CN106030080B - 用于操作联接至发生器的内燃机的方法以及用于执行该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于操作系统（10）的方法和装置，所述系统（10）包括发生器（12）和驱动所述发生器（12）的内燃机（14），其中，所述发生器（12）的转速由转速控制器（34）控制。所述方法的特征在于：所述转速控制器（34）输出目标扭矩作为操纵变量，以及，将附加扭矩施加在所述目标扭矩上，其中，所述附加扭矩是基于从所述系统（10）拾取的测量值来计算或者确定的。

Description

用于操作联接至发生器的内燃机的方法以及用于执行该方法 的装置

技术领域

本发明首先涉及一种用于操作联接至发生器的内燃机的方法。本发明还涉及作为用于执行该方法的装置的开环和闭环控制设备。

背景技术

由内燃机驱动的发生器本身是已知的。通常，内燃机联接至发电机（电发生器）并且变频器连接在该发生器的下游。

美国第2009/0194067 A号公开了一种可移动系统，该可移动系统具有内燃机形式的独立于网络的能量源和由该内燃机驱动的单个组件，包括提供作为电流/电压源的发生器。对由该内燃机提供的能量和该组件或者每个组件需要的能量进行监测。如果所需要的能量超过可用能量，则增加用于控制内燃机的转速的转速目标值，或者根据优先级方案禁用单个组件，从而要么增加可用能量或者减小能量需要。

德国专利第10 2004 017 087 A1号公开了一种具有内燃机的组件。具有内燃机的所述组件被用作驱动源，该驱动源旋转地连接至能量发生器，尤其是发电机、液压泵、空气压缩机等，其中，内燃机具有用于使预选的转速保持稳定的转速控制器，所述转速控制器控制内燃机的控制构件，以便改变被供应至内燃机的燃料的量直至满载极限，并且具有用于测量能量发生器的负载的变化的单元，其中，该单元借助信号链接操作地连接至内燃机的转速控制器，从而使内燃机的控制构件能够被所述单元独立于转速控制器地致动。

针对具有联接至内燃机的发生器的布置，趋势在于重量轻的构造，并且因此，如果可能的话，避免例如先前已经提供用于补偿转速中的任何波动的配重或者至少减少移动质量。发生器通常在预界定或者可预界定的转速下操作。为此，发生器分配有转速控制器。通过控制转速来管理内燃机和发生在其中的燃烧过程。这可以根据不同的标准来完成。例如，可设想的是功率、效率和排放。

先前，已经增加了发生器上的配重，以便获得发生器的更高转速稳定性。然而，移动质量的增加实际上是不期望的，尤其是在内燃机和发生器都是机动车辆等的一部分并且与该机动车辆一起移动的情况下。作为替代，先前相应地使用最大动力来操作转速控制，以便实现较大范围且较高的闭环增益。就这点而言，可能性在于使用非常高的转速控制器的时钟频率。然而，这可导致开关元件中的能量损失过度增加。

发明内容

因此，本发明的目的在于，说明一种用于操作联接至发生器的内燃机的方法以及一种根据该方法操作的装置，从其效果上讲，免了或者至少减少了上文列出的缺点。

根据本发明，该目的通过如下方法来实现：该方法用于操作具有权利要求1的特征的联接至发生器的内燃机。为此，用于操作系统的方法，该方法包括发生器和驱动该发生器的内燃机，在该系统中，发生器的转速由转速控制器控制，提供有转速控制器输出目标扭矩作为操纵参数，以及附加扭矩施加在目标扭矩上，其中，该附加扭矩是基于从系统拾取的测量值来计算或者确定的。

对包括内燃机和发生器的系统的优化过程管理是通过如下方式来实现：在由转速控制器输出的作为操纵变量的目标扭矩上施加附加扭矩，即，附加扭矩是用于附加扭矩的数字化的且可自动处理的值。因此，不需要用于使发生器的转速保持稳定的配重等。

