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Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens - Dokument DE10257024B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10257024B4 21.10.2004
Titel Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens
Anmelder AUDI AG, 85057 Ingolstadt, DE
Erfinder Winkler, Josef, Dipl.-Ing.(FH), 85110 Kipfenberg, DE
DE-Anmeldedatum 06.12.2002
DE-Aktenzeichen 10257024
Offenlegungstag 08.07.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.2004
IPC-Hauptklasse F02D 41/08
IPC-Nebenklasse H02J 7/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Strom erzeugenden Generator, über den ein oder mehrere im vom Generator versorgten Bordnetzstromkreis befindliche Verbraucher gespeist werden.

Aus Verbrauchs- und Komfortgründen wird bei vielen Kraftfahrzeugen die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors immer weiter abgesenkt. Teilweise sind Leerlaufdrehzahlen bis 600 U/min realisiert. Eine weitere Absenkung wird durch die Funktion der Nebenaggregate, insbesondere durch die Leistungsminderung des Generators verhindert. Bei niedriger Motordrehzahl und hohem Bordnetzstrom bricht die Bordnetzspannung ein und die Batterie wird entladen. Die Lebensdauer der Batterie sinkt. Bei vielen Kraftfahrzeugen wird infolgedessen abhängig von der Batterie- oder Bordnetzspannung eine Leerlaufdrehzahlanhebung vorgenommen. Diese Anhebung wird entweder unmittelbar nach dem Erkennen einer Unterspannung sofort umgesetzt oder es wird eine Unterspannung detektiert und beim nächsten Leerlauf eine höhere Drehzahl eingestellt. Die erste Anhebungsvariante führt häufig zu einer Verunsicherung des Fahrers, da sich die Leerlaufdrehzahl ohne Einwirkung des Fahrers selbständig erhöht. Die zweite Anhebungsvariante wird erst nach einer erneuten Fahrt wirksam. In der Zwischenzeit wird also die Batterie entladen, der Zeitabstand zur nächsten Fahrt bzw. zum nächsten Leerlauf ist unbekannt.

In der Druckschrift DE 44 22 329 A1 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes beschrieben. Dabei wird für die Verringerung der Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie die momentane Kapazität der Bordbatterie unter Berücksichtigung ihrer Geschichte und des Wirkungsgrads der elektrischen Energieerzeugung herangezogen. Der Bordnetzstrom wird direkt über einen Shunt gemessen.

Die Druckschrift DE 195 25 697 A1 betrifft ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines Kraftfahrzeugs. Bei diesem Verfahren ist eine Einrichtung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl des Motors vorgesehen, wobei die Regelung in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Akkumulators erfolgt. Dabei wird die Einrichtung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl von einem vom Ladezustand des Akkumulators abhängigen Regelsignal beaufschlagt.

Aus DE 101 12 217 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erfassung des Ausgangsstromes eines Generators bekannt. Der Generatorstrom wird geeigneten Kennfeldern, in denen Ersatzgrößen angegeben sind, entnommen. Als geeignete Ersatzgrößen sind das Tastverhältnis einer Feldendstufe sowie hinsichtlich der Ladebilanz einer Fahrzeugbatterie ein Temperaturmodell genannt.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung anzugeben, das die Einstellung niedriger Leerlaufdrehzahlen besser und flexibler ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems ist beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Betrieb des Motors der vom Generator von den Verbrauchern aufgenommene Bordnetzstrom ermittelt und in Abhängigkeit davon die einzustellende minimale Leerlaufdrehzahl ermittelt wird, bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung eintritt, wobei die Ermittlung des Bordnetzstroms indirekt über das Tastverhältnis des Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur anhand eines Generatorstromkennfelds erfolgt.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass die Änderung des Bordnetzstroms normalerweise ein träger Vorgang ist und weitgehend drehzahlunabhängig ist. Der Stromverbrauch während der Fahrt bzw. bei höheren Drehzahlen entspricht mit großer Wahrscheinlichkeit dem Verbrauch beim nächsten Leerlauf. Die Erfindung sieht nun vor, kontinuierlich oder in vorzugsweise definierten Intervallen den von den Verbrauchern gezogenen Bordnetzstrom zu ermitteln und in Abhängigkeit des ermittelten Bordnetzstroms eine minimale Leerlaufdrehzahl zu bestimmen, auf die die Drehzahl beim nächsten Leerlauf abgesenkt werden kann, und die gerade noch sicherstellt, dass hinreichend Strom geliefert wird, es also nicht zu einer Unterspannung kommt, die zu einer Batterieentladung führt, oder die eine gerade noch als zulässig definierte Batterieentladung zulässt. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass hier nicht auf eine bereits gegebene Batterieentladung reagiert wird, sondern eine Leerlaufdrehzahl eingestellt wird, die gerade noch zulässig ist. Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr niedrige Leerlaufdrehzahlen realisiert werden, die sich am tatsächlichen Strombedarf orientieren, das heißt die Drehzahleinstellung erfolgt bedarfsabhängig.

