DE10107629A1 - Verfahren zum Ermitteln eines Leerlaufverhaltens eines Fahrzeugmotors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Leerlaufverhaltens eines Fahrzeugmotors mit einem Leerlaufmodell, dem als Eingangsgröße eine, ein Leerlaufmotormoment und eine, ein Motorschleppmoment beschreibende Größe zugeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Leerlaufmodell als weitere Größe ein aus einem Motorzusatzantriebsmoment und einem Motorzusatzlastmoment gebildetes Zusatzmoment zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Leerlaufverhaltens eines Fahrzeugmotors in einem Leerlaufmo­ dell, dem als Eingangsgröße eine, ein Leerlaufmotormoment und eine, ein Motorschleppmoment bzw. Motorreibmoment wie­ dergebende Größe zugeführt wird.

Unter Leerlaufmotormoment versteht man in diesem Zusammen­ hang das resultierende Moment, das sich ohne Verluste (Reibung) für den drehenden Motor einstellt. Das Motormoment entspricht dem indizierten Moment.

Beim Anfahren eines Fahrzeugs allgemein ändern sich die Mo­ torbetriebsbedingungen u. a. dahingehend, dass der Motor übergeht vom Leerlaufverhalten (in dieser Anmeldung bedeutet Leerlauf nicht unbedingt die Leerlaufdrehzahl des Motors, aber immer den Lauf des Motors ohne Fahrzeug als Last) hin zum Normalbetrieb (belasteter Lauf), in dem der Motor das Fahrzeug antreibt, so dass die Motorausgangsleistung größ­ tenteils und insbesondere definiert zum Antreiben des Fahr­ zeugs verwendet wird. Der Übergangszustand wird bei Schalt­ getrieben mit der Kupplung gesteuert. Bei Automatikgetrieben wird der Zustandsübergang durch den Wandler aufgefangen. In allen Fällen ist jedoch während des Übergangs das für den eigentlichen Fahrzeugantrieb zur Verfügung stehende Drehmo­ ment schwer zu bestimmen. Damit ist nicht genau bekannt, welcher Anteil des Motormoments für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Dies ist bei vielen Anwendungen nachteilhaft, beispielsweise bei Anfahrhilfen am Berg. Wenn ein Fahrzeug bergaufwärts anfährt, wirken im ersten Augen­ blick die Hangabtriebskraft als rücktreibendes Moment, wäh­ rend Bremskraft und Motormoment als haltende bzw. vor­ wärtstreibende Kraft wirken. Wenn eine Anfahrhilfe geschaf­ fen werden soll, muss u. a. sichergestellt werden, dass unter keinen Umständen das Fahrzeug rückwärts rollt. Trotz der Tatsache, dass sich der Motor im o. g. Übergangszustand be­ findet, muss dann bekannt sein, welche vorwärtstreibenden und welche rückwärtstreibenden Einflüsse vorliegen, damit geeignete Fahrzeugbetriebsbremse (z. B. ein analog fremd steuerbarer Vakuumbremskraftverstärker) und/oder eine femd­ steuerbare Parkbremse (z. B. eine elektrische Feststellbrem­ se), geeignet beeinflusst werden können.

Eine Anfahrhilfe muss daher auch extern verursachte, ein Fahrzeug antreibende oder bremsende Größen ermitteln und insbesondere ein solches Moment. Die Längsdynamik eines Fahrzeugs - Geschwindigkeit und Beschleunigung - wird durch verschiedene interne und externe Größen, insbesondere Momen­ te beeinflusst. Interne Größen/Momente im Sinne dieser Be­ schreibung sind beispielsweise das Motormoment, das Bremsmo­ ment oder die Fahrwiderstände (die sich intern z. B. anhand von auf Erfahrungswerten basierenden Tabellen oder durch konstanten oder durch Formeln, die den Fahrzeugbewegungszu­ stand mit den Eigenschaften/Kennwerten des Fahrzeugs berück­ sichtigen, beschreiben lassen). Diese Größen lassen sich durch verschiedene Maßnahmen vergleichsweise genau ermit­ teln, so dass ihr Einfluss auf die Längsdynamik berücksich­ tigt werden kann. Daneben gibt es aber auch extern verur­ sachte Größen, die sich insbesondere variabel zusätzlich zu den o. g. (intern beschreibbaren) Fahrwiderständen ergeben.