关于该装置，根据本发明，上面提到的目的是通过平行的装置权利要求的特征来实现。为此，提供了一种开环和闭环控制设备，该开环和闭环控制设备具有用于执行此处和下文描述的操作方法的机构，其中，意在执行操作方法的该机构包括至少一个控制单元和转速控制器，以及其中，可以由转速控制器输出目标扭矩作为操纵变量。

本发明的有利实施例形成从属权利要求的主题。所使用的从属参照物通过相应从属权利要求的特征来指示主权利要求的主题的进一步发展。其不应理解为意味着，包含从属参照物的从属权利要求的特征的组合的主题没有受到独立地保护。此外，关于权利要求的解释，其特征在从属权利要求中更加详细地被说明，应假设这种约束不存在于相应前述权利要求中。最后，应指出，此处所指定的方法还可以根据从属装置权利要求来发展并且反之亦然。

在该方法的一个实施例中，将反扭矩（counter torque）计算为附加扭矩，该附加扭矩被施加在由转速控制器输出的目标扭矩上。所述反扭矩是基于记录在系统中的测量值来计算的。记录在系统中的测量值是记录在内燃机中的压力测量值，具体地是指示内燃机的燃烧室中的压力的压力测量值。然后，基于该压力测量值来计算反扭矩/附加扭矩。

在该方法的替代实施例中，将反扭矩类似地计算为附加扭矩，该附加扭矩被施加在由转速控制器输出的目标扭矩上。然而，在该示例中，没有使用被记录在系统中的压力测量值。相反，反扭矩/附加扭矩是通过如下方式来计算：通过借助热力学模型估算内燃机的燃烧室中的主导压力（prevailing pressure）并且基于估算的压力来计算反扭矩/附加扭矩。

在该方法的另一个替代实施例中，当借助先导控制块来计算附加扭矩时，计算先导控制扭矩，将该先导控制扭矩作为附加扭矩施加在由转速控制器输出的目标扭矩上。

在该方法的特殊实施例中，同时使用所计算出的附加扭矩中的一个和由先导控制块输出的附加扭矩。因此，将由先导控制块输出的附加扭矩和基于内燃机的燃烧室中的测量或者估算的压力所确定的附加扭矩施加在由转速控制器输出的目标扭矩上。

为了执行该方法的单个实施例，开环和闭环控制设备的特征在于：可以借助该开环和闭环控制设备来处理记录在系统中（具体地在内燃机中）的压力测量值，可以使用该压力测量值和使用可以由控制单元输出的数据（具体地，至少一个几何值（geometricvalue）、目标位置和动态数据（kinematic data））来确定附加扭矩，以及可以将该附加扭矩施加在目标扭矩上。

开环和闭环控制设备的第一替代实施例意在并且设计为，可以借助包括在该开环和闭环控制设备中的热力学模型来确定内燃机的燃烧室中的主导压力的估算值，可以使用该估算值和可以由控制单元输出的数据（具体地，至少一个几何值、目标位置和动态数据）来确定附加扭矩，以及可以将该附加扭矩施加在目标扭矩上。

开环和闭环控制设备的另一个替代实施例意在并且设计为，可以借助包括在该开环和闭环控制设备中的先导控制块来确定先导控制扭矩，以及可以将该先导控制扭矩作为附加扭矩施加在目标扭矩上。

开环和闭环控制设备的一个实施例意在执行该方法，在该方法中，同时使用所计算出的附加扭矩中的一个和由先导控制块输出的附加扭矩，其特征在于：实施上文提到的对应特征的组合。

总的来说，本发明还在于一种系统，该系统具有发生器和内燃机以及具有此处和下文描述的特征的开环和闭环控制设备。

附图说明

下面使用附图对本发明的示例性实施例进行更加详细地解释。在所有附图中，彼此对应的物体或者元件提供有相同的附图标记。

在附图中,

图1示出了具有内燃机和发生器的系统，其中，该发生器由内燃机驱动;

