DE3839462A1

DE3839462A1 - Antriebssystem mit stufenlos einstellbarer abtriebsuebersetzung

Info

Publication number: DE3839462A1
Application number: DE3839462A
Authority: DE
Inventors: Raimund Kottwitz; Michael Kaiser
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1988-11-23
Filing date: 1988-11-23
Publication date: 1990-05-31

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem und ein Verfah ren zum Regeln des Antriebssystems gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Aus dem Fahrzeugbau sind Antriebssysteme bekannt, die aus einer Brennkraftmaschine sowie einem nachgeschalteten Getriebe bestehen, von dessen Ausgangswelle die Antriebs räder des Fahrzeugs (Leistungssenke) angetrieben werden. Das Getriebe hat je nach Auslegung und Verwendung des Fahrzeugs eine Anzahl von Gängen, die mechanisch oder automatisch geschaltet werden können. Somit ändert sich zwangsläufig bei steigender oder fallender Ausgangsdreh zahl des Getriebes gleichzeitig entsprechend dem durch den jeweilig eingelegten Gang definierten Übersetzungsverhält nis die Ausgangsdrehzahl der Brennkraftmaschine. Somit werden entsprechend der vorgegebenen Getriebeabstufung die unterschiedlichsten Bereiche des Brennkraftmaschinen-Kenn feldes durchlaufen. Die Getriebeauslegung gibt dabei vor, ob das Brennkraftmaschinen-Kennfeld im Bereich eines gün stigen spezifischen Kraftstoffverbrauchs, eines hohen Drehmomentes, niedriger Geräuschemissionen, niedriger Abgasemissionen oder anderer Parameter durchlaufen wird. Daher stellt jede Getriebeauslegung in Bezug zu einem vorgegebenen Kennfeld einer Brennkraftmaschine einen mehr oder weniger schlechten Kompromiß dar. In bestimmten Ein satzfällen ein und derselben Antriebseinheit kann nämlich ein günstiger spezifischer Brennstoffverbrauch erwünscht sein, während in einem darauffolgenden Einsatzfall eine niedrige Abgasemission gewünscht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssy stem und ein Verfahren zum Regeln des Antriebssystems bereitzustellen, mit dem die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird von dem Antriebssystem gemäß Patentan spruch 1 dadurch gelöst, daß die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der vom System: Getriebe-Leistungssenke angeforderten Leistung regelbar ist. Somit bestimmt nicht die Brennkraftmaschine die von dem Getriebe abgegebene Leistung sondern das Getriebe fordert eine Leistung an. Damit können aber Kennlinien gleicher Leistung entsprechend der Anforderung im Kennfeld der Brennkraftmaschine angefahren werden und dementspre chend gewünschte Betriebspunkte der Brennkraftmaschine eingestellt werden.

Gemäß dem Verfahrensanspruch ist ein Steuersystem vorge sehen, das zufolge einer Leistungsanforderung des Systems: Getriebe-Leistungssenke die Leistungsabgabe der Brenn kraftmaschine derart regelt, daß die von der Brennkraftma schine abzugebende Leistung nach vorgebbaren Anforderungen im Kennfeld der Brennkraftmaschine einstellbar ist. Da die Leistung bekanntlich aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl bestimmt ist, läßt sich somit eine Leistungsände rung durch Änderung der Drehzahl bei gleichbleibendem Moment oder umgekehrt oder aber auch bei sich gleichzeitig änderndem Moment und ändernder Drehzahl einstellen.

In Weiterbildung des Verfahrens läßt sich die vom Getriebe angeforderte Leistung im Getriebe auf ein gewünschtes Moment und eine gewünschte Drehzahl einstellen. Auf diese Weise wird der Regelvorgang insgesamt vereinfacht, da nur die Informationen über die Leistung an die Brennkraftma schine weitergeleitet bzw. von dem Steuersystem verarbei tet werden muß. Das Steuersystem sucht dann entsprechend der vorgegebenen Randbedingungen die entsprechend günstig ste Drehzahl mit dem entsprechenden Drehmoment aus dem Kennfeld der Brennkraftmaschine heraus.

Gemäß vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Steuersystem in ein Brennkraftmaschinenregelsystem und ein Getrieberegelsystem unterteilt. Dadurch lassen sich aufga benteilig Antriebsaufgaben lösen. Die Brennkraftmaschine optimiert ihre Betriebsbedingungen, während eine weitere Elektronik das Verhalten des gesamten Systems: Getriebe-Leistungssenke optimieren kann.

