DE4446246C2

DE4446246C2 - Verfahren zur Regelung des Lastannahme- und Beschleunigungsverhaltens von aufgeladenen Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4446246C2
Application number: DE4446246A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Oestreicher; Hans Zellbeck
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH; MTU Motoren und Turbinen Union Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 1994-12-23
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: EP0749523A1; DE59509471D1; US5769052A; DE4446246C1; EP0749523B1; WO1996020337A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesse rung des Lastannahmeverhaltens einer Brennkraftma schine mit einem oder mehreren Turboladern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei stationärem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern wird das von der Brennkraftma schine abgegebene Drehmoment nicht allein durch den inneren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine be stimmt, sondern ist zudem von dem Wechselspiel zwi schen Zylinder und Abgasturbolader abhängig. So er reicht eine aufgeladene Brennkraftmaschine - nachfol gend auch Motor genannt - beim Übergang von einer stationären Laststufe zu einer anderen höheren statio nären Laststufe, dem sogenannten transienten Bereich, die auszuregelnde Laststufe erst nach einer deutlichen Anlaufszeit. Diese Zeitdauer bis zum Erreichen der Soll- Laststufe wird maßgeblich durch das Beschleunigungs vermögen des Turboladers bestimmt. Dadurch bedingt wird bei großer Lastaufschaltung während dieser An laufszeit die abverlangte Motorleistung nicht sofort er reicht. Dies bedeutet speziell bei jeder Lastzuschaltung und jeder Beschleunigung des Motors, daß zunächst nur momentane Leistungswerte erreicht werden, die niedri ger liegen als die erst mit beträchtlicher Verzögerung erzielbaren Leistungspunkte, die zur Ausregelung des neuen stationären Betriebspunktes erforderlich sind.

Außerdem ist das Ausmaß der Abweichung der mo mentan erreichbaren Leistung von der stationären Soll- Laststufe vom Ausgangspunkt der jeweiligen Beschleu nigung abhängig, wobei in niedrigen Drehzahlbereichen beträchtliche Abweichungen auftreten können.

Die Ursache hierfür ist, daß bei einer Beschleunigung aus einem Betriebspunkt niedriger Drehzahl und niedri gen Drehmoments der Ladeluftdruck und damit die der Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse im Zy linder nicht ausreicht, um die zur Darstellung der Last stufe bzw. des Betriebspunktes erforderliche Brenn stoffmasse umzusetzen.

Neben dem begrenzten Beschleunigungsvermögen des Turboladers ist das Beschleunigungsvermögen des Motors auch durch sein Leistungspotential unter Aus nutzung der vorbestimmten mechanischen und thermi schen Belastungsgrenzen bestimmt. Die mechanische Belastbarkeit wird dabei maßgeblich durch den Ver brennungshöchstdruck bestimmt, welcher wiederum wesentlich durch den an dem Zylinder anstehenden La deluft beeinflußt wird. Der maximal zulässige Zylinde rinnendruck stellt also die Grenze für das bei Bedarf maximal entfaltbare Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine dar. Wird die Brennkraftmaschine über diese Oberdruckgrenze und über einen vorgegebe nen Zeitraum hinaus beansprucht, so führt dies zu Be schädigungen des Motors. Folglich ist eine beliebige Steigerung der Motorleistung zur Lastausregelung auch aufgrund der Motorbelastungsgrenze nicht möglich.

Wegen dieses Überlastungsrisikos für die Brennkraft maschine kommt den vorstehend geschilderten Parame tern, insbesondere für den Betrieb eines aufgeladenen Dieselmotors als Antrieb in Generatoranlagen wesentli che Bedeutung zu. Bezeichnend für die Betriebsanforde rungen eines solchen Aggregatantriebs ist die Genera torlastaufschaltung, bei welcher der Motor, z. B. aus dem Leerlaufbetrieb innerhalb eines kürzest möglichen Zeitraums auf Vollast hochgeregelt werden muß. Er schwerend hinzu kommt die Forderung an die gesamte Generatoranlage, die Motorabgangsdrehzahl während sämtlicher Motorregelzustände weitgehend konstant zu halten, damit die vom Generator erzeugte elektrische Leistung möglichst mit Nennfrequenz ins Netz gespeist werden kann. Speziell diese letztgenannte Forderung kann bei herkömmlichen Generatorantriebsanlagen nicht immer zufriedenstellend erfüllt werden. Nachteilig hierbei ist insbesondere der bei den bekannten Anlagen, bei der plötzlichen Generatoraufschaltung prinzipiell auftretende ausgeprägte Drehzahleinbruch der antrei benden Brennkraftmaschine. Wegen dieses lastbeding ten Drehzahlrückgangs kann im Anwendungsfall als Notstromaggregat die geforderte Frequenz erst nach einer zeitlichen Verzögerung erreicht werden.

Als ein Ansatz zur Erfüllung dieser Betriebsanforde rungen ist aus der DE 35 46 054 C2 ein Kraftstoffzufuhr steuerverfahren bekannt, bei dem die Antriebsleistung im transienten Betrieb, nämlich bei Motorbeschleuni gungen und -verzögerungen durch Regelung der zuge führten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit des Abgas drucks beeinflußt wird. Dabei wird entsprechend des jeweiligen Abgasgegendruckwerts eine Korrektur kraftstoffmenge bestimmt, welche dann zusätzlich zu der im stationären Betriebszustand des Motors bemes senen Basiskraftstoffmenge eingespritzt wird. Obwohl sich bei dem darin beschriebenen Verfahren entspre chend den jeweiligen Betriebszuständen des Motors ein günstiger Kraftstoffverbrauch und gute Abgascharakte ristiken ergeben, wird dabei dennoch nicht die Drehmo mentszunahme im transienten Bereich und damit das Maschinenausgangsleistungsvermögen verbessert. Viel mehr wird lediglich die Kraftstoffzufuhr an das jeweils vom Motor erbrachte momentane Drehmoment ange paßt und optimiert.

