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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Brennstoffsystem und insbesondere
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Brennstoffbefehls
für ein
Brennstoffsystem.
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Technischer
Hintergrund
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Gegenwärtige Erdgas-Motorsysteme
können
eine Instabilität
der Motordrehzahl erfahren, die von der Art und Weise herrührt, in
der der Brennstoffbefehl für
den Motor berechnet wird. Ein Brennstoffbefehl für einen Erdgas-Motor kann basierend
auf verschiedenen Motorparametern bestimmt werden, die die erwünschte und
die tatsächliche
Motordrehzahl, den Einlasssammelleitungsdruck und die Sammelleitungstemperatur
aufweisen. Abhängig
von der Abfolge von Ereignissen oder Berechnungen kann es eine beträchtliche
Verzögerung
zwischen dem Zeitpunkt geben, zu dem die erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen abgefühlt
werden, und dem Zeitpunkt, zu dem das Brennstoffsystem auf den Unterschied
zwischen den tatsächlichen
und erwünschten
Motordrehzahlen anspricht. Die Verzögerung kommt teilweise von
der Berechnung eines Drosselbefehls zur Steuerung der Position der
Drossel und dann von der Messung des daraus resultierenden Sammelleitungsdruckes
und der Temperatur. Eine Veränderung
der Drosselposition wird eine Veränderung des Volumens der Luft/Brennstoff-Mischung
zur Folge haben, die zur Sammelleitung geliefert wird, was wiederum
eine Veränderung
des Einlasssammelleitungsdruckes und der Temperatur zur Folge hat.
Jedoch erreichen der Einlasssammelleitungsdruck und die Einlasssammelleitungstemperatur nicht
sofort einen Wert im stetigen Zustand ansprechend auf eine Veränderung
des Drosselbefehls. Daher berücksichtigt
der berechnete Brennstoffbefehl nicht adäquat die erwünschten
und tatsächlichen
Motordrehzahlen, was Oszillationen der Motordrehzahl von 10–15 Umdrehungen
pro Minute mit niedrigen Frequenzen zur Folge hat, was schließlich zu
einer Instabilität
des Motors führt.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung
eines Brennstoffbefehls für
ein Brennstoffsystem offenbart. Das Verfahren weist die Schritte
auf, eine erwünschte und
eine tatsächliche
Motordrehzahl zu vergleichen, einen Fluss einer Luft/Brennstoff-Mischung
in eine Einlasssammelleitung ansprechend auf den Vergleich zu steuern,
die innerhalb des Brennstoffsystems gelegen ist, einen Brennstoffbefehl
ansprechend auf den Einlasssammelleitungsdruck, die Sammelleitungstemperatur
und die tatsächliche
Motordrehzahl zu bestimmen, und den Brennstoffbefehl ansprechend
auf dem Vergleich der Motordrehzahl zu modifizieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Bestimmung eines Brennstoffbefehls für ein Brennstoffsystem offenbart.
Die Vorrichtung weist Mittel zum Abfühlen eines Sammelleitungsdruckes
auf, um einen Einlasssammelleitungsdruck zu bestimmen und darauf
ansprechend ein Drucksignal zu erzeugen, weiter Mittel zum Abfühlen einer
Sammelleitungstemperatur zur Bestimmung einer Sammelleitungstemperatur und
um darauf ansprechend ein Temperatursignal zu erzeugen, und eine
Steuervorrichtung zur Aufnahme von Signalen der erwünschten
Motordrehzahl und der tatsächlichen
Motordrehzahl und der Einlasssammelleitungsdruck- und Einlasssammelleitungstemperatursignale,
weiter zum Liefern eines Drosselpositionsbefehls zu der Drosselbetätigungsvorrichtung
ansprechend auf einen Vergleich zwischen den erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen, zur Bestimmung eines Brennstoffbefehls ansprechend auf
den Einlasssammelleitungsdruck, die Temperatur und zur Modifikation
des Brennstoffbefehl ansprechend auf den Vergleich zwischen den
erwünschten und
tatsächlichen
Motordrehzahlen, und um darauf ansprechend den modifizierten Brennstoffbefehls
zu der Brennstoffsteuerventilbetätigungsvorrichtung
zu liefern.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm auf hohem Niveau von einem Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffsystems
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2 ist
ein Blockdiagramm eines elektronischen Regelungssystems; und
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3 ist
eine Darstellung des Verfahrens zur Bestimmung eines modifizierten
Brennstoffbefehls.
