阅读说明：本技术 内燃机和用于运行内燃机的方法 (Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine ) 是由 G.阿尔诺德 E.安普拉茨 H.科佩切克 H.绍姆贝尔格 N.施皮拉 于 2015-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种内燃机,所述内燃机具有：至少一个燃烧室(2),空气(L)、可燃气体(B)以及稳定气体(S)能输入该燃烧室；用于测量至少一个发动机参量(λ、p)的至少一个传感器(3、14)；以及控制或调节装置(4),该控制或调节装置与所述至少一个传感器(3)连接,其中,向所述至少一个燃烧室(2)输入的稳定气体(S)的量可借助于控制或调节装置(4)依据所述至少一个发动机参量(λ、p)来控制或调节。(The invention relates to an internal combustion engine having at least one combustion chamber (2) into which air (L), a combustible gas (B) and a stabilization gas (S) can be fed, having at least one sensor (3, 14) for measuring at least one engine variable (lambda, p), and having a control or regulating device (4) which is connected to the at least one sensor (3), wherein the amount of stabilization gas (S) fed into the at least one combustion chamber (2) can be controlled or regulated by means of the control or regulating device (4) as a function of the at least one engine variable (lambda, p).)

内燃机和用于运行内燃机的方法

本申请是于2015年5月8日提交的中国发明专利申请(申请号为201510488843.5)的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征的内燃机以及一种根据权利要求9的前序部分的特征的用于运行内燃机的方法。

背景技术

存在内燃机的一系列使用，其中，这些内燃机利用燃料来运行，所述燃料具有相对低的热值和此外局部强烈变化的热值。将燃气发动机作为具体的实例，该燃气发动机利用所谓的低BTU燃气来运行，所述低BTU燃气例如源自煤矿。因为该低BTU燃气（BTU：英国热量单位）不仅具有低的热值，而且具有强烈变化的热值，所以给该可燃气体掺入稳定气体是现有技术，当可燃气体暂时具有很低的热值时，所述稳定气体也确保了燃烧。这例如在申请人的产品系列（Baureihe）6，型号（Model）620 E51中得以实现。

在此，所述掺入如此进行，使得正好仍满足这种确保燃烧的条件。在此应当节约使用稳定气体，因为所述稳定气体必须得购买并且由于其更好的可燃性而大都比可燃气体更为昂贵。

在此，优选将包含氢气和/或包含甲烷的气体、例如纯氢气或者纯甲烷以及天然气或者煤气用作稳定气体。但是原则上可以将能够实现内燃机的持久运行的各种气体用作稳定气体。

从上述的尽可能少地使用稳定气体的追求中得出另一种研发方案。已知的是，在输入内燃机之前持续测量可燃气体的组成，并且从中确定恰好当前的热值。当可燃气体刚好具有特别小的热值时，可以按这种方式有针对性地输入更多的稳定气体。在此不利的是，用于分析可燃气体所必需的测量仪器、例如气相色谱仪或者质谱仪的成本相当高。这些分析方法是相对迟缓的，从而在可燃气体的热值快速变化时，不可能精确按照要求地掺入稳定气体。此外，它们是昂贵的并且存在提高的失效风险，从而又必须回到开头所述的恒定掺入稳定气体的方法。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种内燃机以及一种用于运行内燃机的方法，其中，在燃烧具有可变的和/或过低的热值的可燃气体时能够实现安全的运行以及稳定气体的高效的使用。

该任务通过一种具有权利要求1的特征的内燃机以及通过一种具有权利要求9的特征的方法来解决。

这通过以下方式来进行：依据所述至少一个发动机参量控制或调节向所述至少一个燃烧室输入的稳定气体的量。

因此，本发明基于如下认识：在很多情况下已经在内燃机上存在的传感器能够用于检测燃烧的品质。因此，本发明允许，在用于测量元件的耗费基本保持不变的情况下，高效且目标明确地使用稳定气体。

同样在相反的情况下（在该情况下可燃气体具有对于所述内燃机来说过高的热值）可以借助于稳定气体来确保稳定运行。通过在此使用具有较低热值的稳定气体可以实现的是，在燃烧室中始终存在具有对内燃机来说可接受的热值的气体混合物。

此外，当可燃气体的其它参数对于现有的内燃机来说不合适时，也可以根据本发明使用稳定气体。在此，一个重要的实例是火焰传播速度。也就是说，如果存在具有过低（过高）的火焰传播速度的可燃气体，那么就可以将具有较高（较低）的火焰传播速度的稳定气体掺入，以便总体上为内燃机提供具有恰当的火焰传播速度的混合物。

