DE4315362A1 - Steuerbare Antriebseinheit mit Verbrennungsmotor und Generator - Google Patents

Description

Der Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für eine Arbeitsvorrichtung, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einer von diesem angetriebenen Arbeitsmaschine, wobei die von der Arbeitsmaschine zu erbringende Leistung bedarfsmäßig schwankt. Hierfür in Frage kommende Arbeitsmaschinen sind beispielsweise Pumpen, Kompressoren, Generatoren, Getriebe usw. in verschiedensten Arbeitsvorrichtungen. Solche Antriebseinheiten sind so geregelt, daß der Verbrennungsmotor jeweils dann abschaltet, wenn der Istwert einer zu regelnden Größe im Arbeitsprozeß einen vorgegebenen Sollwert über- bzw. unterschreitet, und er wird wieder angelassen, wenn der Istwert der Regelgröße den Sollwert um eine vorgegebene Differenz, d. h. mit einer Hysterese, unter- bzw. überschreitet, worauf der Verbrennungsmotor und die Antriebsmaschine dann mit Vollastdrehzahl betrieben werden.

Eine solcher Zweipunkt-Regelbetrieb ist mit vielen Nachteilen verbunden. Der Motor wird häufig im Anfahrbetrieb mit Untertemperatur betrieben, was eine Wirkungsgradminderung und erhöhte Schadstoffwerte im Abgas sowie einen erhöhten Verschleiß bringt. Darüberhinaus kommt es zu einer hohen Geräuschentwicklung, da mit Vollastdrehzahl gearbeitet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen leisen, umweltfreundlichen und materialschonenden Betrieb zu erbringen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Differenz des Istwertes der Regelgröße zum Sollwert sowie die Regelgröße beeinflussende Parameter gemessen werden, wobei aus diesen Meßwerten zugeordneten Leistungsbedarfskoeffizienten des Arbeitsprozesses der jeweilige Leistungsbedarf ermittelt wird. Demgemäß wird dann aus in einer Steuervorrichtung gespeicherten Kennwerten einer Leistungs- Motordrehzahlkennlinie eine Motorsolldrehzahl bestimmt, die drehzahlregelnd dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.

Mit dem Verbrennungsmotor ist zusätzlich ein elektrischer Drehstromgenerator gekoppelt, der über mindestens eine Spannungs- und Frequenzkonversionsvorrichtung elektrische Verbraucher speist. Die elektrische Leistung wird gemessen und über ein entsprechendes Signal der Steuervorrichtung gemeldet sowie dort dem Leistungsbedarf zugerechnet. Weiterhin ist es vorgesehen, daß in den seltenen Fällen, wo kein Arbeitsbedarf vorliegt oder nur ein so geringer, daß der Verbrennungsmotor auch bei Standdrehzahl unnötig viel Leistung bringt, eine gesteuerte Abkupplung des Motors erfolgt. Dabei wird die elektrische Anlage vom Verbrennungsmotor weiter betrieben. Sobald wieder Arbeitsbedarf besteht, wird die Kupplung wieder eingeschaltet und der Arbeitsbetrieb aufgenommen.

Die Bedarfsermittlung wird in eine Motordrehzahl umgesetzt, indem beispielsweise Tabellendaten einer Leistungskennlinie, bezogen auf die Drehzahl in der Steuervorrichtung, abgespeichert sind, wobei die jeweilige optimale Drehzahl durch eine Abfrage und evtl. zusätzlich durch eine Interpolation aus den Tabellenwerten der Kennlinie bestimmt wird.

Die Solldrehzahl wird einer Drehzahlregelvorrichtung des Verbrennungsmotors als Sollsignal zugeführt. Der Steuervorrichtung wird ein von dem Motor abgenommenes Drehzahlsignal als ein Ist-Signal zugeführt. Die Differenz zu dem Drehzahlsollwert wird dann von der Steuervorrichtung einem Drehzahlstellglied des Verbrennungsmotors zugeführt. Dieses Drehzahlstellglied kann bei einem Dieselmotor z. B. ein Stellmotor für eine Hubeinstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung sein.

Bei der Inbetriebnahme einer Gesamtvorrichtung werden die Leistungsbedarfskoeffizienten der die Regelgröße beeinflussenden Parameter aufgrund von Erfahrungswerten bestimmt oder exakt berechnet, falls dies möglich ist. Diese Koeffizienten werden vorteilhaft durch eine Lernprogramm optimiert.

Erfindungsgemäß wird im allgemeinen der Verbrennungsmotor mit einer sehr niedrigen Drehzahl nahe seiner unteren zulässigen Drehzahl betrieben. Dadurch hält er seine Betriebstemperatur, entwickelt wenig Geräusch und weist einen hohen Wirkungsgrad auf. Der Verbrennungsmotor kann in seinen Abmessungen und in seiner Leistungsdimensionierung auf einen Durchschnittswert ausgelegt sein, der erheblich unter der Spitzenlast liegt, wenn diese nur selten auftritt, da Motore so kurzzeitig derartige erhöhte Spitzenlasten vertragen.

