EP1611333B1 - Verfahren zur drehzahl-regelung - Google Patents

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EP1611333B1
EP1611333B1 EP04725901A EP04725901A EP1611333B1 EP 1611333 B1 EP1611333 B1 EP 1611333B1 EP 04725901 A EP04725901 A EP 04725901A EP 04725901 A EP04725901 A EP 04725901A EP 1611333 B1 EP1611333 B1 EP 1611333B1
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EP
European Patent Office
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engine speed
ramp
time
ist
time period
Prior art date
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Armin DÖLKER
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MTU Friedrichshafen GmbH
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    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1497—With detection of the mechanical response of the engine
    • F02D41/1498—With detection of the mechanical response of the engine measuring engine roughness

Definitions

  • the invention relates to a method for speed control of an internal combustion engine-generator unit according to the preamble of claim 1.
  • An intended as a generator drive internal combustion engine is usually supplied by the manufacturer to the end customer without a clutch and generator.
  • the coupling and the generator are only installed at the end customer.
  • the internal combustion engine is operated in a speed control loop.
  • the speed of the crankshaft is detected as a control variable and compared with a target speed, the reference variable.
  • the resulting control deviation is converted via a speed controller into a manipulated variable for the internal combustion engine, for example, a desired injection quantity.
  • the electronic control unit Since the manufacturer before delivery of the internal combustion engine often no reliable data on the coupling properties and the generator inertia, the electronic control unit with a robust controller parameter set, the so-called standard parameter set delivered.
  • a problem with a speed control circuit is that torsional vibrations superimposed on the control variable can be amplified by the speed controller. Particularly critical are the low-frequency vibrations caused by the internal combustion engine, for example the torsional vibrations of the 0.5th and the 1st order. When starting the engine-generator unit, the amplitudes of the torsional vibrations by the gain of the speed controller can become so large that a limit speed is exceeded and the engine is turned off.
  • the problem of instability is countered by a speed filter in the feedback loop of the speed control loop.
  • the controller parameters of the speed controller are changed, ie the proportional, integral or differential component.
  • Such a method for switching the filter and a method for adapting the controller parameters is shown, for example, in the unpublished DE 102 21 681.9. The problem is that these measures only become effective if an unstable behavior of the internal combustion engine-generator unit already exists and is detected.
  • a speed run-up ramp or its slope is stored for the starting process.
  • this parameter is set to a large value, eg. B. 550 revolutions / second.
  • a large deviation between the target ramp-up ramp and the actual ramp-up can result.
  • This control deviation of the actual speed to the setpoint speed causes a significant increase in the desired injection quantity.
  • the significant increase in the target injection quantity favors black smoke formation.
  • the significant increase in the desired injection quantity additionally causes a non-optimal determination of the start of injection and the desired rail pressure, since both variables are calculated from the desired injection quantity. For the manufacturer of the internal combustion engine, this means that a service technician on site must adapt the run-up ramp to the conditions. This is time consuming and expensive.
  • the invention is based on the object to improve the starting process of an internal combustion engine-generator unit.
  • the invention provides that a time period is determined which requires the actual rotational speed for passing through a rotational speed range.
  • the speed range is below the starting speed, which in practice z. B. is 600 revolutions.
  • the speed range is defined by a limit and the start speed.
  • the limit value in turn is slightly higher in practice than the starter speed selected, z. B. 300 revolutions.
  • the ramp-up ramp and the controller parameters of the speed controller are then selected.
  • the characterizing parameters are thus determined predictively. For this purpose, corresponding characteristics are provided.
  • each engine start is effected with the optimum ramp-up ramp.
  • Altered environmental conditions are taken into account, z. B. the cooling water temperature.
  • the invention ensures a stable engine operation already during startup. Instabilities are effectively prevented for the entire operation.
  • an error monitoring is provided.
  • the time span is compared with a limit value. Too long a period indicates that z. B. too low a fuel pressure in the injection system is present.
  • a follow-up reaction it is provided that a diagnosis entry takes place when the error is set and an emergency stop is activated.
  • FIG. 1 shows a system diagram of the entire system of an internal combustion engine-generator unit 1.
  • An internal combustion engine 2 drives a generator 4 via a shaft with a transmission member 3.
  • the transmission member 3 may include a clutch.
  • the fuel is injected via a common rail system. This includes the following components: Pumps 7 with suction throttle to promote the Fuel from a fuel tank 6, a rail 8 for storing the fuel and injectors 10 for injecting the fuel from the rail 8 into the combustion chambers of the internal combustion engine. 2
  • the operation of the internal combustion engine 2 is controlled by an electronic control unit (EDC) 5.
