Verfahren zur Regelung des Lastannah e- und Beschleunigungsverhaltens von aufgeladenen Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens einer Brennkraftmaschine mit einem oder mehreren Turboladern nach 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 Betrieb, 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 Ladeluftdruck 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 Drehzahlruckgangs 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 zugeführt en 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 Betr iebszuständen 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 AI 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 indizierten Mitteldruck unter Ausnutzung der konstruktiv gegebenen maximal zulässigen Zylinderinnendruckgrenze bei Lastzuschaltung und Motorbeschleunigung zu optimieren.

Hierzu macht sich das erfindungsgemäße Verfahren die Tatsache zu Nutze, 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 Förderbeginnsvorverstellung festgelegt werden können. Soll demnach ein definierter Verbrennungshöchstdruck nicht überschritten werden, darf bei hohen Ladeluftdrücken der Förderbeginn nicht beliebigweit 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 Förderbeginnzeitpunktsverstellung hinausgeht.

Mit einer solchen, an den Motorbetrieb angepaßten Förderbeginnsverstellung 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 ab. Dadurch stellt das durch die Förderbeginnverstellung erzeugte Drehmoment eine kurzfristig verfugbare 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 unteranderem 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 erfindungsgemäß 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 fuhren.

Hier ist erfindungsgemäß entweder eine zeitlich begrenzte 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 Ausfuhrungsform 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 Ausfuhrungsform 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 gewonnen 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-Pulse-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-Pulse-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 durchgeführte Förderbeginnrückstellung sorgt für eine dynamische Anpassung der erfindungsgemäßen zusätzlichen Leistungssteigerung an die tatsächlich im Zylinder vorherrschenden Druckbedingungen.

Die Rückschaltung vom Regelbetrieb mit dynamisch variabler Förderbeginnsverstellung 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 Ausfuhrungsformen 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:

Figur 1 : Druckverläufe im Brennraum bei jeweils zwei verschiedenen Förderbeginnzeitpunkten;

Figur 2: Verlauf der mechanischen Generatorleistung am Kupplungsflansch des Motors;

Figur 3 : Verläufe der Motordrehzahl bei Lastzuschaltung;

Figur 4: Verläufe des Förderbeginnzeitpunktes;

Figur 5: Verläufe der Füllungszustellung bei Lastzuschaltung;

Figur 6: den Verlauf des Verbrennungshöchstdrucks während des Beschleunigungsvorganges bei Lastzuschaltung.

In Figur 1 sind zwei Zylinderdruckverläufe p _z ι _a und p _z 2 _a dargestellt, wie sie sich bei einer herkömmlich geregelten aufgeladenen Brennkraftmaschine jeweils während eines Verbrennungstaktes ergeben. Die Füllung bzw. die eingespritzte Kraftstoffmasse ist bei den Druckverläufen p _z 2 _a und p^b jeweils die gleiche; ebenso bei den Verläufen p _z ι _a und p _z jb Bei dem hier dargestellten Beispiel eines Dieselmotors mit luftverteilender Direkteinspritzung entspricht der Druckverlauf p^a stellvertretend den Druckverläufen bei niedrigen Ladedrücken, während der bei entsprechend höheren Ladedrücken im Zylinder auftretende Zylinderinnendruck grundsätzlich durch einen Verlauf p _z j _a dargestellt werden kann. Ausgehend von diesen zwei bekannten Druckverläufen p _z j _a , p^a im Zylinder, ist ferner der in vorliegender Erfindung eingesetzte theoretische Einfluß des Förderbeginnzeitpunktes auf den Zylinderdruckverlauf exemplarisch an einem für den frühest möglichen Kurbelwinkel

ΦFBb vorverstellten Förderbeginn im Vergleich zu dem stationär eingestellten Förderbeginn φpßa aufgezeigt.

