DE19819122A1 - Steuereinrichtung für Verbrennungsmotoren - Google Patents
Steuereinrichtung für VerbrennungsmotorenInfo
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Abstract
Es wird eine Steuereinrichtung für Verbrennungsmotoren (10) landwirtschaftlicher oder gewerblicher Fahrzeuge, insbesondere für Ackerschleppermotoren, beschrieben, die wenigstens eine Speichereinheit (22) zur Speicherung von Motorkennfeldern enthält und die in Abhängigkeit von einstellbaren Sollwertvorgaben unter Berücksichtigung wenigstens eines Motorkennfelds Steuersignale an ein elektronisch geregeltes Einspritzsystem (12) zur Einstellung der Kraftstoffeinspritzmenge abgibt. DOLLAR A Um mit einem einzigen, kostengünstig herstellbaren Fahrzeug einen weiten Anwendungsbereich abdecken zu können wird vorgeschlagen, daß die Steuereinrichtung (18) die Signale wenigstens eines Fahrgeschwindigkeitssensors (24) erfaßt und die maximale Motorleistung in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit begrenzt. DOLLAR A Insbesondere erfolgt für eine vorgebbare Fahrzeughöchstgeschwindigkeit keine Begrenzung der Motorleistung, während bei tieferen Fahrgeschwindigkeiten eine Begrenzung auf Motorleistungen erfolgt, die kleiner als die Motornennleistung sind.
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für
Verbrennungsmotoren landwirtschaftlicher oder gewerblicher
Fahrzeuge, insbesondere für Ackerschleppermotoren. Die
Steuereinrichtung enthält wenigstens eine Speichereinheit zur
Speicherung von Motorkennfeldern. Sie gibt in Abhängigkeit von
einstellbaren Sollwertvorgaben unter Berücksichtigung wenig
stens eines Motorkennfelds Steuersignale an ein elektronisch
geregeltes Einspritzsystem zur Einstellung der Kraftstoff
einspritzmenge ab.
Landwirtschaftliche Traktoren werden insbesondere hinsichtlich
gewünschter Zugkraftwerte und gewünschter Betriebsgeschwindig
keiten ausgelegt. Beispielsweise wird ein Standardtraktor zum
Pflügen bei 6 bis 7 km/h auf eine Leistung von 100 DIN-kW
ausgelegt. Um die erforderliche Zugkraft auf den Boden zu
bringen, wird der Traktor mit schweren Gewichten und großen
Reifen bestückt. Je geringer die Arbeitsgeschwindigkeit ist,
desto größere Drehmomente lassen sich bei gleichbleibender
Motorleistung übertragen. Bei geringen Geschwindigkeiten von
beispielsweise unter 6 km/h sind die Komponenten des
Antriebsstranges durch den Schlupf der Räder gegen Überlast
geschützt. Ein Standardtraktor mit einer Leistung von 100 DIN-
kW kann einen Anhänger von 20 t auf einer Fahrstrecke, die
auf 100 m um 1,5 m ansteigt (Steigung 1,5%), mit einer
maximalen Geschwindigkeit von 50 km/h ziehen.
Traktoren werden zunehmend für längere Transportstrecken auf
Straßen eingesetzt, so daß der Wunsch nach höheren Fahr
geschwindigkeiten zunimmt. So ist es beispielsweise wünschens
wert, daß ein Traktor einen Anhänger von 20 t auf einer
Steigung von 1,5% bei einer Geschwindigkeit von 65 km/h zieht.
Hierfür wird jedoch eine Motorleistung von ungefähr 130 kW
benötigt. Für eine Geschwindigkeit von 80 km/h sind ungefähr
168 kW erforderlich. Um diese Geschwindigkeiten zu realisieren
müssen der Verbrennungsmotor, die Traktortragstruktur und alle
anderen Traktorkomponenten auf die angegebenen Leistungen
ausgelegt werden. Für den Einsatz bei Feldarbeiten wäre jedoch
das Antriebssystem eines solchen Traktors überdimensioniert und
daher unwirtschaftlich.
