DE19909657A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs vorgeschlagen, bei welchem die Antriebseinheit des Fahrzeugs durch wenigstens zwei Steuereinheiten gesteuert wird, wobei jeder dieser Steuereinheiten ein Teil der Antriebseinheit zur Steuerung zugeordnet ist. Es wird wenigstens ein Sollwert für eine Ausgangsgröße der Antriebseinheit erfaßt und abhängig von diesem über die wenigstens zwei Steuereinheiten die Antriebseinheit gesteuert. In einer der Steuereinheiten wird aus dem Sollwert für die Ausgangsgröße der Antriebseinheit wenigsens ein Sollwert für die wenigstens eine andere Steuereinheit gebildet, derart, daß der Gesamtsollwert realisiert wird, wobei an die wenigstens eine andere Steuereinheit der ihr zugeordnete Sollwert übermittelt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs.

In einigen Fahrzeugen werden Motoren eingesetzt, die aus wenigstens zwei, getrennt steuerbaren Zylinderbänken oder -gruppen bestehen. Jeder Bank bzw. Gruppe ist eine eigene Steuereinheit zugeordnet, die die Leistung der zugeordneten Bank oder Gruppe steuert. Zur Koordination der Steuerung der einzelnen Bänke im Sinne des Bereitstellens einer gewünschten Gesamtleistung ist zwischen den Steuereinheiten eine Kommunikationsverbindung vorgesehen, über die zur gemeinsamen Steuerung der Leistung des gesamten Motors Informationen ausgetauscht werden. Ein derartiges Steuersystem ist aus der DE-A 42 31 449 bekannt. Bei dieser bekannten Lösung werden Fahrpedalstellungswerte zwischen den einzelnen Steuereinheiten ausgetauscht. Jede Steuereinheit steuert dann die ihr zugeordnete Bank abhängig von dem erfaßten bzw. übermittelten Fahrpedalweg in identischer Weise, so daß bei zwei Bänke jede Bank die Hälfte der Gesamtleistung erzeugt.

Die Vorgabe unterschiedlicher Betriebsarten (z. B. bei direkteingespritzten Benzinmotoren) und/oder die Einstellung unterschiedlicher Sollwerte an den einzelnen Bänke oder Gruppen ist bei der bekannten Lösung nur mit erheblichem Aufwand möglich, da zur Koordination eine Eingangsgröße verwendet wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe einer voreinander verschiedene Steuerung wenigstens zweier unabhängiger Zylinderbänke oder Zylindergruppen vereinfacht wird.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche erreicht.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung ist in der DE 43 32 171 A1 (US-Patent 5 483 934) beschrieben. Bei dem dort dargestellten Steuersystem wird der gesamte Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nach Drehzahl und Last in verschiedene Bereiche aufgeteilt und je nach aktuellem Betriebsbereich der Kraftstoff entweder während des Ansaugtaktes oder während des Kompressionstaktes eingespritzt. Bei einer Einspritzung während des Ansaugtaktes ergibt sich aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeit bis zur Zündung sowie aufgrund der Verwirbelung des eingespritzten Kraftstoffes durch den Ansaugluftstrom eine weitestgehend homogene Kraftstoffverteilung (Homogenbetrieb), während im Falle der Einspritzung im Kompressionstakt eine Schichtladung entsteht (Schichtbetrieb). Im Homogenbetrieb wird die Brennkraftmaschine gedrosselt betrieben, d. h. die Luftzufuhr durch eine Drosselklappe begrenzt, im Schichtladungsbetrieb nahezu ungedrosselt betrieben, d. h. die Luftzufuhr durch die Drosselklappe nicht begrenzt. Zwischen diesen Betriebsarten wird abhängig von den genannten Betriebsgrößen und/oder von anderen vorbestimmten Kriterien, z. B. hinsichtlich der Leistungsanforderungen durch den Fahrer, umgeschaltet.

