CN103314201A - 用于运行具有至少两个气缸的内燃机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有至少两个气缸（1）的内燃机、特别是燃气发动机的方法，其中，与所述内燃机的期望功率和/或期望扭矩和/或期望转速相关，因气缸而异地借助于燃料配量装置和气缸压力传感器（2）来控制或调节供应给所述至少两个气缸（1）中的每一个气缸的燃料量。

Description

用于运行具有至少两个气缸的内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行具有至少两个气缸的内燃机、特别是燃气发动机的方法。此外本发明涉及一种用于实施所涉及的方法的内燃机。

背景技术

已经已知了用于运行具有多个气缸的内燃机的方法。在现有技术中描述的用于运行内燃机的方法和调节系统（例如DE 19621297C1、EP1688601A2、DE 102006024956B4、DE 102007000443A1）优先适用于较小的快燃和柴油发动机的发动机调节，如其例如用于客车的运行。因此其中列举的例子通常涉及液体燃料的应用。

对于具有超过3MW的发动机功率的固定式燃气发动机，这种燃气发动机例如用于能量的产生，所提出的调节方案是不适合的，这是因为通过这些发动机的主体上的大尺寸（例如混合轨）导致在相应的气缸中在调节信号与对燃烧过程的作用之间的不期望的大的时间延迟。再者，在加混合料的（gemischsaufgeladen）发动机中在给出的尺寸的情况下不是在所有的气缸上施加相同的压力或者压力基于流动效应而不能被正确地检测。

JP2005－069097和EP2136059A1分别示出一种具有多个气缸的燃气发动机，其中，可以借助于气缸压力传感器来测定气缸的气缸压力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，通过该方法可以准确且快速地调节内燃机特别是燃气发动机的功率。这特别适用于所谓的单机运行，其中燃气发动机必须对供电电网的波动的功率需求作出反应。在此需要对燃气发动机的待发出的功率进行快速且准确的调节。

所述目的根据本发明通过以下方式得以实现，即，与内燃机的期望功率和/或期望扭矩和/或期望转速想滚，因气缸而异地（zylinderindividuell）借助于燃料配量装置以及气缸压力传感器来控制或调节供应给至少两个气缸中的每一个气缸的燃料量。

在下文中同义地使用相应的概念燃料、动力煤气和燃气以及概念内燃机、燃气发动机和发动机。

在此使用在每个气缸中的压力作为用于控制或调节内燃机的功率和/或扭矩和/或转速的参考变量。在此通过气缸压力传感器来检测在燃烧室中的压力。由相应的气缸所做的功或者发出的功率可以通过已知的热力学关系从测量的气缸压力中计算出来。在此首先由可供燃烧过程使用的燃料量（动力煤气的量）对功率产生影响。由已知的或者待检测的参数例如燃烧室中的压力、施加的空气的压力和温度、施加的动力煤气的压力和温度以及转速来计算为实现所要求的功率在下一个燃烧过程中必要的燃气量并且通过相应的引入装置将相应量的燃料或燃料空气混合物供应给内燃机的气缸。

在此可以分别以分开的形式向至少两个气缸中的每一个气缸供应压缩空气和燃料、优选燃气。然而当然也可以进行预混合并且供应相应的燃料空气混合物。

在本发明的另一种实施方式中可以如此对其进行设计，即，与相应的气缸压力、优选气缸峰值压力或者从中推导出来的在由气缸发出的功率和/或排放量、优选NOx排放量方面的变量相关地使所述气缸平衡。空气吸入通道中以及燃气管道中的不同的几何结构以及不同的阀特性会导致在各个气缸中的不同的燃烧过程。在此有利的是：借助于适合的机构使得在不同的气缸中的燃烧在功率收益或NOx排放量方面平衡。为此可以由气缸压力信号确定如峰值压力或燃烧重点的变量，这些变量可以考虑用于平衡。也可能的是：由这些指示压力的、用于燃烧的变量推导出如过剩空气值那样的重要参数，这些重要参数随后同样可以用于平衡或用于通常的发动机调节。在此可以通过因气缸而异地控制或调节点火时间点和/或打开持续时间和/或用于燃料的相应的引入装置的燃料供给压力来实现气缸平衡。优选地，气缸峰值压力或气缸平均压力或从气缸压力曲线测定的因气缸而异的过剩空气值可以用作用于气缸平衡调节的参考变量。

