JP2011504562A - 固定式のガスエンジンを調整する方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、固定式のガスエンジン(1)を調整するための方法であって、回転数調整ばらつきが目標回転数および実際回転数から計算され、回転数調整ばらつきから回転数調整部を介して調整値としての目標モーメントが定められ、この目標モーメントがモーメント制限部を介して空気比率制限モーメントに制限されること、および制限された目標モーメントから混合気スロットル角度(DKW1,DKW2)を定めるためおよびガススロットル角度を定めるための目標体積流量(VSL)が決定されることを特徴とする前記方法を提案する。

Description

本発明は、固定式のガスエンジンを調整するための方法であって、回転数調整ばらつきが目標回転数および実際回転数から計算され、回転数調整ばらつきから回転数調整部を介して調整値としての目標モーメントが定められ、この目標モーメントがモーメント制限部を介して空気比率制限モーメントに制限される方法に関する。さらに本方法は、制限された目標モーメントから混合気スロットル角度を定めるためおよびガススロットル角度を定めるための目標体積流量を決定することを本質とする。
固定式のガスエンジンは、発電のために使用される。その際、ガスエンジンは、例えば1.7のラムダ値で、つまり空気過剰のリーン運転で動かされる。典型的には、ガスエンジンは、ガス・空気混合気中のガス比率を定めるためのガススロットル、燃焼可能なガスを空気と混合するための混合器、ターボチャージャーの一部としてのコンプレッサー、冷却器および混合器スロットルを有する。ガスエンジンインレットバルブ手前のレシーバーパイプ内の吸入された体積流量と、これにともなってレシーバーパイプ内の混合器圧力もが、混合器スロットルを介して定められる。
特許文献1から、ジェネレーターを駆動するための固定式のガスエンジンが公知である。エンジン出力から、特性線通じて、指令値としての目標ラムダ値が計算されることによって、このガスエンジンは制御される。目標ラムダ値に基づいて、エンジン電子制御装置は、ガススロットルを調整するためのガス量目標値を計算する。第二の実施形では、目標ラムダ値が混合器圧調整ばらつきから計算される。混合器圧調整ばらつきは、検出されたレシーバーパイプ内の混合気圧と、目標混合気圧から定められ、この目標混合気圧は、ここでもまたエンジン出力から特性線を通じて定められる。第三の実施形では、第二の実施形を補足して、ガススロットル調整のためのガス量目標値が、コンプレッサーバイパスバルブの位置および回転数調整ばらつきに応じて修正される。三つの実施形すべてに共通する特徴は、ガススロットルを目標ラムダ値に調整することである。現実の運転では、出力基準値が変更された場合、まず出力制御機構としての混合気スロットルの位置が変更される。これによって、吸入される混合気体積流量も同様に変化する。というのは、ガススロットルの位置は一定に保たれ、ガス体積流量も変化しないからである。これは変化する実際ラムダ値という結果となる。例えば閉じる方向に操作される混合気スロットルにおいては、混合気がリッチとなり、これによってガスエンジンの出力変更が引き起こされる。この出力変更の反動として、目標ラムダ値、ガス量の目標値およびガススロットルの位置が変更される。調整のこのような方法において、例えば負荷変更の際の反応時間は極めて重要である。というのは、システムに制限されラムダ調整への介入が緩慢だからである。
特許文献2もまたガスエンジンおよび燃料混合気を調整する方法を記載する。この方法において、第一のステップでは、チョーク混合器(Venturimischer)における空気質量流量の実際圧力差が把握され、そして第二のステップでは、計測されたガスエンジンの実際出力から、空気質量流量の目標圧力差が定められる。その後、第三のステップでは、ガススロットルの位置を通じて供給されるガス量が変更されることによって、実際圧力差が、目標圧力差に近づけられる。第四のステップでは、ガスエンジンの調整しようとする実際の出力が更新して検出され、そして混合気スロットルは、チョーク混合器内における空気質量流量の圧力差の目標・実際ばらつきが小さくなるよう調整される。この連続するシーケンスは、圧力差の目標・実際ばらつきが境界値よりも小さくなるまで反復して実行される。混合気スロットルの位置変更は、ガスエンジンの出力変更を引き起こすので、ガススロットルの位置は、ガスエンジンの出力変更を相殺するために後調整される必要がある。これは、状況によっては調整値のオーバーシュートを引き起こすことがある。
