专利名称：内燃机以及发动机调节装置的制作方法
技术领域：
本发明一方面涉及一种用于运行固定式内燃机的方法，尤其是燃气 发动机，内燃机包括一个具有可变的压缩机几何尺寸的压缩装置，该压 缩装置压缩供给内燃机的燃气，以及包括一个连接在压缩装置下游的节 流装置，借助该节流装置可以改变供给内燃机的压缩燃气的量，其中， 内燃机通过操纵至少两个调整机构进行调节。另一方面，本发明涉及一 种用于调节固定式内燃机的至少一个发动机调节参量的调节装置，内燃 机包括一个压缩装置和一个节流装置，其中，通过调节装置可以影响至 少两个调整机构。最后，本发明涉及一种固定式内燃机，尤其是燃气发 动机，包括一个具有可变的几何尺寸的用于压缩供给发动机的燃气的压 缩装置和一个连接在压缩装置下游的用于限制供给内燃机的压缩燃气量 的节流装置，以及一种具有一个这样的内燃机的发电机。
背景技术：
为了在内燃机中调节一个发动机调节参量，如功率或转速，内燃机 如内燃发动机，尤其是固定式燃气发动机，大多在内燃机上提供多个调整机构。首先操纵在吸气通道(Ansaugtrakt)内作为调整机构的节气门。 在增压式内燃机中，可例如附加地通过一个可控制的阀(回流阀 (Umblaseventil))作为第二调整机构影响功率和转速，它平行于压缩机 设置在内燃机的吸气通道中。在EP0 757 169 Bl中例如建议了 一种调节， 其中，在功率或转速不同时的不同运行状态下，发动机调节参量通过分 别控制一个调整机构进行调节。在这里由一个配属的调节器始终只是调 整一个调整机构，而另一个调整机构保持处于固定位置。作为调节发动 机参量的各自的调整机构，EP0 757 169 Bl具体建议改变节气门位置和 回流阀开度。在以不同运行状态下运行时，这种调节业已证实是有利的。 此类固定式内燃机通常考虑用于在单机运行或应急发电运行时获得
电流或用于并网运行。取决于具体的运行，需要将内燃机的输出功率或 转速保持为常数。由一种这样的内燃机直接或间接驱动的电气设备的易 受干扰性和越来越高的敏感性，要求将各自的发动机调节参量即使在变 换的状况下也以最高精度保持恒定。状况变换可能例如由于干扰影响或 负荷改变引起。发明内容因此本发明的目的是，创造一种前言所述类型的方法和装置，借助 它们，每一个确定的例如恒定的发动机调节参量都可以获得一种更高的 调节精度。此目的通过独立权利要求的特征达到。用于运行固定式内燃机相应的方法，尤其是燃气发动机，内燃机包 括一个具有可变的压缩机几何尺寸的压缩装置，它压缩供给内燃机的燃 气，以及包括一个连接在压缩装置下游的节流装置，借助它可以改变供 给内燃机的压缩燃气的量，其中，内燃机通过操纵至少两个调整机构进 行调节，其特征在于，将内燃机调节到一个优选基本上恒定的发动机调节参量；并且，在发动机调节参量与一个额定值出现偏差时，通过操纵 作为第一调整机构的节流装置并且通过改变作为第二调整机构的压缩装 置的几何尺寸，改变供给内燃机的燃气量，从而将发动机调节参量跟踪 校正成额定值。一种用于调节固定式内燃机的至少一个发动机调节参量的相应的调 节装置，尤其用于实施上述类型的方法，内燃机包括一个压缩装置和一 个节流装置，其中，通过调节装置可以影响至少两个调整机构，其特征 在于， 一个第一调整机构规定用于改变节流装置的位置，并且一个第二 调整机构规定用于改变压缩装置的几何尺寸，其中，在运行状态，当发 动机调节参量与额定值出现调节偏差时，通过调节装置可调节供给内燃 机的燃气量，为此作为第一调整机构的节流装置的位置和作为第二调整 机构的压缩装置的几何尺寸是可改变的。一种相应的固定式内燃机，尤其是燃气发动机，包括一个具有可变 的几何尺寸的用于压缩供给发动机的燃气的压缩装置和一个连接在压缩
