DE102013021523A1 - Verfahren zur Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Regeln der Drehzahl einer Brennkraftmaschine und ein Drehzahl-Regelkreis zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt. Bei der Regelung wird eine Kraftstoffenergie als Stellgröße verwendet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine und einen Drehzahl-Regelkreis zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Drehzahl einer Brennkraftmaschine, welche die Häufigkeit der Umdrehungen der Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit bezeichnet, wird üblicherweise im Betrieb geregelt, insbesondere in bestimmten Zeiträumen konstant gehalten. Hierzu wird ein Drehzahlregler eingesetzt, der den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Vorgabe einer Stellgröße derart beeinflusst, dass die Drehzahl auf dem vorgegebenen Niveau, das einer Soll-Drehzahl entspricht, möglichst konstant hält, wobei Störeinflüsse reduziert werden. Es sind unterschiedliche Arten von Reglern bekannt, deren Verhalten durch Reglerparameter bestimmt und durch deren Wahl beeinflussbar ist.
  • Die Druckschrift DE 10 2004 023 993 A1 beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschinen-Generatoreinheit mit einer Kupplung während des Startvorgangs. Bei dem Verfahren wird nach Beginn der ersten Hochlauframpe mit Erkennen des Schließens der Kupplung von einem ersten Parametersatz auf einen zweiten Parametersatz gewechselt, woraufhin der erste Parametersatz deaktiviert wird. Im zweiten Parametersatz wird eine zweite Hochlauframpe als maßgeblich für die Vorgabe der Soll-Drehzahl gesetzt.
  • Bei dem beschriebenen Verfahren werden somit Reglerparameter in Abhängigkeit eines Kuppelsignals umgeschaltet. Dieses Kuppelsignal muss als externes Signal verfügbar sein. Stellgröße des beschriebenen Drehzahlreglers ist die Kraftstoff-Einspritzmenge. Somit ist ein Einsatz bei Systemen mit mehreren Kraftstoffen nicht ohne weiteres möglich.
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Drehzahl-Regelkreis gemäß Anspruch 7 vorgestellt.
  • Es wird somit ein Verfahren beschrieben, mit dem die Motordrehzahl einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem, geregelt werden kann, auch wenn ein oder mehrere Kraftstoffe eingespritzt werden. Dabei wird die Kraftstoffenergie als Stellgröße verwendet, so dass der Einsatz bei Systemen mit zwei oder mehr Kraftstoffen möglich ist. Weiterhin werden die Reglerparameter über intern verfügbare Signale, bspw. die Motordrehzahl, die Kraftstoffenergie und die Drehzahl-Regelabweichung nachgeführt. Weiterhin kann ein Einsatz des Lastsignals zur Verbesserung der Drehzahlregler-Dynamik eingesetzt werden.
  • Der beschriebene Drehzahlregler kann automatisch an das betriebspunktabhängige Verhalten der Regelstrecke angepasst werden. Eine bessere Dynamik des Drehzahl-Regelkreises wird erreicht durch Berechnung des Proportionalbeiwerts in Abhängigkeit der Drehzahl-Regelabweichung sowie durch Einsatz des Lastsignals.
  • Zu beachten ist, dass als Stellgröße des Drehzahlreglers die Kraftstoff-Gesamtenergie und nicht wie bei bisher bekannten Drehzahlreglern das Sollmoment bzw. die Einspritzmenge verwendet wird.
  • Das vorgestellte Verfahren weist, zumindest in Ausgestaltung, insgesamt folgende Merkmale auf:
    • – Drehzahl-Regelkreis ist Kraftstoffenergie-basiert, d. h. die Stellgröße des Drehzahl-Regelkreises ist die Kraftstoff-Gesamtenergie.
    • – Drehzahl-Regelkreis kann auch eingesetzt werden bei Systemen, bei denen zwei oder mehr Kraftstoffe eingespritzt werden (Diesel, Benzin, ...).
