DE3631200A1 - Einrichtung zur steuerung der leistung einer brennkraftmaschine in einem kraftfahrzeug - Google Patents
Einrichtung zur steuerung der leistung einer brennkraftmaschine in einem kraftfahrzeugInfo
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Description
Aus der DE-OS 25 14 113 ist eine Einrichtung zum Regeln der Fahr
geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs bekannt, die im wesentlichen
aus einem elektrischen Stellungsregler besteht, dessen Sollwertein
gang ein Signal von einem Stellungsgeber, z.B. einem Fahrpedal samt
entsprechenden Positionssensor, erhält. Als Istwert wird dem Regel
kreis ein Positionssignal eines Stellungsgebers an einem Stellorgan
einer elektrischen Stellvorrichtung zur Beeinflussung des Kraft
stoff-Luft-Gemisches zugeführt. Es handelt sich hierbei also um ei
nen einfachen Nachlaufregelkreis zur beispielhaften Übertragung ei
ner Fahrpedalstellung auf die Stellung der Drosselklappe an einer
Brennkraftmaschine. Jener bekannte Stellungsregelkreis weist jedoch
zwei große Nachteile auf. Wenn wenigstens einer der mechanisch-elek
trischen Stellungsgeber ausfällt, kann der Regelkreis zum einen
nicht mehr arbeiten, und es sind folglich gefährliche Fahrzustände
des Kraftfahrzeugs nicht ausgeschlossen, weil die Stellvorrichtung
dann undefinierte Lagen, insbesondere an Endanschlägen, einnehmen
kann. Zum anderen ist das Fahrzeug nach Eintritt eines solchen De
fekts nicht mehr fahrbar. Aus den US-Patenten 37 22 492 und
43 05 359 ist bekannt, zur Erhöhung der Sicherheit eines solchen Re
gelkreises beispielsweise Schaltkontakte vorzusehen, die bei Ein
nahme einer extremen Stellung - (z.B. Ruhelage oder Maximalauslen
kung) - besagter Soll- und Istsignale bereitstellender Positionsgeber
schließen oder öffnen, und so zusätzliche Positionssignale liefern,
die jedenfalls mit den Stellsignalen in plausiblem Zusammenhang
stehen müssen. Wird das Fehlen einer Plausibilität erkannt, kann ein
Alarmsignal gesetzt bzw. die Brennkraftmaschine abgestellt werden.
Eine solche Ausbildung eines bekannten Stellregelkreises beispiels
weise für die Drosselklappe an einer Brennkraftmaschine stellt je
doch noch keinerlei Notfahrbarkeit des Fahrzeugs, etwa in die näch
ste Werkstatt, bereit. Sie erhöht nur die Betriebssicherheit, nicht
jedoch die Verfügbarkeit des Fahrzeugs im Falle eines Ausfalls ins
besondere des Stellungsgebers an einer elektrischen Stellvorrichtung
zur Betätigung der Drosselklappe.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steuereinrichtung für eine Brenn
kraftmaschine in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, die bekannte Si
cherheitskonzepte so weiter bildet, daß auch die Verfügbarkeit des
Fahrzeugs erhöht wird; insbesondere soll die Notfahrbarkeit eines
Kraftfahrzeugs verbessert werden, wenn der Stellungsgeber der Stell
vorrichtung der Drosselklappe einer Brennkraftmaschine ausfällt.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei Ausfall des
Stellungsgebers an einer Stellvorrichtung einer Ansteuereinrichtung
für eine Brennkraftmaschine diese dennoch in einem geschlossenen Re
gelkreis ansteuerbar bleibt. Auf diese Weise werden gefährliche
Fahrzustände vermieden, wenn beispielsweise der im Motorraum ther
misch und mechanisch hoch beanspruchte Stellungsgeber an einer Dros
selklappe ausfällt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht da
rin, daß ein entsprechender Defekt nicht nur angezeigt werden kann,
sondern daß das Fahrzeug mit hohem Komfort notfahrbar bleibt, so daß
das unverzügliche Aufsuchen einer Werkstatt zur Behebung des Defekts
nicht mehr notwendig ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockfunktionsschaubild einer erfindungsgemäßen Einrich
tung zur Steuerung der Leistung einer Brennkraftmaschine in einem
Kraftfahrzeug und
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ab
hängigkeit einer Ersatzgröße von der Stellgröße, beispielsweise des
Stellungswinkels α der Drosselklappe.
