CN103797225B - 用于调节火花点火燃气发动机的装置和方法 - Google Patents

用于调节火花点火燃气发动机的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于火花点火燃气发动机2的保护装置1，其具有用于燃气/空气混合物GL的节流阀门2.1并且具有废气涡轮增压器2.5，所述涡轮增压器具有涡轮机2.2并且分配有节流部件2.3以用于废气A，其中提供了检测单元1.1并且提供了控制单元1.2，借助于所述检测单元可以检测出跨越所述节流阀门2.1的实际差压Δρ，借助于所述控制单元，所述节流部件2.3的位置可以根据所述实际差压Δρ而变化，其中用于所述废气A的所述节流部件2.3相对于所述废气A的流向仅提供在所述涡轮机2.2的下游。本发明还涉及用于调节排气节流部件2.3的方法，所述排气节流部件连接到火花点火燃气发动机2的废气涡轮增压器2.5的涡轮机2.2的下游，所述火花点火燃气发动机具有在混合物部分2b中的节流阀门2.1，在所述方法中，跨越所述节流阀门2.1的所述差压Δρ被监测，并且在过高差压Δρ的情况下，所述节流部件2.3部分关闭直到所述差压Δρ下降到所需值。

Description

用于调节火花点火燃气发动机的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于四冲程循环燃气发动机的保护装置，其具有用于燃气-空气混合物GL的节流阀并且具有废气涡轮增压器，所述涡轮增压器具有涡轮机并且节流元件被分配给涡轮机以用于废气A，其中提供了检测单元并且提供了控制单元，借助于所述检测单元可以检测到跨越节流阀的实际压力差Δp，借助于所述控制单元，节流元件的位置可以根据实际压力差Δp而变化。
背景技术
在机械增压的四冲程循环发动机的、确切地说燃气发动机的运行期间，如果燃料具有不同的燃烧特征，诸如具有天然气和沼气等的情况，那么节流阀上游的充气压力随着其不同的燃料或混合物而变化，而汽缸上游的混合物压力保持近似恒定。这是因为，在燃气发动机的情况下，由于不同的燃烧特征，涡轮增压器的涡轮机的上游排气温度上升。因此，压缩机功率也上升，并且产生比必需更高的充气压力。
在燃气发动机中，过高的充气压力引起跨越节流阀的压力差的增加，因为汽缸头的上游或节流阀的下游所需用于以恒定功率运行的的压力保持近似恒定。
如超过跨越节流阀的压力差的阈值，那么涡轮增压器的压缩机达到喘振极限。在具有“窄特征映射”的现代涡轮机的情况下，非常高的压力差导致“喘振”。喘振指代由压缩机传递的体积流量速率中的不稳定性，所述不稳定性由于其他副作用，反过来会导致系统故障并且导致涡轮增压器和发动机损害。
为了避免此，已知一些解决方案，所述解决方案借助于压缩机处的旁路或涡轮增压器的涡轮机处的旁路调节跨越节流阀的压力差。
例如，具有废气涡轮增压器的内燃发动机也已经从DE 103 15 148 A1中已知。废气涡轮增压器分配有将主要侧面连接到次级侧面上的旁路管线或旁路。为了防止压缩机的喘振，后者可以配备有内部再循环。再循环意味着空气或空气混合物从压缩机的次级侧面再循环到压缩机的主要侧面。所述再循环还可以被配置成可切换的。
DE 10 2009 049 394 A1揭示了用于四冲程循环燃气发动机的装置，所述装置首先具有节流阀和用于检测跨越节流阀的压力差的检测单元，并且其次具有出于调节旁路管线中的体积流量速率目的的在废气涡轮机旁路管线中的节流元件。
发明内容
本发明基于开发和布置控制装置从而以简单的方式防止压缩机的喘振的目标。
