DE60005444T2 - Verfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge.
• Moderne Motorfahrzeuge sind mit einer Vielfalt von Zusatzeinrichtungen versehen, wie z. B. Kompressor der Klimaanlage, Wechselstromgenerator und dementsprechende elektrische Lasten, die zusammen ein Rückdrehmoment erzeugen, das an die Kraftabgabewelle des Motors angelegt wird. Dieses Rückdrehmoment weist einen Wert auf, der in Abhängigkeit vom Betriebszustand jeder einzelnen Zusatzeinrichtung schwankt. Während des Leerlaufs der Brennkraftmaschine erzeugt die von den Zusatzeinrichtungen verursachte Schwankung des Rückdrehmoments leicht eine Schwankung der Umdrehungszahl des Motors.
• Moderne Motoren für Fahrzeuge sind normalerweise mit einer elektronischen Steuereinheit ausgestattet, die in der Lage ist, die der Maschine zugeführte Luft- und Kraftstoffmenge zu korrigieren, um die Drehzahl des Motors im Leerlauf möglichst konstant zu halten. Bei herkömmlichen Lösungen erfasst die elektronische Steuereinheit die Motordrehzahl und korrigiert die Schwankungen gemäß einer vorher festgesetzten Drehzahl, indem sie die eingespritzte Luft- und Kraftstoffmenge variiert oder die Vorzündung des Motors verändert. Steuerungssysteme der herkömmlichen Art haben keine Informationen über die an den Motor angelegte Widerstandsbelastung und nehmen Korrekturen als Funktion der durch die Rückdrehmoment-Schwankung verursachten Geschwindigkeitsänderung des Motors vor. In der Praxis wird die Korrektur nach Erfassung des Resultats einer Änderung des Rückdrehmoments vorgenommen. Da der Motor einen gewissen Trägheitsgrad aufweist, gibt es eine Verzögerung von dem Augenblick, wo das Rückdrehmoment sich verändert, bis zu dem Zeitpunkt, wo die elektronische Steuereinheit eine Veränderung der Motordrehzahl erfasst. Um Aussetzer der Maschine während der Zeit zu verhindern, die die elektronische Steuereinheit des Motors zur Durchführung der Korrektur benötigt, muss die vorher festgesetzte Drehzahl des Motors relativ hoch sein, so dass die Trägheit des Motors die Reaktionszeiten des Leerlauf-Regelungssystems kompensiert.
• Das Problem, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, besteht darin, die Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine zu senken und dabei zu verhindern, dass die Maschine wegen plötzlicher Anstiege des von Zusatzeinrichtungen erzeugten Rückdrehmomentes aussetzt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch ein Verfahren erreicht, dessen Merkmale Gegenstand der Ansprüche sind.
• Die vorliegende Erfindung soll nun im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, die nur als uneingeschränktes Beispiel gegeben werden. Es zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit elektronischer Leerlaufregelung, und
• 2 ein Diagramm zur Darstellung der Druckschwankung in der Verbrennungskammer eines Zylinders und der Schwankung des an die Motorwelle angelegten Drehmomentes während einer 360°-Periode des Motors.
• In 1 ist ein Vierzylinder-Viertakt-Verbrennungsmotor mit 10 angedeutet und mit einer Motorwelle 12 versehen, auf der ein Einstellungsrad 14 montiert ist, das einem Messfühler 16, z. B. des elektromagnetischen Typs, zugeordnet ist, dessen Aufgabe die Erfassung der Momentandrehzahl der Motorwelle 12 ist. Der Motor 10 ist mit einer Saugleitung 18 versehen, die mit einem Drosselventil 20 ausgerüstet ist, das vom Benutzer mittels des Gaspedals gesteuert wird. Parallel zu dem Drosselventil 20 ist eine Umleitungs-Rohrabzweigung 22 eingerichtet. In der Umleitungs-Rohrabzweigung 22 ist ein zweites Reglerventil 24 eingebaut und wird durch einen elektrischen Versteller 26 betätigt. In der Saugleitung 18 ist eine Vielzahl von Einspritzdüsen 28 in Bezug auf die verschiedenen Zylinder des Motors 10 eingebaut. Eine Verteilerwelle 30 regelt das Öffnen und Schließen von Ein- und Auslass-Ventilen (nicht dargestellt). An der Verteilerwelle 30 ist ein Einstellzahnrad montiert, das einem Messfühler 34 zugeordnet ist, der ein Signal zur Anzeige des Hubs des Motors 10 liefert. Eine elektronische Steuereinheit 36 nimmt die Signale von dem Winkelgeschwindigkeits-Messfühler 16 und dem Hubmessfühler 34 auf. Die elektronische Steuereinheit 36 ist u. a. darauf programmiert, den Leerlauf des Motors 10 zu regeln. Auf Basis der von den Messfühlern 16 und 34 gelieferten Informationen korrigiert die Steuereinheit 36 den vom Motor 10 angesaugten Luftstrom unter Leerlaufbedingungen durch Öffnen oder Schließen des Reglerventils 24 mittels des Verstellers 26. Gleichzeitig mit der Korrektur des angesaugten Luftstroms korrigiert die Steuereinheit 36 die eingespritzte Kraftstoffmenge durch Verändern der Öffnungszeit der Einspritzdüsen 28.
