CN109323283B - 一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧稳定性控制技术领域，公开一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统及方法，该控制系统包括主扫气单元、辅扫气单元、主排气单元、辅排气单元、采集单元和控制单元。该控制方法包括采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数，控制单元根据检测到的燃烧状态参数，判断燃烧缸内过量空气系数是否需要增大或减小，若判断过量空气系数需要增大，控制单元控制启动辅扫气单元，若判断过量空气系数需要减小，控制单元控制启动辅排气单元。本发明通过实时调整缸内过量空气系数，改善了双燃料机气体模式下的燃烧稳定性，提升了双燃料机的工作性能，节省了船舶的整体燃料消耗量，降低了运行成本。

Description

一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统及方法

技术领域

本发明涉及燃烧稳定性控制技术领域，尤其涉及一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统及方法。

背景技术

双燃料机凭借着良好的燃料适应性、经济性以及气体模式下燃烧清洁性等特点正在逐步取代传统柴油机。缸内混合气的过量空气系数是控制气体预混燃烧过程的关键参数之一，过量空气系数越小，则燃烧速率越快，容易产生自燃和爆震等不正常燃烧现象，缸内过量空气系数越大，则容易导致失火和循环热效率降低。因此，双燃料发动机气体模式下需要运行在合适的过量空气系数范围内。

当前技术方案是，采用轴流式涡轮增压器，配合排气阀正时和废气旁通阀调节缸内过量空气系数。然而，缸内的可燃混合气燃烧仍然不可控，部分燃气在引燃油喷射之前即发生自燃。同时，缸内燃气燃烧速率受环境温度影响较大，当环境温度较高时，涡轮增压器效率降低，缸内过量空气系数降低，缸内燃烧速率加速，最大爆压和压升率对主机的正常运行造成挑战。中低负荷下，采用废气旁通方式降低了发动机的循环热效率，增大了燃气消耗量。

综上，现有的技术方案下，双燃料机额定负荷下燃烧稳定性难以满足燃气预混燃烧稳定性要求，中低负荷下采用废气旁通方式增大了发动机能耗，增加持续运行成本支出。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提供一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统及方法，改善双燃料机气体模式下的燃烧稳定性。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，包括：

主扫气单元，所述主扫气单元的进口端连通外界，出口端连接有扫气集管；

辅扫气单元，所述辅扫气单元的进口端连接所述主扫气单元，出口端连接所述扫气集管；

主排气单元，所述主排气单元的进口端连接有排气集管，出口端连通外界；

辅排气单元，所述辅排气单元的进口端与所述排气集管连接；

采集单元，所述采集单元能够测得燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；

控制单元，分别与所述主扫气单元、所述辅扫气单元、所述主排气单元、所述辅排气单元和所述采集单元电连接，所述控制单元能够根据所述可燃混合气的燃烧状态参数控制所述辅扫气单元和所述辅排气单元。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的优选方案，所述辅排气单元包括废气动力涡轮和辅排气阀，所述废气动力涡轮的进口端通过所述辅排气阀与所述排气集管连接，出口端连通外界。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的优选方案，还包括回收发电单元，所述回收发电单元包括发电机组，所述发电机组由所述废气动力涡轮驱动发电，所发电能供所述辅扫气单元使用。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的优选方案，所述主扫气单元包括涡轮增压器、主空冷器和主扫气阀，所述涡轮增压器包括同轴连接的涡轮和压气机，所述涡轮进口端与所述主排气单元的出口端连接，废气经由所述涡轮出口端排出，所述压气机的进口端连通外界，所述压气机的出口端连接所述主空冷器的进口端，所述主空冷器的出口端通过所述主扫气阀与所述扫气集管连接，所述辅扫气单元的进口端与所述主空冷器连接。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的优选方案，所述辅扫气单元包括鼓风机和辅扫气阀，所述鼓风机的进口端通过所述辅扫气阀与所述主扫气单元连接，所述鼓风机的出口端与所述扫气集管连接。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的优选方案，所述鼓风机的出口端通过辅空冷器与所述扫气集管连接，所述鼓风机连接有驱动电机。

一种燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，应用于本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统控制燃烧，该方法包括以下步骤：

