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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein Thermomanagementsystem und -verfahren für eine in
Fahrzeuganwendungen verwendete Getriebefluidkonditionierung. Getriebefluid
wird abhängig
von bestimmten Fahrzeuganwendungen und vorliegenden Fahranforderungen
erwärmt
oder gekühlt,
um Fahrverhalten, Wirkungsgrad und Haltbarkeit zu verbessern.
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Hintergrund der Erfindung
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Um
bei optimalen Werten zu arbeiten, können es Fahrzeuggetriebe erforderlich
machen, dass das Getriebefluid über
Betriebstemperaturen des Normalbetriebs erwärmt oder unter diese gekühlt wird.
Unter Bedingungen hoher Last, beispielsweise beim Schleppen eines
erheblichen Gewichts, kann Getriebefluid überhitzt werden und Kühlung erfordern,
um nachteilige Wirkungen auf die Fahrbedingungen oder die Haltbarkeit
des Getriebesystems selbst zu vermeiden. Unter normalen Fahrbedingungen
muss Getriebefluid unter Umständen
erwärmt werden.
Das Erwärmen
von Getriebefluid verringert den Drehverlust, was den Wirkungsgrad
des Getriebes anhebt und wiederum die Kraftstoffwirtschaftlichkeit
des Fahrzeugs insgesamt anhebt. Fahrzeuge, die nicht für Schwerlasttransportverwendungen
genutzt werden, erreichen selten eine optimale Getriebefluidtemperatur.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das
vorgesehene System für
aktives Thermomanagement für
Getriebe verwirklicht ohne signifikante Auswirkung auf Fahrgastraumheizungs- oder Maschinenkühlbetrieb
aktiv sowohl ein Erwärmen
als auch ein Kühlen
von Getriebefluid auf vorbestimmte Anforderungen. Das System umfasst
einen Kasten mit zwei Enden, eine Getriebekonditionierungsanordnung
mit Doppelpfad mit einem Steuerventil, das als Reaktion auf von
einem Wärmesensor
gemessene Fluidtemperaturmesswerte betrieben wird.
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Getriebefluid
unter einer kalibrierten oder vorbestimmten Temperatur wird von
dem Steuerventil zu einem Heizkreislauf geleitet, wo es auf die
Solltemperatur erwärmt
wird. Wenn die Fluidtemperatur den Sollgrenzwert überschreitet,
beginnt das Steuerventil, das Getriebefluid von dem Heizkreislauf
zu einem Kühlkreislauf
umzuleiten, was die Fluidtemperatur senkt. In einer beispielhaften
Ausführungsform
reguliert das Steuerventil ein Strömen gleichzeitig zwischen beiden
Kreisläufen,
was einen stetigen Betrieb bei oder sehr nahe bei der kalibrierten
oder erwünschten
Getriebefluidtemperatur ermöglicht.
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In
diesem System können
zahlreiche Heiz- und Kühlquellen
zum Erwärmen
oder Kühlen
des Getriebefluids verwendet werden. Es wird eine Ausführungsform
sowohl zum Erwärmen
als auch zum Kühlen
von Getriebefluid durch Nutzen der relativen heißen und kalten Kastenabschnitte
eines zum Kühlen der
Maschine verwendeten Luft/Wasser-(Kühlflüssigkeits-)Kühlers vorgesehen.
Getriebefluid zu Kühlflüssigkeitswärmetauschern
der Maschine an dem Einlassabschnitt (heißer Kasten) und dem Auslassabschnitt
(kalter Kasten) des Kühlers
ermöglicht
es jedem getrennten Kreislauf, die Temperatur eines einzelnen Kühlers anzuheben
oder zu senken. Weitere Kühlverfahren
können
einen in dem Kühlkreislauf
ange ordneten Luft/Öl-Wärmetauscher
entweder allein oder kombiniert mit dem kalten Kasten des Kühlers zum
Leiten von kühlem
Getriebefluid mit Umgebungsluftstrom umfassen.
