CN102317601B - 发电用预混合内燃机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于发电用预混合内燃机的控制装置，更准确地控制发动机的空气-燃料比，以使空气-燃料比适当。用于发电用预混合内燃机的控制装置设置有：由涡轮增压器(2)和电动发电机(4)组成的混合增压器；所述预混合发动机(1)；发电机(5)；和基于发电机(5)或预混合发动机(1)的操作条件来控制电动发电机(4)的控制单元(7)，其中，所述控制装置设置有：用于计算预混合发动机(1)的必要空气量的必要空气量计算单元(B2)；和用于计算混合增压器的发电量或混合增压器的旋转速度以获得由必要空气量计算单元(B2)算出的预混合发动机(1)的必要空气量的运算单元(70)。控制单元(7)基于运算单元(70)的运算结果对混合增压器的发电量或混合增压器的旋转速度进行反馈控制。

Description

发电用预混合内燃机的控制装置
技术领域
本发明涉及与混合涡轮增压器连结的发电用预混合内燃机的控制装置。这里，所述控制装置也构成包括但不限于发动机、混合涡轮增压器和控制装置的发动机控制装置系统。
背景技术
根据例如专利文献1公开的现有技术，与连接至电动发电机的混合涡轮增压器连结的预混合内燃机1的控制装置是公知的。如图4所示，关于专利文献1所公开的预混合内燃机1的控制装置，预混合内燃机1的进气口1b连接至压缩机2a和燃料箱3，预混合内燃机1的废气出口1c连接至涡轮机2b。此外，涡轮增压器2的旋转轴2c将涡轮增压器连接至具有电动机功能以及发电机功能的电动发电机4。与电动发电机4连结的涡轮增压器2形成混合涡轮增压器。
发电机5经由旋转轴1a连接至预混合内燃机1；发电机5设置有并连接至用于检测发电机5的发电量和预混合内燃机1的进气量的检测单元6。来自检测单元6的检测信号被传送至控制单元7，控制单元7朝电动发电机4发送切换信号以将电动机功能切换至发电机功能并且反之亦然。
下面，参考图5，说明预混合内燃机1的控制方法。在预混合内燃机1开始后的步骤S1，控制单元7读取来自检测单元6的检测信号；在下一步骤S2，基于来自检测单元6的检测信号，以及基于存储在控制单元7的存储部中的数据，来判断进气量(涡轮增压器2供给的)是否合适。在下一步骤S3，当空气流量不足时，控制单元7向电动发电机4发送切换信号，以使电动发电机4发挥电动机功能。在预混合内燃机1起动时，电动发电机4接收切换信号，以将电动发电机4置于电动机功能下；于是，电动发电机4用作电动机。因此，电动发电机4被经由电力线8传送的电力驱动。通过驱动电动发电机4，经由旋转轴2c开始涡轮增压器2的操作。当以这种方法操作涡轮增压器2时，向预混合内燃机1供给空气流量适当的进气；并且预混合内燃机1的起动性能得到增强。另外，预混合内燃机1的稳定操作从发动机开始起就得以实现。
此外，当判定预混合内燃机1的工作期间进气量不足时，在步骤S3，控制单元7向电动发电机4发送切换信号，以使电动发电机4发挥电动机功能。
另一方面，当判定进气量过大时，在步骤S4，控制单元7向电动发电机4发送切换信号，以使电动发电机4发挥发电机功能；由此，即使涡轮增压器2的旋转速度因进气量过大而过大时，在步骤S4，其驱动力也被利用为电动发电机4的发电能量。
此外，当判定进气量适当时，在步骤S5，控制单元7切断向电动发电机4发送的功能切换信号；当来自控制单元7的功能切换信号被切断时，电动发电机4停止发挥电动机功能或发电机功能。
如上所述，当进气量不足时，电动发电机4发挥电动机功能，以驱动涡轮增压器2；因此，预混合内燃机1的起动性能得到增强。此外，当进气量过大时，电动发电机4发挥发电机功能，以使电动发电机4接收来自涡轮增压器2的驱动力并生成电力；因此，预混合内燃机1的能量利用性能得到增强。此外，当预混合内燃机1的操作被控制成适当地维持进气量时，预混合内燃机1能够免于由于进气量过多或不足而发生的不完全燃烧。这样，预混合内燃机1得到控制；并且当控制结束时，在步骤S6，停止对预混合内燃机1的气流控制。在控制继续的情况下，步骤S6返回步骤S1。
