DE19623794A1 - Verfahren zur Grenzlastregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Grenzlastregelung einer aus einem Verbren­ nungsmotor und einer an diesen angeschlossenen hydrostatischen Antriebsgruppe bestehenden Antriebseinheit, bei dem die Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe bei einer Überlastung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Abweichung des Drehzahlistwertes von einem beliebig einstellbaren Drehzahlsoll­ wert reduziert wird.

Derartige Verfahren zur Grenzlastregelung sind bekannt und beispielsweise in der DE-OS 39 11 706 beschrieben. Eine Grenzlastregelung ist bei gattungsgemäßen An­ triebseinheiten vorgesehen, um einerseits die höchstmögliche Leistung des Verbren­ nungsmotors auszunutzen und andererseits diesen vor einer Überlastung zu schützen. Hierzu überwacht die Grenzlastregelung die Leistungsaufnahme der an den Verbren­ nungsmotor an geschlossenen hydrostatischen Antriebsgruppe durch einen Vergleich des Drehzahlistwertes des Verbrennungsmotors und einem beliebig einstellbaren Drehzahlsollwert. Bei einem Absinken des Drehzahlistwertes unter den eingestellten Drehzahlsollwert reduziert die Grenzlastregelung die Leistungsaufnahme der hydrosta­ tischen Antriebsgruppe, z. B. durch die Abgabe eines die Einstellung der hydrostati­ schen Antriebsgruppe verändernden Signals an eine Steuereinheit, so daß die Lei­ stungsabgabe des Verbrennungsmotors nicht überschritten wird und somit der Dreh­ zahlistwert dem Drehzahlsollwert entspricht.

Für den ordnungsgemäßen Betrieb einer derartigen elektronischen Grenzlastregelung ist somit die Erfassung des Drehzahlistwertes und des Drehzahlsollwertes des Ver­ brennungsmotors nötig.

Hierbei kann eine Messung des Drehzahlistwertes auf einfache Weise z. B. mit einem Drehzahlsensor an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors oder einem mit dieser in Verbindung stehendem Bauelement der hydrostatischen Antriebsgruppe erfolgen. Die Erfassung des Drehzahlsollwertes ist dagegen wesentlich aufwendiger.

Hierzu ist es bekannt, die Stellung der Einspritzpumpe, insbesonders die Stellung des Einspritzpumpenhebels abzutasten. Die Winkelstellung dieses Hebels stellt ein Maß für den willkürlich eingestellten Drehzahlsollwert des Verbrennungsmotors dar. Diese Winkelstellung kann durch ein geeignetes Meßglied erfaßt werden. Beispielsweise kann die Stellung des Einspritzpumpenhebels durch einen Winkelsensor, eine Umlen­ kungsmechanik in Verbindung mit einem Wegsensor oder ein zur Ansteuerung des Hebels eingesetztes Stellglied erfaßt werden. Aus dem Ausgangssignal des entspre­ chendem Sensors oder der Ansteuergröße des Stellglieds kann der Drehzahlsollwert ermittelt werden. Die Erfassung des willkürlich eingestellten Drehzahlsollwertes mittels dieser Bauelemente ist jedoch mit einem hohen Bauaufwand verbunden. Aus diesem Grund sind Systeme bekannt, bei denen aufgrund des hohen Aufwands auf die Erfas­ sung des Drehzahlsollwertes verzichtet wird. Hierbei wird aus den Schwankungen des Drehzahlistwertes während eines Lastspiels des Verbrennungsmotors der höchste sich einstellende Drehzahlistwert als der eingestellte Drehzahlsollwert angenommen und für eine weitere Grenzlastregelung verwendet. Dieser sich einstellende höchste Dreh­ zahlistwert ist jedoch nur mit dem vorgegebenen Drehzahlsollwert identisch, wenn am Verbrennungsmotor bei einer gewünschten Drehzahlsollwertänderung gerade kein Lastzustand anliegt.