在本发明的一种优选的实施方式中可以设定：通过打开持续时间和/或通过燃料供给压力和/或通过用于燃料的相应的引入装置的开口横截面来确定供应给所述至少两个气缸中的每一个气缸的燃料量。在此可以通过气缸的引入装置的相应的打开和关闭时间点来确定燃料量和供应特性。所述引入装置在此可以设计为入口－喷射阀（Port－Injection－Ventile），其中，可以根据阀的特征且根据运行条件来测定这样的入口－喷射阀的相应的打开持续时间。所述引入装置在此可以如此设计，使得其可以基本上仅仅具有完全打开和完全关闭的两个位置。

供应给燃气发动机的燃料或者动力煤气的量是对由燃气发动机可发出的功率的首要影响因素。在入口－喷射阀上的燃气量配量装置因此是用于功率的初级调节机构。在此，以下的关系是重要的：

$P_{\mathrm{mech}}=\frac{m_{\mathrm{gas}}\·\mathrm{Hu}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mot}}}{\frac{120}{n}}$

其中，P_mech是内燃机的发出功率，m_gas是用于整个内燃机的为此必要的燃气量，Hu是燃气的低热值，η_mot是内燃机的效率而n是内燃机的以rpm为单位的转速。

因为燃气量m_gas首要影响内燃机的发动机功率、扭矩或转速，所以可以按照调节变量的期望额定值来计算吹入到燃气发动机中的燃气量的额定值。

用于期望功率P_soll的燃料量m_gas可以相应地通过以下公式获取：

$m_{\mathrm{gas}}=\frac{P_{\mathrm{soll}}\·\frac{120}{n}}{\mathrm{Hu}\·{\mathrm{\η}}_{\mathrm{mot}}}$

燃气的低热值Hu、发动机效率η_mot和发动机的转速n进入到该计算中。内燃机的效率η_mot可以在此相应地通过对在最后的燃烧循环期间的气缸压力曲线的分析处理来测定或者例如由发动机特性曲线来测定。

在废气调节和点火调节方面，不允许将燃料空气混合物的混合比例设置为一个任意的值。所述混合比例（λ值）在此必须如此设定，使得排放量低于一个限定的排放极限并且同时不达到燃烧断火极限。相应的λ值在此例如通过相应的燃烧调节或通过特性曲线或表格给出。通过给出的λ值测定用于整个发动机的相应的空气量的燃料量。在此气缸仅仅可以得到确定的空气量。可以填充到气缸中的空气量是进气压力和供应系数的函数。

在调节装置中可以通过长期测量的进气压力以及计算的供应系数来确定气缸空气量。与对期望功率来说必要的燃气量相关地则可以确定相应的气缸数，燃气可以均匀分布到这些气缸中。通过相应的引入装置例如入口－喷射阀将燃气吹入到有效的、即供给燃气的气缸中。阀的打开持续时间在此决定注入到气缸中的燃气量。阀的打开持续时间可以由调节装置提供而作为调节变量。发动机功率的实际值可以在此通过检测气缸压力曲线（气缸压力指示）或通过在电网平行运行中测量电功率来确定并且由所述调节装置用作反馈信号或者参考变量。

在此也可以应用在时间上按等级排列的调节方案。优选可以设定：在大约2至100个燃烧循环的范围中的第一调节循环中进行对每个气缸的燃料量的调节，和/或在大约10至1000个燃烧循环的范围中的第二调节循环中通过以下方式进行调节，即，使燃料量追踪经调节的增压空气量，和/或在大约100至10000个燃烧循环的范围中的第三调节循环中进行对每个气缸的内燃机供给压力的调节。

