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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Bremskraftverstärker mit elektrisch betriebenen Unterdruckpumpen.
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Stand der Technik
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Kraftfahrzeuge werden vornehmlich mit Unterdruck-Bremskraftverstärkern ausgestattet, um die von einem Fahrer eines Kraftfahrzeugs über ein Bremspedal ausgeübte Bremskraft zu verstärken. Bei herkömmlichen Ottomotoren wird dazu eine Druckdifferenz zwischen dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors und der Außenumgebung genutzt.
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Unterdruck-Bremskraftverstärker umfassen in der Regel zwei Kammern, eine Unterdruckkammer und eine Normaldruckkammer, die durch eine bewegliche Membran voneinander getrennt sind. Die Kammern sind über ein Zwischenkammerventil miteinander verbunden. Bei Otto-Motoren steht die Unterdruckkammer mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors in Verbindung und wird so mit einem Unterdruck beaufschlagt, der sich in dem Saugrohr des Verbrennungsmotors einstellt. Bei unbetätigtem Bremspedal ist das Zwischenkammerventil geöffnet, so dass sich der entsprechende Unterdruck in beiden Kammern einstellt. Bei Betätigung eines Bremspedals wird ein Außenluftventil zu der Normaldruckkammer geöffnet und gleichzeitig das Zwischenkammerventil geschlossen, so dass sich über einer Membran eine Druckdifferenz einstellt. Die durch die Druckdifferenz auf die Membran wirkende Kraft ist so mit dem Bremspedal gekoppelt, dass dadurch eine auf das Bremspedal ausgeübte Bremskraft unterstützt wird. Beim Lösen des Bremspedals wird das Zwischenkammerventil wieder geöffnet und das Außenluftventil geschlossen, so dass ein Druckausgleich zwischen den Kammern stattfinden kann.
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Für den Fall, dass bei der Verwendung des Unterdrucks aus dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors der bereitgestellte Unterdruck in der Unterdruckkammer nicht ausreicht, können Ersatzmaßnahmen vorgesehen werden, die abhängig von einem gemessenen oder berechneten Druck in der Unterdruckkammer ausgelöst werden. Der Unterdruck in der Unterdruckkammer wird dazu abhängig von einer Luftmassenstrombilanz eines Luftmassenstroms in dem Bremskraftverstärker, dem hydraulischen Bremsdruck des an den Bremskraftverstärker angeschlossenen Bremssystems und einer zufließenden Luftmassenstromkomponente berechnet.
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Alternativ kann der Unterdruck zum Betreiben des Unterdruck-Bremskraftverstärkers auch durch eine elektrische Vakuumpumpe bereitgestellt werden. Die Vakuumpumpe muss allerdings so betrieben werden, dass in einer Unterdruckkammer des Bremskraftverstärkers ein Unterdruck eingestellt bleibt, der größer ist als ein vorgegebener Druckschwellenwert. Elektrische Vakuumpumpen sind insbesondere bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen notwendig, da dort keine permanente Unterdruck-Quelle, wie z.B. im Ansaugtrakt eines Otto-Motors, zur Verfügung steht.
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Zum Bereitstellen eines ausreichenden Unterdrucks in der Unterdruckkammer mithilfe einer elektrischen Vakuumpumpe ist es notwendig, eine Angabe über den in der Unterdruckkammer herrschenden Luftdruck zu ermitteln. Dies kann beispielsweise mit einem Drucksensor erfolgen. Die Verwendung von Drucksensoren in Bremskraftverstärkern ist jedoch aufwändig und es ist daher wünschenswert, einen Bremskraftverstärker auch ohne die Verwendung eines Drucksensors betreiben zu können. Zudem besteht bei der Verwendung eines Drucksensors ein Nachteil hinsichtlich dessen Fehleranfälligkeit und es muss aus Sicherheitsgründen gewährleistet sein, dass der Bremskraftverstärker auch bei nicht funktionsfähigem Drucksensor ordnungsgemäß arbeiten kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Bremskraftverstärkers mit einer Vakuumpumpe gemäß Anspruch 1 sowie die Vorrichtung, das Bremskraftverstärkersystem und das Computerprogrammprodukt gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Unterdruck-Bremskraftverstärkers mit einer insbesondere elektrischen Vakuumpumpe in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:
- – Ermitteln einer Stellungsänderung einer Stellungsangabe einer Bremsanforderungseinrichtung, insbesondere eines Bremspedals;
- – Bestimmen einer Druckangabe über einen Druck in einer Kammer des Bremskraftverstärkers, abhängig von der ermittelten Stellungsänderung; und
- – Aktivieren der Vakuumpumpe abhängig von der bestimmten Druckangabe.