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Es
wird ein Verfahren für
aktives Thermomanagement für
Getriebe vorgesehen, wobei ein Abfluss von Getriebefluid selektiv
in getrennte Heiz- und Kühlkreisläufe geleitet
wird. Das Verfahren umfasst das ständige Erfassen der Temperatur
eines Getriebefluidabflusses, um eine Abweichung von einer vorbestimmten
Temperatur zu ermitteln. Wenn der Sensor ermittelt, dass Fluid unter
der vorbestimmten Temperatur liegt, leitet das Steuerventil Fluid
zu dem getrennten Heizkreislauf. Der Heizkreislauf enthält eine
Heizquelle, die das Getriebefluid bei dessen Strömen durch den Kreislauf erwärmt. Wenn
der Sensor ermittelt, dass die Fluidtemperatur über der vorbestimmten Temperatur
liegt, leitet das Steuerventil Fluid zu dem getrennten Kühlkreislauf.
Der Kühlkreislauf
enthält
eine Kühlquelle
(eine Wärmesenke),
die das Getriebefluid bei dessen Strömen durch den Kreislauf kühlt. Das
durch den Heiz- oder Kühlkreislauf
oder durch beide strömende
Getriebefluid wird dann zu dem Getriebe zurückgeleitet.
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Die
vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung gehen ohne weiteres aus der folgenden eingehenden
Beschreibung der besten Methoden zum Ausführen der Erfindung in Verbindung
mit den Begleitzeichnungen hervor.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des in dieser Anmeldung
beanspruchten Systems für
aktives Thermomanagement für
Getriebe, das ein Getriebe, eine Maschine und ein Maschinenkühlsystem
umfasst.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des aktiven Thermomanagements
von Getriebefluidabfluss darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Unter
Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 schematisch
ein System 8 für
aktives Thermomanagement für
ein Getriebe 10, das in einem (nicht dargestellten) Fahrzeug
mit einer Fahrzeugmaschine 12 arbeitet. Der Innendruck
des Getriebes 10 lässt Getriebefluid 11 aus
dem Getriebe 10 durch eine Fluidleitung 14 zu
einem Ventil 16 strömen.
Ein Fachmann erkennt Druckquellen in dem Getriebe, doch könnten diese
eine Getriebepumpe, eine Drehmomentwandlerpumpe, eine separate Ölpumpe etc. umfassen,
ohne darauf beschränkt
zu sein. Steuersysteme für
das System für
aktives Thermomanagement umfassen einen dafür ausgelegten Sensor, eine
Materialeigenschaft des Getriebefluids zu messen, und einen dafür ausgelegten
Aktor, das Ventil zu betätigen.
Das Steuersystem in der dargestellten Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung 18,
die sowohl der Sensor als auch der Aktor ist. Die Vorrichtung 18 wird
mit dem Getriebefluid in Wärmeverbindung
gesetzt und dient zum Messen von Getriebefluidtemperatur. Die Vorrichtung 18 ist
mit dem Ventil 16 wirkverbunden, das zum selektiven Übermitteln
des Getriebefluidstroms zu einem oder mehreren getrennten Fluidkreisläufen ausgelegt
ist; 1 enthält zwei
solcher Kreisläufe,
die nachstehend erläutert werden.
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Andere
Ausführungsformen
von Systemen für
aktives Thermomanagement für
Getriebe könnten andere
Materialeigenschaften als Temperatur erfassen und umfassen unzählige Steuersystemkonfigurationen;
die Vorrichtung 18 ist nur eine Ausführungsform eines brauchbaren
Steuersystems. Das Steuersystem könnte die Viskosität von Getriebefluid
erfassen und den Betrieb eines oder mehrerer Ventile beruhend auf
dieser Messung leiten. Bei einem solchen System würde ein
Fluid mit einer Viskosität,
die höher als
ein vorbestimmter Zielwert ist, erwärmt werden, um die Viskosität zu vermindern
und das Getriebe effizienter arbeiten zu lassen. Der Fachmann wird
erkennen, dass bei dem System 8 für aktives Thermomanagement
zahlreiche Ventilausführungen
und -konfigurationen verwendet werden können. Andere mögliche Ventilkonfigurationen
werden nachstehend erläutert.
