Verfahren zur Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschine

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine und einen Drehzahl-Regelkreis zur Durchführung des Verfahrens.

Die Drehzahl einer Brennkraftmaschine, welche die Häufigkeit der Umdrehungen der

Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit bezeichnet, wird üblicherweise im Betrieb geregelt, insbesondere in bestimmten Zeiträumen konstant gehalten. Hierzu wird ein Drehzahlregler eingesetzt, der den Betrieb der Brennkraftmaschine durch Vorgabe einer Stellgröße derart beeinflusst, dass die Drehzahl auf dem vorgegebenen Niveau, das einer Soll-Drehzahl entspricht, möglichst konstant gehalten wird, wobei Störeinflüsse reduziert werden. Es sind unterschiedliche Arten von Reglern bekannt, deren Verhalten durch Reglerparameter bestimmt und durch deren Wahl beeinflussbar ist.

Die Druckschrift DE 10 2004 023 993 AI beschreibt ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Brennkraftmaschinen-Generatoreinheit mit einer Kupplung während des Startvorgangs. Bei dem Verfahren wird nach Beginn der ersten Hochlauframpe mit Erkennen des Schließens der

Kupplung von einem ersten Parametersatz auf einen zweiten Parametersatz gewechselt, woraufhin der erste Parametersatz deaktiviert wird. Im zweiten Parametersatz wird eine zweite Hochlauframpe als maßgeblich für die Vorgabe der Soll-Drehzahl gesetzt. Bei dem beschriebenen Verfahren werden somit Reglerparameter in Abhängigkeit eines

Kuppelsignals umgeschaltet. Dieses Kuppelsignal muss als externes Signal verfügbar sein.

Stellgröße des beschriebenen Drehzahlreglers ist die Kraftstoff-Einspritzmenge. Somit ist ein Einsatz bei Systemen mit mehreren Kraftstoffen nicht ohne weiteres möglich. Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Drehzahl-Regelkreis gemäß Anspruch 12 vorgestellt. Es wird somit ein Verfahren beschrieben, mit dem die Motordrehzahl einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Brennkraftmaschine mit einem Common-Rail-Einspritzsystem, geregelt werden kann, auch wenn ein oder mehrere Kraftstoffe unterschiedlicher Sorte pro Zylinder eingespritzt werden. Dabei wird die Kraftstoffenergie pro Einspritzung als Ausgangsgröße des Drehzahlreglers bzw. als Stellgröße des Drehzahlregelkreises verwendet, so dass der Einsatz bei Systemen mit zwei oder mehr Kraftstoffen möglich ist. Die Reglerparameter werden über intern verfügbare Signale, bspw. die Motordrehzahl, die Kraftstoffenergie und die Drehzahl- Regelabweichung, nachgeführt. Weiterhin kann ein Einsatz des Loadsignals zur Verbesserung der Drehzahlregler-Dynamik eingesetzt werden. Unter Kraftstoffenergie wird der für eine Kraftstoffsorte typische Energieinhalt des Kraftstoffs pro Einspritzung verstanden.

Der beschriebene Drehzahlregler kann automatisch an das betriebspunktabhängige Verhalten der Regelstrecke angepasst werden. Eine bessere Dynamik des Drehzahl-Regelkreises wird erreicht durch Berechnung des Proportionalbeiwerts in Abhängigkeit der Drehzahl-Regelabweichung sowie durch Einsatz des Loadsignals.

Zu beachten ist, dass als Stellgröße des Drehzahlreglers die Kraftstoff-Gesamtenergie und nicht wie bei bisher bekannten Drehzahlreglern das Sollmoment bzw. die Einspritzmenge verwendet wird.

Das vorgestellte Verfahren weist, zumindest in Ausgestaltung, insgesamt folgende Merkmale auf:

Der Drehzahl-Regelkreis ist Kraftstoffenergie-basiert, d. h. die Stellgröße des Drehzahl- Regelkreises ist die für einen Verbrennungsvorgang pro Zylinder eingespritzte Kraftstoff- Gesamtenergie. Das Reglerverhalten wird in Abhängigkeit von Reglerparametern berechnet. Dabei wird ein stationärer Proportionalbeiwert proportional zur Kraftstoffenergie und umgekehrt proportional zur Motordrehzahl berechnet. Der stationäre Proportionalbeiwert kann nach unten begrenzt werden.