Hierzu zählt beispielsweise die Hangabtriebskraft, wenn ein Fahrzeug auf einer geneigten Fahrbahn fährt. Die Hangab­ triebskraft führt zu einem Moment, das die Längsdynamik des Fahrzeugs beeinflusst. Das Gleiche gilt beispielsweise für Windkräfte, außergewöhnliche Rollwiderstände oder ähnliches. Die extern verursachten Größen lassen sich entweder gar nicht oder über herkömmliche Sensoren nur schwer ermitteln - in der Regel benötigt man aber zusätzliche Sensorik, die es einzusparen gilt. Aus der WO 99/20921 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Fahrzeugsantriebsmoments beim Anfahren eines Fahrzeugs beschrieben, die das Leerlauf­ verhalten des Motors anhand eines Modells ermittelt und bei dem Ausgangswerte dieses Modells mit tatsächlich gemessenen, entsprechenden Werten verglichen werden (Beobachterprinzip). Der Unterschied zwischen den Modellgrößen und den tatsäch­ lich gemessenen Größen kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass der Motor im Übergangszustand vom lastfreien Lauf zum belasteten Lauf eben nicht rein unbelastet läuft, sondern während des Übergangszustands einen Teil seiner Lei­ stung (schon) an das Fahrzeug abgibt. Durch eine Bewertung von Modell- und Messgröße lässt sich auf das im Übergangszu­ stand wirkende Fahrzeugantriebsmoment schließen. In diesem Zusammenhang wird nochmals auf die anfängliche Definition des Begriffs "Leerlauf" verwiesen. Dem in der WO 99/20921 beschrieben und in Fig. 1 dargestellten Leerlaufmodell, wird als Eingangsgröße ein Moment zugeführt, das als Aus­ gangsgröße eine Schätz-Motordrehzahl NMotorBeO liefert. Das Modell berücksichtigt dabei, dass dem eigentlichen, vom Mo­ tor abgegebenen Leerlaufmoment das intern im Motor wirkende Reibmoment, auch Schleppmoment genannt, entgegenwirkt. Die­ ses Gegeneinanderwirken wird in einem Addierer 104 nachge­ bildet. Das eigentliche Motorleerlaufmoment MMotor kann bei­ spielsweise nach Maßgabe der Drosselklappenstellung anhand eines Kennfelds, einer Formel, eines Polygonzugs oder ähnli­ chem ermittelt werden. Dieses Leerlaufmoment MMotor bildet einen ersten Eingang des Addierers 104. Bezugsziffer 101 be­ zeichnet einen Drosselklappensensor bzw. einen Anschluss, an dem ein entsprechendes Signal vorliegt. Bezugsziffer 102 ist eine erste Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Leer­ laufmoments MMotor. Der Addierer 104 liefert an seinem Aus­ gang den Unterschied zwischen Leerlaufmoment und Schleppmo­ ment. Wenn beide gleich sind und somit der Unterschied Null ist, läuft der Motor mit konstanter Drehzahl.

Die Dynamik des Motors wird durch die Baugruppen 106, 107 und 130 nachgebildet. 106 ist ein Verzögerungsglied, mit dem Totzeiten im Motor nachgebildet werden (beispielsweise die Zeitverzögerung zwischen Verändern des Drosselklappenwinkels und Veränderung der tatsächlich eingespritzten Benzinmenge im Zylinder), Baugruppe 130 ist ein Verzögerungsglied erster oder höherer Ordnung, mit dem allgemein Systemfolgeverzöge­ rungen nachgebildet werden.

107 ist ein Integrier, der das Signal an seinem Eingang in­ tegriert. Sein Ausgangssignal steigt, wenn sein Eingangs­ signal positiv ist (also wenn das Motormoment größer als das Schleppmoment ist), und es sinkt, wenn sein Eingangssignal negativ ist (also wenn das Schleppmoment größer als das Mo­ tormoment ist). Befinden sich beide im Gleichgewicht, ist das Eingangssignal am Integrator 0 und sein Ausgangssignal konstant. Die Komponenten 105 und 108 sind Konstanten, mit denen Motorkonstanten berücksichtigt und Umrechnungen vorge­ nommen werden können. Somit ergibt sich eine der Motordreh­ zahl entsprechende Größe NMotorBeo. Da das weiter oben er­ wähnte Motorschleppmoment MSchlepp primär von der Motordreh­ zahl abhängt, kann der Wert NMotorBeo als Eingangsgröße für eine Ermittlungseinrichtung 103 zur Ermittlung des Motor­ schleppmoments dienen. Die Ermittlungseinrichtung 103 kann ein Kennfeld sein, eine Formel, ein Polygonzug oder ähnli­ ches.