所述采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；

所述控制单元根据检测到的燃烧状态参数，判断燃烧缸内过量空气系数是否需要增大或减小；

若判断所述过量空气系数需要增大，所述控制单元控制启动所述辅扫气单元；

若判断所述过量空气系数需要减小，所述控制单元控制启动所述辅排气单元。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法的优选方案，所述控制单元存储了所述燃烧状态参数的预设范围；若检测到的燃烧状态参数小于所述预设范围的最小值，则判断所述过量空气系数需要减小；若检测到的燃烧状态参数大于所述预设范围的最大值，则判断所述过量空气系数需要增大。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法的优选方案，在启动所述辅扫气单元或所述辅排气单元之前，还包括检查燃气量和引燃油定时是否正常的步骤；若检查正常，才启动述辅扫气单元或辅排气单元；若检查不正常，则先检查燃气阀压力和脉宽，并调整燃气阀参数和引燃油定时直到正常。

作为本发明的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法的优选方案，所述燃烧状态参数为爆压。

本发明的有益效果为：

本发明提出的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统通过采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数，根据此燃烧状态参数通过控制单元控制辅扫气单元和辅排气单元的工作状态，能够实时调整缸内过量空气系数，改善了双燃料机气体模式下的燃烧稳定性，提升了双燃料机的工作性能。通过辅排气单元、回收发电单元和辅扫气单元完成废气的回收再利用，节省了船舶整体燃料消耗量，降低了运行成本。

本发明提出的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法通过采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；控制单元根据检测到的燃烧状态参数，判断燃烧缸内过量空气系数是否需要增大或减小，相应地控制启动辅扫气单元或辅排气单元，能够实时调整缸内过量空气系数，改善了双燃料机气体模式下的燃烧稳定性，提升了双燃料机的工作性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式提供的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统的示意图；

图2是本发明具体实施方式提供的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法的流程示意图。

图中：

11-涡轮增压器；12-主空冷器；13-主扫气阀；

21-鼓风机；22-辅扫气阀；23-辅空冷器；24-驱动电机；

41-废气动力涡轮；42-辅排气阀；

7-扫气集管；8-排气集管；91-发电机组；92-电站。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施方式提供一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，该控制系统包括主扫气单元、辅扫气单元、主排气单元、辅排气单元、回收发电单元、采集单元和控制单元。

其中，主扫气单元的进口端连通外界，出口端连接有扫气集管7。一般情况下，燃烧缸内的空气主要通过与燃烧缸相连的扫气集管7经由主扫气单元进入。主排气单元的进口端连接有排气集管8，出口端连通外界。一般情况下，燃烧缸内的废气主要通过与燃烧缸相连的排气集管8经由主排气单元排出。

具体的，主扫气单元包括涡轮增压器11、主空冷器12和主扫气阀13。涡轮增压器11包括同轴连接的涡轮和压气机，涡轮进口端与主排气单元的出口端连接，废气经由涡轮出口端排出，压气机的进口端连通外界，压气机的出口端连接主空冷器12的进口端，主空冷器12的出口端通过主扫气阀13与扫气集管7连接，辅扫气单元的进口端与主空冷器12连接。通过排气集管8经由主排气单元排出的废气，作为涡轮增压器11动力源，为增压提供动力，完成废气能量的回收再利用，提升了发动机功率和循环热效率。

辅扫气单元的进口端连接主扫气单元，出口端连接扫气集管7。在主扫气单元的支路上设置有辅扫气单元，用于增大缸内过量空气系数。辅扫气单元包括鼓风机21、辅扫气阀42和辅空冷器23，鼓风机21的进口端通过辅扫气阀42与主空冷器12连接，鼓风机21的出口端通过辅空冷器23与扫气集管7连接。优选地，适当优化鼓风机21叶轮设计，提高设计工况点的压头，增大鼓风机21马达额定功率，并增加变频器控制鼓风机21转速。

鼓风机21连接有驱动电机24，驱动电机24与回收发电单元连接，完成废气能量的回收再利用，降低了运行成本。更为具体的，回收发电单元包括发电机组91和电站92，发电机组91的输入端与废气动力涡轮41连接，输出端与电站92连接，电站92能够为辅扫气单元提供电力，完成废气能量的回收再利用，降低了运行成本。

辅排气单元的进口端连接排气集管8，出口端连接有回收发电单元，回收发电单元能够为辅扫气单元提供电力。在主排气单元的支路上设置有辅排气单元，用于减小缸内过量空气系数。辅排气单元包括废气动力涡轮41和辅排气阀22，废气动力涡轮的进口端通过辅排气阀22与排气集管8连接，出口端连通外界，废气动力涡轮的输出端与回收发电单元连接。

采集单元能够测得缸内可燃混合气的燃烧状态参数。需要说明的是，采集单元包括缸压传感器、爆震传感器、扫气温度传感器、扫气压力传感器、排气温度传感器、排气压力传感器和排气氧浓度传感器。

