CN101868604B - 用于调节固定式燃气发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于调节固定式燃气发动机(1)的方法，其中，从理论转速以及实际转速中计算转速调节偏差，从转速调节偏差中通过转速调节器确定作为调整变量的理论转矩，理论转矩通过转矩限定限定在空气过量系数限定转矩上，并且其中，从限定理论转矩中确定用于确定混合物节流阀开启角以及燃气节流阀开启角的理论体积流量。

Description

用于调节固定式燃气发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节固定式
Figure GPA00001141844200011
燃气发动机(Gasmotor)的方法，其中，从理论转速以及实际转速中计算转速调节偏差，并且从转速调节偏差中通过转速调节器确定作为调整变量
Figure GPA00001141844200012
的理论转矩，该理论转矩通过转矩限定(Momentbegrenzung)而限定在空气过量系数限定转矩
Figure GPA00001141844200013
上。此外，本方法在于，从限定的理论转矩中确定用于确定混合物节流阀开启角(Gemisch-Drosselklappenwinkel)以及燃气节流阀开启角(Gas-Drosselklappenwinkel)的理论体积流量。
发明背景
固定式燃气发动机用于产生电。在此，燃气发动机在例如1.7的λ值下(即在利用空气过量的稀薄运行下)运行。典型地，燃气发动机包括用于确定燃气空气混合物中的燃气份额(Gasanteil)的燃气节流阀、用于将可燃的气体与空气聚合的混合器、作为废气涡轮增压器的部件的压缩机、冷却器以及混合物节流阀。通过混合物节流阀确定在燃气发动机的进气门(Einlassventil)之前的接收管(Receiverrohr)中的抽吸的体积流量并且由此同样确定接收管中的混合物压力。
从文件EP 1 158 149 A1中已知一种用于驱动发电机的固定式燃气发动机。通过从发动机功率中通过特性曲线计算作为参考变量
Figure GPA00001141844200014
的理论λ来控制燃气发动机。电子发动机控制器借助于理论λ计算燃气量理论值以用于调整燃气节流阀。在第二实施形式中，从混合物压力调节偏差中计算理论λ值。从检测到的接收管中的实际混合物压力和理论混合物压力中确定混合物压力调节偏差，该理论混合物压力又从发动机功率中通过特性曲线确定。在第三实施形式中，以对第二实施形式进行补充的方式，取决于压缩机旁路阀的位置和转速调节偏差来校正用于调整燃气节流阀的燃气量理论值。全部三个实施形式的共同特征是将燃气节流阀调整到理论λ值。在实际运行中，在功率设定(Leistungsvorgabe)改变时首先改变作为功率控制机构的混合物节流阀的位置。这将引起被抽吸的混合物体积流量同样改变。因为首先燃气节流阀的位置保持恒定，因此燃气体积流量也不会改变。由此导致改变的实际λ。例如在关闭方向上操纵混合物节流阀时将造成混合物的加浓(Anfettung)，由此引起燃气发动机的功率变化。那么，作为对功率变化的响应，理论λ值、燃气量理论值以及燃气节流阀的位置将改变。在这种调节形式下响应时间例如在负载变化时为关键的，因为与系统相关地对λ调节的干预为滞后的。
同样文件DE 103 46 983A1描述了燃气发动机和用于调节燃料混合物的方法。在该方法下，在第一步中探测在文丘里混合器处的空气质量流量的实际压力差，并且在第二步中从测量出的燃气发动机的实际功率中确定空气质量流量的理论压力差。然后在第三步中，通过通过燃气节流阀的位置改变输送的燃气量，使实际压力差向理论压力差接近。在第四步中，重新检测经过调整的燃气发动机的实际功率并且如此地调整混合物节流阀，即，使得文丘里混合器中的空气质量流量的压力差的理论-实际偏差减小。重复地如此长时间地执行这种相继的进程，即，直至压力差的理论-实际偏差小于极限值。因为混合物节流阀位置的改变将引起燃气发动机的功率改变，因此为了补偿燃气发动机的功率变化必须再调节燃气节流阀的位置。这在某些情况下可能导致调整变量的超调
Figure GPA00001141844200021
