DE19604133A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Leistungsstellelements einer Antriebseinheit - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Leistungsstellelements einer Antriebseinheit, insbesondere einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-A 39 31 455 bekannt. Dort wird ein Leistungsstellelement der Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs, vorzugsweise deren Drosselklappe, abhängig von Vorgabewerten eingestellt. Das Leistungsstellelement weist wenigstens einen mechanischen Endanschlag auf, welcher seiner Minimalposition (bei einer Drosselklappe der geschlossenen Stellung), d. h. einer Leerlaufleistung der Antriebseinheit zugeordnet ist. Bei der bekannten Lösung wird das Stellelement im Rahmen eines Stellungsregelkreises abhängig von einem Sollstellungswert eingestellt, der im Fahrbetrieb bei betätigtem Fahrpedal wenigstens aus der Fahrpedalstellung, im Leerlaufregelbereich auf der Basis einer Soll-Leerlaufeinstellung gebildet wird. Um elektrische und/oder mechanische Schäden im Bereich des Stellelements zu vermeiden, wird die dem wenigstens einen mechanischen Anschlag zugeordnete Stellung des Stellelements laufend erfaßt und daraus ein minimaler Einstellwert für das Stellelement abgeleitet. Dieser Minimalwert ist dabei derart gewählt, daß das Stellelement unter Beachtung aller Toleranzen (z. B. Temperaturdrift) nicht gegen seinen mechanischen Anschlag gesteuert wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel einer Drosselklappensteuerung beträgt die Differenz zwischen dem exakten mechanischen Anschlagswert und dem minimalen Einstellwert 0,5 bis 10 Drosselklappenwinkel, so daß durch die bekannte Lösung die Einstellung einer minimalen Leistung, im bevorzugten Ausführungsbeispiel einer minimalen Luftmenge, eingeschränkt ist. Dies kann insbesondere bei kleinen Motoren im Leerlaufregelbetrieb störend sein, wenn die Leerlaufleistung der Antriebseinheit nicht ausreichend weit reduziert werden kann. Besonders gravierend ist dies bei einem hohen Leckluftanteil im Leerlaufregelbereich. Dabei wird unter Leckluft die Luftmenge verstanden, die nicht durch das Leistungsstellelement beeinflußbar ist (z. B. auch die über luftumfaßte Einspritzventile fließende Luftmenge).

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe der Einstellbereich des Stellelements erweitert werden kann, ohne daß elektrische und/oder mechanische Schäden durch Anfahren des wenigstes einen mechanischen Anschlags entstehen.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.

Aus der DE-A 36 31 283 (US-Patent 4 947 815) ist ein Stellelement für die Luftzufuhr zu einer Brennkraftmaschine bekannt, welches einen mechanischen Minimalanschlag aufweist.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird der Einstellbereich des Stellelements erweitert. Dabei werden elektrische und/oder mechanische Schäden, die beim Steuern des Stellelements gegen den mechanischen Anschlag auftreten können, vermieden.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Erweiterung des Einstellbereichs nur im Leerlaufregelbereich, das heißt bei aktiver Leerlaufregelung, vorgenommen wird. Dadurch wird der Leerlaufregelbereich über den gelernten Minimaleinstellwert bis zum mechanischen Endanschlag des Stellelements erweitert.

Vorteilhaft ist ferner, daß in diesem Bereich durch Überwachung des Stromes durch den Motor des Stellelements das Erreichen des mechanischen Anschlags zuverlässig erkannt und durch entsprechende Beeinflussung des Stellelements elektrische und/oder mechanische Schäden vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß eine deutliche Reduzierung der regelbaren minimalen Luftmenge erreicht wird, so daß eine Reduzierung der Leerlaufdrehzahl, der Einsatz von luftumfaßten Einspritzventilen möglich ist und/oder die Abhängigkeit der Leerlaufdrehzahl von der auftretenden Leckluft reduziert wird.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung bei kleinvolumigen Motoren.

Vorteilhaft ist ferner die Beibehaltung des gelernten Minimalwertes außerhalb des Leerlaufbereichs als Untergrenze für die Einstellung des Stellelements, wodurch ein dynamisches Anfahren des mechanischen Anschlages und die daraus möglicherweise resultierenden mechanischen und/oder elektrischen Schäden im Bereich des Stellelements ausgeschlossen wird.

