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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
der Drehzahl einer Brennkraftmaschine.
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Ein
derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise
aus der
EP 33 616 A1 bekannt.
Dort wird ein Leerlaufdrehzahlregler vorgeschlagen, welcher abhängig von
der Abweichung der gemessenen Motordrehzahl von einem vorgegebenen
Sollwert über
einen ersten Eingriffspfad die Luftzufuhr zu einer Brennkraftmaschine, über einen zweiten
Eingriffspfad den Zündwinkel
der Brennkraftmaschine beeinflußt
im Sinne einer Annäherung
der Drehzahl an die vorgegebene Solldrehzahl. Bei derartigen Leerlaufdrehzahlreglern
ist es aufgetreten, daß trotz
des Eingriffspfades auf den Zündwinkel
im Rahmen der Startphase ein relativ großer Drehzahlüberschwinger über die
angestrebte stationäre
Drehzahl hinaus entsteht, welcher den Regel- und Fahrkomfort beeinträchtigen
kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben,
mit deren Hilfe ein solcher Überschwinger
der Drehzahl einer Brennkraftmaschine wirksam verringert wird.
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Dies
wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Die
DE 42 23 253 A1 beschreibt
eine Anpassung von Reglerparametern an unterschiedliche Dynamikverhältnisse
in verschiedenen Betriebsmodi. Als Betriebsmodi sind dabei der Leerlauf,
ein Antriebsschlupfregeleingriff, der Fahrgeschwindigkeitsregelbetrieb
und ein Normalbetrieb vorgesehen. Für jeden Betriebsmodus wird
ein angepasster Parametersatz eingesetzt. Spezielle Maßnahmen
für die Startphase
sind nicht vorgesehen.
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Die
EP 0 033 616 A1 beschreibt
eine Leerlaufregelung einer Brennkraftmaschine. Dabei wird die Differenz
zwischen der aktuellen Drehzahl und einer vorgegebenen Leerlaufdrehzahl
gebildet und abhängig
von der Differenz ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal
steuert direkt den Zündzeitpunkt,
um die aktuelle Drehzahl der vorgegebenen Drehzahl möglichst
schnell nachzuführen.
Außerdem steuert
das Fehlersignal die Position der Drosselklappe über einen Integrator, um eine
langsame Nachführung
der aktuellen Drehzahl an die vorgegebene Drehzahl zu erreichen
und auf diese Weise eine Abgasverunreinigung zu minimieren. Wenn
während des
Leerlaufs beim Entfernen einer Motorlast die Drehzahl des Motors
erhöht
wird, so erhöht
sich auch die Amplitude des Fehlersignals, bis es zu einer Korrektur
durch Verzögerung
des Zündzeitpunktes kommt.
Auf diese Weise wird das Fehlersignal schnell verkleinert. In der
Zwischenzeit ändert
sich der Ausgang des Integrators vergleichsweise langsam und veranlasst
die Drosselklappe zu einer langsamen Anpassung im Hinblick auf eine
Reduzierung der dem Motor zugeführten
Luftmasse. Wenn die zugeführte
Luftmasse reduziert wird, dann ist auch der erforderliche Betrag
der Zündwinkelkorrektur
geringer, bis es zu einem Gleichgewichtszustand kommt, in dem keine
Anpassung des Zündwinkels
mehr erforderlich ist und die Einhaltung der Leerlaufdrehzahl allein
durch die eingestellte Position der Drosselklappe eingehalten werden
kann.
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Die
DE 197 40 192 A1 betrifft
ein Verfahren zum Starten einer Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Drehzahlreglers,
der zu Startbeginn einen aus einer Kennlinie entnommenen Initialisierungswert
für die einzuspritzende
Kraftstoffmasse erhält.
Ausgehend von dem Initialisierungswert erfolgt die Beschleunigung
auf Leerlaufdrehzahl mit Hilfe des Drehzahlreglers.
