CN106257023B - 用于运行内燃机的方法和用于实施该方法的控制装置 - Google Patents

用于运行内燃机的方法和用于实施该方法的控制装置 Download PDF

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Abstract

一种用于运行内燃机（1）、尤其是用重油来运行的船舶柴油内燃机的方法，其中所述内燃机（1）具有用于使燃料燃烧的燃烧马达（2）和布置在所述燃烧马达（2）后面的废气后处理系统（3），该废气后处理系统用于在使用还原剂和/或吸收剂的情况下对在燃料燃烧时产生的废气进行净化，并且其中根据有待在所述燃烧马达（2）中燃烧的燃料的成本并且根据有待在用于进行废气后处理的废气后处理系统（3）中使用的还原剂和/或吸收剂的成本来自动地在一工作点中运行所述内燃机（1），在所述工作点中产生燃料和还原剂和/或吸收剂的最小的运行介质成本。

Description

用于运行内燃机的方法和用于实施该方法的控制装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行内燃机（Brennkraftmaschine）的方法，其中所述内燃机具有用于使燃料燃烧的燃烧马达和布置在所述燃烧马达后面的废气后处理系统，该废气后处理系统用于在使用还原剂和/或吸收剂的情况下对在燃料燃烧时产生的废气进行净化。此外，本发明涉及一种用于实施所述方法的控制装置。
背景技术
从实践中已知的内燃机、例如船舶柴油内燃机具有燃烧马达（Verbrennungsmotor）-在该燃烧马达中使燃料燃烧-并且具有布置在所述燃烧马达后面的、用于对在所述燃料燃烧时在所述燃烧马达中产生的废气进行净化的废气后处理系统。船舶柴油内燃机在此优选用重油来运行。
从实践中已知，在内燃机的废气后处理系统中对废气进行脱氮处理并且优选进行脱硫处理。为了给所述废气脱氮，根据现有技术要使用所谓的SCR催化器，所述SCR催化器尤其使用氨作为还原剂。为了给废气脱硫，从现有技术中首先公开了吸收式的方法，所述吸收式的方法使用氧化钙（Brandkalt）或者氢氧化钙或者碳酸钙来作为吸收剂。
由于价格压力上升而存在着下述需求：尤其在遵守排放极限值的情况下用最小的运行介质成本（Betriebsmittelkosten）来运行内燃机。这一点目前有困难。
从US 8,899,018 B2中已经公开了一种用于优化地进行废气后处理的方法，在这种方法中，将消耗控制的、对于燃料和还原剂与排放的协调考虑在内。不过，所描述的控制/调节易受干扰。
发明内容
据此，本发明的任务在于，提供一种新式的、用于运行内燃机的方法以及一种用于实施所述方法的控制装置。
该任务通过根据本发明的用于运行内燃机的方法得到解决。按照本发明，根据有待在燃烧马达中燃烧的燃料的成本并且根据有待在用于进行废气后处理的废气后处理系统中使用的还原剂和/或吸收剂的成本来自动地在一工作点中运行所述内燃机，在所述工作点中产生燃料和还原剂和/或吸收剂的最小的运行介质成本。
这里当前的发明建议一种方法，借助于该方法可以在提供所要求的功率的情况下自动地在一工作点中运行内燃机，在该工作点中产生在所述燃烧马达中所需要的燃料及在所述废气后处理系统中所需要的还原剂和/或吸收剂的最小的运行成本。于是，根据燃烧马达侧的运行介质成本以及废气后处理系统侧的运行介质成本可以实现所述内燃机的成本优化的运行。
根据一种有利的改进方案，在通过输送给所述燃烧马达的燃料量来提供所要求的功率的情况下以下述方式自动地调节所述燃烧马达的废气中的未处理排放：由于输送给所述燃烧马达的燃料量并且由于为了在所述废气后处理系统中进行废气后处理而需要的还原剂和/或吸收剂量优选在遵守排放极限值的情况下产生燃料和还原剂的最小的运行介质成本。这种用于运行所述内燃机的处理方式特别有利。
