CN105793544B - 用于调节内燃机转速的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明建议一种用于调节内燃机转速的方法和一个用于执行本方法的转速调节回路。在调节时燃料能作为输出参数使用。根据稳态的比例系数计算转速调节器的分量，其中与燃料能成比例地并且与发动机转速成反比地计算稳态的比例系数。

Description

用于调节内燃机转速的方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节内燃机转速的方法和一个用于执行本方法的转速调节回路。
背景技术
内燃机转速称为单位时间内燃机旋转频度，一般在运行中调节内燃机转速，尤其在确定的时间空间中保持恒定。为此使用转速调节器，它通过给定调整参数这样影响内燃机的运行，使转速在对应于理论转速的给定水平上尽可能保持恒定，其中降低干扰影响。已知不同形式的调节器，其特性通过调节参数确定并且受到其选择的影响。
文献DE 10 2004 023 993 A1描述了一种用于在启动过程期间通过离合器调节内燃机-发电机单元转速的方法。在该方法中在开始第一加速斜面以后通过识别离合器闭合从第一参数组变换到第二参数组，接着使第一参数组无效。在第二参数组里面第二加速斜面对于给定理论转速起到重要作用。
因此在所述方法中根据离合器信号转换调节器参数。这个离合器信号必需作为外部信号供使用。所述转速调节器的调整参数是燃料喷射量。因此不能容易地在具有更多燃料的系统中使用。
发明内容
出于这个背景介绍一种用于调节内燃机转速的方法和一种用于执行该方法的转速调节回路。在该方法中，在内燃机里面喷入一种燃料的至少一燃料，具有转速调节器，它设置在转速调节回路里面并且其特性通过调节参数确定，其特征在于，作为转速调节器的输出参数产生至少一要喷射的燃料的燃料能，并且根据稳态的比例系数计算转速调节器的分量并且与燃料能成比例地并且与内燃机转速成反比地计算稳态的比例系数。该转速调节回路具有转速调节器，它设计成，作为输出参数产生燃料能。
因此描述一种方法，通过该方法可以调节内燃机、尤其是具有共轨喷射系统的内燃机的发动机转速，即使每个气缸喷入不同种类的一种或多种燃料。在此使用每次喷射的燃料能作为转速调节器的输出参数或者作为转速调节回路的调整参数，由此能够在具有两种或多种燃料的系统时使用。通过内部供使用的信号、例如发动机转速、燃料能和转速调节偏差跟踪调节参数。此外可以使用用于改善转速调节器动态响应的加载信号。关于燃料能理解为每次喷射对于燃料种类典型的燃料能量。
所述转速调节器可以自动地适配于取决于运行点的调节路径特性。通过根据转速调节偏差计算比例系数以及通过使用加载信号实现更好的转速调节回路动态响应。
要注意到，作为转速调节器的调整参数使用燃料总能量并且不像在目前已知的转速调节器中那样使用理论扭矩或喷射量。
所建议的方法至少在扩展结构中总体上具有下面的特征：
所述转速调节回路是以燃料能为基础的，即，转速调节回路的调整参数是对于燃烧过程每个气缸喷入的燃料总能量。根据调节器参数计算调节器特性。在此与燃料能成比例地并且与发动机转速成反比地计算稳态的比例系数。可以向下限制稳态的比例系数。
此外可以根据第二调节参数、动态的比例系数匹配调节器特性，其中动态的比例系数附加地取决于转速调节偏差。
所述稳态比例系数的比例因子由两个乘数组成，其中第一乘数取决于应用，并且在应用于船时取值2并且在应用于发电机时取值1。
第二乘数映射由运行者给定的开环转速调节回路的回路放大器并且与应用无关。
根据动态比例系数计算转速调节器的比例分量。
根据稳态比例系数计算转速调节器的积分分量。
根据稳态的比例系数计算转速调节器的微分分量。
另一调节器参数、提前时间为了计算微分分量线性地通过燃料能跟踪。
对转速调节器的输出信号可以添加用于改善转速调节器动态响应的燃料能-加载信号，其中由在出现负荷接通时产生的设备信号计算燃料能-加载信号。
动态的比例系数取决于转速-调节偏差并且改善转速调节回路的动态响应。
所述方法可以在转速调节回路中尤其也在系统中使用，在这些系统中对于燃烧过程喷入不同种类的两种或多种燃料（柴油、汽油、…）。
所建议的方法具有一系列优点，至少在一些实施例里面。因为所述转速调节回路的调整参数是燃料总能量，在发动机中可以使用转速调节回路，在这些发动机中也喷入两种或多种燃料。通过跟踪稳态的比例系数通过燃料能和发动机转速使取决于运行点的稳态发动机放大倍数反向并由此使转速调节器适配于调节路径，使转速调节回路的特性在很大程度上与运行点无关。此外通过在计算比例分量时使用取决于转速调节偏差的动态比例系数能够改善转速调节回路的动态响应特性并且通过在PI(DT1)转速调节器的输出上串接加载信号-燃料能能够改善转速调节回路的动态响应特性。