Diese unterschiedlichen Steuersysteme für das Ventil beeinflussen nicht
den Gesamtbetriebszyklus des Systems 8 für aktives
Thermomanagement.
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Wenn
die Fluidtemperatur unter einer vorbestimmten Temperatur oder einem
Zielwert liegt, signalisiert die Vorrichtung 18 dem Ventil 16,
Getriebefluid 11 in einen ersten Fluidkreislauf 20 zu
leiten, der mittels einer Fluidleitung 24 mit dem Ventil 16 in
Fluidverbindung steht. Wenn die Fluidtemperatur über einer vorbestimmten Temperatur
liegt, signalisiert die Vorrichtung 18 dem Ventil 16,
Getriebefluid in einen zweiten Fluidkreislauf 22 zu leiten,
der von dem ersten Fluidkreislauf 20 getrennt ist und mittels
einer Fluidleitung 26 mit dem Ventil 16 in Fluidverbindung steht.
Nach dem Strömen
durch einen der Fluidkreisläufe 20 oder 22 kehrt
das Getriebefluid zu dem Getriebe 10 zurück. In der
in 1 gezeigten Ausführungsform wird dies mit einer
gemeinsamen Rückführungsstrecken- oder Rückführungspfad-Fluidleitung 28 verwirklicht.
Die Vorrichtung 18 würde
vorzugsweise auf eine vorbestimmte Fluidtemperatur in einem Bereich
gesetzt werden, der das Getriebe bei einer ausreichend hohen Temperatur
zum Minimieren von Kraftstoffwirkungsgradverlusten aufgrund von Getriebedrehverlust
(sein loss), aber auch bei einer ausreichend niedrigen Temperatur
zum Vermeiden von Beschädigung
des Getriebes während
Bedingungen hoher Last arbeiten lassen würde.
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Die
Vorrichtung 18 kann jede dem Fachmann bekannte Art von
Sensor sein, solange es sich um eine Vorrichtung handelt, die auf
einen physikalischen Reiz (Temperatur des Getriebefluids) reagiert und
einen resultierenden Impuls (mechanisch, elektrisch, etc.) übermittelt,
der den Betrieb des Ventils 16 leiten kann. Die Vorrichtung 18 kann
an einer beliebigen Stelle entlang des Fluidströmpfads zwischen und einschließlich dem
Getriebe 10 und dem Ventil 16 angeordnet sein,
solange sie zum Erfassen von Getriebefluidtemperatur und Leiten
des Betriebs des Ventils 16 betriebsbereit ist. In einer
Ausführungsform sind
die Vorrichtung 18 und das Ventil 16 zu einem einzigen,
kombinierten Mechanismus integriert, der sowohl zum Erfassen von
Getriebefluidtemperatur als auch zum Leiten des Strömens von
Getriebefluid dient. Der Fachmann wird zahlreiche mögliche Sensoren,
Ventile und integrierte Mechanismen zum Verwirklichen der Funktionen
sowohl des Steuersystems als auch des Ventils erkennen. Ein annehmbarer
integrierter Mechanismus ist ein Wärmesteuerventil, das von einem
Wachsantriebsmotor betrieben wird. Bei einem solchen Wachsantrieb-Wärmesteuerventil lastet
ein Wachsblock auf einem Kolben, wenn das Wachs erwärmt wird,
und der Kolben ändert
einen Fluidstrom durch das Ventil. Wie in einer Ausführungsform
dieser Erfindung verwendet würde
ein durch das Steuerventil tretendes Getriebefluid den Wachsblock
erwärmen
und der Kolben würde
den Strom in die Fluidkreisläufe 20 und 22 andern.
Der Wachsblock erfasst somit die Temperatur und ändert auch die Stellung des
Ventils.
