СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION METHOD AND DEVICE

Изобретение согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения относится к способу эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, в частности, газового двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя участок всасывания и двигатель с множеством цилиндров. Далее изобретение относится к регулировке для двигателя внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения и к двигателю внутреннего сгорания согласно ограничительной части пункта 17 формулы изобретения. Двигатель внутреннего сгорания имеет на участке всасывания наддув и обвод для обхода наддува.
Известно, в двигателях внутреннего сгорания, как правило, использовать дроссельные органы для регулирования нагрузки. Двигатели внутреннего сгорания в возрастающей степени, даже при немобильных применениях, работают с перебоями в переходных - то есть в самых общих чертах в неустановившихся - режимах работы, так что регулирование нагрузки приобретает возрастающее значение.
Это оказывается сравнительно сложным в частности для газовых двигателей внутреннего сгорания. Областями применения газовых двигателей внутреннего сгорания являются как мобильные применения - как например, в области судоходства или в области тяжелого и грузового автомобилестроения - так и стационарные применения, как например, в блочных электростанциях, которые должны быть предпочтительно рассчитаны в частности на непостоянное газоснабжение.
US 6,131,552 раскрывает в общем и целом систему управления топливом, которая может регулировать подачу газа к смесительной камере в зависимости от измеренного рабочего состояния двигателя. Способ управления в US 6,131,552 А или другие зависимые только от нагрузки дозирования газа оказываются в сложных системах регулировки также недостаточными.
Как правило, расход воздуха является критерием для поданной к двигателю внутреннего сгорания газообразной новой порции наддувочного воздуха в рабочей смеси, причем расход воздуха позволяет также делать выводы о качестве системы и процесса впуска. Фактический расход воздуха обычно представляет собой отношение фактически поданной во время рабочего цикла к двигателю или его цилиндру массы к новой порции воздуха в рабочей смеси. Эта фактическая смешанная масса определяется по отношению к теоретической массе новой порции из геометрического рабочего объема и теоретической плотности новой порции при внешних условиях (при свободно всасывающих двигателях), или при двигателях с наддувом в данном случае учитывается состояние новой порции позади компрессора или позади охладителя наддувочного воздуха.
На поданную к цилиндру новую порцию оказывает влияние ряд факторов, как например время реакции клапанов или проходное поперечное сечение клапанов. В принципе эти факторы могут определяться из модуля для определения наддува двигателя, в котором сохранена модель участка всасывания. Фактически же поданная к двигателю новая порция в рабочей смеси соответствует теоретической лишь в исключительных случаях. Расход воздуха не является постоянной для двигателя величиной, а в значительной степени зависит от числа оборотов и от имеющихся геометрических соотношений всасывающего тракта и камеры сгорания; для преодоления этой зависимости может приниматься во внимание, например соответствующее поле характеристик.
В свою очередь модели участков всасывания известны в регуляторах двигателей в принципе у двигателей внутреннего сгорания общего назначения, как например из ЕР 1398490 А2. Общее у них то, что при моделировании участка всасывания - в простейшем случае в виде однородного резервуара высокого давления и, для того чтобы регистрировать динамические процессы в потоке воздуха - в качестве широко распространенной основной идеи при помощи метода наполнения и опорожнения моделируется способность к накоплению участка всасывания (обозначаемого также как впускная труба). При этом впускная труба рассматривается как резервуар высокого давления, который непрерывно наполняется воздухом через дроссельный клапан, и из которого двигатель благодаря своей всасывающей способности всасывает воздух через впускной клапан в соответствии с рабочим циклом.
Тем не менее, обнаруживается то, что снабжение топливом газового двигателя внутреннего сгорания, в частности в переходном рабочем диапазоне двигателя внутреннего сгорания и при непостоянном качестве топлива, является пока еще намного более сложным. Кроме того, у газовых двигателей внутреннего сгорания, в частности для конструкции газового двигателя с искровым зажиганием, обнаруживается то, что регулировка нагрузки, в частности эксплуатация в диапазоне низких нагрузок и/или в переходном диапазоне нагрузок, может быть, как правило, проблематична. Таким образом, у двигателей внутреннего сгорания, в частности же у газовых двигателей внутреннего сгорания, при сбросах нагрузки и закрытии дроссельных клапанов может, как правило, доходить до нагнетания компрессором, если компрессор работающего на выхлопном газе турбонагнетателя благодаря быстрому уменьшению поданного им массового расхода газа эксплуатируется непродолжительное время за пределами своего рабочего диапазона. Кроме того, может быть сильно ограничен потенциал наброса нагрузки газового двигателя, если он был открыт в установившемся режиме.
Одновременно участок всасывания состоит между выходом компрессора и входом камеры сгорания из относительно больших объемов, которые вследствие этого накапливают или выдают значительные массы смеси. Это имеет место в частности в том случае, если при изменениях нагрузки и/или числа оборотов двигателя доходит до изменений давления и/или температуры в отдельных частичных объемах. Вследствие адаптированного однако лишь условно к рабочей точке - неточного в частности ввиду частично больших объемов - образования масс смеси у газового двигателя внутреннего сгорания следует ожидать как высоки выбросы углеводородов (эмиссию углеводородов) или другие повышенные выбросы (NOx, СО, тяжелых частиц и т.д.), так и плохие коэффициенты полезного действия благодаря несгоревшему горючему газу.
При эксплуатации газовых двигателей смесеобразование происходит, как правило, перед компрессором газотурбинного наддува; однако данная проблематика с точки зрения газового двигателя относится помимо такого газового двигателя с центральным смесеобразованием также к такому газовому двигателю с индивидуальным для каждого цилиндра смесеобразованием.
Желательно, эксплуатацию двигателя внутреннего сгорания, в частности газовый режим газового двигателя внутреннего сгорания, в частности в переходном диапазоне, предпочтительно в диапазоне низких нагрузок, разрабатывать в соответствии как с требованиями нагрузки, так и с условиями выбросов более предпочтительной.
В этом месте изобретение подходит к решению задачи, которая состоит в предоставлении способа и устройства, при помощи которых достигается улучшенная эксплуатация двигателя внутреннего сгорания, в частности, в виде газового двигателя внутреннего сгорания. В частности, задача изобретения состоит в предоставлении улучшенного регулирования нагрузки во время эксплуатации.. В частности задача изобретения состоит в достижении улучшения в неустановившемся (переходном) и/или установившемся (стационарном) режиме работы. Предпочтительно в неустановившемся режиме работы должны быть предотвращены скачки крутящего момента двигателя. Предпочтительно в рамках улучшенного способа. эксплуатации должно быть предусмотрено улучшенное управление дросселями, в частности, дросселем двигателя и/или байпасным дросселем компрессора; в частности, при изменяющихся требованиях нагрузки должно также достигаться предотвращение чрезмерных выбросов.
В частности, должен предоставляться в распоряжение улучшенный, эксплуатируемый в неустановившемся и/или установившемся режиме работы двигатель внутреннего сгорания, в частности, в виде газового двигателя внутреннего сгорания. В частности, должна быть разработана более предпочтительная возможность подключения нагрузки - предпочтительно исходя из установившегося режима работы. В частности должно предотвращаться нагнетание компрессором - предпочтительно исходя из неустановившегося режима работы. В частности, в значительной степени должно предотвращаться то, что наддувочный турбокомпрессор должен эксплуатироваться за пределами своего рассчитанного рабочего диапазона. Также задача изобретения состоит в устранении, по меньшей мере, одной из описанных выше проблем. По меньшей мере, должно предлагаться альтернативное решение.
В отношении способа задача решается изобретением с помощью способа по пункту 1 формулы изобретения.
При этом исходят из способа упомянутого ранее типа для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, который имеет:
- участок всасывания, двигатель с цилиндрами и расположенный выше по потоку перед цилиндрами ресивер, причем
участок всасывания имеет:
- наддув с компрессором и обвод (байпас) для обхода наддува, причем
- с ресивером согласован дроссель двигателя, а с обводом байпасный дроссель компрессора.
В способе положение дросселя двигателя и/или байпасного дросселя компрессора регулируется в зависимости от режима работы для воздействия на наддувочную текучую среду. В опциональном первом аспекте изобретение предусматривает то, что, по меньшей мере, массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды определяется перед двигателем, в частности, благодаря тому, что с участком всасывания согласована модель участка всасывания, при помощи которой определяется, по меньшей мере, массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды перед двигателем.
Во втором аспекте изобретение предусматривает то, что - в частности, основываясь на результате определения - байпасный дроссель компрессора регулируется согласно изобретению в зависимости от дросселя двигателя.
