CN105324564A - 用于运行燃气内燃机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃气内燃机(100)的方法，燃气内燃机具有：燃气混合器(40)、抽吸段(30)；以及带有多个气缸的发动机(10)，其中，在该方法中：将燃料混合物包括充量混合物输送给发动机(10)并且在燃气运行中利用在充量混合物中的燃气作为燃料来运行发动机(10)；其中，借助于燃气-空气混合物的与至少一个之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额，确定燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额，并且其中，该确定借助于用作用于抽吸段(30)的计算模型的基础的抽吸段模型实现。根据本发明设置成，确定在发动机供给部处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额；在抽吸段(30)的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额确定输入-混合物份额；其中，确定在燃气混合器(40)处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且根据输入-混合物份额调整在燃气混合器(40)处的空气流和/或燃气流。

Description

用于运行燃气内燃机的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃气内燃机的方法，该燃气内燃机具有燃气混合器、抽吸段(Ansaugstrecke)和带有多个气缸的发动机。本发明此外涉及一种根据权利要求13的前序部分所述的用于内燃机的调节部以及一种根据权利要求14的前序部分所述的内燃机。燃气内燃机在抽吸段中另外具有增压部和用于绕过增压部的旁通路段。燃气内燃机是尤其火花点火的燃气内燃机。
背景技术
该类型的燃气内燃机的应用领域是移动应用(例如在航行领域中或在商用车和重型车辆领域中)以及静态应用如在单元机组发电站中，其尤其有利地要设计用于波动的燃气供应。
文件6,131,552总地公开了一种燃料控制系统，其可根据测得的发动机运行状态调节至混合腔的燃气供给。文件US 6,131,552 A的控制方法或者其它仅与负载相关的燃气配给在复杂的调节系统中也证实为不足够的。
通常，空气消耗是对在充量混合物(Ladegemisch)中增压空气的被输送给内燃机的气态新鲜充量的度量，其中，空气消耗也允许说明进气系统和进气过程的质量。通常，实际的空气消耗表示在工作循环期间实际输送给发动机或其气缸的新鲜空气质量在充量混合物中的比例。该实际的混合物质量相对于理论的新鲜充量质量由几何的排量和在环境状态中(对于自由吸气的发动机)或在增压的发动机中的理论充气密度测定，在此考虑在压缩机之后或在压缩空气冷却器之后的新鲜充量的状态。
一系列因素影响输送给气缸的新鲜充量，例如阀的打开横截面或阀控制时间。原则上，其可由用于确定发动机增压的模块来确定，抽吸段模型储存于该模块。但是实际上，在充量混合物中输送给发动机的新鲜充量仅在特殊情况中相应于理论值。空气消耗不是对于发动机恒定的数，而是很大程度上取决于转速以及进气系和燃烧室的当前几何情况；为了掌握该关系，例如可考虑合适的特性场。
例如由文件EP 1 398 490 A2，基本上在通常的内燃机中的发动机调节器中已知抽吸段模型。它们共同的是，在建立抽吸段模型时(在最简单的情况中作为均匀的压力容器以获取在空气路径中的动态过程)作为广泛的基本思想，通过填充和排空方法设计抽吸段(也称为抽吸管)的储存特性。在此，抽吸管作为压力容器来处理，其通过节流阀连续地以空气来填充并且发动机通过它的抽吸特性相应于工作冲程通过进气阀从其中抽吸空气。
然而显示出，尤其在内燃机的瞬态工作范围中且在可变的燃料质量的情况下，燃气内燃机的燃料供应还要复杂得多。尤其在燃气内燃机中显示出，尤其为了构造火花点火的燃气内燃机，在低负载范围中和/或在瞬态负载范围中的运行可能有问题。
在燃气发动机运行时，混合物形成通常在废气涡轮增压的压缩机之前进行。同时，在压缩机出口与燃烧室进口之间的抽吸段包括部分大的体积，其由此储存或发出显著的混合物质量。如果在发动机的负载和/或转速变化时导致在各个子体积中的压力和/或温度变化，那么这尤其适用。由于在燃气内燃机中但是仅有条件地与运行点相匹配的(因为尤其由于部分大的体积而不精确的)混合物质量形成，能预料到高的碳氢化合物排放(HC排放)或者其它提高的排放(NOx、CO、颗粒等)以及由未燃尽的燃烧气体引起的较差的效率。
值得期望的是，尤其在瞬态运行中相应于负载要求以及排放条件更有利地设计燃气内燃机的燃气运行。尤其至少在低负载范围中实现这是值得期望的。尤其在全负载范围中、也就是说优选地直到100%地实现这是值得期望的。
发明内容
就此而言，本发明其目的是说明一种方法和装置，借助于其实现作为燃气内燃机的改善的内燃机的运行。本发明的目的尤其是实现在瞬态运行中的改进和/或在排放领域中的改进。优选地，应以改进的方式实现在低负载范围中存在的燃料成分问题，尤其在另外的瞬态运行中避免发动机的扭矩突变的情况下，还在负载要求变化时并且尽可能在避免过度排放的情况下。尤其应可尽可能有利地设计混合物质量形成。尤其应以改进的方式设计发动机的空气消耗。本发明的目的尤其是解决上述问题中的至少一个。至少应提出备选的解决方案。
涉及方法的目的通过本发明通过一种根据权利要求1所述的方法来实现。
