CN108869058A - 用于运行气体马达的方法和控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有燃烧室的设备、尤其是气体马达（12）的方法，其中氧化剂和燃料以燃烧气体的形式、尤其是作为混合物通过吸入区域（1）被输送到尤其是所述气体马达（12）的至少一个燃烧室（11）中并且被燃烧。对于运行参量的比较精确的求取能够通过以下方式来实现：将关于特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值、比如AFR和/或R_S的信息输送给控制机构（14），并且在求取至少一个取决于所述燃烧气体成分的运行参量时对所述特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值加以考虑。

Description

用于运行气体马达的方法和控制机构

技术领域

本发明涉及一种用于运行具有燃烧室的设备、尤其是气体马达的方法，其中氧化剂和燃料以燃烧气体的形式、尤其是作为混合物通过吸入区域被输送到尤其是所述气体马达的至少一个燃烧室中并且被燃烧。此外，本发明涉及一种控制机构，该控制机构被设立用于实施相应的方法，并且本发明涉及一种计算机程序以及一种机器可读的存储介质。

背景技术

这样的方法比如在WO 2012/097389 A2中得到了说明。如通常对于气体马达来说常见的那样，在此在将所熟知的或者有待确定的参数、比如燃烧室中的压力和/或转速包含在内的情况下在模型的基础上求取运参量、像比如功率或者负（Last）。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种方法和一种用于实施所述方法的控制机构，用所述方法能够以更大的精度来求取运行参量。

该任务对于所述方法来说用权利要求1的特征得到解决。在此规定，将关于特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值、比如AFR和/或R_S的信息输送给控制机构，并且在求取至少一个运行参量时对所述特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值加以考虑。这尤其涉及与燃烧气体成分有关的运行参量。

作为氧化剂通常使用空气，但是也能够使用不一样地组成的氧化剂、比如空气/废气混合物。具有燃烧室的设备、优选气体马达在这里按照定义至少绝大部分用以燃烧气体的形式的气态的燃料来运行，所述燃烧气体比如通过天然气或者生物气体来构成。但是，也能够额外地使用更少量的（小于50个质量百分点、比如10-15个质量百分点之内）其它燃料、比如液态的燃料、像比如柴油，所述少量的其它燃料比如为了支持点火而被喷射到燃烧室中。

“特定的燃烧气体成分”在这里是指特定的燃烧气体的成分（无掺入的氧化剂），其比如至少差不多对应于在实际的运行中在所述气体马达中所使用的燃烧气体成分。所述成分通常有别于在这里被称为“额定气体（Nenngas）”的燃烧气体，所述燃烧气体用于给模型配置数据并且用所述燃烧气体首先对所述马达进行适应处理。

在所熟知的用于运行气体马达的方法中，比如考虑在所述额定气体的成分的基础上的特征值，用于求取运行参量、像比如马达的相对的充气或负荷、对燃烧来说所需要的空气质量和/或气体消耗。在求取所述运行参量时不必直接测量体积流量或者质量流量。相对的充气rl_nenn能够作为运行参量用作用于负荷的质量方面的尺度，并且定义成。

在此m_OxNenn代表着用于使额定气体燃烧的氧化剂质量，并且m_OxNormCyl代表着在标准条件（p=1013hPa，T=0℃）下的参考氧化剂质量，所述参考氧化剂质量相应地与恒定的体积相关、这里与缸体积相关。

此外，这些运行参量的求取如开头提到的那样比如基于燃烧室中的压力和所述转速，其中所述燃烧室中的压力比如通过传感器来测量。

但是在实际上，不同的气体通常具有不同的成分。因此，天然气的成分比如按季节和/或地区而在其典型的组成部分-甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）以及有时另外的所存在的组成部分、比如氮气（N₂）或者二氧化碳（CO₂）的质量份额或者体积份额方面有区别。生物气体通常按来源也在气体成分方面有波动。

