DE102005050785A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs umfasst ein Getriebe. Für einen Gangwechsel kann ein Soll-Drehmoment (M¶soll¶) gegenüber einem Fahrerwunschmoment (M¶fawu¶) abgesenkt werden. Es wird vorgeschlagen, dass bei abgesenktem Soll-Drehmoment (M¶soll¶) eine Soll-Luftfüllung oder eine entsprechende Größe (ML¶soll¶) mit einem positiven Offset (OS) beaufschlagt wird, derart, dass ein auf der Luftfüllung basierendes Ist-Drehmoment (ML¶ist¶) größer ist als ein auf dem Zündwinkel basierendes Ist-Drehmoment (MZ¶ist¶).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind ferner ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit automatisierten Schaltgetrieben oder mit Automatikgetrieben wird, um einen möglichst ruckfreien Wechsel von einem Gang in den anderen zu ermöglichen, das Drehmoment der Brennkraftmaschine bei einem angeforderten Gangwechsel zunächst unter das vom Fahrer angeforderte Drehmoment abgesenkt und nach dem erfolgten Gangwechsel wieder auf das vom Fahrer gewünschte Niveau angehoben. Hierzu wird ein Soll-Drehmoment entsprechend vorgegeben, und durch Einstellung einer Drosselklappe und eines Zündwinkels wird ein Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment möglichst gut nachgeführt.
  • Ferner ist bekannt, dass eine schnelle Drehmomentänderung durch eine Verstellung der Drosselklappe allein schwierig bis unmöglich ist, da die in die Brennräume gelangende Luftfüllung der Stellung der Drosselklappe auf Grund des im Ansaugrohr zwischen Drosselklappe und Brennräumen vorhandenen Luftvolumens nur mit einer gewissen Verzögerung beziehungsweise Trägheit folgt.
  • In der DE 102 25 448 A1 wird daher vorgeschlagen, während eines Schaltvorgangs eine Drehmomentreserve vorzugeben, indem die Drosselklappe stärker geöffnet wird als es für die Erzielung des Soll-Drehmoments erforderlich wäre, und indem im Gegenzug der Zündwinkel so verstellt wird, dass das Ist-Drehmoment dennoch möglichst gut dem Soll-Drehmoment entspricht. Wenn das Soll-Drehmoment plötzlich stark steigt, kann durch eine entsprechende Verstellung des Zündwinkels das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment ohne Zeitverzug nachgeführt werden.
  • Aus der DE 42 32 973 A1 ist ferner bekannt, mit dem Aufsteuern der Drosselklappe zu beginnen, bevor das Soll-Drehmoment ansteigt, und gleichzeitig den Zündwinkel nach spät zu verstellen, um auf diese Weise dann, wenn das Soll-Drehmoment ansteigt, über eine gewisse Drehmomentreserve zu verfügen. Auf diese Weise kann das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment gut Folge leisten.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, welches einfach funktioniert und es ermöglicht, dass ein Ist-Drehmoment einem Soll-Drehmoment möglichst exakt folgt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Lösungsmöglichkeiten finden sich in nebengeordneten Patentansprüchen, die ein Computerprogramm, ein elektrisches Speichermedium, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung betreffen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Vorteile der Erfindung
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache Art und Weise eine Drehmomentreserve geschaffen. Dies bedeutet, dass in jedem Falle für den Zündwinkel ein ausreichender Verstellbereich zur Verfügung steht, um das Ist-Drehmoment möglichst gut dem Soll-Drehmoment nachzuführen. Erreicht wird dies, indem die Luftfüllung oder eine entsprechende Größe, beispielsweise ein auf der Luftfüllung basierendes Soll-Drehmoment mit einem positiven Offset beaufschlagt wird. In der Folge öffnet die Drosselklappe, was eine Abweichung des auf der Luftfüllung basierenden Ist-Drehmoments vom Soll-Drehmoment zur Folge hat. Damit dennoch das Ist-Drehmoment dem Soll-Drehmoment möglichst gut folgt, muss sich der Zündwinkel um einen entsprechenden Wert verschlechtern. In der Folge kann der Zündwinkel in beiden Richtungen ausreichend verstellt werden, so dass das Ist-Drehmoment gut dem Soll-Drehmoment folgen kann.