本发明的其它优点和扩展结构由说明书和附图给出。
不言而喻，上面列举和下面还要解释的特征不仅可以在所给出的组合中、而且可以在其它组合中或者单独地使用，不离开本发明的范围。
附图说明
利用附图中的实施例示意地示出本发明并且在下面参照附图详细描述。
图1示出用于执行所介绍方法的转速调节回路结构。
图2示出PI(DT1)转速调节器的分立算法。
图3示出计算动态比例系数。
图4示出计算静态的比例系数。
图5示出计算提前时间tv。
图6示出计算加载信号。
具体实施方式
图1以方框图示出转速调节回路，它总体上以附图标记10表示。这个转速调节回路10以燃料能为基础工作。视图示出调节器12、在这种情况下是PI(DT1)调节器、用于计算燃料能的模块14、滤波器16、转速滤波器18、发动机管理器20和内燃发动机22。在PI(DT1)调节器位置上尤其也可以使用PI调节器、PID调节器或者（PID）T1调节器。
转速调节回路10的输入信号是理论转速30。这个理论转速30与测得的发动机转速32的差是转速调节偏差34。转速调节偏差34是PI(DT1)转速调节器12的输入参数。PI(DT1)转速调节器的输出参数是PI(DT1)燃料能36，它涉及对于内燃机气缸燃烧过程的喷入。对转速调节器12的输出参数36添加加载信号燃料能38。这个添加是干扰参数串接。它用于改善转速调节器12的动态响应。接着通过模块14向上限制转速调节器输出36与加载信号燃料能38的总和到最大燃料能40并且向下到每个气缸的负的燃料摩擦能42。
在此最大燃料能40取决于发动机转速、进气压力和其它参数。有限的燃料能44是转速调节回路的调整参数并且同样涉及喷射。接着对有限的燃料能添加燃料摩擦能46。关于燃料摩擦能46理解为对应于内燃机摩擦损失的燃料能。在此摩擦损失可能是在内燃机气缸里面的摩擦损失。必需的燃料能总和最终转交给发动机管理器20并且由发动机管理器换算成喷射量。在柴油喷射系统中这是喷射量48，并且在具有柴油和汽油喷射（双燃料喷射）的喷射系统中附加地是汽油喷射量50。检测发动机转速52并且借助于转速滤波器18滤波。转速滤波器18的输出参数是测得的转速32。
图2示出PI(DT1)转速调节器的离散时间的算法，该算法总体上以附图标记12表示。转速调节器算法的输出参数36是三个分量的总和：比例分量74、积分分量76和DT1分量78。在此比例分量74是转速调节偏差34与所谓的动态的比例系数80的乘积。动态的比例系数80是转速调节器算法的调节参数，在图3中详细地示出这个参数的计算。
转速调节器的积分分量76、I分量是实时的、以扫描步距（延迟环节82）延迟的、有限积分分量与放大系数84加上实时的和以扫描步距（延迟环节86）延迟的转速调节偏差34的总和的乘积。在此转速调节器的积分分量向上限制到最大燃料能40并且向下限制到负的燃料摩擦能42。
在图2的下部示出计算DT1分量78。DT1分量78由两个乘积的总和给出。第一乘积92由系数94与以扫描步距（延迟环节96）延迟的DT1分量78相乘组成。第二乘积98由系数100与开关102的输出相乘给出。根据开关102位于哪个位置，系数100或者与实时转速调节偏差34与以扫描步距延迟（延迟环节96）的转速调节偏差的差值相乘（开关位置1），或者与以扫描步距延迟（延迟环节108）的测得的发电机转速与实时测得的发电机转速32的差值相乘（开关位置2）。
在此当发动机理论转速30不变化或者只微少变化、例如在发电机应用中，则总是偏爱开关位置2。I分量以及DT1分量的放大系数84和100取决于所谓的稳态的比例系数kpStat，而比例分量取决于动态的比例系数80。如下计算稳态的比例系数kpStat：
kpStat=（f*v*EI Soll）/nist。
在此测得的发动机转速nist通过附图标记32表示，积分分量EI Soll通过附图标记76表示。因此稳态的比例系数与积分分量EI Soll成比例并且与测得的发动机转速nist成反比。比例因子是两个乘数的乘积。第一乘数是系数f，第二乘数是回路放大倍数v。
系数取决于应用。在应用于船时f取值2，在应用于发电机时取值1。回路放大倍数v可以由运行者给定，在此它涉及开环转速调节回路的无量纲的回路放大器。如果v取大值，则转速调节回路的动态响应大，而如果v取小值，则转速调节回路的动态响应小。稳态的比例系数kpStat向下限制到给定的最小比例系数kpmin：
kpStat≥kpmin。
图3示出计算动态比例系数80。动态比例系数80由稳态比例系数kpStat152加上取决于转速调节偏差34的分量154计算。当开关156位于位置1时，这个分量有效。而如果开关156位于位置0，则动态比例系数80与稳态比例系数kpStat152一致。
