DE19508168A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung unterschiedlichen Betriebsverhaltens von Antriebsmotoren, insbesondere Fahrzeugmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Motoren jeglicher Art in ihrem statischen und dynamischen Verhalten unabhängig von ihrer natürlichen Kennlinie bestimmt werden können. Insbesondere Fahrzeugmotoren, gleich ob es sich um Verbrennungs- oder Elektromotoren handelt, können damit abhängig von der Verkehrssituation optimal geführt werden, was sich im Verbrauch und bei Verbrennungsmotoren im Schadstoffausstoß bemerkbar macht. Die Grenzen der synthetisch erzeugten Kennlinien und des dynamischen Verhaltens liegen im maximalen natürlichen Motorverhalten.

Insbesondere können aus leistungsstarken Motoren in Fahrumgebungen, in denen die maximalen Leistungen nicht benötigt werden, leistungsärmere Motoren emuliert werden. Derzeitiges zu hohes Leistungsangebot führt im Stadt- oder "Stop and Go"-Verkehr oftmals zu falscher Dosierung der geforderten Motorleistung durch den Fahrer mit der Konsequenz der alsbaldigen Vernichtung der Überschußenergie in Bremsmanövern. Die heutigen Leistungssteuerungsmittel, in der Regel ein Fahrpedal, lassen eine entsprechend feine Einstellung des Leistungswunsches aufgrund ihrer notwendig eingeschränkten Wege nicht zu. Hinzu kommen Schwächen des Fahrzeugführers, der nur mit größter Konzentration Fahrergebnis und Energieverbrauch zu dosieren in der Lage ist.

Die Erfindung schafft weiterhin die Möglichkeit, die jeweils wirkenden Motoreigenschaften adaptiv aus der Fahrsituation zu ermitteln und somit die notwendigen Motoreigenschaften ohne Eingriff des Fahrers zu programmieren. Derartige Fahrsituationen, z. B. Schnellverkehr/Stadt­ verkehr, lassen sich mit Einrichtungen nach Stand der Technik ermitteln (Prozessortechnik), indem beispielsweise der Geschwindigkeitsverlauf und die zeitlichen Änderungen zur Bestimmung derartiger Situationen betrachtet werden.

Beim Einsatz z. B. von Automatik-Getrieben kann dennoch dem Fahrer die Freiheit des Abrufs der natürlichen Eigenschaften des Motors (Kick Down) belassen werden.

Es sind Steuerungen bekannt, die die Stellung des Fahrpedals auswerten, um dann drehzahlabhängig für optimalen Verbrennungsvorgang Drosselklappenstellung, Kraftstoffein­ spritzung, Zündwinkeleinstellung usw. vornehmen. Derartige Steuerungen haben das allge­ meine Ziel, den Motor im jeweiligen Arbeitspunkt mit optimierten Wirkungsgrad zu fahren. Sie nehmen auf die Fahrsituation keine Rücksicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen schafft die Möglichkeit, aus leistungsstarken Motoren angepaßt an die Fahrsituation leistungsärmere mit allen Konsequenzen bei der Schadstofferzeugung und im Verbrauch herzustellen. Hierzu wird der Motor mit Meßwertaufnehmern für Drehmoment und Drehzahl ausgerüstet, so daß der jeweilige Momentan-Arbeitspunkt erfaßt wird. In einem Diagramm Drehzahl n über Drehmoment Md kann unterhalb der natürlichen maximalen Leistungskurve K-max (Fig. 1) jede beliebige Leistungskurve K-i durch Algorithmen oder durch eine Folge von Arbeitspunkten vorgegeben werden. Eine derartige Kurve wird als statische Charakteristik bezeichnet. Insbesondere bei leistungsstarken Motoren lassen sich damit im gemischten Fahrbetrieb deutliche Verbrauchsreduzierungen erzielen.

Derartige Charakteristiken ergeben sich durch Aufnahme von Drehzahl und Drehmoment bei langsam veränderter Last und jeweils konstanter Stellung des Steuerelements E-m.

