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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahl-Regelung einer Antriebseinheit,
insbesondere Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit,
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine
als Generatorantrieb vorgesehene Brennkraftmaschine wird üblicherweise
in einem Drehzahl-Regelkreis betrieben. Hierbei wird die Drehzahl
der Kurbelwelle als Regelgröße erfasst
und mit einem Motordrehzahl-Sollwert, der Führungsgröße, verglichen. Die daraus
resultierende Regelabweichung wird über einen Drehzahl-Regler in
eine Stellgröße für die Brennkraftmaschine,
beispielsweise eine Einspritzmenge, gewandelt.
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Zur
Unterdrückung
von Drehschwingungen, die der Regelgröße überlagert sind, sieht die
DE 101 22 517 C1 ein
Drehzahl-Filter
im Rückkopplungszweig
des Drehzahl-Regelkreises vor. Hierzu enthält das Drehzahl-Filter eine
Berechnungsvorschrift mittels der eine Drehschwingung i-ter Ordnung
vollständig
oder teilweise eliminiert wird. Beispielsweise wird die Drehschwingung
0.5-ter Ordnung über
eine Berechnungsvorschrift vollständig eliminiert, welche vorsieht,
dass die aktuelle Zahnzeit mit der eine Umdrehung zurückliegenden
Zahnzeit addiert wird.
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Zur
Drehzahl-Regelung einer Antriebseinheit sind ein erster Drehzahl-Regler
zur Regelung der Leerlauf-Drehzahl und ein zweiter Drehzahl-Regler zur
Regelung einer Enddrehzahl vorgesehen. Unter dem Begriff Antriebseinheit
sind sowohl eine Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit als auch
eine Brennkraftmaschinen-Getriebe-Einheit zu verstehen. Die Drehzahl
der Antriebseinheit wird geregelt, indem der dominante Regler aus
einem Soll-Ist-Vergleich eine Stellgröße berechnet, z. B. eine Einspritzmenge.
Problematisch bei einer derartigen Regelkreis-Struktur sind die
Reaktionszeiten bei einer sprung förmigen Last-Änderung
sowie der Übergang vom
ersten auf den zweiten Regler bzw. vice versa. Hierbei können unerwünschte Überschwingungen auftreten.
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Eine
Verbesserung dieser Problematik ist aus der
DE 197 11 787 A1 bekannt.
Bei kleinen Regelabweichungen ist der erste Regler dominant. Bei großen Regelabweichungen
ist der zweite Regler dominant. Zur Verringerung der Überschwingungen wird
beim Übergang
vom zweiten auf den ersten Regler der integrierende Anteil des ersten
Reglers initialisiert. Beide Regler berechnen unabhängig von der
Dominanz gleichzeitig jeweils ihre Stellgrößen. Dies bedeutet einen hohen
Rechneraufwand.
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Aus
der
DE 199 53 767
C2 ist ebenfalls ein Regelsystem mit einem ersten Regler
(Drehzahl-Regler) und einem zweiten Regler (Momenten-Regler) bekannt. Über ein
Auswahlmittel wird nur einer der beiden Regler als dominant für ein leistungsbestimmendes
Signal, z. B. Einspritzmenge, gesetzt. Beispielsweise ist der zweite
Regler dann dominant, wenn das Moment am Abtrieb der Brennkraftmaschine
ein maximal zulässiges
Motor-Moment überschreitet.
Der zweite Regler greift also dann ein, wenn am Abtrieb eine zu
hohe Last auftritt. Um sprungförmige Änderungen
des leistungsbestimmenden Signals bei einem Wechsel in der Dominanz zu
vermeiden, wird der integrierende Anteil des zweiten Reglers in
Abhängigkeit
eines Differenzmoments entweder auf den Wert des ersten Signals
gesetzt oder limitiert.
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Aus
der
DE 100 32 110
C2 ist ein Diagnosesystem für das zuvor beschriebene Regelsystem
bekannt. Das Verfahren ist in der Art ausgeführt, dass bei nicht plausiblen
Werten des Motor-Moments
die vom zweiten Regler berechnete Stellgröße gezielt vergrößert wird.
Um eine sprungförmige Änderung des
leistungsbestimmenden Signals bei dominantem zweiten Regler zu vermeiden,
ist eine entsprechende Übergangsfunktion
vorgesehen.
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Bei
dem zuvor beschriebenen Stand der Technik ist problematisch, dass
der Betreiber der Antriebseinheit außer über die Sollwert-Vorgabe keinen unmittelbaren
Einfluss ausüben
kann, z. B. beim Start-Betrieb.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Drehzahl-Regelung
einer Antriebseinheit bereitzustellen, bei dem der Start-Betrieb
mitberücksichtigt
wird.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die
Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Zur
Drehzahl-Regelung des Startvorgangs sieht die Erfindung einen dritten
Regler zur Berechnung einer dritten Einspritzmenge vor. Der Benutzer der
Antriebseinheit kann über
eine Füllungs-Vorgabe unmittelbar
eingreifen. Hierzu wird aus der Füllungs-Vorgabe eine Füllungs-Einspritzmenge
berechnet und mit der Einspritzmenge des dominanten Reglers verglichen.
In Abhängigkeit
des Vergleichs wird entweder die Dominanz des Reglers beibehalten
oder die Füllungs-Vorgabe
als dominant für
ein leistungsbestimmendes Signal gesetzt. Als leistungsbestimmendes
Signal ist im Sinne der Erfindung eine Einspritzmenge oder der Regelweg
einer Regelstange zu verstehen.
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Die
Erfindung sieht vor, dass die nicht dominanten Regler deaktiviert
werden. Nur der dominante Regler ist aktiv. Hierdurch wird neben
einer klaren Software-Struktur zusätzlich der Vorteil erzielt,
dass Rechner-Kapazität
frei wird.
