CN1274408A - 多汽缸内燃机转速调节的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对多汽缸内燃机进行转速调节的方法,为进一步改进该方法,使得能以简单和便宜的方式来精确、快速地获取转速,该方法能在周期性和瞬态的转速波动情况下将其稳定调节至恒定转速,为此建议:连续测量一被确定的由相继被采样脉冲组成的脉冲序列所需的时间并将其用于形成等间距的、未经校正的转速实际值(n),其中相继被采样脉冲数根据发动机汽缸数以及感应器每转所产生的脉冲数来确定;测量对应于感应器一整转所产生的被采样脉冲数的时间需要量并将其用于形成一平均转速(N);平滑处理由平均转速(N)以及每一未经校正的转速实际值(n)之间的差值以形成校正的转速实际值(x),限制该差值的数值并将其加至未经校正的转速实际值(n)上;将该校正了的转速实际值(x)与预定转速额定值(w)相比较并将其输入一调节器(3),用其输出量(y)来控制调节元件。

Description

多汽缸内燃机转速 调节的方法
本发明涉及一种用于对具有曲轴和喷油***的多汽缸内燃机、尤其是慢速船用柴油机进行转速调节的方法，用该方法通过至少一个传感器来获取由曲轴所驱动的感应器的转速和转动方向，该感应器每一转都为传感器生成一个可采样的脉冲，并采用一影响发动机喷油的调节元件来补偿该转速与一预定额定转速的偏差。
这种方法主要用在柴油发动机中，这种柴油发动机与比如强制点火式发动机相比必然要求对空转转速的调节以及对最高转速的限制。为此所采用的喷油泵各根据已有的转速或多或少地将燃油喷入汽缸中，为此喷油泵经相应的调节装置来加以调节。在大型柴油发动机中，比如二冲程大型发动机中，它们经常被安装在船甲板上，每个汽缸各自配备有一单独的喷油泵，该喷油泵由于所要求的高调节力受到一种液压功率放大。基于其所具有的可靠性而被装在船甲板上的二冲程大型发动机一般被做成为带有4～12个汽缸的直列式发动机，其额定转速范围为50～120转/分。由于船用柴油发动机是可逆转的，亦即可运行在两个旋转方向上，因此控制轴具有正转和反转用凸轮，它们控制单个喷油泵。
由于额定转速较低，因此具有12～25转/分的最小转速，该最小转速的特征表现为一种不平稳运转。其中的原因在于转速波动，这样的转速波动源自于比如各次点火过程这样的周期干扰影响，以及源自于暂时的不均匀性，比如负载冲击、驱动力矩变化、点火停机或其它喷油泵的误操作。为避免产生停机或发动机的飞车，则通过调节到一恒定转速来补偿这种转速波动。
在已有的技术中，为保持预定的转速额定值已知有这样的方法，即不仅对静态偏差、亦即恒定载荷下的周期性转速波动，而且也对动态偏差，亦即瞬态的额定值偏差、比如在起动时空转和满载运转之间的偏差进行调整，因此在EP 0 481 983B1中描述了一种用于对慢速多汽缸柴油发动机作转速调节的方法，用该方法对每个汽缸均规定曲轴的角位置，该角位置代表了一位于汽缸上止点之前的角度范围的起始角度和终止角度。借助一传感器来探测相应地随曲轴旋转的、产生脉冲的标记来获得这样的角度范围，对于该角度范围，连续地测量一给出曲轴转过该角度范围的平均转速的实际值。该实际值被输入到一个“快速的”据说是比例作用的调节器，该调节器作用于与相应角度范围相对应的汽缸的充气系数。此外，还测量曲轴在多个这样的角度范围内的平均转速，并将其输入一“缓慢的”、亦即积分式或比例-积分式调节器，该调节器被用来对所有汽缸的充气系数进行预调节。为尽可能早期地对充气系数进行校正来补偿所出现的干扰，为此则要根据曲轴的转速来调整由起始角和终止角所确定的角度范围位置。
该方法的缺点在于：不能令人满意地对低于约25转/分的小转速进行调节。由此使得不能比用常规的转速调节器更好地来补偿因负载冲击而产生的动态转速误差。此外，当喷油泵未被精确调整时，则在恒定负载情况下会出现供油拉杆的不平稳运动。在单个喷油泵的误操作情况下则可观察到供油拉杆的剧烈的周期运动，这种运动是由下述原因产生的：“快速”调节器试图不断地来调节由此所引起的各汽缸的转速扰动。
