DE3911706C2 - Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer aus einem Verbrennungsmotor und einer daran angeschlossenen hydraulischen Aggregategruppe bestehenden Antriebseinheit, bei dem die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge von einer proportional wirkenden Drehzahlregelung begrenzt und bei Überlastung des Verbrennungsmotors die Leistungsaufnahme der hydraulischen Aggregategruppe von einem Grenzlastregeler reduziert wird, indem nach Unterschreiten einer willkürlich vorgegebenen Solldrehzahl des Verbrennungsmotors, die von dem Grenzlastregler überwacht wird, die Aggregategruppe in Richtung auf eine geringere Leistungsaufnahme verstellt wird.

Derartige Verfahren sind bekannt und z. B. in der DE 33 21 636 A1 beschrieben. Um die höchstmögliche Leistung des Verbrennungsmotors ausnutzen zu können, ohne diesen zu überlasten, ist dabei eine sogenannte Grenzlastregelung vorgesehen, die die Leistungsaufnahme der an den Verbrennungsmotor angeschlossenen Aggregategruppe durch Vergleich der Istdrehzahl des Verbrennungsmotors und der vorgegebenen Nenndrehzahl überwacht und bei Überlastung des Verbrennungsmotors, d. h. bei einem Absinken der Istdrehzahl unter die willkürlich vorgegebene Solldrehzahl, z. B. die Nenndrehzahl, ein Signal abgibt, aufgrund dessen die leistungsaufnehmende Aggregategruppe so eingestellt wird, daß die Leistungsaufnahme das Leistungsabgabevermögen des Verbrennungsmotors nicht übersteigt. Bei unbelastetem Verbrennungsmotor steigt dessen Istdrehzahl über die Solldrehzahl hinaus bis auf die sogenannte obere Leerlaufdrehzahl. Der Bereich zwischen der Nenndrehzahl und der oberen Leerlaufdrehzahl wird als Leerlaufabregelkennlinie bezeichnet, bei der beispielsweise bei einem Dieselmotor die Einspritzmenge fliehkraftgeregelt reduziert wird.

In der DE 32 43 923 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Drehzahl eines Dieselmotors in einem Hydraulikbagger beschrieben, bei dem ausgehend von einer Teil- oder Vollaststellung des Dieselmotors bei einer Entlastung des Dieselmotors die Drehzahl bei Überschreiten eines Schaltpunktes auf die untere Leerlaufdrehzahl verstellt wird, wodurch der Brennstoffverbrauch gesenkt werden kann. Bei einer Entlastung des Dieselmotors ausgehend von einer Lastdrehzahl, steigt die Drehzahl von der Lastdrehzahl in Richtung der oberen Leerlaufdrehzahl. Bei der Überschreitung eines vorher festgelegten Schaltpunktes auf der Leerlaufabregelkennlinie wird hierbei der Stellhebel des Drehzahlregelers von der Laststellung auf die Leerlaufstellung verstellt, wodurch der Dieselmotor einem entlasteten Zustand mit der unteren Leerlaufdrehzahl betrieben wird, bei der der Dieselmotor mit einem geringeren Brennstoffverbrauch wie bei der oberen Leerlaufdrehzahl betrieben werden kann.

Aus der DE 36 23 676 A1 ist ein Verfahren zur lastabhängigen Steuerung eines hydraulischen Antriebs bekannt, bei dem in Leerlaufstellung der Brennkraftmaschine die Pumpe des hydraulischen Antriebs auf maximales Fördervolumen eingestellt ist. Bei Überschreitung eines bestimmten Pumpendrucks wird die Pumpe in Richtung des minimalen Fördervolumens verstellt. Mit einem derartigen Verfahren kann bei einem von dem hydraulischen Antrieb angetriebenen Verdichter der Brennkraftmaschine der Verdichter im Leerlauf der Brennkraftmaschine mit einer hohen Drehzahl betrieben werden und somit ein hoher Ladedruck und eine hohe Ladeluftleistung erzielt werden.

