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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl
eines Verbrennungsmotors, der eine elektronische Drosselklappe aufweist.
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Bei mit elektronischen Drosselklappen
ausgerüsteten
Motoren wird der Luftstrom in den Motor in der Regel abhängig von
dem gewünschten
Motordrehmoment bestimmt, welches aus der Stellung des Gaspedals
bestimmt wird. Eine derartige drehmomentbasierte Steuerung erweist
sich für
alle Betriebszustände
als geeignet, bei denen der Fahrer ein nicht vernachlässigbares
Drehmoment anfordert. Im Leerlauf jedoch, bei dem der Fahrer kein
an die Räder
des Fahrzeugs abzugebendes Drehmoment anfordert, liegt die Zielvorgabe
darin, eine konstante Motordrehzahl aufrechtzuerhalten. Üblicherweise wird
hierzu eine Rückkopplungsregelung
anhand des Luftflusses vorgenommen, um im Leerlauf eine gewünschte konstante
Motordrehzahl zu erreichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurde ein Problem erkannt, das bei der Kombination einer luftflussbasierten
Steuerung im Leerlaufmodus mit einer motordrehmomentbasierten Steuerung
bei größerem Drehmomentbedarf
auftritt. Insbesondere wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung
erkannt, dass die Leerlaufdrehzahl – bedingt durch einen Drehmomentstoß – bei einem Übergang
zwischen den bei den Motorsteuerungsmodi von dem gewünschten Wert
abweichen kann.
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Weiterhin wurde im Rahmen der vorliegenden
Erfindung erkannt, dass eine luftflussbasierte Regelung im Leerlauf
zu einer verschlechterten Kontrolle der Motordrehzahl bei einem Übergang
zwischen den Betriebsmodi bei einem Motor mit variablem Hubraum
führt.
Bei einem Motor mit variablem Hubraum können einzelne Zylinder bei
niedrigem Drehmoment deaktiviert werden, wodurch – im Vergleich
zum Einsatz sämtlicher
Zylinder – eine
verbesserte Kraftstoffökonomie
zur Lieferung des gewünschten
Drehmoments angestrebt wird. Ein Problem liegt in der Gewährleistung
einer konstanten Leerlaufdrehzahl, wenn eine Änderung der Anzahl der aktivierten
Zylinder vorgenommen wird.
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Es wurde von den Erfindern der vorliegenden Erfindung
zunächst
der Versuch unternommen, zwei Aktuatoren, d.h. insbesondere die
Zündung
und die Drosselklappe, beide basierend auf einer einzigen Größe, nämlich dem
Leerlauf-Drehmoment, zu regeln. Durch eine derartige Vorgehensweise
wurde jedoch die Regelungsqualität
der Leerlaufdrehzahl verschlechtert, weil die beiden Aktuatoren,
die beide anhand desselben Befehls zur Änderung des Leerlaufdrehmoments
arbeiten, sich gegenseitig beeinflussten, was eine zuverlässige Regelung
der Motordrehzahl unmöglich
machte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung
zur Regelung der Leerlaufdrehzahl bereitzustellen, welches bzw.
welche die Nachteile der vorstehend genannten Lösungsansätze vermeidet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein
Verfahren bzw. eine Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl
eines Motors ba sierend auf dem Leistungsbedarf vorgeschlagen, bei
dem bzw. bei der folgende Merkmale vorgesehen sind: Bestimmung einer Ziel-Motorleerlaufdrehzahl
basierend auf einem Motorbetriebszustand; Bestimmung eines Leistungsbedarfs
basierend auf der Ziel-Motorleerlaufdrehzahl; Bestimmung der aktuellen
Motordrehzahl; Ansteuerung eines ersten Motoraktuators (z.B. eines
langsameren Aktuators) basierend auf dem Leistungsbedarf und der
Ziel-Motorleerlaufdrehzahl, und Ansteuerung eines zweiten Motoraktuators
(z.B. eines schnelleren Aktuators) basierend auf dem Leistungsbedarf
und der aktuellen Motordrehzahl.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist der erste Motoraktuator als langsamer Motoraktuator
ausgebildet, bei dem eine Mehrzahl von Motorumdrehungen erforderlich
ist, bis eine Änderung
der Motordrehzahl bewirkt ist. Aufgrund seines relativ trägen Ansprechverhaltens
wird dieser Aktuator abhängig
von der gewünschten
Zieldrehzahl angesteuert. Bei dem zweiten Motoraktuator handelt
es sich dagegen um einen schnellen Motoraktuator, bei dem eine Beeinflussung
des Motors beispielsweise schon beim nächsten Verbrennungsereignis
möglich ist.
