带有气体混合器的配量装置和用于控制混合物形成的方法与流程

本发明涉及一种带有气体混合器的配量装置，在气体混合器的混合腔中将可燃气体配量给空气质量流，其中控制单元根据气体发动机的空气质量流量、气体温度、发动机转速和/或发动机负荷控制配量，以及涉及一种用于控制混合物形成的方法，利用高动态压力调节器实现将适合作为燃料的气体配量给被空气质量流流过的气体混合器。

背景技术：
为了确保气体发动机(Gasmotor)的最佳运行，必须给气体发动机输送燃气-空气混合物，其混合比例根据发动机转速、发动机负荷和另外的运行条件来调节。在现代的天然气发动机(如其也应用于机动车)中，在气体混合器中形成的混合物例如可经由共轨喷射系统被输送给气体发动机的各个气缸。从文件DE19654699B4中说明用于内燃机的混合物形成，其中，使用气态的燃料、例如天然气作为燃料。在气体混合器中将可燃气体混合给空气质量流。气体供给在此借助于盘形阀(Tellerventil)来控制，其可与矩形信号的脉宽成比例地来操纵。气体混合器中的混合物形成这里借助于气体量调节来执行。

技术实现要素：
本发明目的在于说明一种用于气体发动机的带有气体混合器的配量装置，其具有尽可能简单的结构且使压力调节的混合物形成成为可能。此外，本发明另一目的在于说明一种用于与气体混合器相联系地控制混合物形成的方法。该目的(就其涉及配量装置而言)利用这样的带有气体混合器的用于气体发动机的配量装置来实现，即在气体混合器的混合腔中将可燃气体配量给空气质量流，其中控制单元根据气体发动机的空气质量流量、气体温度、发动机转速和/或发动机负荷控制配量，其中高动态的压力调节器将气体供应到围绕混合腔的环形室中，配量孔从环形室通向混合腔，配量孔的孔径设计成使得在配量孔中存在超临界的气体流动。另一涉及方法的目的利用这样的用于控制在使用高动态压力调节器的情况下在配量装置中实现的用于气体发动机的运行的混合物形成的方法来实现，即利用高动态压力调节器实现将适合作为燃料的气体配量给被空气质量流流过的气体混合器，其中在考虑相应当前的空气质量流且在考虑发动机转速和发动机负荷的情况下，借助于超临界的气体流动以压力调节的方式实现可燃气体的配量。根据本发明，配量装置装备有气体混合器，在其混合腔中将气体经由高动态的压力调节器配量给空气质量流。压力调节器将气体供应到围绕混合腔的环形室中，从那里气体经由配量孔(Dosierungsbohrung)到达混合腔，其孔径设计成使得在配量孔中产生超临界的气体流动。如从气体动力学已知，在超临界的气体流动中流速仅取决于气体的压力和温度。因此，至混合腔的气体配量可经由配量孔非常简单地借助于压力调节器来调节。作为压力调节器为此可使用传统的压力调节的、高动态的、可变的压力调节器，其例如可利用脉宽调制的信号来控制。从环形室通向混合腔的配量孔优选地以相同的角距分布地围绕混合腔来布置。以该方式确保在混合腔中均匀的气体混合物形成。用于控制压力调节器的压力传感器和温度传感器优选地布置在所提及的环形室中并且将对于压力和温度的测量信号传输到控制单元处，其也根据发动机转速和发动机负荷控制压力调节器。经由压力调节器如此来调节环形室中的压力，使得相应所需的气体量作为超临界的气体流动到达混合腔中。传统的压力调节器(其可经由脉宽调制的控制信号来控制)可无问题地结合根据本发明的气体混合器被用于压力调节。但是也可使用可数字地或者以其它方式控制的压力调节器。混合腔可非常简单地构造为管截段(Rohrabschnitt)，其具有在其整个长度上恒定的流动横截面。气体混合器因此包含非常简单的整体结构，由此相应成本有利的制造是可能的。由于恒定的横截面，气体混合器无压力损失地工作。为了以大约200kW的功率运行商用车发动机，从环形室通向混合腔的配量孔可具有大约1.2mm至2.0mm的孔径，其中，那么典型地在环形室与混合腔之间均匀分布地布置有8至12个配量孔。孔径无论如何被选择成使得在配量孔中保证超临界的气体流动。在根据本发明的方法中，从相应当前的空气质量流量来计算可燃气体对于所需的气体量流量的配量，从此又在考虑当前的气体温度的情况下来确定必需的气体压力。然后借助于模拟的或数字的控制信号可相应地来控制压力调节器。在此可使用脉宽调制的信号作为模拟的控制信号，其脉宽是用于压力调节的模拟量。为了提供用于操控压力调节器的合适的脉宽调制的控制信号，根据本发明的一优选的改进方案设置成，相对于所测量的或者所计算的空气质量流量由规定的空气系数(Luftverhaeltnis)来确定气体质量流量并且由此在考虑气体温度的情况下来确定理论压力值和由此脉宽调制的第一预控制信号。通过理论压力值与实际压力之间的理论-实际比较可产生脉宽调制的第二预控制信号，其被与第一预控制信号以一定比例相联系，以便那么由此导出用于操控压力调节器的实际的控制信号。