装置下游的用于限制供给内燃机的压缩燃气量的节流装置，其特征在于， 具有一个优选上述类型的调节装置和至少两个调整机构，其中，调节装 置在运行状态通过改变所述至少两个调整机构将内燃机调节到一个优选 基本上恒定的发动机调节参量，为此调节装置操纵作为第 一调整机构的 节流装置并且改变作为第二调整机构的压缩装置的几何尺寸。本发明的基本思想在于，考虑用于调节的两个调整机构，借助它们 可以迅速地直接改变供给内燃机的燃气量。本发明的优点还在于，在进 气通道中不必借助旁通管路引入附加容积，这种附加容积会导致调节延 迟。不仅通过改变压缩装置中的几何尺寸，而且还通过节气门位置，可 以立即并直接影响供给内燃机的燃气量。由从属权利要求提供本发明的其他细节和优点。对于方法，可以尤其附加地规定，内燃机推动一台发电机。在这种 情况下，尤其在单机运行或应急发电运行时，优选地规定，以恒定的转 速继而以固定的频率调节发电机，因为这样可以将损坏敏感终端设备的 危险降到最低程度。在并网运行时，特别有利地规定，将内燃机调节到恒定的功率。在这种情况下，例如当发电4;ut行时，始终将恒定的能量馈入到电网中。对于方法，还可以规定，内燃机推动一台发电机或机械式直接传动 装置。在这种情况下，特别优选地规定，将内燃机调节到恒定的转速， 和/或，将内燃机调节到恒定的输出功率。还有利的是，通过一个废气涡 轮推动压缩装置，因为由此压缩装置不需要附加的驱动器。此外有利地规定，对流向节流装置的燃气进行冷却，其中在一个实 施例中有利地规定，供给节流装置的燃气是一种燃料/空气混合物。根据发动机调节参量与相应的额定值的各自的偏差，有利的可以是， 与操纵节流装置相比，改变压缩装置的几何尺寸至少短时延迟地和/或更 緩慢地进行。在另一些负荷区域，可有利地规定，节流装置和改变压缩 装置的几何尺寸至少短时基本上同步进行。最后有利的可以是，在一个 负荷区域，优选在上部负荷区域，当负荷改变在5%以下时，至少短时保 持节流装置处于恒定的位置，优选保持处于完全放开位置，并且通过改
变压缩装置的几何尺寸将发动机调节参量跟踪校正成额定值。上面提到的三种可能性可以在各个负荷区域内彼此组合，其中上部负荷区域尤其是指超过最大功率50%的负荷区域。但取决于各自的调节 特性曲线，也可以只采用三个方案之一。在一种有利的实施方案中，调节装置可以具有一个可由废气涡轮推动的压缩装置。此外还规定，发动机调节参量是内燃机的功率和/或转速。 一种相应的调节装置优选包括至少两个调节器，其中为各自的调节 参量分别配设至少一个调节器。取决于使用调节装置的具体情况，这些 调节器可以设计为不同的。优选地规定，至少几个调节器是PID调节器。 不同的调节特性曲线(例如延迟、緩慢调节或调整运行(Stellbetrieb))， 可以按已知方式例如通过在使用调节器之前前置一个死区亦即一个等待 时间、在PID调节器内的不同的积分部分或(Stellbetriebsansatze)调整运行方式等获得。在此优选地规定，所述至少两个调节器这样设计，以致与影响节流 装置的位置相比，改变压缩装置的几何尺寸至少短时延迟地进行。此外还可以规定，调节装置这样设计，以致优选在上部负荷区域， 当发动机调节参量与额定值的偏差在5%以下时，节流装置至少短时保持 处于基本上恒定的位置，并且主要通过改变压缩装置的几何尺寸实现调 节。最后可以规定，调节装置这样设计，以致当调节参量与额定值的偏 差至少5%时，优选同步地影响两个调节参量，以及，为调节装置配设一 个调节参量限制装置，从而这样地限制至少一个调整机构的操纵，以致 供给内燃机的燃气量不超过一个优选可预定的最大值，和/或，至少一个 调节器具有一个用于延迟改变调整才几构的死区。此外， 一种固定式内燃机，尤其是燃气发动机，其特征可以在于， 发动机调节参量是内燃机的恒定转速。也可以规定，发动机调节参量是 内燃机的恒定输出功率。此外本发明还涉及一种包括一个上述内燃才几和一个用于上述内燃机 的调节装置的发电机。
下面借助示意图说明本发明的其他细节和优点。其中图l按本发明的内燃机和发电机的一个示意实施例图；以及图2 按本发明的调节装置的实施例图。
具体实施方式
图l示出一种固定式内燃机l。所示出的实施例是一种燃气发动机。 内燃机1被供给空气5和燃料6，在这里空气5与气态的燃料6在交叉点 混合(因此交叉点构成一个混合装置)。空气5和燃料6形成一种气体混 合物，它经由管道14供给压缩装置2。压缩装置2通过一根轴4与废气 涡轮3连接，后者设在内燃机l的废气通道ll内。废气涡轮3通过内燃 机1的废气推动。压缩装置2按本身已知的现有技术具有可变的压缩机 几何尺寸。例如在压缩装置2内设置一些叶片或翼叶，它们可通过一个 致动器(未示出)进行操纵并因而改变它们在压缩装置2内的位置。