Die in den weiteren abhängigen Patentansprüchen angegebe nen Merkmale stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar. In der Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Antriebssystems mit dem erfindungsgemäßen Steuersystem,

Fig. 2 ein Beispiel für einen möglichen Regelvor gang.

Der Block A des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1 ist Brenn kraftmaschine und Block B das Getriebe der Antriebsein heit. Block C beinhaltet das Brennkraftmaschinen-Regel system, während Block D das Getriebe-Regelsystem beher bergt. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise eine selbstzündende Brennkraftmaschine, deren Schwungrad 1 mittels einer Welle 2 mit dem Getriebe verbunden ist. Das Getriebe, das vorzugsweise ein stufenloses oder hydrau lisches Getriebe ist, weist einen Ausgang auf, der einen beliebigen Antrieb (Block B 1) für beispielsweise ein Fahr zeug, PKW, LKW, Zugfahrzeug, eine Maschine oder ein Gerät darstellt (Leistungssenke).

Die Brennkraftmaschine weist ein Brennstoffzumessungsorgan 3 auf, das im Falle einer selbstzündenden Brennkraftma schine eine Einspritzpumpe mit entsprechender Regeleinrich tung ist. Das Brennstoffzumessungsorgan 3 weist zumindest einen Regeleingang 4 auf, über den die der Brennkraftma schine zuzumessende Brennstoffmenge veränderbar ist. Wei terhin weist die Brennkraftmaschine ein Meßsystem 5 auf, das fortlaufend Signale über die zugemessene Brennstoff menge oder zu dessen Ermittlung geeignete Signale abgibt.

Die Erfindung geht von folgenden grundsätzlichen Gesetz mäßigkeiten, Überlegungen bzw. Gesetzmäßigkeiten aus:

Vorstehend ist beispielhaft ein Antriebsstrang mit zwei geregelten Arbeitskreisen (z. B. Heben und Schwenken) gezeigt.

P _x = Leistung, M _x = Moment, n _x = Drehzahl,
k _x = Übersetzung mit x = 0 = Brennkraftmaschine,
x = 1 = Kreis 1, x = 2 = Kreis 2

Es gilt: P₀ = P₁ + P₂ (+P _v) (1)

P _v = Verluste (werden bei der Betrachtung nicht berück sichtigt)

Daraus wird deutlich, daß ein derartiges System durch die Summenleistung P ₀ (Brennkraftmaschinenleistung) eindeu tig definiert ist. Erhält die Brennkraftmaschine gemäß dieser Erfindung eine Charakteristik, die es erlaubt, die Leistung einzustellen, so ist dem System (z. B. einem Hydraulikregler), das den Wert "Leistungsanforderung" vorgibt, die Summenleistung P ₀ bekannt.

Nun können z. B. die Übersetzungsverhältnisse bestimmt werden, indem die Brennkraftmaschinendrehzahl ermittelt wird. Damit ist auch M ₀ berechenbar.

Aus (1) folgt:

M₀*n₀ = M₁*n₁ + M₂*n₂ (2)

Zur Vermeidung von Brennkraftmaschinenüberlast ist eine Information über die Momentenreserve in der Brennkraftma schine erforderlich. Da die absolute Höhe des Brennkraft maschinenmomentes durch den Brennkraftmaschinenregler beeinflußbar bleiben soll, ist hier eine relative Angabe erforderlich.

M _res = M _max (n₀) - M _ist (n₀)/M _max (n₀) (3)

Die zum aktuellen Zeitpunkt tatsächlich vorhandene Momen tenreserve der Brennkraftmaschine bei der Brennkraftma schinendrehzahl n ₀ wird in Relation zum maximal mögli chen Moment der Brennkraftmaschine bei n ₀ gesetzt. Nä hert sich der Wert Null, so besteht die Gefahr von Insta bilität. Dieses Verfahren bedingt die Ablage des Momenten verlaufes in einem Speicher der Brennkraftmaschinenelek tronik.

Signalübersicht der Schnittstelle

Adaptive Ermittlung der Vollastlinie

Bei mechanischen Einspritzsystemen ist die Vollastbegren zung einstellbar. Die im Regler abgelegten Daten müssen mit der mechanischen Justierung übereinstimmen. Für den Service muß ein Verfahren gefunden werden, welches den mechanischen Abgleich in die Elektronik überträgt.

