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Dokumentenidentifikation DE4446246C2 21.10.1999
Titel Verfahren zur Regelung des Lastannahme- und Beschleunigungsverhaltens von aufgeladenen Brennkraftmaschinen
Anmelder MTU Motoren- und Turbinen-Union Friedrichshafen GmbH, 88045 Friedrichshafen, DE
Erfinder Östreicher, Wolfgang, 88046 Friedrichshafen, DE;
Zellbeck, Hans, Dr., 88131 Lindau, DE
DE-Anmeldedatum 23.12.1994
DE-Aktenzeichen 4446246
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.01.1996
Date of publication of amended patent 21.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.1999
IPC-Hauptklasse F02D 1/16
IPC-Nebenklasse F02D 29/06   F02D 35/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Turboladern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei stationärem Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboladern wird das von der Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment nicht allein durch den inneren Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bestimmt, sondern ist zudem von dem Wechselspiel zwischen Zylinder und Abgasturbolader abhängig. So erreicht eine aufgeladene Brennkraftmaschine - nachfolgend auch Motor genannt - beim Übergang von einer stationären Laststufe zu einer anderen höheren stationären Laststufe, dem sogenannten transienten Bereich, die auszuregelnde Laststufe erst nach einer deutlichen Anlaufszeit. Diese Zeitdauer bis zum Erreichen der Soll- Laststufe wird maßgeblich durch das Beschleunigungsvermögen des Turboladers bestimmt. Dadurch bedingt wird bei großer Lastaufschaltung während dieser Anlaufszeit die abverlangte Motorleistung nicht sofort erreicht. Dies bedeutet speziell bei jeder Lastzuschaltung und jeder Beschleunigung des Motors, daß zunächst nur momentane Leistungswerte erreicht werden, die niedriger liegen als die erst mit beträchtlicher Verzögerung erzielbaren Leistungspunkte, die zur Ausregelung des neuen stationären Betriebspunktes erforderlich sind.

Außerdem ist das Ausmaß der Abweichung der momentan erreichbaren Leistung von der stationären Soll- Laststufe vom Ausgangspunkt der jeweiligen Beschleunigung abhängig, wobei in niedrigen Drehzahlbereichen beträchtliche Abweichungen auftreten können.

Die Ursache hierfür ist, daß bei einer Beschleunigung aus einem Betriebspunkt niedriger Drehzahl und niedrigen Drehmoments der Ladeluftdruck und damit die der Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse im Zylinder nicht ausreicht, um die zur Darstellung der Laststufe bzw. des Betriebspunktes erforderliche Brennstoffmasse umzusetzen.

Neben dem begrenzten Beschleunigungsvermögen des Turboladers ist das Beschleunigungsvermögen des Motors auch durch sein Leistungspotential unter Ausnutzung der vorbestimmten mechanischen und thermischen Belastungsgrenzen bestimmt. Die mechanische Belastbarkeit wird dabei maßgeblich durch den Verbrennungshöchstdruck bestimmt, welcher wiederum wesentlich durch den an dem Zylinder anstehenden Ladeluft beeinflußt wird. Der maximal zulässige Zylinderinnendruck stellt also die Grenze für das bei Bedarf maximal entfaltbare Beschleunigungsvermögen der Brennkraftmaschine dar. Wird die Brennkraftmaschine über diese Oberdruckgrenze und über einen vorgegebenen Zeitraum hinaus beansprucht, so führt dies zu Beschädigungen des Motors. Folglich ist eine beliebige Steigerung der Motorleistung zur Lastausregelung auch aufgrund der Motorbelastungsgrenze nicht möglich.

Wegen dieses Überlastungsrisikos für die Brennkraftmaschine kommt den vorstehend geschilderten Parametern, insbesondere für den Betrieb eines aufgeladenen Dieselmotors als Antrieb in Generatoranlagen wesentliche Bedeutung zu. Bezeichnend für die Betriebsanforderungen eines solchen Aggregatantriebs ist die Generatorlastaufschaltung, bei welcher der Motor, z. B. aus dem Leerlaufbetrieb innerhalb eines kürzest möglichen Zeitraums auf Vollast hochgeregelt werden muß. Erschwerend hinzu kommt die Forderung an die gesamte Generatoranlage, die Motorabgangsdrehzahl während sämtlicher Motorregelzustände weitgehend konstant zu halten, damit die vom Generator erzeugte elektrische Leistung möglichst mit Nennfrequenz ins Netz gespeist werden kann. Speziell diese letztgenannte Forderung kann bei herkömmlichen Generatorantriebsanlagen nicht immer zufriedenstellend erfüllt werden. Nachteilig hierbei ist insbesondere der bei den bekannten Anlagen, bei der plötzlichen Generatoraufschaltung prinzipiell auftretende ausgeprägte Drehzahleinbruch der antreibenden Brennkraftmaschine. Wegen dieses lastbedingten Drehzahlrückgangs kann im Anwendungsfall als Notstromaggregat die geforderte Frequenz erst nach einer zeitlichen Verzögerung erreicht werden.