Относительно наиболее предпочтительного применения в газовом двигателе внутреннего сгорания производится соответственно воздействие на процент содержания газовоздушной смеси при зависимой от режима работы регулировке дросселя двигателя и/или байпасного дросселя компрессора. Согласно одному усовершенствованию относительно первого аспекта в способе с участком всасывания согласовывается модель участка всасывания, при помощи которой определяется, по меньшей мере, массовый расход и/или состояние доли смеси. Согласно концепции изобретения, касающейся второго аспекта в способе, в частности, основываясь на результате определения, байпасный дроссель компрессора регулируется в зависимости от дросселя двигателя.
Предпочтительно реализация первого и/или второго аспекта происходит в рамках зависимости управления и/или регулировки.
Предпочтительно модель участка всасывания предусматривает, в частности, моделирование участка всасывания в рамках регулировки двигателя внутреннего сгорания, в частности газового двигателя внутреннего сгорания. И хотя модели участков всасывания в принципе известны в регуляторах двигателя, тем не менее, соответствующее усовершенствование исходит из соображения того, что - именно для использования газового двигателя, в частности, со смесеобразованием перед компрессором и/или с регулировкой дроссельных клапанов на обводе компрессора и/или на участке подачи топлива к двигателю - упомянутое вначале обычное моделирование является изначально недостаточным. В частности, обнаруживается то, что необходимый массовый расход газа, который устанавливается для установившегося режима работы непосредственно из массового расхода смеси, и который определяется исключительно из расхода воздуха в двигателе, является недостаточным.
Усовершенствование - в этом отношении для первого аспекта изобретения - впервые опционально учитывает то соображение, что участок между местом всасывания наддувочного вещества и местом входа камеры сгорания может быть сравнительно длинным и таким образом сам по себе включает в себя сравнительно большой объем, который едва ли может реалистично описываться в установившемся состоянии. Прежде всего, у газового двигателя участок между местом смесеобразования, например, перед компрессором газотурбинного наддува, и местом входа камеры сгорания оказывается сравнительно длинным и таким образом сам по себе включает в себя сравнительно большой объем, который едва ли может реалистично описываться в установившемся состоянии. Частично большие объемы могут накапливать или выдавать именно значительные массы смеси, если при изменении нагрузки и/или числа оборотов двигателя доходит до изменений давления и/или температуры в отдельных частичных объемах.
В опциональном первом аспекте было обнаружено то, что вследствие этого массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды или - в частности, у газового двигателя массовый расход смеси и/или состояние смеси на выходе смесителя газа -периодически не находится во взаимосвязи с входом камеры сгорания. Это обстоятельство до сих пор не находит достаточного отражения в моделях участков всасывания, будь то для газового двигателя или для другого двигателя внутреннего сгорания. А потому, в частности, обычные установившиеся рассмотрения газового двигателя, при которых учитывается только давление смеси перед цилиндром, не являются - как было обнаружено опциональным первым аспектом изобретения - целесообразными, для того чтобы обеспечивать соблюдение определенных коэффициентов избытка воздуха в.цилиндре.
Выряжаясь кратко, концепция изобретения предусматривает то, что после того как в первом аспекте, по меньшей мере, массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды - в частности, по меньшей мере, массовый расход и/или состояние доли смеси -определяется перед двигателем, предпочтительно основываясь на модели участка всасывания, согласно изобретению во втором аспекте, в частности, основываясь на результате определения, байпасный дроссель (БКК) компрессора регулируется в зависимости от дросселя (ДД) двигателя. Дополнительно или альтернативно к положению дросселя определяется, в частности, его проходное поперечное сечение. При этом следует учитывать то, что это имеет место, в частности, для неустановившегося режима работы двигателя внутреннего сгорания. Предпочтительно это реализуется выборочно при помощи первой, более быстрой шкалы времени или второй, более медленной шкалы времени, в частности, для неустановившегося режима работы. Для установившегося режима работы неустановившееся управление байпасным дросселем компрессора может быть в этом отношении несущественным, так как оно неактивно. Таким образом, выбор управления байпасным дросселем компрессора в зависимости от дросселя двигателя происходит с соблюдением истинного значения, которое указывает, что байпасный дроссель компрессора и/или дроссель двигателя открыт.
В итоге изобретение имеет то преимущество, что - в частности, в случае неустановившегося режима работы - положение байпасного дросселя компрессора может выбираться в зависимости от дросселя двигателя таким образом, что с наддувочного турбокомпрессора снимается нагрузка. Это также имеет то преимущество, что - в частности, в случае режима работы, исходящего из установившегося режима работы - положение байпасного дросселя компрессора может выбираться в зависимости от дросселя двигателя таким образом, что наддувочный турбокомпрессор может создавать лучший потенциал подключения нагрузки уже в установившемся режиме работы или, исходя из установившегося режима работы.
В принципе концепция изобретения распространяется, как в общем и заявлено, на любой тип двигателя внутреннего сгорания с наддувом и двигателем, который имеет первый и второй дроссельный орган, в частности, дроссельные клапаны, которые используются для регулирования нагрузки. В частности, дроссель двигателя образован в виде первого дроссельного клапана. В частности, байпасный дроссель компрессора образован в виде второго дроссельного клапана.
Тем не менее, концепция оказалась наиболее целесообразной для использования в газовом двигателе внутреннего сгорания; в частности, так как должно дополнительно учитываться центральное или индивидуальное для каждого цилиндра смесеобразование. В частности, далее концепцию можно предпочтительно использовать для газовых двигателей внутреннего сгорания с центральным смесеобразованием перед компрессором, то есть предпочтительно при помощи смесителя газа, и/или с индивидуальным для каждого цилиндра смесеобразованием, то есть перед цилиндром. В частности, это может относиться к газовым двигателям внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В принципе концепция изобретения подходит сверх этого также для газожидкостных двигателей внутреннего сгорания, то есть, в частности, для газодизельных двигателей внутреннего сгорания или других двухтопливных двигателей внутреннего сгорания, также с центральным или же индивидуальным для каждого цилиндра смесеобразованием.
В этом отношении ни смеситель газа, ни система впрыска для жидкого топлива не требуются в двигателе внутреннего сгорания для реализации концепции изобретения; однако они могут быть предусмотрены в предпочтительных усовершенствованиях.
В результате концепция изобретения впервые предоставляет независимое и оптимизированное по времени управление системой дросселей с надлежащим временем реакции в зависимости от рабочего состояния газового двигателя внутреннего сгорания, так как, основываясь на результате определения массового расхода и/или состояния наддувочного вещества перед двигателем, байпасный дроссель компрессора, в частности, его проходное поперечное сечение, регулируется в зависимости от дросселя двигателя, в частности, его проходного поперечного сечения. В частности, это относится к управлению байпасным дросселем компрессора, в частности, байпасным клапаном компрессора, в зависимости от дросселя двигателя, в частности, дроссельного клапана двигателя.
Управление обходится без трудоемкой параметризации поля характеристик и без дополнительных датчиков. Массовый расход смеси через дроссель, в частности, клапан, может устанавливаться в пространственном отношении на основе модели, реализовываться по времени дифференциально или в конечных временных тактах, изменяющихся с определенной интенсивностью шага, и по мере необходимости адаптироваться к конструктивному исполнению двигателя внутреннего сгорания. Вследствие этого может предоставляться в распоряжение виртуальный датчик клапана или дросселя, например, для байпасного клапана компрессора или клапана двигателя.
В отношении устройства задача решается изобретением с помощью регулировки (устройства регулирование) для двигателя внутреннего сгорания согласно пункту 15 формулы изобретения.
Концепция изобретения приводит к решению задачи в отношении устройства также с помощью двигателя внутреннего сгорания согласно пункту 17 формулы изобретения.
В частности, оказалось предпочтительным оснащать двигатель внутреннего сгорания, в частности, газовый двигатель внутреннего сгорания, наддувом с системой впуска, в частности наддувом, включающим в себя теплообменник наддува. В зависимости от параметров двигателя внутреннего сгорания или газового двигателя внутреннего сгорания, в частности на основе двигателя. большого литража, наддув может быть оснащен одной или двумя ступенями, предпочтительно с рециркуляцией отработанного газа. В. частности, далее для участка всасывания системы впуска может быть предусмотрена обводная линия для обхода наддува. Оказалось предпочтительным предусматривать соответствующие исполнительные элементы для оказания воздействия на давление наддува,. как например заслонки, клапаны, дроссели, в частности, дроссельный клапан перед объемом ресивера и/или перед байпасным клапаном компрессора на обводной линии. Таким образом, в зависимости от величины заданного и/или фактического давления наддува участка всасывания может производиться дросселирование двигателя.
В частности, двигатель внутреннего сгорания может иметь систему впуска, включающую в себя участок всасывания предпочтительно со смесителем газа или индивидуальным для каждого цилиндра подмешиванием газа - и двигатель с множеством цилиндров. Далее, в модификации может быть предусмотрена система впрыска, которая предпочтительно выполнена в виде аккумуляторной системы впрыска высокого давления (Common-Rail). Далее оказалось предпочтительным располагать перед множеством цилиндров выше по потоку перед цилиндрами объем ресивера, в частности, в модели участка всасывания, который может выполняться, например, в виде коллектора или участка смешивания или тому подобного и соответственно описывает коллектор или участок смешивания в модели участка всасывания.
