-
-Im
Stand der Technik gemäß der
DE-OS-29 26 106 ist
ein Verfahren und eine Anleitung zum Betrieb einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine
offenbart. Die Betätigung
der Drosselklappe eines Verbrennungsmotors erfolgt in Abhängigkeit
der Stellung eines Gaspedals, wobei eine Verbrauchsoptimierung der
Brennkraftmaschine gegeben ist. Dabei wird dem Fahrer des Fahrzeugs
angezeigt, wenn sich sein Fahrzeug mit einem optimierten Verbrauch
der Brennkraftmaschine bewegt.
-
Die
DE-36 18 844 A1 zeigt ein Verfahren zur Begrenzung
der Drehzahl einer Brennkraftmaschine. Dabei wird sichergestellt,
dass eine maximal zulässige
Drehzahländerung
pro Zeiteinheit nicht überschritten
wird. Dadurch wird die Fahrgeschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs
auf eine vorgebbare Höchstgeschwindigkeit
begrenzt.
-
Im Stand der Technik sind Kraftfahrzeuge
bekannt, die über
sogenannte "Spartasten" verfügen. Bei
einer Betätigung
dieser "Spartaste" werden die Getriebeschaltpunkte
dieser Fahrzeuge so verändert,
dass der Motor möglichst
verbrauchsgünstig läuft. Außerdem kann
eine Leistungsbegrenzung des Motors vorgesehen werden, wodurch über eine
weitere Reduzierung der Fahrleistungen der Kraftstoffverbrauch verringert
wird.
-
Aus rein fahrerischer Hinsicht kann
es sehr unbefriedigend sein, mit einem verbrauchsmäßig optimierten
Fahrzeug zu fahren. Zwar kann sich der Halter des Fahrzeuges an
verringerten Betriebskosten erfreuen, jedoch kann der Fahrspaß beim Bewegen
des Fahrzeugs unter dessen Leistungscharakteristik leiden. Manche
Betriebssituationen können
mit verbrauchsoptimierten Fahrzeugen sogar gefährlich werden, beispielsweise
beim Überholen
oder beim Einfädeln
aus dem Stand in eine sich bewegende Fahrzeugschlange.
-
Die Erfindung sieht ein Kraftfahrzeug
mit einem Verbrennungsmotor vor, wobei das Kraftfahrzeug zwischen
einem betriebsoptimierten Zustand und einem kraftoptimierten Zustand
hin- und herschaltbar betrieben werden kann. In einem betriebsoptimierten
Zustand wird das Kraftfahrzeug insbesondere hinsichtlich des momentan
verbrauchten Kraftstoffs optimiert betrieben. Ein betriebsoptimierter
Zustand kann sich auch auf die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors
oder dessen Teile bzw. Abgasnachbehandlungssystem wie beispielsweise einen
Katalysator, Stickoxidspeicher oder Lambda-Sonde beziehen. Außerdem ist
es denkbar, das Kraftfahrzeug hinsichtlich der Geräuschentwicklung optimiert
zu betreiben. Dies erfolgt auf an sich bekannte Weise durch eine
Beeinflussung der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors, der
im Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Hierzu kann die momentan zugeführte Kraftstoffmenge
und die Verbrennungsluftmenge reguliert werden. Dies kann beispielsweise durch
eine Einspritzpumpe oder durch einen Vergaser mit einer Drosselklappe
erfolgen. Außerdem
ist es hierzu denkbar, auf Zündungseinstellungen
wie den Zündzeitpunkt
einzuwirken. Solche Verfahren sehen beispielsweise das Abtasten
eines momentanen Bewegungszustands des Verbrennungsmotors über einen
induktiven Sensor vor, dessen Signale in der Motorsteuerung verarbeitet
werden. Hierzu ist häufig
eine Regelungseinrichtung mit einem Betätigungseingang vorgesehen,
der mit einem im Bereich eines Fahrersitz des Kraftfahrzeugs vorgesehenen Betätigungselements
verbunden ist. Das Betätigungselement
umfasst ein Gaspedal und einen besonderen Leistungsschalter, der
vom Fahrer des Kraftfahrzeugs betätigt werden muss. Erfindungsgemäß ist hierzu
eine "ECO-Taste" vorgesehen, bei
der Motorlast und Motordrehzahl auf ökonomische Betriebsbereiche
begrenzt werden. Die "ECO-Taste" kann auch mehrstufig
ausgebildet sein.
