DE10213341A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eines Gasmotors - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eines Gasmotors

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Boris Besler
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor, in dessen Frischluftleitung ein Luft-Gas-Mischer angeordnet ist, wobei ein Regler, dem zur Änderung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eine den Luft-Gas-Mischer einstellende Stelleinrichtung nachgeschaltet ist, und eine Leistungsmesseinrichtung zur Erfassung der Motorleistung vorgesehen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor angegeben, die/das zuverlässig und mit möglichst großseriennahen Komponenten arbeitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor, in dessen Frischluftleitung ein Luft-Gas-Mischer angeordnet ist, wobei ein Regler, dem zur Änderung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eine den Luft-Gas-Mischer einstellende Stelleinrichtung nachgeschaltet ist, und eine Leistungsmesseinrichtung zur Erfassung der Motorleistung vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der EP 0 259 382 B1 bekannt. Dabei weist diese Vorrichtung insbesondere einen Druckmesser auf, der den vor den Einlassventilen herrschenden Gemischdruck erfasst. Der Ausgang dieses Druckmessers ist mit dem Ist-Wert-Eingang eines Lambda-Reglers verschaltet. In diesem Lambda-Regler ist eine Einrichtung zu Ermittlung eines leistungsabhängigen Sollwertes für den Gemischdruck aus dem von einer Leistungsmesseinrichtung zugeführten Leistungsmesssignal angeordnet, wobei der Lambda- Regler bei einer Abweichung des gemessenen Gemischdruckes vom leistungsabhängigen Gemischdruck-Sollwert das Verbrennungsgas- Luftverhältnis über die Stelleinrichtung verstellt, bis der gemessene Gemischdruck und der leistungsabhängige Gemischdruck-Sollwert übereinstimmen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor anzugeben, die/das zuverlässig und mit möglichst großseriennahen Komponenten arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine erste Einrichtung zur Ermittlung eines Ist-Massenstroms der Brennluft sowie eine zweite Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Massenstroms aus der Motorleistung sowie ein Verknüpfungsglied zum additiven Zusammenführen der Werte von Ist-Massenstrom und Soll-Massenstrom und Zuführung des Verknüpfungswerts zu dem Regler aufweist. Gemäß dem Verfahren wird der Ist-Massenstrom der Brennluft und aus der Motorleistung ein Soll-Massenstrom ermittelt und die Werte von Soll-Massenstrom und Ist-Massenstrom werden über ein Verknüpfungsglied additiv dem Regler zugeführt, der aus diesem Verknüpfungswert einen Regelwert, der die Stelleinrichtung einstellt. Das Verfahren arbeitet entsprechend den angegebenen Schritten. Dabei ist das Verfahren der Ermittlung und Heranziehung des Ist-Massenstroms zur Steuerung eines Motors prinzipiell von benzinbetriebenen Otto-Motoren bekannt. Dabei handelt es sich allerdings um Motoren, die eine Einspritzvorrichtung aufweisen, in der ein Benzin-Luft-Gemisch eingestellt wird, das zylinderindividuell in die Gemisch-Einlassleitung vor ein Gaswechselventil oder aber direkt in den Brennraum eingespritzt wird. Somit kann zumindest teilweise mit großseriennahen Komponenten beziehungsweise Verfahrensschritten gearbeitet werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der Ist-Massenstrom der Ist-Gemischmassenstrom und der Soll-Massenstrom ist der Soll-Gemischmassenstrom. Mit anderen Worten kann gemäß dem Grundgedanken der Erfindung der jeweilige Massenstrom der Luft vor dem Mischer oder aber gemäß der Weiterbildung der jeweilige Gemischmassenstrom von Luft und Gas (beide, Luft sowie Luft und Gas im Oberbegriff als Brennluft bezeichnet) hinter dem Mischer verfahrens- und vorrichtungsgemäß herangezogen werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird die Motorleistung einem Kennlinien-Umsetzer zugeführt. In diesem Kennlinien-Umsetzer wird der Soll-Massenstrom ermittelt. Dieser Kennlinien-Umsetzer enthält die Beziehung der NOx-Emission zur Motorleistung und dem Massenstrom. Dass heißt ausgehend von einer an dem Gasmotor ermittelten Leistung wird bei einer NOx-Emissionsvorgabe ein Soll-Massenstrom oder ein Soll-Gemischmassenstrom ermittelt.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Ist-Massenstrom direkt in der Brennluftleitung gemessen, wobei dies bevorzugt mittels eines Luftmassenmessers erfolgt. Solche Luftmassenmesser werden bei Einspritzanlagen von Otto-Motoren eingesetzt und sind folglich zumindest in sämtlichen Hubraumvarianten von Otto-Motoren als Großserienteile erhältlich. Damit kann für Gasmotoren dieser Hubraumgrößen auf direkt vorhandene Großserienteile zurückgegriffen werden. Wie gesagt wird der Ist-Luftmassenstrom der Luft vor dem Luft-Gas-Mischer oder der Ist-Gemischmassenstrom von Luft und Gas hinter dem Luft-Gas-Mischer mittels eines solchen Luftmassenmessers ermittelt.
  • Alternativ wird der Ist-Soll-Massenstrom aus Messgrößen errechnet, wobei dies in weiterer Ausgestaltung über die allgemeine Gasgleichung erfolgt. Auch dieses Verfahren wird prinzipiell bei Einspritzanlagen von Otto-Motoren angewendet, wobei dies bei diesen Motoren aber grundsätzlich nur in einem Notlaufprogramm erfolgt. Dieses Notlaufprogramm setzt dann ein, wenn der Luftmassenmesser ausfällt oder Fehlfunktionen zeigt. Problematisch ist allerdings bei Otto- Motoren, dass diese anwendungsbedingt in häufig wechselnden Betriebsbereichen eingesetzt werden. Gasmotoren werden ganz überwiegend stationär und in einem oder wenigen fest vorgegebenen Betriebspunkten betrieben. Bei einer solchen Betriebsweise kann der Ist-Massenstrom sehr präzise über die allgemeine Gasgleichung berechnet werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Systemschaltbild der Regelung,
  • Fig. 2 Beziehung NOx-Emission zu Leistung und Gemischmassenstrom und
  • Fig. 3 die Bestimmung des Gemischmassenstroms.
  • Einem Kennlinienumsetzer 1 wird über einen Eingang 2 die Motorleistung des Gasmotors, der beispielsweise auf Basis eines bestehenden selbstzündenden Motors entwickelt ist, zugeführt. In dem Kennlinienumsetzer 1 wird gemäß Fig. 2, ausgehend von einer vorgegebenen Motorleistung bei einer NOx-Emissionsvorgabe, ein Soll- Gemischmassenstrom ermittelt.
  • Dieser Soll-Gemischmassenstrom 2a (Fig. 1) wird ebenso wie ein Ist- Gemischmassenstrom 3 einem Verknüpfungsglied 4 additiv zugeführt. Von dem Verknüpfungsglied 4 wird der Verknüpfungswert 5 einem Regler 6 zugeführt, der über einen Ausgang 7 mit dem Stellglied des Reglers verbunden ist.
  • Der Ist-Gemischmassenstrom 3 kann mittels eines Luftmassenmessers, der in der Gemischleitung des Motors angeordnet ist, gemessen werden. Dieser Luftmassenmesser kann in von Einspritzanlagen von Otto-Motoren bekannten Ausführungen hergestellt sein oder aber als in den als Venturimischer ausgebildeten Luft-Gas-Mischer des Gasmotors integrierte Einrichtung. Bei dieser integrierten Einrichtung wird dann eine Differenzdruckmessung über den Venturimischer bei gleichzeitiger Kompensation mit der Temperatur durchgeführt. Bevorzugt wird aber der Ist-Gemischmassenstrom aus vorhandenen Messgrößen berechnet. Dabei wird folgender physikalischer Zusammenhang (allgemeine Gasgleichung) benutzt.
    dm/dt = Gemischmassenstrom
    prec = Receiverdruck (Gemischdruck nach Turbolader und vor den Einlassventilen)
    Trec = Receivertemperatur (Gemischtemperatur nach Turbolader und vor den Einlassventilen)
    n = Motordrehzahl
    k = Füllungsgrad
    R = Gaskonstante
    Vh = Hubvolumen des Motors
    P = Motorleistung

