DE19718692A1 - Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be­ grenzung der Drehzahl von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei vielen Einsatzfällen von Brennkraftmaschinen ist es notwendig, eine Drehzahlbegrenzung vorzunehmen. Damit soll vermieden werden, daß eine Grenzdrehzahl überschritten wird. In vielen Fällen kommt es auch darauf an, die maxi­ male Fahrgeschwindigkeit von mit Brennkraftmaschinen ange­ triebenen Fahrzeugen zu begrenzen. Dies ist etwa bei Flur­ förderzeugen der Fall.

Benzin- oder Gasmotoren werden üblicherweise in der Dreh­ zahl über eine Drosselklappe im Ansaugtrakt reguliert, welche die zur Verfügung gestellte Gemischmenge einstellt. Die Drosselklappe wird zum Beispiel vom Fahrer über das Gaspedal bedient. Es ist bekannt, zur Drehzahlbegrenzung eine zweite Drosselklappe vorzusehen, die unabhängig von der ersten arbeitet. Zur Steuerung dieser zweiten Drossel­ klappe wird das drehzahlabhängige Vakuum im Ansaugtrakt der Maschine herangezogen. Sobald eine einstellbare Dreh­ zahl und damit das entsprechende Vakuum im Ansaugtrakt er­ reicht ist, beginnt die zweite Drosselklappe zu schließen. Es stellt sich unabhängig von einer voll geöffneten ersten Drosselklappe eine maximale Drehzahl ein, die durch das Gleichgewicht des bei reduzierter Drosselklappenöffnung erreichbaren Motormoments und des Lastmoments bestimmt wird. Bei einer derartigen Drehzahlbegrenzung ist zu beob­ achten, daß der pneumatische Regler schon bei relativ nie­ driger Drehzahl zu arbeiten beginnt und die zur Verfügung stehende Gemischmenge reduziert. Dies führt naturgemäß zu einem im Vergleich zum ungeregelten Motor niedrigeren Drehmoment und damit auch zu einer niedrigeren Nutzlei­ stung. Diese Reduzierung beginnt deutlich vor Erreichen der Nenndrehzahl und reduziert mithin die Leistungsaus­ beute im mittleren und hohen Drehzahlbereich.

Aus DE 31 19 588 ist eine kraftstoffsparende Betätigung der Drosselklappe offenbart. Dies geschieht durch Entkopp­ lung der Drosselklappe vom Gaspedal über eine Feder und die Verwendung eines Anschlages für die Drosselklappe, welcher drehzahlabhängig verstellt wird. Die Verstellung des Anschlages erfolgt mit Hilfe des Unterdrucks im An­ saugtrakt.

Aus DE 36 07 315 ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der der Öffnungsvorgang der Drosselklappe drehzahlabhängig nur so weit erfolgt, wie es für eine gute Füllung der Zy­ linder erforderlich ist. Zwischen Drosselklappe und Gas­ pedal ist eine Membrandose angeordnet, deren Eigenschaften drehzahlabhängig, d. h. vakuumabhängig verstellt werden. Aus DE 37 40 803 ist bekannt, für eine Dieselbrennkraft­ maschine eine separate Drosselklappe vorzusehen, die durch eine federvorgespannte Betätigungseinheit im Notfall betä­ tigt wird. Hierbei soll die Funktion der Dieselbrennkraft­ maschine auf einen zulässigen Notbetrieb bei Vorliegen eines Störfalls reduziert werden.

Aus DE 195 06 082 ist bekannt, die zeitliche Veränderung einer Betriebsgröße einer Brennkraftmaschine zu überwachen und durch eine sprungförmige Veränderung zu begrenzen. Die Größe der sprungförmigen Veränderung ist abhängig von dem Gradienten der zu begrenzenden Betriebsgröße. Mit Hilfe der bekannten Vorrichtung kann die Drehzahl einer An­ triebseinheit begrenzt werden.

Aus DE 34 46 700 ist schließlich bekannt, für eine Ver­ gaserbrennkraftmaschine eine selbsttätige alterungsbestän­ dige Leistungseinstellung vorzusehen. Die Drosselklappe ist vom Betätigungsorgan entkoppelt, und die Wirkverbin­ dung wird in Abhängigkeit vom Unterdruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der unter deutlicher Begrenzung des Aufwands eine bessere Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine er­ halten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet ebenfalls eine Entkopplung zwischen dem Gaspedal und der Drossel­ klappe statt. Wenn vorstehend und nachfolgend von Gaspedal gesprochen wird, versteht sich, daß hierunter jedes Betä­ tigungsorgan verstanden werden soll, mit dem ein der Lei­ stungsanforderung entsprechendes Signal auf die Drossel­ klappe der Brennkraftmaschine gegeben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht einen Vakuumsteller für die Drosselklappe vor, mit dessen Hilfe die Drossel­ klappe unabhängig von der durch das Gaspedal vorgegebenen Position verstellt werden kann. Der Vakuumsteller ist je­ doch über eine Schaltvorrichtung wahlweise mit dem Ansaug­ trakt der Brennkraftmaschine verbunden oder mit Atmo­ sphäre. Schließlich ist ein auf die Drehzahl der Brenn­ kraftmaschine ansprechender Signalgeber vorgesehen, der die Schaltvorrichtung betätigt, wenn eine voreingestellte Drehzahl erreicht ist.