-
Ein ökonomischer Betrieb kann beispielsweise
bei Motoren mit Benzindirekteinspritzung in einem besonders verbrauchsgünstigen
sogenannten Schichtbetrieb, in einem homogen-mageren Betrieb oder
in einem homogenstöchiometrischen
Betrieb des Verbrennungsmotors erreicht werden. Bei weiter zunehmender
Last beginnt mit einer Überfettung
bis zu 30 % der verbrauchs- und emisionsungünstige Betriebsbereich.
-
Gemäß der Erfindung wird der Verbrennungsmotor
durch eine Betätigung
des Fahrers in einen kraftoptimierten Zustand geschaltet, in dem
der Verbrennungsmotor hinsichtlich des momentan erzeugten Drehmoments,
hinsichtlich der momentan erzeugten Leistung und/oder hinsichtlich
der momentanen Beschleunigung des Kaftfahrzeugs im wesentlichen
optimiert betreibbar ist. In einem solchen kraftoptimierten Zustand
erfährt
der Fahrer eine erhöhte Leistungsreserve
seines Kraftfahrzeugs und einen erhöhten Fahrspaß. In dem
kraftoptimierten Zustand steht die maximale Beschleunigung des Kraftfahrzeugs
bereit, was die Sicherheit beispielsweise beim Einfädeln in
eine Fahrstraße
mit dichtem Fahrbetrieb ermöglicht.
Auch Überholvorgänge können auf
diese Weise verkürzt
werden, was die Sicherheit erhöht.
-
Es versteht sich von selbst, dass
die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
zur Erfassung der Umgebungszustände
und der Betriebszustände
des Kraftfahrzeugs sowie zur Steuerung, Regelung und Betrieb des
Verbrennungsmotors diverse Sensoren und Aktuatoren benötigt, die
u. a. die Drehzahl und das Drehmoment des Motors, die Beschleunigung des
Kraftfahrzeugs, die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors oder
dessen Teile und andere Werte messen.
-
Erfindungsgemäß kann zwischen dem Verbrennungsmotor
und Antriebsrädern
des Kraftfahrzeugs ein betätigbar
mit der Regeleinrichtung verbundenes Getriebe vorgesehen sein, das
beim Erzeugen eines kraftoptimierten Betriebs heruntergeschaltet
wird, so dass sich bei gleichem Drehmoment größere Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs
erreichen lassen.
-
Das erfindungsgemäße Betätigungselement ist als Gaspedal
ausgebildet. Bei aktivierter "ECO-Taste" erfolgt die erfindungsgemäße Umschaltung
vom verbrauchsoptimierten in den kraftoptimierten Betrieb beispielsweise
dann, wenn das Gaspedal über
einen bestimmten ersten Grenz stellwert hinausbewegt ist. Eine solche
Betätigung
ist einem sogenannten "Kick-Down"-Betrieb bei Automatikfahrzeugen ähnlich,
bei denen beim Abtasten einer bestimmten Gaspedalstellung das Getriebe
zwangsweise um eine oder mehrere Stufe heruntergeschaltet wird.
Im Gegensatz dazu sieht die Erfindung nicht notwendigerweise ein
Herunterschalten vor, sondern vielmehr ein Umschalten der Betriebsweise
des Verbrennungsmotors. Die Umschaltung zurück in einen verbrauchsoptimierten
Zustand kann dabei erfolgen, wenn das Gaspedal unter einen bestimmten
zweiten Grenzwert zurückbewegt
worden ist. Durch eine geschickte Auslegung des ersten Grenzstellwerts
und des zweiten Grenzstellwerts wird dabei sichergestellt, dass
das Fahrzeug möglichst
schnell wieder zurück
in den betriebsoptimierten Zustand gebracht wird, nachdem ein gewünschter
Beschleunigungsvorgang ausgeführt
worden ist. Beispielsweise kann der zweite Grenzstellwert auch variabel
in Abhängigkeit
von der momentanen Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs gewählt werden,
wenn aufgrund einer vorhergehenden Berechnung beispielsweise in
einer Wertetabelle zu jeder Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs und
gegebenenfalls zu weiteren Randbedingungen wie beispielsweise notwendiges
Antriebsdrehmoment ein besonders optimaler Zustand feststeht.
-
Für
den Fahrer ist es dabei besonders nützlich, wenn er erfährt, dass
das Fahrzeug vom betriebsoptimierten Zustand in einen kraftoptimierten
Zustand überführt worden
ist. Diese Information kann ihm beispielsweise dadurch bereitgestellt
werden, dass das Gaspedal die zu seiner Betätigung notwendige Kraft ändert, wenn
es über
den ersten Grenzstellwert und/oder unter den zweiten Grenzstellwert hinaus
bewegt wird. Entsprechende Kon trollleuchten im Sichtbereich des
Fahrers können
ebenfalls den betriebsoptimierten oder kraftoptimierten Zustand anzeigen.
