DE102015003013A1 - Verfahren und Regelsystem zum Betreiben eines Motors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Motors bei der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs, wobei zur Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs aus Ladeluft, die mit einem geregelten Ladedruck bereitgestellt wird, und Gas, das mit einem geregelten Gasdruck bereitgestellt wird, ein Gas/Luft-Gemisch gebildet und dasselbe Zylindern des Motors zur Verbrennung zugeführt wird, wobei abhängig von einem Ladedruck-Sollwert (28) der Ladedruckregelung und einem Differenzdruck-Sollwert (35) zwischen dem Ladedruck und dem Gasdruck ein Gasdruck-Sollwert (30) für die Gasdruckregelung bestimmt wird, wobei der Gasdruck-Sollwert (30) zusätzlich abhängig vom Ladedruck-Istwert (29) der Ladedruckregelung bestimmt wird, nämlich derart, dass abhängig vom Ladedruck-Istwert (29) und Ladedruck-Sollwert (30) ein Vorsteueranteil (36) und ein Regelanteil (37) für den Gasdruck-Sollwert (30) bestimmt werden, wobei der Vorsteueranteil (36) und der Regelanteil (37) zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts (30) mit dem Differenzdruck-Sollwert (35) verrechnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors bei der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Regelsystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Aus der Praxis sind Motoren bekannt, in welchen als Kraftstoff gasförmiger Kraftstoff, wie zum Beispiel Erdgas verbrannt wird. Bei einem solchen Motor kann es sich um einen reinen Gasmotor oder auch um einen sogenannten Dual-Fuel-Motor handeln, bei welchem in einem Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus flüssiger Kraftstoff wie Diesel oder Schweröl und in einem Gaskraftstoff-Betriebsmodus gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird. Dann, wenn in einem Motor ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, werden einerseits Ladeluft und andererseits gasförmiger Kraftstoff bereitgestellt, um hieraus ein Gas/Luft-Gemisch zu bilden und dieses Gas/Luft-Gemisch den Zylindern des Motors zur Verbrennung zuzuführen. Die Ladeluft wird über ein Ladeluftsystem mit einem geregelten Ladedruck bereitgestellt, wobei der gasförmige Kraftstoff über ein entsprechendes Kraftstoffzuführsystem mit einem geregelten Gasdruck bereitgestellt wird, und zwar derart, dass sich zwischen dem Ladedruck der Ladeluft und dem Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs eine gewünschte Druckdifferenz ausbildet. Hierzu wird abhängig von einem Ladedruck-Sollwert der Ladedruckregelung und abhängig von einem Differenzdruck-Sollwert zwischen dem Ladedruck und dem Gasdruck ein Gasdruck-Sollwert für die Gasdruckregelung bestimmt. Die aus der Praxis bekannte Vorgehensweise, bei welcher ausschließlich abhängig Ladedruck-Sollwert und abhängig vom Differenzdruck-Sollwert der Gasdruck-Sollwert bestimmt wird, ermöglicht nur eine beschränkte Regelgüte für die Gasdruckregelung. Insofern kann der Differenzdruck zwischen dem Ladedruck und dem Gasdruck nur mit beschränkter Qualität geregelt werden. Weiterhin ist bei Lastwechseln nur eine beschränkte Qualität der Gasdruckregelung bereitstellbar.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren und Regelsystem zum Betreiben eines Motors zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird der Gasdruck-Sollwert zusätzlich abhängig vom Ladedruck-Istwert der Ladedruckregelung bestimmt, nämlich derart, dass abhängig vom Ladedruck-Istwert und Ladedruck-Sollwert ein Vorsteueranteil und ein Regelanteil für den Gasdruck-Sollwert bestimmt werden, wobei der Vorsteueranteil und der Regelanteil zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts mit dem Differenzdruck-Sollwert verrechnet werden. Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, den Gasdruck-Sollwert für die Gasdruckregelung über einen Vorsteueranteil und einen Regelanteil zu bestimmen. Damit ist insbesondere bei Lastwechseln eine Verbesserung der Regelgüte der Gasdruckregelung möglich, sodass letztendlich der Differenzdruck mit höherer Qualität bzw. Genauigkeit eingestellt werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Vorsteueranteil zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts derart bestimmt, dass abhängig von einer zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts eine Steigung einer Vorsteuerrampe und abhängig vom Ladedruck-Sollwert ein Endpunkt der Vorsteuerrampe bestimmt werden. Ein solcher Vorsteueranteil über eine Vorsteuerrampe ermöglicht insbesondere bei Lastwechseln eine hochqualitative Gasdruckregelung.