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Technisches
Gebiet
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Diese
Offenbarung bezieht sich allgemein auf kontinuierlich variable Antriebssysteme (CVT-Systeme,
CVT = continuously variable transmission) und insbesondere auf ein
System und ein Verfahren zur Verstärkung von Leistung in einem kontinuierlich
variablen Antrieb (CVT).
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Hintergrund
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Viele
angetriebene Fahrzeuge und Arbeitsmaschinen, insbesondere Erdbewegungsmaschinen,
verwenden ein kontinuierlich variables Getriebe bzw. einen kontinuierlich
variablen Antrieb (CVT = continuously variable transmission), um
Räder oder Raupen
anzutreiben, die das Fahrzeug oder die Arbeitsmaschine antreiben.
Ein kontinuierlich variabler Antrieb liefert eine unbegrenzte Anzahl
von Getriebeübersetzungen
bzw. Antriebsübersetzungen,
um eine Ausgabe mit irgendeiner Drehzahl in seinem Betriebsbereich
zu erzeugen. Ein Beispiel eines kontinuierlich variablen Antriebs
ist ein hydrostatisches Getriebe, das aus einer Hydraulikpumpe mit
variabler Drehzahl und einen Hydraulikmotor besteht. Ein Beispiel
eines solchen hydrostatischen Antriebs bzw. Getriebes ist offenbart
in den US-Patenten 6 385 970 und 6 424 902 von Kuras u. A.. Die
Drehzahlausgabe eines solchen Getriebes kann kontinuierlich durch Steuerung
der Verdrängung
der Hydraulikpumpe variiert werden.
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Ein
anderes Beispiel eines kontinuierlich variablen Antriebs sind ein
Elektromotor und ein Inverter, wie diese in elektrischen Hybrid-Systemen
verwendet werden, wie beispielsweise in Hybrid-Elektroautos. Ein
elektrisches Hybrid-System
weist im Allgemeinen einen Verbrennungsmotor auf, der mechanisch
angekoppelt ist, um einen elektrischen Generator anzutreiben, der
elektrische Leistung erzeugt. Die Leistung vom elektrischen Generator
wird dann von einem Elektromotor verbraucht. Ein Inverter enthält die Leistungs elektronik,
die die Ausgangsdrehzahl und das Ausgangsdrehmoment des Elektromotors steuert – somit
wird die Antriebsübersetzung
elektronisch durch den Inverter eingestellt. Der Elektromotor liefert
Drehmoment zum Antrieb einer Last, wie beispielsweise der Räder oder
der Raupen einer angetriebenen Maschine. Elektrische Hybrid-Systeme können in
einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise
bei Automobilen, bei Erdbewegungsmaschinen oder bei anderen Maschinen.
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Ein
Problem, welches bei kontinuierlich variablen Antriebssystemen auftritt,
ist, dass die Trägheit des
Motors (hydraulisch oder elektrisch) und der assoziierten Systemkomponenten
ziemlich groß sein kann.
Wenn die Trägheit
groß ist,
ist das Beschleunigungsansprechen des Motors begrenzt. Anders gesagt,
wenn die Trägheit
groß ist,
wird es schwierig sein, den Motor schnell zu beschleunigen, außer wenn
der Motor ausreichend leistungsfähig
ist. Ein begrenztes Motorbeschleunigungsansprechen kann inakzeptabel
sein, insbesondere bei gewissen Anwendungen, wie beispielsweise
Baumaschinen, wie Radlader oder Arbeitstraktoren, die von dem kontinuierlich
variablen Antriebssystem angetrieben werden. Mehr Leistung kann
für den
Motor einfach dadurch vorgesehen werden, dass man einen leistungsfähigeren
Motor und Generator einbaut. Dies ist jedoch oft nicht wünschenswert,
weil ein leistungsfähigerer Motor
auch größer und
schwerer sein kann und ein weniger effizientes System zur Folge
hat.
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US 6 726 594 von Mizuno
offenbart ein Steuersystem für
ein Fahrzeug. Eine Steuervorrichtung detektiert, ob eine Beschleunigung
eines Fahrzeugs angefordert wird. Wenn eine Beschleunigung angefordert
wird, wird eine letztendliche Ziel- bzw. Soll-Motorausgangsleistung
basierend auf der Gaspedalposition und der Fahrzeuggeschwindigkeit
berechnet. Die Motordrehzahl, bei der die Ziel- bzw. Soll-Ausgangsleistung
mit dem minimalen Brennstoffverbrauch erzeugt werden kann, wird
berechnet. Ein Ziel-Motordrehmoment wird basierend auf der Ziel-Motorausgangsleistung
und der Motordrehzahl berechnet. Ein transienter Betriebspunkt wird
dann durch Berechnung von Bereichen des Motordrehmomentes und der
Motordrehzahl bestimmt, die in einer vor bestimmten Zeit erreicht
werden können.
