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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor
zum Reduzieren einer Schwingung (Beschleunigungsstoß) beim
Betätigen
eines Gaspedals oder einer Schwingung (Schaltstoß) beim Gangwechsel.
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Allgemein wird eine Schwingung (Beschleunigungsstoß) beim
Betätigen
des Gaspedals eines Kraftfahrzeugs erzeugt (besonders beim plötzlichen
Betätigen
des Gaspedals). Ein solcher Beschleunigungsstoß ist Ergebnis der Tatsache,
daß sich
das Motordrehmoment als Reaktion auf die plötzliche Gaspedalbetätigung plötzlich ändert und
eine Torsionsschwingung im Antriebssystem durch die plötzliche
Motordrehmomentänderung
erzeugt wird. Eine solche Torsionsschwingung des Antriebssystems
zeigt sich als Schwingungserscheinung der Fahrzeugkarosserie in
Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung.
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Als Gegenmaßnahme zum Unterdrücken einer
solchen Schwingung eines Antriebssystems, die als Reaktion auf eine
Betätigung
des Gaspedals beschreibungsgemäß erzeugt
wird, ist ein Verfahren zum langsamen Öffnen der Drosselklappe weithin
bekannt. Allerdings beeinträchtigt
dieses Verfahren das Beschleunigungsgefühl. Bekannt ist auch ein weiteres
Verfahren zum Unterdrücken
einer solchen Schwingung gemäß der vorstehenden
Beschreibung, bei dem ein Kompensator (Umkehrfilter) W(s) mit einer
Umkehrfunktion zu einer inhärenten Übertragungskennlinie
zwischen der Drosselklappenöffnung
und dem Antriebsdrehmoment (anders gesagt ein Modell Gp(s) eines
Fahrzeugs, an dem eine Schwingung erregt wird) gemäß 17 vorgesehen ist, und dieser
Vorkompensator zum Steuern der Drosselklappenöffnung dient, um die Torsionsschwingung
zu unterdrücken
und das Reaktionsverhalten zu verbessern.
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Außerdem ist ein zweistufiges
Drehmomenteingabeverfahren bekannt, bei dem ein schrittweises Eingangssignal
(Gaspedalöffnungs-
bzw. -betätigungsvariation)
an zwei getrennten Stufen eingegeben wird.
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Allerdings haben diese Verfahren
des Stands der Technik jeweils Probleme, die zu lösen sind.
Insbesondere hat das Verfahren unter Verwendung des Umkehrfilters
W(s) ein Problem, daß es
trotz möglicher
Aufhebung einer Schwingungskomponente der Ausgabe bei einem komplizierten
Modell Gp(s) des Fahrzeugs schwierig ist, ein optimales Umkehrfilter
W(s) festzulegen. Weiterhin ist das zweistufige Drehmomenteingabeverfahren
nicht zum praktischen Einsatz geeignet, da der Sollwert gewöhnlich bekannt
sein muß,
wenngleich sich ein gewisser Effekt zur Unterdrückung einer Schwingung gemäß 18 erreichen läßt.
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Im übrigen offenbart die
JP-A-2001-132501 eine
Vorrichtung, die einen spezifischen Fahrzeugzustandsbetrag detektiert
und eine Drehfrequenzkomponente eines Fahrzeugantriebssystems detektiert,
die zum spezifischen Fahrzeugzustandsbetrag gehört, und dann das Motordrehmoment
oder die Übersetzung
auf der Grundlage der detektierten Drehfrequenzkomponente ändert, um
die Schwingung zu unterdrücken.
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Da aber die Vorrichtung einen spezifischen
Fahrzeugzustandsbetrag detektiert, ist es notwendig, die Verschiebung
zwischen einer Zeit, zu der der Zustandsbetrag erzeugt wird, und
der Zeit, zu der ein Steuereinstellbetrag als Resultat der Erzeugung
des Zustandsbetrags ausgegeben wird, das heißt einen toten Zeitraum zu
berücksichtigen.
Strebt man also die Realisierung eines Steuerverfahrens mit einem
hohen Genauigkeitsgrad unter Einbeziehung der Totzeit an, wird die
Steuerverarbeitungsvorrichtung sehr stark beansprucht, was zu einem
Problem führt,
das die praktische Verwendung der Vorrichtung erschwert.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor bereitzustellen, mit denen eine Schwingung beim
Betätigen
eines Gaspedals oder beim Gangwechsel mit einer einfachen Konfiguration
unterdrückt
werden kann.
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Diese Aufgabe läßt sich mit den in den Ansprüchen festgelegten
Merkmalen lösen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung
eines Verbrennungsmotors zum Steuern des Betriebs eines Ausgangsleistungs-Einstellteils
auf der Grundlage eines Solldrehmoment-Korrelationswerts bereitgestellt,
die aufweist: einen Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt zum
Vorhersagen einer an einem Fahrzeug zu erzeugenden Schwingungskomponente
anhand des Solldrehmoment-Korrelationswerts unter Verwendung eines vorbestimmten
Vorhersagemodells und einen Rückkopplungskorrekturabschnitt
zum Rückkopplungskorrigieren
des Solldrehmoment-Korrelationswerts auf der Grundlage der durch
den Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt vorhergesagten Schwingungskomponente,
um die Schwingung zu unterdrücken.
