專利名稱：控制十字頭型大活塞引擎循環重復過程的方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及十字頭型大活塞引擎，特別是兩沖程引擎，循環重復過程的控制，其中引擎有多個調節元件，用于提供激勵器影響過程的輸入，且其中過程的數學模型用來控制調節元件。該數學模型包括理想的引擎數據，實際的引擎性能數據，多個影響參數，諸如影響過程的系統輸入，以及多個引擎響應參數，諸如表示該過程的過程輸出。
本發明的背景大活塞引擎例如用來推進海洋行駛的船舶。在這種大活塞引擎中，很重要的是優化引擎中許多過程的每一個，以獲得最優的整體操作狀態及引擎的性能。最優引擎的整體操作狀態可能隨本地或國家要求而變化，或可能與船舶的所有者或操作者定義的標準有關。國家要求可能針對保護本地環境，并可能對從引擎排放的有害有毒物質特別是NOx和顆粒設限。就油耗而言這種操作模式可能不是最經濟的模式。在國家權限之外，在沒有或較少對排放嚴格的限制時，船舶的所有者或操作者可能希望在強調低油耗和/或對引擎及其部件機械負荷的模式下運行。
為了使低速活塞引擎滿足關于燃油經濟性、排放及其部件的機械負荷的要求，至關重要的是循環過程保持在其設計方案狀態，而且在數年服務之后保仍然如此。實踐已證明這是非常難以獲得的。
引擎部件的磨損，燃油性質的變化及周圍狀態的變化，都會造成循環過程緩慢出現的變化。在試驗臺運行期間，有資格的人員調節引擎直到獲得理想的循環過程。在使用中總工程師負責檢驗并進行理想的調節，以便保持可接受的循環過程。這是一種耗時的過程，且哪一個調節程序或步驟為正確常常是不明顯的。此外，許多循環過程偏離并不，至少不是在短期，導致機械上的失效。因而存在的很大的風險是經常作出不希望有的循環過程評估。
當對使用中的引擎作出調節時，一般通過測量或估計燃燒室中的壓力，并將其與設計方案比較進行。設計值通常對ISO-標準狀態是有效的。因而在其它環境下進行的調節實際上可能對引擎性能有負效應。對于日常操作者得出在給定的操作點什么循環壓力是理想的常常是復雜的。隨著電子控制引擎即沒有凸輪軸的引入這是特別重要的，這已經在很多方面改變了引擎的響應。
先有技術的描述DE 4 203 649涉及向內燃引擎的燃油噴射量，其中連續的燃油噴射期間燃燒量與操作參數相關。噴射過程在引擎的工作循環期間是變化的。
DE 19 936 269公開了動態調節例如柴油機引擎燃油噴射閥門，或渦輪增壓器增加壓力的一種方法。這一方法需要以在工作點處定義的控制狀態動態校正預先控制或引導變量。
DE 19 914 277涉及記錄影響隨后的過程的系統或過程狀態的類別。在使用神經網絡或模糊邏輯的自適應學習過程中采用多傳感器陣列，以定義狀態向量和類別。
US 5 513 097涉及被調節系統中的過程控制并涉及每一循環之前和之后的自適應神經網絡參數。不僅是循環重復過程而且幾個非等同序列例如金屬滾動時變技術過程。
US 5 673 368公開了一種方法和裝置，以使用數學模型確定的至少一個預先計算的過程參數，進行被控制的系統中的一種過程，使變量模型參數基于神經網絡的網絡響應被調節。使用神經網絡與數學模型的一種組合。
US 6226 557涉及別對于IC汽油機引擎噴射的非線性受控系統的調節特。其涉及與受控系統狀態值相關的校正值的選擇，使得控制值的校正導致線性控制方法。
US 2002 0019674涉及用于制造塑料產品的模塑機質量控制，使用智能控制和質量預測輻射基本神經網絡，通過模型流軟件提供參數設計閾值。
本發明的概述在本發明用于控制十字頭型大活塞引擎，特別是兩沖程的引擎的循環重復過程的方法中，使用過程的數學模型，用于控制調節影響該過程的元件。基于一個主數學模型建立了表示該過程的一組理想參數值。獲得至少一個表示參數的觀察值，并至少一個表示參數的觀察值與其理想的值比較以獲得偏離值。取決于偏離值并基于數學子模型，至少一個調節元件被調節以降低偏離。
