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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betreiben einer Brennkraftmaschine beim Übergang zwischen Leerlauf und
Teillast.
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Bei in Kraftfahrzeugen eingebauten
Brennkraftmaschinen wird der Betrieb der Brennkraftmaschine üblicherweise über Fahrpedal
gesteuert, das von einem Fahrer betätigt wird. Während früher das Fahrpedal über Gestänge oder
Seilzüge
mechanisch in die Laststeuerung einer Brennkraftmaschine, beispielsweise über das
Stellen einer Drosselklappe oder einer Einspritzpumpe, eingriff,
wird bei modernen Brennkraftmaschinen die Laststeuerung von einem
Steuergerät
vorgenommen, das die Stellung bzw. Betätigung des Fahrpedals über einen üblicherweise
als Potentiometer ausgebildeten Pedalwertgeber erfasst. Dieses Steuergerät übernimmt
die gesamte Laststeuerung der Brennkraftmaschine, insbesondere auch
die Leerlaufregelung. Dabei wird üblicherweise ein sogenannter
momentenbasierter Ansatz verfolgt, bei dem das von der Brennkraftmaschine
abgegebene Moment als Führungsgröße dient. Der
ausgelesene Pedalwert wird dabei über ein sogenanntes Fahrerwunschkennfeld
oder Pedalwertkennfeld in ein Fahrerwunschmoment umgesetzt, das
das vom Fahrer angeforderte Moment darstellt.
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Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine
wird vom Steuergerät
während
des Leerlaufs eine unterschiedliche Last bzw. ein unterschiedliches Moment
eingestellt. So kann bei kalter Brennkraftmaschine die Leerlaufdrehzahl
angehoben sein. Eine momentenerhöhende
Leerlaufbeeinflussung erfolgt auch, wenn einzelne von der Brennkraftmaschine
angetriebene Verbraucher, wie beispielsweise Klimaanlage oder Servolenkung,
erhöhten
Leistungsbedarf haben. In diesem Fall wird die Brennkraftmaschine so
gesteuert, dass sie möglichst
ohne Leerlaufdrehzahlanhebung ein erhöhtes Moment liefert.
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Betätigt nun der Fahrer in einer
Leerlaufphase das Fahrpedal, um für einen Teillastbetrieb ein Moment
anzufordern, so ergibt sich je nach Leerlaufbedingung ein unterschiedlich
großer
Leerweg, um den das Fahrpedal betätigt werden muss, bis das aus dem
Pedalwert abgeleitete Fahrerwunschmoment gleich dem vom Leerlaufregler
eingestellten Leerlaufmoment ist.
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Dies führt zu einem unkomfortablen
Verhalten der Brennkraftmaschine, da der Fahrer zuerst feststellt,
dass eine Betätigung
des Fahrpedals keinen Einfluss auf den Betrieb der Brennkraftmaschine hat
und erst das Betätigen
des Fahrpedals über
eine gewisse Stellung hinaus Wirkung zeigt.
