CN107923327A - 用于控制内燃机的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明控制汽缸的燃烧，并且具有用于控制点火正时的控制器(15)和用于监测飞轮(4)的监测装置(16)以及点火图(13)。控制器(15)还被设置成监测主气阀持续时间，并且具有用于监测至少一个汽缸(2)中的压力的压力监测装置(11)。本发明的控制器(17)被设置为形成平均放热正时，并且将平均放热正时与标称放热正时进行比较，确定平均放热正时在标称正时之前还是之后，并且确定主气阀持续时间是否发生了改变。另外，如果主气阀持续时间保持不变，并且平均放热正时在标称放热正时之前或之后，则第二控制器(17)与控制器(15)配合来调节点火正时。

Description

用于控制内燃机的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制往复式内燃活塞式发动机的汽缸中的燃烧的控制装置。往复式内燃活塞式发动机能够使用诸如天然气、沼气或经加工的天然气的气体燃料作为主要燃料在发动机的汽缸内燃烧。

背景技术

已知在内燃机中使用天然气、沼气或经加工的天然气作为燃料。这些发动机被称为内燃式燃气发动机或燃气发动机。天然气的成分取决于天然气的来源或它是如何被加工的而变化。天然气的来源是特定的，这意味着世界各地的天然气田生产具有不同成分的田间特定天然气。天然气的主要成分是甲烷。其它成分例如是乙烷、氮气和丙烷。

沼气通常是指在无氧的情况下由有机物分解产生的不同气体的混合物。沼气可以从诸如农业废物、肥料、城市垃圾、植物原料、污水、绿色垃圾或食物垃圾的原材料产生。沼气主要是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO₂)。

可以加工天然气或沼气，以便更适合运输，像液化天然气(LNG)那样，或更适合燃烧，像压缩天然气(CNG)那样。

氢混合物被提出作为通过在广泛的地理位置提供氢储存和输送途径来增加可再生能源设施(诸如风力发电场)的产出的手段。氢混合物改变了发动机中使用的气体的成分，这意味着发动机的汽缸中的燃烧过程改变。这例如影响燃烧稳定性和废气排放。为了考虑要燃烧的气体的变化，应对该气体进行分析。气体可以通过气相色谱仪来进行分析。气相色谱仪对供应到燃气发动机中的气体进行分析。在实践中，来自以及至主气管的气体流入发动机的侧流需要输送少量的气体通过气相色谱仪。气相色谱仪是一种昂贵的装置，并且它需要经常校准和维护。另外，因为需要时间才能使用侧流中的气体以得到适当的气体分析，所以这是非常缓慢的。

发明内容

本发明的目的是实现一种系统，其中在往复式内燃活塞式发动机中待燃烧的气体燃料的变化可以以比已知的解决方案更简单且更快的方式被考虑。如独立权利要求中所述的来实现该目的。

在根据本发明的用于控制内燃机的至少一个汽缸中的燃烧的方法中，监测至少一个汽缸中的压力。形成根据对压力的监测导出的平均放热正时(timing)。将平均放热正时与标称放热正时进行比较。确定平均放热正时是在标称放热正时之前还是之后。监测主气阀持续时间，并确定主气阀持续时间在后续(follow-up)时段内是否已改变。

如果主气阀持续时间保持不变或者在预定的后续时段内在预定范围(limit)内，并且平均放热正时在标称放热正时之前或之后，则调节点火正时。在平均放热正时在标称放热正时之前的情况下点火正时被延后，或者在平均放热正时在标称放热正时之后的情况下点火正时被提前。

根据本发明的设备控制内燃机的至少一个汽缸中的燃烧，该设备具有用于控制点火正时的控制器和用于监测飞轮的监测装置以及点火图(ignition maps)。控制器被设置成利用监测装置和点火图。控制器还被设置成监测主气阀持续时间，并且该设备还包括用于监测至少一个汽缸中的压力的压力监测装置。

所述设备具有第二控制器，该第二控制器被设置成形成平均放热正时，该平均放热正时是根据由压力监测装置进行的对压力的监测导出的。第二控制器还将平均放热正时与标称放热正时进行比较，确定平均放热正时是在标称放热正时之前还是之后，并且确定主气阀持续时间在后续时段内是否已改变。

