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DE10049167A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit in Fahrzeugen mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit in Fahrzeugen mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine

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DE10049167A1
DE10049167A1 DE10049167A DE10049167A DE10049167A1 DE 10049167 A1 DE10049167 A1 DE 10049167A1 DE 10049167 A DE10049167 A DE 10049167A DE 10049167 A DE10049167 A DE 10049167A DE 10049167 A1 DE10049167 A1 DE 10049167A1
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DE
Germany
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internal combustion
fuel
combustion engine
engine
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10049167A
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Inventor
Andreas Kirchberger
Thomas Linden
Joerg Saur
Stefan-Max Weber
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Mercedes Benz Group AG
Siemens Corp
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Siemens Corp
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Publication date
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit auf eine Sollgeschwindigkeit in Fahrzeugen mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine kann diese in der befeuerten Betriebsweise in verschiedenen Motor-Betriebszuständen betrieben werden, nämlich in einem homogenen Modus und in einem geschichteten Modus. DOLLAR A Weiterhin ist für eine geregelte Einstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die vorzugebende Sollgeschwindigkeit ein Längsregler vorgesehen, dem für jeden Modus der Brennkraftmaschine unterschiedliche Regelparameter zugeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit in einem Fahrzeug mit di­ rekteinspritzender Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 8.
Aus der Druckschrift EP 0 924 420 A2 ist eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine bekannt, welche in der .be­ feuerten Betriebsweise in zwei verschiedenen Motor- Betriebszuständen betrieben werden kann, nämlich entweder in einem homogenen Modus, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum im Wesentlichen gleichmäßig verteilt ist, oder in ei­ nem Schichtmodus, bei dem die Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum inhomogen geschichtet ist. Derartige Brennkraftma­ schinen, bei denen es sich um Ottomotoren mit Direkteinsprit­ zung handelt, verhalten sich bei homogener Schichtung wie ein konventioneller, gedrosselter Motor, bei dem die Drosselklappe im Ansaugtrakt die in die Zylinder gelangende Luftmenge be­ stimmt, und bei inhomogener Schichtung wie ein ungedrosselter Motor mit praktisch voll geöffneter Drosselklappe, bei dem den Zylindern mehr Luft zugeführt wird als der vom Fahrer erzeugten Leistungsanforderungen entspricht; im letzteren Fall gleicht das Verhalten demjenigen eines Dieselmotors. Je nach dem, in welchem Betriebsmodus die Brennkraftmaschine betrieben wird, unterscheidet sich das Verhalten der Brennkraftmaschine im Hin­ blick auf die Reaktionsschnelligkeit bei einer Änderung der Leistungsanforderung.
Im gedrosselten Zustand - mit homogener Schichtung - wird eine Sollwertänderung der Geschwindigkeitsregelung üblicherweise zu­ nächst über eine Änderung der Drosselklappenposition durchge­ führt, was eine Änderung des den Zylindern zuzuführenden Luft­ massenstromes zur Folge hat, die durch einen Luftmassenmesser erfasst werden kann. Bedingt durch die Struktur des Regelkrei­ ses, in welchem die Messsignale des Luftmassenmessers zunächst der Motorsteuerung zugeführt werden, in der wiederum Stellsig­ nale für eine Neujustierung der Drosselklappe erzeugt werden, weist dieses Regelsystem eine vergleichsweise hohe Trägheit auf, die sich dadurch äußert, zwischen Anforderung einer Leis­ tungsänderung und Wirksamwerden der Leistungsanforderung ein Verzug von etwa 2 Kurbelwellenumdrehungen liegt.
Im ungedrosselten Zustand - mit Ladungsschichtung im Brennraum - wirkt sich dagegen eine Sollwertänderung in der Leistungsan­ forderung wesentlich schneller aus.
Um zu verhindern, dass das unterschiedliche Verhalten der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Betriebsmodus zu Drehmo­ mentsprüngen im Falle eines Überganges von einem Betriebsmodus zum anderen Betriebsmodus führt, ist gemäß der Druckschrift EP 0 924 420 A2 eine Drehmoment-Kompensationseinheit vorgesehen. In Abhängigkeit des aktuellen Betriebszustandes der Brennkraft­ maschine greift die Drehmoment-Kompensationseinheit auf unter­ schiedliche Kennfelder zurück, welche dem jeweiligen Betriebs­ zustand zugeordnet sind. Die Kennfelder enthalten Abhängigkei­ ten für den Öffnungsgrad der Drosselklappe, Zeitpunkt und Menge des eingespritzten Kraftstoffes sowie Zündzeitpunkt.