Ein anderer Lösungsansatz, der sich mit der Präzisie rung der Förderbeginnberechnung befaßt, wird in der DE 41 13 958 A1 vorgeschlagen. Bei dem daraus be kannten Verfahren wird ausgehend von der Motordreh zahl und zumindest, einer weiteren Betriebsgröße der Brennkraftmaschine der Einspritzzeitpunkt berechnet. Um Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine zwi schen Erfassung der Drehzahl und dem Erreichen der Sollstellung des Stellgliedes zu berücksichtigen, wird bei dem darin beschriebenen Verfahren die Berechnung des Förderbeginnzeitpunktes wiederholt bis zum Eintritt der Stellgliedsollstellung berechnet. Durch dieses wie derholte Messen und Berechnen während der Reglerbe tätigung der Brennkraftmaschine, kann aus den zwi schenzeitlich aufgenommenen aktuellen Werten der Einspritzzeitpunkt genauer bestimmt und die Einspritz verstellung entsprechend gesteuert werden.

Damit ist aus dieser Druckschrift zwar ein Verfahren der Verbesserung des inneren Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine aufgezeigt, allerdings erfolgt das beschriebene Verfahren zur Förderbeginnverstellung in bekannter Weise unter stationären Gesichtspunkten in Form eines elektronischen Förderbeginnverstellers. Ei ne Förderbeginnverstellung, welche die Ausregelung in stationären Motorbetriebs bei Lastzuschaltung oder Drehzahlerhöhung unterstützt, berücksichtigt dieses Regelverfahren jedoch nicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Drehzahlregel verfahren derart weiterzubilden, daß das Leistungspo tential eines aufgeladenen Dieselmotors zur Verbesse rung des Lastannahmeverhaltens ausgeschöpft werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kenn zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben.

Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbil dungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird also eine dynamische last- und motorbetriebsangepaßte Förderbeginnverstellung vor geschlagen, um so den indizieren Mitteldruck unter Ausnutzung der konstruktiv gegebenen maximal zuläs sigen Zylinderinnendruckgrenze bei Lastzuschaltung und Motorbeschleunigung zu optimieren.

Hierzu macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die Tatsache zunutze, daß bei aufgeladenen Dieselmo toren der an den Zylindern anstehende Ladeluftdruck eine entscheidende Einflußgröße des Verbrennungs höchstdrucks darstellt, wobei der Verbrennungsdruck tendentiell mit zunehmendem Ladeluftdruck ansteigt. Ein weiterer Effekt, den die Erfindung ebenfalls gezielt einsetzt ist, daß der Verbrennungsdruckverlauf im Zy linder bei konstantem Ladeluftdruck durch die zeitliche Lage des Förderbeginns relativ zur oberen Totpunktla ge (OT) des Kolbens verändert und insbesondere eine Erhöhung des erreichbaren Druckmaximums durch die Förderbeginnverstellung festgelegt werden können. Soll demnach ein definierter Verbrennungshöchstdruck nicht überschritten werden, darf bei hohen Ladeluft drücken der Förderbeginn nicht beliebig weit vor den Zünd-OT gelegt werden. Bei entsprechend geringen La deluftdrücken, wie sie im transienten Betrieb der Mo torbeschleunigung auftreten, ist dagegen ein deutlich früherer Förderbeginn möglich, ohne daß der verbren nungsabhängige Zylinderinnendruck über die Bela stungsgrenze hinaus ansteigt. Insbesondere bei instatio närem Betrieb von aufgeladenen Dieselmotoren sieht die Erfindung daher bei Lastzuschaltung oder Motorbe schleunigung unter Ausnutzung des durch die Turbola dercharakteristik verzögert aufgebauten Ladeluft drucks und des ansonsten nachteiligen Luftmangels eine vorübergehende Verstellung des Förderbeginns nach früh vor, welche deutlich über die Grenzen einer statio nären Förderbeginnzeitpunktverstellung hinausgeht.

Mit einer solchen an den Motorbetrieb angepaßten Förderbeginnverstellung wird somit gezielt die Diffe renz zwischen dem maximal zulässigen Verbrennungs höchstdruck im Brennraum und dem sich bei herkömm lichen Regelverfahren tatsächlich im Brennraum ein stellenden Verbrennungsdrucks vorübergehend als zu sätzliches Beschleunigungspotential genutzt. Dieses er findungsgemäße zusätzlich erschlossene Leistungspo tential wirkt dem Drehzahleinbruch bei Lastzuschal tung entgegen und schwächt diesen an. Dadurch stellt das durch die Förderbeginnverstellung erzeugte Dreh moment eine kurzfristig verfügbare zusätzliche Lei stungssteigerung dar, welche zusammen mit herkömm lichen Regelverfahren für das System Abgasturbolader- Brennkraftmaschine hilft, das Betriebsverhalten von aufgeladenen Dieselmotoren im transienten Betrieb zu verbessern.

