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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Antriebseinheit eines Fahrzeugs.
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Mit
modernen Steuersystemen für
Antriebseinheiten für
Fahrzeuge wird die Optimierung der Steuerung der Antriebseinheit
eines Fahrzeugs in Bezug auf verschiedene Kriterien wie minimaler
Verbrauch, geringste Emission, geringste Lärmentwicklung, etc. angestrebt.
Aus dem Stand der Technik sind in dieser Hinsicht Lösungen bekannt,
mit deren Hilfe eine Teillösung
dieser Optimierungsaufgabe angeboten wird, die Optimierung einer
Triebstrangsteuerung (koordinierte Steuerung einer Getriebeeinheit und
eines Motors).
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Aus
der WO98/22304 A1 ist eine Antriebsstrangsteuerung für ein Kraftfahrzeug
bekannt, durch die die als vom Fahrer gewünschtes Radmoment oder Getriebeausgangsmoment
interpretierte Stellung des Fahrpedals zum Berechnen von Sollwerten für das von
dem Antriebsstrang abzugebende Drehmoment verwendet wird. Sie enthält eine
Auswahl- und Steuerschaltung, in der das gewünschte Radmoment zusammen mit
weiteren Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs in einem Fuzzy-System
ausgewertet wird. Sie gibt ein Ausgangssignal ab, durch welches
das von den Rädern
auf die Fahrbahn abzugebende Raddrehmoment festgelegt wird.
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Aus
der
DE 36 05 117 C2 ist
eine Vorrichtung zur Regelung der Fahrgeschwindigkeit bekannt. Dabei
wird in einem optimalen bzw. angepassten Regler ein integrales Element
angefügt.
Es wird eine Führungsgröße aufgefunden,
die einen Leistungsindex bzw. ein Gütekriterium minimiert. Die
optimalen Reglerkoeffizienten können
aus einer Lösung
der Riccati-Gleichung, den Matrizen einer Zustandsgleichung und
einer Ausgangsgleichung und den für das Gütekriterium verwendeten Wichtungsparametern
abgeleitet werden.
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Ein
Beispiel für
eine derartige Lösung
ist aus der
DE 197
03 863 A1 bekannt. Dort wird eine optimierte Steuerung
des Triebstrangs (Antriebstrangs) eines Kraftfahrzeugs vorgestellt,
bei welchem während
des Fahrbetriebs zur Umsetzung eines Vorgabewerts des Fahrers durch
ein Optimierungsverfahren basierend auf ermittelten Bewertungsgrößen für die einzelnen
Kriterien einer der möglichen
Betriebspunkte als optimaler Betriebspunkt ausgewählt wird.
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Die
zu diesem ausgewählten
Betriebspunkt gehörende
Stellgrößen (Getriebeübersetzung, Wandlerverstärkung, Motordrehzahl,
etc.) werden ausgegeben. Als Optimierungskriterien sind dabei geringe
Emission, geringes Geräusch,
maximaler Gesamtwirkungsgrad des Triebstrangs und größte Dynamik
berücksichtigt,
wobei Gewichtungsfaktoren (Bewertungsgrößen) für diese einzelnen Kriterien
unter Berücksichtigung
des Fahrertyps und der Fahrsituation adaptiv festgelegt werden.
Unter Fahrsituation wird z.B. die Unterscheidung zwischen Stadt-
und Landfahrten erwähnt.
Dabei stellt die Abhängigkeit der
Bewertungsgrößen von
den externen und internen Einflußgrößen eine (z.B. vom Fahrzeughersteller im
Rahmen der Gesetzgebung) vorgegebene Triebstrangsteuerstrategie
dar, mit deren Hilfe der Antriebsstrang optimal im Sinne der vorgegebenen Strategie
gesteuert wird. Die im Sinne dieser Optimierung ermittelte Stellgröße für den Motor
der Antriebseinheit wird einer Motorsteuerung übermittelt, die diese Stellgröße einstellt.