在此尤其从开头所提及的类型的用于运行燃气内燃机的方法出发，该燃气内燃机具有燃气混合器、抽吸段和带有多个气缸的发动机，其中，在该方法中
- 将燃料混合物包括充量混合物输送给发动机并且在燃气运行中利用在充量混合物中作为燃料的燃气来运行发动机。
此外设置成，借助于燃气-空气混合物的与至少一个之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额来确定燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额，并且其中，该确定借助于用作用于抽吸段的计算模型的基础的抽吸段模型实现。
根据本发明设置成，确定在发动机供给部处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额，并且在抽吸段的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额确定输入-混合物份额。对此，确定在燃气混合器处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且根据输入-混合物份额调整在燃气混合器处的空气流和/或燃气流。有利地，可在同时的实时计算的范围中在燃气混合器处根据输入-混合物份额、尤其混合物质量流调整空气流和/或燃气流。
本发明从该想法出发，即应尽可能在考虑抽吸段的状态压力的情况下、尤其在考虑增压空气或燃料混合物的节流的情况下和/或在尽可能更好地考虑空气消耗的情况下进行燃气内燃机的有利的瞬态运行，其中，要考虑燃气发动机的特点。虽然在发动机调节器中的抽吸段模型基本上是已知的。然而本发明从该想法出发，即刚好对于尤其具有在压缩机之前的混合物形成的燃气发动机的应用，开头所提及的建模基本上已不足够。
本发明首先考虑该想法，即在燃气发动机中在混合物形成的地点、例如在废气涡轮增压部的压缩机之前与燃烧室入口的部位之间的路段可相对长并且由此本身包括比较大的体积，其在静态的状态中几乎不能符合实际地描述。本发明也首先考虑，在燃气发动机中在压缩机出口与燃烧室入口之间的抽吸段由部分较大的体积(当在发动机的负载和/或转速变化时导致在各个子体积中的压力和/或温度变化时，这些体积储存或发出显著的混合物质量)构成。
本发明认识到，因此特别在燃气发动机中在燃气混合器的出口处的混合物质量流暂时与在燃烧室入口处的退耦。迄今，尤其对于燃气发动机在抽吸段模型中未充分考虑该情况。尤其因此，燃气发动机(在其中仅注意在气缸之前的混合物压力)的通常的静态考虑如从本发明中识别知的那样不能满足确保维持限定的燃烧空气比。由此，本发明的方案用于提供在可靠性方面改善的且对于瞬态运行更好地匹配的混合物质量传感器、尤其为在压缩机之前的混合物形成提供虚拟混合物质量传感器。
涉及装置的目的利用本发明通过一种根据权利要求13所述的用于燃气内燃机的调节部来实现。
本发明的方案也在鉴于一种根据权利要求14的燃气内燃机的装置方面实现该目的。
内燃机尤其可具有发动机，其具有多个气缸以及带有燃气混合器和抽吸段的进气系统。此外将接收器体积(其例如可以以弯管或混合段等的形式来实施)在气缸上游前置于多个气缸证实为有利的。
在进气系统中使燃气内燃机设有增压部，尤其设有包括充量换热器的增压部尤其证实为有利的。根据燃气内燃机的尺寸、尤其基于大型发动机，增压部可以是单级的或两级的、优选地设有废气再循环部。尤其此外可设置有至进气系统的抽吸段的旁通路段以绕过增压部。
如尤其在燃气发动机处的循环过程模拟和试验中所示，本发明尤其在瞬态发动机运行(接载-卸载)中改进燃烧空气比的稳定性，从而一方面可示出更大的负载增加而另一方面也可在试验台处更简单地协调负载切换运行。此外，根据本发明的方案应用虚拟燃气传感器有助于达到当前和将来的废气标准。
本发明的这些和其它有利的改进方案可由从属权利要求得悉并且详细说明在改进方案的范围中且在说明另外的优点的情况下实现本发明的方案的有利的可能性。
在一特别优选的改进方案的范围中，基本上确保在同时的实时确定的范围中在燃气混合器处根据输入-混合物份额来调整空气流和/或燃气流。尤其示出一根据作为虚拟混合物质量传感器设计的混合物质量传感器，其有利地提供在燃气混合器出口处的混合物质量流；这相对于至今的方式是有利的。
尤其可确定在燃气混合器的出口处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额和/或在发动机的气缸或气缸入口或接收器处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额。
特别有利地确定在燃气混合器的出口处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额，并且/或者确定在发动机的气缸或气缸入口处、尤其在接收器处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额。特别有利地，确定在发动机的气缸之前的状态压力，优选地作为在接收器体积中的接收器压力，并且接收器体积可理解成在上游方向上前置于气缸而在下游方向上后置于增压部和/或旁通路段的任意类型的体积。例如，接收器体积可以是抽吸段的弯管或其它结构空间扩大部的体积。接收器体积尤其可理解成超过抽吸段的通常的体积的体积；在改进方案的范围中示出，预设在接收器体积中的接收器压力对于可靠地调节燃气内燃机特别重要，因为在燃烧气体混合物的状态中的不安全性的增加与接收器体积的大小的增加相联系。对在接收器体积中的接收器压力的调节因此排除了在对于抽吸段的静态假设中存在的无法衡量性。
