WO2015128121A1 - Verfahren zum betrieb eines mit einem generator gekoppelten verbrennungsmotors und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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Andreas KLOTZEK
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates first of all to a method for operating an internal combustion engine coupled to a generator. It further relates to a control and regulating device as a device for carrying out the method.
  • Generators that are powered by an internal combustion engine are known per se.
  • the combus ⁇ tion motor is coupled to an electric generator and the generator is a frequency converter downstream.
  • the tendency in arrangements with a coupled to an internal combustion engine generator is lightweight, so that, for example, flywheels, as previously provided to compensate for any speed fluctuations are avoided as far as possible or at least the moving masses are reduced.
  • the generator is usually operated at a predetermined or predetermined speed.
  • the generator is assigned a speed controller. Based on the Drehiererege ⁇ ment of the internal combustion engine and there running combustion process out. This can be done according to different criteria. For example, power, efficiency and emission are conceivable.
  • a control and crizungsein ⁇ direction is provided with means for carrying out the here and below described operating method, wherein the means for performing the operating method means comprise at least one control unit and a speed controller and wherein by means of the speed controller as a manipulated variable, a target torque can be output.
  • the measured value recorded in the system is a pressure measurement recorded on the internal combustion engine, namely a pressure measurement which indicates the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the counter torque / additional torque is then calculated based on the pressure reading.
  • a counter-torque is also calculated as additional torque with which the setpoint torque output by the speed controller is applied.
  • no pressure reading recorded in the system is used here. Instead, the calculation of the counter torque / additional torque takes place by estimating a pressure prevailing in the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a thermodynamic model and calculating the counter torque / additional torque on the basis of the estimated pressure.
  • a precontrol torque is calculated in the calculation of the additional torque by means of a pilot control block, with which the setpoint ⁇ torque output by the speed controller is acted upon as additional torque.
  • one of the calculated additional torques and the additional torque output by the pilot control block are used simultaneously.
  • the desired output from the speed controller ⁇ torque is beauf beat ⁇ thus with the output from the control block additional torque as well as with the determined or estimated based on the measured pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine additional torque.
  • the control and regulation device is characterized as ⁇ by that, by means of the control and crizungseinrich ⁇ tung one in the system, namely the internal combustion engine, the recorded pressure measurement value is processed, that on the basis of the pressure ⁇ measured value and on the basis of means
  • the control unit of ⁇ viable data namely at least one geometry value, a desired position and kinematics data, the additional torque can be determined and that the target torque with the addi ⁇ chen torque can be acted upon.
  • a first alternative embodiment of the control and regulation device is intended and adapted to be determined by means of one of the control and crizungseinrich ⁇ tung included thermodynamic model an estimated value for the combustion chamber of the internal combustion engine prevailing pressure that wasbbarer basis of the estimated value and by means of the control unit Data, namely at least one geometry value, a desired position and kinematics data, the additional torque can be determined and that the target torque ⁇ torque can be acted upon by the additional torque.
  • a further alternative embodiment of the control and regulation device is intended and arranged to by means of a covered by the control and crizungseinrich ⁇ tung pilot control block, a Vor whyungsnavmo ⁇ ment can be determined and that the target torque beankschlag with the pre ⁇ control torque as an additional torque is ⁇ bar ,
  • control and regulation device which is intended for executing the method, wherein one of said calculated additional torque and the output from the control block additional torque are used interchangeably ⁇ time, characterized by a Verwirkli ⁇ monitoring a combination of the corresponding above-mentioned features out .
  • the invention is also a system with a generator and an internal combustion engine and a control and regulating device with the features described here and below.
  • FIG. 1 a first embodiment of a control and regulating device for controlling and regulating a system of the type shown in FIG. 1
  • a second embodiment of a control and regulating device for controlling and regulating a system of the type shown in FIG. 1
  • FIG. 1 A third embodiment of a control and regulating device for controlling and regulating a system of the type shown in FIG.
  • FIG. 1 shows, in a schematically simplified form, the basic structure of a system 10 of the type considered here.
  • the system 10 includes an electric motor operated as a generator 12 and an internal combustion engine 14
  • Internal combustion engine 14 is mechanically coupled to generator 12. Within the illustration of the internal combustion engine 14, the crankshaft and a piston 16 are shown.
