DE19515855A1

DE19515855A1 - Verfahren zum Einstellen der Bewegung eines leistungsverändernden Regelorgans

Info

Publication number: DE19515855A1
Application number: DE19515855A
Authority: DE
Inventors: Axel Dipl Ing Heinrich; Frank Dipl Ing Schulze; Uwe Dr Waschatz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1995-04-29
Filing date: 1995-04-29
Publication date: 1996-10-31
Also published as: DE59610416D1; EP0740058B1; EP0740058A3; EP0740058A2; ES2196101T3; US5642708A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Bewegung eines leistungsverändern den Regelorgans einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, bei dem die Stellung eines Gaspedals erfaßt wird und in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals eine Regelgröße für das leistungsverändernde Regelorgan ermittelt wird. Das leistungsverändernde Regelorgan kann dabei beispielsweise ein in einem Saugrohr angeordnete Drosselklappe oder ein die Kraftstoffmenge vorgebendes Stellglied sein.

Bei einer Verstellung eines leistungsverändernden Regelorgans proportional zur Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer des Kraftfahrzeuges tritt das Problem auf, daß es bei einem zu schnellen, Öffnen beispielsweise der Drosselklappe, zu einer unvollständigen Ver brennung im Brennraum der Brennkraftmaschine kommt. Dies führt wiederum zu einer erhöhten Schadstoffemission und zu einem unnötig hohen Verbrauch von Kraftstoff. Ande rerseits kann in bestimmten Fällen ein zu schnelles Reagieren des leistungsabhängigen Regelorgans ein ruckartiges Erhöhen bzw. Verringern der Leistung der Brennkraftmaschine verursachen, was sich negativ auf den Fahrkomfort auswirkt.

Zur Lösung dieses Problems ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 08 956 A1 eine Vorrichtung zum Verzögern der Bewegung eines leistungsabhängigen Regelorgans angege ben, wobei das Gaspedal und das leistungsabhängige Regelorgan - Drosselklappe oder das die Kraftstoffmenge vorgebende Stellglied - im Sinne einer nicht starren Verbindung über ein Druckorgan, das auf die Bewegung des Regelorgans gegenüber der Betätigung durch das Stellorgan (Gaspedal) verzögernd einwirkt, gekoppelt sind.

Das Druckorgan umfaßt ein mit dem Gaspedal verbundenes Zylindergehäuse und ein darin geführtes Kolbenelement, das mit der Drosselklappe verbunden ist. Der so gebildete Druck raum ist einmal mit dem Saugrohr hinter der Drosselklappe und andererseits über eine ein stellbare Drossel mit dem Umgebungsdruck verbunden.

Während eines Beschleunigungsvorganges wird über den sich im Druckraum durch den sich reduziert einstellenden Unterdruck, der sich als Gleichgewicht aus Saugrohrdruck über die Drossel nachströmenden Außenluft einstellt, das Kolbenelement nachgeführt, so daß die Drosselklappe sich vollständig öffnet.

Neben dem Nachteil der mechanischen Lösung, die zusätzlich Bauraum in Anspruch nimmt, bietet diese Lösung keinerlei Möglichkeit die Verzögerung in Abhängigkeit weiterer Parame ter, wie beispielsweise der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, einzustellen. Zwei felhaft ist auch, ob tatsächlich eine definierte Kraftstoffzumessung bei einer derartigen Ein stellung der Luftzufuhr zum Erhalt eines stöchiometrischen Kraftstoff/Luftverhältnisses mög lich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstellen der Bewegung eines leistungsverändernden Regelorgans einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Einstellung definiert in Abhängigkeit unterschiedlichster Parameter vorgegeben werden kann, wobei die Größe der Verstellung des Regelorgans und damit der in den Brennraum einzuführende Luftmassenstrom bzw. die einzuspritzende Kraftstoffmenge beim Dieselmotor über eine in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals gebildete Stellgröße erfolgt.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merk male des Patentanspruchs gelöst, indem zumindest in Abhängigkeit von Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine - Motorlast und Motordrehzahl - ein optimaler Wert für die Leistungs veränderung pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine vorausschauend ermittelt wird. Aus diesem optimalen Wert für die Leistungsveränderung und der in Abhängigkeit der Gaspedal stellung ermittelten Regelgröße wird jetzt eine Stellgröße für das leistungsverändernde Regelorgan für die folgenden Arbeitstakte ermittelt.