Eine Optimierung des Motorbetriebs selbst findet nicht statt. Vielmehr
wird der Motor ohne Berücksichtigung
der jeweiligen Triebstrangstrategie gesteuert.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben,
die eine entsprechende Optimierung des Motorbetriebs erlauben.
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Dies
wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.
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Vorteile der Erfindung
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Von
besonderem Vorteil ist, daß es
durch die nachfolgend beschriebene Optimierung des Motorbetriebs
somit möglich
ist, eine mit Blick auf vorgegebene Kriterien optimierte Motorsteuerung
für jeden Fahrzyklus,
nicht wie bisher für
die gesamte Lebensdauer des Motors, zu schaffen. Dabei wird in vorteilhafter
Weise eine vorgegebene Strategie zur Steuerung des Antriebstrangs,
wenn vorhanden, berücksichtigt.
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Von
besonderem Vorteil ist, daß die
Motorsteuerung unter Berücksichtigung
der jeweiligen Motorsituation auf der Basis der aktuellen Triebstrangstrategie
mit Hilfe von vorgegebenen Gütekriterien optimiert
wird. Das Gütekriterium
ergibt sich aus der Triebstrangstrategie und der Motorsituation,
d.h. wenn die Triebstrangstrategie Dynamik fordert, anhand der Motorsituation
aber erkannt wird, daß der Motor
schon an der Rauchgrenze ist, kenn die Triebstangstrategie nicht
umgesetzt werden. Das Gütekriterium
würde dann
heißen: „in gleicher
Weise weiterfahren".
Dadurch wird eine Verknüpfung
der Triebstrangsteuerstrategie mit Gütekriterien des Motors zur
situationsangepaßten
Optimierung des Motorbetriebs erreicht. Über die Gütekriterien können in vorteilhafter
Weise übergeordnete
Vorgaben, z.B. wenn der Fahrer Dynamik wünscht oder verbrauchsoptimal
zu fahren wünscht.
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Besonders
vorteilhaft ist, daß die Triebstrangstrategie
und die Motorsituation voneinander unabhängig berücksichtigt werden. Über die Gütekriterien
für den
Motor wird auf diese Weise ein globales Optimum der gesamten Steuerung
der Antriebseinheit, Triebstrang und Motor, erreicht. In diesem
Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß dieses globale Optimum innerhalb
eines Fahrzyklus realisiert wird.
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Von
besonderem Vorteil ist, daß über die
Gütekriterien
für den
Motor die Einflußgrößen auf
den Motor und auf den Antriebsstrang getrennt werden.
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In
vorteilhafter Weise erfolgt durch die Optimierung des Motorbetriebs
eine optimale Anpassung des Verbrennungsvor gangs im Motor auf die
momentane Situation des Motors in Bezug auf vorgegebene Optimierungskriterien
wie Verbrauch, Emission, Wärme,
Geräusch
und/oder Dynamik, die durch das Gütekriterium vorgegeben werden.
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Ferner
findet eine Vereinfachung der Applikation statt, da durch die Abtrennung
von Kundenwünschen
(Gewichtung der Optimierungskriterien) und motorspezifischen Daten
(Umsetzung der Vorgabewerte anhand der Kriterien) beim Einsatz von
gleichen Motoren in unterschiedlichen Fahrzeugen nur die Gewichtung
der Kriterien neu bestimmt werden muß.
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Unterschiedliche
Fahrverhalten abhängig von
externen und/oder internen Einflußgrößen werden erreicht.
