通过与内燃机耦连的电机的发电机调节器确定内燃机的运行状态的制作方法
本发明涉及一种用于确定内燃机的运行状态的方法、一种优选为用于电机的调节器的运算单元以及一种用于执行该方法的计算机程序。
背景技术：
为了调节车辆中的车载电网电压，可使用电机，特别是外部激励的电机。该电机具有调节器，该调节器根据车载电网电压来调节电机的励磁电流。这样的电机从de102012204751a1中已知。
此外还可行的是，使用所谓的智能调节器，其例如在“惯性滑行”的运行状态中调节到电机的较高的励磁电流，以回收电能，或者在通过内燃机“加速”的运行状态情况中减少电机的输出电流，以提供更多的驱动扭矩来使车辆加速。
如果在下文中一般性地提到电机，则其在此也可作为发电机和/或电动机运行，例如所谓的起动发电机。
内燃机的运行状态的识别目前由发动机调节单元负责，该发动机调节单元基于自身的调节设定来识别这些运行状态，并且借助于适当的接口对电机的调节器做出关于内燃机的各个运行状态的相应设定。因此，调节器通过车载电网电压的目标电压设定来控制发电机的电流输出。
然而，这种方法非常复杂，因为内燃机的各个运行状态仅在外部由内燃机的发动机控制器确定，所确定的运行状态被传输到电机的调节器，然后在需要时，调节器对电机做出相应于内燃机的各个运行状态的调节设定。
此外，在调节器和发动机控制器之间必须存在并且始终保持通信连接，以使得可相应地调节电机。
因此所期望的是，内燃机的运行状态识别不是基于发动机控制器的调节设定，而是基于电机的客观状态量或直接基于反映内燃机运行状态的测量量。
技术实现要素：
提出了一种用于确定内燃机的运行状态的方法，以及一种运算单元和一种用于执行该方法的计算机程序，其分别具有独立权利要求的特征。有利的设计方案是从属权利要求以及以下说明的对象内容。
该方法用于通过控制单元确定内燃机的运行状态，其中控制单元优选地被设计为与内燃机耦连的电机的调节器。
电机可由内燃机驱动，其中电机与内燃机固定连接，并且例如可借助于皮带传动装置耦连在内燃机的曲轴上。在调节器内，在第一方法步骤中确定电机转速的时间曲线。优选地可由电机的至少一个相信号的时间曲线来确定电机的转速。在本文中，相信号是电机的至少一个定子侧相绕组的相电压中的至少一个和/或相电流中的至少一个，其特别是相对于固定参考电位(例如接地点)测得。此外，替代或附加可优选的是，借助于转速传感器来确定电机转速的曲线，该转速传感器与电机有效连接或者可设置在电机处。
在另一方法步骤中，根据转速的时间曲线确定转速的平均值，并且根据转速的时间曲线确定由内燃机产生的至少一个转速模式。由内燃机产生的转速模式具有叠加在转速平均值的时间曲线上的振荡，其反映在电机转速的时间曲线中。在可限定的时间间隔上，确定转速的平均值，该时间间隔通常包括若干振荡周期。可限定的时间间隔可以由一定数量的瞬时速度振荡周期得到，然而应具有由气缸的压缩和减压和/或做功冲程引起的至少一个振荡周期。
在该方法的另一步骤中，通过将转速的平均值与第一阈值进行比较，并将叠加在转速平均值的时间曲线上的振荡的波度与转速带进行比较，来确定内燃机的运行状态。转速带优选地在数值上由第一阈值和另一阈值限定，其中第一阈值和另一阈值限定内燃机进行怠速运行的转速范围。
通过转速平均值的这种阈值比较和叠加在转速平均值的时间曲线上的振荡的波度与转速带的比较，可利用非常简单的方式且以非常低的运算量和存储成本，通过电机的调节器实现内燃机的运行状态确定。
待识别的优选运行状态涉及内燃机的运行状态，如压缩冲程和/或做功冲程，优选为燃料空气混合物的点火，特别是怠速运行和在怠速运行之外的运行(非怠速运行)，例如部分负荷运行和/或全负荷运行。特别是可通过开头所述方法特别简单且有效地确定并相应地区分内燃机的上述运行状态。
在此进一步优选的是，通过如下方式识别内燃机的怠速运行的运行状态：转速的平均值大于第一阈值，特别优选地大于第一阈值并且小于另一阈值，并且叠加在转速平均值的时间曲线上的振荡的波度在转速带内延伸并且在数值上小于转速带。由此，在用于识别怠速运行的优选实施例中，确定在转速的第一阈值和相对于第一阈值相对较大的另一阈值之间的阈值带或转速带，其中，当转速的平均值处于阈值带内并且振荡的波度在转速带内延伸时，则推断出怠速运行的运行状态。在此，在振荡的最大值和平均值之间的差值或在振荡的最小值和平均值之间的差值被称为幅度或平均幅度，其中波度大致相应于幅度的两倍。由此，在此特别优选的是，在怠速运行中振荡的最大值始终处于另一阈值以下，从而小于该另一阈值。这同样适用于其他运行状态的识别，如下文所述。
