Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermeidung von Ruckelschwingungen
beim Beschleunigen von Kraftfahrzeugen nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
Ruckelschwingungen sind Fahrzeug-Längsschwingungen, die durch
Energieeinleitung, insbesondere beim Beschleunigungen des Fahrzeugs,
in das Schwingungssystem Motor-Triebstrang-Karosse erzeugt
werden. Das Motormoment wird über ein Schwungrad auf den
Triebstrang übertragen, der wie eine Torsionsfeder wirkt und
unter dem Einfluß des Motormoments zunächst verspannt werden
muß. Erfolgt dies durch einen schnellen Momentenaufbau, so
kommt es aufgrund der im Schwungrad gespeicherten kinetischen
Energie zum Überschwingen des Schwungrades, was sich in der
oben genannten Kategorie der Ruckelschwingungen äußert.
Aus der DE 40 13 943 C2 ist es bekannt, Ruckelschwingungen zu
verhindern, indem das Motormoment durch eine geregelte Kraftstoffeinspritzung
in Abhängigkeit der Schwingungsdauer der Rukkelschwingung
beeinflußt wird. Durch eine gezielte Rücknahme
bzw. Erhöhung des Motormoments in den entsprechenden Phasen der
Ruckelschwingung wird versucht, die durch das Ruckeln verursachten
Längsbewegungen zu vermeiden.
Das aus der DE 40 13 943 C2 bekannte Verfahren setzt voraus,
daß zunächst die Schwingungsperiode der Ruckelschwingung erfaßt
wird. Anschließend wird der Motor-Momentenverlauf über die
Kraftstoffeinspritzung in Gegenphase zur Ruckelschwingung beeinflußt.
Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß zur Erfassung
der Schwingungsperiode zunächst die erste Ruckelschwingung,
die die höchste Amplitude aufweist, abgewartet werden
muß, bevor die ruckeldämpfenden Maßnahmen ergriffen werden können,
so daß der Fahrkomfort nicht in dem erwünschten Maße verbessert
wird. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß der Momentenverlauf
der Ruckelbewegung gegengesteuert wird, was ein
rasch aufeinanderfolgendes Anschwellen und Abfallen des Motormoments
erforderlich macht. Diese mehrfache Momentenrücknahme
beeinträchtigt die Grundbeschleunigung des Fahrzeugs und verschlechtert
das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine.
Aus der DE 37 38 719 C2 ist darüberhinaus ein Verfahren zur
Verhinderung störender Lastwechselschläge bei einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine
bekannt. Gemäß dem aus dieser Druckschrift
bekannten Verfahren soll zur Vermeidung von Fahrzeug-Längsschwingungen
der vom Fahrer über das Gaspedal gegebene
Stellbefehl für ein Leistungsstellglied verzögert übertragen
werden, wobei die Verzögerung auf den Bereich des Nulldurchgangs
des Drehmomentverlaufs begrenzt wird. Bei abrupten Laständerungen
wird der Fahrerwunsch verzögert auf die Motorsteuerung
übertragen.
Das aus der DE 37 38 719 C2 bekannte Verfahren eignet sich aufgrund
des Eingriffs im Bereich des Nulldurchgangs des Drehmomentverlaufs
nur zur Minimierung von Lastwechselschlägen, nicht
jedoch zur Vermeidung von Ruckelschwingungen, welche üblicherweise
im ausschließlich positiven oder ausschließlich negativen
Momentenbereich ohne Nulldurchlauf auftreten.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, Ruckelschwingungen
ohne Beeinträchtigung des Beschleunigungsverhaltens und des Abgasverhaltens
zuverlässig zu verhindern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Der Momentenverlauf wird in zwei Abschnitte zwischen dem unteren
Momentenwert und dem oberen Momentenwert unterteilt: einen
ersten, sich an den unteren Momentenwert anschließenden Abschnitt
mit dem lokalen Maximum und einen zweiten, dem oberen
Momentenwert benachbarten Abschnitt mit dem lokalen Minimum. Im
ersten Abschnitt wird der Triebstrang, ausgehend vom unteren
Momentenwert, zunächst im lokalen Maximum mit einem definierten
Momentenimpuls bzw. einer ersten Treppenstufe vorgespannt. Im
zweiten Abschnitt sinkt das Moment auf das lokale Minimum. Das
Motormoment wird noch während des Aufschwingens des Triebstrangs
vom lokalen Momentenmaximum auf das lokale Momentenminimum
reduziert; aufgrund der Trägheit des Triebstrangs spannt
sich dieser trotz des bereits reduzierten Moments weiter vor.
