DE19925100A1 - Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine bei einem Fahrzeug beschrieben, bei dem die Brennkraftmaschine drehmomentorientiert geregelt wird. Die Regelung des abgegebenen Moments erfolgt dabei so, daß die Brennkraftmaschine verbrauchs- und/oder abgasoptimiert betrieben wird. Sofern von der Brennkraftmaschine mehr Moment erzeugt wird als zum Antrieb des Fahrzeugs vom Fahrerwunsch abhängig erforderlich ist, wird das zusätzliche Moment durch eine entsprechende Ansteuerung des Generators erzeugt, wobei die Ansteuerung des Generators direkt vom Steuergerät oder vom Steuergerät über den Spannungsregler durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Es ist bekannt, die Regelung von Brennkraftmaschinen drehmomentorientiert durchzuführen. Das heißt, das abgegebene Moment der Brennkraftmaschine muß einen vom Fahrer gewünschten Fahrzustand ermöglichen und den Betrieb sämtlicher Komponenten und Zusatzaggregate sicherstellen. Bei einem Verfahren, bei dem das Drehmoment der Brennkraftmaschine vorgegeben wird, wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine aus der Fahrpedalstellung ein gewisses Radantriebsmoment ermittelt. Dieses gewünschte Radantriebsmoment erfordert ein bestimmtes Moment der Brennkraftmaschine, das jedoch nicht nur vom gewünschten Radantriebsmoment abhängt, sondern beispielsweise auch noch davon, welche Momente für das Antreiben von Zusatzeinrichtungen, beispielsweise einer Klimaanlage oder eines Generators aufzubringen sind und davon, wieviel Reibungsenergie zu überwinden ist. Das erforderliche Motordrehmoment wird also allein abhängig von der Fahrzeugpedalstellung bestimmt, die letztendlich nur das gewünschte Radantriebsmoment vorgibt, sondern es fließen viele andere Größen in die Drehmomentbestimmung ein.
Ein drehmomentbasiertes Regelsystem für eine Brennkraftmaschine wird beispielsweise in der DE-OS 42 32 974 beschrieben. Dabei wird angegeben, wie das Drehmoment eines Ottomotors eingestellt wird. Dieses Drehmoment hängt bei einer vorgegebenen Drehzahl vom Luftmassenfluß und vom Zündwinkel ab. Aus diesen beiden Größen wird ein Soll-Dreh­ moment ermittelt. Das Soll-Drehmoment wird mit dem tatsächlichen Ist-Drehmoment verglichen und bei einer Drehmomentabweichung wird entweder auf den Luftfluß eingegriffen, wobei der Drosselklappenwinkel verändert wird oder es werden Zündwinkelveränderungen eingeleitet. Durch Eingriff auf den Luftmassenfluß werden die erforderlichen großen Drehmomentänderungen erhalten, während die Feineinstellung der Drehmomentänderungen über Zündwinkeländerungen erfolgen.