如果可燃气体的多个参数对于内燃机来说都不合适，那么当然也可以使用多种不同的稳定气体，以便适配待燃烧的气体。

所有参照现有技术所讨论的对同类型的内燃机或者同类型的方法的可能的使用也可以在根据本发明的内燃机或方法中考虑。

本发明的其它有利的实施方式在从属权利要求中限定。

优选地，本发明可以用在具有8、10、12、16、18、20、22或者24个气缸的燃气发动机中。

优选地，本发明用在特别是外源点火的固定式内燃机中，所述内燃机优选与用于发电的发电机耦联或者用于直接驱动机器、特别是泵和压缩机。

向所述至少一个燃烧室输入的稳定气体、可燃气体或者空气的量优选可以理解为气体的物质量。原则上，例如可以将根据基于质量的量概念的参量用于控制或调节。但是，例如也可以将各气体的量经由它们的化学能量含量来给出。

可以优选这样一种实施方式，在该实施方式中，设有λ探测器用以测量λ值（过量空气系数）作为发动机参量，所述λ探测器与控制或调节装置连接。λ探测器优选可以设置在排气歧管中。于是，在控制或调节稳定气体的输入时可以使用所测量的λ值。

在输入管中，λ值同样可以经由测量氧含量来确定并且被提供给发动机调节器。

备选地或附加地，λ值可以借助于氧气传感器来确定，因为从氧气传感器的测量值中可以推断出λ值。当然也可以使用其测量值允许确定λ值的其它传感器。可列举一氧化碳探测器作为实例。

此外，可以优选这样一种实施方式，在该实施方式中，设有至少一个传感器用以测量在燃烧期间位于所述至少一个燃烧室中的由可燃气体、稳定气体和空气形成的混合物的至少一个压力作为发动机参量，所述至少一个传感器与控制或调节装置连接。从如此检测的气缸压力中能够计算时间参量，该时间参量表征在所述至少一个燃烧室中的气体的燃烧速度。在控制或调节稳定气体时也可以按有利的方式考虑这样的时间参量。

在本公开文件中提到压力传感器的任何地方同样可想到使用

——离子流传感器或者

——用于检测在所述至少一个燃烧室中的温度的传感器。

利用这些传感器的测量值同样能够推断出特征性的燃烧曲线。

在本发明的一种特别优选的实施方式中，为每个燃烧室设置恰好一个传感器、特别是压力传感器。以这种方式能够为每个燃烧室计算单独的时间参量。在另一种优选的实施方式中可以规定，经由这些单独的时间参量求取平均值或者计算单独时间参量的中值，以便改善要计算的时间参量的精确性。但是也可想到，单独控制或调节用于每个燃烧室的稳定气体的掺入。

在确定时间参量和/或单独时间参量时可以动用所谓的“已燃质量分数”（MFB）。对于MFB的定义参考在海伍德的专业著作《内燃机原理（Internal Combustion EngineFundamentals）》（麦格劳·希尔，1988）的章节9.1和9.2、特别是9.2.1和9.2.2。可将MFB达到其最大值的被定义的份额时的时刻用作时间参量和/或单独时间参量。该份额的对于本发明来说优选的值在30%至80%之间、特别是在40%至65%之间并且特别优选是50%。以这种方式所产生的时间参量和/或单独时间参量称为MFB50（在份额为50%的情况下；在其它选择的份额的情况下相似）。

所述份额也可以在0%至10%之间。那么时间参量和/或单独时间参量称为点火延迟。对于点火延迟的定义参考在海伍德的专业著作《内燃机原理（Internal CombustionEngine Fundamentals）》（麦格劳·希尔，1988）的章节9.2.3。

在本发明的一种特别优选的实施方式中可以规定，在燃烧期间，借助于所述至少一个压力传感器测量在所述至少一个燃烧室中的压力曲线并且将其用于计算时间参量。这优选可以通过经由所述至少一个压力传感器来测量多个压力值来进行。每次燃烧由所述至少一个压力传感器提供的压力值越多、也就是说所测量的压力曲线的时间分辨率越高，就可以越精确地计算从中所确定的时间参量。

这尤其适用于该实施方案的下述的进一步扩展方案。可以规定，将热曲线作为压力曲线和拖曳压力曲线的差来计算，以及将累积的热曲线作为热曲线的积分来计算，并且将累积的热曲线用于计算时间参量。拖曳压力可理解为，在没有燃烧的情况下燃烧室中的压力的曲线。例如在活塞-气缸单元的情况下，在拖曳运行中，即使不发生燃烧，压力也周期性地变化。拖曳压力曲线可以实验地、利用仿真或者通过解析计算来确定。通过该实施方式可以检测在燃烧室中的精确的燃烧曲线。