  • the Ver ⁇ internal combustion engine 14 may include more than the shown one piston 16, so for example be designed as a double piston engine.
  • the alternating current generated by the generator 12 is ei ⁇ nem here as a rectifier inverter shown (frequency converter) is supplied to the eighteenth At the output of the inverter 18, the originally generated by the internal combustion engine 14 energy can be tapped in the form of electrical energy.
  • the system 10 is contemplated as a mobile system for use in, for example, a motor vehicle.
  • the system 10 is also suitable as an emergency power generator or the like.
  • A for example, from the inverter 18 comprised ⁇ control and regulation device 20 (FIG 2) causes a control of the system 10, namely, for example, a speed control of the generator 12.
  • a position sensor 22 is associated with the generator 12.
  • a La ⁇ spirit value is available in operation and a time course of Lüist ⁇ value is a measure of the respective speed of the generator 12.
  • This is a position feedback value from the position encoder 22 23 as well as directly or at least indirectly a speed value 24 (FIG 2) available.
  • the internal combustion engine 14 is associated with a pressure sensor 26.
  • the pressure sensor 26 is a measured value with respect to a generated during operation of the combus ⁇ tion motor 14 in the piston chamber pressure
  • the measured pressure value 28 and the actual position value 23 and / or the actual speed 24 are fed to the control and crizungsein ⁇ direction 20th On their basis, a manipulated variable 30 for influencing the system 10 is generated.
  • process forces generated by the combustion taking place in the combustion 14 combustion pressure generated by the movement and acceleration of the piston 16 mass forces.
  • the process forces are known or can be measured and the approach explained below is based on a linearization of the process forces and a subsequent speed control and / or a precontrol of the process forces and a subsequent speed control.
  • FIG 2 shows the already mentioned Steue- rungs- and control device 20 with further details, namely lent to a control unit 32, and a ⁇ Speed control ler 34 as functional units within the control and regulation device 20th
  • the target ⁇ speed ⁇ * may in this case (not shown) of the output value of the system 10 of the upstream current regulator.
  • the speed controller 34 outputs as a manipulated variable 30 a Sollcardmo ⁇ ment T *. For linearization is at a speed which regier 34 subsequent summation point of the Sollcardmo ⁇ ment T * the torque which has to apply to the prevailing pressure in the combustion chamber of the generator 12 is subtracted.
  • the force currently acting on the generator 12 can be calculated, since the resulting force is calculated in the form of a product from the pressure prevailing in the combustion space and the area A of the piston 16.
  • An automatically processable value for the area A of the piston 16 is output by the control unit 32 due to a respective predetermined or specifiable parameterization as a geometry value 38.
  • the current position ⁇ (rotational position) of the rotor of the Ge ⁇ nerators 12 is known.
  • a respective desired position ⁇ * 40 and an angle-dependent tion ratio between the rotational position of the rotor and the translational position x of the piston 16 known.
  • Control and regulating device 20 so far includes a transmission member 42, which on the basis of the desired position ⁇ * 40 a measure of the change in the translational position of the
  • Piston 16 in response to the change in the rotational position of the rotor (dx / dcp) * outputs.
  • the transfer function f (Cp *) of the transmission member 42 is influenced by means of the Steue ⁇ approximation unit 32 dispensable kinematic data 44th
  • the respectively output kinematics data 44 are likewise based on a predefined or predefinable parameterization of the control and regulation device 20.
  • Target torque T * is applied, the torque to be calculated, which must apply the generator 12 against the pressure prevailing in the combustion chamber pressure (counter torque T). Thereafter, the counter-moment arises as
  • thermodynamic model 46 go as input values in addition to the current position ⁇ (actual position value 23) or the respective desired position ⁇ * 40 of the ro tors of the generator 12, the geometry value of 38 or other Ge ⁇ ometriechal, the kinematic data 44 and thermodynamics data 48, for example a Information about each in the burn 10
  • control and regulating device 20 shown in FIG. 4 is independent of the embodiments shown in FIG. 2 and FIG. However, the described embodiments can also be combined, for example in the form of a combination of the embodiments in FIG. 2 and FIG. 4 or a combination of the embodiments in FIG. 3 and FIG.