Bei der erfindungsgemäßen Drehzahlbegrenzung wird mithin eine Regelung erst ab einer vorgegebenen Drehzahl, bei­ spielsweise der Nenndrehzahl, eingeschaltet. Vor diesem Punkt läuft die Brennkraftmaschine ungeregelt. Mithin dient der Unterdruck im Ansaugtrakt zur Drehzahlbegrenzung erst oberhalb der voreingestellten Drehzahl. Auf diese Weise wird eine Optimierung der Drehzahlbegrenzung einer Brennkraftmaschine erhalten. Daraus resultiert eine bes­ sere Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gaspedal über eine Koppelfederanordnung mit der Drosselklappe ver­ bunden. Vorzugsweise greift an der Drosselklappe eine Rückstellfeder an. Die Koppelfeder ist in ihrer Auslegung so definiert, daß sie in der rage ist, die Rückstellfeder bei Betätigung des Gaspedals zusammenzudrücken, selbst aber bei Aktivierung der Drehzahlbegrenzungseinrichtung durch die Kraft des Vakuumstellers in Zusammenarbeit mit der Rückstellfeder zusammengedrückt werden kann. Hierdurch wird die Möglichkeit sichergestellt, die Drosselklappe trotz voll betätigtem Gaspedal zu schließen.

Damit die Drosselklappe bei inaktiviertem Vakuumsteller problemlos verstellt werden kann, ist nach einer Ausge­ staltung der Erfindung vorgesehen, daß die Drosselklappe relativ zum Vakuumsteller bewegbar ist. Es versteht sich, daß die Kopplung jedoch derart ist, daß bei Betätigung des Vakuumstellers durch Unterdruck eine Verstellung der Dros­ selklappe erfolgen kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Drosselklappe weist die Schaltvorrichtung ein Schaltventil auf, beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil, das durch einen Schalter betätigt wird, der seinerseits vom Signalgeber ein- oder ausgeschaltet wird. Der Signalgeber gibt ein Signal bei der vorgegebenen Grenzdrehzahl ab. Vorzugsweise ist der Signalgeber von einem Unterdruckschalter gebildet, der den elektrischen Schalter betätigt, wenn die Grenzdrehzahl er­ reicht worden ist. Der Schalter bestromt im Schließzustand die Erregerspule des Elektromagneten für das Schaltventil.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessert nicht nur die Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine bei in der Dreh­ zahl begrenzten Maschinen, sondern reduziert die Anzahl der bewegten Teile und den Platzbedarf. Außerdem ist der Aufwand für eine separate Drosselklappe nicht notwendig.

Das Ventil ist vorzugsweise so ausgelegt, daß es automa­ tisch in eine Schaltposition verstellt wird. Wenn es zu einem Ausfall der Spannungsversorgung kommt, ist in jedem Fall eine Drehzahlbegrenzung sichergestellt. Diese würde dann jedoch wie bei herkömmlichen Vorrichtungen schon vor der eingestellten Grenzdrehzahl eintreten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen nä­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt die Drehmoment-Drehzahlkennlinie einer Brenn­ kraftmaschine im ungeregelten und geregelten Zu­ stand.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 zeigt eine Kennlinie 20 einen typischen Verlauf des Drehmoments über der Drehzahl für eine Brennkraftma­ schine, beispielsweise einen Benzin- oder Gasmotor. Die sich einstellende Drehzahl des Motors ergibt sich aus dem Gleichgewicht von erzeugbarem Drehmoment und Lastmoment. Bei zunehmendem Lastmoment und konstanter Drosselklappen­ stellung reduziert sich die Drehzahl, bei abnehmendem Lastmoment erhöht sie sich. Wird bei konstantem Lastmoment der Drosselklappenöffnungswinkel reduziert, so reduziert sich die Motordrehzahl, bei Öffnung der Drosselklappe er­ höht sie sich. Wird zwecks Drehzahlbegrenzung eine zweite Drosselklappe eingesetzt, wie eingangs beschrieben, ergibt sich ein Kurvenverlauf, wie bei 22 angedeutet. Man erkennt, daß das zur Verfügung stehende Drehmoment längst vor der Nenndrehzahl, die bei 24 angegeben ist, reduziert ist. Bei einem konstanten Lastmoment ergibt sich eine Drehzahl 26. In Fig. 2 ist eine Vorrichtung schematisch dargestellt, mit der eine optimierte Drehzahlbegrenzung erreicht werden kann.