Die erfindungsgemäße last- und motorbetriebsabhän gige Förderbeginnverstellung ergänzt damit das her kömmliche Motorregelverfahren im transienten Be trieb. Die herkömmliche Motorregelung bzw. das her kömmliche Regelverfahren wird während dieses tran sienten Beschleunigungsbetriebs ebenso wie bei statio närem Betrieb des aufgeladenen Motors wie bisher bei behalten und durchgeführt.

Mittels dieser Standardregelung wird der Soll-Be triebspunkt im wesentlichen über die Füllungszustel lung vorgegeben, wodurch wiederum im transienten Be trieb bereits ab dem Zeitpunkt, in dem der Regler auf die Lastaufschaltung reagiert, die zur Darstellung des Soll-Betriebspunktes erforderliche Brennstoffmasse in den Brennraum eingespritzt wird. Infolge dieser größe ren Brennstoffmenge wird eine größere Verbrennungs energie freigesetzt, welche unter anderem zu einem all mählichen Anstieg des Ladeluftdrucks führt. Mit zuneh menden Ladeluftdrücken jedoch steigen auch die Zylin derinnendrücke an, so daß die Differenz des Zylinderin nendruckes zur Maximaldruckgrenze hin mit zuneh mender Motorbeschleunigung kleiner wird. Da erfin dungsgemäße die bekannte allmähliche Leistungsstei gerung nun von der kurzfristig zuschaltbaren Leistungs steigerung infolge der lastabhängigen Förderbeginn verstellung überlagert wird, kann dies zu einem Über steigen der für stationären Motorbetrieb definierten Zy linderdruckgrenzen führen.

Hier ist erfindungsgemäß entweder eine zeitlich limi tierte Überschreitung bewußt vorgesehen, oder aber ein Überschreiten des zulässigen Zylinderspitzendrucks wird vermieden und der zwischen dem momentanen Innendruck und der Zylinderinnendruckgrenze liegende Bereich wird mit Hilfe einer dynamischen Förderbe ginnverstellung genutzt. Diese dynamische Förderbe ginnverstellung stellt den jeweiligen Förderbeginn in Abhängigkeit des aktuellen Zylinderdrucks und/oder des momentanen Ladeluftdrucks mit zunehmendem La deluftdruck wieder nach "spät". Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bis zum Erreichen des Soll-Betriebs punktes das innerhalb der gegebenen Motorbelastungs grenzen zur Verfügung stehende Beschleunigungspo tential des Motors vollständig zur Ausregelung der Lastannahme eingesetzt werden kann.

Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens wird in drei bevorzugten Ausführungs beispielen der Erfindung das Umschalten vom Motor betrieb ohne Förderbeginnverstellung oder Förderbe ginnverstellung nach stationären Gesichtspunkten auf einen Regelbetrieb des Motors mit Förderbeginnver stellung nach motordynamischen Gesichtspunkten je weils an unterschiedliche Schaltkriterien gekoppelt. Da bei wird unabhängig von der Wahl des Schaltkriteriums bei dessen Erreichen auf die Betriebsweise mit variabler Förderbeginnverstellung umgeschaltet, um so vorüber gehend ein Leistungsplus des Motors zu erzeugen, mit dessen Hilfe eine plötzliche Lastzuschaltung schneller als bisher ausgeregelt werden kann.

Als vorrichtungsmäßig besonders einfach und kosten günstig vorzusehendes Schaltkriterium erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für Gene ratoranlagen die Umschaltung dann, wenn die momen tane Motordrehzahl ausgehend von der jeweiligen Soll drehzahl einen vorgegebenen Drehzahlwert unter schreitet. Da ein Drehzahlsignal ohnehin bereits zur Re gelung aus dem Motor weggeleitet wird, kann so bei Absinken der Motordrehzahl unter die Drehzahlgrenz wertvorgabe der Förderbeginn in Richtung frühere Kurbelwinkel verstellt werden.

Eine besonders genaue Aussage über das Lastannah meverhalten des Motors in Form eines qualitativen und quantitativen Betriebssignals ist mit einer weiteren Aus führungsform der Erfindung zu erreichen, bei welcher ausgehend von gemessenen Drehzahlsignalen der Drehzahlgradient ermittelt wird. Je nach Vorzeichen und Betrag des Drehzahlgradienten können dann Rück schlüsse auf das tatsächliche Maß der Motordrückung nach Zuschalten der Last gewönnen werden. Nach Zu schaltung der Last oder Anheben des Motordrehzahl sollwertes erfolgt bei negativem Drehzahlgradienten und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen Dreh zahlgrenzwertes eine Förderbeginnverstellung nach "früh". Mit zunehmend positivem Drehzahlgradienten und/oder abnehmender Drehzahlabweichung wird die Förderbeginnverstellung kontinuierlich zurückgenom men, der Förderbeginn auf "spät" verstellt.

In einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, den Umschaltzeitpunkt auf dynamische Förderbeginnver stellung mit der im Zusammenhang mit einer frühzeiti gen Füllungszustellung bei Lastzuschaltung bekannten Störgrößenaufschaltung auf den Drehzahlsollwert (Lo ad puls-Signal) zu kombinieren, um dadurch bereits vor sorglich ein zusätzliches Leistungsangebot des Motors auszulösen, bevor die Motordrehzahl unter der aufge schalteten Last stark abfällt. Durch dieses Vorbereiten des Motors auf die zu erwartende Belastung wird nicht nur ein krasser Drehzahleinbruch verhindert, sondern der gesamte Übergangsregelbetrieb, bis die neue Last stufe erreicht und wieder stationär ausgeregelt werden kann, wird bedeutend verkürzt.