Das Reglerverhalten kann weiterhin in Abhängigkeit eines zweiten Reglerparameters, dem dynamischen Proportionalbeiwert, angepasst werden, wobei der dynamische

Proportionalbeiwert zusätzlich von der Drehzahl-Regelabweichung abhängt. Der Proportionalitätsfaktor des stationären Proportionalitätsbeiwerts besteht aus zwei Multiplikatoren, wobei ein erster Multiplikator von der Anwendung abhängig ist und bei der Anwendung Schiff den Wert 2 und bei der Anwendung Generator den Wert 1 hat. Ein zweiter Multiplikator spiegelt eine vom Betreiber vorgebbare Rreisverstärkung des offenen Drehzahlregelkreises wider und ist unabhängig von der Anwendung.

Der Proportional-Anteil des Drehzahlreglers wird in Abhängigkeit des dynamischen

Proportionalbeiwerts berechnet.

Der integrierende Anteil des Drehzahlreglers wird in Abhängigkeit des stationären

Proportionalbeiwerts berechnet.

Der differentielle Anteil des Drehzahlreglers wird in Abhängigkeit des stationären

Proportionalbeiwerts berechnet.

Ein weiterer Reglerparameter, die Vorhaltzeit, wird zur Berechnung des differentiellen Anteils linear über die Kraftstoffenergie nachgeführt. Zur Verbesserung der Dynamik des Drehzahlreglers kann einem Ausgangssignal des Drehzahlreglers ein Kraftstoffenergie-Loadsignal aufaddiert werden, wobei das

Kraftstoffenergie- Loadsignal aus einem Anlagensignal berechnet wird, das bei auftretender Lastschaltung erzeugt wird. Der dynamische Proportionalbeiwert hängt von der Drehzahl-Regelabweichung ab und verbessert die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises.

Das Verfahren kann in einem Drehzahlregelkreis insbesondere auch bei Sytemen eingesetzt werden, bei denen zwei oder mehr Kraftstoffe unterschiedlicher Sorte für einen

Verbrennungsvorgang eingespritzt werden (Diesel, Benzin,....).

Das vorgestellte Verfahren hat, zumindest in einigen der Ausführungen, eine Reihe von Vorteilen. Da die Stellgröße des Drehzahl-Regelkreises die Kraftstoff-Gesamtenergie ist, kann der Drehzahl-Regelkreis bei Motoren zum Einsatz kommen, bei denen auch zwei oder mehrere Kraftstoffe eingespritzt werden. Durch Nachführung des stationären Proportionalbeiwerts über die Kraftstoffenergie und die Motordrehzahl wird die betriebspunktabhängige stationäre

Verstärkung des Motors invertiert und der Drehzahlregler damit so an die Regelstrecke angepasst, dass das Verhalten des Drehzahl-Regelkreises weitgehend unabhängig vom

Betriebspunkt wird. Zudem sind eine Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Drehzahl- Regelkreises durch Verwendung des von der Drehzahl-Regelabweichung abhängigen

dynamischen Proportionalbeiwerts bei der Berechnung des Proportionalanteils und eine

Verbesserung des dynamischen Verhaltens des Drehzahl-Regelkreises durch Aufschalten einer Loadsignal-Kraftstoffenergie auf den Ausgang des PI(DTi)-Drehzahlreglers möglich.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.

Figur 1 zeigt eine Ausführung eines Drehzahl-Regelkreises zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens. Figur 2 zeigt einen diskreten Algorithmus eines Pl DT -Drehzahlreglers. Figur 3 zeigt die Berechnung eines dynamischen Proportionalbeiwerts. Figur 4 zeigt die Berechnung eines statischen Proportionalbeiwerts.

Figur 5 zeigt die Berechnung einer Vorhaltzeit tv.