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Regelanteil zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts derart bestimmt wird, dass Ladedruck-Istwert mit dem Vorsteueranteil und dem Regelanteil zur Bestimmung einer Eingangsgröße für einen ersten Regler eines ersten Regelkreises verrechnet werden, wobei die Ausgangsgröße des ersten Reglers dem Regelanteil zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts entspricht. Hiermit kann die Qualität der Gasdruckregelung weiter verbessert werden. Die Vorsteuerrampe bzw. der Vorsteueranteil hat Einfluss auf den Regelanteil, wodurch der Regler, der den Regelanteil für den Gasdruck-Sollwert bereitstellt, entlastet wird.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Gasdruck-Sollwert mit einem Gasdruck-Istwert verrechnet, um eine Eingangsgröße für einen zweiten Regler eines zweiten Regelkreises zu bestimmen, wobei eine Ausgangsgröße des zweiten Reglers mit dem Gasdruck-Sollwert verrechnet wird, um eines Stellgröße für eine Gasdruckregelstrecke des Gasdruckregelung zu bestimmen. Der Gasdruck-Istwert wird ausschließlich mit dem Lastdruck-Sollwert verrechnet und demnach im zweiten Regelkreis verarbeitet und nicht dem ersten Regelkreis zugeführt. Durch diese Entkopplung der beiden Regelkreise im Hinblick auf den Gasdruck-Istwert kann insbesondere bei Lastwechseln die Regelqualität der Gasdruckregelung verbessert werden.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Differenzdruck-Sollwert abhängig von einer Gasqualität des Gases bestimmt. Durch die gasqualitätsabhängige Bestimmung des Differenzdruck-Sollwerts kann die Regelgüte der Gasdruckregelung weiter verbessert werden.
  • Das Regelsystem zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 8 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 ein Blockschaltbild eines als Dual-Fuel-Motor ausgebildeten Motors;
  • 2 ein Blockschaltbild eines Zylinders des Motors;
  • 3 ein Blockschaltbild eines Regelsystems zum Betreiben des Motors;
  • 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung eines Aspekts der Erfindung.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motors bei der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs und ein Regelsystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • 1 zeigt exemplarisch ein Blockschaltbild eines Dual-Fuel-Motors 10, der mehrere Zylinder 11 umfasst. In einem Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus wird in allen Zylindern 11 ausschließlich ein flüssiger Kraftstoff FK verbrannt. In einem Gaskraftstoff-Betriebsmodus wird in allen Zylindern 11 des Dual-Fuel-Motors ausschließlich gasförmiger Kraftstoff GK verbrannt, und zwar unter Verwendung von Zündfluid ZF zur Zündung des gasförmigen Kraftstoffs GK.
  • Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dem Dual-Fuel-Motor 10 ein Abgasturbolader 12 zugeordnet, wobei Abgas AG, welches bei der Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern 11 des Dual-Fuel-Motors 10 entsteht, einer Turbine 13 des Abgasturboladers 12 zugeführt wird, um das Abgas AG in der Turbine 13 zu entspannen und hierbei mechanische Energie zu gewinnen. Diese mechanische Energie wird in einem Verdichter 14 des Abgasturboladers 12 genutzt, um den Zylindern 11 des Dual-Fuel-Motors 10 zur Verbrennung von Kraftstoff zuzuführende Ladeluft LL zu verdichten. Im Gaskraftstoff-Betriebsmodus wird dabei aus der Ladeluft LL und dem gasförmigen Kraftstoff GK ein Gas-Luft-Gemisch gebildet, welches den Zylindern 11 zugeführt und über Zünfluid ZF gezündet wird.
  • 2 zeigt weitere Details des Dual-Fuel-Motors 10 im Bereich eines Zylinders 11 desselben, wobei ein Kolben 15 des Zylinders 11 über ein Pleuel 16 auf und ab bewegt werden kann. Im Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus wird in einen Brennraum 26 des Zylinders 11 flüssiger Kraftstoff FK über einen Kraftstoffinjektor 19 und Ladeluft LL über ein Einlassventil 17 eingebracht, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas AG über ein Auslassventil 18 vom Brennraum 26 abgeführt wird. Der flüssige Kraftstoff FK wird dem Injektor 19 über eine Kraftstoffpumpe 20 bereitgestellt.
