Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betreiben eines Antriebsmotors eines Fahrzeugs.
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Zum Betreiben von Antriebsmotoren für Fahrzeuge werden
elektronische Steuersysteme eingesetzt, mit deren Hilfe der oder
die einstellbaren Leistungsparameter des Antriebsmotors
abhängig von Eingangsgrößen festgelegt werden. Einige dieser
elektronischen Steuersysteme arbeiten auf der Basis einer
Drehmomentenstruktur, d. h. vom Fahrer und ggf. von anderen
Steuersystemen, wie Fahrgeschwindigkeitsregler,
elektronische Stabilitätsprogramme, Getriebesteuerungen, etc. werden
als Sollwerte für das Steuersystem Drehmomentenwerte
vorgegeben, die von dem Steuersystem unter Berücksichtigung
weiterer Betriebsgrößen in Einstellgrößen für den oder die
Leistungsparameter des Antriebsmotors umgesetzt werden. Ein
Beispiel für eine solche Drehmomentenstruktur ist aus der DE 42 39 711 A1
(US-Patent 5 558 178) bekannt.
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Wie beispielsweise in diesem Stand der Technik beschrieben,
wirken die externen Eingriffe drehmomentenreduzierend. Im
Extremfall kann ein solcher externer Eingriff die Drehzahl
des Antriebsmotors soweit reduzieren, dass der Antriebsmotor
abgewürgt wird. Ein Beispiel für eine Lösung, die ein
solches Abwürgen verhindert, gibt die DE 197 39 567 A1. Dort
wird das Ausgangssignal des Leerlaufreglers direkt auf das
als indiziertes Motormoment vorgegebene Fahrerwunschmoment
aufgeschaltet, wobei das Fahrerwunschmoment zusätzlich die
Verlustmomente aus innerer Motorreibung und Bedarfsmomenten
der Nebenaggregate enthält. Das Fahrerwunschmoment kann auf
diese Weise nicht kleiner Null sein. Erfolgt eine
Momentenreduktion seitens anderer Steuersysteme (z. B. Getriebe,
Stabilitätsregelung), so wird ein Abwürgen des Motors
vermieden, weil dieser externe Eingriff in der nachfolgenden
Verknüpfung der Sollmomente (Momentenkoordination) wegen des
hohen Fahrerwunschmoments keinen Durchgriff mehr findet. An
seiner Stelle kommt das mit Verlustmoment und
Leerlaufregleranteil erhöhte Fahrerwunschmoment zum Tragen. Diese Lösung
ist spezifisch an die Gegebenheiten bei der Steuerung eines
Ottomotors angepasst und lässt sich weder auf andere
Antriebstypen noch auf andere Momentenstrukturen,
beispielsweise auf Strukturen, die den Fahrerwunsch auf
Radmomentenebene bilden, in einfacher Weise abbilden.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Vorgabe eines Motorminimalmoments, welches im
Rahmen der Momentenkoordination berücksichtigt wird, lässt sich
eine gemeinsame (identische) Grundstruktur zur Koordination
von momentenbeeinflussenden Eingriffen für verschiedene
Antriebstypen, beispielsweise für Ottomotoren, Dieselmotoren
oder auch Elektromotoren, angeben.
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In vorteilhafter Weise wird der Leerlaufregler in einer
solchen gemeinsamen Grundstruktur als Aufschaltung auf das in
der Koordination gebildete resultierende Sollmoment
ausgestaltet, wobei verschiedene Leerlaufreglerkonzepte integrierbar
sind. So ist beispielsweise ein für einen Ottomotor
typisches Leerlaufreglerkonzept, welches eine Vorsteuerung,
eine begrenzte Stellzeitdynamik und eine begrenzten
Stellbereich aufweist, ebenso integrierbar, wie ein
Leerlaufreglerkonzept bei einem Dieselmotor ohne Vorsteuerung, mit kurzer
Stellzeit und unbegrenztem Stellbereich.
