DE19753996A1

DE19753996A1 - Verfahren zum Dämpfen von Ruckelschwingungen oder Lastschlägen bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19753996A1
Application number: DE1997153996
Authority: DE
Inventors: Andreas Hartke; Klaus Dr Wenzlawski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-06-10

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Dämpfen von Ruckel schwingungen oder Lastschlägen bei einer Brennkraftmaschine. Lastschläge treten auf bei einer Umkehr des Kraftflusses in einem Getriebe, das der Brennkraftmaschine zugeordnet ist. Ruckelschwingungen treten auf bei Lastsprüngen. Die Brenn kraftmaschine ist elastisch im Motorraum eines Kraftfahrzeugs gelagert. Wenn sich das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment sprunghaft ändert, ändert sich auch die in der La gerung der Brennkraftmaschine wirkende Kraft sprunghaft und regt das Kraftfahrzeug zu Ruckelschwingungen an. Ruckel schwingungen und Lastschläge schränken den Fahrkomfort erheb lich ein.

Aus der betrieblichen Praxis ist es bekannt, eine Pedalstel lung, die von einem Pedalstellungsgeber erfaßt wird, in ihrer zeitlichen Änderung zu begrenzen. Diese korrigierte Pedal stellung ist eine Eingangsgröße eines Kennfeldes aus dem ein Sollwert der einzuspritzenden Kraftstoffmasse ermittelt wird, bei einer selbstgezündeten Brennkraftmaschine.

Dieses Kennfeld ist jedoch so ausgelegt, daß es den Fahrer wunsch genau repräsentiert, der gegebenenfalls abhängig von der Drehzahl oder anderen Betriebsgrößen verschieden ist. Durch das Begrenzen der zeitlichen Änderung der Pedalstellung entspricht der zeitliche Verlauf der ermittelten einzusprit zenden Kraftstoffmasse nicht dem tatsächlichen Fahrerwunsch und die Güte der Dämpfung der Lastschläge oder Ruckelschwin gungen ist drehzahlabhängig.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Dämpfen von Ruckelschwingungen oder Lastschlägen bei einer Brenn kraftmaschine zu schaffen, das sowohl eine vom Fahrer ge wünschte Last einstellt als auch einen hohen Fahrkomfort ge währleistet und zugleich einfach und zuverlässig ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patent anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Sollwert der Lastgröße gefiltert wird mit einem Filter, das integrales Verhalten aufweist, erster Ordnung ist und dessen Ausgang auf den Eingang rückgekoppelt ist. Somit ist eine Entkopplung der Ermittlung des vom Fahrer gewünschten Sollwertes der Lastgrö ße und der Dämpfung eines Lastschlages oder einer Ruckel schwingung gewährleistet. Außerdem wird der Sollwert der Lastgröße mit einem einfach vorzugebenden Zeitverhalten ge filtert, das gezielt auf die jeweilige Brennkraftmaschine, deren Lagerung in einem Kraftfahrzeug und ggf. auf das dyna mische Verhaltens eines Turboladers angepaßt werden kann. Bei geeigneter Wahl der Parameter des Filters kann auch ein Ruß stoß bei einem aufgeladenen Dieselmotor einfach verhindert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Steuereinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Steuereinrichtung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Steuereinrichtung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Steuereinrichtung,

Fig. 5 den Signalverlauf des Sollwertes und des gefilterten Sollwertes der Lastgröße.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenüber greifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine Brennkraftmaschine (Fig. 1) umfaßt einen Ansaugtrakt 1 mit einem Verdichter 10 und einen Motorblock 2 der einen Zy linder 20 und eine Kurbelwelle 23 aufweist. Ein Kolben 21 und eine Pleuelstange 22 sind dem Zylinder zugeordnet. Die Pleu elstange ist mit dem Kolben und der Kurbelwelle verbunden.

Desweiteren ist ein Zylinderkopf 3 vorgesehen, indem ein Ven tiltrieb angeordnet ist mit mindestens einem Einlaßventil 30 und einem Auslaßventil 31. Im Zylinderkopf 3 ist ferner ein Einspritzventil 33 eingebracht, das derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff direkt in den Innenraum des Zylinders 20 zugemessen wird. Als Kraftstoff wird bevorzugt Diesel zuge messen, alternativ kann jedoch auch Benzin zugemessen werden. Wird als Kraftstoff Benzin verwendet, so ist zusätzlich eine Zündkerze in dem Zylinderkopf 3 angeordnet. Das Einspritzven til kann alternativ auch in dem Ansaugtrakt 1 angeordnet sein. Die Brennkraftmaschine ist in der Fig. 1 mit einem Zy linder dargestellt. Sie kann jedoch auch mehrere Zylinder um fassen.