Как в частности обнаруживается в моделировании циклического процесса и в исследованиях газовых двигателей изобретение улучшает устойчивость коэффициента избытка воздуха, в цилиндре, прежде всего, во время неустановившейся работы двигателя (подключения/сбросы нагрузки), так что с одной стороны могут исполняться скачки нагрузки большего размера, а с другой стороны становится возможной более простая настройка режима переключения нагрузки, также на испытательном стенде.
Эти и другие предпочтительные усовершенствования изобретения могут быть позаимствованы из зависимых пунктов формулы изобретения и, в частности, предоставляют предпочтительные возможности для того, чтобы реализовать концепцию изобретения в рамках усовершенствованных вариантов и с указанием дальнейших преимуществ. Зависимые пункты формулы изобретения в значительной степени относятся к газовому двигателю внутреннего сгорания и в этом смысле точно определяют массовый расход наддувочного вещества перед двигателем уже как массовый расход газовоздушной смеси перед двигателем, а состояние наддувочной текучей среды перед двигателем как состояние газовоздушной смеси перед двигателем. Однако следует понимать, что концепция зависимых пунктов формулы изобретения не ограничена газовым двигателем внутреннего сгорания, а в принципе может распространяться на обобщенный двигатель внутреннего сгорания с наддувом на основании пункта 1 формулы изобретения; в этом отношении последующее описание относительно состояния газовоздушной смеси может читаться, в общем и целом, как состояние наддувочной текучей среды, а относительно массового расхода смеси как массовый расход наддувочной текучей среды. Предпочтительно под наддувочной текучей средой в этом отношении следует понимать наддувочный воздух или смесь наддувочного воздуха с отработанным газом, в частности, в случае обобщенного двигателя внутреннего сгорания с наддувом, или следует понимать наддувочный воздух в случае индивидуального для каждого цилиндра образования газовой смеси в газовом двигателе внутреннего сгорания. Под газовоздушной смесью следует понимать, но не ограничиваясь этим, в частности, смесь горючего газа с воздухом у газового двигателя внутреннего сгорания с центральным смесеобразованием, в частности, в смесителе газа.
В наиболее предпочтительном усовершенствовании относительно первого аспекта далее предусмотрено:
- разделение участка всасывания - то есть между смесителем газа и двигателем - на несколько, в частности, по меньшей мере, на два объема, предпочтительно ровно на два больших объема, из которых одним является объем ресивера, и/или
- использование метода наполнения и опорожнения и/или использование данных о давлении и температуре от уже имеющихся мест измерений. Метод наполнения и опорожнения, в частности, с использованием данных о давлении и температуре от уже имеющихся мест измерений, может использоваться для модели участка всасывания. Таким образом, в рамках первого аспекта можно наиболее предпочтительно учитывать массовый расход и/или состояние доли смеси в объеме ресивера.
Усовершенствование во втором аспекте исходит из соображения того, что у двигателей внутреннего сгорания в целом и газовых двигателей в частности, которые эксплуатируются как бензиновые двигатели (двигатели Отто), придается повышенное значение регулируемому улучшенным образом использованию дроссельных клапанов для регулирования нагрузки, например, в рамках регулирования количеством смеси. В соответствии с этим во втором аспекте прежде всего обеспечивается основанное на модели управление дроссельными клапанами, а именно регулировка байпасного дросселя компрессора в зависимости от дросселя двигателя, в частности, обеспечивается основанное на модели участка всасывания управление дроссельным клапаном двигателя и/или байпасным клапаном компрессора.
Предпочтительно это может реализовываться в рамках одновременного определения в режиме реального времени. При помощи концепции второго аспекта основанное на модели участка всасывания управление байпасным дросселем компрессора и/или дроссельным клапаном двигателя предусматривается при неустановившихся изменениях нагрузки. В частности, концепция служит для того, чтобы для управления обводом компрессора достигать различных изменений установленного на основе модели массового расхода смеси через, по меньшей мере, один дроссельный клапан, предпочтительно через дроссельный клапан двигателя и/или байпасный клапан компрессора.
В рамках наиболее предпочтительного усовершенствования далее в третьем аспекте предусмотрено то, что массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды - в частности, у газового двигателя массовый расход и/или состояние доли смеси -определяется на первой, более медленной шкале времени и/или на второй, более быстрой шкале времени, и байпасный дроссель компрессора регулируется в зависимости от дросселя двигателя, выборочно на основе одной из шкал времени. Режим установившейся или неустановившейся работы предпочтительно выбирается благодаря тому, что, по меньшей мере, одно значение разности образуется при помощи дросселя двигателя относительно массового расхода и/или состояния доли смеси. Например, при помощи значения разности массового расхода и/или разности давления или другого состояние смеси в дросселе двигателя может назначаться один из режимов установившейся или неустановившейся работы.
Усовершенствование исходит из соображения того, что предпочтительная неустановившаяся работа газового двигателя внутреннего сгорания должна по возможности осуществляться с учетом давления наддува участка всасывания, в частности, с учетом дросселирования наддувочного воздуха - в дроссельном клапане двигателя и/или байпасном клапане компрессора. Это может быть преимуществом, в частности, также при переключении между газовым режимом и дизельным режимом. В обоих случаях должны учитываться особенности газового двигателя.
Таким образом, даже при высоко-динамичных процессах с наддувочного турбокомпрессора может сниматься нагрузка. Например, может предотвращаться нагнетание компрессором или в принципе режим работы наддувочного турбокомпрессора за пределами его определенного рабочего диапазона. В установившемся режиме работы может использоваться зависимость для улучшения потенциала подключения нагрузки. Усовершенствование предоставляет в третьем аспекте базис для того, что в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания может выбираться регулировка, чья шкала времени согласована с динамикой. Так, например, в наиболее предпочтительном варианте осуществления. управление байпасным клапаном компрессора посредством использования быстрого, менее точного сигнала для массового расхода через дроссельные клапана может осуществляться на основе уравнения расхода и медленного более точного сигнала из модели участка всасывания.
В частности, предпочтительным оказалось то, что массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды - в частности, массовый расход и/или состояние доли смеси - определяется на первой, более медленной шкале времени и на второй, более быстрой шкале времени одновременно в режиме реального времени - то есть в режиме реального времени для фактического процесса эксплуатации. Предоставляются в распоряжение фактически соответствующие рабочему состоянию во времени данные о массовом расходе и/или состоянии наддувочного вещества - в частности, о массовом расходе и/или состоянии доли смеси. Предпочтительно создан виртуальный датчик, который предоставляет в режиме реального времени значения для массового расхода и/или состояния наддувочной текучей среды, в частности, для массового расхода и/или состояния доли смеси.
Дополнительно или альтернативно предпочтительным оказалось то, что массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды, в частности, массовый расход и/или состояние доли смеси, определяются параллельно друг к другу на первой, более медленной шкале времени и на второй, более быстрой шкале времени. Вследствие. этого возникают предпочтительные возможности сравнения определенных виртуально рабочих состояний; при помощи этого усовершенствования создана выбираемая основа, на базисе которой может производиться регулировка. В частности, регулировка может выборочно производиться на первом базисе данных, который создается на более медленной шкале времени, или на втором базисе данных, который создается на более быстрой шкале времени. Первая возможность может предоставлять преимущества с точки зрения точности. Вторая возможность может предоставлять преимущества с точки зрения времени реакции регулировки относительно изменяющихся при неустановившемся режиме условий эксплуатации.
Предпочтительно для регулировки дросселя двигателя, задавая последующую регулировку, то есть на первой ступени регулировки и/или управления, определяется массовый расход, в частности, массовый расход смеси, через дроссель двигателя; это может выборочно осуществляться на первой или на второй шкале времени или параллельно друг к другу на обеих шкалах времени, в частности, таким образом, что сравнительные значения из каждой из временных шкал могут сопоставимым образом находиться в распоряжении и/или выравниваться. Альтернативно или дополнительно может, задавая последующую регулировку, то есть на первой ступени регулировки и/или управления, учитываться состояние, в частности, состояние смеси, в ресивере на первой и/или на второй шкале времени, в частности, таким образом, что сравнительные значения находятся в распоряжении и/или выравниваются. Тем самым может производиться замыкание на предпочтительную шкалу времени регулировки, или могут выравниваться коэффициенты быстрой и медленной ступени регулировки и/или управления. Предпочтительно в случае установившейся работы двигателя внутреннего сгорания результаты вычислений относительно первой, более медленной шкалы времени и касательно установившегося режима работы и результаты вычислений относительно второй, более быстрой шкалы времени и касательно неустановившегося режима работы могут связываться друг с другом. Например, результаты сравнения могут использоваться для пропорционального изменения коэффициентов зависимого от времени уравнения расхода. Это приводит к функции обучения, которая автоматически возникает во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания и может использоваться для улучшенной адаптации в процессе эксплуатации коэффициентов отдельных блоков регулирования.