Die Steuervorrichtung steuert dann die Drehzahlübersetzung eines kontinuierlich
variablen Getriebes, um den Motor am transienten Betriebspunkt zu
betreiben.
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Die
Steuerung der Drehzahlübersetzung
eines kontinuierlich variablen Antriebs kann nicht ausreichend Beschleunigung
liefern, wenn die Rate des Brennstoffverbrauches im Motor nicht
gesteigert wird, um die Motorleistungsausgabe zu vergrößern. Was
benötigt
wird, sind ein System und ein Verfahren zur Verbesserung der Motorbeschleunigung
in einem kontinuierlich variablen Antriebssystem, ohne den Einbau
eines größeren Motors
zu erfordern. Was weiter benötigt
wird, sind ein System und ein Verfahren zur Verstärkung von
Leistung für
einen Motor in einem kontinuierlich variablen Antriebssystem, ohne den
Motor zu beschädigen.
Das offenbarte System ist darauf gerichtet, eine oder mehrere der
existierenden Notwendigkeiten in der Industrie zu erfüllen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt des offenbarten Systems ist ein Verfahren vorgesehen, um
Leistung bei einem kontinuierlich variablen Getriebe bzw. kontinuierlich
variablen Antrieb mit einem Motor zu verstärken. Der kontinuierlich variable
Antrieb wird durch einen Motor angetrieben. Das Verfahren weist
auf, dass selektiv eine Leistungsausgabe des Motors über einem
stetigen Leistungsausgabe-Nenn-Bereich des Motors einzustellen,
wenn die Beschleunigung des Motors einen Beschleunigungsschwellenwert überschreitet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt des offenbarten Systems ist ein Verfahren zur Verstärkung von Leistung
für einen
kontinuierlich variablen Antrieb mit einem Motor vorgesehen. Der
kontinuierlich variable Antrieb wird von einem Motor angetrieben.
Das Verfahren weist auf, eine Beschleunigung des Motors zu bestimmen.
Eine Leistungsverstärkungskarte
bzw. ein Leistungsverstärkungskennfeld
wird ausgewählt, wenn
die Beschleunigung einen Beschleunigungsschwellenwert überschreitet,
und eine Grundlinienkarte 1 wird zu anderen Zeitpunkten ausgewählt. Die Leistungsverstärkungskarte
und die Grundlinienkarte stellen die Motorleistungsausgabe als eine
Funktion der Motordrehzahl dar. Eine Drehzahl des Motors wird abgefühlt, und
zumindest ein Parameter des Motors wird eingestellt, um die Verbrennungsrate
des Brennstoffes im Motor zu steuern, um eine Motorleistungsausgabe
gemäß der ausgewählten Karte
bei der abgefühlten
Motordrehzahl vorzusehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des offenbarten Systems ist ein Verfahren zur Verstärkung von Leistung
bei einem kontinuierlich variablen Antrieb mit einem Motor vorgesehen.
Der kontinuierlich variable Antrieb wird von einem Motor angetrieben.
Das Verfahren weist auf, eine Beschleunigung des Motors zu bestimmen.
Eine erste Motorunterdrehzahlschwelle wird ausgewählt, wenn
die Beschleunigung einen Beschleunigungsschwellenwert überschreitet. Eine
zweite Motorunterdrehzahlschwelle wird zu anderen Zeiten ausgewählt. Eine
Drehzahl des Motors wird abgefühlt,
und zumindest ein Parameter des Motors wird eingestellt, um die
Rate der Brennstoffverbrennung im Motor zu steuern, um eine Motorleistungsausgabe
gemäß einer
Motorleistungskarte vorzusehen, wobei die Motorleistungskarte die
Motorleistungsausgabe als eine Funktion der Motordrehzahl darstellt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt des offenbarten Systems ist ein kontinuierlich variables
Antriebssystem vorgesehen, welches einen Motor und ein kontinuierlich
variables Getriebe bzw. einen kontinuierlich variablen Antrieb aufweist,
der von dem Motor angetrieben wird. Der kontinuierlich variable
Antrieb weist einen Motor auf. Eine Steuervorrichtung ist betreibbar,
um selektiv eine Leistungsausgabe des Motors über einer stetigen Leistungsausgabe-Nenn-Leistung des Motors
einzustellen, wenn die Beschleunigung des Motors einen Beschleunigungsschwellenwert überschreitet.