Bei optimaler Auslegung ergeben sich für die Feldarbeit und den
Straßentransport unterschiedliche Traktoren, deren Verbren
nungsmotoren, Antriebsstränge, Tragstrukturen und andere Trak
torkomponenten auf unterschiedliche Leistung bzw. Belastbarkeit
auszulegen sind. Dies steht im Widerspruch zu dem Wunsch,
preisgünstige Traktoren für einen weiten Anwendungsbereich
anzubieten. Denn einerseits ist eine rationelle und damit
preisgünstige Fertigung nur bei einer möglichst geringen
Modellzahl möglich und andererseits führt die Verwendung
überdimensionierter Antriebsstränge zu Kostensteigerungen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen,
eine gattungsgemäße Steuereinrichtung für Verbrennungsmotoren
der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die
genannten Probleme überwunden werden. Insbesondere soll es
möglich werden, mit einem einzigen, kostengünstig herstellbaren
Fahrzeug einen weiten Anwendungsbereich abzudecken.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des
Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung enthält wenigstens eine
Speichereinheit zur Speicherung von Motorkennfeldern. Sie ist
derart ausgelegt, daß sie in Abhängigkeit von Sollvorgaben, die
beispielsweise mit einem Gaspedal vorgegeben werden, unter
Berücksichtigung wenigstens eines Motorkennfelds Steuersignale
an ein elektronisch geregeltes Einspritzsystem zur Einstellung
der Kraftstoffeinspritzmenge abgibt. Die Steuereinrichtung
erfaßt die Signale wenigstens eines Fahrgeschwindigkeitssensors
und begrenzt oder drosselt die maximal mögliche Motorleistung
in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit.
Die erfindungsgemäße Auslegung hat einen positiven Einfluß auf
die Lebensdauer des Antriebsstranges und anderer Fahrzeug
komponenten, weil sie diese Fahrzeugkomponenten vor Überlastung
schützt, obwohl diese nicht auf die maximal mögliche Motor
leistung ausgelegt sind. Als Anhaltswert kann hierbei ange
nommen werden, daß sich bei einer Überbelastung der
Fahrzeugkomponenten um 10% deren Lebensdauer um ungefähr 30%
verkürzt. Um überhöhte Belastungen von Fahrzeugkomponenten zu
vermeiden, schlägt die Erfindung vor, die Motorleistung
insbesondere für Fahrzeuggeschwindigkeitsbereiche, bei denen im
Antriebsstrang hohe Belastungen und hohe Drehmomente auftreten,
zu reduzieren oder zu drosseln.
Die Erfindung ermöglicht es ein einziges Fahrzeug für
unterschiedliche Anforderungen bereitzustellen. Das Fahrzeug
hat einen relativ leistungsstarken Verbrennungsmotor, der auf
die Anforderungen an schnelle Transportfahrten angepaßt ist.
Das Getriebe, das Chassis und andere Fahrzeugkomponenten können
jedoch infolge der Erfindung auf eine Belastung ausgelegt
werden, die wesentlich unter der der Motornennleistung liegt
und die beispielsweise für normale Feldarbeiten ausreicht, ohne
daß Überlastungen zu befürchten sind. Dies ermöglicht die
Herstellung eines einzigen vielseitig einsetzbaren Traktortyps
in hohen Stückzahlen bei vertretbarem Herstellungsaufwand.
Als Fahrgeschwindigkeitssensor kann beispielsweise ein
Drehzahlsensor dienen, der die Drehzahl auf der Abtriebsseite
eines dem Verbrennungsmotor nachgeordneten vielstufigen
Getriebes, bzw. die Drehzahl der Antriebsräder erfaßt. Die
Fahrgeschwindigkeit kann jedoch auch, beispielsweise mit einem
Radarsensor, direkt gemessen werden.