Die Brennkraftmaschine umfaßt desweiteren einen Abgastrakt 4 mit einer Turbine 40, die mechanisch mit dem Verdichter 10 gekoppelt ist. Ein Antrieb 41 zum Verstellen der Schaufelrä der der Turbine ist vorgesehen. Alternativ kann auch ein Bypass-Kanal vorgesehen sein, der stromaufwärts des Verdich ters 40 von dem Abgastrakt abzweigt und stromabwärts des Ver dichters 40 in den Abgastrakt mündet. In dem Abgastrakt ist dann eine steuerbare Abgasklappe angeordnet. Der Verdichter 10 kann alternativ auch mechanisch mit der Kurbelwelle 23 ge koppelt sein. Statt der Turbine 40 und dem Bypaßrohr oder dem Verstellantrieb 41 ist an eine Bypaßleitung zu dem Verdichter 10 vorgesehen, in der ein Bypaßventil angeordnet ist.

Die Kurbelwelle 23 ist im eingebauten Zustand der Brennkraft maschine in einem Kraftfahrzeug über eine nicht dargestellte Kupplung mit einem nicht dargestellten Getriebe oder über ei ne Wandlerüberbrückungskupplung mit einem automatischen Ge triebe koppelbar.

Eine Steuereinrichtung 5 für die Brennkraftmaschine ist vor gesehen, der Sensoren zugeordnet sind, die verschiedene Meß größen erfassen und jeweils den Meßwert der Meßgröße ermit teln. Die Steuereinrichtung 5 ermittelt abhängig von minde stens einer Meßgröße ein oder mehrere Stellsignale, die je weils ein Stellgerät steuern.

Die Sensoren sind ein Pedalsensor 61, der eine Fahrpedalstel lung PV Fahrpedals 6 erfaßt, ein Luftmassenmesser 12, der ei nen Luftmassenstrom erfaßt, ein Drucksensor 13, der einen La dedruck erfaßt, ein Temperatursensor 14, der eine Ladeluft temperatur TAL erfaßt, ein Drehzahlgeber 24, der eine Dreh zahl N der Kurbelwelle 23 erfaßt, ein weiterer Temperatursen sor 25, der eine Kühlmitteltemperatur TCO des Kühlmittels der Brennkraftmaschine erfaßt. Je nach Ausführungsform der Erfin dung kann eine beliebige Untermenge der genannten Sensoren oder auch zusätzliche Sensoren vorhanden sein.

Eine Lastgröße ist je nach Ausbildungsform der Brennkraftma schine und der Steuereinrichtung die einzuspritzende Kraft stoffmasse, der Luftmassenstrom, ein abzugebendes Drehmoment oder die abzugebende Leistung der Brennkraftmaschine. Daneben können die Lastgrößen auch aus anderen Meßgrößen abgeleitet werden.

Die Stellgrößen umfassen jeweils einen Stellantrieb und ein Stellglied. Der Stellantrieb ist ein elektromotorischer An trieb, ein elektromagnetischer Antrieb, ein mechanischer An trieb oder ein weiterer dem Fachmann bekannten Antrieb. Die Stellglieder sind als Einspritzventil 33, als Verstellantrieb 41 zum Verstellen der Geometrie der Turbine oder als ein wei teres dem Fachmann im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen bekanntes Stellglied ausgebildet. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise als elektronische Motorsteuerung ausgebildet. Sie kann jedoch auch mehrere Steuergerät umfassen, die elek trisch leitend miteinander verbunden sind, so z. B. über ein Bussystem.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des für die Erfin dung relevanten Teils der Steuereinrichtung 5. In einem Block B1 wird ein Sollwert MFF_SP der in den Zylinder 20 einzu spritzenden Kraftstoffmasse abhängig von der Fahrpedalstel lung PV und der Drehzahl N ermittelt. Vorzugsweise sind die Sollwerte MFF_SP in einem Kennfeld abhängig von der Fahrpe dalstellung und der Drehzahl gespeichert. Dieses Kennfeld ist durch Fahrversuche so ermittelt, daß die Sollwerte MFF_SP der einzuspritzenden Kraftstoffmasse dem jeweiligen Fahrerwunsch genau entsprechen.

