DE19806665A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine gemäß den Oberbegrif­ fen der unabhängigen Patentansprüche.

Bei modernen Steuersystemen für Brennkraftmaschinen wird die Leistung der Brennkraftmaschine, insbesondere deren Drehmo­ ment, auf elektrischem Wege in Abhängigkeit wenigstens eines Vorgabewerts gesteuert. Dieser kann ein von der Stellung ei­ nes vom Fahrer betätigbaren Bedienelements abgeleiteter Fah­ rerwunsch sein. Ein Beispiel für ein derartiges Steuersystem zeigt die WO-A 97/43531. Dort wird abhängig vom Fahrerwunsch ein Solldrehmoment der Brennkraftmaschine ermittelt, in des­ sen Abhängigkeit die Leistungsgrößen der Brennkraftmaschine wie Luftzufuhr, Kraftstoffzufuhr und Zündwinkel gesteuert werden, so daß das Ist-Drehmoment der Brennkraftmaschine dem Solldrehmoment entspricht. Im Normalfall wird angestrebt, die Steuergrößen mit Blick auf ein optimales Drehmoment der Brennkraftmaschine einzustellen, so daß die Brennkraftma­ schine mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Dies bedeutet, daß z. B. die Zündwinkeleinstellung immer in der Nähe des optima­ len Zündwinkels sich befindet.

In einigen Betriebszuständen, z. B. im Leerlauf, kann es je­ doch wünschenswert sein, den Wirkungsgrad der Brennkraftma­ schine zu verschlechtern und die Zündwinkeleinstellung der­ art zu wählen, daß eine Steuerung des Drehmoments allein über den Zündwinkel in beiden Richtungen, momentenerhöhend und momentenreduzierend, möglich ist. Da das Gesamtdrehmo­ ment sich nicht ändern soll, wird in diesem Betriebszustand die Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine entsprechend erhöht. Das Ausmaß der Wirkungsgradverschlechterung wird durch einen sogenannten Momentenreservewert bestimmt, welcher ein Maß für die maximale mögliche Änderung des Drehmoments über Zündwinkelverstellung in erhöhendem Sinne ist.

Durch diese Maßnahme wird die Dynamik und Genauigkeit der Drehmomentensteuerung in den dort beschriebenen Betriebszu­ ständen Leerlauf, Anlassen und bei aktiver Katalysatorhei­ zung verbessert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit wel­ chen die Dynamik des Anfahrens des Fahrzeugs verbessert wer­ den kann.

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

Vorteile der Erfindung

Durch Bereitstellung bzw. Erhöhung einer bereits bereitge­ stellten Momentenreserve bei einem Anfahrvorgang wird ein deutlich verbessertes Anfahrverhalten erreicht. Insbesondere besteht eine geringere Gefahr des Abwürgens, da durch die schnelle Zündwinkelverstellung in drehmomenterhöhendem Sinne auch ein sehr schnelles Einkuppeln mit entsprechend dynami­ scher Fahrpedalbetätigung beherrschbar ist.

Besonders vorteilhaft ist, daß durch die Bereitstellung bzw. Erhöhung der Momentenreserve ein schnellerer Momentenaufbau beim Einkuppeln erfolgt, da die Zündwinkelverstellung das Drehmoment schneller erhöht als die entsprechende Erhöhung der Luftzufuhr.

In besonders vorteilhafter Weise wird Drehzahleinbrüchen entgegengewirkt, die beim Einkuppeln entstehen. Dies des­ halb, weil die schnelle Zündwinkeländerung Drehzahleinbrü­ chen entgegenwirkt.

