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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur lastabhängigen Steuerung
der Drehzahl eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie eine fahrbare Arbeitsmaschine, bei der das Verfahren zur
Anwendung kommt.
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Ein
einschlägiges Verfahren ist aus der
WO 2008/147375 A1 bekannt.
Bei diesem Verfahren wird ein Verbrennungsmotor zum Antrieb einer
hydraulischen Fahr- und Arbeitsmaschine über mehrere Sensoren
zur Ermittlung eines Leistungsbedarfs derart gesteuert, dass die
Sensorsignale in einer elektronischen Steuereinheit herangezogen
werden um nach Maßgabe von gespeicherten Kennlinienfeldern
eine Veränderung der Drehzahl oder Leistungsabgabe des
Verbrennungsmotors zu bewirken. Ein Nachteil dieser Steuerung liegt
in dem Erfordernis, für jeden Verbraucher eigene Sensoren
vorzusehen, was zu einem erheblichen Aufwand an Material und zu
einem hohen Rechenaufwand führt.
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Eine ähnliche
Steuerung ist in der
WO 2007/127370
A1 beschrieben. Bei dieser Steuerung ist eine aufwändige
Speicherung von Kennlinienfeldern und deren Berücksichtigung
bei der Ermittlung des lastabhängigen optimalen Betriebspunkts
erforderlich. Diese Steuerung hat einen großen Speicherbedarf
in der elektronischen Steuerung und ist weniger flexibel in verschiedenen
Anwendungen einsetzbar.
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In
der
DE 10 2006
017 792 A1 ist ein weiteres Verfahren und ein Computerprogramm
zum Regeln eines Antriebs mit einer Antriebsmaschine und einem hydrostatischen
Getriebe mit Hydropumpe und Hydromotor aufgezeigt, bei dem ein Betriebspunkt
der Antriebsmaschine in einem Kennfeld der Antriebsmaschine ermittelt
und mit über Sensoren erfassten Betriebsdaten des Getriebes
verarbeitet wird, um eine günstige Leerlaufdrehzahl der
Antriebsmaschine in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf des
hydraulischen Getriebes zu bestimmen. Auch bei dieser Steuerung
sind Sensoren für bestimmte Betriebsparameter an den jeweiligen
Verbrauchern erforderlich.
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Im
Hinblick auf immer strenger werdende Abgasnormen und auf eine Verringerung
des Treibstoffverbrauchs bei Verbrennungsmotoren haben sich insbesondere
bei neueren Dieselmotoren elektronisch gesteuerte Einspritzsysteme
durchgesetzt. Der Steuerrechner dieser Einspritzsysteme erfasst
unter anderem auch die aktuelle Drehzahl und den dazu gehörigen,
lastabhängigen Auslastungsgrad des Verbrennungsmotors.
Als Auslastungsgrad ist das Verhältnis von aktuellem Drehmoment
bei der gegebenen Drehzahl zu dem maximal möglichen Drehmoment
bei der selben Drehzahl definiert. Dieser Wert wird von dem Motorsteuergerät
des Dieselmotors anhand von vorgegebenen Kennfeldern des Dieselmotors
und der über einen Drehzahlsensor ermittelten Drehzahl
bestimmt. Es kann beispielsweise als Prozentwert angegeben werden.
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Der
Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe
zugrunde, ein weiteres Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines
Verbrennungsmotors in einem der aktuellen Leistungsanforderung angepassten
Bereich anzugeben, das es mit einfachen Mitteln erlaubt eine Reduzierung des
Verbrauchs an Treibstoff, von Emissionen und von Geräusch
zu erreichen. Zudem soll eine fahrbare Arbeitsmaschine, die zur
Anwendung des Verfahrens geeignet ist, vorgestellt werden.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt hinsichtlich des Verfahrens
gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1
dadurch, dass der Auslastungsgrad des Verbrennungsmotors ermittelt
wird, wobei der Auslastungsgrad aus dem Verhältnis eines
maximalen Drehmoments des Verbrennungsmotors bei einer vorgegebenen
Drehzahl zu einem aktuell ermittelten Drehmoment bei dieser Drehzahl
bestimmt wird und dass die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit
von dem Auslastungsgrad des Verbrennungsmotors geführt
wird.
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Die
Erfindung macht sich zu Nutze, das bei modernen Dieselmotoren mit
elektronisch gesteuerten Einspritzung ein Motorsteuergerät
vorhanden ist, welches über einen CAN (Controler Area Network) Bus
die Ausgabe von Signalen ermöglicht, die der aktuellen
Motordrehzahl und dem aktuellen Auslastungsgrad entsprechen. Diese
Daten werden ständig von der Motorsteuerung ermittelt und
sind über eine Schnittstelle des CAN-Busses, etwa in Form
einer Steckverbindung; an weitere elektronische Steuer- oder Regelungssysteme übermittelbar.