  • Im Gaskraftstoff-Betriebsmodus wird ein Gemisch aus Ladeluft LL und gasförmigem Kraftstoff GK in den Brennraum 26 des Zylinders 11 über das Einlassventil 17 eingebracht, wobei zur Zündung dieses Gas-Luft-Gemischs ein Zündfluid ZF dient, welches ausgehend von einer Zündfluid-Pumpe 23, einem Zündfluid-Speicher 22 über einen Zündfluid-Injektor 21 dem Zylinder 11 bereitgestellt wird, nämlich im Ausführungsbeispiel der 2 einem weiteren Brennraum 24 des Zylinders 11, der mit dem Brennraum 26 über mindestens einen Verbindungskanal 25 gekoppelt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass das Zündfluid ZF auch direkt in den Brennraum 26 eingebracht werden kann.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft Details, mit Hilfe derer bei dem Dual-Fuel-Motor 10 der 1 und 2 der Gaskraftstoff-Betriebsmodus, in welchem im Motor ein gasförmiger Kraftstoff verbrannt wird, verbessert werden kann.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung jedoch nicht auf die Anwendung in Dual-Fuel-Motoren beschränkt ist, vielmehr kann die Erfindung auch bei Gasmotoren zum Einsatz kommen, die ausschließlich der Verbrennung gasförmigen Kraftstoffs dienen. Auch bei solchen reinen Gasmotoren wird den Zylindern des Gasmotors ein Gemisch aus Ladeluft LL und gasförmigem Kraftstoff GK bereitgestellt, wobei bei der Verbrennung entstehendes Abgas AG von den Zylindern des Gasmotors abgeführt wird.
  • 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelsystems 27, mit Hilfe dessen dem zu betreibenden Motor zur Bildung eines Gas/Luft-Gemischs gasförmigem Kraftstoff GK mit einem definierten, geregelten Gasdruck bereitgestellt werden kann, und zwar derart, dass zwischen dem Gasdruck des gasförmigen Kraftstoffs GK und einem Ladedruck der Ladeluft LL ein gewünschter Differenzdruck eingehalten bzw. bereitgestellt wird.
  • Die Ladeluft LL für das Gas/Luft-Gemisch wird über ein Ladeluft-System bereitgestellt, wobei eine Ladeluftregelung den definierten, geregelten Ladedruck für die Ladeluft LL bereitstellt.
  • Die Ladedruckregelung, die in 3 im Detail nicht gezeigt ist, beruht auf einem Ladedruck-Sollwert 28 und einem Ladedruck-Istwert 29, die in 3 durch Blöcke visualisiert sind, wobei die Ladedruckregelung auf Grundlage einer Regelabweichung zwischen dem Ladedruck-Sollwert 28 und dem Ladedruck-Istwert 29 eine Stellgröße erzeugt, um den Ladedruck-Istwert 29 auf den Ladedruck-Sollwert 28 zu führen. Wie bereits ausgeführt, sind Details der Ladedruckregelung in 3 nicht gezeigt.
  • Das Gas bzw. der gasförmige Kraftstoffs GK, das bzw. der ebenso wie die Ladeluft der Bereitstellung des Gas/Luft-Gemischs dient, wird von einem Gas-Versorgungssystem bereitgestellt, nämlich mit einem geregelten Gasdruck, wobei eine Gasdruckregelung 34 des Gas-Versorgungssystems einen Gasdruck-Sollwert 30 mit einem Gasdruck-Istwert 31 vergleicht und abhängig hiervon eine Stellgröße 32 für eine Gasregelstrecke 33 der Gasdruckregelung 34 bestimmt. Die Gasdruckregelung 34 bestimmt die Stellgröße 32 so, dass sich der Gasdruck-Istwert 31 dem Gasdruck-Sollwert 40 annähert bzw. diesem folgt. Der Gasdruck-Sollwert 30 wird abhängig von dem Ladedruck-Sollwert 28, dem Ladedruck-Istwert 29 und einem Differenzdruck-Sollwert 35 bestimmt. Diesbezügliche Details werden nachfolgend im Detail beschrieben.
