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Stand der Technik
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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung
der Drehzahl einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs im Leerlauf gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen
Patentansprüche.
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Ein
derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise
aus der
DE-OS 33 11 550 (
US-Patent 4 592 321 ) bekannt.
Dort wird zur Einstellung der Drehzahl einer Antriebseinheit im Leerlauf
die Leerlaufdrehzahl der Antriebseinheit geregelt eingestellt. Zur
Entlastung der Regelung ist eine sogenannte Vorsteuerung vorgesehen,
welche in Abhängigkeit
von Betriebsparametern wie Motortemperatur und Motordrehzahl einen
oder mehrere die Regelung überbrückende Einstellwerte,
sogenannte Vorsteuerwerte, für
die Leerlaufdrehzahl ermitteln. Mit diesen Vor steuerwerten wird
die Stellgröße des Regelkreis
zwischen Regelstrecke und Regler beaufschlagt. Die erwünschte Entlastung
des Reglers wird durch diese Vorsteuerung jedoch nur teilweise erreicht.
Die Vorsteuerwerte repräsentieren bei
dieser bekannten Regelung einem Grundluftmassenstrom zu einer Brennkraftmaschine,
während
der Regler einen Korrekturluftmassenstrom zu diesem Grundluftmassenstrom
liefert. Da die Vorsteuerwerte lediglich in Abhängigkeit ausgewählter Betriebsparameter
gebildet werden, muß der
Regler entweder weiterhin kleine Drehzahldifferenzen, insbesondere stochastische
und durch eine Abgasregelung verursachte Schwankungen der Motordrehzahl
ausregeln, oder den falschen Vorsteuerungswert bei unterschiedlicher
Soll-Leerlauf-Drehzahl (z.B. bei niedriger Motortemperatur) ausregeln.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren
Hilfe die Entlastung eines Regler in einem geschlossenen Regelkreis
bei der Einstellung der Drehzahl einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs
im Leerlauf weiter verbessert werden kann.
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Dies
wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Aus
der
DE-OS 43 04 779 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Drehzahl
einer Antriebseinheit im Leerlauf bekannt, bei welcher abhängig von
den Belastungen der Antriebseinheit das von dieser aufzubringende
Drehmoment, bei einer Brennkraftmaschine vorzugsweise das indizierte Motormoment
(= das direkt durch die Verbrennung erzeugte Drehmoment), berechnet
wird. Dazu wird in Abhängigkeit
von Belastungsgrößen, wie
dem Status von Nebenverbrauchern (Klimaanlage, Servolenkung, etc.),
der Motordrehzahl, der Motortemperatur und/oder der eingelegten
Getriebeübersetzung
ein Vorsteuerwert für
das aufzubringende Moment berechnet. Dieser gibt einen Grundwert
für das
Drehmoment an, welcher durch einen Leerlaufdrehzahlregler entsprechend
der Differenz zwischen Soll- und Istdrehzahlwert korrigiert wird.
Der Drehzahlregler berechnet dabei auf der Basis der Drehzahlabweichung
gemäß einer
vorgegebenen Regelstrategie ein Korrekturmoment für den Grundwert.
Der berechnete und korrigierte Sollwert für das aufzubringende Drehmoment
der Antriebseinheit wird beim bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine
durch Einstellen der der Brennkraftmaschine zugeführten Luft,
der Kraftstoffmenge und/oder des Zündwinkels (beim Otto-Motoren)
oder der Kraftstoffmenge (bei Dieselmotoren) eingestellt. Auch bei
dieser Vorgehensweise tritt das oben dargestellte unbefriedigende
Verhalten in Bezug auf stochastische oder durch die Abgasregelung
verursachte Schwankungen der Motordrehzahl auf.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
wird in vorteilhafter Weise die Drehzahl der Antriebseinheit bei
kleinen Drehzahldifferenzen automatisch durch die Vorsteuerung stabilisiert,
ohne daß der
Regler einzugreifen braucht.
