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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Fahrzeugmasse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens.
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Es
ist bekannt, dass ein Großteil
der Güter für Industrie
und Handel mit Hilfe von Lastkraftwagen auf der Straße transportiert
wird. Aufgrund der Vielzahl der Wettbewerber ist jedes Transportunternehmen
darum bemüht,
seine Lastkraftwagen bestmöglich
auszunutzen. Dazu gehört
nicht nur deren zeitlicher Einsatz sondern auch eine Beladung der
Lastkraftwagen bis an ihre Grenzen der Zulässigkeit.
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Aufgrund
von unsachgemäßer Beladung oder
wegen des Fehlens einer Waage für
den beladenen Lastkraftwagen kommt es häufig zur Überladung der Lastkraftwagen,
ohne dass dies bemerkt wird. Eine Überladung von Lastkraftwagen
stellt jedoch eine Gefährdung
des Straßenverkehrs
dar. Daher besteht Bedarf für
eine einfache Bestimmung der Fahrzeugmasse auch ohne das Vorhandensein
einer Waage sowie für
eine permanente Kontrollmöglichkeit
der Fahrzeugmasse beispielsweise eines Lastkraftwagens.
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Aus
der
DE 3843818 C1 ist
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Masse eines Kraftfahrzeugs aus Motormoment
und Beschleunigung. Zur Bestimmung des Motormoments werden dabei
in einem Rechner gespeicherte, der Einspritzpumpenstellung und der Motordrehzahl
zugeordnete Motorkenndaten herangezogen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise die Fahrzeugmasse beispielsweise eines
Lastkraftwagens bestimmbar ist.
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Die
obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und
5 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie Weiterentwicklungen
gehen aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den anhängenden
Ansprüchen
hervor.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Bestimmen einer Fahrzeugmasse eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Lastkraftwagens, umfasst die folgenden Schritte:
a) Erkennen einer Schubphase der Brennkraftmaschine, b) Erfassen
einer Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Zeit, c) Ansteuern
einer ersten Mehrzahl von Einspritzungen einer Kraftstoffmasse derart,
dass basierend auf der Kraftstoffmasse und einer ersten zeitlichen
Abfolge der Einspritzungen ein erzeugtes Motormoment MM bestimmbar
ist, d) Ansteuern einer zweiten Mehrzahl der Einspritzungen in einer
zweiten zeitlichen Abfolge, so dass über das Motormoment MM und die durch die zweite Mehrzahl von Einspritzungen
erzeugte Drehzahländerung die
Fahrzeugmasse aus einem Gesamtträgheitsmoment
des Kraftfahrzeugs bestimmbar ist.
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Das
vorliegende Verfahren arbeitet in einer Schubphase der Brennkraftmaschine,
um einerseits den Betrieb der Brennkraftmaschine nicht negativ zu beeinflussen
und andererseits das Fahrgefühl
für den
Fahrer nicht zu stören.
Zudem basiert das vorliegende Verfahren auf dem Trägheitsgesetz,
nach dem ein wirkendes Drehmoment, beispielsweise ein Motormoment
und dem entgegen wirkende Reibungsmomente, aus dem Produkt von Trägheitsmoment und
zweiter zeitlicher Ableitung der Drehzahl berechenbar ist. Während das
Trägheitsmoment
des Motors eines Kraftfahrzeugs experimentell bestimmbar ist, lässt sich
die zweite zeitliche Ableitung der Drehzahl aus den Signalen des
Kurbelwellensensors in Abhängigkeit
von der Zeit ermitteln. Danach werden Einspritzmassen, die im Vergleich
zu den Leerlaufeinspritzmassen der Brennkraftmaschine klein sind, in
einer kurzen zeitlichen Aufeinanderfolge, bevorzugt hochfrequent,
eingespritzt. Beschreibt man die Zustände des Kraftfahrzeugs mit
und ohne Einspritzansteuerung mit Hilfe des Trägheitsgesetzes, lassen sich
die schwer zu beziffernden Reibungsmomente bzw. störenden Drehmomente
eliminieren, indem man die Differenz der Zustände mit und ohne Einspritzansteuerung
bildet. Diese Differenz liefert das durch die Einspritzmasse erzeugte
Drehmoment als Produkt aus dem experimentell bestimmbaren Trägheitsmoment
des Motors und der Differenz der zweiten zeitlichen Ableitung der
Drehzahl dieser beiden Zustände.
