DE69009376T2

DE69009376T2 - Steuersystem für Turbolader mit elektrischer Drehmaschine.

Info

Publication number: DE69009376T2
Application number: DE69009376T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Muraji
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2010-10-02
Also published as: EP0420704B1; JPH03117628A; EP0420704A1; US5088286A; JPH0637853B2; DE69009376D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für einen Turbolader, der in einem Innenverbrennungsmotor montiert ist, wobei der Turbolader eine rotierbare Elektromaschine aufweist, die an dessen Kraftabgabewelle montiert ist und als Motor-Generator betreibbar ist und als Motor oder als Generator funktioniert.
Früher wurden verschiedene Verfahren und Systeme zum Rückführen der Abgasenergie vorgeschlagen, die von Innenverbrennungsmotoren als Antriebskraft oder elektrische Energie abgegeben wird, da die Abgase eine hohe Temperatur und hohen Druck aufweisen. Ein Austritts-Energierückführsystem, das in der japanischen, offengelegten Patentveröffentlichung Nr. 63 (1988)-272909 offenbart wird, weist eine rotierbare Elektromaschine auf, die als Motor-Generator betreibbar ist, welcher auf eine Turbinenwelle montiert wird, die durch die Abgasenergie angetrieben werden kann. Der Ladevorgang der rotierbaren Elektromaschine und die Kraftstoffzuführung werden auf dem Belastungszustand des Motors und der Depression des Gaspedals basierend gesteuert.
Fig. 4 der beigefügten Zeichnungen zeigt schematisch das in obiger Veröffentlichung offenbarte Austrittsenergie-Rückführsystem. Ein Motor 1 weist ein Auspuffrohr 1b und ein Ansaugrohr 1a auf, die jeweils mit einer Turbine 2b und einem Kompressor 2a eines Turboladers 2 verbunden sind. Eine als Motor-Generator betreibbare, rotierbare Elektromaschine 3 wird auf eine drehbare Turbinenwelle 2c des Turboladers 2 montiert.
Eine Batterie 5 ist mit einer Steuereinheit 6 verbunden, die einen Mikrocomputer umfaßt und eine leistungselektrische Vorrichtung als Eingabe-/Ausgabeschaltung aufweist. In Abhängigkeit von Signalen von einem Gaspedal-Bewegungssensor 1c, einem Motorlastsensor 1d, einem Motorrotationssensor 1e und einem Ladedrucksensor 1h, steuert die Steuereinheit 6 die rotierbare Elektromaschine 3 wie einen Motor mit der elektrischen Energie von der Batterie 5, so daß der Ladedruck und die zugeführte Kraftstoffmenge erhöht wird, basierend auf den Betriebszuständen des Motors 1. Deshalb kann, wenn eine hohe Belastung auf den Motor 1 aufgebracht wird, der Motor 1 derart gesteuert werden, daß er eine Motorausgangsleistung erzeugt, die dem maximalen Depressionsbetrag des Gaspedals entspricht. Wie im Flußdiagramm von Fig. 5 dargestellt ist, geht, wenn das Gaspedal auf dessen maximalen Hub niedergedrückt wird, d.h. wenn der Depressionsbetrag des Gaspedals maximal ist, die Steuerung von einem Schritt (a) zu einem Schritt (b). In diesem ist ein Geschwindigkeitssteuerbereich L(Upmin) - H(Upmin) ausgebildet, in dem die rotierbare Elektromaschine 3 als Motor betreibbar ist. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 (d.h. die Rotationsgeschwindigkeit der rotierbaren Elektromaschine 3) niedriger als das untere Niveau L(Upmin) im Schritt (b) ist, dann wird der von der Batterie 5 zugeführte elektrische Strom in einem Schritt (c) maximiert. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 größer als das untere Niveau L(Upmin) in dem Schritt (b) ist, dann geht die Steuerung zu einem Schritt (d), welcher festlegt, ob sie niedriger als das obere Niveau H(Upmin) ist. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 niedriger als das höhere Niveau H(Upmin) in der Stufe (d) ist, aber in einem Schritt (e) zunimmt, dann geht die Steuerung zu einem Schritt (f), in welchem der von der Batterie 5 zugeführte elektrische Strom verringert wird. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 in dem Schritt (e) abnimmt, dann geht die Steuerung zu einem Schritt (d), in dem der von der Batterie 5 zugeführte elektrische Strom unverändert bleibt. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 das obere Niveau H(Upmin) in dem Schritt (d) erreicht, wird der zugeführte elektrische Strom unterbrochen oder verringert durch ein bestimmtes Level, so daß die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 nicht das obere Niveau H(Upmin) übersteigt.