Например, основываясь на результате определения для установившейся работы, может производиться регулировка байпасного дросселя компрессора, в частности его проходного поперечного сечения, в зависимости от дросселя двигателя, в частности, от его положения и/или его проходного поперечного сечения, при помощи первой, более медленной шкалы времени и/или, основываясь на результате определения для неустановившейся работы, может производиться регулировка байпасного дросселя компрессора в зависимости от дросселя двигателя при помощи второй, более быстрой шкалы времени.
Регулировка байпасного дросселя компрессора может осуществляться в зависимости от дросселя двигателя одновременно для первого случая первой, более медленной шкалы времени и для второго случая второй, более быстрой шкалы времени. В частности, в рамках наиболее предпочтительного усовершенствования управление байпасным дросселем компрессора может быть предусмотрено посредством использования быстрого - при необходимости менее точного - сигнала для массового расхода через дроссельные клапана на основе уравнения расхода и медленного - при необходимости более точного - сигнала из модели участка всасывания.
В частности, может быть предусмотрено сравнение быстрого, при необходимости менее точного сигнала с медленным, при необходимости более точным сигналом в установившемся режиме ι работы ("функция автоматического обучения").
Регулировка байпасного дросселя компрессора может ι осуществляться в зависимости от дросселя двигателя одновременно ι для первого случая первой, более медленной шкалы времени и для второго случая второй, более быстрой шкалы времени. В частности в рамках наиболее предпочтительного усовершенствования управление байпасным дросселем компрессора может быть предусмотрено посредством использования быстрого - при необходимости менее точного - сигнала для массового расхода через дроссельные клапана на основе уравнения расхода и медленного - при необходимости более точного - сигнала из модели участка всасывания.
Наиболее предпочтительно регулировка байпасного дросселя компрессора может осуществляться в зависимости от дросселя двигателя с определением квазипостоянного массового расхода смеси, по меньшей мере, для объема ресивера, в частности, в дополнение к теплообменнику наддува, предпочтительно может осуществляться при помощи метода наполнения и опорожнения. В частности, это может осуществляться на первой, более медленной шкале времени.
Наиболее предпочтительно регулировка байпасного дросселя компрессора может осуществляться в зависимости от дросселя двигателя с определением неустановившегося массового расхода смеси для дросселя двигателя, в частности, при помощи, по меньшей мере, одного зависимого от времени уравнения расхода. В частности, это может осуществляться на второй, более быстрой шкале времени. Таким образом, осуществляется, в частности, в первом случае регулировка байпасного дросселя компрессора на быстрой шакале времени предпочтительно в качестве стандартного варианта для неустановившихся условий эксплуатации, а во втором случае регулировка байпасного дросселя компрессора на медленной шкале времени предпочтительно для неустановившихся условий эксплуатации, при которых быстрая шкала времени не может использоваться по числовым причинам. В рамках этого наиболее предпочтительного усовершенствования оба варианта управления байпасным дросселем компрессора (быстрая и медленная шкала времени) предполагаются только для неустановившихся условий эксплуатации. Быстрая шкала времени предпочтительно является стандартным вариантом, который не используется только в тех случаях, в которых лежащие в основе вычисления становятся по числовым причинам недействительными или недостаточными. В этих случаях в качестве резервного варианта используется более медленная шкала времени.
Таким образом, в рамках первой части проблем было обнаружено, например то, что - в частности у газовых двигателей - при сбросах нагрузки и как следствие при закрытии дроссельных клапанов может доходить до нагнетания компрессором; это происходит, в частности, в том случае, если компрессор работающего на. выхлопном газе турбонагнетателя благодаря быстрому уменьшению поданного им массового расхода газа должен эксплуатироваться непродолжительное время за пределами своего рабочего диапазона. Усовершенствование обнаружило то, что благодаря открытию байпасного клапана компрессора (клапана БКК), который должен использоваться для управления массовым расходом обвода компрессора, может предотвращаться нагнетание компрессором. В частности неустановившийся режим работы может включать в себя: сброс нагрузки, подключение нагрузки, смену топлива. Для таких и других случаев может быть предусмотрено, например закрытие дросселя двигателя и практически одновременное открытие байпасного дросселя компрессора; в частности, вследствие этого благодаря возможной в рамках концепции быстрой реакции регулировки может избегаться предотвращение нагнетания компрессором при сбросе нагрузки.
Кроме того, в рамках решения для второй части проблем может быть предусмотрено, улучшать потенциал подключения нагрузки газового двигателя посредством закрытия клапана БКК; в частности, если он был открыт в установившемся режиме работы. Также, например, закрытие байпасного дросселя компрессора в установившемся режиме работы и его последующее открытие могут использоваться для повышения потенциала подключения нагрузки.
В реализации режим установившейся или неустановившейся работы может предпочтительно назначаться, благодаря тому, что, по меньшей мере, одно значение разности образуется при помощи дросселя, в частности, дросселя двигателя, относительно массового расхода и/или состояния доли смеси. В частности, для этого может образовываться разность массового расхода и/или давления, и при помощи значения разности назначается. один из режимов работы. Это примерно использует регулировку порогового значения, осуществимую наиболее эффективно по времени.
Так может назначаться, например, режим неустановившейся работы, если значение разности в дросселе, в частности, дросселе двигателя, относительно массового расхода и/или состояния доли смеси находится выше порогового значения (ПЗ) и/или изменяет знак. Это является указаниями, которые могут использоваться в рамках управляющей регулировки с неустановившимся управлением байпасным дросселем (БДК) компрессора.
Иначе может назначаться режим установившейся работы, если значение разности в дросселе, в частности дросселе двигателя, относительно массового расхода и/или состояния доли смеси находится ниже порогового значения (ПЗ) и/или не изменяет знак.
В остальном для управления установочной величиной дросселя предпочтительным оказалось то, что с первым или вторым дросселем, в частности, с дросселем двигателя согласовано первое поле характеристик дросселя и/или с байпасным дросселем компрессора согласовано второе поле характеристик дросселя. В рамках дальнейшего наиболее предпочтительного усовершенствования использование поля характеристик дросселя является
целесообразным, для того чтобы достигать изменение массового расхода во времени в виде функции соотношения давлений линии БКК или положения клапана БКК (dm/dt=f(соотношение давлений на линии БКК, соответственно, положения клапана БКК)). Для линии обвода компрессора предусмотрено установление заданного угла открытия клапана БКК. В частности, поле характеристик дросселя может задавать квазипостоянный массовый расход.
Поле характеристик дросселя предпочтительно имеет первую зависимость от давления перед и/или после дросселя. Дополнительно или альтернативно поле характеристик дросселя во второй зависимости может задавать положение дросселя. Первое и/или второе поле характеристик дросселя задает, в частности, квазипостоянный массовый расход в первой зависимости от давления перед и/или после дросселя и/или во второй зависимости от положения дросселя.
Кроме того, использование виртуального датчика газа полезно для достижения настоящих и будущих норм токсичности отработанного газа. В частности, в регуляторе двигателя может осуществляться вычисление в режиме реального времени массовых расходов смеси в различных местах участка всасывания. Предпочтительно это может также использоваться, для того чтобы достигать примешивания из таких смесителей газа посредством имеющегося блока дозирования газа, которое приводит к виртуально определенной массе смеси в желаемом коэффициенте избытка воздуха в цилиндре.
В частности, модель участка всасывания может задавать, по меньшей мере, один массовый расход и/или состояние наддувочной текучей среды, в частности, по меньшей мере, один массовый расход и/или состояние доли смеси, в объеме ресивера и в, по меньшей мере, одном дальнейшем большом объеме участка всасывания, в частности, может учитываться, по меньшей мере, один дальнейший большой объем одного или нескольких теплообменников наддува и/или обводной линии и/или компрессора или компрессоров.
В рамках наиболее предпочтительного варианта осуществления при помощи согласованной, по меньшей мере, с одним более поздним состоянием смеси выходной доли газовоздушной смеси может образовываться согласованная с более ранним состоянием смеси входная доля газовоздушной смеси. При этом предпочтительным оказалось то, что входная доля смеси в более раннем состоянии смеси определяется в регулировке при помощи выходной доли смеси в более позднем состоянии смеси, и определение осуществляется при помощи модели участка всасывания, служащей в качестве базиса математической модели для участка всасывания. В частности, выходная доля смеси может определяться на линии подачи к двигателю, а входная доля смеси в смесителе газа, в частности, в рамках одновременного определения в режиме реального времени. Это может рассматриваться в качестве задания виртуального датчика массы смеси между входом цилиндра и выходом смесителя газа.