优选地，混合物份额的确定包括尤其借助于用于节流机构和/或抽吸段的部件和/或确定的体积的流量方程确定混合物质量流。尤其使在燃气混合器处的输入-混合物份额与混合物质量流并且/或者使输出-混合物份额与混合物质量流相关联。尤其可确定在节流部处的混合物质量流，其中，确定回流和/或增压流的流量。优选地，这可借助于在假设理想的或实际的燃气的无摩擦的或有摩擦的流动的情况下在理想的或实际的喷嘴处的可压缩介质的流量方程来实现。
优选地，混合物份额的确定附加地或备选地包括混合物状态的确定、尤其至少对于抽吸段的体积的混合物份额的温度和/或状态压力的确定。优选地，这借助于实际的或理想的燃气的热力学状态方程实现。
考虑在抽吸段中、例如在大体积中的状态压力或者作为通过节流的压力损失证实为有利的。其执行器可设置用于影响例如在节流活门处、节流阀或其它节流机构处的状态压力。在此，抽吸段的节流机构被视为任意用于减小压力或通常调节压力的器件，除了发动机节流部之外必要时压缩机旁路节流部也可属于此。作为发动机节流部尤其可以是阀、活门或节流部或还有压缩机的可变涡轮几何结构。在此，在节流部的完全打开的与完全关闭的位置之间的调整角度α通常被用于描述这样的节流机构的节流位置；上述类型的多个节流机构也可以以多个或以不同节流机构的组合彼此独立地或者相互协调地来应用。
尤其在上游在接收器体积之前可设置有发动机节流部和/或在旁通路段中设置有压缩机旁路节流部。尤其根据抽吸段的理论-和/或实际状态压力可来进行抽吸段的节流，尤其用于发动机和/或旁通路段的节流。
在一特别优选的实施形式中，一改进方案设置成也就是说在燃气混合器与发动机之间的抽吸段分成多个、尤其至少两个体积、优选地刚好两个大体积。
该方案证实为合适的，其中，尤其使用以下步骤中的一个或多个：
- 填充和排空方法(尤其在使用已存在的测量部位的压力和温度信息等的情况下)，
- 在发动机调节器中实时计算在抽吸段的不同部位处的混合物质量流，
- 同一混合器通过燃气测量单元的混入，其导致虚拟确定的以期望的燃烧空气比的混合物质量。
有利地使输入-混合物份额关联有燃烧空气比、尤其其理论值(LAMBDA_SOLL)，其中，燃气混合器的燃气测量单元借助于化学计量的空气需求(L_st)和/或燃烧空气比来指导。该措施证实适合于控制燃气混合器。
在抽吸段的体积中对于抽吸段的多个理论计算体积和/或对于抽吸段的多个实际壳体体积尤其可实现中间状态的混合物份额、尤其混合物质量流和/或混合物状态的确定，其中，在抽吸段中混合物份额的中间状态的数量与抽吸段的至少一个大体积的数量相关联。由此，抽吸段模型可特别接近实际地来设计。
优选地，根据抽吸段(其至少包括充量换热器和/或接收器体积的计算体积)的计算模型虚拟地、尤其模拟地和/或计算地来确定状态压力。在一特别优选的改进方案的范围中，状态压力作为在发动机的气缸(其前置于在上游的方向上的气缸而后置于在下游的方向上的增压部和/或旁通路段)之前的接收器体积中的接收器压力来确定。充量换热器体积原则上可理解成任何类型的有温度交换的体积；这尤其可包括进气系的发动机供给段的和/或抽吸段的体积。上述体积证实为与抽吸段的描述特别相关。
优选地，抽吸段的多个大体积包括抽吸段的一个或多个部件体积，其选自：至少一个、优选地两个接收器体积，尤其在发动机组(Motorblock)中的至少一个气缸体积，至少一个充量换热器体积，至少一个压缩机体积。
进一步优选地，抽吸段的多个至少一个大体积包括抽吸段的一个或多个部件体积，其还选自：尤其在旁通管区段和/或压缩机旁通活门处的至少一个压缩机旁通体积；尤其在抽吸管区段和/或发动机和/或输入节流活门处的至少一个抽吸段体积。
优选地，燃气运行是火花点火的燃气运行；其证实为特别高效并且对于许多应用可作为合适地实现。然而原则上，其它点火原理、例如用于柴油或其它液态燃料点火的点火系统也可适用。燃气运行备选地尤其也可以是具有燃气-空气混合物的外部混合物形成的点火射束运行并且在使用柴油点火射束或其它液态燃料点火射束的情况下。
通常，即使在此没有在前面部分中说明，也因为比较恒定的燃料质量，同样存在以燃气运行或以液态燃料、如柴油或液化的燃气运行燃气内燃机的可能性。在运行中那么将燃料混合物(包括充量混合物和/或液态燃料)输送给发动机。在此，发动机可在第一运行状态中以柴油运行(利用柴油或其它液态燃料)而在第二运行状态中以燃气运行(利用在增压混合物中作为燃料的燃气)来运行。该类型的燃气内燃机也被称为多燃料内燃机(双燃料内燃机)并且除了柴油和燃气的优选的燃料选择之外还可以最不同的其它燃料来运行。备选地尤其在燃气运行中燃气内燃机可在点火射束运行中以燃气空气混合物的外部混合物形成和柴油点火射束来运行。如此，燃气内燃机的发动机也被称为点火射束发动机并且通常基于柴油发动机结构来构建并且属于最新技术，尤其在大型发动机的环保的应用可能性的范围中。点火射束发动机也可利用液态燃料、如柴油或其它液化燃料、如液化天然气(LNG)或还有液化石油气(LPG)来运行；燃气内燃机大多可具有燃气柴油发动机用于形成燃气-柴油内燃机。
燃气内燃机尤其具有喷射系统，其优选地可电子调节。内燃机尤其对此另外可具有喷射系统，其有利地构造为共轨喷射系统。喷射系统尤其可对于不同的燃气质量进行调节，如以液态形式的沼气或天然气，或者还适合用于油如植物油等用作液态燃料。在此，尤其共轨喷射系统、但是必要时还有具有电子调节部的泵-喷嘴-喷射系统证实为适合的。在燃气运行中，点火介质可在高度压缩的情况下在气缸中被添加给充量混合物的实际的气态燃料或者也被添加给进气通道中。在燃气运行中、尤其火花点火的燃气运行中或点火射束运行中利用外部混合物形成工作的燃气发动机总体上在燃料应用中更灵活且排放更低。
附图说明
