CN1930388A - 适应性负荷平衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内燃机，其有若干汽缸，以便为由发动机执行的工作提供必要的能量。根据本发明，使用汽缸特定爆震监视，以便在发动机汽缸之间自动分配负荷。当单个汽缸连续爆震时，汽缸的防爆震控制系统的目标是持续地减少供给到汽缸的燃料数量。通过增大所有汽缸的燃料供给而补偿由燃料供给减少所引起的发动机总输出下降。由调整提供的发动机新的工作值存储在存储器中，还用作新的参考值。

Description

适应性负荷平衡系统
技术领域
本发明涉及内燃机，其装备有若干汽缸，以便为由发动机执行的工作提供必要的能量。特别地，本发明涉及用于内燃机的控制系统。
背景技术
除小型发动机设计之外，内燃机装备有若干汽缸，其中燃料的燃烧反应释放的能量转变为机械形式。转变为机械形式的能量用于由内燃机执行的工作，例如用于旋转船用推进器。已执行/待执行的工作也被称为负荷。因此，各汽缸因它产生的机械能而负责一部分发动机负荷。汽缸和发动机的总产量通常表示为输出。
从现有技术已知发动机负荷在汽缸之间平均分配。如果发动机有例如八个汽缸，各汽缸控制总负荷的八分之一部分。然而，在实践中，汽缸之间的负荷分配不是完全相等，因为汽缸之间存在差异。差异起因于制造公差和安装过程中出现的一些不一致。因而，汽缸在温度和燃料、空气流量方面不同于彼此。在发动机测试运转期间，当手动调整各汽缸的运转设置时考虑这些差异。由发动机运转所引起的发动机磨损可改变汽缸之间负荷分配的情况，因而按规定，需要重复手工调整汽缸的操作设置。通过负荷分配使发动机在最佳工作范围内运转。
在整个工作时间内发动机负荷不一定保持恒定。例如船在港区比在公海驾驶得更慢。所以，发动机有各种控制电路，其目的是使发动机以希望的模式运转。例如，当发动机负荷变化时，相应地修改提供给各汽缸的燃料数量。考虑例如环境负荷，为了使发动机以希望的模式工作，测量废气温度，根据该在测量结果调整汽缸特定喷射的持续时间，以获得低的发动机输出。目的是避免汽缸爆震(特别在奥托(Otto)循环发动机中是特征要素)和不点火。换句话说，通过各种控制循环的合作，意图在考虑边界条件的情况下，尽可能使发动机保持在最佳工作模式。由于边界条件，例如汽缸之间的负荷分配，发动机不一定在可能达到最好的工作范围内工作。
如上所述，与现有技术有关的一个问题是以下事实：汽缸之间的负荷分配需要手动进行。尤其当发动机爆震时，负荷分配成为问题。已存在的负荷平衡构成用于发动机控制电路的边界条件，因而它们不能消除该问题。手动负荷平衡要求维修人员的调查，因此直到维护巡修为止，发动机必须在已存在的负荷平衡值下运转，这对发动机造成额外应力。
本发明的目的是消除前面讨论的问题。如权利要求书所述实现该目的。
发明内容
本发明的思想是使用汽缸特定爆震监视，以便在发动机汽缸之间自动分配负荷。根据现有技术，利用发动机的速度/功率控制器调整总的(所有汽缸共同的燃料供给)喷射持续时间。速度/功率控制器提供供给到汽缸的总的燃料数量的基本控制。除由速度/功率控制改变的基本燃料数量之外，进入汽缸的燃料数量还受汽缸特定调整系数的影响。根据本发明汽缸特定调整系数在发动机初次起动时是自适应性的。通过该系数考虑汽缸之间的差异。
当单个汽缸开始连续爆震时，汽缸防爆震控制系统的目标是暂时减少进入汽缸的燃料数量。执行的燃料供给减少同时降低汽缸的输出，因此，降低发动机的总功率输出。通过增大所有汽缸的燃料供给而补偿总输出功率的减少，因而所述汽缸提供较高的总输出。该调整由发动机的速度/功率控制器执行。爆震汽缸减少的燃料供给(缩短燃料喷射的持续时间)逐渐恢复到它的原始值。在连续爆震的情况下，爆震汽缸的汽缸特定调整系数必须持续地改变，以便努力消除连续爆震。