Als ein Ansatz zur Erfüllung dieser Betriebsanforderungen ist aus der DE 35 46 054 C2 ein Kraftstoffzufuhrsteuerverfahren bekannt, bei dem die Antriebsleistung im transienten Betrieb, nämlich bei Motorbeschleunigungen und -verzögerungen durch Regelung der zugeführten Kraftstoffmenge in Abhängigkeit des Abgasdrucks beeinflußt wird. Dabei wird entsprechend des jeweiligen Abgasgegendruckwerts eine Korrekturkraftstoffmenge bestimmt, welche dann zusätzlich zu der im stationären Betriebszustand des Motors bemessenen Basiskraftstoffmenge eingespritzt wird. Obwohl sich bei dem darin beschriebenen Verfahren entsprechend den jeweiligen Betriebszuständen des Motors ein günstiger Kraftstoffverbrauch und gute Abgascharakteristiken ergeben, wird dabei dennoch nicht die Drehmomentszunahme im transienten Bereich und damit das Maschinenausgangsleistungsvermögen verbessert. Vielmehr wird lediglich die Kraftstoffzufuhr an das jeweils vom Motor erbrachte momentane Drehmoment angepaßt und optimiert.

Ein anderer Lösungsansatz, der sich mit der Präzisierung der Förderbeginnberechnung befaßt, wird in der DE 41 13 958 A1 vorgeschlagen. Bei dem daraus bekannten Verfahren wird ausgehend von der Motordrehzahl und zumindest, einer weiteren Betriebsgröße der Brennkraftmaschine der Einspritzzeitpunkt berechnet. Um Drehzahländerungen der Brennkraftmaschine zwischen Erfassung der Drehzahl und dem Erreichen der Sollstellung des Stellgliedes zu berücksichtigen, wird bei dem darin beschriebenen Verfahren die Berechnung des Förderbeginnzeitpunktes wiederholt bis zum Eintritt der Stellgliedsollstellung berechnet. Durch dieses wiederholte Messen und Berechnen während der Reglerbetätigung der Brennkraftmaschine, kann aus den zwischenzeitlich aufgenommenen aktuellen Werten der Einspritzzeitpunkt genauer bestimmt und die Einspritzverstellung entsprechend gesteuert werden.

Damit ist aus dieser Druckschrift zwar ein Verfahren der Verbesserung des inneren Wirkungsgrades einer Brennkraftmaschine aufgezeigt, allerdings erfolgt das beschriebene Verfahren zur Förderbeginnverstellung in bekannter Weise unter stationären Gesichtspunkten in Form eines elektronischen Förderbeginnverstellers. Eine Förderbeginnverstellung, welche die Ausregelung instationären Motorbetriebs bei Lastzuschaltung oder Drehzahlerhöhung unterstützt, berücksichtigt dieses Regelverfahren jedoch nicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Drehzahlregelverfahren derart weiterzubilden, daß das Leistungspotential eines aufgeladenen Dieselmotors zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens ausgeschöpft werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben.

Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird also eine dynamische last- und motorbetriebsangepaßte Förderbeginnverstellung vorgeschlagen, um so den indizieren Mitteldruck unter Ausnutzung der konstruktiv gegebenen maximal zulässigen Zylinderinnendruckgrenze bei Lastzuschaltung und Motorbeschleunigung zu optimieren.

Hierzu macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die Tatsache zunutze, daß bei aufgeladenen Dieselmotoren der an den Zylindern anstehende Ladeluftdruck eine entscheidende Einflußgröße des Verbrennungshöchstdrucks darstellt, wobei der Verbrennungsdruck tendentiell mit zunehmendem Ladeluftdruck ansteigt. Ein weiterer Effekt, den die Erfindung ebenfalls gezielt einsetzt ist, daß der Verbrennungsdruckverlauf im Zylinder bei konstantem Ladeluftdruck durch die zeitliche Lage des Förderbeginns relativ zur oberen Totpunktlage (OT) des Kolbens verändert und insbesondere eine Erhöhung des erreichbaren Druckmaximums durch die Förderbeginnverstellung festgelegt werden können. Soll demnach ein definierter Verbrennungshöchstdruck nicht überschritten werden, darf bei hohen Ladeluftdrücken der Förderbeginn nicht beliebig weit vor den Zünd-OT gelegt werden. Bei entsprechend geringen Ladeluftdrücken, wie sie im transienten Betrieb der Motorbeschleunigung auftreten, ist dagegen ein deutlich früherer Förderbeginn möglich, ohne daß der verbrennungsabhängige Zylinderinnendruck über die Belastungsgrenze hinaus ansteigt. Insbesondere bei instationärem Betrieb von aufgeladenen Dieselmotoren sieht die Erfindung daher bei Lastzuschaltung oder Motorbeschleunigung unter Ausnutzung des durch die Turboladercharakteristik verzögert aufgebauten Ladeluftdrucks und des ansonsten nachteiligen Luftmangels eine vorübergehende Verstellung des Förderbeginns nach früh vor, welche deutlich über die Grenzen einer stationären Förderbeginnzeitpunktverstellung hinausgeht.

Mit einer solchen an den Motorbetrieb angepaßten Förderbeginnverstellung wird somit gezielt die Differenz zwischen dem maximal zulässigen Verbrennungshöchstdruck im Brennraum und dem sich bei herkömmlichen Regelverfahren tatsächlich im Brennraum einstellenden Verbrennungsdrucks vorübergehend als zusätzliches Beschleunigungspotential genutzt. Dieses erfindungsgemäße zusätzlich erschlossene Leistungspotential wirkt dem Drehzahleinbruch bei Lastzuschaltung entgegen und schwächt diesen an. Dadurch stellt das durch die Förderbeginnverstellung erzeugte Drehmoment eine kurzfristig verfügbare zusätzliche Leistungssteigerung dar, welche zusammen mit herkömmlichen Regelverfahren für das System Abgasturbolader- Brennkraftmaschine hilft, das Betriebsverhalten von aufgeladenen Dieselmotoren im transienten Betrieb zu verbessern.