现在接下来根据附图与同样部分地示出的现有技术相比较来说明本发明的实施例。其不一定应按比例示出这些实施例，而是附图为了阐述以示意性的和/或略微失真的形式来实施。在对可直接从附图中识别出的教导的补充方面，参考相关的现有技术。在此要考虑，在不偏离本发明的通用思想的情况下，在实施形式的形式和细节方面可进行多种改型和改变。在说明书中、在附图中以及在权利要求中公开的本发明的特征不仅可单独地而且可以以任意组合对于本发明的改进是重要的。此外，由在说明书、附图和/或权利要求中公开的特征中的至少两个构成的所有组合落在本发明的范围中。本发明的通用思想不限于以下所示的和所说明的优选的实施形式的精确形式或细节，也不限于与在权利要求中所要求保护的对象相比将受限的对象。在所说明的尺寸范围中，位于所述极限之内的值应可作为极限值被公开并且可任意应用且可要求保护。从优选的实施例的接下来的说明以及根据附图得到本发明的另外的优点、特征和细节；其中：
图1显示了燃气内燃机的简图，其具有燃气混合器以及带有由涡轮增压器和充量换热器构成的增压部的抽吸段以及在接收器体积之后带有多个气缸的发动机，其中，可通过旁通路段绕过增压部，燃气内燃机设计用于火花点火的燃气运行；
在以虚线显示的备选方案中，燃气内燃机也可设计为燃气-柴油内燃机并且以纯柴油运行以及以混合运行或以纯燃气运行(例如在喷射以柴油形式的点火混合物的情况下作为点火射束运行)可运行，其中，喷射系统以虚线示出的共轨系统的形式来形成；
图2显示了用于借助于燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额在同时实时确定的范围中确定燃气-空气混合物的与之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额的方法的优选的实施形式的流程图，其中，确定在燃气混合器处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且在燃气混合器处根据输入-混合物份额调整空气流和/或燃气流，
图3显示了用于双燃料运行的调节器结构的优选的实施形式的示意图，其中，借助于抽吸段模型在抽吸段中通过混合物份额的多个中间状态由被输送给发动机的燃气-空气混合物的输出-混合物份额来确定燃气混合器的燃气-空气混合物的输入-混合物份额。
具体实施方式
图1显示了燃气内燃机100，其具有发动机10以及带有分支的抽吸段30的进气系统。在抽吸段中尤其布置有燃气混合器40和(为了形成增压部)涡轮增压器50和在此以增压空气冷却器的形式的充量换热器60以及旁路70。
在此，发动机作为V形发动机实施有16个气缸，其具有在A侧上的8个气缸Ai,i=1...8和在B侧上的8个气缸Bi,i=1...8；在此，该类型的气缸布置和数量仅示例性示出。具有10个、12个、20个、24个或28个气缸或其它数量的气缸的发动机设计也尤其适合用于大型发动机运用。
在作为双燃料内燃机的备选的或附加的设计的情况中，内燃机还具有虚线显示的喷射系统20，其在此形成为带有共轨21的共轨系统，从其中分支出多个喷射管路22(分别具有喷射器23和前置于喷射器的单储存器24)至发动机10的各个气缸Ai,Bi,i=1...8。喷射系统20构造成将液态的燃料、如柴油或还有其它液化的或液态的燃料分成份，以便在柴油运行中作为液态燃料或者在燃气或点火射束运行中作为点火射束分别在气缸Ai,Bi的工作循环开始时喷射燃料；这在非常高的喷射压力下进行。相应地，发动机10在该变体中还具有用于液态燃料、在此尤其柴油燃料的共轨喷射系统20以及带有充量换热器60的增压部50以及带有用于绕过增压部50和充量换热器60的旁路70。
此外参考该实施形式的以实线显示的重要部分，在进气系统的入口侧的端部处连结到抽吸段30处的燃气混合器40从环境中抽吸增压空气LL并且将燃烧气体BG混入其中。在燃气运行中也可称为燃烧气体混合物的充量混合物(以下也简称“混合物G”)以质量流量m(')_G („(')“在图中出于清晰性作为点在质量m或其它参数上示出)利用进气压力p1并且大致相应于环境温度的进气温度T1下通过压缩器段32被输送给涡轮增压器50的压缩机51并且在那里在压缩温度T2下被压缩到压缩压力p2上。压缩机51由涡轮52驱动并且与其一起位于共同的增压器轴线53上；排气系90的涡轮52又由在排气系90中离开发动机10的废气AG来驱动。由于压缩而被加热到压缩温度T2上的混合物G的质量流m(')_G被输送给抽吸段30的冷却段31并且在那里在充量换热器60中被导引经过冷却器结构61；在这里以符号示出的换热器体积62中进行与在冷却器结构61中的冷却介质的热交换，从而冷却混合物G。燃烧气体混合物以被冷却的形式在充量温度T3和充量压力p3下在增压段33的方向上离开V3大小的换热器体积用于将混合物G输送至发动机10。
在抽吸段模型中，比较通常借助于压力和温度的状态参数来说明在压缩机51之前的混合物G的状态，在此在压缩机51之前的进气温度T1和进气压力p1，或借助于合适的压缩机模型来描述在具有压缩机51之后的状态参数p2,T2的提高的压缩机压力p2和提高的压缩机温度T2下在压缩机51之后的状态；这例如根据例如用于理想的或实际的气体的气体状态方程得到。与换热器60和接收器80的以下部件、例如弯管和/或收集段相关联，根据本发明的方案抽吸段30的大体积特别重要，从而将其和抽吸段的另外的空间为了另外的气体状态的建模与在抽吸段模型中的换热器体积V3或接收器体积V5相关联。相应地，在换热器体积V3中的燃烧气体混合物G呈现状态参数p3,T3，这由于冷却和体积增大充量压力和充量温度p3,T3减小。