    dm/dt = (k.prec.n.Vh)/(2.R.Trec)
  • Im Steuergerät werden die Parameter k, Vh und 2.R durch einen kennfeldabhängigen Faktor ersetzt. Insbesondere der Füllungsgrad ist von Motordrehzahl und Lastpunkt abhängig.
  • Fkf = (k.Vh)/(2.R) = f(n, P) => wird in einem Kennfeld abgelegt.
  • Die Berechnung des Ist-Gemischmassenstromes erfolgt dann folgendermaßen:

    dm/dt = Fkf.prec/Trec
  • Dieser Zusammenhang ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor, in dessen Frischluftleitung ein Luft-Gas- Mischer angeordnet ist, wobei ein Regler, dem zur Änderung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eine den Luft-Gas-Mischer einstellende Stelleinrichtung nachgeschaltet ist, und eine Leistungsmesseinrichtung zur Erfassung der Motorleistung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Einrichtung zur Ermittlung eines Ist-Massenstroms der Brennluft sowie eine zweite Einrichtung zur Ermittlung eines Soll-Massenstroms aus der Motorleistung sowie ein Verknüpfungsglied zum additiven Zusammenführen der Werte von Ist-Massenstrom und Soll-Massenstrom und Zuführung des Verknüpfungswerts zu dem Regler vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstrom der Ist-Gemischmassenstrom (3) und der Soll-Massenstrom der Soll-Gemischmassenstrom (2a) ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorleistung einem Kennlinien- Umsetzer (1) zugeführt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kennlinien-Umsetzer (1) die Beziehung der NOx-Emission zu Motorleistung und Massenstrom enthält.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstrom direkt in der Frischgasleitung gemessen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstrom mit einem Luftmassenmesser gemessen wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstrom aus Messgrößen errechnet wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstrom unter Anwendung der allgemeinen Gasgleichung errechnet wird.
9. Verfahren zur Regelung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses bei einem Gasmotor, in dessen Frischluftleitung ein Luft-Gas-Mischer angeordnet ist, wobei ein Regler, dem zur Änderung des Verbrennungsgas-Luftverhältnisses eine den Luft-Gas-Mischer einstellende Stelleinrichtung nachgeschaltet ist, und eine Leistungsmesseinrichtung zur Erfassung der Motorleistung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Massenstroms der Brennluft ermittelt wird, und dass aus der Motorleistung ein Soll-Massenstrom ermittelt wird und dass der Soll-Massenstrom und der Ist-Massenstrom additiv dem Regler zugeführt werden, der aus zumindest diesem Wert unter Heranziehung eines Kennfeldwertes einen Regelwert bestimmt.
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