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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung,
die den Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs abschätzen kann.
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Der
Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs ist eine wichtige Größe für den Fahrzeugführer oder Fahrzeugeigentümer, und
der Fahrzeugführer
sollte beim Fahren auf einen geringst möglichen Treibstoffverbrauch
achten. Es ist weithin bekannt, dass dieser Treibstoffkonsum sehr
stark von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Verkehrsdichte
der Straße,
auf der das Fahrzeug fährt,
der Anzahl der Kreuzungen, der Anzahl der Kurven, der Anzahl der Stoppvorgänge, dem
Wetter, der Anzahl der Passagiere im Fahrzeug, der Beladung des
Fahrzeugs, der Motorspezifikation und Ähnlichem, sowie dem Fahrverhalten
(dem Fahrstil) des Fahrzeugführers
abhängt.
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Falls
dem Fahrzeugführer
der Treibstoffverbrauch angezeigt wird, um ihn dazu zu bewegen, sein
Fahrverhalten im Hinblick auf einen besonders niedrigen Treibstoffverbrauchs
anzupassen, kann er, falls beispiels weise der Treibstoffverbrauch
als besonders niedrig angezeigt wird, nicht abschätzen, ob dieser
günstige
Treibstoffverbrauch von seinem besonders guten Fahrstil oder anderen
Faktoren herrührt.
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Umgekehrt,
wenn der Treibstoffverbrauch sehr hoch ist, ist es ihm auch nicht
möglich,
abzuschätzen,
ob der Grund dafür
in seinem Fahrstil liegt.
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Dies
rührt daher,
dass der vom Fahrstil des Fahrzeugführers abhängende Treibstoffverbrauch nicht
ersichtlich gemacht wird.
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Aus
der
EP 1 191 313 A2 ist
ein System und ein Verfahren zur Analyse des Zustands eines Fahrzeuges
bekannt, bei dem der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs auf der
Basis von insbesondere dem Drehzahlverhalten des Motors und der
Betätigung des
Gaspedals durch den Fahrer ermittelt und auf einem Bildschirm angezeigt
wird.
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Ähnliche
Verfahren und Vorrichtungen zur Abschätzung des Kraftstoffverbrauchs
eines Kraftfahrzeuges sind weiter aus der
US 5,913,917 A der
WO 00/17610 A1 ,
der
WO 83/01686 A1 ,
und der
DE 199 01
532 A1 bekannt.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung vorzuschlagen,
die es ermöglicht,
den Treibstoffverbrauch im Hinblick auf das Fahrverhalten des Fahrzeugführers abzuschätzen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung für Fahrzeuge
vorgeschlagen, die ein Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell
zur Abschätzung
des Treibstoffverbrauchs eines Fahrzeugs mit Eingangsparametern,
die von der Fahrweise des Fahrers abhängen, und eine Ausgabevorrichtung
zur Ausgabe des von dem Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell
abgeschätzten
Treibstoffverbrauchs aufweist. Dabei beinhalten die Parameter zumindest
eine Motordrehzahl beim Hochschalten des Fahrzeugs, eine Gaspedal stellung
beim Leerlauf des Fahrzeugs, und eine Motordrehzahldynamikrate des
Fahrzeugs, wobei das Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell den Treibstoffverbrauch
des Fahrzeugs zumindest auf Basis der Motordrehzahl, der Gaspedalstellung und
der Motordrehzahldynamikrate abschätzt.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung
dargelegt und sind teilweise durch die Beschreibung oder auch durch
die praktische Umsetzung der Erfindung offensichtlich. Die Ziele
und Vorteile der Erfindung können mit
Hilfe der nachfolgend beschriebenen Mittel und Kombinationen dieser
Mittel realisiert und erreicht werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in der Beschreibung enthalten sind
und einen Teil der Beschreibung ausmachen, veranschaulichen Ausfüh rungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der oben angegebenen allgemeinen
Beschreibung und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der
Ausführungsformen,
die im Folgenden dargelegt ist, der Erläuterung der Grundprinzipien
der Erfindung.