Damit ist die Möglichkeit gegeben, diese ständig
bereitgestellten und routinemäßig ermittelten
Daten für eine lastabhängige Regelung der Drehzahl
des Verbrennungsmotors heranzuziehen, ohne dass weitere Sensoren oder
Einrichtungen erforderlich sind.
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Der
CAN-Bus ist auch dazu geeignet, externe Signale oder Daten an das
Motorsteuergerät zu übermitteln. Hierdurch ist
ein Einwirken von derartigen Signalen, die beispielsweise im Fahrantriebsrechner
eines nachgeordneten Hydrogetriebes erzeugt werden, auf das Motorsteuergerät möglich. Dieses
kann somit dazu veranlasst werden, die Einspritzung von Kraftstoff
zur Erzielung einer gewünschten Drehzahl des Motors zu
steuern und zwar nach Maßgabe von extern vorgegebenen Leistungsanforderungen.
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Nach
der Erfindung ermittelt die Regeleinrichtung, die aus zumindest
dem Motorsteuergerät mit eigenen elektronischen Rechner
sowie aus einem weiteren Rechner zur Datenverarbeitung, z. B. einem
Fahrantriebsrechner, besteht zunächst den aktuellen Auslastungsgrad,
der durch die aktuelle Drehzahl und die an der Abtriebswelle des
Verbrennungsmotors anliegende Last bestimmt ist. Dieser Auslastungsgrad
sei betriebsbedingt zunächst kleiner als der maximal mögliche
Wert, d. h. bei gleicher Drehzahl könnte das vom Motor
an die Last gelieferte Drehmoment bzw. die Leistung größer
sein, als das derzeit geforderte. Abhängig vom Kennfeld
des Motors besteht hierbei die Möglichkeit die Einspritzpumpe
im Sinne einer Änderung der Drehzahl derart zu steuern,
dass eine optimalere Drehzahl erreicht wird. Unter optimalerer Drehzahl
ist hierbei zu verstehen, dass bei der neuen Drehzahl ein geringerer
Treibstoffverbrauch und/oder eine geringere Geräusch- oder
Schadstoffemission vorliegt. Die Ermittlung der optimaleren Drehzahl
erfolgt hierbei nach Maßgabe eines oder mehrer Kennfelder,
welche z. B. die Abhängigkeit des abgegebenen Drehmoments
von der Drehzahl und dem Treibstoffverbrauch oder Wirkungsgrad oder
die bei bestimmten Betriebsbedingungen vorliegenden Geräusch
und Emissionsdaten betreffen. Stellt die Regeleinrichtung fest,
dass ein anderer Wert der Drehzahl, als der aktuell vorliegende,
günstiger ist, so übermittelt sie dem Motorsteuergerät
ein Signal als Vorgabe einer Soll-Drehzahl, welches das Motorsteuergerät
veranlasst, die Betriebsbedingungen des Motors so zu ändern,
dass sich die neue, gewünschte Drehzahl einstellt. Bei
dieser neuen Drehzahl ist der Auslastungsgrad höher als
bei der zuvor vorliegenden Drehzahl, wobei jedoch das vom Verbrennungsmotor
an den Verbraucher übertragene Drehmoment oder die abgegebene
Leistung unverändert ist. Der Betrieb des Motors wird somit
in Abhängigkeit von der aktuell anliegenden oder geforderten
Last stets automatisch derart gesteuert, dass ein möglichst
hoher Auslastungsgrad und damit ein besonders sparsamer Betrieb
erreicht und eingehalten werden. Bei Veränderung der Dieselmotordrehzahl
kann auch die Übersetzung des Hydrogetriebes durch den
Fahrantriebsrechner gleichzeitig angepasst werden, um dem Wunsch
nach einer konstanten Fahrgeschwindigkeit Rechnung zu tragen.
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Bei Änderung
der an der Abtriebswelle des Motors anliegenden Last, beispielsweise
durch Zuschaltung eines weiteren Verbrauchers, ändert sich der
Auslastungsgrad des Motors entsprechend. Bei Lasterhöhung
findet zudem eine Reduzierung der Drehzahl statt, als Drücken
bezeichnet, die zusammen mit dem jetzt aktuellen Auslastungsgrad
von dem Motorsteuergerät erfasst und an die Regeleinrichtung übermittelt
wird. Diese führt dann die Optimierung der Dreh zahl oder
der Betriebsbedingungen des Motors durch, wie zuvor beschrieben.
Analoges gilt natürlich auch für eine Verringerung
der Last an der Abtriebswelle des Motors.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Steuerung
der Drehzahl eines Verbrennungsmotors allein nach Parametern erfolgt,
die unmittelbar am Motor selbst abgreifbar sind, nämlich dessen
Drehzahl, das abgegebene Drehmoment bzw. die Leistung und der Auslastungsgrad.