Figur 6 zeigt die Berechnung eines Lastsignals. Figur 1 stellt in einem Blockschaltbild einen Drehzahl-Regelkreis dar, der insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Dieser Drehzahl-Regelkreis 10 arbeitet Kraftstoffenergie-basiert. Die Darstellung zeigt einen Regler 12, in diesem Fall einen PI DT -Regler, einen Block 14 zur Begrenzung einer Kraftstoffenergie, ein Filter 16, ein Drehzahlfilter 18, ein Motormanagement 20 und eine Brennkraftmaschine 22. An Stelle eines P^DT^-Reglers können insbesondere auch ein PI-Regler, PID-Regler oder (PID) T Regler Verwendung finden.

Eingangssignal des Drehzahl-Regelkreises 10 ist die Solldrehzahl 30. Die Differenz von dieser Solldrehzahl 30 und der gemessenen Motordrehzahl 32 stellt die Drehzahl-Regelabweichung 34 dar. Die Drehzahl-Regelabweichung 34 ist die Eingangsgröße des PI DT -Drehzahlreglers 12. Ausgangsgröße des P^DT^-Drehzahlreglers ist die PliDT -Kraftstoffenergie 36, welche auf eine Einspritzung für einen Verbrennungsvorgang eines Zylinders der Brennkraftmaschine bezogen ist. Der Ausgangsgröße 36 des Drehzahlreglers 12 wird die Loadsignal- Kraftstoffenergie 38 aufaddiert. Diese Addition stellt eine Störgrößenaufschaltung dar. Sie dient dazu, die Dynamik des Drehzahlreglers 12 zu verbessern. Die Summe von Drehzahlregler- Ausgang 36 und Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 wird anschließend nach oben auf die maximale Kraftstoffenergie 40 und nach unten auf die negative Kraftstoff-Reibenergie 42 pro Zylinder durch Block 14 begrenzt. Die maximale Kraftstoffenergie 40 hängt dabei von der Motordrehzahl, dem Ladeluftdruck und weiteren Größen ab. Die begrenzte Kraftstoffenergie 44 stellt die Stellgröße des

Drehzahlregelkreises dar und ist ebenfalls auf eine Einspritzung bezogen. Der begrenzten Kraftstoffenergie wird anschließend die Kraftstoff-Reibenergie 46 aufaddiert. Unter Kraftstoff- Reibenergie 46 wird die Kraftstoffenergie verstanden, welche den Reibungsverlusten der Brennkraftmaschine entspricht. Reibungsverluste sind dabei u. a. Reibungsverluste in den

Zylindern der Brennkraftmaschine. Die Summe der benötigten Kraftstoffenergie wird schließlich an das Motormanagement 20 übergeben und von diesem in die Einspritzmenge umgerechnet. Bei einem Diesel-Einspritzsystem ist dies die Einspritzmenge 48 und bei einem Einspritzsystem mit Diesel- und Benzineinspritzung (Dual-Fuel-Einspritzung) zusätzlich die Benzin-Einspritzmenge 50. Die Motordrehzahl 52 wird erfasst und mit Hilfe des Drehzahlfilters 18 gefiltert.

Ausgangsgröße des Drehzahlfilters 18 ist die gemessene Drehzahl 32.

Figur 2 zeigt den zeitdiskreten Algorithmus des P^DT^-Drehzahlreglers, der insgesamt mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist. Die Ausgangsgröße 36 des Drehzahlregler- Algorithmus ist eine Summe von drei Anteilen: dem Proportionalanteil 74, dem integrierenden Anteil 76 und dem DT i -Anteil 78. Der Proportionalanteil 74 stellt hierbei das Produkt von Drehzahl- Regelabweichung 34 und dem sogenannten dynamischen Proportionalbeiwert 80 dar. Der dynamische Proportionalbeiwert 80 ist ein Reglerparameter des Drehzahlregler- Algorithmusses, die Berechnung dieses Parameters wird in Figur 3 detailliert dargestellt.

Der integrierende Anteil 76 des Drehzahlreglers, der I- Anteil, stellt die Summe von aktuellem, um einen Abtastschritt (Verzögerungsglied 82) verzögerten, begrenzten integrierenden Anteil und dem Produkt des Verstärkungsfaktors 84 und der Summe von aktueller und um einen Abtastschritt (Verzögerungsglied 86) verzögerter Drehzahl-Regelabweichung 34 dar. Der integrierende Anteil des Drehzahlreglers wird dabei nach oben auf die maximale

Kraftstoffenergie 40 und nach unten auf die negative Kraftstoff-Reibenergie 42 begrenzt.