根据一种有利的改进方案，自动地对所述燃料的成本以及所述还原剂和/或吸收剂的成本进行更新。优选地，根据所述内燃机的运行位置并且/或者根据所述内燃机的运行时间也来自动地更新所述排放极限值。通过对于当前有效的用于燃烧马达的运行介质成本、当前有效的用于所述废气后处理系统的运行介质成本以及当前有效的排放极限值进行的自动的更新，可以始终在成本优化的工作点中运行所述内燃机。
根据一种有利的改进方案，自动地以下述方式确定所述工作点：在遵守构件负荷极限值的情况下运行所述内燃机。由此可以避免所述内燃机的构件经受不允许的很高的负荷。
附图说明
本发明的优选的改进方案从从属权利要求和接下来的说明中获得。在不局限于本发明的实施例的情况下借助于附图对本发明的实施例进行详细解释。在此：
图1示出了包括燃烧马达和废气后处理系统的内燃机的方框图；并且
图2示出了用于对废气中的氮氧化物-未处理排放与输送给所述燃烧马达的燃料量之间的相关性进行说明的图表。
具体实施方式
本发明涉及一种用于运行内燃机的方法和一种用于实施所述方法的控制装置。
图1大为简化地示出了内燃机的方框图，该内燃机包括燃烧马达2和布置在该燃烧马达2的后面的废气后处理系统3。向所述内燃马达2输送燃料4和用于使所述燃料4燃烧的增压空气5，其中在所述燃料4燃烧时在所述燃烧马达2中产生的废气6为了进行废气后处理而被输送给所述废气后处理系统3，所述废气作为经过净化的废气7离开所述废气后处理系统3。
在所示出的实施例中，要示范性地认为，所述废气后处理系统3是包括至少一个SCR催化器的废气后处理系统，在该SCR催化器中为了进行废气净化而需要作为还原剂8的氨。在图1中所示出的实施例中，这种还原剂8通过计量机构9向离开所述内燃机2的废气6定量供给，从而可以将所述还原剂8在所述废气后处理系统3中用于进行废气净化。在SCR催化器中，优选设计为氨的还原剂8用于给所述废气6脱氮，其中在将氨用作还原剂的情况下将氮氧化物NOx、如NO和NO2转化为氮气N2和水蒸汽H2O。
在这样的SCR催化器的前面可以布置NO-氧化催化器，用于将NO氧化为NO2，并且就这样用于提高所述SCR催化器中的反应速度。
为了运行在图1中示出的内燃机1，相应地产生燃烧马达侧的运行介质成本、也就是所述燃料4的成本和废气后处理系统侧的运行介质成本、也就是所述还原剂8的成本，这些成本一起决定性地定义了所述内燃机1的运行介质成本。
为了在提供所要求的功率的情况下以运行介质成本优化的方式运行所述内燃机1，根据有待在所述燃烧马达2中燃烧的燃料4的成本并且根据在所述废气后处理系统3中用于进行废气净化的还原剂8的成本自动地在一工作点中运行所述内燃机，在所述工作点中为了提供所要求的功率而产生燃料4及还原剂8的最小的运行介质成本。为此，优选规定，通过输送给所述燃烧马达2的燃料4的、例如在共轨喷射系统中对于所述内燃机的功率范围的大部分来说可以通过喷射时刻的偏移来影响的量，来以下述方式自动地调节所述燃烧马达2的废气6中的未处理排放：由于输送给所述燃烧马达2的燃料量并且由于为了在所述废气后处理系统3中进行废气后处理所需要的还原剂8的量而产生燃料4和还原剂8的最小的运行成本。因此，氮氧化物排放例如由于喷射时刻的提早的偏移并且/或者由于喷射压力的提高而增加。其它影响NOx未处理排放的马达参数是燃料-/空气比（Kraftstoff-/Luftverhältnis）和燃料喷射的数量。在图2中示出了喷射时刻K对所述NOx未处理排放的影响：较早的喷射开始（较小的K值）引起所述NOx未处理排放的增加。在氮氧化物排放增加时需要更多的还原剂8，以便在遵守用于所述氮氧化物排放的排放极限值的情况下对所述废气后处理系统3中的废气6进行净化。根据输送给所述燃烧马达2的燃料量和与此有关的燃料成本并且根据输送给所述废气后处理系统3的还原剂量和为了对离开所述燃烧马达2的废气6进行净化所需要的还原剂成本，来自动地确定用于所述内燃机1的工作点并且自动地在这个工作点中运行所述内燃机1，从而在遵守相应的排放极限值的前提下在提供所要求的功率的情况下在燃料及还原剂的运行介质成本方面可以最佳地运行所述内燃机1。
