DE10129314B4

DE10129314B4 - Motordrehzahlregelung

Info

Publication number: DE10129314B4
Application number: DE10129314A
Authority: DE
Inventors: Michael Ann Arbor Livshiz; Scott Joseph Fenton Chynoweth; Sharanjit Novi Singh
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: DE10129314A1; US6305350B1

Abstract

Drehzahlregelsystem für einen Verbrennungsmotor (44) mit einem vorbestimmten, über auf Dynamometern basierenden Kalibrierungen bereitgestellten Drehmomentmodell, wobei das Drehzahlregelsystem umfaßt:
einen Lastkompensator (12) mit:
einem Druckverhältnismodell (14), das Verhältnisse von Ansaugluftdrücken in verschiedenen Höhen in Bezug auf einen normierten Ansaugluftdruck definiert,
einer Drehmomentschätzeinheit (16), um mittels des Drehmomentmodells ein erforderliches Drehmoment des Verbrennungsmotors (44) basierend auf einem Ansaugluftdruck, einer Zündzeitpunktverstellung, einem Druckverhältnis von dem Druckverhältnismodell (14) und einer Motordrehzahl zu bestimmen, und
einer Luftmassenstromschätzeinheit (20), die mit der Drehmomentschätzeinheit (16) verbunden ist, um einen erforderlichen Luftmassenstrom basierend auf einer Referenzmotordrehzahl, dem erforderlichen Drehmoment und einem barometrischen Druck zu bestimmen, wobei die Luftmassenstromschätzeinheit (20) ein dem erforderlichen Luftmassenstrom entsprechendes erstes Luftstromsignal erzeugt, und
einer Regelstruktur mit:
einer Motordrehzahlregelung (30) zur Erzeugung eines zweiten Luftstromsignals, und
einer Luftmassenstromregelung (32) zur Erzeugung eines Luftmassenstromsignals basierend auf zumindest dem ersten und dem zweiten Luftstromsignal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Drehzahlregelung für Verbrennungsmotoren, bei der eine Kompensation für Lasten erfolgt sowie ein entsprechendes Drehzahlregelsystem.
Herkömmliche Leerlaufdrehzahlregelsysteme für Verbrennungsmotoren machen Gebrauch von einem Proportional-Integral-Differential-Regler (PID-Regler) für Luft und einem Proportional-Regler für Zündfunken. Da die Bandbreite eines PID-Reglers begrenzt ist, verlassen sich Leerlaufdrehzahlregelsysteme hauptsächlich auf eine Feedforward-Luftströmungs- bzw. Luftstromkompensation, um die erforderliche Genauigkeit zu erhalten. Die typische Feedforward-Regelung weist mehrere zehn Nachschlagetabellen auf.
Die Leerlaufregelsysteme, die in US 5,463,993 A in US 5,421,302 A und in US 5,577,474 A beschrieben sind, von denen jedes dem Anmelder dieser Anmeldung übertragen und jede hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist, ermöglichen eine erhebliche Verbesserung der Leerlaufdrehzahlregelleistung.
Die in US 5,463,993 A beschriebene Regelung kombiniert eine Lastzurückweisung (load rejection) und eine Regelung für einen stationären Zustand bzw. eine Festzustandsregelung, erfordert aber sehr qualifizierte Leute zur Kalibrierung, muß für alle Umweltbedingungen definiert werden und erfordert genaue Modelle auf physikalischer Grundlage. Bei der Ausführung der Leerlaufdrehzahlregelungen, die in US 5,463,993 A und US 5,421,302 A beschrieben sind, wurden bei verschiedenen Höhen bei mehreren Übergängen zwischen Parken und Fahren Schwingungen der Motordrehzahl (U/min) gefunden. Ferner besitzt die in US 5,463,993 A beschriebene Regelung keine Trennung von Massenluftströmungs- bzw. Luftmassenstrom- und Drosselstellungsregelung. Dies bedeutet, daß jede Änderung des Aktuators eine erneute Kalibrierung dieser Regelung für alle Höhen erfordert.
Die in US 5,577,474 A das der deutschen Patentanmeldung DE 196 49 424 A1 entspricht, beschriebene Regelung umfaßt die Wirkungen von sich langsam ändernden Parametern in dem Leerlaufdrehzahlregelsystem, berücksichtigt aber keinen anfänglichen Betrieb in verschiedenen Höhen, erfordert eine lange Zeit, um das Modell an sich langsam ändernde Variable, wie beispielsweise den barometrischen Druck, anzupassen, und umfaßt eine Vielzahl von Nachschlagetabellen.