Bei einer fahrenden Arbeitsmaschine, z. B. einem Bagger, ist es durchaus gefordert, den Drehzahlsollwert des Verbrennungsmotors auch während eines Lastzustandes, z. B. beim Befahren einer langen Steigung, anzuheben. Bei der oben beschriebenen Grenzlastregelung, bei der kein Meßglied zur Erfassung des Drehzahlsollwertes vor­ gesehen ist, wird sich in einem kurzen Zeitraum kein Entlastungszustand am Motor einstellen, bei dem der Drehzahlistwert dem veränderten Drehzahlsollwert entspricht. Der vom Fahrer der Arbeitsmaschine neu eingestellte, höhere Drehzahlsollwert wird während eines Lastzustandes im Schwankungsbereich des Drehzahlistwertes daher nicht erreicht. Von der Grenzlastregelung wird somit nicht der tatsächlich eingestellte Drehzahlsollwert, sondern der höchste sich einstellende Drehzahlistwert als Sollwert für die Regelung angenommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Grenzlast­ regelung einer aus einem Verbrennungsmotor und einer an diesen angeschlossenen hydrostatischen Antriebsgruppe bestehenden Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, bei dem der beliebig einstellbare Drehzahlsollwert des Verbrennungsmotors zu jedem gewünschten Zeitpunkt ermittelt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Einstellorgan zur Vor­ gabe eines Drehzahlsollwertes betätigt und zur Ermittlung des eingestellten Drehzahl­ sollwertes die hydrostatische Antriebsgruppe in Richtung auf eine geringere Lei­ stungsaufnahme verstellt wird, daraufhin die Veränderung des Drehzahlistwertes ge­ messen und der eingestellte Drehzahlsollwert aus der Änderung der Drehzahlsteigung des Drehzahlistwertes von der Leistungskennlinie auf die Leerlaufabregelkennlinie des Verbrennungsmotors ermittelt wird.

Zur Ermittlung des Drehzahlsollwertes wird erfindungsgemäß die Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe kurzzeitig reduziert, wodurch der Drehzahlistwert des Verbrennungsmotors ansteigt bzw. abfällt und den eingestellten Drehzahlsollwert erreicht. Dieser Drehzahlsollwert stellt den Knickpunkt zwischen der Leistungskennlinie und der Leerlaufabregelkennlinie des Verbrennungsmotors dar. Der Drehzahlistwert des Verbrennungsmotors durchläuft bei der Reduzierung der Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe die Leistungskennlinie des Verbrennungsmotors und gelangt in den Drehzahlbereich der Leerlaufabregelkennlinie. Hierbei kann aus dem Verlauf des Drehzahlistwertes des Verbrennungsmotor der eingestellte Drehzahlsoll­ wert ermittelt werden, indem die Änderung der Steigung des Drehzahlistwertes am Übergang von der Leistungskennlinie auf die Leerlaufabregelkennlinie ermittelt wird. Durch das Zurücknehmen der Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe wird somit auch bei einer Drehzahlsollwertverstellung während eines Lastzustandes am Verbrennungsmotor die Ermittlung des neu eingestellten Drehzahlsollwertes er­ möglicht. Dieser Drehzahlsollwert kann gemessen, beispielsweise digital abgespei­ chert und für die folgende Grenzlastregelung verwendet werden. Es wird sich somit nach einer Drehzahlsollwertverstellung auch während eines Lastzustands in kurzer Zeit ein Entlastungszustand am Verbrennungsmotor einstellen, bei dem der Drehzahl­ istwert dem veränderten Drehzahlsollwert entspricht.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Kraftfluß der Antriebseinheit für einen kurzen Zeitraum gestört wird, ist es vorteilhaft, die Ermittlung des Drehzahlsollwertes nur durchzuführen, wenn eine Drehzahlsollwertänderung vorgenommen wird. Hierzu ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß bei einer durch das Einstel­ lorgan willkürlich ausgelösten Drehzahlsollwertverstellung der Drehzahlsollwert ermit­ telt wird. Das Betätigungselement für die willkürliche Drehzahlverstellung kann hierzu beispielsweise derart ausgebildet sein, daß bei jeder Betätigung ein Signal erzeugt wird, welches der Grenzlastregelung eine stattfindende Drehzahlverstellung meldet und somit die Ermittlung des Drehzahlsollwertes auslöst. Dieses Signal kann z. B. von einem Knopfschalter an einem Betätigungshebel für die Drehzahlverstellung gebildet werden, wobei der Knopfschalter automatisch oder von einer Bedienperson manuell beim Betätigen ausgelöst werden kann.