Ein Block B3 umfaßt ein Filter das integrales Verhalten auf weist und erster Ordnung ist. Der Ausgang des Filters des Blocks B3 ist zum Eingang des Filters des Blocks B3 rückge koppelt. Dem Eingang des Blocks B3 wird die Differenz des Sollwertes MFF_SP und des gefilterten Sollwertes MFF_SPF der einzuspritzenden Kraftstoffmasse zugeführt. Das Filter ist als IT₁ Glied ausgebildet. Die Übertragungsfunktion des Fil ters ist in Fig. 2 in Block B3 angegeben. Dabei ist s der Laplace Parameter, K_I ein Verstärkungsparameter des Filters, und T₁ die Zeitkonstante des Filters. Der Verstärkungsfaktor K_I wird einfach vorteilhaft so gewählt, daß der Sollwert MFF_SPF bei einem Lastsprung, also einer plötzlichen Verände rung des Sollwertes MFF_SP sich derart ändert, daß die Brenn kraftmaschine sanft in ihre Lager gebracht wird. Dabei läßt sich eine besonders gut Dämpfung von Ruckelschwingungen oder Lastschlägen erreichen, wenn der Verstärkungsfaktor abhängig von dem Übersetzungsverhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Getriebes vorgegeben ist. Eine starke Dämpfung von Lastschlägen und Ruckelschwingungen ist auch dann gege ben, wenn der Verstärkungsfaktor K_I abhängt von einer die Mo tortemperatur repräsentierenden Größe. So wird das durch die Motortemperatur abhängige Reibmoment als wesentliche Einfluß größe auf die Dynamik der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Die Motortemperatur repräsentierenden Größen sind die Kühl mitteltemperatur TCO oder auch die Öltemperatur der Brenn kraftmaschine. Durch das Rückführen des Ausgangs des Filters des Blocks B3 stimmen die Werte des Sollwertes MFF_SP und des gefilterten Sollwertes MFF_SPF stationär genau überein. Somit wird im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine ein dem Fahrerwunsch entsprechender gefilterter Sollwert MFF_SPF der einzuspritzenden Kraftstoffmasse vorgegeben.

Die Zeitkonstante T₁ ist derart vorgegeben, daß sie das Zeit verhalten des Luftpfades auf dem Kraftstoffpfad anpaßt. Die Reaktionszeit des Verdichters 10 zum Einstellen des bei einem Lastsprung auftretenden neuen Betriebspunktes ist im wesent lichen durch die Zeitdauer bestimmt, die benötigt wird um die Schaufelräder der Turbine 40 zu verstellen (z. B. 200 msec) Die Zeitkonstante T₁ ist vorteilhafterweise darüber hinaus so abgestimmt, daß der Anstieg oder Abfall des gefilterten Soll wertes MFF_SPF nach einem Sprung des Sollwertes MFF_SP für eine vorgegebene Zeitdauer nur sehr langsam erfolgt. Dadurch werden einfach die Ruckelschwingungen oder auch die Last schläge gedämpft. In einem Block B6 wird dann ein Stellsignal für ein Stellglied der Brennkraftmaschine ermittelt. Das Stellglied ist in diesem Ausführungsbeispiel als Einspritz ventil 33 ausgebildet.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung 5 wird in einem Block B2 ein Sollwert TQ_SP des Drehmoments an einer Welle des Abtriebsstrangs, z. B. der Kurbelwelle 23, ermittelt. Zum Ermitteln des Sollwertes TQ_SP werden die Fahrpedalstellung PV, die Drehzahl N und ggf. weitere Meßgrö ßen berücksichtigt. Der Sollwert TQ_SP wird dabei über ein oder mehrere Kennfelder ermittelt. Der Sollwert TQ_SP des Drehmoments wird dann in einem Block B4 gefiltert, der ein Filter umfaßt, dessen Übertragungsverhalten mit dem des Fil ters im Block B3 übereinstimmt. Der gefilterte Sollwert TQ_SPF ist an den Eingang rückgekoppelt. In einem Block B7 werden dann abhängig von dem gefilterten Sollwert TQ_SPF des Drehmoments ein oder mehrere Stellsignale für ein oder mehre re Stellglieder der Brennkraftmaschine ermittelt. Diese Aus führungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie zur Steuerung verschiedener Typen der Brennkraftmaschinen nur in den ent sprechenden Kennfeldern des Blocks B7 angepaßt werden muß.