Die erfindungsgemäße last- und motorbetriebsabhängige Förderbeginnverstellung ergänzt damit das herkömmliche Motorregelverfahren im transienten Betrieb. Die herkömmliche Motorregelung bzw. das herkömmliche Regelverfahren wird während dieses transienten Beschleunigungsbetriebs ebenso wie bei stationärem Betrieb des aufgeladenen Motors wie bisher beibehalten und durchgeführt.

Mittels dieser Standardregelung wird der Soll-Betriebspunkt im wesentlichen über die Füllungszustellung vorgegeben, wodurch wiederum im transienten Betrieb bereits ab dem Zeitpunkt, in dem der Regler auf die Lastaufschaltung reagiert, die zur Darstellung des Soll-Betriebspunktes erforderliche Brennstoffmasse in den Brennraum eingespritzt wird. Infolge dieser größeren Brennstoffmenge wird eine größere Verbrennungsenergie freigesetzt, welche unter anderem zu einem allmählichen Anstieg des Ladeluftdrucks führt. Mit zunehmenden Ladeluftdrücken jedoch steigen auch die Zylinderinnendrücke an, so daß die Differenz des Zylinderinnendruckes zur Maximaldruckgrenze hin mit zunehmender Motorbeschleunigung kleiner wird. Da erfindungsgemäße die bekannte allmähliche Leistungssteigerung nun von der kurzfristig zuschaltbaren Leistungssteigerung infolge der lastabhängigen Förderbeginnverstellung überlagert wird, kann dies zu einem Übersteigen der für stationären Motorbetrieb definierten Zylinderdruckgrenzen führen.

Hier ist erfindungsgemäß entweder eine zeitlich limitierte Überschreitung bewußt vorgesehen, oder aber ein Überschreiten des zulässigen Zylinderspitzendrucks wird vermieden und der zwischen dem momentanen Innendruck und der Zylinderinnendruckgrenze liegende Bereich wird mit Hilfe einer dynamischen Förderbeginnverstellung genutzt. Diese dynamische Förderbeginnverstellung stellt den jeweiligen Förderbeginn in Abhängigkeit des aktuellen Zylinderdrucks und/oder des momentanen Ladeluftdrucks mit zunehmendem Ladeluftdruck wieder nach "spät". Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bis zum Erreichen des Soll-Betriebspunktes das innerhalb der gegebenen Motorbelastungsgrenzen zur Verfügung stehende Beschleunigungspotential des Motors vollständig zur Ausregelung der Lastannahme eingesetzt werden kann.

Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung das Umschalten vom Motorbetrieb ohne Förderbeginnverstellung oder Förderbeginnverstellung nach stationären Gesichtspunkten auf einen Regelbetrieb des Motors mit Förderbeginnverstellung nach motordynamischen Gesichtspunkten jeweils an unterschiedliche Schaltkriterien gekoppelt. Dabei wird unabhängig von der Wahl des Schaltkriteriums bei dessen Erreichen auf die Betriebsweise mit variabler Förderbeginnverstellung umgeschaltet, um so vorübergehend ein Leistungsplus des Motors zu erzeugen, mit dessen Hilfe eine plötzliche Lastzuschaltung schneller als bisher ausgeregelt werden kann.

Als vorrichtungsmäßig besonders einfach und kostengünstig vorzusehendes Schaltkriterium erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für Generatoranlagen die Umschaltung dann, wenn die momentane Motordrehzahl ausgehend von der jeweiligen Solldrehzahl einen vorgegebenen Drehzahlwert unterschreitet. Da ein Drehzahlsignal ohnehin bereits zur Regelung aus dem Motor weggeleitet wird, kann so bei Absinken der Motordrehzahl unter die Drehzahlgrenzwertvorgabe der Förderbeginn in Richtung frühere Kurbelwinkel verstellt werden.

Eine besonders genaue Aussage über das Lastannahmeverhalten des Motors in Form eines qualitativen und quantitativen Betriebssignals ist mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zu erreichen, bei welcher ausgehend von gemessenen Drehzahlsignalen der Drehzahlgradient ermittelt wird. Je nach Vorzeichen und Betrag des Drehzahlgradienten können dann Rückschlüsse auf das tatsächliche Maß der Motordrückung nach Zuschalten der Last gewönnen werden. Nach Zuschaltung der Last oder Anheben des Motordrehzahlsollwertes erfolgt bei negativem Drehzahlgradienten und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen Drehzahlgrenzwertes eine Förderbeginnverstellung nach "früh". Mit zunehmend positivem Drehzahlgradienten und/oder abnehmender Drehzahlabweichung wird die Förderbeginnverstellung kontinuierlich zurückgenommen, der Förderbeginn auf "spät" verstellt.

