CN102575599B - 用于调节燃气发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于调节带有发电机(5)的燃气发动机(1)的方法，在其中，通过转速调节器从转速调节偏差中计算调节力矩，在其中，至少取决于该调节力矩计算理论体积流量，在其中，取决于理论体积流量确定作为燃料空气混合物的份额的燃料体积，并且在其中，同样取决于理论体积流量计算作为用于接收管压力调节回路的参考变量的理论接收管压力，以用于调节在燃气发动机(1)的进气门之前的接收管(12，13)中的燃料空气混合物的混合物压力(pRRA，pRRB)。本发明的特征在于，计算调节力矩相对于发电机力矩的偏差，并且根据该偏差修正理论接收管压力。

Description

用于调节燃气发动机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节燃气发动机(Gasmotor)的方法，在该方法中，取决于理论体积流量确定作为燃料空气混合物的份额的燃料体积以及在燃气发动机的进气门之前的接收管(Receiverrohr)中的燃料空气混合物的混合物压力。
背景技术
燃气发动机常常用作用于备用电源发电机、快速备用设备(Schnellbereitschaftsaggregate)的或者为联合产生电流和热所用的装置(BHKW)的驱动件。在此，在例如1.7的燃烧空气比例时(即，在带有空气过量的稀薄混合物运转时)使燃气发动机运行。典型地，燃气发动机包括用于确定在燃料空气混合物中的燃气份额的燃气节流阀、用于共同输送可燃的燃气和空气的混合器(Mischer)、作为废气涡轮增压器的部分设备的压缩机、散热器以及混合物节流阀。通过混合物节流阀确定工作气缸的填充度(Füllung)并且由此确定燃气发动机的扭矩。另一方面，在通常保持恒定的影响因素时从燃料空气混合物的压力中计算工作气缸的填充度，例如在恒定的接收管温度、在恒定的转速和恒定的燃烧空气比例时。
从文件DE 10 2007 045 195 B3中已知用于带有发电机的静态的燃气发动机的调节方法，在该方法中，通过转速调节器从转速调节偏差中确定作为调整参数的调节力矩。通过效率特征图表(Kennfeld)再次从调节力矩和实际转速中确定理论体积流量，其既表示用于操控燃气节流阀的输入参数也表示用于确定在接收管中的混合物压力的输入参数。重要的要素(Zentrales Element)为取决于相同的控制参数(在此，理论体积流量)并行地操控两个控制机构。通过下级的接收管压力调节回路进行在接收管中的混合物压力的调整。在该接收管压力调节回路中，理论接收管压力相应于参考变量并且测得的接收管压力相应于调节参数。那么，燃气发动机和发电机相应于受控系统(Regelstrecke)。在考虑燃气发动机的实际转速、在接收管中的温度和恒定值的情况下从理论体积流量中计算理论接收管压力。此外，燃烧空气比例和化学计算的空气需求实施成恒定值。所示出的方法在实际中已证实为有效的。然而，在相同的燃气族(Gasfamilie)之内不同燃气品质(Gasqualität)(体积份额)对于排放值的影响为重要的。
同样文件DE 699 26 036 T2描述了用于调节燃气发动机的方法，在该方法中，从转速调节偏差中通过PID调节器计算用于操控混合物节流阀的调整信号。同样，取决于转速调节偏差确定修正值，之后，通过该修正值改变用于燃气节流阀的调整信号。然而，该方法的目标设定为通过修正克制发动机转速的波动，在理论发动机转速的变化之后出现该波动。
发明内容
从带有并行地操控燃气节流阀和混合物节流阀以及带有下级的接收管压力调节回路的调节方法出发，本发明的目的为，使不同的燃气质量对调节方法的影响最小化。
通过带有权利要求1的特征的用于调节燃气发动机的方法实现该目的。在从属权利要求中示出设计方案。
