DE10141600A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Grenzwert begrenzt wird. Zur Begrenzung wird zunächst eine Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine zugelassen, während danach eine Beeinflussung des Zündwinkels zugelassen ist.

Description

Stand der Technik
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Im Zusammenhang mit der Steuerung von Brennkraftmaschinen wird oftmals, z. B. zum Schutz der Brennkraftmaschine oder von Komponenten oder zur Begrenzung der Fahrleistungen des Fahrzeugs, etc., wenigstens eine Betriebsgröße auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt. Beispiele hierfür sind Drehzahlbegrenzungen, Drehmomentenbegrenzungen oder Fahrgeschwindigkeitsbegrenzungen. In der Regel wird dabei ein möglichst genaues Einhalten des Grenzwerts sowie eine komfortable Einregelung der Betriebsgröße auf den Grenzwert ohne Überschwinger angestrebt. Ein Beispiel hierfür ist für eine Maximaldrehzahlbegrenzung einer Brennkraftmaschine aus der DE 195 06 082 A1 bekannt, wo beginnend mit einem Startwert unterhalb des Grenzwertes der Drosselklappenwinkel sprungförmig reduziert wird, um ein Überschwingen der Drehzahl über den Grenzwert hinaus zu vermeiden.
• Eine andere Realisierung einer Drehzahlbegrenzung ist in der DE 33 19 025 A1 beschrieben. Dort wird bei Überschreiten des Grenzwertes der Zündwinkel verstellt und/oder das Luft-/Kraftstoffgemisch durch entsprechende Anpassung der Einspritzzeit abgemagert, um die Drehzahl auf den Grenzwert zu begrenzen.
• Die Realisierung der Begrenzung durch Beeinflussung der Luftzufuhr, beispielsweise über eine Drosselklappe, führt in einigen Anwendungen aufgrund der Totzeit der Regelstrecke und/oder aufgrund der plötzlichen Wegnahme des Moments zur Schwingungsneigung, insbesondere beim Einschwingen der Betriebsgröße auf den Grenzwert. Bei der Benutzung der Zündwinkelverstellung als Begrenzungsstellgröße wird das Abgas wegen des spät gezogenen Zündwinkels sehr heiss und schädigt daher unter Umständen den Katalysator und/oder andere Komponenten im Bereich des Abgastrakts. Es besteht daher Bedarf an der Optimierung einer Begrenzungsfunktion.
• Vorteile der Erfindung
• Der beschriebene Zielkonflikt wird dadurch vermieden, dass zunächst, z. B. bei Erreichen des Grenzwerts oder einem daraus abgeleitetem Wert, ein Eingriff in die Luftzufuhr vorgenommen wird, während dessen kein Zündwinkeleingriff zugelassen ist. Nähert sich die zu begrenzenden Betriebsgröße dem Grenzwert, so wird der Zündwinkeleingriff für die schnelle und schwingungslose Einregelung der zu begrenzenden Betriebsgröße auf den Grenzwert zugelassen. Dadurch wird erreicht, dass wegen des verringerten Betriebsbereichs des Zündwinkelbereichs das Abgas nicht mehr so heiss wird, andererseits eine ausreichende Dynamik vorhanden ist.
• In besonders vorteilhafter Weise wird die Gefahr der Schädigung für Katalysator und/oder andere Komponenten reduziert.