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Kurze
Beschreibung der Zeichnungen
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1 bildet
ein Blockdiagramm ab, welches ein elektrisches Hybrid-System gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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2 bildet
ein Flussdiagramm ab, welches ein Schema zur Verstärkung von
Leistung in einem kontinuierlich variablen Getriebe gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
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3 bildet
ein Beispiel einer Leistungsverstärkungskarte und einer Grundlinienkarte
bzw. eines Grundlinienkennfeldes ab;
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4 bildet
ein Flussdiagramm ab, welches ein alternatives Schema zur Verstärkung von
Leistung für
einen kontinuierlich variablen Antrieb gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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5 bildet
eine integrierte Leistungsverstärkungskarte
ab, die die Motorleistung gegenüber der
Motordrehzahl gemäß einem
beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Offenbarung zeigt;
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6A bildet
eine Simulation ab, die die Motordrehzahl mit der Zeit während einer
Motorbeschleunigung unter Verwendung der Karten bzw. Kennfelder
für die
Grundlinie, für
die Leistungsverstärkung
und die integriertre Leistungsverstärkung zeigt;
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6B bildet
eine Simulation ab, die eine Brutto-Motorleistung mit der Zeit während der
Motorbeschleunigung zeigt, und zwar unter Verwendung der Karten
bzw. Kennfelder für
die Grundlinie, für
die Leistungsverstärkung
und die integriertre Leistungsverstärkung;
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6C bildet
eine Simulation ab, die die Netto-Motorleistung gegenüber der
Zeit unter Verwendung der Motorkarten bzw. Kennfelder für die Grundlinie,
die Leistungsverstärkung
und die integriertre Leistungsverstärkung zeigt; und
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6D bildet
eine Simulation ab, die die tatsächliche
Motordrehzahl gegenüber
der Zeit während
der Motorbeschleunigung unter Verwendung von Motorkarten bzw. Motor
Kennfelder für
die Grundlinie, die Leistungsverstärkung und die integriertre
Leistungsverstärkung
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung
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Es
wird nun im Detail Bezug auf die Zeichnungen genommen. Wo immer
es möglich
ist, werden die gleichen Bezugszeichen in den gesamten Zeichnungen
verwendet, um sich auf die selben oder die gleichen Teile zu beziehen.
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1 veranschaulicht
einen beispielhaften kontinuierlich variablen Antrieb, wie in einem
elektrischen Hybrid-System verkörpert.
Ein Verbrennungsmotor 12 ist mechanisch mit einem elektrischen
Generator 14 gekoppelt. Der Generator 14 liefert
elektrische Leistung an einen Gleichstrombus 18 über eine Leistungselektronik 16.
Der Gleichstrombus 18 kann mit einer Energiespeichervorrichtung 30 gekoppelt sein,
wie beispielsweise mit einer Batterie. Der Gleichstrombus 18 kann
auch elektrische Leistung zu Zusatzeinrichtungen 28 liefern.
Der Gleichstrombus 18 kann auch elektrische Leistung zu
einem Widerstandsgitter 26 über eine Leistungselektronik 24 liefern.
Der Gleichstrombus 18 kann auch elektrische Leistung zu
einem Elektromotor 22 über
eine Leistungselektronik 20 liefern. Der Motor 22 liefert
ein Ausgangsdrehmoment zum Antrieb der Last 42. Die Last 42 kann
beispielsweise ein Satz von Rädern oder
Raupen in einem angetriebenen Fahrzeug sein. Der kontinuierlich
variable Antrieb weist dem Generator 14, die Leistungselektronik 16 und 20 und
den Motor 22 auf. Die Leistungselektroniken 16 und 20 werden
gesteuert, um die erwünschte
Ausgangsdrehzahl für
den Motor 22 zu liefern.
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Die
Motorsteuereinheit (ECU = engine control unit) 32 ist eine
Mikroprozessorsteuervorrichtung, die den Motor 12 steuert.
Die Motorsteuereinheit 32 kann eine Vielzahl von Motorparametern
steuern, wie beispielsweise die Brennstoffflussrate, den Zeitpunkt der
Brennstoffeinspritzung in die einzelnen Zylinder, die Drosselposition
und die Luftflussrate. Der Motordrehzahlsensor 34 fühlt die
Ausgangsdrehzahl des Motors 22 ab und liefert ein Signal,
welches die tatsächliche
Motordrehzahl anzeigt, an die Motorsteuereinheit 32. Der
Motordrehzahlsensor 40 fühlt die Ausgangsdrehzahl des
Motors 12 ab und liefert ein Signal, welches die Motordrehzahl
anzeigt, an die Mo torsteuereinheit 32. Eine Bedienereingabe 36 liefert
ein Bedienereingabesignal an die Motorsteuereinheit 32. Die
Bedienereingabe kann beispielsweise ein Beschleunigungspedal bzw.
Gaspedal sein. Ein Bediener kann das Gaspedal herunterdrücken, um
eine Steigerung der Drehzahl des Motors 22 anzufordern, was
die Geschwindigkeit der Maschine vergrößert.