在旁路70中的混合物G的状态基本上同样根据在旁路70的入口处的状态参数p1,T1或出口处的状态参数p3,T3确定或者在通过旁路70流回的情况中反过来；也就是说，在旁路70的旁通路段71中的旁路混合物G_BP取决于存在的压力情况和压缩机旁路节流部72的位置(在此根据压缩机旁通活门的调整角度αVBP)，旁通路段71尤其可用于将过量的混合物G回引到压缩机51之前，以便再压缩地将其再次输送给发动机10的气缸Ai,Bi中用于燃烧。
在将以状态p3,T3的气体混合物G输送至发动机10之前，在根据通过发动机节流部82被引导到接收器体积81中的质量流m(')_DK(并且根据在接收器压力p5和接收器温度T5下的接收器体积V5)改变压力和温度的情况下将气体混合物G引导到接收器80中。在此，分别第一和第二接收器体积81.B,81.A与发动机10的B侧和A侧相关联，也就是说其在上游布置在气缸Ai,Bi之前而在B侧和A侧的第一和第二增压段33.B,33.A之后且在换热器体积62之后。在此，发动机节流部82通过分别与第一和第二接收器体积81.B,81.A相关联的第一和第二发动机节流活门82.B,82.A形成，其中，第一和第二发动机节流活门82.B,82.A可彼此独立调整；它们以下更简单地共同以发动机节流部82来参照。接收器体积81可理解为第一和第二接收器体积81.A和81.B的和。在接收器体积81中，混合物G由于体积增大且根据发动机节流活门82.A,82.B的位置αDK在接收器体积81的体积V5中占据由p5和T5表征的气体状态；这根据发动机节流活门82.B和82.A的位置与B侧的或A侧的质量流率m(')_DK,B或m(')_DK,A相关。
在该实施形式中，主要在如其由压缩机51、换热器体积62和接收器体积81所提供的区域中，确切地说相对由发动机节流部82和压缩机旁路节流部72或压缩机51所提供的界限，确定气体混合物G的由pi,Ti,i=1,2或Vj,pj,Tj,j=3,5表征的状态
以下，基于在此示出的燃气内燃机100的抽吸段模型，对于在接收器体积V5中的接收器压力p5或者说对于基于接收器压力p5(例如实际接收器压力p5_IST或理论接收器压力p5_SOLL或模拟的接收器压力p5)所建立的调节参数，在抽吸段30的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态确定在燃气混合器40处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额。
显示出，在燃气混合器40处燃烧气体BG的质量流m(')_G和增压空气LL的质量流m(')_LL相应于燃烧空气比LAMBDA_SOLL或化学计量的空气比Lst的调整可不一定在静态条件的前提下沿着抽吸段实现。因此，该实施形式的方案在抽吸段模型(如根据图1所述)中为了综合抽吸段的体积考虑至少两个大体积、即接收器体积80和充量换热器体积62。在抽吸段模型的范围中，根据(原则上已知的)填充和排空方法的原理对抽吸段30建模。在这些体积中的状态变化在此被视为近似等温。这相对于绝热的考虑方式通过限制到质量守恒上简化了系统并且尤其简化了内燃机或其抽吸段实时的同时计算。然而，原则上在计算能力足够时也可使用绝热的或多变的考虑方式或针对性的传热，以模拟在抽吸段中的状态变化。
此外由图3可见，此外用于设立抽吸段的特殊假设可在附加模型的范围中来实现，如果用于抽吸段30的相应的设立的测量值不可用时，那么尤其如此。例如，这涉及压缩机的附加模型(p2_T2模块，其描述了压缩机51的活动并且通过温度和压力(G(pl, Tl))描述了在压缩机之前的混合物G的状态和在压缩机之后的状态(G(p2, T2))。这例如还涉及用于压缩机旁通活门的附加模型(质量流_VBP)，其在流量方程的范围中描述了通过压缩机旁通活门的质量流。
在运行中，将燃料混合物包括充量混合物输送给发动机10。在此，利用在增压混合物中作为燃料的燃气来运行发动机。根据抽吸段模型(如在图3中利用调节器200的结构所述)，借助于与之后的混合物状态(具有状态参数p5,T5)相关联的燃气-空气混合物的输出-混合物份额(质量流m(')_G,ZYL)来确定至少一个与之前的混合物状态(具有状态参数p0,T0)相关联的燃气-空气混合物的输入-混合物份额(质量流m(')_G,SOLL)。作为用于抽吸段30、燃气混合器40和接收器80或至发动机10的入口的计算模型的基础借助于抽吸段模型实现该确定。
根据该实施形式的方案设置成，确定在发动机供给部处(在此在接收器80处)的燃气-空气混合物的输出-混合物份额(质量流m(')_G,ZYL)。在此在同时的实时计算的范围中，通过混合物份额的多个中间状态(具有状态参数pi,Ti,i=5,3,2,1)由输出-混合物份额(质量流m(')_G,ZYL)来确定输入-混合物份额(质量流m(')_G,SOLL)。中间状态(具有状态参数pi,Ti,i=5,3,2,1)的数量与在抽吸段中的体积(Vi, i=5,3,2,l)或部件E1,E2,E3,E4以及C3和C5的数量相关联。燃气-空气混合物的输入-混合物份额在燃气混合器40处来确定并且根据输入-混合物份额调整在燃气混合器40处的空气流和/或燃气流BG。
在此，在抽吸段模型中多个大体积与抽吸段相关联；其包括：两个接收器体积81.B,81.A(具有相关联的体积V5并且具有其中的充量混合物的状态参数p5,T5)，在发动机组中的至少一个气缸体积，至少一个充量换热器体积62(具有相关联的体积V3并且具有其中的充量混合物的状态参数p3,T3)，在压缩机51处的至少一个压缩机体积(具有值V2并且具有在其出口处的充量混合物的状态参数p2,T2)或在压缩机51之前的状态(具有充量混合物的状态参数p1,T1)并且具有抽吸空气的环境(大气)的状态参数p0,T0)，如这在图1中示出。