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Bei
einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit entspricht der erste
Regler einem Leerlaufdrehzahl-Regler, der zweite Regler einem Enddrehzahl-Regler
und der dritte Regler einem Startdrehzahl-Regler. Die erste Einspritzmenge
entspricht der Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge, die zweite Einspritzmenge
entspricht der Enddrehzahl-Einspritzmenge und die dritte Ein spritzmenge
einer Startdrehzahl-Einspritzmenge. Bei dominanter Füllungs-Vorgabe
wird in Abhängigkeit
der Ist-Drehzahl der Antriebseinheit geprüft, ob der Leerlaufdrehzahl-
oder der Enddrehzahl-Regler aktiviert wird. Beim Wechsel, beispielsweise
zum Leerlaufdrehzahl-Regler, wird dessen integrierender Anteil (I-Anteil)
initialisiert. Durch die Initialisierung des I-Anteils werden geringe Überschwingweiten
beim Übergang
erzielt.
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Während des
Start-Vorgangs ist zunächst der
Startdrehzahl-Regler
dominant. Auch während des
Start-Vorgangs wird geprüft,
ob die Füllungs-Einspritzmenge
größer als
die Startdrehzahl-Einspritzmenge wird. In Abhängigkeit dieses Vergleichs
wird mit Erkennen einer Startende-Bedingung der Leerlaufdrehzahl-Regler
oder die Füllungs-Vorgabe
als dominant gesetzt. Durch die Möglichkeit der Füllungs-Vorgabe
bereits im Start-Betrieb wird ein schnellerer Hochlauf der Antriebseinheit
bewirkt.
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In
den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen:
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1 ein
Systemschaubild
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2 ein
Blockschaltbild Berechnung Füllungs-Einspritzmenge
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3, 4, 5 eine
Regelkreisstruktur
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6 ein
Zustandsdiagramm
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7 einen
Ablaufplan zum Start-Betrieb
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8 einen
Ablaufplan zum Unterprogramm Leerlaufdrehzahl-Regler
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9 einen
Ablaufplan zum Unterprogramm Füllung
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10 einen
Ablaufplan zum Unterprogramm Enddrehzahl-Regler
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11A, B, C einen Ablaufplan zur Initialisierung
des Leerlaufdrehzahl-Reglers
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12 einen
Ablaufplan zur Initialisierung Enddrehzahl-Regler
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13 ein Zeitdiagramm
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Die 1 zeigt
ein Systemschaubild des Gesamtsystems einer Antriebseinheit, beispielsweise einer
Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit 1. Diese bestehend
aus einer Brennkraftmaschine 2 mit einem Generator 4.
Die Brennkraftmaschine 2 treibt über eine Welle mit einem Übertragungsglied 3 den Generator 4 an.
In der Praxis kann das Übertragungsglied 3 einen
Freilauf enthalten. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 2 wird
der Kraftstoff über ein
Common-Rail-System
eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: Pumpen 7 mit Saugdrossel
zur Förderung
des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank 6, ein Rail 8 zum
Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 10 zum Einspritzen
des Kraftstoffs aus dem Rail 8 in die Brennräume der
Brennkraftmaschine 2.
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Die
Betriebsweise der Brennkraftmaschine 2 wird durch ein elektronisches
Steuergerät
(EDC) 5 geregelt. Das elektronische Steuergerät 5 beinhaltet die üblichen
Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor,
I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den
Speicherbausteinen sind die für
den Betrieb der Brennkraftmaschine 2 relevanten Betriebsdaten
in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische
Steuergerät 5 aus
den Eingangsgrößen die
Ausgangsgrößen. In 1 sind
exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt:
ein Raildruck pCR, der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird,
ein Ist-Drehzahl-Signal nM(IST) der Brennkraftmaschine 2,
eine Eingangsgröße E und
ein Signal FÜLL
zur Füllungs-Vorgabe
für die
Antriebseinheit. Die Füllungs-Vorgabe
FÜLL wird
durch den Betreiber vorgegeben. Bei einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit
kann dies ein analoges Signal sein. Über die Füllungs-Vorgabe FÜLL kann der Betreiber unmittelbar
auf die An triebseinheit einwirken. Bei einer Fahrzeug-Anwendung
entspricht dies der Fahrpedalstellung. Unter der Eingangsgröße E sind
beispielsweise der Ladeluftdruck eines Turboladers und die Temperaturen
der Kühl-/Schmiermittel
und des Kraftstoffs subsumiert.
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In 1 sind
als Ausgangsgrößen des
elektronischen Steuergeräts 5 ein
Signal ADV zur Steuerung der Pumpen 7 mit Saugdrossel und
eine Ausgangsgröße A dargestellt.
Die Ausgangsgröße A steht
stellvertretend für
die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 2, beispielsweise
den Einspritzbeginn SB und ein leistungsbestimmendes Signal ve,
entsprechend der Einspritzmenge.
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Die 2 zeigt
ein Blockschaltbild zur Umrechnung der Füllungs-Vorgabe FÜLL in eine
Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL.
Die Füllungs-Vorgabe FÜLL wird
mittels einer Kennlinie bzw. eines Kennfelds 14 in eine
ungefilterte Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL(U) gewandelt.
Bei dieser Umrechnung können
weitere Eingangsgrößen berücksichtigt
werden, z. B. die Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine 2.
Diese zusätzlichen
Eingangsgrößen sind
als Bezugszeichen E zusammengefasst. Danach wird die ungefilterte
Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL(U) über ein
Filter 15 in die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL umgerechnet.