Hierbei spielen die besonderen Gegebenheiten der vom Motor angetrieben
Verbraucher keine weitere Rolle, als dass sie die geforderte Leistung
an der Abtriebswelle bestimmen. Spezielle Sensoren an den einzelnen Komponenten
der Verbraucher, welche deren Betriebsbedingungen ermitteln, sind
nicht erforderlich. Die erfindungsgemäße Steuerung
ist somit universell und flexibel einsetzbar und erfordert einen
vergleichsweise geringeren apparativen Aufwand als die eingangs
beschriebenen Steuereinrichtungen nach dem Stand der Technik.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass von einer
Steuereinrichtung der Verbraucher, etwa einem Fahrantriebsrechner
einer fahrbaren Arbeitsmaschine mit einem Hydrogetriebe, Leistungsanforderungen
erstellt werden, die zur Ermittlung einer optimalen Soll-Drehzahl
herangezogen werden. Diese Leistungsanforderungen können
beispielsweise aus einem Signal bestehen, das über die Betätigung
eines Fahrpedals oder Steuerhebels durch den Bediener der Arbeitsmaschine
von dem Fahrantriebsrechner erzeugt wird. Dieses Signal, das dem
Befehl „Beschleunigen” oder „Gasgeben” entspricht,
wird in der Steuereinrichtung im Sinne einer Lasterhöhung
an der Abtriebswelle verarbeitet. Die Steuereinrichtung berechnet
hierauf die erforderliche optimale Soll-Drehzahl und wirkt entsprechend
auf das Motorsteuergerät ein.
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Bei
den Antriebssystemen mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb eines
Hydrogetriebes nach dem Stand der Technik ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors üblicherweise
fest vorgegeben. Die Steuerung nach der Erfindung hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Drehzahl variabel vorgebbar ist und dass eine
Optimierung automatisch erfolgt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann nach Anspruch 5 darin
bestehen, dass die Übersetzung eines vom Verbrennungsmotor
angetriebenen Hydrogetriebes ebenfalls verändert wird, wenn
die Drehzahl des Verbrennungsmotors in erfindungsgemäßer
Weise verändert wird. Hierdurch ist es möglich
dem vom Bediener oder Fahrer der Arbeitsmaschine mit Hydrogetriebe
vorgegebenen Wunsch nach einer bestimmten Geschwindigkeit beim Fahren
oder Arbeiten Rechnung zu tragen. Die gewünschte Geschwindigkeit,
welche durch entsprechende Betätigung des Fahrpedals oder
anderer Eingabeelemente im Bedienfeld der Arbeitsmaschine vorgegeben
ist, wird bei Veränderung der Motordrehzahl dadurch konstant
und auf dem gewünschten Wert gehalten, dass die Übersetzung
des Getriebes entsprechend angepasst wird. Die Anpassung erfolgt automatisch über
den hierfür programmierten Fahrantriebsrechner, der hierfür
den Verstellwinkel der Hydropumpe und/oder des Hydromotors derart
vorgibt, dass die geforderte Geschwindigkeit erreicht wird.
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Zur
Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird im Hinblick
auf eine Arbeitsmaschine zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen, dass eine
Schnittstelle zwischen dem Motorsteuergerät des Dieselmotors und
dem Fahrantriebsrechner des Hydrogetriebes, bestehend aus Verstellpumpe
und Konstantmotor bzw. Verstellmotor, vorhanden ist, über
welche die aktuelle Drehzahl des Dieselmotors und der zugehörige
Auslastungsgrad an den Fahrantriebsrechner übermittelbar
sind.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass alle oder
mehrere der zuvor genannten getrennten elektronischen Rechner, wie
der Rechner des Motorsteuergeräts und der Solldrehzahlrechner oder
der Fahrantriebsrechner in einer Recheneinheit zusammengefasst sind,
die in der Lage ist sämtliche Rechenfunktionen zur Durchführung
des Verfahrens auszuführen. Diese Recheneinheit umfasst
selbstverständlich auch Speicher für die zu berücksichtigenden
Kennlinienfelder des Verbrennungsmotors und gegebenenfalls der von
ihm angetriebenen Hydromaschine und von deren Komponenten. Bei einer Arbeitsmaschine
mit Hydroantrieb, der über einen Fahrantriebsrechner gesteuert
ist, ist der Solldrehzahlrechner bevorzugt in den Fahrantriebsrechner
integriert und über dem CAN-Bus mit dem Motorsteuergerät
des Dieselmotors verbunden.
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Die
Erfindung wird anschließend an Hand von Ausführungsbeispielen,
die in den Figuren dargestellt sind, noch näher erläutert.