Beispielhaft kann als gewünschte neue statische Charakteristik eine fallende Kennlinie K-f mit definierter Neigung gewählt sein, die durch die Eingangsgröße E-stat des Fahrpedals in Richtung des eingezeichneten Pfeils verschoben werden kann (Fig. 1). Auch Charakteristiken mit Konstant-Leistung lassen sich so auf einfache Weise realisieren. Die Überwachung der Lage des tatsächlichen Arbeitspunkts im Verhältnis zur gerade abgerufenen Kennlinie übernimmt ein Statik-Modul (Fig. 2), das die momentanen Istwerte n-ist und Md-ist auswertet und den damit definierten Arbeitspunkt auf Abweichung zur gewollten statischen Kennlinie untersucht. Die Funktion des Statik-Moduls entspricht einem Regler, der in Konsequenz eine Stellgröße A-stat an das Steuerelement E-m des Motors weitergibt mit dem Ziel, den Arbeitspunkt auf die gewünschte momentan abgerufene Kennlinie zu führen. Ein derartiges Steuerelement E-stell eines herkömmlichen Verbrennungsmotors ist die Drosselklappe des Vergasers oder der Stellhebel einer Einspritzpumpe, bei modernen Motoren der Führungseingang der bisherigen Motor-Elektronik.

In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung wird als statische Charakteristik ein einstellbares Konstantdrehmomentverhalten K-md vorgegeben (Fig. 3), wobei über das Fahrpedal entsprechend der Betätigung ein jeweils gewünschter Drehmomentenwert vorgegeben wird. Der jeweils erreichbare maximale Vorgabewert K-md-max kann automatisch aus der Fahrsituation gewonnen werden oder über einen Wahlschalter bestimmt werden. In bekannter Weise kann ein System zur Aufrechterhaltung einer Leerlaufdrehzahl bei Verbrennungsmotoren in das Regelsystem eingekoppelt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung erhält man, wenn der Motor über einen eigenen Regler zunächst in seiner Charakteristik in einen Motor mit steuerbarem Drehmoment gewandelt wird. Hierzu liefert ein an sich bekannter Regler das Stellsignal A-stell an den Leistungssteller E-stell des Motors, das aus einer Führungsgröße Md-soll = E-m und der Istgröße Md-ist abgeleitet wird. Dabei kommen bekannte P- oder PID-Regler zum Einsatz. Damit bekommt der Motor eine Charakteristik mit senkrechtem Verlauf der Kennlinie im n/Md-Diagramm.

Erfindungsgemäß kann ein so definierter Motor mit dem Führungseingang E-m an den Ausgang des Statik-Moduls angeschlossen werden (Fig. 4). Das damit hergestellte kaskadierte Regelsystem bildet nun die im Statikmodul abgerufene Charakteristik auf den Motor ab. Hinterlegt man im Statik-Modul beispielsweise die natürliche Kennlinienschar eines 100 kW Motors und steuert erfindungsgemäß einen 200 kW Motor, so stellt sich dieser in seinem statischen Verhalten identisch mit dem des 100 kW Motors dar. In Folge dessen lassen sich beispielsweise im Stadtverkehr entsprechend günstigere Verbrauchs- und Schadstoffwerte erzeugen, ohne daß bewußtes feinfühliges Dosieren des Fahrpedals durch den Fahrer erforderlich wird.

Für besonders schwierige Situationen, wie sie sich beim Freifahren aus einer Wintersituation bei glattem Untergrund ergeben, wählt man für die statische Charakteristik eine senkrechte Kennlinie mit einer Begrenzung auf niedrige Drehzahlen, so daß über das Fahrpedal einzig das Drehmoment des Motors definiert wird.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird zwischen Statik-Modul und Führungseingang des Motors ein Dynamik-Modul mit dem Eingang E-dyn und dem Ausgang A-dyn eingefügt (Fig. 4). Dieses läßt die vom Statik-Modul abgegebene Führungsgröße A-stat über vorgebbare Zeitfunktionen verzögert auf den Eingang E-m wirken. Das Zeitverhalten kann zudem für Anstieg und Abfall differenziert vorgegeben werden. Während bei herkömmlichen Fahrzeugen Drehzahländerungen des leerlaufenden Motors durch dessen Massenträgheitsmoment bestimmt werden, oder im Fahrzustand durch die Masse des beschleunigten Fahrzeugs, kann auf diese Weise das wirksame Trägheitsmoment von Motor oder Fahrzeug zu größeren als den jeweils natürlichen Werten hin verschoben werden. Ein derartiges erfindungsgemäßes Dynamik-Modul liefert darüber hinaus z. B. aus der Betrachtung der Differenz zwischen Ausgangssignal A-dyn und Einganssignal E-dyn ein eindeutiges Kriterium für die Kraftstoffabschaltung im Schiebebetrieb.

Bei Motoren mit nachfolgendem Getriebe können die Vorgabewerte für Statik und Dynamik entsprechend den gewählten Schaltstufen ausgewechselt bzw. angepaßt werden.