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers niedriger als das untere Niveau ist, dann wird, wie oben beschrieben, der zugeführte Strom maximiert, so daß der Turbolader mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird, ungeachtet des Grades, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers niedriger als das untere Niveau ist, und wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers das hohe Niveau erreicht, dann wird der zugeführte Strom verrringert, so daß der Turbolader mit einer niederen Geschwindigkeit dreht, ungeachtet des Grades, durch den die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers auf das hohe Niveau zugenommen hat. Mit einem derartigen wiederholten Rotationsgeschwindigkeits- Steuervorgang variiert somit die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers in einem breiten Bereich, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers läuft nicht in einem schmäleren Bereich zusammen, aber ist für eine instabile Steuerung verantwortlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuersystem für den Betrieb einer rotierbaren Elektromaschine zu schaffen, die auf die drehbaren Welle eines Turboladers als Motor montiert ist, während sie die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers steuert, so daß sie in einem Geschwindigkeits-Steuerbereich mit verringerter Geschwindigkeitsvariation oder -fluktationen bleibt.
Gemäß der Erfindung ist ein Steuersystem vorgesehen zum Steuern eines Turboladers, der auf einen Innenverbrennungsmotor an ein Kraftfahrzeug montiert ist, wobei der Turbolader mit einer rotierbaren Elektromaschine kombiniert wird, die auf einer drehbaren Welle des Turboladers montiert ist, und mit zugeführter elektrischer Energie betreibbar ist, so daß sie den Turbolader dreht, um die Ansaugluftmenge zu steuern, mit welcher der Motor beladen wird, wobei das Steuersystem umfaßt:
einen Gaspedal-Bewegungssensor zum Erfassen eines Depressionsbetrages eines Gaspedals, das eine dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge steuert;
Mittel zum Bestimmen, ob der Depressionsbetrag des Gaspedals maximal ist oder nicht, basierend auf einem Signal vom Gaspedal-Bewegungssensor;
Mittel zum Zuführen elektrischer Energie zu der rotierbaren Elektromaschine;
einen Rotationssensor zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Turboladers; und
Mittel zum Festsetzen eines Geschwindigkeitssteuerbereiches für den Turbolader, der von einem Signal von dem Rotationssensor abhängt, wenn der Depressionsbetrag als maximal bestimmt wird; gekennzeichnet durch
Mittel zum Bestimmen, ob die Turbinengeschwindigkeit früher in den Geschwindigkeitssteuerbereich eingetreten ist oder nicht;
Mittel zum Berechnen eines Änderungsgrades der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers, basierend auf einem Signal vom Rotationssensor, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers innerhalb oder unterhalb des Geschwindigkeitssteuerbereiches befindet, wenn bestimmt wird, daß die Turbinengeschwindigkeit früher in den Geschwindigkeitssteu erbereich eingetreten ist; und
Mittel zum Steuern der elektrischen Energie, die der rotierbaren Elektromaschine zugeführt wird, entsprechend dem berechneten Änderungsgrad der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine.
Obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels eines illustrativen Beispiels dargestellt ist. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht, teilweise in Blockform eines Systems zum Steuern eines Turboladers, welches eine erfindungsgemäße rotierbare Elektromaschine enthält;
Fig. 2 ein Flußdiagramm einer Steuerseguenz des in Fig. 1 gezeigten Systems;
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers und des der rotierbaren Elektromaschine zugeführten Stromes darstellt;
Fig. 4 eine schematische Ansicht, teilweise in Blockform, eines herkömmmlichen Systems zum Steuern eines Turboladers, welches eine rotierbare Elektromaschine enthält;
Fig. 5 ein Flußdiagramm einer Steuersequenz des in Fig. 4 gezeigten Systems; und
Fig. 6 ein Diagramm, welches Veränderungen oder Fluktuationen der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers darstellt, der durch das in Fig. 4 dargestellte herkömmliche System gesteuert wird.
Fig. 1 zeigt, teilweise in Blockform, ein Steuersystem zum Steuern eines Turboladers, welches eine rotierbare Elektromaschine gemäß der Erfindung aufnimmt.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, treibt ein Motor 1 ein Fahrzeug (nicht dargestellt) mit der Energie an, die durch die Verbrennung von Kraftstoff hergestellt wird, welcher von einem Kraftstofftank 1g durch eine Einspritzpumpe 1f mit Hilfe von einem Ansaugrohr 1a angesaugter Luft zugeführt wird. Die bei der Verbrennung von Kraftstoff hergestellten Abgase werden durch ein Auspuffrohr 1b abgeführt. Dem Motor 1 ist ein Gaspedal-Bewegungssensor 1c für das Erfassen des Depressionsbetrages eines Gaspedals, ein Lastsensor 1d zum Erfassen der Gestellposition der Kraftstoffpumpe 1f, d.h. der dem Motor 1 zugeführten Kraftstoffmenge, und eine Motorrotationssensor 1e zugeordnet, zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 1. Die erfaßten Signale von diesen Sensoren 1c, 1d, 1e werden einer Steuereinheit 6 übertragen.