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Dies
führt insbesondere
dazu, daß die
stochastische oder durch eine Abgasregelung verursachte Schwankungen
der Drehzahl automatisch durch die Vorsteuerung reduziert wird,
ohne daß die Drehzahlregelung
selbst eingreifen muß,
da die Schwankungen bereits in der Vorsteuerung berücksichtigt
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
sowohl im Zusammenhang mit einer Einstellung der Drehzahl auf der
Basis von Luftmassenströmen
als auch auf der Basis des Drehmoments der Antriebseinheit angewendet
werden kann.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
bzw. aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert. Dabei
zeigt 1 ein Übersichtsblockschaltbild
einer Vorrichtung zur Einstellung der Drehzahl einer Antriebseinheit,
während
in 2 die erfindungsgemäße Vorgehensweise als Realisierung eines
Rechnerprogramms am Beispiel eines Flußdiagramms für ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel skizziert
ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 ist
eine Brennkraftmaschine 10 mit einer im Luftansaugsystem 12 angeordneten
Drosselklappe 14 dargestellt. Die Drosselklappe 14 ist über eine
mechanische Verbindung 16 mit einem Antriebsmotor 18 verbunden,
dem eine Leitung 20 von einer elektronischen Steuereinheit 22 zugeführt ist. Ferner
verfügt
die Brennkraftmaschine 10 über ein oder mehrere Einspritzventile 24 sowie über Einrichtungen 28 zur
Zündungseinstellung,
welche über
Leitungen 26 bzw. 30 mit der Steuereinheit 22 verbunden
sind. An einer Welle 32 der Brennkraftmaschine 10 (vorzugsweise
die Kurbelwelle) ist eine Meßeinrichtung 34 zur
Erfassung der Drehzahl vorhanden, von der eine Leitung 36 zur
Steuereinheit 22 führt. Ferner
sind Meßeinrichtungen 38 bis 40 für nachstehend
erläuterte
Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs vorgesehen. Sie sind über Leitungen 42 bis 44 mit
der Steuereinheit 22 verknüpft.
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Neben
der bevorzugt dargestellten Otto-Brennkraftmaschine kann es sich
auch um eine Dieselbrennkraftmaschine handeln, bei welcher im wesentlichen
Maßnahmen
zur Beeinflussung der Kraftstoffzumessung vorhanden sind. Ferner
kann es sich auch um ein alternatives Antriebskonzept, beispielsweise
um einen Elektromotor handeln, bei dem im Leerlauf eine bestimmte
Ausgangsleistung, ein bestimmtes Drehmoment oder eine bestimmte
Drehzahl aufrechterhalten wird.
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Zur
Einstellung der Drehzahl im Leerlauf werden in der Steuereinheit 22 durch
die bekannte Vorsteuerung Vorsteuerwerte in Abhängigkeit von Betriebsgrößen wie
Motortemperatur, Motordrehzahl, Soll-Leerlaufdrehzahl, Status von
Nebenverbrauchern (z.B. Klimaanlage oder Servolenkung), abhängig vom
eingelegten Gang, etc. aus vorbestimmten Kennlinien und Kennfeldern
gebildet. Die Vorsteuerwerte repräsentieren jeweils den Beitrag
der entsprechenden Betriebsgröße zum zuzuführenden
Luftmassenstrom bzw. zum aufzubringenden Drehmoment zur Aufrechterhaltung
der Drehzahl im Leerlauf. Die Summe der Vorsteuerwerte repräsentiert
somit einen Grundluftmassenstrom bzw. ein Grunddrehmoment. Dieser
Grundwert wird durch den Korrekturwert des Reglers korrigiert. Dazu
wird in der Steuereinheit 22 eine Solleerlaufdrehzahl abhängig von
Betriebsgrößen wie
Motortemperatur, Batteriespannung, etc. aufgrund vorgegebener Kennfelder
oder Tabellen gebildet. Diese Solleerlaufdrehzahl wird mit der von
der Meßeinrichtung 34 erfaßten Istdrehzahl in
Beziehung gesetzt und die Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl
gemäß einer
vorgegebenen Reglerstrategie (z.B. PID) in eine einen Korrekturluftmassenstrom
oder ein Korrekturdrehmoment darstellende Größe umgesetzt. Durch Verknüpfung (vorzugsweiseden
Addition) des Korrekturwerts und des Gundwerts wird eine Stellgröße (Ansteuersignal)
zur Einstellung von Leistungsparametern Brennkraftmaschine gebildet.
Die Stellgröße wird
im bevorzugten Ausführungsbeispiel über die
Lei tung 20 an den Antriebsmotor 18 zur Einstellung
der Drosselklappe 14 abgegeben. Repräsentieren die Werte Luftmassenströme, so stellt
die Stellgröße direkt
den einzustellenden Drosselklappenwinkel dar, repräsentieren
sie Drehmomente, wird zur Bildung des einzustellenden Drosselklappenwinkels
neben der Stellgröße noch
die Motordrehzahl berücksichtigt.