由此可以限定调节作用在时间上的顺序，其中，通过燃烧循环－在这些燃烧循环上进行作用－的数量来确定持续时间。第一调节循环－优选应用在2至100个燃烧循环的范围中－在此用于纯功率调节并且称为燃气控制的调节原理。在此燃气量的预先给定是初级的调节作用，其中，可以通过以下方式进行次级的调节作用，即，按照燃气量来使得必要的增压空气量匹配。这样的调节作用特别适用于短期的功率调节，其中可以通过循环同步地直接作用在燃气量上来实现高动态的作用（例如基于循环的监控，转速偏差）。此外这样的调节作用特别适用于快速实现气缸平衡。

但是纯短期的功率调节具有的缺点在于，由此改变的运行条件，例如改变的燃气组份、燃烧值差的燃气、磨损、高的外部温度等等不能被考虑。因此可以设定更长期的调节循环，通过这些调节循环除了短期的、燃气控制的调节例如用于消除短期干扰的可能性之外，用于保持高效率和/或有利的排放发展的更长期的调节作用也是可能的。

在第二调节循环中因此可以设定：使用增压空气量作为初级的调节作用并且使相应的燃料量追踪增压空气量（空气控制的调节原理）。该调节原理特别适用于功率调节和调节似稳的过程，例如将燃气发动机高负荷运转直至其额定负荷。

可称为上一级静止的过程可以在第三调节循环中通过燃料供给压力的匹配而被控制（燃气压力控制的调节原理），其中，优化过程在此又可以通过燃气量与按照第一调节循环的小的时间要求的匹配来进行。

按照一种特别优选的实施方式可以设定：通过调节或控制有目的地关闭几个气缸，其中，未关闭的气缸发出期望功率和/或提供内燃机的期望扭矩和/或期望转速。优选可以在此设定：当内燃机的功率要求在该内燃机的额定功率的0%至30%的范围中时关闭几个气缸。在部分负荷情况中和空转中的功率或者转速调节可以在此通过几个气缸的切断或者打开来进行，而代替借助于通常的调节机构如回流阀或节流阀。由此产生了免节流阀的并因此低损失的运行和用于整个内燃机的更简单的调节特性，特别地涉及一种涡轮增压器调节。在负荷减少情况下的气缸关闭当然也可以一般在整个负荷范围中、内燃机的额定功率0%至100%中来进行。

与实时的负荷情况相关地也可以设定：当在每个燃烧循环中，负荷下降或者增加额定负荷的25%以上时可以选择性地关闭或者打开几个气缸。如果内燃机例如用于能量产生，那么可以使用表征电网状态的传感器值（例如电网电压、频率、供能者的能量要求特性），以便提前识别负荷跳跃并且可以短期地对其作出反应。如果内燃机处在单机运行中，那么可以为此检测在电负荷侧的测量值（例如用电器要求、风速测量或太阳能强度测量）。如果将内燃机用作用于例如泵或压缩机的驱动装置，那么可以例如将在设置在内燃机中的空气压缩机上的测量（例如压缩机入口压力、压缩机出口压力）用于可以快速地检测负荷接通或者关断或还有短的负荷冲击。而且扭矩和/或转速测量可以考虑用于检测负荷改变。

在负荷接通的情况下可以借助于个体的燃气注入来在短暂的阶段期间向单个或也向所有气缸供给经润滑的燃料空气混合物，以便短时地为设置在内燃机中的废气涡轮增压器提供更多的功率并且因此可以更快地克服已知的涡轮增压空洞效应（Turboloch－Effekt）。在此也可以同时相应地移动点火时间点，以便避免爆燃。