确切地说，在相对较旧的发动机或已经在不带有此设备(确切地说不带有旁路管线)的情况下安装的发动机的情况下，改造是高度繁琐的、昂贵的或不可能的，因为排气系统和新鲜空气系统的全部部件将必须重新设计并且更换。
所述目标根据本发明而获得，因为用于废气A的节流元件相对于废气A的流向仅提供在涡轮机的下游。未提供旁路管线。在此情况下，检测单元可以减少到压力或阀位置的检测，其中控制单元执行实际压力差Δp的评估和/或计算。因此，压力可以直接检测到或使用根据实际压力差的节流阀位置确定。节流元件或排气阀通过假设不同的位置影响废气涡轮增压器的涡轮机处的排气背压。通过测量节流阀的上游和下游的充气或混合物压力并且/或者通过检测节流阀的位置，可以直接确定或得到跨越节流阀的实际压力差。在简单的控制器中，经测量压力差与可参数化且可存储的设定点值进行比较。如果偏离设定点值，那么致动信号被传输到排气系统中的排气阀或传输到对应的致动器，直到获得跨越节流阀的所需设定点压力差。总的来说，借助于节流，涡轮增压器的涡轮机的功率可以借助于进口与出口之间的减压梯度来减少，并且因此还可以减少节流阀的上游充气压力并且因此防止喘振。
以此方式，可以避免在具有不同燃料品质或燃气成分的运行过程中，或在可变环境条件下对系统和对发动机的损害，所述环境条件对进气温度具有影响。
所述解决方案可以改造成任何系统，不管是哪一个发动机制造商并且不会干预发动机架构或现有的发动机控制机制。作为经典的节流元件，排气阀可以以简单的方式改造。如果已经存在用于旁路和/或废气供暖锅炉道的排气阀，那么所述两个节流元件中的一者也可能根据本发明使用。出于此目的，所有所需的为跨越节流阀的实际压力差Δp的检测以及节流元件的对应的调节。
最好考虑到跨越节流阀的压力差以用于排气阀的控制和/或配置。
可调节的排气阀也适合于激烈波动的环境条件，诸如进气温度，因为这同样地对充气压力和压力差具有极大影响。本发明因此涉及用于四冲程循环燃气发动机的保护装置，其具有用于燃气-空气混合物GL的节流阀并且具有废气涡轮增压器，所述涡轮增压器具有涡轮机，其中用于废气A的节流元件相对于废气A的流向仅提供在涡轮机的下游，其中提供了检测单元并且提供了控制单元，借助于所述检测单元可以检测到跨越节流阀的实际压力差Δp，借助于所述控制单元，节流元件的位置可以根据实际压力差Δp而变化。所述目标也借助于四冲程循环燃气发动机的排气道，并且借助于具有上述保护装置的四冲程循环燃气发动机来实现。
出于此目的，检测单元还可以有利地具有用于确定跨越节流阀的实际压力差Δp的两个压力传感器P1、P2或采用用于确定节流阀的位置的传感器单元的形式。如果测量出单独的压力，那么跨越节流阀的压力差也可以在控制单元或CPU中计算出。所述测量也可能利用压力差传感器。可替代地，将还可能将节流阀位置用作实际压力差的量度，也就是说节流元件或排气阀的位置也可以根据节流阀的打开而确定，因为打开的程度取决于跨越节流阀的压力差。在此情况下，用于调节的设定点值为节流阀位置或节流阀致动器的位置，所述位置借助于检测单元检测出。
此外，节流元件可以有利地具有致动器并且采用排气阀或排气滑动阀的形式。经典的阀可以简单地具有致动器，借助于所述致动器，节流元件的位置可以变化。节流元件或排气阀可以以电力方式、以液压方式或以气动方式调整。
可替代地，还可以规定节流元件采用排气孔的形式。在已知并且一致的燃气成分以及非常恒定的进气温度的情况下，还可能提供适应于这些条件的排气孔，所述排气孔被插入在排气道的两个凸缘之间。然而，如果燃气成分发生相当大的变化，那么所述排气孔将必须相应地更换。因此，不需要调节或控制元件。然而，实际压力差的检测在任何情况下都很重要。
