CN102087168B - 增压柴油机排气背压波调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增压柴油机排气背压波调节装置，高温电子电动调节阀接受高速电流输出卡的控制电流，通过阀体开度的大小来控制阀前排气压力，将阀体开度信号反馈给高速数据采集卡；动态压力传感器将排气压力信号转换成电流信号；高速数据采集卡采集排气压力波、高温电子电动调节阀的开度值以及控制电流的反馈数值；高速电流输出卡将控制电流信号曲线离散化，并输出到高温电子电动调节阀的信号输入端；工控机负责信号的采集处理，发送控制信号，数据曲线的生成、显示、比较与存储。本发明能够模拟处于通气管状态运行的水下工作柴油机上所受到的由海浪波动所产生的动态排气背压波，并且其波形、波幅及频率可调。

Description

增压柴油机排气背压波调节装置

技术领域

本发明涉及处于水下环境的柴油机工作性能的试验研究领域，特别是涉及一种能够对特殊用途柴油机所承受的排气背压波进行模拟的增压柴油机排气背压波调节装置。

背景技术

柴油机在水下运行时，承受高的进气真空度以及高的排气背压，需要建立专门的水下环境模拟试验台来模拟柴油机水下工作时的环境条件。

柴油机的排气背压波调节一般采用耐高温的电子电动调节阀，使其接受4～20mA或1～5V的电信号，通过阀门开度的变化达到排气背压波调节的目的。

现有的排气背压波调节装置仅能调节稳态排气背压波的大小，因此，柴油机试验一般也只能进行稳态的排气背压调节试验。这种稳态的排气背压调节装置不能反映海浪运动所形成的排气背压波形，更无法加以调节控制。由于是稳态排气背压调节对阀门的开启闭合速度要求不高，而满足动态调控要求的调节阀，要求阀的动作灵敏度高，驱动力矩大，阀门转动惯量小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种增压柴油机排气背压波调节装置，能够模拟处于通气管状态运行的水下工作柴油机上所受到的由海浪波动所产生的动态排气背压波，并且其波形、波幅及频率可调。

为解决上述技术问题，本发明的增压柴油机排气背压波调节装置包括：

高温电子电动调节阀，设置在水下增压试验用柴油发电机组排气管上，接受来自高速电流输出卡的4-20mA控制电流，阀芯作相应的回转开闭动作，通过阀体开度的大小来控制阀前排气的压力，并将阀体开度信号反馈给高速数据采集卡；

动态压力传感器，设置在高温电子电动调节阀前方的水下增压试验用柴油发电机组排气管上，将排气压力信号转换成4-20mA的电流信号，由高速数据采集卡读取后与预存要求的排气背压波形进行比较分析；

高速数据采集卡，设置在工控机上，根据工控机的控制软件指令，采集排气压力波信号、高温电子电动调节阀的开度值以及控制电流的反馈数值；

高速电流输出卡，设置在工控机上，根据工控机的控制软件指令，将控制电流信号曲线离散化，并输出到高温电子电动调节阀的信号输入端；

工控机，由控制软件负责信号的采集处理，控制信号的发送，数据曲线的生成、显示、比较与存储。

采用本发明的增压柴油机排气背压波调节装置，通过控制电流的变动输出，产生高温电子电动调节阀开度的摆动，形成满足一定频率、一定波幅要求的排气背压波。

水下运行柴油机性能试验的结果表明，本发明能够产生模拟发动机水下运行环境的排气背压波，其频率、峰值及波形在一定条件下可调，能够模拟增压柴油机水下通气管状态运行时承受海水压力波动的工作环境，并达到预期效果，可以满足水下增压柴油机性能试验的需求。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的一实施例的系统构成原理图；

图2是当输入的控制电流为正弦波时输出的排气背压波曲线；

图3是当输入的控制电流为三角波时输出的排气背压波曲线；

图4是控制电流参数确定流程框图；

图5是给定工况下排气稳态背压与电流关系的标定图。

具体实施方式

参见图1所示，在本发明的一实施例中，所述增压柴油机排气背压波调节装置包括：高温电子电动调节阀1、动态压力传感器2、工控机5；所述工控机5上设有高速数据采集卡3、高速电流输出卡4，并安装有控制软件。