    • – Dynamik des Drehzahl-Regelkreises kann entscheidend durch Aufschalten einer Last- bzw. Loadsignal-Kraftstoffenergie verbessert werden.
    • – Kraftstoff-Reibenergie wird berücksichtigt.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert ist proportional zur Kraftstoffenergie und umgekehrt proportional zur Motordrehzahl.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert ist bei der Anwendung Schiff doppelt so groß wie bei der Anwendung Generator.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert wird nach unten begrenzt.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert wird zur Berechnung des Proportionalanteils, des integrierenden Anteils und des DT1-Anteils verwendet.
    • – Dynamischer Proportionalbeiwert wird zur Berechnung des Proportionalanteils verwendet.
    • – Dynamischer Proportionalbeiwert hängt von der Drehzahl-Regelabweichung ab und verbessert die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises.
    • – Vorhaltzeit kann linear über die Kraftstoffenergie nachgeführt werden.
  • Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. Da die Stellgröße des Drehzahl-Regelkreises die Kraftstoff-Gesamtenergie ist, kann der Drehzahl-Regelkreis bei Motoren zum Einsatz kommen, bei denen auch zwei oder mehrere Kraftstoffe eingespritzt werden. Durch Nachführung des stationären Proportionalbeiwerts über die Kraftstoff-Energie und die Motordrehzahl wird die betriebspunktabhängige stationäre Verstärkung des Motors invertiert und der Drehzahlregler damit so an die Regelstrecke angepasst, dass das Verhalten des Drehzahl-Regelkreises weitgehend unabhängig vom Betriebspunkt wird. Zudem sind eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Drehzahl-Regelkreises durch Verwendung des von der Drehzahl-Regelabweichung abhängigen dynamischen Proportionalbeiwerts bei der Berechnung des Proportionalanteils und eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Drehzahl-Regelkreises durch Aufschalten einer Loadsignal-Kraftstoffenergie auf den Ausgang des PI(DT1)-Drehzahlreglers möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt eine Ausführung eines Drehzahl-Regelkreises zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens.
  • 2 zeigt einen diskreten Algorithmus eines PI(DT1)-Drehzahlreglers.
  • 3 zeigt die Berechnung eines dynamischen Proportionalbeiwerts.
  • 4 zeigt die Berechnung eines statischen Proportionalbeiwerts.
  • 5 zeigt die Berechnung von Tv.
  • 6 zeigt die Berechnung eines Lastsignals.
  • 1 stellt in einem Blockschaltbild einen Drehzahl-Regelkreis dar, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser Drehzahl-Regelkreis 10 arbeitet Kraftstoffenergie-basiert. Die Darstellung zeigt einen Regler 12, in diesem Fall einen PI(DT1)-Regler, einen Block 14 zur Begrenzung einer Kraftstoffenergie, ein Filter 16, ein Drehzahlfilter 18, ein Motormanagement 20 und eine Brennkraftmaschine 22.
  • Eingangssignal des Drehzahl-Regelkreises 10 ist die Solldrehzahl 30. Die Differenz von dieser Solldrehzahl 30 und der gemessenen Motordrehzahl 32 stellt die Drehzahl-Regelabweichung 34 dar. Die Drehzahl-Regelabweichung 34 ist die Eingangsgröße des PI(DT1)-Drehzahlreglers 12. Ausgangsgröße des PI(DT1)-Drehzahlreglers ist die PI(DT1)-Kraftstoffenergie 36. Der Ausgangsgröße 36 des Drehzahlreglers 12 wird die Lastsignal-Kraftstoffenergie 38 aufaddiert. Diese Addition stellt eine Störgrößenaufschaltung dar. Sie dient dazu, die Dynamik des Drehzahlreglers 12 zu verbessern. Die Summe von Drehzahlregler-Ausgang 36 und Lastsignal-Kraftstoffenergie 38 wird anschließend nach oben auf die maximale Kraftstoffenergie 40 und nach unten auf die negative Kraftstoff-Reibenergie 42 pro Zylinder durch Block 14 begrenzt.
