Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens

Die Erfindung betrifft zuvorderst ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors. Sie bezieht sich weiter auf eine Steuerungs- und Regelungsein- richtung als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Generatoren, die mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden, sind an sich bekannt. Üblicherweise ist der Verbren ^¬ nungsmotor mit einem elektrischen Generator gekoppelt und dem Generator ist ein Frequenzumrichter nachgeschaltet.

Aus der US 2009/0194067 A ist ein mobiles System mit einer netzunabhängigen Energiequelle in Form eines Verbrennungsmo ^¬ tors sowie einzelnen von dem Verbrennungsmotor angetriebenen Aggregaten, darunter ein als Strom-/Spannungsquelle vorgese ^¬ hener Generator, bekannt. Die vom Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellte Energie sowie die von dem oder jedem Aggre ^¬ gat benötigte Energie werden überwacht. Wenn die benötigte Energie die zur Verfügung stehende Energie überschreitet, wird ein zur Drehzahlregelung des Verbrennungsmotors verwendeter Drehzahlsollwert erhöht oder es werden nach einem Prio ^¬ ritätsschema einzelne Aggregate deaktiviert, so dass entweder die zur Verfügung stehende Energie erhöht oder der Energiebe ^¬ darf reduziert wird.

Die Tendenz bei Anordnungen mit einem mit einem Verbrennungsmotor gekoppelten Generator geht zum Leichtbau, so dass zum Beispiel Schwungmassen, wie sie bisher zum Ausgleich eventueller Drehzahlschwankungen vorgesehen sind, nach Möglichkeit vermieden werden oder zumindest die bewegten Massen reduziert werden . Der Generator wird üblicherweise mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Drehzahl betrieben. Zu diesem Zweck ist dem Generator ein Drehzahlregler zugeordnet. Anhand der Drehzahlrege ^¬ lung werden der Verbrennungsmotor und der dort ablaufende Verbrennungsprozess geführt. Dies kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen. Denkbar sind zum Beispiel Leistung, Wirkungsgrad und Emission.

Bisher hat man zum Erhalt einer höheren Drehzahlstabilität des Generators die Schwungmasse am Generator erhöht. Eine solche Erhöhung der bewegten Massen ist aber eigentlich unerwünscht, speziell dann, wenn der Verbrennungsmotor und der Generator zu einem Kraftfahrzeug oder dergleichen gehören und von dem Kraftfahrzeug mitbewegt werden. Als Alternative ist demgemäß bisher die Drehzahlregelung mit maximaler Dynamik betrieben worden, um eine große Bandbreite und hohe Kreisverstärkungen zu erreichen. Eine Möglichkeit in dieser Hinsicht besteht in der Verwendung sehr hoher Taktfrequenzen des Drehzahlreglers. Dies kann allerdings zu stark erhöhten Verlust- leistungen in den Schaltelementen führen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung anzugeben, bei dem bzw. der die oben skizzierten Nachteile vermieden werden oder zumindest hinsichtlich ihrer Auswirkungen reduziert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmo ^¬ tors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Verfahren zum Betrieb eines einen Generator und einen den Generator antreibenden Verbrennungsmotor umfassenden Systems, bei dem eine Drehzahl des Generators mittels eines Drehzahlreglers geregelt wird, vorgesehen, dass der Drehzahl ^¬ regler als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird, wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Ba- sis eines aus dem System aufgenommenen Messwerts ermittelt wird .

Indem das vom Drehzahlregler als Stellgröße ausgegebene Soll- drehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment, also einem nu ^¬ merischen und automatisch verarbeitbaren Wert für das zusätzliche Drehmoment, beaufschlagt wird, gelingt eine optimale Prozessführung des den Verbrennungsmotor und den Generator umfassenden Systems. Schwungmassen und dergleichen zur Stabi- lisierung der Drehzahl des Generators werden dabei nicht be ^¬ nötigt .

Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des parallelen Vorrichtungsan- spruchs gelöst. Dazu ist eine Steuerungs- und Regelungsein ^¬ richtung mit Mitteln zur Ausführung des hier und im Folgenden beschriebenen Betriebsverfahrens vorgesehen, wobei die zur Ausführung des Betriebsverfahrens bestimmten Mittel zumindest eine Steuerungseinheit sowie einen Drehzahlregler umfassen und wobei mittels des Drehzahlreglers als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgebbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspru ^¬ ches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selb ^¬ ständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass das hier angegebene Verfahren auch entsprechend der abhängigen Vorrichtungsansprüche weitergebildet sein kann und umgekehrt. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird als zusätzliches Drehmoment, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Solldrehmoment beaufschlagt wird, ein Gegenmoment errechnet. Dieses wird auf Basis eines im System aufgenommenen Messwerts errechnet. Der im System aufgenommene Messwert ist ein am Verbrennungsmotor aufgenommener Druckmesswert, nämlich ein Druckmesswert, der den Druck im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors angibt. Das Gegenmoment/zusätzliche Drehmoment wird dann auf Basis des Druckmesswerts errechnet.

Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird als zusätzliches Drehmoment, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Solldrehmoment beaufschlagt wird, ebenfalls ein Gegenmoment errechnet. Hier wird allerdings kein im System aufgenommener Druckmesswert verwendet. Stattdessen erfolgt die Berechnung des Gegenmoments/zusätzlichen Drehmoments, indem mittels eines thermodynamischen Modells ein im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors herrschender Druck geschätzt und aufgrund des geschätzten Drucks das Gegenmoment/zusätzliche Drehmoment errechnet wird.

Bei einer nochmals alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines Vorsteuerungsblocks ein Vorsteuerungsdrehmoment errechnet, mit dem das vom Drehzahlregler ausgegebene Soll ^¬ drehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagt wird.

Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden eines der errechneten zusätzlichen Drehmomente und das vom Vorsteuerungsblock ausgegebene zusätzliche Drehmoment gleich ^¬ zeitig verwendet. Das vom Drehzahlregler ausgegebene Soll ^¬ drehmoment wird also mit dem von dem Vorsteuerungsblock ausgegebenen zusätzlichen Drehmoment sowie mit dem aufgrund des gemessenen oder geschätzten Drucks im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors ermittelten zusätzlichen Drehmoment beauf ^¬ schlagt . Zur Ausführung einzelner Ausführungsformen des Verfahrens zeichnet sich die Steuerungs- und Regelungseinrichtung da ^¬ durch aus, dass mittels der Steuerungs- und Regelungseinrich ^¬ tung ein im System, nämlich am Verbrennungsmotor, aufgenommener Druckmesswert verarbeitbar ist, dass anhand des Druck ^¬ messwerts sowie anhand von mittels der Steuerungseinheit aus ^¬ gebbarer Daten, nämlich zumindest einem Geometriewert, einer Solllage und Kinematikdaten, das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem zusätzli ^¬ chen Drehmoment beaufschlagbar ist.

Eine erste alternative Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist dafür bestimmt und eingerichtet, dass mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrich ^¬ tung umfassten thermodynamischen Modells ein Schätzwert zum im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors herrschenden Druck ermittelbar ist, dass anhand des Schätzwerts sowie mittels der Steuerungseinheit ausgebbarer Daten, nämlich zumindest eines Geometriewerts, einer Solllage und Kinematikdaten, das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und dass das Solldreh ^¬ moment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.

Eine weitere alternative Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist dafür bestimmt und eingerichtet, dass mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrich ^¬ tung umfassten Vorsteuerungsblocks ein Vorsteuerungsdrehmo ^¬ ment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem Vor ^¬ steuerungsdrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlag ^¬ bar ist.

Eine Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung, die zur Ausführung des Verfahrens bestimmt ist, bei dem eines der errechneten zusätzlichen Drehmomente und das vom Vorsteuerungsblock ausgegebene zusätzliche Drehmoment gleich ^¬ zeitig verwendet werden, zeichnet sich durch eine Verwirkli ^¬ chung einer Kombination der oben genannten entsprechenden Merkmale aus . Insgesamt ist die Erfindung auch ein System mit einem Generator und einem Verbrennungsmotor sowie einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung mit den hier und im Folgenden beschriebenen Merkmalen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Es zeigen ein System mit einem Verbrennungsmotor und einem Ge nerator, wobei der Generator durch den Verbrennungs motor angetrieben wird,

eine erste Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art, eine zweite Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art und

eine dritte Ausführungsform einer Steuerungs- und Re gelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art.

