DE102017128183A1 - Method for controlling an internal combustion engine in a combined heat and power plant and device for detecting operating parameters of an internal combustion engine in a combined heat and power plant - Google Patents

Method for controlling an internal combustion engine in a combined heat and power plant and device for detecting operating parameters of an internal combustion engine in a combined heat and power plant Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) in einem Blockheizkraftwerk wird die Signalfolge einer Reihe von Inkrementen (10, 11) erfasst. Eines der Inkremente (11) ist gegenüber den anderen Inkrementen (10) versetzt angeordnet. Damit lässt sich der zeitliche Verlauf der Drehzahl über die Kurbelwellenumdrehung und die Drehrichtung der Kurbelwelle (3) erfassen. Hierdurch lassen sich vielseitige Steuerungen der Brennkraftmaschine (1) realisieren.In a method for controlling an internal combustion engine (1) in a combined heat and power plant, the signal sequence of a series of increments (10, 11) is detected. One of the increments (11) is offset relative to the other increments (10). Thus, the time profile of the speed over the crankshaft revolution and the direction of rotation of the crankshaft (3) can be detected. As a result, versatile controls of the internal combustion engine (1) can be realized.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk, wobei Betriebsparameter wie eine Drehzahl oder ein Drehwinkel einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erfasst werden, bei dem ein Sensor jeweils ein Signal bei der Erfassung eines auf einem Rotationskörper angeordneten und von der Kurbelwelle angetriebenen Inkrementen erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk, mit über den Umfang eines von einer Kurbelwelle angetriebenen Rotationskörpers angeordneten Inkrementen, mit einem feststehenden Sensor zur Erzeugung eines Signals bei einer Erfassung eines der Inkremente.The invention relates to a method for controlling an internal combustion engine in a cogeneration plant, wherein operating parameters such as a rotational speed or a rotational angle of a crankshaft of the internal combustion engine are detected, in which a sensor generates a signal in each case when detecting an arranged on a rotary body and driven by the crankshaft increments , Furthermore, the invention relates to a device for detecting operating parameters of an internal combustion engine in a combined heat and power plant, with arranged over the circumference of a rotating body driven by a rotating body increments, with a fixed sensor for generating a signal upon detection of one of the increments.

Die EP 1 222 376 B1 offenbart eine Verbrennungsaussetzererkennung, bei der ein auf der Kurbelwelle angeordnetes Winkelgeberrad eine Reihe von regelmäßig angeordneten Zähnen hat, wobei zwei Zähne ausgelassen sind. Ein Sensor erfasst ein Vorbeibewegen der Zähne. Ein mit dem Sensor verbundenes Steuergerät erkennt die Zahnlücke an dem vergrößerten Abstand der Signalflanken. Die Ableitung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine aus den Signalen ist nur eingeschränkt möglich.The EP 1 222 376 B1 discloses a misfire detection in which an angle sensor wheel disposed on the crankshaft has a series of regularly arranged teeth with two teeth omitted. A sensor detects a passing of the teeth. A controller connected to the sensor detects the tooth gap at the increased distance of the signal edges. The derivation of operating parameters of the internal combustion engine from the signals is limited.

Aus der WO 2013/026534 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem eine Anfettung eines Gemischs und eine Zündspulenaufladung in Abhängigkeit von erfassten Winkelbeschleunigungen einer Kurbelwelle erfolgt.From the WO 2013/026534 A1 a method for operating an internal combustion engine has become known, in which an enrichment of a mixture and an ignition coil charging takes place as a function of detected angular accelerations of a crankshaft.

Die DE 102 54 479 B4 offenbart ein Verfahren zum Erkennen von Verbrennungsaussetzern einer Brennkraftmaschine.The DE 102 54 479 B4 discloses a method for detecting combustion misfires of an internal combustion engine.

Insbesondere in Blockheizkraftwerken angeordnete Brennkraftmaschinen erreichen meist sehr lange Betriebszeiten und unterliegen daher einem im Vergleich zu Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen erhöhtem Verschleiß.In particular arranged in cogeneration plants internal combustion engines usually reach very long operating times and therefore subject to increased compared to internal combustion engines of motor vehicles wear.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass es vielseitig einsetzbar ist und einen besonders geringen baulichen Aufwand erfordert. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk geschaffen werden, welche besonders einfach aufgebaut ist.The invention is based on the problem of further developing a method of the type mentioned at the outset such that it can be used in a variety of applications and requires particularly low structural complexity. Furthermore, a device for detecting operating parameters of an internal combustion engine in a combined heat and power plant to be created, which is particularly simple.

Das erstgenannte Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Signalfolge einer Reihe regelmäßig beabstandeter Inkremente und eines gegenüber der Reihe versetzt angeordneten Bezugsinkrementes erfasst wird, dass zeitliche Abstände zwischen den Signalen erfasst werden und dass aus den zeitlichen Abständen die Drehzahl und eine von dem Bezugsinkrement festgelegte Bezugsmarke ermittelt werden.The first problem is solved according to the invention in that the signal sequence of a series of regularly spaced increments and a reference offset offset from the row is detected, that time intervals between the signals are detected and that from the time intervals the speed and a reference mark defined by the reference increment be determined.