• Vorteilhaft ist ferner, dass durch den nachfolgenden Zündwinkeleingriff eine sanfte Einregelung auf den Grenzwert möglich ist, so dass der Fahrkomfort durch die beschriebene Vorgehensweise nicht beeinträchtigt ist. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass die Schwingungsneigung aufgrund der Totzeit der Strecke bzw. bei plötzlicher Wegnahme des Moments stark vermindert ist.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Zeichnung
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine. In Fig. 2 ist anhand eines Ablaufdiagramms eine bevorzugte Vorgehensweise zur Begrenzung einer ausgewählten Betriebsgröße der Brennkraftmaschine, am Beispiel der Drehzahl, gezeigt. In Fig. 3 schließlich ist die Wirkungsweise der Begrenzung anhand von Zeitdiagrammen verdeutlicht.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
• Fig. 1 zeigt ein Übersichtsbild einer Steuereinrichtung 10, welche aus Eingangsschaltung 12, Mikrocomputer 14 und Ausgangsschaltung 16 besteht. Diese Komponenten werden mit einem Bussystem 18 miteinander verbunden. Die Steuereinrichtung 10 stellt dabei ein elektronisches Motorsteuergerät zur Steuerung der Brennkraftmaschine dar, wobei die dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannten Funktionen zur Motorsteuerung eingesetzt werden. In Bezug auf die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise zur Begrenzung einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine bzw. des Fahrzeugs wird der Steuereinheit 10, dort der Eingangsschaltung 12 über eine Eingangsleitung 20 von einer Messeinrichtung 22 ein Signal zugeführt, welches die zu begrenzende Betriebsgröße, im nachfolgend geschilderten Ausführungsbeispiel die Motordrehzahl nmot, repräsentiert.
• Über weitere, nicht näher spezifizierte Eingangsleitungen 24 bis 28 werden weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs von Messeinrichtungen 30 bis 34 der Steuereinheit 10 zugeführt. Diese Betriebsgrößen sind die für die von der Steuereinheit 10 zur Steuerung der Brennkraftmaschine durchgeführten Funktionen notwendigen Größen, z. B. Fahrpedalstellung, Motortemperatur, Abgaszusammensetzung, zugeführte Luftmasse, Saugrohrdruck, etc.
• Über die Ausgangsschaltung 16 werden die Stellgrößen zur Einstellung von Leistungsparameter der Brennkraftmaschine von der Steuereinheit 10 ausgegeben. Im Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine sind dies primär die Luftzufuhr, Zündwinkeleinstellung und Kraftstoffzumessung. In Fig. 1 ist dies durch die Ausgangsleitungen 36 zur Steuerung der Luftzufuhr, 38 zur Steuerung der Kraftstoffzumessung und 40 zur Steuerung des Zündwinkels symbolisiert.
• Die nachfolgend beschriebene Vorgehensweise zur Begrenzung einer Betriebsgröße der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs ist im Mikrocomputer 14 als Programm implementiert, welches abhängig von den Eingangsgrößen Ausgangsgrößen zur Steuerung der Brennkraftmaschine im Sinne der Begrenzung der Betriebsgröße ermitteln. Ein solches Programm zur Begrenzung der Betriebsgröße stellt einen eigenständigen Gegenstand der Erfindung dar. Nachfolgend wird die Vorgehensweise zur Begrenzung anhand einer Drehzahlbegrenzung dargestellt. Die dargestellte Vorgehensweise wird jedoch in anderen Ausführungsbeispielen mit anderen Betriebsgrößen, beispielsweise in Verbindung mit einer Fahrgeschwindigkeitsbegrenzung, einer Drehmomentenbegrenzung, etc. eingesetzt. Dabei werden die eingangs genannten Vorteile gleichermaßen wie bei der Drehzahlbegrenzung erreicht.
• Neben der Begrenzungsfunktion führt die Steuereinheit auch die übrigen Motorsteuerfunktionen aus, ebenfalls mit Hilfe von Programmen des Mikrocomputers. So wird z. B. das Drehmoment der Brennkraftmaschine unter Anpassung der Stellgrößen abhängig von Fahrpedalstellung und weiterer Betriebsgrößen eingestellt.
