CN105937450A - 用于操作发动机的方法和闭环控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于在气态燃料的燃烧期间操作发动机的方法，其中为了燃烧气态燃料，气体/空气混合物由提供有闭环控制填充压力的填充空气和提供有闭环控制气体压力的气体形成，且其供应至发动机的汽缸以用于燃烧，其中取决于填充压力闭环控制的填充压力设置点值(28)和填充压力与气体压力之间的压差设置点值(35)，确定用于气体压力闭环控制的气体压力设置点值(30)，其中气体压力设置点值(30)还取决于填充压力闭环控制的填充压力实际值(29)确定，即以这样一种方式使得取决于填充压力实际值(29)和填充压力设置点值(30)确定用于气体压力设置点值(30)的引导控制分量(36)和闭环控制分量(37)，其中引导控制分量(36)和闭环控制分量(37)与压差设置点值(35)偏移以用于确定气体压力设置点值(30)。

Description

用于操作发动机的方法和闭环控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于在气态燃料燃烧期间操作发动机的方法。本发明还涉及一种用于执行该方法的闭环控制系统。
背景技术
通过实践，已知的是在发动机中气态燃料(例如，天然气)作为燃料燃烧。此发动机可为纯气体发动机或所谓的双燃料发动机，在此情况下，在液体燃料操作模式中，诸如柴油或重燃料油的液体燃料燃烧，而在气态燃料操作模式中，气态燃料燃烧。特别是在发动机中气态燃料燃烧时，一方面的填充空气和另一方面的气态燃料提供成以便形成从这些中形成气体空气混合物，且将该气体/空气混合物提供至发动机的汽缸来燃烧。填充空气在闭环控制的填充压力下经由填充空气系统提供，其中气态燃料经由适合的燃料供应系统提供有闭环控制的气体压力，即，以在填充空气的填充压力与气态燃料的气体压力之间形成期望的压差的方式。为此，用于气体压力闭环控制的气体压力设置点取决于填充压力闭环控制的填充空气设置点值和取决于填充压力与气体压力之间的压差设置点值来确定。从实施中获知的程序(在此情况下，气体压力设置点值只取决于填充压力设置点值和取决于差异设置点值确定)使气体压力闭环控制的仅有限闭环控制质量变得可能。在此方面，填充压力与气体压力之间的压差可仅以有限质量来闭环控制。
此外，在负载变化期间仅可提供气体压力闭环控制的有限质量。
发明内容
从此开始，本发明基于产生用于操作发动机的新型方法和闭环控制系统的目的。该目的通过根据权利要求1的方法解决。根据本发明，气体压力设置点还取决于填充压力闭环控制的填充压力实际值确定，即，以这样一种方式使得取决于填充压力实际值和填充压力设置点值确定用于气体压力设置点的引导控制分量和闭环控制分量，其中引导控制分量和闭环控制分量与差异设置点偏移，以用于确定气体压力设置点值。就本发明而言，提出了经由引导控制分量和闭环控制分量确定用于气体压力闭环控制的气体压力设置点值。气体压力闭环控制的闭环控制量的改善由此特别是在负载变化期间有可能，使得最终压差可以以较高质量或精度调整。
根据本发明的有利进一步发展方案，用于确定气体压力设置点值的引导控制分量以一种方式确定，使得取决于填充压力实际值的时间导数可确定引导控制斜坡的梯度，且取决于填充压力设置点可确定引导控制斜坡的终点。此引导控制分量经由引导控制斜坡使得特别是在负载变化期间高质量气体压力闭环控制有可能。
根据本发明的有利的另一个发展方案，用于确定气体压力设置点值的闭环控制分量以一种方式确定，使得填充压力实际值与引导控制分量和闭环控制分量偏移，以用于确定第一闭环控制回路的第一控制器的输入变量，其中第一控制器的输出变量对应于闭环控制分量以用于确定气体压力设置点值。气体压力闭环控制的质量因此可进一步改善。引导控制斜坡或引导控制分量对闭环控制分量有影响，其结果在于，缓解了提供用于气体压力设置点值的闭环控制分量的控制器。
根据本发明的有利的另一个发展方案，气体压力设置点值与气体压力实际值偏移，以便确定用于第二闭环控制回路的第二控制器的输入变量，其中第二控制器的输出变量与气体压力设置值偏移，以便确定用于气体压力闭环控制的气体压力控制环的控制变量。气体压力实际值只与负载压力设置点偏移，且因此在第二闭环控制回路中处理，且并未供应至第一闭环控制回路。通过使两个闭环控制回路相对于气体压力实际值断开，气体压力闭环控制的闭环控制质量可特别是在负载变化期间改善。
