CN110439670A - 气缸、发动机、扫气调节装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气缸、发动机、扫气调节装置及控制方法。气缸包括缸体、活塞、扫气部和排气部，扫气部包括扫气固定部、扫气运动部和驱动部。扫气调节装置包括控制运算部，主要包括发动机信号采集部、扫气流通面积计算部和控制指令生成部，应用于控制上述气缸。控制运算部根据采集到的发动机信号确定出扫气流通面积，产生对所述扫气运动部进行运动的控制指令。本发明的技术方案通过提供可调节的扫气装置及控制方法，解决了扫气口高度不可变的问题，在排气过程中延长排气阶段，积累更多的气体膨胀做功，提升发动机热效率；在扫气过程中，使得扫气时间足够长，保证了发动机所需要的扫气效率。

Description

气缸、发动机、扫气调节装置及控制方法

技术领域

本发明实施例涉及一种船用发动机的控制技术，尤其涉及一种气缸、发动机、扫气调节装置及控制方法。

背景技术

船用发动机一般包括多个气缸，各个气缸的工作过程重要包括进气、喷油、燃烧和扫气(或称排气)这四个过程。

图1为现有技术船用低速机扫排气过程原理图，扫气过程为利用发动机气缸1燃烧后从缸盖2上方的排气部5排出的全部或大部分废气，驱动发动机上的涡轮增压器8，将涡轮增压器吸气侧9的空气压缩到高温高压状态，并经过中冷器和滴水分离器10后经单向阀11进入扫气集管15，冷却后的空气经过扫气集管15稳流后经扫气部4进入气缸1。活塞3用来控制扫气部4的开启和关闭正时，并利用扫气压力大于缸内压力的正向压差推动缸内的废气经过排气部5后汇聚到排气集管6，排气集管6内的高压高温废气进入涡轮增压器的涡轮端7，经过涡轮增压器8膨胀做功后由涡轮增压器8的废气出口排出到排气管中，完成整个扫排气过程。发动机启动或低负荷时，电力辅助风机13经过单向阀12在中冷器10后辅助提供所需的扫气空气量和压力，电机14用于为电力辅助风机13提供电力支撑。

图2a-图2e为现有技术中扫排气活塞相位图。其中，扫气部4的开启和关闭是通过活塞3相对扫气部4的运动而控制，当发动机处于膨胀冲程，活塞3相对气缸1向下运动，当活塞3上表面运动到扫气部4上沿时，此时扫气部4打开；当活塞3越过下止点，反方向向上止点运动，当活塞3上表面运动到扫气部4上沿后，此时扫气部4关闭，进气过程终止。因此，扫气部4的开启和关闭时刻相对于活塞3下止点对称。图中2a表示当排气部5开启后，此时活塞3位于扫气部4上方，此时排气阶段为强制排气阶段；随着活塞3的继续下行下止点，如图2b所示，新鲜空气经扫气部4进入气缸1，带走缸内废气，此阶段为对流排气阶段，进气的起始点为活塞头越过扫气部4上沿；当活塞3反方向上行，如图2c所示，扫气过程仍在持续；活塞继续上行，越过扫气部4后，如图2d所示，此时排气部5仍然开启，此过程的排气称为自由排气阶段；直至排气部5关闭后，整个缸内扫排气过程结束，如图2e所示。

目前，几乎所有的船用低速二冲程发动机均采用扫气口高度固定的扫气装置，在排气过程中，扫气开始时刻过早，不利于缸内废气的充分膨胀做功，减小了发动机的热效率，另一方面，此时缸内废气压力较高，可能发生缸内废气压力大于扫气压力而使得废气倒流到扫气箱中，不利于发动机的稳定运行；在扫气过程中，扫气持续时间短，有效流通面积小，缸内残余废气系数大导致扫气效果变差。

