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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben bzw. Ansteuern eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs und dabei insbesondere zum Berechnen eines sogenannten langsamen Eingriffsmoments bei einer aktiven Traktionskontrolle.
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Eine Traktionskontrolle (TCS: Traction Control System), die auch als Antriebsschlupfregelung (ASR) bezeichnet wird, ist dafür vorgesehen, ein Durchdrehen der Räder beim Anfahren nach Möglichkeit ganz zu vermeiden oder zumindest den Fahrer in einer solchen Situation zu unterstützen.
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Traktionskontrollen werden derzeit in vielen Fahrzeugen als Fahrassistenzsystem eingesetzt. Ein solches System hilft dem Fahrer, bei durchdrehenden Rädern das Fahrzeug unter Kontrolle zu halten. Das TCS reduziert dabei das Antriebsmoment entweder auf der einen angetriebenen Achse oder ggf. auf den angetriebenen Achsen. Diese Funktionalität ist als Einzelsystem, bspw. im Motorsport oder bei einfachen Fahrzeugen, erhältlich. Daneben ist es ebenso als Teil eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP), das zur Fahrdynamikregelung eingesetzt wird, erhältlich. Ein ESP ist ein elektronisch gesteuertes Fahrassistenzsystem, das durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder dem Ausbrechen des Fahrzeugs entgegenwirkt.
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Zu beachten ist, dass es einkanalige und zweikanalige Ausführungen des TCS gibt. Bei einem einkanaligen System wird von dem TCS ein einziges Moment an den Momentensteller, den Antriebsmotor, übermittelt. Dieses Moment wird dann von dem Momentensteller, bspw. einem Verbrennungsmotor mit elektronischer Regelung oder einem Elektromotor mit entsprechender elektronischer Regelung, wie z. B. einem Inverter, eingeregelt. Bei zweikanaligen Systemen wird zusätzlich ein langsames Sollmoment ausgegeben. Dieses Moment wird regelmäßig über den Luftpfad, insbesondere die Drosselklappe oder Ventilsteuerung, eingestellt.
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Wird als Momentensteller ein Verbrennungsmotor verwendet, so sind mehrere Möglichkeiten gegeben, das abgegebene Moment zu reduzieren. So kann dies bspw. mit einer Drosselklappe oder einem Ventilhubsystem und im weiteren Sinne auch über einen Ladedrucksteller vorgenommen werden. Dies erfolgt bspw. bei aufgeladenen Motoren. Des Weiteren gibt es bei einem Diesel-Verbrennungsmotor die Möglichkeit, die Einspritzmenge zu reduzieren. Bei einem Benzin- oder Gasmotor besteht die Möglichkeit, den Zündwinkel nach spät zu verstellen. Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, auf einzelnen Zylindern die Einspritzung vollständig auszuschalten.
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Die Reaktionszeiten der drei möglichen Eingriffsstellern, nämlich Drosselklappe, Ladedrucksteller und Einspritzmenge oder Zündwinkel, um das angeforderte Moment umzusetzen, ist für jeden Steller unterschiedlich lang. Für eine leistungsstarke Regelung der Traktion, bei der die Räder an dem optimalen Schlupf gehalten werden, ist ein Zusammenspiel der drei Eingriffssteller erforderlich.
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Bei einem einkanaligen TCS wird bei einer Momentenreduzierung nicht darauf geachtet, mit welchem Stellpfad die Momentenreduzierung erfolgt. Eine optimale Schlupfregelung ist auf diese Weise nicht möglich.
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Die Idee des zweikanaligen TCS besteht darin, eine Aufteilung auf einen schnellen und langsamen Momentenpfad im TCS bereits vorzusehen. Da das TCS in der Regel nicht in dem gleichen Steuergerät wie die Verbrennungsmotor- oder Elektromotorsteuerung programmiert ist, hat das TCS auch nur wenige Informationen über den genauen Zustand des Momentenstellers. So wird bei aktuellen Systemen in vielen Fällen das langsame Moment durch Addition eines festen Offsetmoments auf das schnelle Eingriffsmoment gebildet. Eine stärker restriktive Beeinflussung unter Ausnutzung des Freiheitgrads der beiden Luftsteller, nämlich Drosselklappe und Ladedrucksteller, erfolgt nicht.
