DE19515481A1 - Verfahren zur Lastregelung einer Antriebsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lastregelverfahren bei Antriebsanlagen mit veränderbarer Lastaufnahmecharakteristik der aufgeladenen Arbeitsmaschine, insbesondere eines Dieselmotors mit Abgasturbolader nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Lastregelverfahren werden beispielsweise bei Schiffsantriebsanlagen mit Dieselmotor und Verstellpropeller oder dieselelektrischen Antriebsanlagen als sogenannte Diesellastregelungen eingesetzt.

Ein Überblick über bereits bestehende Diesellastregelungen wird in dem Fachartikel von J. Neumann "Control of warship machinery", erschienen in: Proc. Instn. Mech. Engrs., 198 D No. 7 auf den Seiten 137 bis 151 gegeben. Zusammenfassend geht daraus hervor, daß bei herkömmlichen Diesellastregelungen die Regelwegposition im Anlagenregler mit einer motordrehzahlabhängigen Regelwegreferenz verglichen wird, und unabhängig davon die Motorbelastung beispielsweise über die Propellersteigung begrenzt wird.

Im Unterschied zu Saugdieselmotoren, sprich nicht aufgeladenen Dieselmotoren, weichen die Betriebsgrößen einer aufgeladenen Brennkraftmaschine in instationären und transienten Betriebsbereichen erheblich von den Betriebswerten in stationären Zuständen ab. Eine direkte lastabhängige Ausregelung der Brennkraftmaschine ist in diesen Bereichen nicht mehr möglich, sondern das Zusammenspiel zwischen Abgasturboaufladung und Brennkraftmaschine bedingt ein eigenes Verhalten beim Ausregeln der Brennkraftmaschine auf die Sollvorgabe des Motorreglers. Bekannterweise wird nämlich der aufgeladene Dieselmotor beim Übergang von einem stationären auf einen anderen Betriebspunkt höherer Laststufe, dem transienten Betriebsbereich, entlang einer vorgegebenen Füllungsreferenzkurve geregelt. Diese Füllungsreferenzkurve ist in dem Motorregler des Dieselmotors abgespeichert und ordnet jeder gemessenen Motordrehzahl starr einen entsprechenden Füllungssollwert zu.

Darüberhinaus ist es bekannt, neben der Differenz zwischen der Füllung und dem Füllungsreferenzwert, im Anlagenregler eine Differenz zwischen dem Füllungssollwert des Motorregelers und einer vorhandenen Füllungsbegrenzung dieses Motorreglers zu verarbeiten. Bei Einsatz aufgeladener Dieselmotoren ist es daher üblich, den Füllungssollwert im Motorregler in Abhängigkeit des Ladeluftdrucks zu begrenzen. Weiterhin wird dabei die Propellersteigung in Abhängigkeit der Verweildauer dieser Füllung außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs, daß heißt oberhalb eines vorgegebenen Füllungsreferenzwertes oder an der Füllungsbegrenzung selbst, begrenzt oder zurückgenommen.

Eine solche Steuereinrichtung ist in der DE-AS 11 04 375 beschrieben. Bei dieser Steuereinrichtung für die Flügelsteigung des oder der Verstellpropeller wird zur Erzeugung des Sollwertes für den Verstellpropeller die dem jeweiligen Fahrkommando zugeordnete Steuergröße mit Ausgangswerten steuerbarer Schaltelemente zusammengefaßt und als resultierender Sollwert zur Steuerung des Verstellpropellers verwendet. Dabei sind die Eingangswerte der steuerbaren Schaltelemente von einem oder mehreren Kenngrößen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine abhängig.

