DE102005042221A1

DE102005042221A1 - Verfahren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE102005042221A1
Application number: DE102005042221A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dietzel; Walter Tschernutter; Peter Rose; Ulrich Dr. Burr; Bernd Walter
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches in Antriebssträngen (1) für Fahrzeuge (2), umfassend eine Antriebsmaschine (3) in Form einer Verbrennungskraftmaschine, welche über Übertragungselemente, umfassend ein wenigstens zwei Gangstufen umfassendes Getriebe, mit den anzutreibenden Rädern (5) koppelbar ist, bei welchem zumindest für den Betrieb mit Leistungsübertragung über die erste Gangstufe DOLLAR A - ein Grenzwert für eine maximal zulässige Beschleunigung a¶max-zulässig¶ vorgegeben wird und DOLLAR A - wenigstens ein Istwert einer die Beschleunigung a des Fahrzeuges (2) wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe ermittelt wird und der Istwert a¶ist¶ mit einem Grenzwert a¶max-zulässig¶ für eine maximal zulässige Beschleunigung verglichen wird und bei Überschreitung des Grenzwertes a¶max-zulässig¶ die Verbrennungskraftmaschine abgeregelt wird, so dass ein neuer Istwert a¶ist¶ der Beschleunigung des Fahrzeuges (2) eingestellt wird, der gleich oder kleiner dem Grenzwert a¶max-zulässig¶ ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches, im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Fahrzeugen wird ein Fahrerwunsch nach Einstellung und/oder Änderung eines Fahrzustandes durch die Ansteuerung der Antriebsmaschine und/oder der Übertragungselemente, insbesondere eines Wechsels der eingelegten Gangstufe eines Getriebes umgesetzt. Da die Antriebsstränge in der Regel derart ausgelegt und dimensioniert sind, dass auch häufig vorkommende Extremsituationen, beispielsweise Befahren einer Steigung mit voller Beladung des Fahrzeuges noch befriedigend Befahren werden können, werden in Teillastbereichen Antriebsleistungen, insbesondere Momente zur Verfügung gestellt, die Fahrzustände mit unerwünscht hoher Beschleunigung hervorrufen. Diese übermäßige Reaktion auf den Fahrerwunsch wird von Seiten des Fahrers häufig als unkomfortabel empfunden und bedingt zum Teil ein Gegensteuern durch den Fahrer. Ferner werden unnötig hohe Momente angefordert, die Betriebspunkten entsprechen, die durch einen hohen Kraftstoffverbrauch charakterisiert sind. Zur Vermeidung derartiger Betriebszustände ist es daher bekannt, verschiedene Fahrmodi anzubieten, die je nach vorgenommener Auswahl einen verbrauchsoptimierten oder leistungsoptimierten Betrieb ermöglichen. Ferner ist es bekannt, gerade im Anfahrbereich das abgebbare Moment zu begrenzen.

Die bekannten Lösungen bedingen jedoch einen hohen steuerungstechnischen Aufwand, da eine Vielzahl von Parametern zu erfassen und auszuwerten sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebsstranges eines Fahrzeuges derart zu entwickeln, dass die Einstellung unkomfortabler und verbrauchsintensiver Betriebsbereiche mit geringem steuerungstechnischen Aufwand vermieden werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches in Antriebssträngen für Fahrzeuge, umfassend eine Antriebsmaschine in Form einer Verbrennungskraftmaschine, welche über Übertragungselemente, umfassend ein wenigstens zwei Gangstufen umfassendes Getriebe mit den anzutreibenden Rädern koppelbar ist, ist dadurch charakterisiert, dass zumindest bei Leistungsübertragung in der ersten Gangstufe, vorzugsweise auch in den weiteren Gangstufen als Führungsgröße ein Grenzwert für eine maximal zulässige Beschleunigung a_{max-zulässig} vorgegeben und während des Betriebes wenigstens ein Istwert einer die Beschleunigung a des Fahrzeuges wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe ermittelt wird und der Istwert a_ist mit dem Grenzwert a_{max-zulässig} für die maximal zulässige Beschleunigung verglichen wird, wobei bei Überschreitung des Grenzwertes a_{max-zulässig} die Verbrennungskraftmaschine abgeregelt wird, so dass ein neuer Istwert a_ist der Beschleunigung des Fahrzeuges eingestellt wird, welcher gleich oder kleiner dem Grenzwert a_{max-zulässig} ist. Die Abregelung der Antriebsmaschine erfolgt dabei im einfachsten Fall durch Reduzierung des von der Antriebsmaschine abgebbaren Momentes. Die Abregelung der Verbrennungskraftmaschine besitzt Vorrang vor dem Fahrerwunsch nach Änderung eines Fahrzustandes, d.h. das eigentlich angeforderte Moment, welches zu einer größeren Beschleunigung führen würde, wird nicht eingestellt.

