DE19917417A1 - Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Eine Regeleinheit (48), die dazu dient, eine Brennkraftmaschine lastunabhängig mit konstanter Drehzahl zu betreiben, umfaßt einen mit der Drosselklappe (36) zusammenarbeitenden Winkelgeber (40), dessen Ausgangssignal über einen Kennlinienkreis (108) in ein der bei der gegebenen Drosselklappenstellung erhaltenen Antriebsleistung der Brennkraftmaschine (10) zugeordnetes Signal umgesetzt wird. Letzteres wird auf einen P-Grad-Steuerkreis (96) gegeben, und dessen Ausgangssignal wird mit einem Roh-Drehzahlsollwert zusammengefaßt, das auf den Sollwerteingang eines Drehzahlreglers gegeben wird, der einen Sollstellungsgeber (56) für einen Drosselklappen-Stellungsregler (54) bildet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln einer
Drosselklappe einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbe
griff des Anspruches 1.
Derartige Regeleinrichtungen, mit denen die Drehzahl
der Brennkraftmaschine unabhängig von der Last, die
ein angetriebener Verbraucher momentan bildet, auf einem
konstanten Wert gehalten wird, finden z. B. an Brennkraft
maschinen Verwendung, die Generatoren zum Erzeugen elek
trischen Stromes antreiben oder die Verdichter oder
dergleichen antreiben.
Derartige bekannte Einrichtungen haben eine Regelcharak
tristik, die lastabhängig modifiziert werden kann. Genauer
gesagt läßt sich die Steigung P der Regelkennlinie, über
welche Last und Drehzahl zusammenhängen, der sogenannte
P-Grad, lastabhängig verändern. Auf diese Weise erhält
man eine gewisse Nachgiebigkeit des gesamten Systems, die
es z. B. bei Aggregaten zur Stromerzeugung gestattet,
mehrere Aggregate im Inselbetrieb im Verbund zu koppeln.
In der Praxis stellt sich aber heraus, daß derartige last
abhängig arbeitende Regeleinrichtungen nicht so störungs
frei zusammenarbeiten, wie dies nach der Theorie der
Fall sein sollte.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Regelein
richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiter
gebildet werden, daß eine verbesserte lastabhängige
Änderung des P-Grades erhalten wird.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine
Regeleinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merk
malen.
Es wurde erkannt, daß ein wesentlicher Faktor für das
nicht zufriedenstellende Arbeiten der bekannten Regelein
richtung darin liegt, daß der Drosselklappenstellungsgeber
ein Signal bereitstellt, welches sich nicht linear mit
der Leistung der Brennkraftmaschine ändert. Erfindungsgemäß
wird daher vorgeschlagen, das Ausgangssignal des Drossel
klappen-Stellungsgebers durch einen Kennlinienkreis in
eindeutiger Weise so umzusetzen, daß das umgesetzte Signal
der bei der gegebenen Drosselklappenstellung erhaltenen
Leistung der Brennkraftmaschine entspricht. Auf diese
Weise können Laständerungen besser ausgeregelt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran
sprüchen angegeben.
Bei einer Regeleinrichtung gemäß Anspruch 2 wird das
Sollstellungssignal als Ausgangssignal eines Drehzahlreglers
bereitgestellt, und dessen Solldrehzahlsignal wird last
abhängig modifiziert. Auf diese Weise ist gewährleistet,
daß die Brennkraftmaschine mit der gewünschten konstanten
Drehzahl läuft.
Gemäß Anspruch 3 findet bei der Bestimmung des Soll
drehzahlsignales die über längere Zeit gemittelte Ist-
Drosselklappenstellung Verwendung. Diese kann als Maß für
die Last angesehen werden, was den Vorteil bringt, daß
man keinen mit dem Ausgang der Brennkraftmaschine zusam
menarbeitenden mechanischen Leistungsmesser benötigt und
man zudem motorinterne Lastzustände besser und schneller
erfassen kann.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4
wird eine Berücksichtigung nur der sehr langfristig
gemittelten Ist-Drosselklappenstellung bei der Ermittelung
der neuen Soll-Drosselklappenstellung erzielt.
Anspruch 5 ist im Hinblick auf eine besonders genaue P-
Grad-Kompensation von Vorteil.
Gemäß Anspruch 6 kann man die P-Grad-Kompensation von Hand
oder automatisiert wahlweise unterbinden, um die Brenn
kraftmaschine an verschiedene Betriebsweisen wie z. B. Netz
parallelbetrieb, Ein-Brennkraftmaschinen- und Mehr-Brenn
kraftmaschinen-Inselbetrieb anpassen zu können.
Gemäß Anspruch 7 erfolgt eine Begrenzung des Solldrehzahl
signales auf einen Grenz-Drehzahlzahlwert, der eine nicht
einstellbare, fest vorgegeben Grenze für einen sicheren
Betrieb der Installation feststellt.
Gemäß Anspruch 8 wird das Drehzahlfehlersignal in Abhängig
keit von der Ist-Drosselklappenstellung zusätzlich modi
fiziert, was eine Adaptation an die lastabhängigen Eigen
schaften der Brennkraftmaschine bewirkt und damit die
Regeleigenschaften in allen Lastfällen optimiert.