通过以下方式使不同的燃气品质的影响最小化，即，计算调节力矩(即转速调节器的调整参数)相对于发电机力矩的偏差，并且根据该偏差修正理论接收管压力。该偏差为用于实际使用的燃气(例如生物气)的内能与参考燃气的内能的偏差的值的度量(Maß)。在试验台上针对该参考燃气测量(einmessen)燃气发动机，其中，使用天然气作为参考燃气。对于作为已知的燃气族中的燃气的混合物出现的现场的(vor Ort)燃气，必须已知燃料参数。其为热值、化学计算的空气需求和密度。之后，将燃料参数作为固定参数储存在系统中。通过其计算调节力矩的转速调节器参考天然气。通过从修正的输入参数、即修正的理论体积流量、修正的燃烧空气比例以及修正的空气需求中计算出理论接收管压力，修正理论接收管压力。
通过理论体积流量乘以偏差的平方计算修正的理论体积流量。从参考燃烧空气比例和偏差中计算修正的燃烧空气比例，其中，通过特征图表取决于燃气发动机的调节力矩和实际转速计算参考燃烧空气比例。通过递归方法(Rekursionsverfahren)同样取决于偏差获得修正的空气需求。
根据本发明的方法的应用提供的优点为，尽管气体品质的变动(Streuung)，燃气发动机的功率输出保持不变。因此，利用例如生物气运行的燃气发动机具有与利用天然气运行的燃气发动机相同的功率输出。如果可燃烧的燃气的体积份额变化，则通过根据本发明的方法匹配理论接收管压力，以使得即使在这种情况中功率输出也保持不变。因此，不必已知体积份额。结果得到与在参考燃气时相同的有害物质排放。由于该方法建立在已经存在的传感器信号的基础上，在传感机构处以及在电子的发动机控制器处的改变或补充是不必要的。因此，已经交付的燃气发动机可无问题地加装根据本发明的方法，例如在维护时。与燃烧空气比例调节相比，取决于相同的控制参数的燃气节流阀和混合物节流阀的并行的操控提供的优点为，伴随整个系统的改进的可调整性的缩短的反应时间和更精确的振荡稳定化(Einschwingen)。结果得到发动机功率的均匀的调节。
附图说明
在图纸中示出优选的实施例。其中：
图1显示了总图，
图2显示了方框图，
图3以方框图显示了理论接收管压力的计算，
图4以方框图显示了修正的空气需求的计算，
图5显示了程序流程，以及
图6显示了子程序。
具体实施方式
图1显示了带有发电机5的以V形布置方案的燃气发动机1的总图。由燃气发动机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，将该电能馈送到电网中。以下机械的构件与燃气发动机1相关联：用于确定所输送的燃料(例如生物气)体积流量的燃气节流阀6、用于共同输送空气和燃料的混合器7、作为废气涡轮增压器的部分设备的压缩机8、散热器9、在燃气发动机1的A侧的接收管12中的A侧的混合器节流阀10和B侧的接收管13中的B侧的混合器节流阀11。显然，代替节流阀(即，燃气节流阀6和混合物节流阀10和11)，也可使用其它调整装置，例如文式管缝隙式混合器(Venturispaltmischer)或旋转滑阀。
通过电子的发动机控制器14(GECU)确定燃气发动机1的运行方式。电子的发动机控制器14包含微计算机系统的通常的组成部分，例如微处理器、I/O模块、缓冲器以及储存模块(EEPROM,RAM)。在储存模块中以特征图表/特性曲线的方式应用与燃气发动机1的运行相关的运行数据。电子的发动机控制器14通过这些运行数据从输入参数中计算输出参数。在图1中作为输入参数示出：A侧接收管压力pRRA、混合物温度T1、B侧接收管压力pRRB、燃气发动机1的发动机转速nMOT的(未滤波的)粗值(Rohwert)、由未示出的装置调节器预定的理论转速nM(SL)以及输入参数EIN。输入参数EIN总结为其它输入信号，例如油温度。作为电子的发动机控制器14的输出参数示出：用于操控燃气节流阀6的匹配的理论体积流量Va(SL)、用于操控A侧的混合物节流阀10的A侧的混合物节流阀角度DKWA、用于操控B侧的混合物节流阀11的B侧的混合物节流阀角度DKWB以及信号AUS。信号AUS代表用于控制和调节燃气发动机1的其它信号。