Es wird ein elektrischer Kontakt (Vollastkontakt) vorge schlagen, mit dessen Hilfe erkannt werden kann, wenn der mechanische Regler den Vollastanschlag erreicht. Damit ist exakt der Punkt für

M _res = 0 ermittelt.

Dieses digitale Schaltsignal des Vollastkontaktes kann für folgende Anwendungen verwendet werden:

- Grenzlastregelung
- Fahrerinformation
- Getriebe Schaltinformation
- Service/Justierung
- Adaptive Ermittlung der Vollastlinie

Ein selbstlernendes, adaptives System erhält bei der Brennkraftmaschinenmontage einen Grunddatensatz. Mit Hilfe des Vollastkontaktes wird dabei bei laufender Brennkraft maschine ein individueller Abgleich vorgenommen. Damit kann ein analoges Signal "Momentenreserve" ausgegeben werden, das auch Korrekturen an der mechanischen Einstel lung ausgleicht.

Eine Brennkraftmaschine vergleicht dieses Signal bei be stimmten Drehzahlen und geschlossenem Kontakt mit den abgespeicherten Daten. Eine Korrektur kann erfolgen, wenn diese Werte mit einem geeignetem Algorithmus gesichert sind.

Eine weitere Methode beobachtet die maximale Regelstangen positionen und erkennt neue Höchstwerte. Diese Werte kön nen dann ebenfalls wie oben dargestellt verwendet werden.

Das Brennkraftmaschinen-Regelsystem ist wie folgt aufge baut:

Das Brennkraftmaschinen-Regelsystem beinhaltet einen Po sitions/Mengen-Regler 6, dessen Ausgang auf den Regelein gang 4 der Brennkraftmaschine geschaltet ist und das Brennstoffzumessungsorgan 3 beherrscht. Anzumerken ist, daß der Ausgang des Positions/Mengen-Reglers bei Bedarf auch zusätzlich zu dem Brennstoffzumessungsorgan 3 bei spielsweise eine Ventilsteuerung der Brennkraftmaschine beeinflussen kann.

Die Brennkraftmaschine liefert mittels eines Meßsystems 5 ein Signal, das geeignet ist, die verbrauchte Kraftstoff menge zu ermitteln. Dieses ist auf den Eingang des Posi tions/Mengen-Reglers 6 und auf den Eingang eines Speichers 7 geschaltet. Im dem Speicher 7 ist das Kennfeld des Brennkraftmaschinenwirkungsgrades als Funktion des Regel weges und der Drehzahl der Brennkraftmaschine abgespei chert. Das aktuelle Drehzahlsignal wird dem Speicher 7 von einem Sensor 8 übermittelt, der die Drehzahl der Welle 2 mißt. Das Drehzahlsignal wird weiterhin einem Drehzahlreg ler 9, einem Integrator 10, einem Multiplikator 11 sowie einem Vergleicher 12 zugeführt. Der Drehzahlregler 9 steuert die Brennkraftmaschine in ihrer Drehzahl abhängig vom Zustand eines Leistungsregelkreises 13. Ist zum Bei spiel die geforderte Leistung zu gering, so erhöht Dreh zahlregler 9 die Drehzahlanforderung. Das Moment erhöht sich bis entweder die gewünschte Leistung erreicht wird, oder entlang der Vollastkurve der Brennkraftmaschine ent sprechend beschleunigt wird.

Die Leistung, die augenblicklich von der Brennkraftma schine abgegeben wird, wird errechnet mit dem Multiplika tor 11 aus dem Brennkraftmaschinenmoment und der Drehzahl. Dabei wird die augenblicklich abgegebene Leistung ständig mit der von der Abtriebsseite geforderten Leistung ver glichen. Zusätzlich aber ermittelt das Brennkraftma schinen-Regelsystem im Kennfeld 14 eine zu dieser Leistung optimale Drehzahl und führt über den Integrator 10 dem Leistungsregelkreis 13 solange eine Zusatzleistung zur Beschleunigung oder Verzögerung zu, bis sich die für die sen Arbeitspunkt günstigste Drehzahl eingestellt hat. Das Kennfeld 14, in dem also die optimale Drehzahl für eine Leistung abgelegt ist, kann entsprechend den geforderten Randbedingungen eingestellt werden, so daß günstiger Ver brauch, günstige Abgasemissionen oder andere Parameter für die Auswahl der Drehzahl dienen.