Gemäß Anspruch 9 erfolgt diese Modifizierung des Drehzahl
fehlersignales, so daß innerhalb eines Toleranzbereiches
der Drehzahl Normallastparameter verwendet werden, außer
halb des Toleranzbereiches Lastwechselparameter verwendet
werden. Hierdurch kann extremen Lastwechseln bzw. Last
abwürfen richtig begegnet werden.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 ermög
licht ein einfaches Ablegen und Bereitstellen unterschied
licher P-Werte und/oder I-Werte und/oder D-Werte für den
PID-Verstärker. Man kann so auch durch einfaches Umpro
grammieren des PID-Wert-Speichers die Regelelektronik an
die charakteristischen Betriebseigenschaften unterschied
licher Brennkraft-Maschinen anpassen und auch noch im
Feld an die unterschiedlichen Eigenschaften der zum Betrieb
der Brennkraftmaschine verwendeten Energieträger (Erdgas
unterschiedlicher Qualität, Flüssiggas, Benzin, Diesel
kraftstoffe etc.) vornehmen.
Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 gestattet
es, ohne Einlesen neuer Werte in den PID-Wert-Speicher
verschiedenen Betriebssituationen der Brennkraftmaschine
Rechnung tragen zu können.
Bei einer Regeleinrichtung gemäß Anspruch 12 kann das
Umschalten auf einen neuen Satz von P-Werten und/oder
I-Werten und/oder D-Werten im laufenden Betrieb automa
tisch erfolgen.
Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13
wird eine Verbesserung des Drosselklappenreglers bei
Stellungssprüngen erreicht.
Dies erfolgt gemäß Anspruch 14 automatisch je nach den
gerade angefundenen Betriebsbedingungen.
Bei einer Regeleinrichtung gemäß Anspruch 15 kann man
z. B. im Netzparallelbetrieb die Regelung der Drosselklap
penstellung in Abhängigkeit von der Leistung vornehmen,
die ein durch die Brennkraftmaschine angetriebener Gene
rator im Moment ausgangsseitig erbringen soll.
Dabei kann gemäß Anspruch 16 über die Arbeitsparameter
eines PID-Verstärkers wieder den speziellen charakteris
tischen Eigenschaften einer Installation (Brennkraftma
schine + angetriebene Last) Rechnung getragen werden.
Gemäß Anspruch 17 kann bei der Bestimmung des Soll-Dreh
zahlsignales auch den momentanen Betriebsbedingungen
der Installation (Brennkraftmaschine plus angetriebene
Last) Rechnung getragen werden.
Bei einer Regeleinrichtung gemäß Anspruch 18 findet
die Modifikation des Soll-Drehzahlsignales wieder nur
dann statt, wenn die Brennkraftmaschine innerhalb eines
vorgegebenen normalen Betriebsbereiches arbeitet.
Gemäß Anspruch 19 kann man die Vorgabe der Solldrehzahl
ausgehend vom Leistungsfehler der durch die Brennkraft
maschine angetriebenen Last vornehmen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs
beispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Generatoreinheit
zum Erzeugen von elektrischem Wechselstrom
sowie der Gemischerzeugung für ihre Brenn
kraftmaschine;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regeleinheit für
die in Fig. 1 gezeigte Generatoreinheit;
Fig. 3 die graphische Darstellung unterschiedlicher
Kennlinien, die in einem Kennlinienkreis der
Regeleinheit nach Fig. 2 abgespeichert sind;
Fig. 4 eine graphische dreidimensionale Darstellung
eines P-Wert-Kennlinienfeldes eines PID-Spei
chers der Regeleinheit nach Fig. 2;
Fig. 5 eine graphische dreidimensionale Darstellung
der I-Werte und D-Werte, die in einem PID-Wert-
Speicher der Regeleinheit nach Fig. 2 abgelegt
sind; und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Regelkennlinie
der Brennkraftmaschine einer Generatoreinheit.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Brennkraftmaschine bezeichnet,
die einen Wechselspannungsgenerator 12 antreibt. Dieser
ist über einen mehrpoligen Schalter 14 mit einem bei
16 angedeuteten Versorgungsnetz verbunden.
Ein Gemischerzeuger 18, welcher die Brennkraftmaschine
10 mit brennbarem Gemisch versorgt, umfaßt eine Luftein
laßleitung 20, eine Brennstoff-Zuführleitung 22 mit einem
Gasdruckregler 24 und eine Mischdüse 26, in welcher Luft
und Brennstoff gemischt werden. Das Gemisch wird auf einer
Gemischleitung 28 bereitgestellt.
An die Gemischleitung 28 ist ein Turbolader 30 ange
schlossen, der von der Brennkraftmaschine 10 angetrieben
wird. Der Ausgang des Turboladers 30 ist mit dem Eingang
einer insgesamt mit 32 bezeichneten Drosseleinheit ver
bunden, welche ein Gehäuse 34 und eine in diesem bewegliche
Drosselklappe 36 aufweist. Die Drosselklappenwelle ist
drehfest mit einem Stellmotor 38 verbunden und arbeitet
ferner mit einem Winkelgeber 40 zusammen.
Der Auslaß des Drosselklappengehäuses 34 ist über einen
Wärmetauscher 42 mit dem Gemischeinlaß der Brennkraft
maschine 10 verbunden. Der Durchsatz an Kühlmittel durch
den Wärmetauscher 42 ist über einstellbare Drossel 44
steuerbar, deren Durchsatz durch einen Stellmotor 46
einstellbar ist.