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In der
DE 197 15 774 A1 ist ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
mit einem E-Gassystem
beschrieben. Dabei werden wenigstens der Zündwinkel der Brennkraftmaschine
und ein die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine beeinflussendes Stellelement
gesteuert. Die Steuerung erfolgt abhängig von Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine und/oder externen Eingriffen im Sinne einer Einstellung
eines vorgegebenen Drehmoments der Brennkraftmaschine. In wenigstens
einem Betriebszustand wird ein Wirkungsgrad der Zündwinkeleinstellung
bezogen auf eine optimale Einstellung im aktuellen Arbeitspunkt
vorgegeben und der Zündwinkel
wird zur Bereitstellung dieses Wirkungsgrades verändert. Dabei
wird die Zündwinkeleinstellung
im Rahmen der Steuerung der Luftzufuhr im Sinne einer Aufrechterhaltung
des Drehmoments der Brennkraftmaschine berücksichtigt. Außerhalb
des Leerlaufs der Brennkraftmaschine wird der Zündwinkel nach Maßgabe eines
vorgegebenen Zündwinkelwirkungsgrades
bestimmt. Diese Vorgehensweise erlaubt eine momentenbasierte Motorsteuerung
sowohl bei herkömmlichen
Steuersystemen ohne elektronischen Gaspedal als auch bei sogenannten
E-Gassystemen. Durch die Momentenkoordination an einer zentralen
Stelle wird eine bessere Arbeitspunkteinstellung und eine bessere
Dynamik erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese
Komforteinbußen
verursachenden Auswirkungen beim Übergang von Leerlauf auf Teillast
zu beheben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung sieht vor, den Leerweg,
um den das Fahrpedal betätigt
werden muss, bis das aus dem Pedalweg abgeleitete Fahrerwunschmoment gleich
dem Leerlaufmoment ist, zu eliminieren. Im Leerlauf, d.h. wenn der
Leerlaufregler aktiv ist, liefert das Fahrerwunschkennfeld immer
den Wert Null. Tritt nun ein Übergang
in Teillast auf, was daran erkannt wird, dass der Pedalwert einen
Grundwert überschreitet,
wird die Differenz zwischen Leerlaufmoment und dem dem aktuellen
Fahrpedalwert – dabei handelt
es sich um den Grundwert – entsprechenden Fahrerwunschmoment
(Fahrpedalgrundwert) bestimmt und bei der weiteren Steuerung der
Brennkraftmaschine derart berücksichtigt,
dass das Fahrerwunschmoment um dieses Differenzmoment erhöht wird.
Dadurch wird ein korrigiertes Fahrerwunschmoment erhalten, das bereits
mit Beginn der Betätigung
des Fahrpedals aus dem Leerlauf heraus eine Momentenerhöhung der
Brennkraftmaschine zur Folge hat, und nicht erst, wenn das Fahrpedal
um einen gewissen Leerweg betätigt
wurde.
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Da die Korrektur des Fahrerwunschmomentes
vorwiegend den Übergang
zwischen Leerlauf und Teillast betrifft, ist es zu bevorzugen, dieses
Differenzmoment mit zunehmender Betätigung des Fahrpedals auf Null
abklingen zu lassen. Das erfolgt am zweckmäßigsten in Abhängigkeit
von der Drehzahl der Brennkraftmaschine oder vom Pedalwert. Dadurch
wird erreicht, dass mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine
oder mit zunehmendem Pedalwert, also mit zunehmendem Faherwunschmoment,
das Differenzmoment auf Null verringert wird.
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Alternativ wäre es auch möglich, das
Differenzmoment abhängig
vom Istmoment der Brennkraftmaschine oder vom Fahrerwunschmoment selbst
auf Null zurückzuführen.
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Dieses Zurückführen kann prinzipiell beliebig erfolgen,
besonders einfach ist es jedoch, einen drehzahl- oder fahrpedalwertabhängigen Korrekturfaktor
vorzusehen, mit dem das Differenzmoment zu einem korrigierten Differenzmoment
multipliziert wird.
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Die Drehzahl- oder Fahrpedalwertabhängigkeit
des Korrekturfaktors kann beispielweise über einen geeignet gewählten, von
der Drehzahl oder dem Fahrpedal beeinflussten Integralanteil erfolgen,
der mit steigender Drehzahl bzw. mit steigendem Fahrpedalwert abnimmt.
In einer besonders einfach in einem Steuergerät programmtechnisch zu verwirklichenden
Ausgestaltung wird dabei der Drehzahl- oder Fahrpedalwertgradient
aufintegriert, insbesondere nur dessen positive Anteile. Anschließend wird der
Wert des Integrals auf einen Drehzahl- oder Fahrpedalschwellwert
limitiert und der Wert des Integrals durch den Drehzahlschwellwert
oder den um den Fahrpedalgrundwert verminderten Fahrpedalschwellwert
dividiert. Zieht man das Ergebnis von Eins ab, erhält man einen
dimensionslosen Korrekturfaktor, der mit steigender Drehzahl oder
steigendem Fahrpedalwert von Eins auf Null abklingt.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil,
dass über
den Drehzahl- bzw.