  • Die maximale Kraftstoffenergie 40 hängt dabei von der Motordrehzahl, dem Ladeluftdruck und weiteren Größen ab. Der begrenzten Kraftstoffenergie 44, die ebenfalls auf einen Zylinder bezogen ist, wird die Kraftstoff-Reibenergie 46 aufaddiert. Diese Summe wird schließlich an das Motormanagement 20 übergeben und von diesem in die Einspritzmenge umgerechnet. Bei einem Diesel-Einspritzsystem ist dies die Einspritzmenge 48 und bei einem Einspritzsystem mit Diesel- und Benzineinspritzung (Dual-Fuel-Einspritzung) zusätzlich die Benzin-Einspritzmenge 50. Die Motordrehzahl 52 wird erfasst und mit Hilfe des Drehzahlfilters 18 gefiltert. Ausgangsgröße des Drehzahlfilters 18 ist die gemessene Drehzahl 32.
  • 2 zeigt den zeitdiskreten Algorithmus des PI(DT1)-Drehzahlreglers, der insgesamt mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist. Die Ausgangsgröße 36 des Drehzahlregler-Algorithmus ist eine Summe von drei Anteilen: dem Proportionalanteil 74, dem integrierenden Anteil 76 und dem DT1-Anteil 78. Der Proportionalanteil 74 stellt hierbei das Produkt von Drehzahl-Regelabweichung 34 und dem sogenannten dynamischen Proportionalbeiwert 80 dar. Die Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 wird in 3 detailliert dargestellt.
  • Der integrierende Anteil 76 des Drehzahlreglers, der I-Anteil, stellt die Summe von aktuellem, um einen Abtastschnitt (Verzögerungsglied 82) verzögerten, begrenzten integrierenden Anteil und dem Produkt des Verstärkungsfaktors 84 und der Summe von aktueller und um einen Abtastschnitt (Verzögerungsglied 86) verzögerter Drehzahl-Regelabweichung 34 dar. Der integrierende Anteil des Drehzahlreglers wird dabei nach oben auf die maximale Kraftstoffenergie 40 und nach unten auf die negative Kraftstoff-Reibenergie 42 begrenzt.
  • Die Berechnung des DT1-Anteils 78 ist im unteren Teil von 2 dargestellt. Der DT1-Anteil 78 ergibt sich als Summe zweier Produkte. Das erste Produkt 92 entsteht aus der Multiplikation des Faktors 94 mit dem um einen Abtastschritt (Verzögerungsglied 96) verzögerten DT1-Anteil 78. Das zweite Produkt 98 ergibt sich aus der Multiplikation des Faktors 100 mit dem Ausgang eines Schalters 102. Je nachdem, in welcher Position sich der Schalter 102 befindet, wird der Faktor 100 entweder mit der Differenz von aktueller Drehzahl-Regelabweichung 34 und um einen Abtastschnitt verzögerter (Verzögerungsglied 86) Drehzahl-Regelabweichung (Schalterstellung 1) oder mit der Differenz von um einen Abtastschritt verzögerter (Verzögerungsglied 108) gemessener Motordrehzahl und aktueller gemessener Motordrehzahl 32 (Schalterstellung 2) multipliziert.
  • Die Schalterstellung 2 wird hierbei immer dann favorisiert, wenn sich die Motorsolldrehzahl 30 nicht oder nur wenig, wie bspw. bei Generatoranwendungen, ändert. Die Verstärkungsfaktoren 84 und 100 des I-Anteils bzw. des DT1-Anteils hängen vom sogenannten stationären Proportionalbeiwert kpStat ab, während der Proportionalanteil vom dynamischen Proportionalbeiwert 80 abhängt. Die Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat erfolgt nach: kpStat = (f·v·EISoll)/nist
  • Hierbei ist die gemessene Motordrehzahl nist durch das Bezugszeichen 32 und der integrierende Anteil EI Soll durch das Bezugszeichen 76 gekennzeichnet.