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In besonders vorteilhafter Weise ist das Minimalmoment, auf
welches das resultierende Sollmoment begrenzt ist,
drehzahlabhängig. Dadurch wird ein Aufsetzpunkt des
aufgeschalteten Leerlaufreglermoments vorgegeben, der berücksichtigt,
ob im jeweiligen drehzahlabhängigen Betriebspunkt der
Leerlaufregler Priorität vor den anderen Eingriffen hat oder
nicht. So hat im unteren Drehzahlbereich der Leerlaufregler
immer Durchgriff, so dass bei aktiven externen Eingriffen
dadurch Abwürgen vermieden wird.
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In besonders vorteilhafter Weise wird das resultierende
Sollmoment, welches in der Momentenkoordination gebildet
wird, auf einen definierten unteren Wert begrenzt, der dem
entspricht, der im aktuellen Betriebspunkt ohne Abwürgen
realisierbar ist. Wird das Minimalmoment so gewählt, dass es
dem Fahrerwunsch auf Radmomentenebene bei losgelassenem
Pedal und der aktuellen Drehzahl entspricht, wird zudem in
vorteilhafter Weise ein Leerweg im Pedal vermieden.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen
Patentansprüchen.
Zeichnung
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1
zeigt dabei ein Übersichtsbild einer Steuereinrichtung zum
Betreiben eines Antriebsmotors, während in Fig. 2 anhand
eines Ablaufdiagramms eine bevorzugte Ausführung einer
Momentenstruktur in Verbindung mit der Steuerung eines
Antriebsmotors dargestellt ist, sofern sie mit Blick auf die
geschilderte Vorgehensweise von Belang ist. Fig. 3 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Bildung des
Motorminimalmomentenwertes.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung
zur Steuerung eines Antriebsmotors, insbesondere einer
Brennkraftmaschine. Es ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen,
welche als Komponenten eine Eingangsschaltung 14, wenigstens
eine Rechnereinheit 16 und eine Ausgangsschaltung 18
aufweist. Ein Kommunikationssystem 20 verbindet diese
Komponenten zum gegenseitigen Datenaustausch. Der Eingangsschaltung
14 der Steuereinheit 10 werden Eingangsleitungen 22 bis 26
zugeführt, welche in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
als Bussystem ausgeführt sind und über die der Steuereinheit
10 Signale zugeführt werden, welche zur Steuerung des
Antriebsmotors auszuwertende Betriebsgrößen repräsentieren.
Diese Signale werden von Messeinrichtungen 28 bis 32
erfasst. Derartige Betriebsgrößen sind im Beispiel einer
Brennkraftmaschine Fahrpedalstellung, Motordrehzahl,
Motorlast, Abgaszusammensetzung, Motortemperatur, etc. Über die
Ausgangsschaltung 18 steuert die Steuereinheit 10 die
Leistung des Antriebsmotors. Dies ist in Fig. 1 anhand der
Ausgangsleitungen 34, 36 und 38 symbolisiert, über welche
die einzuspritzende Kraftstoffmasse, der Zündwinkel sowie
wenigstens eine elektrisch betätigbare Drosselklappe zur
Einstellung der Luftzufuhr betätigt werden. Über die
dargestellten Stellpfade werden die Luftzufuhr zur
Brennkraftmaschine, der Zündwinkel der einzelnen Zylinder, die
einzuspritzende Kraftstoffmasse, der Einspritzzeitpunkt und/oder
das Luft-/Kraftstoffverhältnis, etc. eingestellt. Neben den
geschilderten Eingangsgrößen sind weitere Steuersysteme des
Fahrzeugs vorgesehen, die der Eingangsschaltung 14
Vorgabegrößen, beispielsweise Drehmomentensollwerte, übermitteln.
Derartige Steuersysteme sind beispielsweise
Antriebsschlupfregelungen, Fahrdynamikregelungen, Getriebesteuerungen,
Motorschleppmomentenregelungen, Geschwindigkeitsregler,
Geschwindigkeitsbegrenzer, etc.. Neben diesen externen
Sollwertvorgaben, zu denen auch eine Sollwertvorgabe durch den
Fahrer in Form eines Fahrwunsches bzw. eine
Maximalgeschwindigkeitsbegrenzung gehören können, sind interne
Vorgabengrößen für den Antriebsmotor vorgesehen, z. B. das
Ausgangssignal einer Leerlaufregelung, einer Drehzahlbegrenzung,
einer Drehmomentenbegrenzung, etc..