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

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Steuereinheit zur Steuerung eines Leistungsstellelements, während in Fig. 2 die erfindungsgemäße Lösung anhand eines Flußdiagramms dargestellt ist. Dieses Flußdiagramm skizziert die Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung im Rahmen eines Programms für den wenigstens einen Mikrocomputer der Steuereinheit. In Fig. 3 schließlich ist die erfindungsgemäße Lösung anhand von Zeitdiagrammen dargestellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist eine Steuereinheit zur Steuerung eines Leistungsstellelements einer Antriebseinheit dargestellt. Die Steuereinheit umfaßt dabei wenigstens einen Mikrocomputer 10, der über seine Ausgangsschaltung 12 über wenigstens eine Ausgangsleitung 14 mit einer Endstufenschaltung 16 verbunden ist. Dem Mikrocomputer 10 werden über seine Eingangsschaltung 18 verschiedene Eingangsleitungen zugeführt: Eine Eingangsleitung 20 von einer Meßeinrichtung 22 zur Erfassung der Fahrpedalstellung, eine Eingangsleitung 24 von einer Meßeinrichtung 26 zur Erfassung der Motordrehzahl, weitere Eingangsleitungen 28 bis 30 von Meßeinrichtungen 32 bis 34 zur Erfassung weiterer Betriebsgrößen von Antriebseinheit bzw. Kraftfahrzeug, wie die Stellung des Stellelements, die Motortemperatur, etc., und eine Eingangsleitung 36 von der Endstufenschaltung 16. An die Endstufenschaltung 16 ist ferner über zwei Anschlußleitungen 38 und 40 das elektrisch betätigbare Stellelement 42 angeschlossen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Leistungsstellelement 42 um eine elektrisch betätigbare Drosselklappe einer Brennkraftmaschine, die mit einem Gleichstrommotor gegen die Kraft einer Rückstellfeder eingestellt wird. Der Gleichstrommotor ist dabei über die Anschlußleitungen 38 und 40 an die Anschlüsse der Endstufenschaltung 16 angeschlossen, die in diesem Ausführungsbeispiel als Vollbrückenschaltung ausgelegt ist. Der Gleichstrommotor ist dabei in der Diagonalen der Brückenschaltung angeordnet. Mittels wenigstens eines Meßwiderstandes wird der durch den Motor fließende Strom in der Endstufenschaltung 16 ermittelt und über die Leitung 36 dem Mikrocomputer 10 zugeführt. Über wenigstens ein Ansteuersignal, welches im bevorzugten Ausführungsbeispiel ein pulsweitenmoduliertes Signal ist, wird die Vollbrückenendstufe derart angesteuert, daß sich der Motor und damit das Stellelement vorwärts oder rückwärts bewegt oder sich in einer bestimmten Stellung hält.

Neben dem Einsatz eines herkömmlichen Gleichstrommotors (DC-Motor) werden in anderen Ausführungsbeispielen elektrisch kommutierte Motoren, Drehsteller, Schrittmotoren etc., eingesetzt, wobei die genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls erreicht werden. Darüber hinaus ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur auf eine Drosselklappe als Leistungsstellelement beschränkt, sondern kann in entsprechender Weise bei allen Leistungsstellelementen einer Antriebseinheit eingesetzt werden, die wenigstens einen mechanischen Endanschlag aufweisen (zum Beispiel Regelstangen von Einspritzpumpen).

Über die Eingangsleitungen 20 bis 36 empfängt der Mikrocomputer 10 die zur Steuerung des Leistungsstellelements und damit zur Einstellung der Leistung der Antriebseinheit notwendigen Betriebsgrößen. Dabei wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel das Leistungsstellelement abhängig von wenigstens der Fahrpedalstellung außerhalb eines Leerlaufregelbereichs eingestellt, während im Leerlaufregelbereich das Leistungsstellelement zur Einstellung einer vorgegebenen Motordrehzahl eingestellt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt dabei der Leerlaufregelbereich vor, wenn das Fahrpedal nicht betätigt ist. Darüber hinaus können weitere Kriterien zur Erkennung des Leerlaufregelbereichs vorgegeben werden, z. B. wenn Fahrgeschwindigkeit und/oder Motordrehzahl vorgegebene Schwellen unterschreiten, die alternativ oder ergänzend die Leerlaufregelung aktivieren.