Ferner ist das von dem auf der Abszisse aufgetragenen Kurbel winkel φ und dem Zylinderinnendruck p _z , auf der Ordinate, aufgespannte Diagramm in Richtung hohe Zylindeinnenrdrücke p _z durch die konstruktiv vorgegebene Obergrenze des maximal zulässigen Zylindeinnenrdrucks Pmax begrenzt. Die p _max -Grenze ist durch die mechanische Belastungsgrenze des jeweiligen Motors konstruktiv vorgegeben. Dementsprechend können zumindest bei längerem Betrieb des Motors mit einem Anstieg des Zylinderdrucks p _z über die p _max -Grenze hinaus überlastungsbedingte Schäden auftreten. Zu der Figur 1 kann vorausgeschickt werden, daß je nach Wahl der Förderbeginnzeitpunkte φ g 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 Zylinderdruckverläufe Pzla» Pz2a- '' ^e 8 ^t 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.

Weil das erfindungsgemäße Verfahren jedoch den Verbrennungsdruckverlauf während der Kompensions- und Expansionstakte beeinflußt, ist im folgenden die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur variablen last- und motorbetriebsabhängigen Förderbeginnsregelung exemplarisch anhand der beiden in Figur 1 dargestellten Zylinderinnendruckverläufe beschrieben.

Ausgehend von dem stationär ausgeregelten Betriebszustand des Motors vor der Lastzuschaltung, stellt sich bei einem niedrigen Ladeluftdruck pjjL2 ^nacn Füllungserhöhung der Zylinderdruckverlauf p _z 2 _a ein. Entsprechend der herkömmlichen Regelungsart Schließen die Gaswechselventile bei einem Kurbelwinkel ΦQ, die Zylinderfυllung wird in Folge der Kolbenhubbewegυng verdichtet und erreicht schließlich in OT ihr Druckmaximum. Kurz vor OT setzt bei einem Kurbelwinkel von φpBa ^' ^e Brennstoff rderung ein, worauf mit gewissem Einspritz- und Zündverzug Δφa bei einem Kurbelwinkel φyßa die Verbrennung im Zylinder beginnt.

Setzt nun, entsprechend des in den Figuren 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 neuen Soll-Betriebspunkt der Motor-Generatoranlage ohne zeitliche Verzögerung einzunehmen, wird der aufgeladene Motor im bekannten Regelbetrieb auf den Soll-Betriebspunkt höherer Laststufe überfuhrt, bzw. beschleunigt. Die Ursachen und Gründe für die Dauer dieses

transienten Betriebsbereichs wurden eingangs beschrieben. Hervorzuheben ist, daß die Zeitdauer des Übergangsbereichs maßgebend von der zur Motorbeschleunigung verfügbaren Leistung abhängt. Genauer betrachtet steht nur der die abgeforderte Antriebsleistung p _ 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 der Brennstoffmassenregler bedingt durch den Drehzahlabfall bei der Lastaufschaltung an, in dem die Füllung proportional zu der Strecke xR (Figur 5) vergrößert wird. Dadurch wird vom Zeitpunkt des Drehzahleinbruchs an eine dem Soll-Betriebspunkt hoher Laststufe (Sl) entsprechende größere Brennstoffmasse in den Brennraum gefordert. Die damit bewirkte langsam ansprechende Drucksteigerung in Richtung des Pfeiles 4, ist in Figur 1 stellvertretend in Form des Druckverlaufs p _z ] _a dargestellt, der von dem nach bereits erfolgtem Beschleunigungsbetrieb aufgebauten, höheren Ladeluftdruck PLU ausgeht. Der Druckverlauf p _z j _a bezieht sich ebenso wie Verlauf p _z 2 _a auf das herkömmliche Regelverfahren; entsprechend gelten, abgesehen von dem höheren Ladeluftdruck pι i , die gleichen Erläuterungen.

In Figur 1 deutlich zu erkennen ist, daß sowohl das Druckmaximum des Verlaufs p _z 2 _a als auch der maximale Wert des Druckverlaufs p _z j _a unterhalb des theoretisch größtmöglichen Leistungsvermögen, der p _max -Grenze, liegen. Hierauf zielt nun die Erfindung ab und schafft neben einer kurzfristig verfügbaren Leistungssteigerung auch gleichzeitig eine möglichst optimale Ausschöpfung des Leistungspotentials zur Beschleunigung des Motors.