Die Ermittlung des Bordnetzstroms wird indirekt über das Tastverhältnis des Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur anhand eines Generatorstromkennfelds vorgenommen. Der gelieferte Generatorstrom ist zum einen vom Tastverhältnis der Erregermaschine, also dem Erregerstrom abhängig. Weiterhin ist der Generatorstrom von der Generatordrehzahl abhängig, und schließlich besteht eine relativ starke Temperaturabhängigkeit des gelieferten Generatorstroms. Werden diese Parameter aufgenommen, so wird unter Verwendung eines Generatorstromkennfelds der tatsächlich aufgenommene Bordnetzstrom bestimmt. Die Generatordrehzahl kann dabei direkt erfasst werden, auch ist eine indirekte Erfassung über die Motordrehzahl sowie das Übersetzungsverhältnis zum Generator möglich. Die Generatortemperatur kann direkt insbesondere mittels eines Thermoelements oder indirekt durch Messung des Generatorerregerstroms erfolgen. Der Generatorerregerstrom wiederum kann entweder durch klassische Strommessung mit einem Shunt-Widerstand oder rechnerisch ermittelt werden, wozu zunächst der Widerstand der Erregermaschinenwicklung bei einer bestimmten Temperatur, in einem zweiten Schritt der Widerstand bei einer Erwärmung der Erregerwicklung und schließlich der Erregerstrom anhand der bekannten Beziehung I = U/R ermittelt wird.

Zur Ermittlung der einzustellenden Leerlaufdrehzahl kann nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen sein, dass anhand des Bordnetzstroms zunächst die aktuelle bordnetzstrombezogene Generatorkennlinie bestimmt wird, anhand welcher die einzustellende Leerlaufdrehzahl bestimmt wird. Die Generatorkennlinie wird unter Berücksichtigung insbesondere der Generatortemperatur bestimmt. Anhand der Generatorkennlinie erfolgt dann die Bestimmung der minimal zulässigen und nachfolgend einzustellenden Leerlaufdrehzahl, wobei dies natürlich unter Berücksichtigung einer vorgegebenen zulässigen Batterieentladung erfolgt, sofern eine solche definiert ist. Falls nicht wird die Leerlaufdrehzahl so bestimmt, dass sie so niedrig ist, dass es gerade nicht zu einer Batterieentladung kommt.

Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, ein die Drehzahl des Verbrennungsmotors steuerndes Steuergerät und einen Strom erzeugenden Generator zum Speisen eines oder mehrerer im Bordnetzstromkreis eingebundener Verbraucher. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass Mittel zum Ermitteln des von dem oder den Verbrauchern aufgenommenen Bordnetzstroms bei Betrieb des Verbrennungsmotors und zum Bestimmen der über das Steuergerät einzustellenden minimalen Leerlaufdrehzahl, bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung eintritt, in Abhängigkeit des ermittelten aufgenommenen Bordnetzstroms vorgesehen sind, wobei die Mittel eine Einrichtung zur indirekten Ermittlung des Bordnetzstroms anhand des Tastverhältnisses des Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur sowie anhand eines Generatorstromkennfelds umfassen.

Die Einrichtung zur direkten Messung der Generatortemperatur umfasst zweckmäßigerweise ein Thermoelement.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens können die Mittel zur Bestimmung der aktuellen Generatorkennlinie anhand des Bordnetzstroms und zur Ermittlung der einzustellenden Leerlaufdrehzahl anhand der Generatorkennlinie ausgebildet sein. Weiterhin können die Mittel zum Bestimmen der einzustellenden Leerlaufdrehzahl anhand der Generatorkennlinie unter Berücksichtigung einer vorgegebenen zulässigen Entladung der Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet sein.

