DE10046834A1 - Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine - Google Patents

Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine

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DE10046834A1
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Klaus Vogelsang
Peter Edelmann
Heinz Hoeller
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine während eines Anfahrvorganges in einem Antriebsstrang, umfassend mindestens ein mit der Antriebsmaschine drehfest verbindbares Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Kupplung, umfassend ein Primärschaufelrad und ein Sekundärschaufelrad, welche miteinander wenigstens einen torusförmigen Arbeitsraum bilden. Erfindungsgemäß wird die Drehzahl der Antriebsmaschine in Abhängigkeit der von der hydrodynamischen Kupplung aufnehmbaren Leistung eingestellt. Die aufnehmbare Leistung kann gesteuert oder geregelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine, im einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruches 1; ferner eine Verwendung des Verfahrens.
Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine, insbesondere während des Anfahrvorganges, in einem Antriebsstrang, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, umfassend mindestens eine Antriebsmaschine und ein mit dieser wenigstens mittelbar koppelbares Anfahrelement, sind in einer Vielzahl unterschiedlichster Ausführungen hinsichtlich der den Regelvorgang auslösenden Größen, d. h. der Eingangsgrößen der Regeleinrichtung, der Abhängigkeit der Regelgrößen von anderen Größen und der Stellgrößen bekannt. Es ist allgemein bekannt, daß in Antriebssträngen von Fahrzeugen, umfassend eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere Otto- oder Dieselmotor, und ein mit dieser koppelbares mechanisches oder hydrodynamisches Anfahrelement, zur Drehzahlregelung der Antriebsmaschine als Stellgröße eine, die Verstellung des Leistungsstellgliedes der Antriebsmaschine - Drosselkappe oder Einspritzdüse - wenigstens mittelbar charakterisierende Größe gebildet wird und damit die Stelleinrichtung - Drosselklappe oder Einspritzdüse - angesteuert wird. Stellvertretend wird dazu auf "Dieseleinspritztechnik" von Bosch, VDI-Verlag 1993, S. 162 ff. verwiesen. Unter Anfahrvorgang wird dabei die Zeitspanne der Betriebsdauer des Antriebsstranges verstanden, welche durch ein Hochtaufen der Anfahreinheit vom Start, d. h. der Inbetriebnahme der Antriebsmaschine bis zum Wechsel in eine höhere Gangstufe unter Überbrückung des hydrodynamischen Anfahrelementes charakterisiert ist.
Beim Einsatz hydrodynamischer Kupplungen als Anfahrelement in Fahrzeugen sind diese derart gestaltet, daß eine Befüllung während des Anfahrvorganges automatisch, beispielsweise in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebsmaschine oder mit Verzögerung zu dieser erfolgen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das sich dadurch einstellende Übertragungsverhalten, charakterisiert durch die Kupplungskennlinie, dadurch geprägt ist, daß hohe Momente nur bei hohen Drehzahlen der Antriebsmaschine übertragbar sind. Dies bedeutet jedoch bei Ausführung der Antriebsmaschine als Verbrennungskraftmaschine, daß der verbrauchsoptimierte Bereich im Motorkennfeld und damit eine schadstoffarme Betriebsweise nicht erreicht wird und desweiteren zur Übertragung hoher Momente immer die Bereitstellung einer entsprechend hohen Leistung durch die Antriebsmaschine erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine derart zu entwickeln, daß die genannten Nachteile vermieden werden und bei Bedarf die von Seiten des Energiehaushaltes optimalen, insbesondere beim Einsatz von Antriebsmaschinen in Form von Verbrennungskraftmaschinen verbrauchsoptimierten Bereiche im Kennfeld der Antriebsmaschine während des Anfahrvorganges erreicht werden können. Die erfindungsgemäße Lösung soll sich dabei durch einen geringen steuer- und regelungstechnischen sowie konstruktiven Aufwand auszeichnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Vorteilhafte Einsatzmöglichkeiten sind in den Ansprüchen 12 bis 15 beschrieben. Die Steuer- und/oder Regelvorrichtung ist in Anspruch 16 beschrieben.
Ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine in einem Antriebsstrang, umfassend mindestens ein, mit der Antriebsmaschine drehfest verbindbares Anfahrelement in Form einer hydrodynamischen Kupplung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Antriebsmaschine in Abhängigkeit der von der hydrodynamischen Kupplung aufnehmbaren Leistung als Funktion aus Drehzahl und Drehmoment eingestellt wird. Dies bedeutet, daß bei Auftreten einer Regelabweichung zwischen einer, die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe und einem Istwert der die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe eine Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine durch
  • a) Steuerung und/oder
  • b) Regelung der Leistungsaufnahme, insbesondere der Momentenaufnahme bei einer bestimmten Drehzahl der hydrodynamischen Kupplung
erzielt wird.
Unter "die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe" wird dabei entweder eine Größe verstanden, in einem Proportionalitätsverhältnis zur Drehzahl der Antriebsmaschine steht, so daß an dieser die Drehzahl der Antriebsmaschine ermittelt, insbesondere berechnet oder abgeleitet werden kann, oder die Drehzahl der Antriebsmaschine wird direkt ermittelt.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, daß neben einer freien Ansteuerbarkeit energieoptimaler, bei Ausführung der Antriebsmaschine als Verbrennungskraftmaschine verbrauchsoptimierter Betriebspunkte im Kennfeld der Antriebsmaschine eine Übertragung hoher Momente bereits bei niedrigeren Drehzahlen möglich ist und die dazu erforderliche bereitzustellende abgebbare Leistung der Antriebsmaschine gering gehalten werden kann.
Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt die Steuerung- und/oder Regelung der Leistungsaufnahme der hydrodynamischen Kupplung über die Steuerung- und/oder Regelung des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung. Dabei wird im einfachsten Fall eine Steuerung angestrebt. Die Füllungsgradsteuerung erfolgt dabei vorzugsweise durch das Aufbringen eines Beeinflussungsdruckes auf ein ruhendes Medium, insbesondere den im Rahmen einer Betriebsmittelversorgungseinrichtung in einer Betriebsmittelspeichereinrichtung sich einstellenden Betriebsmittelspiegel. Dabei wird ein Teil des im Arbeitsraum befindlichen Betriebsmittels während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung in einem geschlossenen Kreislauf zwischen wenigstens einem Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum zwischen Pumpenrad und Turbinenrad und wenigstens einem Eintritt in den torusförmigen Arbeitraum geführt, wobei der Eintritt mit einer gegenüber der Umgebung druckdicht geschlossenen Betriebsmittelspeichereinheit gekoppelt ist. Bei Auftreten einer Regelabweichung wird dann eine Stellgröße zur Erzeugung eines Beeinflussungsdruckes auf das in der Betriebsmittelspeichereinheit ruhende Medium erzeugt und die Stelleinrichtung angesteuert. Die Befüllung oder Entleerung erfolgt dann bis zur Einstellung einer Druckwaage zwischen dem Betriebsmittelspiegel in der Betriebsmittelspeichereinrichtung und dem rotierenden geschlossenen Kreislauf.
Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung können.mit der freien Ansteuerbarkeit einzelner Punkte im Kennfeld der Antriebsmaschine durch die Steuerung des Füllungsgrades gegebenenfalls auch unter Berücksichtigung zusätzlicher Parameter zusätzliche Funktionen realisiert werden. Dazu gehören:
  • a) die Realisierung einer vollständigen Trennung zwischen Motor und Arbeitsmaschine;
  • b) die Realisierung einer starren Verbindung zwischen Motor und Arbeitsmaschine;
  • c) die Funktion der Schwingungsdämpfung über die Einstellung des Schlupfes.
Vorzugsweise wird die Option der Drehzahlregelung während des gesamten Anfahrvorganges in einem Antriebsstrang, d. h. der Zeitdauer des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung vorgesehen.
In einer Weiterentwicklung ist das erfindungsgemäße Verfahren Bestandteil der Regelstrecke einer Regelung zur Leistungsabgabe der Antriebsmaschine. Dies bietet den Vorteil der einfachen Realisierung einer äußeren Regelung der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine ohne direkte Beeinflussung der Antriebsmaschine, insbesondere ohne erforderliche Ansteuerung des Leistungsstellgliedes, was zu einer Verringerung des steuer- und regelungstechnischen Aufwandes führt.