所述目标还借助于用于调节排气节流元件的方法来实现，所述元件连接到具有在混合物道中的节流阀的四冲程循环燃气发动机的废气涡轮增压器的涡轮机的下游，其中跨越节流阀的实际压力差Δp被监测并且在过高压力差的情况下，节流元件部分关闭直到实际压力差Δp达到所需值。
结合根据本发明的方法，以下可能是有利的
a)跨越节流阀的压力差Δp的阈值Δp_sw和/或设定点值Δp_soll被预定义；
b)跨越节流阀的实际压力差Δp被确定；
c)阈值Δp_sw的达到或从设定点压力差Δp_soll的偏离被确定；
d)节流元件的位置根据实际压力差Δp与阈值Δp_sw或设定点压力差Δp_soll之间的比值而变化。此处，在10/min的控制频率的情况下，对于实际压力差Δp而言，50毫巴的分辨率已足够。
设定点值的或阈值的使用是自行决定的，并且这些将被看作为等效的。严格地说，阈值仅是设定点阈值，在达到所述阈值之后，节流元件的调节开始。
此外，以下也可以是有利的：作为步骤d)的替代方案，固定或非可变排气孔作为节流元件插入到排气道中，所述排气孔的打开横截面取决于实际压力差Δp与阈值Δp_sw或设定点压力差Δp_soll之间的比值，并且被选定为具有一定的大小，使得获得所需的跨越节流阀的设定点压力差Δp_soll。在已知并且一致的燃气成分以及非常恒定的进气温度的情况下，还可能提供适应于这些条件的排气孔，所述排气孔被插入在排气道的两个凸缘之间。然而，如果燃气成分发生相当大的变化，那么所述排气孔将必须相应地更换。因此，不需要调节或控制元件。然而，实际压力差的检测在任何情况下都很重要。
在50毫巴与400毫巴之间、确切地说为300毫巴的值还可以有利地设置为设定点值Δp_soll，并且/或者200毫巴到400毫巴的值还可以有利地设置为阈值Δp_sw。上限阈值越大，负载变动的保留越大。同样，关于喘振极限的界限相应较小。实际上，50毫巴以下的下限阈值具有节流元件始终保持打开的效果。
附图说明
本发明的另外优点和细节在专利权利要求书中并且在说明书中说明，并且图示在附图中，其中：
图1示出了保护装置的示意图；以及
图2示出了一个替代实施例。
具体实施方式
图1中描绘的四冲程循环燃气发动机2具有排气道2a，所述排气道具有废气涡轮增压器2.5的涡轮机2.2并且具有节流元件2.3，当在废气A的流向上观察时，所述节流元件跟随着所述涡轮机。此外，提供了用于新鲜空气L和燃气G的混合物道2b，所述混合物道具有废气涡轮增压器2.5的充气-空气和/或混合物压缩机2.4，当在燃气空气混合物GL的流向上观察时，所述压缩机被节流阀2.1跟随。新鲜空气L和燃气G在混合点3混合。
在节流阀2.1的区域中，作为保护装置1的一部分，提供了具有两个压力传感器P1、P2的检测单元1.1，借助于所述压力传感器可以检测到跨越节流阀2.1(也就是说节流阀2.1的上游与下游)的实际压力差Δp。实际压力差Δp借助于控制单元1.2计算出，从而节流元件2.3的位置可以借助于控制单元1.2根据所述实际压力差Δp而变化。
出于此目的，节流元件2.3具有致动器2.3a，所述致动器以电力方式、以液压方式或以气动方式其作用。
跨越节流阀2.1的压力差Δp被监测，其中，在过高压力差Δp的情况下，节流元件2.3部分关闭直到压力差Δp下降到所需值。
出于此目的，跨越节流阀2.1的压力差Δp的阈值Δp_sw和/或设定点压力差Δp_soll可以被预定义以用于控制单元1.2，并且通过后者与跨越节流阀2.1的实际压力差Δp进行比较。如果达到阈值Δp_sw或如果超过设定点压力差Δp_soll，那么控制单元1.2通过控制线1.2a将信号传输到致动器2.3a，其效果为节流元件2.3的位置发生变化，从而直流横截面减少，并且因此在废气涡轮增压器2.5的涡轮机出口处的排气背压增加。