由未公开的带有官方文件号DE 10 2007 045 195.9的德国专利申请中已知一种用于调节固定式燃气发动机的方法，在该方法中，取决于同一控制变量(此处为理论体积流量)平行地操控燃气节流阀和混合物节流阀。借助于理论转矩确定理论体积流量，通过转速调节器从转速的理论-实际偏差中计算作为调整变量的理论转矩。为了改善运行安全性设置转矩限定，通过该转矩限定取决于故障状态信号(Fehler-zustandssignal)、允许的机械最大转矩以及实际转速限定理论转矩。例如在传感器失效时建立(setzen)故障状态信号。基于负载切换(Lastschaltung)时的高动态性在该调节系统中可能出现过浓的混合物。过浓的混合物引起更高的构件载荷、升高的燃烧温度和由此较差的废气值。
发明内容
本发明的目的在于，在混合物的容许性方面进一步发展之前所描述的方法。
该目的通过一种方法得以实现，其中，从理论转速以及实际转速中计算转速调节偏差，从转速调节偏差中通过转速调节器确定作为调整变量的理论转矩，理论转矩通过转矩限定限定在空气过量系数限定转矩上。此外，在该方法中，从限定理论转矩中确定用于确定混合物节流阀开启角以及燃气节流阀开启角的理论体积流量。
从最小λ值和实际混合物体积中计算空气过量系数限定转矩。通过特性图取决于实际转速和限定理论转矩的旧值(Altwert)计算最小λ值。限定理论转矩的旧值又相应于在先前程序进程中计算的限定理论转矩。至少从在接收管中测量出的混合物温度和实际混合物压力以及实际转速中确定实际混合物体积。当然也可备选地直接测量实际混合物体积。为了改善起动过程空气过量系数限定转矩建立在可预定的起动转矩上。
为了使本发明可应用于作为从文件DE 10 2007 045 195.9中已知的转矩限定的补充，限定理论转矩通过最小值选择建立在理论转矩、空气过量系数限定转矩、传感器失效时的故障转矩或最大转矩中的最小值上。至少从允许的机械最大转矩和与极限转速相关的转矩中确定最大转矩。
本发明提供的显著优点是，考虑到排放准则和安全运行极限，即使在动态状态下避免不允许的混合物加浓。
附图说明
在附图中示出了优选的实施例。其中：
图1显示了整体视图，
图2显示了用于操控燃气节流阀和混合物节流阀的方框图，
图3是转矩限定的方框图，
图4是空气过量系数限定的方框图，
图5是作为时间图的负载切换。
具体实施方式
图1显示了V形布置的固定式燃气发动机1的整体视图。燃气发动机1通过轴2、离合器3以及轴4驱动发电机5。通过发电机5产生电能，该电能馈送到电网中。燃气发动机1与下面的机械构件相关联：用于确定输送的燃气(例如天然气)体积流量的燃气节流阀6；用于使空气和燃气聚合的混合器7；作为废气涡轮增压器的部件的压缩机8；冷却器9；在燃气发动机1的A侧上的第一混合物节流阀10和在燃气发动机1的B侧上的第二混合物节流阀11。
通过电子发动机控制器14(GECU)确定燃气发动机1的运行方式。电子发动机控制器14包含微型计算机系统的通常组成部分，例如微处理器，I/O模块，缓冲器以及存储模块(EEPROM，RAM)。在存储模块中将与燃气发动机1的运行相关的运行数据实施(applizieren)成特性图/特性曲线。电子发动机控制器14通过该特性图/特性曲线从输入变量中计算输出变量。在图1中作为输入变量示出为：第一实际混合物压力p1(IST)以及混合物温度T1，这两者在第一接收管12中被测量；第二实际混合物压力p2(IST)，其在第二接收管13中被测量；燃气发动机1的实际转速nIST；理论转速nSL，其由未示出的发电机5的设备调节器(Anlagenregler)预定；以及输入变量EIN。在输入变量EIN中包括了其它输入信号，例如油温。作为电子发动机控制器14的输出变量示出为：用于操控燃气节流阀6的理论体积流量VSL的信号；用于操控第一混合物节流阀10的第一混合物节流阀开启角DKW1的信号；用于操控第二混合物节流阀11的第二混合物节流阀开启角DKW2的信号；以及信号AUS。信号AUS代表了用于控制和调节燃气发动机1的其它信号。
该布置具有以下总体功能性：通过燃气节流阀6的位置调整输送给混合器7的燃气体积流量。第一混合物节流阀10的位置限定了第一混合物体积并由此限定了在燃气发动机1的进气门之前的第一接收管12中的第一实际混合物压力p1(IST)。通过第二混合物节流阀11确定第二混合物体积并由此确定在燃气发动机1的进气门之前的第二接收管13中的第二实际混合物压力p2(IST)。
