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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung, die einen Gasmotor, einen Gasmischer zum Bereitstellen eines Brenngas-Luft-Gemischs für den Gasmotor und ein stromaufwärts einer Gemischbildungszone des Gasmischers angeordnetes Querschnittsverstellelement aufweist, wobei ein Durchströmungsquerschnitt des Querschnittsverstellelements auf einen Solldurchströmungsquerschnitt eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung.
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Die Antriebseinrichtung dient dem Bereitstellen eines Drehmoments, beispielsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs oder – um elektrische Energie bereitzustellen – einer Generatoreinrichtung. Die Antriebseinrichtung verfügt über den Gasmotor, also eine Brennkraftmaschine, bei welcher als Kraftstoff Brenngas zum Einsatz kommt. Als Brenngas kann prinzipiell jedes beliebige brennbare Gas verwendet werden. Besonders bevorzugt kommen Erdgas, Flüssiggas, Wasserstoff oder Sondergase zum Einsatz. Dem Gasmotor wird das Brenngas in Form eines Brenngas-Luft-Gemischs zugeführt. Zu dessen Bereitstellung dient der Gasmischer, welchem einerseits Luft, insbesondere Frischluft aus einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung, und andererseits das Brenngas zugeführt wird. Das Brenngas-Luft-Gemisch wird anschließend dem Gasmischer entnommen und dem Gasmotor zugeführt.
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Zum Einstellen des Brenngasanteils an dem Brenngas-Luft-Gemischs beziehungsweise dem Mischungsverhältnis zwischen Brenngas und Luft ist das Querschnittsverstellelement vorgesehen, welches strömungstechnisch stromaufwärts der Gemischbildungszone des Gasmischers in einem Strömungsweg des Brenngases vorgesehen ist. Die Gemischbildungszone ist derjenige Bereich des Gasmischers, in welcher das Brenngas der Luft erstmalig zum Herstellen des Brenngas-Luft-Gemischs zugeführt wird. Das Querschnittsverstellelement weist nun einen Durchströmungsquerschnitt auf, welcher auf den gewünschten Querschnitt einstellbar ist. Die Größe des Durchströmungsquerschnitts beeinflusst dabei den Massenstrom beziehungsweise den Volumenstrom des der Luft beigemengten Brenngases, wobei unter dem Massenstrom die Masse des Brenngases pro Zeiteinheit und unter dem Volumenstrom das Volumen des Brenngases pro Zeiteinheit zu verstehen ist. Der Durchströmungsquerschnitt des Querschnittsverstellelements wird auf den gewünschten Solldurchströmungsquerschnitt eingestellt. Insbesondere wenn der Gasmischer für einen Volumenstrom des Brenngases, der für einen Volllastbetrieb des Gasmotors notwendig ist, und/oder einen niedrigen Druckverlust über den Gasmischer ausgelegt ist, kann das Startverhalten des Gasmotors beeinträchtigt sein.
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Aus dem Stand der Technik ist die Druckschrift
DE 200 00 303 U1 bekannt. Diese beschreibt eine Vorrichtung zur Regelung der Gaszufuhr an einem Gasmotor für eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mit einer durch eine Regelung nach dem Signal einer Lambdasonde betätigten Drosseleinrichtung im Gasweg vor einem Gas-Luft-Mischer. Dabei soll die Drosseleinrichtung im Gasweg als Klappenventil ausgebildet sein. Weiterhin sind die Druckschriften
WO 2004/007938 A2 sowie
DE 25 28 279 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung bereitzustellen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere ein verbessertes Startverhalten des Gasmotors ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass bei einer Istdrehzahl des Gasmotors, die kleiner ist als eine Mindestdrehzahl, die Antriebseinrichtung in einer ersten Betriebsart gesteuertbetrieben wird, wobei der Solldurchströmungsquerschnitt unmittelbar aus einem stromaufwärts des Querschnittsverstellelements vorliegenden Gasdruck und der Istdrehzahl bestimmt wird, und dass bei einer Istdrehzahl des Gasmotors, die größer oder gleich der Mindestdrehzahl ist, die Antriebseinrichtung in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, wobei eine Drehzahlregelung der Istdrehzahl auf eine Solldrehzahl vorgenommen wird. Die Mindestdrehzahl ist dabei vorzugsweise größer als eine Anlasserdrehzahl eines Anlassers, mit welchem der Gasmotor gestartet wird, und/oder kleiner als eine Nenndrehzahl des Gasmotors. Insbesondere wird die Mindestdrehzahl derart gewählt, dass ab einem Überschreiten der Mindestdrehzahl durch die Istdrehzahl ein geregelter Betrieb des Gasmotors ohne Weiteres möglich ist. In diesem geregelten Betrieb wird beispielsweise die Istdrehzahl des Gasmotors auf eine Solldrehzahl geregelt.