在当前的抽吸段模型中考虑同样在图1中示出的进气系统的部件E1,E2,E3,E4以及C3和C5并且就此而言模拟或计算充量混合物的状态或质量流。在此，这仅作为优选的示例选自一系列其它可能的示例；例如，在二级增压的情况中，变型的抽吸段模型也还可考虑另外的部件。原则上，在抽吸段模型中还可考虑另外的体积。在极限情况中，抽吸段可被分成有限小的或无限小的子体积并且对充量混合物的状态和质量流的确定那么作为尤其差-或微分方程系统的解得到；在考虑计算消耗和待模拟的抽吸段的复杂性的情况下可采取该模型精炼的平衡；尤其在考虑实时能力的情况下。
对此，图2作为流程图原理上显示了用于燃气内燃机100的运行方法的优选的实施形式的流程，其具有燃气混合器40、抽吸段30和带有多个气缸Ai, Bi, i=1..8的在此也被称为燃气发动机的发动机10，如这根据图1所述。原则上，运行方法可在实施在图2中示出的用于在燃气混合器40处的调整参数的确定方法的情况下实现，借助于这些调整参数可调整空气流LL和/或燃气流BG。参考图2，该方法当前基于在此所示的抽吸段模型在步骤S0中设置另外的步骤S1至S9，其定位于前述的通过抽吸段模型所确定的进气系统的部件E1,E2,E3,E4以及C3和C5(其相应地在图1中示出)处。
具体地，部件E0(在此与燃气混合器40相关联)的输入-混合物份额的确定“后向”实现，也就是说通过从已知在抽吸段的部件E4处的输出-混合物份额来反算。在此，部件E4大致相应于发动机10或发动机10的气缸Ai, Bi, i=1..8。在该确定方法的第一步骤S1中，通过在调节单元R4中的计算模块利用用于发动机转速nMOT和接收器压力p5以及接收器温度T5的相应的特性参数来确定气缸填充，例如说明对在发动机10处必需的空气消耗LAMBDA_a的度量。然后，在确定方法的第二步骤S2中，可在进气系统的部件E4处(在此例如至气缸Ai, Bi, i=1..8的气缸入口)预设混合物质量流m(')_G,ZYL。
相应地，在图3中显示了调节器200的调节器结构，其为了实施步骤S1和S2具有第一调节单元R4。输入参数是发动机转速nMOT，以及气缸输入压力(尤其在此在接收器80或具有总体积V5的接收器体积81.B,81.A中的接收器压力p5)以及必要时在接收器80(具有接收器体积V5)中混合物份额的另外的相关联的气体状态参数。
然后在图2的第三步骤S3中，作为进气系统的另外的部件E1，考虑具有接收器80的总体积V5的接收器体积81.B,81.A(例如与在抽吸段中连结在气缸入口和发动机节流活门DK之间的弯管或混合段相关联)。
在上述已知在接收器体积81.A,81.B V5中的压力和温度情况(接收器压力p5，接收器温度T5)的情况下，在第四步骤S4中可借助于在图3中所示的调节单元R5确定通过接收器的混合物质量流m(')_RECEIVER。调节单元R5具有计算单元，其从在接收器80(常常也称为接收器管)中的燃气-空气混合物的混合物状态(也就是说在具有体积V5的接收器体积81.B,81.A中充量混合物的状态参数p5,T5)利用充量混合物的状态方程和质量流方程根据用于接收器管81.B,81.A的填充和排空方法确定混合物质量流m(')_RECEIVER。
此外，在图2中的确定方法的优选的实施形式基于抽吸段模型对于另一部件E2设置充量换热器60。在换热器体积62的相关联的体积V3中，充量混合物具有一气体状态，其可在第五步骤S5中通过体积V3的充量压力p3和充量温度T3来计算。相似地，根据在此示出的确定方法，确定通过增压换热器62的混合物质量流m(')_LLK。相应于此，图3显示了用于确定通过以具有冷却器结构61的增压空气冷却器的形式的充量换热器60的质量流m(')_LLK的调节单元R3。该确定在第六步骤S6中借助于用于体积V3的填充和排空方法在已知混合物状态或者说其热力学的特性参数和相应的混合物质量流量方程的情况下实现。
然后在第七步骤S7中可借助于混合物质量流m(')_G,ZYL、m(')_RECEIVER和m(')_LLK推出燃烧空气比的理论值LAMBDA-Soll和化学计量的空气需求(Lst)，也就是说推出在抽吸段30中燃气混合器40的另一部件E0处的燃料的重要理论特性参数。对此，在图3中示出的调节器结构中设置第一加法元件R45和第二加法元件R43，以由混合物质量流量方程定混合物质量流m(')_G,SOLL；这在考虑用于实现第七步骤S7、即用于计算燃烧空气比LAMBDA_SOLL和化学计量的空气需求Lst的另一调节器单元R0的情况下实现。
由此然后可在第八步骤S8中预设在燃气混合器40处合适的调整参数，以根据当前发动机转速nMOT和在气缸入口处的压力和温度情况(大致p5,T5)调整在燃气混合器40处的输入-混合物份额。
在此，抽吸段模型设计成具有两个大体积(即接收器体积81.B,81.A(V5)和充量换热器体积62(V3))并且在考虑用于两个体积的填充/排空方法的情况下结合至少用于节流阀82,72的相应的流量方程以及在压缩机51处的压缩机模型(具有状态参数p1,T1→p2,T2)被引入抽吸段30的模拟或计算中。这在此足以克服开头所提及的问题；大体积(其在迄今已知的计算方法中未被充分考虑且因此引起在燃气混合器处的燃气质量流与在发动机处实际存在的燃气质量流脱耦)在图2中示出的确定方法的抽吸段模型中被充分考虑。同时显示出，以在此示出的形式的确定方法可相对简单地且由此计算时间高效地实施，以便在同时实时确定的范围中可供使用。如此可实际实时地将燃气混合器40调整到发动机10的当前需求上。