在本发明的另一优选实施例中，通过如下方式识别内燃机的非怠速运行、特别是部分负荷运行的运行状态：转速的平均值大于第一阈值，优选地大于另一阈值，并且叠加在转速平均值的时间曲线上的振荡的波度至少部分地在转速带内延伸并且在数值上大于转速带。这意味着，至少具有转速的局部最大值的振荡区域(正振荡)包括在转速带之外延伸的时间范围。通过转速平均值高于第一阈值的第一标准，可检测出处于怠速运行中的平均值和另一阈值之间的转速范围。通过进一步要求转速的平均值大于另一阈值，可对于非怠速运行检测出在怠速运行转速带之外的所有其他转速。
已认识到的是，由于内燃机的扭矩输出，振荡的幅度或波度根据内燃机的扭矩输出而增大。该效应可用于借助幅度水平或波度利用与转速带的比较和转速平均值的比较，来确定相应的当前的运行状态。由此，将转速平均值与阈值中的至少一个进行比较，并且确定振荡的幅度或波度在数值上超过用于定义怠速运行的转速带，由该比较和确定的组合可推断出当前处于非怠速运行状态，特别是部分负荷运行。在数值上超过转速带意味着，特别是具有转速的局部最大值的振荡区域(正振荡)具有在转速带之外延伸的时间范围。
原则上优选的是，第一阈值定义怠速运行的转速下限，并且另一阈值定义怠速运行的转速上限。在此应理解的是，可相应地调节各个转速限制以适配于所使用的内燃机。由此，怠速运行可以某种方式用作参考运行状态，特别是预期转速可用作识别运行状态的阈值或转速带的参考。
在本发明的另一实施方式中优选的是，随着转速平均值的变化，转速平均值基本上在转速带中居中地延伸。转速带仅在数值上由第一阈值和另一阈值确定。由此可行的是，例如转速带可适配于时变平均值，使得转速带跟随转速平均值的时间曲线的梯度。由此，即使在转速提高期间，例如在部分负荷运行中的加速过程期间，也可进行运行状态的相应区分。
在另一优选实施方式中，该方法具有用于通过以下方式调节电机的另一方法步骤：在内燃机的相应的运行状态中调节电机的励磁电流，使得电机的制动扭矩增大或减小。
基于相应确定的内燃机的运行状态(特别是部分负荷运行和/或怠速的运行状态)对电机的相应调节是有利的，因为在加速过程(例如部分负荷运行或全负荷运行)的情况下例如通过尽可能将内燃机所需的和输出的全部扭矩转换成牵引力(全负荷运行)，可将电机的制动扭矩减小，甚至降低到零，以免影响加速过程。即使在内燃机的部分负荷运行期间也可有利地使用相应适配的调节。这同样适用于在内燃机怠速运行期间电机的制动扭矩，因为在内燃机的怠速运行期间其对外部制动扭矩的作用特别敏感，这在最坏的情况下可能意味着内燃机的转速降低到临界阈值以下，以至于内燃机熄火。由此，通过借助于电机的调节器可靠地识别内燃机的怠速状态，可预先确定励磁电流的调节设定从而预先确定电机的制动扭矩，使得不会达到或低于内燃机的临界转速阈值。
此外特别优选的是，通过设定机动车车载电网的目标电压和/或目标电流，或者通过设定最大电流输出，来调节励磁电流，其中最大电流输出和/或最大励磁电流优选地根据内燃机的运行状态被参数化。
通过基于机动车车载电网的目标电压或目标电流的设定的这种励磁电流调节，可实现对电机的相应调节，特别是在内燃机加速运行中电机的几乎无制动扭矩的同步运转或在怠速运行期间相应减小的制动扭矩加载。替代地，也可通过调节待输出到机动车车载电网中的最大电流来进行这种调节，其中该最大电流又可根据内燃机的相应运行状态被参数化。这种参数化可通过数字方式进行，或者可通过查询在备份的特征场中存储的参数来实现。
运算单元特别是用于电机的调节器，其优选地布置在电机中，但也可布置在电机的外部，所述运算单元的使用特别有利于怠速运行和非怠速运行、特别是部分负荷运行的运行状态的确定，并且有利于由此产生的对电机制动扭矩的调节，因为由此可利用特别简单的方式执行根据本发明的方法。
