专利名称：控制十字头型大活塞引擎循环重复过程的方法
技术领域：
本发明的领域本发明涉及十字头型大活塞引擎，特别是两冲程引擎，循环重复过程的控制，其中引擎有多个调节元件，用于提供激励器影响过程的输入，且其中过程的数学模型用来控制调节元件。该数学模型包括理想的引擎数据，实际的引擎性能数据，多个影响参数，诸如影响过程的系统输入，以及多个引擎响应参数，诸如表示该过程的过程输出。
本发明的背景大活塞引擎例如用来推进海洋行驶的船舶。在这种大活塞引擎中，很重要的是优化引擎中许多过程的每一个，以获得最优的整体操作状态及引擎的性能。最优引擎的整体操作状态可能随本地或国家要求而变化，或可能与船舶的所有者或操作者定义的标准有关。国家要求可能针对保护本地环境，并可能对从引擎排放的有害有毒物质特别是NOx和颗粒设限。就油耗而言这种操作模式可能不是最经济的模式。在国家权限之外，在没有或较少对排放严格的限制时，船舶的所有者或操作者可能希望在强调低油耗和/或对引擎及其部件机械负荷的模式下运行。
为了使低速活塞引擎满足关于燃油经济性、排放及其部件的机械负荷的要求，至关重要的是循环过程保持在其设计方案状态，而且在数年服务之后保仍然如此。实践已证明这是非常难以获得的。
引擎部件的磨损，燃油性质的变化及周围状态的变化，都会造成循环过程缓慢出现的变化。在试验台运行期间，有资格的人员调节引擎直到获得理想的循环过程。在使用中总工程师负责检验并进行理想的调节，以便保持可接受的循环过程。这是一种耗时的过程，且哪一个调节程序或步骤为正确常常是不明显的。此外，许多循环过程偏离并不，至少不是在短期，导致机械上的失效。因而存在的很大的风险是经常作出不希望有的循环过程评估。
当对使用中的引擎作出调节时，一般通过测量或估计燃烧室中的压力，并将其与设计方案比较进行。设计值通常对ISO-标准状态是有效的。因而在其它环境下进行的调节实际上可能对引擎性能有负效应。对于日常操作者得出在给定的操作点什么循环压力是理想的常常是复杂的。随着电子控制引擎即没有凸轮轴的引入这是特别重要的，这已经在很多方面改变了引擎的响应。
先有技术的描述DE 4 203 649涉及向内燃引擎的燃油喷射量，其中连续的燃油喷射期间燃烧量与操作参数相关。喷射过程在引擎的工作循环期间是变化的。
DE 19 936 269公开了动态调节例如柴油机引擎燃油喷射阀门，或涡轮增压器增加压力的一种方法。这一方法需要以在工作点处定义的控制状态动态校正预先控制或引导变量。
DE 19 914 277涉及记录影响随后的过程的系统或过程状态的类别。在使用神经网络或模糊逻辑的自适应学习过程中采用多传感器阵列，以定义状态向量和类别。
US 5 513 097涉及被调节系统中的过程控制并涉及每一循环之前和之后的自适应神经网络参数。不仅是循环重复过程而且几个非等同序列例如金属滚动时变技术过程。
US 5 673 368公开了一种方法和装置，以使用数学模型确定的至少一个预先计算的过程参数，进行被控制的系统中的一种过程，使变量模型参数基于神经网络的网络响应被调节。使用神经网络与数学模型的一种组合。
US 6226 557涉及别对于IC汽油机引擎喷射的非线性受控系统的调节特。其涉及与受控系统状态值相关的校正值的选择，使得控制值的校正导致线性控制方法。
US 2002 0019674涉及用于制造塑料产品的模塑机质量控制，使用智能控制和质量预测辐射基本神经网络，通过模型流软件提供参数设计阈值。
本发明的概述在本发明用于控制十字头型大活塞引擎，特别是两冲程的引擎的循环重复过程的方法中，使用过程的数学模型，用于控制调节影响该过程的元件。基于一个主数学模型建立了表示该过程的一组理想参数值。获得至少一个表示参数的观察值，并至少一个表示参数的观察值与其理想的值比较以获得偏离值。取决于偏离值并基于数学子模型，至少一个调节元件被调节以降低偏离。