当开关158变换到位置2时，开关156取位置1。在这种情况下开关158接通逻辑1到开关156上，由此使这个开关位于位置1。当信号160具有逻辑值1时，开关158位于位置2。当测得的发动机转速32大于或等于给定有效转速164，同时转速调节偏差34小于或等于值0的时候，是这种情况。对于发动机的启动过程这意味着：在发动机启动以后发动机转速32达到有效转速164，例如1500转/min，同时发动机转速32达到理论转速30（转速调节偏差等于0），则开关156变换到位置1，由此动态比例系数80由稳态比例系数kpStat152加上取决于转速调节偏差34的分量154计算。如果识别到发动机停机，则逻辑信号165具有值1并且开关158位于位置1。由此由开关158接通逻辑0，由此开关156位于位置0。在这种情况下动态比例系数80又与稳态比例系数kpStat152一致。
取决于转速调节偏差34的分量154计算如下：如果转速调节偏差34大于给定值emin pos，则取决于转速调节偏差34的相加的动态比例系数80的分量154这样长时间地线性增加，直到转速调节偏差34达到值emax。在进一步加大转速调节偏差时相加的分量154保持恒定。而如果转速调节偏差34是负的并且小于给定的值emin neg，则相加的分量154这样长时间地线性增加，直到转速调节偏差34达到负的给定值emax。如果转速调节偏差继续变小，则相加的分量154又保持恒定。
通过根据转速调节偏差34计算动态的比例系数80可以决定性地改善在不稳定的过程时、尤其在负荷接通过程和负荷断开过程时的转速调节回路的动态响应，因为在发生转速调节偏差时转速调节器的比例系数和相关的比例分量增加。
图4示出计算稳态的比例系数kpStat152。如果发动机转速nist32等于0，则开关200位于位置1，由此接通值80。而如果发动机转速nist32不等于0，则发动机转速nist32向下限制到给定的值nmin202并且由开关200接通，因为这个开关在这种情况下位于位置0。接着由开关200的输出值形成倒数206（模块204）。这个倒数206与系数f208、回路放大倍数v209和向下限制到给定值Emin210的I分量EI Soll212相乘。这个乘积的结果214还限制到给定值kpmin216并且是稳态的比例系数kpStat152。总之，如下计算kpStat152：
kpStat=（f*v*EI Soll）/nist （1）
EI Soll≥Emin
nist≥nmin
kpStat≥kpmin
其中，f=1（发电机）
f=2（船）。
I分量EI Soll必需向下限制到值Emin，由此稳态的比例系数kpStat不太小或者说等于0并由此转速调节器不具有太小的动态响应。在比例系数为0时将不再激活转速调节器的比例分量。发动机转速nist必需向下至少限制到发动机转速的检测边界，这个边界例如为80转/min。为了进一步安全kpStat最后还总体上限制到下极限值kpmin。
替代I分量EI Soll为了计算稳态比例系数kpStat可以使用滤波的燃料能ESoll Gefiltert53：
KpStat=（f*v*ESoll Gefiltert）/nist
其中
ESoll Gefiltert≥Emin
nist≥nmin
kpStat≥kpmin
其中
f=1（发电机）
f=2（船）。
等式（1）是以燃料能为基础的转速调节器的调节定律。这个调节定律表征稳态比例系数kpStat的计算。稳态比例系数kpStat与燃料能EI Soll以及ESoll Gefiltert成比例并且与发动机转速nist成反比。在此比例因子是两个乘数的乘积：系数f和回路放大倍数v，其中系数f取决于应用并且由运行者给定回路放大倍数v。
为了导出调节定律发动机和设备被作为单质量振动器模型。如果角动量守恒定律应用于这个单质量振动器上，则对于螺旋桨驱动（应用于船）的情况得到下面的等式：
Θ*dw/dt=Mm-kB*nist 2
其中
Θ=ΘMoto+ΘLast
Θ-总惯性矩[kgm2]
w-角速度[1/s]
Mm-发动机扭矩[Nm]
kB-比例因子[Nm min2]
nist-发动机转速[1/min]
角速度w计算如下：
w=2*pi*nist
由此得到单质量振动器的下列非线性模型：
Θ*2pi*dnist/dt+kB*nist 2=Mm
如果这个等式线性化，则得到下列的单质量振动器线性模型：
Θ*2*pi*d（Δn）/dt+2*kB*nBet*Δn=ΔMm
其中
nBet：发动机转速运行点，在该运行点中线性化
Δn，ΔMm：由运行点的发动机转速和发动机扭矩的偏差