图2显示了用于操控两个混合物节流阀10以及11和燃气节流阀6的方框图。参考标号15表示发电机的设备调节器。参考标号14表示了电子发动机控制器的简化的方框图，其中，示出的元件代表可执行程序的程序步骤。电子发动机控制器14的输入变量在该示图中为由设备调节器15提供的理论转速nSL、实际转速nIST以及其它变量E。在其它变量E中包括理论λ、燃气发动机气缸排量、在气缸充气(Zylinderfüllung)意义下的容积效率(Liefergrad)以及燃料特性。输出变量为用于操控第一混合物节流阀10的第一混合物节流阀开启角DKW1、用于操控第二混合物节流阀11的第二混合物节流阀开启角DKW2以及用于操控燃气节流阀6的理论体积流量VSL。在电子发动机控制器14内示出的元件为：用于确定作为调整变量的理论转矩MSL的转速调节器16、转矩限定17、存储器31、效率单元18以及用于将理论体积流量VSL换算(umrechnen)成混合物节流阀开启角的混合物量
Figure GPA00001141844200052
19。
从设备调节器15中预设了作为功率期望的理论转速nSL，例如1500l/min，其相应于50Hz的频率。在点A处从理论转速nSL和实际转速nIST中计算转速调节偏差dn。转速调节器16从该转速调节偏差dn中计算作为调整变量的理论转矩MSL。在实际中，转速调节器16实施成PIDT1调节器。通过转矩限定17限制理论转矩MSL。转矩限定17示出为图3中的方框图并且结合图3对其加以解释。转矩限定17的输出信号相应于限定理论转矩MSLB。如果理论转矩MSL的值处于允许范围内，则限定理论转矩MSLB的值相应于理论转矩MSL的值。限定理论转矩MSLB是存储器31和效率单元18的输入变量。
在存储器31中记录限定理论转矩MSLB的当前值。在下一个程序进程中计算限定理论转矩MSLB的新值。然而，在以限定理论转矩MSLB的新值覆盖存储器31中的现有旧值之前，该旧值输出至转矩限定17处。如果例如在时刻t存在限定理论转矩MSLB，则旧值相应于在时刻t-1的限定理论转矩。在下文中该旧值(即在时刻t-1的限定理论转矩)称为限定理论转矩旧值，参考符号MSLBA。
通过效率单元18取决于实际转速nIST将限定理论转矩MSLB与理论体积流量VSL相关联。为此在效率单元18中存储相应的特性图。理论体积流量VSL是混合物量19的输入变量并且同时为燃气节流阀6的输入变量。通过混合物量19从理论体积流量VSL中取决于实际转速nIST以及输入变量E计算第一混合物节流阀开启角DKW1和第二混合物节流阀开启角DKW2。在混合物量单元19中包括用于调节第一实际混合物压力p1(IST)的第一调节回路和用于调节第二实际混合物压力p2(IST)的第二调节回路。利用第一混合物节流阀开启角DKW1操控第一混合物节流阀10。通过第一混合物节流阀10调整第一混合物体积V1和第一实际混合物压力p1(IST)。利用第二混合物节流阀开启角DKW2操控第二混合物节流阀11，通过该第二混合物节流阀11调整第二混合物体积V2和第二实际混合物压力p2(IST)。利用理论体积流量VSL同样操控燃气节流阀6。在该燃气节流阀6中集成有电子处理器20，通过该电子处理器20使理论体积流量VSL的值与相应的截面积和相应的角度相关联。通过燃气节流阀6调整作为燃气空气混合物中的燃气份额的燃气体积流量VG。取决于同一预定变量(此处为理论体积流量VSL)对两个混合物节流阀10和11以及燃气节流阀6的平行操控利用改进的整体系统的可调整性造成缩短的响应时间和更精确的振荡(Einschwingen)。此外，基于平行操控，λ追踪不是必要的。
图3显示了作为方框图的转矩限定17。输入变量是理论转矩MSL、限定理论转矩的旧值MSLBA、实际转速nIST以及故障状态信号FM。输出变量相应于限定理论转矩MSLB。方框图的元件是用于计算空气过量系数限定转矩MLAM的空气过量系数限定21、用于规定(festsetzen)故障转矩MFM的传感器缺陷单元(EinheitSensordefekt)22、用于规定最大转矩MMAX的其它限定单元23以及最小值选择24。通过空气过量系数限定21借助于实际转速nIST、限定理论转矩的旧值MSLBA、第一实际混合物压力p1(IST)以及第二实际混合物压力p2(IST)计算空气过量系数限定转矩MLAM。空气过量系数限定21作为方框图示出在图4中并且与图4相结合对其进行解释。通过传感器缺陷单元22在信号采集中识别故障时(例如在有缺陷的混合物温度传感器下)建立预定的故障转矩MFM。故障状态信号FM在电子发动机控制器14中生成，该电子发动机控制器14检查输入信号。通过其它限定单元23取决于输入变量E计算最大转矩MMAX，该最大转矩MMAX表示允许的机械转矩、用于限定实际转速的与极限转速相关的转矩以及设备特定的最大转矩。通过最小值选择24建立作为限定理论转矩MSLB的这样的转矩，其具有最小值。