Insbesondere bei Motoren mit elektronischer Ein spritzregelung, wie z. B. einem Akkumulatoreinspritzsy stem, kann eine an das "Load puls-Signal" gekoppelte Umschaltung des Regelbetriebs ohne wesentliche vor richtungsmäßigen Veränderungen lediglich anhand schaltungstechnischer Verknüpfungen realisiert wer den.

Die variable Verstellbarkeit des Förderbeginns in Ab hängigkeit des tatsächlich pro Verbrennungstakt auftre tenden Zylinderinnendrucks ermöglicht eine optimierte Ausnutzung des gesamten Motorbeschleunigungspo tentials innerhalb der Zylinderinnendruckgrenzen. Die damit durchgeführte sukzessive Förderbeginnrückstel lung sorgt für eine dynamische Anpassung der erfin dungsgemäßen zusätzlichen Leistungssteigerung an die tatsächlich im Zylinder vorherrschenden Druckbedin gungen.

Die Rückschaltung vom Regelbetrieb mit dynamisch variabler Förderbeginnverstellung auf normalen Regel betrieb erfolgt, in Weiterbildung der Erfindung, entwe der starr an eine Zeitbedingung gekoppelt oder ist an das Erreichen des Betriebspunkts höherer Laststufe ge knüpft. Hierfür werden die aktuellen Motorkennwerte, speziell der Ladeluftdruck und der Zylinderinnendruck, laufend überwacht und in der elektronischen Regelein richtung zur Festlegung des Förderbeginns entspre chend verarbeitet.

In den übrigen Unteransprüchen werden hierzu vor teilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beansprucht.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfin dung sowie eine nähere Erläuterung sind in der nachfol genden Beschreibung enthalten, die sich auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Druckverläufe im Brennraum bei jeweils zwei verschiedenen Förderbeginnzeitpunkten;

Fig. 2 Verlauf der mechanischen Generatorleistung am Kupplungsflansch des Motors;

Fig. 3 Verläufe der Motordrehzahl bei Lastzuschal tung;

Fig. 4 Verläufe des Förderbeginnzeitpunktes;

Fig. 5 Verläufe der Füllungszustellung bei Lastzu schaltung;

Fig. 6 den Verlauf des Verbrennungshöchstdrucks während des Beschleunigungsvorganges bei Lastzu schaltung.

In Fig. 1 sind zwei Zylinderdruckverläufe P_z1a und P_z2a dargestellt, wie sie sich bei einer herkömmlich gere gelten aufgeladenen Brennkraftmaschine jeweils wäh rend eines Verbrennungstaktes ergeben. Die Füllung bzw. die eingespritzte Kraftstoffmasse ist bei allen dar gestellten Druckverläufen jeweils die gleiche. Bei dem hier dargestellten Beispiel eines Dieselmotors mit luft verteilender Direkteinspritzung entspricht der Druck verlauf P_z2a stellvertretend den Druckverläufen bei niedrigen Ladedrücken, während der bei entsprechend höheren Ladedrücken im Zylinder auftretende Zylinde rinnendruck grundsätzlich durch einen Verlauf P_z1a dar gestellt werden kann. Ausgehend von diesen zwei be kannten Druckverläufen P_z1a, P_z2a im Zylinder ist ferner der in vorliegender Erfindung eingesetzte theoretische Einfluß des Förderbeginnzeitpunktes auf den Zylinder druckverlauf exemplarisch an einem für den frühest möglichen Kurbelwinkel ϕ vorverstellten Förderbeginn ϕ_FBb im Vergleich zu dem stationär eingestellten För derbeginn ϕ_FBa bei beiden Druckverläufen P_z1a und P_z2a aufgezeigt.

Ferner ist das von dem auf der Abszisse aufgetrage nen Kurbelwinkel ϕ und dem Zylinderdruck p_zyl auf der Ordinate aufgespannte Diagramm in Richtung hohe Zy linderdrücke p_zyl durch die konstruktiv vorgegebene Obergrenze des maximal zulässigen Zylinderdrucks p_max begrenzt. Die p_max-Grenze ist durch die mechani sche Belastungsgrenze des jeweiligen Motors konstruk tiv vorgegeben, so daß dem entsprechend zumindest bei längerem Betrieb des Motors mit einem Anstieg des Zylinderdrucks p_zyl über die p_max-Grenze hinaus überla stungsbedingte Schäden auftreten können. Zu der Fig. 1 kann einleitend vorausgeschickt werden, daß je nach Wahl der Förderbeginnzeitpunkte diese eindeutig da durch charakterisierten Druckverläufen zugeordnet werden können. Bezogen auf die sich unter stationärer, schadstoffoptimierter Regelung und damit einem Ein spritzzeitpunkt ϕ_FBa kurz vor der oberen Totpunktlage OT des Kolbens einstellenden Zylinderdruckverläufen P_z1a, P_z2a liegt das bei Betrachtung jeweils des selben Druckverlaufs erreichte Druckmaximum um so höher, je weiter der Förderbeginn vor OT verstellt wird. Gleichzeitig mit der Lage des Druckmaximums, übt jede Förderbeginnverstellung auch einen Einfluß auf die Form des sich damit ergebenden Zylinderdruckverlaufs aus.