所述按本发明的方法有利地允许在确定运行参量时对燃烧气体成分中的这样的波动加以考虑，这引起了所述运行参量的更高的精度。在此不必直接测量体积流量或者质量流量。所述特定的燃烧气体成分在此优选在外部比如由气体供应商、加气站运营商或者其它中心的机构来查明。将所述特定的燃烧气体成分比如通过数据传输连接来输送给所述控制器。因此，比如尤其能够在汽车领域内的应用中由加气站来提供有待加注的气体的当前的气体成分并且在加注过程中输送给所述控制机构。可能的是，在考虑到仍然在气罐中存在的剩余燃烧气体的情况下比如在所述控制机构中将这种气体成分换算为所述特定的燃烧气体成分（由仍然存在的和新加注的燃烧气体构成的混合物，所述混合物而后实际上存在于所述罐中）。另一种可行方案在于，将特定的燃烧气体假定为特定的地区中的有待加注的气体类型（比如天然气）的平均值。这一点而后比如能够是有利的，如果将气体马达（比如用于中央热电站中的应用、车辆中的应用或者用于泵机组中的驱动）供应到与额定气体成分相比具有平均不同的燃烧气体成分的地区中，所述气体马达为所述地区设计或者适配。根据所述地区（如果无更详细的数据可用）在这种情况下比如会假定一种气体成分。所述地区的确定在此比如能够通过不同的方式来进行（比如GPS坐标、所定义的地带（1到x）、供应/安装的国家或者类似方式）。

在一种优选的实施变型方案中，在将关于额定气体所确定的运行参量、尤其是相对的充气rl_nenn和校正因数f ac _{rl gas}包含在内的情况下计算所述运行参量。在此优选像传统的情况一样、比如在将进气管或者燃烧室中的压力以及转速包含在内的情况下求取所述关于额定气体所确定的运行参量。通过随后用所述校正因数f ac _{rl gas}进行的计算，可以以简单的方式得到下述运行参量，所述运行参量关于相对于所述额定气体成分改变了的特定的燃烧气体成分得到了校正并且就这样具有得到改进的精度。

所述校正因数f ac _{rl gas}的良好的精度可以通过以下方式来得到：根据氧化剂/燃料比和所述额定气体（用下标“Nenn”来标识）和所述特定的燃烧气体（用下标“Spez”来标识）各自的质量所特有的气体常数（R_s）以及所述氧化剂的质量所特有的气体常数（R_sOx，在使用空气时对应于R_sLuft）来计算所述校正因数。额外地尤其将空气量（λ）包含在内。所述氧化剂/燃料比在将空气用作氧化剂时是所谓的空气燃料比AFR（Air-Fuel-Ratio）。所述空气-燃料比表明，何种空气的质量对确定质量的燃料（比如1kg）的完全的（化学计量的（stöchiometrische））燃烧来说是必要的（notwendig）。对于所述质量所特有的气体常数来说，相应地需要所述特定的燃烧气体、额定气体（作为参考气体保存在所述控制机构）以及氧化剂的成分。在这里，由此在所述控制机构中存在的、关于所述特定的燃烧气体成分的信息进入到所述计算之中。所述氧化剂的成分能够在使用空气时比如通过干燥的空气的、在相关的专业文献中所记录的成分以良好的精度来约计。所述计算尤其能够在使用空气的情况下通过以下关联：

和

来进行。

在一种优选的实施变型方案中，所述运行参量是特定的相对的充气rl_spez、特定的氧化剂消耗（m_spezOx）（也就是在使用所述特定的燃烧气体时所产生的氧化剂消耗）和/或特定的燃烧气体消耗m_spezG。这些运行参量比如关系重大，用于比如关于确定的运行点或者特定的燃烧气体的消耗获得确定的结论和/或可比较性。

所述校正的简单的方式可以通过以下方式来实现：通过相对的额定充气rl_nenn与所述校正因数f ac_{rl gas}的相乘来计算所述特定的相对的充气rl_spez。这方面的计算公式比如是：

。

优选通过所述特定的相对的充气rl_spez与在标准条件（p=1013hpa，T=0℃）下尤其是关于缸体积（下标“Cyl”）的参考氧化剂质量m_OxNorm的相乘来计算所述特定的氧化剂消耗m_spezOx。基础的体积也能够是不同于缸体积的体积，比如是多个缸体积（比如所有在马达中存在的缸）的总和，只要连续地使用所述基础的体积。计算公式在使用空气的应用情况（下标“L”取代“Ox”）中对于关于一个缸的特定的空气消耗m_spezL来说如下：

。

优选在将所述特定的氧化剂消耗和所述特定的燃烧气体的氧化剂/燃料比以及当前的空气量λ包含在内的情况下通过m_spezG来计算所述特定的燃烧气体消耗。计算公式在将空气用作氧化剂的情况下是：

