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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, eine Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung und einen Verbrennungsmotor entsprechend dem Anspruch 1 bzw. 8 bzw. 10.
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Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich bezüglich einer sich schnell ändernden Momentenanforderung und einer damit zusammenhängenden Regelung der Drehzahl kritisch. Insbesondere beim Einsatz von Verbrennungsmotoren in Schiffen führt ein bei starkem Wellengang auftretendes Aus- und Eintauchen der Schiffsschraube zu einer mit dem Aus- und Eintauchen stark schwankenden Momentenabnahme. In einem derartigen Anwendungsfall muss verhindert werden, dass der Verbrennungsmotor beim Austauchen in Überdrehzahl geht und muss sichergestellt werden, dass das erforderliche Moment beim Eintauchen rasch wieder zur Verfügung steht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung bzw. einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, durch welches bzw. durch welche bzw. durch welchen bei einer von außen und insbesondere durch Umwelteinflüsse hervorgerufenen Laständerung eine Überdrehzahl des Verbrennungsmotor verhindert wird bzw. ein erforderliches Moment schnellstmöglich wieder zur Verfügung gestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 8 bzw. 10 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors, bei welchem der Verbrennungsmotor ein Steuergerät umfasst, weist die nachfolgend genannten Schritte auf:
- – Erfassen von Drehzahlgradienten, welche durch eine sich ändernde Momentenanforderung auftreten,
- – automatische Nachregelung durch das Steuergerät zur Vermeidung einer über einer Solldrehzahl liegenden Überdrehzahl bzw. zur Vermeidung einer unter einer Solldrehzahl liegenden Unterdrehzahl ausgeführt, wobei dies abhängig von der Größe des Drehzahlgradienten, mit welchem eine Motordrehzahl bei einer abfallenden Momentenanforderung ansteigt und mit welcher die Motordrehzahl nach einem Abfall bei einer ansteigenden Momentenanforderung abfällt, erfolgt,
- – Erfassung von Anstiegsgradienten und Abfallgradienten als Drehzahlgradienten,
- – automatische Nachregelung derart, dass bis zu einem ersten Grenzwert für den Anstiegsgradienten und bis zu einem zweiten Grenzwert für den Abfallgradienten eine Qualitätsregelung und/oder eine Quantitätsregelung des Verbrennungsmotors durchgeführt wird, damit die Drehzahl wieder in einen Bereich einer Solldrehzahl geführt wird und
- – automatische Nachregelung derart, dass bei einem über dem ersten Grenzwert liegend Anstiegsgradienten und bei einem über dem zweiten Grenzwert liegenden Abfallgradienten eine Zylinderabschaltung wenigstens eines Zylinders durchgeführt wird, damit die Drehzahl wieder in einen Bereich der Solldrehzahl geführt wird.
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Kern der Erfindung ist es, auf der Basis einer Erfassung der Drehzahlgradienten automatisch eine auf die Größe des Drehzahlgradienten angepasste Nachregelung vorzunehmen, welche sich derart stark auf den Verbrennungsmotor auswirkt, dass ungewünschte Betriebszustände des Verbrennungsmotors vermieden werden.
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Weiterhin sieht das Verfahren vor, bei über dem ersten Grenzwert liegenden Anstiegsgradienten und bei über dem zweiten Grenzwert liegenden Abfallgradienten gleichzeitig zu der Zylinderabschaltung auch eine Qualitätsregelung und/oder eine Quantitätsregelung des Verbrennungsmotors durchzuführen. Hierdurch ist es möglich, in einem noch stärkeren Maße auf den Betriebszustand des Verbrennungsmotors einzuwirken.
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Es ist auch vorgesehen, bei unter dem ersten Grenzwert liegendem Anstiegsgradienten und bei unter dem zweiten Grenzwert liegendem Abfallgradienten zunächst eine Qualitätsregelung und anschließend eine Quantitätsregelung des Verbrennungsmotors auszuführen. Hierdurch wird zunächst mit einer Regelungsart eingegriffen, auf welche der Verbrennungsmotor ein schnelleres Ansprechverhalten aufweist, so dass der Regelungseffekt schneller erzielt wird und damit für ein Einregeln eine kürzere Zeitspanne erforderlich ist.