Außerhalb des Leerlaufregelbereichs wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel auf der Basis der Fahrpedalstellung und gegebenenfalls weiterer Betriebsgrößen wie Motordrehzahl, Gangstellung, etc. ein Einstellsollwert für das Leistungsstellelement gebildet. Dieser wird dann im Rahmen eines Stellungsregelkreises mit einem beispielsweise PID- Verhalten aufweisenden Regler abhängig von der Differenz zwischen diesem Vorgabewert und der Iststellung eingeregelt. Im Leerlaufregelbereich wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorgabewert für die Einstellung des Leistungsstellelements auf der Basis des Ausgangssignals eines Leerlaufdrehzahlreglers bestimmt. Dieser bildet abhängig von einem Sollwert, der abhängig von Betriebsgrößen wie Motortemperatur, Batteriespannung, etc. vorgegeben wird, und der Istdrehzahl nach einer vorgegebenen Regelstrategie (zum Beispiel PID) ein Ausgangssignal im Sinne einer Einstellung der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl. Dieses Ausgangssignal stellt den Vorgabewert für den nachfolgenden Stellungsregelkreis des Leistungsstellelements 42 dar.

Neben einem Stellungsregelkreis werden in anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen Drehmomentenregelkreise, Lastregelkreise, Luftmengen- oder Luftmassenregelkreise, etc. eingesetzt, in deren Rahmen das Leistungsstellelement eingestellt wird.

Ferner umfaßt der Mikrocomputer 10 Maßnahmen zur Erfassung der aktuellen Stellung des Stellelements am wenigstens einen mechanischen Anschlag, vorzugsweise dem Leerlaufanschlag des Stellelements, und zur Bildung eine Einstellgrenze αmin für die Einstellung des Stellelements 42, wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, diese Grenze für den Normalbetrieb (Teillast, Vollast, Schub) beizubehalten, damit ein dynamisches Anfahren des unteren mechanischen Anschlags und die dadurch mögliche mechanische und/oder elektrische Beschädigung (beispielsweise Beschädigung des zwischen Motor und Drosselklappe eingesetzten Getriebes) ausgeschlossen ist. Im Leerlaufregelbereich wird der Einstellbereich des Stellelements bis zu diesem unteren mechanischen Anschlag erweitert, wobei kontinuierlich der Strom durch den Stellmotor des Stellelements überwacht wird. Durch diese Maßnahme kann im Leerlaufregelbereich das Stellelement unter die vorgegebene Grenze des Normalbetriebs eingestellt werden. Durch Überwachung des Motorstroms, der bei Erreichen des mechanischen Anschlags durch das Stellelement sich deutlich erhöht, wird die Regelung im Leerlaufbereich überwacht. Steigt der Motorstrom über eine zulässige Grenze an, so wird die Einstellung des Stellelements derart beeinflußt, daß der Motorstrom unter eine zulässige Grenze sinkt. Dies kann sowohl im Rahmen einer Stromregelung als auch durch Vorgabe eines aktuellen Minimalwerts für die Einstellung des Stellelements im Leerlaufregelbereich realisiert werden. Auf diese Weise kann das Stellelement stets auf den mechanischen Anschlag eingestellt werden, wobei die Leerlaufregelung unabhängig von der gelernten Grenze des Normalbetriebs auf die tatsächliche minimale Stellung gesteuert werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Programm des Mikrocomputers 10 realisiert. Ein Beispiel hierfür ist als Flußdiagramm in Fig. 2 skizziert.

Der dort gezeigte Programmteil wird zu vorgegebenen Zeitpunkten, beispielsweise alle 10 bis 100 msec, eingeleitet. Nach Start des Programmteils werden im ersten Schritt 100 die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Lösung notwendigen Betriebsgrößen eingelesen:
Fahrpedalstellung β, Motordrehzahl Nmot, Leerlaufsolldrehzahl NmotSoll, Stellung des Stellelements αIst, Strom I durch den Stellmotor, Grenzwert αmin für die Einstellung des Stellelements im Normalbetrieb sowie weitere Betriebsgrößen (Gangstellung, Motortemperatur, Batteriespannung, etc). Im darauffolgenden Abfrageschritt 102 wird überprüft, ob sich die Brennkraftmaschine im Leerlaufregelbereich befindet. Die Brennkraftmaschine befindet sich im Leerlaufregelbereich, wenn das Fahrpedal losgelassen oder die Drosselklappe in einem vorgegebenen Stellungsbereich ist und gegebenenfalls die Motordrehzahl einen vorbestimmten Grenzwert unterschritten hat. Ergab Schritt 102, daß sich die Brennkraftmaschine nicht im Leerlaufregelbereich befindet, so wird gemäß Schritt 104 der Einstellsollwert αSoll für das Stellelement auf der Basis der Fahrpedalstellung β sowie gegebenenfalls weiterer Betriebsgrößen bestimmt. Im darauffolgenden Schritt 106 wird der Sollwert auf den gelernten Minimalwert αmin begrenzt. Daraufhin wird im Schritt 108 im Rahmen der Stellungsregelung das Ansteuersignal τ für das Stellelement auf der Basis von Sollwert αSoll und Stellungsistwert αIst bestimmt. Danach wird der Programmteil beendet und zu gegebener Zeit wiederholt.