In DE 34 39 927 C2 ist ein Verfahren zur Störgrößenaufschaltung bei Reglern beschrieben, bei dem der Regler auf der Basis eines Vergleichs eines Soll- und eines Istwertes wenigstens ein Reglerausgangssignal bildet und diesem Reglerausgangssignal wenigstens ein Wert, der ein Maß für wenigstens eine Störgröße bildet, aufgeschaltet wird. Zum Zeitpunkt der Störgrößenaufschaltung wird das Reglerausgangssignal gespeichert und zu einem späteren Zeitpunk nach Ausregelung der Störung mit dem dann vorliegenden Reglerausgangssignal verglichen. Aus der Differenz der bei den Reglerausgangssignale wird eine Zusatzkorrekturstörgröße abgeleitet, die dem Konstantwert der Störgrößenaufschaltung hinzugefügt wird. Bei einer Anwendung für Brennkraftmaschinen ist ein Einfluss der Höhe auf die Regelung nicht beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. ein System für eine robuste Leerlaufdrehzahlregelung bereitzustellen, das eine Lastzurückweisung mit barometrischer Korrektur für verschiedene Höhen umfaßt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Drehzahlregelsystem nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 5. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leerlaufregelsystem für Verbrennungsmotoren, das eine Lastzurückweisung und/oder Lastkompensation für eine gegebene Motordrehzahlreferenz und einen gegebenen barometrischen Druck vorsieht, wobei die vorliegende Erfindung sich ändernde Motordrehzahlreferenzen und sich ändernde barometrische Drücke, wie beispielsweise bei verschiedenen Höhen, anpaßt. Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Regelsystem mit einem Lastkompensator, der eine Vielzahl von Neben- bzw. Unterregelblöcken umfaßt, wie in 1 gezeigt und später beschrieben ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit, Verbesserung der Wiederholbarkeit einer Kalibrierung und Verringerung von Kalibrierungsaufwand an einem Regelsystem für die Leerlaufdrehzahl. Es kann sowohl zur Motordrehzahlregelung als auch zur Aus rollregelung verwendet werden. Dies wird durch eine genaue Schätzung der Massenluftströmung bzw. des Luftmassenstroms (MAF) als einer Funktion der Motordrehzahl, des Drehmomentes und des barometrischen Druckes (B) durch eine Trennung von Lastzurückweisung und Regelung eines stationären Zustands und durch Erhöhung einer Dämpfung des Regelsystems als Funktion des Ansaugluftdruckes (MAP) und B erreicht.
Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, die Drehmomentregelung, MAP-Regelung und die Zustandsschätzeinheit in dem Leerlaufregelsystem zu ersetzen, das in US 5,463,993 A beschrieben ist, oder kann als eine unabhängige Einheit als Teil einer anderen Motordrehzahl- oder Ausrollregelung verwendet werden, die in einem Leerlaufregelsystem enthalten ist.
Die vorliegende Erfindung sieht sowohl eine Zündzeitpunktverstellung (S) als auch eine Drosselregelung basierend auf MAP und Motordrehzahl vor. Der Drosselregelabschnitt besteht aus einer Motordrehzahlregelung (RPM-Regelung), einem Lastkompensator, einer Feedforward-Regelung und einem Luftmassenstrom-/Leerlaufluftanweisungswandler (Massenluftströmungs-/Leerlaufluftanweisungswandler MAF/IAC-Wandler). Der Lastkompensator erzeugt den erforderlichen Luftstrom zur Kompensation des Drehmomentes der Motorlast. Der Lastkompensator kompensiert unerwartete Lasten und arbeitet mit der Feedforward-Regelung, um zu erwartende Lasten zurückzuweisen.
Die Kalibrierungsmethode ist vollständig automatisiert und in den 3, 4 und 5A–5D gezeigt, die später beschrieben sind. Die Anzahl von Kalibrierungsvariablen ist um einen Faktor von Vier verringert, und die Anzahl von Nachschlagetabellen ist um einen Faktor Acht verringert. Die automatisierte Kalibrierung erhöht die Wiederholbarkeit des Regelsystems.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leistungsfähigkeit, eine verbesserte Wiederholbarkeit der Kalibrierung und verringerten Kalibrierungsaufwand für ein Regelsystem für die Motorleerlaufdrehzahl zu schaffen.
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung aus der folgenden Beschreibung offensichtlich.
1 ist eine schematische Darstellung des Regelsystems, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung vorgesehen ist.
2 ist ein typisches Diagramm eines Druckverhältnisses gegen den MAP bei barometrischen Druck B von 70 KPa.
3, 4 und 5A–5D sind Regelflußdiagramme, die die Schritte zeigen, die dazu verwendet werden, die vorliegende Erfindung gemäß der bevorzugten Ausführungsform auszuführen.
1 ist eine schematische Darstellung des Regelsystems 10, das gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Das Regelsystem 10 regelt den Motor 44 und besteht aus einer Regelstruktur mit Regelblöcken 24 bis 42 und einem Lastkompensator 12 mit Regelblöcken 14 bis 22.
Der Lastkompensator 12 besteht aus fünf Einheiten: einem Block 14 für ein Druckverhältnismodell (PR-Modellblock), einem Drehmomentschätzblock 16, einem Drehmomentbegrenzungsblock 18, einem Block 20 zur Schätzung der Massenluftströmung bzw. des Luftmassenstroms (MAF) und einem MAF-Begrenzungsblock 22. Der Lastkompensator 12 kompensiert unerwartete Last und arbeitet mit einer Feedforward-Regelung 36 zusammen, um zu erwartende Lasten zurückzuweisen. Der Lastkompensator 12 erzeugt den erforderlichen Luftstrom über Signalleitung 22', um das Drehmoment einer Motorlast durch das MAF-Modul 32 zu kompensieren. Eine mathematische Beschreibung des Lastkompensators 12 kann durch Parameter T_ss und MAF_last
ss dargestellt werden, was später beschrieben wird. Im Übergangsmodus, der später definiert wird, müssen die Änderungen des Luftstroms, die durch den Lastkompensator 12 erzeugt werden, relativ klein sein. Im normalen Modus, der später definiert wird, spielt der Lastkompensator 12 die Hauptrolle bei der Lastzurückweisung. Die Kalibrierung des Lastkompensators 12 ist durch den Kalibrierungsprozeß, der in den 3, 4 und 5A bis 5D angegeben ist und später beschrieben wird, vollständig automatisiert.
