DE4222533A1 - Leistungsregelung bei Verbrennungsmotoren - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Leistungsregelung bei
Verbrennungsmotoren. Bekanntlich wird beim üblichen Einsatz
von Verbrennungsmotoren - zum Beispiel beim Einsatz als
Antriebsmotor im Kraftfahrzeug - die jeweils benötigte Lei
stung über den Teillastbetrieb durch Beeinflussung der
Füllungsquantität beim Ottomotor, bzw. durch Beeinflussung
der Füllungsqualität beim Dieselmotor eingestellt. Die sich
unter Vollastbetrieb ergebende Maximalleistung des Verbren
nungsmotors ist u. a. von dessen jeweiliger Drehzahl abhän
gig. Bei dieser dem Stand der Technik entsprechenden Lei
stungsregelung bei Verbrennungsmotoren wird das Verbrauchs
minimum lediglich bei ganz bestimmter Motordrehzahl und
bestimmter Leistungsabgabe erreicht. Die Motordrehzahl, bei
der sich das Verbrauchsminimum ergibt, hängt von der Motor
charakteristik ab und wird bislang durch die Konstruktion
des Motors festgelegt.
Es ist bekannt, daß beim Einsatz von Verbrennungsmotoren,
beispielsweise beim Antrieb von Kraftfahrzeugen, eine gewis
se Annäherung an die für das Verbrauchsminimum zugehörige
Drehzahl während des Fahrbetriebes durch die Schaltung der
günstigsten Getriebeübersetzung erreichbar ist. Die Quali
tät dieser Annäherung hängt bei Vollast von der Auswahlmög
lichkeit verschiedener Getriebeabstufungen und von der sich
hierdurch über die Fahrgeschwindigkeit einstellenden Motor
drehzahl ab.
Weiterhin ist bekannt, daß auch beim Teillastbetrieb von
Verbrennungsmotoren eine bestimmte Fahrgeschwindigkeit mit
unterschiedlichen Motordrehzahlen durch unterschiedliche Ge
triebeschaltungen und somit auch unterschiedlichem Kraft
stoffverbrauch erreichbar ist. Auch bei dieser regelmäßig
vorkommenden Betriebsbedingung ist eine gewisse Annäherung
an den Betrieb des Antriebsmotors bei geringstmöglichem
Kraftstoffverbrauch erreichbar. Bekannt ist ferner, daß ein
extrem niedriger Kraftstoffverbrauch sich dann ergibt, wenn
die in Abhängigkeit von der Motorlast sich ergebende Motor
drehzahl - z. B. verursacht über den bei bestimmtem Überset
zungsverhältnis sich einstellenden Fahrwiderstand - während
der gesamten Fahrstrecke die Vollastmotorleistung erfor
dert, bei der genau das Minimum der Verbrauchskurve liegt.
Die beim herkömmlichen Einsatz von Verbrennungsmotoren ein
gesetzten Anpassungsmöglichkeiten lassen während des all
täglichen Fahrbetriebes lediglich eine gewisse Annäherung
an die Idealbedingungen beim Betrieb von Verbrennungsmoto
ren im Verbrauchsminimum bei der hier erforderlichen unter
schiedlichen Leistungsabgabe zu.
Der Betrieb des Verbrennungsmotors mit der Drehzahl für den
geringsmöglichen Kraftstoffverbrauch unter Vollast wird im
praktischen Fahrbetrieb allenfalls kurzzeitig und dann rein
zufällig erreicht.
Während des bei Kraftfahrzeugen meistbenutzten Teillast
betriebes ergeben sich im Vergleich zu einem möglichen
Vollastbetrieb desselben Verbrennungsmotors die nachfolgend
sortiert aufgeführten Nachteile:
Nachteile, verursacht durch höhere Motordrehzahl:
- - zusätzliche mechanische Reibung im Motor,
- - zusätzlicher Verschleiß auch beim Schmierstoff,
- - zusätzliche Anzahl von Verbrennungsvorgängen mit Wär meverlust und Ölverbrauch,
- - zusätzliche Anzahl von Gaswechselvorgängen mit Spül verlust,
- - größere Geschwindigkeit beim Gaswechsel mit Reibungs verlust.