图2示出了开环和闭环控制设备的第一实施例，其用于图1中示出的那类系统的开环和闭环控制;

图3示出了开环和闭环控制设备的第二实施例，其用于图1中示出的那类系统的开环和闭环控制;

图4示出了开环和闭环控制设备的第三实施例，其用于图1中示出的那类系统的开环和闭环控制。

具体实施方式

图1中的简图示出了此处讨论的这类系统10的基本结构，成示意简化形式。系统10包括作为发生器12操作的电动机和内燃机14。该内燃机14机械地联接至发生器12。内燃机14的简图示出了其曲轴和活塞16。内燃机14可以包括多于一个的示出的活塞16，即使说，可以成例如分裂单发动机（split-single engine）的形式。

将由发生器12生成的交流电供应至此处示出为整流器的变换器（变频器）18。可以在变换器（converter）18的输出处成电能形式的原本由内燃机14生成的能量。

系统10可以被看作是，例如，用在机动车辆中的可移动系统。此外，系统10还可以被看作是应急发电组等。

包括在例如变换器18中的开环和闭环控制设备20（图2）实现对系统10的控制，具体地是，例如，对发生器12的转速控制。为此，将位置传感器22分配至发生器12。在操作期间可以借助位置传感器22来获得实际位置值，并且该实际位置值随着时间的演进是对发生器12的相应转速的测量。因此，可以从位置传感器22获得实际位置值23以及直接地或者至少间接地获得实际转速值24（图2）。

同样示出了将压力传感器26分配至内燃机14。可以借助该压力传感器26获得内燃机14在操作期间在活塞室中生成的有关压力的测量值（压力测量值28）。

将该压力测量值28和实际位置值23和/或实际转速值24供应至开环和闭环控制设备20。在此基础上，生成操纵变量30以便影响系统10。

由内燃机14中发生的燃烧生成的压力和由于活塞16的移动和加速而产生的质量力，作为受开环和闭环控制的系统10内的过程力（process force）出现。过程力是已知的或者可以被测量，并且下文解释的方法是基于过程力的线性化和转速的后续控制以及/或者过程力的先导控制和转速的后续控制。

首先解释过程力的线性化。

图2的简图示出了已经提到的开环和闭环控制设备20的进一步细节，具体地是该开环和闭环控制设备20内的作为功能单元的控制单元32和转速控制器34。

控制单元32指定目标转速ω^* = dφ^*/dt 36（上标星号指示目标值）。目标转速ω^*可以是连接到总体系统10的上游的电流控制器（未示出）的起始值。转速控制器34输出作为操纵变量30的目标扭矩T^*。为了线性化，在转速控制器34的下游的求和点处，从目标扭矩T^*减去发生器12必须应用的、在各种情况下与燃烧室中的主导压力相反的扭矩。

基于压力测量值P_ist 28，可以计算出在各种情况下当前作用在发生器12上的力，这是因为，如已知的，以分别在燃烧室和活塞16的区域A中主导压力的产物的形式计算所导致的力（resulting force）。用于活塞16的区域A的可自动处理的值被控制单元32基于相应预界定的或者可预界定的参数化输出作为几何值38。

使用借助位置传感器22记录的实际位置值23，可以知道发生器12的转子的当前位置φ（旋转位置）。此外，相应目标位置φ^* 40以及转子的旋转位置与活塞16的平移位置x之间的取决于角度的传动比始终是已知的。在这方面，开环和闭环控制设备20包括转换部件42，该转换部件42输出用于活塞16的平移位置变化的测量，该活塞16的平移位置变化取决于在目标位置φ^* 40的基础上的转子旋转位置（dx/dφ）^*的变化。转换部件42的转换函数f(φ^*)可以由动态数据44影响，该动态数据44可以由控制单元32输出。在各种情况下输出的动态数据44类似地是基于开环和闭环控制设备20的预界定或者可预界定参数化。