  • Gerade im Falle eines Gangwechsels ist die Phase der Drehmomenterhöhung nach einer vorangegangenen Absenkung besonders kritisch, da es bisher hier auf Grund der Trägheit des Luftsystems beim Stand der Technik vorkommen konnte, dass ein ausreichender Verstellbereich des Zündwinkels nicht mehr vorlag. Dies wird durch jene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeschlossen, bei welcher die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe dann mit dem positiven Offset beaufschlagt wird, wenn das Soll-Drehmoment einen positiven Gradienten aufweist, wenn also die Drehmomenterhöhung angefordert wird. Zeitlich davor liegt ein solcher Offset nicht vor, so dass die Brennkraftmaschine bis dahin mit dem in diesem Betriebszustand bestmöglichen Wirkungsgrad arbeitet.
  • In Weiterbildung hierzu wird auch vorgeschlagen, dass die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe nur dann mit dem positiven Offset beaufschlagt wird, wenn der positive Gradient während eines bestimmten Zeitraums vorliegt und/oder mindestens einen bestimmten Betrag aufweist. Auf diese Weise wird eine nicht gewünschte Verwendung des Offsets beispielsweise bei üblichen Schwankungen des Soll-Drehmoments vermieden. In der Folge arbeitet die Brennkraftmaschine nur dann mit dem durch den Offset verschlechterten Wirkungsgrad, wenn dies wirklich erforderlich ist.
  • Der Zeitraum, währenddessen ein positiver Gradient vorliegen muss, um die Beaufschlagung der Luftfüllung mit dem positiven Offset zu provozieren, hängt vorzugsweise vom Betrag des Gradienten ab. Mit anderen Worten: Ein flacher Gradient muss länger vorliegen als ein steiler Gradient, um die Beaufschlagung der Soll-Luftfüllung mit dem positiven Offset zu provozieren.
  • Alternativ zu einer Triggerung des Offsets durch einen positiven Gradienten des Soll-Drehmoments kann die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe auch auf Anforderung, insbesondere eines Getriebesteuergeräts, mit dem positiven Offset beaufschlagt werden. Dies ermöglicht eine frühe und besonders präzise Triggerung der Offsetbeaufschlagung (Prädizierung).
  • Der Offset kann von einem Getriebesteuergerät beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Offset von dem Gradienten des Soll-Drehmoments abhängen. Hierzu wird eine entsprechende, das Soll-Drehmoment bzw. dessen Gradienten charakterisierende Größe zusammen beispielsweise mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine in ein Kennfeld eingespeist, welches dann den Offset oder eine diesen beeinflussende Größe ausgibt. Die Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann besonders hoch.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet darüber hinaus eine Reduzierung der beispielsweise von einem Getriebe-Steuergerät an ein Motor-Steuergerät zu übermittelnden Daten. So kann beispielsweise einfach das Soll-Drehmoment, dessen Verlauf für die Beaufschlagung des Offsets ursächlich ist, von dem Getriebe-Steuergerät vorgegeben werden.
  • Der Umfang des Offsets kann von der Drehzahl abhängen, denn diese beeinflusst wiederum die Trägheit des Luftsystems. Je geringer die Trägheit zu erwarten ist, desto geringer kann der Offset ausfallen. Dies hilft eine unnötige Wirkungsgradverschlechterung zu vermeiden.
    •
  • Zeichnung
  • Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Getriebe, einer Zündanlage, und einer Drosselklappe;
  • 2 ein Diagramm, in dem verschiedene Drehmomente während eines Schaltvorgangs des Getriebes von 1 über der Zeit aufgetragen sind;
  • 3 ein Diagramm, in dem eine Stellung der Drosselklappe von 1 entsprechend dem Schaltvorgang von 2 über der Zeit aufgetragen ist;
  • 4 eine Darstellung ähnlich 3 eines Zündwinkels;
  • 5 ein Diagramm ähnlich 2 für einen zweiten Typ eines Gangwechsels.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 trägt eine Brennkraftmaschine das Bezugszeichen 10, ein mit dieser verbundenes Getriebe das Bezugszeichen 12, und ein nur schematisch durch eine strichpunktierte Linie angedeutetes Kraftfahrzeug, in welches die Brennkraftmaschine 10 und das Getriebe 12 eingebaut sind, das Bezugszeichen 14.