Im Umkehrpunkt der Schwingungsauslenkung erreicht das Motormoment
ausgehend vom lokalen Minimum den oberen Momentenwert. Der
Triebstrang ist dadurch im Augenblick des Aufbringens des oberen
Momentenwerts statisch vorgespannt und es treten keine bzw.
nur stark verminderte Ruckelschwingungen auf.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die Beschleunigung des
Fahrzeugs nahezu in gleicher Weise wie bei einer Momenten-Sprungfunktion
aufgebaut wird, wodurch eine hohe Agilität erreicht
wird, jedoch ohne die bei einer Sprungfunktion auftretenden
Ruckelschwingungen.
In zweckmäßiger Weiterbildung beträgt die Zeitspanne zwischen
dem unteren Momentenwert - im Falle einer positiven Fahrzeugbeschleunigung
der Ausgangswert - und dem oberen Momentenwert -
der Zielwert - etwa 1/4 bis 1/2 der Schwingungsdauer der Rukkelschwingung,
wodurch eine optimale Schwingungskompensation
erreicht wird. Diese Zeitspanne variiert in Abhängigkeit der
gewählten Funktion des lokalen Maximums und unterteilt sich in
eine Periode maximalen und eine Periode minimalen Motormoments.
Wird als Schwingungsanregung zur Vorspannung des Antriebsstrangs
als lokales Maximum ein Rechteckimpuls in angenäherter
Form eines Dirac-Impulses gewählt, kann die gesamte Zeitspanne
für das Maximum und das Minimum auf bis 1/4 der Schwingungsdauer
der Ruckelschwingung verkürzt werden. Dieser Verlauf hat den
Vorteil, daß der Anstieg vom unteren auf den oberen Momentenwert
in Kürzestmöglicher Zeit bei Vermeidung von Ruckelschwingungen
erreicht wird.
Das sich an das lokale Maximum anschließende lokale Minimum
kann ebenfalls einen rechteckförmigen Verlauf aufweisen. Die
Amplitude kann einen geringen Wert größer als Null aufweisen
oder auch gleich Null sein.
Wird die Zeitspanne für das lokale Maximum erhöht, so wird bevorzugt
zugleich die Amplitude des Maximums verringert. Bei
gleichbleibendem Niveau des lokalen Minimums muß gleichzeitig
die Dauer des Minimums verkürzt werden. Insgesamt erhöht sich
die gesamte Zeitspanne für das Maximum und das Minimum bis maximal
auf die Hälfte der Schwingungsdauer der Ruckelschwingung.
Diese Ausführung hat den Vorteil, daß es ausreicht, ein geringeres
Niveau für das Momentenmaximum aufzubringen; dennoch können
Ruckelschwingungen ausgeglichen werden.
Wird die Zeitspanne für das lokale Maximum bei gleichbleibender
Amplitude erhöht, so werden die Amplitude und die Zeitdauer des
lokalen Minimums abgesenkt.
Anstelle einer Rechteckfunktion kann auch eine stetige Funktion
für den Momentenverlauf gewählt werden. So ist es insbesondere
vorteilhaft, zwischen dem Maximum und dem Minimum sowie zwischen
dem Minimum und dem oberen Momentenwert jeweils einen
rampenförmigen Verlauf mit einem zwischenliegenden punktförmigen
Minimum vorzusehen. Die beiden Rampen können unterschiedlich
steil ausgebildet werden, wobei insbesondere die Rampe
zwischen dem lokalen Minimum und dem oberen Momentenwert steiler
ist als die Rampe zwischen dem lokalen Maximum und dem lokalen
Minimum.
Bei dem stetigen Verlauf treten keine Momentensprünge auf; er
kann daher technisch leicht realisiert werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen
zu entnehmen. Es zeigen:
- Fig. 1 bis Fig. 3
- verschiedene rechteckförmige Momentenverläufe,
- Fig. 4
- einen rampenförmigen Momentenverlauf.
Die in den Fig. 1 bis 4 zeitabhängig dargestellten Motor-Momentenverläufe
eignen sich für ein ruckelfreies Beschleunigen
eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine bei zugleich hoher
Agilität, d.h. spontanes, verzögerungsfreies Ansprechen und
schnelles Aufbringen des Zielmoments. Die Momentenverläufe können
bei Beschleunigung des Fahrzeugs von links nach rechts
durchfahren werden, wobei das Motormoment ausgehend von einem
unteren Motormoment Mu, das das Ausgangsmoment repräsentiert,
auf ein oberes Motormoment Mo, das das Zielmoment repräsentiert,
erhöht wird. Bei einer Fahrzeugverzögerung werden die
Momentenverläufe in entgegengesetzter Richtung von rechts nach
links, ausgehend vom oberen Motormoment Mo hin zum unteren Motormoment
Mu, durchlaufen.