操作者能夠輸入理想的引擎性能數據，這些數據例如對燃油的經濟性或排放被優化。
本發明的方法特別適用于控制在十字頭型電子受控的大活塞引擎中的燃燒過程。
附圖
的簡要說明附圖簡略示出引擎的一框圖，控制系統配置為使用本發明的方法。
本發明的詳細說明在圖中示出一個引擎，其最好是一十字頭型電子受控的大活塞引擎，諸如兩沖程柴油機引擎。該引擎隨曲軸旋轉而操作循環，并且燃燒過程及其許多子過程是循環的并與曲軸的旋轉同步。
引擎具有數個調節元件，用于提供影響燃燒過程的激勵器輸入。一般，調節元件將進行以下一個或多個排氣閥開啟的定時和/或成形，排氣閥閉合定時和/或成形，以及燃油噴射的定時和/或成形。這里，定時涉及曲軸的旋轉，且成形的意思是相關參數被迫的暫時變化。
在引擎中放置數個傳感器以檢測引擎中的物理過程的參數，并示出表示該物理過程的信號，即引擎響應參數的實際觀察值。傳感器可檢測物理性質，諸如壓力、溫度、流量、應力等。引擎響應參數的觀察值最為輸入反饋到循環觀察優化單元。
一個或多個控制單元每一個控制引擎中的一個或多個調節元件。從循環觀察優化單元每一個控制單元接收表示過程參數理想值的一個或多個信號，即希望獲得的參數值。引擎中的傳感器檢測過程參數并輸出表示該過程的觀察值的信號。引擎響應參數的觀察值反饋到相關控制單元，及循環優化單元。在相關控制單元中觀察值與對應的理想參數值比較。如果理想值和觀察值之間有偏差，則控制單元輸出與偏差值相關并基于數學子模型的一調節命令，以調節一個或多個調節元件而降低該偏差。這一觀察可繼續進行達幾個引擎循環，直到達到理想的值組或偏差在允許的限度內。
每一控制單元可以是控制一個或多個引擎汽缸的汽缸控制單元，或控制幾個汽缸中的一個或多個子過程的控制單元，且幾個這種控制單元能夠由一個引擎控制單元控制，引擎控制單元控制包括一個或多個汽缸控制單元和過程控制單元的整個引擎。每一控制單元排布為一控制回路，其中從引擎其接收表示該過程的相關觀察參數值。
循環過程優化單元從引擎中的傳感器接收引擎響應參數的上述觀察值。這種輸入的例子有冷卻器出口溫度，排氣壓力，渦輪入口溫度，渦輪增壓器速度，NOx及顆粒排放，以及引擎的其它性能數。可以計算或估計進一步的引擎參數。此外，循環過程優化單元接收表示環境影響參數的輸入，即引擎外部并影響引擎循環過程的參數。這種環境影響參數的例子有燃油性質和環境空氣性質，諸如溫度，壓力，密度和濕度，其隨實際的本地氣象條件、地理位置和一年的時間而變化。此外，循環過程優化單元從操作者接收輸入。操作者輸入例如包括理想的引擎速度和理想的操作模式，其中引擎循環過程以一種觀點被優化，例如對于燃油經濟性，NOx及顆粒排放，以及引擎部件上的機械和熱負荷。
循環過程優化使用引擎及循環過程的數學主模型，并使其計算基于數學主模型。數學主模型是引擎的操作條件與性能數據之間的關系的描述，具體包括所有表示循環過程性質的相關參數，以及它們彼此，與環境條件，及來自操作者輸入的相關性。
操作者一般將輸入理想的引擎操作條件，諸如例如對于燃油經濟性或對于排放優化的操作的引擎速度和理想模式。然后數學主模型使用，如引擎的響應參數觀察值集所表示的，實際的環境影響參數和實際的引擎操作條件，以計算觀察參數理想值新的組，它們輸入到相關控制單元。然后控制單元作出引擎調節元件的適當設置。
如果并當環境影響參數變化時，例如由于環境空氣性質或燃油質量的變化，則循環過程優化將使用數學主模型，作出過程參數理想值組適當的變化，其輸入到相關控制單元，這轉而設置引擎的調節元件，使得仍能獲得由操作者設置的理想的操作條件。