根据本发明的有利的另一个发展方案，压差设置点值取决于气体的气体质量确定。通过压差的设置点值的取决于气体质量的确定，气体压力闭环控制的闭环控制质量可进一步改善。
用于执行该方法的闭环控制系统在权利要求8中限定。
本发明的优选的另一个发展方案从从属权利要求及以下描述中获得。
附图说明
本发明的示例性实施例借助于附图来更详细地阐释，而不限于此。附图示出了：
图1为设计成双燃料发动机的发动机的框图；
图2为发动机的汽缸的框图；
图3为用于操作发动机的闭环控制系统的框图；
图4为用于示出本发明的一个方面的图表。
具体实施方式
本发明涉及一种用于在气态燃料的燃烧期间操作发动机的方法，以及用于执行该方法的闭环控制系统。
图1示意性地示出了双燃料发动机10的框图，其包括多个汽缸11。在液态燃料操作模式中，仅液体燃料FK在所有汽缸11中燃烧。在气体燃料操作模式中，仅气态燃料GK在双燃料发动机的所有汽缸11中燃烧，即，使用点火流体ZF用于点燃气态燃料GK。
在图1中所示的示例性实施例中，双燃料发动机10分配排出气体涡轮增压器12，其中在双燃料发动机10的汽缸11中燃烧燃料期间产生的排出气体AG供应至排出气体涡轮增压器12的涡轮13，以便使排出气体AG在涡轮13中膨胀，且在该过程中获得机械能。该机械能用于排出气体涡轮增压器12的压缩机14中，以便压缩填充空气LL来给送至双燃料发动机10的汽缸11以用于燃烧燃料。在气体燃料操作模式中，气体空气混合物在该过程中由填充空气LL和气态燃料GK形成，该混合物供应至汽缸11，且经由点火流体ZF点燃。
图2示出了双燃料发动机10在其汽缸11的区域中的其它细节，其中汽缸11的活塞15可经由连杆16向上和向下移动。在液体燃料操作模式中，液体燃料FK经由燃料喷射器19引入汽缸11的燃烧室26中且经由入口阀17引入填充空气LL，其中在燃烧期间产生的排出气体AG从燃烧室26经由排气阀18排放。液体燃料FK经由燃料泵20提供至喷射器19。
在气体燃料操作模式中，填充空气LL和气态燃料GK的混合物经由入口阀17引入汽缸11的燃烧室26中，其中点火流体ZF用于点燃该气体-空气混合物，该点火流体ZF从点火流体泵23开始、经过点火流体储存单元22经由点火流体喷射器21提供至汽缸11，即，在图2的示例性实施例中，至汽缸11的另一个燃烧室24，其经由至少一个连接通道25联接到燃烧室26上。将指出的是，点火流体ZF还可直接地引入燃烧室26中。
本发明关于一些细节，借助于这些细节可在图1和2的双燃料发动机10的情况下改善燃烧气态燃料的发动机中的气体燃料操作模式。
然而，将指出的是，本发明不限于双燃料发动机的应用，而是本发明还可用于只用于燃烧气态燃料的气体发动机中。在此纯气体发动机中，气体发动机的汽缸也提供有填充空气LL和气态燃料GK的混合物，其中在燃烧期间产生的排出气体AG从气体发动机的汽缸排放。
图3示出了闭环控制系统27的框图，借助于该系统27，操作成用于形成气体/空气混合物的发动机可以被提供有带有限定的闭环控制的气体压力的气态燃料GK，即以一种方式使得在气态燃料GK的气体压力与填充空气LL的填充压力之间保持或提供期望的压差。
用于气体/空气混合物的填充空气LL经由填充空气系统提供，其中填充空气闭环控制提供用于填充空气LL的限定闭环控制填充压力。
在图3中并未详细示出的填充空气闭环控制基于填充压力设置点值28和填充压力实际值29，其在图3中由框可视化，其中填充压力闭环控制基于填充压力设置点值28与填充压力实际值29之间的闭环控制偏差生成控制变量，以便将填充压力实际值29引导至填充压力设置点值28。如已经阐释那样，填充压力闭环控制的细节未在图3中示出。
类似填充空气用于提供气体/空气混合物的气体或气态燃料GK由气体供应系统提供，即，以闭环控制的气体压力提供，其中气体供应系统的气体压力闭环控制34将气体压力设置点值30与气体压力实际值31相比较，且取决于其，确定气体压力闭环控制34的气体控制环33的控制变量32。气体压力闭环控制34确定控制变量32，使得气体压力实际值31接近或遵循气体压力设置点值40。气体压力设置点值30取决于填充压力设置点值28、填充压力实际值29和压差设置点值35确定。此方面的细节在下文中详细描述。
取决于填充压力实际值29、填充压力设置点值28和压差设置点值35确定气体压力闭环控制34的气体压力设置点值30以这样一种方式作用，使得取决于填充压力实际值29且取决于填充压力设置点值28，确定气体压力设置点值30的一方面的引导控制分量36和另一方面的闭环控制分量37，其中引导控制分量36和闭环控制分量37与差异设置点值35偏移，以用于确定气体压力设置点值30。
