DE10151933A1 - Steuerung zur besseren Nutzung des Trägheitsmomentes beim Fahren (NTF) - Google Patents

Steuerung zur besseren Nutzung des Trägheitsmomentes beim Fahren (NTF)

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DE10151933A1
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Description

  • Im Alltagsfahrbetrieb werden Straßen-(und Schienen)fahrzeuge normalerweise zügig auf die gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt und rollen anschließend variabel lange relativ konstant mit dieser Geschwindigkeit. Erst durch entsprechendes Handeln des Fahrers findet eine Geschwindigkeitsveränderung auf eine neue Vo statt, die dann in der Regel wiederum relativ konstant bis zu einer erneuten Geschwindigkeitsveränderung beibehalten wird. Damit besteht normalerweise der größte Teil der Fahrzeit aus beschleunigungslosem Rollen mit ungefähr gleichbleibender Geschwindigkeit. Rollende Fahrzeuge verringern abhängig von Fahrbahnneigung, Fahrwiderstand, bewegter Masse und anderen physikalischen Einflüssen oft auch mit unterbrochenem Antrieb nur allmählich oder mitunter auf längeren Gefällestrecken einige Zeit lang auch gar nicht ihre Geschwindigkeit. Ein laufender (Verbrennungs)-Motor ist dann häufig nutzlos, da ein Großteil der dann aufgewendeten Energie durch die Bremswirkung des Motors gleich wieder verbraucht wird. Je nach den gegebenen, physikalischen Bedingungen wirkt der Motor oft sogar konträr, da er das freie Rollen des Fahrzeugs bremst, und damit unökonomisch.
  • Aus Sicherheitsgründen konnte bisher in Betriebsphasen durchaus verzichtbaren Antriebs dieser nicht abgestellt werden. Problematisch war neben der mangelnden Kontrolle über die elementaren und sicherheitsrelevanten Funktionen des Fahrzeugs die fehlende, jederzeitige Betriebsbereitschaft und der eingeschränkte Fahrkomfort.
  • Die Steuerung NTF ermöglicht es, den Antrieb während der Fahrt ohne Gefährdung der Betriebssicherheit abzuschalten.
  • Voraussetzungen für den NTF-Einsatz sind: Fahrzeug mit (Verbrennungs)-Motor, bei Schaltgetriebe Kupplungsbetätigung sowohl herkömmlich als auch elektrisch/hydraulisch, bei Automatikgetriebe Leerlaufansteuerung sowohl herkömmlich als auch elektrisch/hydraulisch, effizienter Startgenerator auf der Kurbelwelle, elektronisches Gaspedal, starke Batterie, elektrisch/hydraulische Versorgung der Servolenkung, Fliehkraft- und Temperatursensoren. Vorteilhaft sind ESP, ASR, Schubabschaltung, 42-V-Elektrik, erhöhte Kapazität bzw. eventuell elektrische Versorgung des Bremskraftverstärkers.
  • NTF ist bei allen Antriebsarten einsetzbar. Hier wird NTF für den Einsatz in einem verbrennungsmotorbetriebenen Kraftfahrzeug mit Schaltgetriebe beschrieben.
  • NTF überwacht während der Fahrt innerhalb kurzer Intervalle ständig die Fahrzeuggeschwindigkeit. Denkbar sind Intervalle von ca. 2 Sekunden Dauer, etwa durch Vergleich der Geschwindigkeit in der ersten Millisekunde mit der letzten Millisekunde dieses Intervalls; eventuell aber auch längere Intervalle, um NTF nicht zu "nervös" zu machen. Wird innerhalb eines dieser Geschwindigkeitsmeßintervalle keine bzw. eine vernachlässigbar geringe (denkbar ist unter 1%) Geschwindigkeitsveränderung registriert, dann definiert NTF diese beschleunigungslose Phase als vom Fahrer gewählte Wunschgeschwindigkeit Vo, kuppelt sofort aus und stoppt den Motor sofort danach ("Antriebsinaktivierung").