Das Druckverhältnismodell 14 ist dazu entwickelt, um die Höhenwirkung auf das Drehmomentmodell zu kompensieren, das in US 5,421,302 A beschrieben ist, und um die Dämpfung des Regelsystems für verschiedene Höhen zu steigern, wobei Motordrehzahlschwingungen bei Übergängen von Parken zu Fahren beseitigt werden. Das Druckverhältnismodell 14 definiert das Verhältnis zwischen dem MAP bei verschiedenen Höhen zu MAP, der unter normalen Bedingungen berechnet ist, als eine Funktion von MAP und B. Das Druckverhältnis ist definiert als: PR = MAP99/MAPi = f(MAP, B) (1) wobei MAP₉₉ und MAP_i Ansaugluftdrücke sind, die für eine gegebene Motordrehzahl und Last für einen barometrischen Druck B gleich 99 Kilo-Pascal (KPa) bzw. ”i” berechnet sind.
2 ist ein Beispiel eines typischen Diagramms eines Druckverhältnisses in Abhängigkeit von MAP bei einem barometrischen Druck B von 70 KPa. In 2 zeigt die Linie 50 die empirischen Daten, während Linie 52 eine mathematisch am besten passende Entsprechung zu den empirischen Daten darstellt. Die Einführung des Ansaugluftdrucks in dieses Modell ermöglicht es, daß die Dämpfung des Regelsystems erhöht wird.
Die Drehmomentschätzeinheit 16 berechnet das erforderliche Motordrehmoment basierend auf dem MAP, der Zündzeitpunktverstellung (S), dem Druckverhältnis (PR) und der Motordrehzahl (RPM). Das Drehmoment ist sowohl nach unten als auch nach oben über den Regelblock 18 auf Grundlage von Festzustandsdaten bzw. Daten für einen stationären Zustand für eine gegebene Motordrehzahlreferenz begrenzt. Die Drehzahlschätzeinheit 16 entspricht dem Modell, das in US 5,421,302 A und in US 5,577,474 A beschrieben ist, mit kleinen Änderungen. Der Ausdruck für das Drehmoment für den stationären Zustand (bzw. Festzustandsdrehmoment) kann dargestellt werden in der Form: Tss = at1·RPM + at2·RPM2 + at3·PR·MAP + at4·S + at5·S2 + at6·S·RPM (2)wobei die Koeffizienten a_t1 bis a_t6 durch den Kalibrierungsprozeß erhalten werden, der in den 3, 4 und 5A bis 5D angegeben ist und später beschrieben wird.
Die MAF-Schätzeinheit 20 berechnet den erforderlichen Luftmassenstrom als eine Funktion von Sollreferenzdrehzahl (Ref), erforderlichem Motordrehmoment und barometrischen Druck (B). Der geschätzte Luftmassenstrom wird für jede Motordrehzahlreferenz über die MAF-Begrenzungseinheit 22 sowohl nach oben als auch nach unten begrenzt. Die MAF-Schätzeinheit 20 ermöglicht eine Trennung von Lastzurückweisung und Regelung eines stationären Zustands und macht das Regelsystem von dem Aktuator unabhängig. Die MAF-Schätzeinheit 20 berechnet, wieviel Luftstrom erforderlich ist, um das geschätzte Drehmoment zurückzuweisen, wenn für einen gegebenen barometrischen Druck B die Referenz ”Ref” ist, und kann mathematisch beschrieben werden als: MAFlast ss = am1·Ref + am2·Ref2 + am3·T + am4·T2 + am5·T·Ref + am6·B + am7·B2 + am8 (3)wobei die Koeffizienten a_m1 bis a_m8 durch den Kalibrierungsprozeß erhalten werden, der in den 3, 4 und 5A bis 5D angegeben ist und später beschrieben wird.
Die Beschreibung, der Betrieb und die mathematische Analyse für jeden einzelnen Regelblock 24 bis 42 der Regelstruktur sind in US 5,421,302 A und US 5,577,474 A dargestellt und (wie oben beschrieben ist) hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen. Nun folgt eine Beschreibung der Funktion der Regelblöcke 24 bis 42 im Kontext mit der vorliegenden Erfindung.
Der Regelblock 24 für die Sollreferenzberechnung nimmt die Grundreferenzmotordrehzahl, die durch das Leerlaufneben- bzw. -teilsystem berechnet ist, und berechnet die Soll- und Ist-Motordrehzahlreferenzen. Die tatsächliche Referenz, auf die das System geregelt wird, ist die Ist-Referenz (gegenwärtige Referenz). Es ist wichtig, daß eine gefilterte Soll-Referenz (gewünschte Referenz) verwendet wird, um große Schritte in der Referenzmotordrehzahl zu vermeiden. Die Änderung der Ist-Referenz wird im normalen Modus nur aktiviert, wenn ein Fehler der Motordrehzahlnachführung klein ist. Die Ist-Referenz wird gleich der Ist-Motordrehzahl gesetzt, wenn die Motordrehzahlregelung begonnen wird. Die Ist-Referenz wird dann in Richtung der Soll-Referenz basierend auf Grundlage der Referenzstufengrößentabellen für Normal- und Übergangsmoden aktualisiert.