den Fahrpedalschwellwert genau eingestellt werden kann, wann das
Differenzmoment abgebaut ist und somit die Korrektur des Fahrerwunschmomentes
beendet ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung
der Varianten mit durch Integralbildung erhaltenem Korrekturwert
kann man den Drehzahl- oder Fahrpedalwertgradienten filtern, insbesondere
tiefpassfiltern. Damit wird ein besonders gleichmäßiger und
unmerklicher Abbau des Differenzmomentes erreicht. Da eine solche
Tiefpassfilterung aber zur Folge haben könnte, dass bei Zurückführen des
Fahrpedals in eine Stellung, in der der Leerlaufregler eingreift,
nicht sofort das volle Differenzmoment Berücksichtigung findet, ist es
dann zu bevorzugen, in jeder Leerlaufphase den Korrekturfaktor,
der mit steigender Drehzahl bzw. mit steigendem Fahrpedalwert den
Abbau des Differenzmomentes bewirkt, auf Eins zu setzen.
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Auch kann das Differenzmoment mit
der um den Faktor Leerlaufmoment durch unbetätigtem Fahrpedal entsprechenden
Fahrerwunschmoment multiplizierten Differenz aus maximalem Fahrpedalwert
(oder Fahrerwunschmoment) minus aktuellem Fahrpedalwert (oder Fahrerwunschmoment)
multipliziert werden, um zu erreichen, dass das Differenzmoment
von 100% auf 0% bei maximal betätigtem
Fahrpedal absinkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt
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1 ein
Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine mit Steuergerät und Fahrpedal,
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2 ein
Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
und
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3 und 4 zwei mögliche Verfahren zum Ermitteln
eines Korekturfaktors.
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In 1 ist
schematisch eine Brennkraftmaschine 1 gezeigt, deren Betrieb
von einem Steuergerät 3 gesteuert
wird. Das Steuergerät 3 ist
dazu über nicht
näher bezeichnete
Leitungen mit der Brennkraftmaschine 1 verbunden und misst
diverse Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine, insbesondere die Drehzahl. Dabei steht sowohl
die Drehzahl während
eines Arbeitsspiels, als auch die Drehzahl während jedes Segments eines
mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 1 verbundenen
Segmentrades zur Verfügung.
Das Steuergerät 3 liest
weiter einen Pedalwertgeber 4 aus, der die Stellung eines
vom Fahrer betätigten
Fahrpedals 2 erfasst. Im Steuergerät 3 befinden sich
u.a. ein Leerlaufregler 5, der den Leerlauf der Brennkraftmaschine 1 regelt.
Dabei handelt es sich um einen sogenannten momentenbasierten Regler,
der beim Betrieb der Brennkraftmaschine 1 auftretende Verlustmomente
berücksichtigt
und ein Sollmoment vorgibt, das vom Steuergerät 3 bei der Ansteuerung
der Brennkraftmaschine derart berücksichtigt wird, dass die Laststeuerung
der Brennkraftmaschine 1 so erfolgt, dass ein Sollmoment
abgegeben wird.
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Das Steuergerät 3 liest fortwährend den
Pedalwertgeber 4 aus und ermittelt über ein Kennfeld aus dem dabei
erhaltenen Pedalwert ein Fahrerwunschmoment, das das vom Fahrer
der Brennkraftmaschine 1 abgeforderte Moment wiedergibt.
Diese Ermittlung des Fahrerwunschmomentes ist dem Fachmann bekannt.
Das Steuergerät 3 verfügt nun weiter über eine
nachfolgend erläuterte
Korrekturfunktion 6, die das Fahrerwunschmoment weiter
korrigiert, um einen Leerweg des Pedals beim Übergang von Leerlauf auf Teillast
zu vermeiden.
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Dazu wird zuerst in einem Schritt
S1 der Pedalwert PV_AV angelesen. Anschhießend wird in einem Schritt
S2 auf bekannte Weise, bei spielsweise mittels eines Kennfeldes,
aus dem Pedalwert PV_AV das Fahrerwunschmoment TQ_REQ bestimmt.