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Weiterhin ist es bei dem Verfahren vorgesehen, bei periodisch auftretenden Drehzahlgradienten, den Verbrennungsmotor durch das Steuergerät derart zu kontrollieren, dass die zu dem jeweiligen Drehzahlgradienten vorgesehene Nachregelung vor einem für das wiederholte Auftreten des jeweiligen Drehzahlgradienten vorausberechneten Zeitpunkt eingeleitet wird. Hierdurch ist es möglich, den Regelungseffekt zu verstärken und den auftretenden Drehzahlgradienten bei zu dem ersten Auftreten vergleichbaren Randbedingungen zu verkleinern.
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Entsprechend dem Verfahren ist es bei periodisch auftretenden Drehzahlgradienten vorgesehen, die zeitgeregelte Nachregelung solange beizubehalten, solange ein die Nachregelung begleitender, maximaler Drehzahlgradient einen vorausberechneten Umfang und Zeitpunkt aufweist. Hierdurch lässt sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors bei periodisch schwankenden Momentabnahmen über längere Zeiträume wirkungsvoll vergleichmäßigen.
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Entsprechend dem Verfahren ist es auch vorgesehen, die Nachregelung zu intensivieren, sofern ein die Nachregelung begleitender, maximaler Drehzahlgradient den erwarteten Drehzahlgradienten übersteigt. Hierdurch wird einer Vergrößerung der Drehzahlschwankungen bei sich ändernden Bedingungen wirksam begegnet.
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Entsprechend dem Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, einen Zeitpunkt für die Nachregelung zu verschieben, sofern ein die Nachregelung begleitender, maximaler Drehzahlgradient früher oder später als vorausberechnet festgestellt wird. Hierdurch erfolgt eine Anpassung der Regelung an eine sich ändernde Periodenlänge.
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Die erfindungsgemäße Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung für einen Verbrennungsmotor umfasst eine Erfassungseinrichtung, eine Analyseeinrichtung und eine Regeleinrichtung, wobei die Erfassungseinrichtung die im Betrieb auftretenden Drehzahlgradienten erfasst, wobei die Analyseeinrichtung die Drehzahlgradienten analysiert und wobei von der Regeleinrichtung auf der Basis der Analyse Regelsignale erzeugbar sind, mit welchen eine Qualitätsregelung und/oder eine Quantitätsregelung und/oder eine Zylinderabschaltung bei dem Verbrennungsmotor durchführbar ist, um die auftretenden Drehzahlgradienten in ihrer Größe zu minimieren. Kern der Erfindung ist es, auf der Basis einer Erfassung der Drehzahlgradienten automatisch eine auf die Größe des Drehzahlgradienten angepasste Nachregelung vorzunehmen, welche sich derart stark auf den Verbrennungsmotor auswirkt, dass ungewünschte Betriebszustände des Verbrennungsmotors vermieden werden.
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Weiterhin ist es bei der Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung vorgesehen, durch die Erfassungseinrichtung die im Betrieb auftretenden Drehzahlgradienten mit einem Zeitstempel zu erfassen, durch die Analyseeinrichtung vergleichbare und periodisch auftretende Drehzahlgradienten zu ermitteln und durch die Regeleinrichtung Regelsignale zu erzeugen, mit welchen eine Qualitätsregelung und/oder eine Quantitätsregelung und/oder eine Zylinderabschaltung bei dem Verbrennungsmotor vor einem für das Auftreten des jeweiligen Drehzahlgradienten vorausberechneten Zeitpunkt einleitbar ist, um die auftretenden Drehzahlgradienten in ihrer Größe zu minimieren. Hierdurch lässt sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors bei periodisch schwankenden Momentabnahmen über längere Zeiträume wirkungsvoll vergleichmäßigen.