Предпочтительно у газового двигателя газовый режим является газовым режимом с искровым зажиганием; он оказывается наиболее эффективным и удобно реализуемым для многих применений. Тем не менее, в принципе может также подходить другой принцип зажигания, как например, система зажигания для дизельного топлива или другое зажигание жидкого топлива. В частности, альтернативно газовый режим может быть также газожидкостным режимом с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси и с использованием воспламенения от впрыскивания дизельного топлива или другого жидкого топлива.
В принципе, даже если это не описывается в данном случае в первую очередь, тем не менее, существует возможность эксплуатировать, не в последнюю очередь из-за сравнительно постоянного качества топлива, газовый двигатель внутреннего сгорания либо на газу, либо на жидком топливе, как например дизельное топливо или сжиженный газ. В частности в этом случае во время эксплуатации к двигателю может подаваться топливная смесь, включающая в себя рабочую смесь и/или жидкое топливо. При этом двигатель в первом рабочем состоянии может эксплуатироваться в дизельном режиме - на дизельном или другом жидком топливе - а во втором рабочем состоянии в газовом режиме - на газу в качестве топлива в рабочей смеси. Газовые двигатели внутреннего сгорания этого типа обозначаются также как многотопливные двигатели внутреннего сгорания (двухтопливные двигатели внутреннего сгорания) и могут наряду с предпочтительным выбором топлива между дизельным топливом и газом также эксплуатироваться при помощи различного другого топлива. В частности, альтернативно во время газового режима газовый двигатель внутреннего сгорания может эксплуатироваться в газожидкостном режиме с внешним смесеобразованием газовоздушной смеси и воспламенением от впрыскивания дизельного топлива. Таким образом, двигатели газового двигателя внутреннего сгорания обозначаются также как газожидкостные двигатели и производятся, как правило, на базе конструкции дизельных двигателей и относятся к новейшим технологиям, в частности, в области допустимых с экологической точки зрения возможностей использования двигателей большой мощности. Газожидкостный двигатель может также эксплуатироваться на жидком топливе, как например дизельное топливо, или на другом сжиженном топливе, как например, сжиженный природный газ (СПГ) или же сжиженный углеводородный газ (СУГ); чаще всего газовый двигатель внутреннего сгорания может иметь газодизельный двигатель для образования газодизельного двигателя внутреннего сгорания.
В частности, газовый двигатель внутреннего сгорания в этом случае имеет систему впрыска, которую можно регулировать предпочтительно электроникой. В частности, далее двигатель внутреннего сгорания может иметь для этого систему впрыска, которая предпочтительно выполнена в виде аккумуляторной системы впрыска высокого давления (Common-Rail). В частности, систему впрыска можно регулировать для различных типов газа, как например биогаз или природный газ, в жидком, виде или же для использования масел, как например растительные масла или тому подобное, в качестве жидкого топлива. Здесь хорошо зарекомендовали себя, прежде всего, аккумуляторные системы впрыска высокого давления (Common-Rail), однако при определенных условиях также системы впрыска насос-форсунками с электронной регулировкой. Воспламеняемое вещество в газовом режиме может добавляться к настоящему газообразному топливу рабочей смеси в цилиндре при высокой степени сжатия или же подводится к впускному каналу. В итоге газовые двигатели, работающие в газовом режиме, в частности, в газовом режиме с искровым зажиганием или в газожидкостном режиме с внешним смесеобразованием, являются более гибкими в использовании топлива и имеют еще более низкий уровень выброса вредных веществ.
Теперь примеры осуществления изобретения описываются в последующем при помощи чертежей со ссылкой на газовый двигатель. Чертежи не должны представлять примеры осуществления обязательно в масштабе, наоборот чертежи, которые пригодны для разъяснения, выполнены в схематичном и/или немного искаженном виде. Применительно к добавлениям видимых непосредственно на чертежах технических решений делается ссылка на соответствующий уровень техники. При этом следует учитывать то, что могут производиться разнообразные модификации и изменения относительно формы и подробностей варианта осуществления, не отходя от основной идеи изобретения. Раскрытые в описании, на чертежах, а также в пунктах формулы изобретения признаки изобретения могут быть как по отдельности, так и в любой комбинации существенными для усовершенствования изобретения. Кроме того, в объем изобретения попадают все комбинации из, по меньшей мере, двух из раскрытых в описании, на чертежах и/или в пунктах формулы изобретения признаков. Основная идея изобретения не ограничена точной формой или подробностями показанных и описанных в последующем предпочтительных вариантов осуществления или ограничена предметом, который был бы ограничен по сравнению с предметом, испрашиваемым в пунктах формулы изобретения. В заявленных диапазонах измерений находящиеся также внутри упомянутых границ значения должны быть раскрыты и иметь возможность произвольно использоваться и испрашиваться в качестве пороговых значений. Дальнейшие преимущества, признаки и подробности изобретения проистекают из последующего описания предпочтительных примеров осуществления, а также при помощи чертежей. На чертежах показано:
фиг. 1 - схема газового двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя смеситель газа, а также участок всасывания с наддувом посредством наддувочного турбокомпрессора и через теплообменник наддува, а также двигатель с множеством цилиндров после объема ресивера, причем наддув может обводиться через обводную линию - газовый двигатель внутреннего сгорания рассчитан на газовый режим с искровым зажиганием; в показанной пунктиром альтернативе газовый двигатель внутреннего сгорания может быть также рассчитан в качестве газодизельного двигателя внутреннего сгорания и может эксплуатироваться как в чистом дизельном режиме, так и в смешанном режиме или в чистом газовом режиме (например, в качестве газожидкостного режима с впрыском воспламеняющейся смеси в виде дизельного топлива), причем система впрыска выполнена в виде изображенной пунктиром аккумуляторной системы впрыска высокого давления (Common-Rail);
фиг. 2 - первая расчетная схема для определения состава смеси (обвод компрессора) при помощи управления и/или регулировки, причем осуществляется вычисление заданного массового расхода газа из массового расхода смеси, который покидает смеситель газа, причем предпочтительно учтена рециркуляция газовоздушной смеси из смесителя газа на сторону воздуха, то есть такая рециркуляция, при которой предотвращено дальнейшее обогащение горючим газом при новом впуске посредством накопления рециркулирующей массы газа;
фиг. 3 - вторая расчетная схема для определения состава смеси (массовый расход, охладитель наддувочного воздуха) при помощи управления и/или регулировки, причем осуществляется вычисление массового расхода смеси, который посредством компрессора поступает в объем емкости между выходом компрессора, дроссельным и байпасным клапаном компрессора;
фиг. 4 - третья расчетная схема для определения состава смеси (наполнение цилиндра) при помощи управления и/или регулировки, причем осуществляется вычисление массового расхода смеси, который из объема ресивера поступает в камеры сгорания цилиндров;
фиг. 5 - схематичное изображение предпочтительного варианта осуществления структуры регулятора для газового режима, причем устанавливается положение для байпасного дросселя компрессора, которое зависит от положения дросселя двигателя, причем выполняется более медленное и более быстрое задание положения при помощи определения массового расхода смеси через дроссель двигателя, причем более медленное задание положения выполняется на основе квазипостоянного массового расхода смеси, и/или более быстрое задание положения выполняется на основе неустановившегося массового расхода смеси через дроссель двигателя.
Фиг. 1 показывает газовый двигатель 100 внутреннего сгорания, включающий в себя двигатель 10, а также систему впуска с разветвленным участком 30 всасывания. На участке всасывания расположен в частности смеситель 40 газа и для образования наддува наддувочный турбокомпрессор 50, теплообменник 60 наддува, в данном случае в виде охладителя наддувочного воздуха, а также обвод (байпас) 70.
В данном случае двигатель выполнен с шестнадцатью цилиндрами в виде V-образного двигателя с восемью цилиндрами Ai, i=1…8 на стороне А и восемью цилиндрами Bi, i=1…8 на стороне В; этот тип расположения цилиндров и их количество изображены в данном случае лишь в качестве примера. В частности для использования в двигателях большой мощности подходят также исполнения двигателя с десятью, двенадцатью, двадцатью, двадцатью четырьмя или двадцатью восьмью цилиндрами или с другим количеством цилиндров.
В случае альтернативного или дополнительного исполнения в виде двухтопливного двигателя внутреннего сгорания двигатель внутреннего сгорания имеет также показанную пунктиром систему 20 впрыска, которая в данном случае образована в виде аккумуляторной системы впрыска высокого давления (Common-Rail) с аккумулятором 21 высокого давления, от которого несколько линий 22 впрыска - в каждом случае с инжектором 23 и расположенным перед инжектором отдельным накопителем 24 - ответвляются в каждом случае к цилиндру Ai, Bi, i=1…8 двигателя 10. Система 20 впрыска выполнена для того, чтобы порционировать жидкое топливо, как например дизельное топливо, или же другое сжиженное или жидкое топливо, для того чтобы впрыскивать это топливо в дизельном режиме в виде жидкого топлива или в газовом или газожидкостном режиме в виде газожидкостного топлива в каждом случае в начале рабочего цикла цилиндра Ai, Bi; это происходит при очень высоком давлении впрыска. В соответствии с этим двигатель 10 в этом варианте далее имеет аккумуляторную систему 20 впрыска высокого давления (Common-Rail) для жидкого топлива, в данном случае в частности для дизельного топлива, а также наддув 50 с теплообменником 60 наддува, а также с обводом 70 для обхода наддува 50 и теплообменника 60 наддува.