  • Innerhalb einer festzulegenden Geschwindigkeitstoleranz Vt (denkbar sind 98% von Vo als untere Toleranzgrenze Vtu und 101% als obere Toleranzgrenze Vto) wird dieser ausgekuppelte und motorgestoppte Zustand beibehalten. Je nach den beeinflussenden, physikalischen Bedingungen, wie Fahrbahnneigung, Fahrzeugmasse, Rollwiderstand, Windverhältnisse, Cw-Wert, Geschwindigkeit etc., kann dieser Zustand unterschiedlich lange andauern. An Steigungen und auf waagerechten Fahrbahnen macht NTF keinen Sinn. Da völlig horizontale Fahrbahnen aber eher die Ausnahme und nutzbare Neigungsstrecken recht verbreitet sind, kann NTF häufig aktiv werden.
  • Oberhalb der fahrzeugindividuellen NTF-Maximalgeschwindigkeit VNTFmax und beim Rückwärtsfahren bleibt NTF inaktiv. Damit bleiben Motorstart, Anfahren, Anhalten, sehr schnelles Fahren und Rückwärtsfahren unbeeinflußt. Die Einsatzbereitschaft sämtlicher Fahrzeugaggregate, wie Batterie, Heizung, Klimaanlage, Bremskraftverstärker etc. wird während des Betriebs durch bedarfsweises automatisches Starten des Motors gesichert.
    • Unterschreiten der Geschwindigkeit Vo
  • Eine leichte Geschwindigkeitsabnahme (hier bis auf 98% von Vo) wird toleriert. Erst bei Erreichen der unteren Geschwindigkeitstoleranzgrenze Vtu startet NTF sofort den Hauptantrieb per Startgenerator und bringt die Geschwindigkeit sofort mit mäßiger Beschleunigung wieder auf Vo. (Die ab 2001 verfügbaren Startgeneratoren gewährleisten sofortige Wirksamkeit und unterstützen bei Bedarf auch noch die Fahrzeugbeschleunigung.) Sollte innerhalb eines folgenden Geschwindigkeitsmeßintervalls keine Geschwindigkeitsveränderung registriert werden, macht NTF erneut eine Antriebsinaktivierung. Dieser Vorgang wiederholt sich je nach den gegebenen Bedingungen entsprechend oft. Wenn die von NTF registrierten, physikalischen Bedingungen einem ökonomisch sinnvollen und komfortablen Einsatz des NTF-Programms entgegenstehen, wie bei zu häufigem Abfall von Vo unter Vtu innerhalb einer vorgegebenen Zeit, bei hohem Leistungsaufwand des Motors wie bei hoher Geschwindigkeit, auf waagerechten Fahrbahnen, an Steigungen, bei starkem Gegenwind; bei schneller Kurvenfahrt und bei Kälte (Straßenglätte) besteht die Gefahr des Fahrzeugausbrechens beim Reaktivieren des Antriebs, bleibt NTF bis zur Messung günstigerer Parameter inaktiv.
  • Zum Starten des NTF-inaktivierten Antriebs berechnet NTF die geschwindigkeits- und fahrstufenadäquate Motordrehzahl und startet den Motor per Startgenerator. Noch während des Einkuppelvorgangs wird die Drehzahl auf das entsprechende Level angehoben, um das Ausbrechen des Fahrzeugs zu verhindern und den Kupplungsverschleiß zu minimieren. Maximale Fahrstabilität sichert der Einsatz von ESP und ASR.
    • Überschreiten der Geschwindigkeit Vo
  • Eine leichte Geschwindigkeitszunahme wird (hier bis auf 101% von Vo) toleriert. Wird die obere Geschwindigkeitstoleranzgrenze Vto erreicht (beispielsweise bei stärkerem Gefälle), dann kuppelt NTF sofort motorgestoppt ein; der Motor bremst dann (unter Schubabschaltung) und kuppelt erst bei Verlangsamung auf Vo wieder aus. Die Geschwindigkeitszunahme kann wie normalerweise auch durch Gaszurücknehmen oder Bremsen beherrscht werden; das Fahrzeug verhält sich wie gewohnt.