In einer auf dieser Weiterentwicklung basierenden vorteilhaften Ausführung bildet dieses Verfahren einen Teil der Steuerstrecke zur Einstellung eines konstanten und zeitlich unabhängigen Haltemomentes für die Haltefunktion einer Arbeitsmaschine. Durch diese spezielle Steuerungsaufgabe können die konventionellen Bremseinrichtungen, beispielsweise während des Haltens eines Fahrzeuges an einer Steigung entlastet werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Drehzahlregelung der Antriebsmaschine in einer Regelung zur Einstellung einer konstanten, weder zeit- noch motordrehzahlabhängigen Abtriebsdrehzahl, d. h. Drehzahl an, Abrieb, beispielsweise einer Arbeitsmaschine zu integrieren.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht des weiteren darin, daß zur Realisisierung der einzelnen Steuer- und Regelaufgaben lediglich mindestens die nachfolgend genannten Größen für den Regelvorgang berücksichtigt werden müssen:
  • - die aktuelle Ist-Drehzahl der Antriebsmaschine;
  • - die aktuelle Ist-Drehzahl am Abtrieb der Turbokupplung;
  • - die Drehrichtung des Abtriebes;
  • - eine, eine gewünschte einzustellende Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierende Größe und
  • - optional interne Zustandsgrößen zur Beschreibung der Funktionsweise einzelner Komponenten des Antriebsstranges.
Der Aufwand für die Bereitstellung entsprechender Erfassungseinrichtungen kann damit ebenfalls gering gehalten werden bzw. beschränkt sich auf die ohnehin im Antriebsstrang vorhandenen Erfassungseinrichtungen.
Die erfindungsgemäße Lösung der Drehzahlregelung, insbesondere der Einstellung der Drehzahl der Antriebsmaschine in Abhängigkeit des Füllungsgrades ist nicht auf eine konkrete Ausgestaltung des Antriebsstranges mit hydrodynamischer Kupplung als Anfahrelement beschränkt. Dabei können die Antriebsmaschinen beispielsweise in Form von Verbrennungskraftmaschinen oder Elektromotoren ausgeführt sein. Die Anwendung kann in stationären Anlagen oder mobilen Einrichtungen, vorzugsweise im Fahrzeug erfolgen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1a und 1b verdeutlichen in schematisch vereinfachter Darstellung anhand von Blockschalt- und Signalflußbildern das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehzahlregelung und des Aufbaus der Regelvorrichtung;
Fig. 1c verdeutlicht anhand eines, Signalflußbildes ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Drehzahlregelung der Antriebsmaschine mit integrierter Regelung der aufnehmbaren Leistung durch die hydrodynamische Kupplung;
Fig. 2 verdeutlicht anhand einer schematisierten Darstellung einer hydrodynamischen Kupplung und des dieser zugeordneten Betriebsmittelversorgungssystems das Grundprinzip der Füllungsgradsteuerung;
Fig. 3 zeigt anhand des Drehzahl-/Drehmomenten-Kennfeldes einer Antriebsmaschine einen Vergleich der Kennlinie der hydrodynamischen Kupplung mit konventionell betriebenen Anfahrelementen;
Fig. 4 verdeutlicht anhand eines Signalflußbildes die Möglichkeit der Regelung der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine.
Die Fig. 1a verdeutlicht in schematisch vereinfachter Darstellung anhand eines Blockschaltbildes das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Drehzahl einer Antriebsmaschine 1 in einem Antriebsstrang 2 während des Anfahrvorganges. Der Antriebsstrang 2 umfaßt dabei mindestens ein, mit der Antriebsmaschine 1 wenigstens mittelbar koppelbares Anfahrelement 3, welches als hydrodynamische Kupplung 4, umfassend wenigstens ein als Pumpenrad fungierendes Primärschaufelrad 5 und ein als Turbinenrad fungierendes Sekundärschaufelrad 6, welche miteinander wenigstens einen torusförmigen Arbeitsraum 7 bilden, ausgeführt ist. Die Antriebsmaschine 1 ist beim bevorzugten Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in Fahrzeugen vorzugsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgeführt. Denkbar sind jedoch auch Ausführungen als Elektromotor. Das Anfahrelement ist vorzugsweise in einer Getriebebaueinheit 8 integriert.