Zur Begrenzung der Motorleistung wird vorzugsweise die
Kraftstoffeinspritzmenge in Anhängigkeit der Fahrzeuggeschwin
digkeit gedrosselt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
Nennleistung des Verbrennungsmotors auf eine vorgebbare
Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ausgelegt. Fährt das Fahrzeug mit
Höchstgeschwindigkeit, erfolgt keine Begrenzung der
Motorleistung, sieht man einmal von der üblichen Abregelung bei
Erreichen der Nenndrehzahl ab. Bei tieferen Fahrgeschwin
digkeiten erfolgt eine Begrenzung der Motorleistung auf Werte,
die unter der Motornennleistung liegen. Es ist hierbei von
Vorteil, wenn die Leistungsbegrenzung derart erfolgt, daß sie
für jede Fahrzeuggeschwindigkeit der für diese Geschwindigkeit
gegebenen konstruktionsbedingten Belastbarkeit der Fahrzeugkom
ponenten entspricht oder diese zumindest nicht oder nicht
wesentlich überschreitet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor,
daß eine obere Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel definiert und
gegebenenfalls in einem Kennfeldspeicher abgelegt ist, die der
Motornennleistung entspricht und für Transportfahrten bei hohen
Fahrzeuggeschwindigkeiten auf eine gewünschte Fahrzeughöchst
geschwindigkeit und einen zugehörigen gewünschten Zugkraftwert
ausgelegt ist. Ferner ist für einen Arbeitseinsatz, beispiels
weise beim Pflügen, eine untere Geschwindigkeits-Zugkraft-
Hyperbel durch eine vorgebbare niedrige Fahrzeugarbeits
geschwindigkeit und eine Grenzzugkraft (DPI) bei gedrosselter
Motorleistung definiert und gegebenenfalls in dem Kennfeld
speicher abgelegt. Die Leistungsanpassung des Verbrennungs
motors erfolgt gemäß der Ausgestaltung der Erfindung in
Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit entlang einer stetigen
Ausgleichskurve, die zwischen der unteren und der oberen
Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel verläuft. Die Ausgleichs
kurve kann entweder in der Steuereinrichtung aus der oberen und
der unteren Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel berechnet werden
oder als fest vorgegebene Kennlinie im Kennfeldspeicher
abgelegt sein.
Vorzugsweise schmiegt sich dabei die stetige Ausgleichskurve im
unteren Geschwindigkeitsbereich an die untere Geschwindigkeits-
Zugkraft-Hyperbel (für beispielsweise 100 kW) und im oberen
Geschwindigkeitsbereich an die obere Geschwindigkeits-Zugkraft-
Hyperbel (für beispielsweise 168 kW) jeweils tangential an, so
daß sich ein stetiger stufenloser Übergang zwischen den beiden
Hyperbeln ergibt.
Es kann dabei auch von Vorteil sein, wenn die maximale
einstellbare Leistung des Verbrennungsmotors ausgehend von der
Fahrzeughöchstgeschwindigkeit bis zur Fahrzeugsarbeits
geschwindigkeit in proportionaler Abhängigkeit von der
gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit im Bereich zwischen den
beiden Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbeln stetig abgesenkt
wird.
Die niedrige Arbeitsgeschwindigkeit liegt zweckmäßigerweise
zwischen 3 und 12 km/h, vorzugsweise bei 7 km/h. Ferner wird
die Motorleistung bei der niedrigen Arbeitsgeschwindigkeit auf
einen Leistungswert gedrosselt, der der maximalen auf den Boden
übertragbaren Zugkraft (gemäß dem Zugleistungsindex DPI) des
Fahrzeugs entspricht.
Die Motornennleistung entspricht zweckmäßigerweise Fahrzeug
höchstgeschwindigkeiten zwischen 60 km/h und 90 km/h,
vorzugsweise von ungefähr 80 km/h, wobei von einer Bergauffahrt
mit einer Steigung von 1,5% und mit einem Anhänger von ungefähr
20 t Gewicht ausgegangen wird.
Die Erfindung ist nicht nur bei Ackerschleppern sondern auch
bei anderen landwirtschaftlichen oder gewerblichen Fahrzeugen
anwendbar.
Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
zeigt, werden nachfolgend die Erfindung sowie weitere Vorteile
und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der
Erfindung näher beschrieben und erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 das Blockdiagramm eines Antriebssystems mit
erfindungsgemäßer Steuereinrichtung und
Fig. 2 ein Geschwindigkeits-Zugkraft-Diagramm.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Antriebssystems
mit einem Verbrennungsmotor 10, mit einer elektronisch
geregelten Einspritzpumpe 12, und mit einem vielstufigen
Getriebe 14, das die Motorleistung auf die Antriebsräder 16,
von denen nur eins dargestellt ist, überträgt. Die
Einspritzpumpe 12 wird durch eine Steuereinrichtung 18, auch
Motor-Controller genannt, gesteuert.
