CN108691665B - 一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柴油机排气背压控制技术领域，公开了一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法，包括凸轮轴位置传感器、排气背压传感器、排气接收器温度传感器、转速传感器、第一、二信号调理A/D转换模块、背压分析模块、柴油机控制计算机、凸轮轴液压控制阀、配气相位正时传感器；本发明根据压力波动峰值和可接受背压边界控制凸轮轴液压控制阀以减小气门重叠角提高柴油机处理高排气背压能力，使得柴油机始终稳定在高能效状态而降低柴油机冒烟和热过载可能性。

Description

一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法

技术领域

本发明涉及柴油机排气背压控制技术领域，尤其涉及一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法。

背景技术

排气背压指发动机排气的阻力压力。当排气背压升高时，发动机排气不畅，从而影响发动机的动力性。排气背压对发动机综合性能有非常大的影响。排气背压对发动机经济性、动力性以及声音品质有着重要影响，是开发设计过程中参衡的重要指标之一。

汽车和船舶采用后处理技术来满足严格的排放法规，这会增加排气背压。此外，船上采用水下排气系统以节省空间，减少工作甲板上的噪音和污染。但是，排气口处的水会为废气产生流动阻力，从而增加背压。增加的背压意味着发动机需要主动排出废气。这使发动机减速，启动调速器，调节器推动更多燃油以抵消减速。因此，背压的增加会增加燃油消耗。

背压会导致燃油消耗的增加并降低进气量，从而导致不完全燃烧，并增加缸内和排气接收器的温度。测量和仿真表明，由于背压引起的涡轮机入口(排气接收器)温度的升高在较低负载下比在较高负载下更显着。过度排气(排气接收器)温度会增加热应力并对涡轮增压器造成严重损坏。过高的排气温度可能会损坏密封和凹槽，导致意外的机油和废气泄漏。排气温度过高也会导致焦化的中心壳体，这会影响涡轮增压器的性能和寿命。

排气阀温度和尾气排气接收器温度捕获了发动机的热负荷，又因为在实际情况下排气阀的温度很难测量，则选择测量排气接收器的温度来确定柴油机的热过载影响从而确定背压极限。

高背压状态下，柴油机经历负扫气并在100度气门重叠期间气流反转。这导致了新鲜空气被废气所取代而大量损失，这些截留在气缸内的废气会在压缩阶段提升封闭物体的温度，从而提高了排气接收器的温度。具有较小气门重叠的发动机可以减少负扫气并保持空气过剩率不会降低，其在排气阀关闭时拥有更大的进气量。与较大的气门重叠相比，较小的重叠意味着减小负扫气和更多的被困空气，这改善了空气过量比有助于降低排气阀温度，柴油机可轻松处理较高排气背压。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种可以提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法，使得柴油机在全工况区域可以更好地处理背压，从而减少冒烟和热过载的可能性，将柴油机稳定在高能效的状态下。

本申请实施例提供一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置，包括：凸轮轴位置传感器、排气背压传感器、排气接收器温度传感器、转速传感器、第一信号调理A/D转换模块、第二信号调理A/D转换模块、背压分析模块、柴油机控制计算机、凸轮轴液压控制阀、配气相位正时传感器；

所述凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴罩盖前端且对着进排气凸轮轴前端的位置，所述排气背压传感器安装在柴油机涡轮增压器的排气管内，所述排气接收器温度传感器安装在柴油机SCR系统的前侧，所述转速传感器安装在柴油机的飞轮壳上，所述配气相位正时传感器安装在排气凸轮轴上；

所述第一信号调理A/D转换模块的输入端与所述排气背压传感器连接，所述第一信号调理A/D转换模块的输出端与所述背压分析模块连接；

所述第二信号调理A/D转换模块的输入端与所述排气接收器温度传感器连接，所述第二信号调理A/D转换模块的输出端与所述背压分析模块连接；

所述柴油机控制计算机分别与所述凸轮轴位置传感器、所述转速传感器、所述背压分析模块、所述配气相位正时传感器连接；所述柴油机控制计算机与所述凸轮轴液压控制阀连接，并控制所述凸轮轴液压控制阀动作。

优选的，所述提高柴油机可承受排气背压上限的装置还包括数据存储模块；所述数据存储模块分别与所述第一信号调理A/D转换模块的输出端、所述第二信号调理A/D转换模块的输出端、所述背压分析模块连接。

