CN111226030A

CN111226030A - 用于基于模型地控制和调节内燃机的方法

Info

Publication number: CN111226030A
Application number: CN201880067609.7A
Authority: CN
Inventors: J.尼迈尔; A.弗洛尔; J.雷梅莱; C.沃尔夫
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2017-10-16
Filing date: 2018-07-20
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2038-07-20
Also published as: JP2020537083A; WO2019076501A1; US10975795B2; US20200240347A1; CN111226030B; DE102017009582B3

Abstract

提出一种用于基于模型地控制和调节内燃机（1）的方法，在所述方法中，由优化器（22）从第一库（26）读入用于所述内燃机（1）的运行的排放等级，由所述优化器（22）从第二库（27）按照内燃机种类读出最大的机械的结构部件负载，所述排放等级和所述结构部件负载被设定为对于燃烧模型（20）和气体路径模型（21）是强制性的，在所述方法中，取决于理论力矩通过所述燃烧模型（20）来计算用于操控喷入系统调校元件的喷入系统理论值并且通过所述气体路径模型（21）来计算用于操控气体路径调校元件的气体路径理论值，在所述方法中，由所述优化器（22）取决于所述喷入系统理论值和所述气体路径理论值计算品质尺度，由所述优化器（22）通过在预测范围之内改变所述喷入系统理论值和气体路径理论值将所述品质尺度最小化，并且在所述方法中，由所述优化器（22）按照经最小化的品质尺度将所述喷入系统理论值和气体路径理论值设定为对于调整所述内燃机（1）的运行点是决定性的。

Description

用于基于模型地控制和调节内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于基于模型地控制和调节内燃机的方法，在所述方法中，由优化器从第一库读入用于内燃机的运行的排放等级，由优化器从第二库按照内燃机种类读出最大的机械的结构部件负载，排放等级和最大的结构部件负载被设定为对于燃烧模型和气体路径模型是强制性的，并且在所述方法中，取决于理论力矩通过燃烧模型来计算用于操控喷入系统调校元件的喷入系统理论值并且通过气体路径模型来计算用于操控气体路径调校元件的气体路径理论值。

背景技术

内燃机的特性决定性地通过马达控制仪器取决于性能期望进行确定。为此，在马达控制仪器的目前的软件中运用相应的特征线和特征区。通过所述特征线和特征区，从性能期望、例如理论力矩计算出内燃机的调校参量、例如喷射开始和必要的轨道压力。所述特征线/特征区在内燃机的制造商方面在检查台(Prüfstand，有时称为试验台)上配备有数据。然而，所述特征线/特征区的大量和特征线/特征区彼此的相互关系导致高的调谐消耗(Abstimmungsaufwand)。

因此在实践中尝试通过应用数学的模型来减少调谐消耗。由此，例如DE 10 2006004 516 B3描述一种具有用于确定喷入量的概率表的贝叶斯网络，并且US 2011/0172897A1描述一种用于通过燃烧模型借助于神经元网络来适配喷射开始以及喷射量的方法。在此关键的是，仅仅在检查台运转时才必须被学习的经训练的数据被塑造(abgebildet，有时称为描绘下来)。

从US 2016/0025020 A1中已知一种用于内燃机的气体路径的基于模型的调节方法。气体路径不仅包括空气侧而且包括连同排气引回(Rückführung，有时称为反馈、再循环)在内的排气侧。在所述方法的第一步骤中，从气体路径的测量参量、例如增压空气温度或NOx浓度中确定内燃机的当前的运行情况。然后在第二步骤中，同样从测量参量中通过气体路径的物理的模型在预测范围

之内计算品质尺度(Gütemaβ)。然后在第三步骤中，又从品质尺度和运行情况中确定用于气体路径的调校元件的操控信号。所说明的方法仅仅涉及气体路径并且基于线性化的气体路径模型。由所述线性化决定地，信息丢失是不能够避免的。