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Besonders störend ist regelmäßig das mangelnde Folgeverhalten des Momentenstellers, wenn das reduzierende Moment wieder in Richtung Fahrerwunschmoment aufgeregelt wird. Hier kann es sein, dass das verfügbare Luftmoment nicht ausreichend groß ist. Somit limitiert das Luftmoment das stellbare Zündmoment. Dies verschlechtert die Leistungsfähigkeit und die Regelgüte des TCS.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, bei dem eine Traktionskontrolle zum Einsatz kommt. Bei dem Verfahren sind ein langsamer Momentenpfad mit einem langsamen Eingriffsmoment und ein schneller Momentenpfad mit einem schnellen Eingriffsmoment vorgesehen, wobei dem schnellen Eingriffsmoment eine variable Momentenreserve hinzugefügt wird.
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Dem vorgestellten Verfahren liegt in Ausgestaltung zugrunde, den langsamen Momentenpfad optimal vorzusteuern, so dass stets das schnelle Eingriffsmoment auch eingestellt werden kann. Dazu wird eine variable Momentenreserve auf das schnelle Eingriffsmoment addiert. Die Größe der Momentenreserve wird in Ausgestaltung abhängig von Betriebsparametern kontinuierlich berechnet. Hauptgröße der Momentenreserve ist die Differenz aus dem Moment bei dem frühestmöglichen Zündwinkel, dem Basismoment, und dem Moment bei spätest möglichem Zündwinkel.
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Das hierin genannte Eingriffsmoment ist das Moment, das außerhalb bzw. unabhängig von dem Fahrerwunschmoment vorgegeben wird. Dieses Eingriffsmoment wird bspw. durch ein TCS vorgegeben und berücksichtigt somit, unabhängig von dem Momentenwunsch des Fahrers, äußere Umstände, so dass eine sichere Fahrt des Fahrzeugs gewährleistet werden kann. Ein langsames Eingriffsmoment ist dabei das Eingriffsmoment, das nach einem gewissen Zeitraum, über eine Drosselklappe nach 100 ms und über einen Ladedrucksteller nach bis zu 1000 ms, eingestellt werden soll. Das schnelle Eingriffsmoment ist das Eingriffsmoment, das möglichst sofort, typischerweise nach 2 bis 20 ms, eingestellt werden soll. Das langsame Eingriffsmoment ist typischerweise höher als das schnelle Eingriffsmoment.
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Die beschriebene Anordnung ist zur Durchführung des hierin beschriebenen Verfahrens eingerichtet und kann bspw. in einer Hardware und/oder Software implementiert sein. Eine entsprechende Software liegt dann als Computerprogramm mit Codemitteln zum Durchführen sämtlicher oder einiger Schritte des beschriebenen Verfahrens vor, wobei dieses Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Speichermedium abgelegt sein kann. Die vorgestellte Anordnung kann weiterhin in einem Steuergerät eines Fahrzeugs integriert oder auch als solches ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt in einem Graphen Verläufe der Momente gemäß einem Verfahren mit TCS nach dem Stand der Technik.
- 2 zeigt in einem Flussdiagramm eine Ausführung des vorgestellten Verfahrens.
- 3 zeigt Verläufe der Momente gemäß einem Verfahren der hierin beschriebenen Art.
- 4 zeigt ein Prinzipbild zur Erläuterung der Bildung des TCS-Reservemoments.
- 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer Messung gemäß einer Ausführung des beschriebenen Verfahrens mit TCS.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einem Graphen 10, an dessen Abszisse 12 die Zeit und an dessen Ordinate 14 ein Moment aufgetragen ist, Verläufe von Momenten, die beim Betrieb eines Antriebsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, eines Kraftfahrzeugs relevant sind. Eine erste Kurve 20 zeigt den Verlauf eines Fahrerwunsch-Moments, eine zweite Kurve 22 den Verlauf eines BasisMoments, eine dritte Kurve 24 den Verlauf eines TCS-Soll-Moments, eine vierte Kurve 26 den Verlauf eines Ist-Moments und eine fünfte Kurve 28 den Verlauf eines Moments bei spätest möglichem Zündwinkel. Ein schraffierter Bereich 30 verdeutlicht ein fehlendes Moment. Das Basismoment ist das Moment bei aktueller Zylinderluftfüllung und bestmöglichem Zündwinkel und somit ein kurzfristig durch Verstellung des Zündwinkels nach früh erreichbares Moment.
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2 zeigt in einem Flussdiagramm einen möglichen Ablauf des beschriebenen Verfahrens.
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In einem ersten Schritt 50 wird die verfügbare Momentenreserve berechnet. Dazu wird die Differenz zwischen Basismoment und Moment bei spätest möglichem Zündwinkel bei aktueller Zylinderluftfüllung berechnet. Dabei sollte typischerweise die exklusive Momentenreserve, wie z. B. für das Katalysatoraufheizen, berücksichtig werden. Dazu wird in einem Schritt 52 von der vorstehend berechneten Differenz die exklusive Momentenreserve abgezogen.Die daraus resultierende Momentenreserve wird im Folgenden mit TCS-Basis-Momentenreserve bezeichnet.