Vorteile der Erfindung

Durch eine in einer der Steuereinheiten angeordneten zentralen Koordination für alle Bänke bzw. Gruppen des Motors und die Übertragung von Sollwerten zu den anderen Steuereinheiten, die eine Ausgangsgröße der jeweiligen Bank repräsentieren, wird es ermöglicht, auf einfache Art und Weise die Motorbänke mit unterschiedlichen Sollwerte zu steuern. Die vom Motor erwartete Gesamtausgangsgröße wird vom Koordinator auf die einzelnen Bänke nach vorgegebenen Strategien verteilt, wobei sichergestellt ist, daß die gewünschte Gesamtgröße realisiert wird.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Ausgangsgröße das Drehmoment des Motors ist, bei Brennkraftmaschinen insbesondere das in der Hochdruckphase erzeugt Drehmoment.

Besonders vorteilhaft ist, wenn zusätzliche Steuerinformationen über die Schnittstelle zwischen den Steuereinheiten übertragen werden, die die Betriebsart der jeweiligen Bank repräsentieren. Auch diese Betriebsartenvorgabe (Homogenbetrieb, Magerbetrieb, Schichtbetrieb, etc.) wird vom übergeordneten Koordinator in einer Steuereinheit nach vorgegebener Strategie ermittelt und auf die die jeweilige Bank steuernde Steuereinheiten verteilt. Auch hier ist sichergestellt, daß die Steuereinheiten koordiniert die Steuerinformationen ausführen und das Gesamtverhalten des Motors trotz unterschiedlichem Betriebs der Bänke dem gewünschten Gesamtverhalten entspricht.

Durch eine Momentenschnittstelle zwischen den die Bänken steuernden Steuereinheiten kann jede Bank mit unterschiedlichem Drehmoment und/oder unterschiedlicher Betriebsart betrieben werden. Es entsteht somit ein weiterer Freiheitsgrad, der für einen verbrauchsoptimierten und/oder abgasemissionsoptimierten Motorbetrieb ausgenutzt werden kann.

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 Ausführungsformen näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei ein Übersichtsschaltbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung, welche über wenigstens zwei unabhängig voneinander zu betreibenden Zylinderbänken verfügt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung. Es ist ein Steuergerät 10 vorgesehen, welches als Komponenten eine Eingangsschaltung 14 wenigstens einen Mikrocomputer 16 und eine Ausgangsschaltung 18 aufweist. Ein Kommunikationssystem 20 verbindet diese Komponenten zum gegenseitigen Datenaustausch. Der Eingangsschaltung 14 des Steuergeräts 10 werden Eingangsleitungen 22 bis 26 zugeführt, welche in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Bussystem ausgeführt sind und über die dem Steuergerät 10 Signale zuführen, welche zur Steuerung der Brennkraftmaschine auszuwertenden Betriebsgrößen repräsentieren oder aus denen solche Größen ableitbar sind. Diese Signale werden von Meßeinrichtungen 28 bis 32 erfaßt. Derartige Betriebsgrößen sind Fahrpedalstellung, Motordrehzahl, Motorlast (z. B. Luftmasse), Abgaszusammensetzung, Motortemperatur, etc. Über die Ausgangsschaltung 18 steuert das Steuergerät 10 die Leistung der Brennkraftmaschine mit Benzindirekteinspritzung. Dies ist in Fig. 1 anhand der Ausgangsleitungen 34, 36 und 38 symbolisiert, welche wenigstens die einzuspritzende Kraftstoffmasse, den Zündwinkel der Brennkraftmaschine sowie wenigstens eine elektrisch betätigbare Drosselklappe zur Einstellung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine betätigen. Die gewählte Darstellung bedeutet dabei, daß über die symbolische Ausgangsleitung 34 die Einspritzventile einer bestimmten Zylinderbank oder -gruppe der Brennkraftmaschine betätigt werden, d. h. die einzuspritzende Kraftstoffmasse diesen Zylindern zugeführt wird, über die Ausgangsleitung 36 der Zündfunke in diesen Zylindern zum vorbestimmten Zeitpunkt ausgelöst wird und eine elektrisch betätigbare Drosselklappe gesteuert wird, die die Luftzuführung zu diesen Zylindern beeinflußt.