发明内容

因此，本发明基于如下任务，即开发一种用于在高的品质的情况下基于模型地控制和调节整个内燃机的方法。

所述任务通过权利要求1的特征解决。设计方案在从属权利要求中示出。

所述方法在于，由优化器从第一库读入用于内燃机的运行的排放等级，由优化器从第二库按照内燃机种类读出最大的机械的结构部件负载，并且排放等级和最大的结构部件负载被设定为对于燃烧模型和气体路径模型是强制性的。此外，所述方法在于，取决于理论力矩通过燃烧模型来计算用于操控喷入系统调校元件的喷入系统理论值，并且通过气体路径模型来计算用于操控气体路径调校元件的气体路径理论值，并且由优化器取决于喷入系统理论值和气体路径理论值计算品质尺度。所述方法通过如下方式进行补充，即由优化器通过在预测范围之内改变喷入系统理论值和气体路径理论值将品质尺度最小化，并且由优化器按照经最小化的品质尺度将喷入系统理论值和气体路径理论值设定为对于调整内燃机的运行点是决定性的。

在第一库中储存有相应于全球的应用范围、例如IMO或级别4f(Tier 4f)的不同的法定的排放等级。由此，对于同一个内燃机种类能够呈现出不同的排放目的。减少了的调谐消耗和关于使用地点的较大的灵活性是有利的。在所设置的可选情况中，运行者能够通过具有最大的机械的结构部件负载的第二库来影响维护间隔。减小了的燃烧峰值压力例如意味着直至下一个维护日程的较长的使用持续时间。在此也就是说，选择自由是有利的。显然能够将经一次调谐的库没有问题地传递(übertragen，有时称为传输)到相同种类的但是具有改变了的气缸数量的内燃机上。

经最小化的品质尺度通过如下方式进行确定，即由优化器在第一时间点计算第一品质尺度，在第二时间点在预测范围之内预计第二品质尺度，并且接着确定所述两个品质尺度的偏差。如果偏差小于极限值，那么由优化器将第二品质尺度设定为经最小化的品质尺度。就此而言，极限值考虑(Grenzwertbetrachtung)是中断标准，因为进一步的最小化不会引起还更精确的匹配。还能够将能够预设的数量的重新计算代替极限值考虑来设定为中断标准。

然后按照经最小化的品质尺度，由优化器将用于置于下方的轨道压力调节回路的轨道压力理论值间接预设为喷入系统理论值并且将用于操控喷射器的喷射开始以及喷射结束直接预设为喷入系统理论值。补充性地，然后由优化器间接预设气体路径理论值、例如用于置于下方的λ(Lambda)调节回路的λ理论值和用于置于下方的AGR调节回路的AGR理论值。

不仅燃烧模型而且气体路径模型将内燃机的系统特性塑造为数学的方程式。所述数学的方程式按照在检查台运转、即所谓的DoE检查台运转(DoE：实验的设计(Design ofExperiments))中的参考内燃机或由仿真试验一次确定。例如在发电机运行中的负荷接通的情况下的以稳定的和瞬态的运行的差别不再是必要的。此外，理论力矩在遵守排放极限值的情况下精确地进行调整。模型是能够各个地调谐的，其中，模型在总和方面(in derSumme)来塑造内燃机。直到现在必要的特征线和特征区能够由此得以省去。在此还给出基于程序的解决方案的已知的优点、如可改装性或对法定的规定的匹配。

附图说明

在图中示出优选的实施例。其中：

图1示出系统视图，

图2示出基于模型的系统视图，

图3示出程序流程计划，

图4示出时间线图、调谐1，以及

图5示出时间线图、调谐2。

具体实施方式

图1示出具有共轨系统的电子地控制的内燃机1的系统视图。共轨系统包括下面的机械的构件：用于从燃料罐2输送燃料的低压泵3、用于影响穿流的燃料体积流的可变的抽吸节流件4、用于在压力提高的情况下输送燃料的高压泵5、用于存储燃料的轨道6和用于将燃料喷入到内燃机1的燃烧空间中的喷射器7。可选地，共轨系统还能够实施有单个存储器，那么其中，例如在喷射器7中集成有单个存储器8作为附加的缓冲容积。将共轨系统的另外的功能性假设为已知的。