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Bester Weg
zur Ausführung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor,
um einen Brennstoffbefehl für
ein Brennstoffsystem zu bestimmen. 1 ist eine
Darstellung von einem Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffsystems 100. Ein Brennstoffsteuerventil 104,
wie beispielsweise ein TechJet, ermöglicht, dass Brennstoff zu
einem Luft/Brennstoff-Mischer 108 fließt. Die Luft/Brennstoff-Mischung läuft durch
einen Turbo-Kompressor 110 und einen Nachkühler 114.
Eine Drossel 116 steuert das Volumen der Luft/Brennstoff-Mischung, die in
eine Einlasssammelleitung 118 fließt. Die Sammelleitung 118 liefert
den Brennstoff zu einem oder mehreren Zylindern 120. Das
Abgas aus den Zylindern 120 läuft durch die Auslasssammelleitung 122,
die Turbo-Turbine 112 und das Auslasssystem 124.
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Eine
Steuervorrichtung 102 nimmt Eingangsgrößen von einem Drucksensor 130 auf,
der in der Sammelleitung 118 gelegen ist, von einem Temperatursensor 132,
der in der Sammelleitung 118 gelegen ist, und von einem
Sensor 134 für
die tatsächliche Drehzahl,
und von einem Sensor 136 für die erwünschte Motordrehzahl. Die Steuervorrichtung 102 kann
kontinuierliche Aktualisierungen von den Sensoren aufnehmen. Die
Steuervorrichtung 102 bestimmt darauf ansprechend eine
Drosselposition und eine Brennstoffsteuerventilposition und sendet
die entsprechenden Befehle zu einer Drosselbetätigungsvorrichtung 124 bzw.
zu einer Brennstoffbetätigungsvorrichtung 126.
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Der
Sensor 134 für
die tatsächliche
Motordrehzahl (Ist-Motordrehzahlsensor) ist elektrisch mit der Steuervorrichtung 102 verbunden.
Der Drehzahlsensor 132 kann irgendeine Bauart eines Sensors
sein, die genau ein elektrisches Signal ansprechend auf die Motorkurbelwellendrehzahl
erzeugt. Beispielsweise ist bei einem Ausführungsbeispiel der Drehzahlsensor 132 an
einem (nicht gezeigten) Motorschwungradgehäuse montiert, und erzeugt ein
digitales Drehzahlsignal ansprechend auf die Drehzahl des Schwungrades,
dass an einer (nicht gezeigten) Motorkurbelwelle montiert ist. Die
erwünschte
Motordrehzahl kann durch manuelle Eingaben in eine (nicht gezeigte)
Motordrehzahldrossel (Gasdrossel) oder durch ein (nicht gezeigtes)
Tempomat-System erzeugt
werden.
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Ein
Drucksensor 130 ist in der Einlasssammelleitung 118 angeordnet
und ist elektrisch mit der Steuervorrichtung 102 verbunden.
Der Drucksensor 130 erzeugt ein Drucksignal ansprechend
auf den tatsächlichen
absoluten Druck in der Einlasssammelleitung 118.
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Ein
Sammelleitungstemperatursensor 132 ist in der Einlasssammelleitung 118 angeordnet
und ist elektronisch mit der Steuervorrichtung 102 verbunden.
Der Temperatursensor 132 erzeugt ein Temperatursignal ansprechend
auf die Temperatur in der Lufteinlasssammelleitung 118.
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Die
Steuervorrichtung 102 bestimmt einen Drosselpositionsbefehl
und liefert den Befehl zu einer Drosselbetätigungsvorrichtung 128.
Die Drosselbetätigungsvorrichtung 128 wird
die Position der Drossel 116 ansprechend auf den Drosselbefehl
steuern.
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Die
Steuervorrichtung 102 bestimmt auch einen Brennstoffbefehl
und liefert einen Brennstoffsteuerventilpositionsbefehl zu einer
Brennstoffventilbetätigungsvorrichtung 126.
Die Brennstoffventilbetätigungsvorrichtung 126 wird
die Position des Brennstoffsteuerventils 104 ansprechend
auf den Brenn stoffbefehl steuern.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist
die Steuervorrichtung 102 ein elektronisches Regelungssystem 202 auf. 2 veranschaulicht
ein Ausführungsbeispiel
eines elektronischen Regelungssystems 202. Die Brennstoffmenge,
die zu den Brennstoffzylindern 120 zu liefern ist, wird
durch das elektronische Regelungssystem 202 bestimmt. Der Betrieb
des elektronischen Regelungssystems 202 wird unten beschrieben.