未公開の独国特許出願に係る特許文献3からは、固定式ガスエンジンを調整するための方法であって、ガススロットルと混合気スロットルが同一の制御値に応じて並行して制御される方法が公知である。ここでは制御値は、目標体積流量である。目標体積流量は、目標モーメントに基づいて定められ、この目標モーメントは、回転数調整部を介して回転数の目標・実際ばらつきから計算される。運転安全性を向上させるために、モーメント制限部が設けられており、このモーメント制限部を介して目標モーメントが、エラー状況シグナル、許容できる機械的最大モーメントおよび実際回転数に応じて制限される。エラー状況シグナルは、例えばセンサー故障の際にセットされる。高いダイナミズムに基づいて、この調整システムでは、負荷切り替えの際に過剰にリッチである混合気が発生しうる。過剰にリッチな混合気は、部材へのより高い負荷、高められた燃焼温度、さらにこのためにより悪化した排ガス値を引き起こす。
欧州特許出願公開第1 158 149号明細書 独国特許出願公開第103 46 983号明細書 独国特許公開第 10 2007 045 195.9号明細書
本発明は、上述した方法を、許容できる混合気という観点からさらに発展させることである。
この課題は、回転数調整ばらつきが目標回転数および実際回転数から計算され、回転数調整ばらつきから回転数調整部を介して調整値としての目標モーメントが定められ、この目標モーメントがモーメント制限部を介して空気比率制限モーメントに制限される方法によって解決される。さらにこの方法においては、制限された目標モーメントから混合気スロットル角度を定めるためおよびガススロットル角度を定めるための目標体積流量が決定される。
空気比率制限モーメントは、最小ラムダ値と実際混合気体積から計算される。最小ラムダ値は、制限された目標モーメントの旧値と実際回転数に応じて、特性マップを介して計算される。制限された目標モーメントの旧値は、ここでもまた、以前のプログラム実行の際に計算された制限された目標モーメントに相当する。実際混合気体積は、少なくとも混合気温度および実際の混合気圧、並びに実際回転数から計算される。混合気温度および実際の混合気圧は、レシーバーパイプ内で計測される。当然、実際の混合気体積は、計算される代わりにレシーバーパイプ内で直接測定されることも代替として可能である。始動工程を改善するために、空気比率制限モーメントが所定の始動モーメントにセットされる。
本発明を特許文献3から公知のモーメント制限部への補足として使用することができるよう、制限された目標モーメントは、最小値選択部を介して、目標モーメント、空気比率制限モーメント、センサー故障の際のエラーモーメント、または最大モーメントのうち最も小さい値にセットされる。最後にある最大モーメントは、少なくとも、許容できる機械的最大モーメントおよび制限回転数に依存するモーメントから定められる。
本発明は、本質的なメリットとして、エミッションガイドラインと運転限界時安全性に留意しつつ、かつダイナミックな状況においても、受け入れがたいリッチな混合気が回避されるという点を提示する。
図中には好ましい実施例が表されている。
全体図 ガススロットルと混合気スロットルを駆動するためのブロック回路図 モーメント制限部のブロック回路図 空気比率制限部のブロック回路図 負荷切換えの時間グラフ
図1は、V型配置で固定式のガスエンジン1の全体図を示す。ガスエンジン1は、シャフト2、クラッチ3およびシャフト4を介してジェネレーター5を駆動する。ジェネレーター5を介して、電気網に供給される電気エネルギーが生成される。ガスエンジン1には、以下の機械要素が設けられている:供給されるガス、例えば天然ガスの体積流量を決めるガススロットル(Gasdrosselklappe)6、空気とガソリンを混合(zusammenfuhren)するための混合器7、ターボチャージャーの一部としてのコンプレッサー8、冷却器9、ガスエンジン1のAサイドにある第一混合気スロットル10およびガスエンジン1のBサイドにある第二混合気スロットル11。
