RU2382219C2

RU2382219C2 - Система управления дизельным двигателем с оптимизированной подачей топлива и способ управления подачей топлива к дизельному двигателю

Info

Publication number: RU2382219C2
Application number: RU2006131561/06A
Authority: RU
Inventors: Пол ФЛИНН (US); Пол Флинн; Вольфганг ДАУМ (US); Вольфганг ДАУМ; Ахмед ШЕЙКХ (US); Ахмед ШЕЙКХ
Original assignee: Дженерал Электрик Компани
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2010-02-20
Also published as: US7047938B2; AU2005213616B2; CA2555027C; RU2006131561A; WO2005078262A1; CN1938508A; US20050171655A1; CN1938508B; AU2005213616A1; CA2555027A1

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к регулированию и управлению подачей топлива в двигатель внутреннего сгорания локомотива. Изобретение позволяет оптимизировать подачу топлива и обеспечить эффективное сгорание топлива, максимизировать рабочую характеристику двигателя и оптимизировать выходную мощность двигателя для нагрузки, в то же время снизить вредные выбросы двигателя. Способ управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, при котором управляют подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя через первый контур управления с обратной связью и генерируют функцию коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя, для оптимизированной подачи топлива через второй, предсказательный контур управления. Система управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, содержащая первый контур управления, управляющий подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя, причем первый контур управления является кон

Description

Это изобретение относится к локомотивам с приводом от дизельного двигателя, и в частности к системе и способу управления подачей топлива к двигателю локомотива. Способ использует информацию о скорости и нагрузке для двигателя, а также другую информацию о работе двигателя для динамического реагирования на изменения в нагрузке двигателя или на другие условия, которые динамически воздействуют на требования к топливу двигателя, предсказания потребности в топливе в ответ на такие изменения для управления скоростью двигателя, оптимизирования выходной мощности двигателя, предотвращения избыточной подачи топлива к двигателю и существенному снижению остаточного дыма и других регулируемых выбросов, которые может производить двигатель. Эта система и способ используют адаптивную способность, благодаря которой коэффициенты, использованные в получении динамической характеристики, со временем оптимизируются для конкретного двигателя и окружающей среды, в которой работает двигатель.

Системы адаптивного управления для управления работой дизельного двигателя локомотива используются в настоящее время для подачи топлива к двигателю на основании определяемых давления воздуха и выходной мощности, запрошенных двигателем. Эти системы учитывают схемы защиты двигателя (такая, как защита от превышения скорости), которые предотвращают нанесение повреждений двигателю, если он попытается работать за пределами своих возможностей для конкретного набора рабочих условий. В настоящее время системы управления не учитывают два используемых фактора: а) фактически требуется время для сжигания топлива, поданного к двигателю, и б) влияние охлаждения камеры сгорания, которые возникают в результате подачи слишком большого количества топлива к двигателю. Среди других факторов время, которое фактически требуется для сгорания топлива, поданного к двигателю, определяется:

i) рабочей температурой двигателя,

ii) давлением в двигателе и

iii) рабочей скоростью двигателя (об/мин).

Если подается слишком много топлива к двигателю для заданного набора рабочих условий, некоторое количество топлива не будет сгорать. В результате это приводит к избыточному количеству дыма, образованного двигателем. Избыточный дым, в свою очередь, будет приводить к превышению допустимых стандартов выброса при работе локомотива.

Важным является то, что подача слишком большого количества топлива не увеличивает величину мощности (крутящего момента), вырабатываемой двигателем. Если количество подаваемого к двигателю топлива продолжает расти, температура в камерах сгорания двигателя (цилиндрах) будет падать. В результате это приводит к потере мощности и снижает КПД двигателя. Имеет место также существенный рост эксплуатационных расходов локомотива, поскольку будет бесполезно расходоваться топливо, так как именно в данном случае двигатель не получает преимуществ от избыточной подачи топлива.

Используемые в настоящее время системы управления являются по существу реактивными системами. То есть если имеет место изменение, приводящее к тому, что двигатель требует больше или меньше топлива для генерирования большей или меньшей мощности, системы используют статические справочные таблицы, которые создают заданный список наборов условий двигателя и соответствующую потребность двигателя в топливе, а также план подачи топлива в двигатель. Для перехода с одного набора рабочих условий на другой набор, когда происходит изменение, эти системы перемещаются ступенчатым образом, так что переход от старой рабочей точки на новую происходит с приращениями. Нельзя сказать, что используемые в настоящее время системы не реагируют соответствующим образом на считанные изменения, но следует отметить, что реакция могла бы иметь место гораздо быстрее, и тем самым мог быть улучшен общий КПД работы двигателя, в тоже самое время не превышая уровней выброса, то есть не оказывая вредного воздействия на работу двигателя.