由爆震控制系统改变的调整系数的数值设置为汽缸的新的持续的调整系数。在汽缸的燃料供给(燃料喷射的持续时间)在预定时间间隔(时间窗口)内已经暂时减少足够多的次数之后，设置成为持续的。由调整提供的发动机的新的工作值，也就是说汽缸特定调整系数，存储在存储器中，还用作新的参考值，也就是说设置值。因而，发动机已经使它自身适应于新的情况。
附图说明
下面参考附图描述本发明，其中：
-图1显示用于防止爆震的爆震余量的示例；
-图2显示气缸盖和汽缸特定防爆震控制系统的简单示例；
-图3显示根据本发明的用于发动机的控制电路的简单示例；
-图4显示阐明根据本发明负荷如何在汽缸之间分配的示例性图表；和
-图5显示阐明根据本发明的方法的示例性流程图。
具体实施方式
为了更好地澄清本发明的操作，建议更详细地描述本质上已知的汽缸特定防爆震控制。通过防爆震控制，目的是消除汽缸中的爆震发生，也就是说，燃料的过早点火。在该正文中给出的示例涉及使用气体或者燃料油工作的内燃机，但是本发明还可用于其他类型的奥托循环发动机。
图1显示图表的示例，其中汽缸的工作范围显示为空燃比和点火正时的变量。燃料在这种情况下是气体。爆震区域位于实线1上方。实线1是所谓的爆震极限。虚线2显示汽缸的工作值。在某一空燃比下爆震极限1和虚线之间的点火正时差异称作爆震余量M。爆震余量的目的是防止汽缸中发生爆震。可能有若干爆震极限，通常有两个，因而第一个极限的目的是防止汽缸轻微爆震，另一个极限的目的是防止汽缸强烈爆震。
如果汽缸由于某种原因开始爆震，则减少汽缸的燃料流量，也就是说，减少提供给汽缸的燃料数量，因而空燃比增大。相应地，汽缸的工作点移到图1的右侧，也就是说远离爆震极限。同时爆震余量增加。当汽缸停止爆震时，有可能恢复到标准的空燃比，也就是说回到虚线2。
图2显示已知气缸盖21的简化示例。空气流过空气管道22来到汽缸。同样流过管道的燃料喷射通过燃料通道27。来自气体箱24的燃料沿着管道25传导到气体入口阀26，该阀允许气体流入到燃料通道27。阀23位于其开启位置时允许空气燃料混合物进入汽缸室。该图同样显示汽缸特定控制电路，通过该控制电路调整汽缸的燃料供给，因而同样防止汽缸中例如发生爆震。在汽缸室中，例如通过适合于目的的传感器29(用于检测振动的压力传感器或加速度传感器)测量压力或振动。测量数据传送到控制电路的控制构件28，该控制构件根据测量数据为汽缸的气体入口阀26提供和传输命令。根据该命令，气体入口阀允许要求数量的气体流过燃料通道27到达空气管道。另外，图2阐明用于燃料油的喷射构件210。
图3显示根据本发明的用于发动机的控制电路的简单示例。发动机的各汽缸31、32、33包括汽缸特定控制(包括防爆震控制)，如图2所示。在本发明的该实施例中运转汽缸特定控制，以便在发动机运转情况下，目的是避免爆震恶化，也就是说避免强烈爆震。每隔五秒进入汽缸的燃料数量减去标准燃料供给的1％，直到爆震停止为止。接着，如果根据图1的图表观察情况，则空气燃料混合物比增大，汽缸的工作点离开爆震区域。最大偏移是标准情况下燃料供给的4％，因而从爆震开始可在20秒内达到。在爆震停止之后，目标是通过每隔七秒将燃料数量增加1％，而将汽缸修改回到标准的燃料供给。因而，如果发动机在-4％的燃料供给下工作，它最多在28秒内恢复到标准状态。控制电路标准状态的控制称作参考值控制。如果汽缸在发动机中强烈爆震，该发动机可使用两种不同的燃料，那么使用燃料油代替气体是明智的。
如上提到的，根据现有技术的汽缸特定防爆震控制同时也使汽缸之间的负荷分配不相等，因而发动机在不利的工作范围内工作。发动机在低的工作效率下工作，它遭受额外应力。汽缸特定参考值需要手动设置到与新的工作值匹配，以便使发动机负荷分布再次正确。这是一个问题，尤其如果一个汽缸或若干汽缸连续爆震。
