EP2913502A1 - Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP2913502A1
EP2913502A1 EP14156990.5A EP14156990A EP2913502A1 EP 2913502 A1 EP2913502 A1 EP 2913502A1 EP 14156990 A EP14156990 A EP 14156990A EP 2913502 A1 EP2913502 A1 EP 2913502A1
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EP
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torque
control
combustion engine
generator
internal combustion
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Withdrawn
Application number
EP14156990.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas KLOTZEK
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Priority to CN201580010908.3A priority patent/CN106030080B/zh
Priority to CA2940737A priority patent/CA2940737A1/en
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Definitions

  • the invention relates first of all to a method for operating an internal combustion engine coupled to a generator. It further relates to a control and regulating device as a device for carrying out the method.
  • Generators that are powered by an internal combustion engine are known per se.
  • the internal combustion engine is coupled to an electric generator and the generator is followed by a frequency converter.
  • the tendency of such arrangements is lightweight, so that, for example, flywheels, as previously provided to compensate for any speed fluctuations, are avoided if possible, or at least the moving masses are reduced.
  • the generator is usually operated at a predetermined or predetermined speed.
  • the generator is assigned a speed controller. Based on the speed control, the internal combustion engine and the combustion process taking place there are guided. This can be done according to different criteria. For example, power, efficiency and emission are conceivable.
  • a control and regulating device is provided with means for carrying out the operating method described here and below, wherein the Execution of the operating method certain means comprise at least one control unit and a speed controller and wherein by means of the speed controller as a manipulated variable, a target torque can be output.
  • a counter torque is calculated as additional torque which is applied to the setpoint torque output by the speed controller. This is calculated on the basis of a measured value recorded in the system.
  • the measured value recorded in the system is a pressure measurement recorded on the internal combustion engine, namely a pressure measurement which indicates the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the counter torque / additional torque is then calculated based on the pressure reading.
  • a counter-torque is also calculated as additional torque with which the setpoint torque output by the speed controller is applied.
  • no pressure reading recorded in the system is used here. Instead, the calculation of the counter-torque / additional torque takes place by estimating a pressure prevailing in the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a thermodynamic model and based on the estimated pressure, the counter-torque / additional torque is calculated.
  • a precontrol torque is calculated in the calculation of the additional torque by means of a pilot control block, with which the setpoint torque output by the speed controller is acted upon as additional torque.
  • one of the calculated additional torques and the additional torque output by the pilot block are used simultaneously.
  • the setpoint torque output by the speed controller is thus acted upon by the additional torque output by the pilot control block and by the additional torque determined on the basis of the measured or estimated pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • control and regulating device is characterized in that by means of the control and regulating device in the system, namely the internal combustion engine recorded pressure reading is processed, that based on the pressure reading and by means of the control unit outputable data, namely at least one geometric value, a desired position and kinematics data, the additional torque can be determined and that the desired torque can be acted upon by the additional torque.
  • a first alternative embodiment of the open-loop and closed-loop control device is designed and set up for determining an estimated value for the pressure prevailing in the combustion chamber of the internal combustion engine by means of a thermodynamic model comprised by the control and regulating device. namely at least one geometry value, a desired position and kinematics data, the additional torque can be determined and that the desired torque can be acted upon by the additional torque.
  • a further alternative embodiment of the control and regulating device is intended and arranged for a pilot control torque to be ascertainable by means of a pilot control block encompassed by the control and regulation device and that the setpoint torque can be acted upon by the pilot control torque as additional torque.
  • An embodiment of the control and regulation device which is intended to carry out the method in which one of the calculated additional torques and the additional torque output by the pilot block are used simultaneously, is characterized by a realization of a combination of the above-mentioned corresponding features.
  • the invention is also a system with a generator and an internal combustion engine and a control and regulating device with the features described here and below.
  • FIG. 1 shows in schematic simplified form the basic structure of a system 10 of the type considered here.
  • the system 10 includes an electric motor operated as a generator 12 and an internal combustion engine 14.