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In der ersten Betriebsart, welche bis zum Erreichen der Mindestdrehzahl durch die Istdrehzahl verwendet wird, wird jedoch lediglich ein Steuern des Gasmotors, nicht jedoch ein geregeltes Betreiben, vorgenommen. Dabei wird der Solldurchströmungsquerschnitt unmittelbar aus dem Gasdruck und der Istdrehzahl bestimmt, vorzugsweise mit einer Beziehung der Form A = f(p, nIst), wobei A der Solldurchströmungsquerschnitt, p der Gasdruck, welcher stromaufwärts des Querschnittsverstellelements vorliegt, und nIst die Istdrehzahl des Gasmotors bezeichnet. Eine derartige Vorgehensweise ist vorteilhaft, weil das Startverhalten und das Hochlaufverhalten bei einem Gasmotor, welcher mittels eines Gasmischers mit einem Brenngas-Luft-Gemisch versorgt wird, ausschließlich von zwei Parametern abhängig ist, nämlich dem Gasdruck p des Brenngases stromaufwärts des Querschnittsverstellelements sowie dem Durchströmungsquerschnitt A für das Brenngas.
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Es ist vorgesehen, dass bei einer Istdrehzahl des Gasmotors, die größer oder gleich der Mindestdrehzahl ist, die Antriebseinrichtung in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, wobei eine Drehzahlregelung der Istdrehzahl auf eine Solldrehzahl vorgenommen wird. Während in der ersten Betriebsart also lediglich ein Steuern des Gasmotors vorgesehen ist, soll dieser in der zweiten Betriebsart geregelt betrieben werden, wobei eine Drehzahlregelung der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl vorgesehen ist. Die Drehzahlregelung kann beispielsweise wie in der
DE 10 2007 045 195 B3 beschrieben, vorgenommen werden, welche hiermit durch Referenz einbezogen wird. Insbesondere kann in der zweiten Betriebsart die Drehzahlregelung wie in wenigstens einem der Patentansprüche der genannten Druckschrift beschrieben durchgeführt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bestimmen des Solldurchströmungsquerschnitts mittels einer mathematischen Beziehung, einem Kennfeld und/oder einer Tabelle erfolgt. Dabei stellen einerseits der Gasdruck und die Istdrehzahl Eingangsgrößen, insbesondere die einzigen Eingangsgrößen, und andererseits der Solldurchströmungsquerschnitt eine Ausgangsgröße dar. Die mathematische Beziehung kann beispielsweise in der vorstehend genannten Form vorliegen. Jeder Wertekombination von Gasdruck und Istdrehzahl ist also mithin ein bestimmter Solldurchströmungsquerschnitt zugeordnet, welcher an dem Querschnittsverstellelement eingestellt wird.
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Insoweit wird der Gasmotor lediglich in Abhängigkeit von den beiden genannten Größen gesteuert, solange die Istdrehzahl kleiner als die Mindestdrehzahl ist. Der Solldurchströmungsquerschnitt, der mittels der mathematischen Beziehung, dem Kennfeld beziehungsweise der Tabelle bestimmt wird, ist bevorzugt derart ausgelegt, dass der Gasmotor in Richtung der Mindestdrehzahl beschleunigt. Dies gilt insbesondere, wenn eine unter Umständen mit dem Gasmotor wirkverbundene Arbeitsmaschine kein Lastmoment bewirkt und/oder der Gasmotor von der Arbeitsmaschine entkoppelt ist.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass als Querschnittsverstellelement ein verstellbarer Mischerspalt des Gasmischers oder ein Stellventil verwendet wird. Durch den Mischerspalt gelangt das Brenngas in die Gemischbildungszone des Gasmischers. Der Durchsatz durch diesen Mischerspalt beziehungsweise der Durchsatz des Brenngases in die Gemischbildungszone kann nun beispielsweise durch eine Variation der Abmessungen des Mischerspalts oder mithilfe des Stellventils erfolgen, wobei das Stellventil dem Mischerspalt strömungstechnisch gesehen vorgeschaltet ist.