  • the electronic control unit 5 includes the usual components of a microcomputer system, such as a microprocessor, I / O devices, buffers and memory devices (EEPROM, RAM). In the memory modules relevant for the operation of the internal combustion engine 2 operating data in maps / curves are applied. About this calculates the electronic control unit 5 from the input variables, the output variables.
  • the following input variables are shown by way of example in FIG. 1: an actual rail pressure pCR (IST), which is measured by means of a rail pressure sensor 9, an actual rotational speed signal nM (IST) of the internal combustion engine 2, an input variable E and a signal START for start setting.
  • the start default is activated by the operator. Under the input E, for example, the charge air pressure of a turbocharger and the temperatures of the coolant / lubricant and the fuel are subsumed.
  • a signal ADV for controlling the pumps 7 with suction throttle and an output variable A are shown as output variables of the electronic control device 5.
  • the output variable A is representative of the further control signals for controlling and regulating the internal combustion engine 2, for example the start of injection SB and the injection duration SD.
  • FIG. 2 is a block diagram for calculating the start of injection SB, the setpoint pressure pCR (SW) and the Injection duration SD shown.
  • a rotational speed controller 11 calculates a nominal injection quantity QSW1. This is limited by a limit 12 to a maximum value.
  • the output quantity, corresponding to the desired injection quantity QSW, represents the input variable of the characteristic maps 13 to 15.
  • the injection start SB is calculated via the map 13 as a function of the desired injection quantity QSW and the actual rotational speed nM (IST).
  • the target rail pressure pCR (SW) is calculated in dependence on the target injection quantity QSW and the actual rotational speed nM (IST).
  • the injection duration SD is determined in dependence on the target injection quantity QSW and the actual rail pressure pCR (IST).
  • a long-lasting large control deviation leads to a significant increase in the nominal injection quantity QSW1.
  • This significant increase is limited by the limit 12 to a maximum value.
  • This maximum value of the desired injection quantity QSW causes a non-optimal injection start SB and a non-optimal target rail pressure pCR (SW), the target injection pressure, to be calculated.
  • the desired injection quantity QSW is representative of a power-determining signal QP.
  • a power-determining signal QP can also be understood to mean a desired control rod travel or a desired torque.
  • FIG. 3 shows the starting process for an internal combustion engine-generator unit according to the prior art.
  • the abscissa shows the time.
  • the rotational speed nM of the internal combustion engine is plotted.
  • nM As a solid line nM (IST1) is the starting process with a generator that is a small Moment of inertia, shown.
  • nM As a solid line nM (IST2), the starting process for the same internal combustion engine with a generator having a large moment of inertia is shown.
  • the dashed line shows the setpoint speed nM (SW), ie the reference variable of the speed control loop.
  • the straight line with the points AB corresponds to the ramp-up ramp HLR1.
  • the straight line between the points C and D corresponds to the ramp-up ramp HLR2.
  • the slope Phi of both ramp-up ramps is identical, e.g. B. 550 revolutions / second.
  • the starter After pressing the start button, the starter spurts and the engine starts to rotate. This initially increases up to a starter speed nAN, z. B. 120 turns.
  • fuel is injected into the combustion chambers.
  • a first time t1 is set when the actual speed nM (IST1) exceeds a threshold value GW, e.g. B. 300 revolutions.
  • the starter is deactivated so that it spits out. Due to the injection, the actual rotational speed nM (IST1) increases until it exceeds the starting rotational speed nST.
  • a second time t2 is set.
  • the excessively small slope of the ramp-up ramp HLR1 causes the actual rotational speed nM (IST1) in the case of a generator with a very low moment of inertia to overshoot significantly above the ramp-up ramp, then settles on the ramp-up ramp HLR1 and ramps up to the nominal rotational speed nNN.
  • the rated speed nNN is reached at point B, time t4.
  • the actual speed nM (IST1) oscillates beyond the setpoint speed nM (SW).
  • the actual speed runs according to the solid line nM (IST2).
  • the ramp-up ramp HLR2 starts to run, time t3. Due to the large moment of inertia, however, the actual rotational speed nM (IST2) runs below the ramp-up ramp HLR 2. This leads to a sharp increase in the injection quantity and thus to black smoke formation. In order to avoid black smoke formation, it is therefore necessary in this case to use a run-up ramp with a smaller pitch.
  • FIG. 4 shows a starting process for an internal combustion engine-generator unit according to the invention.
  • the dashed line shows the setpoint speed nM (SW).
  • SW setpoint speed
  • Their course including the ramp-up ramps between the points AB and CD is identical to the course of FIG. 3.
  • the further explanation is made in conjunction with FIG. 5.
  • the course of the actual rotational speed nM (IST1) is identical to the course of FIG. 3 until time t2. If the actual rotational speed nM (IST1) exceeds the limit value GW, the first time t1 is set. In point A, the actual speed nM (IST1) exceeds the starting speed nST. The time t2 is set. From the difference of the two times t1 / t2, a time span dt is determined. This period dt is largely determined by the moment of inertia of the generator used. Depending on the time span dt, a ramp-up ramp is determined via a characteristic curve 16 (see FIG. 5).