Somit erhält man ein Leerlaufmodell für einen Motor, das als Eingangsgrößen das Gesamtmoment und als Ausgangsgröße die Motordrehzahl hat.

Bei dem bekannten Verfahren zur Ermittlung des an der An­ triebsachse tatsächlich zur Verfügung stehenden Fahrzeugan­ triebsmoments wird ein Leerlaufmodell für einen unbelasteten Motor zugrunde gelegt. Das Fahrzeugantriebsmoment wird durch Vergleich einer lastfreien Schätzdrehzahl mit der gemessenen Drehzahl ermittelt. In den heutigen Fahrzeugen findet jedoch eine stetig steigende Anzahl von Nebenaggregaten und elek­ trischer Verbraucher Verwendung. Diese Verbraucher belasten situationsabhängig den Motor im Fahrzeug und stellen für das vom Motor zur Verfügung gestellte Antriebsmoment eine zu­ sätzliche Last dar. Diese Lastmomente (Störmomente) liegen aber nicht konstant an, da bestimmte Verbraucher nicht kon­ tinuierlich in Betrieb sind (z. B. Heizung des Katalysators, Klimakompressor, Beheizung des Ansaugrohres u. dgl.). Diese zusätzlichen Antriebs-/Lastmomente führen zu zunehmend gro­ ßen Schätzungen für das an der Antriebsachse tatsächlich zur Verfügung stehende Antriebsmoment. Damit würde eine Anfahr­ hilfe am Hang zu früh die Bremse lösen und das Fahrzeug ent­ gegen der gewünschten Fahrrichtung wegrollen.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines genauen Fahrzeugantriebsmo­ ments beim Anfahren eines Fahrzeugs anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein gattungsgemäßes Verfahren so durchgeführt wird, dass dem Leerlaufmodell als weitere Größe ein aus Motorzusatzan­ triebsmomenten und/oder Motorzusatzlastmomenten gebildetes Zusatzmoment als Eingangsgröße zugeführt wird.

Hierdurch lässt sich ein genaues Fahrzeugantriebsmoment er­ mitteln, da die den Motor antreibenden oder belastenden Zu­ satzmomente bei der Schätzung des an der Antriebsachse tat­ sächlich zur Verfügung stehenden Antriebsmoments berücksich­ tigt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ferner, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, dass das Leerlaufmodell eine erste Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Motorzu­ satzantriebsmoments und/oder Motorzusatzlastmoments und eine zweite Ermittlungseinheit zum Ermitteln eines Zusatzmoments aus der Summe der Motorzusatzantriebsmomente und der Motor­ zusatzlastmomente aufweist.

Es ist vorteilhaft, die zu berücksichtigenden Zusatzmomente durch Statusabfragen von Steuergeräten, welche Nebenaggrega­ ten, wie der Heizung eines Katalysators, dem Klimakompressor einer Klimaanlage u. dgl., zugeordnet sind, zu ermitteln.

Es ist zweckmäßig, die elektrisch bedingten Zusatzmomente durch Ermittlung des zur Verfügung gestellten Lichtmaschi­ nenstromes zu bestimmen. Dabei kann der Lichtmaschinenstrom mittels eines Strommessers gemessen werden oder in einem Mo­ dell geschätzt werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn anhand des ermittelten Stromes die mechanische Eingangsleistung der Lichtmaschine ermittelt und als Zusatzlastmoment dem Leerlaufmodell zuge­ führt wird.

