Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor und automatisierter Kupplung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor und automatisierter Kupplung, insbesondere beim Anfahren, und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

In Kraftfahrzeugen werden zur Übertragung von Drehmomenten eines Verbrennungsmotors auf ein Fahrzeuggetriebe und damit auf die angetriebenen Räder des Kraftfahrzeugs Kupplungen eingesetzt. Bekannt ist der Einsatz von fußbetätigten Kupplungen zwischen Verbrennungsmotor und Handschalter-Fahrzeuggetriebe. Mit einer solchen Kupplung wird ein Anfahren und ein Wechsel der Getriebestufung ermöglicht, was nur ohne beaufschlagtes Drehmoment durchgeführt werden kann. Bei Betätigen der Kupplung wird diese zunächst geöffnet, wobei bspw. aneinanderliegende Scheiben voneinander wegbewegt werden, und anschließend wieder geschlossen, so dass die Scheiben wieder aneinanderliegen und eine Übertragung eines Drehmoments ermöglichen. Dieses Trennen und wieder Verbinden der Scheiben wird üblicherweise durch Betätigen eines Kupplungspedals durch den Fahrer bewirkt.

Zu beachten ist, dass der Verbrauch und der Komfort von Anfahrvorgängen bei Fahrzeugen mit Handschaltergetrieben in hohem Maße vom Fahrer abhängig sind. Der Fahrer versucht, je nach Fahrsituation, durch das Lösen des Kupplungspedals bei gleichzeitigem Gasgeben anzufahren, was unnötig die Kupplungselemente beansprucht, ggf. mit unkomfortablem Ruckeln verbunden ist und insbesondere einen verbrauchsungünstigen Betrieb des Verbrennungsmotors bei schlechten Wirkungsgradpunkten mit sich bringt. Dabei tragen die Anfahrvorgänge anteilig maßgeblich zum Kraftstoffverbrauch bei, da der Fahrer unnötig einen Überschuss an Moment beim Anfahren, dazu mit sehr schlechtem Wirkungsgrad, anfordert.

Aus der FR2957645FR 2 957 645 A3A3 ist ein Verfahren zur Anfahrkontrolle eines Kraftfahrzeugs bekannt.

Aus der US2010/0105523US 2010/0 105 523 A2A2 ist ein Verfahren zum Steuern einer getriebeeingangsseitig angeordneten Kupplung beim Anfahren eines Fahrzeugs bekannt.

Aus der DE102008024059DE 10 2008 024 059 A1A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines automatischen Anschaltvorgangs einer automatisch abgeschalteten Antirebseinheit eines Kraftfahrzeugs mit Handschaltgetriebe bekannt.

Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Anordnung gemäß Anspruch 7 vorgestellt. Weitere Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Durch den Einsatz einer automatisierten Kupplung, die bspw. als ”clutch by wire” oder ”automatisches Kupplungssystem” bezeichnet wird, in Kombination mit einem Kupplungsaktuator können die Anfahrvorgänge unter Berücksichtigung der Fahrsituation und anderer Bedingungen und Gegebenheiten ohne direkten Fahrereingriff vorgesteuert werden. Mit dem genannten Vorgehen können energetisch optimierte Anfahrvorgänge bei gleichzeitig schonendem Betrieb der Kupplungsteile erzielt werden. Dabei wird typischerweise der Momentenbeitrag des Verbrennungsmotors ab dem Startvorgang quantifiziert. Der Einkuppelablauf erfolgt in diesem Fall durch einen koordinierten Betrieb des Hochlaufs des Verbrennungsmotor und durch die automatisierte Kupplungsbetätigung. Auf diese Weise können die Anfahrvorgange reproduzierbar, mit bester Performance und unter den Gesichtspunkten von Komfort und Verbrauch optimiert werden.

Es werden somit ein Verfahren und ein Ablaufmodell bzw. ein neues Startmomentenmodell vorgestellt, das in Ausgestaltung folgende Eigenschaften aufweist:
Bei dem Verfahren wird ein Model, das den Anfahrwiderstand, z. B. unter Zuhilfenahme weiterer Fahrzeug-Sensoren, wie bspw. einem Neigungswinkelsensor usw., berechnet, herangezogen. Dieses kann in die Steuerungseinheit, z. B. die Motorsteuerung, integriert werden. Dafür notwendige Eingangssignale für die Ermittlung der Steigung bzw. Fahrlage werden bspw. über CAN abgelesen oder in der Steuerungseinheit ausgewertet. Neben der Fahrbahnneigung kann bspw. auch die Fahrbahnbeschaffenheit berücksichtigt werden, die auch von der Außentemperatur, die erfasst werden kann, abhängig sein kann.

Mittels eines Startermomentenmodells wird der Startdrehzahlhochlauf des Verbrennungsmotors auf maximale Momentenabgabe und ggf. hinsichtlich des Verbrauchs optimiert und berechnet. Entsprechende Zündwinkelreserven können ggf. reduziert werden, da eine Fehlbedienung ausgeschlossen ist. Dies führt zu einer optimalen Verbrennung und einem geringstmöglichen Kraftstoffeinssatz.