Aufgrund dieses relativ schnellen Ansprechverhaltens kann der zweite
Aktuator besonders gut auf Situationen reagieren, bei denen sich
die aktuelle Motordrehzahl ändert.
Beispiele für
langsame Motoraktuatoren sind Drosselklappenaktuatoren sowie bestimmte
Aktuatoren, die das Ventiltiming beeinflussen. Beispiele für schnelle
Motoraktuatoren sind Zündeinstellungsaktuatoren
sowie Kraftstoffaktuatoren.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann ferner vorgesehen sein, dass der Leistungsbedarf basierend
auf einer Abweichung der aktuellen Motordrehzahl von der Ziel-Motorleerlaufdrehzahl
angepasst wird, wodurch ein angepasster Motorleistungsbedarf erhalten
wird. Weiterhin kann im Rahmen des Verfahrens vorgesehen sein, eine gewünschte Leistungsreserve
zu bestimmen und den angepassten Motorleistungsbedarf anhand der gewünschten
Leistungsreserve anzupassen, wodurch ein erster angepasster Leistungsbedarf
erhalten wird. In diesem Fall kann der Schritt der Ansteuerung des
ersten Motoraktuators die Ansteuerung des ersten Motoraktuators
basierend auf dem ersten angepassten Leistungsbedarf und der Ziel-Motorleerlaufdrehzahl
umfassen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem
Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern mit variablem Hubraum eingesetzt
werden, bei dem einer oder mehrere Zylinder deaktiviert werden können. Im
Rahmen der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass der erste
Aktuator – bevorzugt
eine Drosselklappe – basierend
auf der Anzahl der deaktivierten Zylinder und der zweite Aktuator – bevorzugt eine
Zündzeitpunktvorverstellung – ebenfalls
abhängig
von der Anzahl der deaktivierten Zylinder angesteuert wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann ferner
vorgesehen sein, dass ein gewünschtes
Leistungsverhältnis
basierend auf einer gewünschten
Leistungsreserve bestimmt wird, dass ein aktuelles Leistungsverhältnis basierend
auf den Motorbetriebsbedingungen bestimmt wird, und dass der angepasste
Leistungsbedarf basierend auf der Differenz zwischen dem gewünschten
Leistungsverhältnis
und dem aktuellen Leistungsverhältnis
angepasst wird, um einen zweiten angepassten Leistungsbedarf zu
erhalten. Die Ansteuerung des zweiten Motoraktuators kann in diesem
Falle basierend auf dem zweiten angepassten Leistungsbedarf sowie
basierend auf der aktuellen Motordrehzahl erfolgen.
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Ferner wird im Rahmen der vorliegenden
Erfindung eine Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl eines
Verbrennungsmotors mit einem Betriebszustandsensor zur Erfassung
des Betriebszustandes des Motors sowie einem Motordrehzahlsensor
zur Erfassung der aktuellen Motordrehzahl vorgeschlagen. Die Anordnung
umfasst ferner eine elektronische Motorsteuereinheit (ECU), die
in elektrischer Verbindung mit dem Betriebszustandsensor und dem
Motordrehzahlsensor steht, sowie erste und zweite Motoraktuatoren,
die ebenfalls in elektrischer Kommunikation mit der elektronischen
Motorsteuereinheit stehen. Die elektronische Motorsteuereinheit enthält Instruktionen,
mit denen eine Ziel-Motorleerlaufdrehzahl basierend auf dem Motorbetriebszustand
bestimmt wird, Instruktionen zur Bestimmung eines Leistungsbedarfs
basierend auf der Ziel-Motorleerlaufdrehzahl, Instruktionen zur
Steuerung des ersten Motoraktuators basierend auf dem Leistungsbedarf
und der Ziel-Motorleerlaufdrehzahl sowie Instruktionen zur Steuerung
des zweiten Motoraktuators basierend auf dem Leistungsbedarf und
der aktuellen Motordrehzahl.
