CN109630285B - 用于操作多内燃发动机系统的方法和控制装置 - Google Patents

用于操作多内燃发动机系统的方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于沿包括多个路线部段的总路线或在包括多个时段的总操作持续时间上成本优化且/或排放优化地操作多内燃发动机系统的方法。预先设定映射，其在旋转速度和输出上映射内燃发动机的单位操作资源消耗和/或单位排放输出。总输出在单独的内燃发动机之间被划分成部分输出。对每个路线部段或时段，对每个内燃发动机和每个映射，确定成本向量和/或排放向量，从该向量确定成本优化且/或排放优化地操作相关联的内燃发动机的映射和路线部段的旋转速度和成本和/或排放。对每个映射和每个内燃发动机，确定所有路线部段或时段上的成本总和和/或排放总和。取决于每个内燃发动机的优化，确定作为目标量被最小化的总成本和/或总排放。

Description

用于操作多内燃发动机系统的方法和控制装置
技术领域
本发明涉及用于操作多内燃发动机系统的方法。本发明此外涉及用于执行所述方法的控制装置。
背景技术
从船舶应用已知多个被联接的内燃发动机的系统，所述内燃发动机被联接成使得由内燃发动机提供的部分驱动输出被至少一个共同的消耗器获取（take off）。在此，由系统的内燃发动机提供的部分驱动输出总体上提供由所述共同的消耗器或者每个共同的消耗器获取的总输出。相应消耗器能够是机械消耗器或者电消耗器或者液压消耗器，其中，在共同的机械消耗器的情况下其被称为机械联接的内燃发动机，在共同的电消耗器的情况下其被称为电联接的内燃发动机，并且在共同的液压消耗器的情况下其被称为液压联接的内燃发动机。因此，从船舶应用已知作为共同的机械消耗器的机械联接的内燃发动机的系统机械地驱动船舶的推进器。此外，还已知，作为共同的电消耗器的电联接的内燃发动机的系统驱动发电机以用于产生电能，其中，所产生的电能能够被用于例如驱动电动马达和/或其他消耗器。还可能的是，取决于多个共同的消耗器的构造，内燃发动机被机械联接和/或电联接和/或液压联接。
从DE 10 2014 017 500 A1已知用于操作多内燃发动机系统的方法，其中，在提供每个运转的内燃发动机的所需要的输出的情况下，确定单独的操作点并且相应内燃发动机在该单独的操作点中操作，即使得在维持排放值的情况下该系统产生最小的操作成本。
存在进一步改进多内燃发动机系统的操作的需求。
发明内容
由此出发，本发明基于如下目的：产生新颖类型的用于操作多内燃发动机系统的方法和用于执行该方法的控制装置。
该目标通过根据本发明的方法来解决。根据本发明的用于操作多内燃发动机系统的方法、即用于沿着包括多个路线部段的总路线或在包括多个时段的总操作持续时间上成本优化且/或排放优化地操作系统的方法至少包括以下步骤：
对于系统的操作，预先设定至少一个操作参数映射，其中，每个操作参数映射在旋转速度和输出上取决于阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或燃料类型来映射出单位（specific）操作资源消耗和/或单位排放输出，并且其中，沿总路线或在总操作持续时间上，对于每个内燃发动机，相应操作参数映射是不变的。
对于每个路线部段或时段，相应路线部段或时段所要求的系统的总输出在单独的内燃发动机之间被划分成部分输出。
对于每个路线部段或时段，对于每个内燃发动机且对于每个操作参数映射确定取决于旋转速度的成本向量和/或排放向量，其中，从这些成本向量和/或排放向量中的每个确定这样的相关联的操作参数映射和相关联的路线部段或时段的旋转速度和成本和/或排放：对于其来说，成本优化地且/或排放优化地操作提供相应部分输出的相关联的内燃发动机。
对于每个操作参数映射和每个内燃发动机，确定所有路线部段或时段上的成本总和和/或排放输出总和，并且特别地当其预先设定多个操作参数映射时，确定这样的操作参数映射：对于该操作参数映射来说，相应内燃发动机沿总路线或在总操作持续时间上成本优化地且/或排放优化地操作。
取决于每个内燃发动机的优选的成本优化且/或排放优化的操作参数映射，确定系统的总成本和/或总排放，其被作为目标量被最小化。
在根据本发明的方法中，取决于至少一个操作参数映射来实现多内燃发动机系统的操作的优化，该操作参数映射沿着总路线或在总操作持续时间期间对于每个内燃发动机是不变的且因此是恒定的。
此外，取决于总路线的路线部段或取决于总操作持续时间的时段，发生多内燃发动机系统的操作的优化。
利用本发明，有可能的是，特别有利地使得有可能实现多内燃发动机系统的成本优化且/或排放优化的操作。
优选地，预先设定多个操作参数映射，其中，操作参数映射通过阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或燃料类型而彼此不同。特别地，在船舶的操作期间，预先设定多个操作参数映射。不过，基于每个内燃发动机，沿总路线或者在总操作持续时间上，总是仅能够使用操作参数映射中的一个。仅在总操作持续时间结束之后或者到达总路线的目的地之后，才有可能改变用于内燃发动机的操作参数映射。
优选地，预先设定仅仅对于相应内燃发动机有效的内燃发动机单独的操作参数映射，且/或预先设定对于多个内燃发动机共同地有效的至少一个操作参数映射。
根据有利的另一发展，每个路线部段或时段中的系统的相应总输出在使目标量最小化的情况下被划分成内燃发动机的部分输出。
还提供根据本发明的控制装置。
附图说明
本发明的优选的进一步发展下文的描述中获得。借助于附图更详细地解释本发明的示例性实施例，而本发明的实施例不限于此。在附图中示出：
图1：用于示出本发明的框图。
具体实施方式
本发明涉及用于操作多内燃发动机系统的方法和控制装置。
特别地，本发明涉及用于操作船舶的多内燃发动机系统的方法和控制装置。
不过，本发明不限于该优选应用。相反地，多内燃发动机系统也能够是发电站。