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Die
Vorrichtung 18 kombiniert die Erfassungs- und Betätigungsfunktionen
in dem Steuersystem. Es können
aber innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung separate
Sensoren und Aktoren verwendet werden. Zum Beispiel kann innerhalb
des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung das Steuersystem einen
zum Messen der Materialeigenschaft des Fluids ausgelegten elektronischen
Sensor, ein elektroni sches Steuergerät und einen Aktor, beispielsweise
einen Elektromotor oder ein Solenoid, umfassen, die mit dem Ventil
wirkverbunden sind. In einer solchen Ausführungsform wäre das Steuergerät so ausgelegt,
dass es das Solenoid veranlasst, das Ventil als Reaktion auf Signale
von dem Sensor, die die gemessene Materialeigenschaft des Fluids
anzeigen, zu bewegen.
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In
einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Ventil 16 in der Lage, einen Getriebefluidstrom zwischen
sowohl dem ersten Fluidkreislauf 20 als auch dem zweiten
Fluidkreislauf 22 abzuändern, wenn
das Getriebefluid nahe der vorbestimmten Zieltemperatur ist. Diese
Abänderung
ermöglicht
ständiges
Strömen
durch das System 8 für
aktives Thermomanagement, während
die Getriebefluidtemperatur bei oder sehr nahe bei der vorbestimmten
Zieltemperatur gehalten wird. Ein Wachsantriebs-Wärmesteuerventil
kann auf diese Weise auch Strömen
abändern.
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Der
Fachmann wird – zusätzlich zu
dem vorstehend beschriebenen integrierten Wachsantrieb-Wärmesteuerventil
und dem in 1 gezeigten einzelnen Ventil 16 – alternative
Konfigurationen zum Ausführen
der Funktionen von Ventil 16 erkennen. Eine Ausführungsform
könnte
zwei Fluidleitungen umfassen, die Getriebefluidabfluss befördern, wobei jede
ihr eigenes Ventil aufweist. Jedes dieser (nicht dargestellten)
Ventile könnte
durch das Steuersystem verstellt werden, um Strömen in den ersten und zweiten
Fluidkreislauf 20 und 22 zu regeln. Die kombinierte
Funktion dieser beiden Ventile würde
eine ähnliche
Fähigkeit
zum selektiven Vorsehen eines Strömungsverhältnisses durch den Kreislauf 20 und 22 ergeben,
das zum Erzielen optimaler Getriebefluideigenschaften berechnet
wird. Diese unterschiedlichen Ventilauslegungen beeinflussen nicht
den Gesamtbetriebszyklus des Systems 8 für aktives
Thermomanagement.
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1 umfasst
weiterhin ein Maschinenkühlmittelsystem 30,
bei dem Kühlmittel
(zum Beispiel Frostschutzmittel, Glykol oder ein anderes geeignetes
Fluid) von der Maschine 12 durch einen Kühler 32 umgewälzt wird.
Während
dem Fachmann viele Maschinensysteme bekannt sind, ist die in 1 dargestellte
Ausführungsform
ein Luft-Wasser-Wärmetauscher.
Die Begriffe „Wasser", „Kühlmittel" und „Kühlmittelfluid" werden in dieser
Anmeldung austauschbar und seitens des Fachmanns bezüglich Maschinenkühlsystemen
verwendet. In 1 strömt Maschinenkühlmittel
von der Maschine 12 durch eine Fluidleitung 34 zu
dem Kühler 32,
der eine relativ heiße
(Einlass-)Seite 36 und eine relativ kalte (Auslass-)Seite 38 aufweist.
Das Temperaturabsinken erfolgt, wenn sich Kühlmittel bei einer relativ
hohen Temperatur bei Austreten aus der Maschine von der heißen Seite 36 durch
den Luft/Wasser-Wärmetauscher
bewegt und vor Erreichen der kalten Seite 38 von Umgebungsluftstrom
gekühlt
wird. Wie der Fachmann erkennen wird, kann das Maschinenkühlmittelsystem 30 durch
eine Wasserpumpe 40 zum Umwälzen von Kühlmittel und einen Thermostat 42 zum Steuern
von Umwälzen
betrieben werden.