  • Der Faktor f hängt von der Anwendung ab. Bei der Anwendung Schiff nimmt f den Wert 2, bei der Anwendung Generator den Wert 1 an. Die Kreisverstärkung v kann vom Betreiber vorgegeben werden, es handelt sich dabei um die dimensionslose Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises. Nimmt v große Werte an, so ist die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises groß, nimmt v hingegen kleine Werte an, so ist die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises klein. Der stationäre Proportionalbeiwert kpStat wird nach unten auf den vorgebbaren minimalen Proportionalbeiwert kpmin begrenzt: kpStat ≥ kpmin
  • 3 stellt die Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 dar. Der dynamische Proportionalbeiwert 80 berechnet sich additiv aus dem stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 und einem von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängigen Anteil 154. Dieser wird dann aktiviert, wenn Schalter 156 die Stellung 1 annimmt. Nimmt der Schalter 156 hingegen die Stellung 0 an, so ist der dynamische Proportionalbeiwert 80 mit dem stationären Proportionalweiwert kpStat 152 identisch.
  • Der Schalter 156 nimmt die Stellung 1 an, wenn der Schalter 158 in die Stellung 2 wechselt. In diesem Fall schaltet der Schalter 158 eine logische 1 auf den Schalter 156 durch, wodurch dieser die Stellung 1 annimmt. Der Schalter 158 nimmt die Stellung 2 an, wenn das Signal 160 den logischen Wert 1 hat. Dies ist dann der Fall, wenn die gemessene Motordrehzahl 32 größer oder gleich als die vorgebbare Aktivierungsdrehzahl 164 wird und die Drehzahl-Regelabweichung 34 gleichzeitig kleiner oder gleich als der Wert 0 wird. Für den Startvorgang des Motors bedeutet dies folgendes: Erreicht die Motordrehzahl 32 nach dem Start des Motors die Aktivierungsdrehzahl 164, bspw. 1500 l/min, und erreicht die Motordrehzahl 32 gleichzeitig die Solldrehzahl 30 (Drehzahl-Regelabweichung identisch 0), so wechselt der Schalter 156 in die Stellung 1, wodurch der dynamische Proportionalbeiwert 80 additiv aus dem stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 und einem von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängigen Anteil 154 berechnet wird. Wird ein Motorstillstand erkannt, so hat das logische Signal 165 den Wert 1 und der Schalter 158 nimmt die Stellung 1 an. Damit wird vom Schalter 158 eine logische 0 durchgeschaltet, wodurch der Schalter 156 die Stellung 0 annimmt. In diesem Fall ist der dynamische Proportionalwert 80 wieder mit dem stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 identisch.
  • Der von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängige Anteil 154 wird folgendermaßen berechnet: Wird die Drehzahl-Regelabweichung 34 größer als der vorgebbare Wert emin pos, so wird der von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängige additive Anteil 154 des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 so lange linear erhöht, bis die Drehzahl-Regelabweichung 34 den Wert emax erreicht. Bei einer weiteren Vergrößerung der Drehzahl-Regelabweichung bleibt der additive Anteil 154 konstant. Ist die Drehzahl-Regelabweichung 34 hingegen negativ und kleiner als der vorgebbare Wert emin neg, so wird der additive Anteil 154 so lange linear erhöht, bis die Drehzahl-Regelabweichung 34 den negativen vorgebbaren Wert emax erreicht. Wird die Drehzahl-Regelabweichung weiter verkleinert, so bleibt der additive Anteil 154 wiederum konstant.