因此，图3示出了引导控制分量36和经由微分器38获得的引导控制分量36的时间导数在第一求和点39处与闭环控制分量37偏移，以便确定辅助变量40，其中该辅助变量40在第二求和点41处与差异设置点值35偏移，以便确定气体压力设置点值30。
气体压力设置点值30的引导控制分量36以一种方式确定，使得取决于经由微分器42获得的填充压力实际值29的时间导数确定引导控制斜坡44的梯度43，其中引导控制斜坡44的端点取决于填充压力设置点值28确定。如从图3清楚的那样，引导控制斜坡44的梯度43一方面取决于微分器42中形成的填充压力实际值29的时间导数确定且另一方面取决于引导控制斜坡44的预设最小梯度45确定。在各种情况下，预设最小值45和经由微分器42形成的填充压力实际值29的时间导数的最大值用作梯度43。
气体压力设置点值30的闭环控制分量37以一种方式确定成使得填充压力实际值29与取决于引导控制分量36和闭环控制分量37的辅助变量40偏移，即，通过形成填充压力实际值29与辅助变量40之间的差异46，这取决于引导控制分量36和闭环控制分量37。取决于该差异46，第一闭环控制回路的控制器47确定为闭环控制分量37的输出变量，其中根据图3，该第一控制器37包括比例分量48和积分分量49，使得第一控制器47因此体现为PI控制器，其通过在求和点50中叠加比例分量48和积分分量49来输出气体压力设置点值30的闭环控制分量37。
如上文已经阐释那样，气体压力设置点值30取决于引导控制分量36、控制器分量37和压差设置点值35，其中图4的框51示出了取决于发动机的操作状态52，替代以上述方式确定的气体压力设置点值30，还可输出气体压力闭环控制34的另一气体压力设置点值。因此，框51构成选择框，其取决于发动机的操作状态52输出以上述方式且取决于填充压力实际值29、填充压力设置点值28和差异设置点值35或备选气体压力设置点值30'或30''或30'''确定的气体压力设置点值30。
具体而言，在泄漏测试功能53启用时，选择框51输出恒定的气体压力设置点值作为气体压力设置点值30'''。
如果经由框54请求压力累积时，选择框51将压力累积中的气体压力设置点值的可参数化的斜坡选择为气体压力设置点值30''，这在双燃料发动机的情况下是从液体燃料操作变为气体燃料操作之前的情况。
当经由框55请求压力累积时，选择框51选择压力累积的可参数化斜坡作为气体压力设置点值30'，其在双燃料发动机的情况下为从气体燃料操作模式到液体燃料操作模式的转换结束时的情况。
对于涉及气体燃料操作模式中的发动机操作的本发明，根据本发明确定的气体压力设置点值30是相关的，其取决于引导控制分量36、闭环控制分量37和压差设置点值35。
如已经阐释那样，气体压力闭环控制34在减去点56形成气体压力设置点值30与气体压力实际值31之间的差异，其中气体压力实际值31与气体压力设置点值30之间的差异提供为第二闭环控制回路(即，气体压力闭环控制34)的第二控制器57的输入变量。该第二控制器57的输出变量58至少与气体压力设置点值30偏移，以便提供用于气体控制环33的控制变量32。
第二控制器57优选为I控制器，其只包括积分分量。
这里将指出，当确定气体压力设置点值30时，填充压力实际值29和填充压力设置点值38在适合的滤波器59,60中过滤，以便改善确定气体压力设置点值30中的质量。作为优选，气体压力实际值34同样在滤波器61中过滤。
根据本发明的有利的进一步发展方案，提供了用于确定气体压力设置点值30的压差设置点值35为取决于气体或气态燃料GK的质量确定的压差设置点值。
为此，在图3的差异设置点值生成框61中提供了独立于气体质量的压差设置点值62首先是最初预设的，其中独立于气体质量的该压差设置点值62在校正框63中取决于气体质量因数64而校正。因此，校正框63输出取决于气体质量的压差设置点值35作为输出变量。
用于双燃料发动机或气体发动机的气体燃料操作模式中的气体压力设置点值30因此取决于至少三个变量，即取决于填充压力实际值29、填充压力设置点值28和压差设置点值35，其优选关于取决于气体质量的差异设置点值。取决于填充压力设置实际值29和填充压力设置点值28，计算气体压力设置点值30的引导控制分量36和闭环控制分量37，其优选通过优选取决于气体质量的压差设置点值35来叠加，以便提供气体压力闭环控制34的气体压力设置点值30。第一闭环控制回路的第一控制器47跟踪气体压力设置点值30至与气体压力设置点值28的偏差。过程中的引导控制分量36缓解闭环控制分量37，使得可快速提供高质量的气体压力设置点值30。气体压力设置点值30用于气体压力闭环控制34的第二闭环控制回路的第二控制器57中，即，一方面在第二控制器57上游以用于确定气体压力闭环控制的控制偏移，且在第二控制器57下游以确定气体控制环33的控制变量32。