In einer dritten Ausführungsform ist vorgesehen, den Umschaltzeitpunkt auf dynamische Förderbeginnverstellung mit der im Zusammenhang mit einer frühzeitigen Füllungszustellung bei Lastzuschaltung bekannten Störgrößenaufschaltung auf den Drehzahlsollwert (Load puls-Signal) zu kombinieren, um dadurch bereits vorsorglich ein zusätzliches Leistungsangebot des Motors auszulösen, bevor die Motordrehzahl unter der aufgeschalteten Last stark abfällt. Durch dieses Vorbereiten des Motors auf die zu erwartende Belastung wird nicht nur ein krasser Drehzahleinbruch verhindert, sondern der gesamte Übergangsregelbetrieb, bis die neue Laststufe erreicht und wieder stationär ausgeregelt werden kann, wird bedeutend verkürzt.

Insbesondere bei Motoren mit elektronischer Einspritzregelung, wie z. B. einem Akkumulatoreinspritzsystem, kann eine an das "Load puls-Signal" gekoppelte Umschaltung des Regelbetriebs ohne wesentliche vorrichtungsmäßigen Veränderungen lediglich anhand schaltungstechnischer Verknüpfungen realisiert werden.

Die variable Verstellbarkeit des Förderbeginns in Abhängigkeit des tatsächlich pro Verbrennungstakt auftretenden Zylinderinnendrucks ermöglicht eine optimierte Ausnutzung des gesamten Motorbeschleunigungspotentials innerhalb der Zylinderinnendruckgrenzen. Die damit durchgeführte sukzessive Förderbeginnrückstellung sorgt für eine dynamische Anpassung der erfindungsgemäßen zusätzlichen Leistungssteigerung an die tatsächlich im Zylinder vorherrschenden Druckbedingungen.

Die Rückschaltung vom Regelbetrieb mit dynamisch variabler Förderbeginnverstellung auf normalen Regelbetrieb erfolgt, in Weiterbildung der Erfindung, entweder starr an eine Zeitbedingung gekoppelt oder ist an das Erreichen des Betriebspunkts höherer Laststufe geknüpft. Hierfür werden die aktuellen Motorkennwerte, speziell der Ladeluftdruck und der Zylinderinnendruck, laufend überwacht und in der elektronischen Regeleinrichtung zur Festlegung des Förderbeginns entsprechend verarbeitet.

In den übrigen Unteransprüchen werden hierzu vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beansprucht.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine nähere Erläuterung sind in der nachfolgenden Beschreibung enthalten, die sich auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Druckverläufe im Brennraum bei jeweils zwei verschiedenen Förderbeginnzeitpunkten;

Fig. 2 Verlauf der mechanischen Generatorleistung am Kupplungsflansch des Motors;

Fig. 3 Verläufe der Motordrehzahl bei Lastzuschaltung;

Fig. 4 Verläufe des Förderbeginnzeitpunktes;

Fig. 5 Verläufe der Füllungszustellung bei Lastzuschaltung;

Fig. 6 den Verlauf des Verbrennungshöchstdrucks während des Beschleunigungsvorganges bei Lastzuschaltung.

In Fig. 1 sind zwei Zylinderdruckverläufe Pz1a und Pz2a dargestellt, wie sie sich bei einer herkömmlich geregelten aufgeladenen Brennkraftmaschine jeweils während eines Verbrennungstaktes ergeben. Die Füllung bzw. die eingespritzte Kraftstoffmasse ist bei allen dargestellten Druckverläufen jeweils die gleiche. Bei dem hier dargestellten Beispiel eines Dieselmotors mit luftverteilender Direkteinspritzung entspricht der Druckverlauf Pz2a stellvertretend den Druckverläufen bei niedrigen Ladedrücken, während der bei entsprechend höheren Ladedrücken im Zylinder auftretende Zylinderinnendruck grundsätzlich durch einen Verlauf Pz1a dargestellt werden kann. Ausgehend von diesen zwei bekannten Druckverläufen Pz1a, Pz2a im Zylinder ist ferner der in vorliegender Erfindung eingesetzte theoretische Einfluß des Förderbeginnzeitpunktes auf den Zylinderdruckverlauf exemplarisch an einem für den frühest möglichen Kurbelwinkel φ vorverstellten Förderbeginn φFBb im Vergleich zu dem stationär eingestellten Förderbeginn φFBa bei beiden Druckverläufen Pz1a und Pz2a aufgezeigt.

Ferner ist das von dem auf der Abszisse aufgetragenen Kurbelwinkel φ und dem Zylinderdruck pzyl auf der Ordinate aufgespannte Diagramm in Richtung hohe Zylinderdrücke pzyl durch die konstruktiv vorgegebene Obergrenze des maximal zulässigen Zylinderdrucks pmax begrenzt. Die pmax-Grenze ist durch die mechanische Belastungsgrenze des jeweiligen Motors konstruktiv vorgegeben, so daß dem entsprechend zumindest bei längerem Betrieb des Motors mit einem Anstieg des Zylinderdrucks pzyl über die pmax-Grenze hinaus überlastungsbedingte Schäden auftreten können. Zu der Fig. 1 kann einleitend vorausgeschickt werden, daß je nach Wahl der Förderbeginnzeitpunkte diese eindeutig dadurch charakterisierten Druckverläufen zugeordnet werden können. Bezogen auf die sich unter stationärer, schadstoffoptimierter Regelung und damit einem Einspritzzeitpunkt φFBa kurz vor der oberen Totpunktlage OT des Kolbens einstellenden Zylinderdruckverläufen Pz1a, Pz2a liegt das bei Betrachtung jeweils des selben Druckverlaufs erreichte Druckmaximum um so höher, je weiter der Förderbeginn vor OT verstellt wird. Gleichzeitig mit der Lage des Druckmaximums, übt jede Förderbeginnverstellung auch einen Einfluß auf die Form des sich damit ergebenden Zylinderdruckverlaufs aus.