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Aus
der
DE 42 23 253 A1 ist
eine Steuereinrichtung in einem Fahrzeug bekannt, bei der eine Verstelleinrichtung
im Rahmen eines Regelkreises in verschiedenen Betriebsphasen des
Fahrzeugs durch verschiedene Betriebsmodi verstellt wird, wobei
die verschiedenen Betriebsmodi unterschiedliche Dynamikanforderungen
an den Regler stellen. Es ist daher vorgesehen, einen digitalen
Regler vorzusehen, der für
die verschiedenen Betriebsmodi unterschiedliche, an den jeweiligen
Betriebsmodus speziell angepasste Dynamikwerte aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Vorgabe wenigstens eines speziell angepaßten Parameters für den Drehzahlregler,
welcher den Zündwinkeleingriff
durchführt,
in der Startphase führt
zu einer wirksamen Reduzierung des Überschwingens der Drehzahl
in dieser Phase. Als Startphase wird dabei eine Phase des Motorbetriebs
verstanden, die vom Betätigen
des Anlassers oder vom Einschalten der Zündung (Versorgungspannung)
bis zum Einschwingen der Drehzahl in den Bereich des angestrebten
stationären
Werts (der sich je nach Betriebszustand ändert). Im bevorzugten Beispiel
ist die Startphase beendet, wenn die Drehzahl nach dem Überschwingen über die
stationäre
Drehzahl erstmals einen vorgegebenen Drehzahlwert wieder unterschreitet.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß der
wenigstens eine Parameter während
der Startphase derart gewählt
wird, daß eine
dynamisch wirksame Reduzierung des Drehzahlüberschwingers stattfindet.
So kann ein Parameter gewählt
werden, der im stationären
Betrieb außerhalb
der Startphase zu Instabilitäten
im Regelkreis führen
würde.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
Wahl des Parameters allein auf die Form des Drehzahlüberschwingers
abgestimmt wird und somit eine optimale Beeinflussung des Drehzahlüberschwingers
erfolgt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert. 1 zeigt
dabei ein Ablaufdiagramm eines Leerlaufdrehzahlreglers mit Luft-
und Zündwinkeleingriff,
während
in 2 anhand von Zeitdiagrammen die
Auswirkungen der Parameterumschaltung in der Startphase dargestellt
ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Leerlaufdrehzahlreglers, welcher sowohl
die Luftzufuhr zu einer Brennkraftmaschine als auch deren Zündwinkel im
Sinne einer Annäherung
der Istdrehzahl an die Solldrehzahl beeinflußt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
stellt dieses Ablaufdiagramm ein Programm eines Mikroprozessors
dar, welcher Teil einer Steuereinheit zur Steuerung der Brennkraftmaschine ist.
Diese Steuereinheit bzw. dieser Mikroprozessor ist in 1 mit 10 bezeichnet.
Der Steuereinheit 10 bzw. dem Mikroprozessor 10 werden
von entsprechenden, in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellten Meßeinrichtungen
Betriebsgrößen repräsentierende
Signale zugeführt. Über eine erste
Eingangsleitung wird ein die Motordrehzahl NIST repräsentierende
Signalgröße zugeführt. Über weitere
Eingangsgrößen werden
Signale für
weitere Betriebsgrößen des
Motors bzw. des Fahrzeugs wie Motortemperatur TMOT, der Status ST
von Nebenverbrauchern wie einer Klimaanlage, die Fahrzeuggeschwindigkeit
VFZ, etc. zugeführt.
Ferner erhält der
Mikrocomputer bzw. die Steuereinheit 10 ein Signal über das
Einschalten des Zündschalters
(Zü) (alternativ:
Betätigen
des Anlasser oder Einschaltsignal der Versorgungsspannung). Bei
eingeschalteter Steuereinheit wird in einem Sollwertbilder 12 abhängig von
zugeführten
Betriebsgrößen wie
z. B. der Motortemperatur und/oder dem Status von Nebenaggregaten,
die Soll-Leerlaufdrehzahl NSOLL ermittelt. Dies erfolgt je nach
Ausführungsbeispiel
auf der Basis von Kennlinien, Kennfeldern, Tabellen oder Berechnungsschritten.