In anderen Ausführungsbeispielen
wird neben der Beeinflussung der Luftzufuhr, Kraftstoffzumessung und/oder
Zündzeitpunkt
beeinflußt.
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Die
Vorsteuerwerte sind derart experimentell bestimmt und bemessen,
daß bei
einer Änderung
der der Vorsteuerwerte zugrundeliegenden Betriebsgrößen kein
Eingreifen des Reglers zum Aufrechterhalten der Solleerlaufdrehzahl
notwendig ist. Durch stochastische Einwirkungen oder durch eine
Abgasregelung entstehen Schwankungen in der Drehzahl, durch die
Vorsteuerung nicht ausgeglichen werden können. Es bleiben somit kleine
Drehzahldifferenzen, welche vom Regler ausgeregelt werden müssen.
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Die
erfindungsgemäße Vorgehensweise
zur weitgehenden Vermeidung dieser Reglereingriffe basiert auf folgenden
Grundgedanken.
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Zur
Stabilisierung des Leerlaufs ist von dem Motor eine bestimmte Leistung
Pmot, vorzugsweise eine indizierte Leistung, abzugeben, das heißt es besteht
ein bestimmter Leistungsbedarf Pmot. Daher wird durch einen Leerlaufdrehzahlregler
in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen Soll- und Istdrehzahlwert eine Korrektur
dP für
einen Grundwert Pmot0 für die
Leistung, der die Belastung der Antriebseinheit repräsentiert,
berechnet: Pmot = Pmot0 + dP (1)
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Dabei
gilt für
dP: dP = dmllr·(f1·nmot)(dmllr: Momentenkorrekurwert
des Leerlaufreglers)
und für
Pmot0 (Vorsteuerung): Pmot0 = mind0·(f1·nsoll)(mind:
indiziertes Moment, nsoll: Leerlaufsolldrehzahl, nmot Motordrehzahl,
f1: Faktor)
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Der
Vorsteuerwert mind0 für
das indizierte Motordrehmoment im Leerlauf für ein Fahrzeug mit automatischem
Getriebe und Klimaanlage ergibt sich aus folgendem Zusammenhang: mind0 = mgang(nab) + mverl(Tmot, nsoll) + mklima(mgang:
Momentenbedarf des Wandlers, mverl: Momentenbedarf durch innere
Reibung, mklima: Momentenbedarf der Klimaanlage, nab: Abtriebsdrehzahl,
Tmot: Motortemperatur).
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Arbeitet
das System auf der Basis von Luftmassenströmen, so gelten die entsprechende
Zusammenhänge,
wobei der Vorsteuerungswert des Luftmassenstroms direkt proportional
zu Pmot0 berechnet wird.
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Aus
den obigen Zusammenhängen
ergibt sich dann für
den im Leerlauf auftretenden Leistungsbedarf der Antriebseinheit
zu: Pmot = mindsoll·(f1·nmot)und für das einzuestellende
Motordrehmoment: mindsoll = mind0·(nsoll/nmot)
+ dmllr
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Aufgrund
dieses Sollwertes für
das indizierte Motormoment und der Motordrehzahl wird dann ein Solldrosselklappenöffnungswinkel
berechnet.
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Kerngedanke
der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ist also, daß im
Leerlauf die Einstellung der Drehzahl über eine Bestimmung und Einstellung des
Leerlaufleistungsbedarf erfolgt, das heißt eine Einstellung der zur
Kompensation von Belastungen und zur Kompensation von Drehzahlschwankungen notwendigen
Motorleistung abhängig
von nsoll. Die Einstellung des Leistungsbedarfs erfolgt über eine Einstellung
eines Sollwerts für
das indizierte Motormoment oder für den Luftmassenstrom durch
Beeinflussung von Luftzufuhr (Drosselklappe), Kraftstoffzumessung
und/oder Zündung.