Im folgenden ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur variablen last- und motorbetriebsabhängigen Förderbeginnsregelung mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.

Ausgehend von dem stationär ausgeregelten unbelasteten Betriebszustand des Motors vor der Lastzuschaltung, stellt sich bei einem niedrigen Ladeluftdruck PLL2 nach Füllungserhöhung der Zylinderdruckverlauf Pz2a ein. Entsprechend der herkömmlichen Regelungsart wird die Zylinderfüllung nach dem Schließen der Gaswechselventile bei einem Kurbelwinkel φ0 in Folge der Kolbenhubbewegung verdichtet und erreicht schließlich in OT sein Druckmaximum. Kurz vor OT setzt bei einem Kurbelwinkel von φFBa die Brennstofförderung ein, worauf mit gewissem Einspritz- und Zündverzug Δφa bei einem Kurbelwinkel φVBa die Verbrennung im Zylinder beginnt.

Setzt nun, entsprechend des in den Fig. 2 bis 6 aufgezeigten Wirkzusammenhangs, eine plötzliche Lastzuschaltung ein, dann wird dem Motor ebenso plötzlich eine entsprechend größere Leistung PL abverlangt. Da das System Abgasturbolader-Motor bei größeren Lastanforderungen nicht in der Lage ist den der Lastanforderung entsprechenden Soll-Betriebspunkt der Motor- Generatoranlage ohne zeitliche Verzögerung einzunehmen, wird der aufgeladene Motor im bekannten Regelbetrieb auf den Soll-Betriebspunkt höherer Laststufe überführt, bzw. beschleunigt. Die Ursachen und Gründe für die Dauer dieses transienten Betriebsbereichs wurden eingangs beschrieben und sollen daher an dieser Stelle im einzelnen nicht erneuert werden. Hervorzuheben ist vielmehr, daß die Zeitdauer des Übergangsbereichs maßgebend von der zur Motorbeschleunigung verfügbaren Leistung abhängig ist. Genauer betrachtet steht nur der die abgeforderte Antriebsleistung PL übersteigende Leistungsanteil des Motors zu dessen Beschleunigung zur Verfügung. Das Leistungsangebot jedoch ist direkt mit dem Ladeluftdruck PLL verknüpft, welcher wiederum lediglich entsprechend des Beschleunigungsvermögens des Abgasturboladers gesteigert werden kann.

Dieses komplexe Zusammenspiel findet auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen unverändert statt Bekanntermaßen spricht bedingt durch den Drehzahlabfall bei der Lastaufschaltung der Brennstoffmassenregler an, in dem die Füllung um die Strecke xR zugestellt wird und wodurch also vom Moment des Drehzahleinbruchs an eine dem Soll-Betriebspunkt hoher Laststufe entsprechende größere Brennstoffmasse in den Brennraum gefördert wird.

Die damit bewirkte langsam ansprechende Drucksteigerung in Richtung des Pfeiles 4, ist in Fig. 1 stellvertretend in Form des von dem nach bereits erfolgtem Beschleunigungsbetrieb aufgebauten, höheren Ladeluftdruck pLL1 ausgehenden Druckverlaufs Pz1 dargestellt. Der Druckverlauf Pz1a bezieht sich ebenso wie Verlauf Pz2a auf das herkömmliche Regelverfahren; entsprechend gelten, abgesehen von dem höheren Ladeluftdruck pLL1, die gleichen Erläuterungen, wie zu Verlauf Pz2a.

Dagegen ist in Fig. 1 deutlich zu erkennen, daß sowohl das Druckmaximum des Verlaufs Pz2a als auch der maximale Wert des Druckverlaufs Pz1a unterhalb der pmax-Grenze und damit dem theoretisch größtmöglichen Leistungsvermögen liegen.

Hierauf zielt nun die Erfindung ab, nämlich neben einer kurzfristig verfügbaren Leistungssteigerung auch gleichzeitig eine möglichst optimale Ausschöpfung des Leistungspotentials zur Beschleunigung des Motors zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird zunächst das herkömmliche Lastausregelverfahren beibehalten, um damit grundsätzlich dem Übergang des Motor-Betriebs vom stationären Ausgangsbetriebspunkt zum belastungsbedingt vorgegebenen Soll-Betriebspunkt höherer Laststufe auszuregeln. Zusätzlich wird nun im wesentlichen mit der Lastzuschaltung und dem damit gestarteten Regelmechanismus zur Beschleunigung des Motors der Förderbeginn verstellt. In Fig. 1 zeigt sich dies daran, daß unmittelbar nach der Lastaufschaltung zum Zeitpunkt t0, zu dem der Motorbetrieb durch den Druckverlauf Pz2a gekennzeichnet ist, daß Förderbeginn FB von dem bisher gewählten Kurbelwinkel φFBa nunmehr gezielt auf den für den vorherrschenden Motorbetriebszustand frühest möglichen Förderbeginn in Richtung "früh", auf den Kurbelwinkel φFBb, verstellt wird. Bei dem in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Beispiel wird der Förderbeginn FB beispielhaft um ein Δφ von 10° KW vorverstellt. Grundsätzlich ist der Betrag von Δφmax jedoch von der Auslegung des Motors abhängig.