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3 veranschaulicht
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung
weist ein Verfahren auf, um einen Brennstoffbefehl für ein Brennstoffsystem 100 zu
bestimmen, welches die Schritte aufweist, eine erwünschte und
eine tatsächliche
Motordrehzahl zu bestimmen, die erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen zu vergleichen, den Luft/Brennstoff-Mischungsfluss
in eine Einlasssammelleitung ansprechend auf den Vergleich zu steuern,
die innerhalb des Brennstoffsystems gelegen ist, einen Druck und
eine Temperatur innerhalb der Sammelleitung abzufühlen, einen
Brennstoffbefehl ansprechend auf den Einlasssammelleitungsdruck,
die Sammelleitungstemperatur und eine tatsächliche Motordrehzahl zu bestimmen,
und dann den Brennstoffbefehl ansprechend auf dem Vergleich zwischen den
tatsächlichen
und erwünschten
Motordrehzahlen zu modifizieren.
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In
einem ersten Steuerblock
302 wird eine erwünschte Motordrehzahl
bzw. Soll-Motordrehzahl abgefühlt,
und eine tatsächliche
Motordrehzahl bzw. Ist-Motordrehzahl
wird abgefühlt.
In einem zweiten Steuerblock
304 wird die erwünschte Motordrehzahl mit
der tatsächlichen
Motordrehzahl verglichen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Differenz zwischen der erwünschten Motordrehzahl und der
tatsächlichen
Motordrehzahl bestimmt, das heißt, ein
Motordrehzahlfehler wird bestimmt. In einem dritten Steuerblock
306 wird
der Luft/Brennstoff-Mischungsfluss in die Sammelleitung
118 ansprechend auf
den Vergleich der erwünschten
und tatsächlichen Motordrehzahlen
gesteuert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Drosselpositionsbefehl ansprechend
auf den Vergleich zwischen der erwünschten Motordrehzahl und der
tatsächlichen
Motordrehzahl bestimmt. Das Ergebnis des Vergleichs zwischen der
erwünschten
und der tatsächlichen
Motordrehzahl, beispielsweise der Motordrehzahlfehler, wird zu einem
PID-Steueralgorithmus
204 (PID = proportional, Integral,
derivativ) geliefert. Der PID-Steueralgorithmus bestimmt dann einen
Drosselbefehl. PID-Steueralgorithmen
sind in der Technik wohlbekannt. Ein Beispiel eines PID-Steueralgorithmus
ist unten gezeigt.
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Wobei
gilt:
ej = Fehler (erwünschte Drehzahl – tatsächliche Drehzahl)
Ci = Befehl (Drossel) zum Zeitpunkt ti
KP = proportionale
Verstärkung
(Gain) der Regelungsvorrichtung
KI =
integrale Verstärkung
(Gain) der Regelungsvorrichtung
KD =
derivative Verstärkung
(Gain) der Regelungsvorrichtung
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Der
Drosselbefehl, der von dem PID-Steueralgorithmus 204 erzeugt
wird, wird zu der Drosselbetätigungsvorrichtung 128 geliefert.
Die Drosselbetätigungsvorrichtung 128 wird
dann darauf ansprechend die Position der Drossel 116 steuern,
wodurch die geeignete Menge der Luft/Brennstoff-Mischung in die Sammelleitung 118 eingelassen
wird. Daher wird der Fluss der Luft/Brennstoff-Mischung in die Sammelleitung 118 ansprechend
auf den Vergleich zwischen den erwünschten und den tatsächlichen
Motordrehzahlen gesteuert.
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In
einem vierten Steuerblock 308 werden der Einlasssammelleitungsdruck
und die Sammelleitungstemperatur abgefühlt und zu der Steuervorrichtung 102 geliefert.