  • Mit der Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 in Abhängigkeit der Drehzahl-Regelabweichung 34 kann die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises bei instationären Vorgängen, insbesondere bei Lastauf- und Lastabschaltvorgängen, entscheidend verbessert werden, da bei Auftreten einer Drehzahl-Regelabweichung eine Erhöhung des Proportionalbeiwerts des Drehzahlreglers und damit auch des Proportionalanteils erfolgt.
  • 4 zeigt die Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat 152. Ist die Motordrehzahl nist 32 gleich 0, so nimmt der Schalter 200 die Stellung 1 an, womit der Wert 80 durchgeschaltet wird. Ist die Motordrehzahl nist 32 hingegen ungleich 0, so wird die Motordrehzahl nist 32 auf den vorgebbaren Wert nmin 202 nach unten begrenzt und vom Schalter 200 durchgeschaltet, da dieser in diesem Fall die Stellung 0 annimmt. Anschließend wird vom Ausgangswert des Schalters 200 der Kehrwert 206 (Block 204) gebildet. Dieser Kehrwert 206 wird mit dem Faktor f 208, der Kreisverstärkung v 209 und dem auf den vorgebbaren Wert Emin 210 nach unten begrenzten I-Anteil EI Soll 212 multipliziert. Das Ergebnis 214 dieser Multiplikation wird noch auf den vorgebbaren Wert kpmin 216 begrenzt und stellt den stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 dar. Insgesamt wird also kpStat 152 folgendermaßen berechnet: kpStat = (f·v·EI Soll)/nist (1) EI Soll ≥ Emin
    nist ≥ nmin
    kpStat ≥ kpmin
    mit f = 1 (Generator)
    f = 2 (Schiff)
  • Der I-Anteil EI Soll muss nach unten auf den Wert Emin begrenzt werden, damit der stationäre Proportionalbeiwert kpStat nicht zu klein bzw. identisch 0 wird und damit der Drehzahlregler keine zu geringe Dynamik aufweist. Bei einem Proportionalbeiwert von 0 wäre der Proportionalanteil des Drehzahlreglers nicht mehr aktiv. Die Motordrehzahl nist muss nach unten zumindest auf die Erfassungsgrenze der Motordrehzahl begrenzt werden, diese beträgt bspw. 80 1/min. Zur weiteren Sicherheit wird kpStat schließlich insgesamt noch auf den unteren Grenzwert kpmin begrenzt.
  • Alternativ an Stelle des I-Anteils EI Soll kann die gefilterte Kraftstoffenergie ESoll Gefiltert 53 zur Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat verwendet werden: kpStat = (f·v·ESoll Gefiltert)/nist mit
    ESoll Gefiltert ≥ Emin
    nist ≥ nmin
    kpStat ≥ kpmin
    mit
    f = 1 (Generator)
    f = 2 (Schiff)
  • Die Gleichung (1) stellt das Regelgesetz des Kraftstoffenergie-basierten Drehzahlreglers dar. Zur Herleitung dieses Regelgesetzes werden Motor und Anlage als Einmassen-Schwinger modelliert. Wird der Drallsatz auf diesen Einmassen-Schwinger angewandt, so ergibt sich für den Fall des Propeller-Antriebs (Anwendung Schiff) folgende Gleichung: Θ·dw/dt = Mm – kB·nist 2 mit
    Θ = ΘMotor + ΘLast
    • Θ
    – Gesamtträgheitsmoment [kg m2]
    w
    – Winkelgeschwindigkeit [1/s]
    Mm
    – Motormoment [Nm]
    kB
    – Proportionalitätsfaktor [Nm min2]
    nist
    – Motordrehzahl [1/mm]
  • Die Winkelgeschwindigkeit w wird folgendermaßen berechnet: w = 2·pi·nist
  • Damit ergibt sich folgendes nichtlineares Modell des Einmassen-Schwingers: Θ·2pi·dn/dt + kB·nist 2 = Mm
  • Wird diese Gleichung linearisiert, so ergibt sich folgendes lineares Modell des Einmassen-Schwingers: Θ·2·pi·d(Δn)/dt + 2·kB·nB·Δn = ΔMm mit
    • nBet:
    Motordrehzahl-Betriebspunkt, in welchem linearisiert wird
    Δn, ΔMm:
    Abweichungen der Motordrehzahl und des Motormoments aus dem Betriebspunkt.