Nachteile, verursacht durch die Verbrennung in einem
größeren Verbrennungsraum als notwendig:
- - Wärmeverlust durch unnötig große Abkühlfläche des Verbrennungsraumes,
- - Kondensationsverluste an den Zylinderwänden.
Zusätzliche Nachteile beim Ottomotor, verursacht durch
die unvollständige Zylinderfüllung:
- - ungünstigerer Verbrennungsablauf durch geringeren Verdichtungsdruck,
- - größerer Widerstand beim Ansaugtakt durch den erhöh ten Unterdruck mit erhöhtem Ölverbrauch,
- - das für niedrigen Kraftstoffverbrauch hier benötigte Luftverhältnis von Lambda < 1 ist für Katalysatorbe trieb nicht geeignet.
Zusätzliche Nachteile beim Dieselmotor, verursacht durch
die Teilnutzung der vorhandenen Zylinderfüllung:
- - erhöhter Widerstand durch die größere Anzahl von Verdichtungstakten.
Die dem Stand der Technik entsprechende Leistungsregelung
bei Verbrennungsmotoren über den Teillastbetrieb erfordert
spezielle Bemessungsanordnungen zur Einstellung des Fül
lungsgrades beim Ottomotor bzw. der Kraftstoffeinspritz
menge beim Dieselmotor. Diese Anordnungen an Vergasern,
Einspritzanlagen und Einspritzpumpen, meist mit einer zu
sätzlichen Teillasteinrichtung ergänzt, verursachen im
Vergleich mit dem möglichen Vollastbetrieb Nachteile wie
- - aufwendige Einrichtung, besonders beim Dieselmotor,
- - Möglichkeit von Fehlerquellen,
- - Wartungskosten.
Die abschließend aufgeführten gravierenden Nachteile werden
durch den bei der Leistungsregelung über Teillastbetrieb
offensichtlich unvermeidlichen Motorleerlauf hervorgerufen:
- - Kraftstoffverbrauch ohne Leistungsabgabe,
- - Sehr hoher Schadstoffanteil beim Ottomotor insbeson dere im Stau oder Stadtverkehr,
- - vermeidbarer Geräuschpegel,
- - Aufwendige Einrichtungen sowohl bei Diesel- als auch bei Ottomotoren,
- - vermeidbarer Verschleiß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alle innerhalb
des Leistungsspektrums möglichen Leistungen eines Verbren
nungsmotors mit geringstmöglicher Drehzahl und vermindertem
Kraftstoffbedarf zu erzeugen.
Durch die im Patentanspruch 12 angegebene Weiterbildung der
Erfindung wird eine weitere Verbrauchsminderung über die
einstellbare Motorcharakteristik erreicht.
Der erreichbare Vorteil der Erfindung ergibt sich unter
Vermeidung der vorgenannten Nachteile insbesondere durch
die beim Betrieb von Verbrennungsmotoren deutlich verrin
gert anfallende Schadstoffmenge.
Erfindungsmäßig wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
- - daß der Verbrennungsmotor bei allen innerhalb seines Leistungsbereiches denkbaren Leistungsanforderungen kon tinuierlich unter Vollastbedingungen betrieben wird,
- - daß die für die jeweils geforderte Leistung benötigte Motordrehzahl durch die über ein stufenloses Getriebe veränderbare Motorbelastung eingestellt wird,
- - daß zusätzlich durch entsprechende Einstellung des stu fenlos verstellbaren Öffnungswinkels der Ventile die Ver brauchskurve so verschoben wird, daß ihr Minimum sich bei der aus der geforderten Vollastleistung ergebenden Motordrehzahl befindet,
- - daß die Einstellung sowohl des Öffnungswinkels der Venti le als auch die der Getriebeübersetzung in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung automatisch geregelt wird.
Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Pa
tentanspruch 12 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentan
spruch 12 ermöglicht es, daß die veränderbare Motorleistung
nicht nur bei geringstmöglicher Motordrehzahl, sondern
gleichzeitig auch im Minimum der Verbrauchskurve, also bei
geringstmöglichem Kraftstoffverbrauch erzeugt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand dieses Ausführungsbei
spiels des näheren erläutert:
Ein Viertakt-Ottomotor, der in Abweichung von der üblichen
Ausführungsform lediglich über eine Anordnung für den stu
fenlos veränderbaren Ventilöffnungswinkel verfügt, gibt sei
ne in den üblichen Grenzen regulierbare Leistung über ein
stufenloses Getriebe ab.
Der stufenlos veränderbare Ventilöffnungswinkel wird mit
tels einer Anordnung nach Patent Nr. 4039494 erreicht.
Für das stufenlose Getriebe ist eine Anordnung gemäß Paten
tanmeldung P 4205260.2-12 vorgesehen.
Die Einstellungen des veränderbaren Ventilöffnungswinkels
und der Geriebeübersetzung werden von der bei modernen
Motoren für die Einstellung von Zündung und Gemischzusammen
setzung vorhandenen elektronischen Regelung nach entspre
chender Erweiterung übernommen.
Die über das Fahrpedal als Führungsgröße eingegebene Lei
stungsanforderung bewirkt über eine dem Stand der Technik
entsprechende elektronische Regelanordnung die Regelung der
zugehörigen Vollastdrehzahl. Dazu wird der Sollwert dieser
Drehzahl einem Kennfeld entnommen und mit dem Istwert der
Getriebeausgangsdrehzahl verglichen. In Abhängigkeit von
beiden Eingangsgrößen bildet die Regeleinrichtung die
Stellgröße für das stufenlos einstellbare Übersetzungsver
hältnis des Getriebes. Das als Stellglied im Regelkreis
fungierende Getriebe hält somit durch entsprechende Verände
rung der Motorbelastung die Motordrehzahl auf dem vorbe
stimmten Wert. Die Steuerung der günstigsten Ventilöffnungs
winkel erfolgt in Abhängigkeit von der so eingeregelten
Motordrehzahl ebenfalls über Kennfeldsteuerung.
Sollte die über das Fahrpedal abgerufene Motorleistung bei
spielsweise den Bedarf zur Aufrechterhaltung der Momentan
geschwindigkeit übersteigen, so wird trotz der sich ein
stellenden Beschleunigung des Fahrzeuges über die stufenlos
erfolgende elektronische Anpassung des Übersetzungsverhält
nisses die für diese Leistungsanforderung benötigte Motor
drehzahl, bei der sich gleichzeitig das Verbrauchsminimum
ergibt, konstant beibehalten.
Andererseits wird bei der Einhaltung einer konstanten Fahr
geschwindigkeit bei sich änderndem Leistungsbedarf (verur
sacht beispielsweise durch das Befahren von Steigungen oder
Gefällstrecken) die Motordrehzahl und in Abhängigkeit hier
von die Öffnungszeit der Ventile in der Weise verändert,
daß die jeweils benötigten Motorleistungen bei Vollast stän
dig im Verbrauchsminimum erzeugt werden.
Bei Leistungsanforderungen, die unterhalb der kleinstmög
lichen Vollastleistung liegen (Schiebebetrieb), wird wäh
rend der Fahrt eine speziell für diesen Fall programmierte
Getriebeübersetzung eingeregelt, die bei angepaßten Ventil
öffnungswinkeln die erreichbare Mindestdrehzahl des Motors
bei gleichzeitig gesperrter Kraftstoffzufuhr aufrechter
hält. Diese bei Schiebebetrieb eingeregelte Getriebeüberset
zung kann bremsdruckabhängig vergrößert werden um den Ver
schleiß von Bremsbelag zu verringern. Bei einer anschlie
ßend wieder erfolgenden Leistungsanforderung wird durch die
sich einregelnde Getriebeübersetzung und die wieder freige
gebene Kraftstoffzufuhr die Vollastdrehzahl wieder eingere
gelt - die benötigte Motorleistung ist direkt wieder verfüg
bar.