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Erfindungsgemäß basiert die Leerlaufsteuerung
auf Drehmomenten, die jeweils für
den ersten und den zweiten Aktuator berechnet werden. Da die Steuerung
außerhalb
des Leerlaufzustandes ebenfalls drehmomentbasiert ist, wird im Rahmen
der vorliegenden Erfindung der Übergang
zwischen dem Leerlauf- und
dem Nicht-Leerlaufmodus vereinfacht. Somit wird erfindungsgemäß in vorteilhafter
Weise ein weicherer bzw. glatterer Übergang zwischen den beiden
Betriebsbereichen erreicht. Insbesondere kann der Übergang
ohne eine für
den Fahrer des Fahrzeugs unerwünschte
Drehzahlabweichung oder -diskontinuität bewerkstelligt werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung können weiterhin
besonders glatte Übergänge zwischen
Betriebsmodi bei einem Verbren nungsmotor mit variablem Hubraum (variable
displacement engine, VDE) erzielt werden. Bei einem VDE-Motor werden
einige Motorzylinder deaktiviert, wenn das gewünschte Motordrehmoment niedrig
ist, um eine verbesserte Kraftstoffausnutzung zu erzielen. Insbesondere
während
des Leerlaufs können
bei einem VDE-Motor einige Zylinder deaktiviert werden, um Kraftstoff
einzusparen. Es gibt jedoch auch Situationen, bei denen der Betrieb
sämtlicher
Zylinder im Leerlauf erforderlich ist, z.B. ein Betrieb bei kalten
Wetterlagen, um den Motor und das Nachbehandlungssystem aufzuheizen
und einen "glatten" Motorbetrieb zu
gewährleisten
oder während
der Durchführung
einer Motordiagnose, wie beispielsweise der Überprüfung eines Emissionsbegrenzungssystems
oder während
des Kraftstoffdampfspülvorganges
bei einem Aktivkohlebehälter
usw. Dementsprechend kann ein Übergang zwischen
teilweise unvollständigem
Zylinderbetrieb auch während
des Leerlaufs auftreten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde
erkannt, dass durch die Regelung der Motordrehzahl im Leerlauf entsprechend
der vorliegenden Erfindung – d.h.
basierend auf der Steuerung von ersten und zweiten Aktuatoren anhand
von ersten und zweiten Drehmomenten -, wenn bei der Steuerung der
Aktuatoren zusätzlich
die Anzahl der deaktivierten Zylinder einbezogen wird, ein Übergang
zwischen Teilzylinderbetrieb und Vollzylinderbetrieb bei einem VDE-Motor ohne Auftreten
von Drehzahlflattereffekten erreicht werden kann, da der Leerlaufdrehzahlregler
auch während
des Übergangs
weiterhin aktiviert sein kann.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt darin, dass die Drehmomentberechnung zur Ansteuerung
des ersten Aktuators auf der gewünschten
bzw. Ziel-Leerlaufdrehzahl basiert, und dass die Drehmomentberechnung
zur Ansteuerung des zweiten Aktuators auf der aktuellen Leerlaufdrehzahl
beruht, so dass die Leerlaufdrehzahlregelung insgesamt – im Ver gleich
zu einer Regelung, bei der bei die Aktuatoren anhand desselben Drehmoments
geregelt werden – robuster
ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer Anordnung zur Regelung der Leerlaufdrehzahl
eines Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Flussdiagramm, in dem die Arbeitsweise eines Verfahrens zur Regelung
der Leerlaufdrehzahl gemäß der vorliegenden
Erfindung näher
erläutert
wird;
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3 ein
Flussdiagramm, in dem die Arbeitsweise einer erweiterten Ausführungsform
eines Verfahrens zur Regelung der Motorleerlaufdrehzahl gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert
wird;
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4a und 4b Graphen, anhand derer
der Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung
näher erläutert wird,
und
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5a und 5b Graphen, anhand derer
der Betrieb von Anordnungen gemäß dem Stand
der Technik näher
erläutert
wird.
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In 1 ist
ein Verbrennungsmotor 10 mit einem Einlasskanal 12 dargestellt,
in dem ein Drosselventil 32 angeordnet ist. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist der Verbrennungsmotor 10 vier Zylinder 16 auf,
in denen jeweils Zündkerzen 11 angeordnet
sind. Die Zylinder 16 werden jeweils durch Kraftstoffinjektoren 26 versorgt.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Abgasrückführungssystem (EGR) 19 aus gestattet,
durch welches eine Abgasanlage 14 mit dem Einlasskanal 12 über ein
EGR-Ventil 18 verbunden ist. Der Motorausgang ist weiterhin
mit einer Zahnscheibe 20 verbunden. Die Zähne der Zahnscheibe 20 werden
durch einen Sensor 22 abgetastet, wodurch die Motorsteuerung
die Motordrehzahl bestimmen kann.
