DE68902799T2

DE68902799T2 - Antriebssystem fuer turbolader mit umlaufenden elektromaschinen.

Info

Publication number: DE68902799T2
Application number: DE8989307257T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Current assignee: Isuzu Ceramics Research Institute Co Ltd
Priority date: 1988-07-18
Filing date: 1989-07-18
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2009-07-19
Also published as: US5105624A; US4958497A; JP2526100B2; DE68902799D1; JPH0230924A; EP0352064A1; EP0352064B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für Turbolader mit Motorgeneratoren, die an ihren rotierenden Wellen befestigt sind, und insbesondere ein Antriebssystem für eine mehrstufige Turboladereinheit mit in Serie miteinander verbundenen Turbinen und Kompressoren.
Es sind turbinenbetriebene Turbolader bekannt, bei denen die Auspuffgase, die von einem Motor ausgestoßen werden, zu einer Antriebsturbine geleitet werden, um die Turbine und einen daran angekoppelten Kompressor mit einer hohen Geschwindigkeit für die Aufladung des Motors in Drehung zu versetzen. Die JP A-60-43152 offenbart ein System zur Wiedergewinnung und Einspeisung jeglicher verbliebener Auspuffenergie zurück zu der Welle des Motors, nachdem die Auspuffenergie von dem Motor durch die Abgasturbine wiedergewonnen ist, um den Kompressor anzutreiben. Das offenbarte System ist mit einer rotierenden elektrischen Maschine und einem Lufteinlaßkompressor ausgestattet, die auf der rotierenden Welle der Abgasturbine angebracht sind. Die Abgasenergie, die als Rotationsenergie durch die Abgasturbine wiedergewonnen wird, wird dazu eingesetzt, um den Kompressor zur Aufladung des Motors in Drehung zu versetzen. Zur selben Zeit arbeitet die rotierende elektrische Maschine als ein elektrischer Generator, um elektrische Energie zu erzeugen, die an einen elektrischen Motor gegeben wird, der mit der Welle des Motors verbunden ist. Der mit der Motorwelle verbundene Motor wird in Drehung versetzt, um die Drehung an der Ausgangswelle zu unterstützen, wodurch die Abgasenergie, die durch die Abgasturbine wiedergewonnen wird, zurück an die Motorwelle geführt wird.
Wenn der Motor mit einer geringen Geschwindigkeit rotiert und folglich die Abgasenergie gering ist, kann das oben genannte System jedoch weder elektrische Energie erzeugen, noch den Motor aufladen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist ein System vorgeschlagen worden, bei dem bei sich mit geringer Geschwindigkeit drehendem Motor die rotierende elektrische Maschine, die auf der sich drehenden Welle der Abgasturbine angebracht ist, als Motor betrieben wird, um den Kompressor über die sich drehende Welle für das Aufladen des Motors in Drehung zu versetzen (siehe JP A-60-195329).
Das in letzterer Publikation offenbarte System erfordert jedoch starke elektrische Energie, um die rotierende elektrische Maschine anzutreiben. Da eine derartig große elektrische Energie von einer Batterie geliefert wird, hat die Batterie die Neigung, die gespeicherte elektrische Energie schnell zu verlieren, und verschiedene andere elektrische Geräte, die an der Batterie angeschlossen sind, werden dann ggfs. nicht mit der gewünschten Menge an elektrischer Energie versorgt. Außerdem wird die Batterie voraussichtlich eine kurze Lebensdauer haben. Da lediglich ein Turbolader mit dem Motor verbunden ist, ist die träge Masse der rotierenden Teile des Turboladers groß, wodurch der Turbolader auf die Betätigung eines Beschleunigungspedals schlechter ansprechend wird.
Die US-A-4,680,933 (EP-A-0178534) offenbart ein Turboladerantriebssystem mit mehreren motorbetriebenen Turboladern. Die JP-A-59-141711 offenbart ein Antriebssystem, bei dem der Turboladermotor von dem Motorgenerator angetrieben wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Turboladerantriebssystem bereitzustellen, das eine Vielzahl von in Serie miteinander verbundenen Turboladern einschließt, die an ein Motorabgassystem angeschlossen sind und entsprechende rotierende Wellen haben, auf denen Motorgeneratoren angebracht sind, und das nicht von irgendeiner Batterie für die elektrische Energie abhängt, die erforderlich ist, um die Motorgeneratoren als Motoren zur Unterstützung der Drehung der Turbolader zu betreiben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Turboladerantriebssystems, das einen Motorgenerator einschließt, der mit der Ausgangswelle eines Motors verbunden ist und einen Turbolader einschließt, der eine rotierende Welle mit einem darauf angeordneten Motorgenerator aufweist, und das elektrische Energie verwendet, die durch den Motorgenerator erzeugt wird, der auf der Welle des Turboladers angebracht ist und als ein Generator arbeitet, um den mit der Motorwelle verbundenen Motorgenerator als einen Motor anzutreiben, um die Drehung des Motors zu unterstützen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turboladerantriebssystem für einen Motor mit geschlossenem Brennraum bereitgestellt, mit