  • Für die Übertragungsfunktion des Einmassen-Schwingers gilt damit: G(s) = Δn(s)/ΔMm(s) = km/(1 + Tm·s) mit km = 1/(2·kB·nBet) (2) Tm = (pi·Θ)/(kB·nBet)
  • Die Kraftstoffenergie ESoll pro Einspritzung hängt mit dem Motormoment Mm folgendermaßen zusammen: ESoll = (pi·Mm)/(250·z·η) mit
    • ESoll
    – Kraftstoffenergie pro Einspritzung [kJ]
    Mm
    – Motormoment [Nm]
    z
    – Zylinderzahl []
    η
    – Nutzwirkungsgrad []
  • Damit gilt für das Motormoment Mm: Mm = kv·ESoll (3) mit
    kv = (250·z·η)/pi
  • Im Betriebspunkt (Mm Bet, ESoll Bet) gilt somit: Mm Bet = kv·ESoll Bet (4)
  • Für das Lastmoment gilt: ML Bet = kB·nBet 2
  • Damit gilt kB·nBet = ML Bet/nBet (5)
  • Für die Verstärkung des Motors gilt: vm = kv·km
  • Mit (2) gilt: vm = kv·[1/(2·kB·nBet)]
  • Mit (4) ergibt sich: km = (kv·nBet)/(2·ML Bet)
  • Im Stationärbetrieb sind Motormoment und Lastmoment identisch: Mm Bet = ML Bet
  • Damit gilt: vm = (kv·nBet)/(2·Mm Bet)
  • Mit (4) gilt: vm = (kv·nBet)/(2·kv·ESoll Bet)
  • Damit gilt für die stationäre Verstärkung des Motors: vm = nBet/(2·ESoll Bet) (6)
  • Für die Kreisverstärkung v des offenen Drehzahl-Regelkreises gilt: v = kpStat·vm
  • Damit ergibt sich folgendes Regelgesetz: kpStat = (2·v·ESoll Bet)/nBet mit
    • kpStat
    – stationärer Proportionalbeiwert [kJ min]
    v
    – Kreisverstärkung []
    nBet
    – Motordrehzahl [1/mm]
    ESoll Bet
    – Kraftstoff-Sollenergie [kJ]
  • Wird für ESoll Bet der I-Anteil des Drehzahlreglers verwendet und für nBet die gemessene Drehzahl nist, so ergibt sich folgende Gleichung für die Anwendung Schiff: kpStat = (2·v·EI Soll)/nist(Schiff)
  • Bei der Anwendung Generator gilt ein linearer Zusammenhang zwischen dem Lastmoment ML und der Motordrehzahl nist. Dies führt zu einem geänderten Multiplikationsfaktor im Regelgesetz: kpStat = (v·EI Soll)/nist(Generator)
  • Insgesamt ergibt sich damit o. a. Regelgesetz (1): kpStat = (f·v·EI Soll)/nist mit
    f = 1(Generator)
    f = 2(Schiff)
    EI Soll ≥ Emin
    nist ≥ nmin
    kpStat ≥ kpmin
  • Mit diesem Regelgesetz wird die Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises über den gesamten Betriebsbereich konstant gehalten. Gleichung (6) zeigt, dass die Verstärkung des Motors bei kleiner Motordrehzahl klein und bei hoher Motordrehzahl groß ist. Bei kleiner Kraftstoffenergie ist die Verstärkung des Motors groß und bei großer Kraftstoffenergie, also hoher Last, klein. Da entsprechend voranstehend genanntem Regelgesetz bei kleiner Motordrehzahl ein großes kpStat und bei großer Motordrehzahl ein kleines kpStat berechnet wird, wird insgesamt die Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises konstant gehalten. Dasselbe gilt für die Kraftstoffenergie: Bei kleiner Kraftstoffenergie wird ein kleines kpStat und bei großer Kraftstoffenergie ein großes kpStat berechnet, wodurch die Kreisverstärkung auch in diesem Fall insgesamt konstant gehalten werden kann.