可以从上文提到的变量计算出发生器12必须应用的、与燃烧室中的主导压力相反的扭矩（反扭矩T），该反扭矩作为被施加在由转速控制器34输出的目标扭矩T^*上的附加扭矩T。因此，该反扭矩的结果是：

。

压力测量包含在反扭矩T的确定中，以压力测量值P_ist 28的形式记录在系统10中，压力测量是压力的反馈并且表示总的系统10的线性化。

图3的简图示出了，作为压力测量替代，可以通过计算来确定压力，例如，通过使用热力学模型46来估算内燃机14的燃烧室中的主导压力。输入到热力学模型46中的值有：在发生器12的转子的当前位置φ（实际位置值23）或者相应目标位置φ^* 40之外，还有几何值38或者其它几何数据、动态数据44和热力学数据48，例如关于在各种情况下注入到内燃机14的燃烧室中的燃料的量的信息。内燃机14的燃烧室中的压力的目标值或者估算值P^*作为热力学模型46的输出产生。反扭矩T可以如上文那样计算：

。

图4的简图示出了过程力的先导控制，该先导控制可以附加地或者替代地用于线性化（图2、图3）。

先导控制是基于可以计算出活塞16的质量力这一事实，具体地是从目标位置φ^*40（或者实际位置值φ 23）以及转子的旋转位置与活塞16的位置x之间的取决于角度的传动比来计算。转子的相应当前角加速度同样是已知的。利用先导控制块50计算附加扭矩T（先导控制扭矩），附加扭矩T是转子和活塞16加速所必需的且是施加在由转速控制器34输出的目标扭矩T^*上的，该先导控制块50包括在开环和闭环控制设备20中，以便给出：

。

借助优化过程管理，该变型自动地（隐含地）考虑了预定转速波动。先导控制块50包括上文说明的关系的实施以确定先导控制扭矩T。输入到先导控制块50中的值以及由控制单元32输出的值是：相应目标位置φ^* 40（或者实际位置值φ 23）、动态数据44、以及与移动质量相关的至少一项质量信息m 52。这产生了对必需的加速度和在各种情况下待应用的扭矩的精确先导控制。

在图4中示出的开环和闭环控制设备20的实施例独立于在图2和图3中示出的实施例。然而，所描述的实施例也可以进行组合，例如，以图2和图4的实施例的组合的形式，或者图3和图4的实施例的组合的形式。

尽管已经使用示例性实施例详细地图示和描述了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域的技术人员可以从这些示例中推导出其它变型而不背离本发明的保护范围。

此处描述的这类开环和闭环控制设备20的优点在于：通过对过程力的直接控制而减轻了转速控制器34的负担，这是因为在理想上排除了转速控制器34原本要考虑的干扰力。因此，转速控制器34仅负责基于由控制单元32指定的目标转速ω^*来实施理想过程管理。如果除了线性化（图2、图3）外还使用根据图4的先导控制，则借助先导控制来执行过程管理并且转速控制器34仅需要调节较小偏差。

总的来说，由内燃机14应用在发生器12上的反作用力是以更加动态的和直接的方式被实施的，这是因为其仅仅取决于当前控制器在输入侧上的非常大的动力。

在不减小转速的稳定性的情况下省略配重。这产生更加轻量的设计并且使移动质量加速和减速所必需的电流量更小。

尽管已经使用示例性实施例详细地图示和描述了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域的技术人员可以从这些示例中推导出其它变型而不背离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于操作系统（10）的方法，所述系统（10）包括发生器（12）和驱动所述发生器（12）的内燃机（14），

其特征在于：

-所述发生器（12）的转速由转速控制器（34）控制，

-所述转速控制器（34）输出目标扭矩作为操纵变量，以及

-将附加扭矩施加于所述目标扭矩上，所述附加扭矩具体地是所述发生器（12）必须施加的、与所述内燃机（14）的燃烧室中的主导压力相反的扭矩，或者是使所述发生器（12）的转子和所述内燃机（14）的活塞（16）加速所必需的扭矩，