Ergab Schritt 102, daß sich die Brennkraftmaschine im Leerlaufregelbereich befindet, so wird gemäß Abfrageschritt 112 überprüft, ob der Strom I durch den Stellmotor einen vorgegebenen Grenzwert I0 überschritten hat. Ist dies nicht der Fall, wird gemäß Schritt 110 der Einstellsollwert αSoll für das Stellelement auf der Basis des Leerlaufdrehzahlreglers abhängig von Sollmotordrehzahl NmotSoll und Istdrehzahl Nmot bestimmt. Im darauffolgenden Schritt 108 wird das Ansteuersignal τ auf der Basis des im Schritt 110 bestimmten Sollwertes berechnet. Hat der Motorstrom den vorgegebenen Grenzwert jedoch überschritten, so wird der im Schritt 114 der (aktuelle, im Schritt 110 berechnete) Einstellsollwert für das Stellelement um einen vorgegebenen Wert Δ erhöht, um Schäden im Bereich des Stellelements zu vermeiden. Im darauffolgenden Schritt 108 dient dann der in Schritt 114 gebildete Sollwert zur Bildung der Ansteuersignalgröße. Dabei wird der im Schritt 110 berechnete Einstellsollwert immer wieder um den Wert Δ erhöht, so lange der Strom den Grenzwert I0 übersteigt.

Auf diese Weise kann das Stellelement im Rahmen der Leerlaufregelung bis zum Erreichen des tatsächlichen mechanischen Anschlags eingestellt werden.

Neben der Realisierung gemäß Fig. 2 wird in einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel beim erstmaligen Erreichen des Stromgrenzwertes ein aus dem dann vorliegenden Sollwert abgeleitete Grenzwert im aktuellen Leerlaufregelbereich als Grenzwert angenommen und der im Schritt 110 gebildete Einstellsollwert dann auf diesen Grenzwert begrenzt. Durch ständiges Überwachen des Stromes wird bei erneutem Überschreiten des Grenzwert eine entsprechende Anpassung des Minimalwerts vorgenommen. Die Berücksichtigung von Toleranzen erübrigt sich daher, so daß das Stellelement immer bis an den mechanischen Anschlag herangeführt werden kann.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung anhand von Zeitdiagrammen. Dabei wird in Fig. 3a der Zeitverlauf der Fahrpedalstellung β, in Fig. 3b der der Stellung des Stellelements αIst sowie des Einstellsollwertes αSoll, in Fig. 3c der Zeitverlauf des Stromes I und in Fig. 3d der Zeitverlauf der Drehzahl Nmot dargestellt.