Посредством реализации методологии общего управления, используя схему адаптивного управления для блока (БУД) управления двигателем, сейчас возможно обеспечить функциональные возможности динамических справочных таблиц, которые "изучаются" из конкретной прошлой рабочей характеристики так, чтобы приспособить реакцию системы для потребностей в топливе конкретного двигателя, основанную на конкретном диапазоне рабочих условий, в которых оказывается двигатель. В результате это приводит к эффективной, с более быстрой реакцией, методологии более мощного управления, чем это позволяют используемые в настоящее время системы.

В общем, настоящее изобретение относится к способу управления подачей топлива в дизельный двигатель локомотива так, чтобы оптимизировать подачу топлива и обеспечить эффективное сгорание топлива, максимизировать рабочую характеристику двигателя и снизить выбросы. Важно то, что способ обеспечивает как динамическую реакцию на изменения в работе, так и способность к обучению, в результате чего система управления двигателем становится со временем однозначно адаптируемой к конкретному двигателю.

Способ использует три взаимосвязанные контура управления, посредством которых определяют основанные на двигателе рабочие параметры. Первый контур использует факторы, относящиеся к скорости двигателя. Второй контур использует факторы, относящиеся к потребности в топливе, и использует функции ряда Тейлора. Отдельный ряд Тейлора используется для каждого параметра, использованного для определения рабочей характеристики двигателя для каждого набора рабочих условий двигателя, и эти коэффициенты модифицируются со временем для конкретного двигателя так, чтобы оставаться однозначными для такого двигателя. Третий контур принимает входы от других двух контуров и объединяет их с другой информацией для оптимизации рабочей характеристики двигателя и снижения выбросов.

Посредством управления подачей топлива в соответствии со способом управления согласно изобретению максимизируют выходную мощность двигателя для заданной рабочей скорости, достигают улучшенной подачи топлива, минимизируют количество дыма в выхлопе двигателя и снижают уровни других выбросов. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность работы двигателя под управлением для достижения пиковой рабочей характеристики для заданного набора рабочих условий, в то же время снижая эксплуатационные расходы на двигатель.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, при котором управляют подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя через первый контур управления с обратной связью и генерируют функцию коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя, для оптимизированной подачи топлива через второй, предсказательный контур управления.

Предпочтительно, дополнительно управляют подачей топлива к двигателю через третий контур управления, получающий входные сигналы от первого и второго контуров управления.

Предпочтительно, функцию коррекции потребности в топливе определяют с использованием вычислений ряда Тейлора на основании параметра рабочей характеристики двигателя.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит соотношение воздух-топливо для топлива, поданного к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит интенсивность горения топлива для топлива, поданного к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит давление воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит температуру воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит плотность воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит эффективность промежуточного охладителя для двигателя.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит скорость работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит эффективность работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю.

Предпочтительно, параметр рабочей характеристики двигателя содержит влияние охлаждения камеры сгорания на основании температуры камеры сгорания.

Предпочтительно, функцию коррекции потребности в топливе определяют с использованием вычислений ряда Тейлора на основании множества параметров рабочей характеристики двигателя.

Предпочтительно, используют отдельный ряд Тейлора для каждого параметра рабочей характеристики.

Предпочтительно, каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого фактора в ряду, и, согласно способу, дополнительно модифицируют каждый коэффициент ряда Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель.

Предпочтительно, дополнительно ограничивают количество топлива, подаваемого к двигателю, для предотвращения превышения скорости двигателя.

Предпочтительно, три контура управления работают вместе для генерирования сигнала потребности в топливе, чтобы подавать оптимальное количество топлива к двигателю для набора рабочих условий двигателя.

Предпочтительно, дополнительно управляют моментом времени и длительностью впрыска топлива к цилиндрам двигателя на основании сигнала оптимальной потребности в топливе.

Предпочтительно, дополнительно образуют обратную связь фактической скорости двигателя и сравнивают фактическую скорость двигателя с оптимизированной опорной скоростью двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки скорости для управления подачей топлива.

Предпочтительно, дополнительно образуют обратную связь фактической выходной мощности двигателя и сравнивают фактическую выходную мощность двигателя с запросом оптимизированной нагрузки двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки нагрузки для управления подачей топлива.

Предпочтительно, функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют в сочетании с каждой операцией впрыска топлива.

Предпочтительно, функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют периодически.

Предпочтительно, функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют после изменения в командах оператора для скорости и мощности двигателя.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана система управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, содержащая первый контур управления, управляющий подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя, причем первый контур управления является контуром управления с обратной связью, и второй контур управления, генерирующий сигнал коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя, для оптимизированной подачи топлива, причем второй контур управления является вторым предсказательным контуром управления.