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

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindrische Brennkraftmaschine. In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm darge­ stellt, welches die Realisierung der Verbesserung des An­ fahrvorgangs als Programm eines Mikrocomputers skizziert. In Fig. 3 schließlich sind Zeitdiagramme dargestellt, welche den Anfahrvorgang eines Fahrzeugs unter Verwendung der ge­ schilderten Maßnahmen beschreiben.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist eine Steuervorrichtung für eine mehrzylindri­ ge Brennkraftmaschine 10 dargestellt. Die Steuervorrichtung umfaßt ein elektronisches Steuergerät 12, welches aus wenig­ stens einem Mikrocomputer 14, einer Eingabe- 16 und einer Ausgabeeinheit 18 besteht. Eingabeeinheit 16, Ausgabeeinheit 18 und Mikrocomputer 14 sind über ein Kommunikationssystem 20 zum gegenseitigen Datenaustausch miteinander verknüpft. Der Eingabeeinheit 16 sind Eingangsleitungen 22, 24, 28, 30 und 31 zugeführt. Die Leitung 22 stammt dabei von einer Meßeinrichtung 32 zur Erfassung der Pedalstellung, die Lei­ tung 24 von einer Meßeinrichtung 34 zu erfassende Motordreh­ zahl, die Leitung 28 von einer Meßeinrichtung 38 zum Erfas­ sen der Motorlast (Luftmenge, Luftmasse, Saugrohrdruck, etc.). Über die Leitung 30 wird von einer entsprechenden Meßeinrichtung 40 der Steuereinheit 12 ein Maß für die Fahr­ zeuggeschwindigkeit zugeführt. Dies wird entweder im Rahmen einer anderen Steuereinheit, beispielsweise zur Antriebs­ schlupfregelung, zur Getriebesteuerung, etc. gemessen bzw. berechnet oder unter Auswertung von Raddrehzahlsignalen, die über die Leitung 30 zugeführt werden, direkt von der Steuer­ einheit 12 bereitgestellt. Über die Eingangsleitung 31 wird ferner der Zustand eines Kupplungsschalters 41 zugeführt, der im bevorzugtem Ausführungsbeispiel bei betätigter Kupp­ lung schließt, bei losgelassenem Kupplungspedal öffnet. Ne­ ben den dargestellten Betriebsgrößen erfaßt die Steuerein­ heit weitere zur Motorsteuerung wesentliche Größen wie bei­ spielsweise die Motortemperatur, die Abgaszusammensetzung, etc.

An der Ausgabeeinheit 18 ist eine Ausgangsleitung 42 ange­ schlossen, die auf eine elektrisch betätigbare Drosselklappe 44, die im Ansaugsystem 46 der Brennkraftmaschine angeordnet ist, führt. Ferner sind Ausgangsleitungen 48, 50, 52, 54, und so weiter dargestellt, welche mit Stelleinrichtungen zur Kraftstoffzumessung in jedem Zylinder der Brennkraftmaschine 10 verbunden sind bzw. zur Einstellung des Zündwinkels in jedem Zylinder dienen.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel leitet die Steuereinheit 12, dort der Mikrocomputer 14, in bekannter Weise aus der Stellung des Fahrpedals ein Solldrehmoment der Brennkraftma­ schine ab, welches durch entsprechende Steuerung der Lei­ stungsgrößen der Brennkraftmaschine wie Luftzufuhr, Kraft­ stoffzumessung oder Zündwinkel einzustellen ist. Im Normal­ betrieb der Brennkraftmaschine wird diese Einstellung derart vorgenommen, daß der Zündwinkel möglichst nahe an einem Wert sich befindet, welcher ein maximales Drehmoment der Brenn­ kraftmaschine bedeutet. In diesem Betriebspunkten arbeitet die Brennkraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad. Wie im eingangs genannten Stand der Technik dargestellt, wird in bestimmten Betriebszuständen dieser Wirkungsgrad verschlech­ tert, indem der Zündwinkel um einen vorgegebenen Wert zu­ rückgenommen und die Luftzufuhr erhöht wird, so daß das Drehmoment der Brennkraftmaschine im wesentlichen gleich bleibt. Derartige Betriebszustände sind der Leerlauf, der Warmlauf der Brennkraftmaschine (Katalysatorheizung), etc. In diesen Betriebszuständen wird ein Momentenreservewert ge­ bildet, welcher zu einer Verstellung des Zündwinkels führt, so daß die Größe des Momentenreservewerts durch Veränderung des Zündwinkels auch in momentenerhöhendem Sinn bereitge­ stellt werden kann.