填充压力设置点值38用作气体压力设置点值30的引导控制分量36的基础。获得加至压差设置点值35的气体压力设置点值30的引导控制值，其在静止操作模式中在稳定性能的情况下对应于实际需要的气体压力设置点值。为了考虑负载变化期间填充空气闭环控制的滞后响应性能，引导控制的气体压力设置点值30经由引导控制斜坡44接近，斜坡44的梯度取决于填充压力实际值29的第一时间导数。因此，填充压力的时间性能传递至气体压力设置点值30，其结果在于导致了稳定压力性能。为了在气体压力闭环控制34中偏移响应延迟，求和点39处的引导控制分量36的第一时间导数叠加在实际引导控制分量36上。
用于确定气体压力设置点值30的闭环控制分量37的第一闭环控制回路的第一控制器47通过填充压力的控制偏移来校正引导控制分量36，这由填充压力闭环控制的时间性能引起。通过相对快的引导控制分量36和准确的闭环控制分量37的组合，闭环控制气体压力且因此填充压力与气体压力之间实现的压差的显著的改善的时间性能可实现。如已经阐释那样，控制器47通过引导控制分量36缓解，因为在静止操作模式中，控制器47的积分分量在引导控制分量36中完全吸收，其结果在于，闭环控制放大的优化是可能的。
如上文同样已经阐释那样，压差设置点值35优选为取决于气体质量的压差设置点值。本发明的该进一步发展方案基于以下的实现：例如，在气体减小卡值(calorific value)的情况下，在恒定输出和气体压力与填充压力之间的恒定压差的情况下，气体阀的激励持续时间延长。由于气体中的严重质量波动，压差可能不匹配气体的一定卡值。为了避免在低卡值情况下不容许地产生气体的高喷射角，取决于气体质量的压差设置点值35的使用是有利的。
从最佳效率出发，独立于质量的压差设置点值62，取决于气体质量的压差设置点值35确定，即取决于气体质量因数64。
本来已知的气体质量闭环控制的校正因数优选用作气体的当前卡值的指示物。这里，校正因数随气体下降的卡值增大。校正因数校正内部输出或填充计算至外部输出。
特别是在校正因数达到气体喷射持续时间接近极限值的值时，压差设置点值升高。该函数必须参数化，使得气体喷射持续时间保持恒定或略微下降。在此情况下，气体质量的校正因数优选由最小值且还由最大值两者界定。这在图4中可视化，其中在图4中，用于差异设置点值的校正因数K2在用于气体质量的校正因数K1上绘出。气体质量的校正因数K1由最小值K1-min和最大值K1-max界定。用于气体质量的各个校正因数K1分配用于压差设置点值的校正因数K2。压差设置点值由最大值K3界定。
如已经阐释那样，气体压力闭环控制34的控制变量32取决于第二控制器57的输出变量58和其它压力设置点值30。因此，控制器57的输出变量58在求和点65中与压力设置点值30偏移。控制器57的输出变量58取决于在减去点56形成的气体压力实际值31与气体压力设置点值30之间的闭环控制偏差。
气体闭环控制环33的元件对应于现有技术。因此，气体闭环控制环33包括由引导控制器67触动的气体压力控制阀66。用于引导控制器67的输入信号取决于所谓的I/p换能器68的输出信号和偏移值68。I/p换能器68由气体压力闭环控制34的控制信号32生成用于引导控制器67的当前信号。引导控制器67和I/p换能器68优选根据相同原理操作，其提供了用于气体压力控制阀66的辅助能源。偏移值69对应于用于经由调整螺钉调整的将促动的气体压力控制阀66的弹簧的弹簧预载的预压力。
特别在I/p换能器68、引导控制器67和压力控制阀66适当操作时，调整状态中的气体压力实际值31对应于气体压力设置点值30。对于偏移调整误差、偏差和磨损，还需要包括第二控制器57的闭环控制回路以用于准确地调整气体压力，且因此压差，然而，压差如图所示可体现为纯I控制器，因为干涉变量仅缓慢改变。I/p换能器68、引导控制器67和压力控制阀66的时间性能中的缺陷因此可充分地偏移。
为了气体压力闭环控制34中的闭环控制尽可能有效，必须知道通常在引导控制器上经由调整螺钉调整的准确偏移值69。作为备选，可构想出省略偏移值69的参数化且改为自适应地储存控制器67的输出的实施例。因此，所有误差源都将作为补偿偏移获得。

Claims (11)

