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Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader, dessen Abgasturbine in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist, mit einer Gaszufuhreinrichtung zum zeitweisen Zuführen eines unter Druck stehenden Gases in den zwischen Verbrennungsmotor und Turbinenrad der Abgasturbine liegenden Bereich der Abgasleitung.
Verbrennungsmotoren mit Abgasturboladern kommen abgesehen vom Automobilbau insbesondere bei stationären Motoren, beispielsweise Gasmotoren, zum Einsatz. In an sich bekannter Weise treiben die Abgase ein Turbinenrad der Abgasturbine an, die in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors vorgesehen ist. Auf einer gemeinsamen Welle mit dem Turbinenrad der Abgasturbine sitzt ein Verdichter, der ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet, welches dann dem Motor zugeführt wird.
Es hat sich insbesondere bei grösseren stationären Gasmotoren gezeigt, dass diese auf eine Änderung von Regelorganen, beispielsweise einer Drosselklappe, die die Leistung beeinflussen, nur verzögert ansprechen. Durch Einblasen von unter Druck stehendem Gas in die Abgasleitung kann die Turboladerdrehzahl rasch erhöht werden. Dies kann man ausnutzen, um bei einer gewünschten Änderung der Motorleistung nach oben, abgesehen von der üblichen Verstellung der Drosselklappe oder dergleichen, während dieser Verstellung (oder zeitlich knapp davor bzw. danach) durch Gaseinblasen die Turboladerdrehzahl zu erhöhen.
Damit reagiert der Motor schneller auf die gewünschte Leistungsänderung. Nach Erreichen der neuen Solleistung ist ein weiteres Einblasen von zusätzlichem Gas nicht nötig. Das Einblasen von Gas dient also im wesentlichen zur Unterstützung beim Hochfahren der Leistung des Motors.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor der eingangs erwähnten Gattung dahingehend zu verbessern, dass sein Ansprechverhalten auf Laständerungen verbessert wird.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl und eine Regeleinrichtung vorgesehen sind, welche die von der Gaszufuhreinrichtung zugeführte Gasmenge in Abhängigkeit von der Motordrehzahl regelt.
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Vor allem bei grossen stationären Gasmotoren mit konstanter Sottdrehzaht ist damit eine einfache Regelung möglich, beispielsweise indem die Regeleinrichtung bei einer Drehzahl unterhalb eines vorgebbaren Drehzahlgrenzwertes das Einblasen von Gas in die Abgasleitung veranlasst.
Bei Verwendung eines PID-Reglers kann man eine noch besser ansprechende Regelung erzielen. Bei stark fallender Drehzahl öffnet das Ventil zum Gaseinblasen vor dem Turbolader über den D-Anteil auch für Drehzahlen über einem eingestellten Drehzahlgrenzwert nsoLL, TPB, der knapp unter der Nenndrehzahl nNENN angesetzt werden wird.
(z. B. nNENN = 1500 U/min, nSOLL, TBP = 1470 U/min). Je grösser die negative Drehzahländerung, desto eher öffnet das Ventil. Durch passende Wahl der Konstanten kann der herkömmliche Motorregler, der die Drosselklappe und allenfalls ein Ventil im Turbo-Bypass steuert, ungestört arbeiten.
Ergibt sich durch den PD-Anteil über wiederholtes Einblasen ein zyklischer Schwingungsvorgang um eine Drehzahl, die kleiner als NSOLL, TSP ist, so wird der
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die Nenndrehzahl erreicht, so wird die Reglerausgangsgrösse und somit die Schaltwahrscheinlichkeit wieder abgesenkt, um unnötige Schaltvorgänge zu vermeiden.
Durch eine Begrenzung des I-Anteils auf Werte > =0 wird verhindert, dass der Reglerausgang für n=nNENN immer weiter abgesenkt wird.
Besonders geeignet ist ein unbrennbares Gas wie beispielsweise Pressluft, die als Gas gratis zur Verfügung steht und lediglich, beispielsweise über einen Kompressor, in einem Gasvorratsbehälter unter Druck gesetzt werden muss.
Für eine effiziente Steigerung der Turboladerdrehzahl ist es günstig, wenn die Gaszufuhrleitung in der Nähe der bzw. direkt an der Abgasturbine in die Abgasleitung mündet. Der Eingangskanal des Abgasturboladers bis hin zum Turbinenrad wird dabei als Teil der Abgasleitung gesehen. Es ist somit also auch möglich, dass die Gaszufuhrleitung direkt in das Turboladergehäuse knapp vor dem Abgasturbinenrad eingeführt wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
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Die Figur zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verbrennungsmotors.
Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Abgasturbolader 2 auf, dessen Abgasturbine 3 in der Abgasleitung 4 angeordnet ist. Diese Abgasturbine 3 treibt über die Welle 5 in an sich bekannter Weise einen Verdichter 6 im Ansaugtrakt 7 an, in dem auch eine Drosselklappe 8 angeordnet ist. Soweit entspricht der Aufbau dem Stand der Technik, wie er beispielsweise bei stationären Gasmotoren bekannt ist.
Weiters ist eine Gaszufuhreinrichtung vorgesehen, um unter Druck stehendes Gas zeitweise in den zwischen Verbrennungsmotor 1 und dem Turbinenrad der Abgasturbine 3 liegenden Bereich der Abgasleitung 4 zuzuführen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst diese Gaszufuhreinrichtung im wesentlichen einen unter Druck stehenden Gasvorratsbehälter 9, der über einen Kompressor 10 aufladbar ist, eine Gaszufuhrleitung 11 sowie ein in dieser Gaszufuhrleitung angeordnetes schnell schliessendes bzw. schnell öffnendes Magnetventil 12. Der Gasdruck im Gasvorratsbehälter 9 liegt vorteilhaft zwischen 1 und 10 bar. Die Gaszufuhrleitung mündet in der Nähe (Stelle 13) der Abgasturbine 3 in die Abgasleitung 4 und kann so ausgebildet sein, dass das Gas in Richtung der Abgasströmung oder einem spitzen Winkel dazu einströmt.
Beim dargestellten Motor handelt es sich um einen mehrzylindrigen Gasmotor für den Stationärbetrieb (Insel betrieb), der auf einer konstanten Nenndrehzahl nNENN laufen soll.
Durch Lastaufschaltungen stellt sich das Problem, dass sich die Motordrehzahl sehr schnell zu ändern beginnt. Beispielsweise kann eine Lastaufschaltung von 100 kW bei einer Motordrehzahl von 1500 U/min bewirken, dass sich die Motordrehzahl mit 125 (U/min)/s nach unten zu ändern beginnt. Um dem entgegenzuwirken, wird die Motorsteuerung im allgemeinen die Drosselklappe 8 öffnen und den Turbo-Bypass über das Ventil 17 schliessen, Um die gewünschte Nenndrehzahl wieder zu erreichen. Ausserdem ist erfindungsgemäss eine Einrichtung 18 zur Erfassung der momentanen Drehzahl des Motors 1 vorgesehen, die über eine Regeleinrichtung 14 das Ventil 12 in der Druckluft-Einblasleitung 11 ansteuert. Sinkt die Motordrehzahl unter einen vorgebbaren Grenzwert ab, so öffnet die Regeleinrichtung 14 das Ventil 12.
Die damit einströmende Druckluft beschleunigt den Turbolader und führt zu einer
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rascheren Leistungszunahme des Motors, sodass dieser schneller wieder die gewünschte Nenndrehzahl erreichen kann.
Die Regeleinrichtung kann dabei im einfachsten Fall praktisch nur mit einer Schaltbedingung arbeiten, nämlich dass sie das Ventil 12 öffnet, wenn die Drehzahl unter einem Drehzahlgrenzwert sinkt und über diesem Drehzahlgrenzwert wieder schliesst.
Bevorzugt kann ein Regler eingesetzt werden, der weitere Schalt- bzw. Regelbedingungen aufweist. Beispielsweise können die herkömmlichen Parameter, die die Motorleistung beeinflussen, beispielsweise die Drosselklappenposition und/oder die Stellung des Ventils 17 im Turbo-Bypass berücksichtigt werden. Der Vorteil einer solchen Regelung besteht darin, dass nur dann eingeblasen wird, wenn die üblichen Massnahmen zur Erhöhung der Motorleistung und damit Erhöhung der Drehzahl nicht ausreichen. Es kann dazu vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Zufuhr des unter Druck stehenden Gases in die Abgasleitung nur dann erfolgt, wenn die genannten Parameter oberhalb vorgebbarer Schwellwerte, vorzugsweise auf voller Motorleistung stehen.
Besonders günstig ist der Einsatz eines PID-Reglers. Ein solcher Regler kann beispielsweise nach der im folgenden wiedergegebenen Charakteristik arbeiten :
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(k)Ventil 12 öffnen für u (k) > Ko Ventil 12 schliessen für u (k) < =Ko Die darin vorkommenden Regelparameter können beispielsweise wie folgt gewählt werden : Wahl von Ko : Ko wird den numerischen Anforderungen des Algorithmus entsprechend gewählt.