  • the characteristic curve 16 is designed such that a short period of time dt defines a ramp-up ramp with a large gradient Phi1.
  • the actual rotational speed nM (IST1) as a result runs along the new ramp-up ramp HLR3 with the points AE.
  • this points AB with a significantly greater gradient.
  • Characteristic curve 17 assigns a reset time TN to time span dt.
  • the characteristic curve 17 is designed in such a way that a long reset time TN is assigned to a long time span dt. Generators with a large moment of inertia require a larger reset time TN than generators with a small moment of inertia.
  • the characteristic curve 18 is used to assign a proportional coefficient kp to the measured time interval dt.
  • the characteristic curve 18 is designed in such a way that a large proportional coefficient kp is assigned to a long time span dt. Generators with a large moment of inertia can be operated on the basis of better damping with a larger proportional factor kp as generators with a small moment of inertia.
  • FIG. 6 shows a program flow chart of the invention.
  • S1 it is checked whether the actual rotational speed nM (IST) is greater than the limit value GW. If this is not the case, then S2 will go through a waiting loop. If the actual rotational speed nM (IST) has already exceeded the limit value GW, the first time t1 is set at S3. With S4 it is checked whether the actual speed nM (IST) is greater than the starting speed nST. If this is not yet the case, then S5 will go through a waiting loop. When the start speed nST is exceeded, the second time t2 is set at S6. Thereafter, at S7, the time span dt is calculated from the difference between the two times t1 / t2.
  • an error is queried by checking whether the time span dt is smaller than a limit value dtGW. If the time span dt is greater than or equal to the permissible limit value dtGW, a diagnostic entry is made at S9 and an emergency stop is triggered. If the query at S8 reveals that the time span dt lies within the permissible range, the ramp-up ramp HLR, the reset time TN and the proportional coefficient kp are determined at S10 as a function of the time span dt. This completes the program schedule.
  • the holding pattern S5 is explained in greater detail by the reference symbols S5a, S5b and S5c.
  • S5a a difference dtR is formed from the current time t to the time t1.
  • S5b it is checked whether the difference dtR is less than a limit dtGW. If this is the case, the system branches to point A.
  • the program sequence is then continued as described above with S4. If it is determined at S5b that the limit value dtGW is reached or exceeded, a diagnostic entry is made at S5c and an emergency stop is triggered.

Abstract

Für eine Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit (1) wird ein Verfahren zur Drehzahl-Regelung vorgeschlagen, bei dem ein erster Zeitpunkt gesetzt wird, wenn die Ist-Drehzahl (nM(IST)) einen Grenzwert übersteigt und ein zweiter Zeitpunkt gesetzt wird, wenn die Ist-Drehzahl (nM(IST)) eine Start-Drehzahl übersteigt. Aus den beiden Zeitpunkten wird sodann eine Zeitspanne berechnet. In Abhängigkeit der Zeitspanne werden sodann eine Hochlauframpe und die ReglerParameter eines Drehzahl-Reglers ausgewählt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahl-Regelung einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Eine als Generatorantrieb vorgesehene Brennkraftmaschine wird vom Hersteller üblicherweise an den Endkunden ohne Kupplung und Generator ausgeliefert. Die Kupplung und der Generator werden erst beim Endkunden montiert. Um eine konstante Nennfrequenz zur Strom-Einspeisung in das Netz zu gewährleisten, wird die Brennkraftmaschine in einem Drehzahl-Regelkreis betrieben. Hierbei wird die Drehzahl der Kurbelwelle als Regelgröße erfasst und mit einer Soll-Drehzahl, der Führungsgröße, verglichen. Die daraus resultierende Regelabweichung wird über einen Drehzahl-Regler in eine Stellgröße für die Brennkraftmaschine, beispielsweise eine Soll-Einspritzmenge, gewandelt.
  • Da dem Hersteller vor Auslieferung der Brennkraftmaschine oft keine gesicherten Daten über die Kupplungseigenschaften und das Generator-Trägheitsmoment vorliegen, wird das elektronische Steuergerät mit einem robusten Regler-Parametersatz, dem sogenannten Standard-Parametersatz, ausgeliefert. Bei einem Drehzahl-Regelkreis besteht ein Problem darin, dass Drehschwingungen, die der Regelgröße überlagert sind, vom Drehzahl-Regler verstärkt werden können. Besonders kritisch sind die von der Brennkraftmaschine verursachten niederfrequenten Schwingungen, beispielsweise die Drehschwingungen 0.5-ter und 1-ter Ordnung. Beim Starten der Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit können die Amplituden der Drehschwingungen durch die Verstärkung des Drehzahl-Reglers so groß werden, dass eine Grenzdrehzahl überschritten und die Brennkraftmaschine abgestellt wird.
