WO1999040308A1 - Verfahren zur drehzahlregelung von mehrzylindrigen verbrennungsmotoren - Google Patents

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    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/1015—Engines misfires

Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the speed of multicylinder internal combustion engines with crankshaft and fuel injection, in particular slow-running marine diesel engines, in which the speed and direction of rotation of a magnet wheel driven by the crankshaft, which generates pulses per revolution that can be sensed by the sensor, are detected by at least one sensor and deviations in the rotational speed from a predetermined target value are compensated for by means of an actuator influencing the fuel injection of the engine.
  • EP 0 481 983 B1 describes a method for controlling the speed of a slow-running, multi-cylinder diesel engine, in which angular positions of the crankshaft are defined for each of the cylinders, which represent the starting angle and end angle of an angular range lying before the top dead center of the cylinder.
  • a disadvantage of this method proves that a control of low speeds of less than about 25 min -1 cannot be carried out satisfactorily.
  • the dynamic speed deviations that occur as a result of load surges cannot be compensated better than with conventional speed controllers.
  • the load is constant, there are unsteady movements of the filling rod if the injection pumps are not set precisely. In the event of malfunction of individual injection pumps, strong periodic movements of the filler rod can be observed, which result from the "fast" controller constantly trying to correct the resulting drop in the speed of the respective cylinder.
  • the invention has for its object to develop a method for speed control of multi-cylinder internal combustion engines in such a way that, while avoiding the disadvantages described above, a precise and quick detection of the speed can be achieved in a simple and inexpensive manner, which stable control to a constant speed allows for periodic and temporary speed fluctuations.
  • the object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the time required for a defined sequence of successively scanned images 4 pulses are continuously measured and used to form actual, uncorrected actual speed values, the number of successively sampled pulses depending on the number of cylinders in the engine and the number of pulses that can be generated by the magnet wheel per revolution, so that the time required for the number of sampled pulses corresponding to a complete revolution of the magnet wheel is measured and used to form an average speed, that the difference between the average speed and each uncorrected actual speed value is smoothed and limited in amount to form corrected actual speed values and for uncorrected speed Actual value is added, and that the corrected actual speed values are compared with a predetermined desired speed value and fed to a controller, the output variable of which controls the actuator.
  • the number of successively sampled pulses is defined as a rounded quotient, the number of pulses that can be generated by the pole wheel per revolution and the number of cylinders in the motor.
  • This offers the advantage that a sequence of sampled pulses can be assigned to a cylinder, with the result that the actual speed value formed corresponds to the average speed of the crankshaft over a rotation angle range, after which two cylinders firing in succession have the same position, for example top dead center, take in.
  • the determined actual speed value does not contain any periodically selected 5 influences that occur during a working cycle, such as the ignition processes.
  • the uncorrected actual speed values are formed at intervals of two successive pulses. This means that if there are more than two pulses of a defined pulse sequence, the uncorrected actual speed values formed are assigned to overlapping angular ranges of the crankshaft, so that as a result of the resulting high
  • Number of actual speed values can achieve an accurate and rapid detection of the speed.
  • each sequence of sampled pulses is assigned a measured value memory, in which the time intervals of the successively sampled pulses are summed to form an uncorrected actual speed value.
  • the pulses are scanned by means of two sensors offset by 90 a in order to 6 determination of the crankshaft, which can be reversed, particularly in the case of marine diesel engines, and thereby determine the sign in the counting of the pulses.
  • a gearwheel with teeth that are evenly distributed over its circumference as a magnet wheel, so that scanning of pulses is ensured in a simple manner.
  • a pulse is generated both by the front and the rear flank of a rotating gearwheel. A particularly advantageous procedure for this results with approximately symmetrical flanks of the teeth, so that constant time intervals of the individual measurements can be achieved. The accuracy of measurement is not affected by the arrangement of the teeth or receptacles.
  • the pulses are expediently sampled equidistantly so that digital sampling control can be used and a pulse-pause ratio of approximately 1 results.
  • digital sampling control can be used and a pulse-pause ratio of approximately 1 results.
  • the pulses are detected by means of inductive, capacitive or optical position sensors.
  • incremental angle encoders driven without slip or other digital or analog working detector circuits coupled to the crankshaft can also be used.