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Da bei der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor eine Schwingungskomponente, die am Fahrzeug erzeugt
wird, unter Verwendung eines vorbestimmten Vorhersagemodells anhand
eines Solldrehmoment-Korrelationswerts vorhergesagt und ein Solldrehmoment-Korrelationswert
auf der Grundlage der vorhergesagten Schwingungskomponente rückkopplungskorrigiert
wird, um die Schwingung zu unterdrücken, ist es möglich, die
Schwingung vorab vorherzusagen und den Solldrehmoment-Korrelationswert
zu korrigierten, um so die vorhergesagte Schwingung zu unterdrücken. Folglich
läßt sich
die Erzeugung einer ansonsten möglichen
Schwingung wirksam unterdrücken.
Da zudem die Schwingungskomponente, die am Fahrzeug erzeugt werden
kann, unter Verwendung eines vorbestimmten Vorhersagemodells anhand
des Solldrehmoment-Korrelationswerts vorhergesagt wird, besteht
keine Notwendigkeit, Totzeit usw. wie in einem alternativen Fall
zu berücksichtigen,
in dem eine Ist-Schwingung rückgekoppelt
wird. Dadurch läßt sich
das Steuerverfahren vereinfachen, und die Schwingung kann wirksam
unterdrückt
werden. Zu beachten ist, daß das
Ausgabeeinstellteil normalerweise eine Drosselklappe, eine Zündspule
oder ein Einspritzventil sein kann.
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Vorzugsweise ist das vorbestimmte
Vorhersagemodell auf der Grundlage einer Übertragungsfunktion eines Verzögerungssystems
zweiter Ordnung festgelegt. Da bei einer derartigen Konfiguration
der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor die Übertragungsfunktion
des Sekundärverzögerungssystems
starke Näherung
an eine schrittweise Variation des Solldrehmoment-Korrelationswerts
zeigt, kann die Schwingung wirksam unterdrückt werden, während die
vergleichsweise einfache Übertragungsfunktion
verwendet wird. Ist in diesem Fall ein Soll-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
durch ξ' dargestellt, ein
Ist-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
durch ξ,
eine in Übereinstimmung
mit einer Übersetzung
festgelegte Eigenfrequenz durch ωn und ein Laplace-Operator durch s, wird
die Übertragungsfunktion
vorzugsweise gemäß 1/(s2 + 2f ωns + ωn2) berechnet, und eine durch den Rückkopplungskorrekturabschnitt
eingestellte Steuerverstärkung
K wird gemäß K = (ξ' – ξ)·2ωn berechnet.
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Vorzugsweise weist der Rückkopplungskorrekturabschnitt
einen Steuerverstärkungs-Variationsabschnitt
zum Einstellen einer Steuerverstärkung
auf einen höheren
Wert als Reaktion auf eine Erhöhung
der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt vorhergesagten
Schwingungskomponente auf. Da in diesem Fall die Steuerverstärkung in
der Richtung, in der die Schwingung unterdrückt wird, auf einen erhöhten Wert
als Reaktion auf eine Erhöhung
der Schwingungskomponente eingestellt wird, kann die Schwingung
wirksam unterdrückt
werden.
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Vorzugweise werden die Schwingungskomponentenvorhersage
und die Rückkopplungskorrektur
mindestens drei Takte vor der Erzeugung der Ausgangsleistung des
Motors durchgeführt.
Da in diesem Fall die Rückkopplungskorrektur
durch Vorhersage rechtzeitig unter Berücksichtigung von Verzögerungsfaktoren,
z. B. Totzeit, durchgeführt
wird, kann die Schwingung wirksam unterdrückt werden.
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Vorzugsweise wird der Solldrehmoment-Korrelationswert
auf der Grundlage einer Gaspedalöffnung bzw.
-betätigung
berechnet, und das Ausgangsleistungs-Einstellteil wird auf der Grundlage
des Solldrehmoment-Korrelationswerts nach Korrektur gesteuert. Bei
Einsatz der soeben beschriebenen Konfiguration läßt sich auch ein Stoß beim Beschleunigen
wirksam verhindern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein Verfahren zur Ausgangsleistungssteuerung für einen
Verbrennungsmotor zum Steuern des Betriebs eines Ausgangsleistungs-Einstellteils
auf der Grundlage eines Solldrehmoment-Korrelationswerts bereitgestellt,
das aufweist: einen Schwingungskomponenten-Vorhersageschritt zum
Vorhersagen einer an einem Fahrzeug zu erzeugenden Schwingungskomponente
anhand des Solldrehmoment-Korrelationswerts unter Verwendung eines
vorbestimmten Vorhersagemodells und einen Rückkopplungskorrekturschritt
zum Rückkopplungskorrigieren
des Solldrehmoment-Korrelationswerts
auf der Grundlage der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageschritt
vorhergesagten Schwingungskomponente, um die Schwingungen zu unterdrücken.