Die Einstelleinheit 26 für dynamische Referenz erhöht die Referenzleerlaufdrehzahl in dem Fall hoher Motordrehzahlschwingungen, einer Situation bei Vorhersage eines Abfalls in der Drosselung (throttle drop) und in einem Fehlermodus. In dem Fall hoher Motordrehzahlschwingungen stellt die Einstelleinheit 26 für dynamische Referenz einen Offset für die dynamische Referenz ein und ermöglicht eine Rückkehr zu der normalen Referenz nur nach einer Zeitverzögerung, innerhalb der die Motordynamik stabil bleibt. Andere Offsets für die Soll-Referenz werden eingestellt, wenn der Flag für die Vorhersage eines Abfalls in der Drosselung (TD-Flag) oder ein Fehlermodusflag entsprechend eingestellt werden.
Die RPM-Regelung 30 nimmt den Motordrehzahlreferenzfehler von dem Regelblock 28 über Signalleitung 28' auf und erzeugt ein MAF-Signal über Signalleitung 30' und besitzt auch eine Lastzurückweisungsfähigkeit. Die RPM-Regelung 30 verwendet eine Kombination aus Proportional- und Integral-Regelverfahren. Im normalen Modus korrigiert die Integral-Regelung Modellungenauigkeiten und hilft bei der Zurückweisung von Lasten. Jedoch übernimmt der Lastkompensator 12 die Hauptlastzurückweisung im Normalmodus. Die Autorität der RPM-Regelung 30 ist im Normalmodus sehr begrenzt und sie reagiert auf Fehler sehr langsam, beispielsweise alle 400 Millisekunden. Im Übergangsmodus besitzt die Integral-Regelung eine große Autorität und reagiert auf Fehler sehr schnell, beispielsweise alle 25 Millisekunden. Die Integral-Regelung wird aktiviert, wenn der Flag für den Abfall in der Drosselung (TD-Flag) nicht eingestellt ist; der mittlere Integral-Fehler größer als ein kalibrierter Wert ist, der Normalmodus nicht aktiv ist und die Feedforward-Regelung 36 nicht aktiv ist. Der Wert des Integral-Regelschrittes ist für Übergangs- und Normalmoden verschieden. Der Wert des MAF-Signals auf Signalleitung 30 wird um den Wert eines variabel bezeichneten Schrittes erhöht, wenn der Absolutfehler größer als ein kalibrierter Wert ist. Die MAF basierend auf der Integral-Regelung kann geschrieben werden als: MAFint = MAFint + Schritt. (4)
Die Proportional-Regelung erfolgt optional nur im Übergangsmodus und ihre Autorität bzw. ihr Einfluss muß aus Stabilitätsgründen sehr begrenzt sein. Die MAF basierend auf der Proportional-Regelung kann geschrieben werden als: MAFRPM = MAFint + b·MAFprop (5) wobei der Wert von b im Übergangsmodus (wenn verwendet) 1 ist und der Wert von b im Normalmodus 0 ist. Die Proportional-Regelung wird im Übergangsmodus nur verwendet, wenn sie absolut erforderlich ist.
Um alle Motordrehzahlregelerfordernisse zu erfüllen, müssen genauer mehrere Lasten, die Lasten für Klimaanlage (AC) und Schalten des Getriebes zwischen Parken und Fahrt (PD), vorhergesagt werden. Die Feedforward-Regelung 36 sagt das Motorverhalten vorher und trägt zusätzlichen Luftstrom zur Kompensation von AC- und/oder PD-Lasten bei und erhöht auch die Autorität bzw. den Einfluss der Zündzeitpunktverstellung (S), die bzw. der verfügbar ist, bevor die Lasten angelegt werden.
Wenn eine Lastanforderung erfolgt, wird die MAF, die durch die Feedforward-Regelung 36 angewiesen wird, erhöht. Dies führt zu einem Anwachsen des Motordrehmoments. Zur Kompensation wird die Zündzeitpunktverstellung (S) niedrig, wobei die Motordrehzahl gemäß der Referenz stabilisiert wird. Dieses niedrigere Niveau der Zündung/des Funkens (spark), bevor die Last angelegt wird, ermöglicht eine größere Drehmomentänderung infolge der Zündung, wenn die Last tatsächlich angelegt wird. Wenn die Last angelegt ist, erhöht sich die Zündzeitpunktverstellung, der Motor weist die Last zurück und die Zündzeitpunktverstellung geht zurück. Anschließend wird die MAF, die durch die Feedforward-Regelung 36 angewiesen ist, langsam ausintegriert. Die Feedforward-MAF ist gleich der Summe der AC- und PD-Beiträge.