  • a proportional-integrally acting controller with a derivative time is used, which regulates the occurring speed deviations.
  • Closing It is proposed to use an adaptive control system, for example, in order to take environmental influences into account.
  • Flg 1 shows pulses recorded by means of two sensors and the time required for a defined pulse sequence
  • Flg 2 shows a signal flow plan for speed control.
  • the scanning signals of two sensors A and B can be seen in the upper part of FIG.
  • the transducers A and B are arranged offset by an angle of 90 2 , which results in a shift in the rectangular signal sequence of the transducer B with respect to the transducer A. Both the rising edge L and the falling edge R are used to evaluate the rectangular signals.
  • the time required for a defined sequence of successively sampled pulses is shown.
  • the number of successively sampled pulses corresponds to m and is the quotient of the number of pulses that can be generated by one pole wheel per revolution and the number of cylinders in an engine. If the number of teeth cannot be divided by the number of cylinders, the rounded quotient is used. The ripple caused thereby is compensated for by a correction control according to FIG. 2. If a gearwheel with 60 teeth is used as the impulse-generating pole wheel, the value of 10 in a 6-cylinder two-stroke engine therefore takes on m. This means that 10 consecutive pulses form a pulse train, the time requirement of which is used to determine an uncorrected actual speed value 8, as shown by those in the lower part of FIG.
  • the signal flow diagram shown in FIG. 2 contains a link 1 which smoothes the difference between a speed N averaged over a complete revolution of a crankshaft and an uncorrected actual speed value n averaged over an angular range of the crankshaft determined by the pulse train.
  • the reciprocal of the speed N averaged over a complete revolution of the crankshaft can be used as the smoothing function.
  • the amount of the result formed in this way is limited by a link 2 and added to the uncorrected actual speed value n to form a corrected actual speed value x.
  • the corrected actual speed value x is then compared with a predetermined desired speed value w and fed to a link 3, which is designed as a PID controller.
  • the output variable y of the PID controller 3 serves to control an actuator, which in the present case is a filling rod of an injection pump that influences the degree of filling of an engine cylinder.
  • the mode of operation of the speed detection shown in FIG. 1 and the control shown in FIG. 2 will be explained below using a 6-cylinder two-stroke diesel engine as an example.
  • the individual cylinders of the diesel engine are supplied with fuel during the compression phase by means of individual injection pumps, the amount of which in relation to the combustion air is determined by the degree of filling.
  • the degree of filling is changed by the control rod of the injection pump, which is controlled by the output variable y of the PID controller.
  • the angle of rotation of the crankshaft is detected by means of position sensors.
  • two inductive proximity switches are used, which are offset by 90 2 and which are connected by 9 sense a pulse generated by the gear rotating on the crankshaft.
  • the toothed wheel which has 60 teeth equally and equally spaced from one another, is directly connected to the crankshaft, so that the measured speed of the gearwheel corresponds to the speed of the crankshaft.
  • the two inductive nutrient sensors detect both the front and the rear flank of the teeth of the gearwheel in the direction of rotation, so that a total of 240 pulses are scanned per complete revolution of the gearwheel, which ensure an accurate and rapid detection of the speed. Due to the number of 60 teeth of the gear wheel and 6 cylinders of the engine, 10 pulses represent a pulse train for the formation of the uncorrected actual speed value n.
  • the pulse sequences are counted at intervals of successive pulses, so that 240 speed actual values n and 240 averaged speed values N per revolution are determined with two transducers, 60 teeth and 6 cylinders.
  • a measured value memory is available for each actual speed value n, in which the time intervals of the associated pulses are summed.
  • the content of each measured value memory is stored for one revolution, so that a measured value memory is assigned to each pulse. For the present case, 240 measured value memory locations are therefore required. Due to the uniform and equally spaced arrangement of the teeth of the gear, the ratio of pulse and pulse pause is approximately 1.
  • poorly adjusted, worn or even failed injection pumps only influence the actual speed value n at the moment of the change. As long as the error is not greater than specified by the link 2, it is corrected after the triple smoothing time of link 1.
  • the speed of the diesel engine is kept constant with a high degree of accuracy, even if there are rapid load changes, such as occur, for example, in ship diesel engines, when the ship propeller emerges from the water in rough seas.
  • the control behavior is stable at constant load, which prevents the control rod of the injection pumps from moving restlessly.