在根据本发明的解决方案中，考虑单个汽缸或多个汽缸的连续爆震，那时发动机自动平衡汽缸之间的负荷，以便匹配新的工作值(即新的汽缸特定控制值)，该工作值构成发动机新的设置值。如果在半小时内汽缸中的轻微爆震恶化至少20次(爆震也可能在半小时内具有减弱的倾向)，则持续减少提供给汽缸的燃料数量。在实践中，通过调整汽缸系数，该平均数，例如在标准状态下供给到汽缸的燃料，持续地减少1％或若干百分比。新的燃料数量，确切地说，表征它的工作值，存储在存储器中，它们替换已存在的参考值。因而从那时开始，汽缸被新的参考值控制。在该实施例中，最大偏移是原始燃料供给的-10％。
新的汽缸参考值影响汽缸之间的负荷分配。虽然有爆震，但发动机负荷35(图3)经常保持恒定，因而发动机需要继续提供相同的功率水平。控制电路28接收来自发动机速度/功率控制器36的燃料供给基本控制。速度/功率控制器36还可整合到控制电路28。如果，例如，一个发动机气缸31已经给定新的参考值，则它产生的功率P1将减少。然而，汽缸的总输出P1+P2+Pn必须保持恒定，因而其它汽缸产生的功率必须增加。包括在控制电路28中的平衡单元34在新的工作值下控制汽缸之间发动机负荷的分布。
平衡单元34监视汽缸特定爆震控制。如果，例如，发动机的第一汽缸31传输指示连续轻微爆震的测量数据R1，且汽缸特定控制不能消除该现象，那么平衡单元持续改变汽缸31的工作值。通过改变汽缸特定调整系数的相互比值，该变化影响汽缸之间的平衡。另外，其它汽缸必须补偿由爆震汽缸所引起的功率损失。通过适当增大所有汽缸的调整系数而解决该问题，因而不仅补偿了由爆震汽缸所引起的功率损失，而且维持了汽缸之间的平衡。采用这种方法，由平衡单元43提供的新的汽缸工作值替换已存在的参考值。最后，速度/功率控制器36执行提供给汽缸的燃料数量的最后调整。新的参考值作为控制C1、C2、C3传输发动机气缸的气体入口阀。汽缸31、32、33传输各自标准的测量数据R1、R2、R3到控制电路。
图4显示阐明根据本发明的汽缸之间负荷分配，也就是说汽缸平衡的示例性图表。平衡基于使用平衡矢量。平衡矢量包括来自标准燃料数量的汽缸特定偏移系数，也就是说调整系数。因而，如果汽缸爆震和汽缸的燃料供给已经减少1％，则矢量中的汽缸系数是原始系数-1。在发动机制造中或在发动机初次起动时矢量和已经设置为尽可能接近于零。现在的目标是保持该矢量和为零或接近于零。在实践中，矢量和的值已经给定某一范围。连续爆震汽缸的负的系数导致超过该范围，同时指示必须改变汽缸特定调整系数。应当注意矢量和的平衡值还可以是非零的另一个数字。然而，从计算的角度来看，使用零是有优势的。
在图4的示例中发动机有四个汽缸。各个曲线41、42、43和44阐明汽缸调整系数(和同时设定值的汽缸特定燃料数量与由速度/功率控制器建立的燃料数量的比率)。最初，在该示例中所有汽缸的调整系数为零。在时间段1内，第一汽缸的爆震控制将调整系数减少-1，如曲线41所示。在时间段2内，第二汽缸的爆震控制将调整系数减少-1，如曲线42所示。爆震汽缸继续爆震，在时刻T1连续爆震汽缸的系数持续地发生变化。同时所有汽缸的系数持续地增大1，以便补偿由爆震汽缸所引起的发动机产生功率中的功率损失。因此维持汽缸调整系数之间的平衡，该平衡现在还考虑爆震汽缸。
在时间段5内，第一汽缸和第三汽缸开始爆震，其分别由曲线41和43显示为汽缸特定爆震控制的反应。在时间段6内这些汽缸的爆震恶化。在时刻T2连续爆震的第一和第三汽缸的系数持续地发生变化。同时所有汽缸的系数持续地增大1，以便补偿由爆震汽缸所引起的发动机产生功率中的功率损失。在时间段8内，第一汽缸和第三汽缸再次开始爆震，汽缸特定爆震控制再次对此起作用。在时间段9内，第二汽缸开始爆震，爆震控制对此起作用。在时刻T3爆震的第一和第三汽缸的系数持续地发生变化，所有汽缸的系数再次持续增大1，以便补偿由爆震汽缸所引起的发动机产生功率中的功率损失。此后，汽缸中不再发生任何爆震，由最新的设置和存储的工作值控制汽缸。图4阐明如果一个或若干汽缸开始连续爆震，发动机如何使它自己适应于新的情况。