Die Berechnung des DTVAnteils 78 ist im unteren Teil von Figur 2 dargestellt. Der DT Anteil 78 ergibt sich als Summe zweier Produkte. Das erste Produkt 92 entsteht aus der Multiplikation des Faktors 94 mit dem um einen Abtastschritt (Verzögerungsglied 96) verzögerten DT i -Anteil 78. Das zweite Produkt 98 ergibt sich aus der Multiplikation des Faktors 100 mit dem Ausgang eines Schalters 102. Je nachdem, in welcher Position sich der Schalter 102 befindet, wird der Faktor 100 entweder mit der Differenz von aktueller Drehzahl-Regelabweichung 34 und um einen Abtastschritt verzögerter (Verzögerungsglied 86) Drehzahl-Regelabweichung

(Schalterstellung 1) oder mit der Differenz von um einen Abtastschritt verzögerter

(Verzögerungsglied 108) gemessener Motordrehzahl und aktueller gemessener Motordrehzahl 32 (Schalterstellung 2) multipliziert. Die Schalterstellung 2 wird hierbei immer dann favorisiert, wenn sich die Motorsolldrehzahl 30 nicht oder nur wenig, wie bspw. bei Generatoranwendungen, ändert. Die Verstärkungsfaktoren 84 und 100 des I- Anteils bzw. des DT _V Anteils hängen vom sogenannten stationären

Proportionalbeiwert kpStat ab, während der Proportionalanteil vom dynamischen

Proportionalbeiwert 80 abhängt. Die Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat erfolgt nach: kpStat = (f*v*E ^I _S oii) / n _ii Hierbei ist die gemessene Motordrehzahl n, _st durch das Bezugszeichen 32 und der integrierende Anteil E's _ol i durch das Bezugszeichen 76 gekennzeichnet. Der stationäre Proportionalbeiwert ist damit proportional zum integrierenden Anteil E'soii und umgekehrt proportional zur gemessenen Motordrehzahl n _ls t. Der Proportionalitätsfaktor ist das Produkt zweier Multiplikatoren. Der erste Multiplikator ist der Faktor f, der zweite Multiplikator ist die Kreisverstärkung v.

Der Faktor f hängt von der Anwendung ab. Bei der Anwendung Schiff nimmt f den Wert 2, bei der Anwendung Generator den Wert 1 an. Die Kreisverstärkung v kann vom Betreiber vorgegeben werden, es handelt sich dabei um die dimensionslose Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises. Nimmt v große Werte an, so ist die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises groß, nimmt v hingegen kleine Werte an, so ist die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises klein. Der stationäre Proportionalbeiwert kpStat wird nach unten auf den vorgebbaren minimalen Proportionalbeiwert kpmin begrenzt: kpStat > kpmin

Figur 3 stellt die Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 dar. Der dynamische Proportionalbeiwert 80 berechnet sich additiv aus dem stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 und einem von der Drehzahl -Regelabweichung 34 abhängigen Anteil 154. Dieser wird dann aktiviert, wenn Schalter 156 die Stellung 1 annimmt. Nimmt der Schalter 156 hingegen die Stellung 0 an, so ist der dynamische Proportionalbeiwert 80 mit dem stationären

Proportionalweiwert kpStat 152 identisch.

Der Schalter 156 nimmt die Stellung 1 an, wenn der Schalter 158 in die Stellung 2 wechselt. In diesem Fall schaltet der Schalter 158 eine logische 1 auf den Schalter 156 durch, wodurch dieser die Stellung 1 annimmt. Der Schalter 158 nimmt die Stellung 2 an, wenn das Signal 160 den logischen Wert 1 hat. Dies ist dann der Fall, wenn die gemessene Motordrehzahl 32 größer oder gleich als die vorgebbare Aktivierungsdrehzahl 164 wird und die Drehzahl-Regelabweichung 34 gleichzeitig kleiner oder gleich als der Wert 0 wird. Für den Startvorgang des Motors bedeutet dies folgendes: Erreicht die Motordrehzahl 32 nach dem Start des Motors die

