DE102004029097A1 - Modellgeführte Drehmomentsteuerung - Google Patents

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Abstract

Drehmomentsteuersystem für ein Fahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor, eine mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte elektronische Drosselklappe, eine Antriebsstrangsteuerung, welche die elektronische Drosselklappe steuert, eine erste Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine Vorwärtskopplungsfunktion zum Regeln des Motordrehmoments aufweist, eine zweite Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine proportionale Funktion einschließt, welche auf die Drehmomentabweichung in den Verbrennungsmotor einwirkt, eine dritte Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine integrale Funktion aufweist, welche auf die Drehzahlabweichung in dem Verbrennungsmotor einwirkt, und wobei die Ausgangswerte der ersten, zweiten und dritten Steuerschleife verwendet werden, um einen Soll-Luftmassenstrom für den Motor zu berechnen und der Soll-Luftmassenstrom verwendet wird, um einen Stellungsbefehl für die elektronische Drosselklappe zu erzeugen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugsteuersystem. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs.
  • Derzeit wird die Steuerung von Geschwindigkeit und Drehmoment (Antriebskraft) für viele verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren von einer Drosselklappensteuerung zur Verfügung gestellt. Eine Drosselklappe ist eine Steuervorrichtung, welche mit einem Einlasskrümmer in einem Motor gekoppelt ist, um den Luftfluss durch den Motor zu steuern. Ein Verbrennungsmotor kann als eine Luftpumpe beschrieben werden, bei der sich bei jeder Drehzahl die Massenstromrate von Luft in den Verbrennungsmotor direkt mit der Drosselklappenstellung ändert. Wenn ein Fahrer ein Gaspedal in einem Fahrzeug niederdrückt, bewegt sich die Drosselklappe, um einen größeren Luftzufluss in den Verbrennungsmotor und daher eine größere Antriebskraft zu ermöglichen. Eine Steuerung reguliert die Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von dem Luftstrom. Typischerweise wird die Luft/Kraftstoffmischung stöchiometrisch gesteuert.
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Drehmoments eines Verbrennungsmotors unter Verwendung einer elektronischen Drosselsteuerung (ETC). Die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, in ein abgestimmtes Drehmomentsteuersystem (CTC) integriert zu werden, um die Modularität, die Robustheit und die Leistung einer Motorsteuerung zu verbessern.
  • Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine Reihe von Softwaresteuermodulen, welche in einer Motor- oder Antriebsstrangsteuerung enthalten sind, obwohl andere Fahrzeugsteuerungen ebenfalls in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Die Softwaresteuermodule steuern direkt oder indirekt die Position einer elektronischen Drosselklappe, um die Genauigkeit der Drehmomentsteuerung für nicht-stationäre und stationäre Zustandsbedingungen zu verbessern, um den Einfluss der Unterschiede von einem Motor zum anderen auf die Leistung des Systems zu reduzieren und um die Kalibrierungszeit zu verringern. Die vorliegende Erfindung ist in der Lage, den Motorzustand und das Drehmoment unter sich verändernden Bedingungen genau abzuschätzen.
    •
  • 1 ist eine schematische Darstellung, welche die Drosselklappensteuerung eines Verbrennungsmotors illustriert.
  • 2 ist ein Steuer-Schaubild, welches die Architektur auf höchster Ebene der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • 1 ist eine schematische Darstellung, welche die Drosselklappensteuerung eines Verbrennungsmotors 10 illustriert. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlasskrümmer 12 und eine elektronisch gesteuerte Drosselklappe 14 auf. Eine elektronische Drosselklappensteuerung (ETC) 15 steuert die Position der Drosselklappe 14. Eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 16 stellen Kraftstoff zur Verfügung, welcher mit von dem Einlasskrümmer 12 einströmender Luft gemischt wird. Im Allgemeinen wird die Luft/Kraftstoffmischung stöchiometrisch gesteuert. Die elektronische Drosselklappe 14 kann beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Elektromotoren oder Antriebseinrichtungen verwenden, einschließlich, aber nicht ausschließlich, Gleichstrommotoren, Wechselstrommotoren, bürstenlose Motoren mit Permanentmagneten und Reluktanzmotoren. Die ETC-Steuerung weist Antriebselektronik zur Modulierung der elektronischen Drosselklappe und elektronische Bauteile zum Empfang eines Stellungs- und Geschwindigkeitseingangssignals von der Drosselklappe 14 auf. Die ETC-Steuerung 15 umfasst des weiteren Kommunikationselektronik wie einen seriellen Anschluss oder eine Schnittstelle für ein Automobilkommunikationsnetzwerk, um mit einer Antriebsstrangsteuerung und einer Übertragungssteuerung zu kommunizieren. Die Antriebsstrangsteuerung wird eine Drosselklappenstellungs-/Flächenvariable an die Steuerung 15 übertragen. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Steuerung 15, die Antriebsstrangsteuerung und die Übertragungssteuerung komplett in eine Steuervorrichtung integriert sein.