Im folgenden ist die Wirkungsweise des erfindungs gemäßen Verfahrens zur variablen last- und motorbe triebsabhängigen Förderbeginnsregelung mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Ausgehend von dem stationär ausgeregelten unbela steten Betriebszustand des Motors vor der Lastzuschal tung, stellt sich bei einem niedrigen Ladeluftdruck P_LL2 nach Füllungserhöhung der Zylinderdruckverlauf P_z2a ein. Entsprechend der herkömmlichen Regelungsart wird die Zylinderfüllung nach dem Schließen der Gas wechselventile bei einem Kurbelwinkel ϕ₀ in Folge der Kolbenhubbewegung verdichtet und erreicht schließ lich in OT sein Druckmaximum. Kurz vor OT setzt bei einem Kurbelwinkel von ϕ_FBa die Brennstofförderung ein, worauf mit gewissem Einspritz- und Zündverzug Δϕa bei einem Kurbelwinkel ϕ_VBa die Verbrennung im Zylinder beginnt.

Setzt nun, entsprechend des in den Fig. 2 bis 6 aufge zeigten Wirkzusammenhangs, eine plötzliche Lastzu schaltung ein, dann wird dem Motor ebenso plötzlich eine entsprechend größere Leistung P_L abverlangt. Da das System Abgasturbolader-Motor bei größeren Last anforderungen nicht in der Lage ist den der Lastanfor derung entsprechenden Soll-Betriebspunkt der Motor- Generatoranlage ohne zeitliche Verzögerung einzuneh men, wird der aufgeladene Motor im bekannten Regel betrieb auf den Soll-Betriebspunkt höherer Laststufe überführt, bzw. beschleunigt. Die Ursachen und Gründe für die Dauer dieses transienten Betriebsbereichs wur den eingangs beschrieben und sollen daher an dieser Stelle im einzelnen nicht erneuert werden. Hervorzuhe ben ist vielmehr, daß die Zeitdauer des Übergangsbe reichs maßgebend von der zur Motorbeschleunigung verfügbaren Leistung abhängig ist. Genauer betrachtet steht nur der die abgeforderte Antriebsleistung P_L über steigende Leistungsanteil des Motors zu dessen Be schleunigung zur Verfügung. Das Leistungsangebot je doch ist direkt mit dem Ladeluftdruck P_LL verknüpft, welcher wiederum lediglich entsprechend des Beschleu nigungsvermögens des Abgasturboladers gesteigert werden kann.

Dieses komplexe Zusammenspiel findet auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen unver ändert statt Bekanntermaßen spricht bedingt durch den Drehzahlabfall bei der Lastaufschaltung der Brennstoff massenregler an, in dem die Füllung um die Strecke xR zugestellt wird und wodurch also vom Moment des Drehzahleinbruchs an eine dem Soll-Betriebspunkt ho her Laststufe entsprechende größere Brennstoffmasse in den Brennraum gefördert wird.

Die damit bewirkte langsam ansprechende Druckstei gerung in Richtung des Pfeiles 4, ist in Fig. 1 stellvertre tend in Form des von dem nach bereits erfolgtem Be schleunigungsbetrieb aufgebauten, höheren Ladeluft druck p_LL1 ausgehenden Druckverlaufs P_z1 dargestellt. Der Druckverlauf P_z1a bezieht sich ebenso wie Verlauf P_z2a auf das herkömmliche Regelverfahren; entspre chend gelten, abgesehen von dem höheren Ladeluft druck p_LL1, die gleichen Erläuterungen, wie zu Verlauf P_z2a.

Dagegen ist in Fig. 1 deutlich zu erkennen, daß so wohl das Druckmaximum des Verlaufs P_z2a als auch der maximale Wert des Druckverlaufs P_z1a unterhalb der p_max-Grenze und damit dem theoretisch größtmögli chen Leistungsvermögen liegen.

Hierauf zielt nun die Erfindung ab, nämlich neben einer kurzfristig verfügbaren Leistungssteigerung auch gleichzeitig eine möglichst optimale Ausschöpfung des Leistungspotentials zur Beschleunigung des Motors zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird zunächst das herkömmliche Lastausregelverfahren beibehalten, um damit grund sätzlich dem Übergang des Motor-Betriebs vom statio nären Ausgangsbetriebspunkt zum belastungsbedingt vorgegebenen Soll-Betriebspunkt höherer Laststufe auszuregeln. Zusätzlich wird nun im wesentlichen mit der Lastzuschaltung und dem damit gestarteten Regel mechanismus zur Beschleunigung des Motors der För derbeginn verstellt. In Fig. 1 zeigt sich dies daran, daß unmittelbar nach der Lastaufschaltung zum Zeitpunkt t₀, zu dem der Motorbetrieb durch den Druckverlauf P_z2a gekennzeichnet ist, daß Förderbeginn FB von dem bisher gewählten Kurbelwinkel ϕ_FBa nunmehr gezielt auf den für den vorherrschenden Motorbetriebszustand frühest möglichen Förderbeginn in Richtung "früh", auf den Kurbelwinkel ϕ_FBb, verstellt wird. Bei dem in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Beispiel wird der Förderbeginn FB beispielhaft um ein Δϕ von 10° KW vorverstellt. Grundsätzlich ist der Betrag von Δϕ_max jedoch von der Auslegung des Motors abhängig.