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Abstract

Um ein Verfahren zur Drehzahlregelung von mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren dahingehend weiterzubilden, daß sich auf einfache und kostengünstige Weise eine genaue und schnelle Erfassung der Drehzahl erreichen läßt, welche eine stabile Regelung auf eine konstante Drehzahl bei periodischen und vorübergehenden Drehzahlschwankungen ermöglicht, wird vorgeschlagen, daß der Zeitbedarf für eine festgelegte Folge aufeinanderfolgend abgetasteter Impulse kontinuierlich gemessen und zur Bildung von äquidistanten unkorrigierten Drehzahl-Istwerten (n) herangezogen wird, wobei die Anzahl der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse in Abhängigkeit der Zylinderzahl des Motors und der Anzahl der von dem Polrad die Umdrehung erzeugbaren Impulse festgelegt wird, daß der Zeitbedarf für die einer vollständigen Umdrehung des Polrads entsprechenden Anzahl an abgetasteten Impulsen gemessen und zur Bildung einer mittleren Drehzahl (N) herangezogen wird, daß die Differenz aus mittlerer Drehzahl (N) und einem jeden unkorrigierten Drehzahl-Istwert (n) zur Bildung korrigierter Drehzahl-Istwerte (x) geglättet und im Betrag begrenzt sowie zum unkorrigierten Drehzahl-Istwert (n) hinzuaddiert wird, und daß die korrigierten Drehzahl-Istwerte (x) mit dem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert (w) verglichen und einem Regler (3) zugeführt werden, durch dessen Ausgangsgröße (y) das Stellglied gesteuert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Drehzahlregelung von mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlregelung von mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren mit Kurbelwelle und Kraftstoffeinspritzung, insbesondere langsam laufender Schiffsdieselmotoren, bei dem durch wenigstens einen Aufneh- mer die Drehzahl und Drehrichtung eines von der Kurbelwelle angetriebenen Polrads, welches für den Aufnehmer abtastbare Impulse je Umdrehung erzeugt, erfaßt und Abweichungen der Drehzahl von einem vorgegebenen Sollwert mittels eines die Kraftstoffeinspritzung des Motors beeinflussenden Stellglieds kompensiert werden.
Derartige Verfahren finden vor allem bei Dieselmotoren Anwendung, die im Vergleich zu beispielsweise Ottomotoren eine Regelung der Leerlaufdrehzahl und eine Begrenzung der Höchst- drehzahl unweigerlich erfordern. Die hierzu verwendeten Einspritzpumpen spritzen je nach vorhandener Drehzahl mehr oder weniger Kraftstoff in die Zylinder ein, wozu sie über entsprechende Regeleinrichtungen verstellt werden. Bei großen Dieselmotoren, wie beispielsweise Zweitakt-Großmotoren, wel- ehe häufig an Bord von Schiffen vorzufinden sind, ist jeder Zylinder mit einer eigenen Einzeleinspritzpumpe versehen, welche wegen der erforderlichen hohen Stellkräfte eine hydraulische Kraftverstärkung erfährt. Die aufgrund ihrer erwiesenen Zuverlässigkeit an Bord von Schiffen eingesetzten Zweitakt-Großmotoren sind in der Regel als Reihenmaschinen mit vier bis zwölf Zylindern ausgeführt und arbeiten in einem Nenndrehzahlbereich von 50 bis 120 min~l. Da Schiffsdieselmotoren umsteuerbar sind, daß heißt in beiden Drehrichtungen laufen können, weisen die Steuerwellen Nocken für Vorwärts- 2 und Rückwärtslauf auf, welche die Einzeleinspritzpumpen betätigen.
Infolge der niedrigen Nenndrehzahlen ergeben sich Minimald- rehzahlen von 12 bis 25 min-1, die durch einen unruhigen Lauf gekennzeichnet sind. Die Ursache hierfür sind DrehzahlSchwankungen, die aus periodischen Störeinflüssen, wie beispielsweise die einzelnen Zündvorgänge, und aus vorübergehenden Unregelmäßigkeiten, wie zum Beispiel Laststöße, Änderungen des Antriebsmomentes, Zündaussetzern oder sonstige Fehlfunktionen der Einspritzpumpen, herrühren. Um einen Stillstand oder ein Überdrehen des Motors zu vermeiden, werden die Drehzahl- Schwankungen durch Einregeln auf eine konstante Drehzahl kompensiert.