Gemäß Fig. 1 umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung zur Steuerung
der Leistung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug ein so
genanntes Hardware-Modul 10 und ein sogenanntes Software-Modul 20,
welche beide zusammenwirken. Das Hardware-Modul 10 kann entweder
ausschließlich zur Konfiguration der erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Steuerung der Leistung einer Brennkraftmaschine in einem Kraft
fahrzeug vorgesehen sein, es kann aber auch ein fester Bestandteil
einer mikrocomputergestützten Steuereinrichtung in einem Kraftfahr
zeug sein, die zeitabschnittsweise mit dem Software-Modul 20 zusam
menwirkt und so die erfindungsgemäße Funktion sequentiell reali
siert. Demgemäß sieht das Hardware-Modul 10 einen Rechnerkern 111
mit Clock- und Zeitgeberfunktionen, einen Speicherbereich 113 mit
Lesespeicher (ROM) 116 und mit Schreib/Lesespeicher (RAM) 117, eine
Eingangseinheit 114, eine Ausgangseinheit 115 sowie einen
Adress- und Datenbus 112 vor. Die Eingangseinheit 114 weist ver
schiedene, in der Regel analoge und gemultiplexte Eingangskanäle
auf, hier beispielsweise mit 118 bis 122 und 148 beziffert. Für die
Aufnahme von einfachen, logischen Zustandssignalen kann ein besonde
rer Port 123 vorgesehen sein. Die Eingabeeinheit 114 speist in den
Bus 112 (FLAG BANK) ein. Umgekehrt speist der Bus 112 in die Aus
gabeeinheit 115 ein, die hier beispielsweise bereits Treiberausgänge
124 bis 126 umfaßt, die über Ansteuerleitungen 147 und 154 und gege
benenfalls weitere elektrische Steller 134 und 135 und gegebenen
falls weitere ansteuern. Bei dem Steller 134 handelt es sich bei
spielsweise um den elektromotorischen Antrieb der Drosselklappe an
der Brennkraftmaschine, die in Wirkverbindung 136 mit einem mecha
nisch-elektrischen Sensor in der Form eines Stellungswinkelgebers
127 steht. Er speist sein elektrisches Positionssignal über die An
steuerleitung 138 in den Eingangsport 118 der Eingangseinheit 114
ein. Der Block 132 repräsentiert beispielhaft Schaltkontakte, die
von der Drosselklappenwelle in ganz bestimmten Stellungsbereichen
geschlossen oder geöffnet werden und so eine zusätzliche Plausibili
tätsprüfung erlauben; sie sind über wenigstens eine Leitung 143 mit
dem Zustandseingang 123 verbunden. An diesen Eingangsport können
auch noch andere Zustandsleitungen 145 angeschlossen sein, die ins
besondere für die Sicherheit des Fahrzeugs wesentliche Überwachungs
signale einspeisen. Der Stellungssensor 128 ist vorzugsweise am
Fahrpedal befestigt und setzt die Stellung desselben in ein den Fah
rerwunsch repräsentierendes elektrisches Signal um, welches über die
Ansteuerleitung 139 dem Eingangsport 119 der Eingangseinheit 114 zu
geführt wird. Auch dieser Stellungsgeber kann mit zusätzlichen Plau
sibilitätsschaltmitteln 133 verbunden sein, die ein logisches Prüf
signal über eine Zustandsleitung 144 an den Zustandseingang 123 der
Eingangseinheit 114 abgeben. Die Blöcke 129, 130 und 131 müssen
nicht alle gleichzeitig vorhanden sein, sind aber gleichwohl als Be
standteile moderner elektronischer Zentralsteuereinrichtungen für
Brennkraftmaschinen in zunehmendem Maße anzutreffen. Der Block 129
repräsentiert dabei einen Druckaufnehmer im Ansaugkanal, er ist über
die Ansteuerleitung 140 mit dem Eingangsport 120 der Eingangseinheit
114 verbunden. Der Block 130 repräsentiert einen Luftmengen- oder
vorzugsweise einen Luftmassenmesser, welcher den Verbrennungsluft
durchsatz in ein elektrisches Signal umwandelt, welches über die An
steuerleitung 141 dem Eingangsport 121 der Eingangseinheit 114 zuge
führt wird. Beim Block 131 handelt es sich beispielsweise um einen
Strom-Spannungswandler, der den Betriebsstrom des Drosselklappen
stellers 134 in eine entsprechende, die Stellung der Drosselklappe
repräsentierende Meßspannung umsetzt, welche über die Ansteuerlei
tung 142 dem Eingangsport 122 der Eingangseinheit 114 zugeführt
wird. Im allereinfachsten Fall kann dieser Strom-Spannungswandler
durch einen an ein geeignetes Bezugspotential gelegten, vom Be
triebsstrom des elektromotorischen Stellers 134 durchflossenen Meß
widerstand realisiert sein. Ähnlich dem angedeuteten elektrischen
Steller 135 kann an den Treiberausgang 126 der Ausgabeeinheit bei
spielsweise entweder direkt oder über ein Submodul der Erregungs
stromkreis der Zündung angeschlossen sein, wenn die Komponenten des
Hardware-Moduls 10 eine entsprechende Verarbeitungskapazität bereit
stellen. Das Software-Modul 20 repräsentiert eine durch Programmvor
schrift implementierte Reglerfunktion, die hardwareäquivalente Ein
zelfunktionen eines herkömmlichen Reglers 210, beispielsweise eines
PID-Reglers, und eines herkömmlichen Vergleichers 211 implementiert.