Erfindungsgemäß wird zunächst das herkömmliche Lastausregelverfahren beibehalten, um damit grundsätzlich den 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 Figur 1 zeigt sich dies daran, daß unmittelbar nach der Lastaufschaltung zum Zeitpunkt to aus den Figuren 3 bis 6, zu dem der Motorbetrieb durch den Druckverlauf P _z 2 _a gekennzeichnet ist, der Förderbeginn FB von dem bisher gewählten Kurbel winkel φpßa nunmehr gezielt auf den für den vorherrschenden Motorbetriebzustand frühest möglichen Förderbeginn in Richtung "früh", auf den Kurbelwinkel φpBb _< verstellt wird. Bei dem in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Beispiel wird der Förderbeginn FB beispielhaft um

ein Δφ von 10 ° KW vorverstellt. Grundsätzlich ist der Betrag von Δφ jedoch von der Auslegung des Motors abhängig.

Initiiert durch die Förderbeginnverstellung Δφ auf φpß _D , setzt die Verbrennung nun mit einem systembedingten Einspritz- und Verbrennungsverzug nach einem Kurbelwinkel von Δφj _j zum Zeitpunkt φyBb ^em Entsprechend des obenbeschriebenen Einflusses des Förderbeginns auf den Verbrennungs- und damit auch auf den Druckverlauf im Zylinder, stellt sich damit erfindungsgemäß der Druckverlauf p-^b ein. Deutlich zu erkennen ist hierbei der gegenüber Verlauf p___ bedeutend früher einsetzende Druckanstieg und zusätzliche Druckaufbau p _z 2b Dies 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 das Druckniveau p _z j . Bleibt der Förderbeginn unverändert auf φpßb vorverstellt, so gestaltet sich der Druckverlauf bei dem mit zeitlicher Verzögerung erreichten höheren Ladeluftdruck pjχi entsprechend des in Figur 1 eingetragenen Verlaufs p _z i Damit übersteigt der förderbeginngeregelte Zyinderinnendruck P _z , zunächst unerwünscht, den für stationären Betrieb zulässigen Spitzendruck p _max im Zylinder. Da jedoch durch eine solche Überschreitung eine noch größere Motorleistung zur Beschleunigung zur Verfügung stünde, sieht eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gezielt eine zeitlich begrenzte Überschreitung vor. Eine Überschreitung auf Dauer ist jedoch grundsätzlich unerwünscht.

Dazu wird der Zylinderinnendruck p _z und/oder der Ladeluftdruck p__ _^ laufend überwacht und als Eingangsgröße zur Begrenzung der Förderbeginnverstellung verwendet. Soll, wie bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine Zylinderdrucksteigerung über die Pmax" Grenze hinaus vermieden werden, wird nach Lastaufschaltung der Förderbeginn mit zunehmendem ladeluftdruckabhängigen Druckanstiegs nach "spät" geregelt. In Figur 1 ist die auf diese Weise ausgeregelte Wanderung der Lage des Verbrennungsbeginn- Druckpunktes während der Beschleunigungsphase von PLL2 ^au ^ PLL1 ~ ^s Verlauf 5 eingetragen. Bei erreichtem Ladeluftdruck PLU ist der Förderbeginn wieder auf den Kurbelwinkel ΦFBa gestellt und damit das erlaubte Druckmaximum p _max eingehalten.

Diese an den transienten Motorbetrieb angepaßte dynamische Regelung der Förderbeginnverstellung macht somit eine Ausschöpfung des maximal zur Verfügung stehenden Leistungspotentials des Motors möglich. Sie kann grundsätzlich in allen Betriebsbereichen zur Leistungssteigerung eingesetzt werden. Der größte Effekt ist jedoch in dem beschriebenen 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 werden kann.

Aufgrund dieser Bedeutung ist nachfolgend am Beispiel eines abgasturboladeraufgeladenen Generatordieselmotors eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verbesserung des Lastannahmeverhaltens mittels Umschalten in einen Regelbetrieb mit nach dynamischen Motorbetriebsgesichtspunkten verstellbarem Förderbeginn in Figuren 2 bis 6 aufgezeigt. Dieser Motor (nicht dargestellt) ist mit einer Motorbetriebsregelung und einem Einspritzsystem ausgestattet, die eine beliebige Verstellbarkeit des Förderbeginns zulassen. In den abgebildeten Diagrammen sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Betriebswertverläufe gestrichelt und diejenigen eines konventionellen Regelverfahrens ausgezogen einander gegenübergestellt.

