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DE19806665B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine Download PDF

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DE19806665B4
DE19806665B4 DE19806665A DE19806665A DE19806665B4 DE 19806665 B4 DE19806665 B4 DE 19806665B4 DE 19806665 A DE19806665 A DE 19806665A DE 19806665 A DE19806665 A DE 19806665A DE 19806665 B4 DE19806665 B4 DE 19806665B4
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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Sollwert (misol) für das Drehmoment der Brennkraftmaschine vorgegeben wird, wobei ein vorgegebener Momentenreservewert (mires) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad auf der Basis des Sollwertes (misol) für das Drehmoment und des Momentenreservewertes (mires) gebildet wird, wenn ein Hinweis auf einen folgenden Anfahrwunsch des Fahrers erkannt wird, und dass die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine abhängig von dem auf diese Weise ermittelten Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad eingestellt wird und der Zündwinkel abhängig vom Sollwert (misol) für das Drehmoment eingestellt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
  • Aus der DE 195 17 673 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Drehmomentes einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird wenigstens bei Leerlauf die Brennkraftmaschine in einem Betriebspunkt betrieben, in dem eine vorgegebene Drehmomentenreserve über dem Zündwinkel zur schnelleren Reaktion auf Laständerungen vorliegt.
  • Aus der DE 41 40 328 A1 ist eine Einrichtung zur Verbesserung des Anfahrverhaltens eines mit einem Handschaltgetriebe ausgerüsteten Kraftfahrzeugs bekannt. Dabei wird beim Einkuppeln der Kraftfahrzeugkupplung unmittelbar vor dem Kraftschluss der Kraftfahrzeugkupplung ein Kupplungseingriffssignal an die Brennkraftmaschinensteuerung abgegeben. Diese hebt dann bei Eintreffen des Kupplungseingriffssignals den Leerlaufdrehzahl-Sollwert und damit die an den Leerlaufsteller sowie an die Zündeinrichtung der Brennkraftmaschine abzugebenden Vorsteuerwerte um einen jeweils vorgebbaren Betrag an.
  • Bei modernen Steuersystemen für Brennkraftmaschinen wird die Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Drehmoment, auf elektrischem Wege in Abhängigkeit wenigstens eines Vorgabewerts gesteuert. Dieser kann ein von der Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements abgeleiteter Fahrerwunsch sein. Ein Beispiel für ein derartiges Steuersystem zeigt die WO 97/43531 A1 . Dort wird abhängig vom Fahrerwunsch ein Solldrehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt, in dessen Abhängigkeit die Leistungsgrößen der Brennkraftmaschine wie Luftzufuhr, Kraftstoffzufuhr und Zündwinkel gesteuert werden, so dass das Ist-Drehmoment der Brennkraftmaschine dem Solldrehmoment entspricht. Im Normalfall wird angestrebt, die Steuergrößen mit Blick auf ein optimales Drehmoment der Brennkraftmaschine einzustellen, so dass die Brennkraftmaschine mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Dies bedeutet, dass z.B. die Zündwinkeleinstellung immer in der Nähe des optimalen Zündwinkels sich befindet.
  • In einigen Betriebszuständen, z.B. im Leerlauf, kann es jedoch wünschenswert sein, den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verschlechtern und die Zündwinkeleinstellung derart zu wählen, daß eine Steuerung des Drehmoments allein über den Zündwinkel in beiden Richtungen, momentenerhöhend und momentenreduzierend, möglich ist. Da das Gesamtdrehmoment sich nicht ändern soll, wird in diesem Betriebszustand die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine entsprechend erhöht. Das Ausmaß der Wirkungsgradverschlechterung wird durch einen sogenannten Momentenreservewert bestimmt, welcher ein Maß für die maximale mögliche Änderung des Drehmoments über Zündwinkelverstellung in erhöhendem Sinne ist.
  • Durch diese Maßnahme wird die Dynamik und Genauigkeit der Drehmomentensteuerung in den dort beschriebenen Betriebszuständen Leerlauf, Anlassen und bei aktiver Katalysatorheizung verbessert.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit welchen die Dynamik des Anfahrens des Fahrzeugs verbessert werden kann.
  • Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Durch Bereitstellung bzw. Erhöhung einer bereits bereitgestellten Momentenreserve bei einem Anfahrvorgang wird ein deutlich verbessertes Anfahrverhalten erreicht. Insbesondere besteht eine geringere Gefahr des Abwürgens, da durch die schnelle Zündwinkelverstellung in drehmomenterhöhendem Sinne auch ein sehr schnelles Einkuppeln mit entsprechend dynamischer Fahrpedalbetätigung beherrschbar ist.
  • Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Bereitstellung bzw. Erhöhung der Momentenreserve ein schnellerer Momentenaufbau beim Einkuppeln erfolgt, da die Zündwinkelverstellung das Drehmoment schneller erhöht als die entsprechende Erhöhung der Luftzufuhr.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird Drehzahleinbrüchen entgegengewirkt, die beim Einkuppeln entstehen. Dies deshalb, weil die schnelle Zündwinkeländerung Drehzahleinbrüchen entgegenwirkt.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. 1 zeigt eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine. In 2 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, welches die Realisierung der Verbesserung des Anfahrvorgangs als Programm eines Mikrocomputers skizziert. In 3 schließlich sind Zeitdiagramme dargestellt, welche den Anfahrvorgang eines Fahrzeugs unter Verwendung der geschilderten Maßnahmen beschreiben.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • In 1 ist eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Die Steuervorrichtung umfaßt ein elektronisches Steuergerät 12, welches aus wenigstens einem Mikrocomputer 14, einer Eingabe- 16 und einer Ausgabeeinheit 18 besteht. Eingabeeinheit 16, Ausgabeeinheit 18 und Mikrocomputer 14 sind über ein Kommunikationssystem 20 zum gegenseitigen Datenaustausch miteinander verknüpft. Der Eingabeeinheit 16 sind Eingangsleitungen 22, 24, 28, 30 und 31 zugeführt. Die Leitung 22 stammt dabei von einer Meßeinrichtung 32 zur Erfassung der Pedalstellung, die Leitung 24 von einer Meßeinrichtung 34 zu erfassende Motordrehzahl, die Leitung 28 von einer Meßeinrichtung 38 zum Erfassen der Motorlast (Luftmenge, Luftmasse, Saugrohrdruck, etc.). Über die Leitung 30 wird von einer entsprechenden Meßeinrichtung 40 der Steuereinheit 12 ein Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit zugeführt. Dies wird entweder im Rahmen einer anderen Steuereinheit, beispielsweise zur Antriebsschlupfregelung, zur Getriebesteuerung, etc. gemessen bzw. berechnet oder unter Auswertung von Raddrehzahlsignalen, die über die Leitung 30 zugeführt werden, direkt von der Steuereinheit 12 bereitgestellt. Über die Eingangsleitung 31 wird ferner der Zustand eines Kupplungsschalters 41 zugeführt, der im bevorzugtem Ausführungsbeispiel bei betätigter Kupplung schließt, bei losgelassenem Kupplungspedal öffnet. Neben den dargestellten Betriebsgrößen erfaßt die Steuereinheit weitere zur Motorsteuerung wesentliche Größen wie beispielsweise die Motortemperatur, die Abgaszusammensetzung, etc.
  • An der Ausgabeeinheit 18 ist eine Ausgangsleitung 42 angeschlossen, die auf eine elektrisch betätigbare Drosselklappe 44, die im Ansaugsystem 46 der Brennkraftmaschine angeordnet ist, führt. Ferner sind Ausgangsleitungen 48, 50, 52, 54, und so weiter dargestellt, welche mit Stelleinrichtungen zur Kraftstoffzumessung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 10 verbunden sind bzw. zur Einstellung des Zündwinkels in jedem Zylinder dienen.