在此，调节特性(Regelverhalten)可与PID调节器相联系地被与不同的发动机或者发动机特征参数相匹配。在现代汽油发动机中常用的Lambda调节确定调节因素，其由于气体质量流量与气体压力之间的线性关系可直接被与第一理论压力值相乘。在此也可应用带有因素fra(适应性因素)、fr(快速调节因素)和rka(适应性加数(Summand))的适应性的Lambda调节。从所产生的理论压力值经由特性曲线来计算预控制占空比(Vorsteuertastverhaeltnis)。借助于PID调节器所产生的调节压力值可以以简单的方式通过加载以转换因素(Umwandlungsfaktor)被转换成相应的脉宽调制的信号，其可与预控制占空比一起被用于产生所引起的占空比。相对于传统的用于气体发动机的混合物形成的系统，利用本发明通过更少数目的构件实现显著的成本节约。气体混合器极其紧凑，使得与同样紧凑的压力调节器相联系需要特别小的空间需求。通过从配量孔至混合腔的高的流入速度获得对于燃气-空气混合物的高均匀化程度(Homogenisierungsgrad)。此外通过改进的Lambda跟踪可在动态的运行中实现有害物质排放减少。此外在气体混合器中不需要产生损失的构件，由此避免不必要的压力损失且实现气体发动机的更高的功率和改善的效率。附图说明接下来根据在附图中所示的实施例来详细阐述本发明。其中：图1显示用于操控压力调节器的控制部的方块图以及图2显示带有压力调节器和用于气体发动机的混合物形成的超临界的气体混合器的配量装置的方块图。具体实施方式用于提供脉宽调制的控制信号Spw(利用其来控制气体发动机的气体混合器中的混合物形成)的控制部的在图1中简化地示出的方块图在输入侧在控制单元SE处检测空气质量流量mL、气体温度TGas、发动机转速n和发动机负荷r。从Lambda特性场KF1中经由r和n来计算所属的气体质量流量。在考虑气体温度的情况下由此来计算第一理论压力值Psoll-roh。从Psoll-roh借助于Lambda调节来计算待调节的理论压力Psoll。借助于特性场KL现在从理论压力Psoll来确定脉宽调制的第一预控制信号S1pw。此外，在比较器1中来比较理论压力Psoll与所测量的实际压力Pist，比较器1将比较结果传输到PID调节器2处。在PID调节器2的调节器输出处将该调节压力值Pr发出到转换器3处，其将调节信号转换成脉宽调制的第二预控制信号S2pw。调节压力值Pr被加载以转换因素F，利用其将调节压力值Pr转化成带有与该转换因素F成比例的占空比的脉宽调制的第二预控制信号S2pw。预控制信号S1pw以及S2pw在评估装置4中被相互联系用于产生脉宽调制的控制信号Spw。限制器5可将控制信号Spw限制到可调节的最小值MN和可调节的最大值MX上，这意味着控制信号Spw的最小和最大脉宽被限制到相应的值MN和MX上。在评估装置4中例如可如此使这两个预控制信号S1pw和S2pw相互联系，即从这两个信号脉宽来确定平均值用于形成脉宽调制的控制信号Spw。但是原则上这两个预控制信号的其它评估也是可能的，使得例如预控制信号S1pw仅以较小的百分比影响输出侧的控制信号Spw。PID调节器2具有三个输入，其可输入用于比例分量(KP)、积分分量(KI)和微分分量(KD)的增益因素KP、KI、KD。由此PID调节器2在其调节特性中通过增益因素的合适的选择被调节到不同的边界条件上。在图1中简化地示出的控制部也可以是发动机控制器的部分。所示出的用于提供控制信号Spw的方法示出一可能的实施形式。在图2中示出的方块图包括例如两个高压存储器HD1和HD2，其经由截止阀V1、V2和高压管路L1联接到高动态的、可变的压力调节器RP处。压力调节器RP在输出侧经由压力管路L2将气体以所调节的气体压力供应到混合器7的环形室6中。借助于控制器8根据空气质量流量9、Lambda传感器10的Lambda信号且根据环形室6中的压力和温度来调节压力管路L2中的气体压力。压力和温度由温度传感器11和压力传感器12(其伸入环形室6中)传输给控制器8。控制器8在输出侧控制压力调节器RP，其为了压力调节主要包含调整元件(Stellglied)13。高压截止阀V3和低压截止阀V4同样由控制器8控制。此外，在通向气体混合器7的压力管路L2处设置有过压阀14。调整元件13是传统的压力调节器RP的部分，其例如可利用脉宽调制的控制信号Spw(其与图1相联系地来说明)来控制。气体混合器7具有由管截段构成的混合腔15，其经由多个分布在周缘处地布置的配量孔16与环形室6处于流体连接中。在配量孔16中存在超临界的气体流动，从而可根据温度传感器11和压力传感器13的测量信号来控制压力管路L2中的气体压力且因此直接控制流动通过配量孔16的气体量。在超临界的流动中，流速仅取决于环形室6中的压力P和温度T。