Wendet man dieses Vorgehen in gleicher Weise auf eine niederfrequente
Einspritzansteuerung mit gleicher Kraftstoffmasse an, lässt sich
dadurch aus dem ermittelten Gesamtträgheitsmoment des Kraftfahrzeugs
die Fahrzeugmasse bestimmen. Dazu werden wieder die gleichen Kraftstoffmassen
in einer stärker
beabstandeten zeitlichen Abfolge eingespritzt, diese beiden Zustände mit
Hilfe des Trägheitsgesetzes
beschrieben und dann voneinander abgezogen. Für die Differenz der Drehmomente
dieser beiden Zustände
ergibt sich das bereits oben ermittelte Motormoment, während als
einzige Unbekannte das Gesamtträgheitsmoment
des Kraftfahrzeugs zurückbleibt.
Dieses lässt
sich aus dem Quotienten des Motormoments und der Differenz der zweiten
zeitlichen Ableitungen der Drehzahl für diese beiden Zustände berechnen.
Aus dem ermittelten Trägheitsmoment
des gesamten Kraftfahrzeugs ist dann über bekannte Zusammenhänge die
Kraftfahrzeugmasse bestimmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
auf den obigen Schritt c), d.h. die hochfrequente Einspritzansteuerung
zur Kalibrierung des Motormoments in Abhängigkeit von der Einspritzmasse,
verzichtet. Stattdessen sind in der Motorsteuerung Daten hinterlegt,
die das erzeugte Motormoment in Abhängigkeit von der Einspritzansteuerung
oder der eingespritzten Kraftstoffmasse liefern. Trotz Abweichungen
des hinterlegten Motormoments von dem tatsächlichen Motormoment mit zunehmender
Alterung der Brennkraftmaschine ist mit diesen Daten das Fahrzeuggewicht
ausreichend genau bestimmbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
beispielsweise die Bestimmung der Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs
basierend auf einem funktionellen Zusammenhang erfolgen, der eine Änderung
des Trägheitsmoments
des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit
von der Fahrzeugmasse beschreibt. Ein derartiger Zusammenhang ist
beispielsweise in Form eines Kennfelds in der Motorsteuerung hinterlegbar.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer hochfrequenten Einspritzansteuerung,
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2 eine
schematische Darstellung einer niederfrequenten Einspritzansteuerung
und
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3 ein
Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens.
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Das
Verfahren zum Bestimmen der Fahrzeugmasse eines Kraftfahrzeugs mit
Brennkraftmaschine arbeitet ohne einen Drehmomentsensor. Auch ohne
diesen Sensor besteht die Möglichkeit,
ohne eine Waage das Gewicht oder die Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs,
vorzugsweise eines Lastkraftwagens, zu bestimmen. Es kann beispielsweise
durch die automatische Ausführung
des vorliegenden Verfahrens mit Hilfe einer Motorsteuerung des Kraftfahrzeugs
das Fahrzeuggewicht in regelmäßigen Zeitabständen bestimmt
werden. Diese Information wird dann gespeichert, beispielsweise
in einem Fahrtenschreiber, so dass sie bei eventuellen Kontrollen
des Kraftfahrzeugs oder bei einer eigenständigen Abfrage des Fahrers
des Kraftfahrzeugs abrufbar ist.
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Das
vorliegende Verfahren basiert auf dem Trägheitsgesetz, mit dem ein Drehmoment
M als Produkt aus Trägheitsmoment θ und zweiter
zeitlicher Ableitung ω .. der Drehzahl ω berechenbar ist (vgl. Gleichung
(1)). M = Θ·ω .. (1)
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M
bezeichnet die Summe aller Drehmomente am Kraftfahrzeug einschließlich ein
Drehmoment der Brennkraftmaschine MM, ein
Reibungsmoment MR und weitere Momente, die
beispielsweise durch Witterungs- oder Straßenbedingungen hervorgerufen
werden. Die Drehzahl ω ist
in Abhängigkeit
von der Zeit mit Hil fe eines bekannten Kurbelwellensensors bestimmbar.