Initiiert durch die Förderbeginnverstellung Δϕ auf ϕ_FBb, setzt die Verbrennung nun mit einem systembe dingten Einspritz- und Verbrennungsverzug nach einem Kurbelwinkel von Δϕ_b zum Zeitpunkt ϕ_VBb ein. Ent sprechend des obenbeschriebenen Einflusses des För derbeginns FB auf dem Verbrennungs- und damit auch auf den Druckverlauf im Zylinder, stellt sich damit erfin dungsgemäß ausgehend von VB_2b der Druckverlauf P_z2b ein. Deutlich zu erkennen ist hierbei der gegenüber Verlauf P_z2a bedeutend früher einsetzende Druckan stieg.

Dieser mit vorliegender Erfindung gegenüber Verlauf P_z2a erreichte zusätzliche Druckaufbau P_z2b stellt die erfindungsgemäß erschlossene Leistungssteigerung dar, die zur Verbesserung der Lastannahme dient. Ebenso ermöglicht sie eine kurzfristig einsetzbare Erhöhung der Motorleistung in Betriebsbereichen, in denen spe ziell hoch aufgeladene Brennkraftmaschinen durch ihr systembedingtes träges Verhalten nicht in der Lage sind, das Leistungspotential des Motors auszuschöpfen.

Unter der Wirkung der Leistungserhöhung durch das Ansprechen des Reglers und der damit zugeregelten größeren Brennstoffmasse sowie der Förderbeginnver stellung, erreicht der Motor den Druckverlauf P_z1. Bleibt der Förderbeginn unverändert auf ϕ_FBb vorver stellt, so gestaltet sich der Druckverlauf bei dem mit zeitlicher Verzögerung erreichten höheren Ladeluft druck p_LL1 entsprechend des in Figur eingetragenen Verlaufs P_z1b.

Damit übersteigt der förderbeginngeregelte Zylinde rinnendruck P_z, zunächst unerwünscht, den für stationä ren Betrieb zulässigen Spitzendruck im Zylinder p_max. Da jedoch durch eine solche Überschreitung eine grö ßere Motorleistung zur Beschleunigung zur Verfügung stünde, ist in einer zweiten Variante des erfindungsge mäßen Verfahrens vorgesehen, eine zeitlich limitierte Überschreitung gezielt eingesetzt. Eine Überschreitung auf Dauer ist jedoch grundsätzlich unerwünscht.

Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht daher vor, den Zylinderdruck P_z und/oder den Ladeluftdruck p_LL laufend zu überwachen und diese als eine Eingangsgrö ße zur Begrenzung der Förderbeginnverstellung zu ver wenden. Sollte, wie bei dem beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel, eine Zylinderdrucksteigerung über die p_max-Grenze hinaus vermieden werden, wird nach er folgter Lastaufschaltung der Förderbeginn in Abhän gigkeit des allmählichen ladeluftdruckabhängigen Druckanstiegs nach "spät" geregelt. In Fig. 1 ist die auf diese Weise ausgeregelte Wanderung der Lage des Druckpunktes bei Verbrennungsbeginn bei Einsatz der erfindungsgemäßen Förderbeginnverstellung während der Beschleunigung von p_LL2 auf p_LL1 als Verlauf 5 ein getragen. Bei erreichtem Ladeluftdruck p_LL1 ist der För derbeginn entsprechend auf den Kurbelwinkel ϕ_FBa ge stellt, um damit das erlaubte Druckmaximum p_max ein zuhalten.

Durch diese an den transienten Motorbetrieb ange paßte variable Förderbeginnverstellung ist eine dyna mische Regelung unter Ausschöpfung des maximal zur Verfügung stehenden Leistungspotentials des Motors möglich.

Erfindungsgemäß wird also in dem obenbeschriebe nen transienten Beschleunigungsbetrieb von abgastur boladeraufgeladenen Dieselmotoren zu erzielen, da bei diesem Einsatz ganz bewußt das durch das verzögerte Ansprechen des Abgasturboladers existierende Lade luftdefizit zur Vorverstellung des Förderbeginns und zur Erhöhung der Leistungsausbeute genutzt und zur Optimierung der Abgabeleistung des Systems Abgas turbolader-Brennkraftmaschine eingesetzt.

Aufgrund dieser Bedeutung ist nachfolgend eine Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens mittels Um schalten des Regelbetriebs mit einem nach dynamischen Motorbetriebsgesichtspunkten verstellten variablen Förderbeginn in Fig. 2 bis 6 am Beispiel eines abgastur boladeraufgeladenen Generatordieselmotors aufge zeigt. Dieser Motor ist mit einer Motorbetriebsregelung und einem Einspritzsystem ausgestattet, das eine belie bige Verstellbarkeit des Förderbeginns zulassen. In den abgebildeten Diagrammen sind die mit dem erfindungs gemäßen Verfahren erhaltenen Betriebswerte denjeni gen eines konventionell Frequenz gegenübergestellt.

In Fig. 2 ist schematisch der Verlauf des Lastdrehmo ments M_L über der Zeit t aufgetragen. Ausgehend von einem lastfreien Motorbetrieb nimmt das Lastmoment M_L im Zeitpunkt t₀ sprunghaft einen konstanten Mittel wert M_L an, welcher über längere Zeit beibehalten wird. Dieses in Fig. 1 dargestellte idealisierte Lastprofil ent spricht in etwa dem Belastungsfall bei Generatorauf schaltung, wo beispielsweise dem in Leerlauf betriebe nen Antriebsmotor eines Notstromaggregats bei Stromausfall der Generator zugeschaltet wird, um bin nen kürzester Zeit eine Stromversorgung mit konstan ter Spannung und vorgegebener Stromstärke sicherzu stellen.

