Alternatore-starter integrato, descrizione sintetica con disposizione dei componenti

Struttura e componenti

La rete di bordo a 48 V si compone di diversi componenti a 48 V e di cavi a 48 V.

I componenti decisivi della rete di bordo a 48 V sono l'alternatore-starter integrato e la batteria della rete di bordo a 48 V. Tramite il convertitore CC/CC la rete di bordo a 48 V alimenta con energia la rete di bordo a 12 V durante la marcia e all'occorrenza anche a veicolo fermo.

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La topologia della rete di bordo a 48 V

Il Powerpack nonché la batteria a 12 V sono disposti nella coda. L'alternatore-starter integrato e gli utilizzatori a 48 V - ossia compressore elettrico del fluido refrigerante, compressore supplementare elettrico, pompa elettrica del liquido di raffreddamento e sbrinatore del parabrezza - in direzione di marcia sono disposti davanti. I cavi degli utilizzatori e dell'ISG vengono raggruppati tramite una scatola prefusibili e collegati con un cavo sul lato guida del veicolo con il Powerpack per 48 V.

Alternatore-starter integrato (ISG)

L'alternatore-starter integrato viene avvitato saldamente con l'albero motore nella cosiddetta "configurazione P1" ed è disposto tra il motore e il cambio automatico 9G-TRONIC. L'elettronica di potenza si trova nello spazio liberatosi del motorino di avviamento a pignone non più necessario.

L'alternatore-starter integrato eroga, in combinazione con la parte a 48 V della rete di bordo, una massima potenza di 16 kW ed una coppia di 220 Nm. L'energia viene fornita da una batteria della rete di bordo a 48 V separata.

Descrizione ISG

L'alternatore-starter integrato dispone di un accoppiamento rigido con l'albero motore del motore a combustione interna. In caso di modifica dei parametri del motore a combustione interna, da parte dell'ISG può essere trasmessa una coppia all'albero motore oppure una coppia può essere assorbita dall'albero motore, cosicché il tasso di modifica della coppia trasmessa dall'albero motore rientri entro dei limiti predefiniti.

Da parte dell'ISG possono aver luogo anche ulteriori interventi di coppia sull'albero motore, ad es. tutti gli interventi di coppia che avvengono senza l'ISG per effetto della variazione della fasatura. Come interventi aggiuntivi sono possibili non solo interventi di coppia negativi – come nella regolazione della fasatura – ma sono realizzabili anche interventi di coppia positivi. Ciò amplia decisamente le possibilità dell'implementazione di strategie di commutazione.

Come conseguenza è possibile realizzare in particolare le commutazioni tra diverse modalità del motore a combustione interna senza che vi siano ripercussioni sulla coppia.

Le commutazioni avvengono senza colpi di coppia causati da salti di coppia all'interno del motore. I momenti risultanti da squilibri e forze di taglio sull'albero motore vengono ridotti in misura significativa.

Le oscillazioni nel motore a combustione interna provocate da variazioni di carico, variazioni del punto di lavoro e variazioni del n. di giri vengono ridotte o evitate. Viene così notevolmente incrementato il comfort di marcia.

Un ulteriore vantaggio risiede nel fatto che, evitando gli spostamenti in direzione di posticipo dell'angolo di accensione, il motore a combustione interna può essere fatto funzionare sempre con il rendimento ottimale. Ciò si rispecchia positivamente nel consumo di carburante.

A causa delle sue proprietà come generatore elettrico, l'alternatore-starter integrato si presta in modo particolare per la trasmissione e l'assorbimento di coppie, in quanto tramite un tale generatore elettrico è possibile, con un azionamento particolarmente semplice, realizzare l'erogazione e l'assorbimento molto rapidi di coppie.

Tramite un sistema del genere si possono compensare o perlomeno ridurre anche eventuali salti di coppia in rapida successione.

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Lo schema di funzionamento illustra l'alternatore-starter integrato (1) accoppiato al motore a combustione interna (2). Il motore a combustione interna comprende in questo esempio di versione sei camere di combustione (2.1 a 2.6) ed un albero motore (2.7). Il conducente imposta la coppia desiderata tramite il pedale dell'acceleratore (3) e ciò viene interpretato dalla centralina di comando ME (4). L'ISG viene fatto funzionare in modo pressoché indipendente dal motore a combustione interna e comandato dalla centralina di comando alternatore-starter (5). È quindi necessaria una comunicazione tra la gestione del motore e l'unità di comando, la quale avviene attraverso un collegamento di comunicazione, ad esempio un bus CAN (6).