Bei einer willkürlichen Absenkung des Drehzahlsollwertes des Verbrennungsmotors wird auch der Drehzahlistwert absinken. Die Grenzlastregelung reagiert auf dieses Absinken des Drehzahlistwertes durch ein Zurücknehmen der Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe, um den von der Grenzlastregelung angenommenen Belastungszustand auszugleichen und den Verbrennungsmotor zu entlasten. Dies hat bei einer fahrenden Arbeitsmaschine zur Folge, daß die Geschwindigkeit der Arbeits­ maschine zurückgenommen wird und diese unter Umständen zum Stillstand kommt.

Um dieses Betriebsverhalten zu verhindern, ist in einer weiteren Ausgestaltung der Er­ findung vorgesehen, daß bei einer willkürlich vorgenommenen Drehzahlsollwertverstel­ lung, in der der Drehzahlregelbereich der Grenzlastregelung von dem Drehzahlistwert unterschritten wird, die Regelcharakteristik der Grenzlastregelung verändert wird, in­ dem die hydrostatische Antriebsgruppe linear zum Drehzahlistwert des Verbren­ nungsmotors angesteuert wird. Senkt z. B. der Fahrer einer Arbeitsmaschine den Drehzahlsollwert des Verbrennungsmotors so weit ab, daß der Drehzahlsollwert und damit auch der Drehzahlistwert den üblichen, von der Grenzlastregelung eingehalte­ nen Drehzahlregelbereich unterschreitet, wird dieser Vorgang als eine manuelle Ver­ stellung von der Grenzlastregelung erkannt und die Regelcharakteristik verändert. Hierzu genügt es, den Drehzahlistwert meßtechnisch zur erfassen und aus dem Ver­ lauf des Drehzahlistwertes den Unterschied zwischen den normalen Schwankungen innerhalb des Regelbereichs und dem Unterschreiten des minimalen Drehzahlwertes des Regelbereichs zu ermitteln. Die Änderung der Regelcharakteristik bei einer Unter­ schreitung des Drehzahlregelbereichs verhindert hierbei ein Zurückschwenken der hy­ drostatischen Antriebsgruppe auf Nullförderung und somit den Stillstand des Fahr­ zeugs. Eine hierzu geeignete Regelcharakteristik ist die der automotiven Verstellung. Hierbei wird die hydrostatische Antriebseinheit linear zur Drehzahl des Verbrennungs­ motors angesteuert. Die Ansteuerung kann beispielsweise so gewählt werden, daß bei der unteren Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors die hydrostatische Antriebsein­ heit auf Nullförderung eingestellt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße Grenzlastregelung bei einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor mit einer elektronischen Einspritzanla­ ge zu verwenden, da diese Einspritzanlage kein mechanisches Drehzahleinstellorgan aufweist, das es den bekannten Grenzlastregelungen ermöglicht, den Drehzahlsollwert auf bekannte Weise mit einem entsprechenden Meßglied zu erfassen. Durch den Ein­ satz der Erfindung kann somit auch hier der eingestellte Drehzahlsollwert ermittelt werden.

Von Vorteil ist es weiterhin, die erfinderische Grenzlastregelung bei Antriebseinheiten mit einer geringen Anforderung an die Dynamik hinsichtlich einer Drehzahl- oder Last­ änderung einzusetzen. Der geänderte Drehzahlsollwert kann somit beispielsweise bei Baggern, Betonpumpen oder stationären Antriebseinheiten ohne große Zeitverzöge­ rung auch während eines Lastzustandes unter Verzicht auf ein zusätzliches Meßglied ermittelt werden.

Die Erfindung soll anhand der Figur in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert wer­ den.

In der Figur sind auf der Abszisse die Drehzahl eines Dieselmotors und auf der Ordina­ te die Leistungskennlinie 1 des Dieselmotors und die Leistungskennlinien 2 und 6 einer verstellbaren Hydropumpe einer an den Dieselmotor angeschlossenen hydrostatischen Antriebsgruppe, sowie eine durch eine Steuerung erzeugte Leistungskennlinie 6 einer Hydropumpe aufgetragen.

