CN106150775A - 具有egr系统的大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎 - Google Patents

Abstract

一种大型涡轮增压两冲程自点火单流类型内燃引擎。引擎具有：多个缸体(1)；进气系统，清除气体通过进气系统被引入缸体(1)中，进气系统包括连接到缸体(1)的清除气体接收器(2)；排放系统，缸体中产生的排放气体通过排放系统排放，排放系统包括：连接到缸体的排放气体接收器(3)；涡轮增压器(5)，通过涡轮(8)和压缩机(9)将清除空气流传输到清除气体接收器；燃料系统，将燃料流传输到缸体(1)；EGR系统，将排放气体流从排放系统传送到进气系统，并包括至少一个可变速的或固定速率的风机(22)；第一传感器(27)，其提供表示清除气体接收器(2)中的氧浓度Os的信号；控制器(50)，控制通过EGR系统的排放气体流。

Description

具有EGR系统的大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎

技术领域

本发明涉及用于大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎的废气再循环(EGR)系统，更具体地涉及EGR系统操作控制。

背景技术

大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎通常用于大型船舶推进系统中，或用作发电站的原动机。这些引擎的高度通常并不重要，因而引擎构建有十字头以避免侧向负载作用在活塞上。通常，这些引擎通过重燃料油或通过燃料油操作。

来自船用柴油引擎的排放由于对排放物影响环境的认识而受到限制。由国际海事组织提出的(2013)在选择区域中限制船用柴油NOx排放的Tier III限制措施将在2016年引入。这激发船舶工业开发减少NOx排放的技术。一种这样的技术是排放气体再循环(EGR)，其已应用于汽车工业中的四冲程引擎多年。

EGR的原理是：使排放气体的一部分再循环回到引擎的清除歧管。这减少了清除气体中的清除氧水平，并进而减少燃烧期间NOx气体的形成。不幸的是，降低清除气体的氧含量也会影响燃烧效率。在过低清除空气氧水平下，引擎将产生不希望出现的可见烟雾。

直到最近，这些大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎还未通过EGR操作。正在进行的改变是由于日趋严格的排放要求、特别是由于减少排放气体中NOx含量的要求所致。EGR在显著较小的四冲程自点火内燃引擎的领域中是公知的措施。不过，较小的四冲程引擎的EGR技术无法简单地应用于大得多的两冲程引擎，各种原因列举如下。

这些原因中的一个是：为大型涡轮增压两冲程柴油引擎所开发的EGR控制系统的EGR控制器，与汽车工业中的EGR系统相比，试运转时可用的努力是不同的。每种汽车引擎设计在核准进行大规模生产之前在测试台上进行完全的测试。与此不同的是，特定的大型两冲程引擎设计的生产数量很小，由于测试运行成本很高，因而它们有时候直到生产第一个引擎之前才进行测试，即使到那时，可用测试时间也很有限。另外，大型两冲程引擎在其操作时间期间可能会被重新构造。这些实际问题的结果是：对个体化设计的手动调谐不合适，基于先验数据的观测器设计(observer design)不切实际。这意味着，控制设计必须不仅对于系统行为变化耐用而且对于不精确的设计数据也耐用。

另一原因在于以下事实：在排放气体侧与四冲程引擎进气侧之间存在正压力差，即，正压力差将导致排放气体再循环而流到进气侧，而无需风机或类似物。不过，在大型涡轮增压两冲程引擎中，在排放气体侧与进气侧之间存在负压力差，如果如在较小四冲程引擎中进行的那样在进气侧与排放侧之间建立简单的管道，则被排出的空气将会朝向排放侧流动。因此，两冲程引擎的EGR系统需要风机或泵以迫使排放气体的一部分进入排出的空气，即，在大型涡轮增压两冲程柴油引擎中，利用风机和阀的组合使排放气体再循环以克服排放系统与进气系统之间的压力差。

进一步地，使用重燃料油导致大型两冲程引擎的排放气体比在四冲程引擎中更具污染性，这是因为，重燃料油的高硫含量导致排放气体中存在相对较高浓度的硫酸，这对于排放系统的部件构成挑战，并在使用EGR情况下对于EGR系统和进气系统的部件构成挑战。