Im konkreten Ausführungsbeispiel wird dies dadurch reali­ siert, daß für die Luftzufuhreinstellung und für die Zünd­ winkeleinstellung zwei unterschiedliche Momentensollwerte gebildet werden, wobei der Sollwert für die Zündwinkelein­ stellung dem unter anderem aus dem Fahrerwunsch abgeleiteten Momentensollwert entspricht, während der Sollmomentenwert für die Luftzufuhreinstellung ein aus diesem Sollwert und dem Momentenreservewert gebildeter Sollwert darstellt. Da­ durch findet eine Erhöhung der Luftzufuhr statt, welche au­ tomatisch zu einer Spätziehung des Zündwinkels führt. Dies deshalb, weil das Drehmoment der Brennkraftmaschine zumin­ dest über die Zündwinkeleinstellung auf den dort vorgesehe­ nen Sollwert geführt wird. Erfindungsgemäß wird zur Verbes­ serung des Anfahrvorgangs diese Drehmomentenreserve auch bei einem Anfahrvorgang bereitgestellt oder, wenn bereits eine Drehmomentenreserve gebildet wurde, für den Anfahrvorgang verändert, insbesondere erhöht.

Der Anfahrvorgang wird dabei auf verschiedene Arten festge­ stellt. Im bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird der Anfahr­ vorgang dann festgestellt, wenn bei stehendem Fahrzeug (Fahrzeuggeschwindigkeit 0 oder kleiner als ein Minimalwert) das Kupplungspedal betätigt ist. In anderen Ausführungsbei­ spielen kann der Anfahrvorgang auf andere Weise festgestellt werden, beispielsweise bei betätigter Kupplung und getrete­ nem Fahrpedal, bei betätigter Kupplung und eingelegtem Gang, etc. Entscheidend ist, daß die überprüften Kriterien einen Hinweis geben müssen, die auf einen folgenden Anfahrwunsch des Fahrers hindeuten. Bei Automatikgetrieben kann dabei auch das Lösen der Bremse herangezogen werden.

Neben oder alternativ zur Verstellung des Zündwinkels zur Bildung der Momentenreserve wird in anderen Ausführungsbei­ spielen in die Kraftstoffzumessung eingegriffen, sei es durch Verstellung der Gemischzusammensetzung oder durch Aus­ blenden bzw. Stillegen einzelner Zylinder.

Eine entsprechende Vorgehensweise im bevorzugtem Ausfüh­ rungsbeispiel ist im Ablaufdiagramm der Fig. 2 dargestellt. In einer Sollwertberechnung 100 werden abhängig von den Be­ triebsgrößen Fahrpedalstellung β, Motordrehzahl Nmot, etc. ein Sollwert Mi_sol für das Drehmoment der Brennkraftmaschine mittels Kennfelder, Kennlinien, Tabellen und/oder Berech­ nungsschritten gemäß dem eingangs genannten Stand der Tech­ nik gebildet. Der Sollwert Mi_sol wird einerseits einer Zünd­ winkelberechnung 102 andererseits einer Verknüpfungsstelle 104 zugeführt. Die Zündwinkelberechnung 102 bildet abhängig von dem Sollwert Mi_sol und einem auf der Basis von Betriebs­ größen wie Motorlast und Motordrehzahl gebildeten Ist-Momentenwert einen Korrekturwert für den momentenoptimalen Zündwinkel, der zur Annäherung des Ist-Moments an das Soll­ moment führt. Im Normalbetrieb ist der eingestellte Zündwin­ kel im stationären Fall möglichst nahe am optimalen. Ergän­ zend kann in 102 auch eine Beeinflussung der Kraftstoffzu­ messung vorgenommen werden.

In der Additionsstelle 104 wird der Momentensollwert Mi_sol und der Momentenreservewert Mires aufgeschaltet (z. B. ad­ diert). Die Summe stellt den Momentensollwert Mi_{sol_1} für den Luftpfad dar. Dieser wird in 106 unter Berücksichtigung von Motordrehzahl, Motorlast, etc. in ein Ansteuersignal für die Drosselklappe der Brennkraftmaschine umgerechnet.