Der Sollwertbilder 12 wird in bevorzugten Ausführungsbeispiel
als ein Programm des Mikrocomputers 10 realisiert. In einer
Vergleichsstelle 14 (Realisierung ebenfalls als Programmschritt)
wird dann die Abweichung Δ zwischen
der auf diese Weise gebildeten Soll-Leerlaufdrehzahl NSOLL und der
empfangene Istdrehzahl NIST gebildet. Diese Regelabweichung wird
dann dem gestrichelt eingezeichneten Leerlaufregler 16 zugeführt.
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Dieser
Leerlaufregler 16 besteht in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
im wesentlichen aus einem herkömmlichen
PID-Regler (einem Regler mit Proportional-, Differential- und Integralanteil),
wobei der P- und/oder der D-Anteil doppelt ausgeführt sind. In
der dargestellten Ausführung
wirkt ein PID-Regler auf die Füllung
(Luftzufuhr), ein PD-Regler (nur Proportional- und Differentialanteil)
auf den Zündwinkel ein.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Differentialanteil für
den Zündwinkelpfad
nur bei Drehzahlen aktiv, die weit unterhalb der Leerlaufdrehzahl
liegen. In dieser Ausführung
ist der Proportionalanteil für
den Zündwinkelpfad
daher für
den Einfluß des
Leerlaufreglers auf den Zündwinkel
bestimmend. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das Ausgangssignal des Proportionalanteils gebildet aus dem
Produkt der Drehzahlabweichung Δ mit
einer Kennlinie. Diese Kennlinie ist abhängig von der Drehzahlabweichung,
wobei der Parameter (Proportionalfaktor) der Kennlinie so gewählt ist,
daß sich
die Motordrehzahl stabil verhält.
Dabei kann sich der Faktor abhängig
von der Größe der Regelabweichung
verändern.
Der Faktor stellt die Steigung der Kennlinie dar. In anderen Ausführungen
ist der D-Anteil in allen Drehzahlbereichen aktiv. Daneben werden
in anderen Ausführungsbeispielen
auch andere Reglertypen eingesetzt, wobei immer wenigstens ein veränderlicher
Parameter, der einen Einfluß auf
das dynamische Verhalten des Reglers hat, vorgesehen ist.
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Die
Regelabweichung wird im Ablaufdiagramm der 1 einem
Integralanteil 18, einem Proportional- und Differentialanteil 20,
jeweils für
den Luftpfad, einem Differentialanteil 22 und einem Proportionalanteil 24 für den Zündwinkelpfad
zugeführt. In
den einzelnen Reglerkomponenten wird die Regelabweichung entsprechend
ausgewertet, im Integrator 18 integriert, in den Differentialanteilen
differenziert und in den Proportionalanteilen wie beispielsweise
oben dargelegt verstärkt.
Die Ausgangssignale der Reglerkomponenten werden dabei jeweils für den Füllungs-
und Zündwinkelpfad
zusammengeführt.
So wird das Ausgangssignal des Integrators 18 und das Ausgangssignal
des Proportional-/Differentialanteils 20 in der Verknüpfungsstelle 26 verknüpft (z. B.
addiert) und als Ausgangssignal zur Steuerung der Luftzufuhr beispielsweise
zu einer elektrisch betätigbare
Drosselklappe 28 abgegeben. Entsprechend wird in einer
Verknüpfungsstelle 30 das
Ausgangssignal des Differentialanteils 22 und das des Proportionalanteils 24 für den Zündwinkelpfad
verknüpft
(z. B. addiert) und das resultierende Signal über eine Ausgangsleitung zur
Einstellung des Zündwinkels
ausgegeben.
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Ferner
ist eine Schwellenwertstufe 32 vorgesehen, der ein die
Motordrehzahl NIST repräsentierendes
Signal zugeführt
wird. Ist die Motordrehzahl sehr niedrig, gibt diese Schwellenwertstufe 32 ein
Signal ab, welches den Differentialanteil 22 des Zündwinkelreglers
aktiviert. Überschreitet
die Motordrehzahl den in der Schwellenwertstufe 32 überprüften Schwellenwert,
wird der Differentialanteil wieder deaktiviert.