  • 2 ist ein Diagramm von der Softwarearchitektur oder Struktur der vorliegenden Erfindung auf höchster Ebene. Inverse Modelle des Solldrehmoments oder des Sollwerts der Luftmasse-pro-Zylinder und der Drosselklappenstellung werden verwendet, um die Soll-Zylinderluftstromrate, den Luftmasse-pro-Zylinder-Sollwert und die Soll-Drosselklappenstellung auf Grundlage einer Motordrehmomentanfrage zu erzeugen. Das Steuersystem umfasst drei grundlegende Rückkopplungsregelkreise und eine Steuerkettenroutine, welche die Soll-Zylinderluftstromrate beeinflussen. Der erste Regelkreis (C1) liefert eine Fehlerkorrektur zwischen einem Referenzwert und einem geschätzten Wert für das Drehmoment. Der zweite Regelkreis (C2) verändert die Zylinderluftstromrate dementsprechend. Die Kalibrierung von C1 und C2 wird so vorgenommen, dass periodisches Durchlaufen und Konflikte zwischen den Regelkreisen C1 und C2 vermieden werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird C1 zur Minimierung dynamischer Fehler kalibriert und C2 wird unter stationären Zustandsbedingungen betrieben. Der dritte Regelkreis (C3) liefert eine Korrektur der Soll-Zylinderluftstromrate unter ver gleichsweise schnell auftretenden nicht-stationären Bedingungen. Das Verhältnis von Soll-Zylinderluftstromrate und geschätzter Zylinderluftstromrate wird verwendet, um die Soll-Luftstromraten zu modifizieren. Die Verwendung von C3 ermöglicht es der vorliegenden Erfindung, die Motorenergie zu nutzbar zu machen, sobald sie verfügbar ist.
  • Wie in 2 dargestellt, wird ein Drehmomentreferenzwert von einem Benutzer des Fahrzeugs erzeugt. Der Drehmomentreferenzwert dient als Eingangswert zu dem, was als Luftstromsteueretappe 20 beschrieben werden soll. Der Drehmomentreferenzwert wird vom Block 22 verarbeitet, wo er in ein inverses Modell eines Drehmoments, welches einer Luftstromrate durch jeden Zylinder entspricht, umgewandelt wird. Die Funktion kann beschrieben werden als: APCdes* = (Treqdes/(ηAf × η#)) – Tor – aR × R2 – aS × R × S – aS × R × S2 wobei: APCdes* der Luft-pro-Zylinder-Sollwert ohne Korrektur ist;
    Treqdes die Motordrehmomentanfrage ist;
    ηAf der Wirkungsgrad des Motordrehmoments in Bezug auf die Änderung des Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnisses ist;
    η# der Drehmomentwirkungsgrad zu Zylinderanzahl ist;
    TOT das zusätzliche Drehmoment ist, welches zum Überwinden der Reibung nötig ist, die durch die erniedrigte Motoröltemperatur hervorgerufen wird;
    aR die Empfindlichkeit des Drehmoments auf Drehzahl-Veränderung ist;
    R die Motordrehzahl ist;
    S die Frühzündung im Sinne eines Zündwinkels ist.
  • Der Ausgangswert APCdes* des Blocks 22 wird im Multiplikatorblock 26 mit Korrekturfaktoren von den Regelblöcken C1, C2 und C3 verarbeitet, um den Luft-pro-Zylinder-Sollwert APCdes zu erzeugen. APCdes = APCdes* × OC1 × OC2 × OC3 wobei: APCdes der Luft-pro-Zylinder-Sollwert mit Regelkorrektur ist;
    APCdes* der Luft-pro-Zylinder-Sollwert ohne Korrektur ist;
    OC1 der Ausgangswert der Regelung C1 des Blocks 44 ist;
    OC2 der Ausgangswert der Regelung C2 des Blocks 50 ist; und
    OC3 der Ausgangswert der Regelung C3 des Blocks 52 ist.
  • APCdes wird im Block 24 verarbeitet, um einen Soll-Luftmassenstrom MAFdes für den Verbrennungsmotor 10 zur Steuerung der elektronischen Drosselklappe 14 zu erzeugen. Der Befehl MAFdes wird von der folgenden Gleichung erzeugt: MAFdes = (MAFdes × R)/K wobei: APCdes der Luft-pro-Zylinder-Sollwert ist;
    R = Motordrehzahl; und
    K = mit der Zylinderanzahl in Beziehung stehende Konstante, beispielsweise für einen V8-Motor K = 15.