Предпочтительно, система дополнительно содержит третий контур управления, управляющий подачей топлива к двигателю в ответ на входные сигналы, полученные от первого и второго контуров управления.

Предпочтительно, второй контур управления использует ряд Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе, причем вычисление ряда Тейлора основано на, по меньшей мере, одном параметре рабочей характеристики двигателя.

Предпочтительно, второй контур управления использует несколько рядов Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе двигателя, причем вычисление каждого ряда Тейлора основано на отдельном параметре рабочей характеристики двигателя.

Предпочтительно, параметры рабочей характеристики двигателя содержат один или более из следующих параметров: соотношение воздух-топливо для топлива, подаваемого к двигателю, интенсивность горения топлива для топлива, подаваемого к двигателю, давление воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, температура воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, плотность воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, КПД промежуточного охладителя для двигателя, скорость работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю, эффективность работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю, и влияние охлаждения камеры сгорания на основании температуры камеры сгорания.

Предпочтительно, каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого фактора в ряду, причем система дополнительно содержит средство для модификации каждого коэффициента ряда Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, в результате чего система адаптируется к двигателю, с которым она используется.

Предпочтительно, третий контур управления управляет моментом времени и длительностью впрыска топлива к цилиндрам двигателя на основании сигнала оптимальной потребности в топливе, генерируемого вторым контуром.

Предпочтительно, система дополнительно содержит подачу сигнала обратной связи фактической скорости двигателя к третьему контуру управления, причем третий контур управления сравнивает фактическую скорость двигателя с оптимизированной скоростью двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки скорости, используемый при управлении подачей топлива к двигателю.

Предпочтительно, система дополнительно содержит подачу сигнала обратной связи фактической выходной мощности двигателя к первому контуру управления, причем первый контур управления сравнивает фактическую выходную мощность двигателя с запросом оптимизированной нагрузки двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки нагрузки для управления подачей топлива к двигателю.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создан способ управления подачей топлива к дизельному двигателю, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, причем двигатель работает в диапазоне скорости, нагрузки и окружающих условий, при котором управляют подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя через первый контур управления, генерируют функцию коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя для оптимизированной подачи топлива через второй контур управления, причем второй контур управления использует ряд Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе с вычислением ряда Тейлора на основании параметра рабочей характеристики двигателя, и модифицируют ряд Тейлора в функции диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, в результате чего система динамично адаптируется к двигателю, с которым она используется.

Предпочтительно, ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого члена ряда и модификация ряда содержит модификацию каждого коэффициента на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель так, чтобы адаптировать ряд к двигателю.

Предпочтительно, второй контур управления использует несколько рядов Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе, причем вычисление каждого ряда Тейлора основано на отдельном параметре рабочей характеристики двигателя.

Предпочтительно, каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого члена в ряду, причем, согласно способу, дополнительно модифицируют каждый коэффициент в каждом ряду Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, чтобы адаптировать ряд Тейлора к двигателю.

Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидными после прочтения нижеприведенного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1-3 - упрощенные блок-схемы, в основном иллюстрирующие три контура управления для реализации изобретения, и

фиг.4 - упрощенная блок-схема, иллюстрирующая сопряжение между контурами управления для реализации изобретения.

Соответствующие ссылочные позиции указывают на соответствующие детали на нескольких чертежах.

Приведенное ниже подробное описание иллюстрирует изобретение посредством неограничивающего примера его воплощения. Описание дает четкую возможность специалисту в данной области техники воспроизвести и использовать изобретение, описывает несколько вариантов воплощения изобретения, видоизменений, вариантов, альтернатив и применений изобретения, включая наилучший в настоящее время способ реализации изобретения.

Как показано на чертежах, система и способ согласно настоящему изобретению используют архитектуру для динамического управления работой двигателя 10 локомотива. Архитектура состоит из двух внутренних контуров управления, целиком обозначенных ссылочными позициями 100 и 200 соответственно, и внешнего контура, целиком обозначенного ссылочной позицией 300. Контур 100, показанный на фиг.1, в основном содержит первичный орган управления с обратной связью, состоящий из пропорционального контроллера интегрального типа с планированием усиления. Этот контур выполнен с возможностью регулирования скорости двигателя до командной скорости разгона на основании команд от оператора двигателя 10. Второй контур 200, который показан на фиг.2, использует активную прямую связь или управление с предсказанием, которое генерирует ряд функций коррекции потребности в топливе. Соответствующие величины генерируют с использованием аппроксимаций ряда Тейлора. Третий контур 300, показанный на фиг.3, использует входы от других двух контуров для активного управления скоростями разгона опорной скорости и степенями нагрузки двигателя 10. Контур 300 передает назад информацию фактической скорости двигателя и потребности в топливе, так что в целях предсказания могут быть выполнены коррекции. На фиг.4 система, включая все эти контуры, целиком обозначена ссылочной позицией 400.