Далее ссылаясь на показанную сплошными линиями существенную часть варианта осуществления, смеситель 40 газа, установленный на входном конце системы впуска на участке 30 всасывания, засасывает наддувочный воздух LL из окружающей среды и примешивает к нему горючий газ BG. Рабочая смесь, обозначаемая в газовом режиме также как смесь горючего газа - в последующем также просто как "смесь Г" - подается с массовым расходом m_Г ("" - этот элемент ссылочной позиции изображен на чертеже для наглядности в виде точки над массой m или другой величиной) под давлением pi всасывания и при температуре Т1 всасывания, которая соответствует по существу температуре окружающей среды, через линию 32 компрессора в компрессор 51 наддувочного турбокомпрессора 50 и там сжимается до давления р2 сжатия при температуре Т2 сжатия. Компрессор 51 приводится в действие турбиной 52 и находится с ней на одной оси 53 компрессора; в свою очередь турбина 52 выхлопного тракта 90 приводится в действие выходящим из двигателя 10 отработанным, (выхлопным) газом AG в выхлопном тракте 90. Нагретый вследствие сжатия до температуры Т2 сжатия массовый расход m_Г смеси Г подается на участок 31 охлаждения участка 30 всасывания и там в теплообменнике 60 наддува проводится через структуру 61 охладителя; в изображенном здесь символично объеме 62 теплообменника происходит теплообмен с охлаждающим веществом в структуре 61 охладителя, так что смесь Г охлаждается. Смесь горючего газа покидает объем теплообменника величиной V3 в охлажденном виде при температуре Т3 наддува и под давлением р3 наддува в направлении участка 33 наддува для подачи смеси Г к двигателю 10.
В модели участка всасывания состояние смеси Г перед компрессором 51 сравнительно полностью задается при помощи режимных величин для давления и температуры, в данном случае температура Т1 всасывания и давление p1 всасывания перед компрессором 51, или после компрессора 51 при повышенном давлении р2 сжатия и повышенной температуре Т2 сжатия с режимными величинами р2, Т2 после компрессора 51, описываются при помощи подходящей модели компрессора; например, согласно уравнению состояния газа, как например для идеального или реального газа. Будучи согласованы с последующими компонентами теплообменника 60 и ресивера 80, как например, с коллектором и/или накопительным участком, большие объемы участка 30 всасывания приобретают согласно концепции изобретения особое значение, так что с ними и с дальнейшим пространством участка всасывания для моделирования дальнейших состояний газа согласуется объем V3 теплообменника или объем V5 ресивера в модели участка всасывания. В соответствии с этим смесь Г горючего газа в объеме V3 теплообменника принимает режимные величины р3, Т3, что происходит вследствие охлаждения и увеличения объема при уменьшающемся давлении р3 наддува и температуре Т3 наддува.
Состояние смеси Г в обводе 7 0 определяется в принципе также в соответствии с режимными величинами p1, Т1 на входе или р3, Т3 на выходе обвода 70 или наоборот в случае рециркуляции через обвод 70; то есть смесь Г_O газа в обводной линии 71 обвода 70 устанавливается в зависимости от преобладающих соотношений давлений и положения байпасного дросселя 72 компрессора - в данном случае согласно установочному углу αБКК байпасного клапана компрессора. Обводная линия 71 может служить в частности для рециркуляции излишней смеси G перед компрессором 51, для того чтобы ее снова сжимать и повторно подавать для сгорания в цилиндрах Ai, Bi двигателя 10.
Перед подачей смеси Г газа в состоянии р3, Т3 к двигателю 10 смесь Г при изменении давления и температуры - согласно объему V5 ресивера до давления р5 в ресивере и температуры Т5 ресивера - направляется согласно проведенному через дроссель 82 двигателя в объем 81 ресивера массовому расходу m_ДД в ресивер 80. В данном случае первый и второй объем 81.В, 81. А ресивера в каждом случае согласованы со стороной В и соответственно стороной А двигателя 10, то есть эти объемы расположены выше по потоку перед цилиндрами Ai, Bi и после первого и второго участка 33.В, 33.А наддува стороны В и стороны А и после объема 62 теплообменника. Дроссель 82 двигателя в данном случае образуется при помощи первого и второго дроссельного клапана 82.В, 82.А двигателя, которые в каждом случае согласованы с первым и вторым объемом 81.В, 81.А ресивера, причем первый и второй дроссельный клапан 82.В, 82.А двигателя могут регулироваться независимо друг от друга; в дальнейшем на них ссылаются, где возможно, обобщенно, как на дроссель 82 двигателя. Объем 81 ресивера следует понимать в качестве суммы первого и второго объема 81.В и 81.А ресивера. В объеме 81 ресивера смесь Г вследствие увеличения объема и в зависимости от положения αДД дроссельных клапанов 82.В, 82. А двигателя принимает в объеме V5 объема 81 ресивера обозначенные посредством р5 и Т5 состояния газа; это происходит в зависимости от проходящего со стороны В или стороны А массового расхода m_ДД,В и соответственно m_ДД,А в зависимости от положения дроссельных клапанов 82.В и 82.А двигателя.
Таким образом, обозначенные посредством pi, Ti, i=1 и 2 или Vj, pj, Tj, j=3 и 5 состояния смеси Г газа определяются по существу в диапазонах, которые заданы компрессором 51, объемом 62 теплообменника и объемом 81 ресивера, или внутри границ, которые заданы дросселем 82 двигателя и байпасным дросселем 72 компрессора или компрессором 51.
Обнаруживается то, что необходимость улучшения существует в регулировке для эксплуатации двигателя внутреннего сгорания в виде газового двигателя 100 внутреннего сгорания, особенно учитывая участок 30 всасывания, который частями более подробно изображен на фиг. 2 при помощи смесителя 4 0 газа и компрессора 51, на фиг. 3 при помощи теплообменника 60 надува, а на фиг. 4 при помощи ресивера 80. В дальнейшем для простоты для идентичных или схожих частей или частей идентичной или схожей функции используются одинаковые ссылочные позиции.
Обнаруживается то, что регулировка массовых расходов m_Г для горючего газа ГГ и m_НВ для наддувочного воздуха НВ в смесителе 4 0 газа в соответствии с коэффициентом LAMBDA_HOM избытка воздуха или стехиометрическим коэффициентом Lcт избытка воздуха может происходить не обязательно с допущением неизменных условий вдоль участка всасывания. Поэтому концепт изобретения учитывает в модели участка всасывания, которая была описана при помощи фиг. 1, по меньшей мере, два больших объема для обобщения объема участка всасывания, а именно объем 81 ресивера и объем 62 теплообменника наддува. В рамках модели участка всасывания участок 30 всасывания моделируется на основе метода наполнения и опорожнения, которые в принципе известны. В этом случае изменения состояний в объемах рассматриваются в качестве почти изотермических. Это упрощает систему посредством ограничения на сохранение массы по сравнению с адиабатическим способом рассмотрения и упрощает в частности одновременный расчет двигателя внутреннего сгорания или его участка всасывания в режиме реального времени. Тем не менее, также может в принципе использоваться адиабатический способ рассмотрения при достаточной вычислительной мощности, для того чтобы моделировать изменения состояний на участке всасывания.
Кроме того, реализуются особые допущения для устройств участка всасывания в рамках дополнительных моделей, в частности в том случае, если измеряемые значения для соответствующего устройства участка 30 всасывания не имеются в распоряжении. Это относится, например, к дополнительной модели компрессора, которая описывает работу компрессора 51 и состояния смеси G перед компрессором при помощи температуры и давления (Г(р1, Т1)) и после компрессора (Г(р2, Т2)).
+
В этом отношении фиг. 2 далее дополнительно показывает массовые расходы m смеси после смесителя 40 газа для доли Г(р1, Т1) смеси, а именно массовый расход m_СМЕШ,ВЫХ смеси. Этот массовый расход подается в компрессор 51, например, в установившемся режиме работы при закрытом байпасном клапане 72 компрессора. Это оказывается, в частности, предпочтительным для предварения или улучшения потенциала наброса нагрузки двигателя 10.