优选的，所述提高柴油机可承受排气背压上限的装置还包括电源模块；所述电源模块为所述第一信号调理A/D转换模块、所述第二信号调理A/D转换模块、所述背压分析模块、所述数据存储模块供应所需电能。

优选的，所述背压分析模块中存储有温度—极限背压信息，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值；

所述背压分析模块通过所述排气接收器温度传感器获得实际温度值，并根据所述实际温度值、所述温度—极限背压信息获得标准背压上限值；

所述背压分析模块通过所述排气背压传感器获得实际背压值；

所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值判断是否满足预设的控制条件；若满足所述控制条件，则所述柴油机控制计算机控制所述凸轮轴液压控制阀动作；

所述配气相位正时传感器和所述凸轮轴位置传感器用于对所述凸轮轴液压控制阀动作到位与否进行反馈判断，所述转速传感器用于监控所述凸轮轴液压控制阀动作过程中转速是否平稳变化。

优选的，所述控制条件为第一条件或第二条件；

判断是否满足所述第一条件为：所述背压分析模块判断所述实际背压值是否大于所述标准背压上限值，若大于，则通过所述背压分析模块内的计时器对背压值超出时间进行计时；若计时得到的第一时间大于预设的第二时间，则满足所述第一条件；

判断是否满足所述第二条件为：所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值获得第一差值，所述第一差值为所述实际背压值减去所述标准背压上限值得到的差值；若所述第一差值大于预设的第二差值，则满足所述第二条件。

另一方面，本申请实施例提供一种提高柴油机可承受排气背压上限的方法，包括以下步骤：

预先以实验形式获得温度—极限背压信息，并将所述温度—极限背压信息存储在背压分析模块中，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值；

通过排气背压传感器获得实际背压值，通过排气接收器温度传感器获得实际温度值；所述实际背压值和所述实际温度值分别经过A/D转换后传输至所述背压分析模块；

所述背压分析模块根据所述实际背压值、所述实际温度值、所述温度—极限背压信息判断是否满足预设的控制条件；

若满足所述控制条件，柴油机控制计算机控制凸轮轴液压控制阀动作；

通过凸轮轴位置传感器获得当前时间的凸轮轴位置信息、通过转速传感器获得柴油机的转速信息、通过配气相位正时传感器获得柴油机的气门重叠角；

通过所述气门重叠角和所述凸轮轴位置信息对所述凸轮轴液压控制阀动作到位与否进行反馈判断，通过所述柴油机的转速信号监控所述凸轮轴液压控制阀动作过程中转速是否平稳变化。

优选的，所述控制条件为第一条件或第二条件；

判断是否满足所述第一条件为：所述背压分析模块判断所述实际背压值是否大于所述标准背压上限值，若大于，则通过所述背压分析模块内的计时器对背压值超出时间进行计时；若计时得到的第一时间大于预设的第二时间，则满足所述第一条件；

判断是否满足所述第二条件为：所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值获得第一差值，所述第一差值为所述实际背压值减去所述标准背压上限值得到的差值；若所述第一差值大于预设的第二差值，则满足所述第二条件。

优选的，将所述实际背压值、所述实际温度值、所述背压分析模块的分析结果均传输至数据存储模块进行储存。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明经实验形式采集的数据对背压分析模块进行调试；对动态压力、转速信号进行实时采集，并实时分析；对船舶的实时数据进行存储以便后续的模块调试；当凸轮轴液压控制阀动作后，存在凸轮轴位置传感器和配气正时传感器双重反馈，保证现阶段的柴油机气门重叠角精准，防止误动作。本发明提供的一种可以提高柴油机可承受排气背压上限的装置及方法，适用于柴油机在全工况区域可以更好的处理背压从而减少冒烟和热过载的可能性，将柴油机稳定在高能效的状态下。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置的结构示意图；

图2为背压分析模块的处理流程图。

其中，1-凸轮轴位置传感器、2-排气背压传感器、3-排气接收器温度传感器、4-转速传感器、5-电源模块、6-第一信号调理A/D转换模块、7-背压分析模块、8-柴油机控制计算机、9-凸轮轴液压控制阀、10-配气相位正时传感器、11-第二信号调理A/D转换模块、12-数据存储模块。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

本实施例提供了一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置，如图1所示，包括：凸轮轴位置传感器1、排气背压传感器2、排气接收器温度传感器3、转速传感器4、电源模块5、第一信号调理A/D转换模块6、背压分析模块7、柴油机控制计算机8、凸轮轴液压控制阀9、配气相位正时传感器10、第二信号调理A/D转换模块11、数据存储模块12。