另外，如果主气阀持续时间保持不变或在预定的后续时段内在预定范围内，并且平均放热正时在标称放热正时之前或之后，则第二控制器与上述控制器配合来调节点火正时。这通过如下方式进行，在平均放热正时在标称放热正时之前的情况下点火正时被延后，或者在平均放热正时在标称放热正时之后的情况下点火正时被提前。

附图说明

在下文中，参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1例示出了本发明的实施方式的示例；

图2更详细地例示出了本发明的实施方式的示例；以及

图3例示出了根据本发明的方法的流程图示例。

具体实施方式

图1例示出了示出往复式内燃活塞式发动机1的实施方式的示例。发动机1包括汽缸2，其中待燃烧的气体燃料被燃烧以产生使发动机的曲轴3旋转的动力。连杆5将曲轴与汽缸2内的活塞连接。曲轴还连接到与曲轴一起旋转的飞轮4。曲轴继续作为发动机主体1外的动力分配轴3A。

发动机1包括或连接到控制处理器单元10，该控制处理器单元10控制发动机1的不同任务。控制处理器单元10控制例如发动机的速度和负载。控制任务涉及内燃式燃气发动机的至少一个汽缸。通常控制涉及发动机的所有汽缸。图1的实施方式的控制处理器单元具有用于控制点火正时的控制器15和用于监测飞轮的监测装置16以及点火图13。点火图包含针对不同情况的点火正时。监测装置16连接到测量飞轮4的速度和/或位置的传感器4A。传感器将数据发送到监测装置16。

发动机1还具有气体输送管线6，以将气体供应到汽缸2的进气阀7。汽缸中待燃烧的气体由点火装置8(如火花塞)点燃。为了确保汽缸内的点火，也可以通过使用少量的其它燃料(图中未示出)(诸如像汽油或柴油的引燃燃料)来点火。汽缸2内的压力由压力传感器9来测量。

压力传感器9连接到用于监测汽缸压力的压力监测装置12。在至少一个汽缸中监测汽缸压力，但是通常在发动机的所有汽缸中监测汽缸压力。进气阀7和点火装置8也连接到控制处理器单元10，该控制处理器单元10还具有压力监测装置11和用于进气阀7的控制接口14。所述监测装置还提供用于在控制处理器单元10与所述传感器4A、9之间的连接的接口。

控制器15被设置成利用监测装置16和点火图13，并且监测主气阀持续时间。主气阀持续时间是指进气阀7打开以使气体流向汽缸2的时段。控制处理器单元10上的控制器15控制汽缸的主气阀持续时间，并且控制器15也监测该持续时间，以便在本发明中利用该数据。

诸如控制处理单元10的本发明的设备还包括第二控制器17(图2)，该第二控制器17被设置成形成根据由压力监测装置12进行的对压力的监测导出的平均放热正时，将该平均放热正时与标称放热正时进行比较，并确定平均放热正时在标称放热正时之前还是之后。第二控制器17还被设置成确定主气阀持续时间在后续时段内是否已改变，并且如果主气阀持续时间在后续时段内保持不变，并且平均放热正时在标称放热正时之前或之后，则与控制器15配合来调节点火正时。该调节通过如下方式进行，在平均放热正时在标称放热正时之前的情况下点火正时被延后，或者在平均放热正时在标称放热正时之后的情况下点火正时被提前。

放热正时涉及释放燃烧燃料的一定热量时的某一时间点。例如，50％的放热意味着释放燃烧燃料的50％的热量时的时间点或发动机的旋转/角度位置。在本发明中，平均放热正时和标称放热正时可以是释放预定的例如50％-90％之间的值的热量的时刻或位置。通过使用平均放热正时，短暂的干扰可以被忽略。平均放热正时可以通过在涉及同一时刻的一定数量的连续放热值内取平均值来实现。平均放热正时和标称放热正时涉及释放50％-90％、更优选地50％-80％以及最优选地50％-70％之间的热量的时刻。超过和接近50％的值被认为给出与所使用的气体燃料的成分可靠相关的值。标称放热正时是所述正时已设计成存在的时刻。所设计的正时涉及当相对于汽缸的活塞的运动以正确的相位发生燃烧时汽缸中的有效燃烧。