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Weiterhin kann die Vakuumpumpe aktiviert werden, wenn der durch die Druckangabe bestimmte Druck einen vorgegebenen Druckschwellenwert übersteigt, oder wenn der durch die Druckangabe bestimmte Druck als Relativdruck, insbesondere als Unterdruck, einen vorgegebenen Druckschwellenwert unterschreitet.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, eine Vakuumpumpe zum Bereitstellen eines Unterdrucks für einen Unterdruck-Bremskraftverstärker nur dann zu aktivieren, wenn z. B. ein modellierter Druckwert für den Druck in der Unterdruckkammer des Bremskraftverstärkers, der z.B. einen absoluten Druck angibt, einen vorgegebenen Druckschwellenwert übersteigt bzw. im Fall, dass die Druckangabe einen Unterdruck angibt, unterschreitet. Auf diese Weise kann die Betriebszeit der Vakuumpumpe auf das Notwendige beschränkt werden, so dass deren Lebensdauer erhöht wird und eine thermische Überlastung vermieden werden kann.
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Das Modellieren des Druckwerts als Druckangabe in der Unterdruckkammer erfolgt abhängig von einer Stellung der Bremsanforderungseinrichtung bzw. abhängig von einer durch eine Änderung der Stellung der Bremsanforderungseinrichtung ausgelösten Druckänderung in der Unterdruckkammer. Hintergrund dieser Modellierung ist, dass sich bei Betätigen der Bremsanforderungseinrichtung die Membran zwischen der Unterdruckkammer und der Normaldruckkammer in dem Bremskraftverstärker bewegt, so dass sich das Volumen der Unterdruckkammer verringert und der Druck der darin befindlichen Luft ansteigt. Beim Lösen des Bremspedals erfolgt durch ein Zuströmen von Luft aus der Normaldruckkammer durch ein Öffnen eines entsprechenden Zwischenkammerventils ebenfalls eine Druckerhöhung in der Unterdruckkammer.
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Es wurde festgestellt, dass die Druckerhöhung sowohl beim Lösen des Bremspedals als auch beim Betätigen des Bremspedals ebenfalls von der Stellungsänderung des Bremspedals abhängt, so dass bei einer entsprechenden Stellungsänderung des Bremspedals eine resultierende Druckänderung in der Unterdruckkammer abhängig von der Höhe der entsprechenden Stellungsänderung ermittelt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Stellungsänderung als Differenz zwischen einer im momentanen Erfassungszyklus ermittelten Stellungsangabe der Bremsanforderungseinrichtung und einer in einem vorangegangenen Erfassungszyklus ermittelten Stellungsangabe der Bremsanforderungseinrichtung ermittelt werden.
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Weiterhin kann der durch die Druckangabe bestimmte Druck zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einen vorgegebenen Referenzdruckwert zurückgesetzt werden, wobei das Zurücksetzen unmittelbar nach einem Anhalten der Vakuumpumpe durchgeführt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der durch die Druckangabe bestimmte Druck in der Kammer des Bremskraftverstärkers mithilfe eines vorgegebenen Luftkammermodells bestimmt wird.
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In dem vorgegebenen Luftkammermodell kann die Stellungsänderung der Stellungsangabe der Bremsanforderungseinrichtung mit einem Faktor berücksichtigt werden, wobei der Faktor konstant oder abhängig von einem Vorzeichen der Stellungsänderung vorgegeben ist. Der Faktor kann insbesondere durch die Konstruktion des Bremskraftverstärkers bestimmt sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Unterdruck-Bremskraftverstärkers mit einer Vakuumpumpe in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – eine Stellungsänderung einer Stellungsangabe einer Bremsanforderungseinrichtung, insbesondere eines Bremspedals, zu ermitteln;
- – eine Druckangabe über einen Druck in einer Kammer des Bremskraftverstärkers abhängig von der ermittelten Stellungsänderung zu bestimmen; und
- – die Vakuumpumpe abhängig von dem bestimmten Druck zu aktivieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Bremskraftverstärkersystem mit einem Unterdruck-Bremskraftverstärker, einer Vakuumpumpe und der obigen Vorrichtung vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf der obigen Vorrichtung oder einer Recheneinrichtung ausgeführt wird, das obige Verfahren durchführt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Unterdruck-Bremskraftverstärkers mit einer elektrischen Vakuumpumpe; und
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Bremskraftverstärkersystems der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Mit Bezug zu 1 wird ein Bremskraftverstärkersystem zum Anschluss an ein hydraulisches Bremssystem für den Einsatz in Kraftfahrzeugen beschrieben.