Erfindungsgemäß erfolgt die Drehzahlregelung der Antriebsmaschine 1 als Funktion des Motordrehmomentes M in Abhängigkeit vom möglichen aufnehmbaren Moment Mauf durch die hydrodynamische Kupplung 4. D. h. die Höhe der von der hydrodynamischen Kupplung 4 aufnehmbaren Leistung Pauf, insbesondere des aufnehmbaren Momentes, welche im wesentlichen der von der Antriebsmaschine 1 abgebbaren Leistung PabM bzw. dieser, vermindert um die erforderliche Leistung für den Antrieb von Zusatz- oder Nebenaggregaten entspricht, bestimmt damit aufgrund der einem bestimmten Füllungsgrad FG der Kupplung zugeordneten charakteristischen Beziehung zwischen dem sich einstellenden Drehzahlverhältnis nT/nP der einzelnen Schaufelräder der hydrodynamischen Kupplung und der Leistungszahl das übertragbare Moment M. Über die aufnehmbare Leistung ergibt sich dann die Drehzahl des Pumpenrades nP und somit die dieser entsprechende oder zumindest dazu proportionale Drehzahl nM der Antriebsmaschine 1.
Zur Einregelung einer bestimmten Drehzahl nMsoll der Antriebsmaschine 1 in Abhängigkeit der von der hydrodynamischen Kupplung 4 aufnehmbaren Leistung Pauf erfolgt dabei gemäß Fig. 1a und dem Signalflußbild entsprechend Fig. 1b durch Steuerung oder vorzugsweise Regelung der Leistungsaufnahme der hydrodynamischen Kupplung 4, d. h. Regelung der aufnehmbaren Leistung Pauf, wie anhand eines Signalflußbildes in Fig. 1c dargestellt.
Die Größe der aufnehmbaren Leistung Pauf ist eine Funktion des Füllungsgrades FG der hydrodynamischen Kupplung 4. Der Füllungsgrad FG wird dabei gesteuert.
Vorrichtungsmäßig ist der Antriebsmaschine 1 zu diesem Zweck eine Steuer- und/oder Regelvorrichtung 9, umfassend wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 10 zugeordnet, welche wenigstens eine Vergleichseinrichtung 11 aufweist, in der wenigstens ein Sollwert für eine, die Drehzahl nM der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar beschreibende Größe, vorzugsweise die Drehzahl nMsoll, mit einem Ist-Wert einer, die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe, vorzugsweise der Ist-Drehzahl nMist, verglichen wird. Aus der Regelabweichung ΔnM zwischen der Soll-Drehzahl nMsoll und der ist-Drehzahl nMist der Antriebsmaschine 1 wird eine Stellgröße für die Steuerung der von der hydrodynamischen Kupplung 4, insbesondere dem Primärschaufelrad 5, aufnehmbaren Leistung Pauf gebildet. Bei gewünschter, in Fig. 1c dargestellter Regelung der aufnehmbaren Leistung Pauf wird aus der Stellgröße die Sollgröße Paufsoll gebildet und mit der aktuellen Istgröße Paufist fortlaufend verglichen. Die Erfassung des Istwertes der aufnehmbaren Leistung Paufist erfolgt dabei im einfachsten Fall durch Erfassung der die Leistung wenigstens mittelbar beschreibenden Größen Moment mist und Drehzahl mist, wozu entsprechende Erfassungseinrichtungen vorzusehen wären. Die Regelabweichung APauf führt dann zu einer entsprechenden Änderung der Stellgröße γ. Zum Wirksamwerden der Stellgröße γ ist der hydrodynamischen Kupplung 4 eine Einrichtung zur Änderung bzw. Beeinflussung der Leistungsaufnahme 12 zugeordnet. Diese ist hinsichtlich des Wirkungsweges in der Regelstrecke 13 der Drehzahlregelung integriert. Die Einrichtung zur Änderung und/oder Beeinflussung 12 der Leistungsaufnahme umfaßt dabei Mittel 14 zur Füllungsgradänderung während des Anfahrvorganges. Dabei erfolgt die Füllungsgradänderung vorzugsweise durch Füllungssteuerung durch Aufbringen eines äußeren Druckes auf ein ruhendes Medium zur Erzeugung einer Druckwaage zwischen einem geschlossenen rotierenden Kreislauf und dem ruhenden Medium. Der geschlossene rotierende Kreislauf ist druckdicht, d. h. die Zuström- und Abströmräume aus dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung und die Leitungsverbindung zwischen diesen sind druckmitteldicht ausgeführt. Dieser Druck, welcher auch als Beeinflussungsdruck pB bezeichnet wird, wird beispielsweise mittels eines Druckregelventiles 15, welches Bestandteil der Mittel 14 zur Füllungsgradänderung ist, erzeugt.