所示出的气体路径不仅包括空气引入部而且包括排气引出部。在空气引入部中布置有排气涡轮增压机11的压缩机、增压空气冷却器12、节流活门13、用于将增压空气与引回的排气引导在一起(Zusammenführung，有时称为聚集在一起)的通入部位14和进入阀15。在排气引出部中布置有排出阀16、排气涡轮增压机11的涡轮机和涡轮机旁通阀19。从排气引出部中分支出排气引回路径，在所述排气引回路径中布置有用于调整AGR率的AGR调校元件17和AGR冷却器18。

内燃机1的运行方式通过电子的控制仪器10(ECU)确定。电子的控制仪器10包含微型计算机系统的通常的组成部分、例如微处理器、I/O结构块(Bausteine，有时称为功能块)、缓冲器和存储结构块(EEPROM、RAM)。在所述存储结构块中，对于内燃机1的运行相关的运行数据被运用为模型。通过所述模型，电子的控制仪器10从输入参量计算出输出参量。决定性的输入参量是理论力矩M(理论)，所述理论力矩由操作者预设为性能期望。控制仪器10的涉及共轨系统的输入参量是轨道压力pCR和可选地单个存储器压力pES，所述轨道压力借助于轨道压力传感器9进行测量。电子的控制仪器10的涉及空气路径的输入参量是节流活门13的打开角度W1、马达转速n实际(nIST)、增压空气压力pLL、增压空气温度TLL和增压空气的湿度phi。电子的控制仪器10的涉及排气路径的输入参量是AGR调校元件17的打开角度W2、在排气涡轮增压机11的涡轮机下游的排气温度T排气、空气燃料比例λ和NOx实际值。电子的控制仪器10的另外的没有示出的输入参量、例如冷却剂温度或可变的阀传动力以附图标记“入”(EIN)来概括。

在图1中作为电子的控制仪器10的输出参量来示出的是：用于操控抽吸节流件4的信号PWM、用于操控喷射器7的信号ve(喷射开始/喷射结束)、用于操控节流活门13的调校信号DK、用于操控AGR调校元件17的调校信号AGR、用于操控涡轮机旁通阀19的调校信号TBP和输出参量“出”(AUS)。输出参量“出”代表性地表示另外的用于控制和调节内燃机1的调校信号，例如表示用于在分级增压(Registeraufladung)的情况下激活第二排气涡轮增压机的调校信号。

图2示出基于模型的系统视图。在这个图示中，在电子的控制仪器10之内列出燃烧模型20、气体路径模型21和优化器22。不仅燃烧模型20而且气体路径模型21将内燃机的系统特性塑造为数学的方程式。燃烧模型20静态地塑造在燃烧时的过程。与此相区别地，气体路径模型21还塑造空气引导和排气引导的动态的特性。燃烧模型20包含单个模型，例如用于NOx和炭黑产生、用于排气温度、用于排气质量流以及用于峰值压力。所述单个模型又取决于在气缸中的边界条件和喷入的参数。燃烧模型20在检查台运转、即所谓的DoE检查台运转(DoE：实验的设计(Design of Experiments))中的参考内燃机的情况下得到确定。在DoE检查台运转中，运行参数和调校参量系统地随着如下目的而变化，即取决于马达的(motorischen)参量和环境边界条件来塑造内燃机的总特性。补充性地示出第一库26和第二库27。所述两个库能够例如在船舶的情况下集成在电子的控制仪器10中或在上一级的设备调节器中。