Im folgenden werden die Schaubilder jeweils am Beispiel eines
Beschleunigungsvorgangs beschrieben.
Gemäß Fig. 1 beginnt der Beschleunigungsvorgang bei einem unteren
Motormoment Mu gleich Null und steigt zum Zeitpunkt t0
sprunghaft auf ein lokales Maximum Mmax an, fällt zum Zeitpunkt
t1 sprunghaft auf ein lokales Minimum Mmin, verharrt bis zum
Zeitpunkt t2 auf diesem Niveau und steigt schließlich sprunghaft
auf das Niveau des oberen Motormoments Mo.
Fig. 1 stellt einin Extremfall dar, bei dem der Momentenverlauf
im Bereich des lokalen Maximums angenähert die Form eines Dirac-Impulses
einnimmt, so daß die Dauer des Impulses zwischen
t0 und t1 sehr klein ist. Da der Impuls durch das maximal mögliche
Motormoment begrenzt ist, wird das lokale Maximum Mmax etwa
die Form einer Rechteckfunktion mit begrenzter Amplitude und
begrenzter Dauer einnehmen.
Das untere Ausgangsmoment Mu kann gleich Null sein, aber auch
einen von Null abweichenden Wert einnehmen, insbesondere kleiner
Null sein, wobei dieser Fall einem Lastwechsel vom Schubbetrieb
in den Zugbetrieb entspricht. Das Niveau des lokalen Minimums
Mmin kann Null oder größer Null sein. Das Niveau des oberen
Zielmoments Mo wird vom Fahrer über die Fahrpedalstellung
vorgegeben und ist durch das maximal mögliche Motormoment begrenzt.
Das Niveau des lokalen Maximums Mmax kann größer sein
als das obere Zielmoment Mo, sofern letzteres kleiner ist als
das maximal mögliche Motormoment.
Bedingt durch verzögertes Ansprechverhalten einzelner Systemkomponenten
können sich gemäß der gestrichelten Darstellung
Rampen mit hohem Gradienten zwischen dem unteren Moment Mu und
dem lokalen Maximum Mmax, zwischen dem lokalen Maximum Mmax und
dem lokalen Minimum Mmin sowie zwischen dem lokalen Minimum Mmin
und dem oberen Moment Mo einstellen. Zweckmäßig wird von vornherein
ein rampenförmiger Verlauf vorgegeben, so daß ein stetiger
Momentenverlauf gegeben ist.
Die Zeitspanne t0 bis t2 zwischen dem unteren Motormoment Mu ab
Beginn des lokalen Maximums bis zum Erreichen des oberen Motormoments
Mo ist auf die Schwingungsdauer der Ruckelschwingung
abgestimmt und liegt bei rechteckförmigem Momentenverlauf
zweckmäßig zwischen 1/4 und 1/2 der Schwingungsdauer der Rukkelschwingung.
Hierdurch wird erreicht, daß der Triebstrang
durch das lokale Maximum im Momentenverlauf vorgespannt wird
und im Umkehrpunkt der Schwingungsauslenkung das obere Motormoment
Mo erreicht wird, wodurch Ruckelschwingungen kompensiert
werden.
Wird wie in Fig. 1 dargestellt ein Rechteckimpuls geringer Dauer
und hoher Amplitude als lokales Maximum vorgegeben, kann eine
kürzestmögliche Zeitspanne t0 bis t2 für das lokale Maximum
und das lokale Minimum von insgesamt 1/4 der Schwingungsdauer
der Ruckelschwingung eingestellt werden. Der Übergang vom unteren
Motormoment Mu zum oberen Motormoment Mo erfolgt in kürzestmöglicher
Zeit.
Die Zeitspanne t0 bis t2 erhöht sich, wenn die Amplitude des
rechteckförmigen lokalen Maximums verringert wird und sich über
eine längere Zeitdauer t0 bis t1 erstreckt. Dadurch ändert sich
zugleich das Niveau und die Zeitdauer t1 bis t2 des lokalen Minimums.
Andererseits kann auch das Niveau des lokalen Maximums und das
Niveau des lokalen Minimums festgelegt werden, woraus sich die
Zeitspannen für das lokale Maximum und das lokale Minimum
zwangsweise ergeben.