在MFB基础上的时间参量或者单独时间参量可以从热曲线中以如下方式简单地确定：将累积的热曲线达到其最大值的定义的份额时的时刻用作时间参量或者单独时间参量，所述，该份额在30%至80%之间、优选在40%至65%之间并且特别优选是50%。

备选地或附加地也可以使用在0%至20%之间的份额。在该情况下，将时间参量或者单独时间参量称为点火延迟。

点火延迟的使用可以是有利的，因为在燃烧开始时，在气缸中存在（例如与燃烧中心的时刻相比）相对简单的流动情况。对此的前提条件是在燃烧过程开始时对于所述至少一个压力传感器来说足够高的压力水平。

但是也可以按其它的型式来计算时间参量。列举如下几个实例：

——微分化的热定律（Heizgesetz）的最大值，

——确定微分化的热定律的面中心，

——气缸压力的峰值的位置（以这种方式能够非常简单地确定燃烧中心），

——评价气缸压力边沿（Zylinderdruckflanken）（在对附图的描述中对这种方法作简短地论述，见图3）。

在本发明的一种特别优选的实施方式中可以规定，不仅使用λ探测器而且使用设置在所述至少一个燃烧室中的至少一个压力传感器。但是也可想到的是，代替利用λ探测器测量λ值，而从所述至少一个压力传感器的测量值中计算λ值。

附图说明

根据附图以及与之相关的对附图的说明可得到本发明的其它优点和细节。在此示出：

图1示出根据本发明的内燃机的示意图，

图2a和2b示出用于确定在第一实施方式中的时间参量的两个曲线图，

图3示出用于确定在第二实施方式中的时间参量的曲线图，以及

图4示出根据本发明的内燃机或者说根据本发明的方法的调节方案。

具体实施方式

内燃机1具有可燃气体B以及稳定气体S的输入端。可燃气体B经由可燃气体输入管路11输入第一混合装置7。此外，空气L经由空气输入管路12输入第一混合装置7。在第一混合装置7中制成的预混合物输入第二混合装置8中。在第二混合装置8中将稳定气体S经由稳定气体输入管路9掺入预混合物，从而形成主混合物，该主混合物输入燃烧室2。纯示例性地示出十个燃烧室2。但是，燃烧室2的数量对于本发明自身不具有重要性。为了清楚起见，并非所有的燃烧室2而且并非所有的压力传感器3都设有附图标记。

主要在矿气或者瓦斯的情况下，空气输入管路12和可燃气体B的输入端可以不同于所示地进行互换，从而也就是说可燃气体B自由流入，而空气经由调节阀10计量地进入。

在该实施例中，各燃烧室实施为活塞-气缸单元。设有一个涡轮增压器16。也可设有多个涡轮增压器16（未示出）。

涡轮增压器16在压缩机侧具有旁通阀17并且在涡轮侧具有废气门18。借助于该废气门能够快速地影响增压压力和增压空气量，从而能够调节内燃机1的功率输出和排放。

在该实施例中，内燃机1驱动用于发电的发电机5。

与调节装置4连接的λ探测器14位于排气管路20中。对于调节装置4的工作原理请参照图4。

为每个燃烧室2分别设有一个压力传感器3，所述压力传感器在各燃烧室2中测量在燃烧期间的压力曲线。测量值传递给调节装置4，该调节装置由此实施时间参量的计算。这根据在更下文借助于图2a和2b描述的方法来进行。

除了λ探测器14和压力传感器3的各测量值之外，为调节单元4提供增压压力传感器6的、增压温度传感器19的以及在发电机5上的功率传感器15的测量值。调节装置4对在可燃气体输入管路12以及稳定输入管路9中的调节阀10施加影响。在该实施例中，所述调节阀实施为体积流量调节阀。

备选于在前面段落中所描述的使用增压温度传感器19，也可以使用增压空气量传感器。

此外，调节装置4对节流阀13、在压缩机侧的旁通阀17以及废气门18施加影响。

燃烧室和它们的点火装置可根据现有技术来实施。当然可以将本发明与其它已知的技术进行组合。例如可以毫无问题地实施废气再循环或者废气重整。

在图2a中示出由压力传感器3测量的压力曲线DV。在此，将相应活塞的位置用作时间单位。该位置通过曲轴的相应曲拐的位置来给出，其中，0°表示活塞的上止点。

此外，图2a示出当气缸中的气体未被点燃时所产生的拖曳压力曲线SV、即气缸压力的曲线。拖曳压力曲线在这种情况下已被解析计算。压力曲线DV和拖曳压力曲线SV的差能够计算热曲线HV，该热曲线在图2b中示出。此外，在该图中示出累积的热曲线kHV，该累积的热曲线是热曲线HV的积分。将标识了达到累积的热曲线的最大值的50%（称为MFB50（已燃质量分数50 %））的曲轴位置用作时间参量。