In Figur 2 ist schematisch der Verlauf des Lastdrehmoments ML über der Zeit t aufgetragen. Ausgehend von einem lastfreien Motorbetrieb nimmt das Lastmoment ML im Zeitpunkt to sprunghaft einen konstanten Wert M\ an, welcher über längere Zeit beibehalten wird. Dieses in Figur 2 dargestellte idealisierte Lastprofil entspricht in etwa dem Belastungsfall bei Generatoraufschaltung, wo beispielsweise dem in Leerlauf betriebenen Antriebsmotor eines Notstromaggregates 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 n _mo t ist in Figur 3 gezeigt. Zunächst wird der unbelastete Motor bei einer Leerlaufdrehzahl no betrieben, bis im Zeitpunkt to schlagartig die Last zugeschaltet wird, worauf die Motordrehzahl ebenso abrupt auf einen niedrigeren Wert nj abfallt. Der Drehzahleinbruch wird mittels geeigneter Sensoren von einer Regelelektronik erfaßt, die den gemessenen Motordrehzahlwert n _mo t kontinuierlich mit einem vorgegebenen Drehzahlgrenzwert nj vergleicht. Gleichzeitig wird ausgehend von dem aufgenommenen Drehzahlsignal die zeitliche Änderung der Drehzahl, sprich der Motordrehzahlgradient, ermittelt.

Unterschreitet die momentane Drehzahl dabei den hier auf die Drehzahl nj gesetzten Grenzwert, ist eine 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 Gesamtanlage abgenommene elektrische Leistung meßtechnisch aufgenommen und von der Regeleinrichtung zur Anpassung des Förderbeginns an den dynamischen Motorbetrieb verwendet werden.

Da der Gradient im vorliegenden Ausführungsbeispiel bei Unterschreiten des Drehzahlgrenzwertes n\ negatives Vorzeichen besitzt - was daraufhindeutet, daß die Motordrehzahl auch im weiteren zeitlichen Verlauf weiter abfallen würde - wird der Förderbeginn erfindungsgemäß nach "früh" verstellt. In Figur 4 ist hierzu der Förderbeginn- Kurbelwinkelverlauf φ ß ausgehend vom Förderbeginn bei stationärem Motorbetrieb als Bezugsnullinie über der Zeit aufgetragen. Zum Zeitpunkt to setzt die Vorverstellung des Förderbeginns ein und erreicht im Zeitpunkt t] den vorgesehenen Förderbeginn bei einem Kurbelwinkel von 10 ° vor OT. Sobald der Förderbeginn im Zeitpunkt t\ um den vorgesehenen Kurbelwinkel Δφ, nach "früh" verstellt ist, hier 10° KW vor OT, stellt sich im Brennraum ein Verbrennungsverlauf gemäß p^b in Figur 1 ein. Die damit erreichte zusätzliche Steigerung des Zylinderinnendrucks p _z 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. Daher fällt die Motordrehzahl n _mo t lediglich auf eine Drehzahl n2 ab (Figur 3), die deutlich höher liegt, als das Drehzahltief n3 bei konventioneller Regelweise. Demzufolge wird auch die geforderte Ausgangsdrehzahl ΠQ wieder bereits im Zeitpunkt t3 und nicht erst zum Zeitpunkt \ erreicht, wie dies ohne Förderbeginnverstellung der Fall ist.

Gleichzeitig mit der Förderbeginnverstellung wird von der Regelelektronik ebenfalls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n _mot ein Steuersignal an den Kraftstoffregler abgegeben, worauf dieser die in den Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge erhöht (Figur 5). Da die Kraftstoffmengenzufυhrregelung erfindungsgemäß neben der Motordrehzahl n _mo t auch an das Abtriebsdrehmoment ML gekoppelt ist, entspricht die erforderliche Füllungszustellung XR in der ersten Phase des Drehzahleinbruchs auf n _j bis zum Zeitpunkt tj der Füllung konventioneller Motorregelung. Ab einem Regel weg s _j zeigt

die erfmdungsgemäße Förderbeginnverstellung (gestrichelter Verlauf) erste Wirkung, worauf sich dann auch unterschiedliche Füllungsverläufe ergeben.