特别地，当使用该方法以便操作船舶的多内燃发动机系统时，该系统将要在总路线上（例如，在出发港口与目的地港口之间）成本优化地且/或排放优化地操作，其中，在出发港口与目的地港口之间的总路线包括多个路线部段，例如包括从出发港口出发、近海岸航行、海上航行和进入目的地港口。在这种情况下的上述路线部段在本质上仅仅是示例性的。上述路线部段需要不同输出。
特别地，当发电站的多内燃发动机系统的作为系统将要成本优化地且/或排放优化地操作时，优化的操作发生在包括多个时段的总操作持续时间上，其中，所述时段能够例如是一天的不同时段，在这些时段中要求不同输出。
如已经解释的，本发明在下文中针对如下应用来描述，其中将操作的多内燃发动机系统是船舶的内燃发动机系统，其将沿着包括多个路线部段的总路线优选地成本优化地操作且同时维持给定的排放限制值。
在下文中，参考图1的框图描述本发明。
在图1中，框M1、M2、M3和Mn示出了多内燃发动机系统的内燃发动机，其中，图1中所示出的系统因此具有总数量为n的内燃发动机M。
此外，图1示出了将被覆盖的总路线包括多个路线部段X1、X2和Xi。
因此，路线部段X1能够是进入港口或者从港口出发。路线部段X2能够是近海岸航行。路线部段Xi能够是海上航行。
图1此外示出了多个操作参数映射MAP 1、MAP 2、MAP 3和MAP 4已经就绪或预先设定。操作参数映射MAP 1至MAP 4中的每个在旋转速度和输出上映射出单位操作资源消耗和/或单位排放输出，即作为气体交换阀的阀控制时间的函数和/或作为充气压力的函数和/或作为喷射器压力的函数和/或作为喷射器控制时间的函数和/或作为燃料类型的函数。在示例性实施例中，映射在此以MAP 1至MAP 4标记，明显地，映射的数量能够被无限地扩展（MAP 1, MAP 2…MAP n，n=所有正数）。
在此，操作参数映射MAP 1、MAP 2、MAP 3和MAP 4中的每个将单位燃料消耗以及单位润滑油消耗映射为单位操作资源消耗。特别地，当内燃发动机在排气气体后处理中使用SCR催化转化器（其中发生使用尿素来选择性地催化还原氮氧化物和/或硫氧化物）时，操作参数映射中的每个此外还映射单位尿素消耗。
作为单位排放输出，每个操作参数映射优选地映射出单位氮氧化物输出和单位硫氧化物输出。
在操作参数映射MAP 1至MAP 4中，内燃发动机的旋转速度限制能够被映射，此外，例如，还映射内燃发动机的最小旋转速度和最大旋转速度。
特别地，当如图1中所示出预先设定了多个操作参数映射MAP 1至MAP 4时，这些操作参数映射能够特别地通过如下方面彼此不同：阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或旋转速度限制和/或燃料类型。
图1中所示出的操作参数映射MAP 1至MAP 4对于所有内燃发动机M1至Mn在所有路线部段X1至Xi上是有效的。路线部段X1至Xi能够被分配有路线部段特定的排放限制值。还可能的是，对于至少一个内燃发动机预先设定至少一个内燃发动机的单独的操作参数映射，其仅仅对于相应内燃发动机有效。例如，特别地，当至少一个内燃发动机在其设计方面显著地不同于系统的其他内燃发动机时，是这种情况。
对于每个路线部段X1、X2和Xi，相应路线部段X1、X2、Xi所要求的多内燃发动机系统的总输出在单独的内燃发动机M1至Mn之间被划分成部分输出。
在图1中，这些部分输出通过圆来可视化，其中，对于路线部段X1，内燃发动机M1的部分输出PM1,X1、内燃发动机M2的PM2, X1、内燃发动机M3的PM3, X1和内燃发动机Mn的PMn,X1有效。部分输出PM1, X1、PM2,X1、PM3, X1和PMn,X1的总和因此对应于路线部段X1所要求的总输出。
对于路线部段X2和Xi，相应的所要求的总输出也被划分成部分输出，即针对路线部段X2划分成内燃发动机M1的部分输出PM1,X2、内燃发动机M2的PM2,X2、内燃发动机M3的PM3,X2和内燃发动机Mn的PMn,X2，并且针对路线部段Xi划分成内燃发动机M1的部分输出PM1,Xi、内燃发动机M2的PM2,Xi、内燃发动机M3的PM3,Xi和内燃发动机Mn的PMn,Xi。
经由框30在优化方面经由优化算法来实现相应路线部段X1、X2和Xi所要求的部分输出P的划分，其中，粒子群算法的细节是在此描述的领域中的技术人员所熟知的并且不需要更详细地解释。关于粒子群算法，例如参考DE 10 2010 003 725 A1。框30中的合适算法的选择是在此提到的领域中的技术人员的责任并且不限制于粒子群算法。
对于每个路线部段X1、X2和Xi，对于每个内燃发动机M1、M2、M3和Mn，针对对于相应内燃发动机M1、M2、M3和Mn有效的每个操作参数映射MAP 1、MAP 2、MAP 3和MAP 4确定成本向量和/或排放向量。在图1中所示出的示例性实施例中，确定了对应的成本向量K，而未示出的排放向量也能够被替代性地或额外地确定。
在图1中，仅示出了内燃发动机M1的针对每个操作参数映射、对于每个路线部段X1、X2和Xi确定的取决于旋转速度的成本向量K。类似地，也能够为内燃发动机M1、M2、M3和Mn确定对应的成本向量。因此，成本向量KM1,X1,MAP1是使用操作参数映射MAP 1的内燃发动机M1的在路线部段X1中的取决于旋转速度的成本向量。成本向量KM1,X2,MAP3是使用操作参数映射MAP 3确定的内燃发动机M1的在路线部段X2中的成本向量。成本向量KM1,Xi,MAP4是使用操作参数映射MAP 4确定的内燃发动机M1的在路线部段Xi中的取决于旋转速度的成本向量。确定了成本向量KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4。