Durch diese Gestaltung weist die von den Inkrementen erzeugte Impulsfolge bei gleicher Drehzahl zwei benachbarte Impulsfolgen auf, deren Abstände sich von den Abständen der Impulse der regelmäßig angeordneten Inkremente unterscheiden. Damit kann durch eine entsprechende Auswertung der Signalfolge in einer Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine die Drehrichtung, die Drehzahl und eine Bezugsmarke für den Drehwinkel der Brennkraftmaschine festgestellt werden. Damit lassen sich ein durch eine einfache Auswertung der Signalfolgen der Zündzeitpunkt steuern, die Leistung regeln, die Laufruhe der Brennkraftmaschine beeinflussen sowie ein elektrischer Starter ansteuern. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit vielseitig einsetzbar und erfordert dank der Erfindung einen besonders geringen baulichen Aufwand. Vorzugsweise wird zusätzlich die Drehrichtung der Kurbelwelle aus den zeitlichen Abständen der Signale ermittelt.As a result of this design, the pulse sequence generated by the increments has two adjacent pulse sequences at the same rotational speed, the distances of which differ from the intervals between the pulses of the regularly arranged increments. This can be determined by a corresponding evaluation of the signal sequence in a control device of the internal combustion engine, the rotational direction, the rotational speed and a reference mark for the rotation angle of the internal combustion engine. This can be controlled by a simple evaluation of the signal sequences of the ignition, regulate the power, affect the smoothness of the engine and drive an electric starter. The inventive method is so versatile and requires thanks to the invention, a particularly low structural complexity. Preferably, in addition, the direction of rotation of the crankshaft is determined from the time intervals of the signals.

Ein Verschleiß der Bauteile der Brennkraftmaschine lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn die elektrische Leistungsabgabe eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generators erfasst wird und wenn die Regelung zumindest eines der Parameter des Zündzeitpunktes oder der Ladung einer Zündspule in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe des Generators erfolgt. Weiterhin ermöglicht diese Gestaltung die Regelung verschiedener Parameter der Brennkraftmaschine bei Nennleistung.A wear of the components of the internal combustion engine can be kept particularly low according to another advantageous embodiment of the invention, when the electric power output of a driven by the internal combustion engine generator is detected and if the control of at least one of the parameters of the ignition timing or the charge of an ignition coil in dependence Power output of the generator takes place. Furthermore, this design allows the regulation of various parameters of the internal combustion engine at rated power.

Ein sicherer Start der Brennkraftmaschine lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach sicherstellen, wenn der Zündzeitpunkt beim Start der Brennkraftmaschine aus hinterlegten Kennfeldern von Umgebungs- und Betriebsbedingungen festgelegt wird. Bei den Umgebungs- und Betriebsbedingungen kann es sich beispielsweise um Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit der Ansaugluft oder eine Kühlwassertemperatur der Brennkraftmaschine handeln.A safe start of the internal combustion engine can be easily ensured according to another advantageous embodiment of the invention, when the ignition is set at the start of the engine from stored maps of environmental and operating conditions. The ambient and operating conditions may be, for example, temperature, air pressure, humidity of the intake air or a cooling water temperature of the internal combustion engine.

Eine genaue Leistungsregelung unter Volllast durch stetige Anpassung des Zündzeitpunktes lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach erreichen, wenn im Betrieb der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsabgabe des Generators variiert wird.An accurate power control under full load by continuous adjustment of the ignition can be easily achieved according to another advantageous embodiment of the invention, when the ignition is varied in operation as a function of the electric power output of the generator.

Eine besonders hohe Laufruhe der Brennkraftmaschine lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sicherstellen, wenn aus der Signalfolge und dem bekannten zeitlichen Verlauf der Drehzahl in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Kurbelwelle eine Kennzahl für die Laufruhe der Brennkraftmaschine ermittelt wird und wenn zumindest einer der Parameter des Zündzeitpunktes oder der Ladung der Zündspule in Abhängigkeit von der Kennzahl der Laufruhe geregelt wird.A particularly high smoothness of the internal combustion engine can be ensured according to another advantageous embodiment of the invention, if from the signal sequence and the known time course of the rotational speed as a function of the rotational angle of the crankshaft, a ratio for the smoothness of the internal combustion engine is determined and if at least one of the parameters of the ignition timing or the charge of the ignition coil is controlled in dependence on the ratio of smoothness.

Ein zuverlässiger Start der Brennkraftmaschine wird gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gewährleistet, wenn der Ladestrom der Zündspule zum Start der Brennkraftmaschine nach dem Verschleißzustand der Zündkerze vorgegeben wird. Der Verschleißzustand der Zündkerze kann aus einem Betriebsstunden-Verschleiß-Kennfeld entnommen werden oder es wird von einem Zustand der Zündkerze an der Verschleißgrenze ausgegangen.A reliable start of the internal combustion engine is ensured according to another advantageous embodiment of the invention, when the charging current of the ignition coil for starting the internal combustion engine according to the state of wear of the spark plug is specified. The wear state of the spark plug may be taken from an operating hours wear map, or it is assumed that the spark plug is worn at the wear limit.

Ein unnötig hoher Ladestrom der Zündspule bei neuwertiger Zündkerze lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach vermeiden, wenn im Betrieb der Ladestrom so weit reduziert wird, bis die Kennzahl der Laufruhe einen vorgesehenen Wert erreicht hat. Vorzugsweise wird dem Ladestrom ein Sicherheitsfaktor hinzugefügt, um einen sicheren Betrieb der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.An unnecessarily high charging current of the ignition coil with a new spark plug can be according to another advantageous embodiment of the invention easily avoided if the charging current is reduced so far in operation until the ratio of smoothness has reached a planned value. Preferably, a safety factor is added to the charging current to ensure safe operation of the internal combustion engine.

Zur weiteren Verringerung des Verschleißes der Zündkerze und der Zündspule trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn der Obere Totpunkt der Zündung und der Obere Totpunkt beim Gaswechsel der Brennkraftmaschine erfasst werden und wenn ein Zünden der Zündkerze beim Oberen Totpunkt des Gaswechsels verhindert wird. Die beiden Oberen Totpunkte lassen sich über die Drehzahl in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Kurbelwelle einfach unterscheiden.To further reduce the wear of the spark plug and the ignition coil, it contributes according to another advantageous embodiment of the invention, when the top dead center of the ignition and the top dead center during gas exchange of the internal combustion engine are detected and ignition of the spark plug at top dead center of the gas exchange is prevented , The two upper dead centers can be easily distinguished by the rotational speed as a function of the angle of rotation of the crankshaft.