[参考文献]
[专利文献]
专利文献1：JP2001-323825
发明内容
待解决的问题
然而，根据上述专利文献1所公开的预混合内燃机1的控制装置，对预混合内燃机的空气-燃料比的精确控制变得重要，因为发动机中的燃烧受空气燃料比的影响巨大。然而，在现有技术中，很难说空气燃料比的变化(控制)精度是令人满意的。更详细地说，在现有技术中，在发动机起动期间进气量不足的情况下，电动发电机4发挥电动机功能；另一方面，在进气量过大的情况下，电动发电机4发挥发电机功能；然而，只进行了开关控制。由此，在开关控制中，只有待测进气量是被控制的对象。
如上所述，对电动发电机4只进行开关控制，很难说对于预混合内燃机的空气燃料比控制是以令人满意的精度进行的；因此，在现有技术中，难以精确地获得期望的空气燃料比。此外，当电动发电机4用作发电机时，发电量不能超过电动发电机4的额定功率(发电容量)；因此，在来自涡轮增压器的待吸收的可能发电量超过电动发电机4的额定功率的情况下，使电动发电机用作发电机的控制不再有效。换言之，在尽管通过电动发电机4发电(即，尽管有能量吸收进空气中)时进气量仍然过大的情况下，变得难以通过电动发电机4的单元来控制空气燃料比；并且空气燃料比的过剩不能得到抵销。注意，空气燃料比在这里可看作空气燃料混合物中的空气(以质量计)与空气燃料混合物中的燃料(以质量计)之间的比值。
鉴于如上所述的现有技术中的困难，本发明旨在提供一种控制装置，其以增强的精度控制预混合内燃机的空气燃料比，以获得适当的空气燃料比。
解决问题的手段
为了克服上述困难，本发明提供一种发电用预混合内燃机的控制装置，该控制装置包括但不局限于：混合涡轮增压器，包括具有压缩机和涡轮机的涡轮增压器以及经由旋转轴与所述压缩机连结的电动发电机；供来自所述压缩机的空气进入、并朝所述涡轮机排放废气的所述预混合内燃机；经由旋转轴与所述预混合内燃机连结的发电机；和基于所述发电机或所述预混合内燃机的操作条件来控制所述电动发电机的控制单元，其中，所述发电用预混合内燃机的控制装置包括：必要空气流量计算单元，用于计算所述预混合内燃机的操作所需的必要空气流量；和运算单元，用于计算所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度，以获得基于所述必要空气流量计算单元算出的、所述预混合内燃机所需的必要空气流量，并且其中所述控制单元基于所述运算单元获得的计算结果来控制所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度。
本发明一优选实施例是这样一种发电用预混合内燃机的控制装置，该控制装置还包括但不限于：用于测量从压缩机向预混合内燃机供给的空气的空气流量的进气量测量单元，其中，所述运算单元对所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度进行反馈控制，以使所述进气量测量单元测得的测量空气流量与所述必要空气流量计算单元算出的所述预混合内燃机的必要空气流量一致。
根据上述实施例，计算出由必要空气流量计算单元算出的必要空气流量与由进气量测量单元测得的测量空气流量之间的差值；并基于算出的差值，由运算单元对与压缩机连结的混合涡轮增压器的旋转速度进行反馈控制。因此，能够连续且平稳地改变进气量，并且与现有空气-燃料比相比，能够在更适当的空气-燃料比的条件下操作预混合内燃机。
另一优选实施例是这样一种发电用预混合内燃机的控制装置，其中，当所述必要空气流量计算单元算出的必要空气流量小于所述测量空气流量时，判定所述涡轮增压器的旋转速度过大，当所述必要空气流量计算单元算出的必要空气流量大于所述测量空气流量时，判定所述涡轮增压器的旋转速度不足，并且基于判定结果来计算所述涡轮增压器的重新修改的旋转速度设定值。