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Die letzlich angewendete Momentenreserve berechnet sich aus der TCS-Basis-Momentenreserve durch eine Multiplikation mit einem Faktor sowie durch verschiedene Minimal- und Maximallimitierungen, was in einem nächsten Schritt 54 vorgenommen wird. So soll die Momentenreserve einen minimalen Wert nicht unterschreiten. Dieser Minimalwert kann ein kalibrierbarer Absolutwert oder ein Faktor auf die TCS-Basis-Momentenreserve sein. Ebenso kann die Momentenreserve vom Betrag her auf einen kalibrierbaren Maximalwert begrenzt werden.
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Der Faktor, mit dem die eigentliche TCS-Momentenreserve berechnet wird, kann wiederum aus mehreren unabhängigen Bestandteilen bestehen. So hängen die Teilfaktoren von verschiedenen Einflussgrößen ab. Diese können sein:
- a) absoluter Wert des Fahrerwunschmoments
- Bei einem niedrigen Fahrerwunsch wird kein Folgeverhalten mit hohem Leistungsvermögen benötigt. Ein solches wird eher bei hohen Fahrerwunschmomenten benötigt.
- b) absoluter Wert des schnellen TCS-Eintrittsmoments
- Bei einem sehr niedrigen Eingriffsmoment kann von einem sehr glatten Untergrund, wie bspw. Schnee, Eis usw., ausgegangen werden, hier ist keine leistungsfähige Regelung mit großen Momenten-Gradienten zu erwarten. Gleichzeitig ist ein längerer Eingriff zu erwarten. Bei einem lange anliegenden Reservemoment, d. h. bei einem späten Zündwinkel, wird die Abgastemperatur ansteigen. Dies hat regelmäßig Bauteile-Schutzmaßnahmen zur Folge, was zu vermeiden ist.
- c) Stärke des Bauteileschutzes, Abgastemperatur und Anfettungsfaktor
- Ist der Bauteileschutz aktiv bzw. die Abgastemperatur an den verschiedenen Bauteilen, wie bspw. Abgaskrümmer, Turbolader, Katalysator usw., hoch, so wird der Zündwinkel- Rückzug und damit die Momentenreserve durch den TCS-Eingriff vorausschauend reduziert. Bei dem Temperatureinfluss kann z. B. das Minimum des Abstands von der kritischen Bauteiltemperatur und der modellierten bzw. gemessenen Abgastemperatur verwendet werden. Ebenso kann das Soll-Lambda einbezogen werden. Zur Reduzierung der Abgastemperatur wird in der Regel ein fetteres Gemisch gefahren. Hier kann die Stärke der Anfettung einbezogen werden. So kann die Abgastempertur nahe am Grenzwert liegen, aber es ist noch keine Anfettung erfolgt. Dann ist der gesamte Stand noch nicht kritisch. Ist die Anfettung jedoch schon auf dem Maximalwert, kann die Temperatur durch eine Anfettung nicht weiter reduziert werden.
- d) Dauer des TCS-Eingriffs
- Je länger durch den Eingriff eine Momentenreserve gefordert wird, umso wahrscheinlicher ist es, dass die Abgastemperatur steigt. Hiermit kann dem Effekt vorgebeugt werden. Es kann aber auch sein, dass ein langer Eingriff wieder, siehe b, auf einen sehr glatten Untergrund hinweist. In diesem Fall ist wieder keine reaktionsschnelle Regelung zu erwarten und es kann zugunsten der Abgastemperatur die Momentenreserve reduziert werden.
- e) Gradient des schnellen TCS-Soll-Moments
- Dies ist von besonderer Bedeutung. Da die Reaktionszeit des Luftsystems im Verhältnis zum Momenteneingriff durch den Zündwinkel um etwa eine Größenordnung, d. h. etwa um Faktor 10, langsamer ist, hat dies Auswirkungen bei einem schnellen und größeren Anstieg des Eingriffsmoments. Ist der Luftpfad hier zu träge, so kann dem geforderten Moment des schnellen Zündwinkelpfads trotz Momentenreserve nicht gefolgt werden. Im Fall des steilen positiven Gradienten des schnellen Eingriffmoments wird die Momentenreserve erhöht. Damit wird z. B. die Drosselklappe durch den großen Sollwert schneller geöffnet. Daher steht im Verlauf früher mehr Basismoment zur Verfügung.
