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Stand der Technik
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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.
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Aus
der
DE 41 10 947 A1 ist
eine Lastverstelleinrichtung mit einem auf eine die Leistung einer Brennkraftmaschine
bestimmenden Drosselklappe einwirkbaren Steuerelement bekannt, das
mit einem mit einem Fahrpedal gekoppelten Mitnehmer zusammenwirkt
und zusätzlich
mittels eines mit einer elektronischen Regeleinrichtung zusammenwirkenden elektrischen
Stellantriebes ansteuerbar ist, wobei das Steuerelement ein erstes,
mit dem Mitnehmer zusammenwirkendes Steuerelementteil aufweist,
an dem eine dieses in Richtung minimaler Leerlaufstellung vorspannende
Drosselklappen-Abregelfeder angreift, sowie ein zweites, mittels
des Stellantriebes ansteuerbares Steuerelementteil aufweist, durch
das das erste Steuerelementteil in Aufregelrichtung beaufschlagbar
ist, wobei das zweite Steuerelementteil mittels einer dieses in
Richtung minimaler Leerlaufstellung vorspannenden Antriebs-Abregelfeder
beaufschlagt wird, sowie eine die Drosselklappe in eine Leerlaufnotstellung
bewegende Einrichtung vorgesehen ist.
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Aus
der
DE 35 19 220 C2 ist
es bekannt, die Abbremsung der Schließbewegung einer Drosselklappe
unmittelbar vor Erreichen der Schließstellung derart zu steuern,
dass einerseits eine unerwünschte Gemischanfettung
vermieden wird, andererseits jedoch eine ausreichende Wirkung der
Motorbremse gewährleistet
ist.
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Ein
derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist aus der
DE 39 31 455 A1 bekannt.
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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 1° 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).
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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.
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Dies
wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Aus
der
DE 36 31 283 A1 /
US-Patent 4 947 815 ) ist
ein Stellelement für
die Luftzufuhr zu einer Brennkraftmaschine bekannt, welches einen
mechanischen Minimalanschlag aufweist.
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Besonders
vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung bei kleinvolumigen Motoren.
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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.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
zeigt 1 eine Steuereinheit zur Steuerung eines Leistungsstellelements, während in 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 3 schließlich ist die erfindungsgemäße Lösung anhand
von Zeitdiagrammen dargestellt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Neben
einem Stellungsregelkreis werden in anderen vorteilhaften Ausführungsbeispielen
Drehmomentenregelkreise, Lastregelkreise, Luftmengen- oder Luftmassenregelkreise,
etc. eingesetzt, in deren Rahmen das Leistungsstellelement eingestellt
wird.
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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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird
im bevorzugten Ausführungsbeispiel
als Programm des Mikrocomputers 10 realisiert. Ein Beispiel
hierfür
ist als Flußdiagramm
in 2 skizziert.
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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.
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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 überstiegt.
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Auf
diese Weise kann das Stellelement im Rahmen der Leerlaufregelung
bis zum Erreichen des tatsächlichen
mechanischen Anschlags eingestellt werden.
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Neben
der Realisierung gemäß 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.
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3 zeigt die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung anhand
von Zeitdiagrammen. Dabei wird in 3a der
Zeitverlauf der Fahrpedalstellung β, in 3b der
der Stellung des Stellelements αIst
sowie des Einstellsollwertes αSoll,
in 3c der Zeitverlauf des Stromes I und in 3d der
Zeitverlauf der Drehzahl Nmot dargestellt.
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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 3b dargestellt) bis zum Zeitpunkt T0, während der
Motorstrom in diesem Zeitbereich wesentlich unterhalb seines Grenzwertes
I0 bleibt. Die Motordrehzahl zeigt gemäß 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 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 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.
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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.