CN103967594B - 大型双冲程柴油发动机以及获得其中的蝶形阀特征的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于获得大型涡轮增压低速运行双冲程柴油发动机(1)的排气旁路中用于调节排气旁路中的流量的非线性阀(34、44)的特征的方法。所述排气旁路可控制地允许排气绕过涡轮增压器(16)的涡轮机(17)。所述方法包括：运行发动机(1)，并且在运行发动机时：从完全关闭位置至完全打开位置以小的增量打开非线性阀(34、44)并且在非线性流量调节阀(34、44)的每个位置处测量扫气压力或者其它合适的发动机操作参数；和/或从完全打开位置至完全关闭位置以小的增量关闭非线性性流量调节阀阀(34、44)，并且在蝶形阀的每个位置处测量所述扫气压力。然后记录阀位置和关联的测量的扫气压力，以及存储所记录的位置和关联的扫气压力。

Description

大型双冲程柴油发动机以及获得其中的蝶形阀特征的方法

技术领域

本发明涉及在大型低速运行双冲程柴油发动机的气体交换系统中使用的蝶形阀的控制，具体地，本发明涉及在大型低速运行双冲程柴油发动机的气体交换系统中使用的蝶形阀的开环控制。

背景技术

具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程柴油发动机是巨大的并且是非常有效的动力生成机器。这些发动机中最大的在94每分钟转数下生成约120.000千瓦特，具有36米的总长度并且重达4000吨。在这些具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程柴油发动机中，蝶形阀或者其它非线性阀可以被用于调节气体交换系统中的排气流量。例如，蝶形阀可以用在允许排气空气流动以旁路涡轮增压器的涡轮机的排气旁路。DK177388B1公开了一种根据独立权利要求10的前序部分的大型双冲程柴油发动机。

蝶形阀的关闭机构采取这样一种盘的形式，该盘可以在管状管部中围绕位于盘的平面中的轴旋转。蝶形阀被普遍受欢迎是因为蝶形阀与其它阀设计相比成本较低并且重量较轻，意味着需要较少的支撑。阀盘定位在管的中心，经过阀盘的是连接至阀外侧上致动器的杆。旋转致动器以平行于或者垂直于流转动阀盘。阀盘总是存在于流中，因此不管阀的位置怎样，压力下降总是在流中诱发。蝶形阀是来自直角转动阀家族。“蝶形”是安装在杆上的金属阀盘。当阀关闭时，阀盘转动使得其完全阻断通路。当阀完全打开时，阀盘旋转四分之一转使得阀盘允许流体几乎不受限制的通过。阀是逐渐打开的以节流并且调节流量。

在以开环控制蝶形阀的系统中，重要的是知道(能够准确控制的)阀角和实际流动区域之间的准确关系。实际流动区域是指管道系统、阀和限制气体流动的其它实体的组合流动区域。开环是指不存在能够确定阀对流的影响的过程测量。

然而，在大型双冲程柴油发动机的气体交换系统中的许多应用中，关键是准确控制阀的位置的影响。因此，最有利的是知道蝶形阀的位置(这是准确已知的)和气体流动的影响之间的准确关系。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种方法，其中排气旁路中的非线性阀的特征之间的关系可以确定以用于非线性阀的开环控制。

通过提供用于获得大型涡轮增压低速运行双冲程柴油发动机的排气旁路中用于调节排气旁路中的流量的非线性阀特征的方法来实现该目的，所述排气旁路可控制地允许排气绕过涡轮增压器的涡轮机，所述方法包括：运行发动机，并且在运行发动机时：从完全关闭位置至完全打开位置以小的增量打开非线性阀并且在非线性阀的每个位置处测量发动机操作参数，和/或从完全打开位置至完全关闭位置以小的增量关闭非线性阀并且在非线性阀的每个位置处测量发动机操作参数；记录阀位置和关联的测量的所述发动机操作参数值并且存储所记录的位置和关联的发动机操作参数值。