-其中，所述附加扭矩是基于从所述系统（10）拾取的测量值来计算或者确定的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当在所述系统（10）中，具体地在所述内燃机（14）中，基于从所述系统（10）拾取的测量值确定所述附加扭矩时，所述附加扭矩是所述发生器（12）必须施加的、与所述内燃机（14）的燃烧室中主导的压力相反的扭矩，记录压力测量值（28），并且其中，借助所述压力测量值（28）来计算所述附加扭矩。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，当借助热力学模型（46）来计算所述附加扭矩时，所述附加扭矩是所述发生器（12）必须施加的、与所述内燃机（14）的燃烧室中主导的压力相反的扭矩，估算所述内燃机（14）的燃烧室中的主导压力，并且基于所述估算的压力来计算所述附加扭矩。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，当借助先导控制块（50）来计算所述附加扭矩时，所述附加扭矩是使所述转子和所述活塞（16）加速所必需的扭矩，计算先导控制扭矩，将所述先导控制扭矩作为所述附加扭矩施加在由所述转速控制器（34）输出的所述目标扭矩上。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，当借助先导控制块（50）来计算所述附加扭矩时，所述附加扭矩是使所述转子和所述活塞（16）加速所必需的扭矩，计算先导控制扭矩，将所述先导控制扭矩作为所述附加扭矩施加在由所述转速控制器（34）输出的所述目标扭矩上，并且

其中，将由所述先导控制块（50）输出的所述扭矩以及基于所述内燃机（14）的所述燃烧室中的测量或者估算的压力所确定的所述附加扭矩施加在由所述转速控制器（34）输出的所述目标扭矩上。

6.一种开环和闭环控制设备（20），所述开环和闭环控制设备（20）具有机构（32、34、42、46、50）用于执行如权利要求1至5中任一项所述的用于操作系统（10）的方法，其中，用于执行所述操作方法的所述机构（32、34、42、46、50）包括至少一个控制单元（32）和转速控制器（34），以及其中，能够借助所述转速控制器（34）输出目标扭矩作为操纵变量（30）。

7.根据权利要求6所述的开环和闭环控制设备（20），所述开环和闭环控制设备（20）用于执行根据权利要求2所述的方法，其中，能够借助所述开环和闭环控制设备（20）来处理被记录在所述系统（10）中，具体地在所述内燃机（14）中，的压力测量值（28），其中，能够使用所述压力测量值（28）并且使用能够由所述控制单元（32）输出的数据来确定所述附加扭矩，所述控制单元（32）输出的数据具体为至少一个几何值（38）、目标位置（40）和动态数据（44），以及其中，能够将所述附加扭矩施加在所述目标扭矩上。

8.根据权利要求6所述的开环和闭环控制设备（20），所述开环和闭环控制设备（20）用于执行根据权利要求3所述的方法，其中，能够借助包括在所述开环和闭环控制设备（20）中的热力学模型（46）来确定所述内燃机（14）的燃烧室中主导压力的估算值，其中，能够使用所述估算值以及能够由所述控制单元（32）输出的数据来确定所述附加扭矩，所述控制单元（32）输出的数据具体地为至少一个几何值（38）、目标位置（40）和动态数据（44），以及其中，能够将所述附加扭矩施加在所述目标扭矩上。

9.根据权利要求6所述的开环和闭环控制设备（20），所述开环和闭环控制设备（20）用于执行根据权利要求4所述的方法，其中，能够借助包括在所述开环和闭环控制设备（20）中的先导控制块（50）来确定先导控制扭矩，以及其中，能够将所述先导控制扭矩作为所述附加扭矩施加在所述目标扭矩上。

10.一种系统（10），所述系统（10）具有发生器（12）和内燃机（14）以及根据权利要求6至9中任一项所述的开环和闭环控制设备（20）。