-
Das Gaspedal kann gemäß der Erfindung auch
so ausgebildet sein, dass die Umschaltung der Regeleinrichtung in
den kraftoptimierten Zustand erfolgt, wenn es mit einer Geschwindigkeit
betätigt
wurde, die eine vorbestimmte Betätigungsgrenzgeschwindigkeit übersteigt
und gleichzeitig einen Grenzstellwert z. B. nahe der Volllaststellung überschritten
wurde. Besonders bei schwach motorisierten Fahrzeugen lässt sich
der Wunsch des Fahrers nach mehr Leistung häufig besonders einfach dadurch
abtasten, dass eine schnelle Bewegung des Gaspedals ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
imitiert dann das Verhalten eines Verbrennungsmotors mit einem Vergaser,
der eine solche Beschleunigerpumpe aufweist. Die Umschaltung zurück in einen
verbraucheroptimierten Zustand kann dann erfolgen, sobald sich die
Geschwindigkeit des Fahrzeugs nach einem gewünschten Beschleunigungsvorgang
nicht mehr wesentlich ändert.
-
Die Regeleinrichtung kann auch einen
Tempomat aufweisen, der bei aktivierter ECO-Taste den Betrieb automatisch
auf verbrauchsgünstige
Bereiche beschränkt.
Entsprechend wird dann eine nahe der kraftoptimierten Höchstgeschwindigkeit
vorgewählte
Fahrzeuggeschwindigkeit nicht erreicht.
-
Besonders für Motoren mit Benzindirekteinspritzung
wird als Betätigungselement
ein mehrstufiger ECO-Schalter
vorgesehen, mit dem zwischen mehreren verbrauchsoptimierten Zuständen hin-
und hergeschaltet werden kann. So kann beispielsweise in einer ersten
Stufe eine Begrenzung auf einen "Schichtbetrieb" vorgesehen werden,
während
in einer zweiten Stufe des Schalters eine Begrenzung auf einen homogen-stöchiometrischen
Verbrennungsprozess vorgesehen werden kann. Außerdem ist eine Schaltstellung
für einen
stets verbrauchsoptimierten Zustand denkbar.
-
Die Erfindung betrifft auch eine
Regelungseinrichtung für
einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, die die oben stehend
genannten Merkale aufweist. Die Regelungseinrichtung kann dabei
die zugeführte
Kraftstoffmenge beispielsweise über
eine Einspritzanlage und die momentan zugeführte Verbrennungsluftmenge
beispielsweise über
eine elektrisch betätigte
Drosselkappe beeinflussen. Die Regelungseinrichtung weist hierzu
einen Betätigungseingang
zur Verbindung mit einem im Bereich eines Fahrersitzes des Kraftfahrzeugs
vorgesehenen Betätigungselement
auf, das wie obenstehend beschrieben, ausgebildet sein kann. Die
Regeleinrichtung kann dabei zwischen betriebsoptimierten Zuständen und
zwischen kraftoptimierten Zuständen
hin- und hergeschaltet werden, wodurch sich gewünschte äußere Randbedingungen für den Betrieb
eines Kraftfahrzeugs erreichen lassen. Hierzu können Eingänge für Sensorsignale betreffend
Drehzahl, Drehmoment, Beschleunigung, Temperatur und andere Messwerte bzw.
modellbasierte Größen vorgesehen
sein. Außerdem
sind Ausgänge
und Eingänge
bzw. Informationen zur Betätigung
eines automatischen Getriebes oder eines automatisch betätigten Schaltgetriebes vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Regeleinrichtung
kann auch eine Tempomat-Funktion bereitstellen.
-
Die Erfindung erlaubt mit relativ
einfachen Mitteln bei sehr geringen Kosten einen verbrauchsoptimalen
Fahrzeugbetrieb, bei dem auch wahlweise ein hoher Fahrspaß unter
Ausnutzung der Höchstleistung
des Verbrennungsmotors gegeben ist. Außerdem lässt sich eine erhöhte Sicherheit
erreichen. Neben den Einsparungen an Kraftstoff stellt sich durch
den Verzicht auf unterstöchiometrischen
Betrieb auch eine erhebliche Reduzierung der Kohlenwasserstoffemission
und der Kohlenmonoxidemission ein. Mit der Erfindung kann dabei
nach Fahrerwunsch erstmals ganz auf das Vorsehen eines unterstöchiometrischen
Betriebs verzichtet werden, wobei trotzdem eine volle Funktionalität des Kraftfahrzeugs
gegeben ist, ohne dass hierfür
wesentliche bauliche Veränderungen
am Kraftfahrzeug vorgenommen werden müssen.