Die Vorspannungs- bzw. Voreinstellungskorrektureinheit 38 trägt zusätzlichen Luftstrom zur Kompensation für verlorene IAC-Schritte bei, die eine Instabilität des Regelsystemes zur Folge haben können. Die Voreinstel lungskorrektureinheit 38 aktiviert auch den TD-Flag, wenn eine Situation eines Abfalls in der Drosselung vorkommt, wenn dies durch den Logikregelblock 40 für einen Abfall in der Drosselung bestimmt wird. Die Differenz zwischen der angewiesenen MAF und der gemessenen MAF wird gefiltert über die Zeit dazu verwendet, die Voreinstellung bzw. -spannung zu berechnen. Wenn im Übergangsmodus der MAF-Fehler groß ist, wird die große Schrittgröße und ein kleiner Filter verwendet, ansonsten wird die kleine Schrittgröße und der große Filter verwendet. Die Bedingungen, bei denen die Voreinstellung aktualisiert wird, sind, daß der Normalmodus aktiviert ist, der TD-Flag gelöscht ist und der Fehlermodusflag gelöscht ist.
Der Logikregelblock 40 für einen Abfall in der Drosselung analysiert die Anwesenheit einer potentiellen Situation eines Abfalles in der Drosselung (kleine Drosselklappenöffnung). Diese Analyse wird auf Grundlage von Drosselinformation und dem Fehler zwischen dem angewiesenen und geschätzten Luftstrom durchgeführt. Wenn der Logikregelblock 40 für den Abfall in der Drosselung den Flag setzt, friert das System die Voreinstellungs- bzw. -spannungsaktualisierung und die Integral-Regelung der MAF durch die Drehzahl-Regelung 30 ein.
Der Block 32 für MAF-Regelung berechnet den angewiesenen Luftmassenstrom. Der gesamte angewiesene Luftmassenstrom stellt die Kombination aus Luftmassenstrom dar, die durch die Drehzahl-Regelung 30, den Lastkompensator 12, die Feedforward-Regelung 36 und den Voreinstellungskorrektor 38 erzeugt wird, und kann ausgedrückt werden als: MAFcom = MAFRPM + MAFlast ss + MAFff + a·MAFvorspann (6) wobei der Wert von a im Normalmodus 1 ist, und der Wert von a im Übergangsmodus Null ist.
Der MAF/IAC-Wandler 34 wandelt den angewiesenen Luftstrom in eine angewiesene Drosselstellung und geschätzte Regel-Voreinstellung bzw. -spannung um.
Der Zündregelblock 42 erzeugt einen Basisleerlauffunken für Neutral- und Fahrtzustand und eine Funkenkorrektur auf Grundlage des Motordrehzahlfehlers. Der Zündregelblock 42 kann proportional oder vorhersagend sein und berücksichtigt Kühlmitteloffsets, minimale und maximale Grenzen und andere erforderliche Parameter. Der Ausgang des Zündregelblockes 42 ist die Zündzeitpunktverstellung (S), die für Drehmomentberechnungen verwendet wird, um ein berechnetes Drehmoment und einen berechneten Luftmassenstrom zu regeln, und stellt auch den gelieferten Zündungswert an den Motor 44 dar.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht glatte und robuste Übergänge zu und von Leerlaufmoden ohne Gefahr eines Absterbens des Motors. Ein Eintritt in den Leerlauf kann von Schub-, Ausroll- oder Motorbremszuständen (crank, coastdown or throttle follower modes) erfolgen. In jedem Fall wird der Eintritt durch einen Übergangsmodus erreicht, der die notwendige Robustheit vorsieht, um ein Absterben zu verhindern. Überdies handhabt die Drehzahl-Regelung 30 unter Verwendung der Integral-Regelung im Übergangsmodus die Differenz in der MAF. Ein Austritt von dem Leerlauf kann zu einer MAF-Diskontinuität zwischen der MAF, die durch den Leerlaufmodus angewiesen ist, und der MAF, die in dem ausgetretenen Modus angewiesen ist, führen, was zu einer rauhen Funktion und zur Möglichkeit eines Absterbens führen könnte. Um zu verhindern, daß dies auftritt, wird die Differenz zwischen der MAF, die bei Austritt angewiesen wird, zu der MAF addiert, die im ausgetretenen Modus angewiesen wird. Diese Differenz wird anschließend bezüglich der Zeit linear rampenartig verringert.
Der Übergang zu dem normalen Modus wird nur aktiviert, wenn die Zündzeitpunktverstellung geschlossen oder gleich der Basiszündzeitpunktverstellung ist, der Flag für eine gültige Voreinstellung bzw. -spannung gesetzt ist (der absolute MAF-Fehler ist kleiner als der kalibrierte Wert, und die Überprüfung der Gültigkeit der Vorspannung ist aktiviert), der Übergangs-MAF-Fehler klein ist, die Kühlmitteltemperatur größer als ein kalibrierter Wert ist und die Differenz zwischen der Ist- und der Soll-Referenzmotordrehzahl klein oder Null ist.