Aktivierungsdrehzahl 164, bspw. 1500 1/min, und erreicht die Motordrehzahl 32 gleichzeitig die Solldrehzahl 30 (Drehzahl-Regelabweichung identisch 0), so wechselt der Schalter 156 in die Stellung 1 , wodurch der dynamische Proportionalbeiwert 80 additiv aus dem stationären

Proportionalbeiwert kpStat 152 und einem von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängigen Anteil 154 berechnet wird. Wird ein Motorstillstand erkannt, so hat das logische Signal 165 den Wert 1 und der Schalter 158 nimmt die Stellung 1 an. Damit wird vom Schalter 158 eine logische 0 durchgeschaltet, wodurch der Schalter 156 die Stellung 0 annimmt. In diesem Fall ist der dynamische Proportionalwert 80 wieder mit dem stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 identisch.

Der von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängige Anteil 154 wird folgendermaßen berechnet: Wird die Drehzahl-Regelabweichung 34 größer als der vorgebbare Wert e ^min _pos , so wird der von der Drehzahl-Regelabweichung 34 abhängige additive Anteil 154 des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 so lange linear erhöht, bis die Drehzahl-Regelabweichung 34 den Wert e _max erreicht. Bei einer weiteren Vergrößerung der Drehzahl-Regelabweichung bleibt der additive Anteil 154 konstant. Ist die Drehzahl-Regelabweichung 34 hingegen negativ und kleiner als der vorgebbare Wert e ^mm _neg , so wird der additive Anteil 154 so lange linear erhöht, bis die Drehzahl-Regelabweichung 34 den negativen vorgebbaren Wert e _max erreicht. Wird die

Drehzahl-Regelabweichung weiter verkleinert, so bleibt der additive Anteil 154 wiederum konstant.

Mit der Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts 80 in Abhängigkeit der Drehzahl- Regelabweichung 34 kann die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises bei instationären Vorgängen, insbesondere bei Lastauf- und Lastabschaltvorgängen, entscheidend verbessert werden, da bei Auftreten einer Drehzahl-Regelabweichung eine Erhöhung des Proportionalbeiwerts des

Drehzahlreglers und damit auch des Proportionalanteils erfolgt.

Figur 4 zeigt die Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat 152. Ist die

Motordrehzahl nj _St 32 gleich 0, so nimmt der Schalter 200 die Stellung 1 an, womit der Wert 80 durchgeschaltet wird. Ist die Motordrehzahl nj _st 32 hingegen ungleich 0, so wird die

Motordrehzahl nj _st 32 auf den vorgebbaren Wert n _m j _n 202 nach unten begrenzt und vom Schalter 200 durchgeschaltet, da dieser in diesem Fall die Stellung 0 annimmt. Anschließend wird vom Ausgangswert des Schalters 200 der Kehrwert 206 (Block 204) gebildet. Dieser Kehrwert 206 wird mit dem Faktor f 208, der Kreisverstärkung v 209 und dem auf den vorgebbaren Wert E _m i _n 210 nach unten begrenzten I- Anteil E's _o ii 212 multipliziert. Das Ergebnis 214 dieser

Multiplikation wird noch auf den vorgebbaren Wert kpmin 216 begrenzt und stellt den stationären Proportionalbeiwert kpStat 152 dar. Insgesamt wird also kpStat 152 folgendermaßen berechnet: kpStat = (f*v*E ^I soii) / n _ist (1)

l ist— ⁿ min

kpStat > kpmin

mit f = 1 (Generator)

f = 2 (Schiff)

Der I- Anteil E^oii muss nach unten auf den Wert E _mln begrenzt werden, damit der stationäre Proportionalbeiwert kpStat nicht zu klein bzw. identisch 0 wird und damit der Drehzahlregler keine zu geringe Dynamik aufweist. Bei einem Proportionalbeiwert von 0 wäre der

Proportionalanteil des Drehzahlreglers nicht mehr aktiv. Die Motordrehzahl nj _St muss nach unten zumindest auf die Erfassungsgrenze der Motordrehzahl begrenzt werden, diese beträgt bspw. 80 1/min. Zur weiteren Sicherheit wird kpStat schließlich insgesamt noch auf den unteren

Grenzwert kpmin begrenzt.