Fig. 2 zeigt angedeutet eine Brennkraftmaschine 2 mit einem Ansaugtrakt 1, in der eine Drosselklappe 3 mit einer Drosselplatte 4 sowie einer Drosselklappenwelle 5 angeord­ net ist. Die Welle 5 ist mit einem Steuersegment 6 verbun­ den und wird mit dessen Hilfe bewegt.

Auf das Steuersegment 6 wirkt eine Rückholfeder 7 über ein Seil 7a. Entgegengesetzt gerichtet zum Seil 7a wirkt ein Bowdenzug 8 über Seil 8a am Steuersegment 6. Das Seil des Bowdenzugs greift an einem Gehäuse 8b an, in dem sich eine Feder 8c befindet, an deren unterem Ende das Seil 8a an­ greift.

Ein Vakuumsteller 10 weist eine Membran 30 auf, die über eine Betätigungsstange 10a und eine Koppelstange 9 an dem Steuersegment 6 angelenkt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist eine Feder 14 angeordnet, welche die Membran 30 in die in der Zeichnung dargestellte Position vorspannt.

Der die Feder 14 aufnehmende Raum des Vakuumstellers 10 ist über einen Leitungsabschnitt 11 mit einer Drossel 19 über ein Schaltventil 13 und einen Leitungsabschnitt 15 wahlweise mit dem Ansaugtrakt 1 verbunden. In der in Fig. 2 dargestellten Schaltposition ist das Ventil 13 mit Atmo­ sphäre verbunden (Stellung b). Wird es jedoch verstellt, beispielsweise durch einen Elektromagneten, gelangt es in Stellung a, in der es den Vakuumsteller 10 mit dem Ansaug­ trakt 1 verbindet.

Ein Vakuumschalter 12 ist über den Leitungsabschnitt 15 und einen davon abzweigenden Leitungsabschnitt 12a ständig mit dem Ansaugtrakt 1 in Verbindung. Auf der gegenüberlie­ genden Seite einer Membran 32 des Schalters 12 greift ein Schieber 16 an, der mittels einer Feder 17 vorgespannt ist, und zwar in Fig. 2 nach rechts (Schalter 18 geschlos­ sen). Der Schieber 16 ist mit einem Schalter 18 verbunden, der im Bestromungsweg der Spule des Magnetventils 13 liegt.

Nachfolgend wird der Betrieb der gezeigten Vorrichtung erläutert. Nach dem Start der Brennkraftmaschine 2 findet die Steuerung der Motordrehzahl mit Hilfe der Drossel­ klappe 3 statt. Diese steuert die Menge des verfügbaren Brennstoffgemisches und damit die Größe des erzeugbaren Drehmoments. Die sich einstellende Drehzahl der Maschine ergibt sich aus dem Gleichgewicht von erzeugbarem Dreh­ moment und Lastmoment (siehe Fig. 1).