操作者能够输入理想的引擎性能数据，这些数据例如对燃油的经济性或排放被优化。
本发明的方法特别适用于控制在十字头型电子受控的大活塞引擎中的燃烧过程。
附图
的简要说明附图简略示出引擎的一框图，控制系统配置为使用本发明的方法。
本发明的详细说明在图中示出一个引擎，其最好是一十字头型电子受控的大活塞引擎，诸如两冲程柴油机引擎。该引擎随曲轴旋转而操作循环，并且燃烧过程及其许多子过程是循环的并与曲轴的旋转同步。
引擎具有数个调节元件，用于提供影响燃烧过程的激励器输入。一般，调节元件将进行以下一个或多个排气阀开启的定时和/或成形，排气阀闭合定时和/或成形，以及燃油喷射的定时和/或成形。这里，定时涉及曲轴的旋转，且成形的意思是相关参数被迫的暂时变化。
在引擎中放置数个传感器以检测引擎中的物理过程的参数，并示出表示该物理过程的信号，即引擎响应参数的实际观察值。传感器可检测物理性质，诸如压力、温度、流量、应力等。引擎响应参数的观察值最为输入反馈到循环观察优化单元。
一个或多个控制单元每一个控制引擎中的一个或多个调节元件。从循环观察优化单元每一个控制单元接收表示过程参数理想值的一个或多个信号，即希望获得的参数值。引擎中的传感器检测过程参数并输出表示该过程的观察值的信号。引擎响应参数的观察值反馈到相关控制单元，及循环优化单元。在相关控制单元中观察值与对应的理想参数值比较。如果理想值和观察值之间有偏差，则控制单元输出与偏差值相关并基于数学子模型的一调节命令，以调节一个或多个调节元件而降低该偏差。这一观察可继续进行达几个引擎循环，直到达到理想的值组或偏差在允许的限度内。
每一控制单元可以是控制一个或多个引擎汽缸的汽缸控制单元，或控制几个汽缸中的一个或多个子过程的控制单元，且几个这种控制单元能够由一个引擎控制单元控制，引擎控制单元控制包括一个或多个汽缸控制单元和过程控制单元的整个引擎。每一控制单元排布为一控制回路，其中从引擎其接收表示该过程的相关观察参数值。
循环过程优化单元从引擎中的传感器接收引擎响应参数的上述观察值。这种输入的例子有冷却器出口温度，排气压力，涡轮入口温度，涡轮增压器速度，NOx及颗粒排放，以及引擎的其它性能数。可以计算或估计进一步的引擎参数。此外，循环过程优化单元接收表示环境影响参数的输入，即引擎外部并影响引擎循环过程的参数。这种环境影响参数的例子有燃油性质和环境空气性质，诸如温度，压力，密度和湿度，其随实际的本地气象条件、地理位置和一年的时间而变化。此外，循环过程优化单元从操作者接收输入。操作者输入例如包括理想的引擎速度和理想的操作模式，其中引擎循环过程以一种观点被优化，例如对于燃油经济性，NOx及颗粒排放，以及引擎部件上的机械和热负荷。
循环过程优化使用引擎及循环过程的数学主模型，并使其计算基于数学主模型。数学主模型是引擎的操作条件与性能数据之间的关系的描述，具体包括所有表示循环过程性质的相关参数，以及它们彼此，与环境条件，及来自操作者输入的相关性。
操作者一般将输入理想的引擎操作条件，诸如例如对于燃油经济性或对于排放优化的操作的引擎速度和理想模式。然后数学主模型使用，如引擎的响应参数观察值集所表示的，实际的环境影响参数和实际的引擎操作条件，以计算观察参数理想值新的组，它们输入到相关控制单元。然后控制单元作出引擎调节元件的适当设置。
如果并当环境影响参数变化时，例如由于环境空气性质或燃油质量的变化，则循环过程优化将使用数学主模型，作出过程参数理想值组适当的变化，其输入到相关控制单元，这转而设置引擎的调节元件，使得仍能获得由操作者设置的理想的操作条件。
由于数学模型中不可避免的缺陷，不能控制引擎中的过程而给出精确的理想结果。因而数学模型最好是自适应模型。自适应可以人工或自动进行。在两种情形下，引擎响应参数都用作为输入，并对数学模型的算法作出适当的调节。