  • Der Befehl MAFdes ist der Eingangswert für den abschließenden Drosselklappenstellungsbefehl im Block 28 für den Verbrennungsmotor 10. Der Drosselklappenstellungsbefehl kann eine beliebige Kombination von Drosselklappenstellung, Fehler und Drehung sein. Der Ausgangswert des Blocks 28 wird von der folgenden Gleichung erzeugt: DrosselC = (MAFdes × √(RT)/(B × ϕ × (MAP/B)) wobei: DrosselC der Drosselbefehl an die elektronische Drosselklappe ist, der der Drosselklappenfläche entspricht;
    MAFdes der Befehl für die gewünschte MAF ist;
    R die universelle Gaskonstante ist;
    T die Umgebungslufttemperatur ist;
    B der Umgebungsdruck ist;
    ϕ der Luftdichte-Umrechungsfaktor ist; und
    MAP der Einlasskrümmerdruck im Verbrennungsmotor 10 ist.
  • Der Verbrennungsmotor 10 umfasst Sensoren 32 wie Geschwindigkeits-, Druck- und Temperatursensoren und Steuereinrichtungen 34, um den Verbrennungsmotor 10 zu überwachen und zu steuern. Ein Drehzahl-Schätzblock 36 erzeugt und schätzt das Motordrehmoment auf Grundlage des Einlassdrucks oder anderer Variablen. Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Schätzblock 38 erzeugt und schätzt das Luft/Kraftstoff-Verhältnis. Ein Verdünnungs-Schätzblock 40 erzeugt eine Verdünnungsschätzung auf Grundlage der Abgasrückführung oder der Ventilüberdeckung für einen Verbrennungsmotor, der mit einem Nockenphasensteller ausgestattet ist.
  • Das geschätzte Drehmoment geht als Eingangswert in einen Subtraktionsblock 42, in dem es von dem geschätzten Drehmomentreferenzwert abgezogen wird, um einen Fehlerausdruck zu erzeugen. Der Fehlerausdruck wird von der Regelschleife C1 im Block 44 verarbeitet, um ein Signal zur Kompensation des Drehmomentfehlers im Block 26 hervorzurufen. Der Regelkreis C1 ist, wie oben beschrieben, ein Proportional-Integral-Regelblock, welcher dafür konzipiert ist, eine angemessene Regelungsmaßnahme zur Kompensation des Fehlerausdrucks hervorzurufen.
  • Der Drehmomentreferenzwert ist des weiteren Eingangswert für einen Geschwindigkeitsreferenz-Berechnungsblock 46, welcher die geschätzte Verdünnung, das geschätzte Luft/Kraftstoff-Verhältnis, das geschätzte Drehmoment und die gemessene Drehzahl des Motors 10 kombiniert, um eine Solldrehzahl unter Verwendung folgender Gleichung zu erzeugen: RPMdes = ((Treqdes/(ηAf × η#)) – TOT – aAPC × R × APCmeas – aS × R × S – aS 2 × R × S2)/(aR × R) wobei: RPMdes die Solldrehzahl für den Verbrennungsmotor 10 ist;
    APCdes der Luft-pro-Zylinder-Sollwert ist; Treqdes das angeforderte Motordrehmoment ist;
    ηAf der Wirkungsgrad des Motordrehmoments in Bezug auf die Änderung des Luft-zu-Kraftstoff-Verhältnisses ist;
    η# der Wirkungsgrad des Drehmoments zur Zylinderanzahl ist;
    TOT das zusätzliche Drehmoment zur Überwindung der durch die erniedrigte Motorölternperatur verursachten Reibung ist;
    aR die Empfindlichkeit des Drehmoments auf Drehzahlveränderungen ist;
    R die Motordrehzahl ist;
    aAPC eine Konstante ist;
    aS eine Konstante ist;
    R die Motordrehzahl ist; und
    S die Frühzündung ist.