  • Von der Brennkraftmaschine 10 ist beispielhaft ein Zylinder mit einem Brennraum 16 und einem Kolben 18 dargestellt. Verbrennungsluft gelangt in den Brennraum 16 über ein Einlassventil 20, welches mit einem Einlasskanal 22 verbunden ist. In diesem ist eine Drosselklappe 24 angeordnet, durch die die in den Brennraum 16 gelangende Luftmenge eingestellt werden kann. Hierzu ist die Drosselklappe 24 mit einer Stelleinrichtung 25 verbunden. Die heißen Verbrennungsabgase werden aus dem Brennraum 16 über ein Auslassventil 26 in ein Abgasrohr 28 abgeführt. Die Zündung eines im Brennraum 16 vorhandenen Kraftstoff-Luftgemisches erfolgt durch eine Zündkerze 30, die von einer Zündanlage 32 angesteuert wird.
  • Durch den Kolben 18 wird eine Kurbelwelle 34 in Drehung versetzt, die wiederum mit dem Getriebe 12 verbunden ist. Die Drehzahl der Kurbelwelle 34 wird von einem Drehzahlsensor 36, die Gangstellung des Getriebes 12 von einem Getriebesensor 38 erfasst. Die Stellung der Drosselklappe 24 wird von einem Drosselklappensensor 40 erfasst, und die durch den Einlasskanal 22 strömende Luftmenge von einem HFM-Sensor 42.
  • Der Betrieb der Brennkraftmaschine 10 wird von einer Steuer- und Regeleinrichtung 44 gesteuert und geregelt, die nachfolgend als Motorsteuergerät bezeichnet wird. Das Motorsteuergerät 44 erhält beispielsweise die Signale des HFM-Sensors 42 sowie des Drosselklappensensors 40 und des Drehzahlsensor 36, und es erhält Signale von einer Steuer- und Regeleinrichtung 46, welche das Getriebe 12 ansteuert und daher nachfolgend als Getriebesteuergerät bezeichnet wird.
  • Um bei einem Gangwechsel des Getriebes 12 einen Schaltruck zu vermeiden, wird das Motorsteuergerät 44 vom Getriebesteuergerät 46 dann, wenn ein Gangwechsel ansteht, angewiesen, ein Soll-Drehmoment Msoll gegenüber einem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 14 geäußerten Drehmomentwunsch Mfawu abzusenken (vergleiche gestrichelte Kurve in 2). Diese Absenkung des Soll-Drehmoments Msoll beginnt zu einem Zeitpunkt t1. Wie aus 3 hervorgeht, wird hierzu der Winkel WDK der Drosselklappe 24 linear von einem Wert WDK1 auf einen Wert WDK2 verringert, die Drosselklappe 24 also geschlossen, entsprechend einer Vorgabe eines auf der Luftfüllung basierenden Drehmoments MLsoll (nachfolgend Soll-Luftmoment genannt).
  • Anhand der strichpunktierten Linie in 2 erkennt man, dass das auf der Luftfüllung basierende Ist-Drehmoment MList (nachfolgend Ist-Luftmoment genannt) auf Grund der Trägheit des durch die Drosselklappe 24, den Einlasskanal 22, das Einlassventil 20 und den Brennraum 16 gebildeten Luftsystems dem Soll-Luftmoment MLsoll nur mit einer gewissen Verzögerung folgt. Man spricht daher auch davon, dass der „füllungsbasierte Drehmomentpfad" trägheitsbehaftet ist.
  • Für die Einstellung des Ist-Drehmoments Mist der Brennkraftmaschine 10 steht aber noch ein zweiter Drehmomentpfad zur Verfügung, nämlich ein zündungsbasierter Drehmomentpfad. Das Drehmoment der Brennkraftmaschine 10 kann nämlich bekanntermaßen nicht nur über die eingestellte Luftfüllung der Brennräume 16, sondern auch über den Zündwinkel ZW (4) eingestellt werden. Im Normalfall wird der Zündwinkel ZW so gewählt, dass die Brennkraftmaschine 10 einen optimalen Wirkungsgrad aufweist, um so den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Der Wirkungsgrad kann jedoch beispielsweise durch eine Verstellung des Zündwinkels ZW nach spät künstlich verschlechtert werden, um hierdurch das Ist-Drehmoment Mist der Brennkraftmaschine 10 zu beeinflussen.