为了满足NOx和烟灰(sooth)的排放要求，有必要准确地控制清除气体接收器中的氧浓度，这是因为，如果氧浓度过低则积灰将超过容许极限，而且如果氧浓度过高则NOx排放量将超过容许极限。

依赖于负载的清除氧浓度(Os)设定点是预定的。实际氧浓度Os被测量，并通过这种测量的反馈控制、使用EGR风机速率和EGR阀开口作为致动器而达到设定点。

这样，为了准确控制EGR流，有必要准确快速获知清除气体中的氧(O₂)含量。基于测得的氧含量，可以使用闭环控制回路来调节再循环排放气体的量并由此调节清除气体中的氧含量。

不过，通过目前可用的传感器技术来测量清除气体中的氧含量较慢，这是因为，清除气体接收器中的恶劣条件所致。在稳态操作中这不是问题，不过在瞬态操作(例如，当船舶将要加速或不得不减慢时)中引起相当大的挑战。当反馈增益较高时，慢测量能够导致在反馈控制环路中发生不希望出现的振荡。不过，低的反馈增益使系统对于例如燃料流变化(负载变化)之类的扰动而言易受影响。在现有技术系统中，在振荡与扰动抑制之间的折衷是必要的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎单流类型，其具有EGR系统，以克服或至少减轻前述问题。

通过独立权利要求的特征实现前述和其它的目的。进一步的实施形式通过从属权利要求、说明书和附图而显见。

根据第一方面，提供一种大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎单流类型，所述的引擎包括：多个缸体，在它们的下端处具有清除端口并在它们的上端处具有排放阀；进气系统，清除气体通过所述进气系统被引入所述缸体中，所述进气系统包括：经由所述清除端口连接到所述缸体的清除气体接收器；排放系统，所述缸体中产生的排放气体通过所述排放系统排放，所述排放系统包括：经由所述排放阀连接到所述缸体的排放气体接收器；涡轮增压器，其具有驱动压缩机的涡轮，通过处于所述排放系统中的所述涡轮和所述进气系统中的所述压缩机，所述压缩机将清除空气流传输到所述清除气体接收器；燃料系统，用于将燃料流传输到所述缸体；EGR系统，用于将排放气体流从所述排放系统传送到所述进气系统，并包括至少一个风机；第一传感器，其提供表示所述清除气体接收器中的氧浓度Os的信号；和控制器，其被构造为控制通过所述EGR系统的排放气体流，所述控制器被构造为使用所述来自所述第一传感器的信号进行反馈控制，并且所述控制器被构造为使用所需再循环排放气体流的估计值进行前馈控制。

通过提供基于估计值的前馈控制与使用相对较慢传感器的反馈控制组合，可显著改善瞬态性能，同时保持静态的高准确性。

在所述第一方面的第一个可行实施形式中，所述控制器被构造为控制通过所述EGR系统的排放气体流，以使所述清除气体接收器中的氧水平保持接近于氧浓度设定点。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器被构造为在反馈控制中使用所述的来自所述第一传感器的信号使所述清除气体接收器中的氧含量保持接近于设定点，且所述控制器被构造为在前馈控制中使用所述燃料流的流量测量值和/或估计值、所述EGR流量和/或所述压缩机流量而使所述清除气体接收器中的氧含量保持接近于所述设定点。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述反馈控制在所述引擎的稳态操作中占主导，其中所述前馈控制在所述引擎的瞬态操作中占主导。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述第一传感器的信号相对于所述清除气体接收器中的氧浓度Os的实际变化具有延迟反应时间，其中，所述燃料流的所述流量测量值和/或估计值、所述EGR流量和/或所述压缩机流量能够即时测量或确定。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述前馈控制改善瞬态性能，其中所述反馈控制使静态控制误差最小化。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器使用的控制规则源于所述EGR系统的模型。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器被构造为：基于所述可变速风机的速率、所述可变速风机的上游和下游压力、和优选是无量纲参数的所述可变速风机的映射而估计所需的EGR流量。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器被构造为：通过压力传感器估计所述下游压力，并在所述可变速风机的上游或下游在所述EGR系统中的EGR阀上形成阀压力下降信号。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器被构造为：通过所述下游压力和可变速风机压力上升测量值而估计所述上游压力。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述燃料流的估计基于负载信号u_load或燃料指数Y_f和引擎速率ω_eng信号，优选地还基于相应的比例常数。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器使用所述的来自所述第一传感器的信号、负载u_load或燃料指数Y_f和引擎速率ω_c、所述压缩机速率ω_t、所述可变速风机的速率ω_b、清除压力p_scav、阀压力下降Δp_v、和可变速风机压力上升Δp_b以控制排放气体从所述排放系统流到所述进气系统。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述控制器被构造为：调节所述可变速风机的速率以控制排放气体通过所述EGR系统的流量。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述EGR阀是可调阀，其中所述控制器被构造为：调节所述EGR阀的开口以控制排放气体通过所述EGR系统的流量。