In Figur 6 ist diese vorübergehende Leistungsteigerung anhand gemessener Zylinderdruckverläufe pz im abgasturboladeraufgeladenen Motor verdeutlicht. In diesem Diagramm ist der tatsächliche Zylinderdruckverlauf p _z eines Zylinders bei konventioneller Lastausregelung durch entsprechende Reaktion des Drehzahlreglers dem gestrichelt dargestellten Druckverlauf des selben Zylinders bei Lastausregelung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dynamischer Förderbeginnverstellung gegenübergestellt. Beiden Druckverläufen liegt ein Motorbetrieb mit identischer Füllung und konstantem Lastmoment ML ZU Grunde. Der erfindungsgemäß erreichte Leistungszugewinn ist als die zwischen beiden Kurvenverläufen eingeschlossene Fläche A verkörpert. Mit einsetzender Lastausregelung zum Zeitpunkt to mittels des Drehzahlreglers, steigt aufgrund der größeren, zugeführten Kraftstoffmenge der Zylinderinnendruck in bekannter Weise in Richtung des Pfeiles 4 (Figur 1) an. Im selben Moment wird erfindungsgemäß nun auch der Förderbeginn nach "früh" verstellt, womit der in Figur 1 als Verlauf P _z 2b gezeigte theoretisch erreichbare höhere Zylinderinnendruck freigesetzt wird. Dieser spiegelt sich in der Figur 6 in Form einer größeren Steigerung der Druckkurve 5a und einem Anstieg auf einen höheren Druckwert p] wieder. Das durch Verlagerung der Verbrennungskurve von Pz2a ^au Pz2b gewonnene Mehr an Leistung ist auch im weiteren Verlauf dem bisherigen Leistungsvermögen des Motors überlagert. Insbesondere hat der erfindungsgemäß erreichte Zylinderinnendruck denjenigen Wert pj zum Zeitpunkt t3 bereits erreicht, der dem auszuregelndem Betriebspunkt höherer Laststufe entspricht.

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 c pBa- zurückgestellt. Der Rückstellzeitpunkt bzw. das Rückstellkriterium kann abgesehen von den vorgegebenen Motorbelastungsgrenzen ferner an andere aktuelle Betriebskenngrößen, wie z. B. den Ladedruck, gekoppelt sein. Ziel ist es, die vorübergehende Leistungssteigerung in einer Weise zu regeln, die ein möglichst schnelles Ausregeln des Motors auf den der Belastung entsprechenden Betriebspunkt ermöglicht.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eines nach dynamischen Motorbetriebspunkten verstellbaren variablen Förderbeginns, kann somit der indizierte Mitteldruck unter Ausnutzung der gegebenen mechanischen Grenzen bei Bedarf jederzeit 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.

Bezugszeichen

4 Druckanstiegsrichtung, quasistationär

5 Lage des Verbrennungsbeginn-Druckpunktes

6 zeitlicher Zylinderinnendruckanstieg

p _z j _a Druckverlauf bei FB "spät" Pz2a Druckverlauf bei FB "spät" Pzlb Druckverlauf bei Förderbeginn

"früh" Pz2b Druckverlauf bei Förderbeginn

"früh" p _z Zylinderinnendruck φ Kurbelwinkel ΦFBb Förderbeginn, früh ΦFBa Förderbeginn, stationär pLLl Ladeluftdruck pLL2 Ladeluftdruck ΦO Gaswechselventile schließen Δφa Einspritz- u. Zündverzug¬ winkel Δφb Einspritz- u. Zündverzug¬ winkel φVBa Verbrennungsbeginn, spät φVBb Verbrennungsbeginn, früh Pmax maximal zulässiger Zylinder¬ innendruck (Belastungsgrenze)