从这些取决于旋转速度的成本向量KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4，经由最小化函数确定对于相应内燃发动机M1至Mn要提供的相应部分输出的成本优化的旋转速度，其中，在相应成本向量KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4中该优化的旋转速度与相关联的成本被存储在一起。
框10被提供有这些成本向量，即对于部分输出P在路线部段X1至Xi中的每个中对于每个内燃发动机M1至Mn所确定的成本，其中，在框10中，针对每个操作参数映射MAP 1至MAP 4和每个内燃发动机M1至Mn，确定在所有路线部段上的成本的总和，其中，在框20中，随后对于每个内燃发动机确定这样的操作参数映射，对于该操作参数映射来说，相应内燃发动机M1至Mn沿着整个路线成本优化地且/或排放优化地操作。
在框30中，如已经解释的，单独的路线部段X1至Xi的相应的所要求的总输出被划分成内燃发动机的部分输出PM1,X1至PMn,Xi，即使得根据每个内燃发动机的成本优化且/或排放优化的操作参数映射所确定的作为目标量的系统的总成本和/或总排放最小化。
如已经解释的，还能够使用该方法以便在总操作持续时间上优化发电站的多内燃发动机系统。在此，针对所使用的燃料类型彼此不同的操作参数映射于是能够被保持就绪。作为燃料类型，在发电站中能够使用重燃料油或气体或煤等等。
本发明此外涉及用于执行所述方法控制装置，其中，控制装置自动执行根据本发明的方法。为此目的，控制装置包括硬件和软件器件，其中，硬件器件是数据接口、处理器和存储器。数据接口用于在单独的部件、用于数据存储的存储服务器和用于数据处理的处理器之间进行数据交换。软件器件能够是程序模块，其被存储在存储器中并且被处理器执行以便执行根据本发明的方法。

Claims (10)

1.一种用于操作多内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）的系统的方法，即用于沿着包括多个路线部段（X1, X2, Xi）的总路线或在包括多个时段的总操作持续时间上成本优化且/或排放优化地操作的方法，所述方法具有以下步骤：
对于所述系统的所述操作，预先设定至少一个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3,MAP 4），其中，每个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）在旋转速度和输出上作为阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射控制时间和/或燃料类型的函数映射出至少一个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）的单位操作资源消耗和/或单位排放输出，并且其中，沿所述总路线或在所述总操作持续时间上，针对每个内燃发动机（M1, M2, M3,Mn），相应操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）是不变的；
对于每个路线部段（X1, X2，Xi）或对于每个时段，相应路线部段（X1, X2, Xi）或时段所要求的所述系统的总输出在单独的内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）之间被划分成部分输出（PM1,X1至PMn,Xi）；
对于每个路线部段（X1, X2, Xi）或时段，对于每个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn) 和对于每个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）确定取决于旋转速度的成本向量（KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4）和/或排放向量，其中，从这些成本向量（KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4）和/或排放向量中的每个确定这样的相关联的操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）和相关联的路线部段（X1, X2, Xi）或时段的旋转速度和成本和/或排放：对其来说，提供相应部分输出（PM1,X1至PMn,Xi）的所述相关联的内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）成本优化地且/或排放优化地操作；
针对每个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）和每个内燃发动机（M1, M2,M3, Mn），确定在所有路线部段（X1, X2, Xi）或时段上的所述成本的总和和/或排放的总和，并且当预先设定多个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）时，确定这样的操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）：对于所述操作参数映射来说，相应内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）沿所述总路线或在所述总操作持续时间上成本优化地且/或排放优化地操作；