    • Beschleunigung ("Gasgeben") während der Fahrt
    • - NTF war im Moment des Gasgebens inaktiv: Antrieb reagiert wie gewohnt.
    • - NTF war im Moment des Gasgebens aktiv: NTF berechnet, ob bei vorhandenem Hilfsantrieb die Beschleunigung von diesem allein geleistet werden kann.
    • - wenn ja startet NTF diesen Elektroantrieb (ist möglich bei niedriger Geschwindigkeit und schwachem Gasgeben)
    • - wenn nein startet NTF den Hauptantrieb per Startgenerator
  • und schaltet bei Erreichen von Vo den jeweiligen Antrieb ab.
  • Das Starten des NTF-inaktivierten Antriebs geschieht sehr schnell, da ein Beschleunigungswunsch des Fahrzeugführers sofort durchgesetzt werden muß. Die sofortige Startbereitschaft (Motortemperatur) bei Dieselfahrzeugen wird überwacht und während der Fahrt permanent gewährleistet.
    • Geschwindigkeitsverminderung ("Gaszurücknehmen")
    • - NTF war im Moment des Gaszurücknehmens inaktiv: Antrieb reagiert wie gewohnt.
    • - NTF war im Moment des Gaszurücknehmens aktiv: Bei einer Rücknahme des Gaspedals um mehr als die Toleranz (s. u.) macht NTF sofortigen, eingekuppelten Motorstop. So wie NTF in einem der folgenden Geschwindigkeitsmeßintervalle keine Geschwindigkeitsveränderung mehr registriert, und das Gaspedal nicht in Standgasstellung steht, wird NTF wieder aktiv (behält dann diese neue Vo bei).
  • Das (elektronische) Gaspedal arbeitet bei aktivem NTF mit einer etwas erhöhten Toleranz (die Toleranz darf für den Durchschnittsfahrer nicht wahrnehmbar sein; denkbar ist, daß ca. 2% der Gaspedalbewegung ignoriert werden), damit NTF nicht durch minimale, unwillkürliche Gasfußbewegungen übernervös reagiert. Damit verbleibt NTF bei geringer Gasrücknahme ebenfalls bei der Antriebsinaktivierung. Erst bei Pedalbewegungen über diese Toleranz hinaus reaktiviert NTF den dann wie gewohnt reagierenden Antrieb.
    • Bremsen
  • Die Voraussetzungen für NTF-Aktivität sind nicht mehr gegeben. NTF bleibt daher bis zum nächsten Gasgeben inaktiv. Ein möglicherweise aktiver Hilfsantrieb wird sofort gestoppt. Damit zeigt das Fahrzeug normales Fahrverhalten und rollt:
    • a) wenn vor der Bremsung eingekuppelt war, weiterhin eingekuppelt im Schubbetrieb, oder
    • b) wenn vor der Bremsung ausgekuppelt war, weiterhin ausgekuppelt mit je nach Zustand vor der Bremsung standgaslaufendem oder auch gestopptem Motor.
    Bremsen bis zum Fahrzeugstillstand
  • Der Motor läuft (bei getretener Kupplung) im Standgas. War NTF zum Zeitpunkt der Bremsung aktiv, so steht der Motor bis zur nächsten Gaspedalbewegung.
    • Kuppeln
  • Das herkömmliche, fahrergesteuerte Auskuppeln hat in jedem Fall Priorität; der Fahrer kann jederzeit Motor und Getriebe trennen. Das getretene Kupplungspedal trennt immer die Kurbelwelle vom Getriebe. Nur in eingekuppeltem Zustand kann NTF die elektrisch/hydraulische Kupplung steuern.