Die Bedienungsperson kann durch ein nicht näher gezeigtes
Bedienungselement 20 (z. B. ein Gaspedal oder einen
Motordrehzahleinstellhebel) Sollwertvorgaben für die
Steuereinrichtung einstellen.
In der Steuereinrichtung 18 sind Motorkennfelder 22
beispielsweise für Start, Leerlauf, Vollast, Bedienelement- und
Einspritzpumpen-Charakteristik gespeichert. Die Steuereinrich
tung 18 ermittelt unter Berücksichtigung der von der Be
dienungsperson eingestellten Vorgabe und der gespeicherten
Kennfeldwerte Sollwerte für die Einspritzpumpe 12. Diese
Sollwerte dienen als Führungsgröße eines Lagereglers. Die
Steuereinrichtung 18 empfängt von der Einspritzpumpe 12 Signale
über deren Ist-Stellung, die als Regelabweichung dem Lageregler
zugeführt werden, der für eine korrekte und schnelle Ein
stellung der erforderlichen Einspritzpumpeneinstellung sorgt.
Die Grundzüge der Ansteuerung eines elektronisch geregelten
Einspritzsystems für Verbrennungsmotoren in Abhängigkeit von
einstellbaren Sollwertvorgaben unter Berücksichtigung von
Motorkennfeldern sind bekannt (siehe beispielsweise die
Technische Kurzinformation der Fa. Bosch "Elektronische
Dieselregelung mit Reiheneinspritzpumpe" Publikations-Nr. 1 987
724 513/KH/VDT-06.91-DE) und werden daher im folgenden nicht
näher beschrieben.
Die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 14, die der Fahrge
schwindigkeit des Fahrzeugs entspricht, wird durch einen
Drehzahlsensor 24 erfaßt und an die Steuereinrichtung 18
gemeldet. Die Steuereinrichtung ermittelt die für die jeweilige
Fahrgeschwindigkeit maximal zugelassenen Zugkräfte bzw.
Einspritzmengen aus dem Motorkennfeld (siehe Fig. 2) und
begrenzt gegebenenfalls die Sollwerte für die Einspritzpumpe.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Fahrzeugzugkräfte in kN
über der Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h dargestellt sind. Es
ist eine erste obere Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel P168
für eine konstante Motornennleistung von 168 kW dargestellt.
Der Hyperbel liegt ein Verbrennungsmotor zugrunde, dessen
Motornennleistung so ausgewählt ist, daß die erste Hyperbel
durch einen Punkt A verläuft, für den die Zugkraft Z ausreicht,
um bei einer Fahrzeughöchstgeschwindigkeit von 80 km/h und
einer Fahrbahnsteigung von 1,5% einen Anhänger von 20 t Gewicht
zu ziehen.
In Fig. 2 ist ferner eine zweite untere Geschwindigkeits-
Zugkraft-Hyperbel P100 dargestellt, die sich für eine konstante
Motorleistung von 100 kW ergibt. Diese Hyperbel P100 verläuft
durch den Punkt B, bei dem bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit
von 7 km/h die Zugkraft 48,3 kN beträgt. Bei Zugkräften, die
diesen Wert übersteigen, rutschen die Fahrzeugräder auf
normalem Untergrund durch, so daß hierdurch die von der
Übertragungseinrichtung zu übertragenen Drehmomente begrenzt
sind. Durch den Punkt B werden die Auslegungskriterien für das
Getriebe und weitere Fahrzeugkomponenten hinsichtlich der zu
übertragenen Leistung festgelegt.