Dabei nimmt der Fahrer aus dem normalen Fahrbetrieb kommend das Fahrpedal zurück. Zu einem Zeitpunkt T0 sei das Fahrpedal losgelassen. Entsprechend reduziert sich bis zum Zeitpunkt T0 der von der Fahrpedalstellung abgeleitete Sollwert αSoll (strichliert in Fig. 3b dargestellt) bis zum Zeitpunkt T0, während der Motorstrom in diesem Zeitbereich wesentlich unterhalb seines Grenzwertes I0 bleibt. Die Motordrehzahl zeigt gemäß Fig. 3d bis zum Zeitpunkt T0 ein entsprechendes Verhalten. Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Lösung sei von einer Betriebssituation ausgegangen, in der zum Zeitpunkt T0 der vom Fahrer vorgegebene Sollwert αSoll kleiner als der gelernte Grenzwert αmin ist. Dies führt im Zeitbereich zwischen T0 und T1, zu dem die Leerlaufregelung aktiv wird, zu einer Begrenzung des Stellungsistwertes des Stellelements αIst (durchgezogene Linie) gemäß Fig. 3b. Die Motordrehzahl sinkt durch die Reduzierung im Zeitbereich zwischen T0 und T1 infolge der Wirkung des zurückgenommenen Fahrpedals weiter ab. Zum Zeitpunkt T1 wird in den eigentlichen Leerlaufregelbereich eingetreten. Dies führt ab dem Zeitpunkt T1 gemäß Fig. 3b zu einer Aufhebung der Untergrenze αmin. Um die erfindungsgemäße Lösung zu veranschaulichen, sei davon ausgegangen, daß die Leerlaufregelung ab dem Zeitpunkt T1 den Sollwert αSoll für das Stellelement weiter reduziert. Entsprechend folgt der Stellungsistwert, so daß die Einstellung des Stellelements unterhalb der Grenze αmin erfolgt. Zwischen dem Zeitpunkt T1 und T2 steigt der Motorstrom stark an. Zum Zeitpunkt T2 sei der mechanische untere Anschlag αUA des Stellelements erreicht, so daß der Strom I seinen Grenzwert I0 überschreitet. Dies führt zur erfindungsgemäßen Begrenzung des Sollwertes und damit zur Einstellung des Stellelements auf den unteren mechanischen Anschlag αUA.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird die Aufhebung der Untergrenze abhängig von der Aktivierung des Leerlaufreglers vorgenommen. In anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen können beide Maßnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen. Beispielsweise kann der Leerlaufregler bereits dann aktiviert werden, wenn das Fahrpedal losgelassen bzw. das Stellelement in einen vorgegebenen Stellungsbereich gerät. Die Aufhebung der Untergrenze wird dann beispielsweise abhängig von Motordrehzahl, vom Sollwert, etc. aufgehoben und der Leerlaufregelung die Möglichkeit gegeben, auch Einstellungen unterhalb der Untergrenze vorzunehmen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines Leistungsstellelements einer Antriebseinheit, welches wenigstens einen mechanischen Endanschlag aufweist, welches abhängig von Betriebsgrößen gemäß einem Vorgabewert eingestellt wird und diese Einstellung in einem ersten Betriebszustand auf einen aus der Stellung des Leistungsstellelements an dem wenigstens einen mechanischen Endanschlag abgeleiteten Grenzwert begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Begrenzung in wenigstens einem zweiten Betriebszustand aufgehoben und eine Einstellung des Leistungsstellelements bis zu dem wenigstens einen mechanischen Endanschlag hin freigegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebszustand der Fahrbetrieb bei betätigtem Fahrpedal ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Betriebszustand der Leerlaufregelbereich ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem wenigstens zweiten Betriebszustand der Strom durch den das Stellelement betätigenden Motor erfaßt wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerte der mechanische Anschlag als erreicht angenommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens zweite Betriebsbereich bei losgelassenem Fahrpedal und/oder Unterschreiten einer vorgegebenen Drehzahl erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgabewert im ersten Betriebszustand auf der Basis der Fahrpedalstellung, im zweiten Betriebszustand auf der Basis eines Leerlaufreglers vorgegeben wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Einstellung des Leistungsstellelements der Vorgabewert entsprechend begrenzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des vorgegebenen Stromwertes die Einstellung des Leistungsstellelementes derart korrigiert wird, daß der zulässige Stromwert in diesem Betriebszustand nicht mehr überschritten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Stellelements derart korrigiert wird, daß der Motorstrom den vorgegebenen Stromwert einnimmt, so lange das Leistungsstellelement am unteren Anschlag anliegt.

10. Vorrichtung zur Steuerung eines Leistungsstellelements einer Antriebseinheit, welches wenigstens einen mechanischen Endanschlag aufweist, mit einer Steuereinheit, welche abhängig von Betriebsgrößen das Leistungsstellelement nach Maßgabe eines Vorgabewertes einstellt, wobei die Einstellung des Leistungsstellelements in einem ersten Betriebszustand durch einen Grenzwert begrenzt ist, die aus der Stellung des Leistungsstellelements am mechanischen Anschlag abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem zweiten Betriebszustand die Steuereinheit derart ausgebildet ist, daß diese Grenze aufgehoben und eine Einstellung des Leistungsstellelements bis zum mechanischen Anschlag hin freigegeben wird.