Mitteln zur Feststellung der Motorlast;
Mitteln zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Motors;
Mitteln zur Feststellung des Ladedrucks des Gases, das an den Motor geliefert wird;
Mitteln zur Speicherung eines gewünschten Ladedrucks gemäß einer festgestellten Motorlast;
einer Vielzahl von Turboladern;
einer Vielzahl von rotierenden elektrischen Maschinen, die jeweils auf rotierenden Wellen der Turbolader angebracht sind; und
Mitteln zur Berechnung des Unterschiedes zwischen dem Ladedruck gemäß der festgestellten Last und dem festgestellten Ladedruck; gekennzeichnet durch
die Turbolader, die jeweils in Serie miteinander verbundene Abgasturbinen und Kompressoren aufweisen;
eine einzige rotierende elektrische Maschine, die von einer Ausgangswelle des Motors antreibbar ist;
Mittel zum Antrieb der einzigen rotierenden elektrischen Maschine als ein elektrischer Generator;
Mittel zum Antrieb der Mehrzahl der rotierenden elektrischen Maschinen als elektrische Motoren nacheinander durch die rotierende elektrische Maschine an dem Turbolader, der sich dem Motor am nächsten befindet, wenn die Ladedruckdifferenz ansteigt, wenn der festgestellte Ladedruck kleiner ist als der Ladedruck gemäß der festgestellten Last; und
Mittel für die Zufuhr elektrischer Energie von der von dem Motor angetriebenen elektrischen Maschine, wenn sie als Generator arbeitet, zu der Vielzahl von rotierenden elektrischen Maschinen, wenn sie als Motoren arbeiten.
Die rotierenden elektrischen Maschinen auf den Turboladerwellen können von den Turboladern angetrieben werden, und die mit dem Motor verbundene rotierende elektrische Maschine kann an einer Abtriebswelle des Motors gekuppelt sein, wobei Mittel zum Antrieb der rotierenden elektrischen Maschinen an den Turboladern als elektrische Generatoren, zum Antrieb der mit dem Motor verbundenen rotierenden elektrischen Maschine als elektrischer Motor und für die Zufuhr von elektrischer Energie von dem elektrischen Generator zu dem Motor vorgesehen sind.
Ein Beispiel für ein Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems für Turbolader mit rotierenden elektrischen Maschinen ist;
Figur 2A und 2B sind Flußdiagramme einer Arbeitsschrittsequenz des in der Figur 1 gezeigten Antriebssystems;
Figur 3 ist ein Blockdiagramm eines Generatorschaltkreises mit hoher elektrischer Energie in jeder der doppelten Konvertereinheiten in dem Antriebssystem.
Figur 1 zeigt ein Antriebssystem, das einen an einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) angebrachten Verbrennungsmotor 1 aufweist, der ein Motor mit thermisch isolierter, geschlossener Verbrennungskammer ist, bei dem mindestens innere Zylinderwände und ein Zylinderkopf, Kolbenringe, Kolbenbodenoberfläche, eine innere Wand eines Abgaskanals und Einlaß- und Auslaßventilen ohne Ausnahme aus einer thermisch isolierenden feinen Keramik bestehen. Aus einem Lufteinlaßkanal 11 wird Luft und in die Zylinder eingespritzter Kraftstoff zu einem Kraftstoffluftgemisch gemischt, das dann verbrannt wird, um Energie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges zu erzeugen. Dann werden Auspuffgase von den Zylindern durch einen Auslaßkanal 12 ausgestoßen.
Ein erster Turbolader 2 hat eine Abgasturbine 21, die an den Abgaskanal 12 angeschlossen ist, und einen Kompressor 22, der an den Lufteinlaßkanal 11 angeschlossen ist. Der Kompressor 22 ist direkt mit einer rotierenden Welle der Abgasturbine 21 verbunden.