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Für den Proportionalanteil 24 des
Zündwinkelreglers
sind in Speicherzellen 34 und 36 zwei verschiedene
Werte bzw. Kenn linien für
den Normalbetrieb und für
die Startphase abgelegt. Ferner ist ein Schaltelement 38 (Realisierung
als Programmschritt) vorgesehen, welches durch ein während der
Startphase der Brennkraftmaschine aktives Signal B_LLRST von der
durchgezogen dargestellten Normalstellung in die gestrichelt dargestellte
Startstellung umgeschaltet wird. Dieses Signal wird im Signalbilder 40 (Realisierung
als Programmschritt) auf der Basis der Regelabweichung Δ oder in
anderen Ausführungsbeispielen
auf der Basis der Solldrehzahl NSOLL und der Istdrehzahl NIST sowie
des den Beginn der Startphase anzeigenden Signals Zü (Zündung ein,
Einschalten Versorgungsspannung oder Betätigen Anlasser) gebildet.
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Wird
die Brennkraftmaschine angelassen, so steigt die Motordrehzahl an
und überschreitet
erstmalig die Solldrehzahl NSOLL. Danach entsteht ein Drehzahlüberschwinger,
der nach einer bestimmten Zeit abklingt. Unterschreitet die Motordrehzahl
erstmalig einen Schwellenwert, so wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Startphase als beendet angesehen und das mit Einschalten der
Versorgungsspannung oder mit Betätigen
des Anlassers gesetzte Signal B_LLRST zurückgesetzt. Dies bedeutet, daß bei Unterschreiten
des Drehzahlschwellenwertes der Parameter (P) für den Normalbetrieb anstelle
des Parameters (PST) für
die Startphase der Zündwinkeleinstellung
zugrundeliegt. Während
des Drehzahlüberschwingers
ist der Leerlaufdrehzahlregler aktiv, so daß er dem Drehzahlüberschwinger
entgegenwirkt. Der Parameter für
die Startphase ist daher besonders auf eine optimale Verringerung
des Drehzahlüberschwingers
ausgelegt. In 40 wird also nach Einschalten der Versorgungsspannung
Istdrehzahl und Solldrehzahl miteinander verglichen und ermittelt, wann
die Istdrehzahl einen vorgegebenen Schwellenwert (z. B. NSOLL + ΔN) von höheren Drehzahlen her
kommend unterschreitet. Ist dies der Fall, wird das Signal B_LLRST
zurückgesetzt
und somit anstelle des Parameters PST der Parameter P für den Nor malbetrieb
geladen, der mit Blick auf eine komfortable, stabile Regelung ausgewählt ist.
Anstelle eines Schwellenwerts wird die Beendigung der Startphase und
das Rücksetzen
des Signals abgeleitet, wenn die Drehzahl im wesentlichen auf die
stationäre
Drehzahl eingeschwungen ist.
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Durch
eine spezielle Wahl der Proportionalverstärkung des Zündwinkelreglers ist es möglich, eine
größere Kreisverstärkung des
Reglers zu erreichen und auf diese Weise Überschwinger effektiv zu bekämpfen. Eine
Instabilität
des Regelkreises ist nicht zu befürchten, da nach Abklingen des
Startüberschwingers
wieder auf die gewöhnliche
Verstärkung
umgeschaltet wird. Die Rücksetzung
des Signals B_LLRST erfolgt dabei für den gesamten Betriebszyklus.
Das Signal wird erst mit der nächsten Startphase
wieder gesetzt. Die Drehzahlschwelle wird durch Applikation je nach
Anwendungsfall festgelegt und kann über, unter oder gleich der
stationären
Solldrehzahl sein.