Dem Getriebe-Regelsystem wird eine Information über die augenblickliche Momentenreserve 16 vom Ausgang der Be rechnungs- und Speicherstufe 12 sowie ein Signal 17 der Brennkraftmaschinendrehzahl vom Ausgang des Normierungs gliedes 15 übermittelt. Zugeführt wird dem Brennkraftma schinen-Regelsystem eine Information über die vom System: Getriebe-Leistungssenke angeforderte Brennkraftmaschinen leistung 18.

In Fig. 2 ist über der Drehzahl und dem Brennkraftma schinen-Moment die Vollastkurve der Brennkraftmaschine aufgetragen. Am Beispiel einer Beschleunigung wird die Arbeitsweise der Erfindung erläutert. Der augenblickliche Arbeitspunkt der Brennkraftmaschine liege bei I. Durch die erhöhte Anforderung seitens des Getriebes bzw. der Lei stungssenke erhöht sich das Brennkraftmaschinen-Moment bis II. Da hier die Mengenbegrenzung des Brennstoffzumessungs organs 3 erreicht ist, kann eine weitere Erhöhung der Leistung nur über die Beschleunigung der Brennkraftma schine zum Punkt III erreicht werden. Dies ist die jetzt aktuell angeforderte Brennkraftmaschinenleistung. Der Integrator 10 läßt nun die Brennkraftmaschine zum optima len Betriebspunkt IV entlang der Leistungshyperbel drif ten. Dabei setzt das Getriebe fortwährend die eingehende konstante Leistung bei sich aber ändernder Drehzahl und sich änderndem Moment in eine gewünschte konstante Dreh zahl und ein sich dementsprechend ergebendes konstantes Moment um.

Insgesamt sind drei Zeitbereiche zu definieren:

1. Reaktionszeit auf Sollwertänderungen.
Diese wird im wesentlichen durch die Verzögerungen des Brennstoffzumessungsorgans 3 bestimmt. Bei Magnetventilen entspricht dies dem Abstand zweier Einspritzungen, für Regelstangensysteme ca. 50 bis 100 ms., bei Stellmotoren 0,1 s bis 0,5 s. Das bedeutet, daß in diesen Zeiträumen das Brennkraft maschinenmoment seinen vollen Wertebereich durch laufen kann.
2. Die Beschleunigungszeit.
Ist für eine Veränderung der Leistung eine Drehzahländerung erforderlich, so wirken die Schwungmassen im gesamten primären Arbeitskreis als Verzögerung.
3. Die Zeitkonstante zur Drehzahleinstellung.
Ein Integrator führt die Motordrehzahl an den optimalen Arbeitspunkt. Er muß so ausgelegt sein, daß die dadurch bedingte Störung durch die Regelung auf der Abtriebsseite sicher beherrscht wird. Das "Fließen" der Drehzahl darf auch für den Fahrer nicht unangenehm sein.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß es mit der vorlie genden Erfindung ohne Einschränkung des Arbeitsbereiches der Brennkraftmaschine möglich ist, kontinuierlich auf einer optimalen Regellinie zu arbeiten, die je nach Anfor derung beispielsweise verbrauchs-, lebensdauer-, geräusch optimal verlaufen kann.

Eine Leistungsanforderung vom System: Getriebe-Leistungs senke erhöht direkt die Kraftstoffmenge. Eine hohe Dynamik kann erreicht werden, wenn dynamische Signale (z. B. dn/dt) aufgeschaltet werden.

Die Bildung des Signals "Leistungsanforderung" kann auf verschiedenartige Weise erfolgen und muß letztendlich auf Grund einer Analyse der Antriebsaufgabe erfolgen. Üblich ist das Verfahren, daß ein Fahrer einen "Fahrhebel" mehr oder weniger betätigt, um ein gewünschtes Arbeitsergebnis zu erreichen. Bisher aber war die Brennkraftmaschinencha rakteristik nicht frei definierbar, so daß sich je nach Brennkraftmaschinentyp unterschiedliches Verhalten ergab. Es liegt daher nahe, den Fahrerwunsch als Leistungsanfor derung zu definieren.

Sind bestimmte Arbeiten unabhängig vom Fahrerwillen zu erledigen, so muß die Leistungsanforderung elektronisch ermittelt werden. Hier ist eine bekannte, konstante Abnah meleistung zu nennen, die als Konstante zu oder wegge schaltet wird. Ist ein Regelkreis vorhanden, so kann die Regelabweichung ein Maß liefern, auf Grund dessen die Leistung erhöht oder verringert wird. Liegen höhere Anfor derungen an die Regelgenauigkeit vor, erfolgt eine Lei stungsmessung oder Berechnung der Leistung (z. B. Druck- und Drehzahlmessung , wenn die Regelabweichung zu Null werden soll.