  • the internal combustion engine 14 is mechanically coupled to the generator 12.
  • the crankshaft and a piston 16 are shown.
  • the internal combustion engine 14 may comprise more than the piston 16 shown, so for example be designed as a double piston engine.
  • the alternating current generated by means of the generator 12 is supplied to a converter (frequency converter) 18 shown here as a rectifier.
  • a converter frequency converter
  • the originally generated by the internal combustion engine 14 energy can be tapped in the form of electrical energy.
  • the system 10 is contemplated as a mobile system for use in, for example, a motor vehicle.
  • the system 10 also comes as an emergency generator or the like into consideration.
  • a control and regulation device 20 causes a control of the system 10, namely, for example, a speed control of the generator 12.
  • a position sensor 22 is assigned.
  • a actual position value is available in operation and a time course of the actual position value is a measure of the respective rotational speed of the generator 12.
  • an actual position value 23 is available from the position sensor 22 from the position sensor 22 an actual position value 23 as well directly or at least indirectly an actual speed value 24 ( FIG. 2 ) available.
  • the internal combustion engine 14 is associated with a pressure sensor 26.
  • the pressure sensor 26 is a measured value with respect to a generated during operation of the internal combustion engine 14 in the piston chamber pressure (pressure reading 28) available.
  • the pressure reading 28 as well as the actual position value 23 and / or the speed actual value 24 are supplied to the control and regulation device 20. On their basis, a manipulated variable 30 for influencing the system 10 is generated.
  • process forces generated by the combustion taking place in the combustion 14 combustion pressure generated by the movement and acceleration of the piston 16 mass forces.
  • the process forces are known or can be measured and the approach explained below is based on a linearization of the process forces and a subsequent speed control and / or a precontrol of the process forces and a subsequent speed control.
  • FIG. 2 shows the already mentioned control and regulating device 20 with further details, namely with a control unit 32 and a speed controller 34 as functional units within the control and regulating device 20th
  • the setpoint speed ⁇ * can be the output value of a total of the system 10 upstream flow controller (not shown).
  • the speed controller 34 outputs a desired torque T * as the manipulated variable 30. For linearization is at a speed controller 34 subsequent summation point of the target torque T *, the torque which the generator 12 must apply against the pressure prevailing in the combustion chamber, deducted.
  • the actual position ⁇ (rotational position) of the rotor of the generator 12 is known with the actual position 23 recorded by the position sensor 22.
  • a respective desired position ⁇ * 40 and an angle-dependent transmission ratio between the rotational position of the rotor and the translational position x of the piston 16 are known.
  • the control and regulating device 20 so far comprises a transmission member 42, which on the basis of the desired position ⁇ * 40 a measure of the change in the translational position of the piston 16 in response to the change in the rotational position of the rotor (dx / d ⁇ ) * outputs.
  • the transfer function f ( ⁇ *) of the transfer element 42 can be influenced by means of kinematic data 44 that can be output by the control unit 32.
  • the respectively output kinematics data 44 are likewise based on a predefined or predefinable parameterization of the control and regulation device 20.
  • the pressure measurement taken in the determination of the counter torque T in the form of the pressure measurement value Pist 28 recorded in the system 10 is a feedback of the pressure and represents a total linearization of the system 10.
  • thermodynamic model 46 go as input values in addition to the current position ⁇ (actual position value 23) or the respective target position ⁇ * 40 of the rotor of the generator 12, the geometry value 38 or other geometry data, the kinematics data 44 and thermodynamics data 48, for example, an information to each in the combustion chamber of the internal combustion engine 14 injected amount of fuel, a.
  • the thermodynamic model 46 results in a desired value or an estimated value P * for the pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine 14.
  • FIG. 4 shows an additional or alternative to the linearization ( FIG. 2 . FIG. 3 ) applicable pilot control of the process forces.
  • the pilot control is based on that the mass force of the piston 16 can be calculated from the target position ⁇ * 40 (or the actual position value ⁇ 23) and the angle-dependent gear ratio between the rotational position of the rotor and the position x of the piston 16. In addition, one each current angular acceleration on the rotor known.
