CN109253008B - 用于操作内燃发动机的方法和控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作具有多个气缸的内燃发动机的方法，其中所述内燃发动机针对每个气缸包括至少一个燃料喷射器，并且其中每个燃料喷射器经由相应燃料喷射器的电磁阀被激活以用于打开和闭合，其中由所述燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述燃料喷射器导致的加速度通过测量被检测，其中通过测量检测的所述结构声波和/或通过测量检测的所述加速度被评估，并且其中基于所述评估，自动地确定所述燃料喷射器的特征。

Description

用于操作内燃发动机的方法和控制系统
技术领域
本发明涉及用于操作内燃发动机的方法和用于执行该方法的控制系统。
背景技术
内燃发动机包括多个气缸。在每个气缸的区域中，安装至少一个燃料喷射器。燃料喷射器可激活，以用于打开和闭合，即经由燃料喷射器的电磁阀，所述电磁阀被供应有适当的激活电流。燃料喷射器能够是用于柴油燃料（例如重质燃料油或残油）的燃料喷射器或用于气体燃料的燃料喷射器。燃料喷射器也被描述为燃料喷射阀。
通常，双燃料发动机包括三个燃料喷射器，用于每个气缸，即用于柴油燃料的主燃料喷射器以及气体燃料喷射器和点燃流体燃料喷射器，经由该主燃料喷射器，在第一操作模式（其也被描述为柴油操作模式）中，可燃柴油燃料被引入到气缸中，其中在第二操作模式（其也被描述为气体操作模式）中，通常经由气体燃料喷射器提供增压空气（charge air）和气体燃料构成的本身不可燃的混合物，其能够经由点燃流体被点燃，在第二操作模式中，该点燃流体经由点燃流体燃料喷射器被引入到相应气缸中。在此，柴油燃料用作点燃流体。因为在第二操作模式中，相对少量的柴油燃料必须被引入到相应气缸中并且主燃料喷射器迄今为止不设计为提供这样的少量燃料，因此根据现有技术，必须在双燃料发动机中安装具有减少的喷射量的多个单独的点燃流体燃料喷射器。
在内燃发动机的操作期间，燃料喷射器经受磨损。为此原因，内燃发动机，即其燃料喷射器，必须在限定的维护间隔时被维修或者甚至被更换。尤其在大型内燃发动机的情况下，诸如例如船舶上的柴油内燃发动机，其使用重质燃料油、残油等作为柴油燃料来操作，由于燃料品质的多样性和变异性且因此由其导致的磨损速率的多样性和变异性，已证明难以估计这样的维护间隔。此外，这样的燃料喷射器经历增加的磨损，尤其通过导致磨损增加的柴油燃料中的高的硫和灰比例，或者通过能够导致渣形成并阻止燃料喷射器闭合的柴油燃料中的增加的金属含量。气体燃料喷射器尤其在使用生物气体操作期间也会发生类似的问题。
发明内容
从实践已知，基于由测量检测的排气温度来检查燃料喷射器的行为。不过这是不准确的并且涉及较长的延迟时间，这是因为仅能够在具有较大延迟的情况下确定取决于排气温度的燃料喷射器上的故障或磨损。因此需要一种用于操作内燃发动机的方法，借助于该方法能够容易且可靠且快速地监测燃料喷射器的特征，以便检测并触发尤其根据其所需的维护操作或维修操作。尤其也需要在双燃料发动机中更准确地操作主燃料喷射器，以致能够省略单独的点燃流体燃料喷射器。由此出发，本发明基于如下目标：产生一种用于操作内燃发动机的新类型的方法和用于执行该方法的控制系统。
根据本发明，由燃料喷射器发射的结构声波（structure-borne sound wave）和/或由燃料喷射器导致的加速度通过测量被检测到，其中由测量检测到的燃料喷射器的结构声波和/或加速度被评估，其中基于评估，自动地确定燃料喷射器的特征。优选地，由测量检测到的结构声波和/或加速度与相应参考值进行比较和/或彼此进行比较，以用于评估。尤其，能够在没有延迟的情况下快速地检测燃料喷射器上的缺陷或磨损。
优选地，基于比较，自动地检测到恰当操作的燃料喷射器和不恰当操作的燃料喷射器。尤其当在其它燃料喷射器中的不同或四个不同的燃料喷射器上检测到的结构声波和/或加速度被相互比较时，能够特别有利地确定恰当操作的燃料喷射器和没有恰当操作的燃料喷射器。
