CN115335594A

CN115335594A - 用于调整燃气驱动式内燃发动机的方法和调整装置

Info

Publication number: CN115335594A
Application number: CN202180024814.7A
Authority: CN
Inventors: B·布瑞特戈; F·克赖纳; D·M·肖特·索特罗; M·福斯特
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-11-11
Also published as: WO2021212163A1; AT523775A1; DE112021001246A5; AT523775B1

Abstract

本发明涉及一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机的方法和调整装置，其中，基于转矩需求来计算待加入内燃发动机中的燃气量(TotalGasDem)，并且其中，该转矩需求通过转矩转换函数(1)被换算成用于纯燃料量的燃料需求(FuelGasReq)。

Description

用于调整燃气驱动式内燃发动机的方法和调整装置

技术领域

本发明涉及一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是用于基于转矩需求来调整要输入发动机中的燃气量的方法和调整装置。

背景技术

在公路车辆用燃气驱动式内燃发动机中的燃气喷入的化学计量(λ＝1.0)调整根据现有技术通过有目的地将燃气、尤其是气态燃料如甲烷或天然气与新风混合来达成。在此，大多采用组合式预控制用于燃气喷入需求，其考虑λ需求、化学计量空气-燃料比和在燃气混合位置处的实际可用新风量。λ需求在公路车辆用燃气发动机中因为严格尾气标准和由此所需的多元催化器的使用而大多在0.97-1.03范围内。空气-燃料比是空气量与被吹入燃气发动机中的总燃气量之比。通过实际可用新风量，在废气区域内使用λ探头情况下调整燃气需求的修正。

在本发明的范围内，燃气喷射尤其也指燃气混合，在此，尤其不一定必须使用喷射器等。原则上，在燃气发动机中优选使用计量输入的气态燃料。这种计量输入在本发明范围内也指燃气喷射。但也可以使用通常由喷射器喷入的液态燃料如LPG。这在本发明范围内也被理解为燃气喷射。

在常见的内燃发动机中通过发动机转数和转矩要求来限定工作点。发动机转矩需求根据现有技术通过发动机控制器被转变为在混合器位置处的新风需求，因为在常见调整中风量是转矩相关参数或调整回路的主导参量。因此，大多常见的特性曲线族也基于这些参数、即发动机转数和新风。

所述气态燃料的质量和尤其是组成在许多情况下发生波动。燃气质量通常由燃气中可燃气体如CH₄的含量、不可燃气体如CO₂的含量和空气含量(79％O₂+21％N₂)限定。

如果燃气质量现在变化且例如在CNG公路发动机情况下具有Δ等于±10％的CH₄含量，则一方面必须调整化学计量空气-燃料比(也称为AFR或空燃比)，另一方面必须调整转矩需求与新风需求之间的关系。为此，一般采用以燃气质量偏差为度量系数的修正特性曲线族，以调整该转矩和AFR相关功能。另外，所述修正可针对不同的燃气质量被校准和检查。由燃气质量波动引起的复杂性使精确调整燃气喷射变得困难。

还知道了燃气驱动式内燃发动机，对此适用不太严格的废气极限值且能由此以在稀油范围(λ>1，尤其在1.2-1.6范围内)内的最佳效率运行。其一个例子是用于稳态运行、即例如用于驱动发电机的内燃发动机。按非化学计量运行的内燃发动机的燃气喷入调整也通过将可燃气体如甲烷与新风混合来达成。在这里，大多基于λ需求、化学计量空气-燃料比以及在燃气混合器位置处的可用新风以组合方式进行燃气喷射需求的预调整。现在，在调整时根据现有技术也在考虑发动机转数的情况下将发动机转矩需求转换为在混合器位置处的新风需求。该λ需求一般针对每个发动机转数和每个负荷点被确定。因此，每个工作点所需的风量也与转矩相关，并且新风量可被用作转矩相关参数或调整主导参量。因此，常见的调整的大多数特性曲线族基于这些参数、即发动机转数和新风，并且也可以采用与在化学计量式燃气发动机中一样的转矩调整策略。

或者，尤其在不具废气循环系统(EGR)的发动机中进行基于在进气弯头内压力和温度的调整，尤其因为它们确定空气密度并由此与发动机被供以的新风量相关联。

如果燃气质量现在就像可能在瓦斯驱动的固定式发动机中出现的那样在10％-30％的CH₄含量之间波动，则必须调整化学计量空气-燃料比和转矩需求与新风需求之间关系。对此采用以燃气质量偏差值为度量系数的多个修正特性曲线族，以调整所述转矩和空气-燃料比相关功能。所述修正必须针对不同的燃气质量被校准和检查。由燃气质量波动引起的复杂性使得燃气喷射的准确调整变得困难。