Alternativ an Stelle des I- Anteils E'soii kann die gefilterte Kraftstoffenergie E _So ii ^Gefiltert 53 zur Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat verwendet werden: kpStat = (f*v*E _So ii ) / n, ist mit

E Gefiltert J

Soll — Ε-πώ kpStat > kpmin mit f = 1 (Generator)

f = 2 (Schiff)

Die Gleichung (1) stellt das Regelgesetz des Kraftstoffenergie-basierten Drehzahlreglers dar. Dieses Regelgesetz charakterisiert die Berechnung des stationären Proportionalbeiwerts kpStat. Der stationäre Proportionalbeiwert kpStat ist proportional zur Kraftstoffenergie E'soii bzw. Esoii ^Gefiltert und umgekehrt proportional zur Motordrehzahl η; _8ΐ . Der Proportionalitätsfaktor ist dabei ein Produkt zweier Multiplikatoren: des Faktors f und der Kreisverstärkung v, wobei der Faktor f von der Anwendung abhängt und die Kreisverstärkung v vom Betreiber vorgegeben wird.

Zur Herleitung des Regelgesetzes werden Motor und Anlage als Einmassen-Schwinger modelliert. Wird der Drallsatz auf diesen Einmassen-Schwinger angewandt, so ergibt sich für den Fall des Propeller-Antriebs (Anwendung Schiff) folgende Gleichung:

Θ * dw/dt = M _m - k _B * n _ist ² mit Θ = GMotor + ©Last

Θ - Gesamtträgheitsmoment [kg m ² ]

w - Winkelgeschwindigkeit [1/s]

M _m - Motormoment [Nm]

k _B - Proportionalitätsfaktor [Nm min ² ]

n, _st - Motordrehzahl [1/min]

Die Winkelgeschwindigkeit w wird folgendermaßen berechnet:

Damit ergibt sich folgendes nichtlineares Modell des Einmassen-Schwingers: Θ * 2 pi * dn _ist /dt + k _B * n _ist ² = M _m

Wird diese Gleichung linearisiert, so ergibt sich folgendes lineares Modell des Einmassen- Schwingers:

Θ * 2 * pi *d(Än) / dt + 2 * k _B * n _Bet * Δη = ΔΜ, mit n _Be t: Motordrehzahl-Betriebspunkt, in welchem linearisiert wird Δη, AM _m : Abweichungen der Motordrehzahl und des Motormoments aus dem Betriebspunkt Für die Übertragungsfunktion des Einmassen-Schwingers gilt damit: G(s) = An(s) / AM _m (s) = k _m / (1+T _m *s) mit

Die Kraftstoffenergie E _So ii pro Einspritzung hängt mit dem Motormoment M _m folgendermaßen zusammen:

E _S oii = (pi *M _m ) / (250*z*r,) mit

Esoii - Kraftstoffenergie pro Einspritzung [kJ]

M _m - Motormoment [Nm]

z - Zylinderzahl [ ]

η - Nutzwirkungsgrad [ ]

Damit gilt für das Motormoment M _m : M _m = kv * E _S oii (3) mit kv = (250*z* η) / pi Im Betriebspunkt (M _m ^e , Es ₀ n ^e ) gilt somit

M _m ^Bet = k _v Bet

isoii (4)

Für das Lastmoment gilt:

M _L ^DCl = k _B *n _Be t ² Damit gilt k _B *n _Bet = M _L ^Bet /n _Bet (5)

Für die Verstärkung des Motors gilt: v _m k _v * k _m Mit (2) gilt:

v _m = k _v *[l/(2*k _B *n _Bet )]

Mit (5) ergibt sich:

v _m =(k _v *n _Bet )/(2*M _L ^Bet )

Im Stationärbetrieb sind Motormoment und Lastmoment identisch: M _m ^Bet = M _L ^Bet

Damit gilt: v _m = (k _v *n _Bet )/(2*M _m ^Bet )

Mit (4) gilt: v _m = (k _v *n _Bet )/(2*k _v *E _Soll ^Bet )

Damit gilt für die stationäre Verstärkung des Motors: n _B et/ (2*Esou ^Bet ) (6)

Für die Kreisverstärkung v des offenen Drehzahl-Regelkreises gilt: v = kpStat * v _m