Ein automatisiertes Kalibrierungsverfahren, wie in den 5A bis 5D dargelegt ist, ermöglicht eine vereinfachte Regelsystemkalibrierung. Der erste Schritt ist die Leerlauffestzustandszuweisung bzw. Zuweisung für einen stationären Leerlaufzustand, die an einem Motordynamometer durchgeführt wird, indem Drehmomentdaten gesammelt werden, wie in 3 gezeigt ist. Das in den 5A bis 5D gezeigte Kalibrierungsverfahren erzeugt automatisch die Koeffizienten für das Drehmomentmodell. Die zweite Stufe ist die Leerlauffestzustandszuweisung von Daten bzw. Zuweisung von Daten für einen stationären Leerlaufzustand in dem Fahrzeug bei den verschiedenen Höhen, wie in 4 gezeigt ist. Das Kalibrierungsverfahren, das in den 5A bis 5D gezeigt ist, basiert auf Daten, die an verschiedenen Orten bei verschiedenen Höhen, die sich ändernde barometrische Drücke zur Folge haben, gesammelt sind.
Das Verfahren zum Sammeln der Dynamometer-Drehmomentdaten des stationären Leerlaufzustands ist in 3 dargestellt. In 3 wird ein Dynamometer im Block 100 gemäß in der Technik gut bekannten Verfahren eingerichtet. Die RPM wird in Block 102 eingestellt, der MAP in Block 104 und die Zündung in Block 106. Anschließend werden Daten bei Block 108 gesammelt. Wenn der letzte Zündwert eingestellt worden ist, übergibt ein Entscheidungsblock 110 die Regelung an Entscheidungsblock 112. Ansonsten geht die Regelung zu Block 106. Wenn der letzte MAP eingestellt worden ist, überträgt der Entscheidungsblock 112 die Regelung an Block 114. Ansonsten wird die Regelung an Block 104 übertragen. Wenn die letzte RPM eingestellt worden ist, überträgt der Entscheidungsblock 14 die Regelung an Block 116. Ansonsten wird die Regelung an Block 102 übertragen. Die gesammelten Daten werden bei Block 116 gesichert.
Das Verfahren zum Sammeln der Fahrzeugdaten im Leerlauffestzustand bzw. stationären Leerlaufzustand ist in 4 dargestellt und in der Technik gut bekannt. Das Verfahren beginnt bei Block 120 und verläuft zu Block 122. Bei Block 122 wird der barometrische Druck dadurch eingestellt, daß das Fahrzeug auf eine spezifizierte Höhe gebracht wird, bei der das Fahrzeug bei Block 124 erwärmt wird und bei Block 124 neutral angeordnet wird. Bei Block 128 wird die Zündung (Funke) eingestellt, bei Block 130 wird RPM eingestellt, Block 132 stellt sicher, daß keine Zubehörlasten angeschaltet sind, und bei Block 134 werden Daten gesammelt. Bei Block 136 ist die Servolenkung (PS) gesperrt, und bei Block 138 werden Daten gesammelt. Bei Block 140 ist die PS gesperrt und die Klimaanlage (AC) angeschaltet, und bei Block 142 werden Daten gesammelt. Wenn der letzte RPM-Wert eingestellt worden ist, überträgt der Entscheidungs block 144 die Regelung an Block 146. Ansonsten wird die Regelung an Block 130 übertragen. Die Daten werden bei Block 146 gesichert. Wenn das Fahrzeug in Fahrt ist, überträgt der Entscheidungsblock 148 die Regelung an Block 152. Ansonsten wird die Regelung an Block 150 übertragen, wo das Fahrzeug in Fahrt gesetzt wird, wobei danach die Regelung zu Block 128 gelangt. Wenn der letzte barometrische Druck eingestellt worden ist, endet das Verfahren bei Block 154. Ansonsten wird die Regelung an Block 122 übertragen.
Das automatisierte Kalibrierungsverfahren für die Daten, die aus den Verfahren der 3 und 4 erhalten werden, ist in den 5A bis 5D dargestellt, wobei danach die Ergebnisse in dem Antriebsstrangregelmodul in dem Fahrzeug ausgeführt werden. In 5A werden die Druckverhältnisdateien bei Block 200 geöffnet. Neutraldaten für einen barometrischen Druck von 99 KPa werden bei Block 202 geladen, während Fahrdaten für einen barometrischen Druck von 99 KPa bei Block 204 geladen werden. Neutraldaten für einen barometrischen Druck werden anschließend bei Block 206 geladen, während Fahrdaten für einen barometrischen Druck dann bei Block 208 geladen werden. Druckverhältnisberechnungen werden bei Block 210 ausgeführt und bei Block 212 verifiziert. Vier Druckverhältnispunkte werden auf Diagrammen ähnlich zu 2 bei Block 214 ausgewählt und es werden Druckverhältnisdateien bei Block 216 erzeugt. Wenn der letzte barometrische Druck nicht verwendet worden ist, überträgt der Entscheidungsblock 218 die Regelung an Block 206. Ansonsten endet das Verfahren bei Block 220.
In 5B werden die Drehmomentdateien bei Block 250 geöffnet, wobei danach die Drehmomentdaten bei Block 252 geladen und bei Block 254 gelöscht werden. Die Daten werden bei Block 256 einer quadratischen Regression unterzogen, die in Block 258 verifiziert wird. Ein Diagramm der berechneten Regressionsfehler wird bei Block 260 erzeugt und bei Block 262 verifiziert. Die Drehmomentkalibrierungsdateien werden dann bei Block 264 erzeugt.
