DE102017123044A1 - Method and control device for operating a system of several internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum kosten- und/oder emmissionsoptimalen Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen entlang einer aus mehreren Streckenabschnitten zusammengesetzten Gesamtwegstrecke oder über eine aus mehreren Zeitabschnitten zusammengesetzte Gesamtbetriebsdauer. Für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt werden Abschnittsdaten (20) und Abschnittsbedingungen (10) vorgegeben, wobei die Abschnittsdaten (20) für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt Daten wie eine angeforderte Gesamtleitung des Systems und/oder Drehzahlgrenzen für jede der Brennkraftmaschinen und/oder Emissionsgrenzwerte definieren, und wobei die Abschnittsbedingungen (10) für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt einzuhaltende Randbedingungen wie eine Lastreserve und/oder eine Minimalanzahl der zu betreibenden Brennkraftmaschinen und/oder eine Lastspreizung zwischen den Brennkraftmaschinen definieren. Für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt wird eine für den jeweiligen Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt angeforderte Gesamtleistung auf die einzelnen Brennkraftmaschinen in Teilleistungen aufgeteilt. Für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt werden für jede Brennkraftmaschine diejenigen Betriebsparameter und diejenigen Kosten für den zugehörigen Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt bestimmt wird, für welche die zugehörige Brennkraftmaschine unter Bereitstellung der jeweiligen Teilleistung kosten- und/oder emmissionsoptimal betrieben wird. Es wird überprüft, ob diese Betriebsparameter die Abschnittsbedingungen (10) erfüllen oder verletzten, wobei dann, wenn die diese Betriebsparameter die Abschnittsbedingungen verletzten, die jeweiligen Kosten mit einem Strafterm (70) belegt werden.A method for cost and / or emmissions optimal operation of a system of several internal combustion engines along a composite of several sections track total route distance or over a composite of several time periods total operating time. Section data (20) and section conditions (10) are provided for each link or period, the section data (20) defining for each link or period data such as a requested overall system line and / or speed limits for each of the internal combustion engines and / or emission limits, and wherein the section conditions (10) define boundary conditions to be met for each link or period, such as a load reserve and / or a minimum number of internal combustion engines to be operated and / or a load spread between the internal combustion engines. For each route section or period of time, a total power demanded for the respective route section or time section is divided into partial services to the individual internal combustion engines. For each route section or period of time, those operating parameters and those costs for the associated route section or time section are determined for each internal combustion engine, for which the associated internal combustion engine is operated optimally in terms of cost and / or emission while providing the respective partial service. It is checked whether these operating parameters satisfy or violate the section conditions (10), and if these operating parameters violate the section conditions, the respective costs are given a penalty (70).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a system of several internal combustion engines. Furthermore, the invention relates to a control device for carrying out the method.
Aus Schiffsanwendungen sind Systeme aus mehreren gekoppelten Brennkraftmaschinen bekannt, die derart gekoppelt sind, dass von den Brennkraftmaschinen bereitgestellte Teilantriebsleistungen von mindestens einem gemeinsamen Verbraucher abgenommen werden. Die von den Brennkraftmaschinen des Systems bereitgestellten Teilantriebsleistungen stellen dabei in Summe eine Gesamtleistung bereit, die von dem oder jedem gemeinsamen Verbraucher abgenommen wird. Bei dem jeweiligen Verbraucher kann es sich um einen mechanischen Verbraucher oder um einen elektrischen Verbraucher oder um einen hydraulischen Verbraucher handeln, wobei man im Falle eines gemeinsamen mechanischen Verbrauchers von mechanisch gekoppelten Brennkraftmaschinen, im Falle eines gemeinsamen elektrischen Verbrauchers von elektrisch gekoppelten Brennkraftmaschinen und im Falle eines gemeinsamen hydraulischen Verbrauchers von hydraulisch gekoppelten Brennkraftmaschinen spricht. So ist aus Schiffsanwendungen bekannt, dass ein System aus mechanisch gekoppelten Brennkraftmaschinen als gemeinsamen mechanischen Verbraucher einen Schiffspropeller mechanisch antreibt. Ferner ist bekannt, dass ein System aus elektrisch gekoppelten Brennkraftmaschinen als gemeinsamen elektrischen Verbraucher einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, wobei die erzeugte elektrische Energie zum Beispiel zum Antreiben eines Elektromotors und/oder sonstigen Verbrauchers genutzt werden kann. Es ist auch möglich, dass Brennkraftmaschinen abhängig von der Ausgestaltung mehrerer gemeinsamer Verbraucher mechanisch und/oder elektrisch und/oder hydraulisch gekoppelt sind.From marine applications systems of several coupled internal combustion engines are known, which are coupled in such a way that partial drive powers provided by the internal combustion engines are taken from at least one common consumer. The partial drive powers provided by the internal combustion engines of the system thereby provide in total a total power which is taken from the or each common consumer. The respective consumer may be a mechanical consumer or an electrical consumer or a hydraulic consumer, wherein in the case of a common mechanical load of mechanically coupled internal combustion engines, in the case of a common electrical load of electrically coupled internal combustion engines and in the case of common hydraulic consumer speaks of hydraulically coupled internal combustion engines. Thus, it is known from ship applications that a system of mechanically coupled internal combustion engines mechanically drives a ship propeller as a common mechanical consumer. Furthermore, it is known that a system of electrically coupled internal combustion engines drives a generator for generating electrical energy as a common electrical consumer, wherein the generated electrical energy can be used for example for driving an electric motor and / or other consumer. It is also possible that internal combustion engines are mechanically and / or electrically and / or hydraulically coupled depending on the design of a plurality of common consumers.
