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WO2004090310A1 - Verfahren zur drehzahl-regelung - Google Patents

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Publication number
WO2004090310A1
WO2004090310A1 PCT/EP2004/003620 EP2004003620W WO2004090310A1 WO 2004090310 A1 WO2004090310 A1 WO 2004090310A1 EP 2004003620 W EP2004003620 W EP 2004003620W WO 2004090310 A1 WO2004090310 A1 WO 2004090310A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
speed
time
ramp
speed control
ist
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/003620
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin DÖLKER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce Solutions GmbH
Original Assignee
MTU Friedrichshafen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Friedrichshafen GmbH filed Critical MTU Friedrichshafen GmbH
Priority to US10/552,928 priority Critical patent/US7207305B2/en
Priority to EP04725901A priority patent/EP1611333B1/de
Priority to DE502004001492T priority patent/DE502004001492D1/de
Publication of WO2004090310A1 publication Critical patent/WO2004090310A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/04—Introducing corrections for particular operating conditions
    • F02D41/06—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up
    • F02D41/062—Introducing corrections for particular operating conditions for engine starting or warming up for starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
    • F02D29/06—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
    • F02D31/001—Electric control of rotation speed
    • F02D31/007—Electric control of rotation speed controlling fuel supply
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00—Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14—Direct injection into combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413—Controller structures or design
    • F02D2041/1422—Variable gain or coefficients
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • 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 internal combustion engine provided as a generator drive is usually delivered by the manufacturer to the end customer without a clutch and generator.
  • the coupling and the generator are only assembled at the end customer.
  • the internal combustion engine is operated in a speed control loop.
  • the speed of the crankshaft is recorded as a controlled 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 target injection quantity.
  • the electronic control unit Since the manufacturer often does not have any secured data about the coupling properties and the generator moment of inertia before delivery of the internal combustion engine, the electronic control unit is supplied with a robust controller parameter set, the so-called standard parameter set.
  • a problem with a speed control loop is that torsional vibrations that are superimposed on the controlled variable can be amplified by the speed controller.
  • the low-frequency vibrations caused by the internal combustion engine for example the torsional vibrations of the 0.5th and 1st order, are particularly critical.
  • the amplitudes of the torsional vibrations can become so large due to the amplification of the speed controller, that a limit speed is exceeded and the internal combustion engine is switched off.
  • the problem of instability is countered by a speed filter in the feedback branch of the speed control loop.
  • the controller parameters of the speed controller are changed, i.e. the proportional, integral or differential component.
  • Such a method for switching the filter and a method for adapting the controller parameters are shown, for example, in the unpublished DE 102 21 681.9. It is problematic that these measures only become effective when the internal combustion engine / generator unit has already become unstable and has been detected.
  • a speed ramp or its slope is stored in the standard parameter set mentioned above for the starting process.
  • this parameter is set to a large value, e.g. B. 550 revolutions / second.
  • this control deviation of the actual speed from the target speed causes a significant increase in the target injection quantity.
  • the significant increase in the target injection quantity favors the formation of black smoke.
  • the significant increase in the target injection quantity additionally results in a non-optimal determination of the
  • the invention is based on the object of improving the starting process of an internal combustion engine generator unit.
  • the invention provides that a period of time is determined which the actual rotational speed requires to run through a rotational speed range.
  • the speed range is below the start speed, which in practice z. B. is 600 revolutions.
  • the speed range is defined by a limit value and the start speed. In practice, the limit value is selected slightly higher than the starter speed, e.g. B. 300 revolutions.
  • the run-up ramp and the controller parameters of the speed controller are then selected depending on the measured time period. The characterizing parameters are therefore determined predictively. Corresponding characteristic curves are provided for this.
  • the invention has the effect that each engine start takes place with the optimal ramp-up. Changed environmental conditions are taken into account, e.g. B. the cooling water temperature. As is known, a cold internal combustion engine requires a somewhat flatter ramp-up ramp. When the start speed is reached, the optimal controller Parameters determined. The starting speed corresponds in practice to. B. 600 revolutions and characterizes the start of the ramp. The invention ensures stable engine operation already during startup. Instabilities are effectively prevented for the entire operation.
  • Fault monitoring is provided to increase the safety of the internal combustion engine generator unit.
  • the time period is compared with a limit value. Too large a time period indicates that e.g. B. there is too little fuel pressure in the injection system.
  • As a follow-up reaction it is provided that when the error is set, a diagnostic entry is made and an emergency stop is activated.
  • Fig. 2 is a block diagram
  • Fig. 5 is a block diagram
  • FIG. 1 shows a system diagram of the overall system of an internal combustion engine generator unit 1.
  • An internal combustion engine 2 drives a generator 4 via a shaft with a transmission element 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 operating mode of the internal combustion engine 2 is regulated by an electronic control unit (EDC) 5.
  • the electronic control unit 5 contains the usual components of a microcomputer system, for example a microprocessor, I / O modules, buffers and memory modules (EEPROM, RAM).
  • the operating data relevant to the operation of the internal combustion engine 2 are applied in characteristic maps / characteristic curves in the memory modules.
  • the electronic control unit 5 uses these to calculate the output variables from the input 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 speed signal nM (IST) of the internal combustion engine 2, an input variable E and a signal START start setting.
  • the start specification is activated by the operator.
  • the input variable E includes, for example, the charge air pressure of a turbocharger and the temperatures of the coolants / lubricants and the fuel.
  • the output variable A represents the other 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 target rail pressure pCR (SW) and the Injection duration SD shown.