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Weiter wird in einem Schritt S3 das
vom Leerlaufregler eingestellte Leerlaufmoment TQ_LL ermittelt.
Dann wird in einem Schritt S4 das Differenzmoment TQ_DIF bestimmt,
indem vom Leerlaufmoment TQ_LL das Fahrerwunschmoment TQ_REQ abgezogen
wird. Dieses Differenzmoment TQ_DIF könnte nun direkt bei der weiteren
Laststeuerung der Brennkraftmaschine 1 Berücksichtigung
finden, indem das Fahrerwunschmoment TQ_REQ um dieses Differenzmoment
TQ_DIF erhöht
würde.
Dabei würde
man allerdings eine bleibende Skalierungsverschiebung erhalten,
was zwar prinzipiell möglich,
in der Regel jedoch nicht erwünscht
ist. Es ist deshalb weiter ein Korrekturfaktor FAC_TQ vorgesehen,
der in Schritt S5 auf noch zu beschreibende Weise ermittelt wird.
Mit diesem Korrekturfaktor FAC_TQ wird das Differenzmoment TQ_DIF
in Schritt S6 multipliziert, so dass ein korrigiertes Differenzmoment TQ_DIF_K
erhalten wird. Der Korrekturfaktor FAC_TQ liegt dabei zwischen 0
und 1 und bewirkt eine Abnahme des Differenzmomentes TQ_DIF_K mit
steigender Drehzahl oder steigendem Fahrpedalwert auf 0. Damit ist
eine Skalierungsverschiebung vermieden.
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Der Faktor FAC_TQ kann auf verschiedene Weise
ermittelt werden, beispielsweise ist eine direkte Drehzahl-, Fahrpedalwert-
oder Istmomentenabhängigkeit
möglich.
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In 3 ist
ein Ablaufdiagramm dargestellt, wie die Drehzahlabhängigkeit
von FAC_TQ mit besonderem Komfort für die Benutzung der Brennkraftmaschine
verwirklicht werden kann. Dazu wird in Schritt S7 zuerst die Drehzahl
N der Brennkraftmaschine von der Korrekturfunktion 6 ausgelesen.
Dabei kann es sich um die Segmentdrehzahl oder die Arbeitsspieldrehzahl
handeln. Anschließend
wird in Schritt S8 der Drehzahlgradient N_G ermittelt. Dieser wird
dann in Schritt S9 zu N_G_TP tiefpassgefiltert, d.h. geglättet. Zur
Tiefpassfilterung sind dem Fachmann verschiedenste Verfahren bekannt,
beispielweise eine zeitliche Mittelung über eine gewisse Anzahl von
Abtastungen, ein sogenanntes gleitendes zeitliches Mittel.
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Anschließend werden in Schritt S10
die positiven Anteile des tiefpassgefilterten Drehzahlgradienten
N_G_TP ermittelt. Dieser Schritt kann auch entfallen. Dies kann
beispielsweise dadurch erfolgen, dass N_G_TP mit THETA(N_G_TP) multipliziert
wird, wobei es sich hierbei um die sogenannte THETA-Funktion handelt,
die für
positive Argumente 1 und negative Argumente 0 ist.
Der so erhaltene positive Anteil N_G_TP des tiefgefilterten Drehzahlgradienten
N_G_TP bzw. der tiefpassgefilterte Drehzahlgradient wird nun aufintegriert
und dadurch das Integral INT_N_G_TP in Schritt S11 erhalten. Um
zu verhindern, dass dieses Integral über alle Maßen wächst, wird es auf einen Drehzahlschwellwert N_MAX
limitiert. Dies geschieht in Schritt S12. Dieser Drehzahlschwertwert
ist diejenige Drehzahl, bei dem der in Schritt S13 noch zu berechnende
Korrekturfaktor FAC_TQ auf 0 abgeklungen ist.
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In Schritt S13 wird nun der Korrekturfaktor FAC_TQ
berechnet, indem zuerst der Quotient aus dem limitierten Integral
INT_N_LIM und dem Drehzahlschwellwert N_MAX gebildet und das Ergebnis dann
von 1 abgezogen wird.