Aus der
Es besteht Bedarf daran, den Betrieb eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen weiter zu verbessern.There is a need to further improve the operation of a multiple engine system.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen und eine Steuerungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.On this basis, the present invention has the object to provide a novel method for operating a system of a plurality of internal combustion engines and a control device for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen, nämlich zum kosten- und/oder emissionsoptimalen Betrieb des Systems entlang einer aus mehreren Streckenabschnitten zusammengesetzten Gesamtwegstrecke oder über eine aus mehreren Zeitabschnitten zusammengesetzten Gesamtbetriebsdauer, umfasst zumindest die folgende Schritte:This object is achieved by a method according to
Für jeden Streckenabschnitt oder für jeden Zeitabschnitt werden einerseits Abschnittsdaten und andererseits Abschnittsbedingungen vorgegeben.For each route section or for each time section, on the one hand, section data and, on the other hand, section conditions are specified.
Die Abschnittsdaten definieren für jeden Streckenabschnitt oder für jeden Zeitabschnitt Daten wie eine angeforderte Gesamtleitung des Systems aus den mehreren Brennkraftmaschinen und/oder Drehzahlgrenzen für jede der Brennkraftmaschinen und/oder Emissionsgrenzwerte.The section data defines, for each link or section, data such as a requested overall line of the system of the plurality of internal combustion engines and / or speed limits for each of the internal combustion engines and / or emission limits.
Die Abschnittsbedingungen definieren einzuhaltende Radbedingen für den Betrieb wie eine Lastreserve und/oder eine Minimalanzahl der zu betreibenden Brennkraftmaschinen und/oder eine Lastspreizung zwischen den Brennkraftmaschinen.The section conditions define cycling conditions to be met for operation such as a load reserve and / or a minimum number of internal combustion engines to be operated and / or a load spread between the internal combustion engines.
Für jeden Streckenabschnitt oder für jeden Zeitabschnitt wird eine für den jeweiligen Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt angeforderte Gesamtleistung des Systems auf die einzelnen Brennkraftmaschinen in Teilleistungen aufgeteilt. Für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt werden für jede Brennkraftmaschine diejenigen Betriebsparameter und diejenigen Kosten für den zugehörigen Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt bestimmt, für welche die zugehörige Brennkraftmaschine unter Bereitstellung der jeweiligen Teilleistungen kosten- und/oder emissionsoptimal betrieben wird.For each section of the route or for each period of time, a total power of the system requested for the respective section of the route or time segment is subdivided into partial performances for the individual internal combustion engines. For each route section or period of time, those operating parameters and those costs for the associated route section or time section are determined for each internal combustion engine, for which the associated internal combustion engine is operated in a cost and / or emission optimal manner while providing the respective partial services.
Es wird überprüft, ob diese ermittelten Betriebsparameter die Abschnittsbedingungen erfüllen oder derselben verletzten, wobei dann, wenn die diese ermittelten Betriebsparameter die Abschnittsbedingungen verletzten, die jeweiligen Kosten mit einem Strafterm belegt werden.It is checked whether these determined operating parameters meet or violated the section conditions, in which case if the operating parameters determined violate the section conditions, the respective costs are assigned a penalty.