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Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor umfasst mehrere Zylinder, ist als Magergasmotor oder Dieselmotor ausgebildet ist und arbeitet nach dem Verfahren des Anspruchs 1 und/oder umfasst eine Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung nach Anspruch 8.
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Unter einem Verbrennungsmotor wird im Sinne der Erfindung insbesondere ein Magergasmotor oder insbesondere ein Dieselmotor verstanden, welcher mehrere Zylinder umfasst und nach dem Verfahren des Anspruchs 1 betrieben wird und/oder eine Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung nach Anspruch 8 umfasst.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einem Magergasmotor ein mit einem gasförmigen Brennstoff betriebener, insbesondere mehrzylindriger Verbrennungsmotor verstanden, welcher weitestgehend quantitätsgeregelt ist und nur in einem engen Betriebsfenster und insbesondere bei Nennlast qualitätsgeregelt betreibbar ist, wobei eine Quantitätsregelung insbesondere über eine Drosselklappe erfolgt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einem Dieselmotor ein mit einem Dieselkraftstoff betriebener, insbesondere mehrzylindriger Verbrennungsmotor verstanden, welcher weitestgehend qualitätsgeregt ist.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einem Anstiegsgradienten ein Drehzahlgradient bzw. eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit verstanden, welcher sich bei einer ansteigenden Drehzahl ergibt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einem Abfallgradienten ein Drehzahlgradient bzw. eine Drehzahländerungsgeschwindigkeit verstanden, welcher sich bei einer abfallenden Drehzahl ergibt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einer Quantitätsregelung eine Regelung eines Verbrennungsmotors verstanden, bei welcher die Quantität einer Kraftstoff-Luft-Gemisches z. B. über eines Drosselklappe, welche beispielsweise in einem Saugrohr angeordnet ist, verändert wird, wobei hierbei eine Qualität bzw. der Lambda-Wert annähernd gleich bleibt.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einer Qualitätsregelung eine Regelung eines Verbrennungsmotors verstanden, bei welcher eine Lastregelung bei gleich bleibender Drehzahl durch eine Zugabe von mehr oder weniger Kraftstoff bei gleichbleibender Luftmasse erfolgt. Bei der Qualitätsregelung wird die Qualität bzw. der Lambda-Wert des Gemisches im Brennraum verändert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1: eine schematische Darstellung eines Magergasmotors mit einer Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung und
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2: eine schematische Darstellung eines Dieselmotors mit einer Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors V, welcher als Magergasmotor 101 ausgebildet ist und eine Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 102 umfasst. Der Magergasmotor 101 umfasst einen Motorblock 103 mit vier Zylindern 104 bis 107 eine Ladeluftzufuhr 108, welche über Saugrohre 109 bis 112 mit den Zylindern 104 bis 107 verbunden ist und eine Abgasabfuhr 113, in welche die Zylinder 104 bis 107 Verbrennungsabgase ausschieben. Weiterhin umfasst der Magergasmotor 101 Saugrohreindüsventile 114 bis 117, welche in die Saugrohre 109 bis 112 münden, und in einer besonderen Ausführungsvariante auch Zylinderdrucksensoren 118 bis 121. Der Magergasmotor 101 umfasst auch eine Drosselklappe 122, welche in der Ladeluftzufuhr 108 angeordnet ist und eine Drosselklappensteuereinrichtung 123, mit welcher eine Stellung der Drosselklappe 122 gesteuert wird, wobei die Drosselklappensteuereinrichtung 