Im Stand der Technik sind zur Einhaltung vorgegebener Drehzahlsollwerte Verfahren bekannt, die sowohl statischen Abweichungen, daß heißt periodischen Drehzahlabweichungen bei konstanter Last, als auch dynamischen Abweichungen, daß heißt vorübergehende Sollwertabweichungen, wie beispielsweise während des Anlaufs zwischen Leerlauf und Vollast, ausregeln. So ist in der EP 0 481 983 Bl ein Verfahren zur Drehzahlregelung eines langsam laufenden, mehrzylindrigen Dieselmotors beschrieben, bei dem für jeden der Zylinder WinkelStellungen der Kurbelwelle definiert werden, die den Anfangswinkel und Endwinkel eines vor dem oberen Totpunkt des Zylinders liegenden Winkelbereiches darstellen. Für diese Winkelbereiche, welche mittels eines Sensors für entsprechende mit der Kurbelwelle rotierende, impulserzeugende Marken erfaßt werden, wird fortlaufend ein Istwert gemessen, welcher die mittlere Geschwindigkeit angibt, mit der die Kurbelwelle diesen Winkelbereich durchläuft. Dieser Istwert wird einem "schnellen", soll heißen proportional wirkenden, Regler zugeführt, welcher auf den Füllgrad des dem entsprechenden Winkelbereich zuge- ordneten Zylinders einwirkt. Ferner wird eine über mehrere 3 dieser Winkelbereiche gemittelte Geschwindigkeit der Kurbelwelle gemessen und einem "trägen", soll heißen integral oder proportional-integral wirkenden, Regler zugeführt, welcher zur Voreinstellung der Füllgrade aller Zylinder herangezogen wird. Um auftretende Störungen möglichst frühzeitig durch Korrektur des Füllgrades zu kompensieren, wird zudem die durch die Anfangs- und Endwinkel bestimmte Lage der Winkelbereiche in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle verstellt.
Als Nachteil dieses Verfahrens erweist sich, daß eine Regelung geringer Drehzahlen von unter etwa 25 min-1 nicht befriedigend durchführbar ist. Zudem lassen die sich in Folge von Laststößen auftretenden dynamischen Drehzahlabweichungen nicht besser als mit konventionellen Drehzahlreglern ausgleichen. Darüber hinaus sind bei konstanter Last, unruhige Bewegungen des Füllgestänges zu verzeichnen, wenn die Einspritzpumpen nicht exakt eingestellt sind. Bei Fehlfunktion einzelner Einspritzpumpen sind starke periodische Bewegungen des Füllgestänges zu beobachten, die daraus resultieren, daß der "schnelle" Regler den dadurch bedingten Drehzahleinbruch des jeweiligen Zylinders ständig auszuregeln versucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Drehzahlregelung von mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren dahingehend weiterzubilden, daß sich unter Meidung der zuvor beschriebenen Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise eine genaue und schnelle Erfassung der Drehzahl erreichen läßt, welche eine stabile Regelung auf eine konstante Dreh- zahl bei periodischen und vorübergehenden Drehzahlschwankun- gen ermöglicht.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zeitbedarf für eine festgelegte Folge aufeinander folgend abgetasteter Im- 4 pulse kontinuierlich gemessen und zur Bildung von äguidistan- ten, unkorrigierten Drehzahl-Istwerten herangezogen wird, wobei die Anzahl der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse in Abhängigkeit der Zylinderzahl des Motors und der Anzahl der von dem Polrad je Umdrehung erzeugbaren Impulse festgelegt wird, daß der Zeitbedarf für die einer vollständigen Umdrehung des Polrads entsprechenden Anzahl an abgetasteten Impulsen gemessen und zur Bildung einer mittleren Drehzahl herangezogen wird, daß die Differenz aus mittlerer Drehzahl und eines jeden unkorrigierten Drehzahl-Istwertes zur Bildung korrigierter Drehzahl-Istwerte geglättet und im Betrag begrenzt sowie zum unkorrigierten Drehzahl-Istwert hinzuaddiert wird, und daß die korrigierten Drehzahl-Istwerte mit einem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert verglichen und einem Regler zugeführt werden, durch dessen Ausgangsgröße das Stellglied gesteuert wird.