在图2中所示的确定方法的改进方案中，图3详细地显示了调节单元R3以及质量流m(')_DK, m(')_RECEIVER和m(')_LLK的反馈。这对于设置有旁路70的情况有意义。根据图3，作为对调节单元R3的另外的输入参数考虑在压缩机51之后的混合物状态的充量混合物G的状态参数，即除了在充量换热器60中或之后的混合物状态之外作为压缩压力p2和压缩温度T2，作为充量压力p3和充量温度T3。在压缩机51之后的混合物状态(状态参数p2,T2)在压缩机模型中的用于描述压缩机51的另一调节单元R2的范围中得到。
在抽吸段模型中，压缩机51被考虑为带有与其相关联的调节单元R2的另一抽吸段装置E3。增压空气冷却器60的混合物质量流m(')_LLK用作调节单元的入口。其又与在压缩机旁通活门72处的混合物质量流m(')_VBP以及在发动机节流活门82.A, 82.B处的混合物质量流相关。在此，这些混合物质量流在加法单元R42中累加，以预设在换热器60的入口处输送的混合物质量流m(')_LLK。在发动机节流活门82.B,82.A处的混合物质量流m(')_DK又作为加法元件R45的输出得到，也就是说从在气缸入口和接收器体积处的混合物质量流m(')_G,ZYL来反算。
由节流活门DK引回的混合物质量流m(')_DK反馈至调节单元R2(也就是说影响用于通过压缩机旁路70调整充量混合物的回流的抽吸段装置C5)的另一输入通过在图3中以虚线示出的加法单元R45的输出反馈到加法单元R42上得到。
通过压缩机旁路70的混合物质量流又在另一抽吸段装置C3、即在此压缩机旁通活门72处的流量方程的范围中得到。如果在发动机节流活门DK处的混合物质量流m(')_DK主要由作为抽吸段装置C5的节流活门的位置αDK得到，则压缩机旁路的混合物质量流m(')_VBP主要由压缩机旁路节流部72的位置αVBP并且在考虑在压缩机旁路70的开始处和结束处的压力情况的情况下、即在考虑p1,T1(也就是说在压缩机51之前的充量混合物状态)和p3,T3(也就是说在节流活门DK之前的充量混合物状态)的情况下得到。
如此另一调节单元R1作为输入参数不仅获得压缩机旁路节流部72的位置αVBP而且获得在充量换热器60中的气体状态参数p3,T3和至少在压缩机之前的进气压力p1,T1，其中，温度T1可大致相应于环境温度T0。
结果，在使用在图3中详细显示的调节器结构200的情况下实现改善的用于运行燃气内燃机100的方法。

Claims (14)

1. 一种用于运行燃气内燃机(100)的方法，
所述燃气内燃机具有
- 燃气混合器(40)、抽吸段(30)以及
- 带有多个气缸的发动机(10)，其中，在所述方法中
- 将燃料混合物包括充量混合物输送给所述发动机(10)并且在燃气运行中利用在充量混合物中的燃气作为燃料来运行所述发动机(10)，其中
- 借助于燃气-空气混合物的与至少一个之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额，确定燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额，并且其中，该确定借助于用作用于所述抽吸段(30)的计算模型的基础的抽吸段模型实现，
其特征在于，
- 确定在发动机供给部处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额，
- 在所述抽吸段(30)的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额确定输入-混合物份额，其中
- 确定在所述燃气混合器(40)处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且根据输入-混合物份额调整在所述燃气混合器(40)处的空气流和/或燃气流。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同时于所述发动机的运行的实时确定的范围中在所述抽吸段(30)的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额确定输入-混合物份额。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
- 确定在所述燃气混合器(40)的出口处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且/或者
- 确定在气缸(Ai, Bi)或所述发动机(10)的气缸入口或接收器(80)处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，混合物份额的确定包括：
- 借助于用于所述抽吸段(30)的体积的流量方程确定混合物质量流，其中，混合物质量流与在所述燃气混合器(40)处的输入-混合物份额相关联并且/或者在发动机供给部处的混合物质量流与输出-混合物份额相关联；
和/或
- 混合物状态的确定至少包括借助于在相关联的体积中的实际的或理想的燃气的热力学状态方程确定用于所述抽吸段(30)的相关联的体积的混合物份额的状态压力和/或温度。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将燃烧空气比、尤其燃烧空气比的理论值(Lambda_SOLL)与输入-混合物份额相关联，其中，借助于化学计量的空气需求(L_st)和/或燃烧空气比来指导所述燃气混合器(40)的燃气测量单元。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述抽吸段(30)的相关联的体积中中间状态的混合物份额、尤其混合物质量流和/或混合物状态的确定对于所述抽吸段(30)的多个理论计算体积和/或对于所述抽吸段(30)的多个实际壳体体积实现，其中，在所述抽吸段(30)中混合物份额的中间状态的数量与所述抽吸段(30)的至少一个大体积相关联。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述抽吸段(30)的多个大体积包括所述抽吸段(30)的一个或多个部件体积，其选自：