Die MAF-Kalibrierungen werden in 5C ausgeführt. Die Drehmomentkalibrierungsdateien werden bei Block 300 geöffnet und die Werte der Drehmomentkoeffizienten werden bei Block 302 verifiziert. Ein barometrischer Druck wird in Block 304 ausgewählt. Die entsprechenden Druckverhältnisdaten werden bei Block 306 geladen. Die Neutraldaten werden bei Block 308 geladen, die Fahrdaten werden bei Block 310 geladen und die Korrektheit der Daten wird bei Block 312 verifiziert. Eine Regression wird für die Neutraldaten im Block 314 ausgeführt, ein Diagramm wird bei Block 316 erzeugt und die Regressionsergebnisse werden bei Block 318 verifiziert. Eine Regression wird für die Fahrdaten in Block 320 ausgeführt, ein Diagramm wird bei Block 322 erzeugt und die Regressionsergebnisse werden bei Block 324 verifiziert. Bei Block 326 wird der berechnete Ausgang der Q-Matrix verifiziert und MAF-Kalibrierungen werden bei Block 328 erzeugt. Wenn der letzte barometrische Druck verwendet worden ist, endet das Verfahren bei Block 330. Ansonsten wird die Regelung zu Block 304 übertragen.
In 5D werden die Kalibrierungsdateien bei Block 350 geöffnet. MAF- und Drehmomentdaten werden bei Block 352 erzeugt, bei Block 354 eingegeben und die Korrektur der Kalibrierungskoeffizienten wird bei Block 356 verifiziert. Eine Regression wird für die Neutraldaten bei Block 358 durchgeführt und die Regressionsergebnisse werden bei Block 360 verifiziert. Eine Regression wird für die Fahrdaten in Block 362 ausgeführt, und die Regressionsergebnisse werden bei Block 364 verifiziert. Bei Block 368 werden die maximalen und minimalen Grenzen für MAF und Drehmoment berechnet. Die Druckverhältnisberechnungen werden bei Block 368 ausgeführt und bei Block 370 verifiziert. Die Feedforward-MAF-Kalibrierungsberechnungen werden bei Block 372 ausgeführt und die korrekte Skalenmatrix wird bei Block 374 verifiziert. Bei Block 376 werden die Drehmomentmodell-, MAF-Modell-, Druckverhältnismodell-, Übergangsfiltermodell- und MAF- und Drehmomentbegrenzungen verifiziert und es wird eine Ausgangsdatei erzeugt. Diese Datei kann dann in dem Antriebsstrangregelmodul in dem Fahrzeug ausgeführt werden.
Zusammengefaßt sieht ein Leerlaufregelsystem für Verbrennungsmotoren eine Lastzurückweisung und/oder Lastkompensation für eine gegebene Motordrehzahlreferenz und einen barometrischen Druck vor, wobei die vorliegende Erfindung sich ändernde Motordrehzahlreferenzen und sich ändernde barometrische Drücke, wie beispielsweise verschiedene Höhen, anpaßt. Das Regelsystem umfaßt einen Lastkompensator und eine Regelstruktur mit einer Vielzahl von Nebenregelblöcken. Der Lastkompensator erzeugt die erforderliche Luftströmung bzw. den erforderlichen Luftstrom zur Kompensation des Drehmomentes von Motorlasten und arbeitet mit einer Feedforward-Regelung, um vorhergesagte Lasten zurückzuweisen. Das Kalibrierungsverfahren ist vollständig automatisiert.

Claims

Drehzahlregelsystem für einen Verbrennungsmotor (44) mit einem vorbestimmten, über auf Dynamometern basierenden Kalibrierungen bereitgestellten Drehmomentmodell, wobei das Drehzahlregelsystem umfaßt: einen Lastkompensator (12) mit: einem Druckverhältnismodell (14), das Verhältnisse von Ansaugluftdrücken in verschiedenen Höhen in Bezug auf einen normierten Ansaugluftdruck definiert, einer Drehmomentschätzeinheit (16), um mittels des Drehmomentmodells ein erforderliches Drehmoment des Verbrennungsmotors (44) basierend auf einem Ansaugluftdruck, einer Zündzeitpunktverstellung, einem Druckverhältnis von dem Druckverhältnismodell (14) und einer Motordrehzahl zu bestimmen, und einer Luftmassenstromschätzeinheit (20), die mit der Drehmomentschätzeinheit (16) verbunden ist, um einen erforderlichen Luftmassenstrom basierend auf einer Referenzmotordrehzahl, dem erforderlichen Drehmoment und einem barometrischen Druck zu bestimmen, wobei die Luftmassenstromschätzeinheit (20) ein dem erforderlichen Luftmassenstrom entsprechendes erstes Luftstromsignal erzeugt, und einer Regelstruktur mit: einer Motordrehzahlregelung (30) zur Erzeugung eines zweiten Luftstromsignals, und einer Luftmassenstromregelung (32) zur Erzeugung eines Luftmassenstromsignals basierend auf zumindest dem ersten und dem zweiten Luftstromsignal.