Die DE 36 11 553 C1 offenbart einen aus einem Antriebsmotor und einer von diesem angetriebenen hydrostatischen Antriebsgruppe bestehenden Antrieb, bei dem mittels eines Grenzlastreglers bei einer Überlastung des Antriebsmotors die vom Antriebsmotor abgenommene hydraulische Leistung verringert wird. Um den Betrieb des Antriebsmotors mit einer geringen Energiezufuhr zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, nach einer vorwählbaren Zeitspanne die Drehzahl des Antriebsmotors ausgehend von der beliebig eingestellten Lastdrehzahl auf die Leerlaufdrehzahl zu reduzieren, sofern vom Antriebsmotor keine hydraulische Leistung abverlangt wird.

In der DE 36 06 391 A1 sind Verfahren zur Regelung der Leistungsabgabe eines Verbrennungsmotors, der zum Antrieb einer hydraulischen Pumpe vorgesehen ist, bekannt, mit denen ein wirkungsvoller Betrieb des Antriebsmotors und der Pumpe und somit ein geringer Kraftstoffverbrauch des Antriebsmotors erzielt werden kann. Hierzu wird in einem Verfahren vorgeschlagen, ausgehend von einem Nennlastpunkt die Einspritzvorrichtung des Antriebsmotors derart zu verstellen, daß bei gleicher abgegebener Leistung das Drehmoment des Antriebsmotors erhöht wird und gleichzeitig die Drehzahl des Antriebsmotors verringert wird. Dadurch kann der Antriebsmotor an einem Betriebspunkt mit geringerem Kraftstoffverbrauch betrieben werden.

Bei Arbeitsmaschinen, wie z. B. Baggern, ist es oftmals erwünscht, die Leistung der gesamten Antriebseinheit für bestimmte Anwendungsfälle auf einen Wert unterhalb der Nennleistung zu begrenzen. Zu diesem Zweck gibt es eine Reihe von hydraulischen Schaltungen, die als Leistungsbegrenzer bekannt sind. Um eine stufenweise variable Leistungsbegrenzung zu erhalten, kann dabei meist eine Umschaltung von hydraulisch-mechanischen Parametern vorgenommen werden.

Solche Schaltungen und Vorrichtungen sind aufwendig und teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer aus einem Verbrennungsmotor und einer daran angeschlossenen hydraulischen Aggregategruppe bestehenden Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, die eine variable Leistungsbegrenzung ohne einen hydraulischen Leistungsbegrenzer bei geringem baulichen Aufwand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für eine variable Leistungsbegrenzung der Antriebseinheit die Solldrehzahl auf einen einer gewünschten Leistungsabgabe entsprechenden beliebigen Wert zwischen der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und der oberen Leerlaufdrehzahl eingestellt wird.

Dadurch kann eine niedrigere Leistung als die Nennleistung allein durch den Einsatz eines Grenzlastreglers eingestellt werden, wozu lediglich dessen Arbeitsdrehzahl, d. h. der gewählte Sollwert, auf einen Drehzahlwert innerhalb der Leerlaufabregelkennlinie eingestellt wird. Der Grenzlastregler wird also im Bereich der Leerlaufabregelkennlinie des Verbrennungsmotors betrieben. Bei einem als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor mit proportionalem Drehzahlregeler wird in diesem Bereich die Menge des von der Einspritzpumpe eingespritzten Kraftstoffs auf eine Teileinspritzmenge verringert, wodurch die Leistungsabgabe des Dieselmotors gesenkt wird, wobei sich jedoch die Drehzahl des Dieselmotors nicht verringert, sondern erhöht. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil damit die hydraulische Aggregategruppe, die an den Dieselmotor angeschlossen ist, mit annähernd gleichbleibender Nenngeschwindigkeit weiterbetrieben werden kann. Hingegen würde sich diese Nenngeschwindigkeit erheblich verringern, wenn die Leistungsverringerung im Wege einer Drehzahlverringerung unterhalb der Nenndrehzahl erreicht werden würde, wie dies bei einer herkömmlichen Leistungsbegrenzung der Fall ist.

