2016 | 040

气体机和双燃料机的单缸燃烧控制

控制和自动化

Klaus Schmid, AVAT Automation GmbH（克劳斯先生，avat自动化有限公司）

本文已经在2016年赫尔辛基举办的第二十八届CIMAC大会上提出和发表。

CIMAC大会每三年举行一次，每次在不同的成员国举行。

国会方案中心是围绕发动机研究和开发的技术文件，在原设备方面的应用工程和最终用户端的发动机操作和维护方面的介绍。

2016年的主题涉及到气体机和柴油机的产品开发、燃油喷射、涡轮增压器、组件和摩擦学、控制及自动化、尾气后处理、基础研究与先进的工程、系统集成与优化、燃料和润滑油，以及用户对海洋与陆地的应用方面。

本文版权属于CIMAC。

摘要

在多缸内燃机中平衡各缸燃烧是一个处理了100年多了的任务。所有气缸对曲轴提供相同扭矩的假设一直是发动机机械设计的基本前提。然而，在实践中，不同的因素干扰了这个假设，导致各缸燃烧的变化。

在多缸发动机开发的初期，操作者可以单独调整每个气缸的供油量，例如每个气缸上游的燃油管路中的节流装置。这样的设备进行了调整发动机的字面意思为“手动”。运营商不得不用他们的人类感官来评估引擎的运作。没有任何传感器或测量技术提供不同气缸燃烧的精确信息。

多年来，技术进步产生了许多促进平衡任务的新方法：制造公差显著降低。强大的传感器为电子控制系统提供了详细的信息，液体和气体燃料的执行器为电子控制器提供接口，允许快速精确地控制气缸的单个燃料供给。其结果是，平衡燃烧现在可以“简单地”做到通过添加一些软件功能到电子发动机控制系统。

然而，平衡燃烧仍然是一个越来越具有挑战性的任务。主要的原因是，现代发动机是非常敏感上述的气缸之间的差异。即使两个气缸之间的非常小的变化可能会对燃烧反应导致强烈的偏差。

本文介绍了解决方案的一些主要任务，在平衡功能集成到控制器软件方面。这些平衡功能的最大挑战是处理它们的复杂性。复杂性出现的几个问题：单从执行器和传感器的数量上为一个特定的发动机找到“正确”平衡的困难，一个以上的平衡功能之间的依赖关系，平衡和进一步规范控制功能的相互依赖关系，最后但并非最不重要的问题，一个平衡好的发动机应该运行良好，即使发动机严重的问题可能会导致其不平衡，但应尽快修复。

第一点仅仅在执行器和传感器数量上就有大量可能的平衡方案。在典型的气体和双燃料发动机的情况下，在执行器侧，我们可以选择火花塞定时，端口喷射气体阀，主柴油喷油器和试点柴油喷油器。这些执行器对结构声、排气温度、缸内燃烧温度和缸内燃烧压力的传感器信息有影响。 对于选择哪一个执行器或者哪一个传感器来平衡没有一个统一的回答。通常，平衡直接的传感器信息只是提高发动机性能的第一步。例如，关于单纯的排气温度，平衡非常简单。然而，这不是平衡排气温度不是真正的任务。更重要的是平衡“燃烧”。因此，设计一个燃烧平衡器最重要的一步是找出正确的控制变量，这可能是一个来自不同传感器的传感器信息的组合。本文着重介绍了该气缸的独立燃烧控制。将燃烧平衡与常用的控制功能相结合。特别提出了一种新的抗爆震治理方法。它被集成到燃烧平衡，使发动机控制系统避免爆震燃烧，而不是只针对爆震燃烧反应。

简介

在多缸发动机中，很难在所有气缸内实现相同的燃烧。燃料供给，进气量和进气温度，混合质量，气体交换，气缸冷却和许多因素可以导致气缸与气缸之间的不同。这些缸与缸之间的燃烧变化使一些气缸比另一些燃烧更好。最坏的气缸限制了整个发动机的性能，并且在发动机操作和发动机开发过程中制定了限制。

在发动机发展平衡的开始是进行手动平衡；如今，它是一个软件功能的电子发动机控制系统。这些软件平衡功能的最大挑战是处理它们的复杂性。复杂性出现的几个问题：单从执行器和传感器的数量上为一个特定的发动机找到“正确”平衡的困难，一个以上的平衡功能之间的依赖关系，平衡和进一步规范控制功能的相互依赖关系，最后但并非最不重要的问题，一个平衡好的发动机应该运行良好，即使发动机严重的问题可能会导致其不平衡，但应尽快修复。

本文介绍了一个项目的结果，我们主要处理一个特定的平衡任务：控制爆震事件的平均数量这样发动机的运转不受一些最坏的气缸限制。我们优化了双燃料发动机的防爆震控制并且们将这种控制整合到一般气缸平衡控制功能中，允许同步调整另外一些燃烧特性。该项目的主要成果，深入了解发动机爆震控制对运行参数的影响。该项目的主要成果是，深入了解发动机爆震控制对运行参数的影响，明确如何调整这些参数的操作，在操作过程中减少爆震控制爆震事件数量显著提高，一套平衡燃烧标准的控制结构和发动机动态模型会允许我们做大部分工作而不消耗宝贵试验时间。