优选地，基于比较，自动地确定燃料喷射器的打开持续时间和/或打开速度和/或闭合速度和/或打开时间和/或闭合时间和/或打开程度和/或闭合程度和/或磨损和/或漂移（drift）。燃料喷射器的所有这些操作参数能够通过检测和评估由燃料喷射器发射的结构声波和/或由燃料喷射器导致的加速度而被检测到。所有的这些特征量构成了燃料喷射器的特征，基于此，能够以自动方式来触发维护操作和维修操作。
优选地，借助于优选地被直接附接到燃料喷射器的结构声波传感器和/或加速度传感器来检测结构声波和/或加速度。通过将相应传感器直接附接到燃料喷射器，能够特别准确地确定结构声波和/或加速度。
根据本发明的有利的进一步扩展，在内燃发动机的静止状态期间，在所谓的待机模式中，在燃料喷射器上没有燃料喷射压力的情况下，燃料喷射器的电磁阀于是被激活，以用于打开和闭合，并且通过测量检测由燃料喷射器发射的结构声波和/或由燃料喷射器导致的加速度，并根据实际测量量与设定点量的比较，识别燃料喷射器的基于电磁阀的漂移或磨损。这是有利的，因为能够因而避免内燃发动机的操作期间会发生的干涉影响。在该待机模式期间，设置为最小化燃料压力，最好将其降低至零，以便避免在喷射器/喷射阀激活期间喷射燃料。优选地，根据基于电磁阀的漂移或磨损来调整相应燃料喷射器的相应电磁阀的激活开始和/或激活结束。根据本发明的另外的有利的进一步扩展，尤其当内燃发动机在喷射模式中操作时，且在燃料喷射器上具有燃料喷射压力的情况下，在燃料喷射器的电磁阀被激活以用于打开和闭合的过程中，通过测量检测由燃料喷射器发射的结构声波和/或由燃料喷射器导致的加速度，并且根据实际测量量与设定点量的比较，识别燃料喷射器的基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损。优选地，根据基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损来调整相应燃料喷射器的相应电磁阀的激活开始和/或激活结束。使用这些进一步扩展，能够更准确地操作燃料喷射器。在双燃料发动机的情况下，主燃料喷射器能够被用作点燃流体燃料喷射器，以致能够省略单独的点燃流体燃料喷射器。
附图说明
本发明的优选的进一步扩展由以下的描述中获得。借助于附图更详细地解释本发明的示例性实施例，但不限于此。其中示出：
图1：双燃料发动机的示意性框图；
图2：用于示出现有技术的时序图（time diagram）；
图3：用于示出本发明的优选示例性实施例的第一时序图；
图4：用于示出本发明的优选示例性实施例的第二时序图；
图5：用于示出本发明的优选示例性实施例的第三时序图；
图6：用于示出本发明的优选示例性实施例的第四时序图。
具体实施方式
本发明涉及用于操作内燃发动机的方法和用于执行该方法的控制系统。关于本发明，提出了由燃料喷射器发射的结构声波和/或由燃料喷射器导致的加速度通过测量被检测并被评估。通过测量检测到的结构声波和/或加速度优选地与参考值进行比较和/或彼此进行比较，以用于评估，其中基于该比较，自动地确定燃料喷射器的特征。基于自动检测的特征，能够例如确定燃料喷射器的磨损状态，以便尤其自动触发在取决于此的控制侧上的在内燃发动机上的维护操作或维修操作。根据磨损状态，也能够触发紧急停止。
尤其当检测由燃料喷射器发射的结构声波时，这借助于优选地被直接附接到燃料喷射器的结构声波传感器来实现。结构声波传感器也能够被附接到关于结构声波被联接到燃料喷射器的组件。尤其当检测由燃料喷射器导致的加速度时，为此目的使用优选地被直接附接到燃料喷射器的加速度传感器。加速度传感器也能够被附接到关于结构声波被联接到燃料喷射器的组件。
如已经解释的，由测量检测且由燃料喷射器发射的结构声波和/或由测量检测且由燃料喷射器导致的加速度被评估，以便自动地确定燃料喷射器的特征。