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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
Ausführungsformen näher erläutert. Dabei
zeigt 1 ein Übersichtsschaltbild
einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Antriebseinheit eines
Fahrzeugs. In 2 ist anhand eines Ablaufdiagramms
die Steuerung der Antriebseinheit unter Optimierung der Antriebstrangsteuerung
und des Motorbetriebs dargestellt. In 3 ist eine
andere Darstellung bezüglich
der Optimierung des Motorbetriebs gezeigt.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt
eine Steuereinheit 10, die wenigstens einen Mikrocomputer 12,
einen Speicher 14, eine Eingangsschaltung 16 und
eine Ausgangsschaltung 18 umfaßt. Diese Elemente sind zum
gegenseitigen Datenaustausch mit einem Kommunikationssystem 20 verbunden. Über von
der Ausgangsschaltung 18 ausgehenden Ausgangsleitungen 22 und 24 steuert
die Steuereinheit 10 die Antriebseinheit 26 des
Fahrzeugs. Diese besteht im wesentlichen aus Motor 28 und
Antriebstrang 30 (Getriebeeinheit). Über Eingangsleitungen 32 bis 36 werden
der Steuereinheit 10, dort der Eingangsschaltung 16 von
entsprechenden Meßeinrichtungen 38 bis 42 erzeugte Signale
zugeführt,
die zur Steuerung der Antriebseinheit notwendige Betriebsgrößen des
Motors, des Antriebstrangs und/oder des Fahrzeugs repräsentieren. Derartige
Betriebsgrößen sind
beispielsweise die Stellung eines vom Fahrer betätigbaren Bedienelements, die
Motordrehzahl, ggf. das Motormoment, die Kühlwassertemperatur, etc. Über die
Ausgangsleitungen werden die einstellbaren Größen der Antriebseinheit eingestellt.
Diese Größen sind
in Bezug auf den Antriebstrang z.B. die Übersetzung im Antriebsstrang
und im Bezug auf den Motor Motorstellgrößen wie Luftzufuhr (auch Abgasrückführung),
einzuspritzende Kraftstoffmasse, Spritzverlauf (z.B. Einspritzbeginn,
Voreinspritzung, Nacheinspritzung), Leerlaufdrehzahl, etc. Die zur
Verfügung
stehende Motorstellgrößen sind
je nach eingesetztem Motor, ob Dieselbrennkraftmaschine oder Benzinbrennkraftmaschine,
ob Saugrohreinspritzer oder Direkteinspritzer, verschieden.
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In
bisherigen Motorsteuerungen werden Kennfelder zur Optimierung des
Verbrennungsvorgangs nach zuvor festgelegten Kriterien fest appliziert
und können
dann während
der Lebenszeit des Motors nicht mehr verändert werden. Dies bedeutet, daß eine einmal
festgelegte Konfiguration der Motorsteuerung nicht mehr geändert werden
kann und daß sich
verändernde
Vorgaben während
der Lebensdauer des Motors nicht berücksichtigt werden können. Insbesondere
bei gegenläufigen
Anforderungen an die Optimierung mußte bisher ein für die gesamte Lebensdauer
tragfähiger
Mittelweg begangen werden und die Optimierungskriterien einmalig
gewichtet werden. Eine optimale Ausnutzung aller Möglichkeiten
einer Motorsteuerung mit Blick auf eine Optimierung des Motorbetriebs
ist daher nicht gewährleistet.
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Durch
die nachfolgend beschriebene Optimierung der Motorsteuerung ergibt
sich die Möglichkeit,
Kriterien für
eine Optimierung auch während
des Fahrbetriebs zu verstellen, d.h. unterschiedlich zu gewichten.
Die Gewichtung der Optimierungskriterien erfolgt in einem Ausführungsbeispiel
in Abhängigkeit
von äußeren und
inneren Einflußgrößen, wie
beispielsweise von Wärmeanforderungen
(Fahrgastraumheizung, Katalysatorheizung, etc.), Fahrertyp (sportlicher
Fahrer, komfortabler Fahrer, etc.) Fahrsituation (Stadtfahrt, Landfahrt),
etc. unter Berücksichtigung
der Gesetzgebung als Randbedingung. In einem anderen Ausführungsbeispiel
werden die Optimierungskriterien bzw. ihre Gewichtung von einer übergeordneten
Triebstrangoptimierung vorgegeben.