该布置方案具有以下通常的功能性：通过燃气节流阀6的状态调整输送到混合器7处的燃料体积流量。A侧的混合物节流阀10的位置限定A侧的混合物体积并且由此限定在燃气发动机1的进气门之前的A侧的接收管12中的A侧的接收管压力pRRA。通过B侧的混合物节流阀11确定在燃气发动机1的进气门之前的B侧的接收管压力pRRB。
在图2中示出了用于操控两个混合物节流阀10和11以及燃气节流阀6的方框图。参考标号15表示发电机的装置调节器。参考标号14作为减少的方框图示出电子的发动机控制器，其中，所示出的元件代表可实施的程序的程序步骤。在该图示中，电子的发动机控制器14的输入参数为发动机转速nMOT的粗值、A侧的接收管压力pRRA、B侧的接收管压力pRRB、理论转速nM(SL)以及电的有效功率Pwel。由装置调节器15提供理论转速nM(SL)和电的有效功率Pwel。在电子的发动机控制器14中，从电的有效功率Pwel中计算发电机力矩MGen。电子的发动机控制器14从发动机转速nMOT的粗值中通过未示出的转速滤波器计算实际转速nM(IST)。在该图示中，电子的发动机控制器14的输出参数为用于操控A侧的混合物节流阀10的A侧的混合物节流阀角度DKWA、用于操控B侧的混合物节流阀11的B侧的混合物节流阀角度DKWB以及用于操控燃气节流阀6的匹配的理论体积流量Va(SL)。
由装置调节器15预定理论转速nM(SL)作为功率期望，例如nM(SL)=1500 1/min相应于50Hz的频率。在点A处，从理论转速nM(SL)和实际转速nM(IST)中计算转速调节偏差dn。另一方面，转速调节器16从转速调节偏差dn中计算调节力矩MR作为调整参数。在实际中，转速调节器16实施成PIDT1调节器。调节力矩MR为消耗特征图表17的第一输入参数。第二输入参数相应于实际转速nM(IST)。通过消耗特征图表17取决于两个输入参数确定理论体积流量V(SL)。理论体积流量V(SL)既为用于量匹配部31的输入参数也为用于混合物配量部(Gemischquantität)18的输入参数。通过量匹配部31至少取决于发电机力矩MGen匹配理论体积流量V(SL)。量匹配部31的输出参数为匹配的理论体积流量Va(SL)，其为燃气节流阀6的输入参数。在燃气节流阀6中集成有处理电子装置(Verarbeitungselektronik)，通过其将相应的横截面积和相应的角度与匹配的理论体积流量Va(SL)的值相关联。通过燃气节流阀6调整作为燃料空气混合物的燃气份额的燃料体积流量。
在混合物配量部18中，既结合理论接收管压力的计算也结合下级的接收管压力调节回路。在混合物配量部18之内的理论体积流量V(SL)的转换在图3中示出并且将结合图3对其进行描述。如当前示出的那样，混合物配量部18的其它输入参数为发电机力矩MGen、调节力矩MR、实际转速nM(IST)以及作为下级的接收管压力调节回路的调整参数的两个接收管压力pRRA和pRRB。通过混合物配量部18计算A侧的混合物节流阀角度DKWA和B侧的混合物节流阀角度DKWB。利用A侧的混合物节流阀角度DKWA操控A侧的混合物节流阀10，通过其调节A侧的接收管压力pRRA。利用B侧的混合物节流阀角度DKWB操控B侧的混合物节流阀11，通过其调节B侧的接收管压力pRRB。如从图中表明的那样，重要的要素为取决于相同的调整参数(在此理论体积流量V(SL))并行地操控燃气节流阀和混合物节流阀。
在图3中以方框图示出了用于确定理论接收管压力pRR(SL)的功能块19，其为混合物配量部18的一部分。功能块19的输入参数为由转速调节器(图2：16)计算的调节力矩MR、实际转速nM(IST)、发电机力矩MGen以及理论体积流量V(SL)。输出参数为理论接收管压力pRR(SL)，其之后为用于下级的接收管压力调节回路的参考变量。例如，在文件DE 10 2007 045 195 B3中示出相应的接收管压力调节回路。通过计算部20凭借计算商MR/MGen从调节力矩MR和发电机力矩MGen中确定偏差yS。偏差yS为用于实际使用的燃料的内能相对于参考燃料的内能的偏差的值的度量。以每标准立方米燃气千瓦时(kWh/nm3)给出内能的单位。由燃气发动机的制造商使系统适应(einstellen)作为参考燃料的天然气。如果使用天然气，那么商MR/MGen等于1。如果相反地，使用带有较低的内能的燃气(例如生物气)，那么根据惰性气体份额，商在1.4至1.5的范围中。