Des weiteren ist es vorteilhaft, dass bei Fahrzeugen mit ei­ nem ISAD-System (kombinierter Starter-Alternator-Dämpfer) das resultierend abgegebene Moment direkt dem Leerlaufmodell zugeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Erfindung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln des Fahrzeugan­ triebsmoments, die auf dem Prinzip eines Beobachters ba­ siert. Dabei wird in einem Leerlaufmodell, dem als Eingangs­ größen das Leerlaufmotormoment MMotor und das Zusatzmotormo­ ment 120 zugeführt wird, die theoretische Leerlaufdrehzahl ermittelt. Sie wird mit der gemessenen tatsächlichen Motor­ drehzahl verglichen. Ein Unterschied ergibt sich insbesonde­ re während der eingangs beschriebenen Übergangszustände des­ halb, weil der Motor nicht ausschließlich im Leerlauf läuft, sondern schon teilweise dem Antrieb des Fahrzeugs dient. Aus dem Vergleich von geschätzter und gemessener Motordrehzahl kann deshalb auf das dem Fahrzeugantrieb dienende Fahrzeu­ gantriebsmoment geschlossen werden. In Fig. 2 ist im unteren Teil das bekannte Leerlaufmodell zu sehen, wobei ein Zusatz­ moment MZusatz 115 einen Eingang des Addierers 104 bildet. Dieses Zusatzmoment Mzusatz kann ein zusätzliches Lastmoment oder ein zusätzliches Antriebsmoment sein. Bezugsziffer 115 ist eine Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln des Zusatzmo­ ments Mzusatz. Der Addierer 104 liefert daher an seinem Aus­ gang den Unterschied zwischen Leerlaufmoment, Schleppmoment und Zusatzmoment. Wenn alle Last- und Antriebsmomente gleich sind und somit der Unterschied 0 ist, läuft der Motor mit konstanter Drehzahl. Die weitere Ermittlung einer der Motor­ drehzahl entsprechenden Größe NMotorBeo erfolgt entsprechend der eingangs beschriebenen Wirkungsweise des bekannten Leer­ laufmodells. Die Schätz-Motordrehzahl NMotorBeO wird mit der gemessenen Ist-Motordrehzahl NMotorMess verglichen. Insbe­ sondere wird im Subtraktionsglied 109 die Differenz zwischen beiden gebildet. Nach einer Kalibrierung 110 kann dieser Wert als direktes Maß für das Antriebsmoment des Fahrzeugs NkorBeO verwendet werden. Darüber hinaus wird dieses Moment, da es tatsächlich nicht zur Beschleunigung des Motors zur Verfügung steht, am Summationspunkt 104 gegengekoppelt, um das Leerlaufmodell wieder stabil zu machen. Bezugsziffer 112 bezeichnet eine Einrichtung zum Ermitteln der Ist- Motordrehzahl NmotorMess.

In Fig. 3 ist die Ermittlungseinheit für die zusätzlichen Lastmomente und Antriebsmomente dargestellt, aus denen das Zusatzmoment MZusatz 115 gebildet wird. Dabei werden an dem Summationspunkt 120 die positiven Zusatzantriebsmomente und die negativen Zusatzlastmomente gegengekoppelt, um ein Zu­ satzmoment dem Addierer 104 des Leerlaufmoments zuzuführen.

Als positive Zusatzantribsmomente werden an einem Summati­ onspunkt 121 das Antriebsmoment eines Starter-Alternator- Dämpfers (ISAD)M_Antrieb,ISAD und eines Zusatzmomentes eines Elektromotors M_Elektromotor eines beispielsweise Hybridfahrzeu­ ges zugeführt, addiert und als positives Antriebsmoment M_{An­ trieb} an den Eingang des Summationspunktes 120 gelegt. Über zwei weitere Summationspunkte 122 und 123 werden die elek­ trisch bedingten Lastmomente M_{Last,elektrisch}, z. B. durch Messung des zur Verfügung gestellten Lichtmaschinenstromes und die mechanisch bedingten Lastmomente M_{Last,mechanisch} ermittelt.

Der Bestimmung der elektrisch bedingten Lastmomente liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass die abgegebene elektri­ sche Leistung, wenn man die Spannung als nahezu konstant be­ trachtet, proportional zum gelieferten Strom ist. Mit dieser elektrischen Ausgangsleistung der Lichtmaschine kann man auf die mechanische Eingangsleistung nach der folgenden Bezie­ hung schließen:
M_{Last,mechanisch,LICHTMASCHIENE} = f(M_{Last,elektrisch,LICHTMASCHINE}) = f (I_{Lichtmaschine}).

