DE19523898A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Antriebsiebseinheit eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Aus der EP 447 393 B1 (US-Patent 5,209,203) ist ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Drehmoments einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei zur Dämpfung von Schwin­ gungen im Triebstrang des Fahrzeugs der Zündwinkel einer Brennkraftmaschine verändert wird. Es wird vorgeschlagen, anhand der Differenz zwischen der Raddrehzahl des Fahrzeugs und der Motordrehzahl der Brennkraftmaschine den Zündwinkel der Brennkraftmaschine im Sinne einer Verkleinerung dieser Differenz zu verändern. Ein solcher Regler zeigt eine starke Arbeitspunktabhängigkeit, da die bezüglich der auftretenden Schwingungen entscheidende Größe des Motordrehmoments nur unzureichend berücksichtigt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine optimierten Regler zur Vermeidung von Schwingungen im Antriebsstrang anzugeben.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi­ gen Patentansprüche erreicht.

Aus der DE 42 39 711 A1 ist die Berechnung des von einer Brennkraftmaschine erzeugten Verbrennungsmoments auf der Basis der gemessenen Motordrehzahl sowie der der Brenn­ kraftmaschine zugeführten Luftmasse bekannt. Ferner wird dort zur Steuerung einer Brennkraftmaschine eine Veränderung des Zündwinkels abhängig von einer vorgegebenen Motormomen­ tenänderung beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Regler vermeidet Schwingungen im An­ triebsstrang einer Brennkraftmaschine. In besonders vorteil­ hafter Weise ergibt sich eine Arbeitpunktunabhängigkeit des Regler, so daß eine stabilere Regelung und einfachere Ausle­ gung des Reglers möglich ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Schwingung durch Ver­ gleich der Motordrehzahl mit einer aus dem Drehmoment der Antriebseinheit ermittelten Modelldrehzahl isoliert wird. Dadurch wird das vom eingestellte Drehmoment und damit der Fahrerwunsch selbst mitberücksichtigt.

Besonders vorteilhafte, das ein einfaches Modell zur Ermitt­ lung der Modelldrehzahl eingesetzt werden kann.

Besonders vorteilhafte Eigenschalten zeigt der Regler bei einem sogenannten Lastschlag, beim Übergang vom Schiebe- in den Zugbetrieb.

Durch den einfachen Aufbau des Reglers ist eine Implementie­ rung im Rechner mit einer niedrigen Rechnerbelastung mög­ lich. Das implementierte Reglerprogramm wird dabei win­ kelsynchron abgearbeitet.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Übersichtsblockschaltbild eines Steuersystems für eine Brennkraftmaschine, während in Fig. 2 der erfin­ dungsgemäße Regler anhand eines Blockschaltbilds dargestellt ist. Die Fig. 3 und 4 zeigen anhand von Zeitdiagrammen des Drehzahl- und Momentenverlaufs die vorteilhaften Auswir­ kungen des erfindungsgemäßen Reglers.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 1 zeigt ein Übersichtsblockschaltbild eines Steuer­ systems für eine Brennkraftmaschine. Dabei ist mit 10 eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine symbolisiert, welche über ein Ansaugsystem 12 sowie eine Abtriebswelle 14 verfügt. Im Ansaugsystem 12 ist u. a. eine Meßeinrichtung 16 zur Erfas­ sung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine (Luftmasse, Luft­ menge, Saugrohrdruck) vorgesehen, von der eine Leitung 18 zu einer elektronischen Steuereinheit 20 zur Steuerung der Brennkraftmaschine ausgeht. Im Bereich der Abtriebswelle 14 ist eine Meßeinrichtung 22 zur Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 dargestellt, von der eine Leitung 24 zur Steuereinheit 20 führt. Die Steuereinheit 20 weist wei­ tere Eingangsleitungen 26 bis 28 von Meßeinrichtungen 30 bis 32 zur Erfassung weiterer Betriebsgrößen der Brennkraftma­ schine und/oder des Fahrzeugs auf. Derartige Betriebsgrößen sind beispielsweise Motortemperatur, Fahrzeuggeschwindig­ keit, Gaspedalbetätigungsgrad (Fahrerwunsch), Getriebestel­ lung, Steuersignale von weiteren Steuereinheiten (Getriebsteuerung, Antriebsschlupfregelung), etc. Über we­ nigstens eine Ausgangsleitung 34 steuert die Steuereinheit den Zündwinkel der Brennkraftmaschine. Ferner weist die Steuereinheit 20 weitere Ausgangsleitungen 36 zur Beeinflus­ sung der Kraftstoffzumessung sowie ggf. eine Ausgangsleitung 38 zur Beeinflussung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine auf.