在此在本发明的意义上规定，为了实施根据本发明的方法而存在一种控制装置10，该控制装置包括用于实施根据本发明的方法的器件。这些器件是硬件侧的器件和软件侧的器件。所述硬件侧的器件尤其是数据接口，用于与参与实施根据本发明的方法的标准组件交换数据。此外，所述硬件侧的器件是用于保存数据的数据存储器和用于对数据进行处理的处理器。所述软件侧的器件是程序模块，所述程序模块被执行用于在所述控制装置10中实施根据本发明的方法。
按照本发明来相应地规定，所述控制装置10根据用于有待在所述燃烧马达2中燃烧的燃料4的运行介质成本并且根据用于在所述废气后处理系统3中为进行废气后处理所需要的还原剂8的运行介质成本来自动地求得用于所述内燃机1的工作点并且在这个工作点中自动地运行所述内燃机1，从而在提供所要求的功率的情况下产生燃料4和还原剂8的最小的运行介质成本。
根据一种有利的改进方案可以规定，自动地更新在所述内燃机1运行时应该遵守的排放极限值。因此，例如可以规定，所述控制装置10根据所述内燃机1的当前的运行位置并且/或者根据其当前的运行时间自动地提供当前应该遵守的排放极限值，以便随后在当前应该遵守的排放极限值的基础上确定用于所述内燃机1的运行介质成本优化的工作点，从而最终总体上产生燃料4和还原剂8的最小的运行介质成本。
在此可以规定，借助于至少一个传感器11来自动地对所述排放极限值的遵守情况进行监控，所述传感器在图1中被分配给所述废气后处理系统3，并且所述传感器在所述排放极限值的遵守方面对经过净化的废气7的排放进行检查。于是，所述传感器11的信号对于所述控制装置10来说用作输入参量，从而所述控制装置可以在遵守有效的排放极限值的情况下确定用于所述内燃机1的运行介质成本优化的工作点。
根据本发明的另一种有利的改进方案规定，自动地更新所述燃料4的成本和所述还原剂8的成本。这一点可以在所述内燃机1的每次加注过程中、也就是在每次给所述内燃机加注燃料4和/或还原剂8时进行。如果燃料和还原剂的运行介质成本的比例发生偏移，那么最佳的工作点也发生偏移，在所述最佳的工作点中优选在遵守当前的排放极限值的情况下运行所述内燃机1。
根据本发明的另一种有利的改进方案可以规定，除此以外以下述方式确定所述工作点-在该工作点中运行所述内燃机1：在遵守构件负荷极限的情况下运行所述内燃机。因此，既不得在所述燃烧马达2的区域中也不得在所述废气后处理系统3的区域中超过用于相应的标准组件的负荷极限，以避免这些标准组件的损坏。因此，根据本发明的这种改进方案，根据有待遵守的排放极限值并且根据有待遵守的构件负荷极限值来自动地求得用于所述内燃机1的运行介质成本优化的工作点。
同样可以借助于相应的传感器、例如在所述燃烧马达2的区域中借助于温度传感器来对构件负荷极限值的遵守情况进行监控，在所述温度传感器的测量信号的基础上可以监控，不超过所述燃烧马达2中的允许的构件温度。除此以外，作为借助于所提到的传感器进行的监控的替代方案或者补充方案，可以借助于组合特性曲线对构件负荷极限值的遵守情况进行监控。