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Das Bremskraftverstärkersystem 1 umfasst einen Bremskraftverstärker 2, der mit einem Bremspedal 3 als Bremsanforderungseinrichtung gekoppelt ist. Das Bremspedal 3 ist mit einer Kolbenstange 4 verbunden, die den Bremskraftverstärker 2 durchdringt und mit einem Kolben 5 eines hydraulischen Bremszylinders 6 verbunden ist. Der Bremszylinder 6 steht mit dem hydraulischen Bremssystem eines Kraftfahrzeugs in hydraulischer Verbindung und dient zum Übertragen einer Bremskraft in entsprechenden Bremseinrichtungen (nicht gezeigt) an Rädern des Kraftfahrzeugs.
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Der Bremskraftverstärker 2 weist eine Unterdruckkammer 7 und eine Normaldruckkammer 8 auf, durch die die Kolbenstange 4 geführt wird. Die Unterdruckkammer 7 und die Normaldruckkammer 8 sind durch eine flexibel bewegliche Membran 9 im Wesentlichen druckdicht voneinander getrennt. Die Membran 9 ist fest mit der Kolbenstange 4 verbunden, so dass eine Bewegung der Membran 9 auf die Kolbenstange 4 übertragen wird. In der Unterdruckkammer 7 ist eine Rückstellfeder 10 vorgesehen, die zwischen einem Gehäuse des Bremskraftverstärkers 2 und der Kolbenstange 4 so verspannt ist, dass sie bei einem Lösen (Nicht-Betätigen) des Bremspedals 3 dieses mit einer Rückstellkraft in eine Ausgangsstellung zurück bewegt.
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Bei einer Betätigung des Bremspedals 3 wird die Kolbenstange 4 dagegen in Richtung des Bremszylinders 6 bewegt, wobei die Rückstellfeder 10 verspannt wird.
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Die Unterdruckkammer 7 steht mit einer elektrischen oder sonstigen steuerbaren Vakuumpumpe 11 in Verbindung, so dass bei Betrieb der Vakuumpumpe 11 in der Unterdruckkammer 7 ein Unterdruck erzeugt werden kann. In der gezeigten Ausgangsstellung bei unbetätigtem Bremspedal 3 herrscht in der Unterdruckkammer 7 und in der Normaldruckkammer 8 der gleiche Druck.
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Bei einer Betätigung des Bremspedals 3 wird mithilfe eines Ventilstellelements 12 ein Zwischenkammerventil 13 zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8, insbesondere in der Membran 9, geschlossen, indem das Ventilstellelement 12 durch Betätigung des Bremspedals 3 z. B. in Richtung der Membran 9 bewegt wird. Gleichzeitig wird durch die Bewegung des Ventilstellelements 12 ein Außenventil 14 geöffnet, so dass Umgebungsluft in die Normaldruckkammer 8 strömen kann. Dadurch wird eine Druckdifferenz über der Membran 9 bewirkt. Die Druckdifferenz bewirkt, dass eine Kraft auf die Kolbenstange 4 in Richtung des Bremszylinders 6 ausgeübt wird. Diese Kraft unterstützt die von dem Fahrer auf das Bremspedal 3 ausgeübte Kraft. Beim Lösen des Bremspedals 3 wird das zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8 befindliche Zwischenkammerventil 13 geöffnet, so dass die in der Normaldruckkammer 8 befindliche Luft in die Unterdruckkammer 7 strömt. Gleichzeitig wird das Außenventil 14 geschlossen, so dass zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8 ein Druckausgleich erfolgt.
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Das Bremspedal 3 ist weiterhin mit einem Stellungssensor 16 verbunden, um eine Angabe über eine Stellung des Bremspedals 3 bereitzustellen.
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Weiterhin ist zum Betreiben des Bremskraftverstärkersystems 1 dieses mit einer Steuereinheit 15 versehen, die die Angabe über die Stellung des Bremspedals 3 von dem Stellungssensor 16 empfängt und entsprechend dem nachfolgenden Verfahren die Vakuumpumpe 11 aktiviert oder deaktiviert, um den Unterdruck in den Luftkammern 7, 8 aufrecht zu erhalten.