  • the advantage of a control and regulating device 20 of the type described here is that is relieved by the direct control of the process forces the speed controller 34, since ideally otherwise taken into account by the speed controller 34 disturbance forces.
  • the speed controller 34 is therefore only responsible for implementing an ideal process control on the basis of the predetermined speed of the control unit 32 ⁇ * 36. If in addition to the
  • Flywheels can be omitted without reducing the speed stability. This results in a lighter construction and a lower required current for accelerating and decelerating the moving masses.

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Abstract

Die Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines einen Generator (12) und einen den Generator (12) antreibenden Verbrennungsmotor (14) umfassenden Systems (10), wobei eine Drehzahl des Generators (12) mittels eines Drehzahlreglers (34) geregelt wird, die sich dadurch auszeichnet, dass der Drehzahlregler (34) als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird, wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens
Die Erfindung betrifft zuvorderst ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors. Sie bezieht sich weiter auf eine Steuerungs- und Regelungsein- richtung als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Generatoren, die mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden, sind an sich bekannt. Üblicherweise ist der Verbren¬ nungsmotor mit einem elektrischen Generator gekoppelt und dem Generator ist ein Frequenzumrichter nachgeschaltet.
Aus der US 2009/0194067 A ist ein mobiles System mit einer netzunabhängigen Energiequelle in Form eines Verbrennungsmo¬ tors sowie einzelnen von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Aggregaten, darunter ein als Strom-/Spannungsquelle vorgese¬ hener Generator, bekannt. Die vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellte Energie sowie die von dem oder jedem Aggre¬ gat benötigte Energie werden überwacht. Wenn die benötigte Energie die zur Verfügung stehende Energie überschreitet, wird ein zur Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors verwendeter Drehzahlsollwert erhöht oder es werden nach einem Prio¬ ritätsschema einzelne Aggregate deaktiviert, so dass entweder die zur Verfügung stehende Energie erhöht oder der Energiebe¬ darf reduziert wird.
Die Tendenz bei Anordnungen mit einem mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Generator geht zum Leichtbau, so dass zum Beispiel Schwungmassen, wie sie bisher zum Ausgleich eventueller Drehzahlschwankungen vorgesehen sind, nach Möglichkeit vermieden werden oder zumindest die bewegten Massen reduziert werden . Der Generator wird üblicherweise mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Drehzahl betrieben. Zu diesem Zweck ist dem Generator ein Drehzahlregler zugeordnet. Anhand der Drehzahlrege¬ lung werden der Verbrennungsmotor und der dort ablaufende Verbrennungsprozess geführt. Dies kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen. Denkbar sind zum Beispiel Leistung, Wirkungsgrad und Emission.
Bisher hat man zum Erhalt einer höheren Drehzahlstabilität des Generators die Schwungmasse am Generator erhöht. Eine solche Erhöhung der bewegten Massen ist aber eigentlich unerwünscht, speziell dann, wenn der Verbrennungsmotor und der Generator zu einem Kraftfahrzeug oder dergleichen gehören und von dem Kraftfahrzeug mitbewegt werden. Als Alternative ist demgemäß bisher die Drehzahlregelung mit maximaler Dynamik betrieben worden, um eine große Bandbreite und hohe Kreisverstärkungen zu erreichen. Eine Möglichkeit in dieser Hinsicht besteht in der Verwendung sehr hoher Taktfrequenzen des Drehzahlreglers. Dies kann allerdings zu stark erhöhten Verlust- leistungen in den Schaltelementen führen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung anzugeben, bei dem bzw. der die oben skizzierten Nachteile vermieden werden oder zumindest hinsichtlich ihrer Auswirkungen reduziert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmo¬ tors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Verfahren zum Betrieb eines einen Generator und einen den Generator antreibenden Verbrennungsmotor umfassenden Systems, bei dem eine Drehzahl des Generators mittels eines Drehzahlreglers geregelt wird, vorgesehen, dass der Drehzahl¬ regler als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird, wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Ba- sis eines aus dem System aufgenommenen Messwerts ermittelt wird .
Indem das vom Drehzahlregler als Stellgröße ausgegebene Soll- drehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment, also einem nu¬ merischen und automatisch verarbeitbaren Wert für das zusätzliche Drehmoment, beaufschlagt wird, gelingt eine optimale Prozessführung des den Verbrennungsmotor und den Generator umfassenden Systems. Schwungmassen und dergleichen zur Stabi- lisierung der Drehzahl des Generators werden dabei nicht be¬ nötigt .
Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des parallelen Vorrichtungsan- spruchs gelöst. Dazu ist eine Steuerungs- und Regelungsein¬ richtung mit Mitteln zur Ausführung des hier und im Folgenden beschriebenen Betriebsverfahrens vorgesehen, wobei die zur Ausführung des Betriebsverfahrens bestimmten Mittel zumindest eine Steuerungseinheit sowie einen Drehzahlregler umfassen und wobei mittels des Drehzahlreglers als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgebbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru¬ ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selb¬ ständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass das hier angegebene Verfahren auch entsprechend der abhängigen Vorrichtungsansprüche weitergebildet sein kann und umgekehrt. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird als zusätzliches Drehmoment, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Solldrehmoment beaufschlagt wird, ein Gegenmoment errechnet. Dieses wird auf Basis eines im System aufgenommenen Messwerts errechnet. Der im System aufgenommene Messwert ist ein am Verbrennungsmotor aufgenommener Druckmesswert, nämlich ein Druckmesswert, der den Druck im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors angibt. Das Gegenmoment/zusätzliche Drehmoment wird dann auf Basis des Druckmesswerts errechnet.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird als zusätzliches Drehmoment, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Solldrehmoment beaufschlagt wird, ebenfalls ein Gegenmoment errechnet. Hier wird allerdings kein im System aufgenommener Druckmesswert verwendet. Stattdessen erfolgt die Berechnung des Gegenmoments/zusätzlichen Drehmoments, indem mittels eines thermodynamischen Modells ein im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors herrschender Druck geschätzt und aufgrund des geschätzten Drucks das Gegenmoment/zusätzliche Drehmoment errechnet wird.
Bei einer nochmals alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines Vorsteuerungsblocks ein Vorsteuerungsdrehmoment errechnet, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Soll¬ drehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagt wird.
Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden eines der errechneten zusätzlichen Drehmomente und das vom Vorsteuerungsblock ausgegebene zusätzliche Drehmoment gleich¬ zeitig verwendet. Das vom Drehzahlregler ausgegebene Soll¬ drehmoment wird also mit dem von dem Vorsteuerungsblock ausgegebenen zusätzlichen Drehmoment sowie mit dem aufgrund des gemessenen oder geschätzten Drucks im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors ermittelten zusätzlichen Drehmoment beauf¬ schlagt . Zur Ausführung einzelner Ausführungsformen des Verfahrens zeichnet sich die Steuerungs- und Regelungseinrichtung da¬ durch aus, dass mittels der Steuerungs- und Regelungseinrich¬ tung ein im System, nämlich am Verbrennungsmotor, aufgenommener Druckmesswert verarbeitbar ist, dass anhand des Druck¬ messwerts sowie anhand von mittels der Steuerungseinheit aus¬ gebbarer Daten, nämlich zumindest einem Geometriewert, einer Solllage und Kinematikdaten, das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem zusätzli¬ chen Drehmoment beaufschlagbar ist.
Eine erste alternative Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist dafür bestimmt und eingerichtet, dass mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrich¬ tung umfassten thermodynamischen Modells ein Schätzwert zum im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors herrschenden Druck ermittelbar ist, dass anhand des Schätzwerts sowie mittels der Steuerungseinheit ausgebbarer Daten, nämlich zumindest eines Geometriewerts, einer Solllage und Kinematikdaten, das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und dass das Solldreh¬ moment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.
Eine weitere alternative Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist dafür bestimmt und eingerichtet, dass mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrich¬ tung umfassten Vorsteuerungsblocks ein Vorsteuerungsdrehmo¬ ment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem Vor¬ steuerungsdrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlag¬ bar ist.
Eine Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung, die zur Ausführung des Verfahrens bestimmt ist, bei dem eines der errechneten zusätzlichen Drehmomente und das vom Vorsteuerungsblock ausgegebene zusätzliche Drehmoment gleich¬ zeitig verwendet werden, zeichnet sich durch eine Verwirkli¬ chung einer Kombination der oben genannten entsprechenden Merkmale aus . Insgesamt ist die Erfindung auch ein System mit einem Generator und einem Verbrennungsmotor sowie einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung mit den hier und im Folgenden beschriebenen Merkmalen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen ein System mit einem Verbrennungsmotor und einem Ge nerator, wobei der Generator durch den Verbrennungs motor angetrieben wird,
eine erste Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art, eine zweite Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art und
eine dritte Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art.