在所述第一方面的进一步的可行实施形式中，所述风机是可变速风机。

根据第二方面，提供一种用于控制排放气体从排放系统到大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎单流类型的进气系统的流量的方法，所述方法包括：使由所述引擎的缸体产生的所述排放气体的一部分再循环，控制再循环的排放气体的流量，以使清除气体接收器中的氧水平保持接近于氧浓度设定点，使用所述清除气体接收器中的测得的氧含量进行反馈控制，使用所需的再循环的排放气体流的估计值进行前馈控制。

在所述第二方面的第一个可行实施形式中，所述的方法进一步包括：使用所述反馈控制使静态控制误差最小化，和使用所述前馈控制改善瞬态性能。

本发明的这些和其它方案将通过以下描述的实施方式而显见。

附图说明

在本发明的以下详细部分中，将参照附图中所示的示例性实施方式更详细地阐释本发明，其中：

图1是根据示例性实施方式的大型两冲程柴油引擎的前视图，

图2是图1的大型两冲程引擎的侧视图，

图3是根据图1的大型两冲程引擎的截面示意图，

图4是图1的引擎的示意图，更详细地例示出进气系统、排放系统和EGR系统；

图5是图1的引擎的另一实施方式的示意图，更详细地例示出进气系统、排放系统和EGR系统；和

图6是用于图1的引擎中的控制器的示例性实施方式的示意图。

具体实施方式

在以下的详细描述中，将通过示例性实施方式描述大型低速两冲程涡轮增压自点火内燃引擎。图1至图3显示出具有曲轴42和十字头43的大型低速涡轮增压两冲程柴油引擎。图3显示出进气和排放系统在截面图中显示的大型低速涡轮增压两冲程柴油引擎的示意图。在此示例性实施方式中，引擎具有成行的六个缸体1，例如引擎是单行的缸体。图1显示出引擎具有的缸体1的数量为六个，这仅出于例示目的。应显见的是：在不背离本发明的方案的情况下，实质上可采用任何其它数量的缸体1。大型涡轮增压两冲程柴油引擎通常具有4至16个成行的缸体1，这些缸体由引擎框架45承载。引擎可能例如被用作远洋船舶中的主引擎或者用作静止引擎以操作发电站中的发电机。引擎的总输出可以例如在5,000～110,000kW的范围内。

引擎具有进气系统和排放系统。通过涡轮增压器5来提供涡轮增压，涡轮增压器5具有在排放系统中的涡轮8以驱动进气系统中的压缩机9。引擎具有燃料系统以将燃料传输到缸体。

引擎是两冲程单流类型的柴油(自点火)引擎，在缸体1的下区域处具有清除端口17并在缸体1的顶部处具有排放阀4。引擎能够基于各种类型的燃料(诸如船用柴油、重质燃料、或气体(液化石油气(LPG)、液化天然气(LNG)、甲醇、乙醇))操作。

清除气体从清除气体接收器2行进到独立缸体1的清除端口17。在缸体1中的活塞41压缩清除气体，燃料经由缸体1顶部中的燃料阀(未示出)喷射，然后燃烧，并产生排放气体。当打开排放阀4时，排放气体通过与主要缸体1相关联的排放导管6而流入排放气体接收器3中，并向上通过排放管道33流到涡轮增压器5的涡轮8，由此，排放气体通过排放管道7流出。通过轴12，涡轮增压器5的涡轮8驱动经由空气入口10供应的压缩机9。压缩机9将加压后的清除空气传输到导向清除气体接收器2的清除空气管道11。如现有技术中公知的那样，引擎可具有不止一个涡轮增压器5。