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1 zeigt
ein Diagramm zur Erläuterung des
Grundprinzips der Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung für Fahrzeuge
entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 stellt
ein Blockdiagramm dar, das ein Verfahren zur Erzeugung eines Abschätzungsmodells
zum Abschätzen
eines optimalen Treibstoffverbrauchs entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert;
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3 veranschaulicht
in einem Blockdiagramm ein Abschätzungsmodell
zur Abschätzung
eines vom Fahrer abhängenden
Treibstoffverbrauchs basierend auf dem Fahrverhalten des Fahrers
in Bezug auf dasselbe Ausführungsbeispiel;
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4 zeigt
ein Diagramm des vom Fahrverhalten abhängenden Treibstoffverbrauchs
der Fahrer A, B, C, das basierend auf dem Abschätzungsmodell desselben Ausführungsbeispiels
abgeschätzt
wurde;
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5 stellt
ein schematisches Diagramm eines Lastwagens, der mit der Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung
für Fahrzeuge ausgerüstet ist,
entsprechend demselben Ausführungsbeispiel
dar;
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6 zeigt
eine Fehlertabelle der Abschätzung
des vom Fahrer abhängenden
Treibstoffverbrauchs unter Verwendung verschiedener Analyseverfahren
basierend auf dem Fahrverhalten des Fahrzeugführers derselben Ausführungsform;
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7 veranschaulicht
in einem Fehlerbalkendiagramm die Fehler der verschiedenen Analyseverfahren
zur Abschätzung
des vom Fahrer abhängenden
Treibstoffverbrauchs in Bezug auf das Fahrverhalten derselben Ausführungsform;
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8 zeigt
schematisch ein Beispiel eines weiteren Lastwagens, der mit der
Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgerüstet
ist.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Im
Nachfolgenden wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen erläutert.
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Als
erstes werden die Faktoren, die den Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs
beeinflussen, unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die den Treibstoffverbrauch eines Fahrzeugs beeinflussenden Faktoren
können
grob in Straßenverhältnisse, Fahrverhalten
des Fahrers (Fahrstil), Fahrzeugzustand und Umgebung eingeteilt
werden.
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Als
Parameter, die sich in Abhängigkeit
des Fahrverhaltens des Fahrers ändern,
sind die Motordrehzahl Nsft beim Hochschalten in einen höheren Gang,
der Gaspedaldurchtrittswinkel θk
im Leerlauf und die Motordrehzahldynamik Nν verfügbar.
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Diese
Parameter weisen eine Korrelation mit dem Treibstoffverbrauch auf.
So führt
beispielsweise eine hohe Motordrehzahl Nsft beim Hochschalten in den
nächsthöheren Gang
zu einer Erhöhung
des Treibstoffverbrauchs. Falls der Winkel der Gaspedalstellung θ im Leerlauf
sehr groß ist,
führt dies
wiederum zu einer Erhöhung
des Treibstoffverbrauchs. Ferner führt eine hohe Motordrehzahldynamik
Nν beim schnellen
Beschleunigen auch zu einer Erhöhung des
Treibstoffverbrauchs.
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Als
Parameter in Bezug auf die Straßenverhältnisse
sind durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit und die Häufigkeit
der Stopps verfügbar.
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Als
Parameter in Bezug auf den Fahrzeugzustand sind Motorleistung (Hubraum
und Ähnliches), Beladungszustand,
Reifen und Ähnliches
verfügbar.
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Als
Parameter in Bezug auf Umwelt sind Luftdruck, Außentemperatur, Fahrzeugzustand
und Ähnliches
verfügbar.
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Im
Weiteren wird die Systemkonfiguration eines Lastwagens, der mit
der Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung
für ein
Fahrzeug ausgerüstet
ist, unter Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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In 5 beschreibt
das Bezugszeichen 11 eine Steuereinheit für die Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung. Die Steuereinheit 11 umfasst
beispielsweise einen Mikroprozessor, der einen Speicher 11m zur
Speicherung verschiedener Datentypen aufweist, einen Zeitgeber 11c und
einen Timer 11t. Eine Anzeigeeinheit 12 ist mit
der Steuereinheit 11 verbunden.
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Die
Steuereinheit 11 ist mit einer Motor-ECU (Electronic Control
Unit) 14 und einer Getriebe-ECU (Electronic Control Unit) 15 über einen
Control Area Network-(CAN)-Bus 13 verbunden. Die Steuereinheit 11,
die Motor-ECU 14 und die Getriebe-ECU 15 senden/empfangen
verschiedene Daten durch Kommunikation über den CAN-Bus 13.