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Das
vom Motor 22 erzeugte Drehmoment ist: Tmotor = Imotor α + TL wobei gilt:
- Tmotor
- = vom Motor erzeugtes
Drehmoment
- Imotor
- = Trägheit des
Motors
- α
- = Beschleunigung des
Motors
- TL
- = Lastdrehmoment
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Um
die Beschleunigung des Elektromotors 22 zu vergrößern, muss
mehr Drehmoment vom Motor 22 erzeugt werden. Dies erfordert,
das mehr Leistung zum Motor 22 vom Motor 12 über den
Generator 14 geliefert wird. Manche Motoren 12 können über ihrer
normalen Nenn-Leistungsausgabe für
relativ kurze oder intermittierende Zeitperioden arbeiten, ohne einen
Schaden am Motor zu verursachen. Beispielsweise kann ein Motor 12,
der eine Nenn-Ausgabe von 175 PS (Pferdestärken) während eines stetigen Betriebes
hat, mit bis zur 250 PS für
intermittierende Zeitperioden arbeiten können. Wenn es erwünscht ist,
den Motor 22 zu beschleunigen, kann somit der Motor 12 über seine
stetige Nenn-Leistungsausgabe während
der Motorbeschleunigungsperiode aufgeladenen werden. Da der Motor 22 typischerweise
nur für
eine relativ kurze Zeitperiode beschleunigen wird, wird der Motor 12 die
Ausgabe der gesteigerten Leistungsanforderung während der Beschleunigungsperiode
handhaben können.
Dies ermöglicht
die Verwendung eines kleineren Motors 12, wodurch ein größerer Wirkungsgrad
vorgesehen wird. Ein kleinerer Motor 12 kann verwendet
werden, weil der Motor 12 für den Motorbetrieb im stetigen
Zustand (ohne Beschleunigung) bemessen werden kann und nicht für einen
Motorbetrieb mit Beschleunigung bemessen werden muss. Wenn der Motor 12 für einen
beschleunigenden Motorbetrieb ausgelegt wäre, würde ein größerer Motor 12 benötigt werden.
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Der
Motor 22 sollte so bemessen sein, dass er die maximale
erwartete Belastung 42 als Leistung liefern kann. Die Leistungsausgabe
des Motors 22 genauso wie die elektrische Leistung, die
vom Motor 22 gezogen wird, werden zunehmen, wenn der Motor beschleunigt.
Beispielsweise kann ein Radlader eine Leistung von 150 Kilowatt
im stetigen Betrieb (ohne Beschleunigung) erfordern, und kann 200
Kilowatt Leistung erfordern, wenn der Motor beschleunigt. In einem
solchen Fall wird der Motor 200 Kilowatt liefern können müssen, um
den Radlader während
der Beschleunigung anzutreiben. Der Motor 12 kann jedoch bemessen
sein, um die 150 Kilowatt Leistung zu unterstützen, die vom Motor 22 während des
Betriebs im stetigen Zustand verwendet wird. Die Leistungsausgabe
des Motors 22 kann nur für die Beschleunigungsperiode
des Motors 22 aufgeladen bzw. gesteigert werden. Eine gesteigerte
Leistung kann an den Motor 22 vom Motor 12 über den
Generator 14 gemäß zwei alternativen
Schemata geliefert werden, die im Folgenden besprochen werden.
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Obwohl
ein elektrisches Hybrid-System 10 in 1 gezeigt
ist, wird verständlich
sein, dass das System und das Verfahren des Vorsehens einer Leistungsverstärkung, die
hier offenbart werden, auf andere Arten von kontinuierlich variablen
Antrieben angewandt werden kann, wie beispielsweise auf einen hydrostatischen
Antrieb. In einem solchen System ist der Motor 22 ein Hydraulikmotor.
Eine Hydraulikpumpe ist mit dem Motor 12 gekoppelt. Der
Hydraulikmotor 22 ist mit der Hydraulikpumpe gekoppelt.
Der Hydraulikmotor 22 treibt die Last 42 an. Die
Drehzahlausgabe des Hydraulikmotors 22 kann kontinuierlich durch
Steuerung der Verdrängung
der Hydraulikpumpe variiert werden.
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2 bildet
ein Flussdiagramm 100 ab, welches ein erstes Schema zum Liefern
von gesteigerter Leistung an den Motor 22 veranschaulicht.
Im Schritt 101 wird eine angeforderte Motordrehzahl ω bestimmt.
Die angeforderte Motordrehzahl ω kann
basierend auf dem Bedienereingabesignal bestimmt werden, welches
von der Bedienereingabe 36 empfangenen wird (1).
Beispielsweise könnte
das Ausmaß des
Herunterdrückens
eines Gaspedals verwendet werden, um die angeforderte Motordrehzahl ω zu bestimmen.