控制单元分别与主扫气单元、辅扫气单元、主排气单元、辅排气单元和采集单元电连接，控制单元能够根据可燃混合气的燃烧状态参数控制辅扫气单元和辅排气单元。

通过采集单元测得缸内可燃混合气的燃烧状态参数，根据此燃烧状态参数通过控制单元控制辅扫气单元和辅排气单元的工作状态，能够实时调整缸内过量空气系数，改善了双燃料机气体模式下的燃烧稳定性，提升了双燃料机的工作性能。

通过辅排气单元、回收发电单元和辅扫气单元完成废气的回收再利用，节省了船舶整体燃料消耗量，降低了运行成本。

本实施例提供的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统工作时的具体步骤如下：

首先，采用仿真软件MAP和试验标定分析满足双燃料机燃烧稳定性所需要的可燃混合气的燃烧状态参数范围，标定稳定运行的参考可燃混合气燃烧的燃烧状态参数范围。

其次，根据采集单元测得实时缸内可燃混合气的燃烧状态参数，控制单元对该可燃混合气的燃烧状态参数进行分析和判断，通过可燃混合气的燃烧状态参数与参考范围作比较，判断当前缸内过量空气系数是否需要增大、保持不变或减小。

最后，根据上述判断结果，若需要增大缸内过量空气系数，则控制单元控制打开辅扫气阀22和鼓风机21，并能够调整鼓风机21的功率；若需要减小缸内过量空气系数，则控制单元控制打开辅排气阀42和废气动力涡轮41，并能够调整废气动力涡轮41的功率；若需要保持缸内过量空气系数不变，则辅扫气阀22和辅排气阀42均关闭，鼓风机21和废气动力涡轮41均处于不工作状态。

本实施方式还提供一种燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，该控制方法包括以下步骤：

采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；

控制单元根据检测到的燃烧状态参数，判断燃烧缸内过量空气系数是否需要增大或减小；

若判断过量空气系数需要增大，控制单元控制启动辅扫气单元；

若判断过量空气系数需要减小，控制单元控制启动辅排气单元。

具体的，控制单元存储了燃烧状态参数的预设范围；若检测到的燃烧状态参数小于预设范围的最小值，则判断过量空气系数需要减小；若检测到的燃烧状态参数大于预设范围的最大值，则判断过量空气系数需要增大。

在启动辅扫气单元或辅排气单元之前，还包括检查燃气量和引燃油定时是否正常的步骤；若检查正常，才启动上述辅扫气单元或辅排气单元；若检查不正常，则先检查燃气阀压力和脉宽，并调整燃气阀参数和引燃油定时直到正常。需要说明的是，燃气量和引燃油定时分别通过发动机控制系统检测的燃气阀压力信号、电磁阀脉宽信号和引燃油电磁阀信号得到。

更为具体的，燃烧状态参数为爆压。

本实施例提供了该控制方法的流程示意图，如图2所示，燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数选取为爆压，通过缸压传感器和爆震传感器检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧爆压，采用MAP仿真软件分析满足双燃料机燃烧稳定性所需要的爆压范围，标定稳定运行的爆压范围作为控制单元存储的预设范围。

将燃烧缸内可燃混合气的爆压与爆压预设范围作比较，若爆压小于预设范围的最小值，且燃气量和引燃油定时均正常，则采用第一工作模式，减小缸内的过量空气系数；若燃气量和引燃油定时非正常，则检查燃气阀压力和脉宽并调整燃气阀参数和引燃油定时，再次确定燃气量和引燃油定时是否正常。

若爆压位于预设范围内，则采用第二工作模式，保持缸内的过量空气系数不变。

若爆压大于预设范围的最大值，且燃气量和引燃油定时均正常，则采用第三工作模式，增大缸内的过量空气系数；若燃气量和引燃油定时非正常，则检查燃气阀压力和脉宽并调整燃气阀参数和引燃油定时，再次确定燃气量和引燃油定时是否正常。

如图2所示，该方法的具体步骤如下：

S1、测得缸内可燃混合气的爆压，并基于MAP标定稳定运行的爆压预设范围；

S2、判断爆压是否大于预设范围的最大值，若是，则执行S3；若否，则执行S6。

S3、判断燃气量和引燃油定时是否正常，若是，则执行S4；若否，则执行S5。

S4、执行第三工作模式，增大过量空气系数。

S5、检查燃气阀压力和脉宽，并调整燃气阀参数和引燃油定时，返回S3。

S6、判断爆压是否小于预设范围的最小值，若是，则执行S7；若否，则执行S10。

S7、判断燃气量和引燃油定时是否正常，若是，则执行S8；若否，则执行S9。

S8、执行第一工作模式，减小过量空气系数。

S9、检查燃气阀压力和脉宽，并调整燃气阀参数和引燃油定时，返回S7。

S10、执行第二工作模式，保持过量空气系数不变。

需要说明的是，当运行第一工作模式时，减小缸内的过量空气系数可采取的措施包括：辅排气单元开启工作状态，控制单元控制辅排气单元的辅排气阀的开度，额外增大废气的排出量。