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Ein
Gaspedalstellungssensor 16 zur Überwachung des Gaspedaldurchtrittswinkels θ, ein Kupplungssensor 17 zur Überwachung
des Kupplungszustands (nicht dargestellt), ein Fahrgeschwindigkeitssensor 18 zur
Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit V und ein Motordrehzahlsensor 19 zur Messung
der Motordrehzahl Ne sind mit der Motor-ECU 14 verbunden.
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Die
Getriebe-ECU 15 gibt ein Hochschaltesignal oder ein Herunterschaltesignal
an ein Getriebe (nicht dargestellt) aus.
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Die
Steuereinheit 11 empfängt
die Fahrzeuggeschwindigkeit V, die vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 18 über die
Motor-ECU 14 in Echtzeit übermittelt wird.
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Des
Weiteren empfängt
die Steuereinheit 11 Heraufschalteinformationen von der
Getriebe-ECU 15. Dies geschieht dadurch, dass die Steuereinheit 11 die
Motordrehzahl, die vom Motordrehzahlsensor 19 über die
Motor-ECU 14 gesendet
wird, erfasst und daraus die Motordrehzahl Nsft beim Hochschalten ermittelt.
Dabei kann der eingelegte Gang in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit
V, die von dem Fahrgeschwindigkeitssensor 18 ermittelt
wurde, dem Kupplungszustand, der von dem Kupplungssensor 17 erkannt
wurde, dem Übersetzungsverhältnis und ähnlichen
Daten bestimmt werden.
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Die
Steuereinheit 11 erfasst den Gaspedaldurchtrittswinkel θk zum Zeitpunkt
des Leerlaufs durch den Empfang des Gaspedaldurchtrittswinkels θk, der vom
Gaspedalstellungssensor 16 über die Motor-ECU 14 gesendet
wurde. Die Bezeichnung „Leerlauf" bezeichnet hierbei
einen Zustand, bei dem die vom Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 18 gemessene
Fahrzeuggeschwindigkeit quasi Null ist und die Motordrehzahl Ne,
die vom Motordrehzahlsensor 19 gemessen wird, mindestens
der Leerlaufdrehzahl entspricht.
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Des
Weiteren ermittelt die Steuereinheit 11 die Motordrehzahl
Ne durch die Motor-ECU und berechnet die Motordrehzahldynamik Nν durch das
Differenzieren der Motordrehzahl Ne bezüglich der Zeit.
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Die
funktionelle Konfiguration der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist in 3 dargestellt. In der Steuereinheit 11 werden
die Motordrehzahl Nsft beim Hochschalten, der Gaspedaldurchtrittswinkel θk beim Leerlauf
im Stillstand und die Motordrehzahldynamik Nν, die nach dem zuvor beschriebenen
Verfahren ermittelt wurde, in das Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell 21 eingegeben.
Das Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell 21 schätzt den
Treibstoffverbrauch basierend auf diesen eingegebenen Parametern
ab. Hierbei ist das Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell 21 so konzipiert,
dass es automatisch einen abgeschätzten Treibstoffverbrauch in
Abhängigkeit
eines vorgegebenen Algorithmus unter Berücksichtigung einer Kombination
der eingegebenen Parameter ermittelt. Ein Verfahren für diese
Modellierung (Verfahren zur Erzeugung eines Modells) wird später beschrieben.
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Der
Treibstoffverbrauch (vom Fahrverhalten des Fahrers verursachter
Treibstoffverbrauch basierend auf den eingegebenen Parametern),
der von dem Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell 21 ermittelt
wurde, wird zu einem vorbestimmten Zeitpunkt an eine Druckeinheit 12 ausgegeben
und auf Papier ausgedruckt. Dabei kann der Ausgabezeitpunkt entsprechend
einer gegebenen Notwendigkeit eingestellt werden, beispielsweise,
wenn der Fahrzeugführer
einen Ausdruck anfordert oder wenn der Motor abgestellt wird. Diese
Anzeige kann anstelle einer Druckeinheit 12 durch eine
Anzeigeeinheit, die im Fahrzeug installiert ist, vorgenommen werden.
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Ein
Verfahren zur Erzeugung des Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodells wird nachfolgend unter
Bezugnahme auf 2 erläutert. Das Abschätzungsmodell 21 wird
mit folgenden Schritten erzeugt:
- 1. Extraktion
von Parametern in Abhängigkeit
des Fahrverhaltens eines Fahrzeugführers, dadurch, dass verschiedene
Fahrzeugführer
einen Lastwagen bei verschiedenen Straßenverhältnissen fahren.