Im Schritt 102 wird die Beschleunigung α des Motors berechnet. Die Beschleunigung α kann basierend
auf der Veränderungsrate
der angeforderten Motordrehzahl oder basierend auf der Veränderungsrate
der tatsächlichen
(abgefühlten)
Motordrehzahl berechnet werden, wie sie vom Motordrehzahlsensor 34 gemessen
wird. Wenn die Beschleunigung α basierend
auf der Veränderungsrate der
angeforderten Motordrehzahl ω berechnet
wird, dann stellt die Beschleunigung α eine angeforderte oder vorhergesagte
Beschleunigung dar. Wenn beispielsweise die angeforderte Motordrehzahl ω 500 U/min
zum Zeitpunkt t1 und 600 U/min zum Zeitpunkt t2 ist, wird die angeforderte Beschleunigung α = (600-500)/(t2-t1) sein. Alternativ
kann die Beschleunigung α basierend
auf der tatsächlichen
(abgefühlten) Motorbeschleunigung,
anstatt basierend auf der angeforderten oder vorhergesagten Motorbeschleunigung
berechnet werden. Die tatsächliche
Motorbeschleunigung ist einfach die Veränderungsrate der abgefühlten Motordrehzahl
mit der Zeit.
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Im
Schritt 104 wird die Beschleunigung α mit einem Beschleunigungsschwellenwert
verglichen. Wenn die Beschleunigung α größer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist, dann wird im Schritt 108 eine Leistungsverstärkungsmotorkarte
ausgewählt. Wenn
die Beschleunigung α geringer
als der Beschleunigungsschwellenwert ist, dann wird im Schritt 106 eine
Grundlinienmotorkarte ausgewählt.
Im Schritt 110 wird der Motor gemäß der ausgewählten Karte
gesteuert. Der Beschleunigungsschwellenwert kann sogar Null sein.
In diesem Fall wird die Leistungsverstärkungskarte immer dann, wenn
der Motor 22 beschleunigt oder kurz davor ist, zu beschleunigen
(auf Grund einer Veränderung
des Bedienereingabesignals), ausgewählt werden, um die Leistungsausgabe
des Motors 12 zu steigern. Alternativ kann eine höhere Beschleunigungsschwelle
verwendet werden, so dass die Motorleistungskarte nur ausgewählt wird,
wenn erwünscht
ist, den Motor 22 aggressiv zu beschleunigen.
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3 veranschaulicht
ein Beispiel einer Leistungsverstärkungskarte 202 und
einer Grundlinienkarte 204. Beide Karten stellen die Motorausgangsleistung
als eine Funktion der Motordrehzahl dar. Diese Karten bzw. Kennfelder
können
in einer Speichervorrichtung enthalten sein, die von der Motorsteuereinheit 32 aufgerufen
werden kann. Die Motorsteuereinheit 32 steuert die Motorleistungsausgabe
basierend auf der ausgewählten
Karte 202 oder 204. Die Motorleistungsausgabe
basiert auf der Rate des Brennstoffverbrauches im Motor. Die Motorsteuereinheit 32 steuert
die Brennstoffverbrauchsrate durch Einstellung von verschiedenen
Motorparametern, wie beispielsweise der Rate des Brennstoffflusses
und der Rate des Luftflusses zum Motor. Insbesondere kann die elektronische
Steuereinheit 32 die Brennstoffeinspritzmenge, den Zeitpunkt
der Brennstoffeinspritzung, die Öffnung
des Drosselventils, den Luftfluss und den Luftdruck steuern. Die
abgefühlte Motordrehzahl,
die vom Motordrehzahlsensor 40 geliefert wird, wird verwendet,
um die Motorleistungsausgabe in der ausgewählten Motorleistungskarte zu identifizieren,
entweder in der Grundlinienkarte 204 oder in der Leistungsverstärkungskarte 202.
Wie zu sehen ist, stellt die Motorsteuereinheit 32, wenn
die Leistungsverstärkungskarte 202 ausgewählt wird,
die Motorparameter ein, um eine gesteigerte Motorleistungsausgabe
vorzusehen, die eine größere Leistungsausgabe
ist, als wenn die Grundlinienkarte 204 ausgewählt ist.
Die Leistungsverstärkungskarte 22 kann
die Motorsteuereinheit 32 anweisen, eine gesteigerte Motorleistungsausgabe
zu liefern, die über der
stetigen Nenn-Leistungsausgabe des Motors ist.
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Mit
Bezug auf die in 3 gezeigten beispielhaften Karten
bzw. Kennfelder zeigt die Leistungsverstärkungskarte 202, wenn
der Motor 12 mit einer Drehzahl von 1500 U/min arbeitet,
dass die Motorleistungsausgabe ungefähr 265 PS ist, während die
Grundlinienkarte 204 anzeigt, dass die erwünschte Mo torleistungsausgabe
ungefähr
200 PS ist. Wenn somit der Motor 12 bei 1500 U/min arbeitet
und bestimmt wird, dass die Motorbeschleunigung α größer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist, dann wird die Motorsteuereinheit 32 die Motorparameter
steuern, dass sie eine Motorleistungsausgabe von 265 PS liefern.