Die erfindungsgemäße Lösung geht dabei von einer Verringerung des Beschleunigungswiderstandes aus, der sich auf den Streckenverbrauch Be auswirkt.

mit

Be: Streckenverbrauch
0_G: Übertragungswirkungsgrad des Triebstranges
m: Wagenmasse
f: Rollwiderstandsbeiwert
g: Erdbeschleunigung
α: Steigungswinkel
ρ: Dichte der Luft
c_W: Luftwiderstandsbeiwert
A: Stirnfläche
v: Fahrgeschwindigkeit
a: Beschleunigung
B_r: Bremswiderstand
t: Zeit
be: spezifischer Kraftstoffverbrauch

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil der Verbesserung des Fahrkomforts und führt ferner durch die Reduzierung des von der Verbrennungskraftmaschine abgebbaren Momentes zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes der Verbrennungskraftmaschine in den verbrauchsgünstigeren Bereich. Der steuerungstechnische Aufwand kann dabei gering gehalten werden, da außer der Beschleunigung oder die diese charakterisierenden Größen keine weiteren fahrzeugbedingten Parameter (Beladung) oder auch nicht fahrzeugbedingten, die Beschleunigung jedoch beeinflussenden Parameter (Topographie) berücksichtigt werden müssen, wodurch eine aufwendige Erfassung und Auswertung dieser entfallen kann.

Der Istwert der Beschleunigung a_ist kann dabei direkt oder indirekt ermittelt werden. Im letzten Fall wird wenigstens eine, die Beschleunigung a_ist mittelbar charakterisierende Größe erfaßt und über funktionale Zusammenhänge aus dieser Größe der Istwert a_ist ermittelt bzw. berechnet. Die die Beschleunigung a_ist wenigstens mittelbar charakterisierende Größe kann dabei von einer der nachfolgend genannten Größen gebildet werden:

– Drehzahl der Antriebsmaschine;
– Drehzahl am Getriebeeingang;
– Drehzahl an den Rädern.

Die Ermittlung der Istwerte erfolgt vorzugsweise fortlaufend oder in kurzen Zeitintervallen.

Um die Zeitdauer einer möglichen Überschreitung des Grenzwertes für die Beschleunigung möglichst kurz zu halten, besitzt bei Überschreitung des Grenzwertes a_{max-zulässig} die Abregelung der Verbrennungskraftmschine Priorität vor der Einstellung eines Fahrerwunsches nach Änderung oder Einstellung eines Fahrzustandes, wobei die sich aus dem Fahrerwunsch ergebende Stellgröße Y zur Ansteuerung eines Stellgliedes der Verbrennungskraftmaschine durch eine sich aus der Abweichung des Istwertes der Beschleunigung vom Grenzwert a_{max-zulässig} zu bildende Stellgröße Ya neu gesetzt wird.

Die neu zu bildende Stellgröße Ya kann dabei ausgehend von der sich aus dem Fahrerwunsch ergebenden und bereits wirksamen Stellgröße Y durch stufenweise oder stufenlose Änderung dieser gebildet werden oder aber berechnet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Änderung des bei der Abregelung von der Verbrennungskraftmaschine abgebbaren Momentes überwacht. Dazu wird ein Grenzwert für ein nicht zu unterschreitendes von der Verbrennungskraftmaschine abgebbares Moment vorgegeben und der Istwert einer das von der Verbrennungskraftmaschine abgebbare Moment wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe erfasst und mit dem Grenzwert verglichen, wobei bei Unterschreitung des Grenzwertes die Abregelung der Verbrennungskraftmaschine nur auf den Grenzwert erfolgt oder ganz deaktiviert wird.