因此对于单质量振动器的传递函数适用于：
G(s)= Δn（s）/ΔMm（s）=km/（1+Tm*s）
其中
km=1/（2*kB* nBet） （2）
Tm=（pi*Θ）/（kB* nBet）
每次喷射的燃料能ESoll与发动机扭矩Mm的关系如下：
ESoll=（pi*Mm）/（250*z*η）
其中
ESoll-每次喷射的燃料能[kJ]
Mm-发动机扭矩[Nm]
z-气缸数[ ]
η-效率[ ]
由此对于发动机扭矩Mm适用于：
Mm=kv*ESoll （3）
其中
kv=（250*z*η）/pi
因此在运行点（Mm Bet，ESoll Bet）适用于：
Mm Bet=kv*ESoll Bet (4)
对于负荷扭矩适用于：
Mm Bet=kB*nBet 2
因此适用于
kB*nBet=ML Bet/nBet （5）
对于发动机放大倍数适用于：
vm=kv*km
通过（2）适用于：
vm=kv*[1/（2*kB* nBet）]
通过（5）得到：
vm=（kv*nBet）/（2*ML Bet）
在稳态运行中发动机扭矩与负荷扭矩一致：
Mm Bet= ML Bet
由此适用于：
vm=（kv*nBet）/（2*Mm Bet）
通过（4）适用于：
vm=（kv*nBet）/（2*kv*ESoll Bet）
由此对于发动机的稳态放大倍数适用于：
vm=nBet/（2* ESoll Bet） （6）
对于开环的转速调节回路的回路放大倍数适用于：
v=kpStat*vm
由此得到下面的调节定律：
kpStat=（2*v* ESoll Bet）/nBet
其中
kpStat-稳态的比例系数[kJ min]
v-回路放大倍数[ ]
nBet-发动机转速[1/min]
ESoll Bet-燃料理论能[kJ]
如果对于ESoll Bet使用转速调节器的I分量并且对于nBet使用测得的转速nist，则对于应用于船得到下面的等式：
kpStat=（2*v*EI Soll）/nist（船）
在应用于发电机时适用于在负荷扭矩ML与发动机转速nist之间的线性关系。这导致在调节定律中变化的乘数：
kpStat=（v*EI Soll）/nist（发电机）
总之由此得到上列的调节定律（1）：
kpStat=（f*v*EI Soll）/nist
其中
f=1（发电机）
f=2（船）
EI Soll≥Emin
nist≥nmin
kpStat≥kpmin。
通过这个调节定律使开环转速调节回路的回路放大倍数在整个运行范围上保持恒定。等式（6）表示，发动机的放大倍数在低发动机转速时是小的并且在高发动机转速时是大的。在低燃料能时发动机放大倍数是大的并且在高燃料能时、即高负荷时是小的。因为对应于上述的调节定律在低发动机转速时及时大的kpStat并且在高发动机转速时计算小的kpStat，总体上保持开环转速调节回路的回路放大倍数恒定。同样适用于燃料能：在低燃料能时计算小的kpStat并且在高燃料能时计算大的kpStat，由此在这种情况下也可以总体上保持回路放大倍数恒定。
回路放大倍数是可给定的参数。通过放大这个参数可以提高转速调节回路的动态响应。调节定律以所述形式显示出下列特征：
-稳态的比例系数kpStat线性地通过燃料能跟踪。
-稳态的比例系数与发动机转速成反比。
-稳态的比例系数与回路放大倍数v成正比，它可以由运行者给定。
-稳态的比例系数在应用于船时两倍于应用于发电机时。
-稳态的比例系数向下限制到给定值kpmin。
在图2中使用提前时间tv，用于计算DT1分量的放大系数100。在此提前时间tv可以恒定或者替代地如图5所示根据燃料能计算。在此作为燃料能或者使用转速调节器的I分量EI Soll或者替代地使用滤波的燃料理论能ESoll Gefiltert。
图5示出提前时间tv250与燃料能248的关系曲线。附图示出，如果燃料能小于给定值Emin254，则提前时间tv250与值tvmin252一致。如果燃料能大于给定值Emax256，则tv与值tvmax258一致。如果燃料能大于Emin254且小于Emax256，则tv250线性通过燃料能248跟踪。值tvmin252和tvmax258可以由运行者给定。
图1示出，对PI（DT1)转速调节器的输出36添加加载信号燃料能38。在此加载信号燃料能38是转速调节回路的干扰参数。它的任务是，在不稳定的过程时、例如在负荷接通过程和负荷断开过程时改善转速调节器的动态响应。
图6示出计算加载信号燃料能38。加载信号燃料能由设备信号计算，该设备信号例如是发电机功率信号。设备信号作为0…10伏或者4…20mA信号由设备运行者提供。如果开关341位于位置1，则使用电压信号U（0…10伏），如果开关341位于位置2，则使用电流信号I（4…20mA）。