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Bei
Anwendungen, bei denen ein effizienter Betrieb das selektive Erwärmen des
Getriebefluids erfordert, kann der erste Fluidkreislauf 20 eine
wirkverbundene Wärmequelle
umfassen, um Wärmeübertragung
in das zirkulierende Getriebefluid zu ermöglichen. Der Fachmann wird
erkennen, dass eine beliebige Anzahl an Wärmequellen verwendet werden
könnte,
um dieses Ziel zu erreichen. 1 umfasst
eine mögliche
Ausführungsform,
die einen Wärmetauscher
an der heißen
Seite 36 des Kühlers 32 anbringt,
um das heiße
Maschinenkühlmittel
zu nutzen, bevor es durch Einwirken von Umgebungsluft in dem Wärmetauscher
des Kühlers 32 gekühlt wird. Dieser
heiße
Kasten 44 ist ein Wasser/Öl-Wärmetauscher, der das heiße Maschinenkühlmittel
in Wärmeübertragungsbeziehung
mit dem Getriebefluid setzt. Andere mögliche Wärmequellen umfassen ohne Be schränkung: elektrische
Heizvorrichtungen, Führen von
Getriebefluid durch andere Teile des Maschinenkühlmittelsystems, Auffangen
von Abgaswärme
etc. Eine verfügbare
Wärmequelle
ist ein Fahrgastraum-Heizvorrichtungskreislauf 45,
der einen Heizvorrichtungskern 46 umfasst, der zum Nutzen
heißen Maschinenkühlmittels
zum Erwärmen
des Fahrgastraums 47 durch herkömmliche Mittel (nicht gezeigt) ausgelegt
ist. Die in 1 dargestellte Ausführungsform
nutzt nicht den Heizvorrichtungskern 46 als Wärmequelle;
daher steht der erste Fluidkreislauf 20 nicht mit dem Heizvorrichtungskern 46 oder
einem anderen Teil des Fahrgastraum-Heizvorrichtungskreislaufs 45 in
Wärmeübertragungsbeziehung.
Ein Nachteil bei Verwenden des Heizvorrichtungskerns 46 zum
Erwärmen
des Getriebefluids ist eine negative Auswirkung auf die Fähigkeit
zum Beheizen des Fahrgastraums 47, wobei ein Ausgleich
dafür das Umgestalten
oder Abändern
des Fahrgastraum-Heizsystems erfordern kann.
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Bei
Anwendungen, bei denen es aus Gründen
der Haltbarkeit oder des Fahrverhaltens erforderlich ist, dass Getriebefluid
selektiv gekühlt
wird, kann der zweite Fluidkreislauf 22 eine wirkverbundene
Wärmesenke
umfassen, um eine Wärmeübertragung
aus dem Getriebefluid heraus zu ermöglichen. Der Fachmann wird
erkennen, dass zum Verwirklichen dieses Ziels eine beliebige Anzahl
an Wärmesenken
verwendet werden könnte. 1 umfasst eine
mögliche
Ausführungsform,
den kalten Kasten 48, die einen Wärmetauscher an der kalten Seite 38 des
Kühlers 32 anbringt,
um das kalte Maschinenkühlmittel
nach dessen Kühlen
durch Einwirken von Umgebungsluft in dem Wärmetauscher des Kühlers 32 zu
nutzen. Dieser kalte Kasten 48 ist ein Wasser/Öl-Wärmetauscher,
der das relativ kalte Maschinenkühlmittel
in Wärmeübertragungsbeziehung
mit dem Getriebefluid setzt. Andere mögliche Wärmesenken umfassen ohne Beschränkung: Luft/Fluid-Wärmetauscher,
thermoelektrische Vorrichtungen, Rippen-Wärmesenken, etc. Die in 1 dargestellte Ausführungsform
enthält weiterhin
eine Hilfswärmesenke,
eine Luft/Öl-Kühlvorrichtung 50,
die mit dem zweiten Fluidkreislauf 22 in Fluidverbindung
gesetzt ist, um das Getriebefluid weiter zu kühlen.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass in Bezug auf einen Kühlmittelstrom
durch das Maschinenkühlmittelsystem
heiß und
kalt relative Begriffe sind, die den Normalbetrieb des Maschinenkühlmittelsystems beschreiben.