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Weiterhin ist gemäß 1 eine elektronische Motorsteuereinheit
(ECU) 40 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen.
Die ECU 40 weist einen Mikroprozessor 46 – nachfolgend
auch als CPU bezeichnet – kommunizierend
mit einer Speicherverwaltungseinheit (MMU) 48 auf. Die
MMU 48 steuert den Datentransport zwischen verschiedenen
computerlesbaren Speichermedien und dient weiterhin der Datenkommunikation
von und zu der CPU 46. Die computerlesbaren Speichermedien
umfassen vorzugsweise flüchtige
und nicht flüchtige Speichermedien,
z.B. Nur-Lese-Speicher (ROM) 50, Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (RAM) 54 sowie Erhaltungsspeicher (KAM) 52.
In dem KAM-Speicher 52 werden verschiedene Betriebsvariablen
gespeichert, wenn die CPU 46 heruntergefahren ist. Die computerlesbaren
Speichermedien können
unter Verwendung beliebiger bekannter Speichervorrichtungen implementiert
werden, beispielsweise durch PROMS (programmable read-only memory), EPROMs
(electrically PROM), EEPROMs (electrically erasable PROMs), Flash-Speicher
oder beliebige andere elektrische, magnetische und/oder optische Speicheranordnungen
oder Kombinationen dieser Speicheranordnungen, mit denen Daten gespeichert werden
können,
von denen manche auch ausführbare
Befehle darstellen können,
die von der CPU 46 zur Steuerung des Motors oder des den
Motor aufweisenden Fahrzeuges benutzt werden. Die computerlesbaren
Speichermedien können
weiterhin Floppy Disks, CD-ROMs, Festplatten od. dgl. enthalten.
Die CPU 46 kommuniziert mit verschiedenen Sensoren und
Aktuatoren durch ein Einga be/Ausgabe-(I/O)-Interface 44.
Beispiele für
Größen, die
unter der Kontrolle der CPU 46 durch das I/O-Interface 44 aktuiert bzw.
angesteuert werden, sind das Kraftstoffeinspritztiming, die Kraftstoffeinspritzrate,
die Kraftstoffeinspritzdauer, die Stellung der Drosselklappe 32, das
Timing der Zündkerzen 11 sowie
die Stellung des EGR-Ventils 18.
Verschiedene andere Sensoren 42 sowie spezifische Sensoren
(z.B. Motordrehzahlsensor 22, Pedalstellungssensor 30,
Einlassabsolutdrucksensor 31, Abgaszusammensetzungssensor 24,
Lufttemperatursensor 34, Luftmassenstromsensor 36 sowie
Motorkühlmitteltemperatursensor 38) kommunizieren über das
I/O-Interface 44 und liefern Größen wie
beispielsweise die Winkelgeschwindigkeit des Motors, die Fahrzeuggeschwindigkeit,
die Kühlmitteltemperatur,
den Einlassdruck, die Gaspedalstellung, die Drosselklappenstellung,
die Lufttemperatur, die Abgasstöchiometrie,
die Konzentration bestimmter Abgasbestandteile oder den Luftfluss bzw.
den Luftmassenstrom. Bei manchen Motorsteuerungen 40 ist
keine separate MMU 48 vorgesehen. Falls keine MMU 48 vorgesehen
ist, verwaltet die CPU 46 die Daten und ist direkt mit
dem ROM 50, dem RAM 54 und dem KAM 52 verbunden.
Selbstverständlich
kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch mehr als eine CPU 46 zur
Steuerung des Motors eingesetzt werden. Weiterhin kann die ECU 60 mehrere
ROMS 50, RAMs 54 und/oder KAMs 52 aufweisen,
die mit einer MMU 48 oder der CPU 46 gekoppelt
sind – je
nach konkretem Anwendungsfall.
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In 2 ist
eine vereinfachte Version eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Das Verfahren beginnt mit Schritt 60. Ausgehend
von Schritt 60 werden sowohl Schritt 62 (Bestimmung
der Ziel-Leerlaufdrehzahl) und 64 (Bestimmung der aktuellen
Leerlaufdrehzahl) in beliebiger Reihenfolge durchgeführt. Basierend
auf der Ziel-Leerlaufdrehzahl
kann dann in Schritt 66 der Leerlauf- Leistungsbedarf bestimmt werden. Basierend
auf dem bekannten Zusammenhang Leistung = 2·π·Drehmoment·Drehzahl werden
zwei Drehmomente berechnet. In Schritt 68 wird ein erstes
Drehmoment basierend auf dem Leerlauf-Leistungsbedarf – wie in
Schritt 66 bestimmt – sowie
basierend auf der Ziel-Leerlaufdrehzahl – wie in
Schritt 62 bestimmt – berechnet: Drehmoment1 = Leistung/(2·π·DrehzahlZiel).