Fig. 2 zeigt einen modifizierten Verlauf für eine rechteckförmige
Momentenfunktion. Gemäß der mit durchgezogener Linie eingetragenen
Funktion in Fig. 2 beträgt die Zeitspanne für das
lokale Maximum und das lokale Minimum jeweils etwa 1/6 der
Schwingungsdauer der Ruckelschwingung, so daß die gesamte Zeitspanne
t0 bis t2 für lokales Maximum und lokales Minimum etwa
1/3 der Schwingungsdauer der Ruckelschwingung dauert, wobei
diese Verhältnisse insbesondere für die Bedingung gelten, daß
das lokale Maximum Mmax das gleiche Momentenniveau wie der obere
Momentenwert Mo aufweist.
Gemäß der strichpunktierten Linie in Fig. 2 wird die Zeitspanne
t0 bis t1 für das lokale Maximum Mmax bei zugleich geringerer
Amplitude verlängert. Dabei verkürzt sich die Dauer des lokalen
Minimums zwischen t1 und t2 bei gleichbleibender Höhe des lokalen
Minimums. Die gesamte Zeitspanne von t0 bis t2 für lokales
Maximum und Minimum ist erhöht.
Wie in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet, kann das lokale Minimum
von einem Wert größer als Null ausgehend erhöht werden. Dabei
vergrößert sich die Zeitspanne t1 bis t2. Der obere Momentenwert
Mo wird später erreicht und die Zeitspanne t0 bis t1
verringert sich. Das untere Motormoment Mu liegt bei den in
Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispielen bei Null.
Fig. 3 zeigt das Motormoment in einer weiteren Ausführung mit
rechteckförmigem Verlauf, bei dem ein Lastwechsel von Schubbetrieb
auf Zugbetrieb stattfindet. Das untere Motormoment Mu
nimmt einen Wert kleiner als Null ein, in diesem Zustand befindet
sich der Motor im Schubbetrieb. Zum Zeitpunkt t0 steigt das
Motormoment auf das lokale Maximum Mmax, das unterhalb des Niveaus
des oberen Motormoments Mo liegt (durchgezogene Linie).
Im Zeitpunkt t1 fällt das Moment auf das lokale Minimum Mmin
größer Null, verharrt auf diesem Niveau und steigt im Zeitpunkt
t2 auf das obere Motormoment Mo.
Die Momentendifferenz zwischen dem lokalen Maximum Mmax und dem
lokalen Minimum Mmin kann gegebenenfalls stark reduziert werden.
Wie in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet, kann das lokale Minimum
das gleiche Niveau aufweisen wie das lokale Maximum, so daß
sich für den Momentenverlauf zwischen unterem und oberem Motormoment
eine zweistufige Treppenfunktion ergibt. In dieser Ausführung
verschiebt sich der das Ende des lokalen Minimums markierende
Zeitpunkt t2 nach hinten.
Eine weitere Ausführung ist in Fig. 3 mit strichpunktierter Linie
eingetragen. Das lokale Maximum Mmax liegt auf einem vergleichsweise
höheren Niveau als bei der durchgezogenen Funktion
und sinkt im Zeitpunkt t1 früher auf das lokale Minimum Mmin ab,
dessen Niveau unterhalb des vergleichbaren Niveaus der durchgezogenen
Funktion liegt. Die Zeitspanne t1 bis t2 für die Dauer
des lokalen Minimums ist verkürzt, der obere Momentenwert Mo
wird früher erreicht.
Fig. 4 zeigt einen rampenförmigen Momentenverlauf zwischen dem
punktförmig ausgebildeten lokalen Maximum Mmax und dem ebenfalls
punktförmig ausgebildeten lokalen Minimum Mmin sowie zwischen
dem lokalen Minimum und dem oberen Momentenwert Mo, wodurch
sich ein V-förmiger Kurvenverlauf zwischen Mmax und Mo ergibt.
Das lokale Maximum Mmax liegt bei der mit durchgezogenem Strich
eingezeichneten Funktion etwa auf dem Niveau des oberen Momentenwerts
Mo, das lokale Minimum Mmin hat einen Wert größer Null.
Die Zeitspanne t0 bis t1 für das Absinken des Motormoments von
Mmax auf Mmin ist etwa gleich groß wie die Zeitspanne t1 bis t2
für das Ansteigen des Motormoments von Mmin auf Mo.
Das lokale Maximum der strichpunktierten Funktion liegt geringfügig
unterhalb des Maximums der durchgezogenen Funktion und
fällt auf eine tieferes lokales Minimum ab, das zu einem späteren
Zeitpunkt t1 erreicht wird. Der rampenförmige Anstieg auf
den oberen Momentenwert Mo erfolgt mit einem größeren Gradienten,
wobei der obere Momentenwert Mo zu einem früheren Zeitpunkt
t2 im Vergleich zur durchgezogenen Funktion erreicht
wird.