Eine Grenzlastregelung im Punkt der Nennleistung so zu betreiben, daß bei Drehzahldrückung in den Bereich der Leerlaufabregelkennlinie hineingeregelt wird, ist beispielsweise aus der o. g. DE 33 21 636 A1 bekannt. Es ist jedoch neu und erfinderisch, den Bereich der Leerlaufabregelkennlinie für eine variable Leistungsbegrenzung bei hoher erzielbarer Arbeitsgeschwindigkeit zu nutzen, indem der Sollwert der Grenzlastregelung auf eine einer gewünschten Leistungsabgabe entsprechenden Drehzahl eingestellt wird. Die vom Dieselmotor abgebbare mechanische Leistung kann also durch die Einspritzmenge des Dieselmotors begrenzt werden, ohne einen aufwendigen und teuren hydraulischen Leistungsbegrenzer einzusetzen.

Um eine Drückungsregelung auch in diesem Bereich zu ermöglichen, ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Istdrehzahl des Verbrennungsmotors fortlaufend zu messen und mit der willkürlich eingestellen Solldrehzahl zu vergleichen, wobei das Vergleichssignal einem elektronischen Grenzlastregler zugeführt und proportional zu dem Vergleichssignal die Leistungsaufnahme der Aggregategruppe geregelt wird.

Die kennlinienbedingte Drehzahländerung zwischen der Nenndrehzahl und der oberen Leerlaufdrehzahl beträgt im allgemeinen etwa 5 bis 10% der Nenndrehzahl. Der Regelbereich des Grenzlastreglers sollte relativ zu diesem bereits engen Bereich der Leerlaufabregelkennlinie klein sein, um eine möglichst genaue Leistungsbegrenzung zu verwirklichen. Wegen dieser Genauigkeitsanforderung an die Drehzahlkonstante des leistungsbegrenzenden Grenzlastreglers ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß bei Unterschreiten der Solldrehzahl die Einspritzmenge der Einspritzpumpe in Richtung auf eine kleinere Drehzahl bei gleichbleibender Leistungsabgabe des Dieselmotors verändert wird. Dadurch wird die Steigung der Leerlaufabregelkennlinie verändert, nämlich abgeflacht. Die Anforderung an die Drehzahlgenauigkeit des Grenzlastreglers können daher verringert werden, wobei jedoch nach wie vor die gewünschte Leistungsbegrenzung sehr genau eingehalten wird.

Zu diesem Zweck wird ein Drehzahlregelkreis vorgeschlagen, bei dem ein Drehzahlsensor an eine die Drehzahl des Dieselmotors überwachende Drehzahlmeßeinrichtung angeschlossen ist, die mit einem von der Solldrehzahl beaufschlagten Summierpunkt in Verbindung steht, wobei der Summierpunkt an einer Drehzahlsteuereinheit angeschlossen ist, die über ein Stellglied mit einem Drehzahlstellorgan der Einspritzpumpe des Dieselmotors in Verbindung steht. Diese Drehzahlmitkopplung wirkt also im Gegensatz zum Grenzlastregler nicht auf die Verstellung einer an den Dieselmotor angeschlossenen hydraulischen Verstellpumpe, sondern mittels eines geeigneten Stellgliedes auf die Einspritzpumpe des Dieselmotors, wobei bei größerer Belastung die Dieseldrehzahl kleiner geregelt wird, was im Gegensatz zu bekannten Gegenkopplungen steht.

Um das Drehzahlband der Grenzlastregelung klein zu halten, kann auch vorgesehen werden, eine an den Verbrennungsmotor angeschlossene Verstellpumpe mit einer Druckaufschaltung zu versehen und den Grenzlastregeler als Regeler mit Integralanteil auszubilden.