Eine Änderung von Randbedingungen im Betrieb der Brennkraftmaschine lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einfach bei der Steuerung der Brennkraftmaschine berücksichtigen, wenn die Reduzierung des Ladestroms und oder die Variierung des Zündzeitpunktes in Intervallen wiederholt wird.A change of boundary conditions in the operation of the internal combustion engine can be according to another advantageous embodiment of the invention easily considered in the control of the internal combustion engine when the reduction of the charging current and or the variation of the ignition timing is repeated at intervals.

Das zweite genannte Problem, nämlich die Schaffung einer Vorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine in einem Blockheizkraftwerk, welche besonders einfach aufgebaut ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eines der Inkremente als Bezugsinkrement ausgebildet und gegenüber einer regelmäßigen Beabstandung der anderen Inkremente versetzt ist.The second mentioned problem, namely the provision of a device for detecting operating parameters of an internal combustion engine in a cogeneration plant, which is particularly simple, is inventively achieved in that one of the increments is designed as a reference increment and offset from a regular spacing of the other increments.

Durch diese Gestaltung hat das eine Bezugsinkrement im Vergleich zu der regelmäßigen Beabstandung der Inkremente einen verkürzten Abstand zu dem einen benachbarten Inkrement und einen vergrößerten Abstand zu dem anderen benachbarten Inkrement. Damit eignet sich das gegenüber der regelmäßigen Beabstandung der anderen Inkremente versetzt angeordnete Bezugsinkrement als Bezugspunkt für den Drehwinkel der Kurbelwelle. Ein Abtasten des versetzt angeordneten Bezugsinkrementes und seiner benachbarten Inkremente führt daher zu Signalfolgen unterschiedlicher zeitlicher Abstände. Damit ist der Bezugspunkt der Kurbelwelle einfach feststellbar. Zudem lässt sich die Drehrichtung durch die unterschiedlichen Abstände der Signalfolgen einfach erkennen. Zur Redundanz sind vorzugsweise zwei Sensoren den Inkrementen gegenüberstehend angeordnet.By virtue of this configuration, the one reference increment has a shortened distance to the one adjacent increment and an increased distance to the other adjacent increment compared to the regular spacing of the increments. Thus, the offset relative to the regular spacing of the other increments arranged offset reference increment is suitable as a reference point for the rotational angle of the crankshaft. A scanning of the staggered reference increment and its adjacent increments therefore leads to signal sequences of different time intervals. Thus, the reference point of the crankshaft is easily detected. In addition, the direction of rotation can be easily recognized by the different distances between the signal sequences. For redundancy, two sensors are preferably arranged opposite the increments.

Die Vorrichtung gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung konstruktiv besonders einfach, wenn die Zahl der Inkremente auf dem Rotationskörper X beträgt, wobei X-1 Inkremente um einen Winkel von 360°/X vom jeweils nächsten Inkrement beabstandet sind und das eine Bezugsinkrement einen Abstand von ungefähr 2/3 * 360°/X zu dem einen benachbarten Inkrement und einen Abstand von 4/3 * 360°/X zu dem anderem benachbarten Inkrement hat. In einer bevorzugten praktischen Ausführungsform weist der Rotationskörper 80 Inkremente auf, wobei 79 Inkremente um 4,5° vom jeweils nächsten Inkrement beabstandet sind und das Bezugsinkrement einen Abstand von 3° zu dem einen benachbarten Inkrement und einen Abstand von 6° zu dem anderem benachbarten Inkrement hat.The device designed according to another advantageous embodiment of the invention structurally particularly simple when the number of increments on the rotation body is X, wherein X-1 increments are spaced by an angle of 360 ° / X from the next increment and that a Bezugsinkrement a Distance of about 2/3 * 360 ° / X to the one adjacent increment and a distance of 4/3 * 360 ° / X to the other adjacent increment. In a preferred practical embodiment, the rotary body 80 Increments, where 79 increments are spaced 4.5 ° from the next increment, and the reference increment is spaced 3 ° from the one adjacent increment and 6 ° apart from the other adjacent increment.

Zur weiteren Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bei, wenn der Rotationskörper aus ferromagnetischem Material gefertigt ist, wenn die Inkremente und das Bezugsinkrement durch Materialabtrag des ferromagnetischen Materials erzeugt sind und wenn der Sensor als Indutkivgeber ausgebildet ist. Hierdurch wird eine zuverlässige induktive Erfassung der Inkremente und des Bezugsinkrementes sichergestellt.To further simplify the structural design of the device, it contributes according to another advantageous embodiment of the invention, when the body of revolution is made of ferromagnetic material, when the increments and the Bezugsinkrement are generated by material removal of the ferromagnetic material and when the sensor is designed as Indutkivgeber. This ensures reliable inductive detection of the increments and the reference increment.