Gemäß der in der EP 0 924 420 A2 beschriebenen Vorrichtung kön­ nen zwar insbesondere beim Übergang zwischen dem homogenen Be­ triebsmodus und dem geschichteten Betriebsmodus Drehmoment­ sprünge vermieden werden. Es besteht jedoch nach wie vor das Problem, dass die Brennkraftmaschine in den verschiedenen Be­ triebsmodi ein unterschiedliches Verhalten mit unterschiedli­ cher Zeitverzögerung zeigt, was insbesondere bei zusätzlich verwendeten Geschwindigkeitsregelsystemen beim Übergang zwi­ schen den Betriebsmodi zu Schwankungen in der Fahrzeuggeschwin­ digkeit führen kann. Bei einem häufigen, innerhalb kurzer Zeit erfolgenden Wechsel zwischen den Betriebsmodi steht zudem die Gefahr, dass das Geschwindigkeits-Regelsystem instabil wird, was die Funktion des Geschwindigkeitsreglers massiv beeinträch­ tigt und zu merklichen Komforteinbußen führt.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, das Fahrverhalten in Fahrzeugen, die eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine und zusätzlich ein Geschwindigkeits-Regelsystem aufweisen, zu verbessern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 bzw. 8 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für den Längsregler für jeden Modus der Brennkraftmaschine unterschiedliche Regel­ parameter ermittelt und dem Längsregler zugeordnet, um sicher zu stellen, dass im homogenen Modus mit im Wesentlichen gleich­ förmiger Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum der Längsreg­ ler mit Regelparametern betrieben wird, die diesem Modus ent­ sprechen, und dass in analoger Weise im inhomogenen, geschich­ teten Modus Regelparameter für den Längsregler eingesetzt wer­ den, die speziell auf diesen Modus abgestimmt sind. Durch diese Anpassung der Regelparameter an den jeweiligen Modus kann der für jeden Modus charakteristischen Betriebsweise Rechnung ge­ tragen werden. SO ist es beispielsweise möglich, im homogenen Modus mit gedrosselter Luftzufuhr, bei dem eine vergleichsweise hohe Verzugszeit zwischen Anforderung einer Leistungsänderung und Wirksamwerden der Leistungsänderung zu berücksichtigen ist, Regelparameter für den Längsregler vorzusehen, welche zur Kom­ pensation des Zeitverzuges bei der Zylinderfüllung einen höhe­ ren Verstärkungsfaktor und eine kürzere Reglerzeitkonstante aufweisen als derjenige Satz an Regelparametern, welcher dem geschichteten Modus zugeordnet ist, bei dem der Motor sich dy­ namischer verhält und schneller auf Leistungsanforderungen des Fahrer reagiert.
Als Längsregler kommen verschiedenartige Geschwindigkeits- Regelsysteme in Betracht. Es können beispielsweise Tempomat- Regelsysteme eingesetzt werden, bei denen vom Fahrer eine Soll­ geschwindigkeit vorgegeben wird, die vom Fahrzeug selbsttätig einzuhalten ist. Darüber hinaus kommen aber auch Geschwindig­ keits-Regelsysteme in Betracht, die mit vorausschauenden Senso­ ren zur Abstandsmessung und Relativgeschwindigkeitsermittlung zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ausgestattet sind und geschwindigkeits- und abstandsabhängig vorausfahrenden Fahrzeu­ gen nachfolgen.
Um insbesondere in einer instationären Phase beim Übergang vom homogenen Modus zum geschichteten Modus bzw. umgekehrt für ste­ tige Verhältnisse zu sorgen, kann es angezeigt sein, während der Übergangsphase die Regelparameter des Längsreglers so lange auf ihrem ursprünglichen Wert zu halten, bis die instationäre Übergangsphase beendet ist und der Motor sich vollständig im neuen Modus befindet. Die dem neuen Modus entsprechenden Regel­ parameter des Längsreglers werden erst dann aktiviert, wenn der Motor im neuen Modus ein stationäres Betriebsverhalten zeigt. Diese Vorgehensweise entspricht einem Einfrieren des Regler­ sollwerts auf denjenigen Wert, welcher im Längsregler unmittel­ bar vor dem Wechsel von einem Modus zum nächsten Modus erzeugt worden ist. Durch das Einfrieren des Reglersollwerts werden Sollwertsprünge in der instationären Übergangsphase zwischen zwei Modi vermieden.
