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Die Erfindung betrifft eine Schlupfregelung zur Steuerung
des Schlupfs an den Fahrzeugantriebsrädern. Sie betrifft
insbesondere ein Schlupfregelverfahren, das beim Anfahren
oder Beschleunigen des Fahrzeugs den Schlupf der
Antriebsräder steuert.
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Antriebsräder schlupfen, wenn beim Anfahren oder
Beschleunigen des Fahrzeugs deren Mitnahmereibung die Reibung
zwischen Rad und Fahrbahn übersteigt [Reibung =
(Reibungskoeffizient zwischen Rad und Fahrbahn) · (Auflagekraft des
Antriebsrad aufgrund des Fahrzeuggewichts)]. Die Schlupfrate
λ, die den Umfang des Schlupfens beschreibt, ergibt sich
aus der Gleichung
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λ = (VW - V)/VW (I)
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wobei VW die Umfangsgeschwindigkeit der Antriebsräder und V
die Fahrzeuggeschwindigkeit (die Umfangsgeschwindigkeit der
Nicht-Antriebsräder) bedeuten.
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Die Reibung zwischen Rad und Fahrbahn (d. h., der
Mitnahmereibungsgrenzwert der Antriebsräder) ändert sich mit der
Schlupfrate λ. Die Reibungskraft in Fahrtrichtung
(Längsrichtung) des Fahrzeugs erreicht ihren Höchstwert bei einem
vorbestimmten Wert λo. Die vorgenannte Reibung zwischen Rad
und Fahrbahn ist die Reibung in Längsrichtung des
Fahrzeugs. Nimmt die Schlupfrate λ zu, so vermindert sich die
Seitenreibung, d. h. die Reibung in seitlicher Richtung.
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Hieraus wurde ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, das
die Schlupfrate λ erfassen und die Reibung zwischen Rad und
Fahrbahn in Längsrichtung und damit den Vortrieb des
Fahrzeugs größtmöglich machen kann. Zudem vermindert es die
Abnahme
der Seiten-Reibung zwischen Rad und Fahrbahn, was ein
Wegrutschen des Fahrzeugs verhindert und die Schlupfrate λ
an den vorgegebenen Wert λo heranbringt. Bei den
herkömmlichen Verfahren definieren der untere λ&sub1; und der oberer
Grenzwert λ&sub2; der Schlupfrate λ einen vorbestimmten Bereich, der
die vorbestimmten Werte λo, λ&sub1; und λ&sub2; - je nach
Fahrzeuggeschwindigkeit V - enthält. Die Drehmomente der
Antriebsräder werden von einer Antriebsrad-Drehmomentregelung je
nach Schlupfrate λ, deren Wert sich aus der
Antriebsradgeschwindigkeit VW und der Fahrzeuggeschwindigkeit V ergibt,
gesteuert. Damit wird die Umfangsgeschwindigkeit VW der
Antriebsräder gesteuert und rückwirkend die Schlupfrate λ der
Antriebsräder in dem vorbestimmten Bereich λ&sub1;-λ&sub2; gehalten.
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Bei den herkömmlichen Verfahren (siehe oben) wird bei der
Schlupfregelung der Antriebsräder vorausgesetzt, daß die
nicht angetriebenen Räder nicht schlupfen. Daß sich die
Fahrzeuggeschwindigkeit über die Geschwindigkeit der nicht
angetriebenen Räder genau feststellen ließe. Bei einem
Fahrzeug mit Vorderradantrieb sind die Vorderräder die
Antriebs- und die hinteren Räder die nicht angetriebenen
Räder. Umgekehrt sind bei einem Fahrzeug mit
Hinterradantrieb die Hinterräder die Antriebs- und die Vorderräder die
nicht angetriebenen Räder. Befindet sich die Bremse an den
nicht angetriebenen Räder, so läßt sich mit einem Brems-
oder Kupplungsschalter ein solches Bremsen feststellen und
die Schlupfregelung der Antriebsräder hemmen (dies
offenbart u. a. das japanische Patent Nr. 60-121129).
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Es wurde auch vorgeschlagen, zur Steuerung eines Anti-
Blockiersystems eine Hilfsbremse zu verwenden.