本发明的目的在于进一步发展一种用于对多汽缸内燃机作转速调节的方法，使得在避免前述缺点的条件下能简单且便宜地来达到对转速精确、快速的获取，从而在周期性和瞬态转速波动情况下能稳定调节到一恒定的转速。
本发明的目的是利用本文前言所述类型的方法按照本发明这样来实现的：连续地测量一所确定的、相继被采样的脉冲序列所需的时间并用于形成等距的、未经校正的转速实际值，其中相继被采样的脉冲数根据发动机汽缸数以及由感应器每转所产生的脉冲数来确定，测量对应于感应器一整转所产生的被采样脉冲数所需的时间并将其用于形成一平均转速，将平均转速和每一个未经校正的转速实际值之间的差值作平滑处理，以形成校正的转速实际值，该差值的数值被限制并与未经校正的转速实际值相加，再将校正了的转速实际值与一预定的转速额定值作比较并输入一调节器，用调节器的输出参数来控制调节元件。
用这样一种方法可快速、精确地不仅识别瞬态的、也识别周期性的转速波动，并通过调节器来对影响喷油的调节元件进行相应的控制，以补偿转速波动。
当把相继被采样的脉冲数确定为由感应器每转产生的脉冲数与发动机汽缸数的归整数后的商数时特别有利。这样所提供的优点是：可把一系列被采样脉冲分配给一汽缸，使得所形成的转速实际值对应于曲轴在一转角范围之内的平均转速，而根据该平均转速，两个相继点火的汽缸处于相同的位置，比如上止点。以这种方式可使所测得的转速实际值不包含任何在一个工作循环过程中所周期出现的影响因素，比如象点火过程这样的影响因素。
根据本发明一个有利的改进设计，未经校正的转速实际值以两个相继脉冲的间隔而形成。这意味着：在所确定的一个脉冲系列所含脉冲数多于两个时，所形成的未经校正的转速实际值对应于曲轴相互交叠的角度范围，这样通过由此所产生的大量转速实际值可以精确和快速地测得转速。
根据本发明的另一特征，每一系列采样脉冲被分配给一测量值存贮器，在该存贮器中将相继被采样的脉冲的时间间隔相加以形成一未经校正的转速实际值。这样可以简单的方式方法将每一被采样脉冲同时分配给多个脉冲系列，这些脉冲系列基于与曲轴相交叠的角度范围相对应的转速实际值而得出。采用一具有不挥发性存储器(nichtfluechtigem Speicher)的过程控制器可以已知和简单的方式来实现上述这一点。在形成一未经校正的转速实际值之后有目的地将测量值存储器的内容在其消去之前和分配一新的被采样脉冲系列之前至少在一转时间内加以保持。由此可把测量值用于计算平均转速值。此外，也可以简单的方式对诸如有关故障点火采集或加速过程之类的转速过程进行分析。
比较有利地是采用两个成90°错置的传感器来采样脉冲，以确定曲轴的、尤其是在船用柴油发动机中可逆转的曲轴的转动方向，且由此来确定在脉冲计数时的符号。此外将一具有在圆周上均匀分布的齿的齿轮作为感应器也比较有利，这样可以简单的方式方法来确保对脉冲的采样。为得到大量的可被采样脉冲，则根据本发明的另一具有优点的特征既可通过转动齿轮的齿在转动方向上的前侧面、也可通过它的后侧面来产生一个脉冲。对此的一特别优越的做法则是采用近似对称的齿侧面，这样可实现各次测量有相等的时间间隔。测量精度不会受到齿或齿槽的布置影响。
相宜地对脉冲作等间隔采样，这样可应用一种数字采样调节，且可得到约为1的一种脉冲-间歇比。为此有利地进一步建议：采用一种齿轮，在其节圆上齿厚与齿隙宽之比近似为1。
为实现简单和便宜的测量，根据本发明的一特征采用电感的、电容的或光学的位置传感器来采集脉冲。也可以应用无滑差驱动的增量式角度传感器或其它连接到曲轴上的数字式或模拟式的检测器电路。
为了实现稳定调节到恒定的转速，根据本发明的一改进设计采用了一个以一定提前时间工作的比例-积分调节器，该调节器调节所产生的转速偏差。最后还要建议采用一种自适应控制，以考虑到比如环境带来的影响。