Neben den Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine können auch Größen des Fahrbahn zustandes in die Ermittlung der optimalen Werte für die Leistungsveränderung einfließen, um beispielsweise ein Durchdrehen der Räder zu verhindern. Außerdem ist denkbar, das Fahr verhalten einer das Kraftfahrzeug oft führenden Personen einfließen zu lassen. Dies geschieht beispielsweise über einen Lernvorgang, in dem festgehalten wird, ob die Person sportlich oder eher mit geringeren Leistungsveränderungen fährt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen entsprechenden Wahlschalter vorzusehen.

Ist das leistungsverändernde Regelorgan ein in einer Luftzufuhrstrecke einer Brennkraftma schine angeordnetes Verstellelement, beispielsweise eine in einem Saugrohr angeordnete Drosselklappe, und wird in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals eine Regelgröße für den über das Verstellelement einzustellenden Luftmassenstrom ermittelt, so wird als optima ler Wert für die Leistungsveränderung eine optimale Luftmassenstromänderung voraus schauend ermittelt. Aus der optimalen Luftmassenstromveränderung und der Regelgröße für den Luftmassenstrom wird eine Stellgröße für das den Luftmassenstrom einstellenden Stellelement für die folgenden Arbeitstakte berechnet. Jede Luftzufuhrstrecke hat aufgrund seiner geometrischen Ausbildung und der Trägheit bestimmter beweglicher Teile ein Zeitver halten, so daß es von Vorteil ist, das inverse Übertragungsverhalten der Luftzufuhrstrecke für den Luftmassenstrom in die Vorausberechnung der Stellgröße für das den Luftmassen strom einstellende Stellelement, beispielsweise der Drosselklappe, zu berücksichtigen.

Da für jeden folgenden Arbeitstakt der einzuführende Luftmassenstrom bekannt ist, kann jetzt auch zur Einhaltung eines stöchiometrischen Kraftstoff/Luftgemisches die erforderliche Kraftstoffmenge berechnet und definiert eingespritzt werden.

Bei Brennkraftmaschinen, bei denen das leistungsveränderliche Regelorgan ein eine Ein spritzmenge des Kraftstoffs einstellendes Stellelement ist und in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals eine Regelgröße für die einzuspritzende Kraftstoffmenge ermittelt wird, wird zumindest in Abhängigkeit der Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine als optimaler Wert für die Leistungsveränderung eine optimale Kraftstoffmengenänderung pro Arbeitstakt vor ausschauend ermittelt. Aus dieser optimalen Kraftstoffmengenänderung und der Regelgröße für die einzuspritzende Kraftstoffmenge wird jetzt eine Stellgröße für das die Kraftstoffmenge einstellende Stellelement für die folgenden Arbeitstakte berechnet.

Mit Hilfe der Erfindung werden Lastwechselschläge durch ein zu schnelles Reagieren des leistungsveränderlichen Regelorgans verhindert. Bei Berücksichtigung von Parametern des Fahrbahnzustandes, beispielsweise über den Radschlupf, kann außerdem eine Anti schlupfregelung auf einfache Weise realisiert werden. Außerdem ist es möglich, bei dynami schen Vorgängen, wie einer Beschleunigung, ohne Leistungsminderungen den Kraft stoffverbrauch als auch die Schadstoffemission zu senken.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Regelung gemäß des erfindungsgemäßen Ver fahrens und

Fig. 2 Verläufe des Drosselklappenwinkels, des dadurch eingestellten Saug rohrdrucks um das Kraftstoff/Luftverhältnis der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Signals für die Gaspedalbetätigung.