以 此方式可以改变压缩装置2中的气流，由此导致在压缩装置2内气体更 强或更弱的压缩(在这里是空气5与燃料6混合物)，这对于内燃机l的 功率p具有直接的作用。现在业已压缩的燃料/空气混合物(按权利要求书的压缩气体)通过连接在压缩装置2下游的管道15供给一个冷却装置 10,因为压缩的燃料/空气混合物通过压缩被剧烈加热。在冷却装置10 下游连接一条通往节流装置7 (节气门)的管道12，节流装置调节经由 管道12去内燃机1的燃料/空气混合物的量。按EP0 757 169 Bl，在管 道13 (它设在压缩装置2与节气门7之间，而且在图示的实施例中还连 接在可选择的冷却装置10下游)与管道14之间设有一个带有阀(回流 阀)的旁通线路，借助该旁通线路同样可以调节混合气量。在按本发明 的设备中可以取消这样旁通线路，但也存在将其加上的可能性，为的是 提供一个用于调节的第三调整机构。图示的内燃机1通过一根轴9驱动一 台发电机8。在这一位置还确定 实际输出功率Pkt或发动机转速nist，它们用作发动机调节参量。真正的 调节装置用附图标记20表示。调节装置20具有两个调节器21、 22。在 此调节器21配属于节气门7(节气门调节器21)。调节器22配属于用于 改变在压缩装置2上的几何尺寸的调整机构(VLR调节器22)。将(例如由传感器检测到的)发动机调节参量30优选功率pw或转速nw供给这 两个调节器21、 22。各自的额定值31 (ps。n或ns。 )既供给节气门调节 器21也供给VLR调节器22。各自的调节器21、 22通过比较发动机调 节参量30的实际值与额定值31形成调节偏差。各自的调节器21、 22据 此确定一个相应的信号，它通过相应的调整机构(节气门7或用于改变 压缩装置2的几何尺寸的机构)作用到调节对象上并克服调节偏差。相 应的信号通过线路24、 25供给相应的调整机构7、 2。在图示的实施例中 还设置一个连接装置23,以便两个调节器21、 22彼此调谐，并且只是在 出现相应的调节偏差时，如上所述，才影响两个或仅影响一个调整机构 7、 3。在连接点32 (图2)形成在额定值30与实际值31之间的差值并将 其供给调节器21或22。这些调节器可以例如设计为PID调节器或PI调 节器。当然也可以设想其他的调节器(像例如调整运行那样)。从相应的 调节偏差例如借助一个PID调节器跟踪校正发动机调节参量，为此经由 信号线路24、 25用一个信号操纵相应的调整机构7、 2。为了避免与破坏 或损害内燃机1相关联的"过调，，，还可以在下游连接调节参量限制装置 26、 27，以便节气门7只能打开到一个例如30%的最大值。类似地，可 以适当地限制用于改变压缩装置2的几何尺寸的相应的机构。图2示出一个优选的实施例，说明一个相应的调节装置20实际上可 能是什么样的。在连接点32，比较额定值30与实际值31,并将相应的 信号传送到节气门调节器21和VLR调节器22。在VLR调节器22上游 连接一个死区28，从而该调节器可以延时地干预。例如可以规定延迟几 分之一秒，为的是在发动机调节信号内仅很短的波动不会引起过度调节。 这两个调节器21、 22的调节特性曲线也相应地不同，如在调节器21、 22 上方所画的曲线图中示出的那样。在本例中，节气门调节器21是一个 PID调节器，它具有比VLR调节器22更陡的积分部分，以便由此也使 通过节气门7的调节比通过改变压缩装置2的几何尺寸的调节更加强烈 地进行。在这两个调节器21、 22的下游连接一个逻辑电路23，它图示了 用于各自调整参量的调整参量限制装置26或27，从而出自于可靠性原因 从调节器的出口不将过大的调整信号传送到节气门7或压缩装置2。用附图标记35象征性地表示一个可能的转换逻辑电路35，它表征分 别居支配地位的调节器(％调节器作为负荷的函数)。如上面已说明的那 样，在一个实施例中规定，在上部负荷区域，VLR调节器22 (虛线)承 担主调节任务，而在下部负荷区域，节气门调节器21 (实线)承担主调 节任务。在过渡区域，尤其在两条线的交点处，设置节气门调节器21和 VLR调节器的一种平等的调节。当然也可以设想其他的曲线变化过程， 所示出的只是一个优选的实施例。在干扰参量接入的情况下(例如负荷 接通和与之相关联的转速扰动)可规定进口导向轮的一种调整运行，并 且在VLR调节器上通过一个PID附件实施向控制状态的回归。在调整 运行时可以规定，对于发动机调节参量的额定值超过一个预定的最大偏 差的情况，不按相对于调节偏差的直接的(例如比例的)关系操纵相应 的调整机构(尤其是在压缩装置上的几何尺寸)，而是将其改变到一个规 定的值(例如可规定完全的放开)。若规定设置一个前置的死区时，这有 利地在越过死区后实施。