- f) Einem steilen negativen Gradienten des schnellen Eingriffsmoments wird durch eine geeignete Wahl des Grundmoments Rechnung getragen, auf das die Momentenreserve addiert wird.
- g) Schwimm-Winkel oder Lenkwinkel, vorzugsweise als gefilterter Wert
- Der Schwimm-Winkel ist der Winkel zwischen der Längsachse des Fahrzeugs und der Bewegungsrichtung des Fahrzeugs (Driften). Beim Driften auf der Rennstrecke kann eine andere Regelgüte gefordert sein als bei Geradeausfahrt auf Schnee.
- h) Reibwert, gemessen oder geschätzt aus Fahrzeugmodellen, die im ESP-Steuergerät gerechnet werden.
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Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, sind die Momentenänderungen des TCS-Eingriffs auf trockener Straße, d. h. bei einem hohen Reibwert, deutlich größer als auf Schnee, d. h. bei einem niedrigen Reibwert.
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Die Realisierung kann erfolgen, indem die Größen in Kennlinien oder Kennfeldern eingehen und dann miteinander kombiniert werden. Dies kann bspw. durch Multiplikation, Addition oder per Minumumauswahl erfolgen. Es kann bspw. der Eingriffsdauer abhängige Faktor stets mit höchster Gewichtung durch eine Minimumauswahl einkoordiniert werden.
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Als Grundmoment, auf das die Momentenreserve addiert wird, kann das schnelle Eingriffsmoment gefiltert werden. Dies erfolgt, um ein Rauschen nicht auf den langsamen Pfad zu übertragen und den Sollwert zu beruhigen. Darüber hinaus ist es ein Merkmal, die Filterzeitkonstante abhängig vom Gradienten des schnellen Eingriffsmoments vorzunehmen. Fällt das Eingriffsmoment steil ab, soll dies nicht auf das Soll-Luftmoment direkt durchgreifen. Dies führt zu einem übermäßigen Schließen der Drosselklappe, was wiederum bei einem kurzzeitigen folgenden Anstieg des schnellen Eingriffsmoments auf das ursprüngliche Niveau dazu führt, dass das Basismoment zu niedrig ist und das geforderte Eingriffsmoment nicht sofort, sondern erst nach einer Verzögerung gestellt werden kann.
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Statt der Berechnung der Momentenreserve mittels eines Faktors kann natürlich auch eine jeweils additive Momentenreserve verwendet werden.
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Der Maximalwert für das TCS-Luft-Soll-Moment, das der Summe aus Grundmoment und Momentenreserve entspricht, ist der kleinere Wert von Fahrerwunschmoment und dem maximal leistbarem Motor- (Antriebs-) Moment. Damit wird vermieden, dass ein unnötig großes Luft-Soll-Moment gefordert wird. Aus Überwachungssicht darf und braucht nämlich nicht mehr als das Fahrerwunschmoment gestellt werden, da es sich um einen reduzierenden Traktionskontrolle- Eingriff handelt.
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Das Soll-Luft-Moment des TCS-Eingriffs wird gebildet, indem auf das vom schnellen TCS-Soll-Moment abgeleitete Grundmoment ein Deltamoment, nämlich die Momentenreserve, addiert wird. Wie bereits zuvor ausgeführt wurde, ist es zweckmäßiger, anstelle des schnellen TCS-Eingriffsmoments den gefilterten Wert zu verwenden. In diesem Fall sollte nicht direkt der gefilterte Wert, sondern eine Maximum-Auswahl des gefilterten und des ungefilterten schnellen TCS-Sollmoments verwendet werden. Grund hierfür ist der vorstehend beschriebene Effekt, dass bei einem positiven Gradienten der gefilterte Wert niedriger als der ungefilterte Wert ist. Damit würde für das TCS-Soll-Luftmoment ein zu kleines Moment gewählt werden, und dies bei einem ohnenhin schon trägen Luftpfad. Ist die Momentenreserve zu klein, so kann das geforderte schnelle TCS-Soll-Moment nicht gestellt werden. Dem kann hier auf einfache Weise entgegen- bzw. vorgesteuert werden.
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Berechnet das TCS ein Vorsteuermoment für die eigene Regelung des schnellen TCS-Momenteneingriffs, so kann dies oder eine Maximum-Auswahl mit dem schnellen Moment, gefiltert oder ungefiltert, als Grundmoment für die Momentenreserve verwendet werden.