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In der Momentenkoordination werden die verschiedenen
Momentenvorgabewerte, wie Fahrerwunschmoment, Sollmoment eines
Stabilitätsreglers, Sollmoment einer Getriebesteuerung,
sowie ggf. interne Sollmomente etc. miteinander koordiniert
und ein resultierendes Sollmoment ausgewählt. Leerlaufregler
und Verlustmoment werden dann durch Aufschalten auf das aus
der Koordination resultierende Sollmoment berücksichtigt.
Das Verlustmoment kann dabei je nach Reglerkonzept bei
aktivem Leerlaufregler im Sollmoment bzw. Änderungsmoment des
Leerlaufreglers enthalten sein oder wird auch bei aktivem
Leerlaufregler als eigene Additionsgröße hinzugefügt.
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Wie oben dargestellt wird insbesondere im unteren
Drehzahlbereich, in dem der sicher Leerlaufbetrieb bzw. das
Vermeiden des Abwürgens von großer Bedeutung ist, das
resultierende Sollmoment nach unten durch ein Motorminimalmoment, das
bevorzugt ein Kupplungsmoment am Motorausgang ist und in
diesem Drehzahlbereich Null ist, begrenzt. So gilt auch bei
externen Eingriffen der gleiche Aufsetzpunkt für den
Leerlaufregler und/oder die Aufschaltung der Verlustmomente, wie
er bei einem fehlenden Fahrerwunsch (losgelassenes Pedal)
auftritt. Dies auch dann, wenn der externe Eingriff ein
Sollmoment anfordert, welches kleiner als das Verlustmoment
und/oder die Leerlaufkorrektur ist. Dies hat den Vorteil,
dass Verluste vollständig kompensiert werden können und der
Leerlaufregler Priorität vor anderen Eingriffen hat, so dass
wirksam Abwürgen vermieden wird.
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Im oberen Drehzahlbetrieb ist Schubbetrieb, das heisst es
ist eine Teilkompensation der Verluste und eine
Einspritzausblendung zulässig. In diesem Fall benötigt der
Leerlaufregler keinen Durchgriff bzw. ist inaktiv. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das minimale Motormoment
der Verlustmomentenanteil, der im Schub nicht kompensiert
werden muss. Kleiner als das negative, gesamte Verlustmoment
kann die Momentenbegrenzung nicht werden. Falls in diesem
Bereich das Minimalmoment gefordert wird, wird durch die
Aufschaltung des gesamten Verlustmomentes erreicht, das
Verluste nur teilweise oder nicht kompensiert werden. Um einen
Leerweg zu vermeiden, entspricht das Minimalmoment
vorzugsweise dem Moment, das als Fahrerwunschmoment (Radmoment oder
Getriebeausgangsmoment) bei losgelassenem Pedal und ggf. der
aktuellen Drehzahl berechnet wird.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ablaufdiagramm beschreibt ein
Programm eines Mikrocomputers der Steuereinheit 10, wobei
die einzelnen Blöcke Programme, Programmteile oder
Programmschritte darstellen, während die Verbindungslinien den
Signalfluss repräsentieren. Dabei kann der erste Teil bis zu
der senkrechten, strichlierten Linie in einer getrennten
Steuereinheit, dort ebenfalls in einem Mikrocomputer,
ablaufen als der Teil nach dieser Linie.
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Zunächst werden Signale zugeführt, welche der
Fahrzeuggeschwindigkeit VFZG sowie der Fahrpedalstellung PWG entsprechen.
Diese Größen werden in einem Kennfeld 100 in einen
Momentenwunsch des Fahrers umgesetzt. Dieses
Fahrerwunschmoment, welches eine Vorgabegröße für ein Moment
ausgangsseitig des Getriebes bzw. für ein Radmoment darstellt, wird
einer Korrekturstufe 102 zugeführt. Diese Korrektur ist
vorzugsweise eine Addition bzw. Subtraktion. Das
Fahrerwunschmoment wird dabei durch ein gewichtetes Verlustmoment
MKORR korrigiert, welches in der Verknüpfungsstelle 104
gebildet wurde. In dieser wird das zugeführte, mittels der
Übersetzung Ü des Triebstrang sowie ggf. weiterer
Übersetzungen im Antriebsstrang abtriebsseitig des Getriebes auf
ein Moment nach dem Getriebe, vorzugsweise ein Radmoment
umgerechnete Verlustmoment MVER mit einem Faktor F3 gewichtet.