Zusätzlich oder anstelle des Einfrierens des Ausgangs in der Übergangsphase von einem Modus der Brennkraftmaschine zum ande­ ren Modus kann es auch angezeigt sein, den Reglerausgang einer Filterung zu unterziehen, beispielsweise um Schwankungen im Verlauf des Reglerausgangs zu glätten, und/oder Änderungen des Reglerausgangs - den Gradienten des Reglerausgangs - auf einen Maximalwert zu begrenzen. All diese Maßnahmen, über die der Reglerausgang einer Manipulation unterzogen wird, sollen Insta­ bilitäten beim Übergang von einem Modus zum anderen Modus ver­ meiden helfen und für einen stetigen Verlauf des Reglerausgangs sorgen.
Gegebenenfalls kann auch die Richtung des Moduswechsels bei der Auswahl der zu ergreifenden Maßnahme berücksichtigt werden. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, beim Übergang vom homo­ genen Modus in den Schichtmodus den Reglerausgang einer anderen Manipulation zu unterziehen als beim Übergang vom Schichtmodus in den homogenen Modus.
Schließlich kann es auch vorteilhaft sein, die Reglerparameter beim Übergang zwischen den Modi kontinuierlich oder in mehreren Schritten diskret zu ändern.
In vorteilhafter Weiterführung ist vorgesehen, dass der Längs­ regler auch Einfluss nehmen kann auf die Betriebsweise der Brennkraftmaschine und/oder auf die Schaltvorgänge eines im Fahrzeug verwendeten Automatikgetriebes. Die Rückkopplung zwi­ schen Längsregler und Motorsteuerung, über die der Längsregler den Motorbetriebszustand beeinflussen kann, führt dazu, dass der Längsregler den Wechsel von einem Motorbetriebszustand zum anderen Betriebszustand mit beeinflusst. Insbesondere bei zu­ sätzlicher Berücksichtigung der Schaltvorgänge im Automatikge­ triebe kann der Längsregler eine Koordinierungsfunktion über­ nehmen, in dem beispielsweise ein Umschalten des Betriebszu­ standes des Motors erst nach dem Abschluss eines Einschwingvor­ ganges freigegeben wird und der Schaltvorgang im Automatikge­ triebe unter dem Aspekt des Komforts hierzu synchronisiert durchgeführt wird. Über die Rückkopplung von Längsregler zum Motorsteuergerät können insbesondere instabile Systemzustände vermieden werden, beispielsweise indem der Längsregler wieder­ kehrende Umschaltvorgänge zwischen den beiden Betriebsmodi un­ terdrückt.
Im Längsregler kann eine Hysteresefunktion vorgesehen sein, welche kurz aufeinander folgende Schaltvorgänge verhindert. Es ist darüber hinaus aber auch möglich, im Längsregler eine Er­ kennungslogik vorzusehen, welche in der Lage ist, ein Motorzu­ standsschwingen zu erkennen, um einen Umschaltvorgang zwischen den Betriebsmodi der Brennkraftmaschine in kritischen Lastzu­ ständen zu verhindern.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung der Fahr­ geschwindigkeit auf eine Sollgeschwindigkeit in Fahrzeugen mit direkt einspritzender Brennkraftmaschine werden in einem Mo­ torsteuergerät Stellsignale erzeugt, über die Stellorgane be­ aufschlagt werden, welche zur Einstellung eines homogenen Mo­ tor-Betriebszustandes mit gleichförmiger Kraftstoff-Luft- Verteilung im Brennraum und einem Schichtmodus mit geschichte­ ter inhomogener Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum vorge­ sehen sind. Die verbrennungsspezifischen Parameter werden für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine in Kennfeldern im Motorsteuergerät abgelegt.
Weiterhin ist ein Längsregler vorgesehen, welcher mit dem Mo­ torsteuergerät kommuniziert, wobei dem Längsregler für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine unterschiedliche Regel­ parameter zugeordnet sind.
Die Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit ist insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens einschließlich aller Unterausführungen geeignet.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung zu ent­ nehmen, in der schematisch die Kommunikation zwischen einer Mo­ torsteuerungseinheit und einer Längsreglereinheit dargestellt ist.