清除气体接收器2具有细长的中空柱形主体(例如由片金属构建)和基本圆形截面轮廓以形成中空柱体。清除气体接收器2沿引擎的整个长度延伸并用清除气体供应所有缸体1。清除气体接收器2具有相当大的截面直径和大的总容积，需要这种设计以防止在清除时由于独立缸体1的清除端口17打开并吸入清除气体而导致的任何压力波动，即，即使通过独立缸体1消耗的清除气体不规律，也确保清除气体接收器2中的压力基本恒定。通常，清除气体接收器2的直径大于活塞1的直径。

在一个实施方式中，例如对于具有大量缸体1和较大引擎总长度的很大的引擎而言，引擎可设置有两个清除气体接收器2，每个清除气体接收器2具有其自身的壳体，一个清除气体接收器2在成行缸体1的一端处大约覆盖缸体1的一半，另一清除气体接收器2在成行缸体1的相反端处大约覆盖缸体1的另一半。在此实施方式中，EGR系统/股(string)的数量优选地相应增加，因而根据此实施方式的引擎可设置有四个EGR风机，即，每个EGR股中两个风机。

排放气体接收器3具有细长的中空柱形主体(例如由片金属构建)和基本圆形截面轮廓。片金属由隔离材料层覆盖以避免热量损失。排放气体接收器3沿引擎的整个长度延伸，并且经由延伸到排放气体接收器3中的独立排放导管6接收来自所有缸体1的排放气体。排放气体接收器3具有相当大的截面直径和大的容积，这是必要的，从而使由于独立缸体1的排放阀4打开将排放气体射流高速发送到排放气体接收器3中而导致的压力波动最小化，即，即使间歇传输独立缸体1的排放气体，也确保排放气体接收器3中的压力基本恒定，。通常，排放气体接收器3的直径大于活塞1的直径。

在一个实施方式中，例如对于具有大量缸体1和较大引擎总长度的很大的引擎而言，引擎可以设置有两个排放气体接收器3，其中一个排放气体接收器3在成行缸体1的一端处大约覆盖缸体1的一半，另一排放气体接收器3在成行缸体1的相反端处大约覆盖缸体1的另一半。

现在参见图4，其中更详细地显示出引擎的进气系统、排放系统和EGR系统。

清除空气经由入口管道10被引导至涡轮增压器5的压缩机9。压缩机9压缩清除空气，清除空气管道11引导被压缩的清除空气至清除气体接收器2。管道11中的清除空气穿过中间冷却器(未示出)，由此将压缩(这使压缩机大约升至200℃)的清除空气冷却至5与80℃之间的温度。被冷却的清除空气经由辅助风机16行进至排出气体接收器2，其中，辅助风机16由驱动马达驱动，驱动马达在低负载或部分负载的条件下对清除空气流加压。在较高负载下，压缩机9传输足够的被压缩的清除空气，于是辅助风机经由止回阀(未示出)被绕开。

清除空气管道11经过汇合部位28，在此，来自EGR系统的再循环的排放气体被加到清除空气中，并将与再循环排放气体混合的清除空气引到清除气体接收器2的入口。来自清除气体接收器2的清除空气和再循环排放气体的混合物参与缸体1中的燃烧过程。由此在缸体1中产生的排放气体被接收在排放气体接收器3中。这样，燃烧过程通过与循环排放气体混合的清除空气进行，从而实现NOx的低排放水平。

EGR系统延伸在排放系统与进气系统之间。EGR系统具有的EGR管道20引导一部分排放气体至进气系统。在本实施方式中，EGR管道20连接到排放气体接收器3，但应理解，排放气体可直接取自缸体1或取自涡轮增压器5的涡轮8的上游的排放系统的任何其它部分，例如，通过来自排放管道33的分支。

在大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎中，排放气体通常包含相对较高量的刺激性物质，诸如例如由于燃料的高硫含量所致的硫酸。