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Die 3 zeigt
eine Regelkreisstruktur für den
Start-Betrieb. Über diese
wird das leistungsbestimmende Signal ve der Brennkraftmaschine für den Start-Betrieb
berechnet. Die Eingangsgrößen entsprechen
der Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine und einem Startdrehzahl-Sollwert nST(SW).
Der Startdrehzahl-Sollwert nST(SW) wird bei einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit nach
dem Starten der Brennkraftmaschine rampenförmig auf eine Leerlaufdrehzahl
erhöht.
Aus den beiden Eingangsgrößen ergibt
sich eine Regelabweichung dnST. Aus dieser berechnet der Startdrehzahl-Regler 11 die
Startdrehzahl-Einspritzmenge QST. Die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST
und die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL stellen
die Eingangsgrößen des
Blocks Maximalwert-Auswahl 16 dar. Dieser Funktionsblock
ermittelt aus den beiden Eingangsgrößen den Maximalwert und setzt
das leistungsbestimmende Signal ve der Brennkraftmaschine auf den
Maximalwert. Das leistungsbestimmende Signal ve entspricht somit
entweder der Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL oder.
der Startdrehzahl-Einspritzmenge
QST.
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Die 4 zeigt
eine Regelkreisstruktur des Leerlaufdrehzahl-Reglers 12 zur
Berechnung des leistungsbestimmenden Signals ve. Der Leerlaufdrehzahl-Regler 12 besitzt
als Eingangsgröße eine Drehzahl-Regelabweichung
dnLL und als Ausgangsgröße eine
Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL. Die Drehzahl-Regelabweichung dnLL
ergibt sich aus der Differenz der Ist-Drehzahl nM(IST) und einem Sollwert
der Leerlaufdrehzahl nLL(SW). Bei dominantem Leerlaufdrehzahl-Regler 12 wird
das leistungsbestimmende Signal ve auf den Wert der Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL gesetzt. Diese stellt die Eingangsgröße eines Filters 17 dar. Über das
Filter 17 wird aus der Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL eine gefilterte Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL(F) berechnet.
Die gefilterte Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL(F) wird bei der Prüfung des Übergangs
vom Leerlaufdrehzahl-Regler 12 zur Füllungs-Vorgabe FÜLL verwendet.
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Die 5 zeigt
eine Regelkreisstruktur des Enddrehzahl-Reglers 13 zur Berechnung des
leistungsbestimmenden Signals ve bei dominantem Enddrehzahl-Regler.
Der Enddrehzahl-Regler 13 berechnet aus einer Drehzahl-Regelabweichung
dnED als Ausgangsgröße eine
Enddrehzahl-Einspritzmenge QED. Die Drehzahl- Regelabweichung dnED wiederum ergibt
sich aus der Differenz der Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine
und einem Sollwert der Enddrehzahl nED(SW). Bei dominantem Enddrehzahl-Regler 13 wird
das leistungsbestimmende Signal ve auf den Wert der Enddrehzahl-Einspritzmenge
QED gesetzt. Die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED stellt die Eingangsgröße eines
Filters 18 dar. Über
dieses wird eine gefilterte Enddrehzahl-Einspritzmenge QED(F) berechnet. Die
gefilterte Enddrehzahl-Einspritzmenge
QED(F) wird bei der Prüfung
des Übergangs
vom Enddrehzahl-Regler 13 auf die Füllungs-Vorgabe FÜLL verwendet.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik ist bei der Erfindung nur ein
Drehzahl-Regler dominant und aktiviert. Ausschließlich der
dominante Drehzahl-Regler berechnet die Stellgröße. Die nicht dominanten Drehzahl-Regler
sind deaktiviert und führen keine
Rechenoperationen aus. Beispielsweise berechnet bei dominantem Leerlaufdrehzahl-Regler 12 ausschließlich dieser
eine Einspritzmenge, hier die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL. Zur Berechnung der
Stellgrößen enthalten
die Drehzahl-Regler einen entsprechenden Regelalgorithmus, z. B.
einen PIDT1-Algorithmus.
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In 6 ist
ein Zustandsdiagramm für
die vier Zustände
der Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit 1 dargestellt.
Beim Start-Betrieb ist zunächst
der Startdrehzahl-Regler dominant. Die Dominanz wird über das
Signal Reglermodus RM abgebildet. Bei dominantem Startdrehzahl-Regler 11 entspricht
der Reglermodus RM dem Wert Eins (RM = 1). Der Start-Betrieb ist
nach dem Starten der Brennkraftmaschine 2 so lange aktiv,
bis die Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine 2 die
Leerlaufdrehzahl, z. B. 1450 1/min, überschreitet. Während des Start-Betriebs
wird geprüft,
ob die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL größer als
die Startdrehzahl- Einspritzmenge
QST wird. Ist dies nicht der Fall, so bleibt der Startdrehzahl-Regler
dominant (RM = 1). Gleichzeitig wird das leistungsbestimmende Signal ve
auf den Wert der Stardrehzahl-Einspritzmenge QST gesetzt (ve = QST).
Mit Erkennen des Startendes wird dann der Leerlaufdrehzahl-Regler 12 aktiviert
(RM = 3). Wird während
des Start-Betriebs erkannt, dass die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL größer als
die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST wird, so wird die Füllungs-Vorgabe FÜLL über den
Reglermodus RM als dominant gesetzt (RM = 2). Gleichzeitig wird
das leistungsbestimmende Signal ve auf den Wert der Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL gesetzt.
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Die
Rückkehr
zum Startdrehzahl-Regler 11 erfolgt, wenn die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL wieder
kleiner oder gleich als die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST wird.