Aus dem Wertepfad 212 werden dem den Vergleicher 211 implementieren
den Algorithmus Solldaten 213 und Istdaten 214 zugeführt; das Ver
gleichsergebnis wird in den den Regler 210 implementierenden Algo
rithmus eingespeist, und das Regelergebnis wiederum dem Wertepfad
212 zugeführt, der die bidirektionale Verbindung zwischen dem Soft
ware-Modul 20 und dem hardwaremäßig ausgeführten ROM/RAM-Speicher
116/117 herstellt. Solange ein Defekt am Stellungsgeber 127 bzw. an
den Plausibitätsprüfmitteln 132 nicht vorliegt, gibt das Hard
ware-Modul 10 über den Wertepfad 212 dem den Regler 210 implementie
renden Algorithmus denjenigen Parametersatz vor, der unter Verwen
dung des normalen Istwertsignals am Eingangsport 118 durch Abstim
mung auf die Brennkraftmaschine und das betreffende Kraftfahrzeug
ein optimales Betriebsverhalten gewährleistet. Das Hardware-Modul
führt in sich beständig wiederholender Sequenz unter Benutzung von
im Lese-Speicher (ROM) 116 abgelegten Prüfwerten ab, ob das über den
Eingangsport 118 eingeholte Positionssignal des Stellungsgebers 127
mit der über die Zustandsleitung(en) 143 von Überwachungsmitteln 132
abgegebenen Prüfinformation in plausiblem Zusammenhang steht. Ist
dies nicht der Fall, löst das Software-Modul per Programmschrift die
Regelstrecke 137 selbstätig auf, indem eine andere Zustandsgröße der
Brennkraftmaschine, beispielsweise das Ausgangssignal des Drucksen
sors 129, oder des Luftmassenmessers 130, oder den Stellstrom umset
zenden Strom-Spannungswandlers 131 aushilfsweise als das den Regel
streckenausgang charakterisierende Istsignal herangezogen wird. In
der Regel reicht hierzu eine Ersatzgröße aus; sind jedoch mehrere
Sensoren für verschiedene Betriebskenngrößen ohnehin vorhanden, de
ren Ausgangssignale in einer rechnergestützten Steuereinrichtung
verarbeitet werden und deshalb dort zur Verfügung stehen, können
auch zwei oder mehrere Ersatzgrößen im Verbund als Ersatz-Ist-Infor
mation herangezogen werden. Die Erfindung sieht nun vor, daß das
Hardware-Modul 10 bei Erkennen eines Defeks der Regelstrecke 137,
die nicht auf einem Defekt des Stellers 134 zurückzuführen ist, ei
nen an die jeweils gewählte Ersatzgröße als Istsignal und deren spe
zifische Abhängigkeit von der vom Steller 134 hervorgerufenen Stell
größe einen angepaßte, stationären oder aber auch dynamisch aktuali
sierten Parametersatz an das Software-Modul 20 überträgt. Dies ge
schieht derart, daß entweder ein für einen solchen Fehlerfall vorbe
stimmter, im Lese-Speicher (ROM) 116 fest abgelegter Ersatzparame
tersatz über den Wertepfad 212 in den den herkömmlichen Regler 210
implementierenden Regelalgorithmus eingespeist wird, oder daß eine
solche Einspeisung von Ersatzparamtern über den Schreib-Lese-Spei
cher (RAM) 117 geschieht, wenn z.B. ein im Lese-Speicher (ROM) 116
fest abgelegter Ersatzparametersatz zunächst betriebszustandsabhän
gig vom Rechnerkern 111 in einen aktuellen umgesetzt wird, der dann
im Schreib-Lese-Speicher (RAM) 117 abgelegt wird und dort zur Verfü
gung steht. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß selbst bei
Ausfall des Stellungsgebers 127, der wie schon erwähnt beispiels
weise drehfest mit der Stellwelle der Drosselklappe an der Brenn
kraftmaschine verbunden ist, das Fahrzeug noch mit verhältnismäßig
hohem Komfort fahrbar bleibt. Ausgenutzt wird hierzu ein Ersatz der
mechanischen Wirkverbindung 136 zwischen dem Steller 134 und dem die
Ist-Information regulär bereitstellenden Positionsgeber 127 durch
einen mehr oder weniger genau abgespeicherten und beschreibbaren
funktionalen Zusammenhang zwischen der vom Steller 134 erzeugten
Stellgröße und den dadurch bewirkten von Ersatzgebern 129, 130 und
131 einholbaren Ersatz-Ist-Informationen.