Initiiert durch die Förderbeginnverstellung Δφ auf φFBb, setzt die Verbrennung nun mit einem systembedingten Einspritz- und Verbrennungsverzug nach einem Kurbelwinkel von Δφb zum Zeitpunkt φVBb ein. Entsprechend des obenbeschriebenen Einflusses des Förderbeginns FB auf dem Verbrennungs- und damit auch auf den Druckverlauf im Zylinder, stellt sich damit erfindungsgemäß ausgehend von VB2b der Druckverlauf Pz2b ein. Deutlich zu erkennen ist hierbei der gegenüber Verlauf Pz2a bedeutend früher einsetzende Druckanstieg.

Dieser mit vorliegender Erfindung gegenüber Verlauf Pz2a erreichte zusätzliche Druckaufbau Pz2b stellt die erfindungsgemäß erschlossene Leistungssteigerung dar, die zur Verbesserung der Lastannahme dient. Ebenso ermöglicht sie eine kurzfristig einsetzbare Erhöhung der Motorleistung in Betriebsbereichen, in denen speziell hoch aufgeladene Brennkraftmaschinen durch ihr systembedingtes träges Verhalten nicht in der Lage sind, das Leistungspotential des Motors auszuschöpfen.

Unter der Wirkung der Leistungserhöhung durch das Ansprechen des Reglers und der damit zugeregelten größeren Brennstoffmasse sowie der Förderbeginnverstellung, erreicht der Motor den Druckverlauf Pz1. Bleibt der Förderbeginn unverändert auf φFBb vorverstellt, so gestaltet sich der Druckverlauf bei dem mit zeitlicher Verzögerung erreichten höheren Ladeluftdruck pLL1 entsprechend des in Figur eingetragenen Verlaufs Pz1b.

Damit übersteigt der förderbeginngeregelte Zylinderinnendruck Pz, zunächst unerwünscht, den für stationären Betrieb zulässigen Spitzendruck im Zylinder pmax. Da jedoch durch eine solche Überschreitung eine größere Motorleistung zur Beschleunigung zur Verfügung stünde, ist in einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, eine zeitlich limitierte Überschreitung gezielt eingesetzt. Eine Überschreitung auf Dauer ist jedoch grundsätzlich unerwünscht.

Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht daher vor, den Zylinderdruck Pz und/oder den Ladeluftdruck pLL laufend zu überwachen und diese als eine Eingangsgröße zur Begrenzung der Förderbeginnverstellung zu verwenden. Sollte, wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine Zylinderdrucksteigerung über die pmax-Grenze hinaus vermieden werden, wird nach erfolgter Lastaufschaltung der Förderbeginn in Abhängigkeit des allmählichen ladeluftdruckabhängigen Druckanstiegs nach "spät" geregelt. In Fig. 1 ist die auf diese Weise ausgeregelte Wanderung der Lage des Druckpunktes bei Verbrennungsbeginn bei Einsatz der erfindungsgemäßen Förderbeginnverstellung während der Beschleunigung von pLL2 auf pLL1 als Verlauf 5 eingetragen. Bei erreichtem Ladeluftdruck pLL1 ist der Förderbeginn entsprechend auf den Kurbelwinkel φFBa gestellt, um damit das erlaubte Druckmaximum pmax einzuhalten.

Durch diese an den transienten Motorbetrieb angepaßte variable Förderbeginnverstellung ist eine dynamische Regelung unter Ausschöpfung des maximal zur Verfügung stehenden Leistungspotentials des Motors möglich.

Erfindungsgemäß wird also in dem obenbeschriebenen transienten Beschleunigungsbetrieb von abgasturboladeraufgeladenen Dieselmotoren zu erzielen, da bei diesem Einsatz ganz bewußt das durch das verzögerte Ansprechen des Abgasturboladers existierende Ladeluftdefizit zur Vorverstellung des Förderbeginns und zur Erhöhung der Leistungsausbeute genutzt und zur Optimierung der Abgabeleistung des Systems Abgasturbolader-Brennkraftmaschine eingesetzt.

Aufgrund dieser Bedeutung ist nachfolgend eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens mittels Umschalten des Regelbetriebs mit einem nach dynamischen Motorbetriebsgesichtspunkten verstellten variablen Förderbeginn in Fig. 2 bis 6 am Beispiel eines abgasturboladeraufgeladenen Generatordieselmotors aufgezeigt. Dieser Motor ist mit einer Motorbetriebsregelung und einem Einspritzsystem ausgestattet, das eine beliebige Verstellbarkeit des Förderbeginns zulassen. In den abgebildeten Diagrammen sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Betriebswerte denjenigen eines konventionell Frequenz gegenübergestellt.

In Fig. 2 ist schematisch der Verlauf des Lastdrehmoments ML über der Zeit t aufgetragen. Ausgehend von einem lastfreien Motorbetrieb nimmt das Lastmoment ML im Zeitpunkt t0 sprunghaft einen konstanten Mittelwert ML an, welcher über längere Zeit beibehalten wird. Dieses in Fig. 1 dargestellte idealisierte Lastprofil entspricht in etwa dem Belastungsfall bei Generatoraufschaltung, wo beispielsweise dem in Leerlauf betriebenen Antriebsmotor eines Notstromaggregats bei Stromausfall der Generator zugeschaltet wird, um binnen kürzester Zeit eine Stromversorgung mit konstanter Spannung und vorgegebener Stromstärke sicherzustellen.