Wird die Sollwertvorgabe und das Zuschalten der Hydraulik last zeitlich gesteuert, kann die Systembeschleunigung optimiert werden.

Es wird eine Regellinie (kein Bereich) definiert abgelegt, die ständig integral angestrebt wird. Dadurch sind die Brennkraftmaschinenarbeitspunkte über der Drehzahl im statistischen Mittel bekannt.

Das Drehzahlregler-Verhalten betreffend den P-Grad kann bis gegen Null gehen.

Auf der Hydraulikseite ist die Summenleistung an Hand des Sollwertes abschätzbar.

Es ergibt sich die Möglichkeit, die aktuelle Leistung im Hydraulikkreis abzuschätzen (keine Druckmessung!) und zur Kontrolle des Arbeitsergebnisses zu verwenden.

Die brennkraftmaschinenspezifischen Daten, wie die Regel linie sind nur im Brennkraftmaschinenregelsystem abgelegt.

Claims

1. Antriebssystem, zumindest bestehend aus einer Brennkraftmaschine sowie zumindest einem Getriebe und einem Verbraucher (Leistungssenke), wobei die Ausgangs drehzahlen und Ausgangsdrehmomente der Brennkraftma schine und des Getriebes änderbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der vom System: Getriebe-Leistungssenke angeforderten Leistung (18) regel bar ist und wobei das Getriebe die Leistung (18) in ein gewünschtes Drehzahl-Drehmoment-Verhältnis umsetzt.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsdrehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der vom System: Getriebe-Leistungssenke angeforderten Leistung (18) regel bar ist, wobei die Drehzahlregelung der Brennkraftmaschine zumindest in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine erfolgt.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmoment der Brenn kraftmaschine in Abhängigkeit von der vom System: Getriebe-Leistungssenke angeforderten Leistung (18) regel bar ist, wobei die Momentenregelung der Brennkraftmaschine zumindest in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine erfolgt.

4. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe ein feinstufiges, stufenloses oder hydraulisches Getriebe ist.

5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Brennkraftma schine und das Getriebe Betriebsdaten an ein Steuersystem übermitteln und das Steuersystem aus den übermittelten Betriebsdaten Regelwerte zur Regelung der Brennkraftma schine herleitet und entsprechend den Regelwerten die Brennkraftmaschine regelt.

6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem in ein Brenn kraftmaschinen-Regelsystem und ein Getriebe-Regelsystem unterteilt ist.

7. Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brennkraftmaschinen-Regel system Informationen über die vom System: Getriebe-Lei stungssenke angeforderte Leistung (18) sowie über die von der Brennkraftmaschine augenblicklich abgegebene Leistung zugeführt werden.

8. Antriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die augenblicklich abgegebene Leistung aus einem Drehzahlsignal und einem Brennstoff-Zu messungssignal ermittelt wird.

9. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkraftmaschinen-Regel system Signale zum Verstellen eines Brennstoff-Zumessungs organs (3) abgibt und dem Getriebe-Regelsystem Informatio nen über die Brennkraftmaschinen-Ausgangsdrehzahl (17) und die augenblicklich verfügbare Momentenreserve (16) über mittelt.

10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennkraftmaschinen-Regel system zumindest einen Speicher (7) aufweist, in dem das Kennfeld der Brennkraftmaschine abspeicherbar ist.

11. Verfahren zum Regeln der von einer Brennkraftma schine abzugebenden Leistung bei sich ändernden Leistungs anforderungen eines der Brennkraftmaschine nachgeschalte ten Systems: Getriebe-Leistungssenke, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuersystem zufolge einer Leistungsanforderung des Systems: Getriebe-Leistungssenke die Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine derart regelt, daß die von der Brennkraftmaschine abzugebende Leistung nach vorgebbaren Anforderungen im Kennfeld der Brennkraft maschine in ein entsprechendes Drehzahl-Drehmoment- Verhältnis eingestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Brennkraftmaschine abzugebende Leistung von dem Getriebe in ein gewünschtes Moment und eine gewünschte Drehzahl entsprechend der Lei stungsanforderung umgesetzt wird.