Modifiche dell'angolo di accensione

La grandezza di riferimento essenziale per la gestione del motore basata su un modello è la coppia desiderata dal conducente, dalla quale viene calcolata, in base al modello di coppia, un riempimento teorico - ossia portata d'aria per cilindro e ciclo di lavoro. Su questa base vengono rilevati ulteriori parametri per il funzionamento del motore a combustione interna, al fine di regolare la coppia desiderata. Questi ulteriori parametri comprendono ad esempio l'angolo della valvola a farfalla, la posizione degli alberi a camme, la fasatura, la quantità di iniezione e i momenti di iniezione.

Così in determinati stati di marcia o con commutazioni della modalità, come un comando CAMTRONIC, può accadere che il motore con un funzionamento ottimale erogherebbe una coppia maggiore di quella richiesta dal conducente, dalla strategia operativa, ecc. Nel motore convenzionale la compensazione della coppia in eccesso avviene tramite uno spostamento dell'angolo di accensione con un conseguente peggioramento del rendimento.

Interventi sincronizzati ai segmenti

Negli interventi sincronizzati ai segmenti – un segmento rappresenta un ciclo di lavoro di un cilindro – l'ISG provvede alla compensazione della coppia in eccesso. Ciò è possibile perché l'ISG dispone di un accoppiamento fisso all'albero motore del motore e gira quindi in modo sincronizzato al motore.

Per rilevare la coppia nominale per l'ISG viene dapprima determinato un riempimento previsto da cui, con una fasatura ottimale, risulta una coppia ottimale prevista. La differenza tra la coppia prevista e le intenzioni del conducente rappresenta quindi la coppia nominale sincronizzata al segmento per l'ISG. Questa previsione è necessaria per superare il tempo di percorrenza del segnale dal motore all'ISG, in modo tale che l'ISG possa regolare la coppia desiderata contemporaneamente alla corrispondente combustione.

A seconda del punto di lavoro dell'ISG e del livello di carica della batteria, la coppia minima e massima realizzabile da parte dell'ISG è limitata. Se la coppia da compensare è superiore a questo range di regolazione, la restante coppia viene compensata sulla base degli interventi sulla fasatura descritti.

Mentre il motore è in grado di realizzare in modo sincronizzato al ciclo di lavoro solo peggioramenti del rendimento e quindi riduzioni della coppia, l'ISG può realizzare anche una coppia positiva. In più l'erogazione di coppia del motore si basa su valori modello contenuti nella gestione del motore e soggetti a determinati scostamenti nei singoli modelli e a tolleranze nella produzione di serie. Con l'ISG la regolazione della coppia desiderata è notevolmente più precisa, il che serve a ottenere un guadagno in termini di comfort. Infine questa soluzione tecnica ha il vantaggio che il motore durante l'intervento può continuare a funzionare in condizioni pressoché ottimali e la coppia in eccesso può essere utilizzata per il recupero di energia, con conseguenti minori emissioni di biossido di carbonio (CO2).

Regolazione del numero di giri del minimo

La regolazione del regime di minimo dei motori con ISG è anch'essa realizzata con un approccio ottimizzato per i consumi grazie all'impiego dell'ISG.

Tuttavia, non viene meno la regolazione convenzionale del numero di giri tramite la regolazione del regime di minimo, ma essa provvede invece alla regolazione nel momento in cui non risultano soddisfatte tutte le condizioni per un corretto funzionamento dell'ISG.

A seconda della modalità, il numero di giri al minimo viene regolato a un determinato valore teorico. Il fabbisogno di energia della rete di bordo viene coperto tramite la proprietà di generatore dell'ISG. Al motore viene indicata una coppia da erogare, di cui l'ISG preleva la percentuale necessaria per alimentare con energia la rete di bordo e la batteria della rete di bordo.

In questo modo può essere generata più energia tramite l'ISG e il fabbisogno della rete di bordo viene coperto.

Se si dovesse verificare un aumento del consumo, ad es. in seguito all'inserimento del climatizzatore, la batteria della rete di bordo a 48 V interviene per tamponare il consumo. Se la rete di bordo a 48 V è sovraccarica con l'attuale numero di giri, ha luogo un aumento del numero di giri nominale del motore. Grazie alle caratteristiche positive dell'ISG il cliente percepisce questo aumento del numero di giri solo guardando il contagiri.

Le condizioni in presenza delle quali è l'ISG a provvedere alla regolazione del regime di minimo sono riportate nella tabella alla fine del documento. Se una delle condizioni non viene soddisfatta, la regolazione del regime di minimo viene effettuata dal regolatore del regime di minimo convenzionale. Il conducente non può percepire questo passaggio dalla regolazione tramite l'ISG a quella tramite il regolatore del regime di minimo convenzionale.