Des Weiteren umfasst das Kraftfahrzeug eine Motorsteuerung, in der
die Auswertung gesammelter Informationen bzw. Messgrößen erfolgt.
Auf dieser apparativen Grundlage sind somit die gemessene Drehzahl
und die daraus berechnete Drehzahländerung ausgewählten Einspritzereignissen
zuordenbar.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
zu Beginn des Verfahrens zunächst
abgefragt, ob sich die Brennkraftmaschine bzw. das Kraftfahrzeug
in einer Schubphase befindet. In der Schubphase der Brennkraftmaschine,
beispielsweise einem Bergabrollen oder einem Ausrollen des Kraftfahrzeugs,
erfolgt keine Einspritzansteuerung der Brennkraftmaschine zu Antriebszwecken.
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Bei
Erkennen der Schubphase in Schritt S1 (3) wird
innerhalb dieser Phase eine Einspritzsequenz angesteuert (Schritt
S2), wie sie schematisch in 1 dargestellt
ist. Auf der Abszisse in 1 ist die Zeit aufgetragen,
während
die Ordinate ein Ansteuersignal für die Einspritzmasse zwischen
Null und einem vorbestimmten Wert beschreibt. Das Ansteuersignal
variiert zwischen Null und einem vorbestimmten Wert und legt auf
diese Weise die zeitliche Abfolge und die Größe der Einspritzmasse fest.
Hier vereinfacht als Rechteckimpulse dargestellt. Diese Einspritzmasse
wird als kleine Einspritzmasse bezeichnet, da sie so klein ist,
dass die Schubphase und das Fahrgefühl des Fahrers des Kraftfahrzeugs nicht
gestört
werden. Die dargestellten Spitzen in 1 bezeichnen
jeweils eine Einspritzansteuerung dieser kleinen Einspritzmasse,
während
zwischen diesen Einspritzansteuerungen keine Einspritzung erfolgt.
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Durch
die erste zeitliche Abfolge der Einspritzansteuerungen, die auch
als hochfrequente Einspritzansteuerung bezeichnet wird, wird eine
Entkopplung der Brennkraftmaschine vom Rest des Antriebstrangs erzielt.
Diese Entkopplung entsteht durch Elastizitäten im Bereich der Kupplung.
Daher wirkt bei einer derartigen Einspritzansteuerung als träge Masse
ein vom Fahr zeuggewicht unabhängiges
Trägheitsmoment,
dass nur durch das Trägheitsmoment θM der Brennkraftmaschine bestimmt ist. Das
Trägheitsmoment θM der Brennkraftmaschine ist experimentell
bestimmbar und über
die Lebensdauer der Brennkraftmaschine annähernd konstant.
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Erfolgt
eine Einspritansteuerung der Brennkraftmaschine gemäß 1 wird
gleichzeitig die zweite Ableitung ω .. der Drehzahl ω für die Zustände mit (mhE) und ohne hochfrequente
Einspritzansteuerung (ohE) ermittelt (Schritt S3). Die beiden Zustände mit
(mhE) und ohne hochfrequente Einspritzansteuerung (ohE) lassen sich
mit Hilfe des obigen Trägheitsgesetzes
wie folgt beschreiben: mit Einspritzansteuerung:
MR + MM = ΘM·ω ..mhE (2) ohne Einspritzansteuerung: MR = ΘM·ω ..ohE (3)
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MR bezeichnet die bereits oben genannten Drehmomente,
die unabhängig
vom Motormoment wirken und nur mit hohem Aufwand messbar sind. Diese
Momente MR werden beispielsweise durch Reibung,
Witterungseinflüsse
und Straßenbedingungen
hervorgerufen.