Как описано ниже, настоящее изобретение эффективно работает в качестве регулятора скорости двигателя 10. Оно также выполнено с возможностью подачи достаточного топлива к двигателю, так что двигатель генерирует постоянный крутящий момент даже в случае, когда нагрузка на двигатель может измениться. Таким образом, подают больше топлива в двигатель, когда возрастает потребность в мощности, и подают меньше топлива, когда снижается потребность в мощности. Система 400 и способ согласно изобретению также регулируют выходную мощность двигателя как функцию скорости двигателя. Регулирование выполняют в реальном времени посредством просмотра предыдущих требований мощности для различных наборов рабочих условий двигателя, предвидя будущие требования для двигателя и динамически управляя подачей топлива к двигателю, чтобы удовлетворить ожидаемую потребность. При выполнении этих функций используют фильтрующие средства для компенсации широких отклонений в потребностях топлива и обеспечения стабильной работы двигателя.

Как показано на чертежах, дизельный двигатель 10 локомотива получает топливо, поданное к нему на основании сигнала F подачи топлива, как показано ссылочной позицией 11. Двигатель 10 представляет собой, например, большой, средней скорости дизельный двигатель с турбокомпрессором и впрыском топлива, используемый на мощных железнодорожных локомотивах. При сжигании топлива двигатель получает возможность работать с конкретной скоростью S (об/мин) и генерировать определенное значение мощности Р для локомотива, чтобы приводить в движение нагрузку. Измеренные рабочие параметры двигателя включают величины, соответствующие как скорости S двигателя, так и мощности Р, генерированной двигателем. Эти величины являются, частично, функцией количества топлива, поданного к двигателю в ответ на вход потребности в топливе к системе подачи топлива (не показана) для двигателя.

Рабочие команды (ОР CMD.) к системе 400 подаются оператором двигателя, как показано ссылочной позицией 12, так, чтобы управлять рабочей характеристикой двигателя. Эти команды (например, ускорение, замедление и т.д.) зависят от конкретного набора обстоятельств при эксплуатации локомотива в любой момент времени. Способ согласно настоящему изобретению использует возможности каждого контура 100-300 системы 400, чтобы регулировать рабочую характеристику двигателя в ответ на эти команды оператора и на различные другие измеренные параметры, относящиеся к рабочей характеристике двигателя.

Специалистам в данной области техники будет понятно из нижеприведенного описания, что раскрытые различные модули используют алгоритмы для объединения различных входов к модулям и генерирования получаемой в результате выходной величины (величин). Полученная цифровая реализация внутри этих модулей достигается при использовании алгоритмов либо с фиксированной, либо с плавающей точкой. Фильтрацию применяют, если это уместно, к различным функциям для обеспечения стабильности системы.

Контур 100 решает три задачи. Они заключаются в: i) регулировании скорости, ii) оптимизировании реакции на переходные процессы скорости и iii) защите от превышения скорости. Для решения этих задач контур содержит модуль функции коррекции степени разгона опорной скорости и степени нагрузки, обозначенный ссылочной позицией 102 на фиг.1 и 4. При выполнении этой функции одним подаваемым входным сигналом является коррекция опорной скорости, обозначенная ссылочной позицией 104. Два выходных сигнала подаются модулем 102. Одним выходным сигналом является оптимизированный коэффициент коррекции степени нагрузки, как показано ссылочной позицией 106, являющийся входом к модулю 108 функции оптимизированной нагрузки. Другим выходным сигналом является оптимизированная коррекция опорной скорости, которая подается, как показано ссылочной позицией 110, к генератору 302 опорной скорости контура 300. Другими входными сигналами к генератору 302 опорной скорости являются командные входные сигналы от оператора 12 двигателя, как показано ссылочной позицией 304а. Команды оператора также подаются в качестве второго входного сигнала к модулю 108 функции оптимизированной нагрузки, как показано ссылочной позицией 304b. Выходным сигналом модуля функции оптимизированной нагрузки является сигнал запроса нагрузки, обозначенный ссылочной позицией 112, к суммирующей точке 114. Вторым входным сигналом к суммирующей точке 114 является сигнал, указывающий выходную мощность двигателя 10, обозначенную ссылочной позицией 116. Выходной сигнал, обозначенный ссылочной позицией 120 на фиг.1 и указывающий на ошибку нагрузки от суммирующей точки 114, подается к модулю 118 интегратора для использования при определении входа коррекции опорной скорости для модуля 102. Как описано более подробно ниже, интегратор 118 имеет ряд входов, которые объединяются вместе заданным образом, чтобы образовать модуль 102 генерации сигнала коррекции. Как показано ссылочной позицией 122, среди этих входов имеются величины, представляющие окружающие рабочие условия (АМВ COND), такие как давление воздуха и температура воздуха.