Wenn die Abgasturbine 21 durch die von dem Abgaskanal 12 abgegebenen Abgase in Drehung versetzt wird, wird der Kompressor 22 ebenfalls in Drehung versetzt, und er komprimiert Einlaßluft, die durch den Einlaßluftkanal 11 zugeführt wird, um den Motor 1 aufzuladen. Der Kompressor 22 ist an ein Einlaßrohr 23 angeschlossen, das darin ein Ventil 24 aufweist. Das Einlaßrohr 23 legt einen Luftkanal fest, der durch das Ventil 24 wahlweise geöffnet und geschlossen wird, wobei das Ventil mit Hilfe eines Ventilbetätigers 25 gesteuert wird.
Auf der drehbaren Welle, durch die die Abgasturbine 21 und der Kompressor 22 direkt miteinander verbunden sind, ist eine rotierende elektrische Maschine 3 angebracht. Wenn elektrische Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine 3 geliefert wird, arbeitet sie als ein elektrischer Motor, um den Kompressor 22 für eine Unterstützung der Drehung des Kompressors 22 für die Aufladung des Motors 1 in Drehung zu versetzen. Wenn die rotierende elektrische Maschine 3 durch die Abgasturbine 21 in Drehung versetzt wird, arbeitet sie als ein elektrischer Generator, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein Drehgeschwindigkeitssensor 31 stellt die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine 3 fest, also die Drehgeschwindigkeit des ersten Turboladers 2, und überträgt ein Drehgeschwindigkeitssignal zu einem Controller 6 (wird später beschrieben).
Ein zweiter Turbolader 4 hat eine Abgasturbine 41, die an einen Abgaskanal 26 des ersten Turboladers 2 angeschlossen ist, sowie einen Kompressor 42, der an den Kompressor 22 des ersten Turboladers 2 mit Hilfe eines Luftzufuhrrohres 46 angeschlossen ist. Der Kompressor 42 ist direkt mit der rotierenden Welle der Abgasturbine 41 verbunden.
Wenn die Abgasturbine 41 durch die Abgase, die von dem ersten Turbolader 2 durch den Abgaskanal 26 ausgestoßen werden, angetrieben wird, wird der Kompressor 42 ebenfalls in Drehung versetzt, und er komprimiert Einlaßluft, um den Einlaßluftdruck durch das Luftzufuhrrohr 46 zu erhöhen, der durch den Kompressor 22 entwickelt wird. Der Kompressor 42 ist an ein Einlaßrohr 43 angeschlossen, in dem ein Ventil 44 angebracht ist. Das Einlaßrohr 43 legt einen Luftkanal fest, der durch das Ventil 44 wahlweise geöffnet oder geschlossen wird, wobei das Ventil durch einen Ventilbetätiger 45 gesteuert wird. Vom dem Controller 6 werden Steuersignale zu den Ventilbetätigern 25, 45 geliefert.
Auf der drehbaren Welle, durch die die Abgasturbine 41 und der Kompressor 42 direkt miteinander verbunden werden, ist eine rotierende elektrische Maschine 5 angebracht. Wenn elektrische Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine 5 geliefert wird, arbeitet sie als ein Elektromotor, um den Kompressor 42 zur Unterstützung der Drehung des Kompressors für die Aufladung des Motors 1 in Drehung zu versetzen. Wenn die rotierende elektrische Maschine 5 durch die Abgasturbine 41 in Drehung versetzt wird, arbeitet sie als ein elektrischer Generator, um elektrische Energie zu erzeugen. Ein Drehgeschwindigkeitssensor 51 stellt die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine 5 fest, also die Drehgeschwindigkeit des zweiten Turboladers 4, und übermittelt ein Drehgeschwindigkeitssignal an den Controller 6. In dem Einlaßkanal 11 ist ein Ladedrucksensor 13 für die Feststellung des Ladedruckes der Einlaßluft angebracht die dem Motor 1 zugeführt wird. An dem Motor 1 ist zur Feststellung der Fließrate von zu dem Motor 1 gelieferten Kraftstoff ein Lastsensor 14 angebracht, wodurch die den Motor 1 beanspruchende Last festgestellt wird. Von den Sensoren 13, 14 festgestellte Signale werden ebenfalls zu dem Controller 6 gesandt.
Eine rotierende elektrische Maschine 7 ist mit der rotierenden Welle des Motors 1 über ein Getriebe verbunden. Wenn die rotierende elektrische Maschine 7 durch den Motor 1 angetrieben wird, arbeitet sie als ein elektrischer Generator. Wenn elektrische Energie an die rotierende elektrische Maschine 7 von einem dualen Konverter 71 für elektrische Energie geliefert wird, arbeitet sie als ein elektrischer Motor.
Der duale Konverter 71 für elektrische Energie hat einen dreiphasigen Wechselstromanschluß und zwei Gleichstromanschlüsse. Diese beiden Gleichstromanschlüsse sind in dem dualen Konverter 71 für elektrische Energie zueinander parallel geschaltet und an den Gleichstromanschlüssen eines bidirektionalen Wechselstrom-/ Gleichstromkonverters in dem dualen Konverter 71 für elektrische Energie angeschlossen.