Drehzahlregelsystem nach Anspruch 1, wobei der Lastkompensator ferner umfaßt: eine Drehmomentbegrenzungseinheit (18), die mit der Drehmomentschätzeinheit (16) verbunden ist, um vorbestimmte obere und untere Drehmomentgrenzen an der Drehmomentschätzeinheit (16) einzustellen, und eine Begrenzungseinheit (22) für den Luftmassenstrom, die mit der Schätzeinheit (20) für den Luftmassenstrom verbunden ist, um vorbestimmte obere und untere Luftmassenstromgrenzen an der Schätzeinheit (20) für den Luftmassenstrom einzustellen.
Drehzahlregelsystem nach Anspruch 2, wobei das Druckverhältnismodell Verhältnisse zwischen Ansaugluftdruck bei gewählten Luftdrücken und Ansaugluftdruck, der unter vorbestimmten Bedingungen abgeleitet ist, als eine Funktion von Ansaugluftdruck und barometrischem Luftdruck definiert, wobei das Druckverhältnismodell (14) das Regelsystem (10) des Verbrennungsmotors (44) für verschiedene Höhen dämpft und ferner Drehzahlschwingungen des Verbrennungsmotors bei Übergängen von Parken zu Fahrt im wesentlichen vermeidet.
Drehzahlregelsystem nach Anspruch 3, wobei die Regelstruktur ferner umfaßt: ein Sollreferenzberechnungsmittel (24) zur Lieferung vorbestimmter Solldrehzahlreferenzen und Ist-Motordrehzahlreferenzen, eine Einstelleinheit (26) für dynamische Referenz, die mit dem Sollreferenzberechnungsmittel (24) und der Motordrehzahlregelung verbunden ist, um eine Referenzleerlaufdrehzahl des Motors (44) basierend auf zumindest vorbestimmten Motordrehzahlschwingungen, einem vorbestimmten Abfall in der Drosselung und/oder einem vorbestimmten Fehlermodus zu erhöhen, eine Feedforward-Regelung (36) zur Vorhersage vorbestimmter Betriebsbedingungen des Motors (44) in Ansprechen auf vorbestimmte Lasten, wobei die Feedforward-Regelung (36) ein drittes Luftstromsignal erzeugt, eine Voreinstellungskorrektureinheit (38) für Luftstrom zur Lieferung eines vierten Luftstromsignals basierend auf einer Luftmassenstromdifferenz zwischen dem angewiesenen Luftmassenstrom und einem gemessenen Luftmassenstrom, ein Logikmittel (40) für einen Abfall in der Drosselung, das mit der Voreinstellungskorrektureinheit (38) verbunden ist, um ein Signal bezüglich eines Abfalls in der Drosselung basierend auf Drosselinformation und die Luftmassenstromdifferenz zu erzeugen, einen Wandler (34), der mit der Luftmassenstromregelung verbunden ist, um das Luftmassenstromsignal in eine Drosselstellung und eine geschätzte Voreinstellung der Regelung umzuwandeln, und eine Zündregelung (42) zur Erzeugung eines Basisleerlaufzündzeitpunkts für Getriebebetriebsbedingungen im Neutral- und Fahrtzustand und zur Zündzeitpunktkorrektur basierend auf einem Motordrehzahlfehler, wobei das Luftstromsignal basierend auf dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Luftstromsignal gebildet wird.
Verfahren zur Bildung einer lastkompensierten Drehzahlregelung eines Verbrennungsmotors (44), wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß: ein vorbestimmtes Drehmomentmodell für den Verbrennungsmotor (44) über auf Dynamometern basierenden Kalibrierungen bereitgestellt wird, Druckverhältnisse von Ansaugluftdrücken in verschiedenen Höhen in Bezug auf einen normierten Ansaugluftdruck erzeugt werden, mittels des Drehmomentmodells ein erforderliches Drehmoment des Verbrennungsmotors (44) innerhalb vorbestimmter oberer und unterer Drehmomentgrenzen basierend auf einem Ansaugluftdruck, einer gewählten Zündzeitpunktverstellung, einem Druckverhältnis und einer Motordrehzahl bestimmt wird, ein erforderlicher Luftmassenstrom innerhalb vorbestimmter oberer und unterer Luftmassenstromgrenzen basierend auf einer Referenzmotordrehzahl, dem erforderlichen Drehmoment und einem barometrischen Druck bestimmt wird, ein dem erforderlichen Luftmassenstrom entsprechendes erstes Luftstromsignal erzeugt wird, ein zweites Luftstromsignal basierend auf vorbestimmten Motordrehzahldaten erzeugt wird, und ein Luftmassenstromsignal basierend auf zumindest dem ersten und dem zweiten Luftstromsignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner mit den Schritten, daß ein drittes Luftstromsignal basierend auf einer Vorhersage vorbestimmter Betriebsbedingungen des Motors (44) unter vorbestimmten Lasten erzeugt wird, und ein viertes Luftstromsignal basierend auf einer Luftmassenstromdifferenz zwischen dem Luftmassenstrom und einem gemessenen Luftmassenstrom erzeugt wird, wobei das Luftstromsignal basierend auf dem ersten, dem zweiten, dem dritten und dem vierten Luftstromsignal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt zur Erzeugung eines Basisleerlaufzündzeitpunkts für Getriebebetriebsbedingungen im Neutral- und Fahrtzustand und zur Zündzeitpunktkorrektur in Ansprechen auf einen Motordrehzahlfehler.