Ein Turbolader 2 ist mit dem Auspuff 1d und dem Ansaugrohr la verbunden und weist eine durch die Abgase drehbare Turbine 2b und einen Kompressor 2a auf, für das Zuführen von unter Druck stehender Luft in das Ansaugrohr 1a. Die Turbine 2b und der Kompressor 2a sind mechanisch miteinander gekoppelt durch eine drehbare Welle 2c, auf der eine rotierbare Elektromaschine 3 montiert ist, die als Motor oder Generator betreibbar ist.
Die rotierbare Elektromaschine 3 weist einen Rotor 3a, der auf der drehbaren Welle 2c getragen ist, und einen Stator 3b auf, der um den Rotor 3a angeordnet ist. Wenn der Rotor 3a durch die Turbine 2c gedreht wird, welche durch die Abgase angetrieben wird, induziert der Stator 3b wechselstrom-elektrische Energie, die durch einen Leistungswandler 4 zu einer Batterie 5 übertragen wird. Wenn der Rotor 3a durch elektrische Energie gedreht wird, welche von der Batterie 5 durch den Leistungswandler 4 zu dem Stator 3b zugeführt wird, rotiert der Kompressor 2a, so daß die Ansaugluft komprimiert wird, und führt komprimierte Luft durch das Ansaugrohr 1a dem Motor 1 zu. Der Druck in dem Ansaugrohr 1a wird durch einen Ladedrucksensor 1h erfaßt, welcher ein Signal, das den entwickelten Ladedruck in dem Ansaugrohr la durch den Kompressor 2a darstellt, an die Steuereinheit 6 anlegt.
Der Leistungswandler 4 dient zum Konvertieren von wechselstrom-elektrischer Energie von dem Stator 3b in gleichstrom-elektrische Energie, so daß die Batterie 5 geladen wird, wenn die rotierbare Elektromaschine 3 als Generator arbeitet, oder zum Konvertieren von gleichstrom-elektrischer Energie von der Batterie 5 in Wechselstrom-elektrische Energie, so daß die rotierbare Elektromaschine 3 als Motor betreibbar ist. Somit weist der Leistungswandler 4 Gleichrichter- und Glättungsschaltungen auf, für das Konvertieren von wechselstrom-elektrischer Energie in gleichstrom-elektrische Energie, sowie einen Invertierer zum Konvertieren von gleichstrom-elektrischer Energie in wechselstrom-elektrische Energie und eine Leistungswandlervorrichtung wie beispielsweise eine Zusatzgleichrichterschaltung auf. Die Frequenz der wechselstrom-elektrischen Energie, in die die gleichstrom-elektrische Energie umgewandelt wird und die Spannung und Größe der wechselstrom-elektrischen Energie werden durch Befehle von der Steuereinheit 6 gesteuert. Ein Wechselstrommeßgerät 3c ist zwischen dem Stator 3b und dem Leistungswandler 4 verbunden, für das Messen der Spannung, des Stromes und der Phase der wechselstrom-elektrischen Energie, die durch den Leistungswandler 4 konvertiert und dem Stator 3b zugeführt wird. Ein Gleichstrommeßgerät 4a ist zwischen dem Leistungswandler 4 und der Batterie 5 verbunden, für das Messen der Spannung und des Stromes der gleichstrom-elektrischen Energie, die durch den Leistungswandler 4 konvertiert wird. Die gemessenen Werte von dem Wechselstrom- und Gleichstrommeßgerät 3c, 4a, werden der Steuereinheit 6 zugeführt.
Die Steuereinheit 6 umfaßt einen Mikrocomputer, welcher eine zentrale Verarbeitungseinheit aufweist, zum Berechnen einer zuzuführenden Kraftstoffmenge, einer nötigen elektrischen Energiemenge und eines notwendigen Ladedrucks, basierend auf den Betriebszuständen des Motors 1 und Signalen von den verschiedenen Sensoren, einen Speicher zum Speichern der berechneten Werte, einen Speicher zum Speichern von Steuerprogrammen für den Motor 1 und der rotierbaren Elektromaschine 3 und eine Eingabe-/Ausgabeeinheit zum Empfangen verschiedener Eingangssignale und Übersenden verschiedener Steuersignale. Die Rotationsgeschwindigkeit der rotierbaren Elektromaschine 3, d.h. die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2, die, basierend auf der Frequenz einer gegenelektromotorischen Kraft, erfaßt wird, welche in den Stator 3b induziert wird, wenn sich die rotierbar Elektromaschine 3 dreht, wird der Steuereinheit 6 Zugeführt.