。

不仅所述特定的氧化剂消耗m_spezOx而且所述特定的燃烧气体消耗m_spezG都能够取代以[kg]计的绝对的质量也作为以[kg/min]计的质量流量来表明。为此在所述公式中考虑到因数，其中n是以[U/min]计的马达转速并且numCyl考虑到缸的数目。缸的数目意义重大，如果绝对的质量涉及一个缸。因数考虑到，涉及四冲程马达，并且由此每旋转两圈吸气冲程仅仅进行一次。对于二冲程马达来说，会取消所述因数。

此外能够考虑，将所述方法用于（用所述额定气体量m_nennG,）对所检测到的气体量进行校正，方法是：利用以下关联：

。

此外能够考虑，以相反的顺序完成所述方法，用于比如在借助于地区所特有的假定的情况下估计燃烧混合物的特征值。

在所述方法的另一种有利的应用中规定，所述运行参量是额定进气管压力（p_spez)，通过预先给定的额定进气管压力（p_nenn，在考虑到所述额定气体的情况下求得）与校正因数（f ac_V）的相乘并且根据所述额定气体（下标“nennG”）和所述特定的燃烧气体（下标“spezG”）各自的热值（H_I）和质量所特有的气体常数（R_S）以及校准温度（T_nenn）和当前所求得的（比如在存在温度传感器时所测量的或者所建模的）温度（T_spec）来对所述额定进气管压力进行校正，其中用额定气体来实施了所述校准。

通过保持相同的能量（E）的前提，产生以下方案（用体积V）：

。

用总结来产生作为用于经过校正的额定进气管压力p_spez的计算公式：

。

所述热值能够相应地作为特征值保存在所述控制机构中或者作为特有的特征值来输送给所述控制机构或者从所述气体的气体成分及其各个组分的热值中计算。

用这种实施变型方案，可以改进像比如从AT 38 42 79 B中得知的一样的方法并且所述方法用于尤其在大型气体马达环境中降低废气中的有害物质、尤其是氮氧化物（NO_x）。对于所熟知的方法来说，为确定的功率分配额定进气管压力，比如首先通过实验根据功率来测得所述额定进气管压力并且在所述控制机构中将其保存或者对其进行建模。如果对于确定的功率来说所述相应的额定进气管压力与所测量的进气管压力不一致，则能够认为λ偏差。所述额定进气管压力涉及额定气体。通过所按本发明的对如上面所描述的那样对特定的气体成分加以考虑的方法的使用，可以改进所熟知的方法的精度并且就这样减少有害物质排放。

有利地在此根据所述额定气体和所述特定的燃烧气体各自的氧化剂/燃料比（在使用空气时对应于AFR）以及所述特定的燃烧气体（R_{s spezG}）、额定氧化剂（在使用空气时是R_{s nennL}）、特定的氧化剂（在使用空气时是R_{s spezL}；如有必要能够与额定空气的质量所特有的气体常数相等）各自的质量所特有的气体常数和额定气体及特定的燃烧气体的热值以及所述空气量来计算所述校正因数。

因为用

来估算（ansetzen）恒定的体积，所以用已知的物理上的关联

来产生以下因数：

。

将这个公式代入到上面已经提到的公式中就能够直接计算与气体种类或者气体成分相匹配的、也就是经过校正的额定进气管压力：

。

附图说明

下面借助于实施例参照附图对本发明进行详细解释。

图1示意性地示出了一种环境，在该环境中能够使用所述按本发明的方法；

图2示意性地示出了在空气-燃烧气体-混合物中的在不同的燃烧气体成分时空气和燃烧气体的份额；并且

图3示出了简化的流程图，在该流程图中在一种示范性的按本发明的方法中在考虑到特定（speziell）的燃烧气体成分的情况下求取所述运行参量“相对的充气（Luftfüllung）”、“氧化剂消耗”以及“燃烧气体消耗”。

具体实施方式

图1示意性示出了气体马达12连同作为技术环境的外围设备（Peripherie），在所述技术环境中能够使用所述按本发明的方法。在此比如能够涉及用于用在中央热电站中的固定的气体马达12或者也能够涉及在可移动的应用中、比如在机动车中所使用的气体马达。

在所述气体马达12的外围设备中，在吸入区域1中通过空气输入管路2向气体混合器4输送氧化剂、在这种情况下是空气并且此外通过气体输入管路3输送作为燃料的燃烧气体。在所述气体混合器4中，所述空气和燃烧气体形成反应（reaktives）的混合物。通过混合物管路8将所述反应的混合物输送给所述气体马达12的四个在这里构造为缸的燃烧室11，在那里所述混合物被燃烧。作为预混合的替代方案，也能够使用不是预混合的外围设备，其中将所述燃烧气体和空气分开地加到（zugeben）所述燃烧室11中并且在那里形成所述用于进行燃烧的反应的混合物。