Ein weiterer Kerngedanke ist, daß zur Verbesserung der Drehzahleinstellung
im Leerlauf die oder der Vorsteuerwert mit einem Maß für die Abweichung
der Istdrehzahl von der Solldrehzahl modifiziert wird. Dieses ist
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
das Verhältnis
aus Solldrehzahl und Istdrehzahl, kann in anderen Ausführungen
aus direkt die Differenz zwischen Soll- und Istdrehzahl oder ein
geeignet gewichtetes Produkt aus Solldrehzahl und Istdrehzahl sein.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Vorsteuerwert mit dem Drehzahlverhältnis multipliziert. Ebenso
vorteilhaft kann es in anderen Ausführungen sein, die die Abweichung
zwischen Soll- und Istdrehzahl beschreibende Größe durch Addition, Subtraktion
oder Quotientenbildung mit dem Vorsteuerwert zu verknüpfen. Dies stellt
ferner eine bevorzugte Realsierung der Ermittlung und Einstellung
des Leerlaufleistungsbedarfs dar.
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In 2 ist
die Realisierung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise als Rechnerprogramm anhand
eines Flußdiagramms
am Beispiel einer Drehzahleinstellung im Leerlauf im Rahmen einer Regelung
der Motorleistung auf der Basis der Berechnung des einzustellenden
indizierten Motormoments gezeigt.
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Nach
Start des Programmteils werden in einem ersten Schritt 100 die
Betriebsgrößen Motordrehzahl
nmot, Motortemperatur Tmot, Status der Klimaanlage (Klima) oder
einer Servolenkung, etc. sowie gegebenenfalls Abtriebsdrehzahl nab
eingelesen. Daraufhin wird im Schritt 101 auf der Basis
von Betriebsgrößen wie
Motortemperatur und Batteriespannung aus vorgegebenen Kennfeldern
oder Tabellen die Solldrehzahl nsoll und im Schritt 102 das Verlustmoment
mverl aus einem vorbestimmten Kennfeld in Abhängigkeit der Motortemperatur
und der Motordrehzahl bestimmt. Dieses Verlustmoment berücksichtigt
die Reibungsverluste im Motor. Im darauffolgenden Schritt 104 wird
bei eingeschalteter Klimaanlage der Drehmomentenbedarf der Klimaanlage
mklima aus einer vorbestimmten Tabelle berechnet (entsprechend bei
einer Servolenkung oder anderen Verbrauchern). Im Schritt 106 wird
bei eingelegter Fahrstufe im Leerlauf auf der Basis der Abtriebsdrehzahl
der Momentenbedarf des automatischen Getriebes mgang bestimmt. Daraufhin
wird im Schritt 108 der Vorsteuerwert mind0 für das indizierte Drehmoment
als Summe aus Verlustmoment, Verbrauchsmoment und Gangmoment berechnet.
Im folgenden Schritt 112 wird das Verhältnis zwischen Solldrehzahl
und Istdrehzahl nmot berechnet. Daraufhin wird im Schritt 114 der
Vorsteuerwert mind0 mit dem Verhältnis
zwischen Soll- und Istdrehzahl modifiziert und so ein modifiziertes
Vorsteuerwert mvorst gebildet. Im Schritt 116 wird der
Korrekturwert des Drehzahlreglers für das Motormoment dmllr gemäß einer vorgegebenen
Regelstrategie aufgrund der Abweichung zwischen Soll- und Istdrehzahlwert
berechnet und im Schritt 118 der Sollwert für das indizierte
Motormoment mindsoll auf der Basis des modifizierten Vorsteuerwerts
und des Korrekturwerts berechnet.
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Daraufhin
wird im Schritt 120 auf der Basis der Motordrehzahl und
des Momentensollwertes der einzustellende Drosselklappenwinkel bestimmt
und ausgegeben. Alternativ bzw. ergänzend hierzu kann auch die
Einspritzzeit ti sowie der Zündwinkel
Z bestimmt werden. Danach wird der Programmteil beendet.
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Diese
Realisierung führt
gemäß den oben angegebenen
Gleichungen zur Ermittlung und Einstellung des Leistungsbedarfs
der Antriebseinheit im Leerlauf über
eine Drehzahlregelung mit Vorsteuerung derart, daß der Drehzahlregler
möglichst
wenig eingreift.
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Neben
der Darstellung über
Momentenbeiträge
wird in anderen Ausführungsbeispielen
die Vorsteuerung auf der Basis von Beiträgen zum Luftmassenstrom berechnet.
Hier wird der von der Vorsteuerung gebildete Grundluftmassenstrom
entsprechend mind0 × nsoll
durch die Solldrehzahl und bestimmt, so daß stochastische Änderungen
und andere Schwankungen der Motordrehzahl bereits durch die Vorsteuerung
geeignet berücksichtigt
werden und vom Regler nicht ausgeregelt werden müssen.