通过测量非线性阀的各个位置处的发动机操作参数，可以相对准确的确定在排气旁路中使用的非线性阀的特征即对通过旁路的气流的影响并且如此获得的这些特征可以用于非线性阀的开环控制。

在一个实施例中，所记录的位置和关联的发动机操作参数值存储在映射或者查找表中。

在另一个实施例中，当测量阀位置和关联的发动机操作参数值时，发动机保持恒定负荷。

在另一个实施例中，按阶段执行所述测量，其中，阀在第一阶段中从关闭位置移动至打开位置，并且在第二阶段中从打开位置移动至关闭位置，并且其中在对第一阶段和第二阶段相同的预定位置处执行测量。

在一个实施例中，在第一和第二阶段期间所测量发动机操作参数值的平均值存储在映射或者查找表中。

在另一个实施例中，测量在阀位置的规则地隔开的间隔处执行。

在一个实施例中，所述方法进一步包括使用所测量的发动机操作参数值确定阀角和对流动经过旁路的排气的实际流量限制之间的关系。

操作参数可以是扫气压力或者涡轮增压器速度或者燃烧压力或者通过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机下游的排气的温度，或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。

以上目的还通过提供具有十字头的大型低速运行双冲程柴油发动机而实现，发动机包括：多个成行设置的气缸；涡轮增压器，其具有驱动压缩机的涡轮机；扫气接收器，其邻近地沿着所述气缸延伸并且连接至每个气缸的扫气端口；扫气流动路径，其从所述压缩机通向所述扫气接收器；排气接收器，其邻近地沿着所述气缸延伸并且连接至每个气缸的排气阀；排气流动路径，其从所述排气接收器通向所述涡轮机；排气旁路，其允许排气绕过所述涡轮机；非线性阀，其设置在所述排气旁路中用于调节经过所述排气旁路的流量；致动器，其可操作地连接至所述非线性阀用于调节非线性阀位置；电子控制单元，其能够访问映射或者查找表，其中将所述发动机上已经测量的发动机操作参数值映射至覆盖所述非线性阀的范围的多个增量位置；所述电子控制单元被配置为用于所述非线性阀的开环控制，以及所述电子控制单元连接至旋转致动器以用于使用存储在所述映射或者查找表中的数据控制所述非线性阀的位置。

以上目的还通过提供一种用于获得大型涡轮增压低速运行双冲程柴油发动机的第一排气旁路中用于调节第一排气旁路中的流量的非线性流量调节的特征的方法而实现，所述发动机包括与第一排气旁路平行设置的第二排气旁路，所述第二排气旁路包括流量调节阀，所述流量调节阀知道由流量调节阀形成的流量限制和流量调节阀的位置之间的关系，所述方法包括：a)测量和记录所测量发动机操作参数值作为所述发动机操作参数的最初值；b)随着发动机运行，改变非线性流量调节阀(34、44)的位置，而不改变发动机负荷；其后，c)测量发动机操作参数并改变流量调节阀(34、44)的位置，直到所测量的扫气压力与所述发动机操作参数的所述最初值匹配为止，并且d)使用发动机操作参数值的匹配处流量调节阀的位置改变和非线性流量调节阀的位置改变，确定非线性流量调节阀(34、44)的特征。

通过改变其它阀的位置来再平衡扫气压力，可以相对准确的确定排气旁路中所使用的非线性阀的特征即其对经过旁路的气流的影响，并且这些如此获得的特征可以用于非线性阀的开环控制。

在所述方法的实施例中，由流量控制阀的位置改变导致的流动区域的改变与非线性流量调节阀的位置改变导致的流动区域的改变相等，从而确定与非线性流量调节阀的位置改变相关联的流动区域的改变。

在另一个实施例中，所述方法进一步包括：在分布在非线性流量调节阀(34、44)的完全打开和完全关闭位置之间的非线性流量调节阀(34、44)范围上的非线性阀(34、44)位置范围上重复步骤a)至d)，记录所测量的特征并且创建映射或者查找表，该映射或者查找表中存储非线性流量调节阀(34、44)的阀角和对流动经过第一排气旁路的排气的实际流量限制之间的关系。