另一优选实施例是这样一种发电用预混合内燃机的控制装置，其中，在给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值与给予所述电动发电机的当前旋转速度设定值之间进行比较，当给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值小于当前旋转速度设定值时，判定所述电动发电机的发电量不足；当给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值大于当前旋转速度设定值时，判定所述电动发电机的发电量过多，并且基于判定结果进行反馈控制以便计算出所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值。
如上所述，基于由必要空气流量计算单元算出的必要空气流量与测量空气流量之间的差值，计算与涡轮增压器连结的电动发电机的旋转速度的重新修改的旋转速度设定值；电动发电机的旋转速度被控制成使得旋转速度与速度设定值一致。这样，空气流量能够连续且平稳地与必要空气流量响应，并且与现有空气-燃料比相比，能够在更精确和更适当的空气-燃料比的条件下操作预混合内燃机。
另一优选实施例是这样一种发电用预混合内燃机的控制装置，所述预混合内燃机包括但并不局限于废气旁通单元，该废气旁通单元具有旁通流路和设置在所述旁通流路上的流量调控阀，以调节所述涡轮机的输出，其中，根据所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度来控制所述流量调控阀，以控制所述旁通流路的开闭，当所述混合涡轮增压器的发电量超过规定的最大值时，操作所述流量调控阀以打开所述旁通流路。
根据如上所述的发明，预混合内燃机设置有具有旁通流路和设置在所述旁通流路一部分上的流量调控阀的废气旁通单元；因此，当混合涡轮增压器的发电量达到预定水平时，这部分废气旁通过混合涡轮增压器并流入旁通流路中；涡轮机的发电量降低，并且进入预混合内燃机的空气流量也降低；因此即使在电动发电机的发电量达最大水平并且进气量过多时，也能以恒定流量稳定地控制进气量。此外，当旁通过涡轮增压器的废气的能量被使用时，能够实现能量节省；由此，即使在涡轮增压器的规格设定成使得混合涡轮增压器在稳定状态操作期间的发电量总是保持最大水平时，也能控制进气量；因此，发电量能够稳定地保持在最大水平。此外，当与涡轮增压器连结的电动发电机的发电量达到最大水平时，来自预混合内燃机的废气的一部分能旁通过涡轮机并流过旁通流路。
本发明的效果
根据本发明发电用预混合内燃机的控制装置，通过控制混合涡轮增压器的发电量或旋转速度，能够更准确地控制预混合内燃机的空气-燃料比，并且获得的空气-燃料比是适当的。
附图说明
现在将参考本发明的优选实施例和附图来更详细地描述本发明，附图中：
图1示出了本发明第一实施例的发电用预混合内燃机的控制装置；
图2示出了本发明第二实施例的发电用预混合内燃机的控制装置；
图3示出了第一实施例的运算单元的概略控制流程；
图4示出了现有发电用预混合内燃机的控制装置的构造；
图5示出了图4所示发电用预混合内燃机的控制装置的控制方法流程。
具体实施方式
下面，将参考附图所示各方面来详细描述本发明。然而，在这些方面中描述的构成部件的尺寸、材料、形状、相对配置等不应解释为将本发明的范围限制于此，除非另有特别说明。换言之，这些方面和附图仅仅用于说明。
下面，将参考附图所示实施例来详细描述本发明。然而，在这些实施例中描述的构成部件的尺寸、材料、形状、相对配置等不应解释为将本发明的范围限制于此，除非另有特别说明。
(第一实施例)
图1示出了本发明第一实施例的发电用预混合内燃机的控制装置。如图1所示，本实施例的发电用预混合内燃机的控制装置包括但不限于：具有压缩机2a和涡轮机2b的涡轮增压器2、和经由旋转轴2c与压缩机2a连结的电动发电机4。