Die Gewichtung erfolgt vorzugsweise als Multiplikation. Der
Faktor F3 wird aus der die Fahrpedalstellung
repräsentierenden Größe und in einem Ausführungsbeispiel einer die
Motordrehzahl repräsentierenden Größe gebildet oder ist allein
abhängig von der Fahrpedalstellung.
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Der auf diese Weise Fahrerwunsch MFA wird der
Momentenkoordination zur Bildung eines resultierenden Vorgabemoments
MSOLLRES zugeführt. Im gezeigten Beispiel wird in einer
ersten Maximalwertauswahlstufe 108 der Maximalwert aus
Fahrerwunschmoment MFA und Vorgabemoment MFGR eines
Fahrgeschwindigkeitsreglers ausgewählt. Dieser Maximalwert wird einer
darauffolgenden Minimalwertstufe 110 zugeführt, in der der
kleinere Wert aus diesem Wert und dem Sollmomentenwert MESP
eines elektronischen Stabilitätsprogramms ausgewählt wird.
Die Ausgangsgröße der Minimalwertstufe 110 stellt eine
Momentengröße ausgangsseitig des Getriebes bzw. eine
Radmomentengröße dar, die durch Berücksichtigung der
Getriebeübersetzung Ü sowie ggf. weitere Übersetzungen im Antriebsstrang
abtriebsseitig des Getriebes in eine Momentengröße
umgerechnet wird, welche getriebeeingangsseitig bzw. ausgangsseitig
des Antriebsmotors vorliegt. Diese Momentengröße wird in einem
weiteren Koordinator 112 mit dem Sollmoment MGETR einer
Getriebesteuerung koordiniert. Das Sollmoment der
Getriebesteuerung wird nach den Bedürfnissen des Schaltvorgangs
gebildet. In der darauffolgenden Maximalwertauswahlstufe 114
wird dann das resultierende Sollmoment MSOLLRES als der
größere der Momentenwerte Motorminimalmoment MMIN und dem
Ausgangsmoment der Koordinationsstufe 112 gebildet.
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Diese Momentenkoordination ist beispielhaft. In anderen
Ausführungen wird das eine oder andere Vorgabemoment nicht zur
Koordination herangezogen bzw. sind weitere Vorgabemomente
vorgesehen, beispielsweise ein Moment einer
Maximalgeschwindigkeitsbegrenzung, einer Motordrehzahlbegrenzung, einer
Drehmomentenbegrenzung, etc.
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Das auf die oben beschriebene Weise gebildete resultierende
Sollmoment MSOLLRES wird einer Korrekturstufe 116 zugeführt,
in der das Sollmoment mit den vom Motor aufzubringenden,
nicht dem Antrieb zur Verfügung stehenden Verlustmomenten
korrigiert wird. Die Verlustmomente MVER werden dabei ggf.
in einer Gewichtungsstufe 118 mit einem Faktor F2 gewichtet.
Dieser ist konstant oder betriebsgrößenabhängig, z. B.
motordrehzahlabhängig. Die Verlustmomente MVER selbst werden
in der Additionsstufe 120 aus dem Momentenbedarf MNA von
Nebenaggregaten und dem Motorverlustmoment MVERL gebildet. Die
Bestimmung dieser Größen ist aus dem Stand der Technik
bekannt, wobei der Momentenbedarf abhängig vom Betriebsstatus
des jeweiligen Nebenaggregats nach Maßgabe von Kennlinien
oder ähnlichem, die Motorverlustmomente abhängig von
Motordrehzahl und Motortemperatur nach Maßgabe von Kennlinien
bestimmt wird. Das auf diese Weise gebildete Verlustmoment
MVER wird dann der Korrekturstufe 104 zur Verfügung
gestellt, wobei eine Umrechnung des Verlustmoments mit Hilfe
der bekannten Getriebeübersetzung Ü sowie ggf. weitere Übersetzungen
im Antriebsstrang abtriebsseitig des Getriebes auf
die Ebene der getriebeausgangs- bzw. Radmomente erfolgt.