  • a speed controller 11 calculates a target injection quantity QSW1 from the actual speed nM (IST) of the internal combustion engine and the target speed nM (SW). This is limited to a maximum value via a limit 12.
  • the output variable, corresponding to the target injection quantity QSW, represents the input variable of the maps 13 to 15.
  • the map 13 calculates the start of injection SB as a function of the target injection quantity QSW and the actual speed nM (IST).
  • the target rail pressure pCR (SW) is calculated via the map 14 as a function of the target injection quantity QSW and the actual speed nM (IST).
  • the injection duration SD is determined via the characteristic diagram 15 as a function of the target injection quantity QSW and the actual rail pressure pCR (IST).
  • the target injection quantity QSW represents a performance-determining signal QP.
  • a power-determining signal QP can also be understood to mean a target control rod travel or a target torque.
  • FIG. 3 shows the starting process for an internal combustion engine generator unit according to the prior art.
  • the time is plotted on the abscissa.
  • the speed nM of the internal combustion engine is plotted on the ordinate.
  • nM (ISTl) is the starting process with a generator that is a small one Has moment of inertia shown.
  • the solid line nM (IST2) shows the starting process for the same internal combustion engine with a generator that has a large moment of inertia.
  • the target speed nM (SW) is shown as a dashed line, i.e. the reference variable of the speed control loop.
  • the straight line with the points AB corresponds to the run-up ramp HLRI.
  • the straight line between points C and D corresponds to the ramp HLR2.
  • the slope Phi of both ramp-up ramps is identical, e.g. B. 550 revolutions / second.
  • the starter intervenes and the internal combustion engine begins to turn. This initially increases to a starter speed nAN, e.g. B. 120 revolutions.
  • a starter speed nAN e.g. B. 120 revolutions.
  • fuel is injected into the combustion chambers.
  • a first point in time tl is set when the actual speed nM (ISTl) exceeds a limit value GW, e.g. B. 300 revolutions.
  • the starter is deactivated so that it disengages. Due to the injection, the actual speed nM (ISTl) increases until it exceeds the start speed nST.
  • a second point in time t2 is set.
  • the too small slope of the ramp ramp HLRl means that the actual speed nM (ISTl) in the case of a generator with a very small moment of inertia initially overshoots significantly over the ramp, then settles onto the ramp ramp HLRl and runs up to the nominal speed nNN.
  • the nominal speed hNN is reached at point B, time t4.
  • the actual speed nM (ISTl) swings beyond the target speed nM (SW). It can be derived from the course of the actual speed nM (ISTl) that the internal combustion engine could also be operated with a somewhat steeper ramp up than the ramp up HLRl. This would shorten the ramp-up time corresponding to the period t2 / t4.
  • a faster ramp-up ramp is required above all if the internal combustion engine is started without a generator.
  • the generator is then only after reaching the nominal speed nNN z. B. coupled by means of a freewheel.
  • the fastest possible start-up is desired, since a rotary memory in the case of quick-standby units can only provide energy for a limited time.
  • the actual speed runs according to the solid line nM (IST2).
  • the run-up ramp HLR2 begins to run, time t3.
  • the actual speed nM (IST2) runs below the ramp ramp HLR 2. This leads to a sharp increase in the injection quantity and thus to black smoke formation. In this case, to avoid black smoke formation, it is necessary to use a ramp with a lower gradient.
  • FIG. 4 shows a starting process for an internal combustion engine generator unit according to the invention.
  • the target speed nM (SW) is shown as a dashed line.
  • the course thereof, including the run-up ramps between points AB and CD, is identical to the course of FIG. 3. Further explanation is given in connection with FIG. 5.
  • the course of the actual speed nM (ISTl) is identical to the course of FIG. 3 up to time t2. If the actual speed nM (ISTl) exceeds the limit value GW, the first time tl is set. At point A, the actual speed nM (ISTl) exceeds the start speed nST. Time t2 is set. A time span dt is determined from the difference between the two times tl / t2.
  • This time period dt is largely determined by the moment of inertia of the generator used.
  • a run-up ramp is determined using a characteristic curve 16 (see FIG. 5).
  • the characteristic curve 16 is designed in such a way that a short time period dt defines a run-up ramp with a large slope Phil.
  • the actual speed nM (IST1) consequently runs along the new run-up ramp HLR3 with the points AE.
  • the controller parameters of the speed controller are also selected as a function of the measured time period dt via corresponding characteristic curves 17, 18 (see FIG. 5).
  • a reset time TN is assigned to the time period dt via the characteristic curve 17.
  • the characteristic curve 17 is designed in such a way that a large reset time TN is assigned to a long period of time dt. Generators with a large moment of inertia require a longer reset time TN than generators with a small moment of inertia.
  • a proportional coefficient kp is assigned to the measured time span dt via the characteristic curve 18.
  • the characteristic curve 18 is designed in such a way that a large proportional coefficient kp is assigned to a long period of time dt.
  • FIG. 6 shows a program flow chart of the invention.
  • S1 it is checked whether the actual speed nM (IST) is greater than the limit value GW. If this is not the case, a waiting loop is run through with S2. If the actual speed nM (ACTUAL) has already exceeded the limit value GW, the first time t1 is set at S3. S4 is used to check whether the actual speed nM (ACTUAL) is greater than the starting speed nST. If this is not yet the case, a waiting loop is run through with S5. When the starting speed nST is exceeded, the second point in time t2 is set at S6. The time period dt is then calculated at S7 from the difference between the two times tl / t2.
  • an error is queried by checking whether the time period dt is less than a limit value dtGW. If the time period 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 shows that the time period dt is in the permissible range, the ramp-up ramp HLR, the reset time TN and the proportional coefficient kp are determined in SlO depending on the time period dt. This concludes the program flow chart.
  • FIG. 6 shows the waiting loop S5 in more detail with the reference symbols S5a, S5b and S5c.
  • a difference dtR is formed at S5a from the current time t to the time t1.
  • Query S5b checks whether the difference dtR is less than a limit value dtGW. If this is the case, the process branches to point A.
  • the program sequence is then continued with S4 as previously described. If it is determined in S5b that the limit value dtGW is reached or exceeded, a diagnostic entry is made in S5c and an emergency stop is triggered.
  • the internal combustion engine carries out every starting process with the optimal ramp-up ramp. This will change
  • the optimum speed controller parameters are determined as soon as the starting speed nST is reached. This ensures stable operation even during startup.
  • the fuel pre-pressure is displayed by an error message and the internal combustion engine is protected by an emergency stop.
  • Coupled generator this is recognized at the start and the associated optimal parameters are determined.