Die Steuereinheit 20 führt die dem Fachmann bekannten, im folgenden nicht näher dargestellten Funktionen zur Steuerung von Zündwinkel, Kraftstoffeinspritzung und/oder Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine aus. Ferner umfaßt die Steuereinheit 20 den im folgenden dargestellten Regler zur Vermeidung von Schwingungen im Triebsstrang.

Durch die Elastizität der Abtriebswelle 14 treten insbeson­ dere beim Übergang vom Schiebebetrieb der Brennkraftmaschine in den Beschleunigungsbetrieb Schwingungen auf, die sich auf das Fahrzeug übertragen und dem Fahrkomfort und das Fahrver­ halten des Kraftfahrzeugs erheblich beeinträchtigen können.

Betrachtet man den Antriebstrang des Fahrzeugs (Motor, Ab­ triebswelle, angetriebene Last) als ein Masse-Feder-System (Zweimassenschwinger) lassen sich die Schwingungen mit Hilfe des eingangsseitigen Drehmoments (Motormoment) sowie des ausgangsseitigen Drehmoments beschreiben. Letzteres wird näherungsweise als die Summe von (geeignet gewichteten) Differenzen zwischen Eingangs- und Ausgangsdrehzahl und zwi­ schen Ein- und Ausgangswinkel des Triebstrangs dargestellt.

Ausgehend von dieser Erkenntnis hat sich ein Regler als ge­ eignet erwiesen, welcher das vom Motor abgegebene Drehmoment abhängig von der Differenz einer aus einem Beschleunigungs­ moment (Motordrehmoment minus Lastmoment) abgeleiteten Mo­ delldrehzahl und der Istdrehzahl beeinflußt. Das Beschleuni­ gungsmoment wird dabei aus der Differenz aus dem durch ein Modell berechneten indizierten Drehmoment (Verbrennungsmoment) und einer nachgebildeten Last berech­ net.

Demgemäß zeigt der erfindungsgemäße Regler die in Fig. 2 dargestellte Struktur.

Einem Kennfeld 100 werden die Leitungen 24 (Motordrehzahl) und 18 (Motorlast) zugeführt. Die Ausgangsleitung 102 führt ein das Verbrennungsmoment Mind des Motors repräsentierende Größe zum Regler 99, dort zu einer Verknüpfungsstelle 104. Das Motormoment Mind entspricht dabei einem Verbrennungsmo­ ment wie es bei Einstellung eines Basiszündwinkels (Zündwinkel eines Drehzahl/Last-Kennfeldes mit Korrekturen wie Klopfregelung, etc.) vorliegt. Die Ausgangsleitung 106 der Verknüpfungsstelle 104 führt ein das Beschleunigungsmo­ ment Mbes repräsentierende Größe auf den Integrator 108. Dessen Ausgangsleitung 110 führt eine die Modelldrehzahl nmod repräsentierende Größe auf eine zweite Verknüpfungs­ stelle 112. Dieser Verknüpfungsstelle 112 wird ferner über die Leitung 24 die Istdrehzahl nist zugeführt. Die Ausgangs­ leitung 114 der Verknüpfungsstelle 112, die eine die Differenz ndiff zwischen Modelldrehzahl und Istdrehzahl re­ präsentierende Größe trägt, führt zu einer dritten Ver­ knüpfungsstelle 116, zu einem Filter 118 und zu einem Pro­ portionalregler 120. Die Ausgangsleitung 122 des Proportio­ nalreglers 120 führt auf die Verknüpfungsstelle 104. Die Ausgangsleitung 124 des Filters 118 führt auf die Ver­ knüpfungsstelle 116. Von der Verknüpfungsstelle 116 geht ei­ ne Ausgangsleitung 126 auf einen Proportionalregler 128, dessen Ausgangsleitung 130 auf eine Element 132 führt. Des­ sen Ausgangsleitung 134 führt einen Korrekturwert des Zünd­ winkels Δzw, der einer Korrekturstelle 136 zugeführt wird. Dieser wird ferner über die Leitung 138 von einem Zündwin­ kelbestimmungselement 140 der Basiszündwinkel zwbase zuge­ führt. Dem Element 140 werden zumindest die Leitungen 18 und 24 zugeführt. Die Ausgangsleitung der Korrekturstelle 136 bildet die Leitung 34 zur Einstellung des Zündwinkels.