  • Die Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts 30 für die Gasdruckregelung 34 abhängig vom Ladedruck-Istwert 29, Ladedruck-Sollwert 28 und Differenzdruck-Sollwert 35 erfolgt derart, dass abhängig vom Ladedruck-Istwert 29 und abhängig vom Ladedruck-Sollwert 28 einerseits ein Vorsteueranteil 36 und andererseits ein Regelanteil 37 für den Gasdruck-Sollwert 30 bestimmt werden, wobei der Vorsteueranteil 36 und der Regelanteil 37 zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts 30 mit dem Differenzdruck-Sollwert 35 verrechnet werden.
  • So zeigt 3, dass der Vorsteueranteil 36 sowie eine über einen Differenzierer 38 gewonnene zeitliche Ableitung des Vorsteueranteils 36 an einer erste Summationsstelle 39 mit dem Regelanteil 37 verrechnet werden, um eine Hilfsgröße 40 zu bestimmen, wobei diese Hilfsgröße 40 an einer zweiten Summationsstelle 41 mit dem Differenzdruck-Sollwert 35 verrechnet wird, um den Gasdruck-Sollwert 30 zu bestimmen.
  • Der Vorsteueranteil 36 für den Gasdruck-Sollwert 30 wird derart bestimmt, dass abhängig von einer über einen Differenzierer 42 gewonnenen zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts 29 eine Steigung 43 für eine Vorsteuerrampe 44 ermittelt wird, wobei ein Endpunkt der Vorsteuerrampe 44, abhängig vom Ladedruck-Sollwert 28 bestimmt wird. Wie 3 entnommen werden kann, wird die Steigung 43 für die Vorsteuerrampe 44 einerseits abhängig von der zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts 29, die im Differenzierer 42 gebildet wird, ermittelt, sowie andererseits abhängig von einer vorgegebenen Minimalsteigung 45 für die Vorsteuerrampe 44. Als Steigung 43 wird jeweils der Maximalwert aus dem vorgegebenen Minimalwert 45 und der über den Differenzierer 42 gebildeten, zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts 29 verwendet.
  • Der Regelanteil 37 für den Gasdruck-Sollwert 30 wird derart bestimmt, dass der Ladedruck-Istwert 29 mit der vom Vorsteueranteil 36 und Regelanteil 37 abhängigen Hilfsgröße 40 verrechnet wird, nämlich über eine Differenzbildung 46 zwischen dem Ladedruck-Istwert 29 und der Hilfsgröße 40, die von dem Vorsteueranteil 36 und dem Regelanteil 37 abhängig ist. Abhängig von dieser Differenz 46 ermittelt ein Regler 47 eines ersten Regelkreises als Ausgangsgröße den Regelanteil 37, wobei gemäß 3 dieser erste Regler 47 einen Proportionalanteil 48 und einen Integralanteil 49 aufweist, sodass der erste Regler 47 demnach als PI-Regler ausgeführt ist, welcher durch Überlagerung des Proportional-Anteils 48 und des Integral-Anteils 49 in der Summationsstelle 50 den Regelanteil 37 für den Gasdruck-Sollwert 30 ausgibt.
  • Wie oben bereits ausgeführt, ist der Gasdruck-Sollwert 30 vom Vorsteueranteil 36, vom Regleranteil 37 und vom Differenzdruck-Sollwert 35 abhängig, wobei der Block 51 der 4 verdeutlicht, dass abhängig vom Betriebszustand 52 des Motors anstelle des auf die obige Art und Weise ermittelten Gasdruck-Sollwerts 30 auch ein anderer Gasdruck-Sollwert für die Gasdruck-Regelung 34 ausgegeben werden kann. So stellt der Block 51 einen Auswahlblock dar, der abhängig vom Betriebszustand 52 des Motors entweder den auf die obige Art und Weise ermittelten und vom Ladedruck-Istwert 29, vom Ladedruck-Sollwert 28 und vom Differenzdruck-Sollwert 35 abhängigen Gasdruck-Sollwert 30 ausgibt, oder einen alternativen Gasdruck-Sollwert 30' oder 30'' oder 30'''.
  • Dann, wenn eine Leckage-Testfunktion 53 aktiv ist, gibt der Auswahlblock 51 als Gasdruck-Sollwert 30''' einen konstanten Gasdruck-Sollwert aus.