Der von der Brennkraftmaschine angetriebene Generator, der die für die Energieversorung im Fahrzeug benötigte elektrische Energie erzeugt, hat einen beträchtlichen Einfluß auf das zum Antrieb des Fahrzeugs bereitstehende Drehmoment. Wird vom Generator viel elektrische Energie abgegeben, übt er ein starkes bremsendes Moment beispielsweise auf die Kurbelwelle aus. Wird der Generator dagegen nur schwach belastet oder entregt, ist das bremsende Moment geringer. Bei der Regelung des Generators sowie bei der Regelung der Brennkraftmaschine wird dieser Zusammenhang berücksichtigt. So wird beispielsweise in der DE-OS 196 38 357 eine Einrichtung zur Spannungsregelung bei einem von einer Brennkraftmaschine angetriebenen fremderregten Generator beschrieben, bei der ein Microprozessor, der die Ausgangsspannung des Generators regelt nicht nur generatorspezifische Daten wie Generatorausgangsspannung und Batterietemperatur verarbeitet, sondern auch die Drehzahl der Kurbelwelle sowie sonstige Daten der Brennkraftmaschine. Der Mikroprozessor greift nicht nur auf den Generator, sondern auch auf die Brennkraftmaschine ein, damit beide zuverlässig geregelt werden. Eine drehmomentorientierte Regelung wird jedoch nicht vorgeschlagen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß bei einer drehmomentbasierten Regelung der Brennkraftmaschine eine Regelung erfolgen kann, bei der das Drehmoment nicht unbedingt abhängig vom Fahrerwunsch geregelt wird, sondern abhängig von vorgebbaren Größen. Eine solche Regelung des Drehmoments wird in vorteilhafter Weise abgas- und/oder verbrauchsoptimal eingestellt. Dabei ist es möglich, daß das erzeugte Moment unter bestimmten Bedingungen größer ist, als das vom Fahrer gewünschte Moment. Das überschüssige Moment wird kompensiert, indem der Generator derart angesteuert wird, daß er ein stärkeres bremsendes Moment auf die Antriebswelle ausübt, wodurch in vorteilhafter Weise eine Kompensation der Momente eintritt. Damit der Generator ein größeres bremsendes Moment erzeugt, wird beispielsweise die Erregung durch Erhöhung des Erregerstromes erhöht, wodurch der Generator eine höhere elektrische Leistung abgibt, die zu einer vorteilhaften Zusatzladung der Batterie verwendet wird. Das vom Generator zusätzlich abverlangte Motormoment kann in vorteilhafter Weise auch zum Betrieb von zusätzlichen elektrischen Verbrauchern, beispielsweise elektrischen Heizern im Kühlwasser oder im Katalysator während der Warmlaufphase benutzt werden, wodurch zusätzlich der Vorteil auftritt, daß der Katalysator einerseits durch das höhere Motormoment und andererseits durch die zusätzliche elektrische Heizung besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird. Eine Erhöhung des Motormoments ermöglicht auch in vorteilhafter Weise eine höhere Tankentlüftungs-Spülrate, da der Luftdurchsatz generell erhöht wird. Eine zusätzliche Steuerung bzw. Regelung der Luftmasse während einer Sekundär-Lufteinblasung ermöglicht ebenfalls ein schnelleres Anspringen des Katalysators und eine bessere Nachoxidation der Abgasschadstoffe durch eine genauere Einstellung des Abgas-Luft-Gemisches vor dem Katalysator.
Falls die abgas- und/oder verbrauchsoptimale Einstellung des Motormoments zu einem geringen Motormoment führt, als das vom Fahrer gewünschte Motormoment, kann durch Einwirken auf den Generator, beispielsweise durch Absenken des Erregerstroms das bremsende Moment so weit verringert werden, daß das verbrauchs- und/oder abgasoptimierte Moment wiederum dem vom Fahrer gewünschten Moments entspricht. Bei der Reduzierung des vom Generator ausgeübten Moments sollte jedoch darauf geachtet werden, daß der Batterieladezustand bzw. die generell zur Verfügung stehende elektrische Energie noch ausreichend ist.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beiden Figuren der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung
In Fig. 1 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Bestandteile eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Im einzelnen ist die Brennkraftmaschine, die das Fahrzeug antreibt mit BKM bezeichnet. Von der Brennkraftmaschine bzw. dem Motor wird ein Moment M erzeugt, das über die Kupplung K sowie ein Getriebe GE übertragen wird und zur Erzeugung eines Radmoments RM dient, das letztendlich das Fahrzeug vorwärts bewegt. Bei der Brennkraftmaschine soll es sich um eine drehmomentgeführte Brennkraftmaschine handeln. Die Regelgröße Motormoment M wird durch Beeinflussung der Stellung der Drosselklappe DK und damit durch Regelung der angesaugten Luftmasse sowie durch Einstellung des Zündwinkels ZW durchgeführt. Die Einstellung des Zündwinkels ZW sowie die Bestimmung der Lage der Drosselklappe DK wird vom Steuergerät SG durchgeführt. Dem Steuergerät SG werden über Eingänge E1 und E2 eine Vielzahl von Eingangsgrößen zugeführt, die beispielsweise mit Hilfe geeigneter Sensoren S1 und S2 ermittelt werden. Das Steuergerät SG führt über Ausgänge A1 und A2 alle für die Regelung der Brennkraftmaschine noch erforderlichen Einstellungen durch.