Die Darstellung in FIG 1 zeigt in schematisch vereinfachter Form den prinzipiellen Aufbau eines Systems 10 der hier betrachteten Art. Zu dem System 10 gehören ein als Generator 12 betriebener Elektromotor und ein Verbrennungsmotor 14. Der

Verbrennungsmotor 14 ist mit dem Generator 12 mechanisch gekoppelt. Innerhalb der Darstellung des Verbrennungsmotors 14 sind dessen Kurbelwelle und ein Kolben 16 gezeigt. Der Ver ^¬ brennungsmotor 14 kann mehr als den gezeigten einen Kolben 16 umfassen, also zum Beispiel als Doppelkolbenmotor ausgeführt sein . Der mittels des Generators 12 erzeugte Wechselstrom wird ei ^¬ nem hier als Gleichrichter dargestellten Umrichter (Frequenzumrichter) 18 zugeführt. Am Ausgang des Umrichters 18 kann die mittels des Verbrennungsmotors 14 ursprünglich erzeugte Energie in Form von elektrischer Energie abgegriffen werden.

Das System 10 kommt als mobiles System zur Anwendung zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug in Betracht. Daneben kommt das System 10 auch als Notstromaggregat oder dergleichen in Be- tracht .

Eine zum Beispiel von dem Umrichter 18 umfasste Steuerungs ^¬ und Regelungseinrichtung 20 (FIG 2) bewirkt eine Regelung des Systems 10, nämlich zum Beispiel eine Drehzahlregelung des Generators 12. Dafür ist dem Generator 12 ein Lagegeber 22 zugeordnet. Mittels des Lagegebers 22 ist im Betrieb ein La ^¬ geistwert erhältlich und ein zeitlicher Verlauf des Lageist ^¬ werts ist ein Maß für die jeweilige Drehzahl des Generators 12. Damit ist von dem Lagegeber 22 ein Lageistwert 23 sowie unmittelbar oder zumindest mittelbar ein Drehzahlistwert 24 (FIG 2) erhältlich.

Des Weiteren ist gezeigt, dass dem Verbrennungsmotor 14 ein Drucksensor 26 zugeordnet ist. Mittels des Drucksensors 26 ist ein Messwert hinsichtlich eines beim Betrieb des Verbren ^¬ nungsmotors 14 in dessen Kolbenkammer erzeugten Drucks

(Druckmesswert 28) erhältlich.

Der Druckmesswert 28 sowie der Lageistwert 23 und/oder der Drehzahlistwert 24 werden der Steuerungs- und Regelungsein ^¬ richtung 20 zugeführt. Auf deren Basis wird eine Stellgröße 30 zur Beeinflussung des Systems 10 generiert.

Innerhalb des gesteuerten und geregelten Systems 10 treten als Prozesskräfte ein durch die im Verbrennungsmotor 14 erfolgende Verbrennung erzeugter Druck sowie durch die Bewegung und Beschleunigung des Kolbens 16 entstehende Massekräfte auf. Die Prozesskräfte sind bekannt oder können gemessen wer- den und der im Folgenden erläuterte Ansatz basiert auf einer Linearisierung der Prozesskräfte sowie einer anschließenden Drehzahlregelung und/oder einer Vorsteuerung der Prozesskräfte sowie einer anschließenden Drehzahlregelung.

Zunächst wird die Linearisierung der Prozesskräfte erläutert.

Die Darstellung in FIG 2 zeigt die bereits erwähnte Steue- rungs- und Regelungseinrichtung 20 mit weiteren Details, näm- lieh mit einer Steuerungseinheit 32 sowie einen Drehzahlreg ^¬ ler 34 als Funktionseinheiten innerhalb der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20.

Die Steuerungseinheit 32 gibt eine Solldrehzahl ω* = dcp*/dt 36 vor (hochgestellte Sterne bezeichnen Sollwerte) . Die Soll ^¬ drehzahl ω* kann dabei der Ausgangswert eines dem System 10 insgesamt vorgeschalteten Stromreglers (nicht gezeigt) sein. Der Drehzahlregler 34 gibt als Stellgröße 30 ein Solldrehmo ^¬ ment T* aus. Zur Linearisierung wird an einer dem Drehzahl- regier 34 nachfolgenden Summationsstelle von dem Solldrehmo ^¬ ment T* das Drehmoment, welches der Generator 12 gegen den jeweils im Verbrennungsraum herrschenden Druck aufbringen muss, abgezogen. Auf Basis des Druckmesswerts Pi _st 28 lässt sich die jeweils aktuell auf den Generator 12 wirkende Kraft berechnen, denn die resultierende Kraft berechnet sich bekanntlich in Form eines Produkts aus dem jeweils im Verbrennungsraum herrschenden Druck und der Fläche A des Kolbens 16. Ein automatisch verarbeitbarer Wert für die Fläche A des Kolbens 16 wird von der Steuerungseinheit 32 aufgrund einer jeweils vorgegebenen oder vorgebbaren Parametrierung als Geometriewert 38 ausgegeben . Mit dem mittels des Lagegebers 22 aufgenommenen Lageistwert

