CN101868606A - 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(nSL)以及实际转速(nIST)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，借助于理论转矩确定理论体积流量，其中，取决于理论体积流量确定混合物节流阀开启角(DKW1，DKW2)以用于确定在燃气发动机(1)的进气门之前的接收管(12，13)中的混合物体积流量以及实际混合物压力(p1(IST)，p2(IST))，并且其中，同样取决于理论体积流量确定燃气节流阀开启角以用于确定作为在燃气空气混合物中的燃气份额的燃气体积流量。

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，从转速调节偏差中通过转速调节器确定作为调整变量
Figure GPA00001141597000012
的理论转矩并且借助于理论转矩确定理论体积流量。此外，本方法在于，取决于理论体积流量确定混合物节流阀开启角(Gemisch-Drosselklappenwinkel)以用于确定在燃气发动机的进气门(Einlassventil)之前的接收管(Receiverrohr)中的混合物体积流量以及实际混合物压力，并且同样取决于理论体积流量确定燃气节流阀开启角以用于确定作为在燃气空气混合物中的燃气份额(Gasanteil)的燃气体积流量。
背景技术
固定式燃气发动机经常应用作为用于应急电源发电机(Notstrom-Generator)或快速准备机组(Schnellbereitschaftsaggregat)的驱动装置。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之前的接收管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的理论λ来控制燃气发动机。借助于理论λ电子发动机控制器计算燃气量理论值，通过该燃气量理论值则可相应地调整燃气节流阀。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。对于实际运行这意味着：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。作为对功率变化的响应则理论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 46 983 A1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。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 GPA00001141597000021
发明内容
本发明的目的在于，设计用于以改进的调节质量(Regelgüte)调节固定式燃气发动机的方法。
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，并且然后借助于理论转矩确定理论体积流量。取决于理论体积流量又确定混合物节流阀开启角以用于确定在燃气发动机的进气门之前的接收管中的混合物体积流量以及实际混合物压力。同样取决于理论体积流量确定燃气节流阀开启角以用于确定作为在燃气空气混合物中的燃气份额的燃气体积流量。因此，本发明的中心思想为取决于同一控制变量(本文为理论体积流量)平行地操控燃气节流阀和混合物节流阀。除了缩短的响应时间之外，利用改进的整体系统的可调整性的更精确的振荡(Einschwingen)为有利的。此外，基于平行操控不需要λ追踪(Nachführung)。总体上本发明允许发动机功率的均匀调节。
通过限定理论转矩并且通过特性图取决于实际转速将限定的理论转矩与理论体积流量相关联，从而计算理论体积流量。取决于实际转速并且附加地取决于识别的系统的故障状态(Fehlerzustand)(例如关于传感器失效)实现理论转矩的限定。同时考虑允许的机械最大转矩。通过该限定，改进整个体系统的运行可靠性。
通过从理论体积流量中计算理论混合物压力、从理论混合物压力和在接收管中的实际混合物压力中得到混合物压力调节偏差并且从混合物压力调节偏差中通过混合物压力调节器计算用于确定混合物节流阀开启角的调整变量，从而确定混合物节流阀开启角。在理论混合物压力的计算中除了系统常量(例如排量)外，还使用理论λ和接收管中的混合物温度。
在V形布置的燃气发动机中，该方法设置，对于A侧计算第一混合物节流阀开启角以用于确定在第一接收管中的第一混合物体积流量以及第一实际混合物压力，并且对于B侧计算第二混合物节流阀开启角以用于确定在第二接收管中的第二混合物体积流量以及第二实际混合物压力。
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显示了用于调节混合物压力的调节回路(Regelkreis)。
图4显示了程序流程图。
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(例如尾气(Endgas))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。通过该特性图/特性曲线电子发动机控制器14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的位置可调整输送给混合器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可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)。