涡轮增压器2和电动发电机4形成混合涡轮增压器。
此外，本实施例的发电用预混合内燃机的控制装置包括但不限于：供来自压缩机2a的空气进入并向涡轮机2b中供给废气的预混合内燃机1；和经由旋转轴1a与预混合内燃机1连结的发电机5。
此外，本实施例的发电用预混合内燃机的控制装置包括但不限于：基于发电机5或预混合内燃机1的操作条件控制电动发电机4的电力输出的控制单元7。
电动发电机4连接并设置有电力线8，以便在电动发电机4用作发电机时经由电力线8从电动发电机4获取电力，或者在电动发电机4用作电动机时经由电力线8向电动发电机4供给电力。
电力线8的另一端连接至发电机5的电力线，电动发电机4的电力输出添加至发电机5的电力输出。
注意，预混合内燃机是燃料在与空气预混合后作为空气燃料混合物的一部分进入燃烧室中的发动机；具体地，在燃料的示例中，包括汽油、柴油等液体燃料、以及气体燃料。在本实施例中，将用于发电机用途的气体发动机作为示例考虑；并且该气体发动机是燃料气体在与空气预混合后供给至发动机燃烧室的预混合内燃机。
此外，本实施例的发电用预混合内燃机的控制装置包括但不限于检测单元6，检测单元6用于检测发电机5和预混合内燃机1的操作条件，检测单元6包括但不限于：测量从压缩机2a向预混合内燃机1供给的(进入)空气的流量的进气量测量单元61；和测量与预混合内燃机1连结的发电机5的发电量的发电量测量单元62。
这里，应注意的是作为进气量测量单元61可使用公知的流量计。注意，对于(进入)空气流量的测量，由于考虑到进气压力、进气温度、废气中的氧气浓度等，在本实施例中空气流量是指质量流量。
此外，本实施例的发电用预混合内燃机的控制装置包括但不限于运算单元70，运算单元70在控制单元7中基于进气量测量单元61测得的测量空气流量以及基于根据发电量测量单元62测得的发电量计算出的必要空气流量，计算混合涡轮增压器的发电量或旋转速度，以使测量空气流量与必要空气流量一致。这里，必要空气流量是预混合内燃机1所需的空气流量。此外，基于运算单元70的计算结果，对混合涡轮增压器的发电量或旋转速度进行反馈控制。
注意，在本实施例中，混合涡轮增压器的发电量是电动发电机4生成的发电量；混合涡轮增压器的旋转速度是旋转轴2c的旋转速度。
这里，应该注意的是，例如，设置于控制单元7中的CPU可用作运算单元70；控制单元7包括例如包括有CPU的电路或存储在存储器中的软件等各种元件。
在控制单元7中，对于供给至预混合内燃机1的空气流量的修正值由两个因素确定，即测量空气流量和必要空气流量；其中，测量空气流量是基于发电量测量单元62的测量结果通过使用测量空气流量计算单元(见图1中的方框B1)计算出的，而必要空气流量是基于进气量测量单元61的测量结果通过使用必要空气流量计算单元(见图1中的方框B2)计算出的。
此外，计算出的测量空气流量与计算出的必要空气流量之间的差值被输入PI演算器(见图1中的方框B3)，以进行PI(比例/积分)演算，并计算出电动发电机4的发电量。控制单元71控制电动发电机4的旋转速度，以使所述差值清零；从而，经由从直流电力电气地生成交流电力的换流器72控制用作交流电动机的电动发电机4的旋转速度。图1中方框B1-B3的程序可以例如由安装在控制单元7中的CPU和记录在安装于控制单元71中的存储器中的软件来处理。当然，所述程序也可由形成比较/判定电路的硬件设备来处理。
下面，将参考图3所示流程图，来说明对混合涡轮增压器的发电量或旋转速度进行调控的上述反馈控制。
在步骤S11，开始一系列步骤；在下一步骤S12中，载入由必要空气流量计算单元B2算出的必要空气流量和由测量空气流量计算单元B1算出的测量空气流量。在图1中，这些空气流量被输入加减器74中并计算出差值。
在下一步骤S13，判断必要空气流量是否大于测量空气流量；当判定为是时，步骤S13的下一步骤为S14，在此判定涡轮增压器的旋转速度不足。此外，在步骤S15，增加涡轮增压器的旋转速度设定值，以将增加值建立为新的设定值。