Mit einem solchen Verfahren werden sowohl vorübergehend als auch periodisch auftretende DrehzahlSchwankungen schnell und genau identifiziert und mittels entsprechender Steuerung des die Krafteinspritzung beeinflussenden Stellglieds durch den Regler kompensiert.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Anzahl der aufeinan- derfolgend abgetasteten Impulse als gerundeter Quotient die Anzahl der von dem Polrad je Umdrehung erzeugbaren Impulse und der Zylinderzahl des Motors festgelegt wird. Dies bietet den Vorteil, daß sich eine Folge abgetasteter Impulse einem Zylinder zuordnen läßt, mit der Folge, daß der gebildete Drehzahl-Istwert der gemittelten Drehzahl der Kurbelwelle über einen Drehwinkelbereich entspricht, nach welchem zwei nacheinander zündende Zylinder die gleiche Stellung, beispielsweise oberer Totpunkt, einnehmen. Auf diese Weise beinhaltet der ermittelte Drehzahl-Istwert keine periodisch wäh- 5 rend eines Arbeitsspieles auftretende Einflüsse, wie beispielsweise die Zündvorgänge.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die unkorrigierten Drehzahl-Istwerte im Abstand zweier aufeinanderfolgenden Impulse gebildet. Dies bedeutet, daß bei einer Anzahl von mehr als zwei Impulsen einer festgelegten Impulsfolge die gebildeten unkorrigierten Drehzahl-Istwerte überlappenden Winkelbereichen der Kurbelwelle zugeordnet sind, so daß sich infolge der sich daraus ergebenden hohen
Anzahl an Drehzahl-Istwerten eine genaue und schnelle Erfassung der Drehzahl erreichen läßt .
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird jeder Folge von abgetasteten Impulsen ein Meßwertspeicher zugeordnet, in welchem die Zeitabstände der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse zur Bildung eines unkorrigierten Drehzahl-Istwertes summiert werden. Dies ermöglicht auf einfache Art und Weise die gleichzeitige Zuordnung eines jeden abgetasteten Impulses zu mehreren Impulsfolgen, die sich aufgrund der den überlappenden Winkelbereichen der Kurbelwelle entsprechenden Drehzahl-Istwerten ergeben. Mittels eines Prozeßrechners mit nichtflüchtigem Speicher läßt sich dies auf an sich bekannte und einfache Weise realisieren. Zweckmäßigerweise wird nach Bildung eines unkorrigierten Drehzahl-Istwertes der Inhalt des Meßwertspeichers vor Löschung und Zuordnung einer neuen Folge abgetasteter Impulse mindestens für eine Umdrehung erhalten. Dadurch läßt sich der Meßwert zur Berechnung des ge- mitelten Drehzahlwertes heranziehen. Außerdem sind dann auf einfache Weise weitere Auswertungen des Drehzahlverlaufes , wie beispielsweise hinsichtlich Fehlzündungserfassung oder Beschleunigungsvorgängen, möglich.
Vorteilhafterweise werden die Impulse mittels zwei um 90 a versetzt angeordneten Aufnehmer abgetastet, um die Drehrich- 6 tung der, insbesondere bei Schiffsdieselmotoren umsteuerbaren, Kurbelwelle festzustellen, und dadurch das Vorzeichen bei der Zählung der Impulse festzulegen. Von Vorteil ist ferner, als Polrad ein Zahnrad mit gleichmäßig an seinem Umfang verteilt angeordneten Zähnen einzusetzen, so daß auf einfache Art und Weise ein Abtasten von Impulsen sichergestellt ist. Um eine hohe Anzahl an abtastbaren Impulsen zu erhalten, wird gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung sowohl durch die in Drehrichtung vordere als auch durch die hintere Flanke eines sich drehenden Zahnrads ein Impuls erzeugt. Eine besonders vorteilhafte Verfahrensführung hierzu ergibt sich bei annähernd symmetrischen Flanken der Zähne, so daß sich gleichbleibende Zeitabstände der einzelnen Messungen erzielen lassen. Die Meßgenauigkeit wird durch die Anordnung der Zähne bzw. Aufnahmen nicht beeinflußt.