在图2中示出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以及可选的实际转矩MIST、实际转速nIST以及其它变量E。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 。
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15001/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。从转速调节偏差dn中转速调节器16计算作为调整量的理论转矩MSL。在实际中，转速调节器16实施成PIDT1调节器。通过转矩限定(Momentbegrenzung)17将理论转矩MSL限制在最小和最大值上。输出信号相应于限定的理论转矩MSLB。转矩限定17的极限值的参数为实际转速nIST和故障状态信号FM，当在整个系统中识别故障时(例如在有缺陷的压力传感器中)，则建立(setzen)该故障状态信号FM。作为其它参数还可设置有允许的机械最大转矩。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。通过效率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
Figure GPA00001141597000061
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和输入变量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。结合图3进一步解释混合物量单元19。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流量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流量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。
如在图2中示出的那样，平行地取决于同一预定变量(此处为理论体积流量VSL)操控两个混合物节流阀10和11以及燃气节流阀6。相相对于带有相继的操控和λ再调节的背景技术，根据本发明的方法提供了缩短的响应时间和利用改进的整体系统的可调整性的更精确的振荡的优点。此外，基于平行操控，λ追踪不是必要的。总体上本发明允许发动机功率的均匀调节。
图3显示了用于调节在第一接收管中的第一实际混合物压力p1(IST)的第一调节回路21和用于调节在第二接收管中的第二实际混合物压力p2(IST)的第二调节回路22。利用参考标号23示出了用于计算理论混合物压力pSL的计算单元。第一调节回路21的输入变量为理论混合物压力pSL。第一调节回路21的输出量相应于第一实际混合物压力p1(IST)。第一调节回路21包括比较节点(Vergleichstelle)A、第一混合物压力调节器24、第一特性曲线25以及作为调节对象(Regelstrecke)的用于确定所输送的混合物体积流量和第一实际混合物压力p1(IST)的第一混合物节流阀10。第二调节回路22的输入变量同样为理论混合物压力pSL。第二调节回路22的输出变量为第二实际混合物压力p2(IST)。第二调节回路包括比较节点B、第二混合物压力调节器26、第二特性曲线27以及作为调节对象的用于确定所输送的混合物体积流量和第二实际混合物压力p2(IST)的第二混合物节流阀11。计算单元23、两个比较节点(A，B)、两个混合物调节器(24，26)以及两个特性曲线(25，27)集成在混合物量单元19中，如通过点划线示出的那样。
从预定的体积流量VSL中通过计算单元23根据以下公式计算理论混合物压力pSL：
pSL＝{VSL·2[1+LMIN·LAM(SL)]·T1·pNORM)/[nIST·VH·LG·TNORM]
此处表示：
pSL     理论混合物压力
VSL     理论体积流量
LMIN    燃料特性
LAM(SL) 理论λ
T1      第一接收管中的温度
pNORM   基于基准零点(NN)的标准空气压力(1013mbar)
nIST    当前实际转速
VH      发动机排量
LG       容积效率(气缸充气)
TNORM    标准温度273.15K
理论混合物压力pSL为用于两个调节回路21和22的参考变量。在比较节点A处将理论混合物压力pSL与第一实际混合物压力p1(IST)进行比较。结果相应于第一混合物压力调节偏差dp1。从该第一混合物压力调节偏差dp1中第一混合物压力调节器24(典型的为PIDT1调节器)计算作为调整变量的第一截面积QF1。通过第一特性曲线25使第一截面积QF1与第一混合物节流阀开启角DKW1相关联。然后以第一混合物节流阀开启角DKW1操控相应于调节对象的第一混合物节流阀10。第一混合物节流阀10的输出变量为相应于调节变量
Figure GPA00001141597000081
的第一实际混合物压力p1(IST)。第一实际混合物压力p1(IST)通过(未示出的)可选的过滤器返回比较节点A。由此，使第一调节回路21闭合。