ガスエンジン1の運転方法は、エンジン電子制御装置14(GECU)によって定められる。エンジン電子制御装置14はマイクロコンピューターシステムの通常の構成要素、例えばマイクロプロセッサー、I/Oモジュール、バッファーおよびメモリー(EEPROM,RAM)を含んでいる。メモリーモジュール内には、ガスエンジン1の運転のために重要な運転データが特性マップ/特性線として充当されている(applizitieren)。これを介してエンジン電子制御装置14は、入力値から出力値を計算する。図1には、入力値として:両方とも第一のレシーバーパイプ12内で計測される第一の実際混合気圧力p1(IST)および混合気温度T1、ガスエンジン1の実際回転数nIST、ジェネレーター5の図示されていない設備調整装置によって予め定められる目標回転数nSL、および入力値EINが示されている。入力値EINのもとには、他の入力シグナル、例えばオイル温度がまとめられている。エンジン電子制御装置14の出力値としては:ガススロットル6を駆動するための目標体積流量VSLのシグナル、第一混合気スロットル10を駆動するための第一混合気スロットル角度DKW1のシグナル、第二混合気スロットル11を駆動するための第二混合気スロットル角度DKW2およびシグナルAUSが表されている。シグナルAUSは、ガスエンジン1を制御および調整するための他のシグナルを代理している。
装置は、以下の一般的な機能を有する:ガススロットル6の調整によって、混合器7に供給されるガスの体積流量が調整される。第一の混合気スロットル10の位置は、第一の混合気体積を定め、そしてそれによってガスエンジン1のインレットバルブの前にある第一のレシーバーパイプ12内の第一の実際混合気圧p1(IST)を定める。第二の混合気スロットル11を介して、第二の混合気体積と、そしてそれによってガスエンジン1のインレットバルブの手前にある第二のレシーバーパイプ13内の第二の実際混合気圧p2(IST)が定められる。
図2は、両混合気スロットル10および11並びにガススロットル6を駆動するためのブロック回路図を示す。符合15は、ジェネレーターの設備調整装置を示す。符号14は、省略されたブロック回路図としてエンジン制御装置を示し、その際表されている要素は、実行可能なプログラムのプログラムステップを表している。エンジン電子制御装置14の入力値は、この図では、設備調整装置15によって提供される目標回転数nSL、実際回転数nISTおよび他の値Eである。他の値Eのもとには、目標ラムダ値、ガスエンジンのシリンダーのストロークボリューム、シリンダー充填という意味での体積効率(Liefergrad)および燃料特性がまとめられている。出力値は、第一混合気スロットル10を駆動するための第一混合気スロットル角度DKW1、第二混合気スロットル11を駆動するための第二混合気スロットル角度DKW2およびガススロットル6を駆動するための目標体積流量VSLである。エンジン電子制御装置内部に表される要素は、調整値として目標モーメントMSLを定めるための回転数調整部16、モーメント制限部17、メモリ31、効率ユニット18、目標体積流量VSLを混合気スロットル角度に換算するための混合気量部19である。
設備調整装置15によって、出力目標として目標回転数nSL、例えば1500/minが予め定められる。これは50Hzの周波数に相当する。ポイントAにおいて、回転数調整ばらつきdnが、目標回転数nSLと実際回転数nISTから求められる。回転数調整ばらつきdnから、回転数調整部16は、調整値として目標モーメントMSLを計算する。実務では、回転数調整部16は、PIDT1調整部として実施される。モーメント制限部17を介して、目標モーメントMSLは制限される。モーメント制限部17は図3にブロック回路図として表されており、これと関連して説明される。モーメント制限部17の出力シグナルは、制限された目標モーメントMSLBに相当する。目標モーメントMSLの値が許容される範囲にあるとき、制限された目標モーメントMSLBの値は、目標モーメントMSLの値に相当する。制限された目標モーメントMSLBはメモリ31と効率ユニット18の入力値である。
メモリ31には制限された目標モーメントMSLBの現状値が保持される。次のプログラム実行では、制限された目標モーメントMSLBの新しい値が計算される。しかしながら今、メモリ31内の旧い値が、制限された目標モーメントMSLBの新しい値によって書き換えられる前に、旧い値は、モーメント制限部17に出力される。例えば時点tに対してある制限された目標モーメントMSLBがある場合、古い値は、時点t−1に対する制限された目標モーメントに相当する。以下の本文では、この旧い値、つまり時点t−1に対する制限された目標モーメントは、制限された目標モーメントの旧値として、符号MSLBAでもって表す。