在专业文献（海伍德的《内燃机原理（Internal Combustion EngineFundamentals）》，1988，387页及以下）中描述了所述热曲线HW。

当然，其它的百分数也适合于定义时间参量。

MFB50也称为AI50（角积分的50 %）。

图3示出用于从压力曲线DV中确定时间参量的另一种实施方式。在此，确定压力曲线的最大值并且确定点P1，该点以偏移V在压力曲线DV的弯曲处上的压力最大值前方。然后确定第二点P2，该第二点在压力曲线DV的右侧边上并且具有与P1相同的压力值。在该方法中可以通过移动平均值来确定点P1和P2，这提高了精确性。

将在点P1和P2的两个时间坐标之间的值用作时间参量或者单独参量，其中，在大多情况下使用50%分位。当然也可想到其它的分位（40%到60%、30%到70%）。

接下来按照图1中的实施方式阐述对内燃机1的调节。根据λ值λ也或者直接根据氧含量，经由调节装置4调节对可燃气体B和稳定气体S的需求量。

经由λ探测器14的调节优选与经由燃烧传感器（例如压力传感器3）的调节进行结合，以便保证最佳稳定且稳健的发动机运行。

控制或调节能够如此实施，使得如果时间参量超过一定的极限值，那么就（在比例保持相同的情况下）输入更多的可燃气体和稳定气体。如果λ值λ不在可接受的范围内，那么将可燃气体B与稳定气体S的比例进行适配。

因此，所述调节能够确保，内燃机1始终利用λ值λ>1.0的气体-空气混合物运行，这对于稳定的运行以及对于低排放和合理的效率来说是有利的。

在图4中示出相应的调节方案。

在调节装置4中储存了用于AI50的理论值（称为AI50_Soll）以及最小的λ值λ_min。

将测量值λ与λ_min比较并且将结果输入给比例调节器31。（在本实施例中λ_min=1.1）。

比例调节器31的使用对于本发明来说不是重要的。也可以使用其它的调节器类型或者特性曲线族。

于是，由比例调节器31产生的将可燃气体B与稳定气体S的比例参量化的值X被饱和器33保持在预先规定的饱和极限X_sat之下（例如X<=0.2）。（X是在0至1之间的值并且被定义为稳定气体S的物质量与稳定气体S和可燃气体B的全部物质量的比例）。也就是说，如果值X大于X_sat，那么饱和器33用X_sat替换X。如果饱和器33的输入值为负，那么也发生类似的情况，也就是说在输入值为负时饱和器33输出X=0。

如果由比例调节器31产生的值X达到饱和极限X_sat（例如X_sat = 0.2），那么内燃机1的功率此外与偏差X-X_sat成比例地减小。为简单起见，未示出自身已知的功率调节回路。

将值X用作用于所输入的稳定气体的量的基础。1-X用作用于所输入的可燃气体的量的基础。

为了更好地理解而给出一个数值实例。如果所测量的λ值λ等于最小的λ值λ_min，即λ=λ_min，那么就给比例调节器31输入值0，该比例调节器不变地将该值进一步提供给饱和器33。因为0在饱和器33的所允许的值域内，所以从该饱和器输出X=0。现在如果燃气组成改变，从而所测得的λ值变为λ=1.0，那么在λ和λ_min之间的比较得出值0.1。对于该数值实例来说，相应的比例调节器31的常量等于1。饱和器33因此同样获得值0.1。因为0.1同样位于饱和器33的所允许的值域内，所以该饱和器输出X=0.1。也就是说，在该情形下掺入10%的稳定气体S（关于总物质量或者稳定气体S和可燃气体B的能量含量）。

将AI50_Soll与通过压力传感器3确定的实际的AI50进行比较并且输入给决策单元31。所述决策单元31确定，在实际的AI50和AI50_Soll之间的偏差是否超过一定的极限值（例如：| AI50 - AI50_Soll | >3°）。

如果是这种情况，那么就将该偏差例如提供给另一个比例调节器32，并且借助于在所述另一个比例调节器32之后得出的结果将稳定气体S和可燃气体B的量以相同的因数作改变。这在本实施例中通过倍增器34进行。

备选地或附加地，也可以干预稳定气体S和可燃气体B的比例。也就是说，不同于在前面段落中所描述的，不将各气体的物质量或者能量含量以相同的因数作改变。

作为结果，将待输入的稳定气体Ys的和待输入的可燃气体Y_B的物质量输出给调节阀10。