在第一步骤中，优化器22从第一库26读入排放等级。排放等级例如能够被理解成内燃机相应于IMO或欧盟IV/级别4“最终”(EU IV/Tier 4 final)的MARPOL(海洋污染(Marine Pollution))的运行。在第二步骤中，从第二库27按照内燃机种类读入最大的机械的结构部件负载、例如燃烧峰值压力或排气涡轮增压机的最大的转速。在一种可选情况中设置成，操作者能够朝较小的值的方向改变最大值，由此能够延长维护间隔。所选出的排放等级和所选出的机械的结构部件负载的最大的值然后被设定为对于在燃烧模型和气体路径模型之内的另外的计算是强制性的。之后，优化器22评估燃烧模型20，更确切地说关于理论力矩M(理论)、排放极限值、环境边界条件、例如增压空气的湿度phi和内燃机的运行情况评估燃烧模型20。运行情况通过马达转速n实际、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL等界定。优化器22的功能现在在于评价用于操控喷入系统调校元件的喷入系统理论值和用于操控气体路径调校元件的气体路径理论值。在此，优化器22选出如下的解决方案，在所述解决方案中，品质尺度被最小化。品质尺度例如被计算为在预测范围之内的二次的理论实际偏差的积分。例如以如下形式：

(1)J＝∫[w1(NOx(理论)-NOx(实际)]²+[w2(M(理论)-M(实际)]²+[w3(....)]+...

其中，w1、w2和w3意味着相应的加权因子。众所周知地，从增压空气的湿度phi、增压空气温度、喷射开始SB和轨道压力pCR得出氮氧化物排放。

在方程式(1)中考虑调校参量SG的限制和限制函数BF。对此适用的是：

(2) SG(min)≤SG≤SG(max)，和

(3)BF≤Max

调校参量例如是喷射开始和喷射结束。限制函数例如是最大的燃烧压力、排气涡轮增压机的最大的转速或最大的排气温度。

品质尺度通过如下方式被最小化，即由优化器22在第一时间点通过方程式(1)计算第一品质尺度。之后，喷入系统理论值以及气体路径理论值变化，并且通过方程式(1)在预测范围之内预计第二品质尺度。然后按照所述两个品质尺度相对于彼此的偏差，优化器22确定对于最小的品质尺度的调校参量并且将所述最小的品质尺度设定为对于内燃机是决定性的。对于在图中示出的示例，所述调校参量对于喷入系统是理论轨道压力pCR(SL)和喷射开始SB以及喷射结束SE。理论轨道压力pCR(SL)是用于置于下方的轨道压力调节回路23的引导参量(

有时称为指令参量、参考变量)。轨道压力调节回路23的调校参量相应于用于加载抽吸节流件的PWM信号。喷射器(图1：7)随着喷射开始SB和喷射结束SE直接被加载。对于气体路径，优化器22间接确定气体路径理论值。在所示出的示例中，所述气体路径理论值是用于对于λ调节回路24和AGR调节回路25进行预设的λ理论值LAM(SL)和AGR理论值AGR(SL)。被引回的测量参量“测量”由电子的控制仪器10读入。测量参量“测量”不仅能够被理解成直接测量的物理的参量而且能够被理解成从所述物理的参量中计算出的辅助参量。在所示出的示例中，读入λ实际值LAM(实际)和AGR实际值AGR(实际)。

在图3中，在程序流程计划中示出所述方法，其中，在图3A中示出子程序。在S1中的初始化之后，在S2中检查启动过程是否结束。如果所述启动过程仍运转，访问结果S2：否，那么分支回到点A。如果启动过程结束，那么在S3中读入能够由操作者预设的理论力矩M(理论)。随其后在S4中探测内燃机的运行情况。运行情况通过测量参量、尤其通过马达转速n实际、增压空气温度TLL、增压空气压力pLL、增压空气的湿度phi等界定。在S5中，子程序调出图3A的优化器。在所述子程序中，在S5A中从第一库中读入应用地点特定的排放等级、例如IMO或级别4“最终”。之后在S6A中从第二库中读入最大的机械的结构部件负载、例如200巴的最大的燃烧峰值压力。接着返回到图3关于步骤S5的主程序中。