因此，运算单元被相应地配置为执行该方法，这意味着运算单元具有相应的运算处理器和/或其上存储有计算机程序的相应的数据存储器和/或通过相应的集成电路适于执行根据本发明的方法。此外，在电机的调节器中执行该方法是有利的，因为可无需附加的外部通信连接并且独立于外部运算架构、存储架构和/或调节架构地进行信号的评估、各个运行状态的确定和基于所确定的运行状态对电机的调节。
在用于执行该方法的运算单元中优选地在数据载体、特别是存储器上提供计算机程序，以该计算机程序的形式实现该方法是有利的，因为这产生的成本特别低，特别是当用于执行的调节单元还用于其他的任务从而无论如何都存在时。如在现有技术中已知地，用于提供计算机程序的合适的数据载体特别是磁性存储器、光学存储器和电气存储器。
本发明的其他优点和设计方案由说明书和附图得到。
附图说明
图1示出了根据现有技术借助于通信连接通过发动机调节装置对电机进行基于运行状态的调节的示意图；
图2a以第一示意图示出了内燃机以及与内燃机耦连的根据本发明的电机；
图2b以示意图示出了内燃机以及与内燃机耦连的根据另一实施例的电机；
图2c以放大的示意图示出了耦合到车载电网的电机；
图3示出了电机的相电压的时间曲线以及由此得出的转速；
图4示出了内燃机的转速曲线，其中示例性地示出了内燃机的多个运行状态；
图5a、图5b示出了内燃机的两个示例性选出的运行状态，其借助于所述方法被确定。
具体实施方式
图1示出了从现有技术中已知的用于调节机动车车载电网10中的电压的控制装置。通过与内燃机12耦连的电机14为机动车车载电网10供电，其中电机14借助于耦连元件16(通常为皮带传动)由内燃机12驱动。为了调节车载电网电压10，设置有呈调节器20形式的运算单元18，其根据车载电网电压10相应地调节电机的励磁电流。
为了能够根据内燃机12的各个运行状态调节电能，或将电能馈送到车载电网10中，内燃机12的相应运行状态通常由分配给内燃机12的控制器22确定，于是控制器22通过通信连接24向调节器20传输控制信号，以根据内燃机12的相应运行状态设置电机14的励磁电流。在此，电机14的调节器20或相应的设置在电机14外部的运算单元(未示出)就内燃机12的各个运行状态的确定而言始终是被动的，并且仅被配置为基于控制器22的控制而根据各个运行状态增大或减小电机14的励磁电流。
在图2a)中示出了内燃机112和与内燃机112连接的电机114的根据本发明的结构的示意图，其中电机114借助于皮带116由内燃机112驱动。皮带116在发动机侧与内燃机112的曲轴117有效连接。由于内燃机112的各个气缸的做功冲程和/或压缩，内燃机112将扭矩以脉冲的形式输出到曲轴117。扭矩输出的频率由内燃机112的当前转速和内燃机112的气缸数决定。在四冲程发动机中，扭矩输出的频率由以下公式确定：
fmoment＝nkw/60*气缸数/2，
其中nkw为内燃机112或者说曲轴的转速，其单位为转每分钟。
该不均匀的扭矩输出产生内燃机112的相应的振动特性。电机114与内燃机112通过呈皮带形式或电机114与内燃机112的刚性连接形式(未示出)的耦连元件116进行固定耦连，通过该固定耦连将由内燃机112的脉冲式扭矩输出引起的相应振荡传递到电机114及其转速122。
由于电机114和内燃机112之间的固定耦连，这些振荡可从电机114的相信号120a(参见图3)推导出。借助于运算单元118说明根据本发明的方法，在该运算单元118上执行该方法。为了控制和评估，电机114具有根据本发明的呈调节器120形式的运算单元118，其被配置为从相信号121确定转速122的时间曲线。由运算单元118分析转速122的时间曲线，并且从转速122的时间曲线导出由内燃机112的特征脉冲状振动引起的转速模式128、132(参见图4和图5)。
转速模式128、132特别是具有特征振荡o，其具有相应的幅度a或波度w(参见图4和图5)。另外，运算单元118被设计用于确定转速122的平均值dmd，并且在需要时相应地存储该平均值。