取决于每个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）的成本优化且/或排放优化的操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4），确定作为目标量被最小化的所述系统的总成本和/或总排放。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个操作参数映射（MAP 1, MAP 2,MAP 3, MAP 4）通过阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或燃料而彼此不同。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于至少一个内燃发动机，预先设定至少一个内燃发动机单独的操作参数映射，其仅仅对于相应内燃发动机有效。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，预先设定对于多个内燃发动机（M1, M2,M3, Mn）共同地有效的至少一个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在每个路线部段（X1, X2，Xi）或时段中，所述系统的相应总输出在使所述目标量最小化的情况下被划分成所述内燃发动机的部分输出（PM1,X1至PMn,Xi）。
6.一种多内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）的系统的控制装置，用于所述系统沿包括多个路线部段（X1, X2, Xi）的总路线或在包括多个时段的总操作持续时间上的成本优化且/或排放优化的操作，
所述控制装置预先设定至少一个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4），其中，每个操作参数映射在旋转速度和输出上作为阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或燃料类型的函数映射出至少一个内燃发动机（M1, M2, M3,Mn）的单位操作资源消耗和/或单位排放输出，并且其中，沿所述总路线或在所述总操作持续时间上对于每个内燃发动机，相应操作参数映射是不变的；
对于每个路线部段（X1, X2，Xi）或时段，所述控制装置将相应路线部段（X1, X2, Xi）或时段所要求的所述系统的总输出在单独的内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）之间划分成部分输出（PM1,X1至PMn,Xi）；
对于每个路线部段（X1, X2，Xi）或时段，对于每个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn），以及对于每个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3，MAP 4），所述控制装置确定取决于旋转速度的成本向量（KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4）和/或排放向量，并且从这些成本向量（KM1,X1,MAP1至KMn,Xi,MAP4）和/或排放向量中的每个确定这样的相关联的操作参数映射和相关联的路线部段或时段的旋转速度和成本和/或排放：对于其来说，成本优化且/或排放优化地操作提供相应部分输出（PM1,X1至PMn,Xi）的所述相关联的内燃发动机；
对于每个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）和每个内燃发动机（M1, M2,M3, Mn），所述控制装置确定在所有路线部段（X1, X2, Xi）或时段上的成本总和和/或排放总和，并且当所述控制装置预先设定多个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）时，确定这样的操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4）：对于所述操作参数映射来说，相应内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）沿所述总路线或在所述总操作持续时间上成本优化地且/或排放优化地操作；
取决于每个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）的成本优化且/或排放优化的操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP 4），确定且最小化作为目标量的所述系统的总成本和/或总排放。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述多个操作参数映射（MAP 1, MAP2, MAP 3, MAP 4）通过阀控制时间和/或充气压力和/或喷射压力和/或喷射器控制时间和/或燃料而彼此不同。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，对于至少一个内燃发动机（M1, M2,M3, Mn），所述控制装置包括至少一个内燃发动机单独的和操作的参数映射（MAP 1, MAP2, MAP 3, MAP 4），其仅仅对于相应内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）有效。
9.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括对于多个内燃发动机（M1, M2, M3, Mn）共同地有效的至少一个操作参数映射（MAP 1, MAP 2, MAP 3, MAP4）。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的控制装置，其特征在于，在每个路线部段或时段（X1, X2，Xi）中，所述控制装置将相应总输出划分成部分输出（PM1,x1至PMn,Xi），即用于最小化所述目标量。
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