Zudem kann die Drosselklappe weiter geöffnet sein. Hierzu wird die Drosselklappe entsprechend des unmittelbaren wirkungsgradoptimalen Motordrehmoments angesteuert. Dafür wird die Drosselklappe in Hinblick auf die Maximierung der Drehmomentabgabe angesteuert. Dieses Drehmoment wird für den Anfahrvorgang benötigt. Somit werden ungewollte Nebeneffekte wie Drehzahlüberschwinger und Vibrationen an der Motorlagerung vermieden. Durch die vorzeitige Ansteuerung der Drosselklappe sind die Verzögerungen des Gesamtsystems maßgeblich reduziert.

Das vom Verbrennungsmotor gestellte, verfügbare Moment für den Antrieb kann dabei auch für die Steuereinheit des Kupplungsaktuators berechnet und ggf. per entsprechender Schnittstelle übermittelt werden.

Anhand des erforderlichen Anfahrmoments und des verfügbaren (verbrauchsoptimalen) Motormoments wird das Kupplungsmoment bestimmt. Die Steuerungseinheit, die zuständig für die Betätigung der Kupplung ist, falls nicht das gleiche Steuergerät wie für die Motorsteuerung oder ein koordinierendes Steuergerät verwendet wird, steuert den Kupplungsaktuator, z. B. gemäß Weg in Spindel oder gemäß Druck, entsprechend diesem berechneten Moment.

Zu berücksichtigen ist, dass die Momentenausgabe sowohl basierend auf dem Spindelweg als auch basierend auf dem Druck berechnet werden kann. Die Steuerorgan-Toleranzen, wie bspw. durch Fertigung oder Abnutzung, können durch Adaptionen-Algorithmen oder durch eine übergeordnete Regelstrategie kompensiert werden. Somit ist die vorgeschlagene Funktionalität vom Aktuatorprinzip, nämlich einem Weg/Winkel-Sensor in der Spinden oder einem Drucksensor, unabhängig.

Der Schlupfbetrieb wird minimiert, was die Leistungsfähigkeit bzw Performance steigert. Somit wird auch die für den Start und Anfahrvorgang notwendige Energie reduziert. Die geringeren Energieeinträge in der Kupplungseinheit führen zu einer verlängerten Lebensdauer der Reibungskomponenten.

Die Fahrerwunschanforderung, nämlich die Momentanforderung des Fahrers, die z. B. durch den Gaspedalwinkel kenntlich gemacht ist, wird in Ausgestaltung während der Anfahrvorgang nicht direkt bei der Berechnung der Kraftstoffzumessung berücksichtigt und in der Motorsteuerung verwendet. Vielmehr erfolgt entsprechend dem berechneten Momentenverlauf eine sanfte Überblendung mit dem bereits bestehenden Momentenmodell, und zwar für einen Stationärbetrieb, am Ende des Anfahrvorgangs. Diese sanfte Überblendung schließt rasche unnötige Zündwinkelverstellungen aus, wodurch der Kraftstoff lediglich zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt wird.

Während des Anfahrvorgangs kann der Kupplungspedalweg bspw. mittels eines Sensors erfasst werden. Der erfasste Wert ist jedoch für die dynamische Positionsvorgabe des Kupplungsaktuators nicht maßgeblich und bestimmt somit nicht direkt die Kupplungs-Ist-Position. Gegebenenfalls kann man dies mit einem Schalter bzw. Taster ”ECO” für ökonomisches Fahren kombinieren, um verbrauchsoptimale Anfahrvorgänge durch den Fahrer anwählbar zu machen. Dies kann auch mit einem gesonderten Taster bzw. Schalter für ein Kraftstoffverbrauch optimiertes Anfahren oder über einen Menüpunkt in einem Bordcomputer erfolgen, um dem Fahrer die Wahlmöglichkeit verbrauchsoptimal, ausgeschaltet oder momentenmaximiert (sportlich) zu ermöglichen.

Sicherheitsrelevante Reaktionen des Fahrers, wie z. B. ein Treten bzw. Betätigen der Kupplung, um die Kupplung wieder schnell zu öffnen, weil bspw. das vorausfahrende Fahrzeug während des Anfahrvorgangs bremst, sollten berücksichtigt werden und ggf. den vorstehend dargestellten, vorgesteuerten Anfahrvorgang abbrechen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

2 zeigt in einem Diagramm Verläufe von Größen während eines Anfahrvorgangs.

3 zeigt einen Momentenverläufe während eines Anfahrvorgangs.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.

In 1 ist in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet, wiedergegeben. Die Darstellung zeigt ein Kupplungspedal 12, einen Kupplungspedalsensor 14, eine Steuerungseinheit 16, in der Regel ein Steuergerät, einen Kupplungs-Nehmerzylinder 18, einen Kupplungsaktuator 20, eine automatisierte Kupplung 22, eine hydraulische Leitung 24, ein Fahrpedal bzw. Gaspedal 26 und einen Verbrennungsmotor 28.