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Sowohl bei einer Betätigung als auch beim Lösen des Bremspedals 3 kommt es durch die Bewegung der Kolbenstange 4 und die Ventilfunktionen des Bremskraftverstärkers 2 zu einem Anstieg des Drucks in der Unterdruckkammer 7. Bei einer Betätigung des Bremspedals 3 wird durch Bewegung der Kolbenstange 4 die Membran 9 in Richtung der Unterdruckkammer 7 bewegt, so dass sich deren Volumen verringert und dadurch der darin befindliche Druck ansteigt. Beim Lösen des Bremspedals 3 bewegt sich aufgrund der Federwirkung der Rückstellfeder 10 die Kolbenstange 4 zurück, wobei jedoch das Zwischenkammerventil 13 geöffnet wird und Luft aus der Normaldruckkammer 8, die unter einem höheren Druck, insbesondere Umgebungsdruck, steht, durch das Zwischenkammerventil 13 in die Unterdruckkammer 7 strömt.
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Um für nachfolgende Bremsvorgänge jederzeit eine ausreichende Druckdifferenz zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8 bereitstellen zu können, ist es notwendig, dass der Druck in der Unterdruckkammer 7, und bei nicht betätigtem Bremspedal 3 auch in der Normaldruckkammer 8, einen vorgegebenen Druckschwellenwert unterschreitet bzw. dass der Unterdruck in der Unterdruckkammer 7, und bei nicht betätigtem Bremspedal 3 auch in der Normaldruckkammer 8, einen vorgegebenen Druckschwellenwert überschreitet. Üblicherweise beträgt kann der Druckschwellenwert bei herkömmlichen Bremskraftverstärkersystemen als Absolutdruck zwischen 500 und 700 hPa liegen.
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Die Vakuumpumpe 11 dient also zur Gewährleistung, dass in der Unterdruckkammer 7 des Bremskraftverstärkers 2 stets ein ausreichender Unterdruck zur Verfügung steht. Es ist also dafür zu sorgen, dass die Vakuumpumpe 11 immer dann aktiviert wird, wenn der Druck in der Unterdruckkammer 7 den Druckschwellenwert übersteigt.
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Insbesondere wenn ein Drucksensor zum Ermitteln des Kammerdrucks in dem Bremskraftverstärker 2 defekt ist oder wenn zur Reduzierung des konstruktiven Aufwands kein solcher Drucksensor vorgesehen ist, ist es erforderlich, ein Verfahren zum Aktivieren und Deaktivieren der Vakuumpumpe 11 zum Bereitstellen eines Unterdrucks in der Unterdruckkammer 7 zur Verfügung zu stellen. Es ist daher notwendig, einen Druckwert über den Druck in der Unterdruckkammer 7 zu schätzen, möglichst anhand von vorhandenen Systemgrößen.
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Dazu wird ein Verfahren zum Betreiben des Bremskraftverstärkers 2 vorgesehen, wie es in Verbindung mit dem Flussdiagramm der 2 ausführlich beschrieben wird.
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In Schritt S1 wird von dem Stellungssensor 16 eine Stellungsangabe zu einer Stellung des Bremspedals 3 erfasst.
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In einem nachfolgenden Abfrageschritt S2 wird überprüft, ob sich die Stellungsangabe bezüglich der Stellungsangabe in einem vorangehenden Erfassungszyklus geändert hat. Dazu werden die jeweils zwei zuletzt erfassten Stellungsangaben zwischengespeichert. Ist dies nicht der Fall (Alternative: Nein), so wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt.
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In dem Abfrageschritt S3 wird überprüft, ob die Vakuumpumpe 11 für mehr als eine vorgegebene Zeitdauer inaktiv war. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S4 wird die Vakuumpumpe 11 für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert, wie beispielsweise zwischen 5 bis 10 Sekunden, um einen Unterdruck in den Luftkammern 7, 8 zu erzeugen bzw. zu erhöhen. Nach Beenden des Schritts Schritt S4, d. h. nach Beenden der Aktivierung der Vakuumpumpe 11, wird zu Schritt S1 zurückgesprungen. Dieser Schritt dient der Kompensation von etwaigen Leckagen im Drucksystem des Bremskraftverstärkers.
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Wird in dem Abfrageschritt S2 eine Stellungsänderung der Stellung des Bremspedals 3 festgestellt (Alternative: Ja), so wird in Schritt S5 gemäß einem Luftkammernmodell ein Druck in der Unterdruckkammer 7 bestimmt.