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Die JP-A-60/107442 beschreibt ein System, wobei ein
Betätigen der Feststellbremse ein Blockieren des Anti-
Blockiersystem verhindert. Dies würde ansonsten durch eine
Fehlerdetektorschaltung erfolgen.
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LTP-A-60/113755 beschreibt ein System, bei dem das Anti-
Blockiersystem gehemmt wird, wenn der Einsatz der
Hilfsbremse erfaßt wird, um so während des Bremsvorgangs die
Stabilität sicherzustellen.
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Im Motorsport - weniger im normalen Straßenverkehr -
erfolgt oftmals durch besonderes Bremsen eine sogenannte
Schleuder- oder Handbremsenwende. Hierbei werden die
Hinterräder mit der Feststellbremse blockiert, so daß sie
schlupfen und der hintere Wagenteil ausbricht. Dabei bleibt die
Schlupfregelung in Betrieb, da bei einem Fahrzeug mit
Vorderradantrieb die Kupplung nicht gelöst wird. Die
Regelung stellt zwar fest, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit Null
ist, da ein Drehen der Hinterräder (der nicht angetriebenen
Räder) blockiert ist, die Vorderräder (die Antriebsräder)
drehen sich aber weiter. Würde man die Schlupfrate λ mit
der Gleichung (I) berechnen, so wäre das Schlupfen der
Antriebsräder unrichtig erfaßt. Daher wird eine Kraftstoff-
Unterbrecherregelung oder dergleichen eingesetzt, um die
Vortriebskraft zu vermindern. Wollte man das Fahrzeug nach
einer Handbremsenwende sofort wieder beschleunigen, so wäre
die Beschleunigungsleistung vermindert oder der Motor
stürbe bei der Handbremsenwende wegen der Schlupfregelung
ab. Deshalb hat bei den vorgenannten herkömmlichen
Verfahren eine Handbremsenwende das unerwünschte Resultat, daß
die Beschleunigungsleistung niedriger wird oder der Motor
abstirbt.
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Zudem wird bei den vorgenannten herkömmlichen
Schlupfregelungen beim Anfahren des Fahrzeugs, sogar wenn das Gaspedal
rasch niedergedrückt wird, das Drehmoment der Antriebsräder
richtig gesteuert und ein Schlupfen der Antriebsräder
verhindert.
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Anders als im normalen Straßenverkehr ist im Motorsport ein
Schlupfen der Antriebsräder erwünscht und wird in manchen
Fällen absichtlich eingesetzt. Beispielsweise wird beim
Anfahren eines Fahrzeugs mit Vorderradantrieb auf glatter,
z. B. schneebedeckter oder vereister Fahrbahn das Getriebe
in den Rückwärtsgang gebracht und das Steuerrad gerade so
gedreht, daß für die Vorderräder ein kleiner Steuerwinkel
bleibt. Dann wird das Gaspedal voll niedergedrückt, so daß
absichtlich die Vorderräder (die Antriebsräder) durch- und
das Fahrzeug um die Hinterräder drehen, so als ob ein
Kreisbogen gezogen werden würde. Bei diesem Manöver spricht
man von einer Rückwärtsdrehung. Wenn bei einem Fahrzeug mit
herkömmlicher Schlupfregelung ein derartiges
Rückwärtsdrehen erfolgt, so wäre automatisch das absichtliche -
scheinbare - Schlupfen der Antriebsräder blockiert.
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Es soll daher ein Schlupf-Steuerungsverfahren
bereitgestellt werden, das bei einem Fahrzeug den Schlupf der
Antriebsräder regeln kann, das aber die
Beschleunigungsleistung nicht vermindert und den Motor nicht absterben läßt,
sollte eine Handbremsenwende oder dergleichen ausgeführt
werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schlupfregelung
vorgeschlagen, die den Schlupf der Antriebsräder eines
Fahrzeugs regeln kann, wobei ein übermäßiger Schlupf der
Antriebsräder während des Beschleunigens des Fahrzeugs
durch die Beziehung zwischen den Antriebs- und den
Mitlaufrädern festgelegt wird. Die Antriebskraft der Räder
wird beim Auftreten eines übermäßigen Schlupfens
vermindert, so daß der Schlupf der Antriebsräder begrenzt bleibt.