Die Vorrichtung ist gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vielseitig zur Steuerung der Brennkraftmaschine einsetzbar, wenn eine Steuereinheit zur Erfassung einer elektrischen Leistungsabgabe eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generators ausgebildet ist.The device is in accordance with another advantageous embodiment of the invention versatile for controlling the internal combustion engine used when a control unit is designed to detect an electric power output of a driven by the internal combustion engine generator.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

  • 1 schematisch einen Schaltplan eines Blockheizkraftwerkes,
  • 2 den Drehzahlverlauf über einen Arbeitsspiel einer Brennkraftmaschine,
  • 3 ein Diagramm zur Ermittlung eines Ladestroms einer Zündspule in Abhängigkeit von Betriebsstunden einer Zündkerze,
  • 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Einstellung eines Zündzeitpunktes,
  • 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Einstellung eines Ladestroms.
The invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in
  • 1 schematically a circuit diagram of a combined heat and power plant,
  • 2 the speed curve over a working cycle of an internal combustion engine,
  • 3 a diagram for determining a charging current of an ignition coil as a function of operating hours of a spark plug,
  • 4 a flowchart of a method for setting an ignition timing,
  • 5 a flowchart of a method for setting a charging current.

1 zeigt schematisch einen Schaltplan eines Blockheizkraftwerkes mit einer Brennkraftmaschine 1 und einem Generator 2. An einer Kurbelwelle 3 der Brennkraftmaschine 1 ist ein Rotationskörper 4, beispielsweise eine Schwungscheibe angeordnet. Eine Steuereinheit 5, welche beispielsweise mit einem Frequenzumrichter 6 über einen CAN Bus kommuniziert, ist mit einem vor dem Rotationskörper 4 angeordneten Sensor 7, einer Zündspule 8 und dem Generator 2 verbunden. Die Zündspule 8 versorgt eine Zündkerze 9 der Brennkraftmaschine 1 mit elektrischem Strom. Die Steuereinheit 5 erfasst die elektrische Leistungsabgabe des Generators 2 und die Signale des Sensors 7. Weiterhin steuert die Steuereinheit den Ladestrom für die Zündspule 8 und den Zündzeitpunkt der Zündkerze 9 sowie ein nicht dargestelltes Stellglied zur Leistungsregelung der Brennkraftmaschine 1 über die zugeführte Brennstoffmenge. Auf dem Rotationskörper sind 80 Inkremente 10 angeordnet, von denen 79 um 4,5° beabstandet sind. Eines der Inkremente ist als Bezugsinkrement 11 ausgebildet und von dem einen benachbarten Inkrement 10 um 3° und von dem anderem benachbarten Inkrement 10 um 6° beabstandet. 1 schematically shows a circuit diagram of a combined heat and power plant with an internal combustion engine 1 and a generator 2 , On a crankshaft 3 the internal combustion engine 1 is a rotation body 4 , For example, arranged a flywheel. A control unit 5 which, for example, with a frequency converter 6 communicating via a CAN bus is with one in front of the rotational body 4 arranged sensor 7 , an ignition coil 8th and the generator 2 connected. The ignition coil 8th supplies a spark plug 9 the internal combustion engine 1 with electricity. The control unit 5 detects the electric power output of the generator 2 and the signals of the sensor 7 , Furthermore, the control unit controls the charging current for the ignition coil 8th and the spark timing of the spark plug 9 and an unillustrated actuator for power control of the internal combustion engine 1 about the amount of fuel supplied. On the rotation body are 80 increments 10 arranged, of which 79 are spaced by 4.5 °. One of the increments is a reference increment 11 formed and from the one adjacent increment 10 by 3 ° and from the other adjacent increment 10 spaced at 6 °.

Der schematisch dargestellte Frequenzumrichter 6 dient zum Anschluss des Generators 2 an ein nicht dargestelltes externes Stromnetz. Ein schematisch dargestelltes Hydraulikmodul 12 dient zum Anschluss des Blockheizkraftwerkes an einen nicht dargestellten externen Heizkreislauf.The frequency converter shown schematically 6 serves to connect the generator 2 to an unillustrated external power grid. A schematically illustrated hydraulic module 12 used to connect the cogeneration plant to an external heating circuit, not shown.

2 zeigt schematisch zwei Drehzahlverläufe über ein Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1. Das Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine 1 erstreckt sich bei einem Einzylinder Viertakt Motor über 720° Umdrehung der Kurbelwelle 3. Der mit I gekennzeichnete Drehzahlverlauf kennzeichnet einen im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 befindlichen Verlauf, während der mit II gekennzeichnete Drehzahlverlauf einen geschleppten Verlauf kennzeichnet, bei dem keine Zündung erfolgt. Der mit II gekennzeichnete Verlauf entspricht damit dem Verlauf beim Anlassen der Brennkraftmaschine 1 vor der Zündung. In dem Diagramm sind zwei obere Totpunkte markiert, von denen ein mit Z-OT den Oberen Totpunkt der Zündung und ein mit W-OT den Oberen Totpunkt des Gaswechsels kennzeichnet. Das Diagramm zeigt, dass sich die beiden Oberen Totpunkte an den unterschiedlichen Drehzahlverläufen unterscheiden lassen. 2 schematically shows two speed curves over a cycle of the internal combustion engine 1 , The working cycle of the internal combustion engine 1 extends in a single-cylinder four-stroke engine over 720 ° rotation of the crankshaft 3 , The speed curve labeled I indicates during operation of the internal combustion engine 1 course, while the speed curve marked with II denotes a trailed course, in which no ignition takes place. The course marked II thus corresponds to the course when starting the internal combustion engine 1 before the ignition. In the diagram, two top dead centers are marked, one of which marks the top dead center of the ignition with Z-OT and the top dead center of the gas exchange with W-OT. The diagram shows that the two top dead centers can be distinguished by the different speed curves.

Im Folgenden wird das Verfahren zur Steuerung der Brennkraftmaschine erläutert.In the following, the method for controlling the internal combustion engine will be explained.