Wird mit dem Fahrhebel (Anlagen-Sollwertgeber) ein bestimmter Sollwert für die Antriebsleistung vorgegeben, dann bewirkt die Steuereinrichtung eine entsprechende Einstellung der Flügelsteigung des Verstellpropellers. Wird der Dieselmotor durch die eingestellte Propellersteigung überlastet, dann wird durch ein Signal des Motorreglers die Propellerflügelsteigung verringert. Sinkt der Leistungsbedarf durch diese Maßnahme wieder auf das zulässige Maß ab, dann wird die Flügelsteigung des Verstellpropellers erneut auf das ursprünglich vorgesehene Maß zurückgestellt. Bei dieser bekannten Propellerverstellung ist das vom Motorregler ausgegebene Signal von der Drehzahl des Dieselmotors abhängig. Durch diese Drehzahlabhängigkeit wird erreicht, daß der Dieselmotor bei verringerter Drehzahl durch geeignete Verstellung der Propellerflügel mit einer dieser Drehzahl zugeordneten Antriebsleistung belastet wird.

Bei diesem über die Drehzahl erfolgten lastabhängigen Regeln des Motors findet eine von der jeweils fest vorgegebenen Füllungsreferenzkurve abhängige direkte Abstimmung der Antriebsanlage auf den jeweils anliegenden stationären Betriebspunkt statt. Damit sind herkömmliche Verfahren aber auch nur für einen jeweils speziellen angenommenen Betriebsfall optimal. Der tatsächliche Betriebszustand der Gesamtanlage und deren aufgeladenen Dieselmotors wird dadurch allerdings nicht erfaßt. Die vorprogrammierte starre Regelabhängigkeit bringt ferner den Nachteil mit sich, daß bei Änderung der Umgebungs- oder der Betriebsbedingungen deutliche Probleme im Anlagenbetrieb auftreten. Dies hat schließlich zur Folge, daß zur Gewährleistung eines sicheren Anlagenbetriebs unter Extrembedingungen das maximal zur Verfügung stehende instationäre Leistungspotential einer Antriebsanlage mit aufgeladener Arbeitsmaschine nicht voll ausgenutzt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lastregelverfahren für Antriebsanlagen mit aufgeladener Arbeitsmaschine vorzuschlagen, welches bei sämtlichen Betriebsbedingungen eine optimale Ausnutzung des Anlagenleistungspotentials ermöglicht und gleichzeitig einen optimalen und sicheren Betrieb gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen ausgehend von einem gattungsgemäßen Regelverfahren die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte, zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche beschrieben.

Erfindungsgemäß wird also zu jedem Zeitpunkt der tatsächliche Anlagenbetriebszustand, und damit auch der Arbeitsmaschine, im Anlagenregler erfaßt. Ausgehend hiervon wird das im momentanen Zeitpunkt aktuell vorhandene Drehmomentpotential des Dieselmotors ermittelt. Damit wird also auch während eines instationären oder transienten Motorbetriebszustands eine genaue Aussage darüber erhalten, welche tatsächlich verfügbare Mehrleistung des Motors momentan zum Ausgleich einer Lasterhöhung zur Verfügung steht.

Ein damit erzielbarer Vorteil ist, daß die Vorgabe einer Füllungsreferenzkurve in diesen Bereichen entfällt und an Stelle dessen unterschiedliche Charakteristiken des Motorbetriebs in transienten Bereichen direkt erfaßt und bei der Diesellastregelung berücksichtigt werden.

Damit kann eine dementsprechend höhere Lastvorgabe aufgeschaltet werden. Die tatsächlichen Betriebskennwerte des Motors werden dabei mit den entsprechenden Betriebskennwerten, wie sie sich in entsprechenden stationären Betriebsbereich einstellen würden, verglichen. Die Differenz aus diesem Vergleich wird dann als nutzbares Drehmomentenpotential der Brennkraftmaschine an die Diesellastregelung weitergeleitet. Diese vollständig erfaßten tatsächlichen Betriebskenngrößen werden in der Diesellastregelung zusammen mit einer der Leistungssollwertvorgabe über eine Tabelle zugeordneten Lastsollwertvorgabe (Propellersteigung) zu einer Sollastvorgabe, dem angepaßten Propellersteigungswinkel-Signal, verarbeitet.

Zusätzlich zu den jeweils momentan für die Motorregelung verwendeten Betriebsgrößen, erhält die Diesellastregelung nun erstmals eine Aussage darüber, welches Drehmoment die Arbeitsmaschine in dem betrachteten momentanen instationären Betriebszeitpunkt vergleichsweise aufbringen könnte, wenn sich das System Abgasturbolader- Brennkraftmaschine auf die momentan vorgegebene Leistungsvorgabe stationär eingespielt hätte.