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Bei
dominanter Füllungs-Vorgabe
FÜLL und Startende
wird über
eine Drehzahl-Abfrage der Ist-Drehzahl nM(IST) geprüft, ob ein
Wechsel in der Dominanz hin zum Leerlaufdrehzahl-Regler 12 oder zum
Enddrehzahl-Regler 13 erfolgen soll. Die Rückkehr vom
Leerlaufdrehzahl-Regler 12 zur Füllungs-Vorgabe FÜLL erfolgt über den
Vergleich der Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL mit
der Summe aus Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL oder der gefilterten
Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL(F) und einem Hysteresewert Hyst1.
Die Rückkehr
vom Enddrehzahl-Regler 13 zur
Füllungs-Vorgabe
FÜLL erfolgt über den
Vergleich der Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL mit der
Differenz aus Enddrehzahl-Einspritzmenge QED oder gefilterter Enddrehzahl-Einspritzmenge
QED(F) minus einem Hysteresewert Hyst2. Durch die Verwendung der
gefilterten Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL(F) und der gefilterten Enddrehzahl-Einspritzmenge QED(F) wird ein besonders stabiler Übergang
erreicht.
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In 7 ist
ein Ablaufplan zum Start-Betrieb dargestellt. Bei S1 wird aus der
Füllungs-Vorgabe FÜLL die ungefilterte
Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL(U) berechnet
und bei S2 gefiltert. Danach wird bei S3 aus der Ist-Drehzahl nM(IST)
deren Gradient nGRAD berechnet. Bei S4 wird geprüft, ob eine Startende-Bedingung
SE erkannt wird. Ist der Start noch nicht beendet, so wird der Programmzweig
mit den Schritten S9 bis S18 durchlaufen. Wird ein Startende erkannt,
so wird der Programmteil mit den Schritten S5 bis S8 durchlaufen.
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Wenn
bei S4 noch keine Startende-Bedingung erkannt wurde (SE = 0), so
wird bei S9 der Sollwert nST(SW) des Startdrehzahl-Reglers 11 berechnet. Über diesen
wird eine Hochlauframpe oder ein konstanter Wert abgebildet. Bei
S10 wird in Abhängigkeit
der Ist-Drehzahl nM(IST) bzw. der Regelabweichung dnST die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST
berechnet. Bei S11 wird die berechnete Startdrehzahl-Einspritzmenge
auf einen maximalen Wert begrenzt. Bei S12 wird die Startdrehzahl-Einspritzmenge
QST als Initialisierungswert für
die gefilterte Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL(F) gesetzt. Bei
S13 wird geprüft,
ob die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL größer als
die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST wird. Ist dies nicht der Fall,
so wird bei S17 die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST als leistungsbestimmendes
Signal ve gesetzt und der Reglermodus RM auf 3 gesetzt, S18. Danach
erfolgt die Rückkehr zum
Programmpunkt A, das heißt,
mit dem erneuten Berechnen der Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL im Schritt
S1. Wird bei S13 eine erhöhte
Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL detektiert,
so wird bei S14 der Reglermodus RM auf 2 gesetzt. Bei S15 wird sodann die
Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL auf einen
Maximalwert begrenzt und bei S16 die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL als leistungsbestimmendes
Signal ve gesetzt. Danach erfolgt der Rücksprung zum Punkt A.
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Wenn
bei Schritt S4 eine Startende-Bedingung erkannt wird (SE = 1), erfolgt
bei S5 eine Abfrage auf den Reglermodus RM. Besitzt dieser die Wertigkeit 3,
so wird mit S6 das Unterprogramm Leerlaufdrehzahl-Regler, entsprechend
der 8, aufgerufen. Bei einem Wert von 2 wird bei S7
das Unterprogramm Füllung,
entsprechend 9, aufgerufen. Bei einem Wert
von 4 wird das Unterprogramm Enddrehzahl-Regler, entsprechend 10,
aufgerufen.
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In 8 ist
ein Ablaufplan zum Unterprogramm Leerlaufdrehzahl-Regler 12 dargestellt.
Bei S1 wird eine Einspritzmenge Q aus der Summe der gefilterten
Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL(F) und einer Hysterese Hyst1 berechnet. Der Hysteresewert Hyst1
wird vom Betreiber vorgegeben. Durch die Verwendung der gefilterten
Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL(F) und Einführung
der Hysterese Hyst1 wird ein besonders stabiler Übergang vom Leerlaufdrehzahl-Regler 12 zur
Füllungs-Vorgabe FÜLL erreicht.
Dann wird bei S2 geprüft,
ob die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL größer als
die Einspritzmenge Q wird. Bei positivem Prüfergebnis werden die Schritte
S8 bis S10 durchlaufen. Bei negativem Prüfergebnis werden die Schritte
S3 bis S7 durchlaufen.
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Wird
bei S2 erkannt, dass die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL größer als
die Einspritzmenge Q ist, so wird bei S8 der Reglermodus RM auf
2 gesetzt und bei S9 die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL begrenzt.
Danach wird bei S10 die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL als
leistungsbestimmendes Signal ve gesetzt und zum Punkt A der 7 zurückverzweigt.
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Wird
bei S2 erkannt, dass die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL kleiner
oder gleich der Einspritzmenge Q ist, so wird bei S3 ein Sollwert
nLL(SW) für den
Leerlaufdrehzahl-Regler 12 berechnet. In der Praxis kann
der Sollwert nLL(SW) konstant sein, beispielsweise 1450 Umdrehungen/Minute.
Bei S4 wird in Abhängigkeit
der Ist-Drehzahl nM(IST) und dem Sollwert nLL(SW) die Regelabweichung
dnLL und hieraus die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL berechnet.