Diese mechanische Eingangsleistung stellt die Summe der auf den Motor wirkenden (elektrisch bedingten) Lastmomente dar. Diese können die Katalysatorheizung, die Ansaugrohrheizung oder die elektrische Servolenkung u. dgl. betreffen. Zu die­ sem mechanischen Lastmoment werden im Summationspunkt 123 weitere, direkt vorliegende mechanische Lastmomente, z. B. aus einer hydraulischen Servolenkung oder dem Klimakompres­ sor addiert und als negatives Lastmoment am Summationspunkt 120 dem positiven Antriebsmoment gegengekoppelt. Aus der Ad­ dition dieser Last- und Antriebsmomente wird das Zusatzmo­ ment gebildet.

In Fahrzeugen, in denen sicherheitskritische elektrische Komponenten eingebaut sind, und die mit Bordnetzüberwa­ chungsgeräten, vorzugsweise Strommessern ausgerüstet sind, besteht bei der Ermittlung der elektrisch bedingten Lastmo­ mente kein zusätzlicher Sensorbedarf. Bei Fahrzeugen ohne Bordnetzüberwachung wird vorteilhaft der Lichtmaschinenstrom mittels eines Strommessers ermittelt.

In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das Fahrzeug ein ISAD-System auf, d. h. einen kombinierten Starter-Alternator-Dämpfer. Dieses System sieht eine in den Antriebsstrang integrierte, direkt an die Kurbelwelle an­ geflanschte Asynchronmaschine für die Energieversorgung vor. In einer intelligenten Leistungselektronik steht der gemes­ sene Strom auch ohne zusätzliche Sensorik zur Verfügung. Zu­ sätzlich ist bei einem ISAD-System das resultierend abgege­ bene Moment als berechnete Größe verfügbar, so dass im Star­ ter-/oder Launchassist-Betrieb auch ein zusätzliches An­ triebsmoment oder im Generatorbetrieb ein zusätzliches Lastmoment als Signal vom Steuergerät direkt zur Weiterver­ arbeitung in MZusatz zur Verfügung steht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Ermitteln eines Leerlaufverhaltens eines Fahrzeugmotors in einem Leerlaufmodell, dem als Ein­ gangsgrößen eine, ein Leerlaufmoment und eine, ein Mo­ torschleppmoment, beschreibende Größe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leerlaufmodell als weitere Größe ein aus einem Motorzusatzantriebsmoment (121) und einem Motorzusatzlastmoment (123) gebildetes Zusatzmoment (115, 120) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu berücksichtigenden Zusatzmomente durch Statusab­ fragen von Steuergeräten, welche Nebenaggregaten des Fahrzeugs, wie Katalysatorheizung, Klimakompressor u. dgl. zugeordnet sind, ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass die elektrisch bedingten Zusatzmomente durch Ermittlung des zur Verfügung gestellten Lichtmaschinen­ stromes bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten Lichtmaschinenstrom die mechanische Eingangsleistung der Lichtmaschine geschätzt wird und als Zusatzlastmoment M_{Last,elektrisch} dem Eingang eines Sum­ mationspunktes (122) zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass über Statusabfragen ermittelte me­ chanische Lastmomente M_{Last,mechanisch} . (M_{Servolenkung,hydraulisch}, M_{Klimakompressor}) und die aus dem Lichtmaschinenstrom geschätzten mechanischen Lastmomente (M_{Last,elektrisch}) in ei­ nem Summationspunkt (123) addiert und als negatives Lastmoment einem Summationspunkt (120) zugeführt wer­ den.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass einem positiven Eingang des Summati­ onspunktes (120) in einem weiteren Summationspunk (121) addierte Antriebsmomente (M_Elektromotor, M_Antrieb,ISAD) Zuge­ führt werden.

7. Vorrichtung zum Ermitteln eines Leerlaufverhaltens ei­ nes Fahrzeugmotors in einem Leerlaufmodell, dem als Eingangsgröße eine, ein Leerlaufmotormoment und eine, ein Motorschleppmoment beschreibende Größe zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Ermittlungseinheit (121) zum Ermitteln von Motorzusatzantriebsmomenten und Motorzusatzlastmomenten (123), einer zweiten Ermitt­ lungseinheit zum Ermitteln eines Zusatzmomentes (120) aus der Summe der Motorzusatzantriebsmomente und der Motorzusatzlastmomente.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Strommesser zur Ermittlung des Lichtmaschinenstromes.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Ermittlungseinheit eines Antriebsmoments oder Lastmoments eines Starter-Alternator-Dämpfers (ISAD).