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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung
der Drehzahl eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors,
bei schnellen Lastmomentänderungen.
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Stand der Technik
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In
heutigen Verbrennungsmotoren wird die Maximaldrehzahl begrenzt,
indem das innere Motormoment begrenzt wird. Dies erfolgt mit Hilfe
einer geeigneten Regelung. Als Regelgröße wird neben der momentanen
Drehzahl auch eine Prädiktion
des Drehzahlverlaufs verwendet, um so das Eingreifen der eigentlichen
Regelung starten zu können,
bevor die Maximaldrehzahl überschritten
ist. Dabei wird auf Basis des aktuellen Drehzahlgradienten eine
Drehzahl geschätzt,
die sich nach einer bestimmten Zeit (Prädiktionszeit) einstellen würde. Dadurch
kann eine Drehzahlbegrenzung bereits eingreifen, bevor sich die
aktuelle Motordrehzahl bei oder über
der Maximaldrehzahl befindet. Durch Berücksichtigen des Drehzahlgradienten
wird sichergestellt, dass die eigentliche Motordrehzahl auf ihren
Maximalwert zuverlässig
eingeregelt wird und der Maximalwert nicht oder nur kurzzeitig überschritten
wird.
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Bei
Schaltvorgängen
in einem Kraftfahrzeug, insbesondere unter Volllast, liegt kurzzeitig
kein geschlossener Antriebsstrang vor, d. h. es besteht kein Kraftschluss
zwischen dem Motor und den Rädern des
durch den Motor angetriebenen Fahrzeugs. Dadurch kann sich die Motordrehzahl
bei Rückschaltvorgängen sehr
schnell erhöhen,
und es werden sehr steile Drehzahlgradienten erreicht. Diese Drehzahlgradienten
bei einem kurzzeitigen offenen Kraftschluss sind in nicht plausibilisierter
Form jedoch nicht aussagekräftig
für das
Verhalten der Drehzahl bei geschlossenem Kraftschluss, da sich bei
geschlossenem Kraftschluss sehr viel geringere Drehzahlgradienten
einstellen würden.
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Da
bei einem Schaltvorgang der Zustand des offenen Kraftschlusses jedoch
nur für
eine sehr kurze Zeit, nämlich
für die
Zeit des Schaltvorgangs, vorliegt, führt die Drehzahlprädiktion,
die den Drehzahlgradienten berücksichtigt,
womöglich
zu einem Eingriff, ohne dass die tatsächliche Gefahr besteht, dass die
Drehzahl des Motors die vorgegebene Maximaldrehzahl übersteigt.
Insbesondere bei einem Schaltvorgang, bei dem z. B. bei einem Durchtreten
des Gaspedals (Kickdown) durch einen Fahrer ein Überholvorgang eingeleitet wird,
ist das Eingreifen der Drehzahlbegrenzung in Folge eines hohen prädizierten
Drehzahlgradienten hinderlich, da in diesem Fall während des
Schaltvorgangs das Drehmoment verringert wird. Dem Fahrer steht
somit während
(und möglicherweise
unmittelbar nach) dem Schaltvorgang nur ein verringertes Drehmoment
zur Verfügung.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl eines Motors zur Verfügung zu stellen,
bei der die Drehzahlbegrenzung den Drehzahlgradienten in plausibilisierter
Weise berücksichtigt
bzw. einen plausibilisierten (modellierten) Drehzahlgradienten berücksichtigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
oben stehende Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch
1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch
gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Begrenzung der Maximaldrehzahl
eines Motors durch Vorgabe eines Sollmoments vorgesehen. Das Sollmoment
des Motors ist abhängig
von der Maximaldrehzahl und einer prädizierten Drehzahl, die von
der momentanen Drehzahl und einem Drehzahlgradienten abhängt, ermittelbar,
so dass die Drehzahl des Motors begrenzt wird. Der Drehzahlgradient
wird abhängig
von einem Zustand des Kraftschlusses zum Motor bei der Ermittlung
des Sollmoments berücksichtigt.
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Das
obige Verfahren ermöglicht
es, den Einfluss des Drehzahlgradienten bei der Begrenzung des inneren
Motormoments zur Begrenzung der Maximaldrehzahl des Motors zu plausibilisieren
und entsprechend einem Ereignis, das zu einer Lastmomentänderung
am Antriebsstrang führt,
für die
Drehzahlbegrenzung zu berücksichtigen.