Im Bereich niedriger Drehzahlen ist der Dieselmotor auf eine untere Leerlaufdrehzahl n_UL eingestellt, um ein Absinken der Drehzahl unter diesen Wert zu verhindern und somit ein Stehenbleiben des Motors zu vermeiden. Die Leistung des Dieselmotors steigt von der unteren Leerlaufdrehzahl entsprechend der Leistungskennlinie 1, z. B. der dargestellten Vollastkennlinie, bis zur Nenndrehzahl n_N an. Oberhalb der Nenn­ drehzahl wird die Leistungsabgabe des Dieselmotors durch ein Zurücknehmen der Einspritzmenge entsprechend einer der Leerlaufabregelkennlinien 4 oder 5 reduziert, um zu verhindern, daß die Drehzahl des Motors die oberen Leerlaufdrehzahlen n_OL1 bzw. n_OL2 übersteigt und somit der Motor zerstört wird.

Bei einem Ausschwenken der Hydropumpe um den Winkel α₁ und somit auf die Lei­ stungskennlinie 2 sinkt die Drehzahl des Dieselmotors von der oberen Leerlaufdreh­ zahl auf einen Wert ab, bei dem die Leistungsabgabe des Dieselmotors der Leistungs­ aufnahme der Hydropumpe entspricht. Dieser Wert ergibt sich als Schnittpunkt der entsprechenden Leistungskennlinie 2 der Hydropumpe und der Leistungskennlinie 1 des Dieselmotors und wird, in diesem Fall, als Arbeitspunkt A1 bezeichnet.

Die Grenzlastregelung stabilisiert den am Dieselmotor eingestellten Drehzahlsollwert in einem Regelbereich, indem bei einer zunehmenden Belastung des Dieselmotors ein Absinken des Drehzahlistwertes unter der Drehzahlsollwert durch ein Zurückschwen­ ken der Hydropumpe verhindert wird.

Für die weitere Betrachtung wird angenommen, daß die Grenzlastregelung die Hydro­ pumpe entsprechend der von dem Dieselmotor geforderten Leistung auf den Arbeits­ punkt A1 eingestellt hat.

Bei einer irgendwie gearteten Drehzahländerung vom Arbeitspunkt A1 aus nach oben übersteigt bei einer gleichbleibenden Schwenkwinkeleinstellung der Hydropumpe ent­ sprechend der Leistungskennlinie 2 die Leistungsaufnahme der Hydropumpe das Lei­ stungsabgabevermögen des Dieselmotors. Bezüglich der Leistungskennlinie des Die­ selmotors und der Leistungskennlinie der Hydropumpe entsteht daher ein Bereich mit einem Leistungsdefizit am Dieselmotor.

Erfolgt eine irgendwie geartete Drehzahländerung vom Arbeitspunkt A1 aus nach un­ ten, gewinnt der Dieselmotor gegenüber der aufnehmbaren Leistung der Hydropumpe einen Leistungsüberschuß, bis er kurz vor Erreichen der unteren Leerlaufdrehzahl ab dem Arbeitspunkt A3 erneut in einen Bereich mit einem Leistungsdefizit gerät und ab­ gewürgt wird. Diese Bereiche, in denen am Dieselmotor ein Leistungsdefizit entsteht, sind in der Figur schraffiert gezeigt.

In diesen Fällen, in denen ein Leistungsdefizit am Dieselmotor entsteht, wird der nach einer Drehzahlsollwertverstellung eingestellte Drehzahlsollwert, beispielsweise die un­ tere Leerlaufdrehzahl n_UL oder die Nenndrehzahl n_N, von dem Drehzahlistwert des Dieselmotors nicht erreicht, so daß der tatsächlich eingestellte Drehzahlsollwert nicht aus dem Drehzahlistwert abgeleitet werden kann.

Durch ein stetiges Verstellen der Leistungsaufnahme der Hydropumpe in Richtung auf eine geringere Leistungsaufnahme, z. B. durch die Rücknahme des Schwenkwinkels der Hydropumpe auf den Wert α₂ entsprechend der Leistungskennlinie 6, kann der eingestellte Drehzahlsollwert jedoch ermittelt werden, indem der Verlauf des Drehzahl­ istwertes des Dieselmotors beobachtet wird.