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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

Verfahren zur Drehzahl-Regelung
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 uss . 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.
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 Zeitdiagra m (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-Raildrucks 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 QSWl 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(ISTl) 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 HLRl. 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(ISTl) 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 tl wird gesetzt, wenn die Ist-Drehzahl nM(ISTl) 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(ISTl) 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 HLRl bewirkt, dass die Ist-Drehzahl nM(ISTl) im Falle eines Generators mit sehr kleinem Trägheitsmoment zunächst deutlich über die Hochlauframpe überschwingt, sich dann auf die Hochlauframpe HLRl einpendelt und auf die Nenn- Drehzahl nNN hochläuft. Die Nenn-Drehzahl hNN wird im Punkt B erreicht, Zeitpunkt t4. Im Punkt B schwingt die Ist-Drehzahl nM(ISTl) über die Soll-Drehzahl nM(SW) hinaus. Aus dem Verlauf der Ist-Drehzahl nM(ISTl) lässt sich ableiten, dass die Brennkraftmaschine auch mit einer etwas steileren Hochlauframpe als die Hochlauframpe HLRl 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(ISTl) ist bis zum Zeitpunkt t2 identisch mit dem Verlauf der Figur 3. Überschreitet die Ist-Drehzahl nM(ISTl) den Grenzwert GW, so wird der erste Zeitpunkt tl gesetzt. Im Punkt A übersteigt die Ist-Drehzahl nM(ISTl) die Start-Drehzahl nST. Es wird der Zeitpunkt t2 gesetzt. Aus der Differenz der beiden Zeitpunkte tl/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 Phil festlegt. In Figur 4 verläuft die Ist-Drehzahl nM(ISTl) infolge dessen entlang der neuen Hochlauframpe HLR3 mit den Punkten AE . Diese zeigt gegenüber der Hochlauframpe HLRl 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 tl/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 Sl 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 tl 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 tl/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 SlO 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 tl 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
Brennkraftmaschinen-Generator-Einheit Brennkraftmaschine Übertragungsglied Generator Elektronisches Steuergerät (EDC) Kraftstofftank Pumpen Rail Rail-Drucksensor Injektoren Drehzahl-Regler Begrenzung Kennfeld zur Berechnung des Einspritzbeginns Kennfeld zur Berechnung des Einspritzdrucks Kennfeld zur Berechnung der Einspritzdauer Kennlinie zur Berechnung der Hochlauframpe Kennlinie zur Berechnung der Nachstellzeit Kennlinie zur Berechnung des Proportional-Beiwerts

Claims

Patentansprüche
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 (tl) 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
(tl, t2 ) berechnet wird und in Abhängigkeit der Zeitspanne (dt) die Hochlauframpe
(HLR) und Regler-Parameter des Drehzahl-Reglers (11) ausgewählt werden.
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 (tl) bestimmt wird (dtR = t - tl) 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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