Somit kann z. B. bei einem Schaltvorgang, bei dem der Antriebsstrang kurzzeitig
geöffnet
wird, der daraus resultierende hohe Drehzahlgradient nicht oder
in einem geringeren Maße
berücksichtigt
werden, um keinen Eingriff der Begrenzung des inneren Drehmoments
auszulösen.
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Weiterhin
kann abhängig
von einem ersten Zustand des Kraftschlusses, insbesondere bei geschlossenem
Kraftschluss, der Drehzahlgradient berücksichtigt und abhängig von
einem zweiten Zustand des Kraftschlusses, insbesondere bei geöffnetem
Kraftschluss, der Drehzahlgradient nicht berücksichtig werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann das Sollmoment des Motors abhängig von der prädizierten
Drehzahl ermittelt werden, die von einem Drehzahlgradienten abhängt, der
gemäß dem Zustand des
Kraftschlusses mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet wird. Weiterhin
kann der Zustand des Kraftschlusses durch einen Kopplungszustand
einer Kupplung bestimmt werden.
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Der
Zustand des Kraftschlusses zum Motor kann durch ein Ereignissignal
angegeben werden. Dann kann der Drehzahlgradient abhängig von
einem ersten Zustand des Ereignissignals, der eine Öffnung des
(Kraftschlusses angibt, angepasst werden, wobei die Anpassung um
eine erste Zeitdauer ab dem Einnehmen des ersten Zustands des Ereignissignals
verzögert
erfolgt, und/oder während
einer zweiten Zeitdauer erfolgt, während der der Drehzahlgradient
mit abnehmender Gewichtung gewichtet wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann der Drehzahlgradient abhängig
von einem zweiten Zustand des Ereignissignals, das ein Schließen des
Kraftschlusses angibt, angepasst werden, wobei die Anpassung um
eine dritte Zeitdauer ab dem Einnehmen des zweiten Zustands des
Ereignissignals verzögert
erfolgt, und/oder während
einer vierten Zeitdauer erfolgt, während der der Drehzahlgradient
mit zunehmender Gewichtung gewichtet wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Begrenzung der Maximaldrehzahl
eines Motors durch Vorgabe eines Sollmoments vorgesehen. Die Vorrichtung
umfasst eine Motorsteuerung, um das Sollmoment des Motors abhängig von
der Maximaldrehzahl und einer prädizierten
Drehzahl, die von der momentanen Drehzahl und einem Drehzahlgradienten
abhängt,
zu ermitteln, so dass die Drehzahl des Motors begrenzt wird. Die
Motorsteuerung ist weiter ausgebildet, um den Drehzahlgradienten
abhängig
von einem Zustand des Kraftschlusses zum Motor für die Ermittlung des Sollmoments
zu berücksichtigen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode
enthält,
der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird,
das obige Verfahren ausführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer Drehzahlbegrenzung
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm zur Darstellung der Funktion der Drehzahlbeschränkung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ein
Blockdiagramm zur Darstellung der Funktion der Drehzahlbeschränkung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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4 ein
Diagramm zur Darstellung der zeitlichen Verläufe der Drehzahl, der prädizierten
Drehzahl sowohl ohne als auch mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
bei einem Schaltvorgang eines automatischen Getriebes.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 dargestellt,
in dem eine Drehzahlbegrenzung gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert
werden kann. Das Motorsystem 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 2,
insbesondere einen Verbrennungsmotor, der über einen Antriebsstrang 3 und über eine
Kupplung 5 mit einem Getriebe 4 koppelbar ist.
Zur Steuerung der Kupplung 5 und des Getriebes 4 ist
eine Getriebesteuerung 6 vorgesehen, die z. B. die Funktionen
ei nes Automatikgetriebes in einem Kraftfahrzeug übernimmt. Zur Steuerung des Motors 2,
der bspw. ein Verbrennungsmotor sein kann, ist eine Motorsteuerung 7 vorgesehen,
die zur Steuerung des Verbrennungsmotors 2 eine Drehzahlinformation über eine
Drehzahl n entweder unmittelbar aus dem Verbrennungsmotor 2 oder über einen Drehzahlsensor 8,
der an dem Antriebsstrang 3 angeordnet ist, erhält.
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Insbesondere
bei Verwendung eines solchen Motorsystems 1 in einem Kraftfahrzeug
ist der entsprechende Verbrennungsmotor 2 in seiner maximalen
Drehzahl begrenzt, z. B. um eine Schädigung des Motors 2 durch
eine zu hohe Drehzahl zu vermeiden. Die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 wird
begrenzt, indem das Sollmoment des Verbrennungsmotors, das eine
Eingangsgröße für die Momentenregelung
des Verbrennungsmotors 2 ist, entsprechend reduziert wird.