- 2. Messen und Aufzeichnen des tatsächlichen Treibstoffverbrauchs
in dieser Zeit.
Im Rahmen dieser Ausführungsform werden die Motordrehzahl
Nsft beim Hochschalten, der Gaspedaldurchtrittswinkel θk im Leerlaufstillstand
und die Motordrehzahldynamik Nν als
Parameter ausgewählt,
die vom Fahrverhalten des Fahrzeugführers abhängen.
- 3. Erzeugung eines Abschätzungsmodells 21 mit Hilfe
der K-nearest neighbor-(K-NN)-Analyse, basierend auf den extrahierten
Parametern und dem aufgezeichneten tatsächlichen Treibstoffverbrauch.
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Da
die Erzeugung des Abschätzungsmodells unter
Verwendung der K-NN Analyse weitläufig bekannt ist, wird auf
eine Beschreibung verzichtet. Hiernach wird das Abschätzungsmodell 21 in
die Steuereinheit 11 geladen.
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Nachfolgend
wird die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung durch Betrachtung
eines Beispiels, in welchem ein Lastwagen, der mit der Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsvorrichtung
gemäß dieser
Ausführungsform
bei drei unterschiedlichen Straßenverhältnissen
durch drei Fahrzeugführer
A, B, C gefahren wird, beschrieben wird.
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Als
erstes fahren die Fahrzeugführer
A, B, C bei einem ersten Straßenverhältnis. Während des Betriebs
unter den Gegebenheiten des ersten Straßenverhältnisses werden die Parameter,
die von dem Fahrverhalten des Fahrzeugführers abhängen (Motordrehzahl Nsft beim
Hochschalten, Gaspedaldurchtrittswinkel θk beim Leerlaufstillstand,
und Motordrehzahldynamik Nν),
in dem Speicher 11m der Steuereinheit 11 abgelegt.
Ein Treibstoffverbrauch, der auf das Fahrverhalten des Fahrzeugführers zurückzuführen ist,
wird durch Eingabe dieser Parameter in das Abschätzungsmodell 21 abgeschätzt.
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Danach
wird der abgeschätzte
Treibstoffverbrauch, der im Speicher 11m gespeichert ist,
bei Bedarf durch die Druckeinheit 12 auf Papier ausgegeben.
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Im
nächsten
Schritt betreiben die Fahrzeugführer
A–C das
Fahrzeug unter den Gegebenheiten der zweiten und dritten Straßenverhältnisse,
dabei wird der Treibstoffverbrauch, der auf das Fahrverhalten der
Fahrzeug führer
A–C zurückzuführen ist,
abgeschätzt
und im Speicher 11m abgelegt. Alternativ hierzu kann er
durch die Druckeinheit 12 auf Papier ausgegeben werden.
Dabei ist zu betonen, dass die Gegebenheiten der ersten bis dritten
Straßenverhältnisse
völlig
verschieden voneinander sind. So kann beispielsweise das erste Straßenverhältnis eine
stark befahrene Straße
darstellen, das zweite Straßenverhältnis eine
leere, gerade und flache Straße
und das dritte Straßenverhältnis eine
bergige Straße
mit vielen Kurven oder Ähnliches
darstellen. 4 zeigt den Treibstoffverbrauch,
der von der Fahrweise der Fahrzeugführer A–C abhängt und im Speicher 11m abgelegt
oder auf Papier ausgegeben wurde.
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In 4 zeigt
jeweils der linke Balken den Treibstoffverbrauch jedes Fahrers,
der bei den ersten Straßenverhältnissen
abgeschätzt
wurde, der mittlere Balken den Treibstoffverbrauch, der bei den
zweiten Straßenverhältnissen
abgeschätzt
wurde, und der rechte Balken den Treibstoffverbrauch, der bei den
dritten Straßenverhältnissen
abgeschätzt
wurde.
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Schließlich wird
ein durchschnittlicher Treibstoffverbrauch unter den Gegebenheiten
der ersten bis dritten Straßenverhältnisse
des Fahrzeugsführers A
mit "7.2" angegeben, ein durchschnittlicher
Treibstoffverbrauch unter den ersten bis dritten Straßenverhältnissen
des Fahrzeugführers
B wird mit "7.9" angegeben und ein
durchschnittlicher Treibstoffverbrauch unter den ersten bis dritten
Straßenverhältnissen
des Fahrzeugführers
C wird mit "8.9" angegeben. Hierdurch
zeigt sich, dass der Treibstoffverbrauch jedes Fahrers trotz stark
unterschiedlicher Straßenverhältnisse
einen grundsätzlich
konstanten Wert aufweist.