本发明的背景是如果气体的成分改变，则它会影响燃烧。将H2混入天然气可加速燃烧并改变其相位。混合CO2对延缓燃烧有相反的影响。在具有燃烧了50％的燃料时的曲柄角的释放50％的热量(即50％HR(也是燃烧了50％的燃料的时刻)中可以清楚地看到这种影响。例如，每向标准天然气(97％CH4)添加10vol-％的CO2将使50％HR正时延后大约1个曲柄角度。类似地，每添加10vol-％的H2将使50％HR正时提前约2个曲柄角度。直到30-40％的CO2或H2，这两种影响似乎是前后一致的。

因此，利用该信息可以导出，在HR正时延后的情况下，气体比之前包含更多的CO2，或者在HR正时提前的情况下，气体比之前包含更多的H2。因此，在有更多的H2的情况下，需要延后点火正时以回到标称的50％HR正时(通常ATDC为8度)，以不超过NOx排放水平并且还控制最大汽缸压力并防止敲缸(knock)。在具有更多CO2的情况下，需要提前点火正时以抵消低发动机效率、高排气温度以及由于缓慢燃烧而失火的风险。

另外，为了将气体成分的变化与可能改变燃烧速度的其它影响分开，对主气阀持续时间进行监测。为了确定主气阀持续时间是否发生了改变，可以使用上述后续时段。后续时段是监测主气阀持续时间值的时段。如果监测值包含显著的变化，则可能是燃烧速度改变的原因。如果监测值不包含显著的变化，则确保气体中的成分变化是燃烧速度改变的原因。由于H2的体积热值低于NG的体积热值(并且CO2的热值为0)，因此当这些气体中的任何一种被混入NG中时，通过控制处理单元10可以增加气阀持续时间，以保持全发动机输出。

点火正时能够被调节与平均放热正时和标称放热正时的曲柄角之间的曲柄角度相等的曲柄角度的数量。换句话说，平均值与标称值之间的曲柄角度差被用作用于点火正时的校正值。

点火正时也可以被调节一个曲柄角度或者低于平均放热正时与标称放热正时之间的曲柄角度的差的一定数量的曲柄角度来调节。换句话说，例如，当设备逐度降低所述差时，逐步实现期望的标称值。逐步是比较慢的，但逐步法的好处是控制更稳定，减少波动。尽管为了保持附图更清楚，图1和图2未示出控制处理器单元10内部的部件之间的全部连接，但显然存在必要的连接，如点火图与控制器15之间的连接。控制处理器单元10及其部件可以通过使用已知的不同技术来制造，例如使用处理器、集成电路、电路板和实现的软件。

图3示出了例示出本发明方法的流程图。用于控制内燃机的至少一个汽缸中的燃烧的方法被设置成通过监测飞轮和通过使用点火图来控制点火正时(31)，该方法还包括以下步骤：监测至少一个汽缸中的压力的步骤32；形成根据对压力的监测导出的平均放热正时的步骤33；将平均放热正时与标称放热正时进行比较的步骤34；以及确定平均放热正时在标称放热正时之前还是之后的步骤35。

该方法还具有以下步骤：监测主气阀持续时间的步骤36；以及确定主气阀持续时间是否在后续时段内发生了的步骤37。如果主气阀持续时间在后续时段内保持不变，并且平均放热正时在标称放热正时之前或之后，则执行调节点火正时的步骤38。该调节通过如下方式进行，在平均放热正时在标称放热正时之前的情况下点火正时被延后，或者在平均放热正时在标称放热正时之后的情况下点火正时被提前。

此外，在该方法中，平均放热正时和标称放热正时涉及在汽缸中已燃烧了一定量的燃料的时刻，如释放50％-90％之间的热量的时刻。点火正时能够被调节与平均放热正时和标称放热正时之间的曲柄角度相等的曲柄角度的数量。另选地，点火正时被调节一个曲柄角度或根据与平均放热正时和标称放热正时之间的曲柄角度被调节一定数量的曲柄角度。该方法还可以包括增加主气阀持续时间的附加步骤。