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Beispielsweise ist der Gasmischer als Venturigasmischer ausgebildet. Das bedeutet, dass in der Gemischbildungszone des Gasmischers eine Querschnittsverengung vorliegt, welche insbesondere durch eine entsprechende Gestaltung einer die Gemischbildungszone begrenzenden Wand erzielt ist. Zusätzlich kann in der Gemischbildungszone ein sogenannter Zeppelin angeordnet sein, welcher den Durchströmungsquerschnitt weiter einengt. Dieser Zeppelin liegt als vorzugsweise strömungsoptimierter Körper mittig in dem Durchströmungsquerschnitt der Gemischbildungszone vor.
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In axialer Richtung – bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung der dem Gasmischer zugeführten Luft – im Bereich der Gemischbildungszone ist der Mischerspalt vorgesehen, beispielsweise in der die Gemischbildungszone begrenzenden Wandung. Weil die den Gasmischer durchströmende Luft bedingt durch den kleiner werdenden Durchströmungsquerschnitt beschleunigt wird, sinkt gleichzeitig der (statische) Druck. Dieses Absinken des Drucks der Luft bewirkt ein Ansaugen des Brenngases durch den Mischerspalt. Das Absinken des Drucks und das davon bewirkte Ansaugen des Brenngases werden als Venturieffekt bezeichnet.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mindestdrehzahl kleiner als eine Nenndrehzahl des Gasmotors gewählt wird. Die Nenndrehzahl ist dabei diejenige Drehzahl, bei welcher der Gasmotor bei Volllast die höchste Leistung abgibt. Diese Leistung wird auch als Nennleistung bezeichnet. Unter Volllast ist derjenige Betriebszustand des Gasmotors zu verstehen, bei welcher er das maximal mögliche Drehmoment bereitstellt.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Mindestdrehzahl größer als eine Anlasserdrehzahl eines Anlassers der Antriebseinrichtung gewählt wird. Der Anlasser dient dem Starten des Gasmotors aus dem Stillstand. Das bedeutet, dass mittels des Anlassers der Gasmotor auf die Anlasserdrehzahl geschleppt wird. Ausgehend von dieser Anlasserdrehzahl kann eine eigenständige Beschleunigung des Gasmotors erfolgen. Nach dem Erreichen der Anlasserdrehzahl durch die Istdrehzahl des Gasmotors kann entsprechend der Anlasser von dem Gasmotor entkoppelt werden beziehungsweise die Wirkverbindung zwischen ihnen unterbrochen werden. Üblicherweise liegt jedoch die Anlasserdrehzahl unter derjenigen Drehzahl, ab welcher ein problemloser geregelter Betrieb des Gasmotors möglich ist, insbesondere wenn der Gasmischer hinsichtlich eines niedrigen Druckverlustes optimiert ist. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Mindestdrehzahl größer als die Anlasserdrehzahl ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zum Starten des Gasmotors die Istdrehzahl mittels des Anlassers auf die Anlasserdrehzahl gebracht und unmittelbar anschließend die Antriebseinrichtung bis zum Erreichen der Mindestdrehzahl durch die Istdrehzahl in der ersten Betriebsart betrieben wird. Dies wurde bereits vorstehend angedeutet. Zu Beginn des Startens ist die Istdrehzahl des Gasmotors kleiner als die Anlasserdrehzahl, beispielsweise ist sie gleich Null. Bevor der Gasmotor eigenständig betrieben werden beziehungsweise eigenständig weiter beschleunigen kann, muss die Istdrehzahl mittels des Anlassers erhöht werden, insbesondere bis auf die Anlasserdrehzahl. Ist die Anlasserdrehzahl erreicht, wird vorzugsweise der Anlasser von dem Gasmotor entkoppelt, sodass nachfolgend ein eigenständiges Beschleunigen des Gasmotors in der ersten Betriebsart bis auf die Mindestdrehzahl erfolgen kann. Ist auch die Mindestdrehzahl erreicht, kann, wie bereits vorstehend beschrieben, ein Betrieb des Gasmotors in der zweiten Betriebsart vorgesehen sein, in welcher beispielsweise eine Regelung der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl erfolgt.