在图4中示出了作为方框图的空气过量系数限定21。输入变量为实际转速nIST、限定理论转矩的旧值MSLBA、第一实际混合物压力p1(IST)以及第二实际混合物压力p2(IST)。输出变量相应于空气过量系数限定转矩MLAM。方框图的元件为用于确定最小λ值LAM(MIN)的特性图25、用于确定燃气体积流量VG的计算单元26、最小值选择27、用于确定实际混合物体积VGM(IST)的计算单元28、换算29以及最大值选择30。
通过特性图25取决于实际转速nIST和限定理论转矩的旧值MSLBA(即与计算运行点相关地)计算最小λ值LAM(MIN)，该最小λ值LAM(MIN)是计算单元26的第一输入变量。第二输入变量是通过计算单元28确定的实际混合物体积VGM(IST)。根据关系式
VGM(IST)＝0.5[VH·LG·nIST·(pR(IST)/pNORM)·(TNORM/T1)]计算实际混合物体积VGM(IST)，其中VH表示排量，LG表示容积效率，nIST表示实际转速，pR(IST)表示代表性的实际混合物压力，pNORM表示标准空气压力(1013mbar)，TNORM表示标准温度273.15K并且T1表示接收管中的混合物温度。代表性的实际混合物压力pR(IST)可基于最小值选择27取第一实际混合物压力p1(IST)的值或第二实际混合物压力p2(IST)的值。通过最小值选择27提升运行安全性，因为较小的实际混合物压力决定性地(maβgeblich)确定了空气过量系数限定转矩MLAM。通过计算单元26借助于最小λ值LAM(MIN)和实际混合物体积VGM(IST)计算燃气体积流量VG，该燃气体积流量VG与实际混合物体积VGM(IST)成正比(proportional)并且与最小λ值LAM(MIN)成反比。通过换算29将燃气体积流量VG换算成转矩M1。通过最大值选择30将限定理论转矩MSLB建立在转矩M1的值或可预定的起动转矩MSTART上。
在图5中以时间图示出了负载切换。图5包括5A至5E的部分图。这些部分图在时间上分别显示了：理论功率PSOLL(图5A)、以l/min为单位的实际转速nIST的曲线(图5B)、以立方米/小时为单位的燃气体积流量VG(图5C)，以ppm为单位的NOx的曲线(图5D)以及测量出的λ(图5E)，该λ不是本方法的输入变量并且只示出用于阐明关系。在图中实线表示根据背景技术(DE102007045195.9)的曲线。点划线表示根据本发明的曲线。在进一步的描述中以恒定的1500l/min的理论转速nSL为起始点。
在时刻t1系统处于稳定状态，即燃气发动机以恒定1.7的λ值运行，实际转速nIST相应于1500l/min的理论转速nSL、以及恒定的约40立方米/小时的燃气体积流量VG和恒定的约150ppm的NOx值。在时刻t2进行带有更高功率要求的负载切换。在图5A中更高功率要求以从值P1至值P2的功率跃变表示。
在根据背景技术的曲线(实线)中自时刻t2起实际转速nIST剧烈下降并且在时刻t3到达其最小值，例如1400l/min。转速调节器基于从现在起的负调节偏差计算更高的理论转矩，由此确定更高的理论体积流量。基于混合物节流阀和燃气节流阀的平行操控调整更高的混合物体积流量以及更高的燃气体积流量VG。因此，在图5C中燃气体积流量VG增加至约90立方米/小时的值。然而，基于低的实际转速nIST燃气发动机不能够供应相应的混合物体积流量，即燃气空气混合物中的空气份额保持大致不变而相反燃气份额增加。这造成λ下降(图5E)，即愈加更浓的混合物，并且引起废气中的剧烈增加的NOx份额(图5D)。自时刻t3起系统又缓慢回复。在从现在起减少的调节偏差下同样调整减少的燃气体积流量VG。因为燃气发动机供应更高的混合物体积，因此λ值又增加。在时刻t4实际转速nIST振荡(hinausschwingen)超过理论转速并且在时刻t5又回稳(einpendeln)到1500l/min的理论转速nSL上。