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Aus 4 wird
deutlich, dass man davon ausgehen kann, dass der Treibstoffverbrauch
und damit das Fahrverhalten des Fahrzeugführers B besser als das von
Fahrzeugführer
A ist, und dass das Fahrverhalten von Fahrzeugführer C besser als das von Fahrzeugführer B ist.
Somit kann das Fahrverhalten objektiv beurteilt werden, in Abhängigkeit
davon, ob der vom Fahrverhalten abhängende Treibstoffverbrauch
eines Fahrers niedrig ist oder nicht.
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Obwohl
gemäß dem oben
dargestellten Ausführungsbeispiel
die K-NN-Analyse
als Treibstoffverbrauchs-Abschätzungsmodell
verwendet wird, ist das Abschätzungsverfahren,
das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, nicht auf
die K-NN-Analyse beschränkt.
In den technischen Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen auch
die Support Vector-Maschine, das Radial Basis Function-Netzwerk,
das Neuronale Netzwerk, der Entscheidungsbaum und ähnliche
Analyseverfahren. Bezogen auf die Abweichung zwischen dem tatsächlichen
Treibstoffverbrauch und dem abgeschätzten Treibstoffverbrauch jedes
Verfahrens hat sich auf Grund von Experimenten, die durch den Erfinder durchgeführt wurden,
herausgestellt, dass die K-NN-Analyse die geringste Abweichung aufweist, wie
in 6 und 7 dargestellt.
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Obwohl
die oben dargestellte Ausführungsform
die in 5 dargestellte Systemkonfiguration des Lastkraftwagens
verwendet, ist es zulässig,
anstelle der Systemkonfiguration der 5 diejenige der 8 zu
verwenden. In dem Lastwagen, der in 8 dargestellt
ist, ist eine Sendeeinheit 31 mit der Steuereinheit 11 verbunden,
und die Parameter (Motordrehzahl Nsft beim Hochschalten, Gaspedaldurchtrittswinkel θk im Leerlauf,
Motordrehzahldynamik Nν),
die sich in Abhängigkeit
des Fahrverhaltens jedes Fahrzeugführers ändern und die im Speicher 11m der
Steuereinheit 11 gespeichert sind, und der tatsächliche
Treibstoffverbrauch werden nach außen zu einer Empfangseinheit 32 über Funk
gesendet. Daraufhin empfängt
ein Controller 33 die Parameter (Motordrehzahl Nsft beim
Hochschalten, Gaspedaldurchtrittswinkel θk im Leerlauf und Motordrehzahldynamik
Nν), die
sich in Abhängigkeit
des Fahrverhaltens des Fahrzeugführers ändern, und
den tatsächlichen
Treibstoffverbrauch, mit Hilfe der Empfangseinheit 32,
um einen abgeschätzten
Treibstoffverbrauch in Abhängigkeit
des Fahrzeugführers
zu ermitteln.
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Die
von dem Fahrverhalten des Fahrzeugführers abhängenden Parameter sind nicht
auf die beispielhaft dargestellten Parameter der oben beschriebenen
Ausführungsform
beschränkt,
und es ist zulässig,
andere Parameter in der vorliegenden Erfindung zu berücksichtigen,
solange sie vom Fahrverhalten des Fahrzeugführers abhängen, beispielsweise die Zeit,
in welcher die Kupplung betätigt
wird, die Zeit, in der sich die Kupplung im schleifenden Zustand
befindet, und Ähnliches.
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Obgleich
gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform
der Treibstoffverbrauch durch die Druckeinheit 12 ausgedruckt
wird, wie in 3 dargestellt, kann der Treibstoffverbrauch
auch in einem Speichermedium gespeichert werden.
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Weitere
Vorteile und Modifikationen werden dem Durchschnittsfachmann ins
Auge fallen. Aus diesem Grunde ist die Erfindung in ihren breiteren Aspekten
nicht auf die spezifischen Details und die beispielhaft dargestellten
Ausführungsformen,
die hier beschrieben wurden, beschränkt. Demzufolge können verschiedene
Modifikationen gemacht werden, ohne den Boden des Erfindungskonzepts,
wie es durch die beigefügten
Patentansprüche
und deren Entsprechungen definiert ist, zu verlassen.