因此，在这里本发明的意义是：根据燃烧马达侧的运行介质成本以及废气后处理系统侧的运行介质成本、尤其是根据燃料成本和还原剂成本自动地求得用于内燃机1的工作点，并且自动地在这个工作点中、也就是在下述工作点中运行所述内燃机1，在所述工作点中在提供所要求的马达功率的情况下并且在遵守排放极限值的情况下并且/或者在遵守构件负荷极限值的情况下在总体上产生最小的运行介质成本。在此可以自动地、尤其是通过所述控制装置10的相应的接口来对运行介质成本和/或排放极限值进行更新。如果运行船舶内燃机，那么例如可以在当前的位置的基础上自动地连续地对排放极限值进行更新，以便据此来连续地重新确定运行介质成本优化的工作点。
因为在航海领域中不同的排放等级、例如IMO 等级II（Tier II）或者等级III（Tier III）有重大关系，所以在对所述工作点进行优化时要么通过人工的输入要么在当前的位置、也就是所在地的基础上尤其是通过卫星辅助系统来对相关的排放极限加以考虑。对于所述卫星辅助系统（例如GPS）来说也要考虑到，必要时先行工作阶段（Vorlauf）是必要的，以便可靠地实现排放。对这个必要的先行工作阶段加以考虑并且相应较早地进行切换。
与迄今为止的现有技术相比，在组合特性曲线的基础上并且不是通过易受干扰的调节来选择所述工作点。针对不同的价格比和不同的燃料保存了不同的组合特性曲线。通过输入用于燃料和还原剂的价格这种方式，在与有效的排放极限的组合中选择最为经济的组合特性曲线。
也就是以下述方式选择成本最为低廉的允许的配置：确定相关的排放极限并且在所述燃料和还原剂的运行介质成本的基础上自动地选择所述成本最为低廉的工作点。在此也考虑到，必要时先行工作阶段是必要的，以便可靠地实现所述排放。对这个必要的先行工作阶段加以考虑并且相应较早地进行切换。
通过组合特性曲线的使用，可以使所述设备的实际上的、当前的排放行为变得极其明显并且可以识别。为此，在马达参数和废气后处理参数的基础上形成一种特性数值、所谓的标识符（Identifier），该标识符例如从调节量或者说调节（Einstellungen）的校验和中产生或者在测量值的基础上产生，从所述标识符中得知所有与排放相关的调节量，并且所述标识符显示出排放极限的遵守情况和/或相应的组合特性曲线的使用情况。如果要改变马达或者废气后处理机构上的调节量，以保证尽可能成本优化的运行，那么所述标识符也发生改变。因为可以为每个用于所述马达和所述废气后处理机构的组合特性曲线分别刚好分配一个标识符，所以在基于组合特性曲线的系统中可以容易地从外面对正确的排放等级的遵守情况进行检验。
参照图1示范性地针对以下情况对本发明进行描述：所述废气后处理系统3包括SCR催化器，在该催化器中为了给所述燃烧马达2的废气6脱氮而需要作为还原剂8的氨。在此要指出，本发明不局限于这种优选的应用情况。更确切地说，如果产生了吸收剂的、例如为了给所述废气后处理系统3中的废气6脱硫所需要的成本而作为所述废气后处理系统3的运行介质成本，则也可以使用本发明。
用本发明可以始终根据相应的燃烧马达侧的和废气后处理系统侧的运行介质成本在遵守排放极限值和/或构件负荷极限值的情况下自动地在运行介质成本优化的工作点中运行内燃机。
尤其由此可以用不同的燃料来运行所述内燃机，并且在用不同的燃料例如重油、精炼的柴油燃料或者燃气来运行时可以参考不同的、分别根据所使用的燃料而详细说明的组合特性曲线。（为了改变所述内燃机的未处理排放和废气后处理装置的转化特性并且由此根据（und damit auf）所需要的还原剂量和/或吸收剂量而参考组合特性曲线。）
另一种实施方式规定，在所述废气后处理失效时自动地以下述方式选择所述马达的未处理排放和/或燃料种类：遵守相应有效的极限值。
附图标记列表：
1 内燃机
2 燃烧马达
3 废气后处理系统
4 燃料
5 增压空气
6 废气
7 废气
8 还原剂
9 计量机构
10 控制装置
11 传感器。

Claims (10)