123 Regelbefehle von der Motordrehzahl- und Motodrehmomentstabilisierungseinrichtung 102 erhält. Schließlich umfasst der Magergasmotor 101 ein Steuergerät 124, wobei das Steuergerät 124 eine Erfassungseinrichtung 124a, eine Analyseeinrichtung 124b und eine Regeleinrichtung 124c umfasst und wobei die Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 102 Bestandteil des Steuergeräts 124 ist und die Erfassungseinrichtung 124a, die Analyseeinrichtung 124b und die Regeleinrichtung 124c umfasst. Die Erfassungseinrichtung 124a umfasst auch einen Drehzahlsensor DS und eine Zeitmesseinrichtung ZM und ist mit Hilfe dieser Komponenten in der Lage Drehzahlgradienten des Magergasmotors 101 zu ermitteln. Bei einer Verwendung des Magergasmotors 101 als Schiffsmotor und bei starkem Wellengang kommt es bei einem Austauchen der Schiffsschraube aus dem Wasser zu einem Momentenabfall, infolge dessen sich die Drehzahl des Magergasmotors 101 erhöht. Über den von der Erfassungseinrichtung 124a erfassten Drehzahlgradienten wird die Drehzahländerungsgeschwindigkeit erfasst und erkannt, dass in den Betrieb des Magergasmotors 101 zur Stabilisierung der Drehzahl eingegriffen werden muss. Dies erfolgt abhängig davon, ob ein erster Grenzwert für den Drehzahlgradienten bzw. Anstiegsgradienten überschritten wird, entweder – bei Nichtüberschreiten des Grenzwerts – durch eine Qualitätsregelung und ggf. eine anschließende Quantitätsregelung des Magergasmotors 101 oder – bei einer Überschreitung des Grenzwerts – durch eine Abschaltung von einem oder mehreren Zylindern 107 bis 107 des Magergasmotors 101. Hierbei erfolgt eine Qualitätsregelung durch eine Reduzierung der Menge des eingedüsten Gases und hierbei erfolgt eine Quantitätsregelung durch eine Schließen der Drosselklappe 122 und eine entsprechende Reduzierung der Menge des eingedüsten Gases. Umgekehrt führt ein Wiedereintauchen der Schiffsschraube zu einer sprunghaft ansteigenden Momentanforderung und damit zu einem Abfall der Drehzahl, welcher durch einen negativen Drehzahlgradienten bzw. Abstiegsgradienten erfasst und erkannt wird. Ein Eingreifen in den Betrieb des Magergasmotors 101 erfolgt nun abhängig davon, ob ein zweiter Grenzwert für den Drehzahlgradienten bzw. Abstiegsgradienten überschritten wird, entweder – bei Nichtüberschreiten des Grenzwerts – durch eine Qualitätsregelung und ggf. eine anschließende Quantitätsregelung des Magergasmotors 101 oder – bei einer Überschreitung des Grenzwerts – durch ein Zuschalten von ausgeschalteten Zylindern 107 bis 107 des Magergasmotors 101.
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Hierbei erfolgt eine Qualitätsregelung durch eine Erhöhung einer Menge des eingedüsten Gases und hierbei erfolgt eine Quantitätsregelung durch eine Öffnen der Drosselklappe 122 und eine entsprechende Erhöhung der Menge des eingedüsten Gases. Durch die Analyseeinrichtung 124b ist der Magergasmotor 101 bzw. dessen Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 102 auch in der Lage periodisch bzw. wiederkehrend auftretende Drehzahlgradienten zu erkennen und auf der Basis der Annahme, dass eine Periodendauer unverändert bleibt, oder auf der Basis der Annahme, dass eine Periodendauer unter Hinzuziehung weitere Messwerte wie insbesondere Geschwindigkeitsänderung und/oder Fahrtrichtung oder Erfahrungswerte auf einen bestimmten Zeitpunkt festgelegt werden kann, einen Regeleingriff zu starten bevor ein vorausberechneter Drehzahlgradient auftritt, so dass ein Drehzahlabfall bzw. ein Drehzahlanstieg reduziert werden kann und der Betriebszustand des Verbrennungsmotors V vergleichmäßigt wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors V, welcher als Dieselmotor 