Die Auswirkungen einer derartigen, plötzlichen Lei stungsabforderung auf den zeitlichen Verlauf der Mo tordrehzahl des Motors ist in Fig. 3 gezeigt. Zunächst wird der unbelastete Motor bei einer Leerlaufdrehzahl n₀ betrieben, bis im Zeitpunkt t₀ schlagartig die Last zugeschaltet wird, worauf die Motordrehzahl n ebenso abrupt auf einen niedrigeren Wert n₁ abfällt. Dieser Drehzahleinbruch wird nahezu gleichzeitig mittels ge eigneter Sensoren von der elektronischen Regeleinrich tung erfaßt die dann ausgehend von dem aufgenomme nen Drehzahlsignal die zeitliche Änderung der Dreh zahl, sprich den Motordrehzahlgradienten, ermittelt.

Der gemessene Motordrehzahlwert n_mot wird konti nuierlich von der Regelelektronik mit einem vorgegebe nen Drehzahlgrenzwert verglichen; unterschreitet die momentane Drehzahl dabei den hier auf die Drehzahl n₁ gesetzten Grenzwert ist die erste Bedingung erfüllt und es wird, als zweite Bedingung, der zuletzt bestimmte Drehzahlgradient herangezogen.

Neben der Drehzahlerfassung und Gradientenermitt lung können beispielsweise der Ladeluftdruck, die Tur boladerdrehzahl oder aber auch die von der Gesamtla ge abgenommene elektrische Leistung meßtechnisch aufgenommen und von der Regeleinrichtung zur An passung des Förderbeginns an den dynamischen Motor betrieb verwertet werden.

Da der Gradient im vorliegenden Ausführungsbei spiel bei Unterschreiten des Drehzahlgrenzwerts n₁ ne gatives Vorzeichen besitzt - was darauf hindeutet, daß die Motordrehzahl auch im weiteren zeitlichen Verlauf weiter abfallen würde -, wird der Förderbeginn erfin dungsgemäß nach "früh" verstellt. In Fig. 4 ist hierzu der Kurbelwinkelverlauf ϕ ausgehend vom Förderbeginn bei stationärem Motorbetrieb als Bezugsnullinie über der Zeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt t₀ setzt die Vorver stellung des Förderbeginns ein und erreicht im Zeit punkt t₁ den vorgesehenen Förderbeginn bei einem Kurbelwinkel von 10° vor OT.

Gleichzeitig mit der Förderbeginnverstellung wird von der Regelelektronik ebenfalls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n_mot ein entsprechendes Steuersi gnal an den Kraftstoffregler abgegeben, worauf dieser dann in den Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge er höht. Da die Kraftstoffmengenzufuhr neben dem Dreh moment auch an die Motordrehzahl gekoppelt ist, ent spricht die erforderliche Füllungszustellung in der er sten Phase des Drehzahleinbruchs auf n₁ bis zum Zeit punkt t₁ der Füllung konventioneller Motorregelung. Ab einem Regelweg s₁ zeigt die erfindungsgemäße För derbeginnverstellung erste Wirkung, worauf sich dann auch unterschiedliche Füllungsverläufe ergeben.

Sobald der Förderbeginn im Zeitpunkt t₁ um den vor gesehenen Kurbelwinkel ϕ, hier 10° vor OT, nach "früh" verstellt ist, stellt sich im Brennraum ein Verbrennungs verlauf gemäß 2_c in Fig. 1 ein. Die damit erreichte zu sätzliche Steigerung des Zylinderdrucks P_z entspricht einer Erhöhung des inneren Wirkungsgrades und hat damit auch eine Zunahme des Motordrehmoments zur Folge. Dieses gegenüber herkömmlichen Motorregel verfahren erfindungsgemäß erzielte Leistungsplus wirkt einem weiteren Drehzahlabfall aktiv entgegen.

In Fig. 6 ist diese vorübergehende Leistungssteige rung anhand gemessener Zylinderdruckverläufe P_z im abgasturboladeraufgeladenen Motor verdeutlicht. Spe ziell aus diesem Diagramm, in dem der tatsächliche Zy linderdruck P_z des selben Motors einmal ausschließlich mit konventioneller Lastaustregelung durch entspre chende Reaktion des Drehzahlreglers dem Druckver lauf bei Lastausregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dynamischer Förderbeginnverstellung (gestrichelt dargestellt) gegenübersteht, ist der erreichte Leistungszugewinn anschaulich als die zwischen beiden Kurvenverläufen eingeschlossene Fläche A verkörpert.

Mit einsetzender Lastausregelung zum Zeitpunkt T₀ mittels des Drehzahlreglers, steigt aufgrund der größe ren, zugeführten Kraftstoffmenge der Zylinderdruck in bekannter Weise in Richtung des Pfeiles 1 an. Im selben Moment wird erfindungsgemäß nun auch der Förderbe ginn nach "früh" verstellt, womit der in Fig. 1, Verlauf P_z2b gezeigte theoretisch erreichbare Zylinderinnen druck p_zyl freigesetzt wird, welcher sich in der Fig. 6 in Form einer größeren Steigerung in der Druckkurve 5a und einem Anstieg auf einen höheren Druckwert p₂ widerspiegelt. Dieses durch Verlagerung der Verbren nungskurve gewonnene Mehr an Leistung ist auch im weiteren Verlauf dem bisherigen Leistungsvermögen des Motors überlagert, so daß die Motordrehzahl n_mot lediglich auf eine Drehzahl n₂ abfällt, die deutlich höher liegt, als das Drehzahltief n₃ bei konventioneller Regel weise. Demzufolge wird auch die Ausgangsdrehzahl n₀ wieder früher erreicht, als ohne Förderbeginnverstel lung.