然后在S6中产生起始值、例如喷射开始SB。第一品质尺度J1按照方程式(1)在S7中进行计算，并且在S8中运转变量i被设定到零。之后在S9中起始值被改变并且被计算为用于调校参量的新的理论值。在S10中将运转变量i提高了1。然后按照新的理论值在S11中在预测范围之内、例如针对下一个8秒来预计第二品质尺度J2。再在S12中，第二品质尺度J2被第一品质尺度J1来减去并且与极限值GW比较。通过所述两个品质尺度的差形成(Differenzbildung，有时称为作差)来检查(abgeprüft)品质尺度的进一步的进展。备选地，按照运转变量i与极限值iGW的比较来检查优化已经被经历了多少次。这两个极限值考虑就此而言是对于进一步的优化的中断标准。如果进一步的优化是可行的，访问结果S12：否，那么分支回到点C。否则在S13中由优化器将第二品质尺度J2设定为最小的品质尺度J(min)。然后从最小的品质尺度J(min)得出用于对于相应的调校元件进行预设的喷入系统理论值和气体路径理论值。随其后在S14中检查是否开始了马达停止。如果这不是这种情况，访问结果S14：否，那么分支回到点B。否则，程序流程计划结束。

在图4中示出内燃机根据IMO3的第一调谐。图4包括图4A至4D。在此相应关于时间地，图4A示出力矩走向，图4B示出氮氧化物排放NOx，图4C以在上止点(OT)之前的曲轴角度的度数示出喷射开始SB并且图4D示出峰值压力PMax的走向。在图5中示出内燃机根据级别4“最终”(Tier 4 final)的第二调谐。图5包括图5A至5D，所述图5A至5D关于时间示出与图4A至4D相同的参量。在t0之前的时间范围相应于过去。预测范围、例如8s相应于时间范围t0至t0+tp。以ts表示计算时间，在所述计算时间中，新的理论值、例如喷射开始SB由电子的控制仪器输出。

首先解释根据图4的流程。已经由操作者选出运行方式，在所述运行方式的情况下，内燃机的全部性能应该被充分利用。在启动过程结束之后，由优化器从第一库读入用于内燃机的运行的排放等级、在此也就是说根据IMO3的排放等级。之后由优化器从第二库按照内燃机种类读出最大的机械的结构部件负载、例如PMax＝200巴的最大的燃烧压力(图4D)。

输入参量是能够由操作者预设的理论力矩M(理论)，在此：最终值M2。在时间点t0，NOx理论值NOx1(图4B)和喷射开始SB1(图4C)与理论力矩的起始值M1相对应。同样在时间点t 0读入实际力矩M(实际)和NOx实际值NOx(实际)。取决于所测量的在空气路径中的空气压力和喷射开始SB(在此：SB1(图4C))来计算NOx实际值。在图4A中，实际力矩M(实际)与理论力矩M(理论)的偏差作为画阴影线的面示出。在图4B中，NOx实际值NOx(实际)与NOx理论值NOx(SL)的偏差作为画阴影线的面示出。在时间点t 0，优化器通过方程式(1)计算第一品质尺度。接着，优化器改变间接的和直接的调校参量并且通过方程式(1)计算用于第二品质尺度的调校参量。间接的和直接的调校参量在图2中示出。在图4C中，喷射开始SB作为示范性的调校参量来示出。换言之：优化器在时间点t0确定例如喷射开始SB从起始值SB1到最终值SB2上在预测范围之内的改变如何产生影响。通过第二品质尺度与第一品质尺度的差形成和极限值考虑，品质尺度被最小化，也就是说检查进一步的优化是否是有成功希望的。从图4A和4B中能够看出，在时间点t 0+tP，第二品质尺度的进一步的改善不再是有成功希望的，因为在此实际值相应于理论值。