在可限定的时间间隔内确定转速122的平均值dmd，其中用于确定转速122的平均值dmd的时间间隔应具有多个振荡o，至少一个振荡o。此外可确定振荡o的幅度a或其波度w。幅度a(参见图5)为振荡o的最大值与转速122的平均值dmd的数值差异，并且波度w为幅度a的大约两倍。通过将转速122的平均值dmd与第一阈值th1进行比较并且将叠加在转速122的平均值dmd的时间曲线上的振荡o的波度w与转速带b进行比较，可确定内燃机112的运行状态128a和132a。在此，内燃机的运行状态包括部分负荷运行128a和怠速运行132a的运行状态。此外，为了确定上述运行状态，还可使用另一阈值th2来与转速122的平均值dmd进行比较。
由此，呈调节器120形式的运算单元118被配置为，基于转速的平均值dmd和叠加在转速平均值dmd的时间曲线上的振荡o的波度w，在与第一阈值th1和/或第二阈值th2和由此在数值上得出的转速带b相比较时，确定运行状态128a和132a(参见图4和图5)，而对此不需要相应的外部控制器。因此，电机114或其所配有的运算单元118被配置为完全独立于外部分析和/或外部控制单元地执行上述方法步骤和下面待说明的方法步骤。
阈值th1和th2在数值上确定转速带b，其中通常延伸在怠速运行132a中的振荡o的波度w。由此，内燃机112的怠速运行132a可特别简单地通过以下方式来识别：转速122的平均值dmd大于第一阈值th1且小于另一阈值th2，并且波度w在转速带b内延伸。同样可识别内燃机112的非怠速运行、特别是部分负荷运行128a的运行状态。在部分负荷运行128a中，转速122的平均值dmd相应地大于第一阈值th1，并且叠加在转速122的平均值dmd的时间曲线上的振荡o的波度w至少部分地在转速带b内延伸并且在数值上大于转速带b。
由此，通过在可确定的时间间隔内转速122的平均值dmd的比较和叠加在转速122上的振荡o的幅度a或波度w与转速带b的比较，可实现可靠且特别简单地确定各个运行状态128a和/或132a。
在图2b中说明了类似于图2a的另一实施例。在此，与图2a相同或相似的特征已用相同的附图标记被标示，然而用另一字母(b)。电机114b具有与电机连接的转速传感器115b。转速传感器115b固定在电机114b处，以使得其可确定电机114b的转子的转速。借助于转速传感器115b确定的转速122可通过与借助于相信号121确定的转速值122相同的方式使用，以便确定内燃机112b的运行状态128a和/或132a。
由此得到转速信号122的替代参考源，其可以替代或附加地用于从相信号121确定转速122。
在图2c中示出了本发明的另一实施例。在此，与图2a或图2b相同或相似的特征已由相同的附图标记标示出，但具有另一字母c。此外简化地做出如下假设：在通过相信号122和转速传感器115b(图2b)附加地确定转速122的情况下，各个运行状态128a和132a由运算单元118c确定。
此外，以电机114c的调节器120c的形式设计的运算单元118c被配置用于识别各个运行状态128a和/或132a(参见图5)并且基于所识别的内燃机112的运行状态128a和132a调节励磁电流ierr以适配于内燃机112的各个运行状态，使得可根据运行状态增大或减小电机112的制动扭矩。在本文待识别的部分负荷运行128a或怠速运行132a的运行状态中，通常需要降低电机114的制动扭矩从而也需要减小励磁电流ierr，以确保内燃机112有尽可能大的输出扭矩，或者确保内燃机112在怠速运行中无干扰地运行。
在此，可通过设定机动车车载电网110c的目标电压usoll或目标电流isoll，或者通过设定最大电流输出imax，来调节励磁电流，其中可根据内燃机112的运行状态将最大电流输出imax参数化。
通过基于机动车车载电网110c的目标电压usoll或目标电流isoll的设定的这种对励磁电流ierr的调节，在内燃机从怠速运行进入加速运行时或在部分负荷运行128a中可相应简单地实现电机114a的无制动扭矩或无拖拽扭矩的同步运转(参见图5)。这同样适用于内燃机在怠速运行132a中的无干扰的运行。替代地，这种调节也可通过对待输出到机动车车载电网中的最大电流imax的调节来进行，其中该最大电流imax又可根据内燃机112的各个运行状态128a和132a被参数化(参见图5)。这种参数化可通过数字方式进行，或者可通过查询在备份的特征场中存储的参数来实现(未示出)。