Mit der Erfindung ist es möglich, besonders vorteilhaft einen kosten- und/oder emissionsoptimalen Betrieb des Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen zu ermöglichen.With the invention it is possible, particularly advantageous to enable a cost and / or emission-optimal operation of the system of several internal combustion engines.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird für den Betrieb des Systems wird mindestens eine Betriebsparameter-Map vorgegeben, wobei jede Betriebsparameter-Map über Drehzahl und Leistung abhängig von Ventilsteuerzeiten und/oder Ladedruck und/oder Einspritzdruck und/oder Injektorsteuerzeiten und/oder Kraftstoffart einen spezifischen Betriebsmittelverbrauch und/oder einen speizischen Emissionsausstoß spezifiziert, und wobei entlang der Gesamtwegstrecke oder über der Gesamtbetriebsdauer für jede Brennkraftmaschine die jeweilige Betriebsparameter-Map unveränderlich ist.According to an advantageous development will be at least for the operation of the system an operating parameter map is specified, wherein each operating parameter map specifies speed and power depending on valve timing and / or boost pressure and / or injection pressure and / or injector timing and / or fuel type specific resource consumption and / or a speculative emission output, and wherein along the total distance traveled or over the total operating time for each internal combustion engine, the respective operating parameter map is fixed.
Für jeden Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt werden für jede Brennkraftmaschine und für jede Betriebsparameter-Map drehzahlabhängige Kostenvektoren ermittelt, wobei aus jedem dieser Kostenvektoren diejenigen Betriebsparameter, vorzugsweise Drehzahl, und diejenigen Kosten für die zugehörige Betriebsparameter-Map und den zugehörigen Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt bestimmt werden, für welche die zugehörige Brennkraftmaschine unter Bereitstellung der jeweiligen Teilleistung kosten- und/oder emmissionsoptimal betrieben wird.For each line segment or period, speed-dependent cost vectors are determined for each internal combustion engine and for each operating parameter map, from each of these cost vectors those operating parameters, preferably speed, and those costs for the associated operating parameter map and the associated route segment or period are determined the associated internal combustion engine under provision of the respective partial power cost and / or emission optimized operation.
Für jede Betriebsparameter-Map und jede Brennkraftmaschine wird die Summe der Kosten über alle Streckenabschnitte oder Zeitabschnitte bestimmt und dann, wenn dieselbe mehrere Betriebsparameter-Maps vorgibt, diejenige Betriebsparameter-Map bestimmt, für welche die jeweilige Brennkraftmaschine entlang der Gesamtwegstrecke oder über die Gesamtbetriebsdauer kosten- und/oder emmissionsoptimal betrieben wird.For each operating parameter map and each internal combustion engine, the sum of the costs over all sections or periods of time is determined and then, if the same specifies several operating parameter maps, that operating parameter map determined for which the respective internal combustion engine along the total route distance or over the total operating time cost. and / or emmissionsoptimal operated.
Abhängig von der vorzugsweise kosten- und/oder emmissionsoptimalen Betriebsparameter-Map jeder Brennkraftmaschine werden die Gesamtkosten/oder Gesamtemission des Systems ermittelt, die als Zielgröße minimiert werden.Depending on the preferably cost and / or emmissionsoptimal operating parameter map of each internal combustion engine, the total cost / or total emissions of the system are determined, which are minimized as a target size.
Vorzugsweise erfolgt demnach die Optimierung des Betriebs eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen abhängig von mindestens einer Betriebsparameter-Map, die entlang der Gesamtwegstrecke oder während der Gesamtbetriebsdauer für jede Brennkraftmaschine unveränderlich und damit konstant ist.Accordingly, the optimization of the operation of a system of several internal combustion engines preferably takes place as a function of at least one operating parameter map, which is immutable and thus constant along the total distance of travel or during the total operating time for each internal combustion engine.
Weiter erfolgt die Optimierung des Betriebs des Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen abhängig von Streckenabschnitten der Gesamtwegstrecke oder abhängig von Zeitabschnitten der Gesamtbetriebsdauer. Es ist es möglich, besonders vorteilhaft einen kosten- und/oder emmissionsoptimalen Betrieb des Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen zu ermöglichen.Next, the optimization of the operation of the system of several internal combustion engines is dependent on sections of the total distance covered or dependent on periods of the total operating time. It is possible, particularly advantageous to enable a cost and / or emmissionsoptimal operation of the system of several internal combustion engines.