• Zur Begrenzung der Drehzahl wird die Motordrehzahl oder eine aus der Motordrehzahl abgeleitete Größe (zum Beispiel eine sogenannte prädizierte Drehzahl) mit einer Maximaldrehzahl verglichen. Die prädizierte Drehzahl wird dabei aus der gemessenen Motordrehzahl und ihrem Gradienten abgeleitet, derart, dass bei einem Überschreiten der Maximaldrehzahl durch die prädizierte Drehzahl angenommen werden kann, dass die tatsächliche Drehzahl in naher Zukunft die Maximaldrehzahl überschreitet. Überschreitet also die zu begrenzende Istgröße einen Maximalwert, so wird über einen Verstärker des Begrenzers ein Eingriff in die Luftzufuhr vorgenommen, insbesondere die Drosselklappe geschlossen. Während dieses Vorgangs wird kein Zündwinkeleingriff zugelassen. Erreicht die zu begrenzende Größe (Motordrehzahl oder prädizierte Drehzahl) die maximale Drehzahl bzw. überschreitet sie diese, werden in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel Einspritzungen zu einzelnen Zylindern ausgeblendet. Ist die das Ansteuersignal zur Beeinflussung der Luftzufuhr bildende Größe kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert geworden und/oder die Differenz zwischen Grenzwert und Istdrehzahl in einem vorgegebenen Band, so wird der Zündwinkeleingriff freigegeben und das Einschwingen der Drehzahl auf den Grenzwert mittels Zündwinkelverstellung, somit mit hoher Genauigkeit und Dynamik, realisiert. Auf die Ausblendung von Einspritzungen kann in einem Ausführungsbeispiel verzichtet werden.
• Je nach Ausführungsbeispiel wird der Maximaldrehzahlgrenzwert mit dem prädizierten Drehzahlwert verglichen oder eine aus dem Maximaldrehzahlgrenzwert abgeleiteter Drehzahlgrenzwert mit der tatsächlichen Motordrehzahl zum Auslösen des oben beschriebenen Begrenzungsvorgangs verglichen. In beiden Fällen wird durch die Wahl der Vorgehensweise wirksam die Erwärmung des Abgases und/oder Schwingungen beim Einschwingen vermieden.
• Wie oben erwähnt wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Begrenzungsfunktion als Programm des Mikrocomputers 14 realisiert. Dieses Programm wird in Fig. 2 anhand eines Ablaufdiagramms skizziert. Die einzelnen Elemente des in Fig. 2 dargestellten Ablaufdiagramms stellen dabei Programmteile oder Programmschritte dar, während die Verbindungslinien den Informationsfluss skizzieren.
• Die Darstellung gemäß Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Begrenzung der Motordrehzahl. In anderen Ausführungsbeispielen wird die Begrenzung in analoger Weise zur Begrenzung des Drehmoments, der Fahrzeuggeschwindigkeit, etc. eingesetzt.
• Zunächst wird ein vorgegebener oder vom Fahrer beeinflussbarer Drehzahlgrenzwert Ngrenz in 100 vorgegeben. Dieser wird einer Verknüpfungsstelle 102 zugeführt, in der dieser Grenzwert mit einem prädizierten Drehzahlwert Npräd verglichen wird. Die prädizierte Drehzahl wird dabei in 104 abhängig von der Motordrehzahl Nmot ermittelt. Ein Ausführungsbeispiel besteht darin, die Motordrehzahl um einen Faktor zu vergrößern, der aus dem Gradienten der Motordrehzahl abgeleitet ist. Die in 102 ermittelte Abweichung Δ zwischen Grenzdrehzahl und prädizierter Drehzahl wird einem Integrator 106, einem Vergleicher 108 sowie einem Verstärker 110 zugeführt. Eine Integrationskonstante I wird aus dem Speicher 112 dem Integrator 100 zugeführt. Die Integrationskonstante ist dabei entweder fest vorgegeben oder betriebsgrößenabhängig. Sie ist beispielsweise abhängig von der Drehzahl oder Drehzahlabweichung, wobei bei geringer werdender Drehzahlabweichung oder höherer Drehzahl eine größere Konstante vorgesehen ist. Entsprechend wird der Proportionalitätsfaktor P in 114 bestimmt und dem Verstärker 110 zugeführt. Auch hier ist der Faktor entweder fest vorgegeben oder betriebsgrößenabhängig, beispielsweise drehzahlabhängig oder drehzahlabweichungsabhängig.