Das so ermittelte aktuell vorhandene Drehmomentenpotential der Arbeitsmaschine wird bei der aus Arbeitsmaschine und variierbarer Last bestehenden Antriebsanlage nicht wie bei bisher bekannten Verfahren, durch lastabhängiges Ausregeln der Arbeitsmaschine an die schrittweise, allmählich aufgeschaltete Last umgesetzt, sondern es wird, ausgelöst von der Regeldynamik des Systems Motorregler-Brennkraftmaschine, direkt die Last eingestellt, die die Arbeitsmaschine unter Ausschöpfung des gesamtvorhandenen Drehmomentenpotentials in der Lage ist auszuregeln.

Gegenüber herkömmlichen Anlagenregelverfahren, die jeweils die Flügelsteigung entsprechend des leistungsoptimierten Betriebspunktes des Dieselmotors ausregeln, ermöglicht das erfindungsgemäße Lastregelverfahren den leistungsoptimierten Übergang der gesamten Antriebsanlage von einem ersten Betriebszustand auf einen zweiten Betriebszustand. Hierdurch wird die für den Betriebsübergang benötigte Zeit bedeutend verkürzt.

Während transienter Betriebsbereiche ändert sich nämlich auch das ausnutzbare Drehmomentenpotential der Arbeitsmaschine von Moment zu Moment. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht hier, die Anlagensysteme Arbeitsmaschine und Verstellpropeller dynamisch an das tatsächliche Übergangs-Motorleistungsvermögen anzupassen. Dieses Nachfolgen bzw. Ausregeln der optimalen Leistungskurve im Zusammenwirken von aufgeladener Arbeitsmaschine und Verstellpropeller ist nur möglich, weil der tatsächliche Motorbetriebszustand exakt erfaßt und zur Anlagenregelung verwendet wird. Die Diesellastregelung erhält so ständig Information darüber, welches zusätzliche Energiepotential bei dem momentan anliegenden Betriebszustand der Arbeitsmaschine theoretisch noch genützt werden könnte.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das jeweils zusätzlich zur Verfügung stehende Drehmomentenpotential in Form eines Brennstoffmengenpotentials vom Motorregler an die Diesellastregelung mitgeteilt. Dieses Brennstoffmengensignal beschreibt das ausnutzbare Potential durch den Abstand des vom Motorregler des Dieselmotors vorgegebenen Füllungssollwertes zur Füllungsbegrenzung. Damit drückt dieses Brennstoffmengensignal aus, welche Brennstoffmenge zusätzlich zu der momentan eingespritzten Menge noch eingespritzt werden kann, um eben gerade dieses verfügbare, jedoch bisher nicht ausgenutzte, zusätzliche Motordrehmoment zu erzeugen, ohne dabei die zulässigen Betriebsgrenzen des Motors zu überschreiten. Die Diesellastregelung setzt dieses Brennstoffmengen-Signal in ein gegenüber der tabellarisch zugeordneten Leistungssollwertvorgabe entsprechend größeres Sollastvorgabe-Signal um. Dieses erfindungsgemäße Sollastvorgabe-Signal der Diesellastregelung ist also größer als das Signal bei herkömmlichen Regelverfahren mit unmittelbarer Regelabhängigkeit von Motorregler und Motorbelastung.

Das minimal zur Verfügung stehende Drehmomentenpotential wird dabei durch die Differenz zwischen der Füllung und dem Minimum aus allen anderen in der Antriebsanlage vorgesehenen Füllungsbegrenzungen bestimmt. Bei aufgeladenen Dieselmotoren wird hierzu insbesondere die ladeluftdruckabhängige Füllungsbegrenzung berücksichtigt. Die Ladeluftdruckbegrenzung begrenzt den Motorbetriebsbereich nach oben hin.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten und wesentliche Merkmale der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lastregelverfahrens bei einer Schiffsantriebsanlage mit abgasturboaufgeladenem Dieselmotor und Verstellpropeller anhand eines Blockschaltbilds dargestellt.