Das Prinzip der Aufbringung eines äußeren Druckes auf ein ruhendes Medium ist im einzelnen in Fig. 2 anhand einer schematischen Darstellung einer hydrodynamischen Kupplung 4 und des diesem zugeordneten Betriebsmittelversorgungssystems 18 wiedergegeben. Dabei läuft ein Teil des im torusförmigen Arbeitsraum 5 in der hydrodynamischen Kupplung vorhandene Betriebsmittel in einem geschlossenen Kreislauf 19 um. Der geschlossene Kreislauf 19 ist dabei als Kühlmittelkreislauf ausgeführt, das heißt es wird während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung 4 Betriebsmittel in bestimmten Mengen aus dem Arbeitsraum 7 heraus, insbesondere vom Austritt 20 aus dem Arbeitsraum 7, und über wenigstens einen Eintritt 21 in den Arbeitsraum 7 geführt. Dazu ist ein Leitungssystem 22 vorgesehen. In diesem sind Mittel 23 zur Abfuhr von Wärme angeordnet, beispielsweise in Form eines Wärmetauschers. Die Führung des Betriebsmittels aus dem Arbeitsraum 7 in den Arbeitsraum 7 im geschlossenen Kreislauf 19 dient dabei hauptsächlich der Kühlung des Betriebsmittels, insbesondere der Erzeugung eines kontinuierlichen Kühlbetriebsmittelstromes. Das Betriebsmittelversorgungssystem 18 umfaßt eine druckdicht ausgeführte Betriebsmittelspeichereinrichtung 24, beispielsweise in Form eines Betriebsmittelsumpfes in einem Behälter oder Tank, welche über wenigstens einen Verbindungskanal 25 mit dem geschlossenen Kreislauf 19 im Bereich des Eintrittes 21 koppelbar ist. Die Betriebsmittelspeichereinrichtung 24 ist dabei derart angeordnet, daß der sich einstellende Betriebsmittelspiegel 26, vorzugsweise unterhalb des torusförmigen Arbeitsraumes 7 angeordnet ist. Auf den Betriebsmittelspiegel 25 wird zur Änderung des Füllungsgrades FG ein Beeinflussungsdruck pB aufgebracht, wobei dieser bei Einwirkung auf den geschlossenen Sumpf so lange Betriebsmittel in den Arbeitskreislauf im torusförmigen Arbeitsraum über Verbindungskanal 25 einläßt, bis der Druck im Bereich des Eintrittes 21 nach dem Wärmetauscher ein Druckgleichgewicht herstellt.