发明内容

现在，本发明的任务是克服现有技术的缺点。它尤其包括在燃气质量波动时将改善的和/或简化的调整提供用于燃气驱动式内燃发动机。

本发明的任务尤其通过独立权利要求的特征来完成。

本发明涉及一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机的方法，其中，基于转矩需求来计算要输入内燃发动机中的燃气量TotalGasDem。要输入的燃气量TotalGasDem与新风混合并且共同通过进气系统最好被加入该内燃发动机的一个或多个燃烧室中。

在本发明范围内，燃料和可燃气体被同义使用。在此，燃料质量或还有燃料量尤其对应于100％的CH₄或近似100％的CH₄。

尤其规定转矩需求通过转矩转化函数被换算成用于纯燃料量的燃料需求FuelGasReq。

优选规定，燃料需求FuelGasReq是调整主导参量。由此可以很好地使所述需求遵守λ值。就是说，有利地将正好与可用空气等量的燃料喷入以遵守预定的λ值域。

或许规定，首先将转矩需求换算为燃料需求(FuelGasReq)，并且基于该燃料需求来计算所需风量。由此还很好地可以使所述需求遵守λ值。

或许规定，燃料需求FuelGasReq的信号被传输给λ调整器。由此优选可以计算所需风量。

或许规定，在计算要输入内燃发动机中的燃气量TotalGasDem时，为了考虑真正可供使用的燃烧风量和考虑λ需求，计算真正要输出的燃料量FuelGasDem，从而内燃发动机中的燃烧对应于λ需求并且尤其在预定的λ区间内进行。

或许规定，在计算要输入内燃发动机中的燃气量TotalGasDem时，燃气组成和尤其是燃气的燃料含量被考虑，在这里，尤其通过燃气性质调适函数来计算修正系数CorGas并将其乘以真正要输出的燃料量FuelGasDem。

或许规定，燃气组成和尤其是燃气的燃料含量通过爆振调整器、爆振传感器、λ调整器、λ传感器、燃气质量传感器和/或转矩测量装置来确定。尤其优选地，燃气组成和尤其是燃气的燃料含量通过基于爆振传感器的爆振调整器、基于λ传感器的λ调整器、燃气质量传感器和/或转矩测量来达成。

或许规定，燃烧所需的风量通过可控节流阀、可控压缩机、可控涡轮增压器、废气循环阀和/或阀门控制器来控制或调整。

本发明也涉及一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机的调整装置，其设立用于通过计算要加入内燃发动机中的燃气量TotalGasDem实现转矩需求。

尤其规定，转矩转换函数设置用于将转矩需求换算成用于纯燃料量的燃料需求FuelGasReq。

优选规定，燃料需求FuelGasReq是调整的主导参量。在此，燃料需求FuelGasReq尤其对应于可燃气体(尤其是100％的CH₄)。它尤其是除发动机转数外的一个主要主导参量。

或许规定，在转矩转换函数之后是λ调整。

或许规定，调整装置设立用于执行本发明的方法。

本发明也涉及一种气体驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机，其包括根据本发明的调整装置。

燃料需求优选在所有实施方式中构成调整的主导参量。尤其在所有实施方式中，首先将发动机转矩需求换算为燃料需求，接着使所需的风量适应于燃料需求。

根据本发明的基于燃料的调整相比于基于空气的调整具有许多优点。

在燃气组成不同但转矩需求相同的情况下，可以在基于燃料的调整中采用相同的可燃气体量，其中，只需调整空气需求。如果燃气组成改变，则因此优选不需要修正基于可燃气体的负荷点。

燃气质量的改变在基于燃料的调整中最好也没有影响转矩相关的功能，因为在用于燃气参数的计算函数中如此考虑燃气质量，即，在考虑所有相关已知的燃气组成部分的摩尔比情况下计算基础燃气修正系数(也称为BasCorGas)。

燃气质量的改变优选也不要求适应λ调整，因为在燃气参数计算函数中如此考虑燃气质量，即，在考虑相关已知的燃气组成部分的摩尔比情况下计算基础空气-燃料比(也称为BasCorAFR)。

此外，λ需求的变化也不要求适应转矩调整，因为转矩调整并非依据空气量、而是依据可燃气体量进行。

如果燃气组成在预定极限内变化，则燃气组成的变化可以通过不同的调适函数来予以考虑或补偿。用于使所述调整适配于燃气组成变化的函数最好可以与常见的借助λ传感器的λ调整并行地使用。