Der Brennkraftmaschine wird die für die Verbrennung erforderliche Luft eingangsseitig über das Saugrohr SR zugeführt, ausgangsseitig ist das Abgasrohr AR, indem wenigstens ein Katalysator KAT angeordnet ist. Der Katalysator wird einerseits durch die heißen Abgase der Brennkraftmaschine erwärmt, er kann aber andererseits auch zusätzlich mit Hilfe einer elektrischen Heizung H beheizt werden, so daß er nach dem Start der Brennkraftmaschine die erforderliche optimale Betriebstemperatur möglichst schnell erreicht. Die elektrische Energie für die Heizung H für den Katalysatör KAT wird aus dem Generator G oder der Batterie B über den geschlossenen Schalter SCH1 zugeführt. Die Ansteuerung des Schalters SCH1 übernimmt das Steuergerät SG, wobei die Ansteuerung unter Berücksichtigung vorgebbarer Kriterien erfolgt.
Die Brennkraftmaschine BKM treibt nicht nur die Räder des Fahrzeugs an, sondern treibt über Koppelmittel KO, beispielsweise einen Keilriemen oder ein Getriebe oder eine Welle den Generator G an. Die Brennkraftmaschine gibt dabei ihrerseits ein Moment MG1 ab, das nach der Umformung in den Koppelmitteln KO als Moment MG2 für den Generatorantrieb zur Verfügung steht.
Der Generator G wird mit Hilfe eines nicht dargestellten, beispielsweise in den Generator integrierten Spannungsreglers in allgemein üblicher Weise so geregelt, daß er an der Ausgangsklemme B+ eine vorgebbare Ausgangsspannung UB+ abliefert, die einerseits zur Versorgung der Batterie B und andererseits zur Versorgung der Bordnetzverbraucher verwendet wird. Von den Bordnetzverbrauchern ist lediglich ein Verbraucher V dargestellt, der über den Schalter SCH2 zu- oder abschaltbar ist.
In Fig. 2 ist der Generator G etwas ausführlicher dargestellt. Im einzelnen sind die Ständerwicklungen U, V, und W sowie die Z-Dioden D1 bis D6 der Gleichrichterbrücke dargestellt. Anstelle von Zenerdioden können bei entsprechender Anpassung auch andere ein- oder bidirektional arbeitende gleichrichtende Bauelemente eingesetzt werden. Werden steuerbare Halbleiterschalter eingesetzt, kann ihre Ansteuerung vom Spannungsregler oder vom Steuergerät aus erfolgen. Die Gleichrichterbrücke führt zum Ausgang B+ an dem die Spannung UB+ in üblicher Weise bereitgestellt wird. Die Regelung der Ausgangsspannung UB+ des Generators erfolgt mit Hilfe des Spannungsreglers REG, der den durch die Erregerwicklung EW fließenden Erregerstrom IE in bekannter Weise regelt. Eine Freilaufdiode FD liegt parallel zur Erregerwicklung EW.
Der Spannungsregler REG umfaßt üblicherweise ein Steuerteil ST und ein Leistungsteil, das symbolisch als Transistor T dargestellt ist. Das Steuerteil steuert den Transistor T an, es ist beispielweise mit dem Steuergerät SG verbunden und tauscht mit diesem Informationen aus. Der Transistor T kann auch direkt vom Steuergerät SG angesteuert werden.