因此，EGR系统包括洗涤器21(其可为EGR管道20中的湿式洗涤器)，用于清洁再循环排放气体，以避免受污染的不清洁的再循环排放气体被重新引入到缸体1中，并避免污染洗涤器21下游的EGR系统以及清除气体接收器2和辅助风机16。洗涤器安置在EGR系统的上游部分中，以具有最大效果。

一般地，在大型涡轮增压两冲程自点火内燃引擎中，在缸体1的入口侧上的清除气体中的压力将高于在主要缸体1的出口侧上的排放气体中的压力，否则可能不会发生清除，这是因为，由压力规定的流动方向将沿朝向进气侧的错误方向。大型涡轮增压两冲程内燃引擎的这一方面使得其不可能在没有风机或类似物辅助的情况下简单地允许排放气体从排放系统通过EGR管道流动到进气系统以实现排放气体再循环。因此，EGR系统包括至少一个风机22、23，以迫使来自排放系统的排放气体通过EGR系统流动到进气系统。

在本发明的实施方式中，EGR管道20在洗涤器21下游分为两股，每股包括可变速或固定速率的EGR风机22、23，而且每股包括可调EGR阀24、25。

控制器50被设置以控制通过EGR系统的流量，使得清除气体接收器2中的实际氧浓度保持尽可能接近预定的氧浓度设定点。

EGR风机22、23中的每个的速率通过控制器50独立控制(图6)，和/或，EGR阀24、25中的每个的设定通过控制器50控制。EGR阀24、25的上游和/或下游的压力由传感器测量，并传达给控制器50。优选地，EGR风机22、23的速率被测量并传达给控制器50，使得控制器50可控制EGR风机22、23的速率，例如通过反馈控制回路控制。对相应风机22、23的压力升高Δp_b被测量并传达给控制器50。

通过第一传感器27测量清除气体接收器2中的氧含量。第一传感器27的信号传达给控制器50。第一传感器27是耐用但很慢(高延迟)的传感器，可处理在清除气体接收器2中的恶劣状况。

测量涡轮增压器轴12的速率，以确定压缩机8的速率ω_t。

反馈控制易受诸如燃料流量变化之类的扰动的影响。不过，燃料流量通过控制系统中可用的信号(例如负载信号)进行估计。

控制器50的总体原理是：通过使用O_s测量值以及以下流量的估计值或者测量值而控制EGR系统：

燃料流量

EGR流量

压缩机流量

在控制器50使用的控制规则中，流量测量值/估计值用作前馈以改善瞬态性能，同时O_s测量值的积分反馈使静态下的控制误差保持为零。

基于前述的总体原理，这种控制器50使用特定的控制规则。控制设计使用(简化的)朝向控制的EGR系统模型。

稳定性分析已经显示出控制误差的指数收敛，这是对未建模动态(简单模型与现实之间的差异)的耐用性的良好指示。稳定性分析在此将不会更详细描述。

燃料估计值基于负载信号(u_load)或燃料指数(Y_f)和引擎速率(ω_eng)信号以及相应的比例常数。仅使用这些估计值中的一个。

${\stackrel{\·}{m}}_f=k_{load}\·u_{load}$

${\stackrel{\·}{m}}_f=k_Y\·{\mathrm{\ω}}_{eng}\·Y_f$

EGR流量估计值基于以下参数而定：可变速风机22、23的速率、可变速风机22、23的上游和下游压力、和无量纲参数(流量和扬程系数)中的EGR风机映射。

通过清除压力和阀压力下降测量信号进行估计下游压力：

p_ds＝p_scav+Δp_v。

通过下游压力和风机压力上升测量值进行计算上游压力：

p_us＝p_ds-Δp_b。

于是压力比为：

${\mathrm{\Π}}_b=\frac{p_{ds}}{p_{us}}.$

通过压力比、风机速率(ω_b)、和近似常数、比热(c_p)、上游温度(T_us)、比热率(γ)和风机半径(R_b)进行计算扬程系数(ψ_b)。

${\mathrm{\ψ}}_b=2c_p{T}_{us}\·\frac{{\mathrm{\Π}}_b^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}-1}{{\mathrm{\ω}}_b^2{R}_b^2}.$