Die Drehzahlbegrenzung wird in der Motorsteuerung 7 neben
anderen Funktionen zum Ansteuern des Verbrennungsmotors 2 ausgeführt. Bei
der Drehzahlbegrenzung wird weiterhin der Drehzahlgradient, d. h.
der zeitliche Verlauf der Drehzahl, berücksichtigt. Dazu wird mit Hilfe
des Drehzahlgradienten eine Drehzahlprädiktion durchgeführt. Die
Drehzahlprädiktion
erfolgt üblicherweise so,
dass eine künftige
Drehzahl geschätzt
wird, die sich nach einer bestimmten Prädiktionszeit unter der Annahme
eines während
der Prädiktionszeit
konstanten Drehzahlgradienten einstellt. Somit kann für die Drehzahlbegrenzung
eine geschätzte
künftige Drehzahl
des Verbrennungsmotors 2 nach Ablauf einer vorbestimmten
Prädiktionszeit
tpr bestimmt werden. Dadurch ist es der
Motorsteuerung 7 möglich, eine
Beschränkung
des Sollmoments des Verbrennungsmotors 2 bereits vor dem
tatsächlichen
Erreichen der Maximaldrehzahl des Verbrennungsmotors 2 zu
reduzieren, um so ein Überschwingen
der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 über die Maximaldrehzahl möglichst
zu vermeiden. Die Prädiktionszeit tpr kann im Wesentlichen frei festgelegt werden
und beträgt
bei Verbrennungsmotoren für
den Einsatz in Kraftfahrzeugen üblicherweise
zwischen 50 ms und einer Sekunde, vorzugsweise zwischen 70 ms und 500
ms, besonders bevorzugt zwischen 90 ms und 300 ms, und insbesondere
bei 200 ms.
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In 2 ist
ein Blockdiagramm zur Darstellung der vorzugsweise in der Motorsteuerung 7 ausgeführten Funktion
zur Drehzahlbeschränkung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Die Motorsteuerung 7 erfasst
die aktuelle Drehzahl n in geeigneter Weise und ermittelt daraus in
einer Differenzierstufe 11 den momentanen Drehzahlgradienten
ngrad. In einer Tiefpassfilterstufe 12 wird
der Drehzahlgradient ngrad tiefpassgefiltert,
um ein z. B. aufgrund der Diskretisierung des Drehzahlsignals vorkommendes
Rauschen aus dem Signal für den
Drehzahlgradienten ngrad herauszufiltern.
Der gefilterte Drehzahlgradient wird einer Multiplizierstufe 13 zugeführt, in
der der Drehzahlgradient ngrad mit der vorgegebenen
Prädiktionszeit
tpr multipliziert wird. Damit kann eine
Drehzahländerung Δn nach der
Prädiktionszeit
tpr ermittelt werden unter der Voraussetzung,
dass sich während
der Prädiktionszeit
der ermittelte Drehzahlgradient im Wesentlichen nicht ändert. Die
so ermittelte Drehzahländerung Δn wird gemeinsam
mit der Drehzahl n einer Summierstufe 14 zugeführt, um
eine prädizierte
Drehzahl npr zu ermitteln.
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Im
Normalbetrieb des Motorsystems 1 wird diese prädizierte
Drehzahl npr einer Sollmomentenvorgabestufe 16 zugeführt, um
das Sollmoment Mmot_soll zu ermitteln, mit
dem der Verbrennungsmotor 2 in entsprechender Weise durch
die Motorsteuerung 7 angesteuert wird. Die Sollmomentenvorgabestufe 16 umfasst
ein Kennfeld, eine Funktionsbeziehung oder eine geeignete Regelung,
um das Sollmoment Mmot_soll zu ermitteln.
Die Einregelung der Maximaldrehzahl erfolgt also im einfachsten
Fall über
ein drehzahlabhängiges
(bzw. von der prädizierten
Drehzahl abhängiges)
Begrenzungsmoment aus einer Kennlinie. Weiterhin kann eine Regelung
vorgesehen sein, dessen Regelgröße die Drehzahldifferenz
zwischen der Maximaldrehzahl und der prädizierten Drehzahl ist.
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Tritt
ein Ereignis auf, bei dem z. B. der Antriebsstrang 3 aufgrund
eines Öffnens
der Kupplung 5 unterbrochen wird und somit der Kraftschluss
geöffnet
wird, so kann dies einen hohen Drehzahlgradienten bewirken, der
unter Umständen,
d. h. bei einer hohen Drehzahl n, die nahe einer Maximaldrehzahl liegt,
zu einer Redu zierung des Sollmoments des Verbrennungsmotors Mmot_soll durch die Sollmomentenvorgabestufe 16 führen kann.