Die Fig. 1b verdeutlicht anhand eines Signalflußbildes das Zusammenwirken der einzelnen Elemente im Gesamtwirkungsweg 27 der Drehzahlregelung bei Steuerung der aufnehmbaren Leistung Pauf. Die Regeleinrichtung 16 entspricht funktionsgemäß der Steuer- und Regeleinrichtung 10. Die Regelstrecke 13 bildet dabei denjenigen Teil des Wirkungsweges, welcher den zu beeinflussenden Bereich des Antriebsstranges 2 darstellt. Über die Regeleinrichtung 16 wird dabei die Beeinflussung der Regelstrecke 13 über ein Stellglied 17, welches vom Druckregelventil 15 gebildet wird, bewirkt. Als weitere Übertragungsglieder fungieren die druckdicht ausgeführte Betriebsmittelspeichereinrichtung 24 und die hydrodynamische Kupplung 4. Die von dieser aufnehmbare Leistung Pauf als Funktion des Füllungsgrades FG entspricht dabei einem bestimmten Moment MKP und einer bestimmten Drehzahl nKP, woraus sich die von der Antriebsmaschine 1 abgebbare Leistung PabM bestimmen läßt und damit, in Abhängigkeit des dem Füllungsgrad FG zugeordneten Momentes die Drehzahl nM der Antriebsmaschine 1.
Die Fig. 1c verdeutlicht anhand eines Signalflußbildes das Zusammenwirken der einzelnen Elemente im Gesamtwirkungsweg der Drehzahlregelung 28 bei Regelung der aufnehmbaren Leistung Pauf. Der Wirkungsweg für die Regelung der aufnehmbaren Leistung Pauf dabei mit 29 bezeichnet. Im übrigen entspricht die Regelstrecke 13 der in Fig. 1b beschriebenen, weshalb für gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, die Drehzahl nM einer Antriebsmaschine 1 derart einzustellen, daß ein hinsichtlich des Anfahrvorganges optimales Verhalten der Antriebsmaschine erzielbar ist. Dabei kann jeder einzelne Betriebspunkt im Kennfeld der Antriebsmaschine 1 separat bzw. stationär angefahren, das heißt eingestellt werden. Dies erfolgt in Abhängigkeit der Steuerung oder Regelung der von der hydrodynamischen Kupplung aufnehmbaren Leistung.
Ein wesentliches Kriterium für die Drehzahlregelung bildet dabei der lastfreie Hochlauf einer Antriebsmaschine 1, insbesondere bei Ausführungen für den Einsatz in Fahrzeugen bei Ausbildung dieser in Form einer Verbrennungskraftmaschine der emissionsoptimierte Betrieb. Da die Leistungsaufnahme des Anfahrelementes, insbesondere der hydrodynamischen Kupplung von dieser selbst und nicht von einer, an diese wenigstens mittelbar auf der Abtriebsseite angeschlossene Arbeitsmaschine abhängig ist, ist beim Einbau eines derartigen Elementes zwischen der Antriebsmaschine 1 und dem Abtrieb zu berücksichtigen, daß für jeden Belastungszustand zwischen der Antriebsmaschine 1 und der hydrodynamischen Kupplung auch ein Gleichgewichtszustand hinsichtlich des Drehmomentes und der Drehzahl gegeben sein muß. Dabei steht die von der Antriebsmaschine abgebbaren Leistung im seltensten Fall vollständig der dem Anfahrelement nachgeordneten Getriebebaueinheit, und damit dem hydrodynamischen Bauelement während des Anfahrvorganges zur Verfügung. Die Leistungen für Hilfsmaschinen, wie beispielsweise Lüfter, Lichtmaschinen, Pumpen usw., die vor dem Anfahrelement angeordnet sind, müssen dabei von der zur Verfügung stehenden Antriebsleistung abgezogen werden. Während des Anfahrvorganges bei niedrigen Drehzahlen ist es dabei erforderlich, um die Antriebsmaschine möglichst im verbrauchsoptimierten Bereich zu betreiben, bereits bei sehr geringen Drehzahlen ein möglichst großes Moment zu übertragen. Ein derartiges Verhalten kann durch die gezielte Füllungsgradänderung erzielt werden. Die über die hydrodynamische Kupplung aufnehmbare Leistung bewirkt dabei eine Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine 1. Fig. 3 verdeutlicht dabei einander gegenübergestellt die möglichen Anfahrkennlinien verschiedener Anfahrelemente 4a-4c und einer erfindungsgemäß während des Anfahrvorganges hinsichtlich der möglichen Leistungsaufnahme gesteuerten oder geregelten Turbokupplung 4 im Drehzahl-/Drehmoment-Kennfeld der Antriebsmaschine 1. Die Momentenlinle der Antriebsmaschine ist mit II bezeichnet. Den einzelnen Anfahrkennlinien sind nachfolgend genannte Indizierungen zugeordnet:
  • 1. Trilok-Wandler - I4a
  • 2. Trilok-Wandler mit Überbrückung - I4b
  • 3. hydrodynamische Kupplung mit Überbrückung - I4c
  • 4. erfindungsgemäß gesteuerte hydrodynamische Kupplung - I4.