  • the pre-control block 50 comprises an implementation of the above-described relationship for the determination of the pre-control torque T.
  • input values output from the control unit 32 are the respective target position ⁇ * 40 (or the actual position value ⁇ 23), kinematic data 44 and at least with respect to the moved masses a mass information m 52 a.
  • FIG. 4 shown embodiment of the control and regulating device 20 is independent of the in FIG. 2 and FIG. 3 shown embodiments.
  • the described embodiments can also be combined, for example in the form of a combination of the embodiments in FIG FIG. 2 and FIG. 4 or a combination of the embodiments in FIG. 3 and FIG. 4 ,
  • the advantage of a control and regulating device 20 of the type described here is that relieved by the direct control of the process forces of the speed controller 34 is, since otherwise ideally taken into account by the speed controller 34 disturbing forces are eliminated.
  • the speed controller 34 is therefore only responsible for implementing an ideal process control on the basis of the predetermined speed of the control unit 32 ⁇ * 36. If in addition to the linearization ( FIG. 2 . FIG. 3 ) also the feedforward according to FIG. 4 is applied, the process control by means of the precontrol and the speed controller 34 has to compensate only small deviations.
  • Flywheels can be omitted without reducing the speed stability. This results in a lighter construction and a lower required current for accelerating and decelerating the moving masses.

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Abstract

Die Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines einen Generator (12) und einen den Generator (12) antreibenden Verbrennungsmotor (14) umfassenden Systems (10), wobei eine Drehzahl des Generators (12) mittels eines Drehzahlreglers (34) geregelt wird, die sich dadurch auszeichnet, dass der Drehzahlregler (34) als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird, wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft zuvorderst ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Generator gekoppelten Verbrennungsmotors. Sie bezieht sich weiter auf eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Generatoren, die mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden, sind an sich bekannt. Üblicherweise ist der Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Generator gekoppelt und dem Generator ist ein Frequenzumrichter nachgeschaltet. Die Tendenz bei solchen Anordnungen 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 Drehzahlregelung 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 Verlustleistungen 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 Verbrennungsmotors 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 Drehzahlregler als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird, wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Basis eines aus dem System aufgenommenen Messwerts ermittelt wird.
  • Indem das vom Drehzahlregler als Stellgröße ausgegebene Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment, also einem numerischen 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 Stabilisierung der Drehzahl des Generators werden dabei nicht benötigt.
  • Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des parallelen Vorrichtungsanspruchs gelöst. Dazu ist eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung 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 Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, 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 Solldrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagt wird.
  • Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden eines der errechneten zusätzlichen Drehmomente und das vom Vorsteuerungsblock ausgegebene zusätzliche Drehmoment gleichzeitig verwendet. Das vom Drehzahlregler ausgegebene Solldrehmoment 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 beaufschlagt.
  • Zur Ausführung einzelner Ausführungsformen des Verfahrens zeichnet sich die Steuerungs- und Regelungseinrichtung dadurch aus, dass mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ein im System, nämlich am Verbrennungsmotor, aufgenommener Druckmesswert verarbeitbar ist, dass anhand des Druckmesswerts sowie anhand von mittels der Steuerungseinheit ausgebbarer Daten, nämlich zumindest einem Geometriewert, einer Solllage und Kinematikdaten, das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.
  • Eine erste alternative Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung ist dafür bestimmt und eingerichtet, dass mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 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 Solldrehmoment 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 Regelungseinrichtung umfassten Vorsteuerungsblocks ein Vorsteuerungsdrehmoment ermittelbar ist und dass das Solldrehmoment mit dem Vorsteuerungsdrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagbar 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 gleichzeitig verwendet werden, zeichnet sich durch eine Verwirklichung 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
    • FIG 1
    ein System mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator, wobei der Generator durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird,
    FIG 2
    eine erste Ausführungsform einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art,
    FIG 3
    eine zweite Ausführungsform einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung eines Systems der in FIG 1 gezeigten Art und
    FIG 4
    eine dritte Ausführungsform einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung 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 Verbrennungsmotor 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 einem 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 Betracht.