Der Fachmann wird weiterhin erkennen, dass das Leiten der Wärmeübertragung
zwischen dem Getriebefluid und den Heiz- oder Kühlquellen in der Praxis durch
die relativen Temperaturen der beiden in Wärmeübertragungsbeziehung stehenden
Medien bestimmt wird.
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Weitere
Abwandlungen eines Systems für aktives
Thermomanagement für
Getriebe könnten zusätzliche
Sensoren (für
Wärme,
Viskosität
oder anderes) umfassen, die Messwerte des Getriebefluids, der Heizquellen
und Kühlquellen
nehmen. Kombiniert mit einem Computersteuersystem können diese zusätzlichen
Sensoren präzisere
Ermittlungen des optimalen Fluidstromverhältnisses zwischen dem heißen und
kalten Kreislauf ermöglichen,
um die vorbestimmte Zieltemperatur zu halten.
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Bezüglich 2 wird
eine Ausführungsform eines
Verfahrens für
aktives Thermomanagement von Getriebefluidabfluss 100 in
Flussdiagrammform gezeigt. Das System wird automatisch gestartet,
sobald die Fahrzeugmaschine gestartet wird, und bei Schritt 102 beginnt
Getriebefluid bei einem anfänglichen
Strömungsverhältnis in
den heißen
und kalten Kreislauf zu strömen.
Das anfängliche
Strömungsverhältnis kann
beruhend auf bestimmten Fahrzeuganwendungen festgelegt werden, ist
aber nach dem anfänglichen
Starten für
den Betriebszyklus des Verfahrens nicht wesentlich. Der Prozessschritt 104 umfasst
das ständige
Erfassen der Tempera tur des Getriebefluids (TF),
die dann bei Entscheidungsschritt 106 mit einer vorbestimmten
Temperatur (TP) verglichen wird.
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Die
vorbestimmte Temperatur TP wird beruhend
auf einer Temperatur kalibriert, bei der das Getriebe bei optimalen
Werten für
eine bestimmte Fahrzeuganwendung arbeitet, und kann ein Temperaturbereich
sein. Wenn TF gleich TP ist,
hält das
System den Fluidstrom in dem heißen und kalten Kreislauf einfach
bei dem aktuellen Verhältnis,
wie bei Schritt 108 gezeigt wird. Ist TF nicht
gleich TP, wird bei Entscheidungsschritt 110 eine Änderung
des Strömungsverhältnisses
zu den Kreisläufen
vorgenommen. Wenn TF niedriger als TP ist, erfordert eine optimale Getriebeleistung,
dass das Getriebefluid erwärmt
wird, und das System leitet eine größere Menge an Getriebefluidstrom
in den heißen
Kreislauf, Prozessschritt 112. Wenn TF nicht
niedriger als TP ist, erfordert eine optimale
Getriebeleistung, dass das Getriebefluid gekühlt wird, und das System leitet
eine größere Menge
an Getriebefluidstrom in den kalten Kreislauf, Prozessschritt 114.
Diese jeweiligen Anhebungen des Strömens zu dem heißen und
kalten Kreislauf würden
die Temperatur des Getriebefluids in dem Getriebe wirksam anheben
oder senken, was eine verbesserte Getriebeleistung ergibt.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens 100, die der Nutzung des Systems 8 von 1 entspricht,
würde der
Sensor 18 das Überwachen
der Funktion von Schritt 104 und der logischen Funktionen
der Schritte 106 und 110 ausführen. Weiterhin würde das
Ventil 16 die Anpassungen des Strömungsverhältnisses des Getriebefluids
der Prozesse 108, 112 und 114 ausführen.
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Während die
besten Methoden zum Ausführen
der Erfindung näher
beschrieben wurden, wird der Fachmann, an den sich diese Erfindung
richtet, verschiedene alternative Auslegungen und Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.