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Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass als Brenngas ein methanhaltiges Gas verwendet wird. Grundsätzlich kann, wie bereits erläutert, prinzipiell ein beliebiges brennbares Gas als Brenngas herangezogen werden. Besonders bevorzugt findet jedoch ein methanhaltiges Gas, beispielsweise Erdgas, Biogas oder dergleichen, Anwendung.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass als Gasmischer ein Venturigasmischer verwendet wird. Das bedeutet, dass zum Fördern beziehungsweise Ansaugen des Brenngases in die Gemischbildungszone der Venturieffekt ausgenutzt wird. Der Mischerspalt, durch welchen das Brenngas in die Gemischbildungszone gelangt, ist mithin in einer Querschnittsverengung angeordnet, in welcher die Strömungsgeschwindigkeit der Luft größer ist als stromaufwärts und stromabwärts der Querschnittsverengung. Durch diese Geschwindigkeitserhöhung sinkt der statische Druck der Luft ab, sodass bezüglich des Gasdrucks ein Unterdruck entsteht. Dieser bewirkt ein Fördern des Brenngases durch den Mischerspalt in die Gemischbildungszone hinein.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Antriebseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, mit einem Gasmotor, einem Gasmischer zum Bereitstellen eines Brenngas-Luft-Gemischs für den Gasmotor und einem stromaufwärts einer Gemischbildungszone des Gasmischers angeordneten Querschnittsverstellelement, wobei ein Durchströmungsquerschnitt des Querschnittsverstellelements auf einen Solldurchströmungsquerschnitt einstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass die Antriebseinrichtung dazu ausgebildet ist, bei einer Istdrehzahl des Gasmotors, die kleiner ist als eine Mindestdrehzahl, eine erste Betriebsart durchzuführen, in welcher die Antriebseinrichtung gesteuert betrieben wird, wobei der Solldurchströmungsquerschnitt unmittelbar aus einem stromaufwärts des Querschnittsverstellelements vorliegenden Gasdruck und der Istdrehzahl bestimmt wird, und dass bei einer Istdrehzahl des Gasmotors, die größer oder gleich der Mindestdrehzahl ist, die Antriebseinrichtung in einer zweiten Betriebsart betrieben wird, wobei eine Drehzahlregelung der Istdrehzahl auf eine Solldrehzahl vorgenommen wird. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung sowie des entsprechenden Verfahrens wurde bereits eingegangen.
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Die Antriebseinrichtung sowie das Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige Figur einen Längsschnitt durch einen Gasmischer einer Antriebseinrichtung, welcher zum Bereitstellen eines Brenngas-Luft-Gemischs für einen Gasmotor dient.
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Die Figur zeigt einen Bereich einer Antriebseinrichtung 1, nämlich einen Längsschnitt durch einen Gasmischer 2, der zum Bereitstellen eines Brenngas-Luft-Gemischs für einen hier nicht gezeigten Gasmotor dient. Der Gasmischer 2 verfügt über ein Gehäuse 3, in welchem ein Lufteinlass 4, ein Brenngaseinlass 5 sowie ein Auslass 6 für ein Brenngas-Luft-Gemisch vorgesehen sind. Durch den Lufteinlass 4 strömt Luft, insbesondere Fischluft aus einer Außenumgebung der Antriebseinrichtung, in Richtung des Pfeils 7 in den Gasmischer 2 ein. An dem Brenngaseinlass 5 wird Brenngas aus einer Speichereinrichtung bereitgestellt. Bei Bedarf strömt es in Richtung des Pfeils 8 in den Gasmischer 2 ein.
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Strömungstechnisch zwischen der Speichereinrichtung und dem Gasmischer 2 beziehungsweise dem Brenngaseinlass 5 ist ein Nulldruckregler angeordnet. Dieser entspannt das Brenngas auf einen Druck, welcher dem Gasdruck in dem Brenngaseinlass entspricht. Das bedeutet, dass das Brenngas lediglich aufgrund von Saugwirkung in den Gasmischer 2 einströmt. Diese Saugwirkung wird durch einen Venturieffekt erzielt, wozu in dem Gasmischer 2 eine Venturianordnung 9 vorgesehen ist. Diese ist realisiert, indem der Durchströmungsquerschnitt im Bereich einer Gemischbildungszone 10 verringert ist. Zu diesem Zweck ist eine die Gemischbildungszone 10 begrenzende Wandung 11 des Gehäuses 3 nach Art einer Venturidüse ausgebildet und weist in axialer Richtung – bezüglich einer Längsmittelachse 12 der Gemischbildungszone 10 – beispielsweise einen konvergent-divergenten Verlauf auf.
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Bezüglich der Längsmittelachse 12 der Gemischbildungszone 10 in radialer Richtung mittig angeordnet liegt ein sogenannter Zeppelin 13 in der Gemischbildungszone 10 vor.
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Dieser ist auf den Massenstrom beziehungsweise Volumenstrom des Brenngas-Luft-Gemischs bei Volllast des Gasmotors ausgelegt. Der Zeppelin 13 kann stromabwärts, also auf seiner dem Auslass 6 zugewandten Seite, Strömungskanten aufweisen, welche zur turbulenten Vermischung des Brenngases mit der Luft dienen. Auf diese Art und Weise wird eine Homogenisierung des Brenngas-Luft-Gemischs erzielt.