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Wahl von nSoLL, TBP : nSOLL, TBp entspricht der Drehzahl, die mit Hilfe des Presslufteinblasens (TPB = Turbine Pressure Boost) erreicht werden soll, wenn die ohne Einblasen erzeugbare Leistung nicht ausreicht (z. B. 1470 [U/min]). Sie sollte jedoch in jedem Fall unter der normalen Nenndrehzahl nNENN des Motors liegen.
Wahl von Kp : Dem herkömmlichen Motorregler soll Luft bleiben für den Ausregelvorgang. Die Konstante Kp wird so gewählt, dass erst ab einer Grenzdrehzahl nknt bei An # 0 eingeblasen wird.
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Wahl von K, : Über die Konstante K, wird festgelegt, wie schnell der Regelalgorithmus die Grenze für das Einblasen nach oben anhebt, wenn nSOLL,sp nicht erreicht wird.
Wahl von Kd : Kd muss so gewählt werden, dass bei herkömmlichen Regelvorgängen um die Nenndrehzahl das TPB-Ventil 12 nicht geöffnet wird. Der P-Anteil des Reglers ist bei n=nNENN UKP (k) = (nSOLL, TBP-nNENN) Kp Kd ist daher mindestens so gross zu wählen, dass [nSOLL, TBP -n (k) ]Kp + [n(k)-n(k-1)]max Kd # Ko bei Nenndrehzahl erfüllt bleibt.
Eine Abschätzung für die maximale negative Drehzahländerung bei Regelvorgängen, bei denen die normale Motorregelung das Auslangen findet, ist in etwa 20 [ (U/min)/80ms].
Es ergibt sich
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, beispielsweise kann das eingeblasene Gas auch über eine andere Einrichtung als
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einen Vorratsbehälter auf Druck gebracht bzw. Druck gehalten werden. Auch andere Gase als Luft sind durchaus denkbar, wenngleich Luft als derzeit kostengünstigste Lösung erscheint.
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The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas turbine of which is arranged in the exhaust gas line of the internal combustion engine, with a gas supply device for temporarily supplying a pressurized gas to the area of the exhaust gas line located between the internal combustion engine and the turbine wheel of the exhaust gas turbine.
In addition to automobile construction, internal combustion engines with exhaust gas turbochargers are used in particular in stationary engines, for example gas engines. In a manner known per se, the exhaust gases drive a turbine wheel of the exhaust gas turbine, which is provided in the exhaust pipe of the internal combustion engine. A compressor sits on a common shaft with the turbine wheel of the exhaust gas turbine and compresses a fuel-air mixture, which is then fed to the engine.
It has been shown in particular in the case of larger, stationary gas engines that they respond to a change in control elements, for example a throttle valve, which have an effect on the output, only with a delay. The turbocharger speed can be increased rapidly by blowing gas under pressure into the exhaust pipe. This can be used to increase the turbocharger speed by gas injection during a desired change in the engine output, apart from the usual adjustment of the throttle valve or the like, during this adjustment (or just before or after).
The engine reacts faster to the desired change in output. After reaching the new target performance, it is not necessary to blow in additional gas. The blowing in of gas thus essentially serves to assist in ramping up the power of the engine.
The object of the invention is to improve an internal combustion engine of the type mentioned at the outset in such a way that its response to load changes is improved.
According to the invention, this is achieved in that a device for detecting the speed and a control device are provided which regulate the gas quantity supplied by the gas supply device as a function of the engine speed.
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This makes simple control possible, particularly in the case of large, stationary gas engines with a constant Sott speed, for example by causing the control device to blow gas into the exhaust pipe at a speed below a predefinable speed limit.
When using a PID controller you can achieve an even more responsive control. If the speed drops sharply, the gas injection valve in front of the turbocharger opens via the D component also for speeds above a set speed limit nsoLL, TPB, which will be set just below the nominal speed nNENN.
(e.g. nNENN = 1500 U / min, nSOLL, TBP = 1470 U / min). The greater the negative speed change, the sooner the valve opens. With a suitable choice of constants, the conventional engine controller, which controls the throttle valve and possibly a valve in the turbo bypass, can work undisturbed.
If there is a cyclical oscillation process at a speed that is less than NSOLL, TSP, the PD component results from repeated blowing in
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reaches the nominal speed, the controller output variable and thus the switching probability is reduced again in order to avoid unnecessary switching operations.
Limiting the I component to values> = 0 prevents the controller output for n = nNENN from being lowered further and further.
Particularly suitable is an incombustible gas such as compressed air, which is available as gas free of charge and only has to be pressurized, for example via a compressor, in a gas storage container.