Im Falle eines Schaltvorgangs, bei dem bereits im Voraus bekannt ist,
dass dieser nach einer bestimmten (kurzen) Zeitdauer abgeschlossen
ist, ist jedoch ein Eingriff der Drehzahlbeschränkung aufgrund eines hohen
Drehzahlgradienten nicht erforderlich und unter Umständen, nämlich bei
einem Zurückschalten
aufgrund eines beginnenden Überholmanövers des
Kraftfahrzeugs, hinderlich, da dadurch die Schaltdauer verlängert sein
kann und möglicherweise
das unmittelbar nach dem Schalteingriff bereitgestellte Antriebsmoment
reduziert wird. Daher ist vorgesehen, mit Hilfe eines Ereignissignals
E eine Umschaltstufe 15 so anzusteuern, dass bei einem
Ereignis, von dem bekannt ist, dass es nur für eine begrenzte Zeitdauer
zu einer Erhöhung
des Drehzahlgradienten führen
kann, wie es bspw. bei einem Schaltvorgang, bei einem ESP-Eingriff
und dergleichen der Fall ist, anstelle des prädizierten Drehzahlsignals npr lediglich das Drehzahlsignal n der Sollmomentenvorgabestufe 16 zugeführt wird,
um daraus das Sollmoment Mmot_soll des Verbrennungsmotors 2 zu
bestimmen. Das Ereignissignal E wird im gezeigten Ausführungsbeispiel
von der Getriebesteuerung 6 bereitgestellt, die ebenfalls Kupplung 5 und
das Getriebe 4 ansteuert und somit das Ereignissignal E
so generieren kann, dass diese den Zeitpunkt des Öffnens des
Kraftschlusses und den Zeitpunkt des Schließens des Kraftschlusses in geeigneter
Weise angibt.
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Ein
Zurückschalten
der Umschaltstufe 15, so dass die prädizierte Drehzahl npr in der Sollmomentenvorgabestufe 16 wieder
berücksichtigt
wird, erfolgt, sobald der Kraftschluss wieder geschlossen ist, was
durch das Ereignissignal E angezeigt wird.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform
für das
Verfahren zur Begrenzung der Drehzahl n des Verbrennungsmotors 2 dargestellt.
Im Unterschied zur Ausführungsform
der 2 ist bei der Ausführungsform der 3 keine
Umschaltstufe 15 vorgesehen, die aufgrund eines Ereignissignals
E zwischen der momentanen Drehzahl n und der prädizierten Drehzahl npr umschaltet. Stattdessen ist bei der Ausführungsform
der 3 vorgesehen, dass die Drehzahl n in einer Differenzierstufe 21 abgeleitet wird,
um ngrad zu erhalten. Der Drehzahlgradient
ngrad wird in einer Tiefpassfilterstufe 22 tiefpassgefiltert und
einer Multiplizierstufe 23 zugeführt, um den gefilterten Drehzahlgradienten
ngrad mit einer vorgegebenen Prädiktionszeit
tpr zu multiplizieren. Dies entspricht im
Wesentlichen den entsprechenden Teilfunktionen der Ausführungsform
der 2. Als Ergebnis erhält man eine Drehzahländerung Δn, die die geschätzte Drehzahländerung
nach der vorbestimmten Prädiktionszeit
tpr angibt.
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Anstatt
nun die Drehzahländerung Δn und die
aktuelle Drehzahl n zu addieren, um die prädizierte Drehzahl npr zu erhalten, ist eine weitere Multiplizierstufe 24 vorgesehen,
die die Drehzahländerung Δn mit einem
Gewichtungswert EG beaufschlagt, wodurch der Einfluss des Drehzahlgradienten
ngrad für die
Bestimmung des Sollmoments Mmot_soll des
Verbrennungsmotors 2 festgelegt werden kann. Im dargestellten
Beispiel wird der Drehzahlgradient bei einem Gewichtungswert von
0 nicht berücksichtigt
und bei einem Gewichtungswert von 1 wird der Drehzahlgradient ngrad in vollem Maße berücksichtigt, wie es bspw. für den Normalbetrieb
gewünscht
ist. Die gewichtete Drehzahländerung Δn × EG wird
einer Summierstufe 26 zugeführt, in der die gewichtete
Drehzahländerung
zu der Drehzahl n addiert wird und als prädizierte Drehzahl npr einer entsprechenden Sollmomentenvorgabestufe 27 bzw.
einer entsprechenden Momentenregelung für den Verbrennungsmotor zugeführt wird,
um das Sollmoment Mmot_soll des Verbrennungsmotors 2 zu
erhalten. Die Ausführungsform
der 3 hat den Vorteil, dass der für die Durchführung des
Verfahrens relevante Drehzahlgradient ngrad modelliert
werden kann, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn die Information über den
Kraftschluss vor und nach den Schaltvorgängen nur unzureichend genau,
z. B. durch die Getriebesteuerung 6 bestimmt werden kann.