Im Kennfeld 100 wird aus den zugeführten Betriebsgrößen Drehzahl und Motorlast (Luftmasse, Luftmenge, Saugrohrdruck) das vom Motor erzeugte Verbrennungsmoment Mind bei Basis­ zündwinkel gebildet. In der Vergleichsstelle 104 wird dieses Verbrennungsmoment mit dem vom Proportionalregler 120 nach­ gebildeten Lastmoment ausgangsseitig am Antrieb verglichen und daraus ein Beschleunigungsmoment Mbes gebildet. Dieses Beschleunigungsmoment wird auf den Integrator 108 geführt. Dieser Integrator repräsentiert den Zusammenhang zwischen dem Beschleunigungsmoment und der Abtriebsdrehzahl für die aktuell eingelegte Gangstufe. Das Integrationsergebnis stellt demnach eine Modelldrehzahl dar, die in der Ver­ gleichstufe 112 mit der gemessenen Istdrehzahl des Motors verglichen wird. Die aus diesem Vergleich gebildete Differenzdrehzahl ndiff wird über den Proportionalregler 120 zur Vergleichsstelle 104 zurückgeführt. Der Proportionalregler 120 bildet den aus dem Zweimassenschwingermodell abge­ leiteten Zusammenhang zwischen der Differenz von Motor- und Abtriebsdrehzahl und dem Lastmoment nach. Die Proportional­ konstante weist dabei eine entsprechende Dimension auf. Die Ausgangsgröße des Proportionalreglers 120 stellt das ab­ triebsseitig am Triebstrang anliegenden Lastmoment dar, wel­ ches in der Vergleichsstelle 104 von dem vom Motor erzeugten Drehmoment zur Bildung des Beschleunigungsmoments subtra­ hiert wird.

Befindet sich das Fahrzeug im Schiebebetrieb und leitet der Fahrer durch Betätigen des Gaspedals plötzlich die Zugbe­ triebsphase ein, wird bei kleinem Lastmoment ein großes Ver­ brennungsmoment erzeugt, so daß ein großes Beschleunigungs­ moment entsteht. Dieses wird durch die verzögernde Wirkung des Integrators 108 in die Modelldrehzahl umgesetzt. Aus der Differenz zwischen Modelldrehzahl und Istdrehzahl wird das sich verändernde Lastmoment durch den Proportionalanteil 120 nachgebildet, bis nach Abschluß der Übergangsphase das nach­ gebildete Lastmoment dem Verbrennungsmoment entspricht, so­ mit das Beschleunigungsmoment zu Null wird und die Modell­ drehzahl der Istdrehzahl im wesentlichen entspricht. Ist dies der Fall, ist der Übergangszustand, der durch eine Änderung der Verdrehung der Abtriebswelle des Fahrzeugs ge­ kennzeichnet ist, abgeschlossen.

Zur Isolierung der reinen Schwingung wird aus der in der Vergleichstelle 112 gebildeten Differenzdrehzahl durch die Vergleichstelle 116 und das Tiefpaßfilter 118 der Gleichan­ teil noff im Drehzahldifferenzsignal herausgefiltert. Der durch die Tiefpaßfilterung gebildete Gleichanteil noff wird in der Vergleichsstelle 116 vom Signal subtrahiert, so daß über die Leitung 126 lediglich die Änderungen der Differenz­ drehzahl, d. h. die reine Schwingung, dem Regler 128 zuge­ führt werden. Die Filterung durch die Elemente 118 und 116 entspricht also einem Hochpaßfilter. Dieser stellt vorzugs­ weise einen Proportionalanteil dar, welcher die zur Reduzie­ rung der Drehzahlschwingung notwendige Momentenänderung ΔMAR aus der Drehzahldifferent bildet. Auch hier trägt die Pro­ portionalkonstante des Reglers die zur Umrechnung von Dreh­ zahl auf einen Momentenwert notwendige Dimensionierung. Die Momentenkorrektur ΔMAR wird im Element 132, das vorzugsweise eine vorbestimmte Tabelle darstellt, im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel in einen Korrekturwert ΔZW für den einzustel­ lenden Zündwinkel umgesetzt und im Korrekturelement 136 bei­ spielsweise durch Addition, Subtraktion oder Multiplikation auf den Basiszündwinkel aufgeschaltet. Der korrigierte Zünd­ winkel ZW wird schließlich über die Ausgangsleitung 34 ein­ gestellt, wobei die Drehzahldifferenz zwischen Modelldreh­ zahl und Istdrehzahl deutlich reduziert wird.

Die Auswirkungen des beschriebenen Reglers bei Auftreten von Triebstrangschwingungen ist anhand der Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Dabei zeigt Fig. 3 das Verhalten des Fahrzeugs ohne Regler, während in Fig. 4 das Verhalten des gleichen Fahrzeugs mit Regler dargestellt ist.

Fig. 3a stellt den Verlauf des vom Fahrer vorgegebenen Drehmoments über der Zeit dar, während in Fig. 3b die Mo­ tordrehzahl über der Zeit dargestellt ist. Bis zum Zeitpunkt T0 sei das Fahrzeug im Schiebebetrieb. Zum Zeitpunkt T0 er­ höht der Fahrer das Motormoment durch Betätigen des Gaspe­ dals bis zu einem Zeitpunkt T1. In dieser Periode steigt die Drehzahl an, wobei insbesondere zu Beginn nach dem Zeitpunkt T0 erhebliche Schwingungen der Drehzahl zu erkennen sind. Zum Zeitpunkt T1 geht das Fahrzeug durch Loslassen des Fahr­ pedals wieder in den Schiebebetrieb über. Dies führt zu ei­ nem langsamen Abfallen der Motordrehzahl, wobei auch hier Schwingungen zu erkennen sind.