  • Im Rahmen dieses zündungsbasierten Drehmomentpfades wird ein auf der Zündung basierendes Soll-Drehmoment MZsoll (nachfolgend Soll-Zündungsmoment) gleich dem Soll-Drehmoment Msoll gesetzt. Der Zündwinkel ZW in 4 wird nun laufend so eingestellt, dass ein in 2 gepunktet dargestelltes zündungsbasiertes Ist-Drehmoment MZist, welches dem tatsächlich geleisteten Ist-Drehmoment Mist entspricht, möglichst gut dem Soll-Zündungsmoment MZsoll folgt. Der Umfang der hierfür erforderlichen Spätverstellung des Zündwinkels ZW entspricht qualitativ in etwa dem Abstand ΔM zwischen dem Ist-Zündungsmoment MZist (gepunktete Linie in 2) und dem Ist-Luftmoment MList (strichpunktierte Linie in 2). Man erkennt, dass zum Zeitpunkt t1 der Zündwinkel ZW schlagartig abfällt maximal bis auf einen Minimalwert ZWmin.
  • Das Soll-Luftmoment MLsoll ist jedoch nach unten durch ein minimal mögliches Luftmoment MLmin begrenzt, welches der Stellung WDK2 der Drosselklappe 24 entspricht. Diese Stellung erreicht die Drosselklappe 24 zum Zeitpunkt t2. Um dennoch einen unterhalb MLmin liegenden Wert Mschalt des Soll-Drehmoments Msoll. wie vom Getriebesteuergerät 46 gefordert, erreichen zu können, bleibt der Zündwinkel ZW auch dann noch gegenüber dem Basis-Zündwinkel ZWopt nach spät verstellt, wenn zu einem Zeitpunkt t3 das Ist-Luftmoment MList wieder dem Soll-Luftmoment MLsoll entspricht.
  • Wenn der Gangwechsel erfolgt ist, wird vom Getriebesteuergerät 46 zum Zeitpunkt t4 eine Erhöhung des Soll-Drehmoments Msoll zurück auf das vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 14 gewünschte Drehmoment Mfawu zugelassen beziehungsweise gefordert. Ab dem Zeitpunkt t4 weist also das Soll-Drehmoment Msoll einen positiven Gradienten auf. Im Motorsteuergerät 44 wird nun der Betrag des Gradienten dM/dt ermittelt und hieraus wiederum ein Zeitraum xt ermittelt, währenddessen der positive Gradient dM/dt mindestens vorliegen muss.
  • Ist diese Bedingung erfüllt, wird zum Zeitpunkt t4 das Soll-Luftmoment MLsoll mit einem positiven Offset OS beaufschlagt und ausgehend von diesem neuen Startwert MLos linear auf das vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 14 gewünschte Soll-Drehmoment Mfawu zurückgeführt. Dies führt zu einer schlagartigen Verstellung der Drosselklappe 24 vom Minimalwert WDK2 auf den Wert WDKos, ausgehend von dem der Winkel WDK der Drosselklappe 24 auf den Ausgangswert WDK1 zurückgeführt wird. Diesen erreicht er zum Zeitpunkt t5.
  • Nun macht sich wieder die Trägheit des Luftsystems bemerkbar, die dazu führt, dass das Ist-Luftmoment MList dem Soll-Luftmoment MLsoll nur verzögert folgt. Auf Grund des Offsets OS ist jedoch der Abstand zwischen dem Ist-Luftmoment MList und dem Ist-Zündungsmoment MZist so ausreichend groß, dass der Zündwinkel ZW (4) auch in dieser Phase in einem mittleren Bereich zwischen dem optimalen Zündwinkel ZWopt und dem spätest möglichen Zündwinkel ZWmin liegt.