+
+
При открытом байпасном клапане 72 компрессора может также осуществляться рециркуляция излишней смеси Г газа за компрессор 51; это изображается посредством рециркулированного массового расхода m_БКК. В этом состоянии в компрессор 51 подается накопленный массовый расход m_СМЕШ,ВЫХ+m_БКК. Выходящий из компрессора 51 массовый расход m_КОМПР соответствует состоянию Г(р2, Т2) смеси с массовым расходом m_КОМПР смеси. На этой основе можно рассчитывать заданный массовый расход газа из массового расхода смеси, который покидает смеситель 4 0 газа. Для этого может устанавливаться уравнение неразрывности для массового расхода смеси в узловой точке K1 в виде: m_СПЕШ, ВЫХ=m_КОМПР-m_БКК.
-
Как разъяснено и показано на фиг. 2, при сбросе высоких нагрузок может доходить до рециркуляции газовоздушной смеси с массовым расходом m_БКК смеси из смесителя 4 0 газа на сторону воздуха; эта ситуация изображена на фиг. 2 пунктиром. Для предотвращения дальнейшего обогащение горючим газом ГГ при новом впуске может осуществляться накопление рециркулирующей массы m_СМЕШ, ВЫХ газа в накопителе 41, который согласован со смесителем 4 0 газа. Накопитель 41 может ограничиваться целесообразными значениями с точки зрения своих размеров. В расчет массовых расходов смеси входят стехиометрическое необходимое количество Lcт воздуха и заданное значение коэффициента LAMBDA_HOM избытка воздуха. Реализация может осуществляться в блоке регулировки, в основу которого положен соответствующий вычислительный модуль.
Фиг. 3 символично показывает модель для представления уравнения неразрывности для покидающего компрессор 51 массового расхода m_КОМПР смеси для подачи в охладитель ОНВ наддувочного воздуха, который в данном случае изображен в виде теплообменника 60 наддува с объемом 62 теплообменника. Расчет массового расхода смеси, который посредством компрессора 51 поступает в объем емкости между выходом компрессора, а также дросселем 82.В, 82.А двигателя и байпасным клапаном 72 компрессора, получается согласно фиг. 3 в виде изменения по времени m=m_КОМПР-m_ДД-m_БКК. Это уравнение неразрывности, которое символично изображено на фиг. 3 в узловой точке К2, может решаться с принятием определенных термодинамических условий, как например постоянный состав смеси и изотермические условия или адиабатические условия.
Расчет массового расхода смеси, который рециркулирует через обвод 71 компрессора, можно задавать посредством установления функции расхода, например для изоэнтропических потоков. Для этого уменьшенный массовый расход m_БКК может представляться при помощи функции расхода обводной линии 71 компрессора в виде поля характеристик. При этом состав смеси и сжимаемость могут приниматься приблизительно постоянными. Равным образом расчет давления и температуры в охладителе ОНВ наддувочного воздуха может осуществляться посредством простой модели потери давления для охладителя 61 наддувочного воздуха. Например, для этого может осуществляться допущение турбулентного или менее турбулентного потока с указанием подходящего числа Рейнольдса, и может допускаться гладкая труба по Блазиусу.
Расчет температуры в состоянии Г(р2,Т2) может осуществляться на основе поля характеристик коэффициента полезного действия компрессора. Согласно концепту изобретения уравнение неразрывности в узловой точке К2 учитывает в соответствующем вычислительном модуле блока регулировки среди прочего также положения αДД и αБКК дросселей 72, 82.
Далее, ссылаясь на фиг. 4, представлена возможность расчета массового расхода m_ДД смеси, который зависит от положения αДД дросселя 82 двигателя перед трубой ресивера и поступает в объем 80 ресивера; и соответственно покидает его в направлении цилиндров m_ЦИЛ. Это может осуществляться однократно при расчете массового расхода смеси, который поступает через дроссельный клапаны 82.В, 82.А двигателя в объемы 81.В, 81.А ресивера, согласно уравнению неразрывности для узловой точки К3, а именно в виде изменения по времени согласно m_ДД - m_ЦИЛ, например, с принятием постоянного состава смеси и постоянной температуры (изотропные условия). Однако реализация в узловой точке К3 может также осуществляться в рамках разностного уравнения, что разъяснено в последующем при помощи фиг. 5.
Фиг. 5 показывает в рамках блок-схемы также предпочтительный вариант осуществления структуры регулятора регулировки 200 для двигателя внутреннего сгорания, выполненный в частности для того, чтобы во время эксплуатации двигателя внутреннего сгорания вызывать регулировку положения дросселя 82 двигателя, то есть клапанов 82.В, 82.А, и/или байпасного дросселя 72 компрессора для воздействия на долю газовоздушной смеси. Вследствие этого может достигаться целесообразная с точки зрения времени и следующая за динамикой эксплуатации регулировка массового расхода m_ДД смеси для трубы 80 ресивера или массового расхода m_БКК смеси через обводную линию 70 за компрессор 51 в двусторонней зависимости; однако в любом случае предпочтительная по времени регулировка массового расхода m_БКК смеси после массового расхода m_ДД смеси для трубы 80 ресивера.
Целью структуры регулятора 200 является регулировка дроссельных клапанов 72, 82, а именно в частности регулировка угла αБКК согласно заданному значению установочного угла αДД. Для этого массовый расход m_ДД смеси через дроссельный клапан двигателя моделируется на двух различных шкалах времени. В каждом случае в зависимости от него определяется массовый расхода m_БКК смеси через обводную линию 70; один раз на более быстрой шкале времени, исходя из дорожки ДII управления, и один раз на более медленной шкале, исходя из дорожки ДI управления.
Для этого структура регулятора 200 предусматривает первую дорожку ДI управления и вторую дорожку ДII управления. На первой дорожке ДI управления должна определяться, в частности для установившегося режима работы, регулировка угла αБКК байпасного дросселя 72 компрессора в зависимости от регулировки угла αДД дросселя 82 двигателя при помощи первой, более медленной шкалы времени. Согласно второй дорожке ДII управления должна определяться, в частности для неустановившегося режима работы, регулировка угла αБКК байпасного дросселя 72 компрессора в зависимости от регулировки угла αDK дросселя 82 двигателя при помощи второй, более быстрой шкалы времени. Первая или вторая дорожка ДI, ДII управления рассчитана в первую очередь для того, чтобы устанавливать массовый расход m_ДД через дроссель 82 двигателя один раз на более быстрой шкале времени при помощи уравнения расхода места Р4 5Т регулировки и один раз на более медленной шкале времени при помощи метода наполнения и опорожнения места Р45С регулировки.
Первая соответствующая более медленной шкале времени дорожка ДI управления выполнена для того, чтобы устанавливать регулировку дросселя двигателя αДД или массовый расход через дроссель 82 двигателя с определением квазипостоянного массового расхода смеси, по меньшей мере, для объема 81 ресивера. Для этого в данном случае предусмотрен блок Р4 регулировки для описания наполнения цилиндра в устройстве У4 - в данном случае, как показывает фиг. 1, между объемом 81 ресивера и цилиндром Ai, Bi, i=1…8 - и дальнейший блок Р5 регулировки для моделирования объема 81 ресивера; в данном случае это в виде дальнейшего устройства У1, как показывает фиг. 1. Первый блок Р4 регулировки предоставляет массовый расход m_ЦИЛ смеси к цилиндру, более или менее учитывая уравнение неразрывности согласно методу наполнения и опорожнения, как это изображено на фиг. 4. Дальнейший блок Р5 регулировки предоставляет массовый расход смеси через дроссель 82 двигателя в объем 81 ресивера, учитывая уравнение неразрывности согласно методу наполнения и опорожнения для трубы 8 0 ресивера также согласно фиг. 4.
Блок Р4 регулировки назначает число оборотов nД двигателя и давление р5, а также температуру Т5 в объеме 81 ресивера и при помощи поля ПХ характеристик для расхода воздуха определяет коэффициент LAMBDA_a расхода воздуха. В зависимости от этого коэффициента LAMBDA_a расхода воздуха получается назначаемый заданный массовый расход m_ЦИЛ в цилиндр. При помощи дальнейшего блока Р5 регулировки получается изменение квазипостоянного массового расхода смеси для объема 81 ресивера описанным образом. Обе величины могут медленно использоваться дросселем 82 двигателя в узловой точке К3, в данном случае соответственно в месте Р45С регулировки, согласно описанному выше способу назначения для определения назначаемого на более медленной шкале времени квазипостоянного массового расхода m_ДД смеси. Результат подается к месту 210 выбора регулятора 200.
Первая дорожка ДI управления при необходимости может также моделировать более трудоемким образом наддув; например, если наддув оснащен теплообменником наддува, предпочтительно в виде одноступенчатого или двухступенчатого наддува, предпочтительно с рециркуляцией отработанного газа. Так, например, модель участка всасывания может учитывать, по меньшей мере, один массовый расход и/или состояние доли смеси в объеме ресивера и/или теплообменника 61 наддува и/или обводной линии 71. Для этого могут быть предусмотрены дальнейшие, не показанные здесь блоки регулировки, например блок Р3 регулировки для устройства У2, использующий метод наполнения/опорожнения для теплообменника 60 наддува.