所述凸轮轴位置传感器1安装在凸轮轴罩盖前端且对着进排气凸轮轴前端的位置，所述排气背压传感器2安装在柴油机涡轮增压器的排气管内，所述排气接收器温度传感器3安装在柴油机SCR系统的前侧，所述转速传感器4安装在柴油机的飞轮壳上，所述配气相位正时传感器10安装在排气凸轮轴上。

所述第一信号调理A/D转换模块6的输入端与所述排气背压传感器2连接，所述第一信号调理A/D转换模块6的输出端与所述背压分析模块7连接。

所述第二信号调理A/D转换模块11的输入端与所述排气接收器温度传感器3连接，所述第二信号调理A/D转换模块11的输出端与所述背压分析模块7连接。

所述柴油机控制计算机8分别与所述凸轮轴位置传感器1、所述转速传感器4、所述背压分析模块7、所述配气相位正时传感器10连接；所述柴油机控制计算机8与所述凸轮轴液压控制阀9连接，并控制所述凸轮轴液压控制阀9动作。

所述数据存储模块12分别与所述第一信号调理A/D转换模块6的输出端、所述第二信号调理A/D转换模块11的输出端、所述背压分析模块7连接。

所述电源模块5为所述第一信号调理A/D转换模块6、所述第二信号调理A/D转换模块11、所述背压分析模块7、所述数据存储模块12供应所需电能。

其中，所述背压分析模块7中存储有温度—极限背压信息，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值。

所述背压分析模块7通过所述排气接收器温度传感器3获得实际温度值，并根据所述实际温度值、所述温度—极限背压信息获得标准背压上限值。

所述背压分析模块7通过所述排气背压传感器2获得实际背压值。

所述背压分析模块7根据所述实际背压值和所述标准背压上限值判断是否满足预设的控制条件；若满足所述控制条件，则所述柴油机控制计算机8控制所述凸轮轴液压控制阀9动作。

所述配气相位正时传感器10和所述凸轮轴位置传感器1用于对所述凸轮轴液压控制阀9动作到位与否进行反馈判断，所述转速传感器4用于监控所述凸轮轴液压控制阀9动作过程中转速是否平稳变化。

采用上述装置，本发明提供一种提高柴油机可承受排气背压上限的方法，包括以下步骤：

预先以实验形式获得温度—极限背压信息，并将所述温度—极限背压信息存储在背压分析模块中，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值。

通过排气背压传感器获得实际背压值，通过排气接收器温度传感器获得实际温度值；所述实际背压值和所述实际温度值分别经过A/D转换后传输至所述背压分析模块。

所述背压分析模块根据所述实际背压值、所述实际温度值、所述温度—极限背压信息判断是否满足预设的控制条件。

若满足所述控制条件，柴油机控制计算机控制凸轮轴液压控制阀动作。

通过凸轮轴位置传感器获得当前时间的凸轮轴位置信息、通过转速传感器获得柴油机的转速信息、通过配气相位正时传感器获得柴油机的气门重叠角。

通过所述气门重叠角和所述凸轮轴位置信息对所述凸轮轴液压控制阀动作到位与否进行反馈判断，通过所述柴油机的转速信号监控所述凸轮轴液压控制阀动作过程中转速是否平稳变化。

其中，所述控制条件为第一条件或第二条件。

判断是否满足所述第一条件为：所述背压分析模块判断所述实际背压值是否大于所述标准背压上限值，若大于，则通过所述背压分析模块内的计时器对背压值超出时间进行计时；若计时得到的第一时间大于预设的第二时间，则满足所述第一条件。

判断是否满足所述第二条件为：所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值获得第一差值，所述第一差值为所述实际背压值减去所述标准背压上限值得到的差值；若所述第一差值大于预设的第二差值，则满足所述第二条件。

优选的情况，本发明将所述实际背压值、所述实际温度值、所述背压分析模块的分析结果均传输至数据存储模块进行储存。

下面对本发明做进一步的解释。

本实施方式的内燃机的控制装置具备担当内燃机控制的所述柴油机控制计算机8。

在所述柴油机控制计算机8输入有检测内燃机凸轮轴旋转相位的所述凸轮轴位置传感器1、检测柴油机速度的所述转速传感器4、检测柴油机气门重叠的所述配气相位正时传感器10以及所述背压分析模块7输入的分析信号。进而，所述柴油机控制计算机8实施气门重叠角控制。