Der bidirektionale Wechselstrom-/Gleichstromkonverter umfaßt einen Inverter und einen Konverter, die parallel zueinander geschaltet sind. Für die Umwandlung elektrischer Energie von Gleichstrom in Wechselstrom wird der Inverter betrieben, und für die Umwandlung elektrischer Energie von Wechselstrom in Gleichstrom wird der Konverter betrieben. Der bidirektionale Wechselstrom- /Gleichstromkonverter wird nicht im einzelnen beschrieben, weil er eine bekannte Schaltung ist, die im einzelnen in Thyristor Phase-Controlled Converters, Seiten 111 bis 144 erläutert ist, geschrieben von B.R. Pelly und veröffentlicht durch WILLY-INTERSCIENCE.
Für das Umschalten des Betriebes des bidirektionalen Wechselstrom-/Gleichstromkonverters wird ein Signal von dem Controller 6 geliefert.
Duale Konvertereinheiten 73 und 75 umfassen jeweils bidirektionale Wechselstrom-/Gleichstromkonverter, die identisch sind mit den bidirektionalen Wechselstrom-/Gleichstromkonvertern, die vorangehend beschrieben worden sind. Die duale Konvertereinheit 73 hat einen Gleichstromanschluß, der mit einem der Gleichstromanschlüsse des dualen Konverters für elektrische Energie 71 verbunden ist, sowie einen Wechselstromanschluß, der mit der rotierenden elektrischen Maschine 3 verbunden ist. Die duale Konvertereinheit 75 hat einen Gleichstromanschluß, der an dem anderen Gleichstromanschluß des dualen Konverters 71 für elektrische Energie angeschlossen ist, sowie einen Wechselstromanschluß, der an die rotierende elektrische Maschine 5 angeschlossen ist.
Die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 wird mit Hilfe eines Motordrehgeschwindigkeitssensors 15 festgestellt, der ein erfaßtes Signal an den Controller 6 gibt. Der Betrag des Niedergedrücktseins eines Beschleunigungspedals 17 wird mit Hilfe eines Beschleunigerpedalbewegungssensors 16 festgestellt, der die Ausgangsleistung des Motors 1 steuert. Ein erfaßtes Signal von dem Beschleunigerpedalbewegungssensor 16 wird an den Controller 6 gegeben.
Der Controller 6 umfaßt einen Mikrocomputer und besitzt eine zentrale Rechnereinheit zur Ausführung unterschiedlicher arithmetischer Operationen, Speicher zum Speichern einer Prozeß- oder Steuersequenz und Einlaß-/Auslaßkanäle. Wenn von den unterschiedlichen Sensoren Signale an den Controller 6 gegeben werden, führt der Controller 6 vorgegebene arithmetische Operationen aus und liefert Steuersignale an die Ventilbetätiger 25, 45, den dualen Konverter 71 für elektrische Energie und die dualen Konvertereinheiten 73, 75 entsprechend den gespeicherten Steuersequenz.
Der Betrieb des Turboladerantriebssystems, das so gebaut ist, wird nachfolgend beschrieben.
Wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 hoch ist und eine große Menge an Abgasen aus dem Abgaskanal 12 ausgestoßen wird, werden der erste und der zweite Turbolader 2, 4 durch die Energie der Abgase betrieben. Das mit dem ersten Turbolader 2 zusammenwirkende Ventil 24 ist geöffnet, und das mit dem zweiten Turbolader 4 zusammenwirkende Ventil 44 ist geschlossen. Der Motor 1 wird durch den Kompressor 22 des ersten Turboladers 2 aufgeladen. Die rotierende elektrische Maschine 3 wird als ein Generator betrieben, und die von der rotierenden elektrischen Maschine 3 erzeugte elektrische Energie wird über die duale Konvertereinheit 73 und den dualen Konverter 71 für elektrische Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine 7 geleitet, um letztere zur Drehunterstützung der rotierenden Welle des Motors 1 in Drehung zu versetzen, so daß die Abgasenergie zurück an den Motor 1 geführt wird.
Während dieser Zeit rechnet der Controller 6 eine Energiezufuhrfrequenz für die Drehung der rotierenden elektrischen Maschine 7 bei einer Geschwindigkeit aus, die höher ist als die des Motors 1, und zwar basierend auf dem Ausgangssignal des Motordrehgeschwindigkeitssensors 15. Der Controller 6 steuert dann die Ausgangsfrequenz des Inverters des dualen Konverters 71 für elektrische Energie auf der Basis der berechneten Energielieferfrequenz, während die rotierende elektrische Maschine 7 als ein Motor betrieben wird.
Die rotierende elektrische Maschine 5, die mit dem zweiten Turbolader 4 verbunden ist, wird ebenfalls als ein Generator betrieben, und die von der rotierenden elektrischen Maschine 5 erzeugte elektrische Energie wird über die duale Konvertereinheit 75 und den dualen Konverter 71 für elektrische Energie zu der rotierenden elektrischen Maschine 7 geleitet. Die rotierende elektrische Maschine 7 wird deshalb betrieben, um die Drehung der rotierenden Welle des Motors 1 zu unterstützen, so daß die Abgasenergie zu dem Motor 1 zurückgeführt wird.