Для неустановившегося же рабочего состояния регулятор 200 предусматривает место Р45Т регулировки, которое - в отличие от рассчитанного для моделирования квазипостоянного режима работы места P45S регулировки - решает неустановившийся режим работы в рамках уравнения расхода с учетом положения αДД дроссельного клапана модели, что изображено на фиг. 3. Для этого неустановившийся массовый расход m_ДД_быстр смеси через дроссель 82 двигателя определяется в рамках решения уравнения расхода - при помощи разностных шагов (с конечным размером шагов) или в дифференциальном решении (с бесконечно малыми шагами); учитываются термодинамическое состояние р3, Т3 смеси Г в теплообменнике 60 наддува или термодинамическое состояние р5, Т5 в объеме 81 ресивера.
Другими словами массовый расход m_ДД_быстр смеси через дроссель 82 двигателя может решаться с учетом пространственных аспектов модели участка всасывания на временных тактах во время неустановившегося режима работы. Временные такты могут быть конечными (разностное уравнение) или бесконечно малыми (дифферинциальное уравнение). Это связанное с более высокой вычислительной трудоемкостью определение массового расхода m_ДД_быстр смеси через дроссель 82 двигателя осуществляется на второй дорожке ДII регулятора 200 и также подается к месту 210 выбора регулятора 200. Так называемая частота 1/ТС дискретизации (конечная или бесконечно малая) для дифференциального решения уравнения расхода может регулироваться при необходимости. С одной стороны количество временных тактов ТС за разности или средние значения должно быть настолько велико, что минимизируются шумовые помехи. Кроме того, количество временных тактов ТС должно быть, как это необходимо, настолько мало, чтобы была возможность получать по возможности быстрый отклик дроссельного клапана 82 в режиме реального времени в рамках имеющейся в распоряжении вычислительной мощности.
Место 210 выбора может быть рассчитано для того, чтобы выключать определенное рабочее состояние. Для этого место 210 выбора может включать в себя, например бинарный блок переключателей, который назначает режим работы, если дроссельный клапан 82 целиком или частично, в частности полностью, открыт (ДД=1); в частности в этом случае также имеет смысл выбор неустановившегося метода вычислений. С другой стороны, если дроссельный клапан 82 полностью закрыт (ДД=0), то это может относиться к состоянию, в котором дроссельный клапан закрывается или закрыт, и дальнейший расчет согласованных с неустановившимся рабочим состоянием значений, по мнению заявителя, не имеет смысла.
Кроме того, место 210 выбора может быть рассчитано для того, чтобы уже назначать режим установившейся или неустановившейся работы; например, место выбора назначает неустановившийся режим работы, если дроссельный клапан 82 открыт лишь частично.
Затем в блоке 220 образования разности предусмотрено то, что значение Δ разности (на фиг. 2), например массового расхода Δm_ДД или связанного с ним значения Δp давления, образуется в течение промежутка времени и/или одновременно при помощи дросселя 82 двигателя (Δ=p5-p3). При помощи значение Δ разности может делаться вывод об установившемся или неустановившемся режиме работы двигателя 100 внутреннего сгорания. Например, если значение Δ разности превышает определенную величину, может делаться вывод о неустановившемся режиме работы, или если значение Δ разности ниже определенной величины, может делаться вывод об установившемся режиме работы.
Затем в логическом блоке 230 регулятора может быть предусмотрено, проверять под "1", находится ли значение Δ разности (например, разность Δ=p5-p3 давления) или разность массового расхода m_ДД выше порогового значения. В логическом блоке 230 может также проверяться, претерпевает ли или претерпевало ли значение Δ разности изменение знака в пределах определенного промежутка времени. Это определение предпочтительно осуществляется в зависимости от сигнала выбора места 210 выбора; то есть предпочтительно образуется значение ΔS или ΔΤ разности либо для квазипостоянной величины m_ДД_медл, либо для переходной величины m_ДД_быстр. Вследствие адаптированной таким образом шкалы времени предотвращается в частности колебание или слишком медленная динамика регулировки.
Если в дальнейшем блоке 240 регулировки закрытие обводной линии 71 посредством закрытия байпасного дросселя 72 компрессора не нужно назначать (БКК=0), то в дальнейшем шаге может задаваться массовый расход m_БКК,НОМ смеси посредством решения представленного на фиг. 3 неразрывного потока; то есть если (БКК=1) ожидается в блоке 240 регулировки.
Преимуществом показанной на фиг. 5 структуры регулятора 200 является то, что в зависимости от выбора в месте 210 выбора в установившемся режиме работы при помощи массового расхода m_ДД_медл может устанавливаться сравнительно точный сигнал массового расхода m_БКК,НОМ. Это реализуется при помощи модели участка всасывания, которая в установившемся режиме работы также соответствует изменению во времени в реальной системе двигателя 100 внутреннего сгорания.
Если же, например, вследствие сигнала выбора (ДД=1) задан неустановившийся режим работы двигателя внутреннего сгорания, и это подтверждается в частности посредством образования разности в месте 220 регулировки, то при помощи заданного массового расхода через байпасный клапан 72 компрессора может сравнительно быстро задаваться положение αVBP дроссельного клапана в зависимости от положения αDK клапана двигателя. Это приводит к практически синхронно вызываемой реакции обводной линии 71 на дроссель 82 двигателя.
Затем в случае выбора ДД=1, из заданного значения положения аВКК обвода компрессора и состояний р3, Т3 смеси в теплообменнике 60 наддува или состояний p1, Т1 перед компрессором 51, в блоке Р1 регулировки с использованием уравнения дросселя может делаться вывод о положении αБКК, неуст байпасного дросселя компрессора. Это также происходит в рамках представленного на фиг. 3 уравнения неразрывности и/или с учетом метода наполнения и опорожнения; в этом имеющемся случае массовые расходы m_КОМПР, m_ДД и m_БКК являются актуальными. Другими словами заложенное в блоке Р1 регулировки уравнение дросселя для байпасного дросселя 72 компрессора может осуществляться либо в зависимости от квазипостоянного, более медленного, массового расхода через дроссель 82 двигателя (дорожка ДI управления), либо же в зависимости от сравнительно быстрого сигнала массового расхода смеси через дроссель 82 двигателя из второй дорожки Д11 управления. В первом случае получается сравнительно точная регулировка αБКК байпасного дросселя 72. Во втором случае получается регулировка αБКК, неуст байпасного дросселя 72, реагирующая очень быстро на положение αДД дросселя 82 двигателя.
Таким образом, в частности в последнем случае предотвращено то, что при закрытии дросселя 82 двигателя доходит до нагнетания компрессором, если компрессор 51 работающего на выхлопном газе турбонагнетателя благодаря быстрому уменьшению поданного им массового расхода m_КОМПР газа эксплуатируется непродолжительное время за пределами своего рабочего диапазона. Благодаря быстрому - в рамках изображенной здесь структуры регулятора 200 гарантированному - открытию байпасного клапана 72 компрессора может предотвращаться нагнетание; а именно ввиду того, что массовый расход m_БКК обвода компрессора при закрытом дросселе 82 двигателя делает возможным быстрый отвод давления р3 через обводную линию 71.
С другой стороны потенциал подключения нагрузки газового двигателя 100 может улучшаться посредством закрытия байпасного клапана 72 компрессора, если он, например в квазипостоянном режиме работы (m_ДД_медл) был открыт (ДД=0 в месте 210 выбора). Необходимость регулировки байпасного дросселя 72 проистекает из последовательности места 220 разности и логического места 230 в регуляторе 200; действие байпасного дросселя 72 осуществляется только при незакрытом положении, и если давление или знаки (+/-) подвергаются существенным изменениям.
В качестве примера следует указать массовый расход m_ДД через дроссель 82 двигателя для различных величин частот ТС дискретизации при решении уравнения расхода в блоке Р4 5Т регулировки. Первое скорей всего отпадающее решение для частоты ТС_бол дискретизации (со сравнительно большими шагами) по-видимому, практически отображает результат квазипостоянного изменения массового расхода смеси. Вторая возможность заключается в том, что частота дискретизации была выбрана слишком большой (со сравнительно небольшими шагами); в данном случае регулятор 200 в качестве системы реагировал бы слишком быстро. Это привело бы к сильно изменяющейся настройке регулятора, которая очевидно надежно не отображает реальный режим работы, в частности со слишком крутыми и слишком сильно колеблющимися градиентами.
Если же выбор частоты дискретизации приблизительно находится в диапазоне шкалы времени фактического неустановившегося изменения, то массовый расход смеси через дроссельный клапан 82 точно отображается в рамках второй дорожки ДII управления. В этом случае может осуществляться практически синхронная реакция обвода 70, если место 210 выбора делает вывод о неустановившейся оценке положения.