Zweckmäßigerweise werden die Impulse äquidistant abgetastet, so daß eine digitale Abtastregelung angewendet werden kann und sich ein Impuls-Pausen-Verhältnis von etwa 1 ergibt. Zu diesem Zweck wird vorteilhafterweise weiterhin vorgeschlagen, ein Zahnrad mit einem Verhältnis von Zahndicke zu Lückenweite im Teilkreis von annähernd 1 einzusetzen.
Um einen einfachen und kostengünstigen Meßaufbau zu errei- chen, werden gemäß einem Merkmal der Erfindung die Impulse mittels induktiven, kapazitiven oder optischen Positionssensoren erfaßt. Alternativ können auch schlupflos angetriebene, inkrementale Winkelgeber oder andere digital oder analog arbeitende, an die Kurbelwelle gekoppelte Detektorschaltungen eingesetzt werden.
Um eine stabile Regelung auf konstante Drehzahlen zu erzielen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein proportional-integral wirkender Regler mit Vorhaltezeit verwendet, der die auftretenden Drehzahlabweichungen ausregelt. Schließ- 7 lieh wird vorgeschlagen, eine adaptive Regelung einzusetzen, um beispielsweise umgebungsbedingte Einflüsse zu berücksichtigen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles , welches in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt ist, und zwar zeigen:
FIG 1 mittels zwei Aufnehmern aufgenommene Impulse und der Zeitbedarf einer festgelegten Impulsfolge und Flg 2 ein Signalflußplan für eine Drehzahlregelung.
Im oberen Teil der FIG 1 sind die Abtastsignale zweier Auf- nehmer A und B zu erkennen. Die Aufnehmer A und B sind um einen Winkel von 902 versetzt angeordnet, wodurch sich eine Verschiebung der Rechtecksignalfolge des Aufnehmers B gegenüber dem Aufnehmer A ergibt. Zur Auswertung der Rechtecksi- gnale werden sowohl die steigende Flanke L als auch die fal- lende Flanke R herangezogen.
Im unteren Teil der FIG 1 ist der Zeitbedarf für eine festgelegte Folge aufeinanderfolgend abgetasteter Impulse dargestellt. Die Anzahl der aufeinanderfolgend abgetasteten Impul- se entspricht m und ergibt sich als Quotient der Anzahl von einem Polrad je Umdrehung erzeugbaren Impulse und der Zylinderzahl eines Motors. Ist die Zahl der Zähne nicht durch die Zahl der Zylinder teilbar, wird der gerundete Quotient verwendet. Die hierdurch verursachte Restwelligkeit wird durch eine Korrekturregelung nach FIG 2 ausgeglichen. Bei Verwendung eines Zahnrades mit 60 Zähnen als impulserzeugendes Polrad nimmt demzufolge bei einem 6-Zylinder-Zweitakt-Motor m den Wert von 10 ein. Dies bedeutet, daß 10 aufeinanderfolgende Impulse eine Impulsfolge bilden, deren Zeitbedarf zur Er- mittlung eines unkorrigierten Drehzahl-Istwertes herangezogen 8 wird, wie durch die im unteren Teil der FIG 1 dargestellten
Strecken verdeutlicht wird.
Der in FIG 2 abgebildete Signalflußplan enthält ein Glied 1, welches die Differenz aus einer über eine vollständige Umdrehung einer Kurbelwelle gemittelten Drehzahl N und einer über einen durch die Impulsfolge festgelegten Winkelbereich der Kurbelwelle gemittelten, unkorrigierten Drehzahl-Istwert n zeitkonstant glättet. Als Glättungsfunktion kann hierzu der reziproke Wert der über eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle gemittelten Drehzahl N Anwendung finden. Das auf diese Weise gebildete Ergebnis wird durch ein Glied 2 in seinem Betrag begrenzt und zur Bildung eines korrigierten Drehzahl-Istwertes x dem unkorrigierten Drehzahl-Istwert n hinzu- addiert. Der korrigierte Drehzahl-Istwert x wird sodann mit einem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert w verglichen und einem Glied 3 zugeführt, welches als PID-Regler ausgebildet ist. Die Ausgangsgröße y des PID-Reglers 3 dient zur Steuerung eines Stellgliedes, welches im vorliegenden Fall ein den Füll- grad eines Motorzylinders beeinflussendes Füllungsgestänge einer Einspritzpumpe ist.