For an efficient increase in the turbocharger speed, it is favorable if the gas supply line opens into the exhaust line near or directly at the exhaust gas turbine. The input channel of the exhaust gas turbocharger up to the turbine wheel is seen as part of the exhaust pipe. It is therefore also possible for the gas supply line to be inserted directly into the turbocharger housing just before the exhaust gas turbine wheel.
Further advantages and details of the invention are explained in more detail with reference to the following description of the figures.
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The figure shows schematically an embodiment of an internal combustion engine according to the invention.
The internal combustion engine 1 has an exhaust gas turbocharger 2, the exhaust gas turbine 3 of which is arranged in the exhaust gas line 4. This exhaust gas turbine 3 drives a compressor 6 in the intake tract 7 via the shaft 5 in a manner known per se, in which a throttle valve 8 is also arranged. So far the structure corresponds to the state of the art, as is known for example in stationary gas engines.
Furthermore, a gas supply device is provided for temporarily supplying gas under pressure into the area of the exhaust gas line 4 between the internal combustion engine 1 and the turbine wheel of the exhaust gas turbine 3. In the exemplary embodiment shown, this gas supply device essentially comprises a pressurized gas storage container 9 that can be charged via a compressor 10, a gas supply line 11 and a quick-closing or quick-opening solenoid valve 12 arranged in this gas supply line. The gas pressure in the gas storage container 9 is advantageously between 1 and 10 bar. The gas supply line opens in the vicinity (point 13) of the exhaust gas turbine 3 into the exhaust gas line 4 and can be designed such that the gas flows in in the direction of the exhaust gas flow or at an acute angle thereto.
The engine shown is a multi-cylinder gas engine for stationary operation (island operation), which should run at a constant nominal speed nNENN.
Load lock-up poses the problem that the engine speed begins to change very quickly. For example, a load application of 100 kW at an engine speed of 1500 rpm can cause the engine speed to change downwards at 125 (rpm) / s. In order to counteract this, the engine control will generally open the throttle valve 8 and close the turbo bypass via the valve 17, in order to achieve the desired nominal speed again. In addition, a device 18 is provided according to the invention for detecting the instantaneous speed of the engine 1, which controls the valve 12 in the compressed air injection line 11 via a control device 14. If the engine speed drops below a predefinable limit value, the control device 14 opens the valve 12.
The incoming compressed air accelerates the turbocharger and leads to one
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faster increase in power of the motor, so that it can reach the desired nominal speed more quickly.
In the simplest case, the control device can practically only work with one switching condition, namely that it opens the valve 12 when the speed drops below a speed limit value and closes again above this speed limit value.
A controller which has further switching or control conditions can preferably be used. For example, the conventional parameters that influence the engine output, for example the throttle valve position and / or the position of the valve 17 in the turbo bypass, can be taken into account. The advantage of such a regulation is that the air is blown in only when the usual measures for increasing the engine power and thus increasing the speed are not sufficient. For this purpose, it can advantageously be provided that the gas under pressure is fed into the exhaust gas line only if the parameters mentioned are above predefinable threshold values, preferably at full engine power.
The use of a PID controller is particularly cheap. Such a controller can work, for example, according to the characteristics shown below:
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(k) Open valve 12 for u (k)> Ko Close valve 12 for u (k) <= Ko The control parameters occurring therein can be selected, for example, as follows: Choice of Ko: Ko is selected according to the numerical requirements of the algorithm.
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Selection of nSoLL, TBP: nSOLL, TBp corresponds to the speed that should be achieved using compressed air injection (TPB = Turbine Pressure Boost) if the power that can be generated without blowing in is not sufficient (e.g. 1470 [rpm]). In any case, it should be below the normal nominal speed nNENN of the motor.
Choice of Kp: The conventional engine controller should have air for the adjustment process. The constant Kp is selected such that the blowing in is only possible from An # 0 at a limit speed nknt.
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Choice of K,: The constant K determines how quickly the control algorithm raises the upper limit for the blowing in if nSOLL, sp is not reached.
Selection of Kd: Kd must be selected so that the TPB valve 12 is not opened in conventional control processes around the nominal speed. With n = nNENN UKP (k) = (nSOLL, TBP-nNENN) Kp Kd, the P component of the controller should therefore be selected at least so large that [nSOLL, TBP -n (k)] Kp + [n (k ) -n (k-1)] max Kd # Ko at nominal speed remains fulfilled.
An estimate for the maximum negative speed change in control processes in which the normal motor control finds its end is about 20 [(U / min) / 80ms].
It follows
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The invention is of course not limited to the exemplary embodiment shown, for example the injected gas can also be provided via a device other than
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pressurize or hold a reservoir. Gases other than air are also conceivable, although air currently appears to be the cheapest solution.