Основные задачи, решаемые контуром 200, заключаются в: i) коррекциях потребности в топливе, основанных на интенсивности горения поданного топлива, для минимизирования избыточной подачи топлива, ii) ограничении в потребности топлива на основании соотношения смеси воздух-топливо, сгораемой в двигателе, iii) коррекциях потребности в топливе для минимизирования влияний охлаждения в камерах сгорания двигателя 10 на основании температуры сгорания сгораемой смеси, iv) коррекции потребности в топливе, основанной на плотности воздуха во всасывающем трубопроводе двигателя и v) оптимизации удельного расхода горючего (УРГ) двигателя. Важным является то, что контур 200 управления обеспечивает возможность предсказания, предварительно отнесенного для будущих требований на потребность в топливе двигателя. При этом они основаны на вышеупомянутых и других факторах, относящихся к рабочей характеристике двигателя. Как показано на фиг.2, обрабатывают число факторов Z, относящихся к работе двигателя, и результаты суммируются вместе (или, иначе, объединяются соответствующим образом) для образования выхода, используемого для предсказания требований к топливу двигателя. Эта возможность предсказания обеспечивает системе 400 возможность динамичного и быстрого реагирования (и даже в определенном смысле ожидания) на изменения в рабочих условиях двигателя. Тем самым обеспечивается более быстрая реакция и более эффективная способность к управлению, чем это возможно при использовании схем управления двигателем, используемых в настоящее время.

Как показано на фиг.2, среди используемых факторов Z представлены соотношение воздух-топливо (СВТ), интенсивность горения (ИГ) топлива, давление воздуха в трубопроводе (ДВТ), температура воздуха в трубопроводе (ТВТ), эффективность промежуточного охладителя (ЭПО) и другие параметры, которые могут повлиять на рабочую характеристику двигателя, обозначенные как «ДРУГИЕ» на фиг.2. Факторы «ДРУГИЕ» включают, например, скорость работы турбокомпрессора двигателя для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю, эффективность работы турбокомпрессора, плотность воздуха во впускном трубопроводе двигателя и воздействие охлаждения на камеру сгорания, основанное на температуре камеры сгорания.

Датчики 202a-202n подают соответственно входные сигналы, каждый из которых представляет собой текущую величину параметра, к соответствующим модулям функции коррекции, обозначенным ссылочными позициями 204a-204n. Каждый из модулей 204a-204n функции коррекции использует ряд Тейлора. Ряд Тейлора представляет собой разложение функции вокруг заданной величины. Разложение каждого ряда Тейлора содержит постоянную величину (а), коэффициент (b) для линейного члена в выражении, коэффициент (с) для квадратичного члена в выражении и т.д. В системе управления согласно настоящему изобретению коэффициенты (a), (b), (c) и т.д. для каждого члена в соответствующем ряду Тейлора изменяются от первоначального набора значений коэффициента значений до новых значений на основании конкретного двигателя 10, с которым используется система, и на основании многообразия рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель. Как показано на фиг.2, используется один или более адаптивных алгоритмов в модуле 206 коэффициентов ряда Тейлора для модификации соответствующих коэффициентов для каждого фактора со временем на основании условий, с которыми сталкивается двигатель. Из-за полученной в результате возможности адаптивного управления системой каждая система 400 управления будет однозначной для двигателя 10, с которым она используется. Это дополнительно увеличивает время реакции, эффективность и способность системы к управлению, а также способа, по сравнению с возможностью используемых в настоящее время схем. Соответствующие ряды Тейлора образуют величины, относящиеся к каждому использованному параметру рабочей характеристики каждого двигателя, и включают как основанные на времени (временные), так и кросс-функциональные параметры для образования величин, которые могут быть использованы для оптимизации рабочей характеристики двигателя.