在步骤S13，当判定为否时，步骤S13的下一步为步骤S16，在此判断必要空气流量是否小于测量空气流量；当判定为是时，步骤S16的下一步为步骤S17；在步骤S17，判定涡轮增压器的旋转速度过大。然后，在步骤S18，降低涡轮增压器的旋转速度设定值，以将降低值建立为新的设定值。
另外，在步骤S16，当判定必要空气流量不小于测量空气流量时，即当必要空气流量几乎等于测量空气流量时，步骤S16的下一步为步骤S19；在步骤S19，判定涡轮增压器的旋转速度处于适当范围内。然后，在步骤S20，使涡轮增压器的旋转速度设定值维持现状。
此外，基于在步骤S15或步骤S18中设定的新设定值，或基于在步骤S20确认的维持现状的设定值，在步骤S15、步骤S18或步骤S20下一步的步骤S21中对电动发电机4的旋转速度进行反馈控制；并在步骤S22，结束关于反馈控制循环的一系列控制程序。
在对于电动发电机4的反馈控制中，使给予电动发电机4的新建立的设定值(指令信号)与当前设定值(指令信号)相比，其中，当前设定值(指令信号)是电动发电机4的旋转轴2c的旋转速度，该旋转速度由速度传感器73检测。当新设定的设定值小于当前设定值时，判定电动发电机4的发电量不足；当新设定的设定值大于当前设定值时，判定电动发电机4的发电量过大。基于这些判定，对要被新建立的设定值进行反馈控制。
另外，在电动发电机4的控制中，当旋转速度的新设定值大于当前的旋转速度设定值时，即当电动发电机的发电量过大而进气量不足时，在负侧控制发电量，以使电动发电机4用作电动机，并获得必要空气流量。
这样，对于电动发电机4的控制，除了正侧发电量，还考虑负侧发电量，因此，能够连续且平稳地控制进气量。
如上所述，在第一实施例的发电用预混合内燃机的控制装置中，计算向预混合内燃机1供给的必要空气流量与测量空气流量之间的差值，以使控制单元7控制与压缩机2a连结的电动发电机4的发电量或旋转速度；因此，能够总是以适当的空气-燃料比使预混合内燃机1运转。
(第二实施例)
图1示出了本发明第二实施例的发电用预混合内燃机的控制装置。注意，第二实施例与第一实施例中相同部件被给予相同的附图标记，并省略重复说明。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于设置了废气旁通单元9。如图2所示，废气旁通单元9包括但不限于：旁通流路91、和作为配置在旁通流路91一部分上的流量调控阀的废气旁通阀92。废气旁通阀92属于比例控制类型。根据与混合涡轮增压器连结的电动发电机的发电量或旋转速度，来控制废气旁通单元9，以调控旁通流路91的开放度(opening level)。此外，当与混合涡轮增压器连结的电动发电机的发电量达到最大输出值时，废气旁通阀92被致动，以使旁通流路打开。
更详细地说，废气旁通阀92的开放度的修正值由两个因素确定，即测量空气流量和必要空气流量；其中，测量空气流量是基于发电量测量单元62的测量结果通过使用测量空气流量计算单元(见图2中的方框B1)计算出的，而必要空气流量是基于进气量测量单元61的测量结果通过使用必要空气流量计算单元(见图2中的方框B2)计算出的；并且确定废气旁通阀92的开放度的控制指令，以使这两个因素之间的差值被清零(见图2中的方框B5)。
此外，运算单元70判断电动发电机(或涡轮增压器)的发电量是否达到了最大额定值(见图2中的方框B4)；并且控制单元71对开关93进行开关控制。响应开关93的这种开关控制，在某个时刻向废气旁通阀92发送或在另一时刻不向废气旁通阀92发送来自图2中方框B5的控制指令。与第一实施例一样，图2中方框B1-B4的程序可以例如由安装在控制单元71中的CPU和记录在安装于控制单元71中的存储器中的软件来处理。