燃气尤其可以是例如呈CNG或LNG形式的天然气。或许，该燃气是瓦斯。或许所述燃气是LPG。

燃料需求最好对应于如下信号，其对应于纯燃料的量、尤其是质量或质量流。

附图说明

现在，结合非限制性实施例来进一步描述本发明。

图1示出用于燃气驱动式内燃发动机的调整器的组成件的示意图。

图2示出尤其用于适配于不同燃气组成的调整器的组成件的更详细化的图示。

图3也示出尤其用于适配于不同燃气组成的调整器的组成组件的图示。

图4示出内燃发动机组成部件的示意图。

除非另有所述，否则附图标记对应于以下部件。

1：转矩转换函数 14：燃气参数计算

2：具有λ调整器的发动机控制 15：燃气供应装置器 16：空气供应装置

3：燃气性质调适函数 17：流通控制器

4：燃气计量调整器 18：混合器

5：λ前馈调整器 19：可变旁路阀

6：λ反馈调整器 20：发动机

8：转矩偏差 21：涡轮增压器

9：爆振传感器 22：可控节流阀

10：燃气传感器 23：增压空气冷却器

11：λ反馈调整 24：废气

12：转矩修正 25：废气传感器

13：爆振修正

具体实施方式

图1示出用于燃气驱动式内燃发动机的、尤其是用于调整燃气驱动式内燃发动机的燃气喷射的调整器的示意图。

调整的起点和因而最好也是调整输入参数是期望转矩的选择、即转矩需求。转矩需求或其信号在公路车辆情况下一般通过油门踏板位置来选择。或者，转矩需求可以来自车辆的行驶速度调整器、自动变速箱或其它上级调整器。发动机转矩需求最好在所有实施方式中在转矩转换函数1中被转换为用于纯燃料、即例如用于CNG驱动式燃气发动机的基本纯甲烷气或者用于LPG驱动式燃气发动机的基本纯丙烷气的燃料需求FuelGasReq。燃料需求最好形成调整的主导参量。

接着，下一步骤由λ调整器执行，其是发动机控制器2的主要调整功能之一并且依据图2来描述。λ调整器包括λ前馈调整器5和基于λ探头的λ反馈调整器6。λ前馈调整器5现在要求一个关于所需风量(被称为AirDem)的值。在此情况下考虑所述值FuelGasReq、λ需求(也称为LambdaDemand)和经过修正的空气-燃料比(也称为AFRcor)。此外，在考虑LambdaDemand、AFRcor和可用空气(也称为AirAct)下，计算真正输出的或待输出的用于燃气计量调整器4的燃料量(也称为FuelGasDem)。所需的风量由空气调适函数12来调节(借助空气系统的一个或多个执行元件19、21和22)。作为回馈值而输出AirAct。

接着，所要求的FuelGasDem被用作主实际负荷点，代替实际新风量AirAct。真正要输出的燃料量FuelGasDem接着被乘以燃气组成修正系数CorGas以确定所需燃气量，其于是作为TotalGasDem借助燃气计量调整器4被喷入。

该调整包括用于使调整适应于不同的燃气质量和燃气组成的燃气性质调适函数3。燃气性质调适函数3的输入可以是例如爆振传感器、λ传感器、燃气传感器等。

接着，说明用于适应于不同的燃气质量的两个例子：

例1涉及燃气组成为50％纯燃气和50％新风的燃气(例如来自煤矿的煤气)。对于所要求的100NMR转矩，转矩转换函数1要求FuelGasReq＝100。对于AFRcorr＝15，由发动机控制器2中的λ调整器要求空气需求1500(100*15)。在短暂时间后，通过气道控制器12出现AirAct＝1500。现在，λ调整器要求FuelGasDem＝100。接着将FuelGasDem乘以CorGas＝2.0，并且将等于200的燃气总量TotalGasDem提供给燃气计量控制器4，并且由燃气阀吹入。修正系数CorGas＝2.0由燃气性质调适函数3来计算。

例2涉及100％纯燃气的燃气组成，即，燃气中没有新风含量。对于100Nm的所需转矩，转矩转换函数1要求FuelGasReq＝100。对于AFRcorr＝16(因为相比于例1燃气中少了50％空气)，由λ调整器2要求1600(100*16)的空气需求。在短暂时间后，通过气道调整器12来出现AirAct＝1600。现在，λ调整器要求FuelGasDem＝100。接着，将FuelGasDem乘以CorGas＝1.0并且将等于100的燃气总量TotalGasDem提供给燃气计量控制器4并将其吹入。修正系数CorGas＝1.0在燃气组成调适器3中通过函数3在考虑例2的不同燃气含量的情况下被计算。