操作参数可以是扫气压力或者涡轮增压器速度或者燃烧压力或者通过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机下游的排气的温度，或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。

根据本发明的所述方法和发动机的其它目的、特征、优点和性能将由详细描述中变得明显。

附图说明

在本描述的以下详细部分中，本发明将参考图中示出的示例性实施例更详细地解释，其中：

图1是根据本发明的示例性发动机的图形表示；

图2是图1的发动机的废热回收系统的图形表示；

图3是示出了用于获得图1的发动机中的蝶形阀的特征的方法的图；

图4是示出了用于获得非线性阀的特征的方法的示例性实施例的流程图；

图5是示出了用于获得非线性阀的特征的另一个方法的另一个示例性实施例的流程图。

具体实施方式

在根据本发明的具有十字头的大型低速运行涡轮增压双冲程柴油发动机和用于获得在十字头类型的大型涡轮增压双冲程柴油发动机中使用的非线性阀的阀特征的方法的以下详细描述中将由示例性实施例描述。

图1和图2示出了大型双冲程柴油发动机1的第一示例性实施例。发动机1可以例如用作远洋船舶的主发动机或者用作操作发电站中的发电机的固定动力机。发动机的总输入范围可以例如为从2000千瓦特至130000千瓦特。

发动机1提供彼此相邻成行设置的多个(典型地在5个和14个之间)气缸2。每个气缸2设置有往复活塞3。活塞3经由活塞杆5、十字头6和连杆7连接至曲轴4。十字头6包括在引导平面之间被引导的十字头轴承。

每个气缸2设置有与气缸盖相关的排气阀10。排气通道可以被排气阀10打开并且关闭。排气通道通向连接至排气接收器12的排气弯管11。排气接收器12是大型细长圆柱形容器，排气接收器12沿着并且紧密靠近气缸2列的顶部设置。排气接收器12具有大的体积，以允许排气接收器均衡压力脉冲，该压力脉冲由在排气阀10打开时来自单独气缸2的排气的周期性流入导致。排气接收器12的平衡效果提供排气接收器12的出口处的大致恒定的压力。在排气接收器12的出口处需要大致恒定的压力，因为在大型双冲程柴油发动机使用的一个或者多个排气驱动的涡轮增压器得益于恒定供压。

从排气接收器12，排气经由排气管道14被朝向涡轮增压器16的涡轮机17引导(可以存在多个涡轮增压器16)。排气设置在涡轮机17的大气下游。涡轮增压器16是恒压涡轮增压器，即，涡轮增压器没有被配置利用排气中的压力脉冲操作。涡轮增压器16具有轴向或者径向涡轮机并且被配置用于高至约500至550℃的排气温度。

发动机还包括废热回收单元30。来自废弃接收器12的受控数量的排气能够供给至废热回收单元30，参考图2以下更详细地进一步描述废热回收单元30。

涡轮增压器16还包括由涡轮机17驱动的压缩机18。压缩机18连接至进气口。压缩机18驱动高压扫气经由扫气路径21至扫气接收器20，扫气路径21包括扫气冷却器22和带有相关的止回阀24的辅助风扇23。辅助风扇23典型地被电动马达驱动(也可以由液压马达驱动)并且在低负荷条件(通常低于最大连续发动机额定的40％)下打开以协助压缩机18中保持足够的扫气。当不使用辅助风扇23时(通常高于最大连续发动机额定的40％以上)，其经由止回阀24旁路。

扫气接收器20是大型细长的圆柱形容器，其沿着气缸2列的底部紧密靠近地延伸。扫气接收器20经由气缸的扫气端口26连接至每个气缸。扫气接收器20具有大的体积以允许扫气接收器20补偿压力下降，压力下降是由在扫气端口26的开口处扫气到单独气缸2的周期性流出导致。扫气接收器20的补偿效果提供了扫气接收器中的基本上恒定的压力使得基本上相同的扫气压力可用于每个气缸2。由于用于大型双冲程柴油发动机的一个或多个涡轮增压器16在恒定供给压力下操作并且传递恒定供给压力即没有压力脉冲可用于扫气单独的气缸2，因此扫气接收器20中的恒定压力是需要的。扫气从扫气接收器20传递至单独气缸2的扫气端口26。