Mit den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Fahrzeugkomponenten läßt sich eine Regelung der Brennkraftmaschine bzw. des Motors des Fahrzeugs durchführen, die drehmomentorientiert ist. Diese drehmomentorientierte Regelung wird dabei so realisiert, daß die Brennkraftmaschine auf eine Drehmomentabgabe geregelt wird, die hinsichtlich des entstehenden Abgases und/oder des Kraftstoffverbrauchs optimiert wird. Bei einer solchen Regelung kann es vorkommen, daß das für den Antrieb des Fahrzeugs benötigte, von der Brennkraftmaschine erzeugte Moment M kleiner ist als das Moment, das für die Abgas- und/oder Verbrauchsoptimierung am besten geeignet wäre. Das in diesem Fall entstehende überschüssige Moment wird dazu benutzt, den Generator G stärker zu belasten. Dabei wird beispielsweise der Erregerstrom IE durch die Erregerwicklung E erhöht, wodurch das Erregerfeld verstärkt wird und der Generator G ein stärkeres bremsendes Moment auf die ihn antreibende Brennkraftmaschine BKM ausübt. Die Erhöhung des Erregerstroms IE kann direkt vom Steuergerät SG initialisiert werden, es ist aber auch möglich, daß das Steuergerät SG über einen im Spannungsregler REG enthaltenen IC auf die Ansteuerung des Transistors T einwirkt. Über die Schnittstelle zwischen dem Spannungsregler REG und dem Steuergerät SG kann die Belastung, die der Generator G auf die Brennkraftmaschine BKM ausübt, vom Steuergerät SG aus eingestellt werden. Die bei der Bereitstellung eine zusätzlichen Moments durch den Generator zusätzlich erzeugte elektrische Energie kann zur Aufladung der Batterie B verwendet werden. Es ist aber auch möglich und insbesonders während des Warmlaufs sinnvoll, die vom Generator zusätzlich erzeugte elektrische Energie einem elektrischen Heizer im Kühlwasser oder einer elektrischen Beheizung H des Katalysators KAT über den dann geschlossenen Schalter SCH1 zuzuführen. Diese zusätzliche elektrische Beheizung während des Warmlaufs bewirkt eine schnellere Erreichung der Betriebstemperatur des Katalysators KAT und steigert zusätzlich zum abgasoptimierten Betrieb der BKM die Abgasreduzierung.
Durch die beschriebene drehmomentorientierte Regelung der Brennkraftmaschine unter Einbeziehung des Generators G ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Regelung. Unabhängig vom Fahrerwunsch kann das Motormoment, also das von der Brennkraftmaschine erzeugte Moment M variiert werden und optimiert werden. Die Erhöhung des Motormoments M zur Aufladung der Batterie B oder zur Aufheizung des Katalysators KAT benötigt weniger Kraftstoff als die heute übliche Drehzahlerhöhung bei schlechtem Batterieladezustand. Für die Durchführung der Regelstrategie ist es von Vorteil, den Batterieladezustand zu ermitteln und diesen in die Regelstrategie einfließen zu lassen. Damit kann eine Überlastung der Batterie verhindert werden.
Für folgende Anwendungsbeispiele läßt sich die beschriebene drehmomentorientierte Regelung unter Berücksichtigung der Generatorbelastung besonders vorteilhaft einsetzen:
  • 1. Beim Starten mit kaltem Katalysator bewirkt die Erhöhung des Motormoments während des Warmlaufs ein schnelleres Anspringen des Katalysators durch den höheren Luftdurchsatz und zusätzlich eine schnellere Aufheizung durch elektrische Beheizung aus der zusätzlich vom Generator bereitgestellten elektrischen Energie.
  • 2. Eine Erhöhung des Motormoments kann vorgesehen werden, falls die Katalysatortemperatur unter eine vorgebbare Schwelle fällt. Mit Hilfe des erhöhten Motormoments kann somit der Katalysator warmgehalten werden.
  • 3. Eine Erhöhung des Motormoments kann zur Erzielung einer höheren Tankentlüftungs-Spülrate erforderlich sein.