Vorzugsweise werden mehrere Betriebsparameter-Maps vorgegeben, wobei sich die Betriebsparameter-Maps durch die Ventilsteuerzeiten und/oder Ladedrücke und/oder Einspritzdrücke und/oder Injektorsteuerzeiten und/oder Kraftstoffart voneinander unterscheiden. Insbesondere beim Betrieb eines Schiffs werden mehrere Betriebsparameter-Maps vorgegeben. Bezogen auf jede Brennkraftmaschine kann jedoch entlang der Gesamtwegstrecke oder über die Gesamtbetriebsdauer immer nur eine der Betriebsparameter-Maps genutzt werden. Erst nach Beendigung der Gesamtbetriebsdauer oder nach Erreichen des Ziels der Gesamtwegstrecke kann eine Betriebsparameter-Map für einen Brennkraftmaschine gewechselt werden.Preferably, a plurality of operating parameter maps are predetermined, wherein the operating parameter maps differ from one another by the valve control times and / or boost pressures and / or injection pressures and / or injector control times and / or fuel type. In particular, when operating a ship several operating parameters maps are given. With respect to any internal combustion engine, however, only one of the operating parameter maps can be used along the total distance of travel or over the entire operating time. Only after the end of the total operating time or after reaching the destination of the total distance of travel can an operating parameter map for an internal combustion engine be changed.
Vorzugsweise wird eine brennkraftmaschinenindividuelle Betriebsparameter-Map vorgegeben, die ausschließlich für die jeweilige Brennkraftmaschine gültig ist, und/oder es wird mindestens eine Betriebsparameter-Map vorgegeben, die für mehrere Brennkraftmaschinen gemeinsam gültig ist.Preferably, an internal combustion engine-specific operating parameter map is predetermined, which is valid exclusively for the respective internal combustion engine, and / or at least one operating parameter map is predetermined, which is valid for several internal combustion engines together.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung wird in jedem Streckenabschnitt oder Zeitabschnitt die jeweilige Gesamtleistung des Systems unter Minimierung der Zielgröße in Teilleistungen der Brennkraftmaschine aufgeteilt.According to an advantageous development, the respective total power of the system is divided into partial powers of the internal combustion engine while minimizing the target variable in each section or period.
Die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung ist in Patentanspruch 7 definiert.The control device according to the invention is defined in claim 7.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 : ein erstes Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Erfindung, und -
2 : ein zweites Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Erfindung.
-
1 a first block diagram to illustrate the invention, and -
2 : a second block diagram to illustrate the invention.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen.The invention relates to a method and a control device for operating a system of a plurality of internal combustion engines.
Insbesondere betrifft dabei die Erfindung ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zum Betreiben eines Systems aus mehreren Brennkraftmaschinen eines Schiffs. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsfall beschränkt. Vielmehr kann es sich bei dem System aus mehreren Brennkraftmaschinen auch um ein Kraftwerk handeln. Dann, wenn das Verfahren genutzt wird, um ein System aus mehreren Brennkraftmaschinen eines Schiffs zu betreiben, soll das System über eine Gesamtwegstrecke, zum Beispiel zwischen einem Start-Hafen und einem Ziel-Hafen, kosten- und/oder emmissionsoptimal betrieben werden, wobei sich die Gesamtwegstrecke zwischen dem Start-Hafen und dem Ziel-Hafen aus mehreren Streckenabschnitten zusammensetzt, so zum Beispiel aus einer Ausfahrt aus dem Start-Hafen, um eine Fahrt in Küstennähe, um eine Fahrt auf hoher See, sowie um eine Einfahrt in den Ziel-Hafen. Die obigen Streckenabschnitte sind dabei rein exemplarischer Natur. Die obigen Streckenabschnitte fordern unterschiedliche Gesamtleistungen an. Dann, wenn als System ein System aus mehreren Brennkraftmaschinen eines Kraftwerks kosten- und/oder emmissionsoptimal betrieben werden soll, erfolgt der optimierte Betrieb über eine sich aus mehreren Zeitabschnitten zusammensetzende Gesamtbetriebsdauer, wobei es sich bei den Zeitabschnitten zum Beispiel um unterschiedliche Zeitabschnitte eines Tages handeln kann, in denen unterschiedliche Gesamtleistungen angefordert werden.In particular, the invention relates to a method and a control device for operating a system of several internal combustion engines of a ship. However, the invention is not limited to this preferred application. Rather, the system of several internal combustion engines can also be a power plant. Then, when the method is used to operate a system of several internal combustion engines of a ship, the system should be operated over a total distance, for example between a launch port and a destination port, cost and / or emission optimal, wherein the total distance between the starting port and the destination port consists of several sections, such as an exit from the launch port, to a coastal drive, to a high sea trip, as well as to an entrance to the destination port. The above sections are purely exemplary nature. The above sections require different total services. Then, when a system of several internal combustion engines of a power plant is to be operated cost and / or emission optimized as a system, the optimized operation takes place over a composite of several time periods total operating time, which may be, for example, different periods of time one day where different total services are required.