通过具有λ探头的λ反馈调整器的燃气组成调整尤其是如下进行。λ反馈调整器6优选被用于改善λ前馈调整器5的精度。由于在风量测量和燃气吹入时的不精确性和由于燃气组成的波动，λ前馈调整器5可能大多无法按照期望精度获得所要求的λ值LambdaDemand。因此，λ前馈调整器6使用设于发动机输出端的λ探头来计算或测量λ需求相对于λ探头值LambdaSensVal的偏差并且执行用于空气需求AirDem或用于燃气需求TotalGasDem的修正。也可以采用这两种修正的组合方式。

对应于现有技术的λ调整做法仅执行借助燃气修正值CorGas的燃料喷入修正，该燃气修正值基于λ反馈调整器6的输出值LbdDev。但在常见调整中大多不执行AFR的或燃气含量的修正。

根据本实施方式，在燃气性质调整器3中将修正值LbdDev分为如图3所述的三种修正可能方式。

首先借助值LbdCorGas来直接暂时修正所要求的燃气喷入，但最好没有过滤或仅轻微过滤。所述修正将在约±5％的计量系统典型精度内的燃气计量误差纳入考虑并因此仅在有限范围内执行。

如果借助调整LbdCorGas的修正不足而使得λ调整器的输出LbdDev未收敛至零，则执行借助空气-燃料比AFR修正的中期或长期调整。为此，LbdDev在例如1-1000秒时间内被过滤并被用于计算在约0.95-1.05范围内的修正系数LbdCorAFR。它接着被乘以AFR基值BasCorAFR。最终调整后的AFR值CorAFR接着被λ前馈调整器5使用。修正值LbdCorAFR优选主要补偿风量测量误差。

如果借助LbdCorGas和LbdCorAFR的修正不够并且λ前馈调整器的输出LbdDev未收敛至零，则执行借助燃气组成修正的长期调整。在此情况下，借助修正系数LbdCorPar，可燃气体(例如CH₄成分)的百分比含量在例如0.80-1.20的有限范围内视应用被修正，不可燃气体如空气或CO₂成分的占比在相反的方向上以系数1/LbdCorPar被修正。

基于燃气传感器的燃气组成的替代或附加的调整可以如下进行。依据燃气组成、尤其是燃气中的CH₄、C₂H₆、CO₂、空气、CO₂等的占比，在燃气参数计算函数14中计算参数BasCorAFR和系数BasCorGas。燃气参数计算函数14是燃气组成调适函数3的一部分。在此，考虑经过校准的燃气成分的摩尔比。

基础燃气组成在使用来自基础校准的相应值的情况下被计算。在工作期间的燃料含量的变化优选通过多个用于调整燃气组成的函数予以考虑。它们可以具有用于其最大修正值的视应用而定的极限。

如果一个实施方式具有燃气质量传感器10，则该传感器值GasMeas可被用于燃料含量，代替来自校准的值。在此情况下，其中几个燃气性质调适函数可受限制，例如以0.98-1.02代替0.8-1.2的修正系数的限制，因为所述调整也基于传感器值GasMes进行。

燃气性质调适也可以基于转矩偏差进行。在可以例如用来自煤矿的瓦斯气驱动的固定式燃气发动机情况下，例如在燃气补充之后或在换到另一个燃气供应源之后可能出现燃气中燃料含量的显著变化。如果燃气中燃料含量在发动机运行中明显改变、例如按相对浓度超过10％改变，则所述值AFRcor和CorGas在其视应用而定的校准极限内基于信号LbdCorAFR、LbdCorGas、LbdCorPar和GasMeas被调整。依据视应用而定的极限和燃气中燃料占比变化的程度，计算转矩的偏差被纳入到转矩转换函数1和测量发动机转矩中。

如果在例如来自动力机组应用的发电机功率信号的调整中提供关于真正产生的转矩的信息，则该转矩偏差可以被用于在转矩修正函数12中以燃气修正系数GasTqCor计算燃料含量。燃气修正系数GasTqCor于是可以在燃气参数计算函数14中被用于更新相关摩尔比，以计算用于BasCorAFR和BasCorGas的调适后的值。

因为转矩偏差也可能由机械损耗例如摩擦的变化引起并且这造成尤其针对低负荷点的曲轴转矩的相对变化，故用于CorGas的最大修正的停用或度量可以依据发动机负荷点来设定，因为在此情况下燃气组成的变化并非是转矩偏差的唯一起因。