In Fig. 1 ist ein Zylinder 1 einer Brennkraftmaschine mit einer Saugrohr-Kraftstoffeinsprit zung über ein Einspritzventil 2 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch bei einer Brennkraftmaschine mit einer direkten Einspritzung anwendbar. Die Versorgung des Zylinders 1 zur Einstellung des Kraftstoff/Luftverhältnisses mit Frischluft erfolgt über das Saugrohr 3, in dem eine Drosselklappe 4 angeordnet ist, deren Öffnungswinkel über eine Stelleinrichtung 5, beispielsweise einen Schrittmotor, entsprechend unterschiedlicher Para meter zur Erzeugung eines definierten Luftmassenstroms _l im Saugrohr 3 eingestellt wird. Die Zündeinrichtung 6 gibt in Abhängigkeit von der Regeleinrichtung 7 erhaltenen Steuer signalen S_zünd ein Zündsignal an die Zündkerze 8 zur Zündauslösung, wenn ein entspre chendes ebenfalls von der Regeleinrichtung gesteuertes Kraftstoff/Luftverhältnis im Brenn raum 11 des Zylinders 1 vorliegt. Weiterhin ist ein vom Fahrer des Kraftfahrzeuges betätig bares Gaspedal 9 vorgesehen, dessen Stellung von einem Aufnehmer 10 erfaßt und in ein elektrisches Signal S_pedal umgewandelt wird. Als Aufnehmer 10 kann beispielsweise im Gaspedal ein Potentiometer integriert werden, das beim Betätigen des Gaspedals verdreht wird und somit in Abhängigkeit der Gaspedalstellung das elektrische Signal S_pedal liefert. Entsprechend dem die Gaspedalstellung repräsentierenden Signal S_pedal wird von der Regeleinrichtung 7 eine Regelgröße R für die Stelleinrichtung 5 der Drosselklappe 4 erzeugt, die nach herkömmlichen Verfahren direkt an die Stelleinrichtung 5 zur Einstellung des Dros selklappenwinkels proportional oder nach einer Dämpfungsfunktion weitergegeben wird. Dies kann jedoch bei bestimmten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine dazu führen, daß es zu Leistungsschlägen kommt, die sich negativ auf den Fahrkomfort auswirken. Bei bestimmten Fahrbahnzuständen beispielsweise extremer Glätte, führt ein so erzeugtes zu großes Drehmoment zum Durchdrehen der Räder. Jedes Saugrohr 3 weist ein Zeitverhalten auf, so daß wegen der direkten Weitergabe der Gaspedalstellung an die Stelleinrichtung 5 der Drosselklappe 4 bei dynamischen Vorgängen (Beschleunigung) nur schwer ein stöchio metrisches Kraftstoff/Luftverhältnis im Brennraum 11 des Zylinders eingestellt werden kann. Es kommt zu einer Abmagerung oder Überfettung des Kraftstoff/Luftgemisches. Aus diesem Grund werden gemäß der Erfindung der Regeleinrichtung 7 verschiedene Betriebsparameter der Brennkraftmaschine, im Ausführungsbeispiel die Motordrehzahl n und die Motorlast M_mot, ein Parameter η des Fahrbahnzustandes sowie der eingelegte Getriebegang G zuge führt. Es sind jedoch weitere Kenngrößen denkbar. Aus diesen Parametern bzw. Kenngrö ßen errechnet die Regeleinrichtung 7 vorausschauend für die folgenden Arbeitstakte der Brennkraftmaschine eine optimale Luftmassenstromänderung Δ_l pro Arbeitstakt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die optimale Luftmassenstromänderung Δm_l in Abhängig keit bestimmter Betriebszustände der Brennkraftmaschine in der Regeleinrichtung 7 als Speicherwerte zu hinterlegen. Aus der optimalen Luftmassenstromänderung wird in Verbin dung mit der Regelgröße R für den Luftmassenstrom _l, die sich aus der Veränderung der Stellung des Gaspedals 9 ergibt, eine Stellgröße I_drossel für die Stelleinrichtung 5 zur Einstel lung der Drosselklappe 4 ermittelt. Um das Zeitverhalten des Saugrohrs 3 bei der Berech nung der Stellgröße I_drossel zu berücksichtigen, wird in die Berechnung die inverse Übertra gungsfunktionen des Saugrohrs 3 einbezogen. Da sich während der Betriebszeit der Brenn kraftmaschine die Übertragungsfunktion des Saugrohrs ändert, wird diese Änderung in Form einer Adaption berücksichtigt. Weiterhin sollte die Ladungswechseländerung über die Zeit, d. h. die Änderung der vom Motor angesaugten Luft/Kraftstoffmenge, in Form einer Adaption aufgrund von Toleranzen und Alterungsprozessen berücksichtigt werden. Damit ist voraus schauend für die folgenden Arbeitstakte der Brennkraftmaschine bekannt, welche Luftmenge jeweils dem Brennraum 11 tatsächlich zugeführt wird. Die für ein stöchiometrisches Kraft stoff/Luftverhältnis benötigte Kraftstoffmenge m_k kann nun von der Regeleinrichtung 7 eben falls definiert berechnet werden.

In Fig. 2 sind zur Verdeutlichung die Verläufe des nach dem Verfahren eingestellten Dros selklappenwinkels α, der entsprechend erzeugte Saugrohrdruck p_saug und das Kraft stoff/Luftverhältnis λ in Abhängigkeit des Signals S_pedal aufgrund eines sprunghaft betätigten Gaspedals dargestellt. Der zu Beginn der Drosselklappenbetätigung auftretende große Öffnungswinkel α resultiert dabei aus der Berücksichtigung der inversen Übertragungsfunk tion des Saugrohrs.