1. 一种用于在气态燃料的燃烧期间操作发动机的方法，其中为了燃烧所述气态燃料，气体/空气混合物由提供有闭环控制填充压力的填充空气和提供有闭环控制气体压力的气体形成，且该气体/空气混合物供应至所述发动机的汽缸以用于燃烧，其中取决于填充压力闭环控制的填充压力设置点值(28)和所述填充压力与所述气体压力之间的压差设置点值(35)，确定用于气体压力闭环控制的气体压力设置点值(30)，其特征在于，所述气体压力设置点值(30)还取决于所述填充压力闭环控制的填充压力实际值(29)确定，即以这样一种方式使得取决于所述填充压力实际值(29)和填充压力设置点值(30)，确定用于所述气体压力设置点值(30)的引导控制分量(36)和闭环控制分量(37)，其中所述引导控制分量(36)和所述闭环控制分量(37)与所述压差设置点值(35)偏移，以用于确定所述气体压力设置点值(30)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引导控制分量(36)以这样一种方式确定，使得取决于所述填充压力实际值(29)的时间导数确定引导控制斜坡(44)的梯度，且取决于所述填充压力设置点值(28)确定所述引导控制斜坡(44)的端点。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述闭环控制分量(39)以这样一种方式确定使得所述填充压力实际值(29)与所述引导控制分量(36)和所述闭环控制分量(37)偏移，以用于确定用于第一闭环控制回路的第一控制器(47)的输入变量，其中所述第一控制器(47)的输出变量对应于所述闭环控制分量(37)。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一控制器(47)为PI控制器。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述气体压力设置点值(30)与气体压力实际值(31)偏移，以便确定用于第二闭环控制回路的第二控制器(57)的输入变量，其中所述第二控制器(57)的输出变量(58)与所述气体压力设置点值(30)偏移，以便确定用于所述气体压力闭环控制的气体压力控制环(33)的控制变量(32)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二控制器(57)为I控制器。
7. 根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，所述压差设置点值(35)取决于所述气体的气体质量确定。
8. 一种用于在气态燃料的燃烧期间操作发动机的闭环控制系统，带有填充压力闭环控制和气体压力闭环控制，其特征在于，取决于填充压力实际值(29)和填充压力设置点值(28)的气体压力设置点值生成确定用于气体压力设置点值(30)的引导控制分量(36)和闭环控制分量(37)，其中该气体压力设置点值生成使所述引导控制分量(36)和所述闭环控制分量(37)与压差设置点值(35)偏移，以用于确定所述气体压力设置点值(30)。
9. 根据权利要求8所述的闭环控制系统，其特征在于，取决于所述填充压力实际值(29)的时间导数，所述气体压力设置点值生成的所述引导控制分量(36)确定引导控制斜坡(44)的梯度，且取决于所述填充压力设置点值(28)，确定所述引导控制斜坡(44)的端点，且在于所述气体压力设置点值生成的所述闭环控制分量(37)使所述填充压力实际值(29)与所述引导控制分量(36)和所述闭环控制分量(37)偏移，以用于确定用于优选形成为Pl控制器的第一闭环控制回路的第一控制器(47)的输入变量，其中所述第一控制器(47)的输出变量对应于所述闭环控制分量(37)。
10. 根据权利要求8或9所述的闭环控制系统，其特征在于，所述气体压力闭环控制使所述气体压力设置点值(30)与气体压力实际值(31)偏移，以便确定用于优选形成为I控制器的第二闭环控制回路的第二控制器(57)的输入变量，其中所述气体压力闭环控制使所述第二控制器(57)的输出变量(58)与所述气体压力设置点值(30)偏移，以便确定用于所述气体压力闭环控制的气体压力控制环(33)的控制变量(32)。
11. 根据权利要求8至10中的任一项所述的闭环控制系统，其特征在于，其取决于所述气体的气体质量确定所述压差设置点值(35)。
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