  • Dem Problem der Instabilität wird durch ein Drehzahl-Filter im Rückkopplungszweig des Drehzahl-Regelkreises begegnet. Als weitere Maßnahme werden die Regler-Parameter des Drehzahl-Reglers verändert, also der Proportional-, Integral- oder Differenzial-Anteil. Ein derartiges Verfahren zur Umschaltung des Filters sowie ein Verfahren zur Adaption der Regler-Parameter wird beispielweise in der nicht vorveröffentlichten DE 102 21 681.9 aufgezeigt. Problematisch ist, dass diese Maßnahmen erst dann wirksam werden, wenn bereits ein instabiles Verhalten der Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit vorliegt und detektiert wird.
  • In dem oben genannten Standardparametersatz ist für den Startvorgang eine Drehzahl-Hochlauframpe bzw. deren Steigung abgelegt. Um einen möglichst raschen Hochlauf zu ermöglichen, wird dieser Parameter auf einen großen Wert eingestellt, z. B. 550 Umdrehungen/Sekunde. Bei einem Generator mit einem großen Trägheitsmoment kann sich eine große Abweichung zwischen der Soll-Hochlauframpe und der Ist-Hochlauframpe ergeben. Diese Regelabweichung der Ist-Drehzahl zur Soll-Drehzahl bewirkt einen signifikanten Anstieg der Soll-Einspritzmenge. Bei einer Diesel-Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem begünstigt der signifikante Anstieg der Soll-Einspritzmenge die Schwarzrauchbildung. Der signifikante Anstieg der Soll-Einspritzmenge bewirkt zusätzlich eine nicht optimale Ermittlung des Einspritzbeginns und des Soll-Raildrucks, da beide Größen aus der Soll-Einspritzmenge errechnet werden. Für den Hersteller der Brennkraftmaschine bedeutet dies, dass ein Servicetechniker vor Ort die Hochlauframpe an die Gegebenheiten anpassen muss. Dies ist zeitaufwendig und teuer.
  • Dem Problem eines hohen Abstimmaufwands wird durch ein Verfahren gemäß der nicht vorveröffentlichten DE 102 52 399.1 begegnet. Während des Startvorgangs wird aus der Ist-Drehzahl eine Ist-Hochlauframpe bestimmt. Danach wird diese als Soll-Hochlauframpe gesetzt. Dieses Verfahren hat sich in der Praxis bewährt, wobei jedoch die optimale Soll-Hochlauframpe erst ab dem zweiten Startvorgang wirksam wird.
  • Ein ähnliches Verfahren wird in US 6,366,049 öffenbart.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde den Startvorgang einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen dargestellt.
  • Die Erfindung sieht vor, dass eine Zeitspanne ermittelt wird, welche die Ist-Drehzahl zum Durchlaufen eines Drehzahl-Bereichs benötigt. Der Drehzahl-Bereich liegt unterhalb der Start-Drehzahl, welche in der Praxis z. B. 600 Umdrehungen beträgt. Der Drehzahl-Bereich ist durch einen Grenzwert und die Start-Drehzahl definiert. Der Grenzwert wiederum wird in der Praxis geringfügig höher als die Anlasser-Drehzahl gewählt, z. B. 300 Umdrehungen. In Abhängigkeit der gemessenen Zeitspanne werden dann die Hochlauframpe und die Regler-Parameter des Drehzahl-Reglers ausgewählt. Die charakterisierenden Kenngrößen werden also prädiktiv bestimmt. Hierzu sind entsprechende Kennlinien vorgesehen.
  • Durch die Erfindung wird bewirkt, dass jeder Motorstart mit der optimalen Hochlauframpe erfolgt. Veränderte Umgebungsbedingungen werden mitberücksichtigt, z. B. die Kühlwassertemperatur. Bekanntermaßen benötigt eine kalte Brennkraftmaschine eine etwas flachere Hochlauframpe. Bereits mit Erreichen der Start-Drehzahl sind die optimalen Regler-Parameter bestimmt. Die Start-Drehzahl entspricht in der Praxis z. B. 600 Umdrehungen und charakterisiert den Start der Hochlauframpe. Durch die Erfindung wird ein stabiler Motorbetrieb bereits beim Hochlauf gewährleistet. Instabilitäten werden für den gesamten Betrieb wirksam verhindert.
  • Zur Erhöhung der Sicherheit der Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit ist eine Fehlerüberwachung vorgesehen. Hierbei wird die Zeitspanne mit einem Grenzwert verglichen. Eine zu große Zeitspanne deutet darauf hin, dass z. B. ein zu geringer Kraftstoffdruck im Einspritzsystem vorhanden ist. Als Folgereaktion ist vorgesehen, dass mit Setzen des Fehlers ein Diagnoseeintrag erfolgt und ein Notstopp aktiviert wird.