Es zeigen:
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1 Ein
Blockschaltbild eines Dieselmotors mit einer elektronisch geregelten
Einspritzanlage und einer erfindungsgemäßen Steuerung
der Drehzahl
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2 ein
weiteres Blockschaltbild eines Dieselmotors mit einer erfindungsgemäßen
Steuerung der Drehzahl unter Berücksichtigung der Leistungsanforderungen
von angeschlossenen Zusatzeinrichtungen;
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3 ein
typisches Kennlinienfeld eines Dieselmotors;
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4 Die
schematische Darstellung eines Antriebssystems für eine
fahrbare Arbeitsmaschine mit einem Dieselmotor und einer Hydromaschine
bei dem die erfindungsgemäße Steuerung durchführbar ist;
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5 ein
Blockschaltbild zum Aufbau einer erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung
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In 1 ist
ein Blockschaltbild eines Verbrennungsmotors gezeigt, der bevorzugt
als Dieselmotor 2 mit einer Einspritzpumpe 3 ausgebildet
ist. Die Einspritzung des Kraftstoffs wird über ein Motorsteuergerät 4 elektronisch
geregelt und erfolgt nach Maßgabe einer erfindungsgemäßen
Steuerung der Drehzahl, wozu ein Solldrehzahlgenerator 50 vorgesehen
ist. Der Solldrehzahlgenerator 50 ist ein elektronischer
Rechner, dessen Funktion in der Ermittlung und Vorgabe einer optimierten
Drehzahl für den Dieselmotor 2 besteht, wie noch
erläutert wird. Als Solldrehzahlgenerator 50 kann
beispielsweise der Fahrantriebsrechner 15 einer fahrbaren
Arbeitsmaschine eingesetzt werden, wie in den 2 und 4 gezeigt
ist. Er kann jedoch auch als Teil des Motorsteuergeräts 4 oder
als eigener Rechner ausgebildet sein. Das Motorsteuergerät 4 verfügt über
einen Drehzahlsensor 5 zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl,
der nach 1 und 2 beispielsweise an
der Abtriebswelle 9 des Dieselmotors 2 angeordnet
sein kann. Es verfügt auch über eine Einrichtung zur
Ermittlung des Auslastungsgrades, die durch hier nicht gezeigte
Sensoren, etwa für die Leistung oder das Drehmoment des
Dieselmotors 2, und den Rechner des Motorsteuergeräts 4 realisiert
sein kann. Beide Daten werden vom Motorsteuergerät 4 als
entsprechende Drehzahl- bzw. Auslastungsgradsignale ständig
bereitgestellt. Dies ist bei Dieselmotoren moderner Bauart Stand
der Technik und den Fachmann bekannt, so dass hierzu keine weiteren
Erläuterungen erforderlich sind. Das Auslastungsgradsignal und
das Drehzahlsignal und werden über Leitungen 6,
die auch durch einen Datenbus 7 realisiert sein können,
an den Solldrehzahlgenerator 50 bzw. einen Fahrantriebsrechner 15 übermittelt.
Der Solldrehzahlgenerator 50 kommuniziert seinerseits über
die Leitungen 6 oder einen Bus 7 mit dem Motorsteuergerät 4 und überträgt
diesem Signale, welche das Motorsteuergerät 4 dazu
veranlassen, die Einspritzung von Kraftstoff derart zu steuern,
dass eine vom Solldrehzahlgenerator 50 vorgegebene Drehzahl
erreicht wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren wird bei einem Verbrennungsmotor,
einem Dieselmotor 2 mit elektronischer Regelung der Einspritzpumpe 3 mit der
in 1 gezeigten Steuereinrichtung derart realisiert,
dass der aktuelle Auslastungsgrad des Dieselmotors 2 und
die aktuelle Drehzahl an den Solldrehzahlgenerator 50 bzw.
den Fahrantriebsrechner 15, übermittelt wird.
Der Solldrehzahlgenerator 50 bzw. der Fahrantriebsrechner 15 bewertet
den Auslastungsgrad anhand von in seinem Rechner gespeicherten Kennfeldern
des Dieselmotors 2 und vergleicht diesen mit dem bei der
gegeben Drehzahl maximal möglichen Wert. Wird hierbei festgestellt,
dass ein höherer Auslastungsgrad möglich ist,
so wird anhand der Kenndaten des Dieselmotors 2 eine Drehzahl
bestimmt, bei welcher der Auslastungsgrad bei gegebener Leistungsabgabe
des Dieselmotors 2 einen optimalen Wert hat. Dieser Wert
der Drehzahl wird dann als Sollwert der Drehzahl, kurz Solldrehzahl,
an das Motorsteuergerät 4 übertragen,
worauf diese die Einspritzpumpe 3 derart ansteuert, dass
die aktuelle Drehzahl der Solldrehzahl entspricht. Bei Veränderung
der Dieselmotordrehzahl kann auch die Übersetzung des Hydrogetriebes
der Arbeitsmaschine durch den Fahrantriebsrechner 15 gleichzeitig
angepasst werden, um dem Wunsch nach einer konstanten Fahrgeschwindigkeit
Rechnung zu tragen.