5Fig. 2 zeigt eine Steuersequenz eines in Fig. 1 dargestellten Steuersystems.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen einem der rotierbaren Elektromaschinen 3 zugeführtem elektrischen Strom und einer Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit der rotierbaren Elektromaschine 3, d.h. des Turboladers 2. In Fig. 2 bestimmt ein Schritt (1), ob der Depressionsbetrag des Gaspedals maximal ist oder nicht. Wenn er maximal ist, geht anschließend die Steuerung zu einem Schritt (2) und wenn nicht, geht die Steuerung anschließend zu einem Schritt (6). Der Schritt (6) vergleicht einen Zielladedruck Pt, der bestimmt wird aus dem Depressionsbetrag des Gaspedals und der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 1, mit einem aktuellen Ladedruck PB. Wenn die Differenz zwischen den verglichenen Ladedrücken Pt, PB größer als eine Ladedruckdifferenz Kb ist, die zum Bestimmen der Beschleunigung (Beschleunigungszustand) verwendet wird, dann wird ein zuzuführender elektrischer Strom berechnet, der der Ladedruckdifferenz entspricht, in einem Schritt (11), und die Steuerung geht zu einem Ablauf (A). Wenn die Ladedruckdifferenz kleiner als die Ladedruckdifferenz KB ist, geht anschließend die Steuerung zu einem Schritt (12) zum Festlegen eines Modus.
Wenn die Steuerung von dem Schritt (1) zu dem Schritt (2) geht, bestimmt der Schritt (2), ob die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 größer als L(Upmin) war (das untere Begrenzungsniveau eines Geschwindigkeitssteuerbereiches, wenn die rotierbare Elektromaschine 3 als Motor betrieben wird) in der Vergangenheit. Wenn ja, geht die Steuerung anschließend zu einem Schritt (7), der festlegt, ob die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 kleiner als L(Upmin) ist. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit kleiner als L(Upmin) ist, geht anschließend die Steuerung zu einem Schritt (13), welcher einen zuzuführenden elektrischen Strom bestimmt, der der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 1 entspricht, und einen zu verkleinernden oder zu vergrößernden elektrischen Strom festlegt, in Abhängigkeit von der Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers, wie beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist, und berechnet dabei einen zuzuführenden elektrischen Strom. Danach geht die Steuerung zu dem Ablauf (A).
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit größer als L(rmp) ist in dem Schritt (7), dann wird der gleiche Vorgang, als wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 in der Vergangenheit nicht größer als L(Upmin) gewesen ist, in einem Schritt (8) durchgeführt, wie später beschrieben wird.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 nicht größer als L(Upmin) in der Vergangenheit in dem Schritt (2) war, dann geht die Steuerung von dem Schritt (2) zu einem Schritt (3), welcher die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 mit L(Upmin) vergleicht. Wenn die momentane Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers kleiner als L(Upmin) ist, wird anschießend der der rotierbaren Elektromaschine 3 zuzuführende elektrische Strom in einem Schritt (4) maximiert und dann die rotierbare Elektromaschine 3 mit einem maximalen elektrischen Strom in einer Stufe (5) gespeist.
Wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 größer als L(Upmin) in dem Schritt (3) ist, dann wird die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 mit H(Upmin) verglichen (das obere Begrenzungsniveau des Geschwindigkeitssteuerbereiches, wenn die rotierbare Elektromaschine 3 als Motor betrieben wird). Wenn die Rotationsgeschwindigkeit H(Upmin) erreicht hat, wird anschließend die rotierbare Elektromaschine 3 in einem Schritt (14) außer Strom gesetzt. Wenn die Rotationsgeschwindigkeit noch nicht H(Upmin) erreicht hat, wird eine Änderungsrate der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 aus der momentanen Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers 2 und dessen vorherigen Rotationsgeschwindigkeit in einem Schritt (9) festgelegt. In einem nächsten Schritt (10) wird ein entsprechender, zu verkleinernder oder zu vergrößernder elektrischer Strom bestimmt und somit ein zuzuführender elektrischer Strom in einem Schritt (10) berechnet. Die rotierbare Elektromaschine 3 wird mit dem berechneten elektrischen Strom betrieben, gemäß dem Ablauf (A).
Mit der oben beschriebenen Erfindung wird, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers sich in dem Geschwindigkeitssteuerbereich befindet, ein geeigneter verringerter oder erhöhter elektrischer Strom der rotierbaren Elektromaschine zugeführt, in Abhängigkeit von einer Änderungsrate, d.h. Zu- oder Abnahme, der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers. Somit wird der Grad, mit dem die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers variiert, reduziert. Da der der rotierbaren Elektromaschine zugeführte elektrische Strom geeignet gesteuert wird, wird auch der elektrische Stromverbrauch durch die rotierbare Elektromaschine verringert.