Die Berechnung kann beispielsweise über einen PIDT1-Algorithmus
erfolgen. Bei S5 wird die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL auf
einen maximalen Wert begrenzt und bei S6 gefiltert. Danach wird
bei S7 die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL als leistungsbestimmendes
Signal ve gesetzt und zum Punkt A der 7 zurückgekehrt.
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9 zeigt
einen Ablaufplan zum Unterprogramm Füllung. Bei S1 wird ein erster
Grenzwert GW1 berechnet. Dieser bestimmt sich aus dem Sollwert nLL(SW)
für den
Leerlaufdrehzahl-Reglers 12 und einem Drehzahl-Vorhalt.
Der Drehzahl-Vorhalt wiederum
bestimmt sich aus einem Faktor F1 und einem Vorgabewert dn1. Der
Faktor F1 ist proportional zum Gradienten nGRAD der Ist-Drehzahl
nM(IST). Sowohl der Proportionalitätsfaktor k1 als auch der Vorgabewert
dn1 werden vom Betreiber vorgegeben. In der Praxis werden Werte
von 0 bis 20 Umdrehungen/Minute verwendet. Bei einem Vorgabewert
dn1 gleich Null und bei einem Wert von k1 größer Null, erfolgt der Übergang
zum Leerlaufdrehzahl-Regler 12 bei fallender Ist-Drehzahl
nM(IST) bereits vor Erreichen der Solldrehzahl nLL(SW), da der Drehzahl-Gradient
nGRAD in diesem Fall ein negatives Vorzeichen hat. Dasselbe gilt,
wenn der Faktor F1 bei fallender Ist-Drehzahl nM(IST) betragsmäßig größer als
der Vorgabewert dn1 ist. Bei S2 wird geprüft, ob die Ist-Drehzahl nM(IST)
kleiner als der erste Grenzwert GW1 ist. Ist dies der Fall, so wird
der Leerlaufdrehzahl-Regler 12 aktiviert (RM = 3) und die
Schritte S3 bis S9 durchlaufen. Ist die Ist-Drehzahl nM(IST) größer oder
gleich als der Grenzwert (GW1), so werden die Schritte S10 bis S20
durchlaufen.
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Liegt
die Ist-Drehzahl nM(IST) unterhalb des ersten Grenzwerts GW1, so
wird der Reglermodus RM auf 3 gesetzt, S3. Danach wird bei S4 der
Sollwert nLL(SW) des Leerlaufdrehzahl-Reglers 12 berechnet. Die Berechnung
erfolgt indem vom Sollwert nLL(SW) der Faktor F1 subtrahiert wird.
Bei einer fallenden Ist-Drehzahl nM(IST) bewirkt dies eine Vergrößerung des
Sollwerts nLL(SW), wenn der Proportionalitätsfaktor k1 größer als
Null ist. Im weiteren Programmablauf wird der Sollwert nLL(SW) entweder
rampenförmig
oder durch eine Übergangsfunktion
auf das ursprüngliche
Niveau zurückgeführt, siehe Schritt
S3 der 8. Durch dieses kurzzeitige Anheben der Solldrehzahl
nLL(SW) beim Übergang
zum Leerlaufdrehzahl-Regler 12 wird bei fallender Ist-Drehzahl
nM(IST) bereits vor Erreichen der ursprünglich vorgegebenen Solldrehzahl
eine positive Drehzahl-Regelabweichung dnLL erzeugt. Diese Drehzahl-Regelabweichung
dnLL ist beim Übergang zum
Leerlaufdrehzahl-Regler 12 um so größer, je größer der Vorgabewert dn1 ist.
Mit dieser Maßnahme
kann das Unterschwingen der Ist-Drehzahl nM(IST) beim Übergang
zum Leerlaufdrehzahl-Regler 12 sehr stark reduziert werden.
Bei S5 wird der Leerlaufdrehzahl-Regler 12 initialisiert.
Die Initialisierung des integrierenden Anteils (I-Anteil) wird in
Verbindung mit den 11A bis 11C erläutert. Danach
wird bei S6 aus der Regelabweichung dnLL die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL
berechnet und bei S7 begrenzt. Bei S8 wird die gefilterte Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge
QLL(F) mit dem Wert der Leerlauf-Einspritzmenge QLL initialisiert.
Bei S9 wird die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL als leistungsbestimmendes
Signal ve gesetzt und zum Programmpunkt A zurückgekehrt.
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Wird
bei S2 festgestellt, dass die Ist-Drehzahl nM(IST) größer/gleich
als der erste Grenzwert GW1 ist, so wird bei S10 ein zweiter Grenzwert
GW2 berechnet. Der zweite Grenzwert GW2 berechnet sich aus dem Sollwert
nED(SW) des Enddrehzahl-Reglers 13 und
einem Drehzahlvorhalt, welcher aus einem Faktor F2 und einem positiven
Vorgabewert dn2 bestimmt wird. Der Faktor F2 ist proportional zum
Gradienten nGRAD der Ist-Drehzahl nM(IST).
Der Proportionalitätsfaktor
k2 wird vom Betreiber vorgegeben. Auch der Vorgabewert dn2 wird vom
Betreiber vorgegeben und nimmt in der Praxis Werte von 0 bis 20
Umdrehungen/Minute an. Danach wird bei S11 geprüft, ob die Ist-Drehzahl nM(IST)
größer dem
zweiten Grenzwert GW2 ist. Ist dies der Fall, so wird bei S12 der
Reglermodus RM auf den Wert 4 gesetzt und der Enddrehzahl-Regler 13 aktiviert.