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Unter
dem optimalen Wert der Drehzahl ist zu verstehen, dass ein solcher
Wert der Drehzahl ermittelt wird, bei dem der Auslastungsgrad des
Dieselmotors 2 bei der geforderten Leistung einen besonders
hohen Wert hat. Dieser Wert kann im einfachsten Fall ein Maximalwert
des Auslastungsgrades bei der gegebenen Drehzahl sein. Bei der Ermittlung
dieses Werts können auch weitere Betriebsparameter des
Dieselmotors 2 von Bedeutung sein und können im
Rahmen der Erfindung zur Festlegung der Solldrehzahl herangezogen
werden. Solche drehzahlabhängigen Betriebsparameter können
beispielsweise der Treibstoffverbrauch, der Wirkungsgrad oder die Emission
von Geräusch oder von Schadstoffen sein. Entsprechende
Kennfelder sind gegebenenfalls nach der Erfindung im Solldrehzahlgenerator 50 bzw.
im Rechner 15a des Fahrantriebsrechners 15 gespeichert
und können somit von diesem berücksichtigt werden.
In diesem Fall ist es möglich, dass die ermittelte Solldrehzahl
nicht zu einem Maximalwert des Auslastungsgrades führt,
sonder das der vorgegebene Auslastungsgrad darunter liegt. Dennoch
liegt eine optimale Solldrehzahl in dem Sinne vor, dass der Betrieb
des Dieselmotors 2 in einem hinsichtlich aller Parameter
gewichteten optimalen Bereich erfolgt. Hierfür erforderliche
mathematische Verfahren zur mehrdimensionalen Optimierung von Parametern sind
dem Fachmann geläufig; sie werden deshalb hier nicht weiter
erläutert
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Bei Änderung
der an der Abtriebswelle 9 des Dieselmotors 2 anliegenden
Last, etwa durch Auftreten einer Steigung im Fahrweg eines vom Dieselmotor 2 angetriebenen
Fahrzeugs, ändern sich auch der Auslastungsgrad und die
Drehzahl des Dieselmotors 2. Dies wird vom Motorsteuergerät 4 erfasst,
welches die entsprechend geänderten Drehzahl- und Auslastungsgradsignale
an den Solldrehzahlgenerator 50 bzw. an den Fahrantriebsrechner 15 übermittelt.
Dieser berechnet auf die geänderten Signale hin eine neue
Solldrehzahl und teilt diese dem Motorsteuergerät 4 mit,
welches die entsprechende Anpassung der Drehzahl veranlasst. Analog
wird bei einer Verringerung der Last verfahren, etwa beim Bergabrollen eines
Fahrzeugs, was sich in einer Erniedrigung des Auslastungsgrades äußert.
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Die 2 zeigt
ein Blochschaltbild zur Erläuterung einer Abwandlung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der Solldrehzahlgenerator 50 nicht
autark ist, sondern mit einer äußeren Datenquelle
verbunden ist. Diese Datenquelle, die nach der Erfindung der eigentliche
Fahrantriebsrechner 15 einer von einem Dieselmotor 2 angetriebenen
fahrbaren Arbeitsmaschine sein kann, wie es in 5 gezeigt
ist, ist über elektrische Leitungen 7a mit dem Solldrehzahlgenerator 50 verbunden.
Diese Leitungen 7a können hierbei ebenfalls Teil
eines Datenbusses 7 sein, der bevorzugt als üblicher
CAN-Bus (Controller Area Network) ausgebildet ist. Über
diese Leitungen 7a oder den Bus 7 können
dem Solldrehzahlgenerator 40 Daten übermittelt
werden, die etwa eine durch Betätigung eines Bedienelements
erzeugte Leistungsanforderung betrifft. Derartige Signale werden
beispielsweise über die Niederdrückung eines Fahrpedals
oder Hebels 17 im Sinne von „Gasgeben” hervorgerufen
und zunächst dem Fahrantriebsrechner 15 übermittelt.
Dieser berechnet hieraus die zu erwartende Laständerung
und gibt diese als Lastanforderungssignal an den Solldrehzahlgenerator 50. Dieser
berechnet hieraus die zu erwartende Änderung des Auslastungsgrades
und die zugehörige optimale Solldrehzahl und veranlasst über
das Motorsteuergerät 4 die entsprechende Anpassung
der Drehzahl und damit des Auslastungsgrades des Dieselmotors 2. Ähnliche
Signale können natürlich auch durch das Zuschalten
oder Abschalten von Arbeitgeräten 13 erzeugt werden,
deren primäre Energiequelle durch den Dieselmotor 2 gegeben
ist. Beispiele hierfür sind etwa hydraulische Antriebe
für Radladerschaufeln, Hubgerüste für
Gabelstapler oder Kranfunktionen.
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Bei
einer Ausbildung der Steuereinrichtung nach 2 ist auch
vorgesehen, dass der Solldrehzahlgenerator 50 die ermittelte
Solldrehzahl auch dem Rechner 15a des Fahrantriebrechners 15 zur Verfügung
stellt. Dieser ist somit in die Lage gesetzt, die Betriebsparameter
der von ihm gesteuerten Arbeitsmaschine entsprechend anzupassen.