Damit ergibt sich folgendes Regel gesetz: kpStat = (2*v*E _So ii ^Bet ) / riBet mit

kpStat - stationärer Proportionalbeiwert [kJ min ] v - Kreisverstärkung [ ]

n _Be t - Motordrehzahl [1/min]

E _So „ ^Bet - Kraftstoff-Sollenergie [kJ]

Wird für Es ₀ n ^Bet der I- Anteil des Drehzahlreglers verwendet und für nßet die gemessene Drehzahl n, _st , so ergibt sich folgende Gleichung für die Anwendung Schiff: kpStat = (2*v*E ¹ soii) / n _ist (Schiff)

Bei der Anwendung Generator gilt ein linearer Zusammenhang zwischen dem Lastmoment M _L und der Motordrehzahl nj _St . Dies führt zu einem geänderten Multiplikationsfaktor im

Regelgesetz: kpStat = (v*E'soii) njst (Generator)

Insgesamt ergibt sich damit o.a. Regelgesetz (1): kpStat = (f*v*E ^I soii) / n _ist mit

f = 1 (Generator) f = 2 (Schiff)

kpStat > kpmin

Mit diesem Regelgesetz wird die Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises über den gesamten Betriebsbereich konstant gehalten. Gleichung (6) zeigt, dass die Verstärkung des Motors bei kleiner Motordrehzahl klein und bei hoher Motordrehzahl groß ist. Bei kleiner Kraftstoffenergie ist die Verstärkung des Motors groß und bei großer Kraftstoffenergie, also hoher Last, klein. Da entsprechend voranstehend genanntem Regelgesetz bei kleiner

Motordrehzahl ein großes kpStat und bei großer Motordrehzahl ein kleines kpStat berechnet wird, wird insgesamt die Kreisverstärkung des offenen Drehzahl-Regelkreises konstant gehalten. Dasselbe gilt für die Kraftstoffenergie: Bei kleiner Kraftstoffenergie wird ein kleines kpStat und bei großer Kraftstoffenergie ein großes kpStat berechnet, wodurch die Kreisverstärkung auch in diesem Fall insgesamt konstant gehalten werden kann.

Die Kreisverstärkung v ist ein vorgebbarer Parameter. Durch Vergrößerung dieses Parameters kann die Dynamik des Drehzahl-Regelkreises erhöht werden. Das Regelgesetz in der

beschriebenen Form zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

- Stationärer Proportionalbeiwert kpStat wird linear über die Kraftstoffenergie nachgeführt.

- Stationärer Proportionalbeiwert ist umgekehrt proportional zur Motordrehzahl. - Stationärer Proportionalbeiwert ist proportional zur Kreisverstärkung v, welche vom Betreiber vorgegeben werden kann.

- Stationärer Proportionalbeiwert ist bei Schiffs- Anwendung doppelt so groß wie bei

Generator-Anwendung.

- Stationärer Proportionalbeiwert wird nach unten auf den vorgebbaren Wert kpmin begrenzt.

Die Vorhaltzeit tv wird in Figur 2 verwendet, um den Verstärkungsfaktor 100 des DIVAnteils zu berechnen. Die Vorhaltzeit tv kann dabei konstant oder alternativ, wie in Bild 5 dargestellt, in Abhängigkeit der Kraftstoffenergie berechnet werden. Als Kraftstoffenergie kann dabei entweder der I- Anteil E'soii des Drehzahlreglers oder alternativ die gefilterte Kraftstoff- Sollenergie Esoii ^Gefiltert verwendet werden. Figur 5 zeigt den Verlauf der Vorhaltzeit tv 250 in Abhängigkeit der Kraftstoffenergie 248. Die Darstellung zeigt, dass die Vorhaltzeit tv 250 mit dem Wert tv _m i _n 252 identisch ist, wenn die Kraftstoffenergie kleiner als der vorgebbare Wert Ε„ύ _η 254 ist. Ist die Kraftstoffenergie größer als der vorgebbare Wert E _max 256, so ist tv mit dem Wert tv _max 258 identisch. Ist die

Kraftstoffenergie größer als E _m j _n 254 und kleiner als E _max 256, so wird tv 250 linear über die Kraftstoffenergie 248 nachgeführt. Die Werte tVmin 252 und tv _max 258 können vom Betreiber vorgegeben werden.