1.用于运行内燃机（1）的方法，其中所述内燃机（1）具有用于使燃料燃烧的燃烧马达（2）和布置在所述燃烧马达（2）后面的废气后处理系统（3），该废气后处理系统用于在使用还原剂和/或吸收剂的情况下对在燃料燃烧时产生的废气进行净化，并且其中，根据有待在所述燃烧马达（2）中燃烧的燃料的成本并且根据有待在用于进行废气后处理的废气后处理系统（3）中所使用的还原剂和/或吸收剂的成本在一工作点中运行所述内燃机（1），在所述工作点中产生燃料和还原剂和/或吸收剂的最小的运行介质成本，其特征在于，为了改变所述内燃机的未处理排放和废气后处理装置的转化特性并且由此根据所需要的还原剂量和/或吸收剂量而采用组合特性曲线，其中，通过以下马达参数中的至少一个马达参数的改变：
-燃料-/空气比；
-燃料喷射压力；
-燃料喷射时刻；
-喷射的数量；
来如此自动地调节所述燃烧马达（2）的废气中的未处理排放：由于为了在所述废气后处理系统（3）中进行废气后处理所需要的还原剂量和/或吸收剂量而产生燃料和还原剂和/或吸收剂的最小的运行介质成本，其中，在废气后处理失效时自动地如此选择马达的未处理排放和/或燃料种类，从而遵守相应有效的极限值，并且其中，能够用不同的燃料来运行马达并且在用不同的燃料来运行时采用相应不同的组合特性曲线，并且其中，对所述燃料的成本和所述还原剂和/或吸收剂的成本进行更新。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，自动地如此确定所述工作点：在遵守排放极限值的情况下运行所述内燃机（1）。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述内燃机（1）的运行位置和/或运行时间来对所述排放极限值进行更新。
4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，自动地借助于至少一个传感器（11）或者在当前的位置、也就是所在地的基础上，来对所述排放极限值的遵守情况进行监控，并且在不遵守所述排放极限值时在考虑到有待降低到最低限度的运行介质成本的情况下自动地对所述工作点进行调整。
5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，自动地如此确定所述工作点：在遵守构件负荷极限值的情况下运行所述内燃机（1）。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，自动地借助于至少一个传感器对所述构件负荷极限值的遵守情况进行监控，并且在不遵守所述构件负荷极限值时在考虑到有待降低到最低限度的运行介质成本的情况下自动地对所述工作点进行调整。
7.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在马达参数和废气后处理参数的基础上形成至少一个特性数值、所谓的标识符，从所述标识符中得知所有与排放相关的调节量，并且所述标识符显示出排放极限的遵守情况和/或相应的组合特性曲线的使用情况。
8.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内燃机（1）是指用重油来运行的船舶柴油内燃机。
9.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，自动地借助于至少一个传感器（11）或者在当前的位置、也就是所在地的基础上，通过卫星辅助系统（GPS）来对所述排放极限值的遵守情况进行监控，并且在不遵守所述排放极限值时在考虑到有待降低到最低限度的运行介质成本的情况下自动地对所述工作点进行调整。
10.用于运行内燃机的控制装置，其特征在于，该控制装置具有用于实施按权利要求1至9中任一项所述的方法的器件。
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