在此可以将结构声波和加速度与控制侧上预设的参考值进行比较。
替代性地，也可以比较通过测量针对燃料喷射器检测的结构声波和/或结构声波的加速度和/或在其它燃料喷射器上检测的加速度，从而通过比较不同燃料喷射器的测量值，以便确定相应燃料喷射器上的不同状态，而无需被预先确定地固定在控制侧上的参考值。
基于评估由测量检测的量，能够自动地确定恰当操作的燃料喷射器和没有恰当操作的燃料喷射器。
尤其，通过检测和评估发射的结构声波和/或导致的加速度，能够确定相应燃料喷射器上的打开持续时间和/或打开速度和/或闭合速度和/或打开时间和/或闭合时间和/或打开程度和/或闭合程度和/或磨损和/或漂移。所有的这些特征能够被利用，以便在控制侧上自动地触发在内燃发动机上的维护和维修操作。
为了检测由燃料喷射器导致的加速度或者发射的结构声波，能够使用仅仅记录在单个测量方向上的测量值的传感器，或者替代性地能够使用还记录在多个测量方向上的测量信号的传感器。记录多个方向上的对应测量值的传感器也被描述为多路拾取（multi-access pickup）。尤其当使用仅在单个方向上测量的传感器时，彼此组合的多个这样的传感器能够被使用并被设置在不同的空间方向上。借助于信号在不同空间方向上发生的不同行进长度和/或入射角度，实现了信号评估的进一步可能性。
参考附图，关于双燃料发动机上的优选应用范围在下文中描述了本发明的进一步细节。
从现有技术已知的双燃料发动机1的组件被示于图1中，其中图1示出了气缸2或者这样的双燃料发动机1。气缸2包括气缸盖3。在气缸2中，由连接杆5引导的活塞4上下运动。
在气缸盖3中，附接有主燃料喷射器6，可燃燃料（尤其是柴油燃料）能够借助于该主燃料喷射器6经由源自燃料泵8的燃料管线7被喷射到气缸2的燃烧腔室9内。主燃料喷射器6、燃料管线7和燃料泵8是馈送系统的元件，该馈送系统在第一操作模式（所谓的柴油操作模式）中用于将可燃柴油燃料馈送到气缸2的燃烧腔室9内。柴油燃料能够是例如重质燃料油或者残油。尤其当在第一操作模式中柴油燃料在气缸2中燃烧时，这个燃料馈送系统起作用。为了燃烧柴油燃料，增压空气10能够经由入口阀11被额外地引入到双燃料发动机1的相应气缸2中，其中在燃料燃烧期间产生的排气12能够经由排气阀13从双燃料发动机1的相应气缸2排放。
在双燃料发动机1的气缸2的燃烧腔室9中，气体燃料能够替代性地在第二操作模式（所谓的气体操作模式）中燃料。为此目的，双燃料发动机1包括气体燃料喷射器14，经由气体供应管线15提供的气体燃料经由该气体燃料喷射器14被引入到燃烧空气10中，其中气体-空气混合物经由入口阀11被引入到气缸2的燃烧腔室8中。气体喷射器也能够被实施成使得气体燃料被直接添加到燃烧腔室中（在此未示出）。这样的情况被描述为气体直接喷射。根据本发明的方法也能够用于这种类型的气体添加。能够借助于点燃流体喷射器16被引入到气缸2的燃烧腔室9内的可燃点燃流体用于点燃气体-空气混合物，该气体-空气混合物在双燃料发动机1的第二操作模式中本身不可燃。柴油燃料在这种情况下用作点燃流体。点燃流体喷射器16是单独的点燃流体喷射系统的一部分，该系统包括点燃流体喷射器16，用于双燃料发动机1的每个气缸2。能够额外地经由源自点燃流体存储单元18的点燃流体管线17向点燃流体喷射器16供应点燃流体，其中点燃流体存储单元18被分派有点燃流体输送泵19，该点燃流体输送泵19向点燃流体存储单元18供应点燃流体。点燃流体输送泵19能够被分派有吸入节流阀20。
在从现有技术已知的双燃料发动机的情况下，因此针对每个气缸2存在三个燃料喷射器，即用于第一操作模式的主燃料喷射器6和用于第二操作模式的气体-燃料喷射器15和点燃流体燃料喷射器16。在从实践已知的双燃料发动机的情况下，在第一操作模式中将柴油燃料引入到气缸2中的主燃料喷射器6不能也被用作第二操作模式中的点燃流体燃料喷射器的原因在于，在从实践已知的双燃料发动机的情况下，在针对此目的必须极小的燃料量的情况下，主燃料喷射器6不能以足够的准确度操作。