• Der Massenausgleich einer als starrer Körper angesehenen Wärmekraftmaschine kann in Mittelwerten auf die Periode folgendermaßen ausgedrückt werden: Cine = Cind – Cres – Ccar d. h. das Trägheitsdrehmoment C_ind ist gleich der Differenz des von den Gasen C_ind entwickelten Drehmoments und der inneren Rückkehrmomente C_res und des an die Motorwelle angelegten Lastendrehmoments C_car. Das Trägheitsdrehmoment C_ine kann in zwei Komponenten aufgeteilt werden: C_ine = C_rot + C_alt, wobei C_rot das Trägheitsdrehmoment der umlaufenden Massen und C_alt das Drehmoment infolge der Massen in der Wechselbewegung ist. Das Drehmoment C_alt ist proportional zum Quadrat der Motordrehzahl und bei der Leerlaufgeschwindigkeit des Motors vernachlässigbar. Daher kann ungefähr angenommen werden, dass C_alt = 0, um zu erhalten: Crot = Cind – Cres – Ccar.
• Bei Echtzeit-Datenhandhabung durch die elektronische Steuereinheit eines Motors muss die erforderliche Rechenleistung auf ein Minimum reduziert werden, ohne den benötigten Informationsgehalt für die Steuerung zu verlieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die elektronische Steuereinheit 36 so programmiert, dass sie relevante Informationen für das Gesamt-Rückdrehmoment, angegeben durch die Summe der Komponenten C_rot + C_res + C_car, im Leerlauf erfasst.
• Das Lastendrehmoment C_car kann in zwei Komponenten eingeteilt werden:
• C_af: externe Last auf den Motor allein gesehen, d. h. losgelöst vom Antrieb (z. B. Hydrauliklenkung, Klimaanlage, elektrische Lasten);
• C_at: stromabwärts vom Schwungrad angelegte Last (Wagenmasse in den verschiedenen Gängen und unter den verschiedenen Belastungsbedingungen) durch den elastischen Antriebsstrang.
• Bei angehaltenem Fahrzeug (Gang ausgekuppelt) ist die Komponente C_at Null, und das Drehmoment infolge der an die Motorwelle C_car angelegten Last entspricht wegen der direkt oder indirekt durch den Motor gesteuerten Zusatzeinrichtungen der externen Last auf den Motor.
• Das Verfahren, mit dem die elektronische Steuereinheit 36 relevante Informationen für das an die Motorwelle angelegte Rückdrehmoment erfasst, soll anschließend mit Bezug auf das Diagramm in 2 erläutert werden. Die mit P bezeichnete Kurve gibt einen schematischen Hinweis auf die Druckschwankung im Inneren der Verbrennungskammer während der Periode, die einer Umdrehung von 360° der Motorwelle entspricht. Das Maximum der Druckkurve P tritt kurz nach dem in der Figur mit PMS angedeuteten oberen Totpunkt (TDC) auf. 2 gibt auch die Drehmomentschwankung an, die durch Gasexpansion an die Motorwelle angelegt wird. Das Drehmoment weist einen negativen Wert in der Kurbelwinkelspanne zwischen 0 (PMS) und –180° und einen positiven Wert in der Spanne zwischen 0 (PMS) und +180° auf. Der Mindestwert des Rückkehhmoments C_{m i n} unter dem physikalischen Gesichtspunkt stellt den Wert des Gesamt-Rückdrehmoments dar: C_min = C_res + C_af (unter den Gegebenheiten mit ausgekuppeltem Gang). Der Durchschnittswert während der 360°-Periode des Drehmoments C unter dem physikalischen Gesichtspunkt stellt das Trägheitsdrehmoment der rotierenden Massen C_rot dar.