  • In den Zeichnungen ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Systemschaubild;
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild;
    • Fig. 3 ein Zeitdiagramm (Stand der Technik);
    • Fig. 4 ein Zeitdiagramm (Erfindung);
    • Fig. 5 ein Blockschaltbild;
    • Fig. 6 einen Programmablaufplan.
  • Die Figur 1 zeigt ein Systemschaubild des Gesamtsystems einer Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit 1. Eine Brennkraftmaschine 2 treibt über eine Welle mit einem Übertragungsglied 3 einen Generator 4 an. In der Praxis kann das Übertragungsglied 3 eine Kupplung enthalten. Bei der dargestellten Brennkraftmaschine 2 wird der Kraftstoff über ein Common-Rail-System eingespritzt. Dieses umfasst folgende Komponenten: Pumpen 7 mit Saugdrossel zur Förderung des Kraftstoffs aus einem Kraftstofftank 6, ein Rail 8 zum Speichern des Kraftstoffs und Injektoren 10 zum Einspritzen des Kraftstoffs aus dem Rail 8 in die Brennräume der Brennkraftmaschine 2.
  • Die Betriebsweise der Brennkraftmaschine 2 wird durch ein elektronisches Steuergerät (EDC) 5 geregelt. Das elektronische Steuergerät 5 beinhaltet die üblichen Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine, Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen sind die für den Betrieb der Brennkraftmaschine 2 relevanten Betriebsdaten in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische Steuergerät 5 aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen. In Figur 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt: ein Ist-Raildruck pCR(IST), der mittels eines Rail-Drucksensors 9 gemessen wird, ein Ist-Drehzahl-Signal nM(IST) der Brennkraftmaschine 2, eine Eingangsgröße E und ein Signal START zur Start-Vorgabe. Die Start-Vorgabe wird durch den Betreiber aktiviert. Unter der Eingangsgröße E sind beispielsweise der Ladeluftdruck eines Turboladers und die Temperaturen der Kühl-/Schmiermittel und des Kraftstoffs subsumiert.
  • In Figur 1 sind als Ausgangsgrößen des elektronischen Steuergeräts 5 ein Signal ADV zur Steuerung der Pumpen 7 mit Saugdrossel und eine Ausgangsgröße A dargestellt. Die Ausgangsgröße A steht stellvertretend für die weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 2, beispielsweise den Einspritzbeginn SB und die Einspritzdauer SD.
  • In Figur 2 ist ein Blockschaltbild zur Berechnung des Einspritzbeginns SB, des Soll-Räildrucks pCR(SW)und der Einspritzdauer SD dargestellt. Aus der Ist-Drehzahl nM(IST) der Brennkraftmaschine und der Soll-Drehzahl nM(SW) berechnet ein Drehzahl-Regler 11 eine Soll-Einspritzmenge QSW1. Diese wird über eine Begrenzung 12 auf einen maximalen Wert begrenzt. Die Ausgangsgröße, entsprechend der Soll-Einspritzmenge QSW, stellt die Eingangsgröße der Kennfelder 13 bis 15 dar. Über das Kennfeld 13 wird in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge QSW und der Ist-Drehzahl nM(IST) der Einspritzbeginn SB berechnet. Über das Kennfeld 14 wird in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge QSW und der Ist-Drehzahl nM(IST) der Soll-Raildruck pCR(SW) berechnet. Über das Kennfeld 15 wird in Abhängigkeit der Soll-Einspritzmenge QSW und des Ist-Raildrucks pCR(IST) die Einspritzdauer SD bestimmt.
  • Aus dem Blockschaltbild wird deutlich, dass eine lang andauernde große Regelabweichung zu einem signifikanten Anstieg der Soll-Einspritzmenge QSW1 führt. Dieser signifikante Anstieg wird durch die Begrenzung 12 auf einen maximalen Wert begrenzt. Dieser maximale Wert der Soll-Einspritzmenge QSW bewirkt wiederum, dass ein nicht optimaler Einspritzbeginn SB und ein nicht optimaler Soll-Raildruck pCR(SW), der Soll-Einspritzdruck, berechnet werden. Die Soll-Einspritzmenge QSW steht stellvertretend für ein leistungsbestimmendes Signal QP. Im Sinne der Erfindung kann unter einem leistungsbestimmenden Signal QP auch ein Soll-Regelstangenweg oder ein Soll-Moment verstanden werden.