权利要求
1. 一种用于运行固定式内燃机(1)的方法，内燃机尤其是燃气发动机，内燃机包括一个具有可变的压缩机几何尺寸的压缩装置(2)，该压缩装置压缩供给内燃机(1)的燃气(5、6)，以及包括一个连接在压缩装置(2)下游的节流装置(7)，借助该节流装置可以改变供给内燃机的压缩的燃气(5、6)的量，其中，内燃机(1)通过操纵至少两个调整机构进行调节，其特征为，将内燃机(1)调节到一个优选基本上恒定的发动机调节参量；并且，在发动机调节参量与一个额定值出现偏差时，通过操纵作为第一调整机构的节流装置(7)并且通过改变作为第二调整机构的压缩装置(2)的几何尺寸，改变供给内燃机(1)的燃气量，从而将发动机调节参量跟踪校正成额定值。
2. 按照权利要求l所述的方法，其特征为，内燃机(l)推动一台发 电机(8)或机械式直接传动装置。
3. 按照权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征为，将内燃机 (1)调节到恒定的转速(11)。
4. 按照权利要求1至3之一所述的方法，其特征为，将内燃机(l) 调节到恒定的输出功率(p)。
5. 按照权利要求1至4之一所述的方法，其特征为，通过一个废气 涡轮(3)推动压缩装置(2)。
6. 按照权利要求l至5之一所述的方法，其特征为，对流向节流装 置(7)的燃气(5、 6)进行冷却。
7. 按照权利要求l至6之一所述的方法，其特征为，供给节流装置 (7)的燃气是一种燃料/空气混合物(5、 6)。
8. 按照权利要求l至7之一所述的方法，其特征为，与操纵节流装 置(7)相比，改变压缩装置(2)的几何尺寸至少短时延迟地和/或更緩 慢地进行。
9. 按照权利要求1至8之一所述的方法，其特征为，操纵节流装置 (7)和改变压缩装置(2)的几何尺寸至少短时基本上同步进行。
10. 按照权利要求1至9之一所述的方法，其特征为，在一个负荷区 域，优选在上部负荷区域，当发动机调节参量与一个额定值的偏差在5。/。 以下时，至少短时保持节流装置(7)处于恒定的位置，优选保持处于完 全放开位置，并且通过改变压缩装置(2)的几何尺寸将发动机调节参量 跟踪;f交正成额定值。
11. 按照权利要求1至10之一所述的方法，其特征为，设置至少一 个死区(28),它延迟改变调整机构。
12. 按照权利要求11所述的方法，其特征为，当发动机调节参量的 偏差出现一个预定最大值时，在越过死区(28)后实施一种调整运行。
13. 按照权利要求12所述的方法，其特征为，所述调整运行基本上 完全力文开压缩装置(2)的几何尺寸。
14. 一种用于调节固定式内燃机的至少一个发动机调节参量的调节 装置，尤其用于实施按照权利要求1至13之一所述方法，内燃机包括一 个压缩装置和一个节流装置，其中，通过调节装置可以影响至少两个调 整机构，其特征为， 一个第一调整机构规定用于改变节流装置(7)的位 置，并且一个第二调整机构规定用于改变压缩装置(2)的几何尺寸，其 中，在运行状态，当发动机调节参量与额定值出现调节偏差时，通过调 节装置可调节供给内燃机的燃气量，为此作为第 一调整机构的节流装置(7)的位置和作为第二调整机构的压缩装置(2)的几何尺寸是可改变的。
15. 按照权利要求14所述的调节装置，其特征为，调节装置将发动 机调节参量调节到一个基本上恒定的额定值。
16. 按照权利要求14或权利要求15所述的调节装置，其特征为，发 动^L调节参量是内燃^L的功率(p)和/或转速(n)。
17. 按照权利要求14至16之一所述的调节装置，其特征为，压缩装 置(2)可由废气涡轮(3)推动。
18. 按照权利要求14至17之一所述的调节装置，其特征为，为两个 调节参量分别配设至少一个调节器(21、 22)。