Dies kann beispielsweise die Steuerung der Fördermenge
einer Verstellpumpe 11 und/oder des Schluckvolumens eines
hydraulischen Verstellmotors 12 sein.
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Die 3 zeigt
ein schematisches Kennfeld 30 eines Dieselmotors 2,
in dem die Zusammenhänge und Abhängigkeiten zwischen
verschiedenen Betriebsparametern dargestellt sind. Gezeigt ist hier das
vom Motor abgegebene Drehmoment M in Abhängigkeit von der
Drehzahl n sowie Kurven minimalen Treibstoffverbrauchs und die Leistungsabgabe als
Funktion der Drehzahl. Gezeigt ist auch die Volllastkennlinie des
Dieselmotors 2 und die Linie minimalen Kraftstoffverbrauchs.
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Weitere
Parameter, die hier nicht dargestellt sind, könnten der
Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und dessen drehzahlabhängige
Geräusch- und Schadstoffemissionen sein. Weiterhin können
im Speicher 28 des Fahrantriebsrechners 15 weitere Kenndaten,
wie maximal zulässige Drehzahlen oder Treibstoffmengen
abgelegt sein, welche den Betriebsbereich des Dieselmotors 2 beeinflussen
oder beschränken können. Desgleichen können
auch Kenndaten des Hydrogetriebes 10 und von Arbeitsgeräten 13,
die ebenfalls vom Verbrennungsmotor direkt oder indirekt betrieben
werden im Speicher 28 eingegeben werden und somit abrufbar
sein. Alle diese Daten können somit bei der Berechnung
eines lastabhängigen optimalen Betriebspunkts des Verbrennungsmotors
berücksichtigt werden. Bei der Berechnung der Sollwerte
ist jedoch der Auslastungsgrad des Verbrennungsmotors stets der
Parameter mit dem größten Gewicht, da ein hoher
Auslastungsgrad bei einer gegebenen Drehzahl einen anzustrebenden
besonders günstigen Treibstoffverbrauch ergibt.
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Die 4 zeigt
in schematischer Darstellung ein Antriebssystem 1 für
eine fahrbare Arbeitsmaschine 1 oder ein sonstiges Nutzfahrzeug
mit Dieselmotor 2 und Hydrogetriebe, hier als Antrieb für
eine Hydromaschine 10, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren
anwendbar ist. Der Dieselmotor 2 ist mit einem elektronischen
Einspritzsystem versehen, das eine Einspritzpumpe 3 für
den Kraftstoff aufweist, die von einem Motorsteuergerät 4 angesteuert
wird. Das Motorsteuergerät 4 ist über
elektrische Leitungen 6, 6a mit dem Einspritzsystem
sowie mit einem Drehzahlsensor 5 verbunden, der hier an
der Abtriebswelle 9 des Dieselmotors 2 angeordnet
ist. Das Motorsteuergerät 4 ist auch mit einem
bidirektionalen Datenbus 7 verbunden, wobei die Leitungen 6 und 6a ebenfalls
Teil des Datenbusses 7 sein können. Als Datenbus 7 ist
bevorzugt ein CAN-Bus (Controller Area Network) einsetzbar. Der
zum üblichen Lieferumfang eines Dieselmotors 2 moderner
Bauart gehörende Datenbus 7 des Motorsteuergeräts 4 verfügt über
eine Schnittstelle 8, die bevorzugt als Steckverbindung
ausgeführt ist. An dieser Schnittstelle sind bestimmte
Signale und Daten, die von dem Motorsteuergerät 4 ermittelt
werden, an weitere Steuereinheiten, wie den Fahrantriebsrechner 15 der
Hydromaschine 10 ausgebbar. Sie sind über zugehörige Leitungen 7a,
die ebenfalls als Teil des Datenbusses 7 sein können,
an den Fahrantriebsrechner 15 übermittelbar. Nach
der Erfindung betreffen die übermittelten Daten die Drehzahl
und den Auslastungsgrad des Dieselmotors 2. Über
den Datenbus 7 und die Leitungen 7a kann der Fahrantriebsrechner 15 auch mit
dem Motorsteuergerät 4 kommunizieren und bei Bedarf
auf dieses einwirken, wie noch erläutert wird.
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Die
von dem Dieselmotor 2 mittels dessen Abtriebswelle 9 angetriebene
Hydromaschine 10 weist eine Verstellpumpe 11 auf,
deren Fördervolumen über eine elektrisch ansteuerbare
Pumpenverstelleinrichtung 20 einstellbar ist. Die Verstellpumpe 11 fördert
das Druckfluid über Leitungen 18, 18a zu bzw.
von einem Hydromotor, der hier als Verstellmotor 12 ausgebildet
ist. Der Verstellmotor kann jedoch im Rahmen der Erfindung durch
einen Konstantmotor ersetzt werden. Die Verstellung erfolgt hierbei über
eine elektrisch ansteuerbare Motorverstelleinrichtung 21,
welche das Schluckvolumen des Verstellmotors 12 nach Maßgabe
von Anweisungen des Fahrantriebsrechners 15 steuert. Der
Fahrantriebsrechner 15 ist zu diesem Zweck programmiert
und über elektrische Leitungen 19 bzw. 19a mit
der Pumpenverstelleinrichtung 20 und der Motorverstelleinrichtung 21 verbunden.