节流阀10处在所述混合物管路8中，在该节流阀的下游存在着所述燃烧室11的填充压力（Fülldruck）。此外，在所述节流阀10的下游，能够在所述混合物管路8中或者处布置压力传感器6和/或温度传感器7。用这些传感器能够测量在如被输送给所述燃烧室11那样的混合物中的压力和温度、也就是进入条件（Einlassbedingung）。这个区域中的压力在填充时至少差不多对应于所述燃烧室11中的压力、也就是进入压力。在所述气体马达12的下游，能够在排气管路15中布置用于对废气中的空气量（Luftzahl）λ进行测量的λ传感器16。作为替代方案，λ信号能够来自其它来源（比如模拟、设备控制机构）。

此外，存在着控制器14、比如马达控制机构，所述控制器与所述技术环境中的不同的组件、尤其是所述组件中的一个组件或者多个组件、像比如气体混合器4、节流阀10、压力传感器和/或温度传感器6、7、气体马达12和/或λ传感器16处于数据传输连接之中（通过虚线勾画出来）。

对于混合物形成来说，空气和燃烧气体的份额与运行点或者空气量λ有关。但是，根据用于所期望的空气量的燃烧气体成分，如图2所表明（verdeutlich）的那样需要不同的份额。在图2中，为预先给定的用于给定的空气量λ的总体积28说明了相应额定气体混合物的新鲜空气份额20和燃料份额22，在所述额定气体混合物中使用具有已知的成分、比如天然气成分的燃料。在使用特定的燃烧气体、比如生物气体时新鲜空气份额24和燃料份额26不同于这些份额，所述特定的燃烧气体的成分不同的所述额定气体的成分。通常基于比如来自所述λ传感器16或者其它来源（参见上文）的、关于空气量的信息来调节燃烧气体相对于空气的比例，从而即使不同的气体类型也能够遵守所期望的混合物成分。但是，对于不同的燃烧气体成分来说，不同的与所述燃烧气体分成处于关联之中或者取决于所述燃烧气体成分的运行参量发生变化。这比如是所述气体马达的（相对的）充气以及实际上的氧化剂消耗（通常是空气消耗）以及燃烧气体消耗。

所述按本发明的方法用于对这些运行参量进行校正。所述方法在所述控制器14中的示意性的流程在图3中的流程图30中示出。首先在输入框31中向所述控制器14输送用于计算所述相对的额定充气rl_nenn的输入参量、像比如所述气体马达12的（比如用压力传感器6来测量的）进入压力、所述马达转速n以及所述空气量λ。作为参考气体的所定义的额定气体成分和/或其特征值（比如AFR、R_S）优选同样被保存在所述控制机构14中。如从现有技术中所知道的那样，从所输入的参量中首先在运算框32中计算关于所述额定气体的相对的额定充气rl_nenn。所述相对的额定充气rl_nenn也能够来自其它的来源并且被输送给所述控制机构14。

随后在运算框37中通过所述相对的额定充气rl_nenn与校正因数f ac_{rl gas}的相乘通过以下关联

来计算特定的相对的额定充气rl_spez。所述校正因数f ac_{rl gas}在此在运算框36中从

中用以前在运算框35中所计算的校正因数fac_mgas

来产生（ergeben）。

这个校正因数根据所述额定气体的氧化剂-燃料比（在这里，由于空气的使用而是所谓的空气/燃料比（Air/Fuel-Ratio）AFR）AFR_nenn和所述特定的燃烧气体的氧化剂-燃料比AFR_spez以及所述额定气体的质量所特有的气体常数R_sNenn、所述特定的燃烧气体的质量所特有的气体常数R_sSpez以及所述空气的质量所特有的气体常数R_sLuft（在使用其它的氧化剂时根据所使用的氧化剂的R_sOx）和当前的空气量λ来产生。

为了在关于特定的燃烧气体的运算框34中计算所述特征值（AFR、R_S），使用所述特定的燃烧气体的、如以前在输入框33中输送给所述控制机构14一样的成分。在此，决定性的是与质量相关的成分连同k个燃烧气体组分的质量份额ξ_i，所述质量份额如有必要能够在中间步骤中从与体积相关的成分中计算。同样，所述额定气体的与质量相关的成分（或者作为替代方案所述额定气体的AFR、R_S）以及所述空气的与质量相关的成分（比如通过干燥的空气的成分来约计）以及相应的气体的各个组分的、质量所特有的气体常数和/或空气/燃料比被保存在所述控制机构14中。作为替代方案，能够在计算完毕的情况下向所述控制机构14提供所述特定的燃烧气体的特征值、比如所述特定的燃烧气体的质量所特有的气体常数和/或AFR值。所述相应的气体的各个组分的、质量所特有的气体常数和空气/燃料比的数值能够从相关的技术文献中得知。所述相应的特征值从以下关联