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Der so erhaltene Korrekturfaktor
FAC_TQ hat den Wert 1, solange die Brennkraftmaschine bei konstanter
Drehzahl läuft.
Steigt die Drehzahl an, d.h. wurde das Fahrpedal betätigt, so
nimmt FAC_TQ auf 0 ab, wobei der Wert 0 erreicht ist, wenn die Drehzahl den
Wert N_MAX annimmt. Das durch Multiplikation mit dem Korrekturwert
FAC_TQ erhaltene korrigierte Differenzmoment TQ_DIF_K nimmt somit
mit steigender Drehzahl bis zum Drehzahlschwellwert N_MAX auf 0
ab.
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Natürlich kann bei der Integralbildung
anstelle oder zusätzlich
zu einer Tiefpassfilterung auch noch eine Mindestamplitudenfilterung
erfolgen, die bewirkt, dass nur gewisse Mindestdrehzahlerhöhungen bei
der Integralbildung berücksichtigt werden. Durch
eine solche Amplitudenfilterung erreicht man, dass geringe Drehzahlschwankungen,
wie sie beispielweise durch Leerlaufschwankungen verursacht sein
können,
nicht in die Integralbildung einfließen und damit nicht zur Abnahme
des Korrekturfaktors FAC_TQ beitragen.
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Zusätzlich kann man noch vorsehen,
dass der Korrekturfaktor FAC TQ jedesmal auf 1 gesetzt wird, wenn
die Brennkraftmaschine sich im Leerlauf befindet.
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In einer alternativen Bestimmungsmethode für den Korrekturfaktor
FAC_TQ wird dieser nicht drehzahl- sondern fahrpedalwertabhängig gestaltet. Dies
ist in 4 näher dargestellt.
Die Schrittabfolge der 4 entspricht
im wesentlichen der 3,
mit dem Unterschied, dass anstelle der Drehzahl N der Pedalwert
PV_AV verwendet wird.
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Nach dessen Auslesen in Schritt S14
wird in Schritt S15 der Gradient P_G des Pedalwertes bestimmt. Anschließend erfolgt
in Schritt S16 ebenfalls die erläuterte
Tiefpassfilterung, so dass der tiefpassgefilterte Pedalwertgradient
P_G_TP erhalten wird. Nach Ermittlung der positiven Anteile P_G_TP_P werden
diese in Schritt S18 zu INT_P_G_TP aufintegriert.
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In Schritt S19 wird das Integral
INT_P_G_TP ebenfalls auf einen Grenzwert zu INT_P LIM limitiert. Allerdings
erfolgt die Limitierung hier nicht auf einen Drehzahlschwellwert,
sondern auf eine maximale Differenz zwischen den maximalen Pedalwert
P_MAX und dem minimalen Pedalwert P_MIN. Dies hat seine Ursache
darin, dass Pedalwertgeber üblicherweise so
eingestellt sind, dass sie auch bei nicht betätigtem Fahrpedal, d.h. wenn
das Fahrpedal 2 sich in der Ruhestellung befindet, einen
von Null verschiedenen Wert liefern, um ein nicht betätigtes Fahrpedal 2 von einem
Leitungsbruch zum Pedalwertgeber 4 unterscheiden zu können.
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In Schritt S20 wird nun der Quotient
aus dem limitierten Integral INT_P_LIM und der Differenz (P_MAX – P_MIN)
ermittelt und von 1 abgezogen, wodurch der Korrekturfaktor FAC_TQ
erhalten wird.
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Der maximale Pedalwert P_MAX hat
hier die gleiche Funktion wie die maximale Drehzahl N_MAX, d.h.
bei Erreichen dieses Pedalwertes ist der Korrekturfaktor FAC_TQ
auf 0 abgeklungen, wodurch das korrigierte Differenzmoment TQ_DIF_K
verschwindet.
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Natürlich kann die Bestimmung zweier
Korrekturfaktoren auch parallel drehzahl- und fahrpedalwertabhängig erfolgen.
Diese beiden Korrekturfaktoren können
dann in entsprechender Gewichtung gleichzeitig verwendet werden.