Hat der Vorgabewert dn2 den Wert Null und hat k2 einen Wert, der
größer als
Null ist, so erfolgt der Übergang zum
Enddrehzahl-Regler 13 bei steigender Ist-Drehzahl nM(IST)
bereits vor Erreichen der Solldrehzahl nED(SW), da der Drehzahl-Gradient
nGRAD in diesem Fall ein positives Vorzeichen hat. Dasselbe gilt, wenn
der Faktor F2 bei steigender Ist-Drehzahl nM(IST) betragsmäßig größer als
der Vorgabewert dn2 ist. Bei S13 wird der Sollwert nED(SW) berechnet.
Durch die Subtraktion des Faktors F2 vom Sollwert nED(SW) des Enddrehzahl-Reglers 13 wird
bewirkt, dass bei steigender Ist-Drehzahl nM(IST) der Sollwert nED(SW)
abgesenkt wird, wenn der Proportionalitätsfaktor k2 größer als
Null gesetzt wird. Im weiteren Programmablauf wird der Sollwert nED(SW)
entweder rampenförmig
oder durch eine Übergangsfunktion
wieder auf das ursprüngliche
Niveau zurückgeführt, und
zwar bei Schritt S3 von 10. Durch
dieses kurzzeitige Absenken der Solldrehzahl (nED(SW) beim Übergang
zum Enddrehzahl-Regler 13 wird – bei steigender Ist-Drehzahl nM(IST) – bereits
vor Erreichen der ursprünglich
vorgesehenen Solldrehzahl nED(SW) eine Drehzahl-Regelabweichung
dnED erzeugt. Diese Drehzahl-Regelabweichung dnED ist beim Übergang
zum Enddrehzahl-Regler 13 betragsmäßig umso größer, je größer der Vorgabewert dn2 ist.
Mit dieser Maßnahme
kann das Überschwingen
der Ist-Drehzahl nM(IST) beim Übergang
zum Enddrehzahl-Regler 13 sehr stark reduziert werden.
Bei S14 wird der Enddrehzahl-Regler 13 initialisiert. Die
Initialisierung des I-Anteils wird in Verbindung mit der 12 erläutert. Bei
S15 wird in Abhängigkeit
der Regelabweichung dnED die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED berechnet.
Danach wird bei S16 diese auf einen maximalen Wert begrenzt. Bei
S17 wird die gefilterte Enddrehzahl-Einspritzmenge QED(F) mit dem
Wert der Enddrehzahl-Einspritzmenge QED initialisiert. Bei S18 wird
die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED als leistungsbestimmendes Signal
ve gesetzt und zum Programmpunkt A verzweigt.
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Wenn
bei S11 erkannt wird, dass die Ist-Drehzahl nM(IST) kleiner/gleich
als der zweite Grenzwert GW2 wird, so wird bei S19 die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL begrenzt
und bei S20 als leistungsbestimmendes Signal ve gesetzt und zum
Programmpunkt A zurückgekehrt.
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In 10 ist
ein Ablaufplan zum Unterprogramm Enddrehzahl-Regler 13 dargestellt.
Bei S1 wird eine Einspritzmenge Q aus der gefilterten Enddrehzahl-Einspritzmenge
QED(F) minus einer Hysterese Hyst2 berechnet. Danach wird bei S2
geprüft,
ob die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL kleiner
als die Einspritzmenge Q ist. Durch die Berücksichtigung der gefilterten
Enddrehzahl-Einspritzmenge QED(F) und der Hysterese Hyst2 im Schritt
S2 wird ein besonders stabiler Übergang
erreicht. Ist die Abfrage bei S2 positiv, so wird der Reglermodus
RM auf den Wert 2 gesetzt, S8. Hierdurch wird die Füllungs-Vorgabe
FÜLL als
dominant gesetzt. Danach wird bei S9 die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL auf einen
maximalen Wert begrenzt. Bei S10 wird als leistungsbestimmendes
Signal ve die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL gesetzt
und zum Programmpunkt A zurückgekehrt.
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Wenn
im Schritt S2 erkannt wird, dass die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL größer oder gleich als die Einspritzmenge
Q ist, so wird bei S3 der Sollwert nED(SW) für den Enddrehzahl-Regler 13 berechnet.
Im Schritt S4 wird aus der Drehzahl-Regelabweichung dnED die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED
berechnet. Die Berechnung kann beispielsweise über einen PIDT1-Algorithmus
erfolgen. Bei S5 wird die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED auf einen maximalen
Wert begrenzt und bei S6 gefiltert. Danach wird die Enddrehzahl-Einspritzmenge
QED bei S7 als leistungsbestimmendes Signal ve gesetzt und zum Punkt
A der 7 zurückgekehrt.
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In
den 11A bis 11C sind
drei Ausführungsformen
zur Initialisierung des integrierenden Anteils (I-Anteil) des Leerlaufdrehzahl-Reglers 12 dargestellt.
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In 11A wird bei S1 der Zustand eines Schalters geprüft. Dieser
Schalter wird vom Betreiber gesetzt. Bei einem Wert von 1 wird bei
S3 der I-Anteil initialisiert, indem ein Faktor F3 und ein PIDT1-Anteil RA
des Leerlaufdrehzahl-Reglers 12 vom
aktuellen Wert des leistungsbestimmenden Signals ve subtrahiert
werden. Der Faktor F3 berechnet sich aus dem Gradienten nGRAD der
Ist-Drehzahl nM(IST) und einem positiven Proportionalitätsfaktor
k3. Wenn anstelle eines PIDT1-Algorithmus eine andere Berechnungsvorschrift
verwendet wird, ist der Anteil RA gleich Null. Besitzt der Schalter
einen Wert von 0, so wird bei S2 der I-Anteil mit der Differenz
des aktuellen Werts des leistungsbestimmenden Signals ve und dem
Faktor F3 initialisiert. Danach erfolgt die Rückkehr zum Schritt S5 des Ablaufplans
der 9.