Zu dieser Zeit steuert der Controller 6 die Ausgangsspannung des Konverters der dualen Konvertereinheit 75 so, daß die Gleichstromausgangsspannung der dualen Konvertereinheit 75 gleich ist mit der Ausgangsspannung der dualen Konvertereinheit 73. Der Controller 6 mißt außerdem die Gleichströme der dualen Konvertereinheit 73, 75 mit Sensoren (nicht gezeigt) und steuert die Proportion der Lasten, die von den dualen Konvertereinheiten 73, 75 getragen werden.
Wenn der Motor 1 mit einer hohen Last belastet ist und die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 nicht ansteigt, selbst wenn das Beschleunigungspedal 17 niedergetreten wird, dann wird das Ventil 24 geschlossen und das Ventil 44 geöffnet. Die rotierenden elektrischen Maschinen 3, 5, die mit den ersten und zweiten Turboladern 2, 4 verbunden sind, werden als Motoren betrieben, um die Drehung der Kompressoren 22, 42 zur Aufladung des Motors 1 zu unterstützen, wodurch das Drehmoment angehoben wird, das von dem Motor 1 erzeugt wird.
Die elektrische Energie, die die rotierenden elektrischen Maschinen 3, 5 zu diesem Zeitpunkt antreibt, wird durch die rotierende elektrische Maschine 7 erzeugt.
Die von der rotierenden elektrischen Maschine 7 erzeugte elektrische Energie wird durch den dualen Konverter 71 für elektrische Energie zu elektrischer Gleichstromenergie umgewandelt, die zu den dualen Konvertereinheiten 73, 75 geleitet wird. Der Controller 6 berechnet Energieversorgungsfrequenzen, bei denen die rotierenden elektrischen Maschinen 3, 5 als Motoren betrieben werden können, und zwar auf der Basis der Ausgangssignale von den Drehgeschwindigkeitssensoren 31, 51. Der Controller 6 steuert dann die Ausgangsfrequenzen der Inverter der dualen Konvertereinheiten 73, 75 auf der Basis der berechneten Energieversorgungsfrequenzen.
Die elektrische Gleichstromenergie, die an die dualen Konvertereinheiten 73, 75 geliefert wird, wird dann in dreiphasige elektrische Drehstromenergie mit den oben genannten Ausgangsfrequenzen umgewandelt. Die dreiphasige elektrische Drehstromenergie wird dann an die rotierenden elektrischen Maschinen 3, 5 geleitet, um sie als Motoren zu betreiben.
Die Figuren 2A und 2B sind Flußdiagramme, die eine Betriebssequenz zeigen, die von dem Controller 6 ausgeführt wird.
Das Drehgeschwindigkeitssignal wird in einem Schritt 1 von dem Motordrehgeschwindigkeitssensor 15 erfaßt.
Das Beschleunigerpedalniederdrücksignal wird in einem zweiten Schritt von dem Beschleunigerpedalbewegungssensor 16 erfaßt.
In einem dritten Schritt entscheidet dann der Controller 6 auf der Basis der erfaßten Signale, die in den Stufen 1, 2 erfaßt worden sind, ob der Motor 1 bei einer geringen Geschwindigkeit läuft und einer hohen Last unterworfen ist und das Antriebssystem in einer zweistufigen Aufladungsart gesteuert werden soll, um den Druck der Einlaßluft anzuheben oder nicht. Wenn der Lufteinlaßdruck angehoben werden soll, wandert die Steuerung zu einem Schritt 5, und wenn nicht, wandert die Steuerung zu einem Schritt 4.
In dem Schritt 4 wird das Antriebssystem in einer allgemeinen Art gesteuert, in der die rotierenden Maschinen 3, 5 nicht als Motoren betrieben werden.
In dem Schritt 5 berechnet der Controller 6 die Mengen an elektrischer Energie, die von der als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 7 an die rotierenden elektrischen Maschinen 3, 5 zu liefern ist.
Dann gibt der Controller 6 ein Signal an den dualen Konverter 71 für elektrische Energie, um die elektrische Ausgangsenergie von dem dualen Konverter 71 für elektrische Energie auf der Basis der kalkulierten Beträge für elektrische Energie in einem Schritt 6 zu steuern.
In einem Schritt 7 gibt der Controller 6 ein Signal an den Ventilbetätiger 25, um das Ventil 24 zu schließen, das in dem Einlaßrohr 23 des ersten Turboladers 2 angeordnet ist.
In einem Schritt 8 gibt der Controller 6 ein Signal an den Ventilbetätiger 45, um das Ventil 44 zu Öffnen, das in dem Einlaßrohr 43 des zweiten Turboladers angeordnet ist.
Die Drehgeschwindigkeits NT1 des ersten Turboladers 2 wird durch den Drehgeschwindigkeitssensor 31 erfaßt und an den Controller 6 in einem Schritt 9 gegeben.