Die Auswirkungen einer derartigen, plötzlichen Leistungsabforderung auf den zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl des Motors ist in Fig. 3 gezeigt. Zunächst wird der unbelastete Motor bei einer Leerlaufdrehzahl n0 betrieben, bis im Zeitpunkt t0 schlagartig die Last zugeschaltet wird, worauf die Motordrehzahl n ebenso abrupt auf einen niedrigeren Wert n1 abfällt. Dieser Drehzahleinbruch wird nahezu gleichzeitig mittels geeigneter Sensoren von der elektronischen Regeleinrichtung erfaßt die dann ausgehend von dem aufgenommenen Drehzahlsignal die zeitliche Änderung der Drehzahl, sprich den Motordrehzahlgradienten, ermittelt.

Der gemessene Motordrehzahlwert nmot wird kontinuierlich von der Regelelektronik mit einem vorgegebenen Drehzahlgrenzwert verglichen; unterschreitet die momentane Drehzahl dabei den hier auf die Drehzahl n1 gesetzten Grenzwert ist die erste Bedingung erfüllt und es wird, als zweite Bedingung, der zuletzt bestimmte Drehzahlgradient herangezogen.

Neben der Drehzahlerfassung und Gradientenermittlung können beispielsweise der Ladeluftdruck, die Turboladerdrehzahl oder aber auch die von der Gesamtlage abgenommene elektrische Leistung meßtechnisch aufgenommen und von der Regeleinrichtung zur Anpassung des Förderbeginns an den dynamischen Motorbetrieb verwertet werden.

Da der Gradient im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Unterschreiten des Drehzahlgrenzwerts n1 negatives Vorzeichen besitzt - was darauf hindeutet, daß die Motordrehzahl auch im weiteren zeitlichen Verlauf weiter abfallen würde -, wird der Förderbeginn erfindungsgemäß nach "früh" verstellt. In Fig. 4 ist hierzu der Kurbelwinkelverlauf φ ausgehend vom Förderbeginn bei stationärem Motorbetrieb als Bezugsnullinie über der Zeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt t0 setzt die Vorverstellung des Förderbeginns ein und erreicht im Zeitpunkt t1 den vorgesehenen Förderbeginn bei einem Kurbelwinkel von 10° vor OT.

Gleichzeitig mit der Förderbeginnverstellung wird von der Regelelektronik ebenfalls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nmot ein entsprechendes Steuersignal an den Kraftstoffregler abgegeben, worauf dieser dann in den Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge erhöht. Da die Kraftstoffmengenzufuhr neben dem Drehmoment auch an die Motordrehzahl gekoppelt ist, entspricht die erforderliche Füllungszustellung in der ersten Phase des Drehzahleinbruchs auf n1 bis zum Zeitpunkt t1 der Füllung konventioneller Motorregelung. Ab einem Regelweg s1 zeigt die erfindungsgemäße Förderbeginnverstellung erste Wirkung, worauf sich dann auch unterschiedliche Füllungsverläufe ergeben.

Sobald der Förderbeginn im Zeitpunkt t1 um den vorgesehenen Kurbelwinkel φ, hier 10° vor OT, nach "früh" verstellt ist, stellt sich im Brennraum ein Verbrennungsverlauf gemäß 2c in Fig. 1 ein. Die damit erreichte zusätzliche Steigerung des Zylinderdrucks Pz entspricht einer Erhöhung des inneren Wirkungsgrades und hat damit auch eine Zunahme des Motordrehmoments zur Folge. Dieses gegenüber herkömmlichen Motorregelverfahren erfindungsgemäß erzielte Leistungsplus wirkt einem weiteren Drehzahlabfall aktiv entgegen.

In Fig. 6 ist diese vorübergehende Leistungssteigerung anhand gemessener Zylinderdruckverläufe Pz im abgasturboladeraufgeladenen Motor verdeutlicht. Speziell aus diesem Diagramm, in dem der tatsächliche Zylinderdruck Pz des selben Motors einmal ausschließlich mit konventioneller Lastaustregelung durch entsprechende Reaktion des Drehzahlreglers dem Druckverlauf bei Lastausregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dynamischer Förderbeginnverstellung (gestrichelt dargestellt) gegenübersteht, ist der erreichte Leistungszugewinn anschaulich als die zwischen beiden Kurvenverläufen eingeschlossene Fläche A verkörpert.

Mit einsetzender Lastausregelung zum Zeitpunkt T0 mittels des Drehzahlreglers, steigt aufgrund der größeren, zugeführten Kraftstoffmenge der Zylinderdruck in bekannter Weise in Richtung des Pfeiles 1 an. Im selben Moment wird erfindungsgemäß nun auch der Förderbeginn nach "früh" verstellt, womit der in Fig. 1, Verlauf Pz2b gezeigte theoretisch erreichbare Zylinderinnendruck pzyl freigesetzt wird, welcher sich in der Fig. 6 in Form einer größeren Steigerung in der Druckkurve 5a und einem Anstieg auf einen höheren Druckwert p2 widerspiegelt. Dieses durch Verlagerung der Verbrennungskurve gewonnene Mehr an Leistung ist auch im weiteren Verlauf dem bisherigen Leistungsvermögen des Motors überlagert, so daß die Motordrehzahl nmot lediglich auf eine Drehzahl n2 abfällt, die deutlich höher liegt, als das Drehzahltief n3 bei konventioneller Regelweise. Demzufolge wird auch die Ausgangsdrehzahl n0 wieder früher erreicht, als ohne Förderbeginnverstellung.