Um die Brennkraftmaschine 10 unabhängig von der vom
Wechselspannungsgenerator 12 zu erbringenden elektrischen
Leistung mit der gewünschten Drehzahl anzutreiben, ist eine
insgesamt mit 48 bezeichnete Regeleinheit vorgesehen.
Diese erhält Eingangssignale von einem elektrischen
Leistungsmesser 50, der an den Ausgang des Wechselspan
nungsgenerators 12 angeschlossen ist, von einem Drehzahl
fühler 52, der mit der Welle der Brennkraftmaschine 10
verbunden ist, und schließlich vom Winkelgeber 40, der
mit der Drosselklappe 36 gekoppelt ist.
Ausgangsseitig ist die Regeleinheit 48 mit dem auf die
Drosselklappe arbeitenden Stellmotor 38 verbunden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat die Regeleinheit 48 einen
insgesamt mit 54 bezeichneten Drosselklappenregler einen
insgesamt mit 56 bezeichneten Sollstellungsgeber und einen
insgesamt mit 58 bezeichneten Solldrehzahlgeber.
Der Solldrehzahlgeber 58 umfaßt einen Leistungs-Fehler
kreis 60, der mit dem einen Eingang an den Ausgang des
elektrischen Leistungsmessers 50 angeschlossen ist und
mit seinem anderen Eingang ein Soll-Leistungssignal
erhält, welches durch einen einstellbaren Widerstand 62
angedeutet ist. Dieser ist als analoges Bauelement dar
gestellt, um die Übersichtlichkeit der Zeichnung zu
verbessern. Es versteht sich, daß der Widerstand 62
ebenso wie weitere als analoge Bauelemente gezeigte
Untereinheiten der Regeleinheit 48 auch als digitale
Elemente ausgebildet sein können, im Falle des Widerstandes
62 durch einen Schreib-/Lesespeicher, der durch eine
Eingabeeinheit oder einen der Regeleinheit 48 überge
ordneten Prozessor überschrieben werden kann.
Der Ausgang des Leistungs-Fehlerkreises 60 ist mit dem
Eingang eines PID-Verstärkers 64 verbunden. Ein PID-Ver
stärker arbeitet grob gesprochen so, daß er auf das um
den Faktor P verstärkte Eingangssignal einen gemäß dem
I-Wert zeitlich integrierten Anteil des Eingangssignals
und einen gemäß dem Faktor D gewichteten Beitrag des
differenzierten Eingangssignales aufsetzt. Der P-Wert,
der I-Wert und der D-Wert können über Klemmen 66 auf
den PID-Verstärker gegeben werden. Die hierzu verwendeten
Elemente und Leitungen sind in Fig. 2 dann nicht näher
beschaltet dargestellt, wenn es sich um Festwerte handelt.
Der Ausgang des PID-Verstärkers 64 ist mit einem Integrator
68 verbunden. Dieser beaufschlagt einen Umsetzkreis 70,
der sein einer Last zugeordnetes Eingangssignal in ein
einer Drehzahl zugeordnetes Ausgangssignal umsetzt.
Der Ausgang des Umsetzkreises 70 ist mit dem Eingang eines
Fensterbegrenzers 72 verbunden. Dieser arbeitet folgen
dermaßen: Ist das Eingangssignal kleiner als der untere
Fensterwert, so wird am Ausgang der Fensterwert bereitge
stellt. Liegt das Ausgangssignal zwischen unterem Fenster
wert und oberem Fensterwert wird das Eingangssignal am
Ausgang bereitgestellt. Liegt das Eingangssignal über dem
oberen Fensterwert, so wird am Ausgang der obere Fenster
wert bereitgestellt. Die Fensterwerte des Fensterbegrenzers
72 entsprechen der unteren bzw. der oberen einstellbaren
Nulleistungs-Drehzahl. Diese Werte können vom Bedienungs
personal nach den jeweiligen Erfordernissen an einem
Bedienfeld eines übergeordneten Prozessors (nicht gezeigt)
eingegeben werden.
An den Ausgang des Winkelgebers 40, der mit der Drossel
klappe 36 gekoppelt ist, ist ein Kennlinienkreis 74
angeschlossen. Dieser arbeitet grob gesprochen so, daß
er das Ausgangssignal des Winkelgebers in ein Signal
umsetzt, welches der bei der gegebenen Drosselklappen
stellung erhaltenen Antriebsleistung der Brennkraft
maschine 10 entspricht.
Wie bekannt, hängen die Stellung der Drosselklappe einer
Brennkraftmaschine und die von der Brennkraftmaschine
bereitgestellte Leistung nicht linear voneinander ab.
Vielmehr hat man gemäß Fig. 3 eine Abhängigkeit der
Antriebsleistung L von der Drosselklappenstellung D, die
einer von einer idealen, geradlinigen Kennlinie 76 abwei
chenden gekrümmten Kennlinie 78 entspricht. Diese Kennlinie
ist selbst für eine gegebene Brennkraftmaschine von
weiteren Parametern abhängig. Wird die Brennkraftmaschine
über einen Turbolader mit Gemisch versorgt, wie im vor
liegenden Falle, so ergibt sich eine abgewandelte Kennlinie
80. Je nach Qualität des verwendeten Brennstoffes ist die
Kennlinie dann noch weiter modifiziert, wie bei 82 gezeigt,
wobei die Kennlinien 82 und 80 für den Fall niederener
getischen Brennstoffes bzw. hochenergetischen Brennstoffes
stehen.