Ferner ist ein zweites Steuergerät 10b vorgesehen, welches analog zum Steuergerät 10 aufgebaut ist und welches über die Ausgangsleitungen 34b, 36b und 38b Kraftstoffmasse, Zündwinkel und Luftzufuhr wenigstens einer weiteren Zylinderbank bzw. -gruppe einstellt. Die beiden Steuergeräte 10 und 10b stehen über ein sie verbindendes Kommunikationssystem 40 zum gegenseitigen Datenaustausch miteinander in Verbindung. Über dieses Kommunikationssystem wird zumindest einer der Steuereinheiten je nach Ausführungsbeispiel einzelne oder alle von der anderen erfaßten Betriebsgrößensignalen oder aus diesen hergeleiteten Betriebsgrößen zur weiteren Auswertung übermittelt. In einem anderen Ausführungsbeispiel werden Eingangsleitungen 22b bis 26b neben dem Steuergerät 10 auch dem Steuergerät 10b zugeführt, so daß dort alternativ zur Übertragung über das Kommunikationssystem oder zusätzlich die Betriebsgrößensignal direkt vorliegen.

Als wesentliche Betriebsgrößen werden dem Mikrocomputer 16 die Fahrpedalstellung sowie Betriebsgrößen (wie Motordrehzahl, Luftmasse und Sollmomente) von anderen Steuersystemen, beispielsweise von einer Antriebsschlupfregelung und/oder einer Getriebesteuerung, zugeführt. Aus dem zugeführten Fahrpedalstellungssignal wird zumindest unter Berücksichtigung der Motordrehzahl, gegebenenfalls einer Korrekturgröße einer Leerlaufdrehzahlregelung, etc., ein Fahrerwunschmoment der Brennkraftmaschine ermittelt. Dies erfolgt im bevorzugten Ausführungsbeispiel mittels eines Kennfeldes und nachfolgender Berechnungsschritte. Ferner werden dem Mikrocomputer 10 Sollmomente anderer Steuersysteme, z. B. ein Sollmoment einer Antriebsschlupfregelung, einer Getriebesteuerung, etc. zugeführt. Aus diesen Sollmomenten und dem Fahrerwunschmoment wird ein resultierendes Sollmoment zur Steuerung der Brennkraftmaschine ermittelt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Auswahl durch Minimal- bzw. Maximalauswahl. Das auf diese Weise ermittelte resultierende Sollmoment wird von einem Koordinator in Einzelsollmomente für die einzelnen Zylinderbänke bzw. für einzelne Zylindergruppen umgesetzt. Dabei berücksichtigt der Koordinator im bevorzugten Ausführungsbeispiel auch Wunschbetriebsarten der einzelnen Zylinderbänke bzw. Zylindergruppen. Die Aufteilung des Sollmoments sowie die Vorgabe von Wunschbetriebsarten durch den Koordinator erfolgt nach vorgegebenen Strategien.

Im Normalbetrieb bei kleineren und mittleren Lasten werden alle Zylinderbänke bzw. alle Zylindergruppen aus Verbrauchsgründen im Schichtladungsbetrieb betrieben. Im Normalfall werden die Sollmomente gleichmäßig auf die einzelnen Bänke aufgeteilt. Wird aus dem Sollmoment eine erhöhte Leistungsanforderung an den Motor erkannt, die nicht nur durch einen Schichtladungsbetrieb aller Zylinderbänke bereitgestellt werden kann, das Sollmoment für eine der Zylinderbänke bzw. der Zylindergruppen erhöht, woraufhin diese gegebenenfalls die Betriebsart wechselt und/oder deren Wunschbetriebsart auf Homogenbetrieb eingestellt. Dadurch wird im Vergleich zu einer vollständigen Umschaltung eine Verbrauchsoptimierung erreicht, da die anderen Zylinderbänken bzw. Zylindergruppen immer noch im verbrauchsoptimalen, mageren Schichtladungsbetrieb betrieben werden. Entsprechendes gilt für die anderen Betriebsarten, beispielsweise einen Magerbetrieb mit homogener Gemischbildung oder gemischten Betriebsarten mit Doppeleinspritzung, bei welchem sowohl homogene als auch geschichtete Kraftstoffgemischbildung erfolgt. Auch hier wird bei Vorliegen einer erhöhten Leistungsanforderung einzelne Zylinderbänke bzw. -gruppen soweit wie möglich im verbrauchsoptimaleren Betrieb betrieben und eine andere Bank bzw. Gruppe zur Bereitstellung des Moments in eine leistungsoptimierte Betriebsaxt umgeschaltet.