Das schematische Blockschaltbild enthält einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anlagenregler 5, mit dem nun jeweils die gewählte Antriebsleistung-Vorgabe PCL eines Anlagen-Sollwertgebers 6 umgesetzt wird in einen Drehzahl-Sollwert n_SOLL für den Motor 1 und ein Signal ϕ für die Flügelsteigung des Verstellpropellers 2.

Im Antriebsstrang ist der Verstellpropeller 2 über ein herkömmliches Reduziergetriebe 3 mit dem Motor 1 gekoppelt. Der Motor 1 ist ein abgasturboaufgeladener Dieselmotor, der mittels eines Motorreglers 4 in bekannter Weise selbsttätig lastabhängig geregelt wird. Im Motorregler 4 wird das Antriebsmoment über die Motordrehzahl n in einem überlagerten Regelkreis mit der Leistungsvorgabe in Form des Drehzahl-Sollwerts n_SOLL verglichen. Die Differenz Δn als Ergebnis des Drehzahlvergleichs ist dabei Regeleingangsgröße. Abhängig von dieser Drehzahlabweichung Δn, wird im Motorregler 4 dann die jeweils erforderliche einzuspritzende Brennstoffmenge m_B innerhalb der zulässigen Motorbetriebsgrenzen bestimmt. Insbesondere ist in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Motorregler 4 mit ladeluftdruckabhängiger LDA Füllungsbegrenzung eingesetzt. Bei aufgeladenen Dieselmotoren wird die Brennstoffeinspritzung ladeluftdruckabhängig begrenzt, weil damit in instationären Betriebsbereichen, wie z. B. dem transienten Motorbetrieb beim Übergang von einem stationär ausgeregelten Betriebspunkt zu einem anderen, die bei dem jeweiligen Aufladungszustand vom Motor tatsächlich umsetzbare Brennstoffmenge ermittelt werden kann.

Zur Umsetzung der gewünschten Antriebsleistung umfaßt der Anlagenregler 5 im wesentlichen eine Sollwerteinrichtung 8 und eine Last-Regelstufe 7. Der gewünschte Anlagenbetriebszustand wird an dem Fahrhebel, dem Anlagen-Sollwertgeber 6, eingestellt. Die Einstellung wird daraufhin im Anlagenregler 5 in zwei für die Antriebsanlage verständliche Sollwertvorgabe-Signale n_SOLL und ϕ_SOLL umgesetzt. Während das n_SOLL-Signal die Regelvorgabe für den Füllungsregler 4 ist und damit als Sollvorgabe für das selbsttätige lastabhängige Ausregeln des Motors dient, gibt die ϕ_SOLL-Vorgabe an den Verstellpropeller 2 die jeweils vom Motorregler 4 auszuregelnde Motorbelastung vor. Beide Sollwertvorgaben n_SOLL, ϕ_SOLL erfolgen dabei nicht unabhängig voneinander, vielmehr wird der Propellersteigungswinkel ϕ_SOLL an den jeweiligen Motorbetriebszustand angepaßt. Hierzu ordnet der Sollwertgeber 8 des Anlagenreglers 5 zunächst dem vom Anlagensollwertgeber 6 erzeugten PCL-Signal einen n_SOLL-Sollwert für den Motor und einen Tabellenwert ϕ_TAB für den Verstellpropeller 2 zu. Beide Sollwertvorgaben n_SOLL und ϕ_TAB sind im Sollwertgeber 8 in Form von Tabellen 9 bzw. 10 fest vorprogrammiert.

Die Zuordnung dieser Sollwerte n_SOLL und ϕ_TAB zu der PCL-Vorgabe ist exakt an einen bestimmten Anlagen-Zustand gebunden. Den Wertetabellen 9 und 10 liegt hierzu ein starr vorgegebenes Modell einer Schiffsantriebsanlage und des Schiffes selbst zugrunde. Ausgehend von dieser Modellannahme wird dem PCL-Signal mittels der Tabelle 9 eine Motordrehzahl n_SOLL vorgegeben, die der dem gewünschten Anlagenzustand zugeordneten Motorleistung entspricht. Der jeweils ausgegebene Wert ϕ_TAB aus der Tabelle 10 ist der, bei getroffener Modellbildung, optimale Propellersteigungswinkel zu dem am Anlagensollwertgeber 6 gewählten Antriebswunsch.