Der Kennlinienkreis 74 enthält mehrere Sätze von Kenn
linien 78, 80, 82, usw. die für unterschiedliche Brenn
stoffqualitäten bestimmt sind und in unterschiedlichen
Bereichen eines dem Kennlinienkreis 74 zugeordneten Kenn
linienspeichers 84 abgelegt sind. Welche der dort abge
legten Kennlinien im Einzelfalle verwendet wird, bestimmt
ein auf einer Leitung 86 auf den Kennlinienspeicher
84 gegebenes Signal, welches wieder von einem überge
ordneten Prozessor bereitgestellt wird.
Das Ausgangssignal des Kennnlinienkreises 74 wird auf
den Eingang eines Zeitgliedes dritten Grades 88 gegeben.
Dieses läßt bei niederen Frequenzen das Eingangssignal
durchlaufen und sperrt ab einer vorgegebenen Frequenz
schwelle das Signal vollständig. Die Zeitkonstante des
Zeitgliedes 88 ist groß verglichen mit der Regelperiode.
Das Ausgangssignal des Zeitgliedes 88 wird über einen
Verstärker 90 verstärkt und auf einen Kennlinienkreis
92 gegeben, der das am Ausgang des Zeitgliedes 88 er
haltene langzeitgemittelte oder integrierte Ist-Stellungs
signal, das die mittlere Ist-Last der Brennkraftmaschine
wiedergibt, gemäß der jeweils geltenden Last/Drehzahl-
Charakteristik in ein entsprechendes Drehzahlsignal umsetzt.
Dieses wird dann auf den einen Eingang eines Subtrahier
kreises 94 gegeben, dessen zweiter Eingang das Ausgangs
signal des Fensterbegrenzers 72 erhält. Man erhält so ein
lastabhängig modifiziertes Solldrehzahlsignal. Dieses
bewirkt die im Effekt lastabhängige Verstellung des P-
Grades. Die Schaltkreise 88, 90, 92 bilden somit zusammen
einen P-Grad-Steuerkreis 96.
Das Ausgangssignal des Subtrahierkreises 94 wird auf einen
Fensterbegrenzer 98 gegeben. Dieser begrenzt das Solldreh
zahlsignal auf solche Werte, die für die Sicherheit der
Anlage unbedingt einzuhalten sind und nicht durch das
Bedienungspersonal geändert werden können (Grenzdrehzahl).
Das Ausgangssignal des Fensterbegrenzers 98 stellt das
Ausgangssignal des Solldrehzahlgebers 58 dar.
Der Verstärker 90 erhält über zwei Leitungen 100, 102
zwei Signale, die der Drosselklappenstellung bei Voll-
Last bzw. Null-Last entsprechen und so die Verstärkungs-
Kennlinie des Verstärkers 90 vorgeben. Über einen Schalter
104 kann eine Aktivierungsklemme des Verstärkers 90
wahlweise mit Signal beaufschlagt werden, um den Ver
stärker 90 ein- oder auszuschalten. Auf diese Weise
kann man die Berücksichtigung der Ist-Drosselklappen
stellung und damit die lastabhängige Einstellung des P-
Grades einschalten oder ausschalten.
Der Sollstellungsgeber 56 enthält eingangsseitig einen
Fehlerkreis 106, der mit einem Eingang das vom Soll-Dreh
zahlgeber 58 bereitgestellte Soll-Drehzahlsignal über
nimmt und mit einem anderen Eingang das Ausgangssignal
des Drehzahlfühlers 52 übernimmt, welches der Ist-Drehzahl
zugeordnet ist. Zwischen dem als Impulsgeber ausgebilde
ten Drehzahlfühler 52 und dem zugeordneten Eingang des
Fehlerkreises 106 ist ein Umsetzkreis 108 vorgesehen,
der den zeitlichen Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Ausgangsimpulsen des Drehzahlfühlers 52 in ein zur Dreh
zahl proportionales Signal umsetzt.
Der Ausgang des Drehzahl-Fehlerkreises 106 ist mit einem
PID-Verstärker 110 verbunden. Dessen Ausgangssignal ist
zugleich das Ausgangssignal des Sollstellungsgebers 56.
Der P-Wert, der I-Wert und der D-Wert des PID-Verstärkers
110, der so arbeitet, wie oben schon in Verbindung mit
dem PID-Verstärker 64 beschrieben, werden von einem
PID-Wert-Speicher 112 bereitgestellt. In diesem sind
verschiedene Sätze von P-Werten, I-Werten und D-Werten
(nachstehende Kurzbezeichnung für die Wertetripel: PID-
Werte) abgelegt, die durch entsprechende Signalbeaufschla
gung einer Auswählleitung 114 eingestellt werden können.