Die dritte Ausführungsform (Fig. 4) der Steuereinrichtung 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 da durch, daß das Filter in dem Block B5, das in seinem Übertra gungsverhalten dem Filter des Blocks B3 und B4 entspricht, als diskretes Filter ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich ei ne besonders einfache Berechnungsvorschrift für den gefilter ten Sollwert TQ_SPF des Drehmoments oder auch den gefilterten Sollwert der Kraftstoffmasse. Die rekursive Berechnungsvor schrift des diskreten und rückgeführten Filters lautet:

Mit
MFF_SPF_i im aktuellen Berechnungszyklus berechneter ge filterter Sollwert der einzuspritzenden Kraft stoffmasse,
MFF_SPF_i-1 im vorhergehenden Berechnungszyklus berechneter gefilterter Sollwert der einzuspritzenden Kraft stoffmasse,
MFF_SPF_i-2 in dem vor-vorhergehenden Berechnungszyklus be rechneter gefilterter Sollwert der einzusprit zenden Kraftstoffmasse,
t_a Abtastzeit,
MFF_SP_i Sollwert der einzuspritzenden Kraftstoffmasse im aktuellen Berechnungszyklus.

Diese Berechnungsvorschrift läßt sich auf einen Mikroprozes sor basierten Steuergerät mit geringen Speicherbedarf abspei chern und ist wenig rechenzeitintensiv, daß auch bei hohen Drehzahlen die gefilterte Lastgröße in Echtzeit berechnet werden kann.

Durch eine geeignet Wahl der Zeitkonstanten T₁ ist der Kraft stoff- und Luftpfad aufeinander abstimmbar und zwar derart, daß bei einem Lastsprung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis nicht unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt, bei dem Ruß stöße auftreten.

In der Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des Sollwertes TQ_SP und des gefilterten Sollwertes TQ_SPF aufgetragen über die Zeit t, wie er sich bei einem Sprung des Sollwertes TQ_SP des Drehmoments bei der Ausführungsform der Steuereinrichtung ge mäß Fig. 4 ergibt.

In einer alternativen Ausführungsform wird in dem Block B3, dem Block B4 und dem Block B5 der von dem Filter berechnete gefilterte Sollwert MFF_SPF, TQ_SPF bei einem Erhöhen des Sollwertes MFF_SP, TQ_SP nach oben auf den Sollwert MFF_SP, TQ_SP begrenzt und bei einem Erniedrigen des Sollwertes MFF_SP, TQ_SP der gefilterte Sollwert MFF_SPF, TQ_SPF nach unten auf den Sollwert MFF_SP, TQ_SP begrenzt. Ein uner wünschtes Überschießen oder Unterschießen der Kraftstoffmasse erfolgt dann nicht, so daß kein Schlag am Ende der Beschleu nigungsphase auftritt, die durch den jeweiligen Lastsprung vorgegeben ist. Die Begrenzung erfolgt dann beispielsweise wenn ein Vorzeichenwechsel in der Differenz des Sollwertes und des gefilterten Sollwertes erkannt wurde.

Kennfelder sind durch stationäre Messungen an einem Motor prüfstand oder Fahrversuche ermittelt. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

1. Verfahren zum Dämpfen von Ruckelschwingungen oder Last schlägen bei einer Brennkraftmaschine, der ein Fahrpedal sensor (61) zum Erfassen der Fahrpedalstellung (PV) zuge ordnet ist, bei dem:

- ein Sollwert einer Lastgröße abhängig von der Fahrpedal stellung (PV) ermittelt wird,
- der Sollwert der Lastgröße gefiltert wird mit einem Filter, das integrales Verhalten aufweist, erster Ordnung ist und dessen Ausgang auf den Eingang rückgekoppelt ist, und
- mindestens ein Stellsignal für ein Stellglied der Brenn kraftmaschine aus dem gefilterten Sollwert der Lastgröße abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter als IT₁-Glied ausgebildet ist mit einem Verstärkungs faktor (K_I) und einer Zeitkonstante (T).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (K_I) abhängt von dem Übersetzungsverhält nis eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Getriebes.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor (K_I) abhängt von einer die Motor temperatur repräsentierenden Größe.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zeitkonstante (T) abhängt von dem Über setzungsverhältnis eines der Brennkraftmaschine zugeordneten Getriebes.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß nach einem Erhöhen des Sollwertes der ge filterte Sollwert nach oben auf den Sollwert begrenzt wird, und daß nach einem Erniedrigen des Sollwertes der gefilterte Sollwert nach unten auf den Sollwert begrenzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein diskretes Filter ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastgröße die einzuspritzende Kraft stoffmasse (MFF_SP) ist.