Wie bereits ausgeführt, wird nachfolgend die Erfindung für den Anwendungsfall beschrieben, in welchem es sich bei dem zu betreibenden System aus mehreren Brennkraftmaschinen um ein Brennkraftmaschinen-System eines Schiffs handelt, das entlang einer aus mehreren Streckenabschnitten zusammengesetzten Gesamtwegstrecke kosten- und/oder emmissionsoptimal und Einhaltung vorgegebener Emissionsgrenzwerte zu betreiben ist.As already stated, the invention is described below for the application in which the system to be operated consists of a plurality of internal combustion engines of an internal combustion engine system of a ship along a composite of several sections total route distance cost and / or emission optimal and compliance operate according to specified emission limit values.
Die Erfindung wird nachfolgend auf die Blockschaltbilder der
In
Ferner verdeutlicht
Für jeden Streckenabschnitt
Die Abschnittsdaten
Die Abschnittsbedingungen
Weiterhin werden Betriebsmittelkosten
Die Abschnittsdaten
Für jeden Streckenabschnitt
Für jeden Streckenabschnitt
Es wird in einem Block
Die übergeordnete Optimierfunktion
Weitere Details der Optimierfunktion
So zeigt
Als spezifischen Betriebsmittelverbrauch bildet dabei jede der Betriebsparameter-Maps
Als spezifischen Emissionsausstoß bildet jede Betriebsparameter-Map vorzugsweise einen spezifischen Stickoxid-Ausstoß sowie einen spezifischen Schwefeloxid-Ausstoß ab.As a specific emission output, each operating parameter map preferably maps specific nitrogen oxide emissions as well as specific sulfur oxide emissions.
In den Betriebsparameter-Maps
Dann, wenn, wie in
Die in
Für jeden Streckenabschnitt
Die Aufteilung der für den jeweiligen Streckenabschnitt
Details eines Partikel-Schwarm-Algorithmus dem hier angesprochenen Fachmann geläufig sind und keiner näheren Erläuterung bedürfen. Hinsichtlich des Partikel-Schwarm-Algorithmus sei z.B. auf die
Für jeden Streckenabschnitt
Aus diesen drehzahlabhängigen Kostenvektoren
Dem Block
Im übergeordneten Optimierungsblock
Wie bereits ausgeführt, kann das Verfahren auch genutzt werden, um ein System aus mehreren Brennkraftmaschinen eines Kraftwerks über eine Gesamtbetriebsdauer zu optimieren. Dabei können dann Betriebsparameter-Maps bereitgehalten werden, die sich hinsichtlich des zu verwendenden Kraftstofftyps voneinander unterscheiden. Als Kraftstofftyp kann dabei Kraftwerken Schweröl oder Gas oder Kohle oder dergleichen genutzt werden.As already stated, the method can also be used to optimize a system of several internal combustion engines of a power plant over a total operating time. In this case, operating parameter maps can then be kept available which differ from one another with regard to the type of fuel to be used. As a fuel type power plants heavy oil or gas or coal or the like can be used.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens, wobei das Steuergerät das erfindungsgemäße Verfahren automatisch ausführt. Das Steuergerät verfügt hierzu über hardwareseitige und softwareseitige Mittel, wobei es sich bei den hardwareseitigen Mitteln um Datenschnittstellen, einen Prozessor und einen Speicher handelt. Datenschnittstellen dienen dem Datenaustausch zwischen den einzelnen Komponenten, ein Speicher dient der Datenspeicherung und ein Prozessor der Datenverarbeitung. Bei softwareseitigen Mitteln kann es sich um Programmbausteine handeln, die im Speicher gespeichert und vom Prozessor ausgeführt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The invention further relates to a control device for carrying out the method, wherein the control device automatically carries out the method according to the invention. For this purpose, the control unit has hardware-side and software-side means, the hardware-side means being data interfaces, a processor and a memory. Data interfaces are used for data exchange between the individual components, a memory is used for data storage and a processor of data processing. Software resources can be program modules which are stored in the memory and executed by the processor in order to carry out the method according to the invention.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102010003725 A1 [0048]DE 102010003725 A1 [0048]
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