图5基于根据级别4“最终”的排放等级，并且由运行者选出如下运行类型，在所述运行类型中，燃烧压力应该总是明显小于最大的燃烧压力PMax，由此导致延长了的运行持续时间。理论力矩由操作者从起始值M1提高到最终值M3上。第一和第二品质尺度通过方程式(1)的计算相应于图4的描述。从图4和5的比较中，所述两个库的影响变得明显。由此，在图5B中的NOx理论值NOx(SL)明显到较小的值来校整(ausgerichtet，有时称为调整、看齐)，并且由于燃烧压力在最大的极限PMax处的走向而能够在显著较早的时间点达到较高的实际力矩M(实际)。

附图标记列表

1 内燃机

2 燃料罐

3 低压泵

4 抽吸节流件

5 高压泵

6 轨道

7 喷射器

8 单个存储器

9 轨道压力传感器

10 电子的控制仪器

11 排气涡轮增压机

12 增压空气冷却器

13 节流活门

14 通入部位

15 进入阀

16 排出阀

17 AGR调校元件(AGR：排气引回件)

18 AGR冷却器

19 涡轮机旁通阀

20 燃烧模型

21 气体路径模型

22 优化器

23 轨道压力调节回路

24 λ调节回路

25 AGR调节回路

26 第一库

27 第二库。

Claims

1.用于基于模型地控制和调节内燃机（1）的方法，在所述方法中，由优化器（22）从第一库（26）读入用于所述内燃机（1）的运行的排放等级，由所述优化器（22）从第二库（27）按照内燃机种类读出最大的机械的结构部件负载，所述排放等级和所述结构部件负载被设定为对于燃烧模型（20）和气体路径模型（21）是强制性的，在所述方法中，取决于理论力矩（M（理论））通过所述燃烧模型（20）来计算用于操控喷入系统调校元件的喷入系统理论值并且通过所述气体路径模型（21）来计算用于操控气体路径调校元件的气体路径理论值，在所述方法中，由所述优化器（22）取决于所述喷入系统理论值和所述气体路径理论值计算品质尺度（J），由所述优化器（22）通过在预测范围之内改变所述喷入系统理论值和气体路径理论值将所述品质尺度（J）最小化，并且在所述方法中，由所述优化器（22）按照经最小化的品质尺度（J（min））将所述喷入系统理论值和气体路径理论值设定为对于调整所述内燃机（1）的运行点是决定性的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一库（26）中储存有相应于全球的应用范围的法定的排放等级。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，所述品质尺度（J）通过如下方式被最小化，即由所述优化器（22）在第一时间点计算第一品质尺度（J1），在第二时间点在所述预测范围之内预计第二品质尺度（J2），从第一品质尺度（J1）和第二品质尺度（J2）确定偏差，并且由所述优化器（22）将所述第二品质尺度（J2）设定为经最小化的品质尺度（J（min）），在所述经最小化的品质尺度中，所述偏差变得小于极限值（GW）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述品质尺度（J）通过如下方式被最小化，即由所述优化器（22）在第一时间点计算第一品质尺度（J1），在第二时间点在所述预测范围之内预计第二品质尺度（J2），并且由所述优化器（22）在经历过能够预设的数量（i）的重新计算之后将所述第二品质尺度（J2）设定为经最小化的品质尺度（J（min））。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述优化器（22）将用于置于下方的轨道压力调节回路（23）的轨道压力理论值（pCR（SL））间接预设为喷入系统理论值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述优化器（22）将用于操控喷射器（7）的喷射开始（SB）和喷射结束（SE）直接预设为喷入系统理论值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述优化器（22）间接预设用于置于下方的气体路径调节回路（24、25）的气体路径理论值。