Wenn die Motorbeschleunigung α geringer
als der zweite Beschleunigungsschwellenwert ist, wird die Motorsteuereinheit 32 die
Motorparameter steuern, um eine Motorleistungsausgabe von 200 PS zu
liefern. Wenn der Motor 12 eine stetige Nenn-Leistungsausgabe
von 250 PS hat, wird er über
seiner Nenn-Ausgangsleistung im stetigen Zustand arbeiten, wenn
die Leistungsverstärkung
bei 1500 U/min ausgewählt
wird. Wie oben erwähnt,
kann die Motorbeschleunigung α entweder
eine angeforderte oder eine vorhergesagte Beschleunigung oder eine
tatsächliche
(abgefühlte)
Motorbeschleunigung sein.
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Ein
alternatives Schema, um eine gesteigerte Motorleistung für den Motor 22 vorzusehen,
ist in 4 abgebildet. Das in 4 abgebildete
Verfahren verwendet eine einzige Motorleistungskarte, die als die "integrierte" (built in) Leistungsverstärkungskarte 402 bezeichnet
wird (siehe 5), und zwar in Verbindung mit
einer Einstellung an einer Motorunterdrehzahlschwelle, die von einem
Motorunterdrehzahlsteueralgorithmus verwendet wird. Der Motorunterdrehzahlsteueralgorithmus
verhindert, dass der Motor 12 durch eine Verringerung der
Drehzahl des Motors 22 ruckelt oder abstirbt, wodurch die
Belastung auf den Motor 12 verringert wird. Wenn eine signifikante
Last 42 vom Motor 22 aufgenommen wird, wird der
Motor 12 belastet werden und kann beginnen, zu ruckeln,
oder kann sogar absterben. Wenn die Motordrehzahl unter einen Schwellenwert
abfällt, verringert
das Motorunterdrehzahlsteuerschema die Drehzahl des Motors 22,
um zu gestatten, dass der Motor 12 seine Drehzahl wieder
erreicht und auf oder nahe der Unterdrehzahlschwelle arbeitet. Das
Motorunterdrehzahlsteuerschema ermöglicht dadurch, dass der Motor 12 auf
seiner effizientesten Drehzahl arbeitet und verhindert, dass der
Motor 12 abstirbt.
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4 bildet
ein Flussdiagramm 300 ab, welches das alternative Schema zum
Vorsehen einer gesteigerten Leistung für den Motor 22 während der Motorbeschleunigung
veranschaulicht. Im Schritt 302 wird eine angeforderte
Motordrehzahl ω bestimmt.
Im Schritt 304 wird eine Motorbeschleunigung α berechnet.
Wie oben beschrieben, kann die Motorbeschleunigung α als die
angeforderte oder vorhergesagte Motorbeschleunigung oder die tatsächliche
(abgefühlte)
Motorbeschleunigung berechnet werden. Im Schritt 306 wird
die Motorbeschleunigung α mit
einem Beschleunigungsschwellenwert verglichen. Wenn die Motorbeschleunigung α größer als
der Beschleunigungsschwellenwert ist, dann wird im Schritt 308 die
Motorunterdrehzahlschwelle auf einen ersten Wert eingestellt, beispielsweise
1500 U/min. Wenn die Beschleunigung α geringer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist, dann wird im Schritt 310 die Motorunterdrehzahlschwelle
auf einen zweiten Wert eingestellt, beispielsweise 1700 U/min. Im
Schritt 312 wird der Motor gemäß der eingebauten Leistungsverstärkungskarte 402 gesteuert,
wie in 5 veranschaulicht. 5 veranschaulicht
die eingebaute Leistungsverstärkungskarte 402,
die in Verbindung mit dem alternativen Leistungsverstärkungsschema der 4 verwendet
wird. Wie oben beschrieben, wird die Motorunterdrehzahlschwelle
auf den zweiten Wert eingestellt, der zu Beispielszwecken 1700 U/min
ist, wenn die tatsächliche
oder angeforderte Motorbeschleunigung α geringer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist. Wenn eine signifikante Last 42 aufgenommen wird und
der Motor 12 beginnt, zu ruckeln, wird das Motorunterdrehzahlsteuerschema die
Motordrehzahl absenken, um zu gestatten, dass der Motor wieder zurück auf seine
Betriebsdrehzahl von 1700 U/min ansteigt. Wenn die tatsächliche
oder angeforderte Motorbeschleunigung α größer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist, wird die Motorunterdrehzahlschwelle auf den ersten Wert eingestellt, beispielsweise
1500 U/min. Wenn der Motor 22 beginnt, zu beschleunigen,
kann die gesteigerte Last auf dem Motor 12 bewirken, dass
die Motordrehzahl abfällt.
