DE10046834A1 - Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebsmaschine - Google Patents
Verfahren zur Drehzahlregelung einer AntriebsmaschineInfo
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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.
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
nMsoll
Soll-Drehzahl
nMist
nMist
Ist-Drehzahl
Pauf
Pauf
aufnehmbare Leistung
Paufist
Paufist
Istwert der aufnehmbaren Leistung
Paufsoll
Paufsoll
Sollwert der aufnehmbare Leistung
ΔPauf
ΔPauf
Leistungsabweichung
Pabist
Pabist
Istwert der abgebbaren Leistung der Antriebsmaschine
Pabsoll
Pabsoll
Sollwert der abgebbaren Leistung der Antriebsmaschine
pB
pB
Beeinflussungsdruck
γ Stellgröße
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.
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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