Diese Auswahl kann zum einen von einem der Regeleinheit
übergeordneten Prozessor her erfolgen, erfolgt zum anderen
aber auch ständig in Abhängigkeit vom Ausgangssignal eines
Diskriminatorkreises 116, der mit dem Ausgangssignal des
Fehlerkreises 106 beaufschlagt ist und an seinem zweiten
Eingang ein Schaltschwellensignal erhält, wie durch einen
einstellbaren Widerstand 118 angedeutet. Der Diskrimina
torkreis 116 fordert so im PID-Wert-Speicher 112 einen
PID-Wert an, der einem starken Lastübergang entspricht,
wenn ein entsprechend großer Drehzahlfehler entdeckt wird.
Im übrigen erfolgt die Adressierung des PID-Wert-Speichers
112 wie folgt:
Der Abruf eines PID-Wertes erfolgt (für den jeweils eingestellten Satz von PID-Werten) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kennlinienkreises 74. Für jede Drossel klappenstellung wird somit ein geeigneter PID-Wert ver wendet. Dann, wenn die Brennkraftmaschine unterhalb einer vorgegebenen Drosselklappenstellung läuft, wird der P- Wert auf einen konstanten Leerlauf-P-Wert eingestellt. Hierzu ist an einen weiteren Eingang des PID-Wert-Speichers ein weiterer Diskriminator 120 angeschlossen, der mit dem Ausgangssignal des Kennlinienkreises 74 verbunden ist und ein Ausgangssignal dann bereitstellt, wenn das Ausgangs signal des Kennlinienkreis 74 einer unterhalb eines festgelegten Umschaltpunktes (Knickpunkt) liegenden Drosselklappenstellung entspricht.
Der Abruf eines PID-Wertes erfolgt (für den jeweils eingestellten Satz von PID-Werten) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kennlinienkreises 74. Für jede Drossel klappenstellung wird somit ein geeigneter PID-Wert ver wendet. Dann, wenn die Brennkraftmaschine unterhalb einer vorgegebenen Drosselklappenstellung läuft, wird der P- Wert auf einen konstanten Leerlauf-P-Wert eingestellt. Hierzu ist an einen weiteren Eingang des PID-Wert-Speichers ein weiterer Diskriminator 120 angeschlossen, der mit dem Ausgangssignal des Kennlinienkreises 74 verbunden ist und ein Ausgangssignal dann bereitstellt, wenn das Ausgangs signal des Kennlinienkreis 74 einer unterhalb eines festgelegten Umschaltpunktes (Knickpunkt) liegenden Drosselklappenstellung entspricht.
Anhand von Fig. 4 sei die Einstellung des P-Wertes
(Proportionalwert) für den PID-Verstärker 110 näher
erläutert. In Fig. 4 ist der P-Wert in Abhängigkeit
vom Drehzahlfehler und von der korrigierten Drossel
klappenstellung aufgetragen (Wertefläche 122).
Beträgt die Drehzahlabweichung mehr als ein einstellbarer
Toleranzbereich von z. B. +/-15 U/min, wird ein konstanter
P-Wert bereitgestellt, welcher für Betrieb der Brennkraft
maschine bei Lastwechsel geeignet ist (Grundfläche 124).
Liegt die Drehzahlabweichung innerhalb des vorgegebenen
Drehzahlfensters von -15 bis +15 U/min. und liegt ferner
das korrigierte Drosselklappen-Stellungssignal (entspricht
der Last) oberhalb einer bestimmten Mindestöffnung (Knick
punkt) so liegt der P-Wert auf einer rampenförmig an
steigenden Fläche 126. Die in Figur links und rechts
gelegenen Endflächen 128, 130 der P-Wertfläche sind
steil geneigte Verbindungsflächen zwischen der Grund
fläche 124 und der Rampenfläche 126. Eine in Fig. 4
hintere Endfläche 132 der P-Wertfläche ist ebenfalls steil
geneigt.
Die I-Werte und die D-Werte werden ausgehend von ähnli
chen Werteflächen 134 bestimmt, so daß zur Erläuterung
die in Fig. 5 gezeigte einzige Wertefläche dienen kann.
Diese Wertefläche hat eine Grundfläche 136, die wiederum
dem Betrieb bei größeren Drehzahlabweichungen dient, und
in dieser Grundfläche ist eine trapezförmige zu hohen
Lasten hin ansteigende Rinne vorgesehen. Letztere hat
eine rampenförmig von einem Leerlauf-Wert ansteigende
Bodenfläche 138, die wieder über stärker geneigte Seiten
fläche 140, 142 mit der Grundfläche 136 verbunden ist.
Der obigen Beschreibung ist zu entnehmen, daß der PID-
Verstärker 110 sich bei großen Drehzahlabweichungen
verhält wie ein normaler Verstärker mit konstanten Ver
stärkungseigenschaften.
Bei kleinen Drehzahlabweichungen wird mit zunehmender
Last mit steigendem P-Wert, I-Wert und D-Wert gearbeitet,
wobei die Erhöhung des P-Wertes erst ab einem vorgegebenen
Lastwert (Knickpunkt von Fig. 4) erfolgt.
Hierdurch erhält man bei größeren Drehzahlen eine ange
messene Berücksichtigung der dort veränderten Regelcha
rakteristik des Gesamtsystems.