23 ist die aktuelle Lage φ (Rotationslage) des Rotors des Ge ^¬ nerators 12 bekannt. Außerdem sind zu jedem Zeitpunkt eine jeweilige Solllage φ* 40 sowie ein winkelabhängiges Überset- zungsverhältnis zwischen der Rotationslage des Rotors und der translatorischen Position x des Kolbens 16 bekannt. Die

Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 umfasst insoweit ein Übertragungsglied 42, welches auf Basis der Solllage φ* 40 ein Maß für die Änderung der translatorischen Position des

Kolbens 16 in Abhängigkeit von der Änderung der Rotationslage des Rotors (dx/dcp)* ausgibt. Die Übertragungsfunktion f (cp*) des Übertragungsglieds 42 ist dabei mittels von der Steue ^¬ rungseinheit 32 ausgebbaren Kinematikdaten 44 beeinflussbar. Die jeweils ausgegebenen Kinematikdaten 44 basieren ebenfalls auf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Parametrierung der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20.

Aus den vorstehend genannten Größen kann als zusätzliches Drehmoment T, mit dem das vom Drehzahlregler 34 ausgegebene

Solldrehmoment T* beaufschlagt wird, das Drehmoment berechnet werden, welches der Generator 12 gegen den im Verbrennungsraum herrschenden Druck aufbringen muss (Gegenmoment T) . Danach ergibt sich das Gegenmoment als

Die in die Ermittlung des Gegenmoments T eingeflossene Druck ^¬ messung in Form des im System 10 aufgenommenen Druckmesswerts Pist 28 ist eine Rückführung des Drucks und stellt insgesamt eine Linearisierung des Systems 10 dar.

Die Darstellung in FIG 3 zeigt, dass anstelle einer Druckmes ^¬ sung auch eine rechnerische Ermittlung des Drucks erfolgen kann, zum Beispiel indem der im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 14 herrschende Druck anhand eines thermodynami- schen Modells 46 abgeschätzt wird. In das thermodynamische Modell 46 gehen als Eingangswerte neben der aktuellen Lage φ (Lageistwert 23) oder der jeweiligen Solllage φ* 40 des Ro- tors des Generators 12 der Geometriewert 38 oder sonstige Ge ^¬ ometriedaten, die Kinematikdaten 44 sowie Thermodynamikdaten 48, zum Beispiel eine Information zur jeweils in den Verbren- 10

Steuerung der notwendigen Beschleunigungen und des jeweils aufzubringenden Drehmoments gegeben.

Die in FIG 4 gezeigte Ausführungsform der Steuerungs- und Re- gelungseinrichtung 20 ist unabhängig von den in FIG 2 und FIG 3 gezeigten Ausführungsformen. Die beschriebenen Ausführungsformen können allerdings auch kombiniert werden, zum Beispiel in Form einer Kombination der Ausführungsformen in FIG 2 und FIG 4 oder einer Kombination der Ausführungsformen in FIG 3 und FIG 4.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Der Vorteil einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 der hier beschriebenen Art besteht darin, dass durch das direkte Einsteuern der Prozesskräfte der Drehzahlregler 34 entlastet wird, da idealerweise sonst vom Drehzahlregler 34 berücksichtigte Störkräfte eliminiert sind. Der Drehzahlregler 34 ist damit nur noch für eine Umsetzung einer idealen Prozessführung auf Basis der von der Steuerungseinheit 32 vorgegebenen Solldrehzahl ω* 36 zuständig. Wenn zusätzlich zu der

Linearisierung (FIG 2, FIG 3) auch noch die Vorsteuerung gemäß FIG 4 angewandt wird, erfolgt die Prozessführung mittels der Vorsteuerung und der Drehzahlregler 34 muss nur noch kleine Abweichungen ausregeln.

Insgesamt erfolgt die Umsetzung der durch den Verbrennungsmo ^¬ tor 14 auf den Generator 12 wirkenden Gegenkraft dynamischer und direkter, weil sie nur von der sehr großen Dynamik des eingangsseitigen Stromreglers abhängt.

Schwungmassen können entfallen, ohne die Drehzahlstabilität zu verringern. Dadurch ergeben sich eine leichtere Bauweise und ein geringerer erforderlicher Strom zum Beschleunigen und Abbremsen der bewegten Massen.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.