  • 4. Eine zusätzliche Steuerung bzw. Regelung der Luftmasse während der sogenannte Sekundärluft-Einblasung ist möglich. Dabei wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewonnen, da standardmäßig die Sekundär-Luftmasse nicht verändert werden kann. Insbesonders läßt sich mit dieser Vorgehensweise ein schnelleres Anspringendes Katalysators erzielen. Weiterhin führt die dadurch mögliche genauere Steuerung des Abgas-Luft-Verhältnisses zu einer besseren Nachoxidation der Schadstoffkomponenten.
  • 5. Verschiedene Funktionen erfordern einen ausreichenden Unterdruck im Saugrohr SR der Brennkraftmaschine BKM so zum Beispiel ein unterdruckgesteuerter Bremskraftverstärker. Bei nicht ausreichendem Unterdruck läßt die Verstärkungswirkung nach. Deshalb kann es in diesem Fall von Vorteil sein, durch eine Reduzierung der Generatorlast, die Belastung der BKM zu reduzieren und dadurch für einen erhöhten Unterdruck im Saugrohr zu sorgen. Beim Einsatz einer Starter-Generator-Kombination, bei der der Generator auch als Starter betrieben werden kann, ist es auch möglich den notwendigen Saugrohrunterdruck durch eine Momentenabgabe der Starter-Ge­ nerator-Kombination zu erreichen (Betrieb als Motor). Es erfolgt hier eine definierte Androsselung (Schließen der Drosselklappe DK) und dadurch eine Reduktion der Last der BKM.

Claims (7)

1. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine, die auf eine ein Fahrzeug antreibende Antriebswelle ein vorgebbares Moment ausübt, mit einem regelbaren Generator, der über die Antriebswelle Antreiber ist und elektrische Energie erzeugt und dabei auf die Antriebswelle ein bremsendes Moment ausübt, mit wenigstens einer Regeleinrichtung, die das Moment abhängig von vorgebbaren Bedingungen regelt, dadurch gekennzeichnet, daß das Moment (M) abgas- und/oder verbrauchsoptimal geregelt wird und ein zur Erzielung der abgas- und/oder verbrauchsoptimierten Regelung unter bestimmten Bedingungen erforderliches Zusatzmoment durch entsprechende Ansteuerung des Generators (G) und dadurch resultierende Erhöhung des bremsenden Moments erreicht wird.
2. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Generator (G) generierte bremsende Moment durch vorgebbare Veränderung des Erregerstroms (IE) geregelt wird, wobei die bei höherer Erregung zusätzlich entstehende elektrische Leistung zur Ladung einer Batterie (B) und/oder zur Versorgung zuschaltbarer Verbraucher (V) verwendet wird.
3. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung des von der Brennkraftmaschine (BKM) erzeugten Moments (M) gegenüber dem zum Antrieb des Fahrzeugs benötigten Moment bei folgenden Bedingungen erfolgt:
Beim Starten mit kaltem Katalysator (KAT) während der Warmlaufphase, sofern die Temperatur des Katalysators (KAT) unter einem vorgebbaren Schwellwert sinkt, während einer Tankentlüftungsphase zur Erhöhung der Spülrate während einer Sekundärlufteinblasung zur Sicherstellung eines schnellen Anspringens des Katalysators (KAT).
4. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Generator (G) erzeugte, insbesonders die zusätzlich erzeugte elektrische Energie zur Beheizung des Katalysators (KAT) während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine (BKM) verwendet wird.
5. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Generator (G) um einen Teil einer Starter-Generator-Kom­ bination, insbesonders einen Kurbelwellenstartergenerator handelt, der als Asynchronmaschine auch als Starter bzw. Anlassermotor arbeitet.
6. Verfahren zur Regelung einer Brennkraftmaschine (BKM) nach Anspruch 1 oder 2 oder 5; dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduktion des von der Brennkraftmaschine (BKM) erzeugten Moments gegenüber dem zum Antrieb des Fahrzeuges benötigten Moments dann erfolgt, wenn ein erhöhter Unterdruck im Saugrohr der Brennkraftmaschine (BKM) erforderlich ist.
7. Verfahren zur Regelung einer BKM nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck für die Steuerung eines Bremskraftverstärkers benutzt wird.
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