所述高温电子电动调节阀1即排气背压调节阀，设置在水下增压试验用柴油发电机组排气管上。为了缩短阀的启闭时间，满足排气背压波的频率需求，将所述排气背压调节阀的通径按照排气流量与背压设计值下的最小允许值选取，以减小阀芯(盘)质量。阀的外部构造尺寸及所安装的电动执行机构选大一个档次，可使阀的驱动转矩提高约50％(如从原来的100Nm提高至150Nm)，阀芯直径约减小20％(如从原来的100mm缩小至80mm)，从而可使阀的运转速度提高1倍左右，阀的启闭时间缩短将近一半。所述排气背压调节阀接受来自高速电流输出卡4的4-20mA控制电流，在该电流的作用下阀芯作相应的回转开闭动作，通过开度的大小来控制阀前排气的压力，并将阀芯开度信号反馈给高速数据采集卡3。

所述高温电子电动调节阀1的选型，需要根据水下增压柴油机设计工况下的排气流量、排气背压与排气温度，计算确定高温电子电动调节阀1的最小允许通径；根据最高排气温度与排气背压值，进行所述高温电子电动调节阀1的结构选型；根据所述高温电子电动调节阀1的启闭时间以及阀的结构尺寸，估算所需驱动转矩，以此确定电动执行机构的规格。

所述动态压力传感器2安装在排气背压调节阀1之前的水下增压试验用柴油发电机组排气管上，将排气压力(波)信号转换成4-20mA的电流(波)信号，由高速数据采集卡3读取后与预存要求的排气背压波形进行比较分析，工控机5的控制软件通过预设背压波曲线与实测背压波曲线的比较，对控制电流的参数进行修正。

所述高速数据采集卡3根据工控机5的控制软件指令，采集排气压力波、背压调节阀开度值以及控制电流的反馈数值。

所述高速电流输出卡4根据工控机5的控制软件指令，将控制电流(波)信号曲线离散化，并输出到高温电子电动调节阀1的信号输入端。

所述工控机5通过控制软件对信号进行采集处理，发送控制信号以及数据曲线的生成、显示、比较与存储。

柴油机测量所采用的高速数据采集技术系基于计算机测控原理，采用高速数据采集模块(如所述的高速数据采集卡3)的模拟量输入技术，所采集高速数据需经过物理标定、数字滤波去除现场噪音干扰，以形成气缸压力、排气压力波等实时曲线。高速数据输出控制技术采用高速数据输出模块(如高速电流输出卡4)的模拟量输出技术，将拟输出的控制曲线离散化，并按一定的步长间隔转换为模拟电流值进行输出，达到控制相应的设备，使其按一定的曲线规律动作。

所述增压柴油机排气背压波调节装置的实施过程在于控制电流波形主要参数的确定，而输出的控制电流与排气背压之间的关系非常复杂，它是由控制电流与阀门开度以及排气背压与阀门开度、试验工况等诸多因素影响确定的，对这一物理过程的模拟不仅尚无成熟程序，而且也难以获得所需详尽的电控阀门的气动数据，需通过柴油机在不同工况下的稳态背压试验来寻求两者的关系，然后才能获得所需控制电流波的数据。即，根据排气背压波的波形要求，通过计算与试验分析，确定控制电流波的波形；根据排气背压波的波幅变化范围，通过静态试验标定及动态测试分析比较，确定控制电流波的最大值与最小值。

下面结合图4具体说明如何确定控制电流波形的主要参数。

1、确定控制电流波的最大值与最小值(幅值)

在工况参数稳定情况下，排气背压波的最大值与最小值由控制电流波的幅值决定，控制电流与排气背压的关系由柴油机不同工况下的稳态背压试验进行标定。例如，在某一工况下获得的稳态背压-电流的试验曲线如图5所示，当要求的排气背压变化范围一定时，对应的阀门开度范围也相应确定，控制电流的初步取值范围亦随之确定，该值在实际的背压波动试验中，需根据反馈的背压波形数值进行修正调整。