Die Leistungsfeinregelung erfolgt unter Volllast durch stetige Anpassung des Zündzeitpunktes. Diese Anpassung ist in einem Flussdiagramm in 4 dargestellt. Im vorliegenden Fall wird das Verfahren zur Feinregelung der elektrischen IST-Leistung eingesetzt. Die Leistungsvorgabe erfolgt durch externe Anforderung oder Energiemanagement. Die Einstellung der Nennleistung erfolgt qualitativ durch die Drehzahl und die entsprechende Brennstoffmenge über ein mechanisches Stellgliedes mit einer Genauigkeit von ca. 1%. Anhand hinterlegter, von verschiedenen Umgebungs- sowie Betriebsbedingungen abhängigen Kennfeldern wird in einem Schritt Z1 dem aktuellen Betriebspunkt ein fester Zündzeitpunkt (Kennfeld-Sollwert) vorgegeben. Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 1 liegt zur Senkung der Spitzentemperatur im Brennraum und der damit einhergehenden Reduzierung der Stickoxidemissionen der Zündzeitpunkt relativ spät und damit weit entfernt vom Wirkungsgradmaximum. In diesem Bereich hat die Verschiebung des Zündzeitpunktes einen sehr großen Einfluss auf die elektrische Leistung des Blockheizkraftwerks. Im Schritt Z2 wird die Leistungsabgabe des Generators erfasst.The power fine control is carried out under full load by continuous adjustment of the ignition timing. This adaptation is shown in a flow chart in 4 shown. In the present case, the method for fine control of the actual electrical power is used. The power specification is made by external request or energy management. The nominal power is set qualitatively by the speed and the corresponding amount of fuel via a mechanical actuator with an accuracy of approx. 1%. Based on stored, dependent on various environmental and operating conditions maps is in one step Z1 the current operating point a fixed ignition timing (map setpoint) specified. In the present internal combustion engine 1 To reduce the peak temperature in the combustion chamber and the concomitant reduction of nitrogen oxide emissions, the ignition timing is relatively late and thus far from the maximum efficiency. In this area, the shift of the ignition point has a very large influence on the electrical power of the combined heat and power plant. In step Z2 the output of the generator is recorded.

In einem Winkelbereich von 1° Kurbelwellenumdrehung KW wird nun in einem Schritt Z3 über einen Regelalgorithmus die Zündung mit einer Auflösung von 0,1° KW-Schritten um den vorgegebenen Zündzeitpunkt aus dem Kennfeld je nach Leistungsabweichung variiert. Der Kennfeld-Sollwert wurde dabei so gewählt, dass die Variation im Bereich von 1°KW um den Kennfeld-Sollwert zu keiner nennenswerten Erhöhung der Stickoxidemissionen führt. Der Regelalgorithmus arbeitet hierbei wie ein P-Regler und verstellt den Zündzeitpunkt proportional zur Leistungsabweichung zwischen IST- und SOLL-Wert. Hiermit ist die Nennleistung mit einer Genauigkeit von weniger als +/-0,5% einzuhalten.In an angular range of 1 ° crankshaft revolution KW will now in one step Z3 via a control algorithm, the ignition with a resolution of 0.1 ° CA steps by the predetermined ignition timing from the map varies depending on performance deviation. The characteristic setpoint value was chosen such that the variation in the range of 1 ° CA around the nominal value of the characteristic map does not lead to a notable increase in the nitrogen oxide emissions. The control algorithm works like a P-controller and adjusts the ignition timing proportionally to the power deviation between actual and setpoint value. This is to comply with the rated power with an accuracy of less than +/- 0.5%.

Zudem kann die Nennleistung über einen Bereich von ungefähr 2% mittels einer rein elektronischen Zündzeitpunkt-Variation geregelt werden. Der Einsatz des mechanischen Stellgliedes kann hierdurch weitgehend gering gehalten werden, was den Verschleiß des mechanischen Stellgliedes deutlich reduziert. Zudem kann durch die umgesetzte Leistungsfeinregelung der Frequenzumrichter entlastet und die elektrische Einspeiseleistung geglättet werden. Im Schritt Z4 wird in festgelegten Intervallen die Erfassung der Leistungsabgabe und die Variation des Zündzeitpunktes wiederholt.In addition, the rated power can be regulated over a range of about 2% by means of a purely electronic ignition timing variation. The use of the mechanical actuator can thereby be kept largely low, which significantly reduces the wear of the mechanical actuator. In addition, the frequency converter can be relieved by the implemented fine-tuning of the power and the electrical feed-in power can be smoothed. In step Z4 will be at set intervals the detection of the power output and the variation of the ignition timing repeated.

Zur Ermittlung der Laufruhe der Brennkraftmaschine wird der zeitliche Verlauf der Drehzahl über den Drehwinkel aus den Signalen des Sensors ermittelt, um daraus eine Kennzahl für die Laufruhe zu ermitteln. Diese Kennzahl ergibt sich aus der Differenz der Winkelbeschleunigung pro Umdrehungsabschnitt gegenüber eines hinterlegten Verlaufs einer idealen Verbrennung im Bereich des Arbeitstaktes.To determine the smoothness of the internal combustion engine, the time profile of the rotational speed over the rotation angle is determined from the signals of the sensor, in order to determine therefrom an index for smooth running. This characteristic figure results from the difference between the angular acceleration per revolution section and a stored course of ideal combustion in the region of the power stroke.

Die Kennzahl der Laufruhe wird genutzt, um die Ladungsmenge der Zündspule 8 auf den aktuell notwendigen Wert zu reduzieren. Der Hintergrund liegt hier beim Zusammenhang zwischen dem vorliegenden Elektrodenverschleiß an der Zündspule 8 und der für eine stabile Verbrennung notwendigen Brenndauer des Zündfunkens. Im Zusammenhang zwischen der Brenndauer und der Entflammung konnte festgestellt werden, dass ab einer gewissen Brenndauer keine signifikanten Vorteile in der Entflammung, in Form von einer besseren Laufruhe und niedrigeren HC-Emissionen, mehr zu erkennen sind.The ratio of smoothness is used to the amount of charge of the ignition coil 8th to reduce to the currently necessary value. The background here lies in the relationship between the present electrode wear on the ignition coil 8th and the spark duration necessary for stable combustion of the spark. In connection between the burning time and the ignition, it was found that, after a certain burning time, no significant advantages in the ignition, in terms of smoother running and lower HC emissions, can be detected.