Der Drosselklappenregler 54 enthält eingangsseitig einen
Stellungs-Fehlerkreis 144, der am einen Eingang mit dem
Ausgangssignal des PID-Verstärkers 110 beaufschlagt
ist, welches das Soll-Stellungssignal darstellt, und
am anderen Eingang mit dem Ausgang eines dem Winkelgeber
40 nachgeschalteten Linearisierungskreises 146 beaufschlagt
ist, welcher das Ausgangssignal des Winkelgebers, falls
notwendig, linearisiert und so ein genaues Ist-Stellungs
signal für die Drosselklappe 36 bereitstellt.
Das Ausgangssignal des Stellungs-Fehlerkreises 144 wird
auf den Eingang eines PID-Verstärkers 148 gegeben, der
ähnlich arbeitet, wie oben für den PID-Verstärker 64
beschrieben.
Der P-Wert des PID-Verstärkers 148 läßt sich über einen
steuerbaren Schalter 150 auf einen ersten Wert (Stellungs
ablage liegt innerhalb eines vorgegebenen Bereiches) bzw.
einen zweiten Wert (Stellungsablage außerhalb eines
vorgegebenen Bereiches) einstellen. Die entsprechenden
P-Wert-Signale sind durch einstellbare Widerstände 152,
154 veranschaulicht.
Die Betätigung des steuerbaren Schalters 150 erfolgt
über einen Diskriminator 156, der eingangsseitig mit
dem Ausgang des Stellungs-Fehlerkreises 144 verbunden
ist.
Auf diese Weise erfolgt für große Stellungsfehler eine
stärkere Verstärkung des Ausgangssignales des Stellungs-
Fehlerkreises 144 als für kleine Ablagen.
Das Ausgangssignal des PID-Verstärkers 148 wird auf
den Eingang eines Summierkreises 158 gegeben. Dieser
dient dazu, das Stellungsfehlersignal in noch zu beschrei
bender Weise zu modifizieren. Das Ausgangssignal des
Summierkreises 158 wird über einen Fensterbegrenzer 160,
und eine Leistungsstufe 162, die eine impulsbreitenmodu
lierte Vierquadrantentransistorbrücke sein kann, über
einen Meßwiderstand 164 auf eine Magnetspule 166 gegeben,
die zum Stellmotor 38 gehört und die Drosselklappe 36
verstellt. Zum Rückstellen der Drosselklappe 36 bei
Stromausfall dient eine Feder 168.
Die Modifikation des Stellungsfehlersignales durch den
Summierkreis 158 erfolgt zum einen in Abhängigkeit von
Schwingungen der Drosselklappe 36 zur Dämpfung derselben.
Hierzu wird das Ausgangssignal des Linearisierungskreises
146 über einen Bandpass 170 auf einen subtrahierenden
Eingang des Summierkreises 158 verbunden. Die Mitte des
Bandpasses liegt bei der Eigenfrequenz des aus Drossel
klappen-Stellmotor 38, Drosselklappe 36 und Rückstellfeder
168 gebildeten schwingungsfähigen Systems.
Weitere Signale, die weiteren Eingängen des Summierkrei
ses 158 in entgegengesetztem Sinne aufgeprägt werden,
sind das Ausgangssignal eines Federkompensationsgebers
172, der die Feder 168 nachbildet, sowie ein Signal,
welches vom Ist-Steuerstrom für die Magnetspule 166
durch den Meßwiderstand 164 abgeleitet ist. Hierzu ist der
Meßwiderstand 164 mit einem Diskriminatorkreis 174 ver
bunden. Dieser stellt dann ein Ausgangssignal bereit,
wenn das Ausgangssignal des Meßwiderstandes 164, also der
Speisestrom für die Magnetspule 166, einen vorgebenen
Wert überschreitet. Durch das Ausgangssignal des Diskri
minators 174 wird ein Rampengenerator 176 angestoßen, so
daß ab dem Zeitpunkt, ab dem die Magnetspule 166 mit zu
großem Strom beaufschlagt wird, vom Ausgangssignal des
Summierkreises 158 ein mit der Zeit zunehmender Anteil
weggenommen wird. Auf diese Weise wird eine Überlastung
des die Magnetspule 166 umfassenden Stellmotors 38 ver
mieden.
Die Wirkungsweise der oben bschriebenen Regeleinrichtung
sei unter Bezugnahme auf Fig. 6 nocheinmal zusammenfassend
beschrieben, die auch noch weitere Definitionen enthält,
die im Zusammenhang mit der Regelung von für die Stromer
zeugung verwendeten Brennkraftmaschinen von Interesse
sind.
Typischerweise liegt die Nenndrehzahl bei 1500 U/min. der
Drehzahleinstellbereich beträgt ca. +/-500 U/min. Die
Nulleistungsdrehzahl liegt bei etwa 1560 U/min.
Die ideale Regelkennlinie ist bei 178 dargestellt. Sie
ist eine Gerade mit der Steigung P. In realen Systemen
mit starkem Turbolader, bei denen die Ist-Last über die
zeitlich gemittelte Stellung der Drosselklappe gemessen
wird, erhält man eine Regelkennlinie 180, die gekrümmt
ist. Man erkennt insbesondere den steilen Abschnitt der
Regelkennlinie 180 in der Nachbarschaft der Nennlast.