Bei diesem Normalbetrieb wird die Koppelstange 9 über das Steuersegment bewegt und gleitet relativ zur Betätigungs­ stange 10a. Diese hat einen Schlitz 34, in dem ein Zapfen 36 der Koppelstange 9 gleitet. Der Vakuumsteller 10 ist über die Leitungsabschnitte 11, die Drossel 19 und das Ventil 13 mit Atmosphäre verbunden. Die Betätigungsstange 10a wird mit Hilfe der Feder 14 in der rechten Endlage ge­ halten (in Fig. 2 gezeigt). Der Vakuumschalter 12 ist über die Leitungsabschnitte 12a und 15 mit dem Ansaugtrakt ständig verbunden. Das sich in Abhängigkeit von der Dreh­ zahl einstellende Vakuum im Ansaugtrakt 1 wirkt auf den Vakuumschalter und bewegt den Schieber 16 entgegen der Fe­ der 17, wenn ein vorgegebenes Vakuum bzw. eine vorgegebene Drehzahl erreicht ist. Es versteht sich, daß die Betäti­ gung des Schalters 18 aufgrund der beschriebenen Funktion eingestellt werden kann durch die Veränderung der Feder­ kennlinie der Feder 17 oder der Vorspannung. Wird der Schieber 16 so weit gegen die Feder 17 verschoben, daß der Schaltkontakt 18 öffnet, wird die Spannungsversorgung für das Ventil 13 unterbrochen, und das Ventil bewegt sich mit Hilfe der eingebauten Feder in die Schaltposition a, in der der Vakuumsteller 10 mit dem Ansaugtrakt 1 verbunden ist. Nunmehr erfolgt über die Drossel 19 ein Druckaus­ gleich zwischen dem Raum vor der Membran des Vakuumstel­ lers 10 und dem Ansaugtrakt 1. Dies führt dazu, daß die Membran 30 und die Betätigungsstange 10a des Vakuumstel­ lers 10 entgegen der Feder 14 nach links bewegt werden und dabei über die Koppelstange 9 das Steuersegment 6 und da­ mit die Drosselklappe 3 in Schließrichtung betätigen. Diese Bewegung wird durch die Rückholfeder 7 unterstützt und führt zu einer Erhöhung der Kraft der Koppelfeder 8c. Durch die Bewegung der Drosselklappe 3 in Schließrichtung wird die zur Verfügung stehende Gemischmenge und damit das Drehmoment der Brennkraftmaschine reduziert. Bei konstan­ tem Lastmoment führt dies zu einer Reduzierung des Dreh­ moments und zu einem neuen Arbeitspunkt auf dem Kennli­ nienabschnitt f bzw. g der Drehmomentkennlinie der Maschine nach Fig. 1. Der Arbeitspunkt wird bestimmt durch das Kräftegleichgewicht am Steuersegment 6 der Drosselklappe 3, welches beeinflußt wird durch die Kräfte der Federn 7, 8c und 14 sowie durch die aus dem drehzahlabhängigen Va­ kuum erzeugte Kraft auf die Betätigungstange 10a des Va­ kuumstellers 10. Indirekt erfolgt eine weitere Beeinflus­ sung des Kräftegleichgewichts am Steuersegment 6 über das Lastmoment, das den Arbeitspunkt und damit die Motordreh­ zahl und das Vakuum im Ansaugtrakt bestimmt und über den Betätigungsweg am Bowdenzug 8, der die Kraft in der Feder 8a mitbestimmt. Die sich einstellende Arbeitsdrehzahl ist in Fig. 1 mit 38 bezeichnet.

Wird das Lastmoment wieder erhöht oder der Betätigungsweg am Bowdenzug 8 reduziert, so sinkt die Drehzahl der Ma­ schine und damit die Höhe des Vakuums im Ansaugtrakt 1, im Vakuumschalter 12 und im Vakuumsteller 10. Im anderen Fall reduziert sich die Vorspannung der Feder 8c. In beiden Fällen wird die Drosselklappe 3 in Schließrichtung ver­ stellt und die Gemischmenge reduziert. Wird hierbei ein einstellbarer Grenzwert unterschritten, so bewegt sich der Schieber 16 so weit, daß der Schalter 18 wieder geschlos­ sen wird. Das Ventil 13 wird erneut bestromt und in Posi­ tion b verstellt, in der der Vakuumsteller über die Dros­ sel 19 mit Umgebungsluft verbunden ist. Hierdurch wird der Vakuumsteller 10 außer Funktion genommen, es stellt sich ein Arbeitspunkt auf dem Abschnitt d bzw. e der Drehmo­ mentkennlinie für die ungeregelte Maschine ein.

Wie erkennbar, wird das Drehmomentverhalten einer Brenn­ kraftmaschine mit der beschriebenen Vorrichtung durch die Kennlinienabschnitte d, e, f und g bestimmt. Hieraus re­ sultiert eine bessere Leistungsausbeute.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl von Brennkraft­ maschinen, bei der ein mit dem Unterdruck im Ansaug­ trakt der Maschine verbundener Vakuumsteller und ein Gaspedal mit einer schwenkbar gelagerten Drosselklappe im Ansaugtrakt der Maschine gekoppelt sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gaspedal (8) über einen Entkopp­ lungsmechanismus (8b, 8c) mit der Drosselklappe (3) zu­ sammenwirkt, der Vakuumsteller (10) über eine Schalt­ vorrichtung (13) wahlweise mit dem Ansaugtrakt (1) oder Atmosphäre verbindbar ist, und ein auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine (2) ansprechender Signalgeber (12) die Schaltvorrichtung (13) betätigt zwecks Verbindung des Vakuumstellers (10) mit dem Ansaugtrakt (1), wenn die Brennkraftmaschine (2) eine vorgegebene Drehzahl er­ reicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaspedal über eine Koppelfederanordnung (8b, 8c) mit der Drosselklappe (3) gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Drosselklappe (3) eine Rückstellfeder (7) angreift.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselklappe (3) relativ zum Vakuumsteller (10) bewegbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (13) ein Schaltventil aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber einen Unterdruck­ schalter (12) aufweist, der ständig mit dem Ansaugtrakt (1) in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (12) einen Schalter (18) betätigt zur Aktivierung der Schaltvorrichtung (13).

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeich­ net, daß ein elektromagnetisches Schaltventil (13) vor­ gesehen ist, dessen Erregerspule vom Schalter (18) aktivierbar ist.