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Bildet
man die Differenz der Gleichungen (2) und (3), lassen sich die unbekannten
Drehmomente MR eliminieren. Da zudem das
Trägheitsmoment θM der Brennkraftmaschine experimentell bestimmbar ist,
lässt sich
aus der Differenz der Gleichungen (2) und (3) das durch die hochfrequente
Einspritzansteuerung erzeugte Motormoment MM gemäß Gleichung (4)
berechnen (Schritt S4). MM = ΘM·(ω ..mhE – ω ..ohE) (4)
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Auf
diese Weise wird das Motormoment MM mit
Bezug auf die eingespritzte Kraftstoffmasse kalibriert, um diese
Information im weiteren Verfahren zu nutzen. Gemäß einer Ausführungsform
wird auf den obigen Kalibrierschritt verzichtet. Statt dessen sind
in der Motorsteuerung Daten hinterlegt, die das erzeugte Motormoment
in Abhängigkeit
von der Einspritzansteuerung, d.h. der Größe des elektrischen Einspritzsignals,
oder der eingespritzten Kraftstoffmasse liefern. Trotz Abweichungen
des hinterlegten Motormoments von dem tatsächlichen Motormoment mit zunehmender
Alterung der Brennkraftmaschine ist mit diesen Daten das weitere
Verfahren ausreichend genau durchführbar, so dass die Fahrzeugmasse
verlässlich
ermittelt wird.
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Wie
man aus dem Flussdiagramm in 3 erkennen
kann, wiederholt man nun obige Verfahrensschritte mit der gleichen
Kraftstoff- bzw. Einspritzmasse, aber mit einer Mehrzahl von Einspritzungen
in einer zweiten zeitlichen Abfolge (Schritt S5). Die zweite zeitliche
Abfolge ist schematisch in 2 dargestellt.
In 2 ist auf der Abszisse die Zeit aufgetragen, während die
Ordinate wie in 1 eine Variation des Ansteuersignals
der Einspritzmasse beschreibt. Die zeitliche Abfolge der Einspritzungen,
die durch die beabstandeten Peaks der Ansteuersignale in 2 beschrieben
wird, ist derart gewählt,
dass nun der Antriebsstrang über
die Kupplung fest an die Brennkraftmaschine gekoppelt ist. Diese
zweite zeitliche Abfolge wird auch als niederfrequente. Einspritzansteuerung
bezeichnet. Basierend auf der Kopplung an den Antriebsstrang geht nun
neben dem Trägheitsmoment θM des Motors auch das Trägheitsmoment θF des Fahrzeugs in die Auswertung gemäß Gleichung
(1) ein. θF ist abhängig von
der Fahrzeugmasse mF und somit auch der
Beladung des Kraftfahrzeugs und lässt sich beispielsweise als
Funktion mF = f(θF)
oder Kennfeld in der Motorsteuerung ablegen.
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Die
Zustände
des Kraftfahrzeugs mit und ohne niederfrequente Einspritzansteuerung
lassen sich folgendermaßen
beschreiben: mit Einspritzansteuerung:
MR + MM = (ΘM + ΘF)·ω ..mnE (5) ohne Einspritzansteuerung: MR =
(ΘM + ΘF)·ω ..onE (6) ω ..mnE und ω ..onE bezeichnen
die zweite zeitliche Ableitung der Drehzahl ω der Brennkraftmaschine in
den Zuständen
mit niederfrequenter Einspritzung (mnE) und ohne niederfrequente
Einspritzung (onE).
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Bildet
man die Differenz der Gleichungen (5) und (6), erhält man Gleichung
(7), in der als einzige Unbekannte das Trägheitsmoment θF des Kraftfahrzeugs in Abhängigkeit
von der Fahrzeugmasse mF enthalten ist. MM = (ΘM + ΘF)·(ω ..mnE – ω ..onE) (7)
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Da
das Motormoment MM aus der Messung mit hochfrequenter
Einspritzansteuerung bekannt ist, lässt sich Gleichung (7) nach
dem Trägheitsmoment θF auflösen,
so dass das Trägheitsmoment θF des Kraftfahrzeugs berechenbar ist (Schritt
S6). Wendet man nach abgeschlossener Berechnung des Trägheitsmoments θF den bereits oben erwähnten funktionellen Zusammenhang
mF = f(θF) an, lässt
sich aus den ermittelten Größen die
Fahrzeugmasse mF bestimmen (Schritt S7).
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Basierend
auf diesem Verfahren kann man beispielsweise nach einer oder wenigen
Schubphasen des Kraftfahrzeugs das aktuelle Fahrzeuggewicht im Armaturenbrett
anzeigen oder in einem Fahrtenschreiber oder der Motorsteuerung
abspeichern. Dies wäre
beispielsweise für
Lastkraftwagenfahrer von hohem Nutzen.