图2示出了与废热回收单元30相关的发动机的方案。废热回收单元30要么直接从图2中示出的排气接收器要么作为从排气接收器12通向涡轮增压器16的涡轮机17的排气管道14的分支，接收来自排气接收器12的排气。压力传感器37测量由排气管道14传递至涡轮增压器的涡轮机17的排气的压力。压力传感器38测量扫气接收器20中的扫气压力。两个压力传感器都连接至接收所测量压力的发动机电子控制单元(未示出)。

废热回收单元30包括两个平行的排气旁路，其允许排气绕开涡轮增压器16的涡轮机17。第一排气旁路包括导管42，导管42包括开关阀41和电子控制的非线性流量调节阀44，优选地是蝶形阀，蝶形阀的位置由受废热回收电子控制单元控制的致动器确定。导管42传递排气至动力涡轮机48。排气被锅炉50上游位置处的导管49从动力涡轮机48传输至存储栈，锅炉50由发动机1的排气中的废热加热。动力涡轮机48的输出轴可操作地连接至蒸汽涡轮机56，动力涡轮机48和蒸汽涡轮机56的组合输出用于驱动发电机60。来自涡轮增压器16和来自排气旁路的总的排气流量供给至锅炉50以生成用于蒸汽涡轮机56的蒸汽。蒸汽涡轮机56经由导管52接收来自锅炉50的蒸汽并且经由导管54返回蒸汽至锅炉50。

第二旁路包括导管32和电子控制非线性流量调节阀34，优选地是蝶形阀，蝶形阀的位置由电子控制单元控制的致动器控制。为了给予第二排气旁路与第一排气旁路的流量特征相似或相同的流量特征，第二排气旁路还包括流量限制36。第二排气旁路传递排气进入在锅炉50的上游位置处离开涡轮增压器16的涡轮机17的主排气流。

非线性阀34的位置由发动机电子控制单元在开环中控制。非线性阀44的位置由废热回收电子控制单元，实际上是中断线47指示的动力涡轮机控制单元，在开环中控制。

对于非线性阀34、44在开环中控制的发动机1，重要的是知道(能够准确控制的)阀角和实际流动区域之间的准确关系。实际流动区域是指管道系统、阀和限制气体流动的其它实体的组合流动区域。开环是指不存在可以确定阀位置的影响是否正确的过程测量。为了保护发动机同时给于最大废热回收输出，两个排气旁路的实际流动区域的总和必须保持在指定极限内。为了知道实际流动区域，阀角和实际流动区域之间的关系必须很好地限定。

图4示出了用于获得第一排气旁路或者第二排气旁路中的非线性阀34、44的一个非线性阀的特征的方法的示例性实施例的流程图。该方法包括运行发动机1，并且在运行发动机1的同时从完全关闭位置至完全打开位置以小的增量打开非线性阀34、44并且测量发动机参数，如非线性阀34、44的每个位置处的传感器38的扫气压力，并且其后从完全打开位置至完全关闭位置以小的增量关闭非线性阀。

在非线性阀34、44的每个位置处由传感器38测量扫气压力(或者其它合适的发动机操作参数)。记录阀位置和关联的测量的扫气压力并且所记录的位置和关联的测量扫气压力存储在控制相关的非线性阀34、44的电子控制单元可访问的映射或者查找表中。

优选地，当测量阀位置和关联的扫气压力时发动机1保持恒定负荷。按阶段执行测量，其中阀在第一阶段中从关闭位置移动至打开位置，并且在第二阶段中从打开位置移动至关闭位置，并且其中在与第一阶段和第二阶段相同的预定位置处执行测量。

在第一阶段和第二阶段期间测量的扫气压力的平均值存储在映射或者查找表中。在阀位置的规则地隔开的间隔处执行测量。所测量的扫气压力用于确定阀角和对通过相关的排气旁路流动的排气的实际流量限制之间的关系。