通过特征图表21使参考燃烧空气比例LAMr与调节力矩MR和实际转速nM(IST)相关联。参考燃烧空气比例LAMr为修正部22的第一输入参数。第二输入参数为参考空气需求LMINr，在此其为恒定的。参考空气需求LMINr相应于为了使1立方米参考燃气完全燃烧的化学计算的空气需求。第三输入参数为偏差yS。通过修正部22根据以下关系式计算修正的燃烧空气比例LAMk：
LAMk = LAMr + [(1-yS2) / LMINr] (1)
修正部22的输出参数，即，修正的燃烧空气比例LAMk为用于确定理论接收管压力pRR(SL)的计算部25的第一修正的输入参数。通过修正部23取决于偏差yS计算修正的空气需求LMINk。在图4中示出修正部23，并且将结合图4对其进行描述。修正的空气需求LMINk为计算部25的第二修正的输入参数。计算部25的第三修正的输入参数为修正的体积流量Vk(SL)。计算部24通过将理论体积流量V(SL)乘以偏差yS的平方计算修正的体积流量Vk(SL)。通过计算部25根据以下关系式计算理论接收管压力pRR(SL)：
pRR(SL) = 2·yS2·T1·p0·[1 +LAMk·LMINk]·Vk(SL)/[LG·VH·nM(IST)·T0] (2)
在此，yS表示偏差，T1表示在接收管中测得的温度、p0表示在标准高度(Normal-Null)上的标准大气压(1013hpa)，LAMk表示修正的燃烧空气比例，LMINk表示修正的空气需求，Vk(SL)表示修正的理论体积流量，LG表示充气系数(Liefergrad)，VH表示气缸的排量，nM(IST)表示燃气发动机的实际转速并且T0表示标准温度(273.15K)。在图中将充气系数LG、排量HV和标准温度T0总结为参考标号E。如可从图3中看出的那样，通过使用修正的输入参数修正理论接收管压力pRR(SL)。在此，偏差yS已证实为合适的(zielführend)修正参数，因为其为用于实际使用的燃气(例如带有45%体积的甲烷的生物气)相对于参考燃气(在此天然气)的内能的偏差的值的度量。
在图4中以方框图示出修正的空气需求的计算。输入参数为偏差yS和点火时刻ZZP。输出参数为修正的空气需求LMINk和混合参数(Mischungsparameter)xSF。借助于递归循环(Rekursionsschleife)26计算修正的空气需求LMINk。通过计算部27根据偏差yS和效率比例ETA计算混合参数xS。在第一次执行(Durchlauf)递归循环时计算效率比例的初值ETA=1。根据以下关系式计算混合参数：
xS = {HUO - [HUr·ETA·(1/yS2)]}/[HUO - HUU] (3)
在此，xS为混合参数。常数HUO相应于实际使用的燃料(例如生物气)的最大待增加的热值。常数HUU相应于实际使用的燃料的最小待增加的热值。常数HUr相应于参考燃料(在此：天然气)的热值。为了确定常数HUO和HUU必须已知燃料来源的产地和燃气族。在燃气发动机的运行中这些是不变的。之后将混合参数xS引导到效率特征图表28，通过其取决于混合参数xS和点火时刻ZZP获得新的效率比例ETA。效率比例ETA可实施成实际的效率与在使用参考燃料(天然气)时在试验台上获得的参考效率的比例。之后，将新的效率比例ETA反馈到计算部27。之后，在计算部27中相应于公式(3)重新从新的效率比例ETA中计算混合参数xS。如此长地执行递归循环，即，直至识别到中断准则(Abbruchkriterium)。当已经执行递归循环26i次时出现中断准则。此外备选地，当在两个递归地计算的混合参数之间的差小于极限值时，出现中断准则。随着识别到中断准则，将最后计算的混合参数设置为有效的。递归循环16的下级为滤波器29，典型地PT1滤波器，之后，通过其过滤设置为有效的混合参数。通过计算部30从过滤的混合参数xSF和恒定值K中计算修正的空气需求LMINk，在图3的功能块19中对其进行进一步处理。根据以下关系式进行计算：