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Und die Schlupf-Steuerung wird blockiert, sollte das
erfaßte Zähnezahnverhältnis des Fahrzeuggetriebes einen
Rückwärtsgang anzeigen.
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Vorzugsweise wird die Schlupfregelung blockiert, wenn der
Einsatz der Fahrzeug-Handbremse festgestellt werden sollte.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft eine
Schlupfregelung, die den Schlupf der Antriebsräder eines Fahrzeugs
nach dem erfindungsgemäßen Schlupf-Regelverfahren steuert.
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Es wird beispielhaft auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug
genommen. Es zeigt:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit
einem erfindungsgemäßen Schlupf-Steuerungssystem;
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Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
Kraftstoffzufuhr-Regelvorrichtung, die das Drehmoment der
Antriebsräder zu steuern vermag;
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Fig. 3 ein Flußdiagramm eines Schlupf-Regelprogramms;
und
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Fig. 4 ein Flußdiagramm eines
Kraftstoffzufuhr-Programms.
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Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einer erfindungsgemäßen
Schlupfregelung für dessen Antriebsräder. Das Fahrzeug 1
ist beispielsweise ein Fahrzeug mit Vorderradantrieb, wobei
die Vorderräder 11 und 12 von einem Motor 31 angetrieben
werden und die Hinterrädern 13 und 14 nicht angetriebene
oder Mitlaufräder sind. Wie die nun kommende Beschreibung
zeigt, ist die vorliegende Erfindung so ähnlich auch
verwendbar für ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb, wenn also
die Hinterräder die Antriebsräder sind und die Vorderräder
die nicht angetriebenen oder Mitlaufräder. Die
Antriebsräder 11 und 12 sind mit Geschwindigkeitssensoren 21 bzw.
22 versehen. Die Mitlaufräder 13 und 14 hingegen haben
Mitlaufrad-Geschwindigkeitssensoren 23 bzw. 24. Die
Geschwindigkeit ωLF und ωRF des linken und des rechten Antriebsrades
werden von den Geschwindigkeitssensoren 21 bzw. 22 erfaßt.
Die Geschwindigkeit ωLR und ωRR des linken und des rechten
Mitlaufrades werden von den Geschwindigkeitssensoren 23 und
24 bestimmt. Die Meßsignale (der Geschwindigkeitssensoren
21 und 22) werden in die ECU (elektronische
Steuerungseinheit) eingespeist. Die ECU 35 berechnet zunächst aus dem
Durchschnitt (ωLR + ωRR)/2 der Mitlaufrad-Geschwindigkeiten
ωLR und ωRR die Fahrzeuggeschwindigkeit V und steuert dann
den Schlupf des Antriebsrads mit der höheren
Geschwindigkeit (HI Auswahlsteuerung). Die höhere
Antriebsrad-Geschwindigkeit ωLF bzw. ωRF wird in ωF-Werte umgesetzt und zwar mit
Bezug auf die Antriebsrad-Geschwindigkeit VW in der zuvor
erwähnten Gleichung (I).
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Die Mitlaufrad-Geschwindigkeit ωLR oder ωRR, die auf der
gleich Seite des Fahrzeugs wie das zu steuernde Antriebsrad
(mit der höheren Antriebsrad-Geschwindigkeit) liegt, wird
als ωR in der erwähnten Gleichung (I) anstelle der
Fahrzeuggeschwindigkeit V eingesetzt. Die Schlupfrate ist dann
aus der Gleichung erhältlich:
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λ = (ωF - ωR)/ωF (II)
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Die Kupplung 15 und das Getriebe 16 zwischen Motor 31 und
Antriebsrädern 11 und 12 sind mit entsprechenden Sensoren
versehen (nicht gezeigt). Die Kupplungs- und
Getriebesignale
der Sensoren werden in die ECU 35 eingegeben. Das
Getriebesignal zeigt an, in welchem Gang das Getriebe
eingelegt ist. Der Mechanismus für den Einsatz der jeweiligen
Handbremse für das nicht-angetriebene Hinterrad 13 bzw. 14
ist mit einem Sensor (nicht gezeigt) versehen. Der Sensor
gibt ein Signal für den Einsatz oder die Anwendung des
Feststellbremsen-Mechanismus in die ECU 35 eingegeben.