Um die beiden Betriebspunkte A und B realisieren zu können,
wird ein Verbrennungsmotor 10 mit einer Motornennleistung von 168 kW
verwendet. Die Motorleistung wird in Abhängigkeit der
Fahrzeuggeschwindigkeit entlang der Ausgleichskurve D
gedrosselt. Die Ausgleichskurve D schmiegt sich im Bereich des
Punktes B an die untere Hyperbel P100 und im Bereich des
Punktes A an die obere Hyperbel P168 tangential an. Zwischen
den beiden Punkten B und A verläuft die Ausgleichskurve D ohne
Sprünge und nähert sich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit
ausgehend von der Hyperbel P100 stetig, allmählich der Hyperbel
P168 an. Der Übergang zwischen den beiden Hyperbeln P100 und
P168 kann dabei proportional zur jeweiligen Fahrzeuggeschwin
digkeit erfolgen.
Auch wenn die Erfindung lediglich anhand eines
Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, erschließen sich für
den Fachmann im Lichte der vorstehenden Beschreibung sowie der
Zeichnung viele verschiedenartige Alternativen, Modifikationen
und Varianten, die unter die vorliegende Erfindung fallen.
Claims (9)
1. Steuereinrichtung für Verbrennungsmotoren (10) land
wirtschaftlicher oder gewerblicher Fahrzeuge, insbesondere
für Ackerschleppermotoren, die wenigstens eine Speicher
einheit (22) zur Speicherung von Motorkennfeldern enthält
und die in Abhängigkeit von einstellbaren Sollwert
vorgaben unter Berücksichtigung wenigstens eines
Motorkennfelds Steuersignale an ein elektronisch geregel
tes Einspritzsystem (12) zur Einstellung der Kraftstoff
einspritzmenge abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Steuereinrichtung (18) die Signale wenigstens eines
Fahrgeschwindigkeitssensors (24) erfaßt und die maximale
Motorleistung in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit
begrenzt.
2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Begrenzung der Motorleistung die maximale
Kraftstoffeinspritzmenge in Anhängigkeit der Fahrzeug
geschwindigkeit begrenzt wird.
3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß für eine vorgebbare Fahrzeughöchst
geschwindigkeit keine Begrenzung der Motorleistung
erfolgt, während bei tiefere Fahrgeschwindigkeiten eine
Begrenzung auf Motorleistungen erfolgt, die kleiner als
die Motornennleistung sind.
4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine obere Geschwindigkeits-
Zugkraft-Hyperbel definiert ist, die der Motornennleistung
entspricht, daß eine untere Geschwindigkeits-Zugkraft-
Hyperbel (P100) durch eine vorgebbare niedrige
Fahrzeugarbeitsgeschwindigkeit (7 km/h) und eine
Grenzzugkraft (DPI) bei gedrosselter Motorleistung
definiert ist, und daß die Leistungsanpassung des
Verbrennungsmotors (10) in Abhängigkeit der
Fahrzeuggeschwindigkeit entlang einer stetigen Ausgleichs
kurve (D) erfolgt, die zwischen der unteren und der oberen
Geschwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel (P100, P168) verläuft.
5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die stetige Ausgleichskurve (D) im Bereich der
niedrigen Fahrzeugarbeitsgeschwindigkeit an die untere Ge
schwindigkeits-Zugkraft-Hyperbel (P100) und im Bereich der
Fahrzeughöchstgeschwindigkeit an die obere Geschwin
digkeits-Zugkraft-Hyperbel (P168) tangential jeweils
anschmiegt.
6. Steuereinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die maximale Leistung des
Verbrennungsmotors (10) ausgehend von der Fahrzeughöchst
geschwindigkeit bis zur Fahrzeugarbeitsgeschwindigkeit in
Abhängigkeit der gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit im
Bereich zwischen den beiden Geschwindigkeits-Zugkraft-
Hyperbeln (P100, P168) stetig abgesenkt wird.
7. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die niedrige Fahrzeugarbeits
geschwindigkeit zwischen 3 km/h und 12 km/h, vorzugsweise
bei 7 km/h liegt.
8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Motornennleistung auf
Fahrzeughöchstgeschwindigkeit zwischen 60 km/h und 90
km/h, vorzugsweise 80 km/h ausgelegt ist.
9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß für niedrige Arbeitsgeschwin
digkeit die Motorleistung auf einen Leistungswert
gedrosselt wird, der der maximalen auf den Boden
übertragbaren Zugkraft des Fahrzeugs entspricht.
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