  • Wird über den Block 54 ein Druckaufbau angefordert, so wählt der Auswahlblock 51 als Gasdruck-Sollwert 30'' eine parametrierbare Rampe für den Gasdruck-Sollwert im Druckaufbau aus, was bei Dual-Fuel-Motoren vor der Umschaltung vom Flüssigkraftstoff-Betrieb in den Gaskraftstoff-Betrieb der Fall ist.
  • Wird über einen Block 55 ein Druckabbau angefordert, so wählt der Auswahlblock 51 als Gasdruck-Sollwert 30' eine parametrierbare Rampe für einen Druckabbau aus, was bei Dual-Fuel-Motoren am Ende einer Umschaltung vom Gaskraftstoff-Betriebsmodus in den Flüssigkraftstoff-Betriebsmodus der Fall ist.
  • Für die hier vorliegende Erfindung, die den Betrieb des Motors im Gaskraftstoff-Betriebsmodus betrifft, ist der erfindungsgemäß ermittelte Gasdruck-Sollwert 30 relevant, der vom Vorsteueranteil 36, vom Regelanteil 37 und vom Differenzdruck-Sollwert 35 abhängig ist.
  • Wie bereits ausgeführt, bildet die Gasdruckregelung 34 eine Differenz zwischen dem Gasdruck-Sollwert 30 und dem Gasdruck-Istwert 31 in der Subtraktionsstelle 56, wobei die Differenz zwischen dem Gasdruck-Istwert 31 und dem Gasdruck-Sollwert 30 einem zweiten Regler 57 eines zweiten Regelkreises, nämlich der Gasdruckregelung 34, als Eingangsgröße zugeführt wird. Eine Ausgangsgröße 58 dieses zweiten Reglers 57 wird zumindest mit dem Gasdruck-Sollwert 30 verrechnet, um die Stellgröße 32 für die Gasregelstrecke 33 bereitzustellen.
  • Beim zweiten Regler 57 handelt es sich vorzugsweise um einen I-Regler, der ausschließlich einen Integralanteil aufweist.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei der Ermittlung des Gasdruck-Sollwerts 30 der Ladedruck-Istwert 29 und der Ladedruck-Sollwert 28 in entsprechenden Filtern 59, 60 gefiltert werden, um die Qualität in der Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts 30 zu verbessern. Ebenso wird vorzugsweise der Gasdruck-Istwert 31 in einem Filter 61 gefiltert.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts 30 verwendeten Differenzdruck-Sollwert 35 um einen Differenzdruck-Sollwert handelt, der abhängig von der Qualität des Gases bzw. des gasförmigen Kraftstoffs GK bestimmt wird.
  • Hierzu ist im Differenzdruck-Sollwert-Generierungsblock 61 der 3 vorgesehen, dass zunächst ein von der Gasqualität unabhängiger Differenzdruck-Sollwert 62 vorgegeben wird, wobei dieser von der Gasqualität unabhängige Differenzdruck-Sollwert 62 in einem Korrekturblock 63 abhängig von einem Gasqualitätsfaktor 64 berichtigt wird. Der Korrekturblock 63 gibt demnach als Ausgangsgröße den von der Gasqualität abhängigen Differenzdruck-Sollwert 35 aus.
  • Der im Gaskraftstoff-Betriebsmodus eines Dual-Fuel-Motors oder eines Gasmotors verwendete Gasdruck-Sollwert 30 ist demnach von mindestens drei Größen abhängig, nämlich vom Ladedruck-Istwert 29, vom Ladedruck-Sollwert 28 und vom Differenzdruck-Sollwert 35, bei welchem es sich vorzugsweise um einen gasqualitätsabhängigen Differenzdruck-Sollwert handelt. Abhängig vom Ladedruck-Istwert 29 sowie abhängig vom Ladedruck-Sollwert 28 werden der Vorsteueranteil 36 und der Regelanteil 37 für den Gasdruck-Sollwert 30 berechnet, die zumindest mit dem vorzugsweise gasqualitätsabhängigen Differenzdruck-Sollwert 35 überlagert werden, um den Gasdruck-Sollwert 30 für die Gasdruckregelung 34 bereitzustellen. Der erste Regler 47 des ersten Regelkreises führt den Gasdruck-Sollwert 30 auf eine Abweichung vom Ladedruck-Sollwert 28 nach. Der Vorsteueranteil 36 entlastet dabei den Regelanteil 37, sodass schnell ein hochqualitativer Gasdruck-Sollwert 30 bereitgestellt werden kann. Der Gasdruck-Sollwert 30 wird im zweiten Regler 57 des zweiten Regelkreises der Gasdruckregelung 34 verwendet, nämlich einerseits stromaufwärts des zweiten Reglers 57 zur Ermittlung der Regelabweichung für die Gasdruckregelung sowie stromabwärts des zweiten Reglers 57 bei der Bestimmung der Stellgröße 32 für die Gasregelstrecke 33.