  • Die Figur 3 zeigt den Startvorgang für eine Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit gemäß dem Stand der Technik. Auf der Abszisse ist hierbei die Zeit aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Drehzahl nM der Brennkraftmaschine aufgetragen. Als durchgezogene Linie nM(IST1) ist der Startvorgang mit einem Generator, der ein kleines Trägheitsmoment aufweist, dargestellt. Als durchgezogene Linie nM(IST2) ist der Startvorgang für dieselbe Brennkraftmaschine mit einem Generator, der ein großes Trägheitsmoment aufweist, dargestellt. Als gestrichelte Linie ist die Soll-Drehzahl nM(SW) dargestellt, also die Führungsgröße des Drehzahl-Regelkreises. Die Gerade mit den Punkten AB entspricht hierbei der Hochlauframpe HLR1. Die Gerade zwischen den Punkten C und D entspricht der Hochlauframpe HLR2. Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Steigung Phi beider Hochlauframpen identisch, z. B. 550 Umdrehungen/Sekunde.
  • Der Startvorgang für eine Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit anhand der Linie nM(IST1) läuft folgendermaßen ab:
  • Nach Drücken der Starttaste spurt der Anlasser ein und die Brennkraftmaschine beginnt sich zu drehen. Diese steigt zunächst bis auf eine Anlasser-Drehzahl nAN, z. B. 120 Umdrehungen. Mit Beenden des Synchronisierungsvorgangs wird Kraftstoff in die Brennräume eingespritzt. Ein erster Zeitpunkt t1 wird gesetzt, wenn die Ist-Drehzahl nM(IST1) einen Grenzwert GW übersteigt, z. B. 300 Umdrehungen. Gleichzeitig wird der Anlasser deaktiviert, sodass er ausspurt. Aufgrund der Einspritzung erhöht sich die Ist-Drehzahl nM(IST1) bis diese die Start-Drehzahl nST übersteigt. Mit Überschreiten der Start-Drehzahl nST wird ein zweiter Zeitpunkt t2 gesetzt. Die zu kleine Steigung der Hochlauframpe HLR1 bewirkt, dass die Ist-Drehzahl nM(IST1) im Falle eines Generators mit sehr kleinem Trägheitsmoment zunächst deutlich über die Hochlauframpe überschwingt, sich dann auf die Hochlauframpe HLR1 einpendelt und auf die Nenn-Drehzahl nNN hochläuft. Die Nenn-Drehzahl nNN wird im Punkt B erreicht, Zeitpunkt t4. Im Punkt B schwingt die Ist-Drehzahl nM(IST1) über die Soll-Drehzahl nM(SW) hinaus.
  • Aus dem Verlauf der Ist-Drehzahl nM(IST1) lässt sich ableiten, dass die Brennkraftmaschine auch mit einer etwas steileren Hochlauframpe als die Hochlauframpe HLR1 betrieben werden könnte. Dies würde die Hochlaufzeit, entsprechend dem Zeitraum t2/t4, verkürzen. Eine schnellere Hochlauframpe wird vor allem dann benötigt, wenn die Brennkraftmaschine ohne Generator gestartet wird. Der Generator wird dann erst nach Erreichen der Nenn-Drehzahl nNN z. B. mittels eines Freilaufs angekuppelt. Bei einer derartigen Anwendung ist ein schnellstmöglicher Hochlauf erwünscht, da ein Drehspeicher bei Schnellbereitschafts-Aggregaten nur für eine begrenzte Zeit Energie zur Verfügung stellen kann.
  • Bei Verwendung eines Generators mit einem großen Trägheitsmoment verläuft die Ist-Drehzahl entsprechend der durchgezogenen Linie nM(IST2). Mit Erreichen der Start-Drehzahl nST im Punkt C beginnt die Hochlauframpe HLR2 zu laufen, Zeitpunkt t3. Aufgrund des großen Trägheitsmoments verläuft die Ist-Drehzahl nM(IST2) jedoch unterhalb der Hochlauframpe HLR 2. Dies führt zu einem starken Ansteigen der Einspritzmenge und damit zur Schwarzrauchbildung. Zur Vermeidung der Schwarzrauchbildung ist es in diesem Fall also erforderlich eine Hochlauframpe mit einer geringeren Steigung zu verwenden.
  • In Figur 4 ist ein Startvorgang für eine Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit gemäß der Erfindung dargestellt. Als gestrichelte Linie ist die Soll-Drehzahl nM(SW) eingezeichnet. Deren Verlauf einschließlich der Hochlauframpen zwischen den Punkten AB bzw. CD ist identisch mit dem Verlauf der Figur 3. Die weitere Erläuterung erfolgt in Verbindung mit der Figur 5.