Der Einlasssammelleitungsdruck und die Einlasssammelleitungstemperatur
werden teilweise durch das Volumen der Luft/Brennstoff-Mischung beeinflusst,
die in die Sammelleitung 116 geliefert wird. Das Volu men
der Luft/Brennstoff-Mischung, die in die Sammelleitung geliefert
wird, wird von der Drosselposition beeinflusst. Daher werden der
Einlasssammelleitungsdruck und die Einlasssammelleitungstemperatur
durch eine Veränderung der
Drosselposition beeinflusst. Jedoch verändern der Einlasssammelleitungsdruck
und die Einlasssammelleitungstemperatur sich nicht sofort ansprechend
auf die Veränderung
der Drosselposition. Es gibt eine Verzögerung oder Verspätung zwischen dem
Zeitpunkt, zu dem die Drosselposition bestimmt unverändert wird,
und dem Zeitpunkt, zu dem der Einlasssammelleitungsdruck und die
Einlasssammelleitungstemperatur einen Wert für den stetigen Zustand erreichen.
Daher basieren Berechnungen, die auf dem Einlasssammelleitungsdruck
und der Einlasssammelleitungstemperatur basieren auf Daten, die
sich ansprechend auf den Drosselbefehl verändern.
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In
einem fünften
Steuerblock 310 bestimmt die Steuervorrichtung 102 einen
Brennstoffbefehl zur Steuerung der Brennstoffmenge, die mit der
Luft in dem Mischer 108 vermischt ist. Der Brennstoffbefehl wird
ansprechend auf den Einlasssammelleitungsdruck, die Sammelleitungstemperatur
und die tatsächliche
Motordrehzahl bestimmt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoffbefehl bestimmt,
indem zuerst die Menge des Luftflusses in die Sammelleitung 118 bestimmt
wird. Der Luftfluss wird basierend auf der tatsächlichen Motordrehzahl, dem
Einlasssammelleitungsdruck und der Sammelleitungstemperatur bestimmt.
Die Bestimmung des Luftflusses basierend auf der Motordrehzahl,
dem Einlasssammelleitungsdruck und der Einlasssammelleitungstemperatur
ist in der Technik wohlbekannt. Der Luftfluss wird dann durch das
entsprechende Luft/Brennstoff-Verhältnis geteilt, um den Brennstoffbefehl
zu bestimmen. Das entsprechende Luft/Brennstoff-Verhältnis
wird unter Verwendung einer Luft/Brennstoff-Verhältniskarte (Kennfeld) bestimmt.
Die tatsächliche
Motordrehzahl und der tatsächliche
Sammelleitungsdruck werden als Eingangsgrößen für die Luft/Brennstoff-Verhältniskarte verwendet,
um das entsprechende Luft/Brennstoff-Verhältnis zu bestimmen. Die Luft/Brennstoff-Verhältniskarte
wird basierend auf empirischen Tests, auf Simulationen und Analysen
erzeugt, um das geeignete Luft/Brennstoff-Verhältnis für eine gegebene Motordrehzahl
und einen gege benen Einlasssammelleitungsdruck zu bestimmen.
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Daher
wird die Menge des Luftflusses in die Einlasssammelleitung 118 in
Verbindung mit einer Luft/Brennstoff-Verhältniskarte verwendet, um die Brennstoffmenge
zu bestimmen, die mit der Luft vermischt werden muss, d. h. den
Brennstoffbefehl. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Brennstoffbefehl
bestimmt durch Teilen des Luftflusses durch das Luft/Brennstoff-Verhältnis.
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Daher
wird der Brennstoffbefehl indirekt ansprechend auf den Vergleich
der erwünschten
und tatsächlichen
Motordrehzahlen bestimmt. Der Vergleich der erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen beeinflusst die Drosselposition, die den Einlasssammelleitungsdruck
und die Einlasssammelleitungstemperatur beeinflusst. Wenn jedoch
der Brennstoffbefehl berechnet wird, haben der Einlasssammelleitungsdruck
und die Einlasssammelleitungstemperatur wahrscheinlich nicht einen
Wert im stetigen Zustand ansprechend auf eine Veränderung der
Drosselposition erreicht, d. h. die Veränderung des Volumens der Luft/Brennstoff-Mischung,
dass zu der Sammelleitung 118 geliefert wurde. Während der Brennstoffbefehl
in einer zeitgesteuerten Weise berechnet wird, kann daher der Brennstoffbefehl
nicht adäquat
dem Motordrehzahlfehler berücksichtigen, der
mit dem Vergleich der erwünschten
und tatsächlichen
Motordrehzahlen assoziiert ist. Die Tatsache, dass der Brennstoffbefehl
nicht adäquat
die erwünschten
und tatsächlichen
Motordrehzahlen berücksichtigt,
kann zu einer Instabilität
der Motordrehzahl führen,
weil der Brennstoffbefehl auf Daten reagiert, die keinen stetigen
Zustand erreicht haben. Daher wird in einem sechsten Steuerblock 312 der Brennstoffbefehl
modifiziert, um direkt den Vergleich zwischen der erwünschten
und der tatsächlichen
Motordrehzahl zu berücksichtigen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Differenz zwischen der tatsächlichen Motordrehzahl und
der erwünschten Motordrehzahl,
die zu dem PID-Steueralgorithmus 204 geliefert
wurde, mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor multipliziert,
was einen modifizierten Motordrehzahlfehlerfaktor zur Folge hat.