Bezugszeichenliste

1 Zylinder
2 Einspritzventil
3 Saugrohr
4 Drosselklappe
5 Stelleinrichtung
6 Zündeinrichtung
7 Regeleinrichtung
8 Zündkerze
9 Gaspedal
10 Aufnehmer
11 Brennraum
_l Luftmassenstrom
Δ_l Luftmassenstromänderung
S_zünd Steuersignal
S_pedal Signal für die Gaspedalstellung
I_drossel Stellsignal
_k Kraftstoffmenge
R Regelgröße
n Drehzahl
M_mot Motorlast
G Gang
11 Parameter des Fahrbahnzustandes
p_saug Saugrohrdruck
λ Kraftstoff/Luftverhältnis
α Öffnungswinkel

Claims

1. Verfahren zum Einstellen der Bewegung eines leistungsverändernden Regelorgans einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, bei dem die Stellung eines Gaspedals erfaßt wird und in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals eine Regelgröße für das leistungs verändernde Regelorgan ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in Abhängigkeit von Betriebsgrößen (n, M_mot) der Brennkraftmaschine ein optimaler Wert für die Leistungsveränderung pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine vorausschauend ermittelt wird und aus dem optimalen Wert für die Leistungsveränderung (Δ_l) und der Regelgröße (R) für das leistungsverändernde Regelorgan (3) eine Stellgröße (I_drossel) zur Einstellung des leistungsverändernden Regelorgans (4) für die folgenden Arbeitstakte ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung des optima len Wertes für die Leistungsveränderung (Δ_l) pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine Größen (η) des Fahrbahnzustandes einfließen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung des optimalen Wertes für die Leistungsveränderung (Δ_l) pro Arbeitstakt der Brennkraftma schine das Fahrverhalten einer das Kraftfahrzeug führenden Person einfließt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Berechnung des optimalen Wertes für die Leistungsveränderung (Δ_l) pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine der eingelegte Gang (G) eines der Brennkraftmaschine vorgeschal teten Getriebes einfließt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leistungsverändernde Regelorgan (4) ein in einer Luftzufuhrstrecke (3) einer Brennkraft maschine angeordnetes Verstellelement ist und in Abhängigkeit der Stellung des Gaspe dals (9) eine Regelgröße (R) für den über das Verstellelement einzustellenden Luftmassenstrom (_l) ermittelt wird, in Abhängigkeit der Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine als optimaler Wert für die Leistungsveränderung eine optimale Luftmassenstromänderung (Δ_l) pro Arbeitstakt vorausschauend ermittelt wird und aus der optimalen Luftmassenstromänderung (Δ_l) und der Regelgröße (R) für den Luftmassenstrom eine Stellgröße (I_drossel) für das den Luftmassenstrom (_l) einstellende Stellelement (4) für die folgenden Arbeitstakte berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der optimalen Luftmas senstromänderung (Δ_l) pro Arbeitstakt und der Regelgröße (R) für den Luftmas senstrom (_l) die Stellgröße (I_drossel) für das Stellelement (4) unter Berücksichtigung der inversen Übertragungsfunktion der Luftzufuhrstrecke (3) ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus der optimalen Luftmassenstromänderung (Δ_l) pro Arbeitstakt und der Regelgröße (R) für den Luft massenstrom (_l) die Stellgröße (I_drossel) für das Stellelement (4) unter Berücksichtigung der Ladungswechseländerung über die Zeit ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzu fuhrstrecke (3) ein Saugrohr und das den Luftmassenstrom (_l) einstellende Verstell element (4) eine Drosselklappe ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der opti malen Luftmassenstromänderung (Δ_l) eine- entsprechend des zu erwartenden Luftmas senstroms (_l) in den Brennraum (11) einzuspritzende Kraftstoffmenge (_k) pro Arbeits takt ermittelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leistungsverändernde Regelorgan ein eine Einspritzmenge einstellendes Stellelement ist und in Abhängigkeit der Stellung des Gaspedals (9) eine Regelgröße (R) für die einzu spritzende Kraftstoffmenge (_k) ermittelt wird, in Abhängigkeit der Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine als optimaler Wert für die Leistungsveränderung eine optimale Kraftstoffmengenänderung pro Arbeitstakt vorausschauend ermittelt wird und aus der optimalen Kraftstoffmengenänderung und der Regelgröße (R) für die einzuspritzende Kraftstoffmenge eine Stellgröße für das die Kraftstoffmenge einstellende Stellelement für die folgenden Arbeitstakte berechnet wird.