2、控制电流波的最大允许频率

由于排气背压调节阀为蝶阀，从全开到全闭需要一定的时间。排气背压波所能实现的最大波动频率取决于所选排气背压调节阀的开闭响应速度。对应于排气背压波变化幅值的排气背压调节阀阀盘所需运行时间决定了排气背压波在该幅值要求下能达到的最大频率，以此可确定控制电流最大允许频率，排气背压波频率在该最大允许频率范围内可按需要任意调节。

3、控制电流波形的确定

根据分析而知，由于阀门的机械惯性，使阀开度在曲线头部与底部的变化会比控制电流缓慢，而由于气流的惯性，使排气压力在曲线头部、底部的变化会比阀的开度缓慢。综合两者的影响效果，造成排气压力波曲线在头部、底部区域钝化、变宽。因此，所述高速电流输出卡4根据确定后的控制电流的幅值与频率，综合考虑阀门的机械惯性等影响因素，依据所需排气背压波的波形，可以选取合适的输入控制电流波形，进行离散化处理。

4、排气背压波的滤波处理，即由工控机5的控制软件对实测排气背压波采用连续平均值法进行数字滤波。

根据反馈排气背压信号需要对输出控制电流波形参数进行必要的调整，使要求的背压波形与实测的背压波形逐步逼近，误差最小。对反馈波形信号采用连续平均值法滤波技术，可获得较为清晰的排气背压波，实现排气背压波的良好模拟。

参见图2所示，当输入的控制电流为正弦波时，输出的排气背压波接近于梯形方波。

参见图3所示，当输入的控制电流为三角波时，获得的实测排气背压波近似于正弦波形。

本发明可以比较准确地模拟水下运行柴油机的实际排气背压波状态，对于水下运行的增压柴油机性能的试验研究具有重要价值；适用于特种用途柴油机的运行环境模拟。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种增压柴油机排气背压波调节装置，其特征在于，包括：

高温电子电动调节阀，设置在水下增压试验用柴油发电机组排气管上，接受来自高速电流输出卡的4-20mA控制电流，阀体作相应的回转开闭动作，通过阀体开度的大小来控制阀前排气的压力，并将阀体开度信号反馈给高速数据采集卡；

动态压力传感器，设置在高温电子电动调节阀前方的水下增压试验用柴油发电机组排气管上，将排气压力信号转换成4-20mA的电流信号，由高速数据采集卡读取后与预存要求的排气背压波形进行比较分析；

高速数据采集卡，设置在工控机上，根据工控机的控制软件指令，采集排气压力信号、高温电子电动调节阀的阀体开度以及控制电流的反馈数值；

高速电流输出卡，设置在工控机上，根据工控机的控制软件指令，将控制电流信号曲线离散化，并输出到高温电子电动调节阀的信号输入端；

工控机，由控制软件负责信号的采集处理，发送控制信号，数据曲线的生成、显示、比较与存储。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高温电子电动调节阀根据水下增压柴油机设计工况下的排气流量、排气背压与排气温度，计算确定最小允许通径；根据最高排气温度与排气背压值进行结构选型；根据启闭时间以及阀的结构尺寸估算所需驱动转矩，以此确定电动执行机构的规格。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制软件通过预存 要求的排气背压波形曲线与排气压力信号曲线的比较，对控制电流的参数进行修正。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制电流最大允许频率，由对应于排气背压波变化幅值的高温电子电动调节阀阀芯所需运行时间确定的排气背压波在该幅值要求下能达到的最大频率确定，排气背压波频率在该最大允许频率范围内按需要任意调节。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高速电流输出卡根据确定后的控制电流的幅值和频率，综合考虑阀门的机械惯性，依据所需排气背压波的波形选取合适的输出控制电流波形，进行离散化处理。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制软件对排气压力信号采用连续平均值法进行数字滤波。

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