CN102840043B - 用于优化内燃机的燃烧过程的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于优化在海上操作的船的内燃机的燃烧过程的方法,包括以下步骤:在快速调节回路中控制与在内燃机的缸中的燃烧过程相关的操作活动的执行、在缓慢调节回路中捕获与内燃机的燃烧过程相关的值和计算在快速调节回路中使用的燃烧控制参数,其中,将在海上操作的船的多个独立操作的内燃机的被捕获的值通信到远程控制站,和基于多个独立操作的内燃机的被捕获的值计算在快速调节回路中使用的控制参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种优化在海上操作的船的内燃机的燃烧过程的方法,包括如下步骤:在快速调节回路中控制与在内燃机的气缸中燃烧过程相关的操作活动的执行、捕获与内燃机的燃烧过程相关的缓慢调节回路值、以及计算在快速调节回路中使用的燃烧控制参数。
背景技术
传统地,已经由船舶工程师作为周期性任务手动地执行船的内燃机的性能优化,这种周期性任务需要预留几个小时来调整内燃机,以使内容及在推荐的负载极限内安全地运行,并且每个气缸的燃烧压力被平衡。据了解,例如,平均最高燃烧压力(Pmax)的甚至相对小的降低都会导致相当大的特定燃油消耗,即,产生每千瓦时的电能消耗更多的燃料。由于当运行条件由于例如根据燃料舱质量而改变的磨损和燃油性能而随着时间的推移改变时,复杂系统的手动优化过程不可避免地会留下用于进一步性能优化的余地,,因此为了最好性能的发动机的连续性能优化已经自动地执行,从而甚至进一步提高性能和限制对操作人员的需要。
在图1中说明的发动机的这种已知自动优化基于借助于缓慢调节回路中的燃烧测量单元对发动机的气缸中的燃烧压力的连续测量。在发动机的运行过程中测量的燃烧压力被用来计算在快速调节回路中使用的燃烧控制参数,其中发动机控制单元基于计算的燃烧控制参数调节诸如燃料喷射和阀门定时之类的操作活动的定时。确保内燃机以所需的最大压力运行的缓慢调节回路通常被周期性地激活。然而,一旦实施,则发动机性能的自动优化是相对静态的设置,难以考虑到经验人员的知识、来自相同制造的几个发动机的优化经验、和发动机在特定操作状况下的操作,如在不同气候状况中航行和使用具有不同特性的燃料。除了降低油耗和排放燃烧气体的明显好处之外,被调节和平衡的发动机潜在地带来维护成本的大量节省,并且减少发动机损坏的风险。
US2005/0188745公开一种用于监测和控制通过互联网连接到中央服务器的连接到电网的发电机的系统。通过分析废气样品,以及通过收集有关发电机的运行状况的信息,如每分钟的转速、发动机温度、发动机油压等,监测发电机的燃烧过程。由此能够报告排放等级给当局,根据实际电力消耗和发电机的地理位置优化单个发电机的发电量。
JP2004110843公开一种方法和系统,其中与船的发动机的零件有关的数据与船的位置的地理信息一起被加载到船上计算机。数据通过卫星通信到陆基中央服务器,用于控制和规划发动机的服务和维护。类似的解决方案从JP2002-221076获悉,JP2002-221076同样涉及在陆基计算机中收集数据,用于规划服务和维护的目的。
发明内容
鉴于此,本发明的目的在于提供用于进一步优化在海上操作的内燃机的燃烧过程的方法和系统。
鉴于此,根据本发明的第一方面的方法,其特征在于,将在海上操作的船的多个独立操作的内燃机的被捕获的值通信到远程控制站,和基于多个独立操作的内燃机的被捕获的值计算在快速调节回路中使用的控制参数。