各个输入信号302或304首先通过2维曲线306或308换算成百分比。得到以百分比定义的信号310。给定的最大加载信号燃料能312、例如与值20000J一致除以100并且与这个换算成百分比的值相乘。现在这个乘积的结果316通过DT1环节318放大。给定的DT1算法参数是提前时间tvLoad和延迟时间t1Load。两个参数作为模块318的输入参数。DT1系统318的输出320由模块“滞后”322如下处理：如果DT1系统的输出超过上极限值例如1000J、或者这个输出低于下极限值例如-1000J，则接通、即激活DT1系统的输出。在这种情况下滞后模块的输出324与DT1系统的输出一致。而如果DT1系统的输出在数值上低于另一极限值、例如50J，则断开这个输出，即，在这种情况下滞后模块的输出等于0。极限值是模块322的输入参数。
如果开关330占据位置1，则加载信号燃料能38与滞后模块322的输出324一致。当发动机转速32大于或等于给定转速334，同时参数“加载信号激活”340等于1，则是这种情况。这意味着，当发动机转速32达到给定转速334并且给定的参数“加载信号激活”340置于值1的时候，断开加载信号燃料能38。在所有其它情况下加载信号燃料能38等于0。加载信号燃料能38的任务是，在负荷接通和断开过程时支持转速调节器。如果在发电机时接通或断开负荷，则发电机功率升高或降低。如果检测到这个发电机功率并且作为0…10伏或4…20mA信号由发动机电路读出，则借助于DT1环节放大信号并且作为干扰参数接通到转速调节器，由此改善转速调节回路的动态响应、即反应能力。

Claims (12)

1.一种用于调节内燃机（22）转速（32）的方法，在内燃机里面喷入一种燃料的至少一燃料，具有转速调节器（12），它设置在转速调节回路（10）里面并且其特性通过调节参数确定，其特征在于，作为转速调节器（12）的输出参数（36）产生至少一要喷射的燃料的燃料能，并且根据稳态的比例系数（152）计算转速调节器（12）的分量（74,76,78）并且与燃料能（76,53）成比例地并且与内燃机（22）转速（32）成反比地计算稳态的比例系数（152）。
2.如权利要求1所述的用于调节内燃机转速的方法，其特征在于，根据动态的比例系数（80）计算转速调节器（12）的分量（74,76,78），其中动态的比例系数（80）附加地取决于转速调节偏差（34）。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稳态的比例系数（152）的比例因子由两个乘数（208,209）组成，其中第一乘数（208）取决于应用，在应用于船时取值2并且在应用于发电机时取值1。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，第二乘数（209）反映由运行者给定的开环转速调节回路的回路放大并且与应用无关。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据动态的比例系数（80）计算转速调节器的比例分量（74）。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据稳态的比例系数（152）计算转速调节器的积分分量（76）。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据稳态的比例系数（152）计算转速调节器的微分分量（78）。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用于计算微分分量（78）的提前时间（250）线性地通过燃料能（248,76,53）跟踪。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对转速调节器（12）的输出信号（36）添加用于改善转速调节器动态响应的燃料能-加载信号（38）。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，由在出现负荷接通时产生的设备信号计算燃料能-加载信号（38）。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在气缸里面分别喷入不同种类的许多燃料并且在燃烧过程中燃烧。
12.一种用于执行如权利要求1至11中任一项所述方法的转速调节回路（10），具有转速调节器（12），它设计成，作为输出参数（36）产生燃料能。
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