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Da beim Verfahren zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor eine Schwingungskomponente, die am Fahrzeug erzeugt
wird, unter Verwendung eines vorbestimmten Vorhersagemodells anhand
eines Solldrehmoment-Korrelationswerts vorhergesagt und ein Solldrehmoment-Korrelationswert
auf der Grundlage der vorhergesagten Schwingungskomponente rückkopplungskorrigiert
wird, um die Schwingung zu unterdrücken, ist es möglich, die
Schwingung vorab vorherzusagen und den Solldrehmoment-Korrelationswert zu
korrigierten, um die vorhergesagte Schwingung zu unterdrücken. Somit
läßt sich
die Erzeugung einer ansonsten möglichen
Schwingung wirksam unterdrücken.
Da zudem die Schwingungskomponente, die am Fahrzeug erzeugt werden
kann, unter Verwendung eines vorbestimmten Vorhersagemodells anhand
des Solldrehmoment-Korrelationswerts vorhergesagt wird, besteht
keine Notwendigkeit, Totzeit usw. wie in einem alternativen Fall
zu berücksichtigen,
in dem eine Ist-Schwingung rückgekoppelt
wird. Dadurch läßt sich
das Steuerverfahren vereinfachen, und die Schwingung kann wirksam
unterdrückt
werden. Zu beachten ist, daß das
Ausgabeeinstellteil normalerweise eine Drosselklappe, eine Zündspule
oder ein Einspritzventil sein kann.
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Vorzugsweise ist das vorbestimmte
Vorhersagemodell auf der Grundlage einer Übertragungsfunktion eines Verzögerungssystems
zweiter Ordnung festgelegt. Da bei einer derartigen Konfiguration
der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor die Übertragungsfunktion
des Sekundärverzögerungssystems
starke Näherung
an eine schrittweise Variation des Solldrehmoment-Korrelationswerts
zeigt, kann die Schwingung wirksam unterdrückt werden, während die
vergleichsweise einfache Übertragungsfunktion
verwendet wird. Ist in diesem Fall ein Soll-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
durch ξ' dargestellt, ein
Ist-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
durch ξ,
eine in Übereinstimmung
mit einer Übersetzung
festgelegte Eigenfrequenz durch ωn und ein Laplace-Operator durch s, wird
die Übertragungsfunktion
vorzugsweise gemäß 1/(s2 + 2ξ ωns + ω2
n) berechnet, und
eine durch den Rückkopplungskorrekturabschnitt
eingestellte Steuerverstärkung
K gemäß K = (ξ' – ξ)·2ωn berechnet.
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Vorzugsweise weist der Rückkopplungskorrekturschritt
einen Steuerverstärkungs-Variationsschritt zum
Einstellen einer Steuerverstärkung
auf einen höheren
Wert als Reaktion auf eine Erhöhung
der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageschritt vorhergesagten
Schwingungskomponente auf. Da in diesem Fall die Steuerverstärkung in
der Richtung, in der die Schwingung unterdrückt wird, auf einen erhöhten Wert als
Reaktion auf eine Erhöhung
der Schwingungskomponente eingestellt wird, kann die Schwingung
wirksam unterdrückt
werden.
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Vorzugweise werden die Schwingungskomponentenvorhersage
und die Rückkopplungskorrektur
mindestens drei Takte vor der Erzeugung der Ausgangsleistung des
Motors durchgeführt.
Da in diesem Fall die Rückkopplungskorrektur
durch Vorhersage rechtzeitig unter Berücksichtigung von Verzögerungsfaktoren,
z. B. Totzeit, durchgeführt
wird, kann die Schwingung wirksam unterdrückt werden.
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Vorzugsweise wird der Solldrehmoment-Korrelationswert
auf der Grundlage einer Gaspedalbetätigung berechnet, und das Ausgangsleistungs-Einstellteil
wird auf der Grundlage des Solldrehmoment-Korrelationswerts nach
Korrektur gesteuert.
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Bei Einsatz der soeben beschriebenen
Konfiguration läßt sich
auch ein Stoß beim
Beschleunigen wirksam verhindern.
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Diese und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen hervor, in denen gleiche Teile oder Elemente durch gleiche
Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
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1 ein
Steuerblockschaltbild einer Konfiguration eines wesentlichen Teils
einer Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen
Verbrennungsmotor gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Ansicht eines Antriebssystemmodells eines Fahrzeugs,
auf das die Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen
Verbrennungsmotor Anwendung findet;
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3 eine
Darstellung einer Soll-Beschleunigung der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen
Verbrennungsmotor;
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4 eine
schematische Ansicht eines Simulationsmodells der Vorrichtung zur
Ausgangsleistungssteuerung für
einen Verbrennungsmotor;
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5 eine
Darstellung eines Schrittverhaltens eines Sekundärverzögerungssystems und eines Schrittverhaltens
höherer
Ordnung zum Vergleich in der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen Verbrennungsmotor;
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6 ein
Blockschaltbild eines wesentlichen Teils der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen
Verbrennungsmotor;
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7 eine
Darstellung des Betriebs und der Auswirkungen der Vorrichtung zur
Ausgangsleistungssteuerung für
einen Verbrennungsmotor;
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8 eine
Darstellung eines weiteren Betriebs und weiterer Auswirkungen der
Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor;
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9 und 10 Darstellungen unterschiedlicher
Variationen der Eigenfrequenz der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor;
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11 eine
Darstellung eines Einflusses eines Fehlers in der Vorrichtung zur
Ausgangsleistungssteuerung für
einen Verbrennungsmotor;
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12 und 13 Darstellungen eines weiteren
Betriebs und weiterer Auswirkungen der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor;
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14 und 15 Darstellungen eines Steuerverstärkungs-Variationsabschnitts
(Steuerverstärkungs-Variationsschritts)
der Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor;
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16 eine
Darstellung von Betriebskennwerten eines Steuerobjekts, wobei die
Vorrichtung zur Ausgangsleistungssteuerung für einen Verbrennungsmotor von 1 Anwendung auf einen Ottomotor
und einen Dieselmotor findet;
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17 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung des Stands der Technik; und
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18 eine
Darstellung einer Schwingungsunterdrückungswirkung der Vorrichtung
des Stands der Technik von
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17.