  • Im bevorzugten Ausführungsbeispiel leitet die Steuereinheit 12, dort der Mikrocomputer 14, in bekannter Weise aus der Stellung des Fahrpedals ein Solldrehmoment der Brennkraftmaschine ab, welches durch entsprechende Steuerung der Leistungsgrößen der Brennkraftmaschine wie Luftzufuhr, Kraftstoffzumessung oder Zündwinkel einzustellen ist. Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine wird diese Einstellung derart vorgenommen, daß der Zündwinkel möglichst nahe an einem Wert sich befindet, welcher ein maximales Drehmoment der Brennkraftmaschine bedeutet. In diesem Betriebspunkten arbeitet die Brennkraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad. Wie im Eingangs genannten Stand der Technik dargestellt, wird in bestimmten Betriebszuständen dieser Wirkungsgrad verschlechtert, indem der Zündwinkel um einen vorgegebenen Wert zurückgenommen und die Luftzufuhr erhöht wird, so daß das Drehmoment der Brennkraftmaschine im wesentlichen gleich bleibt. Derartige Betriebszustände sind der Leerlauf, der Warmlauf der Brennkraftmaschine (Katalysatorheizung), etc. In diesen Betriebszuständen wird ein Momentenreservewert gebildet, welcher zu einer Verstellung des Zündwinkels führt, so daß die Größe des Momentenreservewerts durch Veränderung des Zündwinkels auch in momentenerhöhendem Sinn bereitgestellt werden kann.
  • Im konkreten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch realisiert, daß für die Luftzufuhreinstellung und für die Zündwinkeleinstellung zwei unterschiedliche Momentensollwerte gebildet werden, wobei der Sollwert für die Zündwinkeleinstellung dem unter anderem aus dem Fahrerwunsch abgeleiteten Momentensollwert entspricht, während der Sollmomentenwert für die Luftzufuhreinstellung ein aus diesem Sollwert und dem Momentenreservewert gebildeter Sollwert darstellt. Dadurch findet eine Erhöhung der Luftzufuhr statt, welche automatisch zu einer Spätziehung des Zündwinkels führt. Dies deshalb, weil das Drehmoment der Brennkraftmaschine zumindest über die Zündwinkeleinstellung auf den dort vorgesehenen Sollwert geführt wird. Erfindungsgemäß wird zur Verbes serung des Anfahrvorgangs diese Drehmomentenreserve auch bei einem Anfahrvorgang bereitgestellt oder, wenn bereits eine Drehmomentenreserve gebildet wurde, für den Anfahrvorgang verändert, insbesondere erhöht.
  • Der Anfahrvorgang wird dabei auf verschiedene Arten festgestellt. Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird der Anfahrvorgang dann festgestellt, wenn bei stehendem Fahrzeug (Fahrzeuggeschwindigkeit 0 oder kleiner als ein Minimalwert) das Kupplungspedal betätigt ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Anfahrvorgang auf andere Weise festgestellt werden, beispielsweise bei betätigter Kupplung und getretenem Fahrpedal, bei betätigter Kupplung und eingelegtem Gang, etc. Entscheidend ist, daß die überprüften Kriterien einen Hinweis geben müssen, die auf einen folgenden Anfahrwunsch des Fahrers hindeuten. Bei Automatikgetrieben kann dabei auch das Lösen der Bremse herangezogen werden.
  • Neben oder alternativ zur Verstellung des Zündwinkels zur Bildung der Momentenreserve wird in anderen Ausführungsbeispielen in die Kraftstoffzumessung eingegriffen, sei es durch Verstellung der Gemischzusammensetzung oder durch Ausblenden bzw. Stillegen einzelner Zylinder.
  • Eine entsprechende Vorgehensweise im bevorzugtem Ausführungsbeispiel ist im Ablaufdiagramm der 2 dargestellt. In einer Sollwertberechnung 100 werden abhängig von den Betriebsgrößen Fahrpedalstellung β, Motordrehzahl Nmot, etc. ein Sollwert MIsol für das Drehmoment der Brennkraftmaschine mittels Kennfelder, Kennlinien, Tabellen und/oder Berechnungsschritten gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik gebildet. Der Sollwert Misol wird einerseits einer Zündwinkelberechnung 102 andererseits einer Verknüpfungsstelle 104 zugeführt. Die Zündwinkelberechnung 102 bildet abhängig von dem Sollwert Misol und einem auf der Basis von Betriebs größen wie Motorlast und Motordrehzahl gebildeten Ist-Momentenwert einen Korrekturwert für den momentenoptimalen Zündwinkel, der zur Annäherung des Ist-Moments an das Sollmoment führt. Im Normalbetrieb ist der eingestellte Zündwinkel im stationären Fall möglichst nahe am optimalen. Ergänzend kann in 102 auch eine Beeinflussung der Kraftstoffzumessung vorgenommen werden.