因此，想法是利用现有的汽缸压力传感器来监测平均50％HR正时或另一合适的HR正时。由于汽缸的参考压力曲线是已知的，并且在参考曲线上存在所监测的HR正时的时刻，因此汽缸的压力可以指示所监测的HR正时的时刻。将该信息与主气阀持续时间的监测相结合。然后，可以由于气体质量的变化而在不进行直接的气体质量测量的情况下执行点火正时的校正。因此，可以以简单且成本有效的方式考虑天然气、沼气或作为内燃机中的燃料的经加工的天然气的变化。

另外，NOx排放水平不超标，并且最大汽缸压力以及敲缸被更好地控制。也可以避免低发动机效率、高排气温度以及失火的风险。

综上所述，显而易见的是，本发明不限于在本文中描述的实施方式，而是可以在独立权利要求的范围内的许多其它不同实施方式中实施。

Claims (10)

1.一种用于控制在使用气体燃料的内燃机的至少一个汽缸中的燃烧的方法，其中，通过监测飞轮并且通过使用点火图来控制点火正时(31)，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

监测至少一个汽缸中的压力(32)，

形成根据对所述压力的所述监测导出的平均放热正时(33)，

将所述平均放热正时与标称放热正时进行比较(34)，

确定所述平均放热正时在所述标称放热正时之前还是之后(35)，

监测主气阀持续时间(36)，

确定所述主气阀持续时间是否在后续时段内发生了改变(37)，

如果所述主气阀持续时间保持不变或者在预定的后续时段期间在预定范围内，并且所述平均放热正时在所述标称放热正时之前或之后，则调节所述点火正时，使得所述点火正时在所述平均放热正时在所述标称放热正时之前的情况下被延后，或者在所述平均放热正时在所述标称放热正时之后的情况下被提前(38)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平均放热正时和所述标称放热正时涉及释放50％-90％之间的热量的时刻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点火正时被调节与所述平均放热正时和所述标称放热正时之间的曲柄角度相等的曲柄角度的数量。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点火正时被调节一个曲柄角度或者根据所述平均放热正时和所述标称放热正时之间的曲柄角度被调节一定数量的所述曲柄角度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括增加主气阀持续时间的附加步骤。

6.一种用于控制内燃机的至少一个汽缸中的燃烧的设备，所述设备具有用于控制点火正时的控制器(15)和用于监测飞轮的监测装置(16)以及点火图(13)，所述控制器被设置成利用所述监测装置(16)和所述点火图(13)，其特征在于，所述控制器(15)被设置成监测主气体燃料阀持续时间，并且所述设备还包括用于监测至少一个汽缸(2)中的压力的压力监测装置(11)，并且

所述设备包括第二控制器(17)，所述第二控制器(17)被设置成形成根据由所述压力监测装置(11)进行的对所述压力的所述监测导出的平均放热正时，将所述平均放热正时与标称放热正时进行比较，确定所述平均放热正时在所述标称放热正时之前还是之后，确定所述主气阀持续时间是否在后续时段内发生了改变，以及

如果所述主气阀持续时间保持不变或者在预定的后续时段期间在预定范围内，并且所述平均放热正时在所述标称放热正时之前或之后，则与所述控制器(15)配合来调节所述点火正时，使得所述点火正时在所述平均放热正时在所述标称放热正时之前的情况下被延后，或者在所述平均放热正时在所述标称放热正时之后的情况下被提前。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述平均放热正时和所述标称放热正时涉及释放50％-90％的热量的时刻。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述点火正时被调节与所述平均放热正时和所述标称放热正时的曲柄角之间的曲柄角度相等的曲柄角度的数量。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述点火正时被调节一个曲柄角度或低于所述平均放热正时与所述标称放热正时之间的曲柄角度的差的一定数量的所述曲柄角度。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制器(15)还被设置成增加主气阀持续时间。