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Darüber hinaus kann bei Motoren mit einer Aufladung, wie bspw. einem Turbolader, einem elektrischen Kompressor usw., der Einfluss auf die Kombination von Drosselklappenwinkel zu Ladedruck genommen werden. So kann die Drosselklappe weiter als benötigt geschlossen werden, wenn gleichzeitig der Ladedruck erhöht wird. Wenn dies geeignet gewählt wird, ist der Saugrohrdruck und damit die Füllung im Zylinder identisch. Dies gilt somit auch für das Basismoment.
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Ein Vorteil bei stärker geschlossener Drosselklappe ist, dass die Drosselklappe schneller öffnet, als dass über den Ladedrucksteller der Ladedruck erhöht werden kann.
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Dem Aufladen gegen die teilweise geschlossene Drosselklappe sind jedoch motorische Grenzen gesetzt. Je nach Betriebspunkt kann kein ausreichender Ladedruck aufgebaut werden. Dies ist bei der Manipulation des Soll-Ladedrucks zu berücksichtigen.
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Dem vorgestellten Verfahren liegt somit die Überlegung zu Grunde, das Solldruckverhältnis über die Drosselklappe während des TCS-Eingriffs kleiner zu wählen, als dies ohne TCS-Eingriff erforderlich ist.
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3 zeigt in einem Graphen 100, an dessen Abszisse 102 die Zeit und an dessen Ordinate 104 ein Moment aufgetragen ist, Verläufe von Momenten, die beim Betrieb eines Antriebsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, eines Kraftfahrzeugs relevant sind. Eine erste Kurve 120 zeigt den Verlauf eines Fahrerwunsch-Moments, eine zweite Kurve 122 den Verlauf eines Basismoments, eine dritte Kurve 124 den Verlauf eines TCS-Soll-Moments, eine vierte Kurve 126 den Verlauf eines Ist-Moments, eine fünfte Kurve 128 den Verlauf eines Moments bei spätest möglichem Zündwinkel und eine sechste Kurve 130 den Verlauf eines TCS-Luft-Soll-Moments.
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Ein erster Doppelpfeil 140 verdeutlicht 100% einer möglichen Momentenreserve, ein zweiter Doppelpfeil 142 verdeutlicht 80% einer möglichen Momentenreserve.
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4 zeigt ein Prinzipbild zur Erläuterung der Bildung des TCS-Reservemoments. In der Darstellung sind ein Basismoment 150, eine TCS-Momentenreserve 152, eine minimale Momentenreserve 154 und ein Moment bei spätest möglichem Zündwinkel 156 eingetragen. Ein erster Doppelpfeil 160 zeigt den Betrag einer TCS-Basismomentenreserve, ein zweiter Doppelpfeil 162 zeigt den Betrag der minimalen Momentenreserve 154, die bei einem TCS-Eingriff gestellt werden soll. Ein Pfeil 164 zeigt ein berechnetes TCS-Reservemoment. Dieses entspricht hier etwa 60% der verfügbaren TCS-Basismomentenreserve. Dieser Betrag wird auf ein TCS-Soll-Moment 172 addiert und ergibt so das TCS-Luft-Soll-Moment 170. Das TCS-Luft-Soll-Moment 170 bleibt unterhalb des Fahrerwunsch-Moments 174 und des maximal möglichen Motormoments 176.
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5 zeigt in einem Graphen 200, an dessen Abszisse 202 die Zeit und an dessen Ordinate 204 ein Moment aufgetragen ist, Verläufe von gemessenen Momenten bei einem Betreiben eines Antriebsmotors gemäß dem hierin vorgestellten Verfahren.
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Eine erste Kurve 210 zeigt den Verlauf eines schnellen TCS-Soll-Moments, eine zweite Kurve 212 zeigt den Verlauf eines langsamen TCS-Soll-Moments, eine dritte Kurve 214 zeigt den Verlauf eines Vorsteuermoments des TCS, eine vierte Kurve 216 zeigt den Verlauf eines Basismoments, eine fünfte Kurve 218 zeigt den Verlauf eines Moments bei spätest möglichem Zündwinkel, eine sechste Kurve 220 zeigt den Verlauf eines Fahrerwunsch-Moments, eine siebte Kurve 222 den Verlauf eines Ist-Moments.
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Die gesamte hierin beschriebene Berechnung des TCS-Reservemoments und das daraus resultierende TCS-Soll-Luftmoment kann bspw. im Motorsteuergerät erfolgen. Die Berechnung kann jedoch auch in einem anderen Steuergerät erfolgen, z. B. im ESP- bzw. TCS-Steuergerät. Dazu müssen dann alle benötigten Informationen von dem Motorsteuergerät zum ESP/TCS-Steuergerät übermittelt werden.