Aus den Kennlinien wird ersichtlich, daß mit der erfindungsgemäßen Lösung ein gesteuerter und lastfreier Hochlauf der Antriebsmaschine 1 und ein Betrieb im emissionsoptimierten Bereich der Antriebsmaschine, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine möglich ist. Des weiteren wird die Übertragbarkeit hoher Momente zunehmend zu geringeren Drehzahlen der Antriebsmaschine hin verschoben.
Unter einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Drehzahlregelung der Antriebsmaschine in einer Regelung 31 der Leistungsabgabe der Antriebsmaschine 1 ohne direkte Beeinflussung des Abtriebes integriert. Diese verdeutlicht eine Regeleinrichtung 32 zum Vergleich eines Sollwertes für die abgebbare Leistung PabMsoll mit einem Ist-Wert PabMist. Die abgebbare Leistung PabM bestimmt sich dabei u. a. durch die Drehzahl nM. Die Regelung der Drehzahl erfolgt dabei hinsichtlich der Betrachtungsweise bezüglich der Wirkung im Rahmen der Regelstrecke 33 der Regelung 31.
Die freie Steuerbarkeit des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung ermöglicht des weiteren bei entsprechender Steuervorgabe die Einstellung eines konstanten, zeitlich unabhängigen, lastabhängigen Haltemomentes für Haltefunktionen, zum Beispiel beim Einsetzen in Fahrzeugen, das Halten eines Kraftfahrzeuges in einer Steigung.
Bezugszeichenliste
1
Antriebsmaschine
2
Antriebsstrang
3
Anfahreinheit
4
hydrodynamische Kupplung
5
Primärschaufelrad
6
Sekundärschaufelrad
7
torusförmiger Arbeitsraum
8
Getriebebaueinheit
9
Steuer- und Regelvorrichtung
10
Steuer- und Regeleinrichtung
11
Vergleichseinrichtung
12
Einrichtung zur Änderung und Beeinflussung der aufnehmbaren Leistung
13
Regelstrecke
14
Mittel zur Füllungsgradänderung
15
Druckregelventil
16
Regeleinrichtung
17
Stellglied
18
Betriebsmittelversorgungssystem
19
geschlossener Kreislauf
20
Austritt
21
Eintritt
22
Leitungssystem
23
Mittel zur Abfuhr von Wärme
24
Betriebsmittelspeicher
25
Verbindungskanal
26
Betriebsmittelspiegel
27
Gesamtwirkungsweg
28
Gesamtwirkungsweg
29
Wirkungsweg
30
Regelung
31
Regelung der von der Antriebsmaschine abgebbaren Leistung
32
Regeleinrichtung
33
Regelstrecke
nMsoll
Soll-Drehzahl
nMist
Ist-Drehzahl
Pauf
aufnehmbare Leistung
Paufist
Istwert der aufnehmbaren Leistung
Paufsoll
Sollwert der aufnehmbare Leistung
ΔPauf
Leistungsabweichung
Pabist
Istwert der abgebbaren Leistung der Antriebsmaschine
Pabsoll
Sollwert der abgebbaren Leistung der Antriebsmaschine
pB
Beeinflussungsdruck
γ Stellgröße

Claims (16)

1. Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine (1) während eines Anfahrvorganges in einem Antriebsstrang (2), umfassend mindestens ein mit der Antriebsmaschine (1) drehfest verbindbares Anfahrelement (3) in Form einer hydrodynamischen Kupplung (4), umfassend ein Primärschaufelrad (5) und ein Sekundärschaufelrad (6), welche miteinander wenigstens einen torusförmigen Arbeitsraum (7) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Antriebsmaschine (1) in Abhängigkeit der von der hydrodynamischen Kupplung (4) aufnehmbaren Leistung, insbesondere des aufnehmbaren Momentes bei einer bestimmten Drehzahl eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer Regelabweichung zwischen einer, die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe und einem Istwert der die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierenden Größe eine Änderung der Drehzahl der Antriebsmaschine (1) durch die Steuerung und/oder Regelung der Leistungsaufnahme der hydrodynamischen Kupplung (4) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung- und/oder Regelung der Leistungsaufnahme der hydrodynamischen Kupplung (4) mittels einer Steuerung- und/oder Regelung des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung (4) erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • 1. 4.1 ein Teil des Betriebsmittels wird während des Betriebes der hydrodynamischen Kupplung (4) in einem geschlossenen Kreislauf zwischen einem Austritt aus dem torusförmigen Arbeitsraum (7) zwischen Pumpenrad (5) und Turbinenrad (6) und einem Eintritt in den torusförmigen Arbeitraum (7) geführt;