  • Der Verlauf der Ist-Drehzahl nM(IST1) ist bis zum Zeitpunkt t2 identisch mit dem Verlauf der Figur 3. Überschreitet die Ist-Drehzahl nM(IST1) den Grenzwert GW, so wird der erste Zeitpunkt t1 gesetzt. Im Punkt A übersteigt die Ist-Drehzahl nM(IST1) die Start-Drehzahl nST. Es wird der Zeitpunkt t2 gesetzt. Aus der Differenz der beiden Zeitpunkte t1/t2 wird eine Zeitspanne dt ermittelt. Diese Zeitspanne dt wird maßgeblich vom Trägheitsmoment des verwendeten Generators bestimmt. In Abhängigkeit der Zeitspanne dt wird über eine Kennlinie 16 (siehe Figur 5) eine Hochlauframpe bestimmt. Die Kennlinie 16 ist in der Form ausgeführt, dass eine kurze Zeitspanne dt eine Hochlauframpe mit einer großen Steigung Phi1 festlegt. In Figur 4 verläuft die Ist-Drehzahl nM(IST1) infolge dessen entlang der neuen Hochlauframpe HLR3 mit den Punkten AE. Diese zeigt gegenüber der Hochlauframpe HLR1 mit den Punkten AB eine deutlich größere Steigung.
  • Ebenfalls in Abhängigkeit der gemessenen Zeitspanne dt werden die Regler-Parameter des Drehzahl-Reglers über entsprechende Kennlinien 17, 18 (siehe Figur 5) ausgewählt. Über die Kennlinie 17 wird der Zeitspanne dt eine Nachstellzeit TN zugewiesen. Die Kennlinie 17 ist in der Form ausgeführt, dass einer langen Zeitspanne dt eine große Nachstellzeit TN zugeordnet wird. Generatoren mit einem großen Trägheitsmoment benötigen eine größere Nachstellzeit TN als Generatoren mit einem kleinen Trägheitsmoment. Über die Kennlinie 18 wird der gemessenen Zeitspanne dt ein Proportional-Beiwert kp zugeordnet. Die Kennlinie 18 ist in der Form ausgeführt, dass einer langen Zeitspanne dt ein großer Proportional-Beiwert kp zugeordnet wird. Generatoren mit einem großen Trägheitsmoment können aufgrund der besseren Dämpfung mit einem größeren Proportional-Beiwert kp betrieben werden als Generatoren mit einem kleinen Trägheitsmoment.
  • Für die Ist-Drehzahl nM(IST2), entsprechend einer Brennkraftmaschinen-Generator-Anordnung mit einem großen Trägheitsmoment des Generators, ist die Zeitspanne dt2 entsprechend dem Zeitraum t1/t3, größer. Hieraus resultiert eine Hochlauframpe HLR4, Punkte CF, mit einer deutlich geringeren Steigung Phi2 als die Hochlauframpe HLR2 der Figur 3.
  • In Figur 6 ist ein Programmablaufplan der Erfindung dargestellt. Bei S1 wird geprüft, ob die Ist-Drehzahl nM(IST) größer als der Grenzwert GW ist. Ist dies nicht der Fall, so wird mit S2 eine Warteschleife durchlaufen. Hat die Ist-Drehzahl nM(IST) den Grenzwert GW bereits überschritten, so wird bei S3 der erste Zeitpunkt t1 gesetzt. Mit S4 wird geprüft, ob die Ist-Drehzahl nM(IST) größer als die Start-Drehzahl nST ist. Ist dies noch nicht der Fall, so wird mit S5 eine Warteschleife durchlaufen. Mit Überschreiten der Start-Drehzahl nST wird bei S6 der zweite Zeitpunkt t2 gesetzt. Danach wird bei S7 die Zeitspanne dt aus der Differenz der beiden Zeitpunkte t1/t2 berechnet. Bei S8 erfolgt eine Fehlerabfrage indem geprüft wird, ob die Zeitspanne dt kleiner einem Grenzwert dtGW ist. Ist die Zeitspanne dt größer oder gleich als der zulässige Grenzwert dtGW, so wird bei S9 ein Diagnoseeintrag vorgenommen und ein Notstopp ausgelöst. Ergibt die Abfrage bei S8, dass die Zeitspanne dt im zulässigen Bereich liegt, so wird bei S10 in Abhängigkeit der Zeitspanne dt die Hochlauframpe HLR, die Nachstellzeit TN und der Proportional-Beiwert kp ermittelt. Damit ist der Programmablaufplan beendet.
  • In Figur 6 ist die Warteschleife S5 mit den Bezugszeichen S5a, S5b und S5c näher ausgeführt. Nach S4 wird bei S5a eine Differenz dtR vom aktuellen Zeitpunkt t zum Zeitpunkt t1 gebildet. In der Abfrage S5b wird geprüft, ob die Differenz dtR kleiner als ein Grenzwert dtGW ist. Ist dies der Fall, so wird zum Punkt A verzweigt. Der Programmablauf wird dann wie zuvor beschrieben mit S4 fortgesetzt. Wird bei S5b festgestellt, dass der Grenzwert dtGW erreicht oder überschritten wird, so wird bei S5c ein Diagnoseeintrag vorgenommen und ein Notstopp ausgelöst.