图5显示阐明根据本发明的方法的示例性流程图。流程图显示方法的主要特征。在方法中，各汽缸被单独监视51，以便通过使用由防爆震控制系统提供的汽缸特定测量数据而发现汽缸是否连续爆震。持续地减少连续爆震汽缸的燃料供给52。通过增大发动机所有汽缸的燃料供给而补偿由所述燃料供给减少所引起的发动机总输出变化53。存储新的汽缸特定燃料供给值54，将其设置为发动机的汽缸特定设置值55。发动机的速度/功率控制器控制供给到发动机汽缸的燃料数量的最后调整。
例如，当在汽缸特定监视中计算预定时间段内汽缸特定防爆震控制系统必须开始多少次调整时，可发现连续爆震，该调整持续至少一个控制期间以便减少爆震汽缸的燃料供给。用于减少爆震的汽缸特定防爆震控制系统的控制期间例如为5秒。例如，响应于测量数据每隔五秒将汽缸的燃料供给减少1％。当爆震停止时，防爆震控制系统的目标是每隔七秒将燃料供给增大1％，以便达到应用于汽缸的参考燃料水平。计算次数的时间段例如为20-40分钟。当在计算中次数达到某个数量时，汽缸定义为连续爆震。某个数量的次数可能是例如15-25次。汽缸特定防爆震控制系统的控制期间和用于所述计算的时间段也可具有不同于上述值的持续时间。
在根据本发明的方法的一个实施例中，补偿中使用的平衡矢量包括汽缸特定燃料供给系数，目标是将矢量和保持为零或接近于零，从而通过增大另一个或若干其它系数而补偿一个系数的减小带来的影响。
如果应用根据本发明的方法的发动机装备有汽缸特定废气温度测量装置，该方法可包含另外的步骤，其中当测量废气温度时，响应于温度下降至某一水平或低于该水平而增大供给到汽缸的燃料数量。当废气温度例如为低于平均值的60度时，将燃料数量增加1％或增加到另一个适当的程度。
描述的方法应用于发动机，该发动机主要使用气体作为燃料。在发动机中，除气体之外，轻燃料油也可用作燃料，如果汽缸爆震强烈，流到汽缸的气体可被燃料油替代。
根据本发明的平衡单元34适合于采取根据本发明的方法的各个实施例的措施，该措施在上文和权利要求书中描述。平衡单元连接汽缸特定防爆震控制系统。另外，平衡单元的一些应用还连接发动机的其它控制系统。应当注意发动机的控制系统可以是集中或分散的系统。防爆震控制系统例如是与控制系统的其余部分分离的元件，或是整个控制系统不可分割的部分。同样，平衡单元可以是独立单位，或者与发动机的其余控制系统整合在一起。平衡单元可这样实现，以致它自身是物理实体，比如电路板，或者可通过程序实现，因而它是存储在发动机控制系统的存储器中的整体。程序还可存储在分离的数据输入装置，该装置连接发动机的控制系统，因而还连接防爆震控制系统。当它在发动机控制系统中运行时，程序执行根据本发明的任务。
通过根据本发明的方法和装置，发动机的输出因而在汽缸之间适应性地平衡，以致考虑连续爆震的汽缸。因此，相比利用现有技术的解决方案可能达到的工作效率，整个发动机以更高的工作效率工作。因而，还延长发动机的使用寿命，减少维护措施的次数。
根据上述示例，很明显根据本发明的申请可通过使用各种技术方案而实现。显然本发明不局限于仅在该正文中提到的示例，在本发明的思想范围内它可以通过若干各种实施例实现。

Claims (20)

1.一种用于平衡发动机汽缸之间内燃机负荷的方法，该发动机装备有汽缸特定防爆震控制系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
监视各个汽缸，以便通过使用由防爆震控制系统提供的汽缸特定测量数据而发现汽缸是否连续爆震，
如果爆震是连续的，则持续地减少供给到爆震汽缸的燃料数量，
通过增大发动机所有汽缸的燃料供给而补偿由所述燃料供给减少所引起的发动机总输出变化，
存储新的汽缸特定燃料供给值，和
