Integralny rozrusznik-alternator, krótki opis z rozmieszczeniem elementów

Budowa i elementy

Instalacja 48-V składa się z różnych komponentów 48-V i przewodów 48­V.

Zasadnicze komponenty instalacji 48-V to integralny rozrusznik-alternator oraz akumulator 48-V. W trakcie jazdy i w razie potrzeby również podczas postoju instalacja 48-V zasila instalację 12-V energią poprzez przetwornik DC/DC.

P54.10-4601-79

Topologia instalacji 48-V

Powerpack oraz akumulator 12-V znajdują się z tyłu. Integralny rozrusznik-alternator oraz odbiorniki 48-V - elektryczna sprężarka układu klimatyzacji, elektryczna dodatkowa sprężarka, elektryczna pompa wodna i ogrzewanie szyby przedniej - znajdują się z przodu. Przewody odbiorników oraz ISG poprzez gniazdo bezpieczników wstępnych są połączone w wiązkę, przy czym jeden przewód jest poprowadzony po stronie kierowcy do powerpacka 48-V.

Integralny rozrusznik-alternator (ISG)

Integralny rozrusznik-alternator jest trwale przykręcony do wału korbowego w tzw. "konfiguracji P1" między silnikiem a automatyczną skrzynią biegów 9G-TRONIC. Elektroniczny moduł zasilania znajduje się w miejscu zwolnionym przez niepotrzebny już zębnik rozrusznika.

Integralny rozrusznik-alternator w połączeniu z częścią 48­V instalacji elektrycznej generuje maksymalną moc 16 kW i wytwarza moment obrotowy 220 Nm. Energię dostarcza osobny akumulator 48­V.

Opis ISG

Integralny rozrusznik-alternator jest na sztywno połączony z wałem korbowym silnika spalinowego. Przy zmianie parametrów pracy silnika spalinowego ISG może przekazywać moment obrotowy na wał korbowy lub odbierać moment obrotowy z wału korbowego, toteż zmiany momentu obrotowego zdawanego przez wał korbowy mieszczą się w założonych granicach.

ISG może wprowadzać również dalsze ingerencje w moment obrotowy na wale korbowym, np.  następujące w wyniku zmian kąta wyprzedzenia zapłonu, realizowanych bez udziału ISG. Ponadto możliwe są nie tylko ujemne ingerencje w moment obrotowy – jak w przypadku zmian kąta wyprzedzenia zapłonu – ale również dodatnie. Rozszerza to zdecydowanie możliwości realizacji strategii przełączania.

Zwłaszcza przełączanie między różnymi trybami pracy silnika spalinowego może następować bez wpływu na moment obrotowy.

Podczas przełączeń nie ma skokowych zmian momentu obrotowego, powodowanych zmianą warunków pracy silnika. Znacząco redukowane są również momenty powodowane niewyważeniem i siłami tnącymi na wale korbowym.

Wibracje silnika spalinowego, wynikające ze zmian obciążenia, prędkości obrotowej i parametrów pracy, zostają wyeliminowane lub złagodzone. Efektem jest znaczny wzrost komfortu jazdy.

Kolejną zaletą jest zapobieganie ujemnym zmianom kąta wyprzedzenia zapłonu, dzięki czemu silnik spalinowy może stale pracować z optymalną sprawnością. Ma to pozytywny wpływ na zużycie paliwa.

Integralny rozrusznik-alternator z uwagi na właściwości jest elektryczną maszyną, która doskonale sprawdza się przy odbieraniu i przekazywaniu momentu obrotowego, gdyż poprzez proste zasterowanie umożliwia bardzo szybkie i precyzyjne wytwarzanie i przyjmowanie siły.

Skokowe zmiany momentu obrotowego, również następujące w szybkich sekwencjach, są przy tym równoważone lub przynajmniej następuje ograniczenie skutków.

P54.10-4593-81

P08.00-2162-01

Schemat działania przedstawia połączony z silnikiem spalinowym (2) integralny rozrusznik-alternator (1). W przykładowej wersji silnik spalinowy ma sześć komór spalania (2.1 do 2.6) i jeden wał korbowy (2.7). Kierowca poprzez pedał gazu (3) narzuca zadany moment obrotowy i polecenie jest interpretowane przez moduł sterujący ME (4). Działaniem ISG, w dużym stopniu niezależnym od silnika spalinowego, steruje moduł sterujący rozrusznika-alternatora (5). W związku z tym konieczna jest komunikacja między modułem sterującym silnika i modułem sterującym rozrusznika-alternatora, następująca na przykład przez szynę CAN (6).