Выходные величины из модулей 204a-204n подаются к суммирующему модулю 208, где они объединяются для образования выходного сигнала коррекции потребности в топливе, как показано ссылочными позициями 210а и 210b. Выходной сигнал 210а подается, как другой входной сигнал к модулю 118 интегратора, который генерирует входной сигнал коррекции опорной скорости, подаваемый к модулю 102 коррекции степени разгона опорной скорости и степени нагрузки. Выход 210b коррекции потребности в топливе (КПТ) подается к суммирующей точке 306 контура 300, где он объединяется с выходом 308 потребности в топливе из модуля 310 регулятора скорости с планированием усиления. Результатом объединенной входной величины потребности в топливе и величин коррекции потребности в топливе является величина оптимизированной потребности в топливе (ВОПТ). Эта величина используется для предотвращения работы двигателя с превышением скорости. Она подается, как показано ссылочной позицией 212а, к модулю 214 функции ограничения топлива, и ссылочной позицией 212b - к интегратору 118 для использования при определении входного сигнала коррекции опорной скорости к модулю 102. В модуле 214 величина оптимизированной потребности в топливе (ВОПТ) объединяется с величиной окружающих рабочих условий (ВОРУ), как показано ссылочной позицией 311а, для образования подаваемой величины ограничения топлива, как показано ссылочной позицией 216а, другого входа к модулю 118 интегратора для определения входа коррекции опорной скорости и, как показано ссылочной позицией 216b, входа к модулю 218 функции временной карты и таблицы насоса.

Основные задачи, решаемые контуром 300, заключаются в: i) оптимизации степени разгона опорной скорости в ответ на изменения в нагрузке двигателя, ii) оптимизации степени нагрузки двигателя и iii) снижении выхлопных выбросов, чтобы удовлетворять требованиям АООС (Агентство охраны окружающей среды, США). Как было описано выше, контур 300 содержит модуль 302 опорной скорости двигателя, выходом которого является величина опорной скорости, поданная к суммирующей точке 312. Вторым входным сигналом к суммирующей точке 312 является сигнал S скорости от двигателя 10, как показано ссылочной позицией 314. Выходным сигналом от суммирующей точки 312 является входной сигнал ошибки скорости (разности между фактической скоростью двигателя и его ожидаемой скоростью). Этот сигнал подается, как показано ссылочной позицией 316а, к интегратору 118 для использования при определении входа коррекции опорной скорости к модулю 102 и, как показано ссылочной позицией 316b, к модулю 310 регулятора скорости и планирования усиления.

Контур 300 также содержит интегратор 318, к которому подаются соответствующие параметры двигателя, такие как величины скорости двигателя и плотности воздуха. Выходной сигнал величины окружающих рабочих условий (ВОРУ) от этого блока подается, как показано ссылочной позицией 311а, к модулю 214 функции ограничения топлива и, как показано ссылочной позицией 311b, к модулю 218 функции временной карты и таблицы насоса. Выходные сигналы момента Т времени и длительности D модуля 218 подаются к интегратору 318 контура 300, где они объединяются для образования сигнала F управления, управляющего подачей топлива к двигателю 10, как показано ссылочной позицией 11. Модуль 218 использует входы, подаваемые к нему, для определения как момента времени, когда должно быть впрыснуто топливо в камеру сгорания, как показано ссылочной позицией 320, так и длительности интервала впрыска топлива, как показано ссылочной позицией 322, так, чтобы образовать сигнал F управления топливом, подаваемый к двигателю посредством блока 318 интегратора. Посредством учета текущих рабочих условий двигателя и посредством предсказания того, что ожидает двигатель в ближайшем будущем, управляют подачей топлива, чтобы максимизировать рабочую характеристику двигателя (скорость и выходную мощность) для текущего набора обстоятельств, а также для ожидаемого набора обстоятельств.

В соответствии с изобретением каждый контур 100-300 системы 400 взаимодействует с каждым из других двух контуров, чтобы получить и обработать соответствующую информацию, посредством которой генерируют сигнал F управления топливом в интеграторе 318. Это в результате приводит к тому, что в двигатель 10 подают соответствующее количество топлива в соответствующее время, так что двигатель 10 работает с требуемой скоростью, генерирует необходимое количество энергии для текущих условий и быстро реагирует, чтобы перейти на новую рабочую точку для ожидаемых условий. Посредством учета не только таких факторов, как скорость двигателя и мощность, но и таких факторов, как давление воздуха, температура окружающего воздуха, температура двигателя и т.д., используют соответствующие факторы коррекции скорости и нагрузки для получения этих требуемых результатов. Более того, используют функцию выхода из диапазона номинальных значений параметров двигателя, факторы которой учитывают время сгорания топлива, поданного к двигателю (на основании текущей скорости двигателя), и плановое охлаждение. Такие меры предотвращают избыточную подачу топлива к двигателю, увеличивают его КПД и снижают выбросы.

При работе системы регулируют коррекцию потребности в топливе (КТП) для ряда факторов. Одним из факторов являются изменения в давлении воздуха из-за изменений, например, в высоте, на которой работает двигатель. Другим фактором является количество топлива, поданного к двигателю, согласующееся с требованиями ограничений загрязнения окружающей среды АООС на дым и другие выбросы, которые регулирует АООС. Другим фактором является непревышение рабочих пределов системы охлаждения двигателя. Еще одним фактором является случай, когда ожидаемая температура сгорания топлива оказывается ниже оптимальной температуры из-за того, что было подано слишком много топлива в двигатель. Более того, регулируют коррекцию потребности в топливе, если ожидают, что время сгорания топлива превысит период времени, необходимый для выполнения полезной работы двигателем. В каждом из этих случаев величина коррекции служит для модификации количества топлива, подаваемого к двигателю 10.