由于用在发动机的快速调节回路中的燃烧控制参数的计算基于与多个独立操作的发动机的燃烧过程相关的值,这提供发动机的燃烧过程的更好的优化,即用于发动机的燃烧过程的优化的燃烧控制参数的计算还可以基于来自从多个发动机的操作和优化的经验,并且将因此导致更加优化的燃烧过程。在快速调节回路上使用的燃烧控制参数的计算基于几个发动机的操作是有利的,因为执行的优化可以被看作非线性多变量系统,最佳操作不能通过最优控制参数的简单计算确定用于该非线性多变量系统,因为几个参数可能被调节并且他们的相关性不暴露。当捕获的值收集在远程控制站时,发动机设计师可以通过使用捕获的值,涉及发动机的优化。这可以通过认识到如下事实来实现:发动机的控制分成在快速调节回路中的时间关键事项的本地控制操作,和分成发动机的非时间关键控制和调节,其部分地在远程控制站上进行,形成缓慢调节回路的部分。除了接受与在多个独立操作的发动机中的燃烧过程相关的捕获的值,即在为每个发动机独立地选择诸如发动机负荷、发动机转速等的发动机的操作的这个意义上独立操作地操作发动机,远程控制站可以形成一个以上的船的通信捕获的值到缓慢调节回路的部分。而且,船可以更容易和通过较少培训人员来操作。
本发明的第二方面涉及一种用于优化在海上操作的船的内燃机的燃烧过程的系统,包括:快速调节回路,包括发动机控制单元,控制与在内燃机的缸中的燃烧过程相关的操作活动的执行,缓慢调节回路,包括燃烧测量单元,捕获与内燃机的燃烧过程相关的值,并且计算在快速调节回路中使用的燃烧控制参数,其中在海上操作的船的多个独立操作的内燃机与远程控制站通信,接收来自在海上操作的船的多个独立操作的内燃机的被捕获的值,并且其中远程控制站包括基于多个独立操作的内燃机的被捕获的值计算燃烧控制参数的装置。
这以简单的方式提供实现根据本发明的第一方面的方法和上面提到的相应优势的系统。
根据本发明的优选实施例,捕获的值包括在缸中的燃烧压力,优选地捕获的值包括废气中的氮氧化物水平。这使得有可能关于降低燃料消耗和关于关键废气水平两者优化燃烧过程。
根据本发明实施例,使用通信到远程控制站的被捕获的值确定用于计算燃烧控制参数的算法。
这能够通过更新在远程控制站中配置的算法改进燃烧控制参数的计算。由于当改进的算法已经被确定时,只有远程控制站不得不被更新,这大大降低维护成本,并且确保燃烧过程的优化在任何时候都基于最新的算法。此外,改进的算法可以配置在不能够与远程控制站通信的现有技术系统中,或者改进的算法可以配置在船上作为备份功能,从而使用在快速调节回路中的燃烧控制参数的计算可以在任何时间处进行,甚至当到远程控制站的通信链路不可用时。改进的算法可以从远程控制站通信到船,以使其配置用于将来使用。
在实施例中,甚至进一步利用从多个内燃机收集的值,用于内燃机的特定操作状况的优化算法被确定。这允许发动机例如依照船的操作者的要求被优化用于在特定的地理航线、在非常高的速度或根据不同的天气状况操作,如在低温和高温等处。因此,船被容易地调节用于在新的状况下优化操作。
在本发明实施例中,用于计算用于在多个内燃机之中的特定类型内燃机的控制参数的算法被确定。这允许用于计算燃烧控制参数的算法经良好调节用于特定的发动机,这将导致发动机的燃烧过程的甚至更好的优化。此外,由于可以甚至在船的实际操作之前进行燃烧控制参数的计算,新船可以容易地在优化操作状况处操作。
根据本发明的优选实施例,被捕获的值通过卫星通信链路通信到远程控制站。可以利用现有的通信设备和基础设施是有利的,因为由卫星链路提供的带宽足以用于将捕获的值通信到远程控制站,即在0.5到2Mbit/s的范围内的带宽显示足够用于捕获的值和在缓慢调节回路中计算的燃烧控制参数的通信。
附图说明
下面,参考示意图所示的优选实施例进一步详细描述本发明的示例和实施例,其中:
图1是用于多缸船用柴油机发动机的现有技术优化系统的一般说明;和
图2是根据本发明实施例的优化系统的说明。
具体实施方式
在图1中显示具有发动机控制系统2和燃烧测量系统3的六缸船用柴油机发动机1。发动机控制系统2以如下方式在快速调节回路30中操作:代表发动机曲轴的角位置的离散瞬时参数值被检测并且被两个典型的光电传感器布置的每一个中的多个检测器部件捕获,并且通信到至少一个中央发动机控制单元4和到多个缸控制单元5,多个缸控制单元5与六缸连接,用于依赖从传感器布置接收的参数值在每个缸中燃烧过程的定时和控制。因此,快速调节回路30处理在内燃机1的每个燃烧循环过程中各种操作情况的非常关键的定时和控制。基于燃烧控制参数,发动机控制单元4和缸控制单元可以例如调节在单个缸中喷射的燃料的数量和速度、燃油喷射瞬间、排气阀门致动器等的定时。发动机系统2被视为操作为快速调节回路30,因为定时和控制必须精确在毫秒范围内,以正确操作发动机。