In einem Schritt 10 gibt der Controller 6 ein Signal an die duale Konvertereinheit 73, um die elektrische Ausgangsenergie von dem dualen Konverter 71 in elektrische Dreiphasenenergie umzuwandeln, die eine solche Frequenz hat, daß die rotierende elektrische Maschine 3 mit einer Geschwindigkeit läuft, die höher ist als die Drehgeschwindigkeit NT1, die in dem Schritt 9 erfaßt worden ist. Die umgewandelte elektrische Energie wird von der dualen Konvertereinheit 73 zu der rotierenden elektrischen Maschine 3 geliefert, um letztere als einen Motor zu betreiben.
Die Drehgeschwindigkeit N'T1 des ersten Turboladers 2 wird nochmals durch den Drehgeschwindigkeitssensor 31 festgestellt und mit der Drehgeschwindigkeit NT1 verglichen, um festzustellen, ob die Drehgeschwindigkeit des ersten Turboladers 2 sich erhöht hat oder nicht, und zwar in einem Schritt 11. Wenn sie sich nicht erhöht hat, wandert die Steuerung zu einem Schritt 12, und wenn sie sich erhöht hat, wandert die Steuerung zu einem Schritt 13.
In dem Schritt 12 diagnostiziert der Controller 6 das Antriebssystem hinsichtlich eines Fehlers in einer vorgegebenen Fehlerdiagnosebetriebsart.
In dem Schritt 13 liest der Controller 6 das erfaßte Signal PCB1 von dem Ladedrucksensor 13.
Dann berechnet der Controller 6 in einem Schritt 14 eine Kraftstofffließrate QA, die dem erfaßten Signal PCB1 entspricht, das in dem Schritt 13 erfaßt worden ist.
In einem nächsten Schritt 15 berechnet der Controller 6 eine Einspritzzeit, die auf dem Drehgeschwindigkeitssignal und dem Beschleunigerpedalbetätigungssignal beruht, das jeweils in den Schritten 1 und 2 erfaßt worden ist.
In einem Schritt 16 liefert der Controller 6 Kraftstoff in der berechneten Kraftstoffflußrate QA an den Motor 1 zu dem Zeitpunkt, der in dem Schritt 15 berechnet worden ist.
In einem Schritt 17 berechnet der Controller 6 einen erforderlichen Ladedruck PCA, der dem erfaßten Signal entspricht, das in dem Schritt 2 erfaßt worden ist.
Der Controller 6 vergleicht dann in einem Schritt 18 das erfaßte Signal PCB1, das in dem Schritt 13 erfaßt worden ist, mit dem erforderlichen Ladedruck PCA, der in dem Schritt 17 berechnet worden ist. Wenn PCA kleiner ist als PCB1, wandert die Steuerung zu einem Schritt 20, und wenn PCA größer als PCB1 ist, wandert die Steuerung zu einem Schritt 19.
In dem Schritt 19 erfaßt der Controller 6 die Drehgeschwindigkeit NT2 des Turboladers 4 über den Drehgeschwindigkeitssensor 51.
In dem Schritt 20 gibt der Controller 6 ein Signal an den dualen Konverter 71 für elektrische Energie, um die elektrische Ausgangsenergie von dem dualen Konverter 71 für elektrische Energie abzusenken.
In einem nächsten Schritt 21 gibt der Controller 6 ein Signal an die dualen Konvertereinheit 75, um die elektrische Ausgangsenergie von dem dualen Konverter 71 für elektrische Energie in elektrische Dreiphasenenergie umzuwandeln, die eine solche Frequenz hat, so daß die rotierende elektrische Maschine 5 mit einer Geschwindigkeit läuft, die höher ist als die Drehgeschwindigkeit NT2, die in dem Schritt 19 festgestellt worden ist. Die umgewandelte elektrische Energie wird von der dualen Konvertereinheit 75 zu der rotierenden elektrischen Maschine 5 gegeben, um letztere als einen Motor zu betreiben.
Die Drehgeschwindigkeit N'T2 der rotierenden elektrischen Maschine 5 wird wiederum festgestellt und mit der Drehgeschwindigkeit NT2 verglichen, um festzulegen, ob die Drehgeschwindigkeit des zweiten Turboladers sich erhöht hat oder nicht in einem Schritt 22. Wenn sie sich nicht erhöht hat, geht die Steuerung zu einem Schritt 23, und wenn sie sich erhöht hat, geht die Steuerung zu einem Schritt 24.
In dem Schritt 23 diagnostiziert der Controller 6 das Antriebssystem hinsichtlich eines Fehlers in einer vorgegebenen Fehlerdiagnosebetriebsart.
In dem Schritt 24 stellt der Controller 6 nochmals das festgestellte Signal PCB2 von dem Ladedrucksensor 13 fest.
Dann berechnet der Controller 6 in einem Schritt 25 eine Kraftstoffflußrate QB2, die dem erfaßten Signal PCB2 entspricht, das in dem Schritt 24 erfaßt worden ist.
In einem nächsten Schritt 26 berechnet der Controller 6 nochmal eine Kraftstoffeinspritzzeit auf der Basis des Drehgeschwindigkeitssignals und des Beschleunigerpedalbetätigungssignals, das jeweils in den Schritten 1, 2 erfaßt worden ist.