  • 2. 4.2 der Eintritt ist mit einer gegenüber der Umgebung druckdicht geschlossenen Betriebsmittelspeichereinheit gekoppelt;
  • 3. 4.3 daß bei Auftreten einer Regelabweichung eine Stellgröße zur Erzeugung eines Beeinflussungdruckes auf das in der Betriebsmittelspeichereinheit ruhende Medium erzeugt wird und die Stelleinrichtung angesteuert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beeinflussungsdruck über eine von einer Antriebsmaschine (1) angetriebene Zahnradpumpe erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung mindestens während des gesamten Anfahrvorganges in einem Antriebsstrang durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Teil der Regelstrecke einer Regelung zur Leistungsabgabe der Antriebsmaschine (1) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Teil der Steuerstrecke zur Einstellung eines konstanten und zeitlich unabhängigen Haltemomentes für die Haltefunktion einer Arbeitsmaschine ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Teil der Regelstrecke einer Regelung zur Einstellung einer konstanten, weder zeit- noch motordrehzahlabhängigen Abtriebsdrehzahl verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die nachfolgend genannten Größen für den Regelvorgang berücksichtigt werden:
die aktuelle Ist-Drehzahl der Antriebsmaschine;
die aktuelle Ist-Drehzahl am Abtrieb der Turbokupplung die Drehrichtung des Abtriebes;
ein, eine gewünschte einzustellende Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar charakterisierende Größe und
optional interne Zustandsgrößen zur Beschreibung der Funktionsweise einzelner Komponenten des Antriebsstranges.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgröße parameterabhängig ist.
12. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Antriebstrang (2) mit einer Antriebsmaschine (1) in Form einer Verbrennungskraftmaschine.
13. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Antriebstrang (2) mit einer Antriebsmaschine (1) in Form eines Elektromotors.
14. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 12 oder 13 in einem Fahrzeug.
15. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 12 oder 13 in einer stationären Anlage.
16. Steuer- und/oder Regelvorrichtung (9) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
  • 1. 16.1 mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10); mindestens eine Vergleichseinrichtung (11) zum Vergleich eines Sollwertes einer die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar beschreibenden Größe mit einem Istwert;
  • 2. 16.2 die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10) ist mit einer Einrichtung zur Erfassung des Istwertes einer die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar, beschreibenden Größe und einer Einrichtung zur Vorgabe eines Sollwertes für die Drehzahl der Antriebsmaschine verbunden;
  • 3. 16.3 die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10) umfaßt mindestens eine Vergleichseinrichtung (11) zum Vergleich eines Sollwertes einer die Drehzahl der Antriebsmaschine wenigstens mittelbar beschreibenden Größe mit einem Istwert; und eine Einrichtung zum Bilden eines Sollwertes für den Füllungsgrad der hydrodynamischen Kupplung;
  • 4. 16.4 die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (10) umfaßt mindestens einen Anfang, welcher mit einen Stellglied zur Beeinflußung des Füllungsgrades der hydrodynamischen Kupplung gekoppelt ist.
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