下面借助附图所示实施例对本发明的其它细节、特征及优点进一步说明，附图中：
图1示出用两传感器所接收到的脉冲以及一所确定的脉冲序列所需的时间；
图2为用于转速调节的信号流程图。
图1的上部示出两传感器A和B的采样信号。传感器A和B成90°错置，这样传感器B的矩形方波信号序列相对于传感器A有一位移。为计算矩形信号则不仅要考虑上升沿L还要考虑下降沿R。
图1的下部分示出一被确定的相继被采样的脉冲序列所需时间。相继被采样的脉冲数对应于m且作为一感应器每转所产生的脉冲数和一发动机汽缸数的商数得出。若齿数不能为汽缸数所整除，则采用圆整商数，由此所引起的剩余波纹度则由图2所示的一校正调节来加以补偿。当采用一具有60个齿的齿轮作为产生脉冲的感应器时，则相应地在一6缸二冲程发动机中n的值为10。这意味着，10个相继脉冲组成一脉冲序列，其所需时间被用来计算一未经校正的转速实际值，这种情况如图1的下部分所示的区段所表示的那样。
图2所示的信号流程图包含一元件1，它将曲轴完整一转的平均转速N和该曲轴在一经脉冲序列所确定的角度范围之内未经校正的平均转速实际值n之间的差作恒时的平滑。作为平滑函数则可采用曲轴完整一转的平均转速N的倒数值。以这种方式得到的结果则由一元件2限制其值并加到未经校正的转速实际值n上，以形成一校正了的转速实际值x。该校正了的转速实际值x然后与一预定转速额定值w相比较并被输入一元件3，该元件3被设计成PID调节器。PID调节器3的输出量y用于控制一调节元件，该调节元件在本实施例中是一个影响发动机汽缸的充气系数的喷油泵的供油拉杆。
图1所示的转速采集的工作方式以及图2所示的调节的工作方式在下文采用一6缸二冲程柴油发动机的例子来加以说明。柴油发动机的各汽缸在压缩阶段经各喷油泵被供以燃油，燃油量与燃烧用空气量的比例由充气系数来确定。充气系数由喷油泵的调节杆改变，而喷油泵则受到PID调节器输出参数y的控制。为使各汽缸的点火时刻同步，则用位置传感器来采集曲轴的转角。为此要采用两个成90°错置的电感式接近开关，它们对由一随曲轴一起转动的齿轮所产生的脉冲进行采样。以这种方式可同时来计算曲轴的转速和转动方向，而无需在柴油发动机上设置昂贵的测量装置。具有60个均匀且等间距分布齿的齿轮直接与曲轴相连，这样被测的齿轮转速与曲轴的转速相一致。这两个电感式接近传感器不仅检测齿轮的齿在转动方向上的前侧面，而且也检测其后侧面，这样在齿轮的每一整转中总共采了240个脉冲，这些脉冲能保证精确、快速地测得转速。基于齿轮的60个齿以及发动机的6个汽缸这样一个数字，10个脉冲则代表一个用于形成未经校正的转速实际值n的脉冲序列。
脉冲序列根据相继脉冲的间距来加以计数，这样在有两个传感器、60个齿和6个汽缸的情况下则计算到每转有240个转速实际值n和240个平均转速实际值N。对每一转速实际值n有一个测量值存储器，其中对所属脉冲的时间间隔进行相加。每一个测量值存储器的内容则在一转期间被存储，这样对每一脉冲均对应着一测量值存储器。对于本实施例情况来说，则因此要求有240个测量值存储器位置。由于齿轮齿的均匀且等间距的配置，脉冲和脉冲间隙之比近似为1。脉冲和脉冲间隙比、两传感器A、B的间距、以及所求得的矩形方波信号序列可能的不对称性(这种不对称性比如是由齿轮制造不精确度所产生)，上述这些却不会影响到测量结果。这一切归功于：测量不精确度、转速实际值n中的周期性误差或者由一不能被齿数所整除的汽缸数所产生的剩余波纹度可通过用元件1和2来校正加以消除。采用这种方式，失调的、用损耗了的甚或失效的喷油泵仅在发生改变的时刻会影响到转速实际值n。只要误差不大于元件2所预定的值，则该误差在元件1的三倍平滑时间经过之后被校正。
利用上述的方法过程可以用简单的方式方法来实现对转速快速、精确的采集。此外即便在负载变化很快的情况下，例如就象柴油发动机用于船用时，当船用螺旋桨在大浪时露出水面时，也可将柴油发动机的转速以很高的精度保持为常值，在恒载荷情况下则能获得一种稳定的调节性能，这种调节性能可阻止喷油泵的调节杆产生不稳定的运动。