结果在图3的曲线图中可见，连续线表示应用方法的结果并且中断线表示实际扫气压力。

非线性阀34、44的获得特征被控制相关非线性阀的电子控制单元用于非线性阀34、44的开环控制。

该方法还可以被用于自动调整，以对于随着时间改变的条件如由于磨损和/或排气旁路的阻塞，改变阀的阀特征。

当阀34、44的一个阀的特征总是已知的时，其它非线性阀34、44的特征可以由另一个方法确定。这个其它方法的示例性实施例在图5中的流程图中示出并且其包括：

a)测量并且记录所测量扫气压力作为最初的扫气压力；

b)随着发动机运行，改变特征未知的非线性流量调节阀44的位置，而不改变发动机负荷；

其后，

c)测量扫气压力并改变特征已知的流量调节阀34的位置，直到所测量的扫气压力与最初扫气压力匹配为止，并且

d)使用扫气压力的匹配处的流量调节阀34的位置改变和非线性流量调节阀44的位置改变，确定非线性流量调节阀44的特征。

由流量控制阀34的位置改变导致的流动区域的改变与由非线性流量调节阀44的位置改变导致的流动区域的改变相等，从而确定与非线性流量调节阀44的位置改变相关联的流动区域的改变。

在分布在非线性流量调节阀44的完全打开和完全关闭位置之间的非线性流量调节阀44范围上的非线性阀44位置范围上重复步骤a)至d)。记录所测量的特征并且创建映射或者查找表，该映射或者查找表中存储非线性流量调节阀44的阀角和对流动经过第一排气旁路的排气的实际流量限制之间的关系。

在一个实施例中，包括非线性阀34、44的位置之间关系的映射覆盖多个发动机负荷，该发动机负荷覆盖发动机1的操作范围，进而形成3-D映射。

在一个实施例中(未示出)，发动机与排气再循环系统相适应，排气再循环系统供给(再循环)排气流的部分流进入气缸，如通过供给再循环排气进入扫气流。

尽管以上实施例使用扫气压力作为发动机操作参数，但是清楚的是：被非线性阀的位置改变影响的任何其它发动机参数可被代替使用，如涡轮增压器速度或者燃烧压力或者通过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机下游的排气的温度，或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。为了确定所使用的发动机参数的值，将利用对应的传感器装配发动机。

尽管本申请的教导以及为了说明的目的而详细描述，但是可以理解的是这些细节仅用于说明的目的并且本领域技术人员可以在其中进行变形而不偏离该申请的教导范围。

权利要求书中使用的术语“包括”并不排除其它元件或者步骤。权利要求书中使用的术语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或者其它单元可以实现权利要求中所引用的多个装置的功能。

Claims (15)

1.一种获得大型涡轮增压低速运行双冲程柴油发动机(1)的排气旁路中用于调节该排气旁路中的流量的非线性阀(34、44)的特征的方法，所述排气旁路可控制地允许排气绕过涡轮增压器(16)的涡轮机(17)，其特征在于，所述方法包括：

运行发动机(1)，并且当运行发动机时：

从完全关闭位置至完全打开位置以小的增量打开非线性阀(34、44)并且在非线性阀(34、44)的每个位置处测量发动机操作参数，和/或

从完全打开位置至完全关闭位置以小的增量关闭非线性阀(34、44)，并且在非线性阀(34、44)的每个位置处测量所述发动机操作参数；并且记录阀位置和关联的测量的所述发动机操作参数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述记录的位置和关联的测量的发动机参数值存储在映射或者查找表中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，当测量阀位置和关联的发动机操作参数值时，发动机(1)保持恒定负荷。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，按阶段执行所述测量，其中，非线性阀(34、44)在第一阶段中从关闭位置移动至打开位置，并且在第二阶段中从所述打开位置移动至所述关闭位置，并且其中在对所述第一阶段和所述第二阶段相同的预定位置处执行所述测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在第一阶段和第二阶段期间测量的发动机的平均值存储在映射或者查找表中。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在阀位置的规则地隔开的间隔处执行所述测量。