Auch die Betriebswerte, wie Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch, sind zweckmäßig auf den Durchschnittsbetrieb hin optimiert. Dies bringt erhebliche Vorteile und Einsparungen an Brennstoff gegenüber der üblichen Maximalbetriebsauslegung.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, welches nachfolgend näher erläutert wird.

Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor (VM), der gewöhnlich ein Dieselmotor ist, an dem eine Arbeitsmaschine (AM) angeflanscht ist, die eine Arbeitsvorrichtung (AV) antreibt.

Für die laufende Leistungsberechnung ist eine Steuervorrichtung (ST) vorgesehen, welche eingangsseitig mit einem Istwert-Meßaufnehmer (M1) für eine Regelgröße sowie einem oder mehreren Meßwertaufnehmern (M2) für die Regelgröße beeinflussende Parameter (PW) verbunden ist. Ferner ist es vorteilhaft vorgesehen, einen Sollwert (SW) für die Regelgröße mittels einer Eingabetastatur (ET) in die Steuervorrichtung (ST) einzugeben. Die Steuervorrichtung (ST) enthält einen geeignet programmierten Mikroprozessor, der in seinem Speicher Leistungsbedarfskoeffizienten und eine Tabelle enthält, die die Drehzahl der Arbeitsmaschine (AM) mit der Arbeitsleistung korreliert. Dem gemessenen Istwert (IW) der Regelgröße und den gemessenen Parameterwerten (PW) werden entsprechend dem vorgegebenen Sollwert (SW) Leistungsbedarfskoeffizienten zugeordnet. Aus diesen Koeffizienten ermittelt die Steuervorrichtung (ST) die Solldrehzahl für den Verbrennungsmotor (VM).

Die Motordrehzahl wird mit einem Drehzahlmesser (DM) von der Motorwelle abgenommen und ein entsprechendes Ist- Drehzahlsignal (51) der Steuervorrichtung (ST) zugeführt. Aus der Differenz zur Motordrehzahl ermittelt die Steuervorrichtung ein Ausgangssignal (SD), das unmittelbar ein Drehzahlstellglied (DRS) des Verbrennungsmotors (VM) betätigt. Handelt es sich um die Steuerung eines Dieselmotors, so gibt das Drehzahlstellglied (DRS) vorzugsweise den Hub der Einspritzvorrichtung mit einem Stellmotor vor.

Auf der Motorwelle ist ein elektrischer Generator (G), vorzugsweise ein Drehstromgenerator, angeordnet. Dieser speist über einen Konverter (UF1), welcher eine genormte Gleichspannung abgibt, einen elektrischen Verbraucher (V2) und einen Akkumulator (AKKU). Der Ladestrom für den Akkumulator (AKKU) fließt über eine Ladekontrollschaltung (LK) und wird, wenn der Akkumulator (AKKU) vollständig aufgeladen ist, von dieser unterbrochen. Der Konverter (UF1) und/oder der Akkumulator (AKKU) speisen einen weiteren Konverter (UF2), welcher eine vorgegebene Spannung mit vorgegebener Frequenz abgibt, (z. B. 220 V, 380 V und 50 Hz, 60 Hz) einen oder mehrere Verbraucher (V1). Hinter dem Generator (G) befindet sich ein Strommeßgerät (IM1), dessen Meßsignal proportional zur entnommenen elektrischen Leistung ist und der Steuervorrichtung (ST) als weiteres Eingangssignal zur Leistungsberechnung zugeführt ist. Darüberhinaus ist ein weiteres Strommeßgerät (IM2) vorgesehen, welches die dem Akkumulator (AKKU) und dem Konverter (UF1) entnommene elektrische Leistung ermittelt und dessen Meßsignal ebenfalls der Steuervorrichtung (ST) zugeführt ist.

Zwischen der Arbeitsmaschine (AM) und dem Verbrennungsmotor (VM) ist eine Kupplung (K) angeordnet, die von der Steuervorrichtung (ST) betätigbar ist. Auf diese Weise läßt sich die Arbeitsmaschine (AM) abkuppeln, wenn kein Bedarf an mechanischer Arbeitsleistung besteht. Der Generator (G) wird jedoch vom Verbrennungsmotor (VM) weiter angetrieben. Um die beim Ab- und Ankuppeln der Arbeitsmaschine (AM) auftretenden Leistungsspitzen am Generator (G) auszugleichen, ist dieser vorzugsweise mit einem Schwungrad entsprechender Masse ausgestattet.

Der Akkumulator (AkkU) dient zur Pufferung bei Lastschwankungen bis der Verbrennungsmotor (VM) nachgeregelt ist. Er kann dafür relativ klein sein. Er kann aber auch bei häufigen, langen Niedriglastfällen zur Überbrückung dienen, wobei der Verbrennungsmotor (VM) abgeschaltet und vor Ende der Entladung des Akkumulators (AkkU) von diesem über einen Starter (START) automatisch elektrisch gestartet wird.