Der Momentenreservewert Mi_res wird in 108 gebildet. Er wird in einem Ausführungsbeispiel bei Vorliegen der vorgesehenen Betriebszustände aus einem Festwertspeicher ausgelesen, in anderen Ausführungsbeispielen mittels Kennlinien oder Kenn­ feldern drehzahlabhängig oder abhängig von anderen Betriebs­ größen bei Vorliegen des entsprechenden Betriebszustandes gebildet. Ferner wird ein Momentenreservewert gebildet, wenn ein Anfahrwille des Fahrers erkannt wurde. Auch dieser Re­ servewert kann abhängig von Betriebsgrößen wie Motordreh­ zahl, Motortemperatur, etc. sein. Auch er wird in einem Aus­ führungsbeispiel aus einer Kennlinie, aus einem Kennfeld oder einer Tabelle bestimmt. Da der Anfahrvorgang aus dem Leerlauf heraus erfolgt, wird in einem anderen Ausführungs­ beispiel bei Vorliegen eines Anfahrwillens des Fahrers der für den Leerlauf vorgesehene Momentenreservewert vergrößert, beispielsweise indem ein vorbestimmter Offsetwert auf den im Leerlauf bestimmten Momentenreservewert aufgeschaltet wird. Ein Anfahrwille des Fahrers wird dabei im bevorzugten Aus­ führungsbeispiel in der Und-Verbindung 110 erkannt. Dieser wird das Signal KUP eines Kupplungsschalters zugeführt, wo­ bei dieses Signal positiv ist, wenn der Kupplungsschalter geschlossen ist (Kupplungspedal betätigt), und 0 ist, wenn er geöffnet ist. Ferner wird der Und-Verbindung 110 ein Si­ gnal zugeführt, wenn in einer Vergleichsoperation 112 er­ kannt wurde, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit 0 ist oder ei­ nen Minimalwert unterschreitet, d. h. das Fahrzeug steht. Liegen diese beiden Bedingungen vor, wird der Momentenreser­ vewertberechnung mitgeteilt, daß ein Anfahrwille des Fahrers vorliegt. Der Reservewert für den Anfahrvorgang wird daher bereitgestellt bzw. der bereits bestehende Reservemomenten­ wert vergrößert. Wird kein Anfahrwille mehr erkannt, wird der Reservewert zurückgeführt, je nach Ausführung sprungför­ mig oder im Rahmen einer vorgegebenen zeitlichen Rampe.

In Fig. 3 sind Zeitdiagramme dargestellt, die die Wirkungs­ weise des bevorzugtem Ausführungsbeispieles verdeutlichen. In Fig. 3a wird die Stellung der Drosselklappe DK und damit die Luftzufuhr der Brennkraftmaschine über der Zeit darge­ stellt. In Fig. 3b wird der zeitliche Verlauf der Zündwin­ keleinstellung ZW, in Fig. 3c der zeitliche Verlauf der Fahrpedalstellung β und des Kupplungsschalterzustandes KUP dargestellt. In Fig. 3d ist der zeitliche Verlauf der Fahr­ zeuggeschwindigkeit VFZ, in Fig. 3e der der Motordrehzahl Nmot dargestellt.