• Das Auslösedrehmoment C ist proportional zur Momentbeschleunigung der Kurbelwelle des Motors. Folglich ist die elektronische Steuereinheit 36 gemäß der vorliegenden Erfindung so programmiert, dass sie mittels des Messfühlers 16 und des Einstellungsrads 14 Beschleunigungsdaten erfasst, die das Drehmoment C_min = C_res + C_af und das Drehmoment C_rot darstellen. Ein Momentbeschleunigungswert kann mit einem Ausdruck dieser Art berechnet werden:

  

  wobei A_i die Momentbeschleunigung an einem Punkt der Periode ist und Δω die Geschwindigkeitsabweichung ist, die in dem Zeitintervall Δt mit Bezug auf den betrachteten Punkt gemessen wird.
• Der Mindestwert des Drehmoments kann als Durchschnitts-Beschleunigungswert im Intervall Δα geschätzt werden (2), dessen Position als Funktion der Winkelstellung des Einstellungsrads festgesetzt wird.
• Kurz gesagt, während jeder 360°-Periode des Motors erfasst die elektronische Steuereinheit 36 mittels der Geschwindigkeits-Messfühler 14, 16 Informationen über das geschätzte Rückdrehmoment, das durch die Summe zweier Beschleunigungskomponenten angegeben wird: einer ersten, die als Beschleunigungs-Durchschnittswert der Motorwelle auf der Berechnung eines Kurbelwinkels von 360° berechnet wird und einer zweiten Beschleunigung, die als Mindestmomentwert in einem vorher festgesetzten Intervall Δα unmittelbar vor dem oberen Totpunkt berechnet wird. In Wirklichkeit sind die beiden Beschleunigungen als Skalenfaktoren nicht kohärent, da der erstere als Momentwert C_res + C_af berechnet wird, während C_rot als Durchschnittswert berechnet wird. Die zwei Komponenten werden daher mit Hilfe von Kalibrierungsparametern angemessen berücksichtigt. Diese Parameter gleichen auch Steuerungsverzögerungen sowie die mechanische und hydrodynamische Trägheit des Systems aus.
• Auf der Basis von Daten, die den Drehmomentwert C_rot + C_res + C_af darstellen, nimmt die elektronische Steuereinheit 36 Korrekturen des Luftstroms und der Kraftstoffmenge vor, die gemäß einer zum Zwecke der Konstanthaltung der Motordrehzahl experimentell erstellten Festlegung eingespritzt wird. Das auf der Erfassung des Drehmomentwertes basierende Steuersystem überflügelt ein Steuersystem der herkömmlichen Art, das auf der Erfassung der Motordrehzahl basiert. Das Zusatzsteuersystem gleicht Situationen schneller aus, in denen Belastungsschwankungen auftreten, weil es die physikalische Größe, welche die Ursache für Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit ist, direkt überwacht.
• Natürlich können die baulichen Einzelheiten und Ausführungsformen bezüglich der hierin beschriebenen und dargestellten Erfindung ohne Veränderung des Prinzips der Erfindung in hohem Maße variiert werden, ohne jedoch vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung der Leerlaufdrehzahl einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge, mit den Phasen: – Überwachen zumindest eines Betriebsparameters des Motors, und – Korrigieren der an den Motor gelieferten Luft- und Kraftstoffmenge als Funktion der Schwankungen dieses Betriebsparameters, um die Drehzahl des Motors im Wesentlichen in Äquivalenz zu einem vorher festgesetzten Referenzwert zu halten; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Schätzwert eines Drehmomentes festgesetzt wird, das als Funktion eines während einer Periode der Brennkraftmaschine erfassten Winkelbeschleunigungswertes an den Motor angelegt wird, und dass eine Korrektur der an den Motor gelieferten Luft- und Kraftstoffmenge als Funktion der Schwankungen dieses geschätzten Drehmomentwertes bewirkt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geschätzte Drehmoment, das an die Motorwelle angelegt wird, als Funktion des ersten Winkelbeschleunigungswertes, der in einem Intervall (Δα) unmittelbar vor der oberen Totpunktstellung des Motors gemessen wird, und eines zweiten Beschleunigungswertes festgesetzt wird, der während einer Periode des Motors als Mittelwert berechnet wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgenannte erste Beschleunigungswert ein kennzeichnender Wert des Mindestbeschleunigungswertes während einer Periode des Motors ist.