Die Funktionsweise der in FIG 1 gezeigten Drehzahlerfassung und der in FIG 2 gezeigten Regelung sei im folgenden anhand eines 6-Zylinder-Zweitakt-Dieselmotors beispielhaft erläutert. Die einzelnen Zylinder des Dieselmotors werden während der Verdichtungsphase mittels Einzeleinspritzpumpen mit Kraftstoff versorgt, dessen Menge im Verhältnis zur Verbrennungsluft durch den Füllgrad bestimmt ist. Der Füllgrad wird durch die Regelstange der Einspritzpumpe verändert, welche durch die Ausgangsgröße y des PID-Reglers gesteuert wird. Zur Syncronisation der Zündzeitpunkte der einzelnen Zylinder wird der Drehwinkel der Kurbelwelle mittels Positionssensoren erfaßt. Zu diesem Zweck werden zwei um 902 versetzt angeordne- te, induktive Nährungsschalter verwendet, welche die durch 9 ein sich mit der Kurbelwelle drehenden Zahnrad erzeugten Impulse abtasten. Auf diese Weise läßt sich gleichzeitig die Drehzahl und Drehrichtung der Kurbelwelle ermitteln, ohne daß es aufwendiger Meßanbauten an dem Dieselmotor bedarf. Das 60 gleichmäßig und gleich voneinander beabstandete Zähne aufweisende Zahnrad ist direkt mit der Kurbelwelle verbunden, so daß die gemessene Drehzahl des Zahnrades mit der Drehzahl der Kurbelwelle übereinstimmt. Die beiden induktiven Nährungs- senoren detektieren sowohl die in Drehrichtung vordere als auch die hintere Flanke der Zähne des Zahnrades, so daß insgesamt 240 Impulse pro vollständiger Umdrehung des Zahnrades abgetastet werden, welche eine genaue und schnelle Erfassung der Drehzahl gewährleisten. Aufgrund der Anzahl von 60 Zähnen des Zahnrades und 6 Zylindern des Motors stellen 10 Impulse eine Impulsfolge zur Bildung des unkorrigierten Drehzahl- Istwertes n dar.
Die Impulsfolgen werden im Abstand aufeinanderfolgender Impulse gezählt, so daß bei zwei Aufnehmern, 60 Zähnen und 6 Zylindern 240 Drehzahl-Istwerte n und 240 gemittelte Drehzahlwerte N pro Umdrehung ermittelt werden. Für jeden Drehzahl-Istwert n ist ein Meßwertspeicher vorhanden, in welchem die Zeitabstände der zugehörigen Impulse summiert werden. Der Inhalt eines jeden Meßwertspeichers wird eine Umdrehung lang gespeichert, so daß jedem Impuls ein MeßwertSpeicher zugeordnet ist. Für den vorliegenden Fall werden daher 240 Meßwertspeicherplätze benötigt. Aufgrund der gleichmäßigen und gleich beabstandeten Anordnung der Zähne des Zahnrades beträgt das Verhältnis von Impuls und Impulspause annähernd 1. Das Verhältnis von Impuls und Impulspause sowie auch der Abstand der beiden Aufnehmer A und B und etwaige Asymmetrien der ermittelten Rechtecksignalfolgen, die beispielsweise aus Fertigungsungenauigkeiten des Zahnrades herrühren, beeinflussen jedoch nicht das Meßergebnis . Dies ist darauf zurückzu- führen, daß Meßungenauigkeiten, periodische Fehler im Dreh- 10 zahl-Istwert n oder eine Restwelligkeit , die sich bei einer nicht durch die Zähnezahl teilbaren Zylinderzahl ergeben würde, durch die Korrektur mittels der Glieder 1 und 2 eliminiert werden. Auf diese Weise beeinflussen schlecht eingestellte, abgenutzte oder gar ausgefallene Einspritzpumpen den Drehzahl-Istwert n lediglich im Moment der Änderung. Solange der Fehler nicht größer als durch das Glied 2 vorgegeben ist, ist er nach Ablauf der dreifachen Glättungszeit von Glied 1 korrigiert.