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In 11B ist eine andere Ausführungsform zur Initialisierung
des I-Anteils des Leerlauf-Drehzahl-Reglers 12 dargestellt.
Im Unterschied zu 11A wird hier der I-Anteil vorgegeben.
Bei S1 wird geprüft,
welcher Zustand ein Schalter aufweist. Der Schalter wird vom Benutzer
vorgegeben. Besitzt der Schalter den Wert 1, so wird bei S2 der
I-Anteil auf einen konstanten Wert gesetzt, bei S6 begrenzt und
zum Ablaufplan der 9 zurückgekehrt. Besitzt der Schalter
den Wert 0, so wird bei S3 geprüft,
ob ein 50Hz- oder 60Hz-Generator
verwendet wird. In beiden Fällen
wird der I-Anteil mit der sich in lastfreiem Betrieb der Brennkraftmaschine
ergebenden Einspritzmenge initialisiert. Beim 50Hz-Betrieb entspricht
dies der Einspritzmenge QMIN(50Hz) bzw. beim 60Hz-Betrieb der Einspritzmenge
QMIN(60Hz). Bei S6 wird danach der I-Anteil begrenzt und zum Ablaufplan
der 9 zurückgekehrt.
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In 11C ist eine weitere Ausführungsform zur Initialisierung
des I-Anteils des Leerlauf-Drehzahl-Reglers 12 dargestellt.
Der Ablaufplan der 11C entspricht im Wesentlichen
der Kombination der Ablaufpläne
der 11A und 11B.
Bei S1 wird der Schalterzustand eines ersten Schalters geprüft. Besitzt
der erste Schalter den Wert 1, so wird bei S3 eine Differenz-Einspritzmenge
Q(DIFF) berechnet, indem vom aktuellen Wert des leistungsbestimmenden
Signals ve ein Faktor F3 und der PIDT1-Anteil RA des Leerlaufdrehzahl-Reglers abgezogen
werden. Der Faktor F3 stellt wiederum das Produkt des Gradienten
nGRAD der Ist-Drehzahl nM(IST) mit dem vorzugebenden positiven Wert
k3 dar. Besitzt der erste Schalter den Wert 0, so wird bei S2 ebenfalls
eine Differenz-Einspritzmenge Q(DIFF) als Differenz vom aktuellen
Wert des leistungsbestimmenden Signals ve und Faktor F3 berechnet.
Bei S4 wird danach die Differenz-Einspritzmenge Q(DIFF) begrenzt.
Bei S5 wird der Schalterzustand eines zweiten Schalters geprüft. Besitzt
der zweite Schalter den Wert 1, so wird bei S6 der I-Anteil auf
einen konstanten vorgebbaren Wert gesetzt. Besitzt der Schalter
aber den Wert 0, so fol gen die Schritte S7 bis S9. Diese entsprechen
den Schritten S3 bis S5 der 11B,
so dass das dort Gesagte gilt. Bei S10 wird der I-Anteil anschließend auf
einen maximalen Wert begrenzt. Bei S11 wird geprüft, ob die Differenz-Einspritzmenge Q(DIFF)
größer als
der I-Anteil ist. Ist dies nicht der Fall, so wird der zuvor berechnete
I-Anteil als Initialisierungswert verwendet, S13. Ist die Differenz-Einspritzmenge Q(DIFF)
größer als
der I-Anteil, so wird der I-Anteil auf die Differenz-Einspritzmenge
Q(DIFF) gesetzt, S12. Danach wird zum Ablaufplan der 9 zurückgekehrt.
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In 12 ist
ein Ablaufplan zur Initialisierung des I-Anteils des Enddrehzahl-Reglers 13 dargestellt.
Bei S1 wird der Schalterzustand eines Schalters geprüft. Besitzt
der Schalter den Wert 1, so wird der I-Anteil im Schritt S3 initialisiert.
Der I-Anteil berechnet sich aus dem aktuellen Wert des leistungsbestimmenden
Signals ve minus einem Faktor F4 und dem PIDT1-Anteil RA des Enddrehzahl-Reglers 13. Der
Faktor F4 ist dabei das Produkt des Gradienten nGRAD der Ist-Drehzahl
nM(IST) und eines positiven Vorgabewerts k4. Danach wird bei S4
der zuvor berechnete I-Anteil begrenzt. Besitzt der Schalter den Wert
0, so wird der I-Anteil im Schritt S2 mit der Differenz vom aktuellen
Wert des leistungsbestimmenden Signals ve und dem Faktor F4 initialisiert.
Nach Ausführung
des Schritts S4 wird zum Ablaufplan der 9 zurückgekehrt.
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Die 13 zeigt einen Start-Vorgang mit anschließender Leerlauf-
und Enddrehzahl-Regelung. Die 13 besteht
aus den Teilfiguren 13A bis 13D.
Diese zeigen jeweils über
der Zeit: ein Signal Startende SE und den die Dominanz darstellenden
Reglermodus RM (13A), die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL und das leistungsbestimmende Signal
ve (13B), die Startdrehzahl-, Leerlaufdrehzahl-
und End drehzahl-Einspritzmengen QST, QLL und QED (13C) und ein Drehzahl-Diagramm (13D).
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Zu
einem Zeitpunkt t=0 wird die Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit 1 aktiviert.
Das Signal Startende nimmt einen Wert 0 ein. Gleichzeitig wird der
Startdrehzahl-Regler aktiviert und zunächst als dominant gesetzt.