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Der
Gewichtungsfaktor EG kann bspw. abhängig von dem Kopplungszustand
der Kupplung 5 festgelegt werden. Weiterhin kann der Gewichtungsfaktor
EG bei Öffnen
der Kopplung, d. h. bei Öffnen des
Kraftschlusses, nach Ablauf einer bestimm ten ersten Zeitdauer t1 linear, parabolisch oder über eine andere
(vorzugsweise monotone) Funktion während einer zweiten Zeitdauer
t2 von 0 auf 1 verändert werden. In gleichem Maße kann
bei Schließen
des Kraftschlusses der Gewichtungsfaktor EG nach Ablauf einer dritten
Zeitdauer t3 verzögert entweder sprunghaft von
1 auf 0 oder entsprechend linear, parabolisch oder über eine
andere (vorzugsweise monotone) Funktion während einer vierten Zeitdauer
t4 von 1 auf 0 verändert werden. Durch die sprunghafte Änderung
der Gewichtungsfaktoren 0 und 1 kann im Übrigen die gleiche Funktion
realisiert werden, wie mit Hilfe der Umschaltstufe 15 der
Ausführungsform
der 2.
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In 4 sind
Diagramme dargestellt, die den zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl
n, der prädizierten
Motordrehzahl npr, des eingelegten Ganges,
sowie der Motordrehzahl n' ohne
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
abbilden. 4 zeigt einen Schaltvorgang
bei einem Schalten von einem zweiten Gang in einen ersten Gang durch
die Getriebesteuerung für
das automatische Getriebe. Man erkennt, dass bei einem herkömmlichen
Verfahren die tatsächliche
Drehzahl n des Motors deutlich über- bzw.
unterschwingt im Vergleich zur Motordrehzahl, die sich bei Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergibt.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass bei einer Momentenbegrenzung,
die den Drehzahlgradienten berücksichtigt,
keine unnötig
verfrühte
Begrenzung des Sollmoments Mmot_soll des
Verbrennungsmotors 2 aufgrund einer fälschlicherweise erwarteten Überschreitung
der Maximaldrehzahl nMAX erfolgt. Weiterhin
wird durch das erfindungsgemäße Verfahren
sichergestellt, dass die Motorleistung bei kurzzeitiger Unterbrechung
des Kraftschlusses nicht durch die Momentenregelung begrenzt wird,
wie z. B. bei Rückschaltvorgängen in
einen niedrigeren Gang zur Einleitung eines Überholmanövers. Der Motormechanikschutz
ist sicher gestellt. Die Schaltdauer ist nicht durch eine fälschlicherweise
erwartete Überschreitung
der Maximaldrehzahl nMAX verlängert (optimale
kurze Schaltdauer wird erreicht).
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Das
Vorsehen der Gewichtungsfaktoren EG zum Gewichten der Drehzahländerung Δn ist gegenüber einem
harten Umschalten, wie es bei der Ausführungsform der 2 gezeigt
ist, dann sinnvoll, wenn keine abgesicherte Information zur Verfügung steht,
ob tatsächlich
ein Schaltvorgang ohne Kraftschluss stattfindet bzw. dann, wenn
während
des Schaltvorgangs ein Kompromiss zwischen Motorschutz und maximaler
Leistungsabgabe gefunden werden soll oder wenn der Kraftschluss
nicht vollständig
geöffnet,
sondern nur teilweise offen, d. h. die Kupplung z. B. schleifend
ist.
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Nach
Beendigung des Schaltvorgangs sollte entsprechend wieder ein Kraftschluss
vorliegen. Da sich der tatsächliche
formschlüssige
Kraftschluss jedoch erst verzögert
einstellt, wird die Drehzahlprädiktion
mittels eines zeitlichen Verlauf eines Faktors reaktiviert. Dadurch
ist sichergestellt, dass die Aktivierung der Drehzahlbegrenzung
immer einen möglichst plausibilisierten
Wert der Drehzahl/des Drehzahlgradienten verwendet.