EGR风机映射(c₀，c₁，c₂)使扬程系数转变为流量系数(φ_b)：

${\mathrm{\φ}}_b=c_0+c_1{\mathrm{\ψ}}_b+c_2{\mathrm{\ψ}}_b^2.$

EGR流量计算为(R_s是气体常数)：

${\stackrel{\·}{m}}_b=\frac{{\mathrm{\πR}}_b^3}{R_s{T}_{us}}\·p_{us}{\mathrm{\ω}}_b{\mathrm{\φ}}_b.$

EGR流量计算为风机流量之和：

${\stackrel{\·}{m}}_{egr}={\mathrm{\Σm}}_b.$

压缩机映射的估计不像涵盖所有操作点的映射(其并非对每种引擎都实际可用)那样可行。而是，仅有压缩机速率(ω_t)用于相当不准确的模型中进行近似：

${\stackrel{\·}{m}}_c=\mathrm{\θ}\·{\mathrm{\ω}}_t^a,a\∈\[1;2\].$

参数a是预定的，而θ是连续估计的(关于适应性部分在下文中进一步描述)。

在静止条件下，用于控制规则中的模型基于以下的O_s模型：

$\begin{array}{c}{O}_s=O_a-(k_f+O_a)\·\frac{{\stackrel{\·}{m}}_f}{{\stackrel{\·}{m}}_c+{\stackrel{\·}{m}}_f}\·\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{egr}}{{\stackrel{\·}{m}}_c+{\stackrel{\·}{m}}_{egr}}\\ =O_a-(k_f+O_a)\·\frac{{\stackrel{\·}{m}}_f}{{\mathrm{\θ\ω}}_t^a+{\stackrel{\·}{m}}_f}\·\frac{{\stackrel{\·}{m}}_{egr}}{{\mathrm{\θ\ω}}_t^a+{\stackrel{\·}{m}}_{egr}}=g(\mathrm{\θ},d,u)\end{array},$

其中，

所述模型的反向表达被限定为函数h(θ，d，O_s)：

${\stackrel{\·}{m}}_{egr}=\frac{{\mathrm{\θ\ω}}_t^a(O_a-O_s)}{O_s-\frac{{\mathrm{\θ\ω}}_t^a{O}_a-{\stackrel{\·}{m}}_f{k}_f}{{\mathrm{\θ\ω}}_t^a+{\stackrel{\·}{m}}_f}}=h(\mathrm{\θ},d,O_s).$

气体混合动力学和Os传感器27被集总到一起作为第一顺序系统，所述第一顺序系统具有已知的时间常数τ和时间延迟τ_delay。动力学可表达为：

$\mathrm{\τ}\frac{{\mathrm{dO}}_s}{dt}=-O_s+g(\mathrm{\θ},d(t-{\mathrm{\τ}}_{delay}),u(t-{\mathrm{\τ}}_{delay}\left)\right).$

同时具有模型和O_s测量值的冗余性用于连续估计参数θ，参数θ预计会轻微变化。使用以下的非线性参数估计函数(在每次控制器更新时)。请注意调谐参数k。

$\widehat{\mathrm{\θ}}=k\·({\mathrm{\τO}}_s+\∫O_s-g(\widehat{\mathrm{\θ}},d\left(t-{\mathrm{\τ}}_{delay}\right),u\left(t-{\mathrm{\τ}}_{delay}\right)\left)dt\right).$

控制规则基于模型的静态部分的反向h(θ，d，O_s)，所述模型的静态部分的反向使用最新估计值已知的矢量信号d、和清除氧设定点：

${\stackrel{\·}{m}}_{egr}=\left\{\begin{array}{c}h(\widehat{\mathrm{\θ}},d(t),O_{s,setpo\mathrm{int}}),h(\widehat{\mathrm{\θ}},d(t),r)\∈\[0,{\stackrel{\·}{m}}_{egr,\max }\]\\ {\stackrel{\·}{m}}_{egr,\max },otherwise\end{array}\right..$

如在控制规则中所表达的那样，直接倒转h可返回超出致动器极限的值。在特定情况下甚至是未限定的值。无论何时只要所述值不在致动器极限范围内，则控制器50选择最大EGR流量。出于实际目的，未限定的值可通过在计算h期间检查分母进行处理。