替代地或附加地，燃气组成的调整也可以基于爆振调整的修正信号进行。如果燃气中的燃料含量与惰性气体含量之比改变，则内燃发动机的爆振性能也改变。爆振性能的变化也出现在燃气组成微小变化时，例如在使用生物气代替天然气用于CNG驱动的公路车辆时。

因此，通过燃气修正函数优选未调整爆振性能，而是将借助爆振调整的点火角度修正用于调整燃气组成。

爆振性能的变化通过爆振调整被识别并且通过点火角度修正被补偿。接着，通过从所述修正推导来计算另一个爆振偏差信号并且将其作为KnkDev信号来提供。爆振修正函数13现在计算燃气所含燃料的修正系数GasKnkCor，其被用在燃气参数计算函数14中以更新相关的摩尔比，并且计算用于BasCorAFR和BasCorGas的更新值。

因为爆振修正函数13和转矩修正函数12都计算用于燃气中燃料含量的修正系数，故总是仅需其中一个函数同时起效。

图4示出内燃发动机组成件的示意图。它包括用于以可控和/或可调的方式供应燃气的燃气供应装置15，燃气含有燃料且用作发动机20的能量源。

为了供应新风以便燃烧，设有空气供应装置16，它带有用于增大可控燃气供应装置15与燃气混合器18之间压差的负压控制器17。在为了更好地混匀新风和燃气而可被设计成文丘里管的燃气混合器18中，空气和燃气按照一定比例被混合，以便一方面尽量最佳满足转矩需求并且另一方面满足λ需求。

因此，节流阀22确定空气流量。利用负压控制器17来提高在燃气供应装置15与文丘里燃气混合器之间的压差，以便能够在燃气阀全开时还将更多燃气计量加入到燃气供应装置15中。

另外，内燃发动机包括涡轮增压器21，其具有可选的一体式可变涡轮旁路(废气门)和可选的可变的压缩机旁路阀19和增压空气冷却器23。紧接在发动机20前面设有可控的节流阀22以用于调整空气-燃气混合物在发动机内的气流量。沿废气24的流动方向在发动机下游设有废气传感器25。废气传感器可以是λ传感器。也可以附加设置用于测量废气相关参数的传感器例如像NO_x传感器。

根据一个未示出的实施方式，燃气与空气的混合也可以在节流阀之前或之后进行。另外，也可以设置废气循环装置。在废气管线24的走向中可以设置废气再处理设备。

Claims

1.一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机的方法，其中，基于转矩需求来计算待加入该内燃发动机中的燃气量(TotalGasDem)，

其特征是，该转矩需求通过转矩转换函数(1)被换算成用于纯燃料量的燃料需求(FuelGasReq)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，该燃料需求(FuelGasReq)是所述调整的主导参量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，首先将该转矩需求换算成燃料需求(FuelGasReq)，并且所需风量基于该燃料需求来计算。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征是，该燃料需求(FuelGasReq)的信号被提供给λ调整器。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征是，在计算所述待加入该内燃发动机中的燃气量(TotalGasDem)时，为了将真实可供使用的燃烧风量和λ需求纳入考虑，计算真正待输出的燃料量(FuelGasDem)，使得在该内燃发动机中的燃烧对应于该λ需求并且尤其是在预定的λ区间内进行。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征是，在计算所述待加入该内燃发动机中的燃气量(TotalGasDem)时，将该燃气组成和尤其是该燃气的燃料含量，其中，修正系数(CorGas)尤其是通过燃气性质调适函数(3)来计算并且乘以所述真正待输出的燃料量(FuelGasDem)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，该燃气组成和尤其是该燃气的燃料含量通过爆振控制器、爆振传感器、λ调整器、λ传感器、燃气质量传感器和/或转矩测量装置来确定。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征是，燃烧所需的风量通过可控的节流阀、可控的压缩机、可控的涡轮增压器、废气循环阀和/或气门控制器被控制或调整。

9.一种用于调整燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机的调整装置，其设立用于通过计算待加入该内燃发动机中的燃气量(TotalGasDem)来转换转矩要求，

其特征是，转矩转换函数(1)设置用于将该转矩需求换算成用于纯燃料量的燃料需求(FuelGasReq)。

10.根据权利要求9所述的调整装置，其特征是，该燃料需求(FuelGasReq)是该调整装置的主导参量。

11.根据权利要求9或10所述的调整装置，其特征是，该转矩转换函数(1)之后是λ调整。

12.根据权利要求9至11之一所述的调整装置，其特征是，该调整装置设立用于执行根据权利要求1至7之一所述的方法。

13.一种燃气驱动式内燃发动机、尤其是CNG驱动式内燃发动机，包括根据权利要求9至12之一所述的调整装置。