Im Gegensatz dazu wird bei der entsprechenden Darstellung in Fig. 4 nach dem Zeitpunkt T0 eine erhebliche Verringerung der Schwingungen der Motordrehzahl erreicht. Entsprechendes gilt auch für das Verhalten nach dem Zeitpunkt T1. Somit wird durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Reglers Triebstrangschwingungen erheblich reduziert, zum Teil sogar eliminiert und somit Fahrkomfort und Fahrverhalten des Fahr­ zeugs erheblich verbessert.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Regler im Rahmen eines Programms berechnet. Dieses Programm, das ent­ sprechend der obigen Beschreibung arbeitet, wird dabei sychron zur Stellung der Antriebswelle (winkelsychron) abge­ arbeitet. Dies führt zu einem aktuellen Momentenkorrektur­ wert und damit zu einer genauen Kompensation der Schwingung. Dies ist möglich, da zur Bildung der Modelldrehzahl ein ein­ faches, schnell zu rechnendes Modell (Fahrzeugintegrator 108, Nachbildung des Lastmoments 120) verwendet wird.

Neben der Reglerberechnung auf der Basis des von der Brenn­ kraftmaschine erzeugten Verbrennungsmoments wird in einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ein anderes, im Bereich der Brennkraftmaschine auftretendes Drehmoment, z. B. das an der Kurbelwelle anliegende Drehmoment, verwendet.

Neben der Beeinflussung des Zündwinkels wird in einem vor­ teilhaften Ausführungsbeispiel neben oder alternativ zur Zündwinkelkorrektur ausgehend vom Momentenkorrekturwert in die Kraftzumessung und/oder Luftzufuhr eingegriffen und die Schwingungen reduziert.

Ferner ist der erfindungsgemäße Regler nicht nur auf den Einsatz bei Brennkraftmaschinen beschränkt, sondern kann in vorteilhafter Weise bei Verwendung der entsprechenden Momen­ tenwerte auch bei alternativen Antriebskonzepten, beispiels­ weise einem Elektromotor, angewendet werden, bei dem ent­ sprechende Triebsstrangschwingungen auftreten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung der Antriebseinheit eines Fahr­ zeugs, wobei ein von der Antriebseinheit abgegebenes Drehmo­ ment im Sinne einer Verringerung von Schwingungen im An­ triebsstrang des Fahrzeugs beeinflußt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beeinflussung des Drehmoments aus einem Vergleich der Drehzahl der Antriebseinheit mit einer anhand der Drehmomentzustände im Antriebsstrang des Fahrzeugs ge­ wonnenen Modelldrehzahl abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modellabtriebsdrehzahl durch Integration eines Beschleu­ nigungsdrehmoments Mbes gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschleunigungsdrehmoment Mbes abhängig von einem von der Antriebseinheit erzeugten Drehmoment Mind und dem nach­ gebildeten Lastmoment am Abtrieb des Triebsstrangs gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastmoment am Abtrieb des Triebsstrangs abhängig von der Differenz zwischen Ist- und Modelldrehzahl gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Differenzdrehzahl zwischen Ist- und Modelldrehzahl durch ein Proportionalglied in einen Drehmomentenkorrekturwert ΔMAR umgesetzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmonentenkorrekturwert in einen Korrekturwert für den Zündwinkel umgerechnet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Gleichanteil der Drehzahl­ differenz zwischen Ist- und Modelldrehzahl durch Filterung mit Hochpaßverhalten ausgefiltert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Drehmoment durch einen Regler erfolgt, der die aus einem Vergleich des vom Motor erzeugten Drehmoments und dem Lastmoment abtriebs­ seitig am Antriebsstrang isolierte Drehzahlschwingung in ei­ ne Momentenkorrektur umsetzt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als Rechenprogramm ausgeführt ist, welches win­ kelsynchron abgearbeitet wird.

10. Vorrichtung zur Steuerung der Antriebseinheit eines Fahrzeugs, mit einer Steuereinheit, die das von der An­ triebseinheit abgegebene Drehmoment im Sinne einer Verringe­ rung von Schwingungen im Antriebsstrang des Fahrzeugs beein­ flußt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Reglereinheit umfaßt, welche das Drehmoment auf der Basis von Istdrehzahl und einer aufgrund der Drehmomentzustände im Antriebsstrang ermittelten Modellabtriebsdrehzahl im Sinne einer Verringerung von Schwingungen beeinflußt.