因气缸而异地控制或者禁止供给燃气的可能性也可以用于短时地（例如在一至两个燃烧循环内）关断燃气，以便检测纯的压缩曲线并且由此可以探测例如气缸的入口和/或出口阀的可能的阀损伤或磨损。因此可以设定：为了对气缸进行功能监控，将燃料供给关闭一个或多个燃烧循环、优选一至两个燃烧循环并且测定在此情况下产生的气缸压力的时间曲线。没有燃烧的阶段也可以用于补偿气缸压力传感器。这样的补偿可能是必要的，以便可以从气缸压力信号计算具有足够精度的参数，例如燃烧重点位置。而且阀磨损或沉积－其导致压缩比例的改变－可以在这样的阶段期间通过对泵平均压力或者相应的泵损耗的确定来识别。如果在此对多个传感器的值进行相互比较，那么可以此外区分传感器故障与内燃机的真实的错误特性。

特别有利的是本发明的下述实施方式，其中通过气缸传感装置、优选气缸压力指示装置来监控所述至少两个气缸的相应的燃烧过程。所谓的气缸压力指示装置用于与曲轴角或时间相关地检测在气缸中存在的内部压力。特别是结合另外的测量变量例如在气缸出口的废气温度或扭矩可以测定：在一个气缸中的燃烧是否真的不同于剩余的气缸，或例如涉及的气缸的气缸压力传感器是否发生故障。此外借助于气缸压力指示装置能够实现对燃烧技术上的、基于循环的极限例如爆燃或停机运行的监控以及在多个循环上的优化和对波动的燃气质量的监控和反应。对此可以采用通过计算而由气缸压力测定的变量，例如燃烧重点和平均压力。

此外可以设定：用不同的燃料运行所述至少两个气缸。在此可以例如用柴油运行几个气缸。这样的混合运行可以是有利的，以便通过柴油运行的气缸基于其更宽的燃烧窗（Verbrennungsfenster）而在需要时可以更好地动态调节涡轮功率并且由此调节增压。燃气运行的气缸在此基本上稳定地工作并且被考虑例如仅仅用于慢的调节作用（例如NOx调节）。

基于本发明的目的也通过具有权利要求14的特征的内燃机得以实现。该内燃机的有利的改进通过其从属权利要求示出。

附图说明

在下文中根据附图说明参照在附图中示出的实施例来进一步阐述本发明的其它细节和优点。其中：

图1具有引入装置和气缸压力传感器的气缸的示意图；和

图2所提出的调节方案的示意性框图。

具体实施方式

图1示意性示出内燃机的气缸1，该气缸具有位于其中的活塞6。引入装置4在此用于将动力煤气注入到燃烧室5中。气缸压力传感器2例如连续地或时间上不连续地和/或相关于与所述活塞6连接的曲轴（在此未示出）的角地将在气缸1的燃烧室5中的压力的相应的测量数据提供给控制或调节装置3，该控制或调节装置用于控制或调节内燃机的功率和/或扭矩和/或转速。与所期望的控制变量相关地通过控制或调节装置3来配量用于气缸1的相应量的燃料并且借助于引入装置4注入到燃烧室5中。因此在这个例子中控制或调节装置3连同引入装置4共同承担燃料配量装置的作用。

图2示出所提出的、通过用于与所期望的额定变量S相关地调节用于气缸1的燃料量的控制或调节装置3的、燃气控制的调节方案的示意性框图。额定变量S和实际变量I在此可以涉及发动机功率、扭矩或例如转速。在气缸1中通过至少一个在此未示出的气缸压力传感器2来探测气缸压力曲线并且由气缸压力指示装置7对其进行分析处理。通过这样的气缸压力指示可以相关于时间和/或与气缸1的活塞6连接的曲轴（在此未示出）的角地检测气缸压力。基于气缸压力曲线－其由气缸压力指示装置7提供给分析处理装置8－可以通过分析处理装置8来测定相关的参数例如发动机功率、发动机效率、供应系数、实时λ值以及气缸峰值压力。一个或多个测定的这样的附加数据Z可以提供给控制或调节装置3，以便确定例如供给燃料的气缸的数量和引入装置4（例如入口－喷射阀）的打开持续时间。通过引入装置4则可以将相应需要的燃料量吹入到相应的气缸1中。

Claims (18)