为了提出这些成果，本文分为两个主要部分：首先，我们讨论了抗爆控制，控制任务是标准的大多数现代发动机控制系统的大型发动机。本文阐述典型抗爆控制的基本特性、优点及缺点。并提出了防爆震控制中一个主要缺点的一种解决方案。在第二部分中，我们概括了平衡结构。我们提出了如何规范不同的平衡任务，特别是，我们提出了一个解决方案对于多元平衡，我们使用不同的驱动变量去同时解决不同的平衡任务。

在我们开始分析抗爆震控制之前，我们先介绍发动机的基本设置和燃烧室周围的执行器。

双燃料发动机

发动机-该项目研究的是缸径300毫米级和额定转速为750转双燃料发动机。发动机配置为L6-V20。其主要目的是在海洋应用中提供辅助能量，通常有一台以上的发动机。在这些应用中，发动机除了在启动、停止、紧急情况和燃料转换期间，始终采用纯气体模式操作。

图1提供了关于燃烧室控制相互作用的示意图。不同的燃料通过独立的压力调节器引导到发动机，见图1中A。一个液压柴油机总发动机B提供柴油或双燃料模式的主要燃料。气缸的主要喷油器是机械操作的，发动机每缸装有一个涡轮增压器，排气流量在涡轮前合并。排气旁通阀C调节废气送往汽轮机的比例。主燃烧室的进气由气缸单个阀D在入口端口控制。这些电磁阀都是电驱动，这样可以电子控制每个阀门的个别时间和开启时间。点火是由引燃燃油喷射E进入燃烧室。与进气阀相似，电动喷油器是电动驱动的，电子控制喷射的时间和持续时间。

在本文中，重要的是要清楚区分术语“执行变量”和“控制变量”。不幸的是，在控制文献中使用这些术语是不一致的。或 为了避免误解，图2定义了这些术语，因为它们将被用在这里。控制变量是我们希望控制的值到期望值，执行变量是控制器的输出 。

由于本文涉及的“单个气缸燃烧控制”，我们必须进一步在这里定义名称以便清楚地表达我们的意思。对于执行器，执行变量，控制变量，传感器和传感器的信息，我们将使用“全球”和“个人”来区分每一个发动机的设备和每个缸的设备。因此，对于这种双燃料发动机的全局控制，直接影响燃烧的执行变量是：

• 1times;主柴油供油压力
• 1times;主柴油量
• 1times;排气旁通阀状态
• 1times;引燃燃料供油压力
• 1times;供气压力

空燃比控制（AFR）调整排气旁通阀提供的进气压力依赖于基于静态和动态运行工况点。柴油机的主要液压执行机构只有在柴油机操作和燃料转换时才是必要的。燃料供给压力的控制依赖于操作点；查找表定义的设定点。讨论更多的细节 关于相应的全局控制回路将远远超出了本文的范围。因此，我们将把它留在列表中并将假定发动机控制非常关心这些发动机全局执行器。在本文剩下的部分中，关于全局控制的重要问题是：每当我们命名“全局”时，所有的气缸都是通用的。

在本文的背景下，我们更关心“个人”执行器。我们必须处理上至n=20缸需要的气缸个别燃烧控制。如图1所示， 每个气缸上有两个执行机构：进气阀和引燃燃料喷射器。对于两个执行器，电子控制可以控制两个参数：执行器开始喷入燃料的时刻和停止喷射的时刻。因此，从控制的角度来看，我们有以下个体的执行变量：

• ntimes;引燃燃料喷射器定时ITi
• ntimes;引燃燃料喷油器持续时间Mi
• ntimes;进气定时SOIi
• ntimes;进气持续时间DOIi

注意指数i表示的是单个气缸数量的变化。例如，对于一个8缸机，我们将会有i=8.

气缸单独的执行变量不是如上所述的双燃料发动机那样唯一的，它们在双燃料发动机和喷射式气体发动机是典型的。在纯气体发动机中， 点火可以通过引燃燃料喷射预燃室火花塞点火引代替引燃燃料点燃；然而，在火花塞的情况下也有一个类似的定时和持续时间（火花塞的能量），并且每个气缸的两个变量可以单独的调节。因此，大部分的研究对于点燃式气体发动机也是有效的。

发动机动态模型

本文提出的结果首先在一个动态的发动机模型的模拟。有两个原因：第一，大型发动机的在试验台架时间是很少的。特别是在稳态工作时，检查发动机在多个工作点的运行尤为重要。“稳态”操作意味着所有瞬态效应必须在测量开始前完成。例如，在分析爆震控制参数变化对爆震控制事件数量的影响之前，我们必须确保没有其他因素在后台运行影响的爆震的次数。通常情况下，缓慢运行的过程，如发动机冷却，增压空气冷却，甚至空气燃料比控制可能有几分钟的时间内的解决时间。因此，只在试验台架上优化控制实际基本是不可能的。高效的开发工作的关键之一是试验台进行细致的准备和一个好的方法就是在一个数学引擎模型上进行模拟。