Die Steuereinheit 16 erfasst über nicht dargestellte Sensoren Umgebungsbedingungen, wie bspw. die Neigung des Fahrzeugs, und berechnet ein erforderliches Moment zum Anfahren bzw. ein Anfahrmoment. Weiterhin wird über den Kupplungspedalsensor 14 die Betätigung des Kupplungspedals 12 durch den Fahrer und die Stellung des Fahrpedals 26 abgefragt. Auf diese Weise wird der Fahrerwunsch erkannt und dabei insbesondere das vom Fahrer gewünschte Anfahrmoment und die vom Fahrer gewünschte Anfahrart, ob sportlich oder ökonomisch. Die Anfahrstrategien können wahlweise, z. B. in Kombination mit einem Sport-Taster, oder durch Lern-Algorithmen auf Grundlage von Fahrgewohnheiten in der Motorsteuerung eingesetzt werden.

Wird nunmehr erkannt, dass der Fahrer anfahren möchte, wird die Kupplung 22 von der Steuereinheit 16 angesteuert und derart betätigt, dass ein komfortables und/oder verbrauchsoptimiertes Anfahren, in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen und ggf. auch abhängig vom Fahrerwunsch, durchgeführt wird. Hierzu wird der Kupplungsaktuator 20 von der Steuereinheit 16 angesteuert, welcher wiederum über die hydraulische Leitung 24 den Kupplungs-Nehmerzylinder 18 der Kupplung 22 betätigt. Entsprechend wird die Kupplung 22 betätigt.

In 2 ist der Verlauf unterschiedlicher Größen während eines Anfahrvorgangs über der Zeit (Abszisse 40) aufgetragen. Die Dauer des Anfahrvorgangs ist mit einem Doppelpfeil 42 verdeutlicht.

Die Darstellung zeigt den Verlauf des Fahrpedalwinkels 44, den Verlauf des inneren Motormoments 46, den Verlauf des spezifischen Kraftstoffverbrauchs 48, den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit 50 und den Verlauf der Verbrennungsmotordrehzahl 52.

Man erkennt zu Beginn ein Ansteigen der Verbrennungsmotordrehzahl 52, die dann wieder absinkt, bis zu einem Zeitpunkt 54, an dem das Fahrzeug beschleunigt und damit anfährt. Zu diesem Zeitpunkt 54 überträgt die Kupplung das Drehmoment des Verbrennungsmotors auf die angetrieben Räder. Zuvor war bereits das Fahrpedal betätigt und es lag ein inneres Motormoment vor. Erst nach Schließen der Kupplung, was automatisiert durchgeführt wird, beginnt die Fahrt des Fahrzeugs. Der Anfahrvorgang ist kurze Zeit später abgeschlossen.

In 3 sind Momentenverläufe während eines Anfahrvorgangs wiedergegeben. Dabei ist an einer Abszisse 60 die Zeit und an einer Ordinate 62 das Moment aufgetragen.

Ein erster Doppelpfeil 64 verdeutlicht den Anfahrvorgang, ein zweiter Doppelpfeil 66 zeigt den anschließenden zeitlichen Bereich, in dem der Momentenverlauf vom Fahrpedal bestimmt wird. Im Bereich des Anfahrens ist ein erster Verlauf für ein Verbrennungsmotorsollmoment 68 und ein Verlauf für ein Kupplungsmoment 70 dargestellt.

Es ist zu erkennen, dass zunächst das Verbrennungsmotorsollmoment 68 stärker ansteigt als das Kupplungsmoment 70. Zu einem ersten Zeitpunkt 72 knickt der Verlauf des Verbrennungsmotorsollmoments 68 ab. Ab einem zweiten Zeitpunkt 74, in dem der Verlauf des Kupplungsmoments 70 ebenfalls abknickt, entsprechen die beiden Momente einander.

In den Figuren wurde der erfindungsgemäße Einsatz der automatisierten Kupplung in Kombination mit einem Kupplungsaktuator bei einem Anfahren beschrieben, wonach unter Berücksichtigung der Fahrsituation und anderer Bedingungen die Kupplung derart betätigt wird, dass energetisch optimierte Anfahrvorgänge erzielt werden können. Weiterhin kann die Kupplung derart betätigt werden, dass ein komfortables Anfahren und ein für die Kupplungsteile schonendes Anfahren ermöglicht wird. Je nach Anforderung kann dabei der Verbrauch, der Komfort und/oder der schonende Betrieb im Vordergrund stehen. Eine Gewichtung dieser Kriterien kann ebenfalls vorgenommen werden. Dies kann vom Werk vorgegeben oder auch vom Fahrer gewählt werden. Entsprechend wird die Steuereinheit, bspw. durch Parameteranpassung, eingestellt.

Selbstverständlich ist es auch möglich, das vorgestellte Verfahren bei einem Wechsel der Getriebestufe, d. h. beim Schalten, einzusetzen. In diesem Fall wird kein Anfahrmoment, sondern ein Fahrmoment berechnet.

Das vorgestellte Verfahren kann insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit Handschaltgetriebe, die über eine Automatisierung der Kupplung verfügen, eingesetzt werden.