Wenn die tatsächliche
oder angeforderte Motorbeschleunigung α den Beschleunigungsschwellenwert überschreitet,
wird das Motorunterdrehzahlsteuerschema versuchen, zu verhindern,
dass der Motor unter 1500 U/min arbeitet. Es wird verständlich sein,
dass die Werte von 1700 U/min und 1500 U/min nur beispielhaft ausgewählt wurden,
und das andere Schwellenwerte verwendet werden können.
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Wie
in 5 zu sehen, liefert die integrierte Leistungsverstärkungskarte
eine gesteigerte Leistung bei 1500 U/min (ungefähr 265 PS) im Vergleich zu
der Leistung, die bei 1700 U/min geliefert wird (ungefähr 205 PS).
Wenn der Motor beginnt, zu beschleunigen, und die Motordrehzahl
auf Grund der gesteigerten Belastung abfällt, bewegt sich die Motorleistung,
die von der integrierten Leistungsverstärkungskarte 402 gezeigt
wird, rampenförmig
nach oben, wenn die Motordrehzahl abfällt. Dies ist zu sehen, wenn
man sich die Form der integrierten Leistungsverstärkungskarte 402 ansieht.
Der Motorunterdrehzahlsteueralgorithmus wird verhindern, dass die Motordrehzahl
unter 1500 U/min abfällt,
wenn der erste Motorunterdrehzahlschwellenwert ausgewählt ist.
Wie in der beispielhaften Karte 402 gezeigt, die in 5 abgebildet
ist, weist die integrierte Leistungsverstärkungskarte bei 1500 U/min
die Motorsteuereinheit 32 an, Motorparameter einzustellen,
um eine gesteigerte Motorleistungsausgabe von ungefähr 265 U/min
zu liefern. Diese Leistungsausgabe kann über der Nenn-Leistung des Motors
sein und sollte nicht unbegrenzt andauern. Da die gesteigerte Leistungsausgabe
nur während
der Motorbeschleunigung geliefert wird, wird der Motor 12 geschützt.
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Somit
ist zu sehen, dass die gesteigerte Leistung vom Motor 12 geliefert
wird, wenn die tatsächliche
oder angeforderte Motorbeschleunigung α größer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist, und die Motordrehzahl auf die gesteigerte Last abfällt. Die Motorleistungsverstärkung ist
in eine einzige Motorleistungskarte eingebaut bzw. integriert, anstatt
zwei getrennte Karten zu verwenden, wie in 3 veranschaulicht.
Dies ist der Grund, warum die in 5 gezeigte
Leistungskarte 402 als die "integrierte Leistungsverstärkungskarte" 402 bezeichnet
wird.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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6A–6D zeigen
eine Computersimulation davon an, was bei einem kon tinuierlich variablen
Antrieb mit einem Motor 22 ausgeführt wird, der von 0 U/min bis
ungefähr
4100 U/min unter den folgenden drei Motorleistungskartenschemata
beschleunigt wurde: 1) Grundlinie; 2) Leistungsverstärkung; und
3) integrierte Leistungsverstärkung.
Im Grundlinienschema wurde nur die Grundlinienmotorkarte 204 (3)
verwendet. Im Leistungsverstärkungsschema
wurde die Leistungsverstärkungskarte 202 (3)
unter Verwendung der Beschleunigung des Motors 22 verwendet.
In dem integrierten Leistungsverstärkungsschema wurde eine einzige
Motorleistungskarte 402 verwendet, wie in 5 gezeigt.
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6A zeigt
die Motordrehzahl als eine Funktion der Zeit. Bei allen drei Schemata
fällt die Motordrehzahl
ab, wenn der Motor beschleunigt, und zwar auf Grund der gesteigerten
Last auf dem (Verbrennungs-)Motor. Die Motordrehzahl fällt am wenigsten
unter dem Leistungsverstärkungsschema
ab. 6B veranschaulicht die Brutto-Motorleistung als eine
Funktion der Zeit. Bei allen drei Schemata wird die Motorleistung
als eine Folge der gesteigerten Last auf dem Motor vergrößert. Die
Motorleistung wird für
den größten Teil
des Leistungsverstärkungsschemas
vergrößert, und
zwar aufgrund der zusätzlichen
Leistung, die von der Leistungsverstärkungskarte 202 vorgesehen
wird. 6C veranschaulicht die Motorleistung
mit der Zeit für
alle drei Schemata. Wiederum steigt die Netto-Motorleistung während des
größten Teils
unter dem Leistungsverstärkungsschema. 6D veranschaulicht
die tatsächliche Motordrehzahl
als eine Funktion der Zeit. Wie zu sehen ist, wird die größte Motorbeschleunigung
durch das Leistungsverstärkungsschema
vorgesehen. Die integrierte Leistungsverstärkung sieht geringfügig weniger
Beschleunigung vor, jedoch mehr als das Grundlinienschema. Sowohl
im Leistungsverstärkungsschema
als auch im integrierten Leistungsverstärkungsschema hat der Motor
auf 4100 U/min in ungefähr
1,7 Sekunden beschleunigt (die Differenz zwischen dem Beginn der
Motorbeschleunigung bei t = 1 s und den Punkten 1 und 2 in 6D).
