ziehen anfänglich einen
mäßigen Strombetrag ICU, 50 A, der vorübergehend auf 75 A ansteigt.
Der Kompressor 10 ist anfänglich bei ungefähr 10000 U/min
auf Leerlauf eingestellt, und zieht nur ein paar Ampere an Strom
ISC. Weil der insgesamt gezogene Strom ICU+SC unterhalb der elektrischen Kapazität der Lichtmaschine 27 von
150 A liegt, ist die Lichtmaschine 27 durch das Relais 52 und
Schalter 53 elektrisch an die Batterie 16 angeschlossen.
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Zu
Zeit t1 verlangt die Fahrerforderung Betrieb
des Kompressors 10, wonach der Kompressorstrom ISC schnell auf ungefähr 175 A ansteigt. Wenn der
Gesamtstrom ICU+SC zu Zeit t2 einen
Schwellenwert 57 von 150 A erreicht, bringt das Relais 52 den Schalter 53 dazu
zu öffnen,
und die Lichtmaschine 27 wird teilweise von der Batterie 16 getrennt.
Zwischen der Batterie 16 und Lichtmaschine 27 wird
ein Filter bereitgestellt, um ein gewisses Maß an Glättung der Lichtmaschinenspannung
bereitzustellen, welche sonst – wegen
der relativ langsamen Reaktion der Lichtmaschine auf plötzliche Änderungen
in elektrischen Lasten – schwanken
könnte.
In seiner einfachsten Form ist der Filter 55 ein Widerstand
von 0,1 Ω,
obgleich der Filter auch frequenzabhängige Elemente enthalten könnte, wie
etwa ein Hochpaßfilter.
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Dem
Kompressor 10 steht es nun frei sehr hohe Ströme ISC von der Batterie 16 zu ziehen,
welche die Batteriespannung VB dazu bringen
können deutlich
abzufallen. Weil der Filter 55 den Stromfluß zwischen
der Lichtmaschine 27 und der Batterie 16 begrenzt,
ist die Lichtmaschine nicht der vollen Last des Kompressors 10 ausgesetzt,
und ist in der Lage damit fortzufahren geregelte Leistung zu dem
Rest des Fahrzeugsystems zu liefern.
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Während des
Betriebs der großen
elektrischen Zusatzlast wird die Batterie zunehmend entladen werden,
wie durch den Abfall in Batteriespannung VB gezeigt
ist. Zu Zeit t3 erreicht Batteriespannung
VB einen weichen Schwellenwert 75 bei
10 Volt, und die ECU 32 ergreift eine Handlung um den Kompressorstrom
ISC zu senken, so daß die Batteriespannung über einer
harten Grenze 76 von 9 Volt bleibt.
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Zu
Zeit t4 ist der gesamte Fahrzeugstrom ICU+SC auf den Schwellenwert 57 von
150 A abgefallen, und so wirkt die ECU 32 um den Schalter 53 zu schließen, wonach
der gesamte Fahrzeugstrom durch die angeschlossene Lichtmaschine 27 und Batterie 16 bereitgestellt
wird. Optional kann ein zweiter Schwellenwert 59 von 145
A verwendet werden, wenn der Strom in der Bereitstellung einer Hysterese
versagt. Zu Zeit t6 ist der Kompressorstrom
ISC zum Beispiel auf ein Leerlaufniveau
abgefallen, weil eine hohe Motordrehzahl 43 erreicht wurde.
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Wie
in 7 gezeigt, erniedrigt die ECU 32 auf
Zeit t, folgend allmählich
die Lichtmaschinenspannung VA auf wenig
unter 11 Volt, während
die Batteriespannung VB vermindert wird.
Dies bringt die Leistung in elektrischen Verbrauchern dazu abzufallen,
aber dies ist für
den Fahrzeugführer
nicht wahrnehmbar, weil dieser Abfall langsam ist. Zu Zeit t5, wenn die Lichtmaschine und Batterie wieder
angeschlossen werden, beträgt
die gemeinsame Spannung VAB ungefähr 10,5
Volt; steigt dann aber stetig an, während die Lichtmaschine 27 die
Batterie 16 erneut auflädt.
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Würde keine
Handlung unternommen um die Lichtmaschinenspannung VA zwischen
den Zeiten t2 und t5 zu
senken, so würde
zu Zeit t5 ein plötzlicher und wahrnehmbarer
Abfall in der Systemspannung stattfinden, wenn die Lichtmaschine 27 und
Batterie 16 erneut angeschlossen werden. Indem man die Lichtmaschinenspannung
VA allmählich
senkt, während
der Kompressor 10 aktiv ist, wird dieses Problem gemindert
oder beseitigt.
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Wenn
der Relaisschalter 53 geschlossen wird, ist die Systemspannung
daher ausreichend niedrig, um sicherzustellen daß die Lichtmaschine 27 nicht
gesättigt
ist und keine plötzliche Änderung
in der Elektrosystem-Spannung auftritt. Die Systemspannung wird
dann – mit
einer durch die Ladung von Batterie 16 bestimmten Geschwindigkeit – allmählich wieder
auf die gewünschte
Spannung erhöht,
um sicherzustellen daß die
Lichtmaschine niemals gesättigt
ist und stets in der Lage ist eine Spannungsregelung bereitzustellen.
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Die
oben beschriebene Erfindung ist sowohl auf Funkenzündungs-Motoren
wie auch auf Verdichtungsmotoren anwendbar. Das elektrische Verstärkungsgerät (EBD)
kann die einzige Einlaßluft-Verdichtervorrichtung
in dem System sein, oder es kann mit einer anderen derartigen Vorrichtung
kombiniert sein, zum Beispiel einer abgasgetriebenen Turbolader-Vorrichtung.
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Die
Erfindung stellt daher ein praktisches und wirtschaftliches elektrisches
Druckverstärkungsgerät bereit,
und ein Verfahren um das von einem Verbrennungsmotor verfügbare Drehmoment
zu steigern. Das elektrisch angetriebene Druckverstärkungsgerät wird als
ein Teil des Luftansaugsystems des Motors bereitgestellt und ist
vollständig
elektronisch regelbar. Der Gebrauch einer derartigen Verdichtervorrichtung
steigert die maximale Drehmomentabgabe des Motors über Abschnitte
seines Betriebsbereiches hinweg, welche für die von dem Fahrer wahrgenommene
Leistung bedeutsam sind. Die Erfindung ist kompakt und vermeidet
die Notwendigkeit die Kapazität
des Fahrzeug-Elektrosystems – oder
die thermischen und mechanischen Nennlasten der Vorrichtung – übermäßig zu erhöhen, und
erlaubt folglich Vorteile sowohl bezüglich der Fahrzeugleistung
wie auch der gesamten Kraftstoffersparnis bei vernünftigen
Systemkosten.