在图3中更详细地说明了从电机114的相信号121确定转速信号122。在此，相信号121为电机的相电压121a中的一个。应理解的是，为此原则上可使用电机114的一个或多个相的任意相电压，然而也可使用相应的相电流，以从中确定电机114的转速信号以及与其耦连的内燃机112的转速信号和转速模式128、132(未示出)。在使用多于一个相电压时，可实现转速信号的相应更高的时间分辨率(未示出)。
在具有电流输出的发电机中，相电压121a在第一近似中呈矩形状地延伸。在相电压121a的该信号处可检测平均相时间tphase，其中该相时间可在相电压121a的陡沿处最佳地确定。相时间tphase通过呈内燃机112各个运行状态的特征性转速模式128、132的形式的转速波动被调制，并且通过如下公式反映当前转速：
其中nkw为曲轴转速，其单位是转每分钟，
转速可优选地以数字方式确定。如上所述，通过测量在电机114的相信号121中幅度的时间间距tphase，可确定瞬时转速nkw。只要在检测时段中已知诸如电机114的气缸数、传动比
为了说明发电机的采样率足以相应地分辨转速122和特别是叠加在转速上的振荡，下面将考虑相应频率的比率并且与奈奎斯特准则进行比较。奈奎斯特准则要求fel/fmoment>＝2。利用如下公式基于发动机转速得到发电机频率或电机频率：
其中nkw为内燃机的转速。
与关于fmoment的等式相结合有：
由此，例如对于
在图4中示出了内燃机112在较长时间段上的转速曲线122。该转速曲线122具有相应的转速模式128、132，其示例性地表示内燃机112的两个不同运行状态的特性，即怠速132a和部分负荷运行128a。在图5a和图5b中再次放大地示出了各个转速模式128和132。在图5a和图5b中分别示出了转速122随时间的变化。
在图5a中示出了内燃机112的怠速运行132a的运行状态。该运行状态的特征在于，在时间曲线中转速的平均值dmd基本上是恒定的。在此选择一个转速带b，其由下限阈值th1和阈值th2限定。在怠速运行132a中时间上的转速曲线122在这些阈值内移动，即转速曲线122的波度w在转速带b内。而转速带b仅可也在数值上由阈值th1和th2确定(对此参见图5b)。当转速122的平均值dmd大于第一阈值th1且小于另一阈值th2，和/或大致相应于振荡幅度的两倍的振荡o的波度w在数值上小于转速带b时，则推断出内燃机112的怠速运行132a。
在图5b中，第一时间区段a1中的转速信号122大致具有处于怠速运行132a的转速模式128a。转速122的平均值dmd具有基本恒定曲线的时间范围在第二时间区段a2中过渡到恒定上升的范围中。在此，在转速的平均值dmd上也叠加有具有波度w部分负荷的振荡o。
转速带b在数值上由阈值th1和th2确定(参见图5a)，其中该转速带b包括在内燃机112的怠速运行132a中的振荡o的波度w怠速。在转速的平均值dmd变化的时间范围内(从区段a1到区段a2的过渡段和区段a2的曲线)，调节转速带b以适配于转速122的平均值dmd在时间上的上升，使得转速122的平均值dmd在转速带b中大致居中地延伸或跟随转速122的平均值dmd的梯度。由此，当转速122的平均值dmd大于第一阈值th1和/或大于另一阈值th2并且叠加在转速122的平均值dmd的时间曲线上的振荡o的波度w部分负荷至少部分地在转速带b内延伸且在数值上大于转速带b时，则可推断出内燃机的部分负荷运行128a。
在此特征在于，在内燃机112输出扭矩时振荡o的幅度a或波度w相对于怠速运行中的幅度或波度w将增大。这可用作识别非怠速运行、例如部分负荷运行128a的充分标准。作为部分负荷运行128a的必要标准，可使用阈值th1的超出。另外，基于上述用于识别非怠速运行的方法也可相应地识别全负荷运行，其中全负荷运行与部分负荷运行的不同之处特别是在于，在全负荷运行中幅度a和波度w的值相对于部分负荷运行相应地增大。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！