因此，图2示出了在主燃料喷射器6的激活时间T上方绘制喷射质量M的图表。在此，曲线轮廓21示出了根据主燃料喷射器6的激活时间的设定点喷射质量，曲线轮廓22示出了实际喷射质量，其根据激活时间T由于主燃料喷射器6上的漂移和/或磨损而形成。燃料喷射器的激活时间T意味着如下时间段：在该时间段中，燃料喷射器6的电磁阀被充能，以便在充能开始时打开相应燃料喷射器并在充能结束时闭合相应燃料喷射器。
图2示出了实际喷射质量20的轮廓显著不同于设定点喷射质量21的轮廓，即在图2中示例性地使得，在非常小的激活时间T的情况下，主燃料喷射器6尽管激活但最初将燃料引入到气缸2中，并且随着激活时间T逐渐增加，主燃料喷射器6总是将比由设定点喷射质量21预设的更小的实际喷射质量引入到气缸中。这种情况下的偏差ΔT示出了燃料喷射阀上的漂移或者磨损，这导致尽管激活燃料阀，但其最初并不向气缸中引入任何燃料。
如已经提到的，由燃料喷射器发射的结构声波和/或由燃料喷射器导致的加速度通过测量被检测。
图3具象化了在时间t上的结构声波KW，即结构声波的设定点轮廓23和实际轮廓24，（轮廓图3和图5是经处理的结构声波信号轮廓，措词上代替关于图1的结构声波、固体载带信号轮廓），其在如下情况下理论上存在并实际上形成：当主燃料喷射器6以图2中示例性选择的激活时间T1激活以用于打开和闭合时、即尤其当双燃料发动机1以待机模式操作时、尤其当主燃料喷射器6的电磁阀被激活而其上没有燃料喷射压力以用于打开和闭合时。
根据本发明，实际发射的实际结构声波24与设定点结构声波23进行比较（以例如针对特征量化参考值或基于模型的特征场（打开、闭合等等）的形式进行比较，关于其信号特征进行比较），其中在此根据图3在双燃料发动机1的待机模式的情况下，在相应主燃料喷射器6的打开期间，确定相应主燃料喷射器6在设定点结构声波23和实际结构声波24的最大值之间的偏移（固体载带声音变化随时间重排ΔKW误导，如果适用）。在图3的示例性示例中，在激活结束处，即在主燃料喷射器6闭合期间，在待机模式中确定在设定点结构声波23和实际结构声波24之间没有这样的偏差。
不过指出，在待机模式中，即使在激活结束处，即在相应主燃料喷射器6的闭合期间，或者仅在相应主燃料喷射器6的激活结束处（轮廓图3和图5是经处理的结构声波信号轮廓，措词上代替关于图1的结构声波、固体载带信号轮廓），也能够确定在实际结构声波24和设定点结构声波23之间的这样的偏差，即在结构声波23、24的最大值之间的对应偏差。
提供的是，尤其当在待机操作模式中时，在实际发射的实际结构声波24和设定点结构声波23之间的偏差被确定，主燃料喷射器6的基于电磁阀的漂移或磨损被确定，其中尤其当取决于激活开始和/或激活结束的这种基于电磁阀的漂移或磨损时，在图3中，相应主燃料喷射器6的相应电磁阀的激活开始被调整。
图4示出了同样随激活时间T变化的喷射质量M（将T看作激活时间并且将t看作实际时间存取单元。替代T（SOE-EOE）充能开始–充能开始），即设定点喷射质量21和实际喷射质量22’，其中实际喷射质量22’尤其在如下情况下形成：当根据图3中确定的基于电磁阀的漂移或磨损（即根据相应主燃料喷射器6的电磁阀的激活开始时的结构声波信号23、24的偏移ΔT1）来调整对主燃料喷射器6的电磁阀的控制。从图4显而易见的是，通过尤其以小的激活时间T对电磁阀的激活进行的这种调整，与以还未被调整的激活时间进行调整的根据图2的情况相比，实际喷射质量22’已经显著更好地遵循设定点喷射质量21。
尤其不仅在主燃料喷射器上没有喷射压力的情况下且内燃发动机在待机模式中操作时，而且还尤其在内燃发动机在喷射模式中操作时，检测在实际结构声波和设定点结构声波之间的偏差，并且在激活主燃料喷射器6的电磁阀以用于打开和闭合期间，其上存在燃料喷射压力。在图5中，结构声波–（声音强度）被再次绘制在时间t上，即设定点结构声波23’和实际结构声波24’的轮廓（轮廓图3和图5是经处理的结构声波信号轮廓，使用固体载带信号轮廓，替代参考附图的结构声波–声音强度），即同样针对相应燃料喷射器6的电磁阀的激活持续时间T1，其中在图5中，已经基于待机模式中确定的主燃料喷射器6的基于电磁阀的漂移或磨损调整了激活持续时间。