Wird der Drehzahlsollwert ausgehend vom Arbeitspunkt A1 auf die Nenndrehzahl an­ gehoben, steigt der Drehzahlistwert des Dieselmotors bei einer geringen Rücknahme des Schwenkwinkels der Hydropumpe in Richtung der Leistungskennlinie 6 zuerst rasch bis zur Nenndrehzahl n_N an. Bei einer zunehmenden Rücknahme des Schwenk­ winkels auf den Wert α₂ steigt der Drehzahlistwert nur noch gering an, da der Arbeits­ punkt A2 als Schnittpunkt der Leistungskennlinie 6 der Hydropumpe und der Lei­ stungskennlinie 1 des Dieselmotors auf der Leerlaufabregelkennlinie 4 des Diesel­ motors zu liegen kommt.

Die Änderung der Drehzahlsteigung von der Leistungskennlinie 1 auf die Leerlaufab­ regelkennlinie 4, insbesonders die Unstetigkeit am Knickpunkt des eingestellten Dreh­ zahlsollwertes, in diesem Fall der Übergang von der Leistungskennlinie 1 auf die Leer­ laufabregelkennlinie 4 bei der Nenndrehzahl n_N, wird beim Zurückschwenken der Hy­ dropumpe von einer Steuerelektronik der Grenzlastregelung ermittelt. Mit der Kenntnis der Steigung der Leerlaufabregelkennlinie kann die obere Leerlaufdrehzahl bestimmt werden, die wiederum den eingestellten Drehzahlsollwert festlegt.

Der eingestellte Drehzahlsollwert wird hierbei umso genauer ermittelt, je größer die Änderung der Drehzahlsteigung von der Leistungskennlinie auf die Leerlaufabregel­ kennlinie und somit je größer die Steigung der Leerlaufabregelkennlinie ist, da in die­ sem Fall der Drehzahlistwert des Verbrennungsmotors auf der Leerlaufabregelkennli­ nie nur geringfügig ansteigen wird. Es kann somit der Drehzahlsollwert bei Verwen­ dung elektronischer Einspritzanlagen mit einer Abregelkennlinie 5 genauer ermittelt werden als bei Verwendung mechanischer Einspritzpumpen mit einer Abregelkennlinie 4.

Bei einer Zurücknahme des Drehzahlsollwerts vom Arbeitspunkt A1 in Richtung der unteren Leerlaufdrehzahl ändert die Grenzlastregelung die Regelcharakteristik, sobald der Drehzahlistwert den an der Grenzlastregelung eingestellten Drehzahlregelbereich unterschreitet, und steuert die Hydropumpe entsprechend der Leistungskennlinie 3 an. Der Schwenkwinkel der Hydropumpe wird hierbei linear zur Drehzahl des Dieselmotors verstellt. Die Leistungsaufnahme der Hydropumpe wird dabei so eingestellt, daß bei der unteren Leerlaufdrehzahl des Dieselmotors die Pumpe auf Nullförderung einge­ stellt ist.

Claims (3)

1. Verfahren zur Grenzlastregelung einer aus einem Verbrennungsmotor und einer an diesen angeschlossenen hydrostatischen Antriebsgruppe bestehenden An­ triebseinheit, bei dem die Leistungsaufnahme der hydrostatischen Antriebsgruppe bei einer Überlastung des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Abwei­ chung des Drehzahlistwertes von einem beliebig einstellbaren Drehzahlsollwert reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einstellorgan zur Vorgabe ei­ nes Drehzahlsollwerts betätigt und zur Ermittlung des eingestellten Drehzahlsoll­ wertes des Verbrennungsmotors die hydrostatische Antriebsgruppe in Richtung auf eine geringere Leistungsaufnahme verstellt wird, daraufhin die Veränderung des Drehzahlistwertes des Verbrennungsmotors gemessen und der eingestellte Drehzahlsollwert aus der Änderung der Drehzahlsteigung des Drehzahlistwertes von der Leistungskennlinie auf die Leerlaufabregelkennlinie des Verbrennungs­ motors ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer durch das Einstellorgan willkürlich ausgelösten Drehzahlsollwertverstellung der Drehzahl­ sollwert ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehzahlsollwertverstellung, in der der Drehzahlregelbereich des Grenzlastreglers vom Drehzahlistwert unterschritten wird, die hydrostatische Antriebseinheit linear zur Drehzahl des Verbrennungsmotors angesteuert wird.