Die Brenndauer des Zündfunkens ist hierbei durch die Ladungsmenge in der Zündspule und durch die Höhe der Durchbruchspannung eingegrenzt. Zudem hat die Brenndauer neben der Entflammung auch einen Einfluss auf den Abbrand bzw. den Verschleiß der Zündkerzenelektroden.The burning time of the spark is limited by the amount of charge in the ignition coil and the amount of breakdown voltage. In addition, the burning time in addition to the ignition also has an influence on the burning or wear of the spark plug electrodes.

Da im vorliegenden Motor der Leistungsbedarf bei nahezu konstantem Mitteldruck abgedeckt wird, ist die Zündkerzendurchbruchspannung fast ausschließlich vom Elektrodenabstand abhängig. Da verschleißbedingt mit den Betriebsstunden der Zündkerze der Elektrodenabstand größer wird, steigen die benötigte Zündenergie und der dafür notwendige Ladestrom an, wie es in 3 dargestellt ist.Since in the present engine the power requirement is covered at a nearly constant medium pressure, the spark plug breakdown voltage depends almost exclusively on the electrode spacing. As the electrode gap becomes larger as a result of wear and tear as a result of the operating hours of the spark plug, the required ignition energy and the charging current required for it increase, as is apparent in US Pat 3 is shown.

Die Einstellung des Ladestroms auf den aktuellen Motorsowie Zündkerzenzustand wird wie folgt umgesetzt und ist in 5 in einem Flussdiagramm dargestellt:The setting of the charging current to the current engine and spark plug state is implemented as follows and is in 5 shown in a flow chart:

Zum Start und zum Warmlauf der Brennkraftmaschine 1 wird in einem Schritt L1 ein fester Ladestrom zur Beladung der Zündspule 8 vorgegeben, der sich an einer verschlissenen Zündkerze 9 mit hoher Durchbruchspannung orientiert. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 im Blockheizkraftwerk wird nun im Schritt L2 der Ladestrom so weit reduziert, bis die Kennzahl der Laufruhe den festgelegten Wert erreicht hat. Anschließend wird im Schritt L3 die Stromstärke ermittelt. Auf die so ermittelte Stromstärke wird nun noch ein Sicherheitsfaktor aufgeschlagen und mit dieser berechneten Stromstärke im Schritt L4 die Zündspule 8 geladen und die Brennkraftmaschine 1 betrieben.To start and to warm up the engine 1 gets in one step L1 a fixed charging current for charging the ignition coil 8th given to a worn spark plug 9 oriented with high breakdown voltage. During operation of the internal combustion engine 1 in the cogeneration plant is now in step L2 the charging current has been reduced until the smoothness index has reached the specified value. Subsequently, in step L3 the current determined. On the thus determined current strength, a safety factor is now added and with this calculated current in the step L4 the ignition coil 8th loaded and the internal combustion engine 1 operated.

Dieser Vorgang, beginnend mit der Reduzierung des Ladestroms, kann nach jedem Start oder in einem Schritt L5 zyklisch in festgelegten Intervallen wiederholt werden, wobei jeder Start der Brennkraftmaschine 1 des Blockheizkraftwerkes mit einem festen Ladestrom erfolgt. Entweder wird der hierbei vorab ermittelte Ladestrom gespeichert und wieder abgerufen oder es erfolgt eben nach jedem Start eine erneute Anpassung des Ladestroms über die Laufruhekennzahl.This process, starting with the reduction of the charging current, can be done after each start or in one step L5 cyclically repeated at predetermined intervals, each start of the internal combustion engine 1 of the combined heat and power plant takes place with a fixed charging current. Either the charging current ascertained in advance is stored and recalled, or a new adaptation of the charging current takes place via the running smoothness index just after each start.

Zur Sicherstellung des Ladestromregelkreises wird der Ladestrom aktiv gemessen. Somit können fertigungsbedingte Toleranzen im Ladestromkreis kompensiert werden.To ensure the charging current control circuit, the charging current is actively measured. Thus manufacturing tolerances in the charging circuit can be compensated.

Abweichend von dem zuvor beschriebenen Verfahren kann der Ladestrom der Zündspule 8 auch unabhängig von der Laufruhe anhand der Betriebsstunden der Zündkerze 9 und der in 3 dargestellten Kennlinie eingestellt werden. Hierzu ist es notwendig, der Motorsteuerung den Zeitpunkt des Zündkerzentauschs zu übermitteln. Ab diesem Zeitpunkt wird nun in Abhängigkeit der Motorlaufzeit und des jeweiligen Betriebspunktes eine Kennlinie abgefahren, die den Zündspulenladestrom vorgibt. Es muss hierbei aber stets die bisherige Laufzeit der Zündkerze 9 angegeben werden.Notwithstanding the method described above, the charging current of the ignition coil 8th also independent of the smoothness based on the operating hours of the spark plug 9 and the in 3 set characteristic can be set. For this purpose, it is necessary to transmit to the engine control the time of Zündkerzteausch. From this point on, a characteristic is now traversed as a function of the engine running time and the respective operating point, which predetermines the ignition coil charging current. However, it must always be the previous term of the spark plug 9 be specified.