发明内容

本发明实施例提供一种气缸、发动机、扫气调节装置及控制方法，以实现在扫气和排气过程中扫气口高度的灵活变化。

第一方面，本发明实施例提供了一种气缸，包括缸体、活塞、扫气部和排气部，其中，所述扫气部包括：

扫气固定部，为开设在所述缸体壁面上的通气孔，用于供气体进入所述缸体；

扫气运动部，与所述扫气固定部临近设置，用于相对于所述扫气固定部的设定方向改变所述扫气运动部的位置，来调整所述通气孔的开口面积；

驱动部，用于控制改变所述扫气运动部的位置。

第二方面，本发明实施例还提供了一种扫气调节装置，应用于本发明任意实施例所提供的气缸；该扫气调节装置包括控制运算部；控制运算部包括发动机信号采集部、扫气流通面积计算部和控制指令生成部；发动机信号采集部包括转速检测部、负荷检测部、工作模式检测部和曲轴转角检测部；控制指令生成部包括活动气缸计算部、运动位移计算部和驱动时刻计算部；控制运算部与所述驱动部相连，以改变所述扫气运动部的位置。

第三方面，本发明实施例还提供了一种船用低速发动机，此发动机包括本发明任意实施例所提供的扫气调解装置和本发明任意实施例所提供的气缸。

第四方面，本发明实施例还提供了一种扫气调节装置的控制方法，应用于本发明任意实施例所提供的气缸并且由本发明任意实施例所提供的扫气调节装置来执行，该方法包括：

所述控制运算部根据采集到的发动机信号确定出扫气流通面积，从而产生对所述扫气运动部进行运动的控制指令。

本发明实施例的技术方案，通过应用扫气调节装置和控制方法，利用扫气固定部和扫气运动部的组合，解决了扫气口高度不可调的问题，有效提高了发动机热效率，；低负荷下能有效调节缸内过量空气系数，使得缸内过量空气系数减小，提高了发动机运行稳定性，避免发动机失火。另外，本发明实施例介绍的扫气调节装置和控制方法对发动机的改动较小，结构简单，辅助耗能低，实用性高。

附图说明

图1为现有技术中船用发动机扫排气过程原理图；

图2a-图2e为现有技术中扫排气活塞相位图；

图3a-图3e是本发明实施例一中的气缸扫排气过程原理图；

图4a-图4d是本发明实施例二中的气缸扫气部工作原理图；

图5a-图5b是本发明实施例三中的气缸扫气部工作原理图；

图6是本发明实施例四中的扫气调节装置结构示意图；

图7是本发明实施例五中的扫气调节装置控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图3a-图3e是本发明实施例一中的气缸扫排气过程原理图，如图3所示，该气缸1包括缸体、活塞3、扫气部4和排气部5。

所述扫气部4包括：扫气固定部、扫气运动部和驱动部。

其中，扫气固定部，为开设在所述缸体壁面上的通气孔，用于供气体进入所述缸体；扫气运动部，与所述扫气固定部临近设置，用于相对于所述扫气固定部的设定方向改变所述扫气运动部的位置，来调整所述通气孔的开口面积；驱动部，用于控制改变所述扫气运动部的位置。

上述气缸中，扫气固定部为沿缸体壁面下部周向布置的固定的特定形状的通气孔，材质和缸体相同，均为高强度耐磨合金铸铁。扫气运动部为相对扫气固定部沿特定方向做相应运动的活动部件，目的是随着扫气运动部和扫气固定部两者重新组合实现发动机扫气流通面积的相应变化。扫气运动部材质为合金材料或者能进一步降低其运动惯性的耐高温、耐腐蚀、不易燃、低摩擦系数的新型复合材料，如橡胶材料等。驱动部包括驱动源、位移活塞、限位器等。位移活塞的工作方式为驱动源作用在活塞的工作腔内建立压力并克服弹簧的反作用力推动活塞杆向指定方向移动，当驱动源释放后，工作腔内的压力减小，活塞在弹簧的弹力下复位到初始位置。位移活塞中的活塞杆和扫气运动部之间采用刚性连接。限位器用来监测和反馈位移活塞的运行位移，以确保位移活塞的每一次动作均能达到指定位置。本发明实施例所提供的气缸，其工作原理如图3a-图3e所示，图中3a表示当排气部5开启后，此时活塞3位于扫气部4上方，此时排气阶段为强制排气阶段，在此阶段，扫气运动部相对于扫气固定部位于初始位置，驱动部等待接收驱动指令。和图2b不同的是，当活塞3下行至扫气部4上沿附件时，本发明实施例可以有效降低扫气部4高度，如图3b所示，在此阶段，扫气运动部接受驱动部的指令相对扫气固定部进行特定方向运动以减小扫气流通面积；其次，当活塞3上行至扫气部4下沿附件时，本发明实施例可以增大扫气部4高度，如图3c所示，在此阶段，扫气运动部在驱动部的指令下相对扫气固定部进行特定方向运动以增大扫气流通面积。图3d中排气部5仍然开启，此过程的排气称为自由排气阶段，在此阶段扫气运动部和扫气固定部的相对位置不发生变化，驱动部等待复位指令。直至排气部5关闭后，整个气缸1内扫排气过程结束，如图3e所示，在此阶段扫气运动部回到相对于扫气固定部的初始位置，驱动部处于复位状态。