19. 按照权利要求18所述的调节装置，其特征为，所述至少两个调 节器(21、 22)这样设计，以致与影响节流装置(7)的位置相比，改变 压缩装置(2)的几何尺寸至少短时延迟地进行。
20. 按照权利要求14至19之一所述的调节装置，其特征为，调节装 置(20)这样设计，以致优选在上部负荷区域，当发动机调节参量与一 个额定值的偏差在5%以下时，节流装置(7)至少短时保持处于基本上 恒定的位置，并且主要通过改变压缩装置(2)的几何尺寸实现调节。
21. 按照权利要求14至20之一所述的调节装置，其特征为，调节装 置(20)这样设计，以致当发动机调节参量与一个额定值的偏差至少5% 时，优选同步地影响两个调节参量。
22. 按照权利要求14至21之一所述的调节装置，其特征为，调节装 置(20)具有至少一个PID调节器(21、 22)。
23. 按照权利要求14至22之一所述的调节装置，其特征为，为调节 装置(20)配设一个调节参量限制装置(26、 27)，从而这样地限制至少 一个调整机构的操纵，以致供给内燃机的燃气量不超过一个优选可预定 的最大值。
24. 按照权利要求14至23之一所述的调节装置，其特征为，至少一 个调节器具有一个用于延迟改变调整机构的死区(28)，或，在至少一个 调节器上游连接一个用于延迟改变调整机构的死区(28)。
25. 按照权利要求24所述的调节装置，其特征为，死区(28)这样 *没计，以致它允许调节参量与额定值的偏差直至5%。
26. 按照权利要求24或权利要求25所述的调节装置，其特征为，当 发动机调节参量的偏差为一个可预定的最大值时，在越过死区(28)后 实施一种调整运4亍。
27. 按照权利要求26所述的调节装置，其特征为，所述调整运行这 样地改变压缩装置(2)的几何尺寸，以致压缩装置(2)基本上完全放 开。
28. —种固定式内燃机，尤其是燃气发动机，包括一个具有可变的几 何尺寸的用于压缩供给发动机的燃气的压缩装置和一个连接在压缩装置 下游的用于限制供给内燃机的压缩燃气量的节流装置，其特征为，具有 一个优选按照权利要求14至27之一所述的调节装置和至少两个调整机 构，其中，调节装置在运行状态通过改变所述至少两个调整机构将内燃 机(1)调节到一个优选基本上恒定的发动机调节参量，为此调节装置操 纵作为第一调整机构的节流装置(7)并且改变作为第二调整机构的压缩 装置(2)的几何尺寸。
29. 按照权利要求28所述的内燃机，其特征为，压缩装置(2)可由 废气涡轮推动。
30. 按照权利要求28或权利要求29所述的内燃机，其特征为，发动 机调节参量是内燃机的恒定转速。
31. 按照权利要求28至30之一所述的内燃机，其特征为，发动机调 节参量是内燃机的恒定输出功率(p)。
32. 按照权利要求28至31之一所述的内燃机，其特征为，在压缩装 置(2)与节流装置(7)之间设置一个冷却装置(10),借助该冷却装置 可以对流向节流装置(7)的燃气进行冷却。
33. 按照权利要求28至32之一所述的内燃机，其特征为，在压缩装 置(2)上游连接一个混合装置，燃料与空气可以在该混合装置中进行混 合。
34. —种发电机，包括按照权利要求28至33之一所述的内燃机。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行固定式内燃机(1)的方法，内燃机尤其是燃气发动机，内燃机包括一个具有可变的压缩机几何尺寸的压缩装置(2)，该压缩装置压缩供给内燃机(1)的燃气(5、6)，以及包括一个连接在压缩装置(2)下游的节流装置(7)，借助该节流装置可以改变供给内燃机的压缩的燃气(5、6)的量，其中，内燃机(1)通过操纵至少两个调整机构进行调节，其中，将内燃机(1)调节到一个优选基本上恒定的发动机调节参量；并且，在发动机调节参量与一个额定值出现偏差时，通过操纵作为第一调整机构的节流装置(7)并且通过改变作为第二调整机构的压缩装置(2)的几何尺寸，改变供给内燃机的燃气量，从而将发动机调节参量跟踪校正成额定值。
文档编号F02D41/14GK101392696SQ20081014911
公开日2009年3月25日 申请日期2008年9月12日 优先权日2007年9月13日
发明者J·克劳斯纳, J·希尔青格, R·格罗伊特 申请人:Ge延巴赫两合无限公司