  • 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 Lageistwert erhältlich und ein zeitlicher Verlauf des Lageistwerts 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 Verbrennungsmotors 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 Regelungseinrichtung 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 werden 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 Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 mit weiteren Details, nämlich mit einer Steuerungseinheit 32 sowie einen Drehzahlregler 34 als Funktionseinheiten innerhalb der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20.
  • Die Steuerungseinheit 32 gibt eine Solldrehzahl ω* = dϕ*/dt 36 vor (hochgestellte Sterne bezeichnen Sollwerte). Die Solldrehzahl ω* kann dabei der Ausgangswert eines dem System 10 insgesamt vorgeschalteten Stromreglers (nicht gezeigt) sein. Der Drehzahlregler 34 gibt als Stellgröße 30 ein Solldrehmoment T* aus. Zur Linearisierung wird an einer dem Drehzahlregler 34 nachfolgenden Summationsstelle von dem Solldrehmoment T* das Drehmoment, welches der Generator 12 gegen den jeweils im Verbrennungsraum herrschenden Druck aufbringen muss, abgezogen.
  • Auf Basis des Druckmesswerts Pist 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 Generators 12 bekannt. Außerdem sind zu jedem Zeitpunkt eine jeweilige Solllage ϕ* 40 sowie ein winkelabhängiges Übersetzungsverhältnis 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/dϕ)* ausgibt. Die Übertragungsfunktion f(ϕ*) des Übertragungsglieds 42 ist dabei mittels von der Steuerungseinheit 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 T = P ist ⋅ A ⋅ dx d ⁢ φ .
    Figure imgb0001
  • Die in die Ermittlung des Gegenmoments T eingeflossene Druckmessung 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 Druckmessung auch eine rechnerische Ermittlung des Drucks erfolgen kann, zum Beispiel indem der im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 14 herrschende Druck anhand eines thermodynamischen 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 Rotors des Generators 12 der Geometriewert 38 oder sonstige Geometriedaten, die Kinematikdaten 44 sowie Thermodynamikdaten 48, zum Beispiel eine Information zur jeweils in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 14 eingespritzten Kraftstoffmenge, ein. Am Ausgang des thermodynamischen Modells 46 ergibt sich ein Sollwert oder ein geschätzter Wert P* für den Druck im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors 14. Damit kann - wie oben - das Gegenmoment T berechnet werden: T = P * ⋅ A ⋅ dx d ⁢ φ .
    Figure imgb0002
  • Die Darstellung in FIG 4 zeigt eine zusätzlich oder alternativ zu der Linearisierung (FIG 2, FIG 3) anwendbare Vorsteuerung der Prozesskräfte.
  • Die Vorsteuerung basiert darauf, dass die Massekraft des Kolbens 16 berechnet werden kann und zwar aus der Solllage ϕ* 40 (oder dem Lageistwert ϕ 23) und dem winkelabhängigen Übersetzungsverhältnis zwischen der Rotationslage des Rotors und der Position x des Kolbens 16. Außerdem ist eine jeweils aktuelle Winkelbeschleunigung am Rotor bekannt. Das zur Beschleunigung von Rotor und Kolben 16 notwendige zusätzliche Drehmoment T (Vorsteuerungsdrehmoment), mit dem das vom Drehzahlregler 34 ausgegebene Solldrehmoment T* beaufschlagt wird, berechnet sich damit mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 umfassten Vorsteuerungsblocks 50 zu T = J ⋅ φ ¨ + m ⋅ dx d ⁢ φ 2 ⋅ φ ¨ + d 2 ⁢ x d ⁢ φ 2 ⋅ dx d ⁢ φ ⋅ φ ˙ 2 .