建立数学模型的第二个原因，至少是和第一个一样重要：我们将研究抗爆控制及其参数。正如我们稍后将看到的，在这些实验过程中我们将关闭爆震控制。这是本质上需要良好的准备在真正的引擎上试验之前。

建模工作本身不在本文的范围内。简要来讲，动态模型涵盖了全球和个别执行器的影响。模型结构来自对燃烧过程和发动机力学的基本理解。测试台测量被用来量化该模型结构中的参数。我们没有试图从理论推导出所有模型方程。对于一些模型部分，我们会在测试台上通过具体的操作条件来检查发动机的运转，然后我们把试验观察用到动态模型中。当然，我们也需要得到许多子过程中更详细的理论模型。例如爆震燃烧从理论上进行多次模拟（如[2]、[3]、[4]提供文献的好途径）。然而，为了我们的目的，经验的获取更直接。

对于提到的模型有一个重要的细节。往复奥托循环发动机不仅缸与缸之间有差异，每一个循环之间也存在着强烈的差异即使是在恒定的操作条件下。发动机发展的一个基本任务是通过稳定燃烧来减少这种变化。在分析不同控制结构对 一个动态模型的影响的时候，此模型涵盖了这种循环变化是非常重要的。同样，对于这个项目，该模型不需要解释波动的理论。在过去， 不同的研究已经指出，一些燃烧特性可以用正态分布模拟（例如，[5]、[6]、[7]）。理论考虑以及实验研究导致这一概率分布。正态分布的好处在于它完全由两个参数影响，即均值和方差。这些参数可以很容易地从实测数据中得到，并且随机的一些重要计算规则让这些参数的计算变得非常简单。

作为一个例子，图3显示了在一个最高燃烧压力测量的周期变化；测量了超过25分钟的数据，测量时运行条件保持不变。如果我们不按时间序列格式说明数据，而是按直方图格式，我们得到图4。一方面，图3中的数据似乎包含了大量的不规则和扰动；另一方面，随机方法图4显示这些不规则可以通过平均值和标准偏差很好的模拟。

图4：图3中的数据以直方图形式表示。

例如：图3的时间序列包含了200个样品的燃烧最高压力为150bar。

在不同的稳态工作点的试验台测量中，我们已经看到，尤其是正态分布拟合数据最好，无论是气缸的峰值燃烧压力，IMEP，开始点火时刻，排气温度和爆震强度。因此，建模工作的第一部分是测试台架的实验设计，得到巨大的测量数据。然后，我们在不同的运行条件下和以上列出的燃烧特征下决定正态分布的平均值和方差。只有这样，动态模型才能尽可能的和发动机的动态运行匹配良好，尤其是稳态行为包括循环变化的随机性。

抗爆控制

爆震燃烧在奥托循环发动机（预喷油点火或通过火花塞点火引燃）导致局部温度高并且导致燃烧室压力高。如果这些极端条件在发动机循环中出现太多次，气缸部件可能会损坏或毁掉。

这就是为什么大多数发动机控制系统-至少在大型发动机的情况下-提供某种类型的防爆震控制。防爆震控制（或简称爆震控制）包括爆震燃烧循环检测和闭环控制。在本文中，我们将不处理的第一部分，爆震检测。概括起来，图5说明了爆震检测的基本思路。

爆震检测---如果太强它会损坏发动机，我们称之为“真正的爆震强度”。如果它是低于一个值（图5中垂直蓝线的左边）那么燃烧就不敲缸对发动机也没有伤害。如果真正的爆震强度高于规定值（蓝色线的右边），那么它可能会损坏发动机零部件。不幸的是，我们既不知道真正的敲缸强度也不知道造成危害和不造成危害的中间值。因此，发动机制造商通过他们的经验间接的措施来决定是否敲缸。例如，这样间接措施可能是从燃烧压力、结构声、或离子电流传感器提取的信号。让我们称这个结果为“估计爆震强度”（见图5）。如果非要区别 在“爆震”和“不爆震”，这个估计爆震强度的阈值由每一个燃烧周期决定，不管它是爆震还是不爆震。

这种检测的质量取决于真正的爆震强度和估计爆震强度之间的关系（未知）。图5中的四个象限将检测结果分为四组：

• A = 正确的否定；检测判断一个周期“不爆震”，它真的没有爆震。
• B = 正确的肯定; 正确的估计判断一个燃烧循环发生过爆震。
• C = 错误的肯定; 估计检测爆震，但工作循环没有爆震。
• D = 错误的否定；估计不检测爆震，但燃烧周期确实是爆震。

好的爆震检测算法的基本设计目标是确保大多数事件都是在象限A或者B。在一个过度敲控制器中如果落在C象限，将会失去发动机的效率。象限D中的事件是危险的，因为它们可能会损坏发动机部件而没有爆震控制。

关于爆震检测，本文理解的重要内容是：<!--

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