通过测量内部缸压力,即固定在全部缸中的传感器6被使用以测量在发动机1的操作过程中的缸的燃烧压力,燃烧测量单元3在监视发动机性能和调节负载平衡和定时的缓慢调节回路20中操作。测量的燃烧压力可以如框7表示,显示给发动机操作者。测量从燃烧压力测量单元3提供到发动机控制系统2,并且发动机控制系统2计算最佳燃烧控制参数,并且如由框8所示的这些参数可以显示给发动机操作者。由快速调节回路30(即,由至少发动机控制单元4和缸控制单元5)处理的控制和定时可以然后基于由发动机控制系统2计算的优化的燃烧控制参数。基于捕获的燃烧压力值,发动机控制系统2以本身已知的方式计算燃烧控制参数,例如将调节在每个缸中的指示的平均数和最大压力,以优化发动机的燃烧过程。典型地,发动机的优化关于由发动机制造商规定的理论上能够实现的燃烧压力实现。
在发动机的操作过程中可以自动地进行燃烧控制参数的计算,代替地在发动机的具体操作状况过程中,或者半自动地通过手动启动和终止捕获值的过程,并且计算燃烧控制参数。由于燃烧控制参数的连续和及时精确计算对于发动机的操作是不需要的,燃烧测量单元3被视为缓慢调节回路20,因为发动机1可以良好操作,但不在优化状况下,没有通过考虑燃料特性、磨损、目前具体操作状况,导致发动机的最佳操作的燃烧控制参数的连续计算。
相比图1中显示的现有技术系统,本发明的控制方法和系统基于识别发动机服务的显著简化,并且可以通过通信有关燃烧过程的值到处理燃烧控制参数的计算的远程控制站10实现内燃机的甚至进一步优化的燃烧过程,因此当确定计算燃烧控制参数的改进方法并且计算有可能利用从多个独立地操作的发动机收集的值时,免于更新每艘船的需要。
图2显示根据本发明的系统,其中与燃烧过程中相关的值,例如由燃烧压力测量单元3捕获的缸的燃烧压力,从船通信到远程控制站10,其中从在海上独立操作的多个船接收的值被用于计算在单个发动机中使用的燃烧控制参数。在多个独立操作船的每一个上捕获的值借助卫星通信链路11通信到远程控制站,其还提供远程控制站10和船之间的通信。因此,通过接收从燃烧压力测量单元3捕获的值、计算燃烧控制参数并且通信这些到发动机控制系统2用于使用在缓慢调节回路20中,远程控制站10形成缓慢调节回路20的部分。显然地,通信到远程控制站的值可以是与发动机的操作相关的任何值,诸如转速和发动机的曲轴位置等。
优选地,远程控制站10以地面为基地并且属于发动机制造商或用户。从多个独立操作的船接收的捕获的值可以然后被使用以确定用于计算最佳燃烧控制参数的算法。通过使用来自多个独立操作的发动机的操作的捕获的值,可以确定允许甚至更好的优化燃烧过程并且可以考虑操作经验和优化其他发动机的算法。当一种改进算法是手时,通过更新远程控制站的软件,为了几个独立操作的发动机的利益配置。显然地,用于计算燃烧控制参数的改进算法可以配置在船的燃烧测量控制单元3中,不提供与远程控制站所需的通信链路11,或在通信链路11故障的情况下作为备份。在这种情况下,燃烧测量控制单元3将直接地提供测量的燃烧压力到发动机控制系统2,如用虚线9表示。
除了测量燃烧压力,燃烧的计量单元4可以包括传感器布置,用于测量诸如氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳和烟尘的废气水平,以使发动机的燃烧过程可以优化以诸如限制这种废气的水平。
发动机1的燃烧过程的优化不一定在发动机操作过程中的任何时候都进行,而是在由于目前的操作状况手动或自动要求燃烧过程的优化时,燃烧压力测量装置3将开始捕获在每个缸中的燃烧压力,如由参考数字7所示,并且将捕获的值通信到远程控制站10,在远程控制站10中捕获的值可以被储存供日后使用。此外,捕获的值是用来计算优化发动机1的操作的燃烧控制参数。计算的燃烧控制参数通信到船和装载到发动机控制系统2,用于快速调节回路30。计算的燃烧控制参数的图形代表8或目前使用在发动机控制系统中的燃烧控制参数的所需调节可以呈现给船操作者。得到燃烧压力的一种新的测量并且捕获的数据通信到给远程控制站,以检查是否已经获得期望的结果,并且重复该过程直到发动机的操作如所需地被优化。当远程控制站接收来自在海上在不同操作状况下操作的船上多个发动机的燃烧压力的被捕获的值时,相应数量的值可以被分析以利用来自操作和优化多个发动机的经验。因此通过简单地更新远程控制站10的软件确定和实施用于计算导致进一步优化的发动机的燃烧控制参数的改进的算法。