Die Ermittlung der zulässigen Leerlaufdrehzahl und die indirekte Ermittlung des Bordnetzstroms sowie der Generatortemperatur, der Generatordrehzahl und sonstiger weiterer oben beschriebener relevanter Parameter kann erfindungsgemäß im die Drehzahl des Verbrennungsmotors steuernden Steuergeräts selbst oder in einem weiteren, mit diesem kommunizierenden Steuergerät erfolgen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und

2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 mit einem Verbrennungsmotor 2 mit zugeordnetem Generator 3, der zum einen eine Kraftfahrzeugbatterie 4 versorgt, und zum anderen einen Bordnetzstromkreis 5, an dem verschiedene Verbraucher V1, V2, ... Vn hängen bzw. darüber versorgt werden. Die Verbraucher nehmen vom Generator 3 also den benötigten Bordnetzstrom auf.

Vorgesehen ist ferner ein Steuergerät 6, das zum einen mit dem Generator 3 und zum anderen mit dem Motor 2 verbunden ist. Über das Steuergerät 6 wird die Leerlaufdrehzahl des Motors 3 vorgegeben bzw. eingestellt. Das Steuergerät 6 dient ferner dazu, die minimale zulässige Leerlaufdrehzahl zu bestimmen, die im Hinblick auf den tatsächlich von den Verbrauchern gezogenen Bordnetzstrom unter Berücksichtigung einer gegebenenfalls vorbestimmten zulässigen Batterieentladung (die vorab im Steuergerät 6 definiert ist) einzustellen ist. Im Rahmen dieser Leerlaufdrehzahlermittlung sind eine Reihe von Bestimmungsparametern betreffend den Generator direkt oder indirekt sowie betreffend den Bordnetzstrom indirekt aufzunehmen. Der eigentliche Ablauf zur Bestimmung der minimalen Leerlaufdrehzahl, auf die die Ist-Drehzahl des Motors 2 im Leerlauf abgesenkt werden kann, ergibt sich aus 2.

Im Schritt a wird zunächst die Generatortemperatur ermittelt. Dies kann entweder direkt erfolgen, insbesondere unter Verwendung eines Thermoelements, das am Generator 3 angeordnet ist und mit dem Steuergerät 6 – kommuniziert. Auch eine indirekte Ermittlung ist denkbar, nämlich durch Messung des Erregerstroms der Erregermaschine des Generators 3. Der Erregerstrom selbst ist temperaturabhängig, weshalb er ein Maß für die Ist-Temperatur des Generators ist. Die Ermittlung des Erregerstroms wiederum kann durch direkte Messung über eine Strommessung unter Verwendung eines Shunt-Widerstands erfolgen, alternativ ist eine rechnerische Ermittlung möglich. Im Rahmen dieser rechnerischen Ermittlung wird der Erregerstrom errechnet, der wiederum temperaturabhängig ist, und über den dann auf die Temperatur der Erregerwicklung und damit des Generators geschlossen werden kann.

Ist die Generatortemperatur bekannt erfolgt im Schritt b die Ermittlung des Bordnetzstroms. Dieser wird indirekt ermittelt, wozu zum einen die Generatordrehzahl ermittelt wird. Dies kann ebenfalls direkt erfolgen, das heißt die Generatordrehzahl wird unmittelbar erfasst. Alternativ ist auch eine Bestimmung der Generatordrehzahl aus der Motordrehzahl und dem Übersetzungsverhältnis zum Generator möglich. Weiterhin wird zur indirekten Bordnetzstromermittlung die bereits im Schritt a ermittelte Generatortemperatur benötigt. Schließlich wird das Erregertastverhältnis bestimmt, also das Tastverhältnis des Erregerstroms der Erregermaschine. Anhand der drei Parameter wird nun unter Verwendung eines entsprechenden Generatorstromkennfelds der tatsächliche Bordnetzstrom ermittelt.

Im Schritt c wird nun anhand des im Schritt b ermittelten Bordnetzstroms die aktuelle Generatorkennlinie bestimmt. Falls erforderlich erfolgt die Bestimmung der Generatorkennlinie auch unter Berücksichtigung der im Schritt a ermittelten Generatortemperatur.