结合图1，本实例中所述排气背压传感器2安装在柴油机涡轮增压器排气管出口75mm处，测量涡轮增压器排气压力，将测量压力经过所述第一信号调理A/D转换模块6后传输至所述背压分析模块7最后至所述柴油机控制计算机8，判断所述凸轮轴液压控制阀9是否动作。所述排气接收器温度传感器3采集温度值并通过所述第二信号调理A/D转换模块11转换为数值信号，在所述背压分析模块7中由实际采集的温度值对应实验制定的温度—极限背压表格，选取对应的背压极限值。当所述背压分析模块7分析认为实际背压波动值大于背压极限值的αmpa或超出极限值βh之后，则认为柴油机处于高背压低能效状态，所述柴油机控制计算机8控制所述凸轮轴液压控制阀9动作；如果所述背压分析模块7分析认为实际背压波动值小于背压极限值的αmpa或超出极限值时间小于βh，则所述柴油机控制计算机8连接的所述凸轮轴液压控制阀9无动作。当被判断应进行动作时，所述柴油机控制计算机8就自动地将机油压向进气凸轮轴驱动齿轮内的小涡轮，这样在压力的作用下，小涡轮就相对于齿轮壳旋转一定的角度，从而使凸轮轴在60度的范围内向前或向后旋转，从而改变进气门开启的时刻，达到连续调节气门正时的目的。

当所述凸轮轴液压控制阀9动作后，柴油机的气门重叠角发生变化，由所述凸轮轴位置传感器1和所述配气相位正时传感器10测量数据并传输给所述柴油机控制计算机8进行对比是否动作到应达到的气门重叠角。

下面部分模块的作用进行进一步说明。

排气背压传感器2：用于测量船用柴油机涡轮增压器排气口处的气体压力，为背压分析提供参量。

转速传感器4：用于测量船用柴油机的转速，为柴油机计算机控制提供参量。

第一信号调理A/D转换模块6、第二信号调理A/D转换模块11：将传感器测得的信号进行放大调理，并进行数字转换，用于参数储存。

数据存储模块12：对柴油机排气管压力传感器测得的压力信号、排气接收器温度传感器测得的温度和背压分析模块分析的结果进行储存。

下面结合图2对提高柴油机可承受排气背压上限的方法中背压分析模块的处理流程进行说明。

当背压分析模块开始处理时，在步骤S100中由实际采集的温度值对应实验制定的温度—极限背压表格，选取对应的背压极限值。在步骤S101中比较实际测量的压力是否大于背压极限值。此处，若实际压力小于等于背压极限值，则在步骤S102中将背压分析模块中的计时器的值清空，然后结束本次的主程序处理。

另一方面，若实际测得的压力值大于背压极限值，则处理至步骤S103。当处理前进至步骤S103时，该步骤S103中，背压分析模块中的计时器开始计时，接着在步骤S104中判定计时时间是否大于β。此处，若计时器时间大于β，则处理前进至步骤S106，在该步骤S106中进行动作信号输出，然后结束此次的主程序处理。另一方面，当计时时间小于等于β时，进行至步骤S105。在该步骤S105中，判断实际压力与背压极限的差值是否大于α。此处，若其差值大于α则处理前进至步骤S106，在该步骤S106中进行动作信号输出，然后结束此次的主程序处理；若其差值小于等于α则处理前进至步骤S104，在步骤S104中重新判断计时时间与β大小。

本发明可根据压力波动峰值和可接受背压边界控制凸轮轴液压控制阀以减小气门重叠角提高柴油机处理高排气背压能力，使得柴油机始终稳定在高能效状态而降低柴油机冒烟和热过载可能性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种提高柴油机可承受排气背压上限的装置，其特征在于，包括：凸轮轴位置传感器、排气背压传感器、排气接收器温度传感器、转速传感器、第一信号调理A/D转换模块、第二信号调理A/D转换模块、背压分析模块、柴油机控制计算机、凸轮轴液压控制阀、配气相位正时传感器；

所述凸轮轴位置传感器安装在凸轮轴罩盖前端且对着进排气凸轮轴前端的位置，所述排气背压传感器安装在柴油机涡轮增压器的排气管内，所述排气接收器温度传感器安装在柴油机SCR系统的前侧，所述转速传感器安装在柴油机的飞轮壳上，所述配气相位正时传感器安装在排气凸轮轴上；