効率ユニット18を介して目標体積流量VSLが、実際回転数nISTに応じて制限された目標回転数MSLBに割りあてられる(zugeordnet)。このため、効率ユニット18内には対応する特性マップが保管されている。目標体積流量VSLは、混合気量部19の入力値であり、同時にガススロットル6の入力値である。混合気量部19を介して、第一混合気スロットル角度DKW1および第二混合気スロットル角度DKW2が、実際回転数nISTおよび入力値Eに応じて、目標体積流量VSLから計算される。混合気量ユニット19内には、第一の実際混合気圧p1(IST)を調整するための第一の調整ループ、および第二の実際混合気圧p2(IST)を調整するための第二の調整ループがまとめられている。第一混合気スロットル角度DKW1によって第一混合気スロットル10が駆動される。第一混合気スロットル10を介して、第一混合気体積V1と第一の実際混合気圧p1(IST)が調整される。第二混合気スロットル角度DKW2によって、第二混合気スロットル11が駆動され、この第二混合機スロットルを介して第二の混合気体積V2と第二の実際混合気圧p2(IST)が調整される。目標体積流量VSLによって同様にガススロットル6も駆動される。これには、処理電子機器20が統合されている。この処理電子機器を介して、ふさわしい断面積およびふさわしい角度が、目標体積流量VSLの値に割り当てられる。ガススロットル6を介して、ガス・空気混合気のガスの比率としてのガス体積流量が調整される。両混合気スロットル10および11並びにガススロットル6を、ここでは目標体積流量VSLといった同じ設定値に応じて並行して駆動することは、全システムの改善された調整可能性とともに、短い反応時間および正確な過渡工程に作用する。その上、並行した駆動に基づいて、ラムダ値のアップデート(Nachfuerung)は必要とされない。
図3はモーメント制限部17をブロック回路図として示す。入力値は、目標モーメントMSL、制限された目標モーメントの旧値MSLBA、実際回転数nISTおよびエラー状況シグナルFMである。出力値は、制限された目標モーメントMSLBに相当する。ブロック回路図の要素は、空気比率制限モーメントMLAMを計算するための空気比率制限部21、エラーモーメントMFMを決定するためのセンサーエラーユニット22、最大モーメントMMAXを決定するための他の制限部23、および最小値選択部24である。実際回転数nIST,制限された目標モーメントの旧値MSLBA、第一の実際混合気圧p1(IST)および第二の実際混合気圧p2(IST)に基づき、空気比率制限部21を介して、空気比率制限モーメントMLAMが計算される。空気比率制限部21は、ブロック回路図として図4に表されており、これと関連して説明される。センサーエラーユニット22を介して、シグナル検出中にエラーが検出された際、例えば破損した混合気温度センサーにおいて、ある所定のエラーモーメントMFMがセットされる。エラー状況シグナルFMは、入力シグナルをチェックするエンジン電子制御装置14内に生成される。他の制限部ユニット23を介し、入力値Eに依存して、最大モーメントMMAXが計算される。この最大モーメントMMAXは、許容できる機械的モーメント、実際回転数の制限のための、制限回転数に依存するモーメント、および設備特有の最大モーメントを特徴づけている。最小値選択部24を介して、最も小さい値を有する制限された目標モーメントMSLBとしてのモーメントがセットされる。
図4には、ブロック回路図として空気比率制限部21が表されている。入力値は、実際回転数nIST、制限された目標モーメントの旧値MSLBA、第一の実際混合気圧p1(IST)および第二の実際混合気圧p2(IST)である。出力地は、空気比率制限モーメントMLAMに相当する。ブロック回路図の要素は、最小ラムダ値LAM(MIN)を決定するための特性マップ25、ガス体積流量VGを決定するための演算ユニット26、最小値選択部27、実際混合気体積VGM(IST)を決定するための演算ユニット28、換算部29、および最大値選択部30である。