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Nachfolgend wird eine Vorrichtung
zur Ausgangsleistungssteuerung für
einen Verbrennungsmotor gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Zu beachten ist,
daß die nachfolgende
Beschreibung einen Fall betrifft, in dem die Erfindung auf einen
Motor (Ottomotor) angewendet ist, der eine Drosselklappenvorrichtung
vom leitergebundenen Drosselklappentyp aufweist, wobei ein Gaspedal
und eine Drosselklappe elektrisch miteinander verbunden sind.
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Zunächst wird ein wesentlicher
Teil der Erfindung anhand von 1 beschrieben.
Gemäß 1 weist ein Fahrzeug eine
Steuerung (Steuereinrichtung oder ESG) 1 auf, die Gaspedalbetätigungsinformationen
APS (ein Solldrehmoment-Korrelationswert: Soll) als Eingangssignal
empfängt
und ein Ausgangssignal TPS zum Steuern des Betriebs der Drosselklappe
(Ausgangsleistungs-Einstellteil) gemäß dem Eingangssignal erzeugt.
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Die Steuerung 1 weist einen
Vorhersagekompensator 1a auf. Seinerseits verfügt der Vorhersagekompensator 1a über einen
Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt (Schwingungskomponenten-Vorhersageschritt) 2 zum
Vorhersagen einer an einem Fahrzeug zu erzeugenden Schwingungskomponente
unter Verwendung eines vorbestimmten Vorhersagemodells Gp(s)' anhand des Eingangssignals
und einen Rückkopplungskorrekturabschnitt
(Rückkopplungskorrekturschritt) 3 zum
Rückkopplungskorrigieren
des Eingangssignals auf der Grundlage der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt 2 vorhergesagten Schwingungskomponente
(Vorhersagewert), um die Schwingung zu unterdrücken.
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Insbesondere ist das vorbestimmte
Vorhersagemodell Gp(s)' des
Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitts 2 eine Übertragungsfunktion
G(s) eines Sekundärverzögerungssystems
und kann als G(s) = 1/(s2 +
2ξ ωns + ωn
2)dargestellt
sein, wobei ξ ein
Ist-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
und ωn eine Eigenfrequenz ist, die gemäß einer Übersetzung
festgelegt ist.
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Außerdem kann eine durch den
Rückkopplungskorrekturabschnitt 3 korrigierte
Steuerverstärkung
K als K = (ξ' – ξ)·2ωn dargestellt
sein, wobei ξ' ein Soll-Fahrzeugdämpfungskoeffizient
ist.
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Zu beachten ist, daß eine Funktion
C(s) im Vorhersagekompensator 1a eine Funktion zum Umwandeln einer
Eingabe (in dieser Ausführungsform
die Gaspedalbetätigung
APS) in eine Ausgabe (ähnlich
die Drosselklappenöffnung
TPS) ist und keiner spezifischen Einschränkung unterliegt und daß verschiedene
Funktionen als Funktion C(s) angewendet werden können. Zur Vereinfachung der
Beschreibung ist angenommen, daß in dieser
Ausführungsform
C(s) = 1 ist.
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Ferner weist erfindungsgemäß der Vorhersagekompensator
1a keine
Totzeit auf, die durch die Vorrichtung berücksichtigt werden muß, die in
der o. g.
JP-A-2001-132501 offenbart
ist. Dadurch kann der Vorhersagekompensator
1a vereinfacht
sein, und verschiedene Steuerverfahren können zur Anwendung kommen,
um einen Vorhersagewert (Vorhersage) anhand eines Sollwerts (Soll)
zu erhalten. Zur weiteren Reduzierung einer Schwingung eines Fahrzeugs,
z. B. durch Zustandsrückkopplung, kann
eine willkürliche
Dämpfung
zugeordnet sein (Polvorgabe). Berücksichtigt man in dieser Ausführungsform
einen Fall, daß eine
gewisse Nichtlinearität eine
Rolle spielt (in einem Kraftfahrzeugmotor zeigt das erzeugte Drehmoment
Nichtlinearität
im Hinblick auf eine Gaspedalbetätigung),
ist eine solche einfache Dämpfung,
bei der Kraft umgekehrt zur Geschwindigkeit ausgeübt wird,
gemäß
1 zugeordnet.