  • Als Basis für den Vorsteueranteil 36 des Gasdruck-Sollwerts 30 wird der Ladedruck-Sollwert 38 herangezogen. Addiert mit dem Differenzdruck-Sollwert 35 ergibt sich ein Vorsteuerwert für den Gasdruck-Sollwert 30, der bei stabilem Verhalten in einem stationären Betriebsmodus dem tatsächlich benötigten Gasdruck-Sollwert entspricht. Um bei Laständerungen dem verzögerten Ansprechverhalten der Ladeluftregelung Rechnung zu tragen, wird der vorgesteuerte Gasdruck-Sollwert 30 über die Vorsteuerrampe 44 angefahren, deren Steigung von der ersten zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts 29 abhängig ist. Das Zeitverhalten des Ladedrucks wird somit auf den Gasdruck-Sollwert 30 übertragen, wodurch ein stabiles Druckverhalten bewirkt wird. Um Ansprechverzögerungen in der Gasdruckregelung 34 auszugleichen, wird dem eigentlichen Vorsteueranteil 36 die erste zeitliche Ableitung des Vorsteueranteils 36 an der Summationsstelle 39 überlagert.
  • Der erste Regler 47 des ersten Regelkreises, welcher der Bestimmung des Regelanteils 37 für den Gasdruck-Sollwert 30 dient, korrigiert den Vorsteueranteil 36 um die Regelabweichung im Ladedruck, die aus dem Zeitverhalten der Ladedruckregelung resultiert. Durch die Kombination aus relativ schnellem Vorsteueranteil 36 und genauem Regelanteil 37 kann ein deutlich verbessertes Zeitverhalten für geregelten Gasdruck und damit für die sich einstellende Druckdifferenz zwischen Ladedruck und Gasdruck erzielt werden. Wie bereits ausgeführt, wird der Regler 47 durch den Vorsteueranteil 36 entlastet, da im stationären Betriebsmodus der Integralanteil des Regler 47 vollständig im Vorsteueranteil 36 aufgeht, wodurch eine Optimierung der Regelverstärkung möglich ist.
  • Wie ebenfalls bereits oben ausgeführt, handelt es sich beim Differenzdruck-Sollwert 35 vorzugsweise um einen gasqualitätsabhängigen Differenzdruck-Sollwert. Dieser Weiterbildung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Beispiel bei einem abnehmenden Brennwert des Gases bei konstanter Leistung und konstanter Druckdifferenz zwischen Gasdruck und Ladedruck eine Bestromungsdauer von Gasventilen zunimmt. Durch starke Qualitätsschwankungen im Gas kann die Abstimmung des Differenzdrucks nicht auf einen bestimmten Brennwert des Gases erfolgen. Um zu vermeiden, dass bei niedrigem Brennwert unerlaubt hohe Einblaswinkel für das Gas entstehen, ist die Nutzung des gasqualitätsabhängigen Differenzdruck-Sollwerts 35 von Vorteil.
  • Ausgehend vom wirkungsgradoptimalen, gasqualitätsunabhängigen Differenzdruck-Sollwert 62 wird der gasqualitätsabhängige Differenzdruck-Sollwert 35 bestimmt, nämlich abhängig von einem Gasqualitätsfaktor 64.
  • Als Indikator für den aktuellen Brennwert des Gases ist vorzugsweise ein Korrekturfaktor einer an sich bekannten Gasqualitätsregelung verwendet. Dabei steigt mit sinkendem Brennwert des Gases der Korrekturfaktor an. Der Korrekturfaktor korrigiert eine interne Leistung bzw. Füllungsberechnung auf eine externe Leistung.