中产生。

此外，可以从在所述运算框37中所计算的特定的相对的充气rl_spez中在运算框38中通过以下关联

来求取特定的氧化剂消耗或者在这里是空气消耗m_spezOx或者在这里是m_spezL。在此m_LNormCyl代表着在标准条件（p=1013hPa，T=0℃）下与恒定的体积、这里是缸体积相关的参考空气质量。结果m_spezL相应地涉及相同的体积。

随后能够在运算框39中在将所述特定的空气消耗m_spezL和所述特定的燃烧气体的空气/燃料比AFR_spez以及当前的比如通过λ传感器16所测量的或者来自其它的来源（参见上文）的空气量λ包含在内的情况下通过以下公式

来计算所述特定的燃烧气体消耗。对于四冲程马达来说，以[kg/min]计的消耗通过以[kg]计的绝对的质量与燃烧室数目或者缸数目和以[U/min]计的马达转速n/2的相乘来产生。对于二冲程马达来说，以[kg/min]计的消耗通过以[kg]计的绝对的质量与燃烧室数目或者缸数目和以[U/min]计的马达转速n的相乘来产生。

所述按本发明的方法有利地允许在确定运行参量时以比在仅仅使用所述额定气体的成分的情况下高的精度对所述燃烧气体成分中的这样的波动（Schwankung）加以考虑。

Claims (12)

1.用于运行具有燃烧室的设备、尤其是气体马达（12）的方法，其中氧化剂和燃料以燃烧气体的形式、尤其是作为混合物通过吸入区域（1）被输送到尤其是所述气体马达（12）的至少一个燃烧室（11）中并且被燃烧，

其特征在于，

将关于特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值、比如AFR和/或R_S的信息输送给控制机构（14），并且在求取至少一个运行参量时对所述特定的燃烧气体成分和/或其特有的特征值加以考虑。

2.按权利要求1所述的方法，

其持征在于，

在将关于额定气体所确定的运行参量以及校正因数包含在内的情况下计算所述运行参量。

3.按权利要求2所述的方法，

其特征在于，

根据氧化剂/燃料比和额定气体和特定的燃烧气体各自的质量所特有的气体常数以及所述氧化剂的质量所特有的气体常数来计算所述校正因数。

4.按前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

所述运行参量是特定的相对的充气rl_spez、特定的氧化剂消耗m_spezOx和/或特定的燃烧气体消耗m_spezG。

5.按权利要求4所述的方法，

其特征在于，

通过相对的额定充气rl_nenn与所述校正因数的相乘来计算所述特定的相对的充气rl_spez。

6.按权利要求4或5所述的方法，

其特征在于，

通过所述特定的相对的充气rl_spez与在标准条件m_OxNorm下尤其关于缸体积的参考氧化剂质量的相乘来计算所述特定的氧化剂消耗m_spezOx。

7.按权利要求6所述的方法，

其特征在于，

在将所述特定的氧化剂消耗m_spezOx和所述特定的燃烧气体的氧化剂/燃料比以及当前的空气量包含在内的情况下计算所述特定的燃烧气体消耗m_spezG。

8.按权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述运行参量是额定进气管压力，通过预先给定的额定进气管压力与校正因数的相乘并且根据所述额定气体和所述特定的燃烧气体各自的热值和质量所特有的气体常数以及校准温度和当前所测量的温度来计算所述额定进气管压力。

9.按权利要求8所述的方法，

其特征在于，

根据所述额定气体和所述特定的燃烧气体各自的氧化剂/燃料比和所述特定的燃烧气体、额定氧化剂、特定的氧化剂各自的质量所特有的气体常数以及所述额定气体及特定的燃烧气体的热值以及所述空气量来计算所述校正因数。

10.控制机构（14），该控制机构被设立用于实施按前述权利要求中任一项所述的方法。

11.计算机程序，该计算机程序在其在控制机构（14）上被执行时促使所述控制机构（14）实施按权利要求1到7中任一项所述的方法。

12.机器可读的存储介质，具有在其上面所保存的按权利要求11所述的计算机程序。