  • In der Additionsstelle 104 wird der Momentensollwert Misol und der Momentenreservewert Mires aufgeschaltet (z.B. addiert). Die Summe stellt den Momentensollwert Misol_l für den Luftpfad dar. Dieser wird in 106 unter Berücksichtigung von Motordrehzahl, Motorlast, etc. in ein Ansteuersignal für die Drosselklappe der Brennkraftmaschine umgerechnet.
  • Der Momentenreservewert Mires wird in 108 gebildet. Er wird in einem Ausführungsbeispiel bei Vorliegen der vorgesehenen Betriebszustände aus einem Festwertspeicher ausgelesen, in anderen Ausführungsbeispielen mittels Kennlinien oder Kennfeldern drehzahlabhängig oder abhängig von anderen Betriebsgrößen bei Vorliegen des entsprechenden Betriebszustandes gebildet. Ferner wird ein Momentenreservewert gebildet, wenn ein Anfahrwille des Fahrers erkannt wurde. Auch dieser Reservewert kann abhängig von Betriebsgrößen wie Motordrehzahl, Motortemperatur, etc. sein. Auch er wird in einem Ausführungsbeispiel aus einer Kennlinie, aus einem Kennfeld oder einer Tabelle bestimmt. Da der Anfahrvorgang aus dem Leerlauf heraus erfolgt, wird in einem anderen Ausführungsbeispiel bei Vorliegen eines Anfahrwillens des Fahrers der für den Leerlauf vorgesehene Momentenreservewert vergrößert, beispielsweise indem ein vorbestimmter Offsetwert auf den im Leerlauf bestimmten Momentenreservewert aufgeschaltet wird. Ein Anfahrwille des Fahrers wird dabei im bevorzugten Ausführungsbeispiel in der Und-Verbindung 110 erkannt. Dieser wird das Signal KUP eines Kupplungsschalters zugeführt, wo bei dieses Signal positiv ist, wenn der Kupplungsschalter geschlossen ist (Kupplungspedal betätigt), und 0 ist, wenn er geöffnet ist. Ferner wird der Und-Verbindung 110 ein Signal zugeführt, wenn in einer Vergleichsoperation 112 erkannt wurde, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit 0 ist oder einen Minimalwert unterschreitet, d.h. das Fahrzeug steht. Liegen diese beiden Bedingungen vor, wird der Momentenreservewertberechnung mitgeteilt, daß ein Anfahrwille des Fahrers vorliegt. Der Reservewert für den Anfahrvorgang wird daher bereitgestellt bzw. der bereits bestehende Reservemomentenwert vergrößert. Wird kein Anfahrwille mehr erkannt, wird der Reservewert zurückgeführt, je nach Ausführung sprungförmig oder im Rahmen einer vorgegebenen zeitlichen Rampe.
  • In 3 sind Zeitdiagramme dargestellt, die die Wirkungsweise des bevorzugtem Ausführungsbeispieles verdeutlichen. In 3a wird die Stellung der Drosselklappe DK und damit die Luftzufuhr der Brennkraftmaschine über der Zeit dargestellt. In 3b wird der zeitliche Verlauf der Zündwinkeleinstellung ZW, in 3c der zeitliche Verlauf der Fahrpedalstellung β und des Kupplungsschalterzustandes KUP dargestellt. In 3d ist der zeitliche Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit VFZ, in 3e der der Motordrehzahl Nmot dargestellt.