Fig. 2 veranschaulicht in einem Diagramm den einfachsten Fall eines
solchen funktionalen Zusammenhanges; aufgetragen ist über dem Stel
lungswinkel der Drosselklappe α der normierte Betriebsstrom des
Stellers 134 bzw. das normierte Drehmoment, das dieser beispiels
weise gegen eine Rückstellfeder erzeugen muß. Es ist angenommen, daß
der Betriebsstrom des Stellers 134 in dem Maße linear ansteigt, in
dem sich auch das Drehmoment linear erhöht. Besonders bei Vorliegen
eines solchen linearen Zusammenhanges, der sich in der Praxis gut
realisieren läßt, kann eine hohe Abbildungstreue der entsprechenden
"Ersatzwirkverbindung" zwischen der Stellgröße - also dem Stellungs
winkel der Drosselklappe - und dem auf einfache Weise in einen aus
wertbaren Spannungsabfall wandelbaren Betriebsstrom des Stellers
ausgenutzt werden. Aber auch die Abhängigkeit des Stellungswinkels
der Drosselklappe von beispielsweise zwei Betriebskenngrößen der
Brennkraftmaschine, insbesondere entweder der Drehzahl und dem Druck
im Ansaugrohr oder aber der Drehzahl und dem Luftmengen- oder Luft
massendurchsatz, kann in einfacher Weise zur Ableitung einer Er
satz-Ist-Information ausgenutzt werden, indem eine solche z.B. einem
entsprechenden Wertepaar verknüpfenden Kennfeld entnommen wird, bei
spielsweise einem solchen zur Vorgabe eines Sollwertes für einen
Luftdurchsatzregelkreis. In einem solchen Falle gibt der Fahrer des
Fahrzeugs also seinen Fahrerwunsch über den mit dem Fahrpedal gekup
pelten Stellungsgeber 128 an ein entsprechendes rechnergestütztes
Steuergerät weiter, welches im Fehlerfalle dann vollautomatisch
durch Umbestückung des Software-Moduls mit einem angepaßten Parame
tersatz von der Stellungsregelung der Drosselklappe auf eine Luft
mengen- oder Luftmassenregelung im Ansaugrohr umschaltet, die bei
spielsweise unabhängig davon auch von einem zweiten Software-Modul
30 mit entsprechendem algorithmierten Regler 310 für eine Benzinein
spritzung regelmäßig bedient wird. Dem Fahrer kann der Ausfall der
Regelstrecke 137 über eine Anzeigeeinrichtung 153, die von einem
Statusausgang 151 der Ausgabeeinheit 115 über eine Steuerleitung 152
gespeist wird, angezeigt werden. Dabei kann eine differenzierte An
zeige sowohl eines Defektes der Geber 127 und 132 einerseits und des
Stellers 134 andererseits erfolgen, indem beispielsweise per Pro
gramm und im Lese-Speicher (ROM) 116 abgelegten Prüfwerten ein Plau
sibilitätsvergleich des Betriebsstromes des Stellers 134 mit der
Stellanforderung gemäß Anforderung aus dem Software-Modul 20 durch
geführt wird.