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Die Ausgangsgröße der Korrekturstufe 116, die im bevorzugten
Ausführungsbeispiel eine Addition darstellt, ist eine
Vorgabegröße für das von der Antriebseinheit zu erzeugende
Drehmoment für den Antrieb (indiziertes Motormoment), für
die Überwindung der inneren Verluste und zum Betrieb von
Nebenaggregaten (z. B. Klimakompressor). Dieses Vorgabemoment
wird in einer weiteren Korrekturstufe 122 mit dem in einer
Korrekturstufe 124 gewichteten Ausgangsgröße DMLLR des
Leerlaufreglers korrigiert (vorzugsweise addiert). Der
Gewichtungsfaktor F1, mit dem in 124 die Ausgangsgröße des
Leerlaufreglers gewichtet wird, ist dabei drehzahl- und/oder
zeitabhängig, wobei bei Verlassen des Leerlaufbereichs der
Faktor zeitlich oder mit zunehmender Motordrehzahl auf Null
abnimmt. Die Vorgabegröße MISOLL wird dann in 126 wie aus
dem Stand der Technik bekannt in Stellgrößen zur Einstellung
der Leistungsparameter der Antriebseinheit umgesetzt, im
Falle einer Ottobrennkraftmaschine in Luftzufuhr,
Kraftstoffeinspritzung und Zündwinkel, im Falle einer
Dieselbrennkraftmaschine in Kraftstoffmenge, etc.
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Die beschriebene Vorgehensweise wurde vorstehend in
Verbindung mit der Anwendung bei Brennkraftmaschinen gezeigt. In
analoger Weise wird sie auch bei Elektromotoren angewendet,
wobei das indizierte Moment dort das vom Antriebsmotor
aufzubringende Moment für den Antrieb, den Betrieb von
Nebenaggregaten und die Überwindung der inneren Reibung ist.
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In der Maximalwertauswahlstufe 114 wird der größere der
zugeführten Werte, nämlich der Sollmomentenwert, der in 112
gebildet wird und das Motorminimalmoment MMIN, als
resultierendes Sollmoment ausgewählt. Ein Eingriff, der ein Moment
vorgibt, welches kleiner als das Motorminimalmoment ist, hat
somit keine Wirkung bzw. seine Wirkung beschränkt sich auf
das Motorminimalmoment. Im Leerlaufregelbereich, in dem eine
Aufschaltung des Fahrerverzögerungswunsches auf den
Fahrerwunsch in 102 nicht stattfindet, ist das Motorminimalmoment
vorzugsweise Null, so dass auf diesen, dem Fahrerwunsch
entsprechenden Momentenwert in 116 und 122 Verlustmomente und
Leerlaufreglermomente ungehindert aufgeschaltet werden. Im
Schub wird dagegen das Verlustmoment, welches in 116 auf das
resultierende Sollmoment aufgeschaltet wird, durch
Aufschaltung in 102 auf den Fahrerwunsch je nach Betriebszustand
teilweise oder ganz kompensiert. In diesem Fall kann als
Motorminimalmoment der negative Verlustmomentenwert vorgegeben
werden, so dass im Nachfolgenden in 116 der positive
Verlustmomentenwert aufgeschaltet wird. Es wird somit ein
Sollmoment eingestellt, welches infolge des
Leerlaufregleranteils Abwürgen vermeidet bzw. die Bereitstellung des vollen
Schleppmoments (z. B. durch Einspritzausblendung) erlaubt.
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Die Bestimmung des Motorminimalmoments findet in 128
vorzugsweise abhängig von Motordrehzahl NMOT und Verlustmoment
MVER statt. Dabei bestehen verschiedene Alternativen.