LMINk = xSF·LMINu + (1-xSF)·LMINo (4)
其中，LMINu表示实际使用的燃料的最小空气需求，并且LMINo表示实际使用的燃料的最大空气需求，其表现为常数值。内部地(intern)进一步处理混合参数xSF，例如以用于匹配燃料密度和点火时刻。
在图5中以程序流程示出根据本发明的方法。在S1中读入实际转速nM(IST)和理论转速nM(SL)，并且紧接着在S2中从中计算转速调节偏差dn。转速调节器从转速偏差dn中例如通过PIDT1运算确定调节力矩MR作为调整参数(S3)。在S4中通过消耗特征图表(图2：17)取决于调节力矩MR和实际转速nM(IST)计算理论体积流量V(SL)。之后，在S5中，通过计算商MR/MGen，从调节力矩MR和发电机力矩MGen中确定偏差yS。在S6中通过特征图表(图3：21)使参考燃烧空气比例LAMr与调节力矩MR和实际转速nM(IST)相关联。之后，在S7中，借助于公式(1)确定修正的燃烧空气比例LAMk。紧接着S7，在S8中分支到用于计算修正的空气需求LMINk的子程序UP1中。在图6中示出子程序UP1并且将结合图6对其进行描述。在从子程序UP1中返回之后，在S9中从理论体积流量V(SL)和偏差yS中计算修正的理论体积流量Vk(SL)。之后，在S10中，相应于公式(2)取决于修正的理论体积流量Vk(SL)、修正的空气需求LMINk和修正的燃烧空气比例LAMk计算理论接收管压力pRR(SL)。由此结束程序流程。
在图6中示出用于借助于递归方法计算修正的空气需求LMINk的子程序UP1。在S1中将过程变量i和效率比例ETA设置成初值1。之后，在S2中借助于公式(3)计算混合参数xS。常数HUO相应于实际使用的燃料(例如生物气)的最大待增加的热值。常数HUU相应于实际使用的燃料的最小待增加的热值。常数HUr相应于参考燃料(在此：天然气)的热值。为了确定常数HUO和HUU，必须已知燃料来源的产地和燃气族。其在燃气发动机的运行中不改变。因此，在第一次执行程序时，混合参数为混合参数xS(1)。紧接着，在S3中，通过效率特征图表(图4：28)使新的效率比例ETA与混合参数和点火时刻ZZP相关联。效率比例ETA可实施成实际效率相对于参考效率的商。之后，在S4中利用之前计算的新的效率比例ETA确定新的混合参数，并且将其设置成新的混合参数。那么，在第一次执行时新的混合参数称为xS(2)。之后，使过程变量i增加1(S5)，并且在S6中询问其值。如果过程变量i小于4，询问结果S6：是，则在S3中继续程序流程。如果在S6中的询问结果是否定的，则将最后计算的混合参数设置成有效的。在S7中，对在时间间隔之内如此计算的有效的混合参数进行滤波，例如通过PT1滤波器。结果相应于已滤波的混合参数xSF。在S8中，取决于已滤波的混合参数xSF计算修正的空气需求LMINk。内部地进一步处理已波的混合参数xSF，例如用于匹配燃料密度BD和点火时刻ZZP。之后，返回图5的主程序S8中。
已经根据驱动发电机的燃气发动机描述了本发明。代替发电机，也可应用快速备用设备或为联合产生电流和热所用的装置(BHKW)。那么，在这种情况中，发电机力矩MGen相应于例如由快速备用设备给出的力矩。
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 散热器
10 A侧的混合物节流阀
11 B侧的混合物节流阀
12 A侧的接收管
13 B侧的接收管
14 电子的发动机控制器(GECU)
15 装置调节器
16 转速调节器
17 消耗特征图表
18 混合物配量部
19 功能块
20 计算部
21 特征图表