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In dieser Ausführungsform wird die Motorausgangsleistung
gesteuert, um eine Fahrzeugschwingung zu unterdrücken, ohne das Beschleunigungsgefühl zu beeinträchtigen,
und 3 zeigt eine Wellenform
der Vorwärts-
und Rückwärtsbeschleunigung
des Fahrzeugs bei normaler Beschleunigung. Ist der Kompensator 1a zusätzlich vorgesehen,
wird eine Soll-Beschleunigung anhand der Wellenform unter Beachtung
dreier Faktoren ➀ bis ➂ eingestellt. Zu beachten
ist, daß ➀ bis ➂ gemäß der nachfolgenden
Aufstellung jeweils ➀ bis ➂ in 3 entsprechen.
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➀ Stoßreduzierung: Da der Stoß eine Beschleunigung
in negativer Richtung ist, die dem Wunsch nach Beschleunigung entgegensteht,
kommt Dämpfung
zur Anwendung, um den Stoß auf
höchstens
0,1 G zu reduzieren, so daß der
Fahrgast kein unangenehmes Gefühl
hat.
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➁ Beibehaltung der Anstiegszeit:
Da die Anstiegszeit (Zeit, in der der Istwert von 10 % auf 90 %
des Sollwerts steigt) ein Faktor ist, der ein Beschleunigungsgefühl verleiht,
wird sie weitgehend variationsfrei gehalten.
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➂ Verfolgung des Sollwerts:
ein Zustand, in dem der Fahrer fahren kann. Die Beschleunigung wird
einem durch das Gaspedal angezeigten Wert nach Ablauf eines bestimmten
Zeitintervalls angenähert,
so daß ein
Rückkopplungsbetrieb
des Fahrers wegen Nichterreichen des Sollwerts als Ergebnis der
Steuerung nicht durchgeführt
werden kann.
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1. Erstellung eines Fahrzeugmodells
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Ein Fahrzeugmodell wurde auf der
Grundlage von 2 erstellt.
Das Fahrzeugmodell verfügt über ein Antriebssystem-Torsionsmodell aus
einem Motor 11 → Getriebe 12 → Ausgleichsrad 13 → Reifen 14 sowie
ein Fahrzeugbewegungsmodell aus Halterungen, Aufhängungen
usw. zum Übertragen
einer Tor sionsschwingung des Antriebssystems auf die Fahrzeugkarosserie
unter Berücksichtigung
der Elastizität
von ihnen. Das Fahrzeugmodell wurde als zweidimensionales nichtlineares
Modell mit insgesamt 10 Freiheitsgraden erstellt, u. a. drei
Freiheitsgrade des Schwungrads, der Zahnräder und Reifen, ein Freiheitsgrad
der Aufhängungen,
drei Freiheitsgrade der Vorwärts-
und Rückwärtsbewegung,
Aufwärts-
und Abwärtsbewegung
und Drehung des Antriebsaggregats (Motor und Getriebe) und der Karosserie
als starrer Körper.
Bei Darstellung des Fahrzeugmodells in einer Matrix unter Berücksichtigung
von Dämpfung
der Faktoren ist es durch den folgenden Ausdruck (1) gegeben:
[M]{Ẍ} + [C]{Ẋ}
+ [K] {X} = {F} (1)wobei
[M]: 10x10-Trägheitsmatrix
[C]:
10x10-Dämpfungsmatrix
[K]:
10x10-Steifigkeitsmatrix
{F}: 10x1-Kraftvektor
{X}: 10x1-Verschiebungsvektor
Ẋ :
Geschwindigkeit (Ableitung erster Ordnung)
Ẍ : Beschleunigung
(Ableitung zweiter Ordnung)
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Eine Parameterkorrektur für die Matrizen
des o. g. Ausdrucks wurde durch einen realen Fahrzeugversuch durchgeführt.
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4 zeigt
eine Skizze eines gesamten Simulationsmodells. Gemäß 4 weist das Simulationsmodell
drei Blöcke
mit einem Modellvorhersagekompensator 1a, einem Motormodell
EM und einem Fahrzeugmodell VM mit 10 Freiheitsgraden auf. Ferner
werden in dieser Ausführungsform
ein Gesamtleistungskennfeld und ein Verzögerungsfaktor für das Motormodell
EM verwendet. Die Bildung des Verzögerungsfaktors erfolgte unter
Beachtung einer Ansaugverzögerung
(Primärverzögerung)
durch das Ansaugrohr und einer Verarbeitungsverzögerung (Totzeit) in der Umwandlung
als Drehmoment nach einer Verzögerung
um 3 Takte von einem Ansaugtakt zu einem Arbeitstakt. Ferner
empfängt
das Motorgesamtleistungskennfeld Getriebelastinformationen als Eingabe
vom Fahrzeugmodell VM. Außerdem
gibt das Fahrzeugmodell VM Vorwärts-
und Rückwärtsschwingungsinformationen
des Fahrzeugs aus.