  • Die momentane Drehzahl wird von der Solldrehzahl im Subtraktionsblock 48 abgezogen, um einen Fehlerausdruck zu erzeugen. Der Fehlerausdruck wird von der Regelschleife C2 im Block 50 verarbeitet, um ein Signal zur Kompensierung des Drehzahlfehlers zu erzeugen, das in Block 26 verarbeitet wird. Der Regelblock C2 ist auch eine PI-Regelung, welche dafür ausgelegt ist, geeignete Steuermaßnahmen zu ergreifen, um diesen Fehler zu eliminieren. Ein Drehzahlfehler kann von Variationen von einem Motor zum anderen und von der Ungenauigkeit der geschätzten Werte für APC, AF und der Verdünnung verursacht sein. Die Regelschleife C3 im Block 52 erzeugt auf der Grundlage des Drehzahlreferenzwerts und der Motorgeschwindigkeit ein Signal, das ebenfalls im Block 26 verarbeitet wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung kann die Regelschleife C1 als proportionale Regelfunktion oder proportionale und integrale Funktion beschrieben werden, die Regelschleife C2 kann als proportionale und integrale Regelfunktion beschrieben werden und die Regelschleife C3 kann als die Vorwärtskopplungsfunktion beschrieben werden. Die Ausgangswerte dieser drei Regelschleifen C1, C2 und C3 werden mit dem Luft-pro-Zylinder-Sollwert kombiniert, um den Luft-pro-Zylinder-Sollwert für den Verbrennungsmotor 10 im Block 26 zu erzeugen.
  • Zusammengefasst umfasst ein Drehmomentsteuersystem für ein Fahrzeug einen Verbrennungsmotor, eine mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte elektronische Drosselklappe, eine Antriebsstrangsteuerung, welche die elektronische Drosselklappe steuert, eine erste Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine Vorwärtskopplungsfunktion zum Regeln des Motordrehmoments aufweist, eine zweite Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine proportionale Funktion einschließt, welche auf die Drehmomentabweichung in den Verbrennungsmotor einwirkt, eine dritte Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine integrale Funktion aufweist, welche auf die Drehzahlabweichung in dem Verbrennungsmotor einwirkt, wobei die Ausgangswerte der ersten, zweiten und dritten Steuerschleife verwendet werden, um einen Soll-Luftmassenstrom für den Motor zu berechnen und der Soll-Luftmassenstrom verwendet wird, um einen Stellungsbefehl für die elektronische Drosselklappe zu erzeugen.

Claims (7)

  1. Drehmomentsteuersystem für ein Fahrzeug, umfassend: einen Verbrennungsmotor; eine mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte elektronische Drosselklappe; eine Antriebsstrangsteuerung, welche die elektronische Drosselklappe steuert; eine erste Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine Vorwärtskopplungsfunktion zum Regeln des Motordrehmoments umfasst; eine zweite Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine proportionale Funktion aufweist, die auf die Drehmomentabweichung in dem Verbrennungsmotor wirkt; eine dritte Regelschleife, welche in der Antriebsstrangsteuerung betrieben wird und eine integrale Funktion umfasst, welche auf die Drehzahlabweichung in dem Verbrennungsmotor wirkt; und bei welchem die Ausgangswerte der ersten, zweiten und dritten Regelschleife verwendet werden, um einen Soll-Luftmassenstrom für den Motor zu berechnen, und der Soll-Luftmassenstrom verwendet wird, um einen Stellungsbefehl für die elektronische Drosselklappe zu erzeugen.
  2. Drehmomentsteuersystem nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor einen Geschwindigkeitssensor aufweist.
  3. Drehmomentsteuersystem nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsmotor einen Krümmerdrucksensor aufweist.
  4. Drehmomentsteuersystem nach Anspruch 1, wobei die Antriebsstrangsteuerung einen Drehmomentschätzblock aufweist.
  5. Drehmomentsteuersystem nach Anspruch 1, wobei die elektronische Drosselklappe mit der Antriebsstrangsteuerung über ein Automobilkommunikationsnetzwerk kommuniziert.
  6. Verfahren zum Steuern des Drehmoments eines Verbrennungsmotors, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer elektronischen Drosselklappe, um den Luftzufluss zu dem Verbrennungsmotor zu steuern; Erzeugen eines ersten Drosselklappenwerts aus einem Steuerkettenblock für einen Drehmomentreferenzwert auf der Grundlage des Solldrehmoments; Erzeugen eines zweiten Drosselklappenwerts auf der Grundlage des Drehmomentfehlers in dem Verbrennungsmotor; Erzeugen eines dritten Drosselklappenwerts auf der Grundlage des Drehzahlfehlers in dem Verbrennungsmotor; Kombinieren der ersten, zweiten und dritten Drosselklappenwerte, um als Resultat einen Soll-Luftmassenstrom für den Motor zu erhalten, der verwendet wird, um einen Drosselklappenbefehl für die elektronische Drosselklappe zu erzeugen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, umfassend den zusätzlichen Schritt, dass auf der Grundlage einer Vorwärtskopplung der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors ein vierter Drosselklappenwert erzeugt wird.
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