Bei Ergänzung eines vom Geschwindigkeitsprofil abhängig geführten Adaptions-Moduls werden die von der Stellung des Fahrpedals abrufbaren Kennlinien aus jeweiligen vom Adaptions-Modul vorgegebenen Kennlinienfeldern gewählt. Dadurch kann im Endgeschwindigkeitsbereich die volle Motorleistung ausgeschöpft werden, während im Stadtverkehr bei niedrigen Geschwindigkeiten mit synthetisch erzeugtem leistungsärmerem Motor gearbeitet wird.

Erfindungsgemäße Moduln lassen sich sowohl in konventioneller Elektronik als auch mit Prozessortechnik und entsprechenden Programmen realisieren. Ein erforderlicher Meßwertaufnehmer für das Motordrehmoment läßt sich in Form eines Kraftmessers in der Motoraufhängung installieren, die auf den Motorträger wirkende Kraft ist ein Maß für das Drehmoment. Natürlich läßt sich das Moment auch in bekannter Weise an der Abtriebswelle erfassen.

Claims (12)

1. Steuerungsverfahren zur Erzeugung vorgebbaren Betriebsverhaltens eines Antriebsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Meßwertaufnehmern für Drehmoment oder Drehmoment und Drehzahl ausgestatteter Motor mindestens eine der Größen n oder Md einem Statik-Modul zuführt, das Statik-Modul den momentanen Arbeitspunkt des Motors bestimmt, diesen auf Abweichung von einer im Statik-Modul vorgegebenen Statik-Kennlinie vergleicht und abhängig von der Lage des ermittelten Arbeitspunkts zur vorgegebenen Kennlinie über einen Stelleingang den Motor so führt, daß der momentane Arbeitspunkt auf die Kennlinie geführt wird und somit dem Motor die im Statik-Modul vorgegebene statische Charakteristik einprägt.

2. Steuerungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinie des Motors durch einen vorgeschalteten Regler zur steuerbaren Drehmoment-Charakteristik gewandelt wird, oder ein Motor mit natürlicher Drehmomentcharakteristik eingesetzt wird.

3. Steuerungsverfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Führungsgröße E-stat gewünschte Statik-Kennlinien aus einer vorgebbaren Statik-Kennlinienschar ausgewählt und dem Statik-Modul vorgegeben werden können.

4. Steuerungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgebbare Statik-Kennlinienschar bei Motoren von Fahrzeugen von einem Adaptiv-Modul erzeugt oder bereitgestellt wird, welches als Kriterium für deren Auswahl oder Erzeugung den zurückliegenden zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf heranzieht.

5. Steuerungsverfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Statik-Modul und Stelleingang des Motors ein Dynamik-Modul eingeschleift wird, das über vorgebbare Zeitverhalten für Anstieg und Abfall den Durchgriff des Ausgangs des Statik-Moduls auf den Stelleingang des Motors vorgebbar verzögert.

6. Steuerungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante für vorgebbaren Abfall zur sofortigen Bremswirkung des Motors klein gehalten wird.

7. Steuerungsverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Verknüpfung von Eingangs und Ausgangsgröße des Dynamik-Moduls ein Kriterium für die Abschaltung der Kraftstoffzufuhr von Verbrennungsmotoren abgeleitet und zur Kraftstoffersparnis im Schiebebetrieb herangezogen wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Motor mit Meßwertgebern für Drehzahl und oder Drehmoment, einer als Statik-Modul ausgebildeten Regelvorrichtung zur Nachführung des Motorarbeitspunkts auf eine vorgegebene Statik-Kennlinie, sowie einem Sollwertgeber zur Vorgabe statischer Kennlinien.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 8, sowie einem Motor mit einem Meßwertgeber für das momentane Drehmoment, einem Regler mit einem Führungseingang und einem Stellausgang zur Steuerung des Motors.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 9, einem Generator oder Speicher zur Bereitstellung von Statik- Kennlinienscharen, aus denen über eine Führungsgröße Statik-Kennlinien zur Vorgabe für ein Statik-Modul abgerufen werden können.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 10, einem Adaptions-Modul, das Kennlinienfelder für das Statik-Modul bei Fahrzeugmotoren erzeugt oder abruft unter Auswertung des vergangenen Geschwindigkeitsverlaufs, wobei das Adaptions-Modul mit einem Geschwindigkeits-Meß­ wertaufnehmer gekoppelt ist.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, bestehend aus einer Vorrichtung nach Anspruch 11, sowie einem zwischen Ausgang des Statik-Moduls und Stelleingang des Motors eingeschleiften Dynamik-Modul, das unterschiedliche vorgebbare Zeitfunktionen für Anstieg und Abfall ausführt.