Die Darstellung in FIG 1 zeigt in schematisch vereinfachter Form den prinzipiellen Aufbau eines Systems 10 der hier betrachteten Art. Zu dem System 10 gehören ein als Generator 12 betriebener Elektromotor und ein Verbrennungsmotor 14. Der
Verbrennungsmotor 14 ist mit dem Generator 12 mechanisch gekoppelt. Innerhalb der Darstellung des Verbrennungsmotors 14 sind dessen Kurbelwelle und ein Kolben 16 gezeigt. Der Ver¬ brennungsmotor 14 kann mehr als den gezeigten einen Kolben 16 umfassen, also zum Beispiel als Doppelkolbenmotor ausgeführt sein . Der mittels des Generators 12 erzeugte Wechselstrom wird ei¬ nem hier als Gleichrichter dargestellten Umrichter (Frequenzumrichter) 18 zugeführt. Am Ausgang des Umrichters 18 kann die mittels des Verbrennungsmotors 14 ursprünglich erzeugte Energie in Form von elektrischer Energie abgegriffen werden.
Das System 10 kommt als mobiles System zur Anwendung zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug in Betracht. Daneben kommt das System 10 auch als Notstromaggregat oder dergleichen in Be- tracht .
Eine zum Beispiel von dem Umrichter 18 umfasste Steuerungs¬ und Regelungseinrichtung 20 (FIG 2) bewirkt eine Regelung des Systems 10, nämlich zum Beispiel eine Drehzahlregelung des Generators 12. Dafür ist dem Generator 12 ein Lagegeber 22 zugeordnet. Mittels des Lagegebers 22 ist im Betrieb ein La¬ geistwert erhältlich und ein zeitlicher Verlauf des Lageist¬ werts ist ein Maß für die jeweilige Drehzahl des Generators 12. Damit ist von dem Lagegeber 22 ein Lageistwert 23 sowie unmittelbar oder zumindest mittelbar ein Drehzahlistwert 24 (FIG 2) erhältlich.
Des Weiteren ist gezeigt, dass dem Verbrennungsmotor 14 ein Drucksensor 26 zugeordnet ist. Mittels des Drucksensors 26 ist ein Messwert hinsichtlich eines beim Betrieb des Verbren¬ nungsmotors 14 in dessen Kolbenkammer erzeugten Drucks
(Druckmesswert 28) erhältlich.
Der Druckmesswert 28 sowie der Lageistwert 23 und/oder der Drehzahlistwert 24 werden der Steuerungs- und Regelungsein¬ richtung 20 zugeführt. Auf deren Basis wird eine Stellgröße 30 zur Beeinflussung des Systems 10 generiert.
Innerhalb des gesteuerten und geregelten Systems 10 treten als Prozesskräfte ein durch die im Verbrennungsmotor 14 erfolgende Verbrennung erzeugter Druck sowie durch die Bewegung und Beschleunigung des Kolbens 16 entstehende Massekräfte auf. Die Prozesskräfte sind bekannt oder können gemessen wer- den und der im Folgenden erläuterte Ansatz basiert auf einer Linearisierung der Prozesskräfte sowie einer anschließenden Drehzahlregelung und/oder einer Vorsteuerung der Prozesskräfte sowie einer anschließenden Drehzahlregelung.
Zunächst wird die Linearisierung der Prozesskräfte erläutert.
Die Darstellung in FIG 2 zeigt die bereits erwähnte Steue- rungs- und Regelungseinrichtung 20 mit weiteren Details, näm- lieh mit einer Steuerungseinheit 32 sowie einen Drehzahlreg¬ ler 34 als Funktionseinheiten innerhalb der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20.