    • NTF-optionaler Hybridantrieb zum längeren Erhalt der Toleranzgeschwindigkeit
  • Das Ingangsetzen eines Hilfsantriebs in Phasen geringen Leistungsbedarfs des Fahrzeugs ist häufig unnötig. Daher aktiviert NTF einen auf das Fahrzeug abgestimmten, eher schwach ausgelegten, möglichst ökonomischen Elektroantrieb (denkbar ist, daß auf ebener Bahn Tempo 100 gerade gehalten werden kann) erst dann, wenn die Geschwindigkeit auf 50% der Toleranz zwischen Vo und Vtu gesunken ist (auf Vhyb, hier 99% von Vo). Dieser weich einsetzende und ruhig laufende Hilfsantrieb wird, nachdem er das Fahrzeug wieder auf Vo beschleunigt hat, sofort ab- und nach erneutem Geschwindigkeitsabfall auf Vhyb wieder eingeschaltet und so weiter.
  • Fällt die Geschwindigkeit trotz Einsatz des Hilfsantriebs auf Vtu oder wird der Hilfsantrieb innerhalb eines vorgegebenen Zeitmaßes zu häufig frequentiert, dann aktiviert NTF sofort den Hauptantrieb und stoppt den Hilfsantrieb.
  • Solange sich daran anschließend die von NTF registrierten Parameter nicht zugunsten des Hilfsantriebs ändern, bleibt NTF inaktiv, d. h. der Hauptantrieb läuft weiter. Bei schnellem Abfall von Vo unter Vhyb (beispielsweise an einer starken Steigung) löst NTF den dann überforderten Elektroantrieb gar nicht erst aus, sondern startet sofort den Hauptantrieb. Daran anschließend verhält sich NTF weiterhin so wie oben beschrieben.
  • Gespeist wird der Hilfsantrieb aus der regulären, allerdings sehr kräftig ausgelegten Fahrzeugbatterie.
  • Durch diesen Hybridantrieb ist es möglich, bereits auf leichten Gefällestrecken, wie sie fast überall vorzufinden sind, den Hauptantrieb abzuschalten und mit wesentlich geringerem Energieaufwand zu fahren. Die kinetische Energie des auf dem Gefälle rollenden Fahrzeugs wird nicht ausgebremst, sondern genutzt.
    • NTF-optionale Motor-Stop/Startautomatik bei vorhandenem Hybridantrieb
  • Da ein kräftiger Startgenerator einen Verbrennungsmotor aus dem Stillstand heraus sehr schnell in den Betriebszustand bringen kann und ihn bei der Beschleunigung auch noch unterstützt, macht längeres Laufenlassen des Motors im Standgas wenig Sinn. Daher wird bei stehendem Fahrzeug nach einer vorgegebenen Standgaslaufzeit der Motor gestoppt, wenn keine Fahrstufe/kein Gang eingelegt ist (und bei einem Schaltfahrzeug die Kupplung nicht getreten ist).
  • Anfahren (Gaspedalbewegung)
  • NTF berechnet, ob die Leistung des Hilfsantriebs allein ausreichend ist:
    • - wenn ja: (bei eher schwacher Gaspedalbewegung) NTF setzt ausschließlich den Hilfsantrieb je nach Stärke der Gaspedalbewegung variabel dosiert ein. Beim Schaltfahrzeug muß die Zündung eingeschaltet, die Kupplung getreten und ein Gang eingelegt sein. Bei einem Automatikfahrzeug muß bei getretener Bremse eine Fahrstufe eingelegt worden sein.
    • - wenn nein: (stärkerer Beschleunigungswunsch, d. h. stärkere Gaspedalbewegung): Das Gasgeben startet den stehenden Motor sofort per Startgenerator. Beim Schaltfahrzeug muß die Zündung eingeschaltet, die Kupplung getreten und ein Gang eingelegt sein.
    Der Antrieb steht sofort zur Verfügung; unterhalb der Startgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors kann durch den vom elektronischen Gaspedal je nach Stärke der Pedalbewegung variabel dynamisch eingesetzten Startgenerator das Fahrzeug bereits beschleunigt werden. Ein Schaltfahrzeug läßt sich im Zusammenspiel mit dem Kupplungspedal wie gewohnt anfahren. Bei einem Automatikfahrzeug muß bei getretener Bremse eine Fahrstufe eingelegt worden sein; dann wird der Motor ebenfalls durch Gasgeben per Startgenerator gestartet.