Die Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit auf ei­ ne Sollgeschwindigkeit in Fahrzeugen mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine, insbesondere mit direkteinspritzendem Otto­ motor, umfasst ein Motorsteuergerät 1 und einen mit dem Mo­ torsteuergerät 1 kommunizierenden Längsregler 2. Über das Mo­ torsteuergerät 1 sind verschiedene Betriebszustände der Brenn­ kraftmaschine einstellbar, insbesondere ein homogener Betriebs­ modus mit gleichförmiger Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brenn­ raum einerseits und ein inhomogener Betriebsmodus mit geschich­ teter Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum andererseits.
Im homogenen Betriebsmodus wird das Verbrennungsgemisch in ähn­ licher Weise wie bei einer Saugrohreinspritzung gebildet. Die Einspritzung des Kraftstoffes erfolgt während des Ansaugtaktes, das Verbrennungsgemisch wird mit λ = 1 gebildet.
Im inhomogenen Betriebsmodus (Stratified Mode oder Schichtmo­ dus) wird das Verbrennungsgemisch erst im Kompressionstakt ge­ bildet. Im inhomogenen Modus wird ein mageres Gemisch mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ zwischen etwa 1,5 und etwa 4 ge­ bildet, welches nicht einheitlich, sondern inhomogen im Brenn­ raum verteilt ist.
Im homogenen Betriebsmodus erfolgt eine Regelung des Kraft­ stoff-Luft-Verhältnisses über die Luftseite der Brennkraftma­ schine, im inhomogenen Schichtmodus wird dagegen über die Kraftstoffseite geregelt. Dadurch wird im Schichtmodus ein bes­ seres, dynamischeres Ansprechverhalten erzielt als im homogenen Betriebsmodus.
In der Figur ist im Bereich der Motorsteuerung ein Diagramm eingezeichnet, in welchem die Motorlast in Abhängigkeit der Mo­ tordrehzahl dargestellt ist. Innerhalb des Diagramms können verschiedene Bereiche unterschieden werden, welche entweder dem Schichtmodus oder dem homogenen Modus oder einem Übergangsbe­ reich zwischen beiden Modi zuzuordnen sind.
In einem unteren Lastbereich befindet sich die direkt einsprit­ zende Brennkraftmaschine bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen im Schichtmodus a, in welchem ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis λ < 1 herrscht. Die Regelung des Motors erfolgt über die einzu­ spritzende Kraftstoffmenge; der Motor selbst ist auf der Luft­ seite praktisch ungedrosselt (Drosselklappe weit geöffnet) und zeigt ein dynamisches Verhalten, welches demjenigen eines Die­ selmotors ähnelt.
Der Schichtmodus a ist über einen Übergangsbereich b von einem homogenen Modus getrennt, welcher in dem gezeigten Schaubild durch Bereiche c und d dargestellt ist. Im Übergangsbereich b herrscht immer noch ein Luftüberschuss mit einem Kraftstoff- Luft-Verhältnis λ < 1, wobei mit zunehmender Last bzw. zuneh­ mender Drehzahl eine homogenere Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum erzielt wird. In den Bereichen c und d befindet sich die Brennkraftmaschine bei hoher Last bzw. hoher Drehzahl im homogenen Betriebsmodus, in welchem sich die Brennkraftmaschine wie ein gedrosselter Motor verhält, dessen Luftzufuhr über ein Drosselorgan im Ansaugtrakt bestimmt wird. Bei hoher Last liegt die Brennkraftmaschine im Bereich c, in welchem das Kraftstoff- Luft-Verhältnis λ = 1 beträgt. Im sich anschließenden Bereich d, welcher auch einen Bereich mit niedriger Last, jedoch sehr hoher Motordrehzahl umfasst, kann das Kraftstoff-Luft- Verhältnis A sogar einen Wert kleiner als 1 einnehmen.
Über den Längsregler 2 wird die Längsdynamik des Fahrzeuges be­ einflusst, insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug. Der Längsregler 2 kommuniziert mit dem Motorsteuergerät 1 und empfängt von die­ sem Informationen über den aktuellen Motorbetriebszustand. Im Längsregler 2 werden daraufhin die dem aktuellen Motorbetriebs­ zustand zugeordneten, für die Längsregelung relevanten Parame­ ter und Kennlinien in einer Funktionseinheit 2a aktiviert. In einer weiteren Funktionseinheit 2b des Längsreglers 2 kann der Wert des Reglerausgangs des Längsreglers 2 einer weiteren Mani­ pulation unterzogen werden, wobei die Manipulation vom aktuel­ len Betriebszustand abhängen kann. So ist es insbesondere mög­ lich, den Reglerausgang zu filtern oder die Änderung des Reg­ lerwerts für den Fall zu begrenzen, dass die Brennkraftmaschine sich im Übergangsbereich b befindet. Gegebenenfalls kann auch die Richtung des Überganges berücksichtigt werden, um für einen Übergang vom geschichteten Modus zum homogenen Modus andere Maßnahmen vorsehen zu können als bei einem Übergang vom homoge­ nen Modus zum geschichteten Modus.