• Abhängig von der Drehzahlabweichung Δ und der Integrationskonstante bildet der Integrator ein Ausgangssignal, welches zur Verknüpfungsstelle 116 geführt wird. Entsprechend bildet der Verstärker 110 aus Drehzahlabweichung Δ und Proportionalitätskonstante P ein Ausgangssignal, welches der Verknüpfungsstelle 116 zugeführt wird. Beide Ausgangssignale werden miteinander verknüpft, insbesondere addiert, und als Ausgangssignal für die Drehmomentensteuerung abgegeben. Somit wird bei Überschreiten der Grenzdrehzahl Ngrenz durch die prädizierte Drehzahl, d. h. bei einem negativen Abweichungswert Δ, infolge der Proportionalitätsverstärkung in 110 ein Rücksprung im Drehmoment vorgenommen, um die prädizierte Drehzahl auf die Grenzdrehzahl zu regeln. Das gemäß Fig. 2 gebildete Ausgangssignal wird, vorzugsweise im Rahmen einer Minimalwertauswahl, anstelle des fahrerwunschabhängigen Sollwertes oder anderer Sollwerte zur Einstellung des Drehmoments weitergegeben. In dieser Phase der Drehzahlbegrenzung ist der Zündwinkeleingriff verboten. Die Realisierung des durch das Ausgangssignal vorgegebenen Drehmoments erfolgt also nur über die Steuerung der Luftzufuhr, ggf. der Kraftzumessung, nicht durch Zündwinkelverstellung.
• Zur Freigabe des Zündwinkeleingriffes über das Signal zwfrei wird die Drehzahlabweichung im Vergleicher 106 mit Grenzwerten a und/oder b verglichen. Befindet sich die Drehzahlabweichung in einem Band zwischen vorgegebenen Werten a und b oder in anderen Ausführungen unterhalb des oberen oder oberhalb des unteren Grenzwertes, so wird ein entsprechendes Signal der Und-Verknüpfung 118 zugeführt. Ferner wird das Ausgangssignal des Proportionalitätsverstärkers 110 in einem Vergleicher 120 mit einem Schwellenwert S verglichen. Unterschreitet das Ausgangssignal diesen Schwellenwert, d. h. ist es kleiner als der Schwellenwert bzw. bei negativen Werten größer als dieser, so wird ein entsprechendes Signal an das Und-Verknüpfung abgegeben. Das Signal zwfrei wird in diesem Fall gebildet und damit der Zündwinkeleingriff freigegeben, wenn die Drehzahlabweichung im vorgesehen Band ist und das Ausgangssignal des Proportionalitätsverstärkers kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist. In anderen Anwendungen wird nur eines der genannten Kriterien zur Freigabe des Zündwinkeleingriffs überprüft. Das andere Kriterium kann dann fehlen.
• Die vorstehend beschriebene Lösung arbeitet auf der Basis eines Vergleichs der prädizierten Drehzahl mit einer Grenzdrehzahl. In anderen Ausführungsbeispielen wird anstelle der prädizierten Drehzahl die tatsächlich gemessene Motordrehzahl verwendet, wobei die Grenzdrehzahl nicht die tatsächliche Grenzdrehzahl, sondern eine daraus abgeleitete, z. B. abhängig von der Drehzahl und Drehzahlgradienten veränderliche Größe ist, wie z. B. im eingangs genannten Stand der Technik.
• Zündwinkelfreigabe heisst in diesem Zusammenhang, dass der Sollmomentenwert, welcher dem zusammengefassten Ausgangssignal des Verstärkers 110 und des Integrators 100 entspricht, nicht nur über die Beeinflussung der Luftzufuhr, ggf der Kraftstoffzumessung, sondern auch über die Beeinflussung des Zündwinkels umgesetzt wird.
• Die dargestellte Vorgehensweise ist anhand der Zeitdiagramme der Fig. 3 näher verdeutlicht. Fig. 3a zeigt dabei den zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl Nmot sowie der prädizierten Drehzahl Npräd, Fig. 3b den Verlauf der Drosselklappenstellung α und Fig. 3c den zeitlichen Verlauf des Zündwinkels ZW.