    Figure imgb0003
  • Diese Variante berücksichtigt automatisch (implizit) durch eine optimale Prozessführung vorgegebene Drehzahlschwankungen. Der Vorsteuerungsblock 50 umfasst eine Implementation der oben angegebenen Beziehung zur Ermittlung des Vorsteuerungsdrehmoments T. In den Vorsteuerungsblock 50 gehen als von der Steuerungseinheit 32 ausgegebene Eingangswerte die jeweilige Solllage ϕ* 40 (oder der Lageistwert ϕ 23), Kinematikdaten 44 und hinsichtlich der bewegten Massen zumindest eine Masseinformation m 52 ein. Dadurch ist eine exakte Vorsteuerung der notwendigen Beschleunigungen und des jeweils aufzubringenden Drehmoments gegeben.
  • Die in FIG 4 gezeigte Ausführungsform der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 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 Verbrennungsmotor 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.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betrieb eines einen Generator (12) und einen den Generator (12) antreibenden Verbrennungsmotor (14) umfassenden Systems (10),
    - wobei eine Drehzahl des Generators (12) mittels eines Drehzahlreglers (34) geregelt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Drehzahlregler (34) als Stellgröße ein Solldrehmoment ausgibt und
    - dass das Solldrehmoment mit einem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird,
    - wobei das zusätzliche Drehmoment errechnet oder auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Ermittlung des zusätzlichen Drehmoments auf Basis eines aus dem System (10) aufgenommenen Messwerts im System (10), nämlich am Verbrennungsmotor (14), ein Druckmesswert (28) aufgenommen wird und wobei mittels des Druckmesswerts (28) das zusätzliche Drehmoment errechnet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines thermodynamischen Modells (46) ein in einem Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (14) herrschender Druck geschätzt und aufgrund des geschätzten Drucks das zusätzliche Drehmoment errechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Errechnung des zusätzlichen Drehmoments mittels eines Vorsteuerungsblocks (50) ein Vorsteuerungsdrehmoment errechnet wird, mit dem das vom Drehzahlregler (34) ausgegebene Solldrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das von dem Drehzahlregler (34) ausgegebene Solldrehmoment mit dem von dem Vorsteuerungsblock (50) ausgegebenen Drehmoment sowie mit dem aufgrund des gemessenen oder geschätzten Drucks im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (14) ermittelten zusätzlichen Drehmoment beaufschlagt wird.
  6. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) mit Mitteln (32, 34,42,46,50) zur Ausführung des Betriebsverfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel (32,34,42,46, 50) zur Ausführung des Betriebsverfahrens zumindest eine Steuerungseinheit (32) sowie einen Drehzahlregler (34) umfassen und wobei mittels des Drehzahlreglers (34) als Stellgröße (30) ein Solldrehmoment ausgebbar ist.
  7. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 2, wobei mittels der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) ein im System (10), nämlich am Verbrennungsmotor (14), aufgenommener Druckmesswert (28) verarbeitbar ist, wobei anhand des Druckmesswerts (28) sowie anhand von mittels der Steuerungseinheit (32) ausgebbarer Daten, nämlich zumindest einem Geometriewert (38), einer Solllage (40) und Kinematikdaten (44), das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldrehmoment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.
  8. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 3, wobei mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) umfassten thermodynamischen Modells (46) ein Schätzwert zum im Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors (14) herrschenden Druck ermittelbar ist, wobei anhand des Schätzwerts sowie mittels der Steuerungseinheit (32) ausgebbarer Daten, nämlich zumindest eines Geometriewerts (38), einer Solllage (40) und Kinematikdaten (44), das zusätzliche Drehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldrehmoment mit dem zusätzlichen Drehmoment beaufschlagbar ist.
  9. Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, wobei mittels eines von der Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) umfassten Vorsteuerungsblocks (50) ein Vorsteuerungsdrehmoment ermittelbar ist und wobei das Solldrehmoment mit dem Vorsteuerungsdrehmoment als zusätzlichem Drehmoment beaufschlagbar ist.
  10. System (10) mit einem Generator (12) und einem Verbrennungsmotor (14) sowie einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 9.
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