Eine andere Strategie, die im Koordinator 104 in einem Ausführungsbeispiel implementiert ist, ist eine Komfortoptimierung, nach der die Umschaltung einzelner Zylinderbänke bzw. Zylindergruppen von der einen in die andere Betriebsart nie gleichzeitig, sondern zeitlich nacheinander vorgegeben wird. Dadurch wird die mit der Umschaltung verbundene Geräuschemission reduziert.

Insbesondere bei Speicherkatalysatoren muß zum Ausräumen des Katalysators von Zeit zu Zeit vom Schichtladungsbetrieb in den Betrieb mit homogener Gemischbildung umgeschaltet werden. Auch in diesem Zusammenhang läßt sich die dargestellte Vorgehensweise des asymmetrischen Betriebs der Brennkraftmaschine erfolgreich einsetzen, da zumindest im Leerlauf und Teillastbereich beide Bänke nicht gleichzeitig umgeschaltet werden müssen, um den Katalysator auszuräumen, sondern nacheinander umgeschaltet werden können bzw. bei nur einem Katalysator für alle Bänke bzw. Zylindergruppen lediglich die abwechselnde Umschaltung einer Zylinderbank bzw. Zylindergruppe ausreicht. Dadurch wird eine erhebliche Komfortverbesserung, insbesondere eine Verringerung der Geräuschemission erreicht werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann neben einer verbrauchs- und einer komfortoptimalen Strategie auch eine abgasoptimale Strategie (z. B. im Bereich kleiner Leistungsanforderungen) eingesetzt werden. Dabei erfolgt die Aufteilung der Drehmomente und/oder die Vorgabe der Wunschbetriebsart derart, daß eine möglichst geringe Abgasbelastung auftritt. Es wird also z. B. versucht, das Gesamtsollmoment solange mittels Magerbetrieb im Schicht- und/oder Homogenbetrieb bereit zu stellen, so lange mit der jeweiligen Betriebsart dieses Moment einstellbar ist. Erst dann wird bei einer Zylinderbank bzw. -gruppe durch Vorgabe einer abweichenden Sollmoments und/oder einer Wunschbetriebsart ein weniger abgasoptimaler Arbeitspunkt eingestellt.

Das Einzelsollmoment und/oder das Wunschbetriebsartensignal für die Zylinderbank bzw. -gruppe, die von der Steuereinheit 10 gesteuert wird, wird dort wie nachfolgend beschrieben weiterverarbeitet, während die anderen Einzelsollmomente und/oder das Wunschbetriebsartensignale über die Kommunikationsverbindung 40 den anderen Steuereinheiten, bei einem Motor mit zwei Zylinderbänken der Steuereinheit 10b übermittelt wird. Die Sollmomentenwerte werden in der jeweiligen Steuereinheit unter Berücksichtigung von Betriebsgrößen wie Motordrehzahl, relative Luftfüllung (abgeleitet aus der zugeführten Luftmasse), etc. unter Berücksichtigung der gewünschten Betriebsart in eine einzuspritzende Kraftstoffmasse, einen Zündwinkel und eine Drosselklappenstellung umgesetzt werden.

Wesentlich ist, daß das Sollmoment für die Brennkraftmaschine in einer Steuereinheit in Einzelsollwerte für die Zylinderbänke oder -gruppen aufgeteilt werden, dort ggf. auch Wunschbetriebsarten für die einzelnen Zylinderbänke oder -gruppen ermittelt werden, die dann über eine Schnittstelle zu der wenigstens einen anderen Steuereinheit der wenigstens einen anderen Zylinderbank bzw. -gruppe übermittelt wird. Der koordinierenden Steuereinheit wird ebenfalls ein Einzelsollmomentenwert und/oder eine Wunschbetriebsart zugeordnet. Die Sollwerte und Wunschbetriebsarten werden dann in jeder Steuereinheit für die zugeordnete Zylinderbank unabhängig voneinander eingestellt, wobei sich das gewünschte Gesamtverhalten der Brennkraftmaschine ergibt.