201 ausgebildet ist und eine Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 202 umfasst. Der Dieselmotor 201 umfasst einen Motorblock 203 mit vier Zylindern 204 bis 207 eine Ladeluftzufuhr 208, welche über Saugrohre 209 bis 212 mit den Zylindern 204 bis 207 verbunden ist und eine Abgasabfuhr 213, in welche die Zylinder 204 bis 207 Verbrennungsabgase ausschieben. Weiterhin umfasst der Dieselmotor 201 Dieselinjektoren 230 bis 233, welche in die Zylinder 204 bis 207 münden, und in einer besonderen Ausführungsvariante auch Zylinderdrucksensoren 218 bis 221. Schließlich umfasst der Dieselmotor 201 ein Steuergerät 224, wobei das Steuergerät 224 eine Erfassungseinrichtung 224a, eine Analyseeinrichtung 224b und eine Regeleinrichtung 224c umfasst und wobei die Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 202 Bestandteil des Steuergeräts 224 ist und die Erfassungseinrichtung 224a, die Analyseeinrichtung 224b und die Regeleinrichtung 224c umfasst. Die Erfassungseinrichtung 224a umfasst auch einen Drehzahlsensor DS und eine Zeitmesseinrichtung ZM und ist mit Hilfe dieser Komponenten in der Lage Drehzahlgradienten des Dieselmotors 201 zu ermitteln. Bei einer Verwendung des Dieselmotors 201 als Schiffsmotor und bei starkem Wellengang kommt es bei einem Austauchen der Schiffsschraube aus dem Wasser zu einem Momentenabfall, infolge dessen sich die Drehzahl des Dieselmotors 201 erhöht. Über den von der Erfassungseinrichtung 224a erfassten Drehzahlgradienten wird die Drehzahländerungsgeschwindigkeit erfasst und erkannt, dass in den Betrieb des Dieselmotors 201 zur Stabilisierung der Drehzahl eingegriffen werden muss. Dies erfolgt abhängig davon, ob ein erster Grenzwert für den Drehzahlgradienten bzw.
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Anstiegsgradienten überschritten wird, entweder – bei Nichtüberschreiten des Grenzwerts – durch eine Qualitätsregelung des Dieselmotors 201 oder – bei einer Überschreitung des Grenzwerts – durch eine Abschaltung von einem oder mehreren Zylindern 207 bis 207 des Dieselmotors 201. Hierbei erfolgt eine Qualitätsregelung durch eine Reduzierung der Menge des eingespritzten Dieselkraftstoffs. Umgekehrt führt ein Wiedereintauchen der Schiffsschraube zu einer sprunghaft ansteigenden Momentanforderung und damit zu einem Abfall der Drehzahl, welcher durch einen negativen Drehzahlgradienten bzw. Abstiegsgradienten erfasst und erkannt wird. Ein Eingreifen in den Betrieb des Dieselmotors 201 erfolgt nun abhängig davon, ob ein zweiter Grenzwert für den Drehzahlgradienten bzw. Abstiegsgradienten überschritten wird, entweder – bei Nichtüberschreiten des Grenzwerts – durch eine Qualitätsregelung des Dieselmotors 201 oder – bei einer Überschreitung des Grenzwerts – durch ein Zuschalten von ausgeschalteten Zylindern 207 bis 207 des Dieselmotors 201. Hierbei erfolgt eine Qualitätsregelung durch eine Erhöhung der Menge des eingespritzten Dieselkraftstoffs. Durch die Analyseeinrichtung 224b ist der Dieselmotor 201 bzw. dessen Motordrehzahl- und Motordrehmomentstabilisierungseinrichtung 202 auch in der Lage periodisch bzw. wiederkehrend auftretende Drehzahlgradienten zu erkennen und auf der Basis der Annahme, dass eine Periodendauer unverändert bleibt, oder auf der Basis der Annahme, dass eine Periodendauer unter Hinzuziehung weitere Messwerte wie insbesondere Geschwindigkeitsänderung und/oder Fahrtrichtung oder Erfahrungswerte auf einen bestimmten Zeitpunkt festgelegt werden kann, einen Regeleingriff zu starten bevor ein vorausberechneter Drehzahlgradient auftritt, so dass ein Drehzahlabfall bzw. ein Drehzahlanstieg reduziert werden kann und der Betriebszustand des Verbrennungsmotors V vergleichmäßigt wird.