-
Gerade für E-Gas-Fahrzeuge lässt sich
eine einfache Anzeige des Umschaltzeitpunkts zwischen verschiedenen
Regelstrategien erreichen, weil diese bereits handelsübliche Gaspedalpotentiometer
aufweisen. Diese Gaspedalpotentiometer verfügen meist schon über eine "Kick-Down"-Charakteristik für Automatikgetriebe,
die bei Schaltgetriebevarianten durch einen dickeren Anschlaggummi
außer
Kraft gesetzt ist. Wird für
ein Schaltgetriebeauto ein Anschlaggummi verwendet, wie er auch
bei Automatikgetriebefahrzeugen zum Einsatz kommt, dann lässt sich
bei diesen Fahrzeugen der Grundgedanke der Erfindung besonders einfach
umsetzen.
-
In einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung wird mit aktivierter ECO-Taste im Bereich vom ca.
0 % bis 90 % des Gaspedalwinkels ein verbrauchsoptimierter Betrieb
eingestellt, der wegen der entsprechenden Randbe dingungen auf eine
Höchstgeschwindigkeit
deutlich unterhalb der möglichen Höchstgeschwindigkeit
des Fahrzeugs begrenzt ist. Bei Überschreiten
des Gaspedalwinkels vom 90 % wird der kraftoptimierte Betrieb mit
maximaler Beschleunigung aktiviert. Das Fahrzeug beschleunigt auf
maximale Höchstgeschwindigkeit,
wenn das Gaspedal nicht vorher zurückgenommen wird. Wenn das Gaspedal
zurückgenommen
wird, wird wieder der verbrauchsoptimierte Betrieb eingeschaltet.
Bei deaktivierter ECO-Taste entspricht der Gaspedalwinkelbereich
von 0 % bis 90 % dem Geschwindigkeitsbereich vom 0 bis maximaler
Höchstgeschwindigkeit.
-
1 zeigt
Komponenten eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1.
Von dem Kraftfahrzeug 1 sind in dieser Ansicht nur ein
angetriebenes Rad 2, ein Schaltgetriebe 3 mit
einem Schaltknüppel 4,
ein Verbrennungsmotor 5, der als Diesel- oder Benzinmotor
ausgestaltet ist, eine Gaspedalanordnung 6, ein Betriebsartwahlschalter 7 und
eine Regelungseinrichtung 8 zu sehen. Die üblichen
anderen Komponenten eines Kraftfahrzeugs werden hier nicht veranschaulicht.
-
Im Bereich einer Antriebswelle 9 zwischen dem
Rad 2 und dem Schaltgetriebe 3 ist ein Antriebdrehzahlsensor 10 vorgesehen,
der die Drehgeschwindigkeit ω des
Rads 2 misst und über
eine entsprechende Signalleitung an die Regelungseinrichtung 8 überträgt. Im Bereich
des Verbrennungsmotors 5 sind in dieser Ansicht nicht dargestellte
Sensoren vorgesehen, die die Drehzahl n des Verbrennungsmotors 5 und
die Temperatur T von Komponenten des Abgastrakts messen bzw. aus
anderen Messgrößen modellieren
und über
entsprechende Signalleitungen an die Regelungseinrichtung 8 übermitteln. Zur
Betätigung
des Verbrennungsmotors 5 sind zahlreiche Signalleitungen
vorgesehen, mit denen der Öffnungswinkel φ einer hier
nicht gezeigten Drosselklappe, der Zündzeitpunkt δ für jeden
einzelnen Zylinder und der spezifischen Einspritzmenge m in einer hier
nicht gezeigten Einspritzpumpe eingestellt werden kann.
-
Die momentane Stellung des Betriebsartwahlschalters 7 wird über eine
Signalleitung an die Regelungseinrichtung 8 übermittelt.
-
Die Gaspedalanordnung 6 gliedert
sich in ein Gaspedal 11, das drehbar beweglich am Chassis
des Kraftfahrzeugs 1 befestigt ist. Die Bewegung erfolgt dabei
gegen den Widerstand einer Rückstellfeder 12 ausgehend
von einem Drehwinkel α =
0 %. Bei einem Drehwinkel α =
90 erzeugt eine Signalfeder 13 einen zusätzlichen
Widerstand gegen eine Betätigung
des Gaspedals 11. Ein Anschlag 14 begrenzt die
Bewegung des Gaspedals 11 auf einen Drehwinkel von α = 100 %.