Bei 182 ist eine zur anderen Seite der idealen Regelkenn
linie 178 liegende Kennlinie gezeigt, wie sie bei Verwen
dung von schlechtem Gas als Brennstoff erhalten wird. Auch
diese Kennlinie ist gekrümmt. Gekrümmte Kennlinien führen
aber zu schlechtem Regelverhalten. Zur guten Regelung
ist es wünschenswert, daß die Weichheit des Gesamtsystems
über den Regelbereich hinweg konstant bleibt.
Dies wird erfindungsgemäß wie folgt erreicht:
Die Regeleinheit 48, die dazu dient, die Brennkraft maschine 10 lastunabhängig mit konstanter Drehzahl zu be treiben, umfaßt den mit der Drosselklappe 36 zusammenar beitenden Winkelgeber 40, dessen Ausgangssignal über den Kennlinienkreis 74 in ein der bei der gegebenen Drossel klappenstellung erhaltenen Antriebsleistung der Brenn kraftmaschine 10 zugeordnetes Signal umgesetzt wird. Letzteres wird auf den P-Grad-Steuerkreis 96 gegeben, der den P-Grad durch entsprechende Modifikation des Solldreh zahlsignales lastabhängig verstellt.
Die Regeleinheit 48, die dazu dient, die Brennkraft maschine 10 lastunabhängig mit konstanter Drehzahl zu be treiben, umfaßt den mit der Drosselklappe 36 zusammenar beitenden Winkelgeber 40, dessen Ausgangssignal über den Kennlinienkreis 74 in ein der bei der gegebenen Drossel klappenstellung erhaltenen Antriebsleistung der Brenn kraftmaschine 10 zugeordnetes Signal umgesetzt wird. Letzteres wird auf den P-Grad-Steuerkreis 96 gegeben, der den P-Grad durch entsprechende Modifikation des Solldreh zahlsignales lastabhängig verstellt.
Auf diese Weise erhält man dann anstelle einer Regelkenn
linie 180 oder 182 eine Regelkennlinie, die praktisch mit
der idealen Regelkennlinie 178 zusammenfällt.
Claims (19)
1. Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drossel
klappe (36) einer Brennkraftmaschine (10) derart,
daß die Brennkraftmaschine (10) einen Verbraucher (12)
unabhängig von der durch den letzteren aufgenommenen
Leistung mit konstanter Drehzahl antreibt, mit einem
mit der Drosselklappe (36) zusammenarbeitenden Stellungs
geber (40), mit einem Sollstellungsgeber (56) für die
Drosselklappenstellung und mit einer mit den Ausgangs
signalen von Stellungsgeber (40) und Sollstellungsgeber
(56) beaufschlagten Regelschaltung (48), welche ein
Steuersignal für einen auf die Drosselklappe (36) ar
beitenden Stellmotor (38) bereitstellt, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Ausgang des Stellungsgebers (40) mit
dem Eingang eines Kennlinienkreises (74) verbunden ist,
welcher das Ausgangssignal des Stellungsgebers (40) in
ein korrigiertes Stellungssignal umsetzt, welches linear
mit der Antriebsleistung der Brennkraftmaschine (10)
zusammenhängt, und daß der Ausgang des Kennlinienkreises
(74) mit einem P-Grad-Steuerkreis (96) der Regelschaltung
(48) verbunden ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sollstellungsgeber (56) als Regel
kreis ausgebildet ist und einen Drehzahl-Fehlerkreis
(106) aufweist, welcher eingangsseitig mit einem Soll-
Drehzahlsignal und einem Ist-Drehzahlsignal, welches
von einem mit der Brennkraftmaschine (10) gekoppelten
Drehzahlfühler (52) bereitgestellt wird, beaufschlagt ist
und daß ein Solldrehzahlgeber (58) ein Solldrehzahlsignal
bereitstellt, welches durch den P-Grad-Steuerkreis (96)
lastabhängig modifiziert wird.
3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der P-Grad-Steuerkreis (96)
aufweist: ein an den Ausgang des Kennlinienkreises (74)
angeschlossenes integrierendes Filter (88) und einen
Subtrahierkreis (94), der aus dem Ausgangssignal des
integrierenden Filters (88) und aus dem Ausgangssignal
eines Leistungs-Fehlerkreises (60) das Solldrehzahlsignal
berechnet.
4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das integrierende Filter (88) ein
Zeitglied zweiten oder höheren Grades ist.
5. Regeleinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß an den Ausgang des intergrie
renden Filters (88) ein Verstärker (90) angeschlossen
ist, welcher gemäß eine geraden Kennlinie, die durch den
Null-Last-Arbeitspunkt und den Voll-Last-Arbeitspunkt der
Brennkraftmaschine (10) verläuft, das auf ihn gegebene
Signal linear verstärkt.
6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet
durch Schaltmittel (104) zum wahlweisen Aktivieren
des Verstärkers (90).
7. Regeleinrichtung nach einem Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des
Subtrahierkreises (94) ein Fensterbegrenzer (98) ange
schlossen ist, welcher innerhalb des Fensters das auf ihn
gegebene Signal hindurch laufen läßt, bei unterhalb des
Fensters liegendem Wert des Eingangssignales den unteren
Fensterwert als Ausgangssignal bereitstellt und bei über
dem oberen Fensterwert liegenden Eingangssignal den oberen
Fensterwert als Ausgangssignal bereitstellt.