当运行第二工作模式时，保持缸内的过量空气系数不变，即辅排气单元和辅扫气单元均处于不工作状态。

当运行第三工作模式时，增大缸内的过量空气系数可采取的措施包括：辅扫气单元开启工作状态，控制单元控制辅扫气单元的辅扫气阀42的开度，增大鼓风机21的功率，额外增大空气的流入量。

本发明通过实时调整缸内过量空气系数，改善了双燃料机气体模式下的燃烧稳定性，提升了双燃料机的工作性能，完成废气的回收再利用，节省了船舶整体燃料消耗量，降低了运行成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，包括：

主扫气单元，所述主扫气单元的进口端连通外界，出口端连接有扫气集管(7)；

辅扫气单元，所述辅扫气单元的进口端连接所述主扫气单元，出口端连接所述扫气集管(7)；

主排气单元，所述主排气单元的进口端连接有排气集管(8)，出口端连通外界；

辅排气单元，所述辅排气单元的进口端与所述排气集管(8)连接；

回收发电单元，与所述辅排气单元的出口端连接，所述回收发电单元能够为所述辅扫气单元提供电力；

采集单元，所述采集单元能够测得燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；

控制单元，分别与所述主扫气单元、所述辅扫气单元、所述主排气单元、所述辅排气单元、所述回收发电单元和所述采集单元电连接，所述控制单元能够根据所述可燃混合气的燃烧状态参数控制所述辅扫气单元、所述辅排气单元和所述回收发电单元。

2.根据权利要求1所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，所述辅排气单元包括废气动力涡轮(41)和辅排气阀(42)，所述废气动力涡轮(41)的进口端通过所述辅排气阀(42)与所述排气集管(8)连接，出口端连通外界。

3.根据权利要求2所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，所述回收发电单元包括发电机组(91)，所述发电机组(91)由所述废气动力涡轮(41)驱动发电，所发电能供所述辅扫气单元使用。

4.根据权利要求1所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，所述主扫气单元包括涡轮增压器(11)、主空冷器(12)和主扫气阀(13)，所述涡轮增压器(11)包括同轴连接的涡轮和压气机，所述涡轮进口端与所述主排气单元的出口端连接，废气经由所述涡轮出口端排出，所述压气机的进口端连通外界，所述压气机的出口端连接所述主空冷器(12)的进口端，所述主空冷器(12)的出口端通过所述主扫气阀(13)与所述扫气集管(7)连接，所述辅扫气单元的进口端与所述主空冷器(12)连接。

5.根据权利要求1所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，所述辅扫气单元包括鼓风机(21)和辅扫气阀(22)，所述鼓风机(21)的进口端通过所述辅扫气阀(22)与所述主扫气单元连接，所述鼓风机(21)的出口端与所述扫气集管(7)连接。

6.根据权利要求5所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统，其特征在于，所述鼓风机(21)的出口端通过辅空冷器(23)与所述扫气集管(7)连接，所述鼓风机(21)连接有驱动电机(24)。

7.一种燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任一所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制系统控制燃烧，该方法包括以下步骤：

所述采集单元检测燃烧缸内可燃混合气的燃烧状态参数；

所述控制单元根据检测到的燃烧状态参数，判断燃烧缸内过量空气系数是否需要增大或减小；

若判断所述过量空气系数需要增大，所述控制单元控制启动所述辅扫气单元；

若判断所述过量空气系数需要减小，所述控制单元控制启动所述辅排气单元。

8.根据权利要求7所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，其特征在于，所述控制单元存储了所述燃烧状态参数的预设范围；若检测到的燃烧状态参数小于所述预设范围的最小值，则判断所述过量空气系数需要减小；若检测到的燃烧状态参数大于所述预设范围的最大值，则判断所述过量空气系数需要增大。

9.根据权利要求8所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，其特征在于，在启动所述辅扫气单元或所述辅排气单元之前，还包括检查燃气量和引燃油定时是否正常的步骤；若检查正常，才启动所述辅扫气单元或所述辅排气单元；若检查不正常，则先检查燃气阀压力和脉宽，并调整燃气阀参数和引燃油定时直到正常。

10.根据权利要求7所述的燃烧缸的燃烧稳定性控制方法，其特征在于，所述燃烧状态参数为爆压。

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