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In Schritt 70 wird ein zweites
Drehmoment basierend auf dem Leerlauf-Leistungsbedarf (aus Schritt 66)
und der aktuellen Leerlaufdrehzahl, wie in Schritt 64 bestimmt,
berechnet: Drehmomente = Leistung/(2·π·Drehzahlaktuell).
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Das erste Drehmoment wird dann in
Schritt 72 zur Ansteuerung eines langsamen Aktuators herangezogen,
und das zweite Drehmoment wird zur Ansteuerung eines schnellen Aktuators
in Schritt 74 verwendet. Die Routine gemäß 2 wird im Leerlaufzustand
fortgesetzt, wobei bei einem Bedarf für ein positives Ausgangsdrehmoment
durch den Fahrer ein alternatives Steuerungsschema verwendet wird,
welches nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
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Bei dem ersten Motoraktuator handelt
es sich um einen langsamen Motoraktuator, bei dem mehrere Motorzyklen,
z.B. drei bis zehn Motorumdrehungen, zur Änderung der Motordrehzahl erforderlich sind.
Beispiele für
derartige langsame Motoraktuatoren sind eine Drosselklappe 32 oder
Ventilaktuatoren (nicht dargestellt), wie z.B. Aktuatoren für variable Nockenwellen
oder Aktuatoren für
einen variablen Ventilhub, jeweils hydraulisch betätigt. Das
Drosselventil 32 weist einen großen Einstellbereich auf, so dass
mit diesem eine fortschreitende Erhöhung des gewünschten
Drehmoments realisiert werden kann.
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Bei dem zweiten Motoraktuator handelt
es sich um einen schnellen Aktuator, durch den Änderungen des Motordrehmoments – und damit
der Motordrehzahl – schon
innerhalb einer Motorumdrehung realisiert werden können. Der
zweite Motoraktuator ist typischerweise als elektronisches Zündungssystem
ausgebildet, durch welches die Zündzeiteinstellung
beeinflusst werden kann. Alternativ kann der zweite Aktuator als
Kraftstoffeinspritzsystem ausgebildet sein, bei dem die Kraftstoffimpulse
für das
jeweils nächste
vorgesehene Kraftstoffeinspritzereignis verstärkt werden können. Weder
die elektronische Zündanlage
noch die Kraftstoffeinspritzanlage weisen einen großen Einfluss-
bzw. Einstellbereich hinsichtlich des Motordrehmoments zur Erhöhung der
Motordrehzahl auf. Deshalb wird ein Bedarf für eine lang andauernde Erhöhung des
Drehmoments durch einen Aktuator mit einem großen Einstellbereich – wie beispielsweise
durch eine Drosselklappe – realisiert.
In einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist der schnelle
Aktuator als Ventilaktuator ausgebildet, bei dem eine Anpassung
innerhalb einer Umdrehung des Motors möglich ist, wie beispielsweise
bei einem solenoidbetätigten
Ventilsystem. Mit einem derartigen schnellen Aktuator steht ein
großer Einflussbereich
auf das Drehmoment zu Verfügung.
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Gemäß 2 kann Schritt 66, in dem die Leerlaufleistungsbedarf
bestimmt wird, als Feed-Forward-Regelglied angesehen werden, bei
dem die Motorverluste geschätzt
werden. Die Motorverluste setzen sich zusammen aus Reibungsverlusten,
Pumparbeit und durch Hilfsaggregate bedingte Verluste. Die Rei bungsverluste
umfassen beispielsweise Zylinder-Ring/Bohrungsreibung, Lagerreibung,
Ventiltriebsreibung etc. Pumpverluste entstehen dadurch, dass der
Motor Frischluft durch die Drossel einsaugt und verbranntes Abgas
durch das Abgassystem ausstößt. Durch
Hilfsaggregate bedingte Verluste können beispielsweise durch eine Ölpumpe,
eine Wasserpumpe, eine Klimaanlage, eine Servo-Lenkungspumpe oder
eine Lichtmaschine bedingt sein. Die Verluste werden basierend auf
der Kühlmitteltemperatur,
der Motordrehzahl, dem Einlassdruck und anderen Motorparametern
innerhalb der ECU abgeschätzt.