In einem Schritt 27 liefert der Controller 6 Kraftstoff in der berechneten Kraftstoffflußrate QB2 an den Motor 1 zu dem Zeitpunkt, der in dem Schritt 26 berechnet worden ist.
Dann vergleicht ein Schritt 28 die Kraftstoffflußrate QA, die in dem Schritt 14 berechnet worden ist, mit der Kraftstoffflußrate QB2, die in dem Schritt 25 berechnet worden ist. Wenn die Kraftstoffflußrate QB2 größer ist als die Kraftstoffflußrate QA, geht die Steuerung zu dem Schritt 20, und wenn die Kraftstoffflußrate QA größer ist als die Kraftstoffflußrate QB2, dann geht die Steuerung zu einem Schritt 29.
In dem Schritt 29 gibt der Controller 6 ein Signal an den dualen Konverter 71 für elektrische Energie, um die daraus abgeführte elektrische Ausgangsenergie zu erhöhen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung befinden sich die Turbolader 2, 4 in einer Zweistufenkonfiguration, um ihre jeweiligen Trägheitsmomente zu reduzieren, um so ihr Ansprechen bei der Zufuhr von elektrischer Energie von den dualen Konvertereinheiten 73, 75 zu verbessern. Wenn die Turbolader 2, 4 angefahren werden, können sie mit großer spontaner elektrischer Energie versorgt werden, so daß ihre Eingangsdrehgeschwindigkeit schnell erhöht werden kann.
Die Figur 3 zeigt einen Schaltkreis für einen leistungsstarken elektrischen Generator in jeder der dualen Konvertereinheit 73, 75. Der Schaltkreis für einen elektrischen Hochleistungsgenerator umfaßt einen Kondensator 80, der über einen Zweikontaktschalter 81 zwischen Gleichstromanschlüssen verbunden ist. Der Zweikontaktschalter 81 hat einen Anschluß 81a, der an den negativen Gleichstromanschluß angeschlossen ist, und einen Anschluß 81b, der an den positiven Gleichstromanschluß angeschlossen ist. Ein Anschluß des Kondensators 81 ist wahlweise mit einem der Anschlüsse 81a, 81b verbunden. Eine Diode 82 ist zwischen dem anderen Anschluß des Kondensators 80 und dem Anschluß 81b angeschlossen.
Normalerweise steht der Zweikontaktschalter 81 in Richtung des Anschlusses 81a, und der Kondensator 80 wird geladen. Wenn ein Steuersignal zum Anfahren der rotierenden elektrischen Maschine 73 oder 75 von dem Controller 6 abgegeben wird, wird der Zweiköntaktschalter 81 auf den Anschluß 81b geschaltet. Die Spannung zwischen den Gleichstromanschlüssen wird durch die Spannung über den Kondensator 80 angehoben. So wird eine Spannung, die ungefähr zweimal so hoch ist wie die normale Spannung, augenblicklich an den Inverter gegeben, um den Ausgang des Inverters zu erhöhen. Deshalb wird die Drehgeschwindigkeit der rotierenden elektrischen Maschine 3 oder 5 schlagartig angehoben, die mit dem Inverter verbunden sind. Wenn der innere Widerstand des dualen Konverters 71 für elektrische Energie, der elektrische Energie liefert, groß ist, kann der innere Widerstand zum Zeitpunkt des Anfahrens der rotierenden elektrischen Maschine durch Zufügen eines Kondensators zwischen den Ausgangsanschlüssen des dualen Konverters 71 für elektrische Energie reduziert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird, wenn die beiden Turbolader mit Motorgeneratoren gesteuert werden, die jeweils auf den rotierenden Wellen ihrer Abgasturbinen angeordnet sind, die in Serie mit dem Abgaskanal mit dem Motor verbunden sind, die rotierende elektrische Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor 1 verbunden ist, als ein Generator betrieben, um elektrische Energie zu den Motorgeneratoren zu liefern, die als ein Motor betrieben werden, wenn der Verbrennungsmotor mit geringer Geschwindigkeit und unter hoher Last läuft. Da von einer Batterie keine elektrische Energie geliefert wird, kann die zu den Motorgeneratoren gelieferte elektrische Energie über eine lange Zeit stabil geliefert werden. Der mit dem Turboladerantriebssystem der Erfindung ausgestattete Motor kann ein höheres Drehmoment erzeugen aufgrund der zweistufigen Turbolader, die durch die Motorgeneratoren angetrieben werden, während der Motor bei geringer Geschwindigkeit läuft. Als Folge davon kann die Anzahl von Gängen, die von einem Getriebe bereitgestellt werden, reduziert werden, eine Bedingung, die mit einem herkömmlichen einstufigen Turbolader nicht möglich ist, der lediglich durch nur eine Abgasturbine angetrieben wird, so daß das Gewicht und die Kosten des Kraftfahrzeuges gesenkt werden können.