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In Schritt S5 ist vorgesehen, den modellierten Absolutdruck p in den Luftkammern 7, 8, insbesondere in der Unterdruckkammer 7, zu bestimmen wie folgt: p(t + dt) = p(t) + K·│brk(t) – brk(t + dt)│, wobei jeweils p dem absoluten Druck in der Unterdruckkammer 7 zum Zeitpunkt t bzw. t + dt, brk der Stellung des Bremspedals 3 zum Zeitpunkt t bzw. t + dt, t einem Zeitpunkt eines vorangehenden Erfassungszyklus, dt der Zeitdifferenz zwischen zwei Erfassungszyklen und K einem Modellierungsfaktor entspricht.
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Der Faktor K bildet das physikalische Modell des Bremskraftverstärkers 2 nach und kann konstant oder betriebspunktabhängig gewählt sein. Insbesondere kann der Faktor K abhängig vom Vorzeichen der Änderung der Stellungsangabe, d. h. abhängig von sgn(brk (t) – brk(t + dt)), gewählt sein.
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Solange die Stellung des Bremspedals 3 zunimmt (Stellungsangabe steigt von einem Erfassungszyklus zum darauffolgenden), beschreibt der Faktor K die Auswirkungen der Bewegung der Kolbenstange 4 auf die Druckdifferenz zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8 abhängig von der Änderung der Stellung des Bremspedals 3. Für brk(t) < brk(t + dt) gilt daher K = konstant, da sich das Volumen der Unterdruckkammer 7 näherungsweise proportional zur Bewegung der Kolbenstange 4 bzw. des Bremspedals 3 ändert.
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brk (t) > brk(t + dt) entspricht dagegen dem Fall des Lösens des Bremspedals 3, wobei durch das Öffnen des Zwischenkammerventils 13 ein Druckausgleich zwischen der Unterdruckkammer 7 und der Normaldruckkammer 8 bei geschlossenen Außenventilen 14 erfolgt. Es stellt sich ein Druckgleichgewicht ein, das sich aus der in den beiden Luftkammern 7, 8 befindlichen Luftmenge zum Zeitpunkt der Änderung des Vorzeichens der Änderung der Stellungsangaben und dem vorgegebenen Gesamtvolumen der Luftkammern 7, 8 ergibt.
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In einem Schritt S6 wird überprüft, ob der so modellierte Absolutdruck in dem Bremskraftverstärker 2 einen vorgegebenen Druckschwellenwert übersteigt. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird die Vakuumpumpe 11 in Schritt S7 für eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert, wie beispielsweise zwischen 5 und 10 Sekunden, und anschließend wird zu Schritt S1 zurückgesprungen. Andernfalls (Alternative: Nein) wird unmittelbar zu Schritt S1 zurückgesprungen. Die vorgegebene Zeitdauer ist so gewählt, dass in jedem Betriebsfall durch die Pumpwirkung ein Unterdruck bzw. absoluter Druck in der Unterdruckkammer erreicht wird, der größer bzw. kleiner ist als der vorgegebene Druckschwellenwert. Insbesondere ist die vorgegebene Zeitdauer so gewählt, dass ausgehend von einem angenommenen Umgebungsdruck in der Unterdruckkammer ein Unterdruck bzw. absoluter Druck in der Unterdruckkammer erreicht wird, der größer bzw. kleiner ist als der vorgegebene Druckschwellenwert.
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In einem vereinfachten Modell kann als Faktor K ein konstanter Faktor angenommen werden, der eine Änderung des Drucks in der Unterdruckkammer 7, d. h. eine Druckerhöhung, bei jeder Stellungsänderung des Bremspedals 3, positiver wie negativer, annimmt. Dieses Modell kann verwendet werden, um in vereinfachender Weise eine Angabe über den momentanen Druck in der Unterdruckkammer 7 des Bremskraftverstärkers 2 zu bestimmen und kann ausreichend sein, eine Bedingung zum Aktivieren der Vakuumpumpe 11 vorzugeben.
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In diesem Fall ist es jedoch wünschenswert, regelmäßig den Absolutdruck in den Luftkammern 7, 8 des Bremskraftverstärkers 2 bzw. zumindest in der Unterdruckkammer 7 zu bestimmen. Eine Vorgabe des Absolutdrucks kann insbesondere unmittelbar nach dem Abschalten der Vakuumpumpe 11 als eine vorgegebene Druckangabe festgelegt werden. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass bei einem Anhalten der Vakuumpumpe 11 der Druckwert p auf einen vorgegebenen Referenzdruckwert eingestellt bzw. initialisiert wird.