Die durch die Hilfsaggregate dem Motor aufgebürdeten Lasten – wie beispielsweise
durch eine Lichtmaschine oder eine Klimaanlage – variieren abhängig vom
Lade- und Kühlbedarf.
Unabhängig
von den Schwankungen der Verluste, die sich sprunghaft ändern können, wird
im Rahmen der Erfindung eine Regelung der Leerlaufdrehzahl stets
aufrechterhalten. Falls die Verluste in Drehmomenteinheiten berechnet
werden, können
diese gemäß der vorstehend
dargelegten Gleichung in Leistungseinheiten umgewandelt werden.
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Die Bestimmung der Leerlaufleistungsbedarfs
in Schritt 66 kann in zwei Einzelschritte unterteilt werden,
wobei der erste Schritt die Schätzung des
Motorverlusts – wie
vorstehend erläutert – umfasst.
Bevorzugt wird der Leerlauf-Leistungsbedarf anschließend basierend
auf der Abweichung der aktuellen Motordrehzahl von der Ziel-Leerlaufdrehzahl korrigiert.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, können sich die
dem Motor auferlegten Verluste stufenförmig ändern. Ein Beispiel hierfür ist die
Aktivierung des Kompressors einer Klimaanlage. Hierdurch ändert sich auch
das Motordrehmoment, das zur Aufrechterhaltung der Leerlaufdrehzahl
erforderlich ist, stufenförmig.
Damit der Verbrennungsmotor 10 in die Lage versetzt wird,
auf den plötzlich
erhöhten
Drehmomentbedarf durch die plötzliche Änderung
der Hilfsaggregatlasten zu reagieren, ist es erforderlich, dass ein
Aktuator abseits von seinem optimalen Betriebspunkt betrieben wird.
Beispielsweise kann die Zündzeiteinstellung
von der optimalen Einstellung entfernt werden. Als Reaktion auf
einen erhöhten
Drehmomentbedarf wird die Zündzeiteinstellung – ein schneller
Aktuator – sofort
auf die optimale Einstellung hin bewegt. Dadurch kann der plötzlich erhöhte Drehmomentbedarf
gedeckt werden. Im Anschluss an die Erhöhung des Drehmoments wird dann
ein langsamer Aktuator – beispielsweise
eine Drosselklappe – betätigt, um
eine Drehmomenterhöhung
bereitzustellen, wobei die Zündung
gleichzeitig wieder in den ursprünglichen,
verzögerten
Zustand verändert
wird, so dass für
den Fall, dass eine weitere Drehmomentsteigerung gewünscht wird,
die Möglichkeit
hierzu durch eine schnelle Einstellungsveränderung der Zündung wieder
verfügbar
ist. Somit wird durch den Betrieb des zweiten (schnellen) Aktuators
eine Leistungsreserve durch einen Zustand bereitgestellt, bei dem
weniger Leistung erzeugt wird als bei der optimalen Einstellung.
Die Effektivität
einer schnellen Bereitstellung zusätzlicher Leistung wird durch
eine Einstellung des schnellen Aktuators erreicht, bei der die Leistung
vermindert ist, so dass der schnelle Aktuator sofort auf einen höheren Leistungsbedarf
reagieren kann.
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Die vorstehend beschriebene Zielvorgabe, den
Verbrennungsmotor 10 in einem Zustand zu betreiben, bei
dem eine Leistungsreserve besteht, stellt eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Die jeweils gewünschte Leistungsreserve wird als
Wert von der ECU 40 bestimmt. Dabei kann es sich um einen
konstantem Wert oder um einen aus einem Tabellenspeicher als Funktion
des Betriebszustandes entnommenen Wert handeln. Ein typischer Wert
für eine
gewünschten
Leis tungsreserve ist 5%; es kann jedoch auch ein bestimmter Wertebereich vorgesehen
sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung, bei
der die vorstehend beschriebene Leistungsreserve realisiert ist,
ist in 3 dargestellt.
Die Schritte 60, 62, 64 und 66 sind
identisch zu den entsprechenden Schritten gemäß 2 und sind dort jeweils näher beschrieben.
In den Schritten 80 und 82 wird die aktuelle und
die gewünschte
Leistungsreserve bestimmt. Die aktuelle Leistungsreserve wird wie
folgt berechnet: akt. Leistungsreserve = 1 – (akt.