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Bestimmt die ECU 35 aus dem Kupplungssignal, dem
Getriebesignal und dem Feststellbremsen-Signal, daß die Kupplung 15
eingekuppelt ist, und ist der Gang des Getriebes 16 nicht
in der "Rückwärtsgang"-Stellung und die Feststellbremse
nicht betätigt, so wird der Motor 31 von der
Kraftstoffzufuhrregelung - die nachstehend beschrieben wird -
geregelt und damit das Drehmoment der Antriebsräder 11 und 12
und deren Schlupfrate λ (siehe Gleichung II). Die ECU 35
betätigt die Kraftstoffzufuhrregelung wie folgt:
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(i) Ist λ > λo , dann wird die Kraftstoffzufuhr
so geregelt, daß sich der Wert λ verringert. Zum
Beispiel wird die Kraftstoffzufuhr unterbrochen.
(Verhinderung einer übermäßigen Schlupfrate)
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Die Fig. 2 zeigt den allgemeinen Aufbau der
Kraftstoffzufuhrregelung. Die Bezugsziffer 31 steht für einen
Verbrennungskraftmotor, beispielsweise mit vier Zylindern. Das
System ist natürlich auch für jeden anderen Motortyp
geeignet. Ein Mehrfach-Ansaugrohr 32 ist mit dem Motor 31
verbunden. Ein Drosselkörper 33 ist an dem Mehrfach-Ansaugrohr
32 angeordnet. Der Drosselkörper 33 enthält ein
Drosselventil 33'. Das Drosselventil 33' ist mit einem
Drosselventilöffnungs(RTH)-Sensor 34 versehen, der die
Ventilstellung des Drosselventils 33' in ein elektrisches Signal
umwandeln kann. Dieses wird dann in die ECU 35 eingespeist.
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Die Kraftstoffspritzventile 36 sind an dem
Mehrfach-Ansaugrohr 32, für die jeweiligen Zylinder, zwischen dem Motor 31
und dem Drosselkörper 33 direkt stromauf der Einlaß-Ventile
(nicht gezeigt) der jeweiligen Zylinder angeordnet. Die
Kraftstoffeinspritzventile 36 sind mit einer
Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt) verbunden, so daß eine
Ventilöffnungszeit der Kraftstoffeinspritzventile 36 durch die
Signale von der ECU 35 gesteuert werden kann.
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Ein Absolutdrucksensor (PBA) 38 ist stromab des
Drosselventils 33' angeordnet und durch das Rohr 37 mit dem
Mehrfach-Ansaugrohr 32 verbunden. Der Absolutdruck in dem Rohr
37 wird von dem Sensor 38 in ein elektrisches Signal
umgewandelt. Dieses wird in die ECU 35 eingespeist.
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Ein Motorkühlmittel-Temperatursensor 39 (nachstehend als TW
Sensor bezeichnet) ist an dem Motor 31 angebracht und
überwacht die Temperatur des Motorkühlmittels. Der TW-Sensor 39
enthält einen Thermistor (oder eine ähnliche Vorrichtung),
der an der Außenwand des Motors montiert ist. Ein Meßsignal
von dem TW-Sensor 39 wird in die ECU 35 eingegeben. Ein
Motordrehzahlsensor 40 (nachstehend als "Ne-Sensor"
bezeichnet) ist an einer Nocken- oder Motorkurbelwelle (nicht
gezeigt) angeordnet. Der Ne-Sensor 40 erzeugt bei einer
vorbestimmten Kurbelwinkelstellung bei jeder 180º-Umdrehung
der Motorkurbelwelle ein Kurbelwinkelstellsignal
(nachstehend "TDC-Signal - Signal für den "oberen Totpunkt" -
genannt). So gibt der Ne-Sensor 40 bspw. ein TDC-Signal, wenn
die Kurbelwelle bei einem vorbestimmten Kurbelwinkel liegt
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- mit Bezug auf den oberen Totpunkt - und damit vor Beginn
des Ansaugtaktes in jeweiligen Zylinder. Dieses TDC-Signal
wird in die ECU 35 eingegeben.