  • Im normalen Fahrbetrieb ist die minimale Zeitverzögerung, die bei guter Durchkonstruktion des NTF-Systems zur Aktivierung des inaktivierten Antriebs eintritt, unbedeutend. Die durch NTF tolerierte, minimale Geschwindigkeitsab- bzw. zunahme liegt in einem die Verkehrssicherheit und den Verkehrsfluß nicht störenden Bereich. Der Durchschnittsfahrer kann seine Geschwindigkeit auch nicht exakt einhalten, ebensowenig ein Tempomat. Unter Alltagsbedingungen dürfte die scheinbar konstante Geschwindigkeit eines Fahrzeugs und erst recht des fließenden Straßenverkehrs ohnehin um einen ähnlichen oder sogar größeren Betrag schwanken. Möglicherweise führt aber gerade das diesem System zugrundeliegende, innerhalb der geringen Toleranz "um die gewählte Geschwindigkeit Pendelnlassen" zu einer Beruhigung der Fahrt. Der im Straßenverkehr übliche Sicherheitsabstand zwischen den Fahrzeugen puffert die durch NTF tolerierte Geschwindigkeitsschwankung ab. Trotz häufiger aufzuwendender Beschleunigungsenergie ist der Gesamtenergieaufwand geringer als bei kontinuierlichem Motorlauf, da Leerlaufphasen, energievergeudendes Motorbremsen, unnötig angetriebene Nebenaggregate etc. drastisch eingeschränkt werden. NTF leistet damit einen Beitrag zur Ressourceneinsparung, zu weniger Lärm- und Schadstoffemission, es leitet den Fahrer zu ruhigerem, bewußterem und ökonomischerem Fahren an und schont Motor und Getriebe.

Claims (3)

1. Steuerung zur besseren Nutzung des Trägheitsmomentes beim Fahren (NTF) durch temporäre Antriebsabschaltung in Betriebsphasen mit geringem Leistungsbedarf, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb während der Fahrt ohne Sicherheitsverlust und ohne Komforteinbuße abgeschaltet werden kann. NTF vergleicht permanent die relevanten Fahrdaten und stoppt unter entsprechend günstigen Bedingungen den Antrieb immer in verzichtbaren Phasen. Das Fahrzeug rollt dann mit abgeschaltetem und ausgekuppeltem Motor. Fällt die Geschwindigkeit unter die tolerierte Mindestgeschwindigkeit, so aktiviert NTF den Antrieb sofort; das Fahrzeug wird moderat wieder auf die von NTF definierte Fahrer-Wunschgeschwindigkeit beschleunigt; der Antrieb wird erneut inaktiviert und so weiter. Die Fahreigenschaften und der Fahrkomfort ändern sich dabei nicht nachteilig, und es resultiert eine je nach den Gegebenheiten u. U. signifikante Energieeinsparung, auf unebenen Strecken deutlicher als auf einer flacheren Fahrbahn.
2. NTF-optionaler Hybridantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß durch nur temporären Einsatz eines Hilfsantriebs die Geschwindigkeit opportunistisch mit geringem Energieverbrauch im Toleranzbereich gehalten werden kann.
3. NTF-optionale Motor Stop/Startautomatik bei vorhandenem Hybridantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß bei stehendem Fahrzeug der standgaslaufende Motor nach kurzer Betriebszeit gestoppt wird. Bei nur geringem Beschleunigungswunsch wird ausschließlich der ökonomisch günstigere Hilfsantrieb aktiviert. Erst bei stärkerer Gaspedalbewegung wird der Hauptantrieb gestartet.
DE10151933A 2001-10-22 2001-10-22 Steuerung zur besseren Nutzung des Trägheitsmomentes beim Fahren (NTF) Withdrawn DE10151933A1 (de)

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Cited By (6)

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