将新的汽缸特定燃料供给值设置为发动机的汽缸特定设置值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在汽缸特定监视中计算预定时间段内汽缸特定防爆震控制系统必须开始多少次调整，该调整持续至少一个控制期间，以便减少供给到爆震汽缸的燃料数量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，计算次数的时间段是20-40分钟。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当在计算中次数达到某个数量时，汽缸定义为连续爆震。
5.如权利要求3和4所述的方法，其特征在于，计算中次数达到的某个数量为15-25次。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，补偿中使用的平衡矢量包括汽缸特定燃料供给系数，目标是将矢量和保持为平衡值或接近于平衡值，从而通过增大所有汽缸的系数而补偿一个系数的减小带来的影响。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，对于装备有汽缸特定废气温度测量装置的发动机，该方法包含这样的步骤，在该步骤中当测量废气温度时，响应于温度下降至某一水平或低于该水平而增大供给到汽缸的燃料数量。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当废气温度为低于平均值的60度时，燃料数量增加1％。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在汽缸特定防爆震控制系统中，响应于测量数据，供给到汽缸的燃料数量或者每隔五秒减少1％，或者每隔七秒增加1％。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，燃料是气体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在发动机中，除气体之外，轻燃料油也可用作燃料，当汽缸爆震强烈时，发动机使用的气体可被燃料油替代。
12.一种用于平衡发动机汽缸之间内燃机负荷的装置，该发动机装备有汽缸特定防爆震控制系统，其特征在于装置包括平衡单元，该平衡单元连接汽缸特定防爆震控制系统，该装置适合于采用如权利要求1所述的方法。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，在由装置执行的汽缸特定监视中，计算预定时间段内汽缸特定防爆震控制系统必须开始多少次调整，该调整持续至少一个控制期间，以便减少供给到爆震汽缸的燃料数量。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，计算次数的时间段是20-40分钟。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，当在计算中次数达到某个数量时，装置将汽缸定义为连续爆震。
16.如权利要求14和15所述的装置，其特征在于，计算中次数达到的某个数量为15-25次。
17.如权利要求12-16中任一项所述的装置，其特征在于，补偿中使用的平衡矢量包括汽缸特定燃料供给系数，目标是将矢量和保持为平衡值或接近于平衡值，从而通过增大所有汽缸的系数而补偿一个系数的减小带来的影响。
18.如权利要求12-17中任一项所述的装置，其特征在于，燃料是气体。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，在发动机中，除气体之外，燃料油也可用作燃料，当汽缸爆震强烈时，发动机使用的气体可被燃料油替代。
20.一种连接内燃机控制系统的计算机程序，其特征在于，当计算机程序运行时，计算机程序适合于采用如权利要求1所述的方法。
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