特性マップ25を介して、実際回転数nISTおよび制限された目標モーメントの旧値MSLBAに応じて、つまり運転ポイントに応じて、最小ラムダ値LAM(MIN)が計算される。この最小ラムダ値は、演算ユニット26の第一の入力値である。第二の入力値は、演算ユニット28によって決定される実際混合気体積VGM(IST)である。実際混合気体積VGM(IST)は関係式VGM(IST)=0.5{VH・LG・nIST・(pR(IST)/pNORM)・(TNORM/T1)}に従って計算され、ここで、VHはストロークボリューム、LGは搬送効率、nISTは実際回転数、pR(IST)は代表的な実際混合気圧、pNORMは標準気圧(1013mbar)、TNORMは標準温度273.15K、およびT1はレシーバーパイプ内の混合気温度を意味する。代表的な実際混合気圧pR(IST)は、最小値選択部27に基づいて第一の実際混合気圧p1(IST)または第二の実際混合気圧p2(IST)を採用する。最小値選択部27によって運転安全性は向上する、というのはより小さな実際混合気圧が主として、空気比率制限モーメントMLAMを決定するからである。演算ユニット26を介して、最小のラムダ値LAM(MIN)と実際混合気体積VGM(IST)に基づいて、ガス体積流量VGが計算される。このガス体積流量は、実際混合気体積VGM(IST)に比例しており、かつ最小ラムダ値LAM(MIN)に反比例している。換算部29を介してガス体積流量VGがあるモーメントM1に換算される。最大値選択部30を介して制限された目標モーメントMSLBが、モーメント値M1または所定の始動モーメントMSTARTに基づいてセットされる。
図5には、負荷切り替えが時間のグラフとして表されている。図5は、部分図5Aから5Eより構成されている。これらはそれぞれ時間に関しての、目標出力Psoll(図5a)、単位1/minでの実際回転数nISTの推移(図5B)、単位立法メートル/時間でのガス体積流量VG(図5C)、単位ppmでのNOxの推移(図5D)、および計測されたラムダ(図5E)を表している。このラムダは本方法の入力値ではなく、関係を明らかにするためだけに表されている。図中では、実践は先行技術(特許文献3)による推移を表し、鎖線は本発明による推移を表している。これ以下の説明は、1500 1/minの一定目標回転数nSLによるものである。
時点t1においてシステムは静的状況にある。つまりガスエンジンは、一定のラムダ値1.7で運転され、実際回転数nISTは目標回転数nSL1500 1/minに相当し、40立方メートル/時間の一定のガス体積流量VGを有し、かつ150ppmの一定のNOx値を有している。時点t2において、高い出力要求による負荷切り替えが行われる。図5Aではより高い出力要求は、値P1から値P2への出力ジャンプとして表されている。
先行技術(実線)による推移では、時点t2からは実際回転数が著しく低下し、時点t3においてその最小値、例えば1400 1/minに達している。ネガティブな調整ばらつきに基づいて、回転数調整は、ある高い目標モーメントを計算し、これからある高い目標体積流量が決定される。混合気スロットルとガススロットルを並行して駆動することにより、より高い混合気体積流量とより高いガス体積流量VGが調整される。図5Cでは、したがってガス体積流量VGは、およそ90立方メートル/時間の値まで増加する。しかしながら、より低い実際回転数nISTのために、ガスエンジンは適切な混合気体積流量を供給することができる状態にない、すなわち、ガス・空気混合気中での空気分はほぼ変化しないのに対して反対にガス分は増加する。これは、ラムダの減少、つまりますますリッチな混合気の原因となり(図5E)、かつ排ガス中でNOx−比率が著しく増加するよう作用する(図5D)。時点t3からはシステムは再びゆっくりと回復する。今や減少する調整ばらつきにおいては、同様に減少するガス体積流量VGも現われる。ガスエンジンはより高い混合気体積を供給するので、ラムダ値はまた増加する。時点t4に対しては、実際回転数nISTが目標回転数を超えて振れており、時点t5において1500 1/minの目標回転数nSLに再び落ち着いている。