由于數學模型中不可避免的缺陷，不能控制引擎中的過程而給出精確的理想結果。因而數學模型最好是自適應模型。自適應可以人工或自動進行。在兩種情形下，引擎響應參數都用作為輸入，并對數學模型的算法作出適當的調節。
當人工進行自適應時，操作者或其它合格的人員，例如通過視覺檢查觀察一個或多個引擎響應參數。如果觀察到不理想的參數或條件，通過用戶接口進行一個或多個調節。用戶接口一般涉及提供高水平調節裝置的一計算機，且計算機把用戶輸入翻譯為所涉及的數學模型的適當調節。
當自動自適應時，測量或估計數學模型引擎響應參數，且模型本身自適應。因而方法是已知的。
權利要求
1.控制十字頭型大活塞引擎，特別是兩沖程的引擎的循環重復過程的一種方法，該引擎具有多個用于影響該過程的調節元件，其中使用過程的數學模型用于控制調節元件，該數學模型包括理想的引擎性能數據和實際的引擎性能數據，多個影響該過程的影響參數，以及多個表示該過程的表示過程參數，該方法包括-基于一個主數學模型，建立該表示過程參數的一組理想值，-獲得至少一個引擎響應參數的觀察值，-比較至少一個引擎響應參數的觀察值與表示過程參數的理想值，以獲得表示至少一個表示參數對理想值的偏差的偏差值，-取決于該偏離值并基于數學子模型，調節至少一個調節元件以降低偏差。
2.根據權利要求1的一種方法，其中該表示過程參數的該組理想值組是基于理想性能數據建立的。
3.根據權利要求2的一種方法，其中理想性能數據包括汽缸壓力。
4.根據權利要求2的一種方法，其中理想性能數據包括引擎的理想操作條件。
5.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件對排放優化。
6.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件對燃油的經濟性優化。
7.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件對震動優化。
8.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件對機械部件負荷優化。
9.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件對煙塵優化。
10.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件為增加由引擎驅動的船舶速度而優化。
11.根據權利要求4的一種方法，其中引擎的理想操作條件為降低由引擎驅動的船舶速度而優化。
12.根據任何權利要求1-11的一種方法，其中基于影響該過程的環境影響參數，建立該表示過程參數的理想值組。
13.根據權利要求12的一種方法，其中環境影響參數包括環境空氣性質。
14.根據權利要求12的一種方法，其中環境影響參數包括燃油性質。
15.根據任何權利要求1-14的一種方法，其中至少一個數學模型是自適應模型。
16.一種十字頭型大活塞引擎，特別是一種兩沖程引擎，具有使用根據權利要求1-14任何之一的方法用于控制引擎的循環重復過程的裝置。
全文摘要
控制十字頭型大活塞引擎，特別是兩沖程的引擎的循環重復過程的一種方法，其中使用過程的數學模型，用于控制調節元件。基于主數學模型建立了表示該過程的一組理想參數值。獲得至少一個表示參數的觀察值，并至少一個表示參數的觀察值與其理想值比較以獲得一偏離值。取決于偏離值并基于數學子模型，至少一個調節元件被調節以降低偏離。操作者能夠輸入理想的引擎性能數據，這些數據例如對燃油的經濟性或排放被優化。
文檔編號F02D41/14GK1683771SQ20041003481
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月14日 優先權日2004年4月14日
發明者金·詹森 申請人:曼B與W狄賽爾公司