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Eine bevorzugte Alternative ist in Fig. 3 dargestellt. Dort
ist zunächst eine Kennlinie 130 dargestellt, in welcher ein
sich zwischen 0 und -1 bewegender Faktor F4 in Abhängigkeit
der Motordrehzahl dargestellt ist. Bis zur Leerlaufdrehzahl
NLL ist der Faktor 0. Ab der Wiedereinsetzdrehzahl bzw. der
Einspritzausblendungsdrehzahl im Schub NWE ist der Faktor
-1. Zwischen diesen beiden Werten ist eine Kennlinie
vorgegeben, im gezeigten Ausführungsbeispiel eine lineare
Kennlinie, wobei sich der Faktor F4 von 0 bis -1 verändert. Der
auf diese Weise abhängig von der Motordrehzahl NMOT
gebildete Faktor F4 wird dann in einer Verknüpfungsstelle 132 mit
dem Verlustmoment MVER, welches in 120 gebildet ist,
verknüpft, vorzugsweise multipliziert. Ergebnis ist das Motorminimalmoment
NMIN, welches in der Momentenkoordination
berücksichtigt wird. Somit ist bei kleinen Drehzahlen
unterhalb der Leerlaufdrehzahl der Faktor F4 Null, so dass als
Minimalmoment das Moment Null vorgegeben ist. Im
Schubbereich ist der Faktor -1, so dass als Minimalmoment das volle
negative Verlustmoment vorgegeben wird. Dazwischen ist das
Minimalmoment ein Bruchteil des Verlustmomentes, so dass bei
der Vorgabe eines solchen Minimalmoments durch die
nachfolgende Aufschaltung des Verlustmoments bei Vorgabe des
Minimalmoments als resultierendes Moment eine teilweise
Kompensation des negativen Verlustmoments stattfindet.
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Eine Alternative zu der in Fig. 3 dargestellte
Vorgehensweise besteht darin, dass die veränderliche Leerlaufdrehzahl
und Schubausblendungsdrehzahl bei der Bestimmung des Faktors
berücksichtigt wird. In diesem Fall wird keine Kennlinie,
sondern eine Berechnung des Faktors vorgenommen, in die die
aktuelle Leerlaufdrehzahl und die aktuell ausgewählte
Schubausblendungsdrezahl eingesetzt wird.
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Eine weitere Alternative besteht in der der Verwendung der
für den Fahrerwunsch vorliegenden, drehzahlabhängigen
unteren Grenze, welche als Korrekturmoment in 102 dem
Fahrerwunsch aufgeschaltet wird. Dieses ist im bevorzugten
Ausführungsbeispiel drehzahl- und pedalstellungsabhängig und
repräsentiert den Momentenwert, der sich bei losgelassenem
Pedal ergeben soll. Wird dieser Momentenwert als
Motorminimalwert eingesetzt, werden Leerwege am Pedal vermieden, da das
resultierende Moment nicht kleiner als das Korrekturmoment
werden kann.
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Desweiteren wird in einem Ausführungsbeispiel zur Bestimmung
des Faktors F4 nicht die Motordrehzahl, sondern eine, z. B.
auf die Leerlaufsolldrehzahl, normierte Größe verwendet.
Dies ist vorteilhaft beim Einsatz einer betriebszustandsabhängigen
(normierten) Drehzahlschwelle für den Abwürgeschutz
bzw. die Leerlaufregelung, deren Aktivieren bei
Unterschreiten dieser Drehzahlschwelle durch die (normierte)
Motordrehzahl erfolgt.
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In Fig. 2 ist die Berücksichtigung des Motorminimalmoments
in der Momentenkoordination am Ende der Koordination als
Maximalwertauswahlstufe dargestellt. In einem anderen
vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird alternativ hierzu vor jedem
Koordinationsblock (108, 110, 112) das jeweilige Sollmoment
einzeln mit dem Minimalmoment im Rahmen einer
Maximalwertauswahl koordiniert, so dass bereits zur Koordination und
zur Bildung des resultierenden Sollmoments begrenzte Momente
vorliegen.
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In anderen Ausführungsbeispielen wird das Minimalmoment MMIN
als Absolutbetrag unabhängig vom Verlustmoment vorgegeben.
In diesem Fall ist die Minimalbegrenzung im Betriebszustand
"Schub" (inneres Moment Null) nicht wirksam.