在比较节点B处将理论混合物压力pSL与第二实际混合物压力p2(IST)进行比较。结果相应于第二混合物压力调节偏差dp2。从该第二混合物压力调节偏差dp2中第二混合物压力调节器26计算作为调整变量的第二截面积QF2，通过第二特性曲线27使该第二截面积QF2与第二混合物节流阀开启角DKW2相关联。然后以第二混合物节流阀开启角DKW2操控相应于调节对象的第二混合物节流阀11。第二混合物节流阀11的输出变量为相应于调节变量的第二实际混合物压力p2(IST)。第二实际混合物压力p2(IST)通过(未示出的)可选的过滤器返回至比较节点B。由此使第二调节回路22闭合。
在图4中示出了程序流程图，该程序流程图是在电子发动机控制器14中可实施成执行的程序的一部分。在S1中读入理论转速nSL以及实际转速nIST并且在S2中计算转速调节偏差dn。转速调节器借助于转速调节偏差dn确定作为调整变量的理论转矩MSL，S3。此后将理论转矩MSL限制在上极限和下极限上。输出值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。在S5中通过效率单元(图2：参考标号18)取决于实际转速nIST通过特性图使限定理论转矩MSLB与理论体积流量VSL相关联。接着在S6中读入理论体积流量VSL的值、实际转速nIST、在第一接收管中的温度T1以及系统常量。在S7中通过计算单元(图3：参考标号23)借助于之前描述的公式计算理论混合物压力pSL。在S8中确定第一混合物压力调节偏差dp1和第二混合物压力调节偏差dp2。在其之后在S9A中取决于第一混合物压力调节偏差dp1以及第二混合物压力调节偏差dp2计算并输出第一混合物节流阀开启角DKW1和同样第二混合物节流阀开启角DKW2。同时在S9B中将理论体积流量VSL的值输出到燃气节流阀处。在S10中检查是否存在发动机停止。如果不是这种情况(询问结果S10：否)，则分岔返回(zurückverzweigen)点A并且程序在S1中继续。如果在S10中识别发动机停止(询问结果S10：是)，则程序结束。
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
19混合物量
20电子处理器
21第一调节回路
22第二调节回路
23计算单元
24第一混合物压力调节器
25第一特性曲线
26第二混合物压力调节器
27第二特性曲线

Claims (7)

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)，借助于所述理论转矩(MSL)确定理论体积流量(VSL)，其中，取决于所述理论体积流量(VSL)确定混合物节流阀开启角(DKW1，DKW2)以用于确定在所述燃气发动机(1)的进气门之前的接收管(12，13)中的混合物体积流量(V1，V2)以及实际混合物压力(p1(IST)，p2(IST))，并且其中，同样取决于所述理论体积流量(VSL)确定燃气节流阀开启角以用于确定作为在燃气空气混合物中的燃气份额的燃气体积流量(VG)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过限定所述理论转矩(MSL)并且通过特性图取决于所述实际转速(nIST)将限定的理论转矩(MSLB)与所述理论体积流量(VSL)相关联，从而计算所述理论体积流量(VSL)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，取决于所述实际转速(nIST)规定所述限定。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，附加地取决于识别的系统故障状态(FM)和允许的机械最大转矩规定所述限定。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过从所述理论体积流量(VSL)中计算理论混合物压力(pSL)、从所述理论混合物压力(pSL)和在所述接收管(12，13)中的实际混合物压力(p1(IST)，p2(IST))中得到混合物压力调节偏差(dp1，dp2)并且从所述混合物压力调节偏差(dp1，dp2)中通过混合物压力调节器(24，26)计算用于确定所述混合物节流阀开启角(DKW1，DKW2)的调整变量(QF1，QF2)，从而确定所述混合物节流阀开启角(DKW1，DKW2)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在计算所述理论混合物压力(pSL)时，同时考虑所述实际转速(nIST)、恒定的理论λ(LAM(SL))、发动机排量(VH)、相应于气缸充气的容积效率(LG)、接收管(12)中的混合物温度(T1)、标准空气压力(pNORM)、标准温度(TNORM)以及燃料特性(LMIN)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在V形布置的燃气发动机中，对于A侧计算第一混合物节流阀开启角(DKW1)以用于确定在第一接收管(12)中的第一混合物体积流量(V1)以及第一实际混合物压力(p1(IST))，并且对于B侧计算第二混合物节流阀开启角(DKW2)以用于确定在第二接收管(13)中的第二混合物体积流量(V2)以及第二实际混合物压力(p2(IST))。
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