在图5中所示的示例中，实际结构声波23’的轮廓通过测量被检测并且与轮廓24进行比较，尤其当在喷射模式中在主燃料喷射器6上存在燃料喷射压力的情况下相应主燃料喷射器6的电磁阀被激活以用于打开和闭合时，其中在图5中，示例性地在喷射持续时间结束时，即在相应主燃料喷射器6闭合期间，检测到在结构声波KW的设定点轮廓24’和实际轮廓23’之间的偏差ΔT2。这个偏移ΔT2表明了相应燃料喷射器6上的基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损，其中根据这种基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损，相应主燃料喷射器6的电磁阀的激活持续时间（且即在图5中的激活结束）被再次调整以补偿由实际结构声波23和设定点结构声波24之间的偏移ΔT2反映出的这种基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损。指出的是，在喷射模式中，甚至在激活开始时，即在相应主燃料喷射器6打开期间，能够在喷射模式中确定在实际结构声波24和设定点结构声波23之间的这个偏差。
尤其当根据在待机模式和喷射模式中检测到的漂移或磨损来补偿激活持续时间T（即相应主燃料喷射器6的电磁阀的激活开始和/或激活结束）时（所述漂移或磨损由结构声波的相应设定点轮廓和相应实际轮廓之间的图3和图5的偏移ΔT1和偏移ΔT2来反映），在相应主燃料喷射器6的电磁阀的激活期间形成由曲线轮廓22’在图6中所示的实际喷射质量，其遵循设定点喷射质量21。
因此，即使在主燃料喷射器6上（尤其在电磁阀上和/或在喷嘴针上和/或在喷嘴座上）存在漂移或磨损，但于是仍可以将期望的燃料量准确地引入到气缸2中。因此，尤其在双燃料发动机1的情况下可以非常准确地操作主燃料喷射器6，以致即使在第二操作模式中其也能够被用作点燃流体喷射器，以便能够省去单独的点燃流体喷射器。
上述细节不仅能够用于双燃料发动机，而且也能够用于仅燃烧柴油燃料的发动机。在这种情况下，于是能够提高效率并且减少排气排放。
此外，上述细节能够被用于更加准确地将在双燃料发动机的气体燃料喷射器14的区域内引入的气体量引入到增压空气10中。在气体燃料喷射器14的区域中，尤其能够监测气体燃料喷射器14的粘着（sticking）。根据现有技术的气体燃料喷射器的这种粘着会导致不可控的气体馈送，因此在内燃发动机的增压空气道中且还在排气道中会增加爆炸危险。这能够使用本发明来避免，因为通过检测气体燃料喷射器14上的结构声波和/或加速度，能够检测气体燃料喷射器14的粘着并且因此能够引入对应的应对措施，以便使不可控的气体馈送停止。尤其，在这种情况下，能够触发内燃发动机的紧急停止。此外，未示出的在气体燃料喷射器14上游被分派在气体馈送管线15内的阀能够被闭合，以便中断在气体燃料喷射器14方向上的气体供应。
此外，本发明涉及一种用于执行根据本发明的方法的控制系统、即电子控制系统，其中这种控制系统尤其是发动机控制系统。这种控制系统包括用于在控制侧上执行所述方法的装置，其中这些装置是软件装置和硬件装置。硬件装置包括数据接口，以便与执行根据本发明的方法所涉及的组件、尤其与所用的传感器交换数据。此外，硬件装置包括用于数据处理的处理器和用于数据存储的存储器。软件装置包括用于执行根据本发明的方法的程序模块。

Claims (9)

1.一种用于操作具有多个气缸的内燃发动机的方法，其中，所述内燃发动机针对每个气缸包括至少一个燃料喷射器，并且其中，每个燃料喷射器被激活，以用于打开和闭合相应燃料喷射器的电磁阀，其特征在于：