Настоящее изобретение может быть использовано для подачи топлива в один цилиндр двигателя 10, все цилиндры двигателя или в сочетание цилиндров. Система 400 и способ согласно изобретению выполняют оценку потребности в топливе, затем повторно вычисляют оценку каждый раз, когда требуется топливо, так что оценки потребности в топливе непрерывно обновляются. Кроме того, оценки потребности в топливе могут быть вычислены на периодической или разовой основе, когда это потребуется, в соответствии с командами от оператора.

В основном архитектура управления двигателем системы 400 воплощена в трех взаимосвязанных контурах 100-300 управления. Контур 100 является первым контуром управления с обратной связью. Этот контур использует орган управления интегрального типа с планированием усиления и регулирует скорость двигателя до командных скоростей разгона на основании команд от оператора локомотива. Контур 200 обеспечивает активную прямую связь или управление с предсказанием, состоящее из ряда функций коррекции. Как описано выше, эти функции содержат соответствующие ряды Тейлора, каждый из которых имеет коэффициенты, которые могут быть модифицированы для адаптирования системы управления к отдельному локомотиву, с которым используется система. Результаты из соответствующего ряда Тейлора затем объединяют для образования величины коррекции потребности в топливе (КПТ). Так как датчики 202а-202n постоянно контролируют различные параметры, влияющие на рабочую характеристику двигателя, контур 200 обеспечивает возможность динамической реакции на изменения в характеристике двигателя. Контур 300 оптимизирует скорости разгона опорной скорости степени нагрузки двигателя 10 обеспечением обратной связи номинальных требований к топливу двигателя или потребности в топливе, коррекций к потребности в топливе на основании выходов из контура 200, сигналов ошибки скорости двигателя и окружающих условий.

С учетом вышесказанного можно видеть, что достигнуто несколько целей изобретения и получены полезные результаты. Так как могут быть сделаны различные изменения в вышеупомянутых конструкциях без отхода от объема защиты изобретения, следует понимать, что все раскрытие, содержащееся в вышеупомянутом описании или показанное на сопроводительных чертежах, следует интерпретировать как иллюстративное, а не ограничивающее объем патентных притязаний.

Claims

1. Способ управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, при котором
управляют подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя через первый контур управления с обратной связью и
генерируют функцию коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя, для оптимизированной подачи топлива через второй, предсказательный контур управления.

2. Способ по п.1, при котором дополнительно управляют подачей топлива к двигателю через третий контур управления, получающий входные сигналы от первого и второго контуров управления.

3. Способ по п.1, при котором функцию коррекции потребности в топливе определяют с использованием вычислений ряда Тейлора на основании параметра рабочей характеристики двигателя.

4. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит соотношение воздух-топливо для топлива, поданного к двигателю.

5. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит интенсивность горения топлива для топлива, поданного к двигателю.

6. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит давление воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

7. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит температуру воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

8. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит плотность воздуха во впускном трубопроводе к двигателю.

9. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит эффективность промежуточного охладителя для двигателя.

10. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит скорость работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю.

11. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит эффективность работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю.

12. Способ по п.3, при котором параметр рабочей характеристики двигателя содержит влияние охлаждения камеры сгорания на основании температуры камеры сгорания.

13. Способ по п.1, при котором функцию коррекции потребности в топливе определяют с использованием вычислений ряда Тейлора на основании множества параметров рабочей характеристики двигателя.

14. Способ по п.1, при котором используют отдельный ряд Тейлора для каждого параметра рабочей характеристики.

15. Способ по п.14, при котором каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого фактора в ряду, и, согласно способу, дополнительно модифицируют каждый коэффициент ряда Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель.

16. Способ по п.1, при котором дополнительно ограничивают количество топлива, подаваемого к двигателю, для предотвращения превышения скорости двигателя.

17. Способ по п.2, при котором три контура управления работают вместе для генерирования сигнала потребности в топливе, чтобы подавать оптимальное количество топлива к двигателю для набора рабочих условий двигателя.

18. Способ по п.17, при котором дополнительно управляют моментом времени и длительностью впрыска топлива к цилиндрам двигателя на основании сигнала оптимальной потребности в топливе.

19. Способ по п.1, при котором дополнительно образуют обратную связь фактической скорости двигателя и сравнивают фактическую скорость двигателя с оптимизированной опорной скоростью двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки скорости для управления подачей топлива.