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Optimierungskriterien
können
sein, ein gefordertes Motormoment mit einer möglichst kleinen Einspritzmasse
zu realisieren (minimaler Verbrauch bzw. größter Wirkungsgrad), das geforderte
Motormoment mit möglichst
geringen Emissionen zu realisieren (geringste Emission), das geforderte
Motormoment unter möglichst
großer
Wärmeerzeugung
zu realisieren, und/oder das geforderte Motormoment mit möglichst
großer,
dynamisch abrufbarer Momentenreserve (Abweichung des aktuellen Moments
und vom maximal möglichen)
zu realisieren.
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Zur
Optimierung des Motorbetriebs werden diese Kriterien mit Gewichtungsfaktoren
zwischen 0 und 1 gewichtet, die je nach äußeren und inneren Einflußgrößen oder
von einer übergeordneten Triebstrangstrategie
vorgegeben werden. Der Parameter gibt dann an, wie wichtig das mit
dem verbundene Kriterium für
die aktuelle Situation ist. Die Optimierung selbst findet dann anhand
von Gütekriterien statt.
Die Gütekriterien
bilden dabei für
jedes Optimierungskriterium und für jede Stellgröße die optimale
Stellgröße ab. Abhängig von
den vorgegebenen gewichteten Optimierungskriterien und der aktuellen Motorsituation
wird dann ein Gütekriterium
ausgewählt
(dies besteht in der Regel aus einer Kombination gewichteter optimaler
Kriterien entsprechend den Vorgaben), mit dessen Hilfe der Motor
gesteuert wird.
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Bei
einer Dieselbrennkraftmaschine werden für die unterschiedlichen Optimierungsziele
des Motors verschiedene typische Stellgrößen vorgegeben. So wird beispielsweise
bezüglich
des Optimierungsziels Emission ein bestimmter Spritzverlauf (z.B. ohne
Voreinspritzung mit Nacheinspritzung) vorgegeben, eine bestimmte
Luftzufuhr (Sauerstoffvorhalt) eingestellt, so daß eine möglichst
geringe O2-Konzentration
in der Zylinderladung ist, bei minimalem Verbrauch als Optimierungsziel
eine möglichst
hohe O2-Konzentration
in der Zylinderladung ist. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Dieselmotors sind
als Stellgrößen für die Luftzufuhr
ein Turbolader, eine Abgasrückführventil
und gegebenenfalls eine Drosselklappe vorhanden. Entsprechendes
gilt für das
Kriterium Verbrauch. Für
die Optimierungsziele Dynamik und Wärme stehen Spritzverlauf und
Sauerstoffvorhalt als Eingriffmöglichkeiten
zur Verfügung,
während
für das
Ziel Lärm
Spritzverlauf (d.h. Voreinspritzung, Nacheinspritzung) und Leerlaufdrehzahl
von wesentlicher Bedeutung sind. Dabei führt eine Voreinspritzung zu
einem minimaler Geräuschentwicklung,
eine Nacheinspritzung zu einem optimalen Arbeiten eines Nox-Katalysators
und damit zu einer geringen Emission. Diese Eingriffmöglichkeiten
werden nach Maßgabe
des ausgewählten
Gütekriteriums
kombiniert, so daß die
vorgegebenen Optimierungsziele in jeder Fahrsituation unter den
vorgegebenen Randbedingungen erreicht werden.
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Wie
oben erwähnt,
ist in einem Ausführungsbeispiel
dem Motoroptimierer eine Triebstrangstrategie übergeordnet, die in Abhängigkeit
des Fahrertyps und der Fahrsituation die Gewichtung der Optimierungskriterien
vorgibt. Diese Gewichtung ist abhängig von den berücksichtigten
Einflußgrößen vorgegeben.
Entsprechend werden die gewichteten Optimierungskriterien dem Motoroptimierer
zur Verfügung gestellt.
Der Motoroptimierer wählt
ein Gütekriterium aus,
welches zur Realisierung des Optimierungsziels unter Berücksichtigung
der aktuellen Motorsituation dient. Entsprechend diesem Gütekriterium
werden dann die Motorstellgrößen beeinflußt.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
für eine
derartige Motoroptimierung ist in 2 anhand
des dort gezeigten Ablaufdiagramms am Beispiel einer Dieselbrennkraftmaschine
dargestellt.