  • Die Kreisverstärkung v ist ein vorgebbarer Parameter. Durch Vergrößerung dieses Parameters kann die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises erhöht werden. Das Regelgesetz in der beschriebenen Form zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:
    • – Stationärer Proportionalbeiwert kpStat wird linear über die Kraftstoffenergie nachgeführt.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert ist umgekehrt proportional zur Motordrehzahl.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert ist proportional zur Kreisverstärkung v, welche vom Betreiber vorgegeben werden kann.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert ist bei Schiffs-Anwendung doppelt so groß wie bei Generator-Anwendung.
    • – Stationärer Proportionalbeiwert wird nach unten auf den vorgebbaren Wert kpmin begrenzt.
  • Die Vorhaltzeit tv wird in 2 verwendet, um den Verstärkungsfaktor 100 des DT1-Anteils zu berechnen. Die Vorhaltzeit tv kann dabei konstant oder alternativ, wie in Bild 5 dargestellt, in Abhängigkeit der Kraftstoffenergie berechnet werden. Als Kraftstoffenergie kann dabei entweder der I-Anteil EI Soll des Drehzahlreglers oder alternativ die gefilterte Kraftstoff-Sollenergie ESoll Gefiltert verwendet werden.
  • 5 zeigt den Verlauf der Vorhaltzeit tv 250 in Abhängigkeit der Kraftstoffenergie 248. Die Darstellung zeigt, dass die Vorhaltzeit tv 250 mit dem Wert tvmin 252 identisch ist, wenn die Kraftstoffenergie kleiner als der vorgebbare Wert Emin 254 ist. Ist die Kraftstoffenergie größer als der vorgebbare Wert Emax 256, so ist tv mit dem Wert tvmax 258 identisch. Ist die Kraftstoffenergie größer als Emin 254 und kleiner als Emax 256, so wird tv 250 linear über die Kraftstoffenergie 248 nachgeführt. Die Werte tvmin 252 und tvmax 258 können vom Betreiber vorgegeben werden.
  • 1 zeigt, dass dem Ausgang 36 des PI(DT1)-Drehzahlreglers die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 aufaddiert wird. Die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 stellt dabei eine Störgröße des Drehzahl-Regelkreises dar. Sie hat die Aufgabe, die Dynamik des Drehzahlreglers bei instationären Vorgängen, bspw. bei Lastauf- und Lastabschaltvorgängen, zu verbessern.
  • 6 zeigt die Berechnung der Loadsignal-Kraftstoffenergie 38. Bei der Loadsignal-Kraftstoffenergie kann es sich bspw. um ein Generator-Leistungssignal handeln, welches als 0 ... 10 Volt- oder 4 ... 20 mA-Signal vom Betreiber der Generatoranlage zur Verfügung gestellt wird. Hat der Schalter 341 die Stellung 1, so wird ein Spannungssignal U (0 ... 10 Volt) verwendet, hat der Schalter 341 die Stellung 2, so wird ein Stromsignal I (4 ... 20 mA) verwendet.