在根据本发明的曲线(点划线)中，自时刻t2起同样在增加的负调节偏差下计算更高的理论转矩，然而该理论转矩限定于空气过量系数限定转矩。由此，相对于根据背景技术的曲线得到较小的理论体积流量、较小的燃气体积流量VG以及较小的混合物体积。如从图5C中可看见的那样，燃气体积流量VG的点划线曲线在t2/t3时间区域内明显地保持在示出为实线的曲线之下。相应地λ值较少地下降(图5E)并且相应地NOx值较不剧烈地上升。在时刻t5实际转速nIST振荡超过理论转速nSL并且自时刻t6起稳定在理论转速nSL的水平上。同样在时刻t6λ值和NOx值又到达其起始值。
参考标号列表
1     燃气发动机
2     轴
3     离合器
4     轴
5     发电机
6     燃气节流阀
7     混合器
8     压缩机
9     冷却器
10    第一混合物节流阀
11    第二混合物节流阀
12    第一接收管
13    第二接收管
14    电子发动机控制器(GECU)
15    设备调节器
16    转速调节器
17    转矩限定
18    效率单元
19    混合物量
20    电子处理器
21    空气过量系数限定
22    传感器缺陷单元
23    其它限定单元
24    最小值选择
25    特性图
26    计算单元
27    最小值选择
28    计算单元
29    换算
30    最大值选择
31    存储器

Claims (8)

1.一种用于调节固定式燃气发动机(1)的方法，其中，从理论转速(nSL)以及实际转速(nIST)中计算转速调节偏差(dn)，从所述转速调节偏差(dn)中通过转速调节器(16)确定作为调整变量的理论转矩(MSL)，其中，借助于转矩限定(17)通过空气过量系数限定转矩(MLAM)来限定所述理论转矩(MSL)，由此得到限定理论转矩(MSLB)，并且其中，从限定理论转矩(MSLB)中确定用于确定混合物节流阀开启角(DKW1，DKW2)以及燃气节流阀开启角的理论体积流量(VSL)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从最小λ值(LAM(MIN))和实际混合物体积(VGM(IST))中计算所述空气过量系数限定转矩(MLAM)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过特性图(25)取决于所述限定理论转矩(MSLB)的旧值(MSLBA)和所述实际转速(nIST)计算所述最小λ值(LAM(MIN))，其中，所述旧值(MSLBA)相应于在先前程序进程中计算的限定理论转矩(MSLB)。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少取决于接收管(12，13)中的混合物温度(T1)、实际混合物压力(p1(IST)，p2(IST))以及所述实际转速(nIST)计算所述实际混合物体积(VGM(IST))。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从第一(p1(IST))或第二(p2(IST))实际混合物压力中确定作为代表性的实际混合物压力(pR(IST))的实际混合物压力。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在接收管(12，13)中测量所述实际混合物体积(VGM(IST))。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述空气过量系数限定转矩(MLAM)在起动过程时建立为起动转矩(MSTART)。
8.根据上述权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述限定理论转矩(MSLB)通过最小值选择(24)建立在所述理论转矩(MSL)、故障转矩(MFM)、所述空气过量系数限定转矩(MLAM)或最大转矩(MMAX)中的最小值上，其中，至少从允许的机械最大转矩和与极限转速相关的转矩中确定所述最大转矩(MMAX)。
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