参数估计函数代表控制器的积分部分。它使静止条件下的O_s误差收敛至零，从而在没有外在瞬时探测的情况下允许实现控制规则。

以下是能够由控制器50使用的信号的未详尽的清单：

清除氧测量值(O_s)，

负载(u_load)或燃料指数(Y_f)和引擎速率(ω_c)，

压缩机速率(ω_t)，

EGR风机速率(ω_b)，

清除压力(p_scav)，

EGR阀压力下降(Δp_v)，

EGR风机压力上升(Δp_b)。

控制器50可使用上述信号中的所有或一些信号。由于清除氧的测量很慢，因而其它信号中的至少一个(由此可快速获得清除气体接收器中的氧浓度的估计值)用于基于伺服的(前馈)控制。

以下是可用于调谐控制器50的调整参数的未详尽的清单：

参数估计器增益(k).

氧时间常数(τ).

氧延迟(τ_delay).

压缩机流量近似指数(a).

控制器50可使用上述调谐参数中的所有或一些参数，专用于主要的引擎。

以下是可由控制器50使用的基本参数的未详尽的清单：

燃料比例(k_load或k_Y)

EGR风机上游温度(T_us)

EGR风机比热(c_p)

EGR风机比热率(γ)

EGR风机气体常数(R_s)

EGR风机半径(R_b)

EGR风机映射(c₀，c₁，c₂)

环境氧分数(O_a)

氧－燃料化学计量比(k_f)

最大EGR流量

在本发明的实施方式中，外控制环路规定外EGR流量，而不是实际的致动器值(EGR风机速率和EGR阀开口)。这样，控制器(50)还包括内环路，内环路控制EGR流量，例如通过调节可变速风机22、23的速率和/或EGR阀24、25的开口进行控制。在一个实施方式中，内环路可使用基本反馈方法。

图5显示的实施方式与图4的实施方式基本相同，差别在于：EGR管道20未分为两股，使得示例系统可满足于单个风机20和单个EGR阀24。

图6显示出控制器50的示意图，其包括基于反馈和前馈的Os控制器、流量控制器和流量估计器。

图6显示出：期望氧浓度(Os设定点)输入到基于反馈和前馈的Os控制器。基于反馈和前馈的Os控制器也接收表示引擎负载、压缩机速率和测得Os的信号。

基于反馈和前馈的Os控制器也从流量估计器接收指示出流量估计值的信号。

基于反馈和前馈的Os控制器基于接收的信号确定流量设定点。流量控制器接收由基于反馈和前馈的Os控制器确定的流量设定点，流量控制器发出EGR风机速率设定点和/或EGR阀开口设定点。

已经在此结合各个实施方式描述了本发明。不过，通过学习附图、本发明、以及所附权利要求书，本领域技术人员可以理解的并可实施所公开实施方式的其它变更实施方式以实现请求保护的本发明。在权利要求书中，用词“包括”不排斥其它要素或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排斥多个。单个处理器或者其它单元可满足权利要求书中陈述的多项的功能。基本事实是，在相互不同的独立权利要求中陈述的特定措施并不意味着这些措施的组合无法用于实现有利方案。权利要求书中所用的附图标记不应该被视为限制本发明的范围。

Claims (16)

1.一种大型涡轮增压两冲程自点火单流类型内燃引擎，所述引擎包括：

多个缸体(1)，其在它们的下端处具有清除端口(17)并在它们的上端处具有排放阀(4)；

进气系统，清除气体通过所述进气系统被引入所述缸体(1)中，所述进气系统包括经由所述清除端口(17)连接到所述缸体(1)的清除气体接收器(2)；

排放系统，所述缸体中产生的排放气体通过所述排放系统排放，所述排放系统包括经由所述排放阀(4)连接到所述缸体的排放气体接收器(3)；

涡轮增压器(5)，其具有驱动压缩机(9)的涡轮(8)，通过处于所述排放系统中的所述涡轮(8)和所述进气系统中的所述压缩机(9)，所述压缩机将清除空气流传输到所述清除气体接收器；