本实施例的技术方案通过提供扫气部高度可调节的气缸，解决了扫气部高度不可变的问题，在排气过程中延长排气阶段，积累更多的气体膨胀做功，提升发动机热效率；在扫气过程中，使得扫气时间足够长，保证了发动机所需要的扫气效率。

实施例二

图4a-图4d是本发明实施例二中的气缸扫气部工作原理图，本实施例以上述实施例为基础进行细化。如图4a所示，本实施例中，扫气固定部和扫气运动部均为沿气缸周向布置的一组特定形状的扫气孔，为方便示意和叙述，以下简称条形孔。所述扫气固定部29具体包括多个平行设置的第一条形孔，且各第一条形孔朝向所述活塞的一端的边缘具有距离差，记为长条形孔和短条形孔；如图4b所示，所述扫气运动部28为围绕在所述缸体壁面外侧的圆筒，所述圆筒上间隔开设有第二条形孔，所述圆筒绕所述缸体周向旋转。在排气位置时，所述第二条形孔与所述短条形孔的外部区域重叠，以遮挡所述第二条形孔。在扫气位置时，所述第二条形孔与所述长条形孔的开口重叠。

上述扫气部中，扫气固定部29和扫气运动部28的条形孔为矩形或圆柱状等，目的是方便条形孔的遮挡与连通以此来改变扫气流通面积。扫气固定部的29短条形孔为不开孔的实心结构，扫气运动部28的第二条形孔与扫气固定部29的上沿间距相等。扫气运动部28通过导轨架设在扫气固定部29中，并可绕气缸中心线旋转一定的位移。

通过扫气运动部28和扫气固定部29的特定组合，在排气过程中如图4c所示，扫气运动部28在驱动部27的驱动下运动到该位置，使得扫气固定部29和扫气运动部28扫气孔均被对方的实心区域所密封，达到减小图中扫气固定部29有效扫气流通面积的效果；同理在扫气过程中如图4d所示，为另一扫气固定部29和扫气运动部28组合的特定位置，此时扫气固定部29和扫气运动部28的扫气孔连通，此时有效扫气流通面积等于扫气固定部29的扫气流通面积。

本实施例的技术方案通过扫气运动部围绕缸体进行旋转，达到了扫气部高度可调的效果，针对扫气和排气过程分别实现了所需要的有效扫气流通面积相应增大和减小。

实施例三

图5a-图5b是本发明实施例三中的气缸扫气部工作原理图，和图4a-图4d中的实施方式不一样的是，本实施例中所述扫气固定部29包括多个平行设置的第三条形孔，且所述第三条形孔朝向所述活塞一端的高度相同；所述扫气运动部28为围绕在所述缸体壁面外侧的圆筒，所述圆筒沿所述缸体的轴向运动，用于在扫气位置时，打开所述第三条形孔的开口，在排气位置时，遮挡所述第三条形孔的上部。

上述扫气部中，扫气固定部29由高度相等的条形孔组成，所述条形孔为矩形或圆柱状等，对应的扫气运动部28作为扫气固定部29的挡板，结构为一圈密封的圆筒，目的是方便围绕气缸上下移动从而打开或关闭扫气固定部29的条形孔。

当气缸中的活塞上行到扫气固定部29下沿附件时，扫气运动部28在驱动部27的驱动下运动到图5a位置，使得扫气固定部29的条形孔被打开，此时有效扫气流通面积等于扫气扫气固定部29的扫气流通面积；同理当气缸中的活塞下行至扫气固定部29上沿附件时，扫气运动部28在驱动部27的驱动下运动到图5b位置，使得扫气固定部29的条形孔被关闭，达到减小图中扫气固定部29有效扫气流通面积的效果。