Der für Diesel- und Ottomotoren aus verschiedenen Gründen
problematische Leerlauf wird unnötig, wenn der Motor bei
Unterschreitung einer Mindestgeschwindigkeit des Fahrzeuges
während des Schiebebetriebes unter Verwendung einer Trenn
kupplung abgestellt wird. Der Wiederanlaßvorgang könnte wäh
rend der Fahrt durch Einkuppeln und nach einem Fahrzeug
stillstand auf bereits übliche Art über das Fahrpedal aus
gelöst werden.
Damit auch die unterhalb der geringstmöglichen Vollastlei
stung eines Verbrennungsmotors liegenden Leistungen einre
gelbar werden, sollten zur Einstellung des stufenlosen Ge
triebes statt der Hydraulikpumpen regelbare Generatoren an
geordnet werden. Die zur Regelung des Übersetzungsverhält
nisses für das Getriebe einzuregelnde Differenz der beiden
Generatorströme ist dann unabhängig vom ebenfalls einstell
baren Gesamtstrom erreichbar. Diese über die Abzweigung von
Motorleistung sich ergebende Summe der beiden Generatorströ
me wird als Ladestrom in die Batterie geleitet und dabei
über das Fahrpedal so eingeregelt, daß genau die geforderte
Motorleistung für den Fahrzeugantrieb übrig bleibt. Da so
mit die überschüssige Motorenergie in der Batterie ge
speichert wird, tritt auch bei dieser Fahrsituation keine
Minderung des Gesamtwirkungsgrades ein. Bei dieser für den
Kraftfahrzeugbetrieb vorteilhaften Ausbildung der - Anordnung
können die Steuergeneratoren des Getriebes die Aufgabe des
konventionellen Generators insgesamt übernehmen.
Durch die selbe Anordnung kann nicht nur die Abbremsung des
mit geringster Vollastleistung laufenden Motors, sondern
durch eine Anbindung an den Bremsdruck auch eine Abbremsung
des Fahrzeuges insgesamt über die entsprechende Anhebung
des Ladestromes bewirkt werden. Um die so zurückgewonnene
in der Batterie gespeicherte Energie wieder zu Antriebs
zwecken einsetzbar zu machen, sind bei einer weiteren Aus
bildung der Anordnung zusätzliche Steuermotoren bzw. auf
Motorbetrieb umschaltbare Steuergeneratoren am Getriebe vor
gesehen. Bei entsprechender Fahrsituation und bestimmter
Fahrpedalstellung wird durch die Differenz bei der Einstel
lung der Ströme für die Steuermotoren das Übersetzungsver
hältnis des Getriebes und durch die Summe beider Ströme die
für den gesamten Fahrzeugantrieb erforderliche Leistung bei
abgeschaltetem Verbrennungsmotor immer dann eingeregelt,
- - wenn die vom Verbrennungsmotor abgebbare geringstmög liche Vollastleistung die benötigte Fahrleistung über steigt und der durch die Motorabbremsung anfallende La destrom eine Überladung der Batterie bewirken würde,
- - wenn aus bestimmten Gründen keine Abgase abgegeben wer den sollen.
Bei dieser Anordnung können die am Getriebe angeordneten
Steuermotoren den konventionellen Anlasser für den Verbren
nungsmotor ersetzen.
Die obige Funktionsbeschreibung eines Ausführungsbeispieles
ist auf den Einsatz eines Viertakt-Ottomotors oder Vier
takt-Dieselmotors im Kraftfahrzeug ausgerichtet und läßt
sich durchaus auch auf ventilgesteuerte Zweitakt-Ottomoto
ren, oder auf Zweitakt-Dieselmotoren übertragen. Gleich
falls kann die erfindungsmäßige Anordnung durchaus auch
außerhalb des Kraftfahrzeugbereiches vorteilhafte Anwendung
finden. Selbstverständlich ist auch eine andere Steuerung
des Ventilöffnungswinkels als die nach Patent Nr.: 4039494
oder die Benutzung eines geeigneten anderen stufenlosen
Getriebes als das nach Patentanmeldung P 4205260.2-12 mög
lich.