Leistung/Maximalleist.).
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Wobei akt. Leistung die von dem Motor
aktuell erzeugte Leistung und Maximalleist. die Leistung ist, die
erzeugt würde,
wenn der schnelle Aktuator in seinem optimalen Betriebspunkt arbeiten
würde.
Die Bestimmung der gewünschten
Leistungsreserve liegt außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Die gewünschte Leistungsreserve kann
ein konstanter Wert oder eine Funktion der Betriebsbedingungen sein.
Die gewünschte
Leistungsreserve wird abhängig
von der Fahrzeugkonfiguration, den Spezifika der Hilfsaggregate
und anderer Verluste des Verbrennungsmotors bestimmt. In Schritt 84 wird
der Fehler zwischen aktueller (Schritt 80) und gewünschter (Schritt 82)
Leistungsreserve bestimmt. In Schritt 90 wird ein erstes
Drehmoment basierend auf der Ziel-Leerlaufdrehzahl (Schritt 62),
dem Leerlauf-Leistungsbedarf (Schritt 66) und dem Leistungsreservefehler
(Schritt 84) bestimmt. Der langsame Aktuator wird sodann
gemäß Schritt 96 basierend
auf dem ersten Drehmoment (erhalten aus Schritt 90) angesteuert.
Wie vorstehend erläutert,
ermöglicht
der langsame Aktuator eine fortgesetzte Steigerung des Drehmoments.
Somit versucht der langsame Aktuator, eine Stellung zu erreichen,
bei der der Leistungsreservefehler auf Null gebracht wird.
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Im Gegensatz dazu basiert das in
Schritt 92 berechnete zweite Drehmoment, welches zur Ansteuerung
des schnellen Aktuators in Schritt 98 verwendet wird, auf
dem skalierten Leerlauf-Leistungsbedarf gemäß Schritt 88, welcher
auf der gewünschten
Leistungsreserve basiert.
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Falls der Verbrennungsmotor 10 als VDE-Motor
ausgebildet ist, basiert die Ansteuerung des ersten und des zweiten
Aktuators ferner bevorzugt auf einer Information über den
aktuellen VDE-Modus. Insbesondere wird vom Regler eine Information über die
Anzahl der deaktivierten Zylinder herangezogen, um einen sanften Übergang
zwischen den VDE-Modi im Leerlauf zu erzielen (vgl. Schritt 94 von 3).
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In den 4a und 4b sind beispielhaft einige Betriebsaspekte
einer erfindungsgemäßen Anordnung
mit einem Drosselventil als erstem Motoraktuator und einer Zündanlage
(Zündzeitpunkteinstellung) als
zweitem Aktuator dargestellt. In der Situation gemäß 4a ist die Leerlaufleistung über die
Zeitdauer, über
die der Graph dargestellt ist, konstant. Jedoch tritt ein Einbruch
der Motordrehzahl auf, was beispielsweise durch ein unzureichendes
Verbrennungsereignis oder einen Übergang
in einen VDE-Modus verursacht sein kann. Die gewünschte Motordrehzahl ist über den
gesamten in 4a dargestellten
Zeitraum konstant. Das erste Drehmoment, anhand dessen die Drosselklappe
geregelt wird, basiert auf der gewünschten Drehzahl und bleibt
daher konstant. Jedoch wird das zweite Drehmoment, durch das im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Zündung
verändert
wird, als Reaktion auf den Einbruch der aktuellen Motordrehzahl
vergrößert. Gemäß der obigen
Gleichung wird das Drehmoment bei konstanter Leistung erhöht, wenn
die Drehzahl absinkt. Im Ergebnis wird in dem vorliegenden Beispiel
die Zündung
dazu eingesetzt, zu gewährleisten,
dass die aktuelle Motordrehzahl schnell zu der gewünschten
Motordrehzahl zurückkehrt.
Sobald die aktuelle Motordrehzahl zu der gewünschten Leerlaufdrehzahl zurückkehrt,
kehrt das zweite Drehmoment ebenfalls zu seinem früheren Wert
zurück.
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In 4b ist
ein Fall dargestellt, bei dem der Leerlaufleistungsbedarf sich mit
der Zeit zunehmend erhöht.