Die Steuerungseinheit 32 gibt eine Solldrehzahl ω* = dcp*/dt 36 vor (hochgestellte Sterne bezeichnen Sollwerte) . Die Soll¬ drehzahl ω* kann dabei der Ausgangswert eines dem System 10 insgesamt vorgeschalteten Stromreglers (nicht gezeigt) sein. Der Drehzahlregler 34 gibt als Stellgröße 30 ein Solldrehmo¬ ment T* aus. Zur Linearisierung wird an einer dem Drehzahl- regier 34 nachfolgenden Summationsstelle von dem Solldrehmo¬ ment T* das Drehmoment, welches der Generator 12 gegen den jeweils im Verbrennungsraum herrschenden Druck aufbringen muss, abgezogen. Auf Basis des Druckmesswerts Pist 28 lässt sich die jeweils aktuell auf den Generator 12 wirkende Kraft berechnen, denn die resultierende Kraft berechnet sich bekanntlich in Form eines Produkts aus dem jeweils im Verbrennungsraum herrschenden Druck und der Fläche A des Kolbens 16. Ein automatisch verarbeitbarer Wert für die Fläche A des Kolbens 16 wird von der Steuerungseinheit 32 aufgrund einer jeweils vorgegebenen oder vorgebbaren Parametrierung als Geometriewert 38 ausgegeben . Mit dem mittels des Lagegebers 22 aufgenommenen Lageistwert
23 ist die aktuelle Lage φ (Rotationslage) des Rotors des Ge¬ nerators 12 bekannt. Außerdem sind zu jedem Zeitpunkt eine jeweilige Solllage φ* 40 sowie ein winkelabhängiges Überset- zungsverhältnis zwischen der Rotationslage des Rotors und der translatorischen Position x des Kolbens 16 bekannt. Die
Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 umfasst insoweit ein Übertragungsglied 42, welches auf Basis der Solllage φ* 40 ein Maß für die Änderung der translatorischen Position des
Kolbens 16 in Abhängigkeit von der Änderung der Rotationslage des Rotors (dx/dcp)* ausgibt. Die Übertragungsfunktion f (cp*) des Übertragungsglieds 42 ist dabei mittels von der Steue¬ rungseinheit 32 ausgebbaren Kinematikdaten 44 beeinflussbar. Die jeweils ausgegebenen Kinematikdaten 44 basieren ebenfalls auf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Parametrierung der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20.
Aus den vorstehend genannten Größen kann als zusätzliches Drehmoment T, mit dem das vom Drehzahlregler 34 ausgegebene
Solldrehmoment T* beaufschlagt wird, das Drehmoment berechnet werden, welches der Generator 12 gegen den im Verbrennungsraum herrschenden Druck aufbringen muss (Gegenmoment T) . Danach ergibt sich das Gegenmoment als
Die in die Ermittlung des Gegenmoments T eingeflossene Druck¬ messung in Form des im System 10 aufgenommenen Druckmesswerts Pist 28 ist eine Rückführung des Drucks und stellt insgesamt eine Linearisierung des Systems 10 dar.
Die Darstellung in FIG 3 zeigt, dass anstelle einer Druckmes¬ sung auch eine rechnerische Ermittlung des Drucks erfolgen kann, zum Beispiel indem der im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 14 herrschende Druck anhand eines thermodynami- schen Modells 46 abgeschätzt wird. In das thermodynamische Modell 46 gehen als Eingangswerte neben der aktuellen Lage φ (Lageistwert 23) oder der jeweiligen Solllage φ* 40 des Ro- tors des Generators 12 der Geometriewert 38 oder sonstige Ge¬ ometriedaten, die Kinematikdaten 44 sowie Thermodynamikdaten 48, zum Beispiel eine Information zur jeweils in den Verbren- 10
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Steuerung der notwendigen Beschleunigungen und des jeweils aufzubringenden Drehmoments gegeben.