Im Schritt d wird nun überprüft, ob Seitens der Steuerungseinrichtung 6 eine Information über eine vorgegebene zulässige Batterieentladung vorliegt. Im Schritt e wird schließlich anhand der aktuellen Generatorkennlinie die zulässige minimale Leerlaufdrehzahl bestimmt, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der im Schritt d erfassten vorgegebenen zulässigen Batterieentladung.

Ist die zulässige minimale Leerlaufdrehzahl ermittelt, so kann sie beim nächsten Leerlauf vom Steuergerät 6 eingestellt werden. Die Drehzahl ist minimal, also gerade noch zulässig, so dass die Verbraucher betrieben werden können, ohne dass es zu einer Batterieentladung oder höchstens im zulässigen, definierten Umfang kommt. Die Ermittlung, wie sie in den Schritten a–e dargestellt ist, erfolgt zweckmäßigerweise kontinuierlich, kann aber auch intermittierend in vorgegebenen Zeitintervallen erfolgen, um stets zu ermitteln, wie hoch der aktuelle Bordnetzstrom ist und wie sich gegebenenfalls die zulässige minimale Leerlaufdrehzahl über die Zeit ändert.

Am zweckmäßigsten finden sämtliche Ermittlungsschritte zu den einzelnen Parametern bzw. zur Bestimmung der jeweiligen Kennlinie oder des Kennfelds etc. im Steuergerät 6 statt. Alternativ hierzu ist es natürlich auch denkbar, hierfür ein separates Steuergerät vorzusehen.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Steuerung der Leerlaufdrehzahl eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Strom erzeugenden Generator, über den ein oder mehrere im vom Generator versorgten Bordnetzstromkreis befindliche Verbraucher gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Motors der vom Generator von den Verbrauchern aufgenommene Bordnetzstrom ermittelt und in Abhängigkeit davon die einzustellende minimale Leerlaufdrehzahl ermittelt wird, bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung eintritt, wobei die Ermittlung des Bordnetzstroms indirekt über das Tastverhältnis des Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur anhand eines Generatorstromkennfelds erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bordnetzstromermittlung kontinuierlich oder in vorzugsweise definierten Intervallen erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatortemperatur direkt insbesondere mittels Thermoelements oder indirekt durch Messung des Generatorerregerstroms ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Bordnetzstroms die aktuelle Generatorkennlinie bestimmt wird, anhand welcher die einzustellende Leerlaufdrehzahl bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung anhand der Generatorkennlinie unter Berücksichtigung einer vorgegebenen zulässigen Batterieentladung erfolgt.
  6. Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, ein die Drehzahl des Verbrennungsmotors steuerndes Steuergerät und einen Strom erzeugenden Generator zum Speisen eines oder mehrere im Bordnetzstromkreis eingebundener Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Ermitteln des von dem oder den Verbrauchern (V1, V2, ..., Vn) aufgenommenen Bordnetzstroms bei Betrieb des Verbrennungsmotors (2) und zum Bestimmen der über das Steuergerät (6) einzustellenden minimalen Leerlaufdrehzahl, bei der keine oder eine definierte zulässige Batterieentladung eintritt, in Abhängigkeit des ermittelten aufgenommenen Bordnetzstroms vorgesehen sind, wobei die Mittel eine Einrichtung zur indirekten Ermittlung des Bordnetzstroms anhand des Tastverhältnisses des Generatorerregerstroms, der Generatordrehzahl und der Generatortemperatur sowie anhand eines Generatorstromkennfelds umfassen.
  7. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) zur direkten Messung der Generatortemperatur ein Thermoelement umfasst oder ein solches ihr zugeordnet ist.
  8. Kraftfahrtzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der aktuellen Generatorkennlinie anhand des Bordnetzstroms und zur Ermittlung der einzustellenden Leerlaufdrehzahl anhand der Generatorkennlinie ausgebildet sind.
  9. Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen der einzustellenden Leerlaufdrehzahl anhand der Generatorkennlinie unter Berücksichtigung einer vorgegebenen zulässigen Batterieentladung ausgebildet sind.
  10. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der zulässigen Leerlaufdrehzahl und die indirekte Ermittlung des Bordnetzstroms im die Drehzahl des Verbrennungsmotors (2) steuernden Steuergerät (6) oder einen weiteren, mit diesem kommunizierenden Steuergerät erfolgt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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