Über die Eingabetastatur (ET) können neben dem Sollwert (SW) auch Berechnungskoeffizienten sowie ein unterer bzw. oberer Grenzwert für die Regelgröße in die Steuervorrichtung (ST) eingegeben werden. Ferner ist eine Ausgabevorrichtung (A), zum Beispiel ein LCD-Display, zur Anzeige des jeweils vorgegebenen Sollwertes (SW) sowie des jeweiligen Istwertes (IW) vorgesehen.

Die Konverter (UF1, UF2) sind vorzugsweise in bekannter Weise mit Halbleiterschaltern, Kondensatoren und Drosseln bestückt, so daß keine mechanischen Verschleißteile enthalten sind.

Claims (8)

1. Steuerbare Antriebseinheit für eine Arbeitsvorrichtung, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einer von diesem angetriebenen Antriebsmaschine, wobei die Arbeitsleistung bezüglich eines vorgegebenen Sollwertes für eine Regelgröße im Arbeitsverfahren mittels eines Istwert-Meßaufnehmers für die Regelgröße geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jeweils aus einer Differenz des gemessenen Istwertes (IW) und aus die Regelgröße beeinflussenden Parametern (PW), die mit entsprechenden Parameterwert-Meßaufnehmern (M2) laufend gemessen werden, und aus diesen Meßwerten zugeordneten Leistungsbedarfs-koeffizienten der Arbeitsvorrichtung (AV) der jeweilige Leistungsbedarf ermittelt wird und demgemäß aus in einer Steuervorrichtung (ST) gespeicherten Kennwerten einer Leistungsdrehzahlkennlinie eine optimale Motordrehzahl bestimmt wird, die einem Drehzahlstellglied (DRS) des Verbrennungsmotors (VM) zugeführt wird,
• - und mit dem Verbrennungsmotor (VM) ein elektrischer Drehstromgenerator (G) gekoppelt ist, der über mindestens eine Konverterschaltung (UF1, UF2), welche eine vorgegebene Spannung und Frequenz abgibt, elektrische Verbraucher (V1, V2) speist, wobei der elektrische Leistungsverbrauch gemessen und dem Leistungsbedarf zugerechnet wird.

2. Steuerbare Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuervorrichtung (ST) ein Drehzahlsignal eines an dem Verbrennungsmotor (VM) angeordneten Drehzahlmessers (DM) zugeführt ist, dessen Differenz zur jeweiligen Motorsolldrehzahl einem Drehzahlgestellglied (DRS) des Verbrennungsmotors (VM) zugeführt ist.

3. Steuerbare Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuervorrichtung (ST) der jeweils gemessene Istwert (IW) der Regelgröße mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, der um eine vorgegebene Differenz über bzw. unter dem jeweils vorgegebenen Sollwert liegt, und jeweils dann, wenn von dem Istwert (IW) der Grenzwert über- bzw. unterschritten wird, der Verbrennungsmotor (VM) über eine Kupplung (K) von der Arbeitsmaschine (AM) gesteuert abgekuppelt wird, wobei der Drehstromgenerator (G) weiter angetrieben wird, und wenn danach der Istwert den vorgegebenen Sollwert wieder erreicht hat, der Verbrennungsmotor (VM) wieder an die Arbeitsmaschine (AM) gesteuert angekuppelt wird.

4. Steuerbare Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstromgenerator (G) einen Konverter (UF1) speist, der eine vorgegebene Gleichspannung an einen elektrischen Verbraucher (V2) abgibt und/oder einen Akkumulator (AKKU) lädt.

5. Steuerbare Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom (TL) für den Akkumulator (AKKU) durch eine Ladekontrollschaltung (LK) abgeschaltet wird, wenn der Akkumulator (AKKU) vollständig geladen ist.

6. Steuerbare Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Drehstromgenerator (G) entnommene elektrische Leistung durch ein Strommeßgerät (IM1) und/oder die dem Akkumulator (AKKU) und dem Konventer (UF1) entnommene elektrische Leistung durch ein Strommeßgerät (IM2) ermittelt und in der Steuervorrichtung (ST) dem Leistungsbedarf zugerechnet werden.

7. Steuerbare Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (VM), wenn kein Bedarf an mechanischer Arbeitsleistung und nur ein Niedrigbedarf an elektrischer Leistung besteht, gesteuert abgeschaltet wird, wobei dann der Akkumulator (AkkU) zur Überbrückung der Stromversorgung dient und vor Ende seiner Entladung den Verbrennungsmotor (VM) über einen Starter (START) automatisch elektrisch startet.

8. Steuerbare Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstromgenerator (G) mit einem Schwungrad entsprechender Masse zum Ausgleich von Leistungsspitzen beim Ab- und Ankuppeln des Verbrennungsmotors (VM) an die Arbeitsmaschine (AM) aufweist.