Bis zu einem Zeitpunkt T0 befindet sich das Fahrzeug im Leerlaufzustand. Das Fahrpedal ist losgelassen (vergleiche Fig. 3c, β), das Kupplungspedal nicht betätigt (Kupplungs­ schalter KUP 0). Die Fahrzeuggeschwindigkeit in diesem Be­ triebszustand ist 0 (vergleiche Fig. 3d). Die Einstellung der Brennkraftmaschine im Sinne einer Einhaltung einer vor­ gegebenen Drehzahl (Fig. 3e, nsoll) wird durch eine Ein­ stellung der Luftzufuhr (DK) und des Zündwinkels (ZW) durch­ geführt. Dabei ist eine vorbestimmte Momentenreserve Mires eingebaut, d. h. der Zündwinkel ist gegenüber seinen optima­ len Wert ZWOPT nach Spät verstellt. Zum Zeitpunkt T0 betä­ tigt der Fahrer das Kupplungspedal. Der Kupplungsschalterzu­ stand gibt ein positives Signal ab (vergleiche Fig. 3c). Da gleichzeitig zum Zeitpunkt T0 die Fahrzeuggeschwindigkeit weiterhin 0 ist, wird ein Anfahrwille des Fahrers erkannt. Dies führt zu einer Erhöhung der Luftzufuhr und zu einer weiteren Spätverstellung des Zündwinkels (vergleiche Fig. 3a und 3b). Mit anderen Worten wird die Momentenreserve er­ höht. Kurz vor dem Zeitpunkt T1 betätigt der Fahrer das Fahrpedal, während er zum Zeitpunkt T1 das Kupplungspedal löst, d. h. den Anfahrvorgang abschließt (vergleiche Fig. 3c). Mit Betätigen des Gaspedals zum Zeitpunkt T1 gibt der Fahrer einen Momentenwunsch vor. Entsprechend wird zur Rea­ lisierung des Momentenwunsches ab dem Zeitpunkt T1 Zündwin­ kel und Drosselklappenstellung verstellt. Insbesondere wird der Zündwinkel auf seinen optimalen Wert geführt, um dem sich schnell veränderten Fahrerwunsch gerecht zu werden. Die Luftzufuhr wird im Rahmen ihrer dynamischen Möglichkeiten entsprechend dem Fahrerwunsch zur Realisierung der Momenten­ vorgabe ebenfalls momentenerhöhend verstellt (vergleiche Fig. 3a). Nach dem Zeitpunkt T1 nimmt die Fahrzeuggeschwin­ digkeit gemäß Fig. 3d und die Motordrehzahl gemäß Fig. 3e zu. Drehzahleinbrüche, die sie ohne die Momentenreserve stattfinden können (vergleiche Fig. 3e gestrichelt), werden wirksam vermieden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Sollmoment für das Drehmoment der Brennkraftma­ schine vorgegeben wird, dieses Sollmoment wenigstens durch Beeinflussung der Luftzufuhr und des Zündwinkels der Brenn­ kraftmaschine bereitgestellt wird, wobei in wenigstens einem vorgegebenen Betriebszustand der Wirkungsgrad gegenüber Be­ triebszuständen außerhalb dieses wenigstens einen Betriebs­ zustandes verschlechtert wird, indem der Zündwinkel in Rich­ tung spät verstellt wird und die Luftzufuhr erhöht wird, wo­ bei das Drehmoment der Brennkraftmaschine im wesentlichen gleich bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Betriebszustand vorliegt, wenn ein Anfahrwille des Fah­ rers erkannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfahrwille dann erkannt wird, wenn bei stehendem Fahr­ zeug der Fahrer das Kupplungspedal betätigt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Verschlechterung des Wir­ kungsgrades der Brennkraftmaschine im Leerlaufzustand statt­ findet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei erkanntem Anfahrwillen die im Leerlaufzustand vorgenom­ mene Verschlechterung des Wirkungsgrades weiter vergrößert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Anfahrwille ferner auf der Ba­ sis von Fahrpedalstellung, Getriebestellung und/oder Brems­ pedalbetätigung festgestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verschlechterung des Wirkungs­ grades dadurch vorgenommen wird, daß auf den Sollmomenten­ wert für die Luftzufuhreinstellung ein vorgegebener, gegebe­ nenfalls betriebsgrößenabhängiger Reservemomentenwert aufge­ schaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Momentenreservewert im Leerlauf abhängig von Be­ triebsgrößen wie der Motordrehzahl bestimmt wird und bei er­ kanntem Anfahrwillen vergrößert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Momentenreservewert im Leerlauf ein gegebenenfalls be­ triebsgrößenabhängiger Offsetwert aufgeschaltet wird.

9. Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, mit einer Steuereinheit, welche Betriebsgrößen empfängt, aus de­ nen sie einen Sollmomentenwert für das Drehmoment der Brenn­ kraftmaschine ableitet, die wenigstens einen vorgegebenen Betriebszustand feststellt und in diesem Betriebszustand den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine verschlechtert, in dem sie die Luftzufuhr erhöht und den Zündwinkel in Richtung spät verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein­ heit Mittel umfaßt, welche den wenigstens einen Betriebszu­ stand dann feststellen, wenn ein Anfahrwille des Fahrers er­ kannt wird.