燃料系统，用于将燃料流传输到所述缸体(1)；

废气再循环EGR系统，用于将排放气体流从所述排放系统传送到所述进气系统，并包括至少一个风机(22)；

第一传感器(27)，其提供表示所述清除气体接收器(2)中的氧浓度(Os)的信号；

控制器(50)，其被构造为控制通过所述EGR系统的排放气体流；

所述控制器(50)被构造为使用所述的来自所述第一传感器的信号进行反馈控制；和

所述控制器(50)被构造为使用所需的再循环排放气体流的估计值进行前馈控制。

2.根据权利要求1所述的引擎，其中，所述控制器(50)被构造为控制通过所述EGR系统的排放气体流，以使所述清除气体接收器(2)中的氧水平保持接近于氧浓度设定点。

3.根据权利要求1或2所述的引擎，其中，所述控制器(50)被构造为在反馈控制中使用所述的来自所述第一传感器(27)的信号使所述清除气体接收器(2)中的氧含量保持接近于设定点，

其中，所述控制器(50)被构造为在前馈控制中使用所述燃料流的流量测量值和/或估计值、所述EGR流量和/或所述压缩机流量而使所述清除气体接收器(2)中的氧含量保持接近于所述设定点。

4.根据权利要求1所述的引擎，其中，所述反馈控制在所述引擎的稳态操作中占主导，并且所述前馈控制在所述引擎的瞬态操作中主导。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的引擎，其中，所述第一传感器(27)的所述信号相对于所述清除气体接收器(2)中的氧浓度(Os)的实际变化具有延迟反应时间，并且其中，所述燃料流的所述流量测量值和/或估计值、所述EGR流量和/或所述压缩机流量能够即时测量或确定。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的引擎，其中，所述前馈控制改善瞬态性能，并且其中，所述反馈控制使静态控制误差最小化。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的引擎，其中，

所述控制器(50)使用的控制规则源于所述EGR系统的模型。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的引擎，其中所述控制器(50)被构造为：基于所述可变速风机的速率、所述可变速风机(22,23)的上游和下游压力、和优选是无量纲参数的所述可变速风机(22,23)的映射而估计所需的EGR流量。

9.根据权利要求8所述的引擎，其中所述控制器(50)被构造为：通过压力传感器而估计所述下游压力，并在所述可变速风机(22,23)的上游或下游在所述EGR系统中的EGR阀(24,25)上形成阀压力下降信号。

10.根据权利要求8或9所述的引擎，其中，所述控制器(50)被构造为：通过所述下游压力和可变速风机(22,23)压力上升测量值而估计所述上游压力。

11.根据权利要求8、9或10所述的引擎，其中所述燃料流量的估计基于负载信号(u_load)或燃料指数(Y_f)和引擎速率(ω_eng)信号，优选地还基于相应的比例常数。

12.根据权利要求11所述的引擎，其中，所述控制器(50)使用所述的来自所述第一传感器(27)的信号、负载(u_load)或燃料指数(Y_f)和引擎速率(ω_c)、所述压缩机速率(ω_t)、所述可变速风机(22,23)的速率(ω_b)、清除压力(p_scav)、阀压力下降(Δp_v)、和可变速风机(22,23)压力上升(Δp_b)以控制排放气体从所述排放系统到所述进气系统的流量。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的引擎，其中，所述控制器(50)被构造为：调节所述可变速风机(22,23)的速率以控制排放气体通过所述EGR系统的流量。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的引擎，其中，所述EGR阀(24,25)是可调阀，并且其中，所述控制器(50)被构造为：调节所述EGR阀(24,25)的开口以控制排放气体通过所述EGR系统的流量。

15.一种用于控制排放气体从排放系统到大型涡轮增压两冲程自点火单流类型内燃引擎的进气系统的流量的方法，所述方法包括：

使由所述引擎的缸体产生的所述排放气体的一部分再循环，

控制再循环的排放气体的流量，以使清除气体接收器中的氧水平保持接近于氧浓度设定点，

使用所述清除气体接收器中的测得的氧含量进行反馈控制，

使用所需的再循环的排放气体流的估计值进行前馈控制。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

使用所述反馈控制使静态控制误差最小化，和使用所述前馈控制改善瞬态性能。