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In 2 ist die Wirkungsweise dieser Vorgehensweise
anhand von Zeitdiagrammen dargestellt. Dabei ist in 2a der
zeitliche Verlauf der Motordrehzahl NMOT (Istdrehzahl NIST), in 2b der des
Zündwinkels
(ZW) und in 2c der zeitliche Verlauf des
Steuersignals B_LLRST aufgetragen.
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In 2a ist
durchgezogen der typische Verlauf der Motordrehzahl beim Start einer
Brennkraftmaschine dargestellt. Zum Zeitpunkt T0 wird der Anlasser
betätigt
und die Brennkraftmaschine gestartet. Dies führt zu einem Anstieg der Motordrehzahl über die
stationäre
Solldrehzahl NSTAT hinaus wegen der im Start erhöhten Betriebsmittelzufuhr.
Dadurch entsteht ein Überschwinger,
der durch entsprechenden Eingriff des Leerlaufdrehzahlreglers reduziert
und letztendlich zum Zeitpunkt T4 zum Einschwingen der Drehzahl
auf die stationäre
Soll-Leerlaufdrehzahl führt.
Der zugehörige
Verlauf des Zündwinkels
ist in 2b dargestellt. Durchgezogen
ist der herkömmliche
Verlauf des Zündwinkels
bei einem Leerlaufdrehzahlregler, der auf den Fahrbetrieb ausgelegt
ist. Der Zündwinkel
kann zwischen einem Basiszündwinkel ZWBAS
und einem minimalen Zündwinkel
ZWMIN variiert werden. Beim Basiszündwinkel entsteht ein großes Motormoment,
beim minimalen Zündwinkel ein
kleines. Der durchgezogene Verlauf des Zündwinkels zeigt die Situation,
wenn die gewöhnliche Verstärkung zur
stationären
Leerlaufregelung auch in der Startphase verwendet wird. Dieser ist
so gewählt, daß der Leerlauf
möglichst
stabil ist. Die Zündwinkeländerung
ist wenig dynamisch und nützt
nicht das vollständige
Potential der Momentenverringerung aus. Daher ist der Überschwinger
gemäß 2a (vgl.
durchgezogene Linie) entsprechend groß.
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Wie
vorstehend beschrieben wird zum Zeitpunkt T0 mit Anlassen der Brennkraftmaschine
das Signal B_LLRST gesetzt. Dadurch wird einer für den Startvorgang optimale
Verstärkung
geladen. Entsprechend wird der gestrichelt dargestellte Zündwinkelverlauf
ZW' gemäß 2b erreicht,
bei welchem der Zündwinkel
bis auf den minimalen Zündwinkel
reduziert wird. Folge ist, wie in 2a gestrichelt
dargestellt, daß der
Drehzahlüberschwinger
NMOT' wesentlich
geringer ist. Wird zum Zeitpunkt T1 eine vorgegebene Drehzahlschwelle
durch die Motordrehzahl unterschritten (hier Schwelle NSTAT + ΔN), so wird
das Signal B_LLRST wie in 2c gezeigt
zurückgesetzt
und die Verstärkung
für den
Normalbetrieb für
die Zündwinkelregelung
geladen. Ergebnis ist ein geringerer Drehzahlüberschwinger im Start und ein
schnelleres Einregeln der Drehzahl auf die stationäre Solldrehzahl.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt
die Umschaltung nicht schlagartig, sondern wird mittels einer Filterfunktion
geglättet.
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Anstelle
oder ergänzend
zu der vorstehend beschriebenen Einflußnahme auf den Proportionalverstärkungsfaktor
des Zündwinkelregler
wird in anderen Ausführungen
der Differentialfaktor dieses Regler und/oder entsprechende Faktoren
des Füllungsregler
(18–22)
für die
Startphase verändert.
Dabei kann nur ein Faktor eines Reglers oder ausgewählte Faktoren
in beliebiger Kombination oder alle Faktoren verändert werden.
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Je
nach Ausführung
weist der wenigstens eine veränderliche
Parameter entsprechend der Vorgehensweise für den Normalregelbetrieb einen
einzigen Wert in der Startphase oder eine Vielzahl von Werten (z.
B. in Form einer Kennlinie) auf.