Claims (14)

1.一种用于对具有曲轴和喷油装置的多汽缸内燃机、尤其是慢速船用柴油机进行转速调节的方法，其中，通过至少一个传感器(A，B)来获取一由曲轴所驱动且每一转为该传感器(A，B)产生可采样脉冲的感应器的转速和转动方向，并采用一影响发动机喷油的调节元件来补偿该转速与预定额定值(W)的偏差，其特征在于：连续测量一被确定的由相继被采样脉冲组成的脉冲序列所需的时间并将其用于形成等间距的、未经校正的转速实际值(n)，其中相继被采样脉冲数根据发动机汽缸数以及感应器每转所产生的脉冲数来确定；测量对应于感应器一整转所产生的被采样脉冲数所需的时间并将其用于形成一平均转速(N)；平滑处理由平均转速(N)以及每一未经校正的转速实际值(n)之间的差值以形成校正的转速实际值(x)，限制该差值的数值并将其加到未经校正的转速实际值(n)上；将校正了的转速实际值(x)与预定转速额定值(w)相比较并将其输入一调节器(3)，用其输出参数(y)来控制调节元件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：相继被采样脉冲的数量被确定为由感应器每转所产生的脉冲数和发动机的汽缸数的圆整了的商。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：未经校正的转速实际值(n)以两个相继脉冲的间距来形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：每一被采样脉冲序列均对应一测量值存储器，其中相继被采样脉冲的时间间隔被相加以形成一未经校正的转速实际值(n)。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：在形成一未经校正的转速实际值(n)之后，测量值存储器的内容在被消去之前以及分配一新的被采样脉冲序列之前至少在一转期间被保持。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于：所述脉冲借助两个成90°错置的传感器(A，B)来加以采样。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于：采用一种具有均匀地分布在其圆周上的齿的齿轮作为感应器。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：不仅由转动齿轮的齿在转动方向上的前侧面、而且也由其后侧面来产生一脉冲。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述齿的侧面近似对称。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于：所述脉冲被等间距采样。
11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于一个齿轮，其节圆上的齿厚与齿间隙宽之比近似为1。
12.如权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于：采用电感的、电容的或光学的位置传感器来测取脉冲。
13.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于：设有一个具有超前时间的比例-积分调节器。
14.如上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于：采用一种自适应调节器。
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