Ingerencje w kąt wyprzedzenia zapłonu

Istotnym parametrem dla bazującego na obliczeniach modelowych sterowania pracą silnika jest żądany przez kierowcę moment obrotowy - w oparciu o model momentów wyznaczany jest zadany wskaźnik wypełniania - masa powietrza na cylinder i suw. Stanowi to podstawę wyznaczania dalszych parametrów pracy silnika spalinowego w celu osiągnięcia żądanego momentu. Parametry te obejmują na przykład kąt otwarcia przepustnicy, położenia, wzgl fazy wałków rozrządu, kąt wyprzedzenia zapłonu oraz dawki i czasy wtrysku.

W określonych sytuacjach podczas jazdy, bądź w trakcie przełączania trybów działania, realizowanego np. przez CAMTRONIC, pracujący w optymalnych warunkach silnik mógłby zdawać większy moment, niż wymagany przez kierowcę, strategię działania itd. W przypadku konwencjonalnego silnika nadmiarowy moment jest niwelowany przez zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu i wynikające z tego pogorszenie współczynniika sprawności.

Ingerencje segmentowo-synchroniczne

Podczas ingerencji segmentowo-synchronicznych – segment oznacza przy tym suw pracy cylindra – nadmiar momentu jest kompensowany przez ISG. Jest to możliwe dzięki sztywnemu połączeniu ISG z wałem korbowym, przez co obroty są zsynchronizowane z silnikiem.

W celu ustalenia zadanego momentu dla ISG najpierw obliczany jest przewidywany wskaźnik wypełnienia, z którego wynika moment obrotowy przewidywany przy optymalnym kącie wyprzedzenia zapłonu. Różnica między momentem przewidywanym a żądanym przez kierowcę stanowi wartość momentu synchronicznie odbieranego przez ISG. Obliczenia prognostyczne są konieczne w celu wyeliminowania zwłoki powodowanej czasem przekazywania sygnału między silnikiem a ISG, aby ISG odbierał moment równocześnie z jego wytwarzaniem przez dany cykl spalania.

Minimalny i maksymalny moment odbierany przez ISG jest ograniczony w zależności od aktualnego ustawienia ISG i poziomu naładowania akumulatora. Jeżeli wymagający kompensacji moment przekracza tę granicę, pozostała część nadmiarowa momentu jest niwelowana przez zmianę kąta wyprzedzenia zapłonu.

Silnik może redukować moment obrotowy jedynie kosztem pogorszenia współczynnika sprawności, natomiast ISG daje również możliwość pozytywnego oddziaływania na moment. Ponadto zdawanie momentu przez silnik bazuje na modelowych wielkościach narzucanych przez moduł sterujący, podlegających (modelowym) odchyleniom i wykazujących określone tolerancje. ISG umożliwia bardziej precyzyjne ustawienie momentu, co zwiększa również komfort. Zaletą tego rozwiązania jest również fakt, że silnik podczas ingerencji pracuje w niemal optymalnych warunkach a nadmiarowy moment jest rekuperowany, co wiąże się z ograniczeniem emisji dwutlenku węgla (CO2).

Regulacja prędkości obrotowej biegu jałowego

W silnikach z ISG regulacja prędkości obrotowej biegu jałowego jest ukierunkowana na oszczędzanie paliwa.

Nie zrezygnowano z tradycyjnej regulacji prędkości obrotowej biegu jałowego; funkcja jest uruchamiana w sytuacji, gdy warunki poprawnego działania ISG nie są spełnione.

Zadana wartość prędkości obrotowej biegu jałowego jest ustawiana odpowiednio do trybu pracy. Potrzeby energetyczne odbiorników w instalacji elektrycznej spełnia funkcja alternatora ISG. Konieczny udział momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik jest przejmowany i przekształcany przez ISG w celu zasilania instalacji elektrycznej i akumulatora.

W efekcie ISG jest w stanie wytwarzać więcej energii, w pełni pokrywając potrzeby instalacji elektrycznej.

Zwiększone zużycie energii, np.  na skutek włączenia klimatyzacji, jest buforowane przez akumulator 48-V. Jeśli przy utrzymywanej prędkości obrotowej instalacja 48-V nie dysponuje wystarczającą energią, następuje zwiększenie zadanej prędkości obrotowej silnika. W efekcie pozytywnych właściwości ISG wzrost prędkości obrotowej jest zauważalny dla klienta nie tylko na obrotomierzu.

Warunki, w których ISG przejmuje regulację prędkości obotowej biegu jałowego są wykazane w tabeli na końcu tego dokumentu. Jeżeli jeden z warunków nie jest spełniony, uruchamiana jest konwencjonalna funkcja regulacji prędkości obrotowej biegu jałowego. Przejście z regulacji przez ISG na konwencjonalną funkcję regulacji prędkości obrotowej biegu jałowego następuje w sposób niezauważalny dla kierowcy.