Gemäß einer Weiterentwicklung sind mehrerer Grenzwerte in Abhängigkeit für die eingelegte Gangstufe und die vorliegende Motordrehzahl vorgebbar.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin wird im Einzelnen folgendes dargestellt:
1 verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung eines Antriebsstranges das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 verdeutlicht das erfindungsgemäße Verfahren mit zusätzlicher Momentenbegrenzung anhand eines Blockschaltbildes.
Die 1 verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellung anhand eines Antriebsstranges 1 für Fahrzeuge 2 das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches. Der Antriebsstrang 1 umfasst dazu eine Antriebsmaschine 3, welche in Form eines Verbrennungsmotors vorliegt. Diese ist wenigstens mittelbar, d.h. über Übertragungselemente 4 mit den anzutreibenden Rädern 5 gekoppelt. Die Übertragungselemente 4 umfassen dazu in der Regel ein zwischen Antriebsmaschine und Rädern 5 angeordnetes Getriebe, welches in der Regel über Wellenstränge mit den Rädern 5 verbunden sind. Der Kraftstoffverbrauch der Antriebsmaschine 3 ist abhängig von der Auslegung der Antriebsmaschine 3 selbst, der Betriebsweise dieser in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen des Fahrzeuges, insbesondere Topographie.
Wird von Seiten des Fahrers ein Wunsch nach Einstellung und/oder Änderung eines bestimmten Fahrzustandes vorgegeben, beispielsweise über eine Einrichtung 6 zur Vorgabe eines Fahrerwunsches in Form eines Fahrpedals wird in Abhängigkeit der eingelegten Gangstufe und damit der Übersetzung im Antriebsstrang 1 ein Sollwert für ein von der Antriebsmaschine 3 abzugebendes Moment M_soll bestimmt, daraus eine Stellgröße Y abgeleitet und durch Ansteuerung einer Stelleinrichtung 7 an der Antriebsmaschine 3 eingestellt. Daraus resultiert eine positive oder negative Beschleunigung des Fahrzeuges 2. Die Antriebsstränge 1 für Fahrzeuge 2 werden dabei derart ausgelegt, dass Steigungen im voll beladenen Zustand noch in befriedigender Weise befahren werden können, wodurch allerdings beim Fahren in der Ebene, insbesondere während des Anfahrvorganges oder beim Fahren im Gefälle bei Umsetzung des Fahrerwunsches durch Ansteuerung der Antriebsmaschine 3 aufgrund der hohen abgebbaren Momente bedingt durch die für die beschriebenen Extremsituationen erforderliche Auslegung der Antriebsmaschine 3 Beschleunigungswerte erzielt werden, die als unkomfortabel empfunden werden und ferner einen hohen Kraftstoffverbrauch charakterisiert sind. Erfindungsgemäß wird daher ein Grenzwert für eine maximal zulässige Beschleunigung a_{max-zulässig} definiert. Dieser Grenzwert wird derart gewählt oder vorgegeben, dass ein bestimmtes Beschleunigungsverhalten in der Ebene und im Gefälle erreicht wird und die unkomfortablen Zustände, welche durch besonders hohe Beschleunigungen charakterisiert sind, vermieden werden. Während des Betriebes des Fahrzeuges 2 wird wenigstens ein Istwert einer die Beschleunigung a wenigstens mittelbar charakterisierende Größe, vorzugsweise die Beschleunigung a_ist direkt und fortlaufend ermittelt und mit der maximal zulässigen Beschleunigung a_max verglichen. Wird der Grenzwert a_max überschritten, wird eine Abregelung der Verbrennungskraftmaschine 3 aktiviert und die maximal zulässige Beschleunigung a_max eingeregelt. Dazu wird eine Stellgröße Ya gebildet, welche am Leistungsstellglied der Antriebsmaschine 3 wirksam wird und somit eine Änderung des von der Antriebsmaschine 3 abgegebenen Momentes M_ist bewirkt, in der Regel eine Reduzierung.
Die Ermittlung einer die Beschleunigung a_ist wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe erfolgt vorzugsweise fortlaufend oder in kleinen Zeitintervallen von t ≤ 10 ms. Die Beschleunigung kann direkt erfasst oder aber über die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit ermittelt werden. In diesem Fall wird eine, die Drehzahl n_ist an den Rädern 5 wenigstens mittelbar charakterisierende Größe, vorzugsweise n_ist direkt an den Rädern 5 ermittelt und über den funktionalen Zusammenhang die Beschleunigung a_ist.
Jede Verbrennungskraftmaschine 3 ist durch ein Motor-Verbrauchskennfeld charakterisierbar. Dieses wird nach DIN 70030 ermittelt und kann in der Steuerung 8 hinterlegt sein. Dieses beinhaltet neben den Kennlinien konstanter Leistung auch Fahrwiderstandskennlinien. Durch Begrenzung der Beschleunigung a auf einen maximal zulässigen Wert wird im Verbrauchskennfeld ein Betriebspunkt eingestellt, welcher durch ein geringeres Drehmoment M charakterisiert ist, wobei dieser im verbrauchsgünstigeren Bereich liegt.
Um jedoch eine Momentenreduktion zu vermeiden, die zu einer zu starken Verschlechterung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs führt, wird gemäß 2 ein unterer Grenzwert für ein nicht zu unterschreitendes minimales von der Verbrennungskraftmaschine abgebbares Moment M_min vorgegeben, welcher aus dem Verbrauchskennfeld abgeleitet werden kann. Während der Momentenreduktion wird das von der Antriebsmaschine 3 abgebbare Moment M_ist überwacht und mit dem Grenzwert verglichen, wobei das einzustellende von der Verbrennungskraftmaschine 3 abgebbare Moment M_min – ausgenommen bei Vorgabe eines entsprechenden Fahrerwunsches – nicht unterschreiten darf. D.h. es kann bei Änderung des Fahrerwunsches, beispielsweise Freigabe des Fahrpedals außerhalb der Abregelung auch ein dem Fahrerwunsch entsprechendes geringeres Moment eingestellt werden.