  • Bis zu einem Zeitpunkt T0 befindet sich das Fahrzeug im Leerlaufzustand. Das Fahrpedal ist losgelassen (vergleiche 3c, β), das Kupplungspedal nicht betätigt (Kupplungsschalter KUP 0). Die Fahrzeuggeschwindigkeit in diesem Betriebszustand ist 0 (vergleiche 3d). Die Einstellung der Brennkraftmaschine im Sinne einer Einhaltung einer vorgegebenen Drehzahl (3e, nsoll) wird durch eine Einstellung der Luftzufuhr (DK) und des Zündwinkels (ZW) durchgeführt. Dabei ist eine vorbestimmte Momentenreserve Mires eingebaut, d.h. der Zündwinkel ist gegenüber seinen optima len Wert ZWOPT nach Spät verstellt. Zum Zeitpunkt T0 betätigt der Fahrer das Kupplungspedal. Der Kupplungsschalterzustand gibt ein positives Signal ab (vergleiche 3c). Da gleichzeitig zum Zeitpunkt T0 die Fahrzeuggeschwindigkeit weiterhin 0 ist, wird ein Anfahrwille des Fahrers erkannt. Dies führt zu einer Erhöhung der Luftzufuhr und zu einer weiteren Spätverstellung des Zündwinkels (vergleiche 3a und 3b). Mit anderen Worten wird die Momentenreserve erhöht. Kurz vor dem Zeitpunkt T1 betätigt der Fahrer das Fahrpedal, während er zum Zeitpunkt T1 das Kupplungspedal löst, d.h. den Anfahrvorgang abschließt (vergleiche 3c). Mit Betätigen des Gaspedals zum Zeitpunkt T1 gibt der Fahrer einen Momentenwunsch vor. Entsprechend wird zur Realisierung des Momentenwunsches ab dem Zeitpunkt T1 Zündwinkel und Drosselklappenstellung verstellt. Insbesondere wird der Zündwinkel auf seinen optimalen Wert geführt, um dem sich schnell veränderten Fahrerwunsch gerecht zu werden. Die Luftzufuhr wird im Rahmen ihrer dynamischen Möglichkeiten entsprechend dem Fahrerwunsch zur Realisierung der Momentenvorgabe ebenfalls momentenerhöhend verstellt (vergleiche 3a). Nach dem Zeitpunkt T1 nimmt die Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß 3d und die Motordrehzahl gemäß 3e zu. Drehzahleinbrüche, die sie ohne die Momentenreserve stattfinden können (vergleiche 3e gestrichelt), werden wirksam vermieden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Sollwert (misol) für das Drehmoment der Brennkraftmaschine vorgegeben wird, wobei ein vorgegebener Momentenreservewert (mires) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad auf der Basis des Sollwertes (misol) für das Drehmoment und des Momentenreservewertes (mires) gebildet wird, wenn ein Hinweis auf einen folgenden Anfahrwunsch des Fahrers erkannt wird, und dass die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine abhängig von dem auf diese Weise ermittelten Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad eingestellt wird und der Zündwinkel abhängig vom Sollwert (misol) für das Drehmoment eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfahrwille dann erkannt wird, wenn bei stehendem Fahrzeug der Fahrer das Kupplungspedal betätigt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine im Leerlaufzustand stattfindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkanntem Anfahrwillen die im Leerlaufzustand vorgenommene Verschlechterung des Wirkungsgrades weiter vergrößert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfahrwille ferner auf der Basis von Fahrpedalstellung, Getriebestellung und/oder Bremspedalbetätigung festgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlechterung des Wirkungsgrades dadurch vorgenommen wird, dass auf den Sollmomentenwert für die Luftzufuhreinstellung ein vorgegebener, gegebenenfalls betriebsgrößenabhängiger Reservemomentenwert aufgeschaltet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Momentenreservewert im Leerlauf abhängig von Betriebsgrößen wie der Motordrehzahl bestimmt wird und bei erkanntem Anfahrwillen vergrößert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Momentenreservewert im Leerlauf ein gegebenenfalls betriebsgrößenabhängiger Offsetwert aufgeschaltet wird.
  9. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Mitteln (100) die Betriebsgrößen empfangen, aus denen sie einen Sollwert (misol) für das Drehmoment der Brennkraftmaschine ableiten, und mit Mitteln (108), die einen vorgegebenen Momentenreservewert (mires) ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (104, 110) vorgesehen sind, die einen Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad auf der Basis des Sollwertes (misol) für das Drehmoment und des Momentenreservewertes (mires) bilden, wenn ein Hinweis auf einen folgenden Anfahrwunsch des Fahrers erkannt wird, und dass Mittel (106) vorgesehen sind, die die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine abhängig von dem auf diese Weise ermittelten Sollmomentenwert (misol-l) für den Luftpfad einstellen, und dass Mittel (102) vorgesehen sind, die den Zündwinkel abhängig vom Sollwert (misol) für das Drehmoment einstellen.
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