如上所述，在预混合内燃机1的控制装置中，内燃机1设置有供一部分废气流入的废气旁通单元9；当混合涡轮增压器的发电量超过预定水平时，这部分废气旁通过混合涡轮增压器并流入旁通流路91中，涡轮机的发电量降低，并且进入预混合内燃机1的空气流量也降低，因此即使在电动发电机的发电量达最大水平并且进气量过多时，也能控制进气量。此外，当旁通过涡轮增压器的废气的能量被使用时，能够实现能量节省；由此，能够确定涡轮增压器的规格，以使稳定状态运转中的混合涡轮增压器的发电量总是保持最大水平。
以上，描述了本发明的实施例，不用说的是本发明并不局限于上述实施例，在保持本发明的特征的情况下，能够进行各种变型。
工业适用性
根据本发明发电用预混合内燃机的控制装置，能够更准确地控制预混合内燃机的空气-燃料比，并且获得的空气-燃料比是适当的。根据本发明特征部分的构造可适用于预混合内燃机中包含的任何控制装置。

Claims (4)

1.一种发电用预混合内燃机的控制装置，该装置包括：
混合涡轮增压器，包括具有压缩机和涡轮机的涡轮增压器以及经由旋转轴与所述压缩机连结的电动发电机；
供来自所述压缩机的空气进入、并朝所述涡轮机排放废气的所述预混合内燃机；
经由旋转轴与所述预混合内燃机连结的发电机；和
基于所述发电机或所述预混合内燃机的操作条件来控制所述电动发电机的控制单元，
其中，所述发电用预混合内燃机的控制装置包括：
必要空气流量计算单元，用于基于从所述发电机发出的发电量，计算所述预混合内燃机运转所需的必要空气流量，以获得适当的空气燃料比；和
运算单元，用于计算所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度，以获得基于所述必要空气流量计算单元算出的、所述预混合内燃机所需的必要空气流量，并且
所述预混合内燃机包括废气旁通单元，该废气旁通单元具有旁通流路和设置在所述旁通流路上的流量调控阀，以调节所述涡轮机的输出，
其中所述控制单元基于所述运算单元获得的计算结果来控制所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度，并且，当所述混合涡轮增压器的发电量超过规定的最大值时，操作所述流量调控阀以打开所述旁通流路，根据测量空气流量和必要空气流量，进行对所述流量调控阀的开闭度的控制，以得到为了得到所述适当的空气燃料比运转所需的必要空气流量。
2.如权利要求1所述的发电用预混合内燃机的控制装置，该装置还包括用于测量从所述压缩机向所述预混合内燃机供给的空气的空气流量的进气量测量单元，
其中，所述运算单元对所述混合涡轮增压器的发电量或旋转速度进行反馈控制，以使所述进气量测量单元测得的测量空气流量与所述必要空气流量计算单元算出的所述预混合内燃机的必要空气流量一致。
3.如权利要求2所述的发电用预混合内燃机的控制装置，其中，
当所述必要空气流量计算单元算出的必要空气流量小于所述测量空气流量时，判定所述涡轮增压器的旋转速度过大，
当所述必要空气流量计算单元算出的必要空气流量大于所述测量空气流量时，判定所述涡轮增压器的旋转速度不足，并且
基于判定结果来计算所述涡轮增压器的重新修改的旋转速度设定值。
4.如权利要求3所述的发电用预混合内燃机的控制装置，其中，
在给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值与给予所述电动发电机的当前旋转速度设定值之间进行比较，
当给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值小于当前旋转速度设定值时，判定所述电动发电机的发电量不足，
当给予所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值大于当前旋转速度设定值时，判定所述电动发电机的发电量过多，并且
基于判定结果进行反馈控制以便计算出所述电动发电机的重新修改的旋转速度设定值。
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