Gemäß einer nicht gezeigten Ausführung kann der obere Momentenwert
bei den gleichen zuvor beschriebenen Parametern aber auch
später erreicht werden.
Der mit einer Strich-Doppelpunkt-Linie gekennzeichnete Momentenverlauf
beginnt im lokalen Maximum Mmax, dessen Niveau abgesenkt
ist, und verläuft in einer flach abfallenden Rampe zum
lokalen Minimum Mmin, das zu einem früheren Zeitpunkt t1 erreicht
wird. Der rampenförmige Anstieg zum oberen Momentenwert
Mo weist einen größeren Gradienten auf
als die abfallende Rampe; der obere Momentenwert Mo wird zu einem
späteren Zeitpunkt t2 erreicht.
Anstelle eines punktförmigen lokalen Minimums kann es zweckmäßig
sein, im lokalen Minimum einen Abschnitt gleichbleibenden
Momentenniveaus vorzusehen, wodurch sich ein etwa trapezförmiger
Verlauf des lokalen Minimums ergibt.
Sowohl die rechteckförmigen als auch die V-förmigen Momentenverläufe
können durch die Wahl von zwei Parametern festgelegt
werden. Bei der Wahl des lokalen Minimums und des lokalen Maximums
werden die Zeitpunkte t1 und t2 für das Ende des lokalen
Maximums bzw. des lokalen Minimums in engen Grenzen vorbestimmt.
Bei der Wahl eines Momentenwerts für Maximum oder Minimum
und eines Zeitpunktes werden der jeweils andere Momentenwert
bzw. der jeweils andere Zeitpunkt in engen Grenzen vorbestimmt.
Wie gestrichelt eingezeichnet, kann es zweckmäßig sein, die
Übergänge zwischen den verschiedenen Momentenniveaus geglättet
auszuführen, um einen in der ersten und gegebenenfalls auch einen
in der zweiten Ableitung stetigen Kurvenverlauf für das Motormoment
zu erhalten. Die dargestellten Kurvenverläufe können
durch Polynome angenähert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften, sägezahnähnlichen Ausführung
fällt der Momentenverlauf rampenförmig vom lokalen Maximum
zum lokalen Minimum ab und steigt im Zeitpunkt t2 sprunghaft
auf das Niveau des oberen Momentenwerts Mo. Der Verlauf dieser
Funktion wird durch die Parameter Mmax, Mmin und t2 festgelegt,
wobei t2 zugleich den Beginn und das Ende des lokalen Minimums
markiert. Wird einer der bestimmenden Parameter frei gewählt,
werden den beiden anderen Parametern enge Grenzen zur Variation
gesetzt. Je größer der Gradient der vom Maximum auf das Minimum
abfallenden Rampe, um so niedriger liegt das Niveau des Minimums
und um so früher wird der Zeitpunkt t2 erreicht, in dem
der sprunghafte Anstieg auf den oberen Momentenwert Mo erfolgt.
Außer den gezeigten Kurvenverläufen können auch beliebige weitere
Kurvenverläufe für das Motormoment herangezogen werden,
soweit die Bedingung erfüllt ist, daß das Moment ausgehend vom
unteren Moment Mu zunächst auf ein lokales Maximum Mmax ansteigt,
anschließend auf ein lokales Minimum Mmin abfällt und
dann wieder auf das obere Moment Mo ansteigt. Diese Kurvenverläufe
können beispielsweise aus Meßpunkten, die gegebenenfalls
durch Polynome geglättet werden, gewonnen werden.
Die Momentenverläufe können in einer Steuer- und Regelungseinheit
berechnet bzw. in Speichern der Steuer- und Regelungseinheit
abgelegt, in diskreten Schritten abgetastet und als Stellsignal
diversen Motorkomponenten zugeführt werden, über die das
Motormoment beeinflußt werden kann. Das Motormoment kann beispielsweise
über eine Zündwinkelverstellung, eine Zündaussetzung,
die Kraftstoffeinspritzung, eine Abgasrückführung oder
einen Abgasturbolader oder ähnliches eingestellt werden. Weiterhin
ist es möglich, das Motormoment über eine Drosselklappenregelung
einzustellen, indem das Stellglied der Drosselklappe
zur Erzeugung des lokalen Maximums schlagartig und kurzzeitig
geöffnet, anschließend für das lokale Minimum wieder geschlossen
und schließlich zum Erreichen des oberen Momentenwerts
wieder geöffnet wird.