8. Regeleinrichtung nach einem Ansprüche 184 bis 186,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des
Drehzahl-Fehlerkreises (106) ein PID-Verstärker (110)
angeschlossen ist, dessen P-Wert und/oder I-Wert und/oder
D-Wert in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Kenn
linienkreises (74) eingestellt wird.
9. Regeleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der P-Wert und/oder der I-Wert und/oder
der D-Wert zusätzlich in Abhängigkeit davon einge
stellt wird, ob das vom Kennlinienkreis (74) angegebene
Signal einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet (116)
oder nicht.
10. Regeleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die P-Werte und/oder die I-
Werte und/oder die D-Werte in einem in Abhängigkeit
von der Ist-Drosselklappenstellung adressierten PID-
Wert-Speicher (112) abgelegt sind oder aus dem korrigierten
Stellungssignal, welches der Kennlinienkreis (74) bereit
stellt, nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet
werden.
11. Regeleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der PID-Wert-Speicher (112) eine Mehr
zahl von Sätzen von P-Werten und/oder I-Werten und/oder
D-Werten enthält, die durch ein Wählsignal (114) getrennt
aktivierbar sind.
12. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis
188, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des
Drehzahl-Fehlerkreises (106) mit einem Diskriminatorkreis
(116) verbunden ist, der anspricht, wenn das auf ihn
gegebene Drehzahl-Fehlersignal einen vorgegebenen Wert
überschreitet und dessen Ausgangssignal zum Adressieren
eines einem Lastübergang zugeordneten Satzes von P-Werten
und/oder I-Werten und/oder D-Werten dient.
13. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungs
fehlerkreis (144) mit dem Eingang eines P-Verstärkers
(148) verbunden ist, dessen P-Wert-Steuerklemme wahl
weise mit einem ersten P-Wert-Signal (152) für normales Ar
beiten und einem zweiten P-Wert-Signal (154) für große
Stellungsfehler beaufschlagbar ist.
14. Regeleinrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet
durch einen an den Ausgang des Stellungs-Fehler
kreises (144) angeschlossenen Diskriminator (156), dessen
Ausgangssignal zur Ansteuerung eines steuerbaren Schalters
(150) dient, über welchen der P-Wert-Steuereingang des
P-Verstärkers (148) mit dem ersten bzw. zweiten P-Wert-
Signal beaufschlagt wird.
15. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, daß der Solldrehzahl
geber (54) als Regelkreis ausgebildet ist, welcher an
seinem einen Eingang mit einem mit dem Ausgang des Ver
brauchers (12) gekoppelten Leistungsmesser (50) verbunden
ist und seinem zweiten Eingang mit einem Soll-Verbraucher
leistungssignal (62) beaufschlagt ist.
16. Regeleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Solldrehzahlgeber (58) einen
Leistungs-Fehlerkreis (60) aufweist, dessen Ausgang mit
einem PID-Verstärker (64) verbunden ist.
17. Regeleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn
zeichnet, daß der PID-Verstärker (64) des Solldrehzahl
gebers (58) bzgl. seines P-Wertes und/oder seines I-Wertes
und/oder seines D-Wertes ähnlich steuerbar ist wie für
den PID-Verstärker (110) des Sollstellungsgebers (56)
in den Ansprüchen 7 bis 12 angegeben.
18. Regeleinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekenn
zeichnet durch einen an den Ausgang des Leistungs-
Fehlerkreises (60) angeschlossenen Fensterbegrenzer
(72), welcher innerhalb eines vorgegebenen Fensters
das auf ihn gegebene Signal hindurchlaufen läßt, bei
unterhalb des unteren Fensterwertes liegendem Eingangs
signal den unteren Fensterwert als Ausgangssignal be
reitstellt und bei über dem oberen Fensterwert liegen
den Eingangssignal den oberen Fensterwert als Ausgangs
signal bereitstellt.
19. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis
18 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, der Ausgang des PID-Verstärkers (64) über einen
Leistungs/Drehzahl-Umsetzkreis (70) mit dem Subtrahierkreis
(94) verbunden ist, wobei zwischen den Ausgang des PID-
Verstärkers (64) und den Eingang des Leistungs/ Drehzahl
umsetzkreises (70) vorzugsweise ein Integrator (68) ein
gefügt ist.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999117417 DE19917417A1 (de) | 1999-04-18 | 1999-04-18 | Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine |
EP00103210A EP1046800A3 (de) | 1999-04-18 | 2000-02-17 | Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999117417 DE19917417A1 (de) | 1999-04-18 | 1999-04-18 | Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine |
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ID=7904928
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---|---|---|---|
DE1999117417 Withdrawn DE19917417A1 (de) | 1999-04-18 | 1999-04-18 | Einrichtung zum Regeln der Stellung einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine |
Country Status (2)
Country | Link |
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EP (1) | EP1046800A3 (de) |
DE (1) | DE19917417A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2409036A4 (de) * | 2009-03-16 | 2017-03-08 | Unico, Inc. | Drehmomentregelung bei einem induktionsmotur in einem pumpsystem |
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1999
- 1999-04-18 DE DE1999117417 patent/DE19917417A1/de not_active Withdrawn
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2000
- 2000-02-17 EP EP00103210A patent/EP1046800A3/de not_active Withdrawn
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EP1046800A2 (de) | 2000-10-25 |
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