当人工进行自适应时，操作者或其它合格的人员，例如通过视觉检查观察一个或多个引擎响应参数。如果观察到不理想的参数或条件，通过用户接口进行一个或多个调节。用户接口一般涉及提供高水平调节装置的一计算机，且计算机把用户输入翻译为所涉及的数学模型的适当调节。
当自动自适应时，测量或估计数学模型引擎响应参数，且模型本身自适应。因而方法是已知的。
权利要求
1.控制十字头型大活塞引擎，特别是两冲程的引擎的循环重复过程的一种方法，该引擎具有多个用于影响该过程的调节元件，其中使用过程的数学模型用于控制调节元件，该数学模型包括理想的引擎性能数据和实际的引擎性能数据，多个影响该过程的影响参数，以及多个表示该过程的表示过程参数，该方法包括-基于一个主数学模型，建立该表示过程参数的一组理想值，-获得至少一个引擎响应参数的观察值，-比较至少一个引擎响应参数的观察值与表示过程参数的理想值，以获得表示至少一个表示参数对理想值的偏差的偏差值，-取决于该偏离值并基于数学子模型，调节至少一个调节元件以降低偏差。
2.根据权利要求1的一种方法，其中该表示过程参数的该组理想值组是基于理想性能数据建立的。
3.根据权利要求2的一种方法，其中理想性能数据包括汽缸压力。
4.根据权利要求2的一种方法，其中理想性能数据包括引擎的理想操作条件。
5.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件对排放优化。
6.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件对燃油的经济性优化。
7.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件对震动优化。
8.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件对机械部件负荷优化。
9.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件对烟尘优化。
10.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件为增加由引擎驱动的船舶速度而优化。
11.根据权利要求4的一种方法，其中引擎的理想操作条件为降低由引擎驱动的船舶速度而优化。
12.根据任何权利要求1-11的一种方法，其中基于影响该过程的环境影响参数，建立该表示过程参数的理想值组。
13.根据权利要求12的一种方法，其中环境影响参数包括环境空气性质。
14.根据权利要求12的一种方法，其中环境影响参数包括燃油性质。
15.根据任何权利要求1-14的一种方法，其中至少一个数学模型是自适应模型。
16.一种十字头型大活塞引擎，特别是一种两冲程引擎，具有使用根据权利要求1-14任何之一的方法用于控制引擎的循环重复过程的装置。
全文摘要
控制十字头型大活塞引擎，特别是两冲程的引擎的循环重复过程的一种方法，其中使用过程的数学模型，用于控制调节元件。基于主数学模型建立了表示该过程的一组理想参数值。获得至少一个表示参数的观察值，并至少一个表示参数的观察值与其理想值比较以获得一偏离值。取决于偏离值并基于数学子模型，至少一个调节元件被调节以降低偏离。操作者能够输入理想的引擎性能数据，这些数据例如对燃油的经济性或排放被优化。
文档编号F02D41/14GK1683771SQ20041003481
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月14日 优先权日2004年4月14日
发明者金·詹森 申请人:曼B与W狄赛尔公司