22 修正部
23 修正部
24 计算部
25 计算部
26 递归循环
27 计算部
28 效率特征图表
29 滤波器
30 计算部
31 量匹配部

Claims (10)

1. 一种用于调节带有发电机(5)的燃气发动机(1)的方法，在所述方法中，通过转速调节器(16)从转速调节偏差(dn)中计算调节力矩(MR)，在所述方法中，至少取决于所述调节力矩(MR)计算理论体积流量(V(SL))，在所述方法中，取决于所述理论体积流量(V(SL))确定作为燃料空气混合物的份额的燃料体积，并且在所述方法中，同样取决于所述理论体积流量(V(SL))计算作为用于接收管压力调节回路的参考变量的理论接收管压力(pRR(SL))以用于调节在所述燃气发动机(1)的进气门之前的接收管中的燃料空气混合物的混合物压力(pRRA,pRRB)，
其特征在于，计算所述调节力矩(MR)相对于发电机力矩(MGen)的偏差(yS)，并且根据所述偏差(yS)修正所述理论接收管压力(pRR(SL))。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过由所述偏差(yS)修正所述理论接收管压力(pRR(SL))的输入参数，修正所述理论接收管压力(pRR(SL))。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少从修正的理论体积流量(Vk(SL))、修正的燃烧空气比例(LAMk)以及修正的空气需求(LMINk)中计算所述理论接收管压力(pRR(SL))。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过使所述理论体积流量(V(SL))乘以所述偏差(yS)的平方，计算所述修正的理论体积流量(Vk(SL))。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，至少从参考燃烧空气比例(LAMr)和所述偏差(yS)中计算所述修正的燃烧空气比例(LAMk)，其中，通过特征图表(21)取决于所述调节力矩(MR)和燃气发动机(1)的实际转速(nM(IST))计算所述参考燃烧空气比例(LAMr)。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过下列方式来计算所述修正的空气需求(LMINk)，即取决于所述偏差(yS)计算第一混合参数，从所述第一混合参数和点火时刻(ZZP)中计算效率比例(ETA)，递归地通过所述效率比例(ETA)修正所述第一混合参数，在识别中断准则时将最后计算的混合参数设置成有效的混合参数，并且将所述有效的混合参数乘以常数(K)并且将结果设置成所述修正的空气需求(LMINk)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当已经执行i次递归方法时或者当在两个计算出的混合参数(xS(i),xS(i+1))之间的差小于极限值(GW)时，出现中断准则。
8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述有效的混合参数进行滤波。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算所述调节力矩(MR)与所述发电机力矩(MGen)的商，计算所述偏差(yS)。
10. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过第一接收管压力调节回路取决于所述理论接收管压力(pRR(SL))调节在A侧的接收管(12)中的A侧的混合物压力(pRRA)，并且通过第二接收管压力调节回路同样取决于所述理论接收管压力(pRR(SL))调节在B侧的接收管(13)中的B侧的混合物压力(pRRB)。
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