所述第一信号调理A/D转换模块的输入端与所述排气背压传感器连接，所述第一信号调理A/D转换模块的输出端与所述背压分析模块连接；

所述第二信号调理A/D转换模块的输入端与所述排气接收器温度传感器连接，所述第二信号调理A/D转换模块的输出端与所述背压分析模块连接；

所述柴油机控制计算机分别与所述凸轮轴位置传感器、所述转速传感器、所述背压分析模块、所述配气相位正时传感器连接；所述柴油机控制计算机与所述凸轮轴液压控制阀连接，并控制所述凸轮轴液压控制阀动作。

2.根据权利要求1所述的提高柴油机可承受排气背压上限的装置，其特征在于，还包括数据存储模块；所述数据存储模块分别与所述第一信号调理A/D转换模块的输出端、所述第二信号调理A/D转换模块的输出端、所述背压分析模块连接。

3.根据权利要求2所述的提高柴油机可承受排气背压上限的装置，其特征在于，还包括电源模块；所述电源模块为所述第一信号调理A/D转换模块、所述第二信号调理A/D转换模块、所述背压分析模块、所述数据存储模块供应所需电能。

4.根据权利要求1～3中任一所述的提高柴油机可承受排气背压上限的装置，其特征在于，所述背压分析模块中存储有温度—极限背压信息，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值；

所述背压分析模块通过所述排气接收器温度传感器获得实际温度值，并根据所述实际温度值、所述温度—极限背压信息获得标准背压上限值；

所述背压分析模块通过所述排气背压传感器获得实际背压值；

所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值判断是否满足预设的控制条件；若满足所述控制条件，则所述柴油机控制计算机控制所述凸轮轴液压控制阀动作；

所述配气相位正时传感器和所述凸轮轴位置传感器用于对所述凸轮轴液压控制阀动作到位与否进行反馈判断，所述转速传感器用于监控所述凸轮轴液压控制阀动作过程中转速是否平稳变化。

5.根据权利要求4所述的提高柴油机可承受排气背压上限的装置，其特征在于，所述控制条件为第一条件或第二条件；

判断是否满足所述第一条件为：所述背压分析模块判断所述实际背压值是否大于所述标准背压上限值，若大于，则通过所述背压分析模块内的计时器对背压值超出时间进行计时；若计时得到的第一时间大于预设的第二时间，则满足所述第一条件；

判断是否满足所述第二条件为：所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值获得第一差值，所述第一差值为所述实际背压值减去所述标准背压上限值得到的差值；若所述第一差值大于预设的第二差值，则满足所述第二条件。

6.一种提高柴油机可承受排气背压上限的方法，其特征在于，包括以下步骤：

预先以实验形式获得温度—极限背压信息，并将所述温度—极限背压信息存储在背压分析模块中，所述温度—极限背压信息为在一定温度条件下柴油机可承受排气背压的上限值；

通过排气背压传感器获得实际背压值，通过排气接收器温度传感器获得实际温度值；所述实际背压值和所述实际温度值分别经过A/D转换后传输至所述背压分析模块；

所述背压分析模块根据所述实际背压值、所述实际温度值、所述温度—极限背压信息判断是否满足预设的控制条件；

若满足所述控制条件，柴油机控制计算机控制凸轮轴液压控制阀动作；

通过凸轮轴位置传感器获得当前时间的凸轮轴位置信息、通过转速传感器获得柴油机的转速信息、通过配气相位正时传感器获得柴油机的气门重叠角；

通过所述气门重叠角和所述凸轮轴位置信息对所述凸轮轴液压控制阀动作到位与否进行反馈判断，通过所述柴油机的转速信号监控所述凸轮轴液压控制阀动作过程中转速是否平稳变化。

7.根据权利要求6所述的提高柴油机可承受排气背压上限的方法，其特征在于，所述控制条件为第一条件或第二条件；

判断是否满足所述第一条件为：所述背压分析模块判断所述实际背压值是否大于标准背压上限值，若大于，则通过所述背压分析模块内的计时器对背压值超出时间进行计时；若计时得到的第一时间大于预设的第二时间，则满足所述第一条件；

判断是否满足所述第二条件为：所述背压分析模块根据所述实际背压值和所述标准背压上限值获得第一差值，所述第一差值为所述实际背压值减去所述标准背压上限值得到的差值；若所述第一差值大于预设的第二差值，则满足所述第二条件。

8.根据权利要求6或7所述的提高柴油机可承受排气背压上限的方法，其特征在于，将所述实际背压值、所述实际温度值、所述背压分析模块的分析结果均传输至数据存储模块进行储存。

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