Mit dem zuvor beschriebenen Verfahren läßt sich auf einfache Art und Weise eine schnelle und genaue Erfassung der Drehzahl realisieren. Darüber hinaus wird die Drehzahl des Dieselmotors mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten, selbst wenn schnelle Lastwechsel vorliegen, wie diese beispielsweise bei Schiffsdieselmotoren auftreten, wenn der Schiffspropeller bei rauhem Seegang aus dem Wasser auftaucht. Nicht zuletzt ergibt sich ein stabiles Regelverhalten bei konstanter Last, welches ein unruhiges Bewegen der Regelstange der Einspritz- pumpen verhindert.

Claims

11 Patentansprüche
1. Verfahren zur Drehzahlregelung von mehrzylindrigen Verbrennungsmotoren mit Kurbelwelle und Kraftstoffeinspritzung, insbesondere langsam laufender Schiffsdieselmotoren, bei dem durch wenigsten einen Aufnehmer (A,B) die Drehzahl und Drehrichtung eines von der Kurbelwelle angetriebenen Polrads, welches für den Aufnehmer (A,B) abtastbare Impulse je Umdrehung erzeugt, erfaßt und Abweichungen der Drehzahl von einem vorgegebenen Sollwert (w) mittels eines die Kraftstoffeinspritzung des Motors beeinflussenden Stellglieds kompensiert werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zeitbedarf für eine festgelegte Folge aufeinanderfolgend abgetasteter Impulse kontinuierlich gemessen und zur Bildung von äquidistanten, unkorrigierten Drehzahl-Istwerten (n) herangezogen wird, wobei die Anzahl der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse in Abhängigkeit der Zylinderzahl des Motors und der Anzahl der von dem Polrad je Umdrehung erzeugbaren Impulse festgelegt wird, daß der Zeitbedarf für die einer vollständigen Umdrehung des Polrads entsprechenden Anzahl an abgetasteten Impulsen gemessen und zur Bildung einer mittleren Drehzahl (N) herangezogen wird, daß die Differenz aus mittlerer Drehzahl (N) und eines jeden unkorrigierten Drehzahl-Istwertes (n) zur Bildung korrigierter Drehzahl-Istwerte (x) geglättet und im Betrag begrenzt sowie zum unkorrigierten Drehzahl-Istwert (n) hinzuaddiert wird, und daß die korrigierten Drehzahl-Istwerte (x) mit dem vorgegebenen Drehzahl- Sollwert (w) verglichen und einem Regler (3) zugeführt werden, durch dessen Ausgangsgröße (y) das Stellglied gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Anzahl der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse als gerundeter Quotient der Anzahl der von 12 dem Polrad die Umdrehung erzeugbaren Impulse und der Zylinderzahl des Motors festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die unkorrigierten Drehzahl-
Istwerte (n) im Abstand zweier aufeinanderfolgenden Impulse gebildet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jeder Folge von abgetasteten Impulsen ein Meßwertspeicher zugeordnet wird, in welchem die Zeitabstände der aufeinanderfolgend abgetasteten Impulse zur Bildung eines unkorrigierten Drehzahl- Istwertes (n) summiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bildung eines unkorrigierten Drehzahl-Istwertes (n) der Inhalt des Meßwertspeichers vor Löschung und Zuordnung einer neuen Folge abgetasteter Impulse mindestens für eine Umdre- hung erhalten wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Impulse mittels zwei um 902 versetzt angeordneten Aufnehmer (A,B) ab- getastet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Polrad ein Zahnrad mit gleichmäßig an seinem Umfang verteilt ange- ordneten Zähnen eingesetzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl durch die in Drehrichtung vordere als auch durch die hintere Flanke der Zähne des sich drehenden Zahnrads ein Impuls erzeugt wird. 13
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, g e k e n n z e i c h n e t durch annähernd symmetrische Flanken der Zähne.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Impulse äquidistant abgetastet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Zahnrad mit einem Ver- hältnis von Zahndicke zu Lückenweite im Teilkreis von annähernd 1.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Impulse mittels induktiven, kapazitiven oder optischen Positionssensoren erfaßt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, g e k e n n z e i c h n e t durch einen proportional-integral wirkenden Regler mit Vorhaltezeit.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß durch gekennzeichnet, daß eine adaptive Regelung eingesetzt wird.
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