  • Der Zündwinkel kann in dieser Phase somit in beide Richtungen verstellt werden, was eine präzise Anpassung des Ist-Zündungsmoments MZist beziehungsweise des Ist-Drehmoments Mist an das Soll-Drehmoment Msoll ermöglicht. Zu einem Zeitpunkt t6 sind alle Drehmomente M wieder identisch gleich dem vom Fahrer des Kraftfahrzeugs 14 gewünschten Drehmoment Mfawu, und der Zündwinkel liegt wieder im Bereich des optimalen Zündwinkels ZWopt.
  • In 5 ist ein Diagramm ähnlich zu 2 dargestellt, bei einem anderen Schaltvorgang des Getriebes 12. Im Unterschied zu dem in den 2 bis 4 gezeigten Schaltvorgang erreicht bei diesem Schaltvorgang das Soll-Luftmoment MLsoll das minimal mögliche Luftmoment MLmin nicht. In diesem Fall ist der Sinn des Offsets OS besonders gut erkennbar: Erst auf Grund des Offsets OS weist das Ist-Luftmoment MList nach dem Zeitpunkt t4 einen deutlichen Abstand ΔM vom Ist-Zündungsmoment MZist auf. Damit bleibt auch hier der Zündwinkel nach spät verstellt, was es ermöglicht, das Ist-Drehmoment Mist sehr präzise dem Soll-Drehmoment Msoll nachzuführen.
  • Die Differenz ΔM zwischen dem Ist-Luftmoment MList und dem Ist-Zündungsmoment MZist stellt insoweit eine Drehmomentreserve dar, die für die besonders präzise Nachführung des Ist-Drehmoments Mist genutzt werden kann. Man erkennt aus 5 auch, dass der dort verwendete Offset OS kleiner ist als jener von 2. Dies hängt damit zusammen, dass der Betrag des Offset OS von der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 abhängt.
  • In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Offset OS bei einem während eines gewissen Zeitraums xt beobachteten positiven Gradienten des Sollmoments Msoll "ausgelöst". Möglich ist aber auch, dass die Beaufschlagung des Soll-Luftmoments MLsoll mit dem Offset OS durch eine explizite Anforderung, beispielsweise ein Triggersignal des Getriebesteuergeräts 46 ausgelöst wird. Dabei kann die Größe des Offset OS von dem Getriebesteuergerät 46 beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Offset OS vom Gradienten des Soll-Drehmoments Msoll abhängen. Hierzu wird eine den Gradienten dMsoll/dt charakterisierende Größe zusammen beispielsweise mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 in ein Kennfeld eingespeist, welches dann den Offset OS oder eine diesen beeinflussende Größe ausgibt.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs (14), bei dem für einen Gangwechsel ein Soll-Drehmoment (Msoll) gegenüber einem Fahrerwunschmoment (Mfawu) abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei abgesenktem Soll-Drehmoment (Msoll) eine Soll-Luftfüllung oder eine entsprechende Größe (MLsoll) mit einem Offset (OS) beaufschlagt wird, derart, dass ein auf der Luftfüllung basierendes Ist-Drehmoment (MList) größer ist als ein auf dem Zündwinkel (ZW) basierendes Ist-Drehmoment (MZist).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe (MLsoll) dann mit dem positiven Offset (OS) beaufschlagt wird, wenn das Soll-Drehmoment (Msoll) einen positiven Gradienten (dM/dt) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe (MLsoll) nur dann mit dem positiven Offset (OS) beaufschlagt wird, wenn der positive Gradient (dM/dt) während eines bestimmten Zeitraums (xt) vorliegt und/oder mindestens einen bestimmten Betrag aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum (xt) von dem Betrag des Gradienten (dM/dt) abhängt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Luftfüllung oder die entsprechende Größe (MLsoll) auf Anforderung, insbesondere eines Getriebesteuergeräts (46), mit dem positiven Offset (OS) beaufschlagt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Offset (OS) von einem Getriebesteuergerät (46) beeinflusst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Soll-Drehmoment (Msoll) von einem Getriebe-Steuergerät (46) vorgegeben wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Offset (OS) von der aktuellen Drehzahl und/oder einem Gradienten (dMsoll/dt) des Soll-Drehmoments (Msoll) abhängt.
  9. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
  10. Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (44) einer Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs (14), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 abgespeichert ist.
  11. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (44) für eine Brennkraftmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs (14), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
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