DE19718692C2 - 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 A1 ist eine kraftstoffsparende Betätigung der Drosselklappe offen­ bart. Dies geschieht durch Entkopplung der Drosselklappe vom Gaspedal über eine Feder und die Verwendung eines Anschlages für die Drosselklappe, welcher dreh­ zahlabhängig verstellt wird. Die Verstellung des Anschlages erfolgt mit Hilfe des Unterdrucks im Ansaugtrakt.

Aus DE 36 07 315 A1 ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der der Öffnungs­ vorgang der Drosselklappe drehzahlabhängig nur so weit erfolgt, wie es für eine gute Füllung der Zylinder erforderlich ist. Zwischen Drosselklappe und Gaspedal ist eine Membrandose angeordnet, deren Eigenschaften drehzahlabhängig, d. h. vakuum­ abhängig verstellt werden. Aus DE 37 40 803 A1 ist bekannt, für eine Dieselbrenn­ kraftmaschine eine separate Drosselklappe vorzusehen, die durch eine feder­ vorgespannte Betätigungseinheit im Notfall betätigt wird. Hierbei soll die Funktion der Dieselbrennkraftmaschine auf einen zulässigen Notbetrieb bei Vorliegen eines Störfalls reduziert werden.

Aus DE 195 06 082 A1 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 Antriebseinheit begrenzt werden.

Aus DE 34 46 700 A1 ist schließlich bekannt, für eine Vergaserbrennkraftmaschine eine selbsttätige alterungsbeständige Leistungseinstellung vorzusehen. Die Drossel­ klappe ist vom Betätigungsorgan entkoppelt, und die Wirkverbindung wird in Abhän­ gigkeit vom Unterdruck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine bei schneller Drehzahlregelung zu schaffen, mit der unter deutlicher Begrenzung des Aufwands eine bessere Leistungsausbeute der Brennkraftmaschine erhalten 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 Drosselklappe statt. Wenn vorstehend und nachfolgend von Gaspedal gesprochen wird, versteht sich, daß hierunter jedes Betätigungsorgan ver­ standen werden soll, mit dem ein der Leistungsanforderung entsprechendes Signal auf die Drosselklappe der Brennkraftmaschine gegeben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht, wie an sich bekannt, einen Vakuumsteller für die Drosselklappe vor, mit dessen Hilfe die Drosselklappe unabhängig von der durch das Gaspedal vorgegebenen Position verstellt werden kann. Der Vakuumsteller ist jedoch über ein Schaltventil wahlweise mit dem Ansaugtrakt der Brennkraft­ maschine oder mit Atmosphäre verbunden. Das Schaltventil, beispielsweise ein elek­ tromagnetisches Ventil, wird durch einen Unterdruckschalter betätigt. Der Unter­ druckschalter betätigt nach einer Ausgestaltung der Erfindung einen elektrischen Schalter, wenn eine Grenzdrehzahl erreicht worden ist. Der Schalter bestromt im Schließzustand z. B. die Erregerspule eines Elektromagneten für das Schaltventil.

Bei der erfindungsgemäßen Drehzahlbegrenzung wird mithin eine Regelung erst ab einer vorgegebenen Drehzahl, beispielsweise 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 Brennkraft­ maschine erhalten. Daraus resultiert eine bessere Leistungsausbeute der Brennkraft­ maschine.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gaspedal über eine Koppelfeder­ anordnung mit der Drosselklappe gekoppelt. Vorzugsweise greift an der Drossel­ klappe eine Rückstellfeder an. Die Koppelfederanordnung ist in ihrer Auslegung so definiert, daß sie in der Lage ist, die Rückstellfeder bei Betätigung des Gaspedals zusammenzudrücken, selbst aber bei Aktivierung der Drehzahlbegrenzungseinrich­ tung 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 Ausgestaltung 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 Drosselklappe erfolgen kann.

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

Das Schaltventil ist vorzugsweise so ausgelegt, daß es automatisch in eine Schaltposi­ tion 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 näher 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 (5)

1. Vorrichtung zur Begrenzung der Drehzahl von Brennkraftmaschinen, bei der ein mit dem Unterdruck im Ansaugtrakt der Maschine verbindbarer Vakuumsteller und ein Gaspedal mit einer schwenkbar gelagerten Drosselklappe im Ansaugtrakt der Maschine gekoppelt sind, wobei das Gaspedal über einen Entkopplungsmechanismus mit der Drosselklappe zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Vakuum­ steller (10) über ein Schaltventil (13) wahlweise mit dem Ansaugtrakt (1) oder der Atmosphäre verbindbar ist, und ein mit dem Ansaugtrakt verbundener Unterdruck­ schalter (12) das Schaltventil (13) betätigt zwecks Verbindung des Vakuumstellers (10) mit dem Ansaugtrakt (1), wenn ein vorgegebener Unterdruck erreicht ist.

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 der Unterdruckschalter (12) einen elektrischen Schalter (18) betätigt zur Bestromung des elektromagnetisch gesteuerten Schaltventils (13)