  • Aus der vorherigen Beschreibung ergeben sich für die Erfindung folgende Vorteile:
    • Die Brennkraftmaschine führt jeden Startvorgang mit der optimalen Hochlauframpe durch. Dabei werden veränderte Umgebungsbedingungen berücksichtigt.
    • Bereits mit Erreichen der Start-Drehzahl nST werden die optimalen Drehzahl-Regler-Parameter bestimmt. Dadurch ist ein stabiler Betrieb bereits beim Hochlauf gewährleistet. Instabilitäten können damit für den gesamten Betrieb ausgeschlossen werden.
    • Probleme beim Start durch z. B. zu geringen Kraftstoffvordruck werden durch eine Fehlermeldung angezeigt und die Brennkraftmaschine durch einen Notstopp geschützt.
    • Wird an ein und derselben Brennkraftmaschine ein anderer Generator angekuppelt, so wird dies beim Start erkannt und die zugehörigen optimalen Parameter ermittelt.
    Bezugszeichen
    • 1
    Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Übertragungsglied
    4
    Generator
    5
    Elektronisches Steuergerät (EDC)
    6
    Kraftstofftank
    7
    Pumpen
    8
    Rail
    9
    Rail-Drucksensor
    10
    Injektoren
    11
    Drehzahl-Regler
    12
    Begrenzung
    13
    Kennfeld zur Berechnung des Einspritzbeginns
    14
    Kennfeld zur Berechnung des Einspritzdrucks
    15
    Kennfeld zur Berechnung der Einspritzdauer
    16
    Kennlinie zur Berechnung der Hochlauframpe
    17
    Kennlinie zur Berechnung der Nachstellzeit
    18
    Kennlinie zur Berechnung des Proportional-Beiwerts

Claims (8)

  1. Verfahren zur Drehzahl-Regelung einer
    Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit (1) während eines Startvorgangs, bei welchem eine Soll-Drehzahl (nM(SW)) über eine Hochlauframpe (HLR) vorgegeben wird, welche mit einer Start-Drehzahl (nST) beginnt und mit einer Nenn-Drehzahl (nNN) endet, aus einem Soll-Ist-Vergleich der Drehzahlen (nM(SW), nM(IST)) eine Regelabweichung bestimmt wird und aus der Regelabweichung mittels eines Drehzahl-Reglers (11) ein leistungsbestimmendes Signal (QP) zur Regelung der Ist-Drehzahl (nM(IST)) berechnet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein erster Zeitpunkt (t1) gesetzt wird, wenn die Ist-Drehzahl (nM(IST)) einen Grenzwert (GW) übersteigt (nM(IST) > GW), ein zweiter Zeitpunkt (t2) gesetzt wird, wenn die Ist-Drehzahl (nM(IST)) die Start-Drehzahl (nST) übersteigt (nM(IST) > nST), eine Zeitspanne (dt) aus der Differenz der beiden Zeitpunkte (t1, t2) berechnet wird und in Abhängigkeit der Zeitspanne (dt) die Hochlauframpe (HLR) und Regler-Parameter des Drehzahl-Reglers (11) ausgewählt werden.
  2. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass aus der Zeitpanne (dt) die Hochlauframpe (HLR) über eine erste Kennlinie (16) und die Regler-Parameter über weitere Kennlinien (17, 18) bestimmt werden.
  3. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Regler-Parameter einer Nachstellzeit (TN) und einem Proportional-Beiwert (kp) entsprechen.
  4. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass über die weiteren Kennlinien (17, 18) einer langen Zeitspanne (dt) eine lange Nachstellzeit (TN) und ein großer Proportional-Beiwert (kp) zugeordnet wird.
  5. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass einer langen Zeitspanne (dt) eine Hochlauframpe (HLR) mit geringer Steigung (Phi) zugeordnet wird.
  6. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach einem der vorausgegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Fehler gesetzt wird, wenn die Zeitspanne (dt) einen Grenzwert (dtGW) erreicht oder übersteigt (dt ≥ dtGW).
  7. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Zeitspanne (dtR) vom aktuellen Zeitpunkt (t) zum ersten Zeitpunkt (t1) bestimmt wird (dtR = t - t1) und ein Fehler gesetzt wird, wenn die Zeitspanne (dtR) einen Grenzwert (dtGW) erreicht oder übersteigt (dtR ≥ dtGW).
  8. Verfahren zur Drehzahl-Regelung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mit Setzen des Fehlers ein Diagnoseeintrag erfolgt und ein Notstopp aktiviert wird.
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