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In der Abgasleitung 41 des Motors 31 befindet sich ein
Katalysator
42 aus Rhodium, der das Abgas von HC, CO und NOx
befreit. Ein O&sub2;-Sensor 43 ist im Abgasrohr 41 stromauf des
Katalysator 42 angebracht. Der O&sub2;-Sensor 43 mißt die
Sauerstoffkonzentration im Abgas. Er gibt ein Signal für die O&sub2;-
Konzentration in die ECU 35 ein.
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Ein Hilfsparameter-Sensor 44 soll andere Motorparameter
erfassen. Er gibt ein Meßsignal für diese weiteren
Motorparameter an die ECU 35.
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Die ECU 35 enthält einen Eingabeschaltkreis 35a, der die
Signale der verschiedenen Sensoren (einschließlich der
Antriebsrad-Geschwindigkeitssensoren 21 und 22, der
Mitlaufrad-Geschwindigkeitssensoren 23 und 24, des
Kupplungssensor 15 und des Getriebes 16) eingibt, deren
Spannungsgrößen auf ein vorbestimmtes Niveau korrigiert und
Analogsignale digitalisiert. Die ECU 35 enthält weiterhin eine
zentrale Prozessoreinheit 35b (die nachstehend als CPU
bezeichnet wird), einen Speicher 35c, der die verschiedenen
Betriebsprogramme und Programmergebnissen der CPU 35b
speichert und einen Ausgabeschaltkreis 35d, der ein
Treibersignal an das Kraftstoffeinspritzventil 36 geben kann.
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Die CPU 35b berechnet für das Kraftstoffeinspritzventil 36.
die Kraftstoffeinspritzzeit TOUT. Die Motorparameter-Signale
der verschiedenen Sensoren werden, sobald ein TDC-Signal
eingegeben ist, durch den Eingabeschaltkreis 35a geführt,
und das TOUT nach folgender Gleichung berechnet:
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TOUT = Ti · K&sub1; + K&sub2; (III)
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wobei Ti der Referenz-Wert einer Einspritzzeit des
Kraftstoffeinspritzventils 36 ist und vom Referenz-Wert der
Motordrehgeschwindigkeit Ne sowie vom Absolutdruck PBA in
dem Mehrfach-Ansaugrohr abhängig.
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K&sub1; und K&sub2; sind Korrekturkoeffizienten beziehungsweise
Korrekturvariablen, die entsprechend einer gegebenen
Betriebsänderung und durch Optimieren verschiedener Kennwerte, z. B.
vom Start, der Abgase, des Kraftstoffverbrauchs und der
Beschleunigung, und zwar entsprechend den
Motorbetriebsbedingungen, den Motorparametersignalen, erfaßt von den
erwähnten Sensoren, berechnet werden.
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Die CPU 35b liefert gemäß der Kraftstoffeinspritzzeit TOUT
durch den Ausgabeschaltkreis 35d ein Treiber-Signal an das
Kraftstoffeinspritzventil 36.
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Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines
Schlupf-Steuerungsprogramms für die Antriebsräder eines Fahrzeugs entsprechend
den Fig. 1 und 2.
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Das Schlupf-Steuerungsprogramm erfolgt durch die CPU 35b
für jede bestimmte Zeitperiode.
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In Stufe 1 wird zunächst bestimmt, ob die Kupplung 15
ausgekuppelt ist. Ist die Antwort JA, wird eine
Kraftstoff-Abschaltklappe FC, die die Schlupfregelung der Antriebsräder
(Schritt 9) blockiert, auf 0 zurückgesetzt. Dann wird das
Programm beendet.
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Lautet die Antwort in der Stufe 1 NEIN, dann wird in Stufe
2 bestimmt, ob das Getriebe 16 sich im "Rückwärtsgang"
befindet. Ist die Antwort JA, wird die
Kraftstoff-Abschaltklappe FC, die die Schlupfregelung der Antriebsräder (Stufe
9) hemmen kann, zurückgesetzt. Dann wird das Programm
beendet.