Claims

1. Ein Turboladerantriebssystem für einen Motor (1) mit geschlossenem Brennraum mit

Mitteln (16) zur Feststellung der Motorlast;

Mitteln (15) zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Motors;

Mitteln (13) zur Feststellung des Ladedrucks des Gases, das an den Motor geliefert wird;

Mitteln (6) zur Speicherung eines gewünschten Ladedrucks gemäß einer festgestellten Motorlast;

einer Vielzahl von Turboladern (2,4);

einer Vielzahl von rotierenden elektrischen Maschinen (3,5), die jeweils auf rotierenden Wellen der Turbolader angebracht sind; und

Mitteln (6) zur Berechnung des Unterschiedes zwischen dem Ladedruck gemäß der festgestellten Last und dem festgestellten Ladedruck; gekennzeichnet durch

die Turbolader (2,4) , die jeweils in Serie miteinander verbundene Abgasturbinen (21,41) und Kompressoren (22,42) aufweisen;

eine einzige rotierende elektrische Maschine (7), die von einer Ausgangswelle des Motors antreibbar ist;

Mittel (6) zum Antrieb der einzigen rotierenden elektrischen Maschine als ein elektrischer Generator;

Mittel (6,73) zum Antrieb der Mehrzahl der rotierenden elektrischen Maschinen (3,5) als elektrische Motoren nacheinander durch die rotierende elektrische Maschine an dem Turbolader (2), der sich dem Motor am nächsten befindet, wenn die Ladedruckdifferenz ansteigt, wenn der festgestellte Ladedruck kleiner ist als der Ladedruck gemäß der festgestellten Last; und

Mittel (6,71,73) für die Zufuhr elektrischer Energie von der von dem Motor angetriebenen elektrischen Maschine (7), wenn sie als Generator arbeitet, zu der Vielzahl von rotierenden elektrischen Maschinen (3,5), wenn sie als Motoren arbeiten.

2. Ein Antriebssystem nach Anspruch 1, bei dem die rotierende elektrische Maschine (7), die durch den Motor angetrieben wird, einen elektrischen Wechselstromgenerator umfaßt, die Mittel für die Zufuhr elektrischer Energie einen Konverter (71) zum Gleichrichten des elektrischen Wechselstromes in elektrischen Gleichstrom, der durch den elektrischen Wechselstromgenerator erzeugt worden ist, und einen Inverter (73,75) zur Umwandlung des elektrischen Gleichstromes in elektrischen Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz zur Zufuhr des elektrischen Wechselstromes zu den Motoren umfassen.

3. Ein Antriebssystem nach Anspruch 2, bei dem die Mittel (6,73) zum Antrieb der Mehrzahl von rotierenden elektrischen Maschinen Mittel (80,81,82) zur Erhöhung der elektrischen Energie aufweisen, die zu der Mehrzahl von rotierenden elektrischen Maschinen (3,5) geliefert wird, wenn letztere im Begriff sind, angetrieben zu werden.

4. Ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem Lufteinlaßpassagen (23,43) einschließt, die an die jeweiligen Kompressoren der Turbolader (2,4) angeschlossen sind, sowie Mittel (6,24,25,44,45) für die nacheinander erfolgende Öffnung der Lufteinlaßpassagen.

5. Ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Motor (1) mit geschlossenem Brennraum einen thermisch isolierten Motor umfaßt, bei dem mindestens die inneren Wände der Brennräume aus einem thermisch isolierenden Keramikwerkstoff bestehen.

6 Ein Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die rotierenden elektrischen Maschinen (3,5) an den Turboladerwellen durch die Turbolader (2,4) angetrieben werden können, und die rotierende elektrische Maschine (7), die mit dem Motor verbunden ist, an eine Ausgangswelle des Motors angeschlossen werden kann, wobei Mittel (6,71,73) vorgesehen sind, um die rotierenden elektrischen Turboladermaschinen als elektrische Generatoren anzutreiben, um die an dem Motor angebrachte rotierende elektrische Maschine als einen Elektromotor anzutreiben, und um elektrische Energie von den elektrischen Generatoren zu dem Motor zu liefern.