In einer weiteren Funktionseinheit 2c des Längsreglers 2 können instabile Zustände in der Brennkraftmaschine erkannt werden und Stellsignale erzeugt werden, welche an das Motorsteuergerät 1 übermittelt werden, um den Betriebszustand der Brennkraftma­ schine zu beeinflussen bzw. zu stabilisieren.
Gegebenenfalls kommt auch eine Koordinierung mit weiteren Fahr­ zeugeinheiten in Betracht. Es ist insbesondere möglich, die Funktionen von Motorsteuerung, Längsregelung und einer Getrie­ besteuerung eines Automatikgetriebes aufeinander abzustimmen, wobei die Koordinierungsaufgabe zweckmäßig vom Längsregler übernommen wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit auf eine Sollgeschwindigkeit in einem Fahrzeug mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine, welche in der befeuerten Betriebsweise ent­ weder in einem homogenen Modus mit im Wesentlichen gleichförmi­ ger Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum oder in einem Schichtmodus mit geschichteter, inhomogener Kraftstoff-Luft- Verteilung im Brennraum betrieben werden kann, wobei für jeden Modus ein spezifisches Verhältnis von Kraftstoff zu Luft sowie weitere verbrennungsspezifische Parameter vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur geregelten Einstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die vorzugebende Sollgeschwindigkeit ein Längsregler vorgesehen ist, dem für jeden Modus der Brennkraftmaschine unterschiedli­ che, die Kraftstoffzufuhr und/oder die Luftzufuhr bestimmende Regelparameter zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang von einem ersten Modus zum zweiten Modus der Reglerausgang des Längsreglers, über den die Fahrzeuggeschwin­ digkeit auf die Sollgeschwindigkeit eingeregelt wird, solange auf dem dem ersten Modus entsprechenden Wert gehalten wird, bis der zweite Modus erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang von einem Modus zum anderen Modus der Reg­ lerausgang des Längsreglers einer Filterung unterzogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang von einem Modus zum anderen Modus die Ände­ rung des Reglerausgangs des Längsreglers auf einen Maximalwert begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang vom homogenen Modus in den Schichtmodus der Reglerausgang einer anderen Manipulation unterzogen wird als beim Übergang vom Schichtmodus in den homogenen Modus.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Moduswechsel die Umschaltung zwischen unter­ schiedlichen verbrennungsspezifischen Kennfeldern so lange un­ terdrückt wird, bis der Moduswechsel beendet ist und der Ziel­ modus erreicht ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Automatikgetriebes der Längsregler Getriebeschaltungen in Abhängigkeit des Motor-Betriebszustandes durchführt.
8. Vorrichtung zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit auf eine Sollgeschwindigkeit in einem Fahrzeug mit direkteinspritzender Brennkraftmaschine, insbesondere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Mo­ torsteuergerät, in welchem in der befeuerten Betriebsweise der Brennkraftmaschine Stellsignale zur Beaufschlagung von Stellor­ ganen zur Einstellung von entweder einem homogenen Modus mit im Wesentlichen gleichförmiger Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum oder einem Schichtmodus mit geschichteter, inhomoge­ ner Kraftstoff-Luft-Verteilung im Brennraum erzeugbar sind, wo­ bei für jeden Modus das jeweilige Verhältnis von Kraftstoff zu Luft sowie weitere verbrennungsspezifische Parameter in Kenn­ feldern im Motorsteuergerät abgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur geregelten Einstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit auf die vorzugebende Sollgeschwindigkeit ein mit dem Motorsteuerge­ rät kommunizierender Längsregler vorgesehen ist, dem für jeden Modus der Brennkraftmaschine unterschiedliche, die Kraftstoff­ zufuhr und/oder die Luftzufuhr bestimmende Regelparameter zuge­ ordnet sind.
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