• Fig. 3a zeigt eine Situation der in Richtung des Grenzwertes Ngrenz ansteigenden Motordrehzahl. Dabei ist gestrichelt die prädizierte Drehzahl Npräd, durchgezogen die tatsächliche Motordrehzahl Nmot aufgetragen. Die prädizierte Drehzahl ist dabei aus der Motordrehzahl unter Berücksichtigung ihres Gradienten abgeleitet. Zum Zeitpunkt t1 überschreitet die prädizierte Drehzahl Npräd den Grenzwert Ngrenz, d. h. der Regler sieht eine negative Abweichung zwischen Grenzdrehzahl und prädizierter Drehzahl. Dies führt gemäß Fig. 3b ab dem Zeitpunkt t1 zu einer sprungförmigen Reduzierung der Drosselklappenstellung α. Entsprechend wird der Drehzahlanstieg verlangsamt, was zu einer wegen des abnehmenden Gradienten größeren Verlangsamung des Anstiegs der prädizierten Drehzahl führt. Zum Zeitpunkt t1 erfolgt keine Verstellung des Zündwinkels, wie Fig. 3c zeigt. Zum Zeitpunkt t2 tritt die Abweichung zwischen prädizierter Drehzahl Npräd und Grenzdrehzahl Ngrenz in den vorgesehenen Bereich ein. Ferner ist zum Zeitpunkt t2 gemäß Fig. 3b der Proportionalanteil des Begrenzungsreglers kleiner als der vorgesehene Grenzwert, so dass ab dem Zeitpunkt t2 eine Freigabe des Zündwinkels und eine Ausregelung der verhältnismäßig kleinen Restdrehzahlabweichung durch Spätziehung des Zündwinkels wie in Fig. 3c dargestellt, vorgenommen wird.
• Wie oben dargestellt, wird die beschriebene Vorgehensweise nicht nur in Verbindung mit einer Drehzahlbegrenzung, sondern auch in Verbindung mit anderen Betriebsgrößen zu deren Begrenzung vorgenommen, beispielsweise zur Begrenzung des Drehmoments, zur Begrenzung der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs, etc.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, wobei eine Betriebsgröße der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs erfasst wird, diese Betriebsgröße auf einen vorgegebenen Grenzwert begrenzt wird, wobei die Begrenzung durch eine Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zur Begrenzung der Betriebsgröße auf den Grenzwert die Beeinflussung der Luftzufuhr erfolgt und anschließend eine Zündwinkelbeeinflussung vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündwinkeleingriff dann vorgenommen wird, wenn die Abweichung zwischen Grenzwert und Betriebsgröße klein ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Abweichung zwischen Grenzwert und Betriebsgröße ein Ausgangssignal erzeugt wird, wobei die Zündwinkelbeeinflussung dann freigegeben wird, wenn dieses Ausgangssignal klein ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Betriebsgröße und ihrem Gradienten eine prädizierte Betriebsgröße gebildet wird, welche mit dem Grenzwert verglichen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsgröße die Motordrehzahl, die prädizierte Drehzahl, ein Motordrehmoment oder die Fahrzeuggeschwindigkeit ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Abweichung zwischen Grenzwert und Betriebsgröße mittels eines Integrators eine erste Steuergröße, mittels eines Proportionalverstärkers eine zweite Steuergröße gebildet werden, die beide eine resultierende Steuergröße zur Beeinflussung des Drehmoments der Brennkraftmaschine bilden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer einen Sollwert für ein Drehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt und aus diesem Sollwert und weiteren Sollgrößen für das Drehmoment eine resultierende Sollgröße zur Steuerung der Brennkraftmaschine gebildet wird, die durch Beeinflussung der Luftzufuhr, ggf. der Kraftstoffzumessung und, wenn zugelassen, durch Zündwinkelverstellung realisiert wird.

8. Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, mit einer Steuereinheit, welche ein Maß für eine Betriebsgröße erfasst, diese Betriebsgröße mit einem vorgegebenen Grenzwert vergleicht und abhängig vom Vergleich die Brennkraftmaschine im Sinne einer Begrenzung der Betriebsgröße auf den Grenzwert steuert, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nur eine Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine erfolgt, danach eine Verstellung des Zündwinkels freigegeben wird.

9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.

10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das Verfahren nach jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen, wenn das Programmprodukt auf einem Computer ausgeführt wird.