因此，设置节流元件2.3的直流横截面，从而防止达到阈值Δp_sw或超过设定点压力差Δp_soll。
在图2中，用于确定节流阀2.1的位置的传感器单元被提供作为检测单元1.1。当前主要的实际压力差Δp可以从节流阀2.1的位置得出。这借助于存储在控制单元1.2中的函数来执行。

Claims (9)

1.一种用于四冲程循环燃气发动机（2）的保护装置（1），其具有用于燃气-空气混合物GL的节流阀（2.1）并且具有废气涡轮增压器（2.5），所述涡轮增压器具有涡轮机（2.2），并且节流元件（2.3）被分配给所述涡轮增压器以用于废气A，其中提供了检测单元（1.1）并且提供了控制单元（1.2），借助于所述检测单元可以检测出跨越所述节流阀（2.1）的实际压力差Δp，借助于所述控制单元，所述节流元件（2.3）的位置可以根据所述实际压力差Δp而变化，
其特征
在于用于所述废气A的所述节流元件（2.3）仅相对于所述废气A的流向提供在所述涡轮机（2.2）的下游。
2.根据权利要求1所述的保护装置，
其特征
在于所述检测单元（1.1）具有用于确定跨越所述节流阀（2.1）的所述压力差Δp的两个压力传感器P1、P2或者采用用于确定所述节流阀（2.1）的位置的传感器单元的形式。
3.根据权利要求1或2所述的保护装置，
其特征
在于所述节流元件（2.3）具有致动器（2.3a）并且采用排气阀或排气滑动阀的形式。
4.一种四冲程循环燃气发动机（2）的排气道（2a），所述四冲程循环燃气发动机具有废气涡轮增压器（2.5），所述涡轮增压器具有涡轮机（2.2）并且具有四冲程循环燃气发动机（2）的混合物道（2b），所述四冲程循环燃气发动机具有耦合到所述涡轮机（2.2）上以用于燃气-空气混合物GL的混合物压缩机（2.4）、具有相对于流向提供在混合物压缩机（2.4）的下游的节流阀（2.1），并且具有根据权利要求1到3中的一者所述的保护装置（1）。
5.一种四冲程循环燃气发动机（2），其根据权利要求4所述具有排气道（2a）并且具有混合物道（2b）。
6.一种用于调节排气节流元件（2.3）的方法，所述排气节流元件被连接到四冲程循环燃气发动机（2）的废气涡轮增压器（2.5）的涡轮机（2.2）的下游，所述四冲程循环燃气发动机具有在混合物道（2b）中的节流阀（2.1），
其特征
在于跨越所述节流阀（2.1）的压力差Δp被监测，并且，在过高压力差Δp的情况下，所述节流元件（2.3）部分关闭直到所述压力差Δp下降到所需值。
7.根据权利要求6所述的方法，
其特征
在于
a）跨越所述节流阀（2.1）的所述压力差Δp的阈值Δp_sw和/或设定点值Δp_soll被预定义；
b）跨越所述节流阀（2.1）的实际压力差Δp被确定；
c）所述阈值Δp_sw的达到或从所述设定点压力差Δp_soll的偏离被确定；
d）所述节流元件（2.3）的位置根据所述实际压力差Δp与所述阈值Δp_sw或所述设定点压力差Δp_soll之间的比值而变化。
8.根据权利要求7所述的方法，
其特征
在于，作为步骤d）的替代方案，排气孔作为节流元件（2.3）被插入到所述排气道（2a）中，所述排气孔的打开横截面取决于所述实际压力差Δp与所述阈值Δp_sw或所述设定点压力差Δp_soll之间的比值，并且被选定为一定的大小，从而获得跨越所述节流阀（2.1）所需的压力差Δp。
9.根据权利要求6、7或8所述的方法，
其特征
在于将50毫巴与400毫巴之间、确切地说为300毫巴的值设置为设定点值Δp_soll，并且/或者将200毫巴到400毫巴的值设置为阈值Δp_sw。
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