Die in FIG 4 gezeigte Ausführungsform der Steuerungs- und Re- gelungseinrichtung 20 ist unabhängig von den in FIG 2 und FIG 3 gezeigten Ausführungsformen. Die beschriebenen Ausführungsformen können allerdings auch kombiniert werden, zum Beispiel in Form einer Kombination der Ausführungsformen in FIG 2 und FIG 4 oder einer Kombination der Ausführungsformen in FIG 3 und FIG 4.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Der Vorteil einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 der hier beschriebenen Art besteht darin, dass durch das direkte Einsteuern der Prozesskräfte der Drehzahlregler 34 entlastet wird, da idealerweise sonst vom Drehzahlregler 34 berücksichtigte Störkräfte eliminiert sind. Der Drehzahlregler 34 ist damit nur noch für eine Umsetzung einer idealen Prozessführung auf Basis der von der Steuerungseinheit 32 vorgegebenen Solldrehzahl ω* 36 zuständig. Wenn zusätzlich zu der
Linearisierung (FIG 2, FIG 3) auch noch die Vorsteuerung gemäß FIG 4 angewandt wird, erfolgt die Prozessführung mittels der Vorsteuerung und der Drehzahlregler 34 muss nur noch kleine Abweichungen ausregeln.
Insgesamt erfolgt die Umsetzung der durch den Verbrennungsmo¬ tor 14 auf den Generator 12 wirkenden Gegenkraft dynamischer und direkter, weil sie nur von der sehr großen Dynamik des eingangsseitigen Stromreglers abhängt.
Schwungmassen können entfallen, ohne die Drehzahlstabilität zu verringern. Dadurch ergeben sich eine leichtere Bauweise und ein geringerer erforderlicher Strom zum Beschleunigen und Abbremsen der bewegten Massen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines einen Generator (12) und einen den Generator (12) antreibenden Verbrennungsmotor (14) umfas- senden Systems (10),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass eine Drehzahl des Generators (12) mittels eines Dreh¬ zahlreglers (34) geregelt wird,
- dass der Drehzahlregler (34) als Stellgröße ein Solldrehmo- ment ausgibt und
- dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird,
- wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Ermittlung des zusätzlichen Drehmoments auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts im System (10), nämlich am Verbren- nungsmotor (14), ein Druckmesswert (28) aufgenommen wird und wobei mittels des Druckmesswerts (28) das zusätzliche Drehmo¬ ment errechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines thermodynamischen Modells (46) ein in einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmo¬ tors (14) herrschender Druck geschätzt und aufgrund des ge¬ schätzten Drucks das zusätzliche Drehmoment errechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines Vorsteuerungsblocks (50) ein Vorsteuerungsdrehmoment errechnet wird, mit dem das vom Drehzahlregler (34) ausgegebene Solldrehmoment als zu¬ sätzlichem Drehmoment beaufschlagt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das von dem Drehzahlregler (34) ausgegebene Soll¬ drehmoment mit dem von dem Vorsteuerungsblock (50) ausgegebe- nen Drehmoment sowie mit dem aufgrund des gemessenen oder ge¬ schätzten Drucks im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (14) ermittelten zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird.
6. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) mit Mitteln (32, 34,42,46,50) zur Ausführung des Betriebsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel (32,34,42,46, 50) zur Ausführung des Betriebsverfahrens zumindest eine Steuerungseinheit (32) sowie einen Drehzahlregler (34) umfas- sen und wobei mittels des Drehzahlreglers (34) als Stellgröße (30) ein Solldrehmoment ausgebbar ist.
7. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2, wobei mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) ein im System
(10), nämlich am Verbrennungsmotor (14), aufgenommener Druckmesswert (28) verarbeitbar ist, wobei anhand des Druckmess¬ werts (28) sowie anhand von mittels der Steuerungseinheit (32) ausgebbarer Daten, nämlich zumindest einem Geometriewert (38), einer Solllage (40) und Kinematikdaten (44), das zu¬ sätzliche Drehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldreh¬ moment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.
8. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3, wobei mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) um- fassten thermodynamischen Modells (46) ein Schätzwert zum im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (14) herrschenden Druck ermittelbar ist, wobei anhand des Schätzwerts sowie mittels der Steuerungseinheit (32) ausgebbarer Daten, nämlich zumindest eines Geometriewerts (38), einer Solllage (40) und Kinematikdaten (44), das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldrehmoment mit dem zusätzlichen Drehmo¬ ment beaufschlagbar ist.
9. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, wobei mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) um- fassten Vorsteuerungsblocks (50) ein Vorsteuerungsdrehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldrehmoment mit dem Vor¬ steuerungsdrehmoment als zusätzlichem Drehmoment
beaufschlagbar ist.
10. System (10) mit einem Generator (12) und einem Verbrennungsmotor (14) sowie einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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