本实施例的技术方案通过扫气运动部沿缸体轴向运动，达到了扫气部高度可调的效果，针对扫气和排气过程分别实现了所需要的有效扫气流通面积相应增大和减小。

实施例四

图6是本发明实施例四中的扫气调节装置结构示意图，该扫气调节装置应用于上述实施例中的气缸。

如图6所示，所述装置包括控制运算部17；所述控制运算部17包括发动机信号采集部40、扫气流通面积计算部23和控制指令生成部41；所述发动机信号采集部40包括位移反馈检测部18、转速检测部19、负荷检测部20、工作模式检测部21和曲轴转角检测部22；所述控制指令生成部41包括活动气缸计算部24、运动位移计算部25和驱动时刻计算部26。所述控制运算部17与上述实施例中气缸的驱动部27相连，以改变所述扫气运动部28的位置。其中：

控制运算部17，用于根据发动机的工作参数产生驱动部的控制指令；

发动机信号采集部40，用于从发动机控制系统中采集主机转速、负荷、工作模式和曲轴转角的信号；

位移反馈检测部18，用于接收扫气固定部29上的限位器给出的位移反馈信号；

转速检测部19，用于检测发动机的转速信号；

负荷检测部20，用于检测负荷信号；

工作模式检测部21，用于检测发动机的运行模式；

曲轴转角检测部22，用于检测发动机曲轴转角信号；

扫气流通面积计算部23，用于根据所述主机转速、负荷、工作模式和曲轴转角的信号确定出扫气流通面积；

控制指令生成部41，用于根据扫气流通面积产生对所述驱动部27的控制指令；

活动气缸计算部24，用于计算出当前是否有气缸处于活动曲轴转角区间内；

运动位移计算部25，用于计算出扫气运动部28的运动位移；

驱动时刻计算部26，用于计算出活动气缸驱动部27的驱动时刻。本发明实施例提供的扫气调节装置通过先采集发动机工作信号，然后确定出有效的扫气流通面积从而产生对驱动部的控制指令，扫气运动部在驱动部的驱动下运动到指定位置。扫气固定部上的限位器给出位移反馈信号到位移反馈检测部，控制运算部将反馈信号输出到发动机控制系统，供发动机控制系统监测、安保、优化使用。

本实施例的技术方案针对发动机不同的工作过程计算出所需的有效扫气流通面积，根据扫气流通面积改变对应工作模式下的扫气部的高度，解决了气缸扫气部高度不可调的问题，实现了在扫气和排气过程中扫气部高度的灵活变化。

实施例五

图7是本发明实施例五中的扫气调节装置控制方法流程图。此方法应用于本发明实施例任一所述的气缸，由上述扫气调节装置来执行，本实施例的方法具体包括如下步骤：

步骤S12、发动机信号采集部采集信号；

其中，发动机信号采集部从发动机控制系统采集发动机转速、负荷、工作模式以及曲轴转角信号，并将0-360度曲轴转角的2个曲轴转角区间(A-B，C-D)定义为扫气运动部的活动曲轴转角区间，上述2个曲轴转角区间(A-B，C-D)可经控制运算部通过获得的发动机运行参数动态调整(A’-B’，C’-D’)。

步骤S14、扫气流通面积计算部确定出有效的扫气流通面积；

其中，扫气流通面积计算部根据采集到的发动机工作信号确定出有效的扫气流通面积。

步骤S16、控制指令生成部产生对驱动部控制指令；

其中，根据有效扫气流通面积，活动气缸计算部判断设定工作模式下的活动气缸，计算出当前是否有气缸处于活动曲轴转角(A-B，C-D)区间内；运动位移计算部计算出扫气运动部的运动位移；驱动时刻计算部计算出活动气缸驱动部的驱动时刻；控制运算部输出上述的运动位移信号到相应气缸的驱动部。