Abgesehen von der angestrebten möglichst großen Leistungserhöhung zur Motorbeschleunigung, sollte das Leistungspotential für den Motor schadfrei ausgeschöpft werden. Um die vorgegebenen Belastungsgrenzen auch trotz Förderbeginnverstellung nicht zu überschreiten, wird ein Druckschwellwert vorgegeben, mit dem der aktuelle Zylinderinnendruck laufend verglichen wird. Mit zunehmender Erholung der Anlage, die durch eine Zunahme des Drehzahlgradienten (positives Vorzeichen) und/oder Überschreiten des vorgegebenen Drehzahlgrenzwerts erkannt werden kann, wird der Förderbeginn im Zeitpunkt T3 wieder nach "spät", beispielsweise auf den Kurbelwinkel φFBa, zurückgestellt. Der Rückstellzeitpunkt bzw. das Rückstellkriterium kann abgesehen von den vorgegebenen Motorbelastungsgrenzen ferner an andere aktuelle Betriebskenngrößen, wie z. B. den Ladedruck, gekoppelt sein, um somit die vorübergehende Leistungssteigerung in einer Weise regeln zu können, die ein möglichst schnelles Ausregeln des Motors auf den der Belastung entsprechenden Betriebspunkt ermöglicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eines nach dynamischen Motorbetriebspunkten verstellten variablen Förderbeginns, kann somit der indizierte Mitteldruck unter Ausnutzung der gegebenen mechanischen Grenzen jederzeit bei Bedarf dadurch maximiert werden, daß der ansonsten bei abgasturboladeraufgeladenen Dieselmotoren durch das Betriebsverhalten eines Turboladers zwangsweise bedingte, verzögerte Ladedruckaufbau durch eine entsprechend leistungssteigernde Beeinflussung des Verbrennungsprozesses leistungserzeugend ausgenutzt werden kann. Bezugszeichenliste 4Druckanstiegsrichtung

5Lage des VB-Druckpunktes

pz1aDruckverlauf bei FB "spät"

pz2aDruckverlauf bei FB "spät"

pz1bDruckverlauf bei Förderbeginn "früh"

pz2bDruckverlauf bei Förderbeginn "früh"

pzylZylinderinnendruck

φKurbelwinkel

φFBbFörderbeginn, früh

φFBaFörderbeginn, stationär

pLL1Ladeluftdruck

pLL2Ladeluftdruck

φ0Gaswechselventile schließen

Δφmaxmaximale Förderbeginnverstellung

ΔφbEinspritz- und Zündverzugwinkel

αVBaVerbrennungsbeginn

αVBbVerbrennungsbeginn

Δppotmotorbeschleunigungsabhängiges Druckpotential

pmaxmaximal zulässiger Zylinderinnendruck (Belastungsgrenze)


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Regelung des Lastannahmeverhaltens einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Turboladern, insbesondere eines Dieselmotors mit Abgasturboaufladung als Antrieb eines Elektrizitätserzeugers, bei dem die Brennkraftmaschine über die Kraftstoffzufuhr in Abhängigkeit mindestens einer Betriebskenngröße im wesentlichen in optimierten stationären Betriebszuständen jeweils den Motoranforderungen entsprechend betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ausgehend vom Regelbetrieb nach stationären Gesichtspunkten in Betriebsbereichen mit auftretender Drehzahldrückung des Motors vorübergehend eine dynamische lastabhängige und in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors erfolgende Förderbeginnvorverstellung vorgesehen ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ausgehend von gemessenen Drehzahlsignalen der Drehzahlgradient ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn vorübergehend nach früh verstellt wird, wenn der Drehzahlgradient negatives Vorzeichen annimmt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zeitpunkt einer Lastzuschaltung ein Signal an die Kraftstoffzufuhrregelung gegeben wird, worauf der Förderbeginn vorübergehend nach früh verstellt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn beim Auftreten der Drehzahldrückung des Motors für eine festgelegte Zeitperiode nach früh verstellt und, nachdem die festgelegte Zeitperiode verstrichen ist, auf den dem auszuregelnden stationären Betriebszustand höherer Laststufe entsprechend Förderbeginn verstellt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn in transienten Beschleunigungsbereichen der Brennkraftmaschine so lange nach früh verstellt wird, bis die Brennkraftmaschine die nach Lastzuschaltung auszuregelnde höhere Laststufe erreicht hat.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderbeginn unmittelbar auf ein frühesten Zeitpunkt bzw. Kurbelwinkel verstellt wird und daran anschließend der Förderbeginn in Abhängigkeit mindestens einer Motorbetriebsgröße nach momentanen Motorbetriebsgesichtspunkten in Richtung spät ausgeregelt wird, bis die Brennkraftmaschine in den Betriebspunkten höherer Laststufe geregelt ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebspunkt höherer Laststufe dann erreicht ist, wenn der Drehzahlgradient eine bestimmte positive Steigung angenommen hat und/oder ein vorgegebener Drehzahlschwellwert überschritten wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausregeln des Förderbeginnzeitpunkts nach spät in Abhängigkeit des Ladedrucks erfolgt.






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