Die Abtriebswelle des Verstellmotors 12 ist mit der hier
als Antriebswelle 14 eines Arbeitsgeräts 13 dargestellten
Verbrauchers gekoppelt. Bei dem Verbraucher kann es sich im Rahmen
der Erfindung sowohl um ein Getriebe handeln, welches die Räder
eines Fahrantriebs antreibt, als auch um Arbeitsgeräte 13 im
eigentlichen Sinne, wie Schaufeln von Radladern oder Seiltrommeln
von Kränen oder Baggern. Selbstverständlich liegen auch
Kombinationen beider Arten, also Fahrantriebe und Arbeitsgeräte
in Form einer fahrbaren Arbeitsmaschine, im Rahmen der Erfindung.
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Der
Fahrantriebsrechner 15 weist mehrere Eingänge
auf, die zum einen von den Bedienelementen 16 der Hydromaschine 10 ausgehen
und hier als verschwenkbarer Fahrhebel 17 dargestellt sind.
Die Bedienelemente können ein hier nicht gezeigtes Fahrpedal 17a umfassen
und sind über eine oder mehrere Leitungen 7b mit
dem Fahrantriebsrechner 15 verbunden. Auch diese Leitungen 7b,
von denen nur eine in 1 gezeigt ist, können
bevorzugt Teil des Datenbusses 7 sein. An dieser Stelle
sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren eingezeichneten
Funktionselemente sowie die elektrischen Leitungen und Verbindungen
nur beispielhaft und schematisch dargestellt sind und dass sie in
der Praxis auf vielfache Weise realisiert sein können.
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Die 5 zeigt
ein Blockschaltbild eines Ausschnitts einer Steuerung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Steuerung wird
nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im
Fahrantriebsrechner 15 implementiert und bedient sich der
dort vorhandenen Funktionselemente, wie einem elektronischen Rechner 15a mit Datenspeichern 28 und
Eingabe- sowie Ausgabevorrichtungen für elektrische Signale,
wie Bedienelemente 16, die hier symbolisch als Fahrpedal 17 dargestellt
sind. Diese Signale umfassen ein Signal für Fahranforderungen 37 und
ein Leistungsbedarfvorschausignal 38, die vom Bediener
der Arbeitsmaschine über die Bedienelemente 16 vorgegeben
werden, ein Signal bezüglich des Auslastungsgrads 39 vom Motorsteuergerät 4 des
Dieselmotors 2, sowie eine hieraus ermittelte Leistungsanforderung 40.
Diese Signale können sowohl in digitaler als auch in analoger
Form vorliegen, je nach den Gegebenheiten oder Anforderungen der
sie abgebenden oder empfangenden Komponenten oder Baugruppen.
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Die 5 zeigt
ein Bedienelement, hier beispielhaft als Fahrpedal 17a dargestellt,
einen Rechner 15b für die Ermittlung eines Leistungsbedarfs, der
eine Leistungsanforderung 40 ermittelt und der als Eingangsgrößen
sowohl ein Signal 39 des Motorsteuergeräts 4 über
den aktuellen Auslastungsgrad und die aktuelle Drehzahl des Dieselmotors 2 sowie ein
Signal vom Bedienelement 16, 17, 17a über
den geforderten Leistungsbedarf erhält. In der Steuerung ist
auch ein Speicher 28 enthalten, in welchem verschiedene
Motorkennfelder 30 gespeichert sind, auf welche der Rechner 15, 15b der
Steuerung beliebig zugreifen kann. Diese Kennfelder 30 können
sowohl den Verbrennungsmotor, den Dieselmotor 2, betreffen
als auch die Hydromaschine 10, die ihrerseits Fahrantriebe
sowie weitere Arbeitsgeräte 13 umfassen kann,
wie dies anhand der 1 erläutert ist. Die Kennfelder 30 (s. 3)
enthalten Daten und Abhängigkeiten von verschiedenen Parametern
der Motoren und Antriebe, wie Drehzahl n, Drehmoment M, Leistung,
Wirkungsgrad, Treibstoffverbrauch, Geräusch- und Schadstoffemission
etc. Der eigentliche Fahrantriebsrechner 15, 15a verwertet
die ihm von den einzelnen Eingabeelementen 17, 17a bzw. Rechnern 15, 15b und
Speichern an ihn übermittelten Daten und gibt als Reaktion
hierauf Sollwerte an die verschiedenen Steuerelemente des Antriebssystems
aus. Diese Steuerelemente sind zum einen das Motorsteuergerät 4,
dem ein Drehzahlsollwert 42 für die vom Verbrennungsmotor,
dem Dieselmotor 2, zu erreichende Drehzahl vorgegeben wird,
zum anderen können dies auch Sollwerte 43, 44 für
die Hydropumpe 11 und/oder den Hydromotor 12 sein,
wie in 4 schematisch gezeigt ist. Bei der üblichen
Ansteuerung von Verstellpumpen 11 und Verstellmotoren 12 über
Schwenkscheiben gibt der Fahrantriebsrechner 15 einen Sollwert
für den Schwenkwinkel und damit das Fördervolumen
der Verstellpumpe 11 und/oder einen Sollwert für
den Verstellwinkel und damit das Schluckvolumen des Verstellmotors 12 aus.