Die Drehwinkel α von
0 % bis 100 werden über
ein am Gaspedal 11 befestigtes Potentiometer 15 abgetastet
und über
eine Signalleitung an die Regelungseinrichtung 8 übermittelt.
Die Umrechnung von absolutem Drehwinkel auf %-Drehwinkel erfolgt mit
einer hier nicht gezeigten bekannten Spannungswandlungsvorrichtung.
In einer hier nicht gezeigten mehrstufigen Ausführung der Erfindung ist wenigstens
eine weitere Signalfeder vorgesehen, die bei α = 95 % einsetzt, z. B. für einen
bekannten "Kick-down".
-
Schließlich ist noch eine Signalleitung
zwischen dem Schaltgetriebe 3 und der Regelungseinrichtung 8 vorgesehen, über die
der Regelungseinrichtung 8 mitge teilt wird, in welchem
Gang sich das Schaltgetriebe 3 momentan befindet. Außerdem werden
hierüber
weitere Informationen über
das Getriebe übertragen,
wie beispielsweise Motorinformationen.
-
Weitere, hier nicht gezeigte Varianten
haben statt des Schaltgetriebes 3 ein Automatikgetriebe oder
ein anderes Getriebe.
-
Im Betrieb verhält sich das Kraftfahrzeug 1 wie
folgt.
-
In einem normalen Betrieb wird das
Kraftfahrzeug 1 verbrauchsoptimiert betrieben, und zwar auf
bekannte Weise. Hierzu wertet die Regelungseinrichtung 8 alle
ihr zur Verfügung
stehenden Informationen aus und steuert den Verbrennungsmotor 5 so, dass
eine bestimmte Strecke bei möglichst
geringem Kraftstoffverbrauch und bei größtmöglicher Schonung des Kraftfahrzeugs 1 zurückgelegt
werden kann.
-
Detektiert die Regelungseinrichtung 8 allerdings
ein Niederdrücken
des Gaspedals 11 über
einen Drehwinkel α > 90 %, dann schaltet
die Regelungseinrichtung 8 den Betrieb des Verbrennungsmotors 5 auf
einen kraftoptimierten Betrieb um, in dem der Zündzeitpunkt φ, der Öffnungswinkel δ und die
Einspritzmenge m und die Drosselklappe so eingestellt wird, dass
am Rad 2 eine maximale Leistung bzw. ein maximales Drehmoment
erreicht wird. Bei der hier nicht gezeigten Variante mit einem automatischen
Getriebe wird ein optimierter Gang am Getriebe eingelegt.
-
Der hier nicht gezeigte Fahrer des
Kraftfahrzeugs 1 kann dabei wählen, ob für einen kraftoptimierten Betrieb
auf einen sogenannten Schichtbetrieb begrenzt wird oder ob eine
homogen-stöchiometrische
Verbrennung zugelassen wird. Alternativ dazu kann er die Kraftoptimierung über die
Regelungseinrichtung 8 auch ganz ausschalten. Für diese Einstellungen
ist der vom Fahrer betätigbare
Betriebsartwahlschalter 7 gedacht, der drei verschiedene
Einstellmöglichkeiten "0", "I" oder "II" aufweist.
-
Bei dem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
mit zwei Signalfedern wird bei α < 90 % in Schichtbetrieb
gefahren, der verbrauchsoptimiert ist, bei 90 % < α < 90 wird in "λ = 1"-Betrieb mit optimaler Verbrennung gefahren
und bei α > 95 % in kraftoptimiertem
Betrieb gefahren.
-
- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Rad
- 3
- Schaltgetriebe
- 4
- Schaltknüppel
- 5
- Verbrennungsmotor
- 6
- Gaspedalanordnung
- 7
- Betriebsartwahlschalter
- 8
- Regelungseinrichtung
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Antriebsdrehzahlsensor
- 11
- Gaspedal
- 12
- Rückstellfeder
- 13
- Signalfeder
- 14
- Anschlagfeder
- 15
- Potentiometer
- n
- Drehzahl
des Verbrennungsmotors 5
- ω
- Antriebsdrehzahl
- m
- Einspritzmenge
- φ
- Zündungszeitpunkt
- δ
- Öffnungswinkel
Drosselklappe
- T
- Temperatur
- α
- Drehwinkel
Gaspedal 11