Das erläuterte Ausführungsbeispiel veranschaulicht eine besonders
vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung; der Rahmen derselben
wird nicht verlassen, wenn eine andere Struktur des Hardware-Moduls
zur Anwendung gelangt, wie dies beispielsweise vorteilhaft sein kann
dann, wenn ein solches ausschließlich für die Stellungsregelung der
Drosselklappe vorgesehen wird, d.h. nicht gleichzeitig für die Er
füllung anderer Funktionen an einer Brennkraftmaschine bzw. in einem
Kraftfahrzeug genutzt wird. Auch kann beispielsweise der Strom-Span
nungswandler 131 funktionaler Bestandteil der Treiberausgangsstufe
124 sein, so daß dann die Verbindungsleitung 146 innerhalb des Hard
ware-Moduls 10 verläuft.
Claims (9)
1. Elektronische Steuereinrichtung für die Leistung einer Brenn
kraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, mit einer den Verbrennungs
luftstrom beeinflussenden Drosselklappe, mit einem elektromotori
schen Steller (134) zur Positionierung derselben, mit einem Ist-Po
sitionsgeber (127) und Mitteln (132) zur redundanten Überwachung
desselben, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Rechner (111) ent
haltendes Hardware-Modul (10) vorgesehen ist, das wenigstens einen
Ausgang (124) zur Ansteuerung des elektromotorischen Stellers (134)
umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Hardware-Modul (10) Eingänge
(118, 119, 120, 121, 122, 148) für den Ist-Positionsgeber (118), ei
nen vorzugsweise mit dem Fahrpedal wirkverbundenen Soll-Positionsge
ber (119), und wenigstens einen eine weitere Betriebskenngröße der
Brennkraftmaschine erfassenden Sensor (129, 130, 131, 150) aufweist,
und daß ein Stellregelkreis für die Drosselklappenstellung durch ein
Software-Modul (20) implementiert ist, wobei dieses Software-Modul
(20) aus einem Regelalgorithmus (210, 211) und austauschbaren Wer
te- und Parametersätzen (212) besteht, daß bei Ausfall des Ist-Posi
tionsgebers (127) oder der Mittel (132) zur redundanten Überwachung
desselben eine Regelung der wenigstens einen weiteren Betriebskenn
größe der Brennkraftmaschine durchführbar ist, indem als Ist-Signal
ersatzweise wenigstens eine Ausgangsgröße des wenigstens eine wei
tere Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine erfassenden Sensors
(129, 130, 131, 150) verarbeitbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ersatz
weise der vom Hardware-Modul (10) am Ausgang (124) in den elektromo
torischen Steller (137) eingespeiste Betriebsstrom als Istgröße er
faßt und regelbar ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ersatz
weise als Sollsignal ein Wert verarbeitbar ist, der aus einem in ei
nem Lese-Speicher (ROM 116) abgelegten Kennfeld aus Werten des
Soll-Positionsgebers (128) und des Drehzahlgebers (150) entnehmbar
ist, und daß ersatzweise der gemessene Verbrennungsluftmengen- bzw.
Massendurchsatz als Ist-Größe verarbeitbar und regelbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ersatz
weise als Sollsignal ein Wert verarbeitbar ist, der aus einem in ei
nem Lese-Speicher (ROM 116) abgelegten Kennfeld aus Werten des
Soll-Positionsgebers (128) und des Drehzahlgebers (150) entnehmbar
ist, und daß ersatzweise der gemessene Saugrohrdruck als Ist-Größe
verarbeitbar und regelbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein an
die Regelstrecke der ersatzhalber geregelten Betriebskenngröße der
Brennkraftmaschine angepaßter Werte- und Parametersatz (212) in das
Software-Modul ladbar ist.
6. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Hardware-Modul (10) auch zur Ansteuerung ande
rer Steller (135) vorgesehen ist und dazu zeitabschnittsweise mit
jeweils wenigstens einem weiteren Software-Modul (30) ladbar ist.
7. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Hardware-Modul (10) durch zeitabschnittsweisen
Austausch von Software-Modulen (20, 30), insbesondere zugehöriger
Werte- und Parametersätze (212), zur zeitabschnittsweisen Regelung
der Stellung der Drosselklappe und der Fahrgeschwindigkeit des
Kraftfahrzeugs benutzbar ist.
8. Einrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Warneinrichtung (153) nach Maßgabe wenigstens
eines weiteren Software-Moduls (30) nach Eintritt des Ausfalles des
Ist-Positionssensors (127) oder der Mittel (132) zur redundanten
Überwachung desselben jeweils nach Erreichen einer vorbestimmten An
zahl von Kurbelwellenumdrehungen aktiviert und/oder im Sinne einer
Erhöhung der Alarmintensität fortgeschaltet wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die we
nigstens eine bestimmte Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen von we
nigstens einer Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine beeinflußbar
ist.
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