Der proportionale Verstärkungsfaktor
kann durch empirisches Kästen
bestimmt werden und wird für
unterschiedliche Brennstoffsysteme variieren. Der daraus resultierende
modifizierte Motordrehzahlfehlerfaktor kann zu dem Brennstoffbefehl
addiert werden, was einen modifizierten Brennstoffbefehl zur Folge
hat, der direkt die Differenz zwischen der erwünschten und der tatsächlichen
Motordrehzahl berücksichtigt.
Der modifizierte Brennstoffbefehl wird dann zu der Brennstoffventilbetätigungsvorrichtung 126 geliefert.
Die Brennstoffventilbetätigungsvorrichtung 126 steuert dann
darauf ansprechend die Position des Brennstoffsteuerventils 104,
um zu ermöglichen,
dass die geeignete Brennstoffmenge mit Luft zur Lieferung zur Sammelleitung 118 vermischt
wird.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
der proportionale Verstärkungsfaktor
einen Integral-Ausdruck aufweisen.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor,
um einen Brennstoffbefehl für
ein Brennstoffsystem zu bestimmen. Das Verfahren weist die Bestimmung
einer erwünschten
und einer tatsächlichen
Motordrehzahl auf, weiter den Vergleich der erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen und die Steuerung des Luft/Brennstoff-Mischungsflusses
in die Einlasssammelleitung ansprechend auf den Vergleich. Der Einlassdruck und
die Temperatur innerhalb der Sammelleitung werden dann abgefühlt. Ein
Brennstoffbefehl wird ansprechend auf den Einlasssammelleitungsdruck
und die Einlasssammelleitungstemperatur bestimmt. Der Brennstoffbefehl
wird dann ansprechend auf den Vergleich der erwünschten und tatsächlichen
Motordrehzahlen modifiziert.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
die erwünschten
und tatsächlichen
Motordrehzahlen abgefühlt.
Die Drosselposition, die das Volumen des Luft/Brennstoff-Mischungsflusses
in die Sammelleitung steuert, wird ansprechend auf die Differenz
zwischen dem erwünschten
und tatsächlichen Motordrehzahlen
modifiziert. Der Luftfluss durch die Sammelleitung wird dann bestimmt
durch Abfühlen des
Sammelleitungsluftdruckes und der Sammelleitungslufttemperatur.
Ein Brennstoffbefehl wird basierend auf dem Luftfluss durch die
Sammelleitung und basierend auf einem Luft/Brennstoff-Verhältnis bestimmt,
welches auf dem Sammelleitungsdruck und der tatsächlichen Motordrehzahl basiert.
Der Sammelleitungsdruck und die Sammelleitungstemperatur verändern sich
nicht sofort, wenn sich die Drosselposition verändert. Daher kann der Brennstoffbefehl
basierend auf Parametern berechnet werden, die keinen Wert im stetigen
Zustand erreicht haben. Der Brennstoffbefehl wird modifiziert durch
addieren der Differenz zwischen der erwünschten und der tatsächlichen
Motordrehzahl zu dem Brennstoffbefehl, um die Tatsache zu berücksichtigen,
dass der Sammelleitungsluftdruck und die Sammelleitungslufttemperatur
keine Werte für
stetigen Zustand erreicht haben. In einem Ausführungsbeispiel wird die Differenz
der Motordrehzahlen mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor
multipliziert, bevor sie zu dem Brennstoffbefehl addiert wird. Der
modifizierte Brennstoffbefehl wird Motordrehzahloszillationen reduzieren oder
eliminieren, die der Verzögerung
zwischen dem Zeitpunkt, zu dem sich die Drosselposition verändert, und
dem Zeitpunkt zugeordnet sind, zu dem der Sammelleitungsdruck und
die Sammelleitungstemperatur einen Wert im stetigen Zustand erreichen.
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Andere
Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus
einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche erhalten
werden.