1: Antriebsstrang
2: Fahrzeug
3: Antriebsmaschine
4: Übertragungselement
5: Rad
6: Einrichtung zur Vorgabe eines Fahrerwunsches
7: Stellglied
8: Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zur Optimierung des Kraftstoffverbrauches in Antriebssträngen (1) für Fahrzeuge (2), umfassend eine Antriebsmaschine (3) in Form einer Verbrennungskraftmaschine, welche über Übertragungselemente, umfassend ein wenigstens zwei Gangstufen umfassendes Getriebe mit den anzutreibenden Rädern (5) koppelbar ist, bei welchem zumindest für den Betrieb mit Leistungsübertragung über die erste Gangstufe 1.1 ein Grenzwert für eine maximal zulässige Beschleunigung a_{max-zulässig} vorgegeben wird und 1.2 wenigstens ein Istwert einer die Beschleunigung a des Fahrzeuges (2) wenigstens mittelbar charakterisierende Größe ermittelt wird und der Istwert a_ist mit einem Grenzwert a_{max-zulässig} für eine maximal zulässige Beschleunigung verglichen wird und bei Überschreitung des Grenzwertes a_{max-zulässig} die Verbrennungskraftmaschine abgeregelt wird, so dass ein neuer Istwert a_ist der Beschleunigung des Fahrzeuges (2) eingestellt wird, die gleich oder kleiner dem Grenzwert a_{max-zulässig} ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abregelung der Antriebsmaschine (3) durch Reduzierung des von der Antriebsmaschine (3) abgebbaren Momentes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert der Beschleunigung a_ist direkt ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine, die Beschleunigung a_ist mittelbar charakterisierende Größe erfaßt wird und über funktionale Zusammenhänge aus dieser Größe der Istwert a_ist ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Beschleunigung a_ist wenigstens mittelbar charakterisierende Größe von einer der nachfolgend genannten Größen gebildet wird: – Drehzahl der Antriebsmaschine (3); – Drehzahl am Getriebeeingang; – Drehzahl an den Rädern (5).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Beschleunigung a_ist wenigstens mittelbar charakterisierende Größe fortlaufend ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung des Grenzwertes a_{max-zulässig} die Abregelung der Verbrennungskraftmaschine (3) Priorität vor der Einstellung eines Fahrerwunsches nach Änderung oder Einstellung eines Fahrzustandes besitzt, wobei die sich aus dem Fahrerwunsch ergebende Stellgröße Y zur Ansteuerung eines Stellgliedes (7) der Verbrennungskraftmaschine (3) durch eine sich aus der Abweichung des Istwertes der Beschleunigung vom Grenzwert a_{max-zulässig} zu bildende Stellgröße Ya neu gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bildende Stellgröße Ya ausgehend von der sich aus dem Fahrerwunsch ergebenden und bereits wirksamen Stellgröße Y durch stufenweise oder stufenlose Änderung dieser gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung bei der Abregelung vorgenommene Reduzierung des von der Verbrennungskraftmaschine (3) abgebbaren Momentes überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 10.1 ein Grenzwert für ein nicht zu unterschreitendes von der Verbrennungskraftmaschine (3) abgebbares Moment wird vorgegeben; 10.2 der Istwert einer das von der Verbrennungskraftmaschine abgebbare Moment wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe erfasst und mit dem Grenzwert verglichen, wobei bei Unterschreitung des Grenzwertes die Abregelung der Verbrennungskraftmaschine (3) nur auf den Grenzwert erfolgt oder deaktiviert wird.