Anstelle des Moments der Brennkraftmaschine werden in anderen Ausführungsbeispielen die Motorleistung, das Ausgangsmoment der Brennkraftmaschine, des Getriebes oder Radmomente als Sollwerte vorgegeben und übermittelt. Alle diese Größen lassen sich unter dem Begriff Ausgangsgröße der Antriebseinheit zusammenfassen.

Bei einem System, in welchem für jede Zylinderbank bzw. Gruppe eine eigene Drosselklappe ansteuerbar ist, kann die Betriebsart für jede Bank frei gewählt werden und die Momentenanforderungen so auf die Bänke verteilt werden, daß sich ein optimaler Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bzw. je nach Strategie ein optimaler Betrieb der Brennkraftmaschine ergibt.

Neben der Anwendung der geschilderten Vorgehensweise bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung läßt sich in entsprechender Weise die beschriebene Vorgehensweise auch bei Motoren mit Saugrohreinspritzung oder Dieselmotoren, die über unabhängig voneinander steuerbare Zylinderbänke verfügen, anwenden. In entsprechender Weise ergibt sich auch die Anwendung bei Antriebssystemen, welche aus mehreren Antriebseinheiten, beispielsweise Elektromotoren bestehen. Auch hier wird in der Steuereinheit einer dieser Antriebseinheiten ein zentraler Koordinator eingesetzt, der über eine Momentenschnittstelle mit den Steuereinheiten der anderen Antriebseinheiten kommuniziert und die Gesamtmomentenanforderung auf die einzelnen Steuereinheiten und somit die einzelnen Antriebseinheiten verteilt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Steuerung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs, bei welchem die Antriebseinheit des Fahrzeugs durch wenigstens zwei Steuereinheiten gesteuert werden, wobei jeder dieser Steuereinheiten ein Teil der Antriebseinheit zur Steuerung zugeordnet ist, wobei wenigstens einen Sollwert für eine Ausgangsgröße der Antriebseinheit erfaßt und abhängig von diesem über die wenigstens zwei Steuereinheiten die Antriebseinheit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Steuereinheiten (10) aus dem Sollwert für die Ausgangsgröße der Antriebseinheit wenigstens ein Sollwert für die wenigstens eine andere Steuereinheit (10b) gebildet wird, derart, daß der Gesamtsollwert realisiert wird, wobei an die wenigstens eine andere Steuereinheit der ihr zugeordnete Sollwert übermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein Momentensollwert ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbaren Zylinderbänken ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit ein Verbrennungsmotor mit Benzindirekteinspritzung ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Sollwert als weitere Steuerinformation eine Information über die von der jeweiligen Steuereinheit bei dem ihm zugeordneten Teil der Antriebseinheit einzustellende Betriebsart ist.

6. Vorrichtung zur Steuerung der Antriebsleistung eines Fahrzeugs, mit wenigstens zwei Steuereinheiten, die die Antriebseinheit des Fahrzeugs steuern, wobei jeder dieser Steuereinheiten ein Teil der Antriebseinheit zur Steuerung zugeordnet ist, wenigstens eine der Steuereinheit Mittel umfaßt, die wenigstens einen Sollwert für eine Ausgangsgröße der Antriebseinheit erfassen, abhängig von dem über die wenigstens zwei Steuereinheiten die Antriebseinheit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Steuereinheiten (10) Koordinationsmittel vorgesehen sind, die aus dem Sollwert für die Ausgangsgröße der Antriebseinheit wenigstens einen Sollwert für die wenigstens eine andere Steuereinheit (10b) bilden, derart, daß der Gesamtsollwert realisiert wird, und daß Mittel vorgesehen sind, die den der wenigstens einen anderen Steuereinheit zugeordnete Sollwert an diese übermitteln.