Die Erfindung soll anhand der nachstehenden schematischen Figuren in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Drehzahlkennlinie eines Dieselmotors

Fig. 2 eine Drehzahlkennlinie eines Dieselmotors mit Drehzahlmitkopplung

Fig. 3 ein Funktionsschema einer Drehzahlmitkopplung

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Drehzahl eines als Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors aufgetragen und auf der Ordinate die dabei abgebbare Leistung. Vorgegeben wird eine Solldrehzahl, z. B. bei gewünschter voller Leistungsabgabe (Punkt B) die Nenndrehzahl n_n. Solange allerdings der Dieselmotor unbelastet läuft, also keine Leistung aufgenommen wird (Punkt A), liegt seine Drehzahl oberhalb der Nenndrehzahl n_n in der sogenannten oberen Leerlaufdrehzahl n_OL. Der Bereich zwischen Punkt B und Punkt A wird als Leerlaufabregelkennlinie bezeichnet. In diesem Bereich wird die Einspritzmenge der Einspritzpumpe von einem maximalen Wert bei Punkt B auf einen minimalen Wert bei Punkt A reduziert, um zu verhindern, daß die Drehzahl über die obere Leerlaufdrehzahl n_OL steigt und dadurch der Dieselmotor zerstört wird. Erst wenn der Dieselmotor verbraucherseitig so stark belastet wird, daß er seine höchstmögliche Leistung abgibt, d. h. wenn die Leistungsaufnahme der hydraulischen Aggregategruppe die eingestellte Leistungsabgabe des Dieselmotors erreicht, sinkt die Drehzahl auf die Nenndrehzahl n_n.

Wird der Motor noch stärker belastet, so sinkt dessen Istdrehzahl unter die vorgegebene Nenndrehzahl n_n ab, so daß die Grenzlastregelung eingreift und die verbraucherseitige Belastung reduziert, beispielsweise indem das Fördervolumen einer Verstellpumpe eines an den Dieselmotor angeschlossenen hydrostatischen Getriebes verringert wird. Es erfolgt daher eine Stabilisierung der Drehzahl in dem schraffierten Bereich Δn bei der Nenndrehzahl n_n.

Wenn eine geringere Leistung des Dieselmotors gewünscht wird, könnte man dessen Drehzahl auf einen Wert unterhalb der Nenndrehzahl n_n verringern, was jedoch den Nachteil hat, daß die an den Motor angeschlossene hydraulische Aggregategruppe nicht mehr mit der vorgesehenen Nenngeschwindigkeit arbeiten kann. Daher erweist es sich als vorteilhaft, die Drehzahl des Dieselmotors auf einen Wert oberhalb der Nenndrehzahl n_n zu steuern, weil so eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit erzielt werden kann. Zu diesem Zweck wird der Sollwert der Grenzlastregelung auf einen Drehzahlwert n_c im Bereich der Leerlaufabregelkennlinie eingestellt, der einer gewünschten Leistungsbegrenzung entspricht (Punkt C). Dadurch wird nur noch eine Teileinspritzpumpe eingespritzt, so daß eine abgesenkte Leistungsabgabe des Dieselmotors erreicht wird.

Um eine möglichst enge Leistungsbegrenzung, d. h. eine möglichst exakte Einhaltung der gewünschten Leistung zu erhalten, ist es sinnvoll, den schraffierten Regelbereich Δn der Grenzlastregelung im Punkt n_c möglichst klein zu halten. Die zu der gewünschten Leistungsabgabe gehörige Drehzahl müßte daher möglichst genau eingehalten werden. Die Leerlaufabregelkennlinie ist im allgemeinen relativ steil, was aus Fig. 2 ersichtlich ist, wo zwischen Punkt B und Punkt A eine gestrichelte Kennlinie des Fliehkraftreglers der Einspritzpumpe dargestellt ist. Die kennlinienbedingte Drehzahländerung beträgt etwa 5 bis 10% der Nenndrehzahl n_n. Es ist daher zweckmäßig, die Steigerung der Kennlinie zu verringern, um die Genauigkeitsanforderung an die Drehzahlkonstanz verringern zu können.

Dies kann durch einen zusätzlichen Drehzahlregelkreis, nämlich eine Drehzahlmitkopplung, erreicht werden. Die durch eine solche Drehzahlmitkopplung veränderte Drehzahlkennlinie ist ausgezogen dargestellt. Die Steigung der Leerlaufabregelkennlinie von B' nach A ist wesentlich flacher, wodurch mit geringerer Drehzahlgenauigkeit die gleiche Leistung (Punkt C') eingestellt werden kann wie auf der Leerlaufabregelkennlinie B-A (Punkt C), wobei allerdings die Maximalleistung etwas absinkt (Punkt B'), was jedoch ohne Bedeutung ist, da ja ohnehin mit diesem Verfahren nur eine Teilleistung eingestellt werden soll. Durch andere geeignete Maßnahmen, z. B. einen Eingriff in die Einspritzpumpe, kann auch der Punkt A zu anderen Drehzahlwerten hin verschoben werden.