  • Dann, wenn der Korrekturfaktor einen Wert erreicht, bei dem sich die Gaseinblasdauer einem Grenzwert nähert, wird der Differenzdruck-Sollwert angehoben. Diese Funktion ist so zu parametrieren, dass die Gaseinblasdauer konstant bleibt oder leicht absinkt. Der Korrekturfaktor für die Gasqualität ist dabei vorzugsweise sowohl durch einen Minimalwert als auch einen Maximalwert begrenzt. Dies wird in 4 visualisiert, wobei in 4 ein Korrekturfaktor K2 für den Differenzdruck-Sollwert über einem Korrekturfaktor K1 die Gasqualität aufgetragen ist. Der Korrekturfaktor K1 die Gasqualität ist durch den Minimalwert K1-min und den Maximalwert K1-max begrenzt. Jedem Korrekturfaktor K1 die Gasqualität ist ein Korrekturfaktor K2 für den Differenzdruck-Sollwert zugeordnet. Der Differenzdruck-Sollwert ist durch einen Maximalwert K3 begrenzt.
  • Wie bereits ausgeführt, ist die Stellgröße 32 der Gasdruckregelung 34 sowohl von der Ausgangsgröße 58 des zweiten Reglers 57 als auch vom Gasdruck-Sollwert 30 abhängig. So wird die Ausgangsgröße 58 des Reglers 57 in der Summationsstelle 65 mit dem Gasdruck-Sollwert 30 verrechnet. Die Ausgangsgröße 58 des Reglers 57 ist von der Regelabweichung zwischen dem Gasdruck-Istwert 31 und dem Gasdruck-Sollwert 30 abhängig, die in der Subtraktionsstelle 56 gebildet wird.
  • Die Elemente der Gasregelstrecke 33 entsprechen dem Stand der Technik. So umfasst die Gasregelstrecke 33 ein Gasdruckregelventil 66, welches von einem Pilotregler 67 angesteuert wird. Das Eingangssignal für den Pilotregler 67 ist vom Ausgangssignal eines sogenannten I/p-Umformers 68 sowie von einem Offset-Wert 69 abhängig. Der I/p-Umformer 68 erzeugt aus dem Stellsignal 32 der Gasdruckregelung 34 ein Stromsignal für den Pilotregler 67. Der Pilotregler 67 und der I/p-Umformer 68 arbeiten vorzugsweise nach dem gleichen Prinzip, dieselben stellen eine Hilfsenergiequelle für das Gasdruckregelventil 66 bereit. Der Offset-Wert 69 entspricht einem über eine Einstellschraube eingestellten Vordruck für eine Federvorspannung einer Feder des zu betätigenden Gasdruckregelventils 66.
  • Dann, wenn I/p-Umformer 68, Pilotregler 67 und Druckregelventil 66 ordnungsgemäß arbeiten, entspricht der Gasdruck-Istwert 31 im eingeschwungenen Zustand dem Gasdruck-Sollwert 30. Zur Kompensation von Einstellfehlern, Drift und Verschleiß ist für die exakte Einstellung des Gasdrucks und damit Differenzdrucks noch der den zweiten Regler 57 umfassende Regelkreis erforderlich, der jedoch, wie gezeigt, als reiner I-Regler ausgeführt sein kann, da sich die Störgrößen nur langsam ändern. Unzulänglichkeiten im Zeitverhalten von I/p-Umformer 68, Pilotregler 67 und Druckregelventil 66 können hierdurch ausreichend ausgeglichen werden.