20. Способ по п.1, при котором дополнительно образуют обратную связь фактической выходной мощности двигателя и сравнивают фактическую выходную мощность двигателя с запросом оптимизированной нагрузки двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки нагрузки для управления подачей топлива.

21. Способ по п.1, при котором функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют в сочетании с каждой операцией впрыска топлива.

22. Способ по п.1, при котором функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют периодически.

23. Способ по п.1, при котором функцию коррекции потребности в топливе двигателя определяют после изменения в командах оператора для скорости и мощности двигателя.

24. Система управления подачей топлива к большому, средней скорости многоцилиндровому дизельному двигателю с впрыском топлива и с турбокомпрессором, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, содержащая
первый контур управления, управляющий подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя, причем первый контур управления является контуром управления с обратной связью, и
второй контур управления, генерирующий сигнал коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя, для оптимизированной подачи топлива, причем второй контур управления является вторым предсказательным контуром управления.

25. Система по п.24, дополнительно содержащая третий контур управления, управляющий подачей топлива к двигателю в ответ на входные сигналы, полученные от первого и второго контуров управления.

26. Система по п.25, в которой второй контур управления использует ряд Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе, причем вычисление ряда Тейлора основано на, по меньшей мере, одном параметре рабочей характеристики двигателя.

27. Система по п.26, в которой второй контур управления использует несколько рядов Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе двигателя, причем вычисление каждого ряда Тейлора основано на отдельном параметре рабочей характеристики двигателя.

28. Система по п.27, в которой параметры рабочей характеристики двигателя содержат один или более из следующих параметров: соотношение воздух-топливо для топлива, подаваемого к двигателю, интенсивность горения топлива для топлива, подаваемого к двигателю, давление воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, температура воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, плотность воздуха во впускном трубопроводе к двигателю, КПД промежуточного охладителя для двигателя, скорость работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю, эффективность работы турбокомпрессора для сжатия воздуха, подаваемого к двигателю, и влияние охлаждения камеры сгорания на основании температуры камеры сгорания.

29. Система по п.27, в которой каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого фактора в ряду, причем система дополнительно содержит средство для модификации каждого коэффициента ряда Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, в результате чего система адаптируется к двигателю, с которым она используется.

30. Система по п.25, в которой третий контур управления управляет моментом времени и длительностью впрыска топлива к цилиндрам двигателя на основании сигнала оптимальной потребности в топливе, генерируемого вторым контуром.

31. Система по п.25, дополнительно содержащая подачу сигнала обратной связи фактической скорости двигателя к третьему контуру управления, причем третий контур управления сравнивает фактическую скорость двигателя с оптимизированной скоростью двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки скорости, используемый при управлении подачей топлива к двигателю.

32. Система по п.31, дополнительно содержащая подачу сигнала обратной связи фактической выходной мощности двигателя к первому контуру управления, причем первый контур управления сравнивает фактическую выходную мощность двигателя с запросом оптимизированной нагрузки двигателя, чтобы генерировать сигнал ошибки нагрузки для управления подачей топлива к двигателю.

33. Способ управления подачей топлива к дизельному двигателю, используемому для привода на железнодорожных локомотивах, чтобы обеспечить командные уровни скорости двигателя и мощности с эффективным сгоранием топлива, улучшенной рабочей характеристикой двигателя и сниженными выбросами двигателя, причем двигатель работает в диапазоне скорости, нагрузки и окружающих условий, при котором
управляют подачей топлива к двигателю для регулирования скорости двигателя на основании командной скорости двигателя через первый контур управления,
генерируют функцию коррекции потребности в топливе двигателя на основании параметра рабочей характеристики двигателя, предвидя ожидаемые операции двигателя для оптимизированной подачи топлива через второй контур управления, причем второй контур управления использует ряд Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе с вычислением ряда Тейлора на основании параметра рабочей характеристики двигателя, и модифицируют ряд Тейлора в функции диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, в результате чего система динамично адаптируется к двигателю, с которым она используется.

34. Способ по п.33, при котором ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого члена ряда, и модификация ряда содержит модификацию каждого коэффициента на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, так, чтобы адаптировать ряд к двигателю.

35. Способ по п.34, при котором второй контур управления использует несколько рядов Тейлора для генерирования сигнала коррекции потребности в топливе, причем вычисление каждого ряда Тейлора основано на отдельном параметре рабочей характеристики двигателя.

36. Способ по п.35, при котором каждый ряд Тейлора использует коэффициенты для каждого члена в ряду, причем, согласно способу, дополнительно модифицируют каждый коэффициент в каждом ряду Тейлора на основании диапазона рабочих условий, с которыми сталкивается двигатель, чтобы адаптировать ряд Тейлора к двигателю.