Claims

1. Steuersystem zum Steuern eines Turboladers (2), der auf einen Innenverbrennungsmotor (1) an ein Kraftfahrzeug montiert ist, wobei der Turbolader mit einer rotierbaren Elektromaschine (3) kombiniert wird, die auf einer drehbaren Welle (26) des Turboladers montiert ist und mit zugeführter elektrischer Energie betreibbar ist, so daß sie den Turbolader dreht, um die Ansaugluftmenge zu steuern, mit welcher der Motor beladen wird, wobei das Steuersystem umfaßt:

einen Gaspedal-Bewegungssensor (1c) zum Erfassen eines Niederdrückbetrages eines Gaspedals, das eine dem Motor zugeführte Kraftstoffmenge steuert;

Mittel (6) zum Bestimmen, ob der Niederdrückbetrag des Gaspedals maximal ist oder nicht, basierend auf einem Signal vom Gaspedal-Bewegungssensor;

Mittel (4,5) zum Zuführen elektrischer Energie zu der rotierbaren Elektromaschine;

einen Rotationssensor (1e) zum Erfassen der Umdrehungsgeschwindigkeit des Turboladers; und

Mittel (6) zum Festsetzen eines Geschwindigkeitssteuerbereiches für den Turbolader, der von einem Signal von dem Rotationssensor abhängt, wenn der Niederdrückbetrag als maximal bestimmt wird; gekennzeichnet durch Mittel (6) zum Bestimmen, ob die Turbinengeschwindigkeit früher in den Geschwindigkeitssteuerbereich eingetreten ist oder nicht;

Mittel (6) zum Berechnen eines Änderungsgrades der Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers, basierend auf einem Signal von dem Rotationssensor, wenn sich die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers innerhalb oder unterhalb des Geschwindigkeitssteuerbereiches befindet, wenn bestimmt wird, daß die Turbinengeschwindigkeit früher in den Geschwindigkeitssteuerbereich eingetreten ist; und

Mittel (6) zum Steuern der elektrischen Energie, die der rotierbaren Elektromaschine zugeführt wird, entsprechend dem berechneten Änderungsgrad der Rotationsgeschwindigkeit der Turbine.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel (4,5) zum Zuführen elektrischer Energie zu der rotierbaren Elektromaschine (3) umfassen: Mittel zum Zuführen maximaler elektrischer Energie zur rotierbaren Elektromaschine, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers (2) nicht den Geschwindigkeitssteuerbereich erreicht hat.

3. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Mittel (4,5) zum Zuführen der elektrischen Energie zu der rotierbaren Elektromaschine (3) umfassen: Mittel zum Abschalten der elektrischen Energie von der rotierbaren Elektromaschine, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Turboladers (2) den Geschwindigkeitssteuerbereich überschritten hat.