Diese Tabellenwerte n_SOLL und ϕ_TAB des Sollwertgebers 8 sind Werte, wie sie nach Ausregeln der Anlagensollwertvorgabe PCL einerseits am Motor andererseits am Verstellpropeller 2 vorliegen sollen. Doch selbst wenn bei herkömmlichen Anlagenreglern beide Werte exakt ausgeregelt sind, ist der herbeigeführte Anlagenzustand nur für die zugrundegelegten Modellannahmen optimal. Etwaige Veränderungen wie z. B. Verlust von Ladung, starker Wellengang, und andere unvorhergesehener Einflußwerte auf Schiff und Antriebsanlage werden nicht berücksichtigt.

Während der selbsttätig lastabhängig geregelte Dieselmotor 1 jede Veränderung der Last auf die Drehzahlvorgabe n_SOLL ausregelt, wird die Sollwertvorgabe ϕ_TAB erfindungsgemäß einer Diesellastregelung 7 zugeleitet, die diesen zu dem Lastvorgabe- Signal ϕ aufbereitet. Diese Aufbereitung der Sollwertvorgabe ϕ_TAB entspricht im wesentlichen der Anpassung der Lastvorgabe an den aktuellen Betriebszustand des Dieselmotors 1. Um diesen tatsächlichen Dieselmotor- und Anlagenbetriebszustand zu erfassen, werden im Anlagenregler 5, genauergesagt in der Diesellastregelung 7, insgesamt fünf Größen aufgenommen. Durch diese fünf Größen werden alle möglichen Änderungen der Randbedingungen und/oder Betriebsbedingungen des tatsächlichen Motor- und Anlagenbetriebszustands, stationär wie instationär, vollständig beschrieben. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden folgende Größen erfaßt:

• 1. das Drehmomentenpotential des Dieselmotors Δm_B,
• 2. die Motordrehzahlabweichung Δn,
• 3. die Motordrückung
• 4. die Sollpropellersteigung ϕ_TAB,
• 5. die Propellersteigungsabweichung Δϕ.

Das Drehmomentenpotential bzw. die zusätzlich umsetzbare Brennstoffmenge Δm_B des Dieselmotors 1 wird als erste der insgesamt fünf Größen im Anlagenregler erfaßt. Beschrieben wird dieses Potential durch die Differenz des vom Motorregler 4 des Dieselmotors 1 vorgegebenen Füllungssollwerts m_B zur existierenden Füllungsbegrenzung m_Bmax. Bei dem aufgeladenen Dieselmotor 1 wird u. a. als Füllungsbegrenzung der Ladeluftdruck LDA berücksichtigt.

Als zweite Betriebsgröße wird die Motordrehzahlabweichung Δn erfaßt. Diese Differenz Δn stellt die Abweichung zwischen der tatsächlichen Drehzahl n des Dieselmotors 1 und der durch das Fahrkommando PCL vorgegebenen Motorsolldrehzahl n_SOLL dar. Als dritte Betriebsgröße wird von der Diesellastregelung 7 der Motordrehzahlgradient in dn/dt erfaßt und mit der Drehzahlabweichung Δn verglichen. Aus dem Vergleich des Drehzahlgradienten dn/dt mit der Drehzahlabweichung Δn ergibt sich der Grad der Motordrückung. Die Motordrückung wiederum dient als Aussage darüber, wieviel der Dieselmotor 1 theoretisch mehr leisten muß, um der aktuell anliegenden Lastanforderung M_L (ϕ) gerecht werden zu können. Abhängig von dem Ergebnis dieses Vergleichs sieht die Diesellastregelung 7 grundsätzlich zwei Regelmöglichkeiten vor, nämlich:

• 1. Ist die Drehzahlabweichung Δn positiv und besitzt der Drehzahlgradient dn/dt positives Vorzeichen, dann ist der Dieselmotor 1 ohne zusätzliche Energiezufuhr in der Lage den Anlagenbelastungszustand auszugleichen.
• 2. Ist die Drehzahlabweichung Δn positiv und besitzt der Drehzahlgradient dn/dt negatives Vorzeichen, dann ist der Dieselmotor 1 ohne zusätzliche Energiezufuhr nicht in der Lage, bei unveränderter Lastanforderung M_L (ϕ), die Motordrehzahl n auf die dem Betriebspunkt höhere Laststufe entsprechende Drehzahl n_SOLL anzuheben. Folglich muß der Motor beschleunigt werden.

Im zweiten Fall wird von der Diesellastregelung 7 das Drehmomentpotential-Signal Δm_B betrachtet. Dieses Signal Δm_B gibt Auskunft darüber, ob und in welchem Maße der Dieselmotor 1 im momentanen Betriebspunkt in der Lage ist, seine Leistung zu erhöhen. Ist das Drehmomentenpotential-Signal Δm_B gleich Null, muß die Steigung des Propellers ϕ verkleinert werden, damit der Motor vorübergehend entlastet wird und auf den vorgegebenen Betriebspunkt höherer Laststufe ausgeregelt werden kann.

Ist das Drehmomentenpotential-Signal Δm_B jedoch positiv, wird der tabellarische Steigungswinkel ϕ_TAB mittels Diesellastregelung 7 in Abhängigkeit von Δm_B vergrößert und schließlich als Lastsollwertvorgabe ϕ an den Verstellpropeller 2 weitergeleitet. Gleichzeitig regelt der Motorregler 4 die Beschleunigung des aufgeladenen Dieselmotors 1 auf die Motorsolldrehzahl n_SOLL.

Claims (5)

1. Lastregelverfahren von Antriebsanlagen mit veränderbarer Lastaufnahmecharakteristik der Arbeitsmaschine mit Turbolader, insbesondere eines Dieselmotors mit Abgasturbolader, bei dem:

• - die Arbeitsmaschine ausgehend von einem Steuersignal eines Anlagen- Sollwertgebers mittels eines Füllungsreglers selbsttätig lastabhängig geregelt ist,
• - eine Anlagen-Leistungssollwertvorgabe zu einer Lastregelstufe geführt ist, welche die Leistungssollwertvorgabe selbsttätig, abhängig von der Belastung der Arbeitsmaschine beeinflußt und diese als Sollastvorgabe der veränderbaren Last zuleitet,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lastregelstufe (7) die Lastsollwertvorgabe (ϕ_TAB) zusätzlich abhängig von einem Signal Δm_B des Motorreglers (4) beeinflußt, welches der Differenz eines momentanen aktuellen Wertes einer für den aktuellen Motorbetrieb charakteristischen Kenngröße (m_B) und eines dieser Kenngröße zugeordneten Begrenzungswertes (m_Bmax) des Motorbetriebsbereiches entspricht, und daß die Sollastvorgabe (ϕ) in Abhängigkeit des Signals (Δm_B) des Füllungsreglers (4) in Richtung höherer Last beeinflußt wird.

2. Lastregelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (Δm_B) des Motorreglers (4) proportional zu dem momentanen Abstand des aktuellen Füllungssollwertes (m_B) zu der Füllungsbegrenzung des Motorreglers (m_Bmax) ist.

3. Lastregelverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die aufgeladene Arbeitsmaschine mit ladeluftdruckabhängiger Füllungsbegrenzung (LDA) selbsttätig geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (Δm_B) des Motorreglers (4) der Differenz zwischen dem momentanen Füllungssollwertes (m_B) und dem Minimum aus allen Füllungsbegrenzungen entspricht.

4. Lastregelverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal (Δm_B) des Motorreglers (4) der Differenz des momentanen Brennstoffmassensollwertes (m_B) zu dem absolut maximal zulässigen Brennstoffmassenwert (m_Bmax) entspricht.