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Die
Darstellung nach 2 weist im wesentlichen 2 Zweige
auf. Links ist die herkömmliche
Steuerung einer Antriebseinheit dargestellt, nach der der Fahrer 100 über die
Betätigung
eines Fahrpedals eine Vorgabe zur Steuerung der Antriebseinheit
vorgibt (z.B. Abtriebssollmoment). Diese wird umgesetzt in eine
Steuerung des Triebstrangs 108 (Antrieb), z.B. in eine
bestimmte Getriebeübersetzung
und einen Vorgabewert für
die Motorsteuerung 110, 112 (z.B. Sollmomentenwert).
Die Motorsteuerung bildet dann abhängig von dieser Vorgabe nach
Maßgabe fester
Beziehungen die Motorstellgrößen zur
Realisierung des Vorgabewerts. Die ermittelten Motorstellgrößen werden
dann an den Motor ausgegeben.
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Rechts
ist die dieser herkömmlichen
Steuerung übergeordnete
Optimierung dargestellt.
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Durch
die Art der Betätigung
des Fahrpedals 100 wird auf bekannte Weise der Fahrertyp 102 ermittelt.
Ferner werden wie oben dargestellt die jeweilig aktuelle Fahrsituation 104 ermittelt.
Beispielsweise wird anhand ausgewählter Betriebsgrößen die Fahrgeschwindigkeit,
Pedalbetätigung,
Drehzahlen, etc. geschlossen, ob Stadtfahrt oder Landfahrt vorliegt,
und/oder es werden Wärmeanforderungen
ermittelt (z.B. ob Bedarf zur Heizung des Fahrgastraumes oder eines
Katalysators, etc. vorliegt). Die ermittelte Fahrsituation sowie
der ermittelte Fahrertyp werden dann zur Vorgabe der Triebstrangstrategie 106 ausgewertet.
Die Triebstrangstrategie gibt an, welche Gewichtung die einzelnen
Optimierungskriterien (Verbrauch, Emission, Wärme, Dynamik, Lärm) vor
dem Hintergrund des erfaßten
Fahrertyps und/oder der erfaßten
Fahrsituation zukommen. Diese Zuordnung der Gewichtung zu den ermittelten Größen wird
je nach Wunsch z.B. des Automobilherstellers vorgegeben, wobei die
vom Gesetzgeber gezogenen Grenzen zu beachten sind. Die ausgewählte Triebstrangstrategie
wird bei der Steuerung des Antriebstrangs 108 in Abhängigkeit
des Fahrers berücksichtigt.
Insbesondere wird das vom Fahrer vorgegebene Abtriebssollmoment
nach Maßgabe
der ausgewählten
Triebstrangstrategie in ein Übersetzungsverhältnis und
in ein Motormoment umgesetzt. Ein Beispiel hierfür ist aus dem eingangs genannten Stand
der Technik bekannt.
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Die
ausgewählte
Triebstrangstrategie wird auch der Motorsteuerung zur Verfügung gestellt,
dort zu der Ermittlung eines Gütekriteriums 114 für den Motor.
Dabei wird die auf der Basis von Betriebsgrößen des Motors wie Drehzahl,
Motormoment, etc. ermittelte aktuelle Motorsituation 116 berücksichtigt. Auf
welche Weise die jeweilige Motorsituation auf das Gütekriterium
Einfluß nimmt,
wird ebenfalls, z.B. vom Automobilhersteller, vorgegeben. Abhängig vom ermittelten
Gütekriterium
werden dann die Motorstellgrößen beeinflußt. Das
Gütekriterium
stellt dabei in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die für das jeweilige
Optimierungskriterium optimalen Stellgrößen dar, z.B. einen optimalen
Spritzverlauf, eine optimale Luftzufuhr, etc. Wird von der Triebstrangstrategie
nur ein Optimierungskriterium zu 100% vorgegeben, so wird das diesem
Optimierungskriterium zugeordnete Gütekriterium ausgewählt und
die Motorstellgrößen entsprechend
vorgegeben. Die Motorsituation spielt dabei insofern eine Rolle,
als daß sie
gegenüber
dem Gütekriterium
immer die Priorität
hat. Dadurch kann eine extreme Motorsituation dazu führen, daß das dem
Optimierungskriterium zugeordnete Gütekriterium nicht ausgewählt wird,
sondern mit Blick auf die Motorsituation ein anderes Gütekriterium.