Abgesehen von der angestrebten möglichst großen Leistungserhöhung zur Motorbeschleunigung, sollte das Leistungspotential für den Motor schadfrei ausge schöpft werden. Um die vorgegebenen Belastungsgren zen auch trotz Förderbeginnverstellung nicht zu über schreiten, wird ein Druckschwellwert vorgegeben, mit dem der aktuelle Zylinderinnendruck laufend verglichen wird. Mit zunehmender Erholung der Anlage, die durch eine Zunahme des Drehzahlgradienten (positives Vor zeichen) und/oder Überschreiten des vorgegebenen Drehzahlgrenzwerts erkannt werden kann, wird der Förderbeginn im Zeitpunkt T₃ wieder nach "spät", bei spielsweise auf den Kurbelwinkel ϕ_FBa, zurückgestellt. Der Rückstellzeitpunkt bzw. das Rückstellkriterium kann abgesehen von den vorgegebenen Motorbela stungsgrenzen ferner an andere aktuelle Betriebskenn größen, wie z. B. den Ladedruck, gekoppelt sein, um somit die vorübergehende Leistungssteigerung in einer Weise regeln zu können, die ein möglichst schnelles Ausregeln des Motors auf den der Belastung entspre chenden Betriebspunkt ermöglicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eines nach dynamischen Motorbetriebspunkten verstellten varia blen Förderbeginns, kann somit der indizierte Mittel druck unter Ausnutzung der gegebenen mechanischen Grenzen jederzeit bei Bedarf dadurch maximiert wer den, daß der ansonsten bei abgasturboladeraufgeladen en Dieselmotoren durch das Betriebsverhalten eines Turboladers zwangsweise bedingte, verzögerte Lade druckaufbau durch eine entsprechend leistungssteigern de Beeinflussung des Verbrennungsprozesses leistungs erzeugend ausgenutzt werden kann.

Bezugszeichenliste

4

Druckanstiegsrichtung

5

Lage des VB-Druckpunktes
p_z1a

Druckverlauf bei FB "spät"
p_z2a

Druckverlauf bei FB "spät"
p_z1b

Druckverlauf bei Förderbeginn "früh"
p_z2b

Druckverlauf bei Förderbeginn "früh"
p_zyl

Zylinderinnendruck
ϕKurbelwinkel
ϕ_FBb

Förderbeginn, früh
ϕ_FBa

Förderbeginn, stationär
p_LL1

Ladeluftdruck
p_LL2

Ladeluftdruck
ϕ₀

Gaswechselventile schließen
Δϕ_max

maximale Förderbeginnverstellung
Δϕ_b

Einspritz- und Zündverzugwinkel
α_VBa

Verbrennungsbeginn
α_VBb

Verbrennungsbeginn
Δ_ppot

motorbeschleunigungsabhängiges Druckpotential
p_max

maximal zulässiger Zylinderinnendruck (Bela stungsgrenze)

Claims

1. Verfahren zur Regelung des Lastannahmeverhal tens einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Turboladern, insbesondere eines Diesel motors mit Abgasturboaufladung als Antrieb eines Elektrizitätserzeugers, bei dem die Brennkraftma schine über die Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit mindestens einer Betriebskenngröße im wesentli chen in optimierten stationären Betriebszuständen jeweils den Motoranforderungen entsprechend be trieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ausgehend vom Regelbetrieb nach stationären Gesichtspunkten in Betriebsberei chen mit auftretender Drehzahldrückung des Mo tors vorübergehend eine dynamische lastab hängige und in Abhängigkeit von Betriebs parametern des Motors erfolgende Förderbeginn vorverstellung vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ausgehend von gemessenen Drehzahlsignalen der Drehzahl gradient ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn vorübergehend nach früh ver stellt wird, wenn der Drehzahlgradient negatives Vorzeichen annimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß im Zeitpunkt einer Lastzuschaltung ein Signal an die Kraftstoffzufuhrregelung gegeben wird, worauf der Förderbeginn vorübergehend nach früh verstellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn beim Auftreten der Drehzahldrückung des Motors für eine festgelegte Zeitperiode nach früh verstellt und, nachdem die festgelegte Zeitperiode verstri chen ist, auf den dem auszuregelnden stationären Betriebszustand höherer Laststufe entsprechend Förderbeginn verstellt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn in transienten Beschleunigungsbereichen der Brenn kraftmaschine so lange nach früh verstellt wird, bis die Brennkraftmaschine die nach Lastzuschaltung auszuregelnde höhere Laststufe erreicht hat.

6. Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn unmittelbar auf ein frühesten Zeit punkt bzw. Kurbelwinkel verstellt wird und daran anschließend der Förderbeginn in Abhängigkeit mindestens einer Motorbetriebsgröße nach mo mentanen Motorbetriebsgesichtspunkten in Rich tung spät ausgeregelt wird, bis die Brennkraftma schine in den Betriebspunkten höherer Laststufe geregelt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Betriebspunkt höherer Last stufe dann erreicht ist, wenn der Drehzahlgradient eine bestimmte positive Steigung angenommen hat und/oder ein vorgegebener Drehzahlschwellwert überschritten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausregeln des Förderbeginnzeit punkts nach spät in Abhängigkeit des Ladedrucks erfolgt.