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2. Umwandlung eines Vorhersagemodell
in ein dimensionsärmeres
Modell
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Allgemein läßt sich die Übertragungsfunktion
von einer Eingabe u(s) zu einer Ausgabe y(s) eines Systems n-ter
Ordnung durch den folgenden Ausdruck (2) darstellen:
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Um aber bei einer Steuerung, für die Echtzeit-Steuerfähigkeit
erforderlich ist, arithmetische Operationen der Übertragungsfunktion höherer Ordnung
von Ausdruck (2) durchzuführen,
ist der Gebrauch einer verbreiteten MPU (Mikroprozessoreinheit)
im Hinblick auf die Operationsgeschwindigkeit und Genauigkeit nachteilig.
Somit ist es notwendig, ein Modell in ein dimensionsärmeres Modell
in einem Bereich zweckmäßig umzuwandeln,
indem die ursprünglichen
Eigenschaften des Modells nicht aufgegeben werden.
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Im übrigen läßt sich die Ausgangswellenform
der Vorwärts-
und Rückwärtsbeschleunigung
der Fahrzeugkarosserie (oder der Antriebswellen-Winkelbeschleunigung)
der Ausgangsleistung als Reaktion auf eine schrittweise Gaspedalbetätigungsvariation
(APS) oder Drosselklappenöffnungsvariation
(TPS) einem Verhalten eines Verzögerungssystems
zweiter Ordnung anhand einer Kennlinie der Wellenform annähern (siehe
5). Ist insbesondere der Übertragungskennwert
von den Gaspedalbetätigungsinformationen
APS zur Vorwärts-
und Rückwärtsbeschleunigung
der Fahrzeugkarosserie durch G(s) dargestellt, kann G(s) näherungsweise
mit dem folgenden Ausdruck (3) wiedergegeben werden:
wobei K
p eine
Proportionalverstärkung, ξ und ω
n ein Dämpfungskoeffizient
bzw. eine Eigenfrequenz (grundlegender Ordnung) der Vorwärts- und
Rückwärtsschwingung
der Fahrzeugkarosserie und s ein Laplace-Operator ist.
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Der Ausdruck (3) kann als Vorhersagemodell
zur Bildung des Vorhersagemodellkompensators 1a verwendet
werden.
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Hierbei sei ein Rückkopplungssteuersystem gemäß 6 als Vorhersagemodellkompensator 1a betrachtet.
Gemäß 6 dient eine Funktion F(s)
zum Umwandeln einer eingegebenen Gaspedalbetätigung (APS) in ein Ausgangsdrehmoment.
Eine weitere Funktion F-
1(s)
dient zum Umwandeln eines eingegebenen Drehmoments in eine Drosselklappenöffnung (TPS).
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Der Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt
2 im Rückkopplungssteuersystem
hat eine Übertragungsfunktion
G(s) = 1/(s2 + 2ξ ωns
+ ω2
n) des Sekundärverzögerungssystems
und ein Ableitungsteil, das die Ableitung einer von der Übertragungsfunktion
G(s) ausgegebenen Verschiebung x bildet und eine Verschiebungsgeschwindigkeit
dx/dt ausgibt (durch ẋ in 6 dargestellt).
Außerdem
erfolgt durch den Rückkopplungskorrekturabschnitt 3 die
Rückkopplungskorrektur
eines Dämpfungsdrehmoments
zur Ausgabe der Funktion F(s), um die Schwingung zu unterdrücken, die
auf der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt 2 vorhergesagten
Schwingungskomponente dx/dt beruht.
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Hierbei kann das Ausgangssignal u(s)
durch den folgenden Ausdruck (
4) unter Verwendung des Eingangssignals
r(s) dargestellt werden:
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Somit ist die Übertragungsfunktion vom Eingangssignal
r(s) zum Ausgangssignal u(s) in geschlossener Schleife durch den
folgenden Ausdruck (5) gegeben:
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Demzufolge ist die Übertragungsfunktion
von der Eingabe r(s) zur Ausgabe y(s) als folgender Ausdruck (6)
anhand der Ausdrücke
(3) und (5) gegeben:
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Ferner erhält man durch Einsetzen von ξ' = ξ +
K/2ωn (7) in
den Ausdruck (6) einen Soll-Dämpfungskoeffizient ξ' durch Einstellen
der Verstärkung
K.
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Hierbei ist es möglich, den Rückkopplungskorrekturabschnitt 3 gemäß 1 mit einem Steuerverstärkungs-Variationsabschnitt
(Steuerverstärkungs-Variationsschritt)
(nicht gezeigt) zum Einstellen der Steuerverstärkung K zu versehen. Die Verstärkung K
hat einen Wert, der in allen Fällen
bestimmt wird, wenn der Soll-Dämpfungskoeffizient ξ' und die Eigenfrequenz ωn bestimmt werden. Allerdings ist es möglich, den Soll-Dämpfungskoeffizient ξ' zusätzlich als
Reaktion auf die Geschwindigkeit der Fahrzeugkarosserie-Schwingungsamplitude
zu variieren, um die Effektivität
der Verstärkung
K (den Wirkungsgrad) zu justieren. Zum Beispiel kann die Verstärkung K
so eingestellt sein, daß die
Verstärkung
mit der Solldämpfung ξ' = 1 in einem bestimmten
Bereich der Schwingungsgeschwindigkeit gemäß 14 wirken kann. Alternativ kann die Verstärkung K
so eingestellt sein, daß sie
eine Totzone hat, so daß die
Verstärkung
nicht im vorbestimmten Bereich der Schwingungsgeschwindigkeit gemäß 15 wirken kann.