Soll ein Verbrennungsmotor ausschließlich wie beschrieben
im Bereich des minimalen Kraftstoffverbrauches betrieben
werden, so muß bei gleicher Maximalleistung im Vergleich zu
herkömmlich betriebenen Motoren ein größerer Hubraum einge
setzt werden. Eine Umschaltmöglichkeit auf andere Steuer
ungsdaten für Getriebe und Nockenwelle innerhalb der Elek
tronik ließe durchaus auch die herkömmliche Nutzung von
Verbrennungsmotoren mit großer Leistung aus kleinem Hubraum
bei hohen Drehzahlen - allerdings in Abweichung vom Ver
brauchsminimum - zu. Eine solche Umschaltmöglichkeit wäre
für Antriebsmotoren von Kraftfahrzeugen solange sinnvoll,
wie die Hubraumgröße als Besteuerungsgrundlage dient und
der Betrieb des Fahrzeuges unter geringstmöglichem Ver
brauch nicht zwingend vorgeschrieben ist.
Claims (16)
1. Verbrennungsmotor, insbesondere für den Antrieb von
Kraftfahrzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch veränderbare Motorbelastung die sich unter
Vollastbedingung ergebende Motordrehzahl entsprechend
der Leistungsanforderung eingestellt wird.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderbare Motorbelastung durch eine mechani
sche Anordnung eingestellt wird.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderbare Motorbelastung durch eine elektri
sche Anordnung eingestellt wird.
4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderbare Motorbelastung durch eine hydrau
lische Anordnung eingestellt wird.
5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die veränderbare Motorbelastung durch eine pneuma
tische Anordnung eingestellt wird.
6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die benötigte Einstellung der Motordrehzahl automa
tisch in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung
vorgenommen werden.
7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl von
einer mechanischen Anordnung ausgeführt wird.
8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl von
einer elektrischen Anordnung ausgeführt wird.
9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl von
einer hydraulischen Anordnung ausgeführt wird.
10. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl von
einer pneumatischen Anordnung ausgeführt wird.
11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anordnung für verstellbare Ventilöffnungswin
kel die Steuerzeiten in die Einstellung bringt, in der
sich für die eingeregelte Motordrehzahl der geringst
mögliche Kraftstoffverbrauch ergibt.
12. Verbrennungsmotor nach den Ansprüchen 6 und 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellungen von Motordrehzahl und Ventilöff
nungswinkel automatisch in Abhängigkeit von der ge
wünschten Leistung vorgenommen werden.
13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl und
der Ventilöffnungswinkel von einer mechanischen Anord
nung ausgeführt wird.
14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl und
der Ventilöffnungswinkel von einer elektrischen Anord
nung ausgeführt wird.
15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl und
der Ventilöffnungswinkel von einer hydraulischen Anord
nung ausgeführt wird.
16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die automatische Einstellung der Motordrehzahl und
der Ventilöffnungswinkel von einer pneumatischen Anord
nung ausgeführt wird.
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DE4222533A DE4222533A1 (de) | 1992-07-09 | 1992-07-09 | Leistungsregelung bei Verbrennungsmotoren |
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DE4222533A DE4222533A1 (de) | 1992-07-09 | 1992-07-09 | Leistungsregelung bei Verbrennungsmotoren |
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DE (1) | DE4222533A1 (de) |
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CN103874839A (zh) * | 2011-10-24 | 2014-06-18 | 日产自动车株式会社 | 内燃机的转速控制装置以及转速控制方法 |
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1992
- 1992-07-09 DE DE4222533A patent/DE4222533A1/de not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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