Im Grundlinienschema hat der Motor von 0 bis 4100 U/min in ungefähr 2,1 Sekunden
beschleunigt. Somit haben das Leistungsverstärkungsschema und das integrierte
Leistungsverstärkungsschema
eine größere Motorbeschleunigung
als das Grundlinien schema vorgesehen.
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Die
hier offenbarten Leistungsverstärkungsschemata überwinden
das Problem einer langsamen Motorbeschleunigung, welches durch die
große Trägheit des
Motors und der assoziierten Komponenten in einem kontinuierlich
variablen Antriebssystem verursacht wird. Als ein Beispiel eines
Betriebs hat ein Radlader einen Motor 12, der eine Nenn-Ausgabe von
175 PS während
eines stetigen Betriebs hat, und 250 PS für relativ kurze Zeitperioden
ausgeben kann. Der Radlader hat einen Motor 22. In dem
Leistungsverstärkungsschema,
welches in den 2 und 3 gezeigt
ist, wird die Motorsteuereinheit 32 im Radlader die Grundlinienmotorkarte 204 verwenden, wenn
die Beschleunigung α des
Motors 22 geringer als der Beschleunigungsschwellenwert
ist. Die Motorsteuereinheit 32 stellt die Motorparameter
ein, um eine Motorleistungsausgabe zu liefern, wie von der Grundlinienmotorleistungskarte 204 bei
der abgefühlten
Motordrehzahl angezeigt. Wenn die Motorbeschleunigung α den Beschleunigungsschwellenwert überschreitet,
dann wird die Leistungsverstärkungskarte 202 ausgewählt. Die
Motorsteuereinheit 32 wird die Motorparameter einstellen,
um die gesteigerte Leistungsausgabe zu liefern, die von der Leistungsverstärkungskarte 202 bei
der abgefühlten
Motordrehzahl angezeigt wird. Die gesteigerte Leistung, die von
der Leistungsverstärkungskarte 202 gezeigt wird,
kann über
der stetigen Nenn-Leistungsausgabe des
Motors 12 sein. Die Motorbeschleunigung α kann als
die angeforderte oder vorhergesagte Beschleunigung oder alternativ
als die tatsächliche
abgefühlte Beschleunigung
bestimmt werden.
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In
dem integrierten Leistungsverstärkungsschema,
welches in den 4 und 5 veranschaulicht
ist, wird die Motorsteuereinheit 32 im Radlader eine einzige
integrierte Leistungsverstärkungskarte 402 verwenden.
Wenn der Motor 22 nicht beschleunigt, wird die Motorunterdrehzahlschwelle
auf eine zweite Motorunterdrehzahlschwelle eingestellt werden, beispielsweise
1700 U/min. Der Motorunterdrehzahlsteueralgorithmus wird versuchen,
zu verhindern, dass die Motordrehzahl unter 1700 U/min abfällt. Der
Motor 12 kann bei Drehzahlen ungefähr im Bereich von 1700–1800 U/min
arbeiten. Wenn die Motorbeschleunigung α den Beschleunigungsschwellenwert überschreitet,
wird die Motorunterdrehzahlschwelle auf eine erste Unterdrehzahlschwelle
eingestellt werden, beispielsweise auf 1500 U/min. Die gesteigerte
Last auf dem Motor, die durch die Motorbeschleunigung verursacht
wird, wird bewirken, dass die Motordrehzahl abfällt. Die integrierte Leistungsverstärkungskarte 402 weist
die Motorsteuereinheit 32 an, die Motorparameter einzustellen,
um eine gesteigerte Ausgabeleistung des Motors 12 zu liefern,
wenn die Motordrehzahl unter 1700 U/min abfällt. Der Motorunterdrehzahlsteueralgorithmus
wird versuchen, zu verhindern, dass die Motordrehzahl unter 1500
U/min abfällt.
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Andere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung
und aus einer praktischen Ausführung der
hier offenbarten Ausführungsbeispiele
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang der Erfindung durch die folgenden Ansprüche gezeigt
wird.
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Zusammenfassung
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Kontinuierlich variables
Antriebssystem mit Leistungsverstärkung
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Ein
Verfahren zur Leistungsverstärkung
bei einem kontinuierlich variablen Antrieb mit einem Motor wird
vorgesehen. Der kontinuierlich variable Antrieb wird durch einen
(Verbrennungs-)Motor angetrieben. Das Verfahren weist die selektive
Einstellung einer Leistungsausgabe des (Verbrennungs-)Motors über einer
stetigen Nenn-Leistungsausgabe des (Verbrennungs-)Motors auf, wenn
die Beschleunigung des Motors einen Beschleunigungsschwellenwert überschreitet.