Dies kann beispielsweise durch eine Änderung der Lichtmaschinenlast
oder durch das Einschalten des Kompressors einer Klimaanlage oder einen
anderen zusätzlichem
Motorleistungsbedarf bedingt sein. Damit einhergehend tritt ein
Einbruch ("dip") der aktuellen Motorleerlaufdrehzahl
auf. Ähnlich
zu 4a vergrößert sich
das zweite Drehmoment durch den Einbruch der tatsächlichen
Motordrehzahl. Die Vergrößerung des
zweiten Drehmoments ist ausgeprägter
als in der Situation gemäß 4a, weil sich gleichzeitig
der Leerlaufleistungsbedarf durch die Änderung des Leistungsbedarfs
der Hilfsaggregate verändert
hat. In 4a ändert sich das
erste Drehmoment (welches der Drosselklappe zugeordnet ist) nicht.
Gemäß 4b erhöht sich dagegen auch das erste
Drehmoment in Reaktion auf die Vergrößerung des Leerlauf-Leistungsbedarfs.
Die Steigerung ist bei dem ersten Drehmoment ("Drosselklappen-Drehmoment") weniger ausgeprägt als bei
dem zweiten Drehmoment ("Zündungsdrehmoment"), da das erste Drehmoment
basierend auf der gewünschten
Motordrehzahl und nicht auf der aktuellen Motordrehzahl bestimmt
wird. Wenn die gewünschte
Motordrehzahl wieder erreicht ist, wird das zweite Drehmoment verringert,
jedoch nicht bis zu dem ursprünglichen
Wert. Somit sind im stationären Zustand
bei höherem
Leerlauf-Leistungsbedarf sowohl das erste Drehmoment als auch das
zweite Drehmoment höher.
In 4b wird verdeutlicht,
wie der schnellere Aktuator – in
dem vorliegenden Beispiel die Zündzeiteinstellung – auf einen
plötzlichen Bedarf
für ein
vergrößertes Drehmoment
reagiert, wohingegen der langsamere Aktuator – in diesem Falle die Drosselklappe – auf eine
anhaltende Erhöhung
des Leerlauf-Leistungsbedarfs reagiert und auf einem höheren Niveau
verbleibt.
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In den 5a und 5b sind die bei Verfahren gemäß dem Stand
der Technik auftretenden Probleme detaillierter dargestellt. Sowohl 5a als auch 5b beziehen sich auf die Situation gemäß 4b, bei der ein Einbruch
der Leerlaufdrehzahl aufgrund einer Änderung des Leistungsbedarfs
der Hilfsaggregate auftritt. In 5a ist
das Ergebnis dargestellt, falls lediglich ein langsamer Aktuator – insbesondere
ein Drosselventil – zur
Aufrechterhaltung der Leerlaufdrehzahl betätigt wird. Der Unterschied
zwischen der aktuellen und der gewünschten Leerlaufdrehzahl resultiert
in der Anforderung eines Drehmomentbedarfs an den langsamen Aktuator.
Da es sich jedoch um einen langsamen Aktuator handelt, ist das aktuelle
Drehmoment gegenüber
dem gewünschten
Drehmoment verzögert.
Aufgrund dieser Verzögerung
bricht die Motorleerlaufdrehzahl stärker ein als bei den anderen
Beispielen, bei denen zusätzlich
ein schneller Aktuator benutzt wird. Aufgrund der Verzögerung tritt
weiterhin ein Überschwingen
der Leerlaufdrehzahl auf. Die Leerlaufdrehzahl oszilliert daher
einige Male, bevor die gewünschte
Leerlaufdrehzahl wieder erreicht wird. 5b stellt die Situation dar, bei der
sowohl ein langsamer als auch ein schneller Aktuator eingesetzt
werden, wobei beide Aktuatoren jeweils mit demselben Steuersignal
versorgt werden. Durch den schnellen Aktuator – bevorzugt die Zündung – bricht
die Leerlaufdrehzahl nicht so stark ein, bevor das System reagiert
und eine Erhöhung
der Leerlaufdrehzahl veranlasst. Allerdings oszilliert das aktuelle
Drehmoment mit einer größeren Amplitude
und für
eine längere
Zeitdauer, da beide Aktuatoren das gleiche Ziel zu erreichen versuchen,
wobei die Drehmomentantworten beider Aktuatoren mit einer unterschiedlichen
Rate erfolgen. Wie hingegen wiederum aus 4b ersichtlich ist, liegt ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung darin, dass die beiden Aktuatoren koordiniert
sind, sodass eine schnelle Erholung von einem Drehzahleinbruch bei reduzierten
nachfolgenden Oszillationen gewährleistet
ist.