  • Für eine möglichst effiziente Regelung in der Gasdruckregelung 34 muss der exakte Offset-Wert 69, der am Pilotregler typischerweise über eine Einstellschraube eingestellt wird, bekannt sein. Alternativ ist eine Ausführung denkbar, die auf die Vorgabe des Offset-Werts 69 verzichtet und stattdessen den Ausgang des Reglers 67 adaptiv abspeichert. Damit wären automatisch alle Fehlerquellen als Kompensations-Offset erfasst.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Motors bei der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs, wobei zur Verbrennung des gasförmigen Kraftstoffs aus Ladeluft, die mit einem geregelten Ladedruck bereitgestellt wird, und Gas, das mit einem geregelten Gasdruck bereitgestellt wird, ein Gas/Luft-Gemisch gebildet und dasselbe Zylindern des Motors zur Verbrennung zugeführt wird, wobei abhängig von einem Ladedruck-Sollwert (28) der Ladedruckregelung und einem Differenzdruck-Sollwert (35) zwischen dem Ladedruck und dem Gasdruck ein Gasdruck-Sollwert (30) für die Gasdruckregelung bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck-Sollwert (30) zusätzlich abhängig vom Ladedruck-Istwert (29) der Ladedruckregelung bestimmt wird, nämlich derart, dass abhängig vom Ladedruck-Istwert (29) und Ladedruck-Sollwert (30) ein Vorsteueranteil (36) und ein Regelanteil (37) für den Gasdruck-Sollwert (30) bestimmt werden, wobei der Vorsteueranteil (36) und der Regelanteil (37) zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts (30) mit dem Differenzdruck-Sollwert (35) verrechnet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteueranteil (36) derart bestimmt wird, dass abhängig von einer zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts (29) eine Steigung einer Vorsteuerrampe (44) und abhängig vom Ladedruck-Sollwert (28) ein Endpunkt der Vorsteuerrampe (44) bestimmt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelanteil (37) derart bestimmt wird, dass der Ladedruck-Istwert (29) mit dem Vorsteueranteil (36) und dem Regelanteil (37) zur Bestimmung einer Eingangsgröße für einen ersten Regler (47) eines ersten Regelkreises verrechnet werden, wobei die Ausgangsgröße des ersten Reglers (47) dem Regelanteil (37) entspricht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (47) ein PI-Regler ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck-Sollwert (30) mit einem Gasdruck-Istwert (31) verrechnet wird, um eine Eingangsgröße für einen zweiten Regler (57) eines zweiten Regelkreises zu bestimmen, wobei eine Ausgangsgröße (58) des zweiten Reglers (57) mit dem Gasdruck-Sollwert (30) verrechnet wird, um eines Stellgröße (32) für eine Gasdruckregelstrecke (33) des Gasdruckregelung zu bestimmen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Regler (57) ein I-Regler ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruck-Sollwert (35) abhängig von einer Gasqualität des Gases bestimmt wird.
  8. Regelsystem zum Betreiben eines Motor bei der Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs, mit einer Ladedruckregelung und einer Gasdruckregelung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasdruck-Sollwert-Generierung abhängig von einem Ladedruck-Istwert (29) und einem Ladedruck-Sollwert (28) einen Vorsteueranteil (36) und einen Regelanteil (37) für den Gasdruck-Sollwert (30) bestimmt, wobei dieselbe den Vorsteueranteil (36) und den Regelanteil (37) zur Bestimmung des Gasdruck-Sollwerts (30) mit einem Differenzdruck-Sollwert (35) verrechnet.
  9. Regelsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteueranteil (36) der Gasdruck-Sollwert-Generierung abhängig von einer zeitlichen Ableitung des Ladedruck-Istwerts (29) eine Steigung einer Vorsteuerrampe (44) und abhängig vom Ladedruck-Sollwert (28) einen Endpunkt der Vorsteuerrampe (44) bestimmt, und dass der Regelanteil (37) der Gasdruck-Sollwert-Generierung den Ladedruck-Istwert (29) mit dem Vorsteueranteil (36) und dem Regelanteil (37) zur Bestimmung einer Eingangsgröße für einen ersten, vorzugsweise als PI-Regler ausgebildeten Regler (47) eines ersten Regelkreises verrechnet, wobei die Ausgangsgröße des ersten Reglers (47) dem Regelanteil (37) entspricht.
  10. Regelsystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdruckregelung den Gasdruck-Sollwert (30) mit einem Gasdruck-Istwert (31) verrechnet, um eine Eingangsgröße für einen zweiten, vorzugsweise als I-Regler ausgebildeten Regler (57) eines zweiten Regelkreises zu bestimmen, wobei die Gasdruckregelung eine Ausgangsgröße (58) des zweiten Reglers (57) mit dem Gasdruck-Sollwert (30) verrechnet, um eine Stellgröße (32) für eine Gasdruckregelstrecke (33) des Gasdruckregelung zu bestimmen.
  11. Regelsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe den Differenzdruck-Sollwert (35) abhängig von einer Gasqualität des Gases bestimmt.
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