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Wird die Steuerverstärkung variabel
eingestellt, so daß die
Steuerverstärkung
in der Richtung, in der die Schwingung unterdrückt wird, als Reaktion auf
eine Zunahme der Schwingungskomponente auf diese Weise steigen kann,
läßt sich
die Schwingungsunterdrückungswirkung
erhöhen.
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3. Bestätigung von
Wirkungen eines Vorhersagemodellkompensators durch Simulation
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Es folgt eine Beschreibung einer
Schwingungsunterdrückungswirkung
durch den Vorhersagekompensator 1a bei einer maximalen Übersetzung
(z. B. im ersten Gang), bei der ein Beschleunigungsstoß die größte Rolle
spielt.
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Die Simulationsbedingungen waren,
daß der
Vorhersagekompensator 1a diskretisiert wurde (Abtastzeit
= 10 ms) und daß die
eingegebenen Gaspedalbetätigungsinformationen
APS bis zu einem Sollwert für
0,1 Sekunde schrittweise variiert wurden, was die Schwingungsdämpfungswirkung
bestätigte.
Als Ergebnis wurde bestätigt,
daß die
Amplitude der Vorwärts-
und Rückwärtsschwingung
der Fahrzeugkarosserie durch Einsatz des Vor hersagekompensators 1a in 7 erheblich zurückging.
Zu beachten ist, daß in 8 eine Strichlinie die Variation
der Gaspedalbetätigung
anzeigt. Ist der Vorhersagekompensator 1a zur Unterdrückung der Schwingung
für eine
solche schrittweise Gaspedalbetätigungsvariation
wie in der Darstellung durch die Strichlinie vorgesehen, wird die
Drosselklappenöffnung
gemäß einer
solchen Kennlinie gesteuert, wie sie eine Vollinie in 8 zeigt.
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Im übrigen kann der Vorhersagekompensator 1a in
dieser Ausführungsform
möglicherweise
eine gewisse Beeinträchtigung
seiner Schwingungsdämpfungswirkung
infolge des Vorhandenseins eines Fehlers mit einer Resonanzfrequenz
o. ä. zeigen,
der durch Variation des Fahrzeuggewichts durch Zu- oder Abnahme
der Anzahl von Fahrgästen
oder der Beladung oder durch eine Differenz zwischen der Ist-Übersetzung
und Soll-Übersetzung
verursacht ist.
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Daher wurde die Leistungsbeeinträchtigung
eines Kompensators als Ergebnis eines solchen o. g. Fehlers untersucht.
Simuliert wurde insbesondere die Resonanzfrequenzvariation, wenn
das Fahrzeuggewicht um 260 kg zunahm (angenommen wurde, daß das Körpergewicht
pro Person 65 kg betrug und vier Fahrgäste außer dem Fahrer im Fahrzeug
saßen),
weil die Anzahl von Fahrgästen
o. ä. stieg.
Zu beachten ist, daß 9 die Resonanzfrequenzvariation
bei einer Übersetzung
von 2,3 zeigt, während 10 die Resonanzfrequenzvariation
bei einer Übersetzung
von 1 zeigt. Als Ergebnis wurde bestätigt, daß bei beiden Übersetzungen
eine Frequenzvariation unter 2 % auftrat und keine wesentliche Variation
der Resonanzfrequenz vorlag.
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Danach wurde angenommen, daß die Ist-Resonanzfrequenz
einen Fehler von -30 % bis +30 % infolge eines Meßfehlers
oder einer gewissen anderen Störung
aufwies, und die Leistungsbeeinträchtigung des diskreten Kompensators
wurde untersucht (siehe 11).
Als Ergebnis wurde bestätigt,
daß unter
Berücksichtigung
der Beschleunigungsleistung eine kleinere Leistungsbeeinträchtigung
bei einem Fehler auf der positiven Seite auftrat, d. h. wenn die
gemessene Resonanzfrequenz höher
als die Ist-Resonanzfrequenz war.
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Ferner wurde bestätigt, daß auch bei einem gewissen Fehler
der Einsatz des Vorhersagekompensators 1a das System nicht
destabilisiert.
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4. Bestätigung der
Schwingungsunterdrückung
im realen Fahrzeugversuch
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Zum Nachweis der Wirkung wurde zudem
ein realer Fahrzeugversuch durchgeführt. Die Versuchsbedingungen
waren so, daß das
Getriebe auf die unterste Schaltposition eingestellt war (Übersetzung
= 2,3), bei der das Fahrzeug dem stärksten Beschleunigungsstoß ausgesetzt
ist, daß bestätigt wurde,
daß sich
die Direktkupplung des Drehmomentwandlers im direkten Kupplungszustand
ab einem allmählichen
Abbremszustand befand, um einen mildernden Einfluß auf den
Beschleunigungsstoß durch
die Direktkupplung auszuschließen,
und daß wieder
beschleunigt wurde, wenn die Motordrehzahl auf 1500 U/min stieg.