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Ist die Antwort in Stufe 2 NEIN, wird in Stufe 3 bestimmt,
ob die Feststellbremse betätigt ist. Ist die Antwort JA,
wird die Kraftstoff-Abschaltklappe, die die Schlupfregelung
der Antriebsräder (Schritt 9) blockieren kann, auf 0
zurückgesetzt. Dann wird das Programm beendet.
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Ist die Antwort in Stufe 3 NEIN, geht das Programm in die
Stufe 4, wo eine Schlupfregelung für die Antriebsräder 11
und 12 erfolgt.
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In Stufe 4 werden die Geschwindigkeiten ωLF und ωRF des
linken und des rechten Antriebsrads 11 bzw. 12 und die
Geschwindigkeiten ωLR und ωRR des linken und des rechten
Mitlaufrads 13 und 14 bestimmt.
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In Stufe 5 wird über die Werte von ωF und ωR in der
Gleichung (II) entschieden. Der Wert ωF wird auf das linke bzw.
das rechte Antriebsrad mit der größeren Geschwindigkeit ωLF
bzw. ωRF übertragen. Der Wert ωR hingegen auf die
Mitlaufräder mit den Geschwindigkeiten ωLR oder ωRR. In Stufe 6 wird
die Schlupfrate λ der Antriebsräder nach der Gleichung (II)
berechnet.
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In Stufe 7 wird bestimmt, ob die Schlupfrate λ - wie
berechnet - einen vorbestimmten Wert λo übersteigt. Lautet die
Antwort JA, wird die Kraftstoffabschaltklappe FC auf 1
gesetzt, um den Schlupf der Antriebsräder zu begrenzen (Stufe
8). Danach wird das Programm beendet. Lautet die Antwort in
Stufe 7 NEIN, so wird die Kraftstoffabschaltklappe FC auf
Null zurückgesetzt (Stufe 9) und das Programm beendet.
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Fig. 4 zeigt ein Flußdiagramm eines Kraftstoffzufuhr-
Steuerungsprogramms, das durch die CPU 35b bei jedem TDC-
Signal ausgeführt wird. Dieses Programm wird vorzugsweise
für das in Fig. 3 gezeigte Programm ausgeführt. Das
Programm 4 erfolgt so, daß es das Fortschreiten des Programms
aus Fig. 3 unterbricht.
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In Stufe 41 wird bestimmt, ob die Kraftstoffabschaltklappe
FC für das Programm von Fig. 3 gesetzt oder zurückgesetzt
wird. Lautet die Antwort JA, so bedeutet das, daß eine
Kraftstoffunterbrechung erfolgt, wonach das Programm abrupt
beendet wird. Lautet die Antwort in Stufe 41 NEIN, so wird
die Ventilöffnungszeit TOUT des Kraftstoffeinspritzventils
berechnet (Stufe 42) und danach das
Ventilöffnungs-Antriebssignal entsprechend dem Wert TOUT ausgegeben (Stufe
43). Danach wird das Programm beendet.
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Wie oben beschrieben, werden in der dargestellten
Ausführungsform die Schritte des Feststellens von übermäßigem
Schlupf der Antriebsräder während des Beschleunigens des
Fahrzeugs und des Verminderns der Antriebskraft der
Antriebsräder ausgeführt. Bei einem Schlupfen wird die
Antriebskraft der Antriebsräder reduziert. Wird der Einsatz
einer Feststellbremse festgestellt, so wird die
Schlupfregelung des Fahrzeugs gehemmt. Erfolgt eine
Handbremsenwende oder dergleichen, so kann dadurch einer schlechteren
Beschleunigungsleistung und einem Absterben des Motors bei
der Drehung begegnet werden.
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In der dargestellten Ausführungsform erfolgen auch
Schritte, wodurch das Getriebeverhältnis für die Kraftübertragung
bestimmt wird. Befindet sich das das Getriebe im
"Rückwärtsgang", so wird die Schlupfregelung der Antriebsräder
gehemmt. Damit ist ein Rückwärtsdrehen des Fahrzeugs
möglich und ein spezieller Fahrstil möglich. Trotzdem erfolgt
eine Schlupfregelung der Antriebsräder bei normaler Fahrt.