Die Kennlinie wurde empirisch ermittelt und basiert auf Erfahrungswerten der vorliegenden Brennkraftmaschine 1. Entscheidend ist hierbei die Anzahl der Zündzyklen pro Zündkerze 9, wobei diese bei der stationär betriebenen Brennkraftmaschine 1 über die Kurbelwellendrehzahl und die Laufzeit der Anlage berechnet wird.The characteristic was empirically determined and based on empirical values of the present internal combustion engine 1 , Decisive here is the number of ignition cycles per spark plug 9 , wherein these in the stationary-operated internal combustion engine 1 is calculated on the crankshaft speed and the running time of the system.

Bekanntermaßen muss bei einem 4-Takt-Otto-Motor jede zweite Umdrehung der Kurbelwelle 3 eine Zündung erfolgen. Man könnte daran denken, einen separaten Nockenwellensensor einzusetzen, was wiederum einen erhöhten baulichen Aufwand erfordert.It is known that in a 4-stroke gasoline engine every other revolution of the crankshaft 3 an ignition take place. One might think of using a separate camshaft sensor, which in turn requires an increased construction effort.

Die eingangs beschriebene Drehzahl- und Bezugsmarkenerfassung wird genutzt, um über die Drehungleichförmigkeit des die Inkremente 10 aufweisenden Rotationskörpers 4 über ein einzelnes Arbeitsspiel den Oberen Totpunkt der Zündung Z-OT zu erkennen. Dazu wird die Höhe der Drehzahldifferenz pro Umdrehung erfasst und mit einem hinterlegten Sollwert verglichen. Die Drehzahldifferenz zwischen befeuerter und geschleppter Brennkraftmaschine 1 ist in 2 dargestellt.The speed and reference mark detection described above is used to determine the rotational irregularity of the increments 10 having rotating body 4 to detect the top dead center of the ignition Z-OT over a single working cycle. For this purpose, the height of the speed difference per revolution is detected and compared with a stored setpoint. The speed difference between the fired and towed internal combustion engine 1 is in 2 shown.

Während des Starts der Brennkraftmaschine 1 wird mit Hilfe des schwungradseitigen Bezugsmarkengebers ein Zündsignal pro Motorumdrehung generiert.During the start of the internal combustion engine 1 With the help of the flywheel-side reference mark transmitter, an ignition signal is generated per engine revolution.

Im Startbereich und im Anlaufbereich der Brennkraftmaschine 1 wird jede Kurbelwellenumdrehung gezündet, somit sichergestellt, dass das Gemisch entzündet wird und der zweite Zündfunke wird frei in den Oberen Totpunkt des Gaswechsels W-OT gezündet. In the starting area and in the starting area of the internal combustion engine 1 Each crankshaft revolution is ignited, thus ensuring that the mixture is ignited and the second spark is ignited freely in the top dead center of the gas exchange W-OT.

Sobald die Brennkraftmaschine 1 den angeforderten Leistungsbereich angefahren hat, wird nun mit Hilfe der hochgenauen Drehzahlerfassung über die maximale Drehzahldifferenz pro Arbeitstakt der entsprechende Takt der Brennkraftmaschine 1 ermittelt. Dies beruht darauf, dass während dem Verdichtungshub die Motordrehzahl auf ein Minimum abfällt und durch die Verbrennung im Arbeitstakt, die Motordrehzahl auf ihr Maximum ansteigt. Dazu ist außerdem diese Drehzahldifferenz bei befeuertem Betrieb ca. doppelt so hoch, als wenn die Brennkraftmaschine 1 geschleppt werden bzw. keine Leistung abgeben würde. Durch das Bezugsinkrement 11 auf dem Rotationskörper 4 kann nun das Drehzahlminimum bzw. das Drehzahlmaximum den entsprechenden Takten zugeordnet werden, was zum Abschalten des „unnötigen“ Zündfunkens herangezogen wird.Once the internal combustion engine 1 has approached the requested power range, now with the help of high-accuracy speed detection on the maximum speed difference per power stroke of the corresponding cycle of the internal combustion engine 1 determined. This is due to the fact that during the compression stroke, the engine speed drops to a minimum and the combustion in the power stroke, the engine speed increases to its maximum. In addition, this speed difference in fired operation is about twice as high as when the internal combustion engine 1 be hauled or would give no performance. Through the reference increment 11 on the rotation body 4 Now, the speed minimum or the maximum speed can be assigned to the corresponding clocks, which is used to switch off the "unnecessary" Zündfunkens.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2013/026534 A1 [0003]WO 2013/026534 A1 [0003]
  • DE 10254479 B4 [0004]DE 10254479 B4 [0004]

Claims (13)