- 至少一个、优选地两个接收器体积(V5,p5,T5)，
- 在发动机组中的至少一个气缸体积，
- 至少一个充量换热器体积(V3,p3,T3)，
- 至少一个压缩机体积(V2,p2,T2)。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，状态压力定义为在所述发动机(10)的气缸(Ai, Bi)之前的接收器体积(81)中的接收器压力(p5)，所述接收器体积在上游的方向上前置于所述气缸(Ai, Bi)而在下游的方向上后置于增压部和/或旁通路段。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，状态压力虚拟地、尤其模拟地和/或计算地根据所述抽吸段(30)的计算模型来确定，其包括充量换热器(60)和/或接收器体积(81)的至少一个计算体积。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述抽吸段(30)的至少一个大体积的数目包括所述抽吸段(30)的一个或多个部件体积，其还选自：
- 尤其在旁通管区段和/或压缩机旁通活门(72)处的至少一个压缩机旁通体积(Vl,pl,Tl到V3,p3,T3)；
- 尤其在抽吸管区段和/或发动机-和/或输入节流活门(82)处的至少一个抽吸段体积。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定在节流部(72,82)处的混合物质量流，其中，确定回流(p3,T3,pl,Tl)和/或增压流的流量，在假设理想的或实际的燃气的无摩擦的或有摩擦的流动的情况下借助于在理想的或实际的喷嘴处的可压缩介质的流量方程。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃气运行是火花点火的燃气运行。
13. 一种用于燃气内燃机(100)、尤其作为火花点火的燃气内燃机的调节部，其具有
- 燃气混合器(40)、抽吸段(30)以及
- 带有多个气缸、尤其在上游布置在所述气缸之前的接收器体积(81)的发动机(10)，
- 所述抽吸段(30)的增压部，尤其带有充量换热器、优选地带有单级或二级增压部、优选地带有废气再循环，以及
- 带有所述抽吸段(30)的旁通路段用于绕过所述增压部，
其中，所述发动机(10)在燃气运行中能够以所供给的包括带有燃气作为燃料的充量混合物的燃料混合物运行，其中
所述调节部构造成：
- 借助于燃气-空气混合物的与至少一个之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额确定燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额，
- 借助于用作用于所述抽吸段(30)的计算模型的基础的抽吸段模型通过在之后的混合物状态中的输出-混合物份额确定在之前的混合物状态中的输入-混合物份额，
其特征在于，所述调节部另外构造成：
- 确定在发动机供给部处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额，并且
- 在所述抽吸段(30)的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额的混合物状态确定输入-混合物份额，其中
- 确定在所述燃气混合器(40)处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且在所述燃气混合器(40)处根据输入-混合物份额来调整空气流和/或燃气流。
14. 一种内燃机，其构造为燃气内燃机(100)、尤其为火花点火的燃气内燃机，其具有
- 燃气混合器(40)、抽吸段(30)以及
- 带有多个气缸、尤其在上游布置在所述气缸之前的接收器体积(81)的发动机(10)，
- 所述抽吸段(30)的增压部，尤其带有充量换热器、优选地带有单级或二级增压部、优选地带有废气再循环，以及
- 带有所述抽吸段(30)的旁通路段用于绕过所述增压部，
其中，所述发动机(10)在燃气运行中能够以所供给的包括带有燃气作为燃料的充量混合物的燃料混合物运行，以及
具有调节部，其构造成：
- 借助于燃气-空气混合物的与至少一个之前的混合物状态相关联的输入-混合物份额确定燃气-空气混合物的与之后的混合物状态相关联的输出-混合物份额，
- 借助于用作用于所述抽吸段(30)的计算模型的基础的抽吸段模型通过在之后的混合物状态中的输出-混合物份额确定在之前的混合物状态中的输入-混合物份额，
其特征在于，所述调节部另外构造成：
- 确定在发动机供给部处的燃气-空气混合物的输出-混合物份额，并且
- 在所述抽吸段(30)的多个相关联的体积中通过混合物份额的多个中间状态由输出-混合物份额的混合物状态确定输入-混合物份额，其中
- 确定在所述燃气混合器(40)处的燃气-空气混合物的输入-混合物份额并且在所述燃气混合器(40)处根据输入-混合物份额来调整空气流和/或燃气流。
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