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Nach 5 bewirkt
eine Betätigung des Fahrpedals 17a oder eines
sonstigen Bedienelements 16, wie der in 5 gezeigte
Bedienhebel 17, die Erzeugung von Signalen, die einer Veränderung des
zuvor vorliegenden Zustands veranlassen sollen. Dies entspricht
etwa dem „Gasgeben” mittels des Fahrpedals 17a.
Diese Signale geben einerseits eine Fahranforderung 37 an
den Rechner 15a des Fahrantriebs 15 und andererseits
an einen weiteren Rechner 15b, und übermitteln
diesem einen zukünftigen Leistungsbedarf 38, der
vom Rechner 15b in eine Leistungsanforderung 40 umgesetzt
wird. Die Leistungsanforderung 40 wird unter Berücksichtigung
von Kenndaten des Verbrennungsmotors, wie Linien gleicher Leistung 34,
Linie maximalen Drehmoments 35, oder Linie des besten Drehmomentwirkungsgrads 36,
die in einem Speicher 28 oder Speicherbereich des Fahrantriebsrechners 15 in Form
von mehrdimensionalen Motorkennfeldern 30 abgelegt sind,
sowie eventuell weitern Kennfeldern, welche relevante Kenndaten
des vom Verbrennungsmotor angetriebenen Hydrogetriebes 10 oder
von angeschlossenen Arbeitsgeräten 13 betreffen,
in eine Drehzahlanforderung 41 umgewandelt und dem Rechner 15a des
Fahrantriebsrechners 15 übermittelt. Dieser Rechner 15a erzeugt
hieraus die Sollwerte für die Motordrehzahl, den Drehzahlsollwert 42 des Verbrennungsmotors
sowie die Vorgaben für Schwenkwinkel für die Verstellpumpe 11 und
den Verstellmotor 12, als Pumpensollwert 43 bzw.
Motorsollwert 44.
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Es
versteht sich, dass der Rechner 15b ein Teil des Rechners 15 des
Fahrantriebs sein kann und nicht als eigener Rechner ausgebildet
sein muss. Er kann auch im Rahmen der Erfindung als Teil des Motorsteuergeräts 4 sein,
wie auch mehrere oder sämtliche Rechner, die zur Durchführung
des Verfahrens erforderlich sind, in einem einzigen Rechner mit
entsprechender Kapazität und Programmierung zusammen gefasst
sein können. Die Beschreibung anhand von mehreren Rechnern
erfolgt hier lediglich beispielhaft und ist weder zwingend noch
als beschränkend zu sehen.
-
- 1
- Antriebssystem
für eine Arbeitsmaschine
- 2
- Dieselmotor
- 3
- Einspritzpumpe
- 4
- Motorsteuergerät
- 5
- Drehzahlsensor
- 6
- elektrische
Leitungen
- 7
- Datenbus
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Abtriebswelle
des Dieselmotors
- 10
- Hydromaschine
- 11
- Hydropumpe
- 12
- Fahrantrieb
- 13
- Arbeitsgerät
- 14
- Antriebswelle
des Arbeitsgeräts
- 15
- Fahrantriebsrechner
- 15a,
15b
- Rechner
- 16
- Bedienelemente
- 17
- Fahrpedal/Hebel
- 18,
18a
- Leitungen
für Druckfluid
- 19,
19a
- elektrische
Leitungen
- 20
- Pumpenverstelleinrichtung
- 21
- Motorverstelleinrichtung
- 28
- Speicher
für Kennfelder
- 30
- Kennlinienfeld
- M
- Drehmoment
- n
- Drehzahl
- 34
- Linien
gleicher Leistung
- 35
- Linie
maximalen Drehmoments
- 36
- Linie
des besten Drehmoment-Wirkungsgrades
- 37
- Fahranforderungen
- 38
- Leistungsbedarfvorschausignal
- 39
- Auslastungsgrad
vom Motorsteuergerät
- 40
- Leistungsanforderung
- 41
- Drehzahlanforderung
- 42
- Drehzahlsollwert
- 43
- Pumpensollwert
- 44
- Motorsollwert
- 50
- Solidrehzahlgenerator
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/147375
A1 [0002]
- - WO 2007/127370 A1 [0003]
- - DE 102006017792 A1 [0004]