Verfahren zur Steuerung einer Brennkraftmaschine (1) in einem Blockheizkraftwerk, wobei Betriebsparameter wie eine Drehzahl oder ein Drehwinkel einer Kurbelwelle (3) der Brennkraftmaschine (1) erfasst werden, bei dem ein Sensor (7) jeweils ein Signal bei der Erfassung eines auf einem Rotationskörper (4) angeordneten und von der Kurbelwelle (3) angetriebenen Inkrementen (10, 11) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfolge einer Reihe regelmäßig beabstandeter Inkremente (10) und eines gegenüber der Reihe versetzt angeordneten Bezugsinkrementes (11) erfasst wird, dass zeitliche Abstände zwischen den Signalen erfasst werden und dass aus den zeitlichen Abständen die Drehzahl und eine von dem Bezugsinkrement (11) festgelegte Bezugsmarke ermittelt werden.Method for controlling an internal combustion engine (1) in a combined heat and power plant, wherein operating parameters such as a rotational speed or a rotational angle of a crankshaft (3) of the internal combustion engine (1) are detected, wherein a sensor (7) in each case generates a signal upon detection of a rotational body (4) arranged and by the crankshaft (3) driven increments (10, 11) generated, characterized in that the signal sequence of a series of regularly spaced increments (10) and a reference to the row offset reference increment (11) is detected that temporal Distances between the signals are detected and that from the time intervals, the rotational speed and a reference of the increment (11) fixed reference mark are determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leistungsabgabe eines von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Generators (2) erfasst wird und dass die Regelung zumindest eines der Parameter des Zündzeitpunktes oder der Ladung einer Zündspule (8) in Abhängigkeit von der Leistungsabgabe des Generators (2) erfolgt.Method according to Claim 1 , characterized in that the electric power output of a generator (2) driven by the internal combustion engine (1) is detected and that the control of at least one of the parameters of the ignition timing or the charge of an ignition coil (8) in dependence on the power output of the generator (2) he follows. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zündzeitpunkt beim Start der Brennkraftmaschine (1) aus hinterlegten Kennfeldern von Umgebungs- und Betriebsbedingungen festgelegt wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the ignition timing at the start of the internal combustion engine (1) is defined from stored maps of environmental and operating conditions. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsabgabe des Generators (2) variiert wird.Method according to at least one of Claims 1 to 3 , characterized in that during operation of the ignition timing in dependence on the electric power output of the generator (2) is varied. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Signalfolge und dem bekannten zeitlichen Vorlauf der Drehzahl in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Kurbelwelle (3) eine Kennzahl für die Laufruhe der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird und dass zumindest einer der Parameter des Zündzeitpunktes oder der Ladung der Zündspule (8) in Abhängigkeit von der Kennzahl der Laufruhe geregelt wird.Method according to at least one of Claims 1 to 4 , characterized in that from the signal sequence and the known time advance of the rotational speed as a function of the rotational angle of the crankshaft (3) an index for the smoothness of the internal combustion engine (1) is determined and that at least one of the parameters of the ignition timing or the charge of the ignition coil (8) is regulated depending on the key figure of the running smoothness. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom der Zündspule (8) zum Start der Brennkraftmaschine (1) nach dem Verschleißzustand der Zündkerze (9) vorgegeben wird.Method according to at least one of Claims 1 to 5 , characterized in that the charging current of the ignition coil (8) for starting the internal combustion engine (1) according to the state of wear of the spark plug (9) is specified. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Ladestrom so weit reduziert wird, bis die Kennzahl der Laufruhe einen vorgesehenen Wert erreicht hat.Method according to at least one of Claims 1 to 6 , characterized in that during operation of the charging current is reduced so far until the index of smoothness has reached a predetermined value. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Obere Totpunkt der Zündung und der Obere Totpunkt beim Gaswechsel der Brennkraftmaschine (1) erfasst werden und dass ein Zünden der Zündkerze (9) beim Oberen Totpunkt des Gaswechsels verhindert wird.Method according to at least one of Claims 1 to 7 , characterized in that the top dead center of the ignition and the top dead center during gas exchange of the internal combustion engine (1) are detected and that ignition of the spark plug (9) is prevented at the top dead center of the gas exchange. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Ladestroms und oder die Variierung des Zündzeitpunktes in Intervallen wiederholt wird.Method according to at least one of Claims 1 to 8th , characterized in that the reduction of the charging current and / or the variation of the ignition timing is repeated at intervals. Vorrichtung zur Erfassung von Betriebsparametern einer Brennkraftmaschine (1) in einem Blockheizkraftwerk, mit über den Umfang eines von einer Kurbelwelle (3) angetriebenen Rotationskörpers angeordneten Inkrementen (10, 11), mit einem feststehenden Sensor (7) zur Erzeugung eines Signals bei einer Erfassung eines der Inkremente (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass eines der Inkremente als Bezugsinkrement (11) ausgebildet und gegenüber einer regelmäßigen Beabstandung der anderen Inkremente (10) versetzt ist.Device for detecting operating parameters of an internal combustion engine (1) in a cogeneration plant, with increments (10, 11) arranged over the circumference of a rotation body driven by a crankshaft (3), with a fixed sensor (7) for generating a signal upon detection of a of the increments (10, 11), characterized in that one of the increments is designed as a reference increment (11) and offset from a regular spacing of the other increments (10). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Inkremente (10, 11) auf dem Rotationskörper (4) X beträgt, wobei X-1 Inkremente (10) um einen Winkel von 360°/X vom jeweils nächsten Inkrement (10) beabstandet sind und das eine Bezugsinkrement (11) einen Abstand von ungefähr 2/3 * 360°/X zu dem einen benachbarten Inkrement (10) und einen Abstand von 4/3 * 360°/X zu dem anderem benachbarten Inkrement (10) hat.Device after Claim 10 , characterized in that the number of increments (10, 11) on the rotary body (4) is X, wherein X-1 increments (10) are spaced by an angle of 360 ° / X from the next increment (10) and the a reference increment (11) has a distance of approximately 2/3 * 360 ° / X to the one adjacent increment (10) and a distance of 4/3 * 360 ° / X to the other adjacent increment (10). Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (4) aus ferromagnetischem Material gefertigt ist, dass die Inkremente (10) und das Bezugsinkrement (111) durch Materialabtrag des ferromagnetischen Materials erzeugt sind und dass der Sensor (7) als Indutkivgeber ausgebildet ist.Device after Claim 10 or 11 , characterized in that the rotary body (4) is made of ferromagnetic material, that the increments (10) and the Bezugsinkrement (111) are produced by material removal of the ferromagnetic material and that the sensor (7) is designed as Indutkivgeber. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (5) zur Erfassung einer elektrischen Leistungsabgabe eines von der Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Generators (2) ausgebildet ist.Device according to at least one of Claims 10 to 12 , characterized in that a control unit (5) for detecting an electric power output of a of the internal combustion engine (1) driven generator (2) is formed.
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