使用本发明,认识到发动机的燃烧过程可以通过如下方法甚至被进一步优化:将发动机的控制分成具有时间关键事项的本地控制操作的快速调节回路,和分成包括连接到多个发动机的远程控制站的非时间关键的缓慢调节回路,该远程控制站在从多个独立操作的发动机捕获的值的基础上计算在第一循环回路中使用的燃烧控制参数。
Claims (12)
1.一种用于优化在海上操作的船的内燃机(1)的燃烧过程的方法,包括以下步骤:
在快速调节回路(30)中控制与在内燃机(1)的气缸中的燃烧过程相关的操作活动的执行,
在缓慢调节回路(20)中捕获与内燃机(1)的燃烧过程相关的值,和
计算在快速调节回路(30)中使用的燃烧控制参数,其特征在于,
将在海上操作的多个船的多个独立操作的内燃机(1)的被捕获的值通信到远程控制站(10),
使用被通信到远程控制站(10)的所述被捕获的值确定用于计算燃烧控制参数的算法,
基于所述被通信到远程控制站(10)的所述被捕获的值,计算在快速调节回路(30)中使用的控制参数,
通过将被计算的燃烧控制参数通信到所述内燃机(1)的发动机控制系统(2)而形成所述缓慢调节回路(20),以及
将所述燃烧控制参数加载至所述发动机控制系统(2)以在所述快速调节回路(30)中使用。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述被捕获的值包括气缸中的燃烧压力。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其中所述被捕获的值包括废气中的氮氧化物水平。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的方法,其中确定为内燃机(1)的具体运行条件优化的算法。
5.根据权利要求4所述的方法,其中确定用于计算用于在所述多个内燃机(1)之中的具体类型的内燃机(1)的控制参数的算法。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法,其中通过卫星通信链路(11)将所述被捕获的值通信到远程控制站(10)。
7.一种用于优化在海上操作的船的内燃机(1)的燃烧过程的系统,包括:
快速调节回路(30),包括发动机控制单元(4),该发动机控制单元控制与在内燃机(1)的气缸中的燃烧过程相关的操作活动的执行,以及
缓慢调节回路(20),包括燃烧测量单元(3),该燃烧测量单元捕获与内燃机(1)的燃烧过程相关的值,并且计算在快速调节回路(30)中使用的燃烧控制参数,其特征在于,
将在海上操作的多个船的多个独立操作的内燃机(1)通信至远程控制站(10),
使用被通信到远程控制站(10)的所述被捕获的值确定用于计算燃烧控制参数的算法,
基于所述被通信到远程控制站(10)的所述被捕获的值,计算在快速调节回路(30)中使用的控制参数,
通过将被计算的燃烧控制参数通信到所述内燃机(1)的发动机控制系统(2)而形成所述缓慢调节回路(20),以及
将所述燃烧控制参数加载至所述发动机控制系统(2)以在所述快速调节回路(30)中使用。
8.根据权利要求7所述的系统,其中所述被捕获的值包括气缸中的燃烧压力。
9.根据权利要求7或8所述的系统,其中所述被捕获的值包括废气中的氮氧化物水平。
10.根据权利要求7-8中任一项所述的系统,其中为内燃机(1)的具体工作条件优化的算法被确定。
11.根据权利要求10所述的系统,用于计算用于在所述多个内燃机(1)之中的具体类型的内燃机(1)的燃烧控制参数的算法被确定。
12.根据权利要求7-8中任一项所述的系统,其中在海上操作的多个船的所述多个独立操作的内燃机(1)和远程控制站(10)之间的通信链路是卫星通信链路(11)。
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