由所述燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述燃料喷射器导致的加速度通过测量来检测，
通过测量检测的所述结构声波和/或通过测量检测的所述加速度被评估，其中，基于所述评估，自动地确定所述燃料喷射器的特征，
在所述内燃发动机的静止状态期间，在所述燃料喷射器上没有燃料喷射压力的情况下，所述燃料喷射器的所述电磁阀被激活以用于打开和闭合，通过测量来检测由所述燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述燃料喷射器导致的加速度，并根据实际测量量与设定点量的比较来识别所述燃料喷射器的基于电磁阀的漂移或磨损，和/或
当所述内燃发动机在喷射模式中操作时，且在所述燃料喷射器上具有燃料喷射压力的情况下，在所述燃料喷射器的所述电磁阀被激活以用于打开和闭合的过程中，通过测量来检测由所述燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述燃料喷射器导致的加速度，并根据所述实际测量量与设定点量的比较来识别所述燃料喷射器的基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过测量检测的所述结构声波和/或加速度与相应参考值进行比较和/或彼此进行比较，其中基于该比较，自动地确定所述燃料喷射器的特征。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：借助于被附接到组件的结构声波传感器和/或加速度传感器来检测所述结构声波和/或加速度，或者借助于被直接附接到所述燃料喷射器的结构声波传感器来检测所述结构声波和/或加速度，所述组件以能够传播结构声波的方式联接到所述燃料喷射器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基于所述比较，自动地确定所述燃料喷射器的打开持续时间和/或打开速度和/或闭合速度和/或打开时间和/或闭合时间和/或打开程度和/或闭合程度和/或磨损和/或漂移。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：基于所述比较，自动地确定恰当操作的燃料喷射器和没有恰当操作的燃料喷射器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
根据所述基于电磁阀的漂移或磨损，调整相应燃料喷射器的相应电磁阀的激活开始和/或激活结束，并且/或者根据所述基于喷嘴针和/或基于喷嘴座的漂移或磨损，调整相应燃料喷射器的相应电磁阀的激活开始和/或激活结束。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在柴油发动机的情况下，由柴油燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述柴油燃料喷射器导致的加速度被检测。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在双燃料发动机的情况下，
在第一操作模式中，由柴油燃料喷射器发射的结构声波和/或由柴油燃料喷射器导致的加速度被检测并被评估，
在第二操作模式中，由柴油燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述柴油燃料喷射器导致的加速度以及此外由气体燃料喷射器发射的结构声波和/或由所述气体燃料喷射器导致的加速度被检测并被评估。
9.一种用于操作内燃发动机的控制系统，其特征在于：所述控制系统在控制侧上执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。
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