本発明による推移(鎖線)では、時点t2からは同様に、増加するネガティブな調整ばらつきのためにより高い目標モーメントが計算され、しかしながらこれは空気比率制限モーメントに制限される。このため先行技術による推移に対して、より少ない目標体積流量、より少ないガス体積流量VGおよびより少ない混合気体積が生じる。図5Cから分かるとおり、ガス体積流量VGの鎖線による推移は、時間領域t2/t3において、実線で表された推移よりもかなり下方に位置する。対応してラムダ値(図5E)の落ち込みはより少なく、NOxの値は対応してより少なくしか増加しない。時点t5に対して、実際回転数nISTは目標回転数nSLを超えて振れ、時点t6からは目標回転数nSLのレベルに安定する。同様に、時点t6においてラムダ値とNOx値はその出発地に再び達する。
1 ガスエンジン
2 シャフト
3 クラッチ
4 シャフト
5 ジェネレーター
6 ガススロットル
7 混合器
8 コンプレッサー
9 冷却器
10 第一混合気スロットル
11 第二混合気スロットル
12 第一のレシーバーパイプ
13 第二のレシーバーパイプ
14 エンジン電子制御装置(GECU)
15 設備調整装置
16 回転数調整装置
17 モーメント制限部
18 ユニット効率
19 混合気量
20 処理電子機器
21 空気比率制限
22 ユニット センサーエラー
23 ユニット それ以外の制限
24 最小値選択部
25 特性マップ
26 ユニット 演算
27 最小値選択部
28 ユニット 演算
29 換算
30 最大値選択部
31 メモリ

Claims (8)

  1. 固定式のガスエンジン(1)を調整するための方法であって、回転数調整ばらつき(dn)が目標回転数(nSL)および実際回転数(nIST)から計算され、回転数調整ばらつき(dn)から回転数調整部(16)を介して調整値としての目標モーメント(MSL)が定められ、この目標モーメント(MSL)がモーメント制限部(17)を介して空気比率制限モーメント(MLAM)に制限されること、および制限された目標モーメント(MSLB)から混合気スロットル角度(DKW1,DKW2)を定めるためおよびガススロットル角度を定めるための目標体積流量(VSL)が決定されることを特徴とする前記方法。
  2. 空気比率制限モーメント(MLAM)が、最小ラムダ値(LAM(MIN))と実際混合気体積(VGM(IST))から計算されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 最小ラムダ値(LAM(MIN))が、制限された目標モーメント(MSLB)の旧値(MSLBA)と実際回転数(nIST)に応じて、特性マップ(25)を介して計算され、旧値(MSLBA)が、以前のプログラム実行の際に計算された制限された目標モーメント(MSLB)に相当することを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 実際混合気体積(VGM(IST))が、少なくともレシーバーパイプ(12,13)内の混合気温度(T1)、実際の混合気圧(p1(IST),p2(IST))および実際回転数(nIST)に応じて計算されることを特徴とする請求項2に記載の
  5. 実際の混合気圧が、代表的な実際の混合気圧(pR(IST)として、第一の実際混合気圧(p1(IST))または第二の実際混合気圧(p2(IST))から決定されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. 実際の混合気体積(VGM(IST))がレシーバーパイプ(12,13)内で測定されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  7. 空気比率制限モーメント(MLAM)が、始動工程の際に始動モーメント(MSTART)にセットされることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 制限された目標モーメント(MSLB)が、最小値選択部(24)を介して、目標モーメント(MSL),エラーモーメント(MFM)、空気比率制限モーメント(MLAM),または最大モーメント(MMAX)のうち最も小さい値にセットされ、最大モーメント(MMAX)が、すくなくとも、許容できる機械的最大モーメントおよび制限回転数に依存するモーメントから定められることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
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