Das Signal Reglermodus RM besitzt den Wert 1. Gleichzeitig wird
geprüft,
ob die aus der Füllungs-Vorgabe
FÜLL berechnete
Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL größer als
die vom Startdrehzahl-Regler 11 berechnete Startdrehzahl-Einspritzmenge
QST ist. Da die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL zunächst den
Wert 0 hat, entspricht der Wert des leistungsbestimmenden Signals ve
dem Wert der Startdrehzahl-Einspritzmenge QST, hier F1. Die Ist-Drehzahl nM(IST)
folgt einer über
den Sollwert nST(SW) vorgegebenen Hochlauframpe. Zum Zeitpunkt t1 überschreitet
die Ist-Drehzahl nM(IST) einen Drehzahlwert von 600 Umdrehungen/Minute.
Die Startdrehzahl-Einspritzmenge QST wird bis zum Zeitpunkt t1 auf
den Wert F1 begrenzt, danach nicht mehr. Zum Zeitpunkt t2 erreicht
die Ist-Drehzahl nM(IST) einen Grenzwert, wodurch die Startende-Bedingung
erfüllt
wird. Der Grenzwert ist in 13D mit
1450 Umdrehungen/Minute dargestellt. Mit Erreichen dieses Grenzwerts
wird das Signal Startende von 0 auf 1 gesetzt. Bei der Leerlaufdrehzahl
von 1450 Umdrehungen/Minute besteht noch kein Kraftschluss zwischen
der Brennkraftmaschine 2 und dem Generator 4.
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Ab
dem Zeitpunkt t2 ist der Leerlaufdrehzahl-Regler 12 dominant
und regelt die Ist-Drehzahl nM(IST) auf einen konstanten Wert von
1450 Umdrehungen/Minute. Das leistungsbestimmende Signal ve ist
jetzt mit der Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL
identisch. Zum Zeitpunkt t3 wird die Füllungs-Vorgabe FÜLL erhöht, so dass
die Füllungs-Einspritzmenge QFÜLL den Wert
F2 annimmt und damit größer als
die Leerlaufdrehzahl-Einspritzmenge QLL wird. Als Folge hiervon
wechselt die Dominanz vom Leerlaufdrehzahl-Regler 12 zur
Füllungs-Vorgabe
FÜLL. Dies
wird in 13A durch die Änderung
des Reglermodus RM vom Wert 3 nach 2 dargestellt. Im Zeitraum t3
bis t4 wird die Ist-Drehzahl nM(IST) auf Grund der höheren Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL auf
ein neues Drehzahl-Niveau von 1500 Umdrehungen/Minute geführt. Ab
diesem Zeitpunkt besteht eine kraftschlüssige Verbindung.
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Zum
Zeitpunkt t4 wird davon ausgegangen, dass die Füllungs-Vorgabe FÜLL nochmals erhöht wird.
Hierdurch erhöht
sich die Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL auf
den Wert F3. Es wird davon ausgegangen, dass die Generator-Last
unverändert bleibt.
Auf Grund der höheren
Einspritzmenge erhöht sich
ebenfalls die Ist-Drehzahl nM(IST). Zum Zeitpunkt t5 wechselt die
Dominanz von der Füllungs-Vorgabe
FÜLL zum
Enddrehzahl-Regler 13. Der Reglermodus RM wechselt seinen
Wert von 2 nach 4. Nunmehr entspricht das leistungsbestimmende Signal
ve der Enddrehzahl-Einspritzmenge QED. Danach wird die Enddrehzahl-Einspritzmenge QED
bis zum Zeitpunkt t6 reduziert. Zum Zeitpunkt t6 wird beispielsweise
die Füllungs-Vorgabe
FÜLL wieder
auf den Wert 0 verringert. Als Folge hiervon reduziert sich die
Füllungs-Einspritzmenge
QFÜLL ebenfalls
auf Null. Da dieser Wert kleiner ist als die vom Enddrehzahl-Regler 13 berechnete
Einspritzmenge QED wird jetzt die Füllungs-Vorgabe FÜLL dominant. Entsprechend ändert sich
der Wert des Reglermodus RM wieder auf den Wert 2. Da das leistungsbestimmende
Signal ve den Wert 0 annimmt, reduziert sich jetzt die Ist-Drehzahl
nM(IST). Ab diesem Zeitpunkt besteht keine kraftschlüssige Verbindung
mehr. Kurz vor Erreichen des Grenzwerts von 1450 Umdrehungen/Minute
erfolgt ein Wechsel in der Dominanz zum Leerlaufdrehzahl-Regler 12.
Der Reglermodus RM ändert
seine Wertigkeit von 2 nach 3. Die Ist-Drehzahl nM(IST) pendelt sich auf die
Leerlaufdrehzahl von 1450 Umdrehungen/Minute ein.
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Aus
der 13D ist ersichtlich, dass die Leerlaufdrehzahl
(1450 Umdrehungen/Minute) und die Enddrehzahl (1550 Umdrehungen/Minute)
sehr eng beieinander liegen. Die Erfindung lässt sich ganz allgemein immer
dann mit Vorteil verwenden, wenn eine Leerlauf-Enddrehzahl-Regelung
bei eng beieinanderliegenden Drehzahl-Niveaus erforderlich ist.
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- 1
- Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Übertragungsglied
- 4
- Generator
- 5
- Elektronisches
Steuergerät
EDC
- 6
- Kraftstofftank
- 7
- Pumpen
- 8
- Rail
- 9
- Rail-Drucksensor
- 10
- Injektoren
- 11
- Startdrehzahl-Regler
- 12
- Leerlaufdrehzahl-Regler
- 13
- Enddrehzahl-Regler
- 14
- Kennlinie/Kennfeld
- 15
- Filter
- 16
- Maximalwert-Auswahl
- 17
- Filter
- 18
- Filter