1.一种用于运行具有至少两个气缸（1）的内燃机、特别是燃气发动机的方法，其特征在于，与所述内燃机的期望功率和/或期望扭矩和/或期望转速相关，供应给所述至少两个气缸（1）中的每一个气缸的燃料量因气缸而异地借助于燃料配量装置和气缸压力传感器（2）来控制或调节。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分别以分开的形式向所述至少两个气缸（1）中的每一个气缸供应压缩空气以及燃料、优选动力煤气。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，采用在每个所述气缸（1）中的压力作为用于控制或调节内燃机的功率和/或扭矩和/或转速的参考变量。

4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过打开持续时间和/或通过燃料供给压力和/或通过用于燃料的相应的引入装置（4）的开口横截面来确定供应给所述至少两个气缸（1）中的每一个气缸的燃料量。

5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，通过对点火时间点和/或打开持续时间和/或用于燃料的相应的引入装置（4）的燃料供给压力进行因气缸而异的控制或调节来实现气缸平衡，其中，优选地与相应的气缸压力、优选气缸峰值压力或者从该压力中推导出来的在由所述气缸（1）发出的功率和/或排放量、优选NOx排放量方面的变量相关地使各气缸（1）平衡。

6.如权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，

·在大约2至100个燃烧循环的范围中的第一调节循环中对每个气缸（1）的燃料量进行调节；和/或

·在大约10至1000个燃烧循环的范围中的第二调节循环中通过以下方式进行调节，即，使燃料量追踪经调节的增压空气量；和/或

·在大约100至10000个燃烧循环的范围中的第三调节循环中对每个气缸（1）的燃料供给压力进行调节。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，通过控制来有目的地关闭几个气缸（1），其中，未关闭的气缸（1）发出所述期望功率和/或提供内燃机的期望扭矩和/或期望转速。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述内燃机的功率要求在该内燃机的额定功率的0%至30%的范围中时关闭几个气缸（1）。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，当每个燃烧循环的负荷下降或者增加额定负载的25%以上时选择性地关闭或者打开几个气缸（1）。

10.如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，为了对气缸（1）进行功能监控，将燃料供给关闭一个或多个燃烧循环、优选一至两个燃烧循环并且测定在此情况下产生的气缸压力的时间曲线。

11.如权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，为了对气缸（1）的阀进行功能监控，将燃料供给关闭一个或多个燃烧循环、优选一至两个燃烧循环，其中，检测压缩曲线并且由此探测到可能的阀损伤或阀磨损。

12.如权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，通过气缸传感装置、优选气缸压力指示装置来监控所述至少两个气缸（1）的相应的燃烧过程。

13.如权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，用不同的燃料来运行所述至少两个气缸（1）。

14.内燃机，具有：

·至少两个气缸（1）；

·每个气缸（1）的至少一个引入装置（4），用于将燃料或燃料/空气混合物引入到所述气缸（1）中；

·控制或调节装置（3），用于控制或调节内燃机的下述期望变量中的至少一个变量：功率、扭矩、转速。

其中，每个气缸（1）的所述至少一个引入装置（4）中的每个引入装置通过用于控制或调节所述期望变量的控制或调节装置（3）而是可操控的，其特征在于，所述内燃机构造为没有节流阀、具有至少一个涡流增压器压缩器旁路和/或至少一个涡流增压器涡轮机废气门和/或可变的阀控制装置和/或可变的涡轮机几何结构和/或可变的压缩机几何结构。

15.如权利要求14所述的内燃机，其特征在于，每个气缸（1）设有至少一个气缸压力传感器（2），该至少一个气缸压力传感器的信号可供应给控制或调节装置（3）。

16.如权利要求14或15所述的内燃机，其特征在于，每个气缸（1）的所述至少一个引入装置（4）构成为入口－喷射装置。

17.如权利要求14至16之一所述的内燃机，其特征在于，设置有空气压缩器，该空气压缩器与所述至少两个气缸（1）连接。

18.如权利要求14至17之一所述的内燃机，其特征在于，所述内燃机构造成优选固定式燃气发动机。

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