7.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括使用所述测量的发动机操作参数值确定阀角和对流动经过所述排气旁路的排气的实际流量限制之间的关系。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，进一步包括将所述非线性阀的获得特征用于所述非线性阀(34、44)的开环控制。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发动机操作参数是扫气压力或者涡轮增压器速度或者燃烧压力或者经过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机的排气下游的温度或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。

10.一种具有十字头的大型低速运行双冲程柴油发动机(1)，所述发动机包括：

多个设置成行的气缸(2)；

涡轮增压器(16)，其具有用于驱动压缩机(18)的涡轮机(17)；

扫气接收器(20)，其邻近地沿着所述气缸(2)延伸并且连接至每个气缸(2)的扫气端口(26)；

扫气流动路径，其从所述压缩机(18)通向所述扫气接收器(20)；

排气接收器(12)，其邻近地沿着所述气缸(2)延伸并且连接至每个气缸(2)的排气阀；

排气流动路径，其从所述排气接收器(12)通向所述涡轮机(17)；

排气旁路，其允许排气绕过所述涡轮机(17)；

非线性流量调节阀(34、44)，其设置在所述排气旁路中以用于调节经过所述排气旁路的流量；

致动器，其可操作地连接至所述非线性流量调节阀(34、44)以用于调节非线性流量调节阀的位置；

其特征在于，包括：

电子控制单元，其能够访问映射或者查找表，其中，在映射或者查找表中将所述发动机上已经测量的发动机操作参数值映射至覆盖所述非线性流量调节阀(34、44)的范围的多个增量位置；

所述电子控制单元被配置为用于所述非线性流量调节阀(34、44)的开环控制，以及

所述电子控制单元连接至所述致动器以用于使用存储在所述映射或者查找表中的数据控制所述非线性流量调节阀(34、44)的位置。

11.根据权利要求10所述的发动机，其中，所述发动机操作参数是扫气压力或者涡轮增压器速度或者燃烧压力或者经过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机的排气下游的温度，或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。

12.一种用于获得大型涡轮增压低速运行双冲程柴油发动机(1)的第一排气旁路中用于调节该第一排气旁路中的流量的非线性流量调节的特征的方法，所述发动机包括与第一排气旁路平行设置的第二排气旁路，所述第二排气旁路包括流量调节阀(34、44)，其中，对于所述流量调节阀(34、44)而言，由流量调节阀施加的流量限制与流量调节阀的位置之间的关系是已知的，其特征在于，所述方法包括：

a)测量和记录所测量发动机操作参数值作为所述发动机操作参数的最初值；

b)随着发动机运行，改变非线性流量调节阀(34、44)的位置，而不改变发动机负荷；

其后，

c)测量发动机操作参数并改变流量调节阀(34、44)的位置，直到所测量的扫气压力与所述发动机操作参数的所述最初值匹配为止，并且

d)使用发动机操作参数值的匹配处流量调节阀的位置改变和非线性流量调节阀的位置改变，确定非线性流量调节阀(34、44)的特征。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，由流量调节阀(34、44)的位置改变导致的流动区域的改变与非线性流量调节阀(34、44)的位置改变导致的流动区域的改变相等，从而确定与非线性流量调节阀的位置改变相关联的流动区域的改变。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在分布在非线性流量调节阀(34、44)的完全打开和完全关闭位置之间的非线性流量调节阀(34、44)范围上的非线性阀(34、44)位置范围上重复步骤a)至d)，记录所测量的特征并且创建映射或者查找表，该映射或者查找表中存储非线性流量调节阀(34、44)的阀角和对流动经过第一排气旁路的排气的实际流量限制之间的关系。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，所述发动机操作参数是扫气压力或者涡轮增压器速度或者燃烧压力或者通过发动机的气流或者燃烧室中的温度或者排气接收器温度中的温度或者涡轮增压器的涡轮机下游的排气的温度，或者当发动机具有排气再循环时的排气再循环压力。