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An der bezüglich der Längsmittelachse 12 axialen Position mit dem geringsten Durchströmungsquerschnitt der Gemischbildungszone 10 ist ein Mischerspalt 14 in der Wandung 11 vorgesehen. Dieser steht in permanenter Strömungsverbindung zu dem Brenngaseinlass 5. Bedingt durch die Saugwirkung der den Gasmischer 2 durchströmenden Luft wird Brenngas durch den Mischerspalt 14 hinein in die Gemischbildungszone 10 gefördert. Dort vermischt es sich mit der Luft und tritt gemeinsam mit dieser in Form des Brenngas-Luft-Gemischs durch den Auslass 6 aus. An den Auslass 6 ist nun der Gasmotor angeschlossen.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dient der Mischerspalt 14 als Querschnittsverstellelement. Der Durchströmungsquerschnitt des Mischerspalts 14 ist insoweit einstellbar. Dies ist beispielsweise durch eine mehrteilige Ausführung des Gehäuses 3 realisiert, welches mithin zumindest aus einem ersten Gehäuseteil 15 und einem zweiten Gehäuseteil 16 besteht. Durch eine Verlagerung der beiden Gehäuseteile 15 und 16 gegeneinander kann die Größe des Mischerspalts 14 und damit sein Durchströmungsquerschnitt beeinflusst werden. Die Wahl des Durchströmungsquerschnitts beeinflusst unmittelbar die Menge, also die Masse beziehungsweise das Volumen, des Brenngases, welche pro Zeiteinheit durch den Mischerspalt 14 in die Gemischbildungszone 10 hineingelangt.
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Es ist nun bekannt, eine Drehzahlregelung des Gasmotors vorzunehmen und dabei eine Istdrehzahl des Gasmotors auf eine vorgegebene Solldrehzahl zu regeln, wobei der Mischerspalt 14 entsprechend eingestellt wird. Insbesondere wenn jedoch der Gasmischer 2 auf einen niedrigen Druckverlust optimiert ist, kann diese Vorgehensweise zu einer Beeinträchtigung des Startverhaltens des Gasmotors führen. Aus diesem Grund ist es nun vorgesehen, dass der Gasmotor zunächst bis zum Erreichen einer Mindestdrehzahl durch die Istdrehzahl des Gasmotors in einer ersten Betriebsart betrieben wird. In dieser wird der Solldurchströmungsquerschnitt, auf welchen der Durchströmungsquerschnitt des Mischerspalts 14 eingestellt wird, aus einem stromaufwärts des Querschnittsverstellelements beziehungsweise des Mischerspalts 14 vorliegenden Gasdruck und der Istdrehzahl bestimmt.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Gasdruck stromabwärts des Nulldruckreglers und stromaufwärts des Mischerspalts 14 herangezogen, entsprechend also der Gasdruck zwischen dem Nulldruckregler und dem Gasmischer 2. Der Gasdruck und die Istdrehzahl bilden dabei die einzigen Eingangsgrößen bei der Bestimmung des Solldurchströmungsquerschnitts, welcher als Ausgangsgröße vorliegt. Das Bestimmen des Solldurchströmungsquerschnitts erfolgt beispielsweise mittels einer mathematischen Beziehung, einem Kennfeld oder einer Tabelle, in welchen die entsprechenden Werte abgelegt sind.
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Hat die Istdrehzahl des Gasmotors die Mindestdrehzahl erreicht oder überschritten, so ist es vorteilhaft, wenn der Gasmotor nachfolgend nicht mehr in der ersten Betriebsart, sondern vielmehr in einer zweiten Betriebsart betrieben wird. In dieser ist beispielsweise die bekannte Drehzahlregelung des Gasmotors, also eine Regelung der Istdrehzahl auf die Solldrehzahl, vorgesehen. Auf diese Art und Weise wird das Starten des Gasmotors vereinfacht und prozesssicherer gemacht. Auch muss der Regler nicht während des Startens beziehungsweise bei einer Istdrehzahl im Vergleich zu der zweiten Betriebsart, bei welcher die Istdrehzahl größer ist als die Mindestdrehzahl, verändert werden. Zudem kann auf einfache Art und Weise das Startverhalten des Gasmotors auch bei stark unterschiedlichen Qualitäten des Brenngases schnell und einfach, insbesondere bei bereits verbauter Antriebseinrichtung, angepasst werden.