Um die Beschleunigungsbedingung gleichmäßig zu machen, wurde der Maximalwert
der Drehmomentvariation auf 100 Nm festgesetzt. 12 veranschaulicht die Vorwärts- und
Rückwärtsbeschleunigung
der Fahrzeugkarosserie, und 13 zeigt
die Motordrehmomentvariation. Aus den genannten Ergebnissen geht
hervor, daß bei
Verwendung der Vorrichtung der Erfindung zur Ausgangsleistungssteuerung
für einen
Verbrennungsmotor die Schwingung (der Stoß) auf 0,08 G reduziert werden
kann, was im zulässigen
Bereich ohne Beeinträchtigung der
Beschleunigungsleistung liegt.
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Da beschreibungsgemäß eine Schwingungskomponente,
die am Fahrzeug erzeugt wird, unter Verwendung eines vorbestimmten
Vorhersagemodells anhand eingegebener Gaspedalbetätigungsinformationen (eines
Solldrehmoment-Korrelationswerts) vorhergesagt und die Gaspedalbetätigung auf
der Grundlage der vorhergesagten Schwingungskomponente rückkopplungskorrigiert
wird, um die Schwingung zu unterdrücken, ist es möglich, die
Schwingung vorab vorherzusagen und die Gaspedalbetätigung zu
korrigieren, um die vorhergesagte Schwingung zu unterdrücken. Folglich
läßt sich
die Erzeugung einer Schwingung wirksam unterdrücken. Da außerdem eine Schwingungskomponente,
die am Fahrzeug erzeugt werden kann, unter Verwendung eines vorbestimmten
Vorhersagemodells anhand der Gaspedalbetätigungsin formationen vorhergesagt wird,
besteht keine Notwendigkeit, Totzeit usw. wie in einem Fall zu berücksichtigen,
in dem eine Ist-Schwingung rückgekoppelt
wird. Dadurch läßt sich
das Steuerverfahren vereinfachen, und die Schwingung kann wirksam
unterdrückt
werden.
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Obwohl ferner das o. g. vorbestimmte
Vorhersagemodell auf der Grundlage einer Übertragungsfunktion eines Sekundärverzögerungssystems
festgelegt wird, kann aufgrund der Tatsache, daß die Übertragungsfunktion des Sekundärverzögerungssystems
starke Näherung
an eine schrittweise Variation des Solldrehmoment-Korrelationswerts
zeigt, die Schwingung wirksam unterdrückt werden, während die
vergleichsweise einfache Übertragungsfunktion
verwendet wird.
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Da ferner der im Rückkopplungskorrekturabschnitt 3 vorgesehene
variable Steuerverstärkungs-Einstellabschnitt
die Steuerverstärkung
auf einen erhöhten
Wert als Reaktion auf eine Zunahme der durch den Schwingungskomponenten-Vorhersageabschnitt 2 vorhergesagten
Schwingungskomponente einstellt, wird die Steuerverstärkung in
der Richtung, in der die Schwingung unterdrückt wird, auf einen erhöhten Wert
als Reaktion auf die Erhöhung
der Schwingungskomponente eingestellt. Somit läßt sich die Schwingung wirksam unterdrücken.
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Werden ferner die Schwingungskomponentenvorhersage
und die Rückkopplungskorrektur
mindestens drei Takte vor der Erzeugung der Ausgangsleistung des
Motors durchgeführt,
so kann aufgrund der Tatsache, daß die Rückkopplungskorrektur durch
Vorhersage rechtzeitig unter Berücksichtung
von Verzögerungsfaktoren,
z. B. Totzeit, erfolgt, die Schwingung wirksam unterdrückt werden.
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Vorzugsweise wird der Solldrehmoment-Korrelationswert
auf der Grundlage einer Gaspedalbetätigung berechnet, und der Betrieb
des Ausgangsleistungs-Einstellteils wird auf der Grundlage des korrigierten Solldrehmoment-Korrelationswerts
gesteuert. Bei Einsatz dieser Konfiguration läßt sich auch ein Stoß beim Beschleunigen
wirksam verhindern.
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Während
eine Ausführungsform
der Erfindung zuvor beschrieben wurde, ist zu beachten, daß die Erfindung
nicht auf die beschriebene Konfiguration beschränkt ist, sondern ver schiedene Änderungen
und Abwandlungen möglich
sind, ohne vom Schutzumfang und Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.
Während
z. B. in der o. g. Ausführungsform
die Drosselklappe als Beispiel für
ein Ausgangsleistungs-Einstellteil Anwendung findet, kann eine Zündspule,
eine Einspritzdüse
oder ein anderes Teil als Ausgangsleistungs-Einstellteil genutzt
werden. Während
ferner in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Erfindung auf
einen Ottomotor angewendet ist, kann die Erfindung natürlich auch
auf einen Dieselmotor angewendet sein. In diesem Fall kann eine ähnliche
Steuerung wie in der beschriebenen Ausführungsform mit der Ausnahme
Anwendung finden, daß die
Ausgabe durch eine Kraftstoffeinspritzmenge ersetzt ist.