In diesem Fall hat die Motorsituation Vorrang und auf die Einstellung
des Motors gemäß optimalem
Gütekriterium
wird verzichtet.
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Werden
von der Triebstrangstrategie mehrere gewichtete Optimierungskriterien
vorgegeben, so werden die diesen Kriterien zugeordneten optimalen Stellgrößen entsprechend
gerichtet, auf diese Weise ein Gütekriterium
zur Motorsteuerung gebildet und dieses bei der Umsetzung der Bildung
der Motorstellgrößen berücksichtigt.
Beispielsweise wird bei einer Gewichtung von 70% Emission und 30%
Verbrauch der Spritzverlauf derart gestaltet, daß keine Voreinspritzung stattfindet
(sowohl emission – als
auch verbrauchsoptimal) und daß die
erforderliche Nacheinspritzung zwar stattfindet, jedoch nicht mit
der für
die Emission geltenden optimalen Werten.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
ohne übergeordnete
Triebstangstrategie zeigt 3. Ein Motorkoordinator 200 emp fängt von
einer übergeordneten
Ebene, beispielsweise von einem Antriebstrangkoordinator einen Sollwert.
Dieses wird in den Programmen 202 in Stellgrößen für die einzuspritzende Kraftstoffmasse
mit einem bestimmten Einspritzverlauf sowie für die zuzuführende Sauerstoffmasse umgesetzt,
derart, daß das
Sollmoment durch den Motor realisiert wird. Entsprechende Stellgrößen werden dem
Einspritzsystem 204 sowie dem Luftsystem 206 zugeführt. In
herkömmlichen
Motorsteuerkonzepten erfolgt die Umsetzung des Motormoments in die Stellgrößen durch
die Programme 202 gemäß vorgegebener
Applikation. Die Umsetzung ist dabei für die gesamte Lebensdauer der
Motorsteuerung bzw. des Motors immer gleich, so daß der Motor
nicht immer im Optimum betrieben wird. Zur Verbesserung der Motorsteuerung
ist der sogenannte Verbrennungsoptimierer 208 vorgesehen,
der auch bereits anhand von 2 erläutert wurde.
Dieser Verbrennungsoptimierer sammelt externe und/oder interne Einflußgrößen wie
Wärmeanforderungen,
Fahrsituation, Fahrertyp, etc. und wählt auf dieser Basis Optimierungskriterien
aus. Die Zuordnung der Einflußgrößen zu den Wichtungsgrößen der
Optimierungskriterien sind dabei je nach Ausführungsbeispiel entsprechend
dem Wunsch bezüglich
des Fahrzeugverhaltens vorgegeben. Diese Optimierungskriterien werden
mit der vorgegebenen Wichtung bei der Umsetzung des Motormoments
in die Motorstellgrößen durch
die Programme 202 in der oben dargestellten Art berücksichtigt. Somit
wird ein für
jeden Fahrzyklus optimaler Betrieb des Motors erreicht, wobei sich
die Optimierungskriterien im Gegensatz zu einer herkömmlichen
Motorsteuerung verändern.
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Die
Optimierungsstrategie wurde vorstehend anhand eines Dieselmotors
dargestellt. Unter Verwendung der typischen Stellgröße wird
diese Strategie entsprechend mit den entsprechenden Vorteile zur
Steuerung einer Benzinbrennkraft maschine, Saugrohreinspritzer oder
Direkteinspritzer, angewendet.