  • Das jeweilige Eingangssignal 302 bzw. 304 wird zunächst über eine 2-dimensionale Kurve 306 bzw. 308 in Prozent umgerechnet. Es ergibt sich das in Prozent definierte Signal 310. Die vorgebbare maximale Loadsignal-Kraftstoffenergie 312, z. B. identisch mit dem Wert 20000 J, wird durch den Wert 100 dividiert und mit diesem in Prozent umgerechneten Wert multipliziert. Das Ergebnis 316 dieser Multiplikation wird nun durch ein DT1-Glied 318 verstärkt. Die vorgebbaren Parameter des DT1-Algorithmus sind die Vorhaltzeit tvLoad und die Verzögerungszeit t1Load. Beide Parameter sind als Eingangsgrößen des Blocks 318 dargestellt. Der Ausgang 320 des DT1-Systems 318 wird von dem Block ”Hysterese” 322 folgendermaßen verarbeitet: Überschreitet der Ausgang des DT1-Systems einen oberen Grenzwert, bspw. 1000 J, oder unterschreitet dieser einen unteren Grenzwert, bspw. –1000 J, so wird der Ausgang des DT1-Systems durchgeschaltet, d. h. aktiviert. In diesem Fall ist der Ausgang 324 des Hysterese-Blocks identisch mit dem Ausgang des DT1-Systems. Unterschreitet der Ausgang des DT1-Systems hingegen betragsmäßig einen weiteren Grenzwert, bspw. 50 J, so wird dieser abgeschaltet, d. h. in diesem Fall ist der Ausgang des Hysterese-Blocks identisch 0. Die Grenzwerte sind als Eingangsgrößen des Blocks 322 dargestellt.
  • Die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 ist mit dem Ausgang 324 des Hysterese-Blocks 322 identisch, wenn der Schalter 330 die Stellung 1 einnimmt. Dies ist dann der Fall, wenn die Motordrehzahl 32 größer oder gleich als die vorgebbare Drehzahl 334 wird und der Parameter ”Load Signal Aktiv” 340 gleichzeitig identisch 1 ist. Dies bedeutet, dass die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 freigeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl 32 die vorgebbare Drehzahl 334 erreicht und der vorgebbare Parameter ”Load Signal Aktiv” 340 auf den Wert 1 gesetzt wird. In allen anderen Fällen ist die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 identisch 0. Die Aufgabe der Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 ist, den Drehzahlregler bei Lastauf- und -abschaltvorgängen zu unterstützen. Wird eine Last auf- oder abgeschaltet, so steigt bzw. sinkt die Generatorleistung. Wird diese erfasst und als 0 ... 10 Volt- bzw. 4 ... 20 mA-Signal von der Motorelektronik eingelesen, so wird das Signal mit Hilfe des DT1-Glieds verstärkt und dem Drehzahlregler als Störgröße aufgeschaltet, wodurch die Dynamik, d. h. die Reaktionsfähigkeit des Drehzahl-Regelkreises, verbessert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004023993 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regeln der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, in der mindestens ein Kraftstoff eingespritzt wird, mit einem Drehzahlregler, der in einem Drehzahl-Regelkreis vorgesehen ist und dessen Verhalten durch Reglerparameter bestimmt wird, wobei die Reglerparameter in Abhängigkeit von mindestens einer intern verfügbaren Größe berechnet werden und wobei als Stellgröße des Drehzahlreglers eine Kraftstoffenergie des mindestens einen eingespritzten Kraftstoffs verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als interne Größe die Motordrehzahl verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein stationärer Proportionalbeiwert in Abhängigkeit der Motordrehzahl berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als interne Größe die Kraftstoffenergie verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein stationärer Proportionalbeiwert in Abhängigkeit der Kraftstoffenergie berechnet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als interne Größe die Drehzahl-Regelabweichung verwendet wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, bei dem als Kraftstoffenergie der Drehzahlregler-I-Anteil oder die gefilterte Kraftstoffenergie verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem in der Brennkraftmaschine mehrere unterschiedliche Kraftstoffe verbrannt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem ein Loadsignal zur Verbesserung der Dynamik des Drehzahlreglers eingesetzt wird.
  10. Drehzahl-Regelkreis, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Drehzahlregler, der dazu ausgebildet ist, eine Kraftstoffenergie als Stellgröße zu verwenden.
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