Figur 1 zeigt, dass dem Ausgang 36 des PI(DTi)-Drehzahlreglers die Loadsignal- Kraftstoffenergie 38 aufaddiert wird. Die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 stellt dabei eine Störgröße des Drehzahl-Regelkreises dar. Sie hat die Aufgabe, die Dynamik des Drehzahlreglers bei instationären Vorgängen, bspw. bei Lastauf- und Lastabschaltvorgängen, zu verbessern.

Figur 6 zeigt die Berechnung der Loadsignal-Kraftstoffenergie 38. Die Loadsignal- Kraftstoffenergie wird aus einem Anlagensignal berechnet,bei dem es sich bspw. um ein

Generator- Leistungssignal handelt. Das Anlagensignal wird als 0 ... 10 Volt- oder 4 ... 20 mA - Signal vom Betreiber der Anlage zur Verfügung gestellt. Hat der Schalter 341 die Stellung 1, so wird ein Spannungssignal U (0 ... 10 Volt) verwendet, hat der Schalter 341 die Stellung 2, so wird ein Stromsignal I (4 ... 20 mA) verwendet. Das jeweilige Eingangssignal 302 bzw. 304 wird zunächst über eine 2-dimensionale Kurve 306 bzw. 308 in Prozent umgerechnet. Es ergibt sich das in Prozent definierte Signal 310. Die vorgebbare maximale Loadsignal-Kraftstoffenergie 312, z. B. identisch mit dem Wert 20000 J, wird durch den Wert 100 dividiert und mit diesem in Prozent umgerechneten Wert multipliziert. Das Ergebnis 316 dieser Multiplikation wird nun durch ein DTi -Glied 318 verstärkt. Die vorgebbaren Parameter des DTi-Algorithmusses sind die Vorhaltzeit tVLoad und die

Verzögerungszeit Load. Beide Parameter sind als Eingangsgrößen des Blocks 318 dargestellt. Der Ausgang 320 des DTi -Systems 318 wird von dem Block "Hysterese" 322 folgendermaßen verarbeitet: Überschreitet der Ausgang des DTVSystems einen oberen Grenzwert, bspw. 1000 J, oder unterschreitet dieser einen unteren Grenzwert, bspw. -1000 J, so wird der Ausgang des DTV Systems durchgeschaltet, d. h. aktiviert. In diesem Fall ist der Ausgang 324 des Hysterese- Blocks identisch mit dem Ausgang des DTrSystems. Unterschreitet der Ausgang des DTr Systems hingegen betragsmäßig einen weiteren Grenzwert, bspw. 50 J, so wird dieser

abgeschaltet, d. h. in diesem Fall ist der Ausgang des Hysterese-Blocks identisch 0. Die

Grenzwerte sind als Eingangsgrößen des Blocks 322 dargestellt.

Die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 ist mit dem Ausgang 324 des Hysterese-Blocks 322 identisch, wenn der Schalter 330 die Stellung 1 einnimmt. Dies ist dann der Fall, wenn die Motordrehzahl 32 größer oder gleich als die vorgebbare Drehzahl 334 wird und der Parameter "Load Signal Aktiv" 340 gleichzeitig identisch 1 ist. Dies bedeutet, dass die Loadsignal- Kraftstoffenergie 38 freigeschaltet wird, wenn die Motordrehzahl 32 die vorgebbare Drehzahl 334 erreicht und der vorgebbare Parameter "Load Signal Aktiv" 340 auf den Wert 1 gesetzt wird. In allen anderen Fällen ist die Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 identisch 0. Die Aufgabe der Loadsignal-Kraftstoffenergie 38 ist, den Drehzahlregler bei Lastauf- und -abschaltvorgängen zu unterstützen. Wird bei einem Generator eine Last auf- oder abgeschaltet, so steigt bzw. sinkt die Generatorleistung. Wird diese erfasst und als 0...10 Volt - bzw. 4...20 mA -Signal von der Motorelektronik eingelesen, so wird das Signal mit Hilfe des DTVGlieds verstärkt und dem Drehzahlregler als Störgröße aufgeschaltet, wodurch die Dynamik, d. h. die Reaktionsfähigkeit des Drehzahl-Regelkreises, verbessert wird.