Fig. 3 zeigt ein Funktionsschema einer Drehzahlmitkopplung. Ein als Dieselmotor 1 ausgebildeter Verbrennungsmotor ist mit einer Einspritzpumpe 2 versehen. Die Drehzahl des Dieselmotors 1 wird von einem Drehzahlsensor 3 erfaßt und an eine Drehzahlmeßeinrichtung 4 gemeldet. Die Istdrehzahl wird über eine Leitung 5 einem Summierpunkt 6 mitgeteilt, der über eine Leitung 7 die Solldrehzahl erhält. Der Summierpunkt 6 ist an eine Drehzahlsteuereinheit 8 angeschlossen, die über ein mechanisches Stellglied 9 mit einem als Drehzahlstellhebel ausgebildeten Drehzahlstellorgan 10 der Einspritzpumpe 2 in Verbindung steht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer aus aus einem Verbrennungsmotor und einer daran angeschlossenen hydraulischen Aggregategruppe bestehenden Antriebseinheit, bei dem die dem Verbrennungsmotor zugeführte Kraftstoffmenge von einer proportional wirkenden Drehzahlregelung begrenzt und bei Überlastung des Verbrennungsmotors die Leistungsaufnahme der hydraulischen Aggregategruppe von einem Grenzlastregler reduziert wird, indem nach Unterschreiten einer willkürlich vorgegebenen Solldrehzahl des Verbrennungsmotors, die von dem Grenzlastregler überwacht wird, die Aggregategruppe in Richtung auf eine geringere Leistungsaufnahme verstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß für eine variable Leistungsbegrenzung der Antriebseinheit die Solldrehzahl auf einen einer gewünschten Leistungsabgabe entsprechenden beliebigen Wert zwischen der Nenndrehzahl des Verbrennungsmotors und der oberen Leerlaufdrehzahl eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Istdrehzahl des Verbrennungsmotors fortlaufend gemessen und mit der willkürlich eingestellten Solldrehzahl verglichen wird, wobei das Vergleichssignal einem elektronischen Grenzlastregler zugeführt und proportional zu dem Vergleichssignal die Leistungsaufnahme der Aggregategruppe geregelt wird.

3. Verfahren, bei dem die hydraulische Aggregategruppe von einem Dieselmotor angetrieben wird, dessen Einspritzpumpe oberhalb der Nenndrehzahl bis zum Erreichen der oberen Leerlaufdrehzahl stetig auf eine geringere Einspritzmenge verstellt wird, und bei dem eine einer gewünschten Leistungsabgabe entsprechende Solldrehzahl zwischen der Nenndrehzahl und der oberen Leerlaufdrehzahl eingestellt wird nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreiten der Solldrehzahl die Einspritzmenge der Einspritzpumpe in Richtung auf eine kleinere Drehzahl bei gleichbleibender Leistungsabgabe des Dieselmotors verändert wird.

4. Vorrichtung für ein Verfahren nach Anspruch 3, bei der ein Drehzahlsensor an eine die Drehzahl des Dieselmotors überwachende Drehzahlmeßeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlmeßeinrichtung (4) mit einem Summierpunkt (6) in Verbindung steht, der von der Solldrehzahl beaufschlagt ist, und der an eine Drehzahlsteuereinheit (8) angeschlossen ist, die über ein Stellglied (9) mit einem Drehzahlstellorgan (10) der Einspritzpumpe (2) des Dieselmotors (1) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung für ein Verfahren nach Anspruch 2, bei der mindestens eine Verstellpumpe an die Verbrennungsmaschine angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckaufschaltung für die Verstellpumpe vorgesehen ist und der Grenzlastregler als Regler mit Integralanteil ausgebildet ist.