步骤S18、驱动部驱动扫气运动部；

其中，驱动部接受指令后驱动对应气缸的扫气运动部到达指定位置。上述2个曲轴转角区间活动区间(A-B，C-D)，在A-B曲轴转角内，驱动部驱动扫气运动部从0运动到上述运动位移X；在C-D曲轴转角内，驱动部驱动扫气运动部从上述运动位移X运动到Y，Y可为0-X之间的任一值。

步骤S20、判断位移是否达到指定位置；

其中，根据运动位移计算部输出的运动位移，扫气固定部上的限位器判断扫气运动部是否到了指定位置。

步骤S22、反馈位移信号到位移反馈检测部；

其中，扫气固定部上的限位器给出位移反馈信号到位移反馈检测部。控制运算部将反馈信号输出到发动机控制系统，供发动机控制系统监测、安保、优化使用。

本实施例的技术方案通过控制运算部根据采集到的发动机信号确定出扫气流通面积，然后产生对所述扫气运动部进行运动的控制指令，实现了发动机扫气部高度的灵活变化，减小了发动机气缸废气系数，有效提高了发动机的热效率和运行稳定性。

上述实施例中提供的气缸、发动机、扫气调节装置可执行本发明任意实施例所提供的扫气调节装置控制方法，具备执行该方法相应的功能模块和有益效果。未在上述实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的扫气调节装置控制方法。

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，本发明不限于这里所述的特定实施例，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)

1.一种气缸，包括缸体、活塞、扫气部和排气部，其特征在于，所述扫气部包括：

扫气固定部，为开设在所述缸体壁面上的通气孔，用于供气体进入所述缸体；

扫气运动部，与所述扫气固定部临近设置，用于相对于所述扫气固定部的设定方向改变所述扫气运动部的位置，来调整所述通气孔的开口面积；

驱动部，用于控制改变所述扫气运动部的位置。

2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于：

所述扫气固定部包括多个平行设置的第一条形孔，且各第一条形孔朝向所述活塞的一端的边缘具有距离差，记为长条形孔和短条形孔；

所述扫气运动部为围绕在所述缸体壁面外侧的圆筒，所述圆筒上间隔开设有第二条形孔，所述圆筒绕所述缸体周向旋转，在旋转到扫气位置时，所述第二条形孔与所述长条形孔的开口重叠，在旋转到排气位置时，所述第二条形孔与所述短条形孔的外部区域重叠，以遮挡所述第二条形孔。

3.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于：

所述扫气固定部包括多个平行设置的第三条形孔，且所述第三条形孔朝向所述活塞一端的高度相同；

所述扫气运动部为围绕在所述缸体壁面外侧的圆筒，所述圆筒沿所述缸体的轴向运动，用于在扫气位置时，打开所述第三条形孔的开口，在排气位置时，遮挡所述第三条形孔的上部。

4.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述驱动部的驱动源采用液压油、压缩空气或电机；每个气缸设有一套位移活塞和限位器，作为所述驱动部。

5.一种扫气调节装置，其特征在于，应用于控制权利要求1-4任一所述的至少一个气缸；所述装置包括控制运算部；所述控制运算部包括发动机信号采集部、扫气流通面积计算部和控制指令生成部；所述发动机信号采集部包括位移反馈检测部、转速检测部、负荷检测部、工作模式检测部和曲轴转角检测部；所述控制指令生成部包括活动气缸计算部、运动位移计算部和驱动时刻计算部；所述控制运算部与所述驱动部相连，以改变所述扫气运动部的位置。

6.根据权利要求5所述的扫气调节装置，其特征在于，所述控制运算部具体用于当检测到活塞下行时，控制减小所述扫气流通面积；当检测到活塞上行时，控制增大所述扫气流通面积。

7.一种船用低速发动机，其特征在于，包括：

权利要求5-6任一所述的扫气调节装置；

权利要求1-4任一所述的至少一个气缸。

8.一种扫气调节装置的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述的气缸，由权利要求5或6所述的扫气调节装置来执行，所述方法包括：

所述控制运算部根据采集到的发动机信号确定出扫气流通面积，产生对所述扫气运动部进行运动的控制指令。

9.根据权利要求8所述的扫气调节装置控制方法，其特征在于，所述控制运算部根据采集到的发动机信号确定出扫气流通面积包括：

所述发动机信号采集部，从发动机控制系统中采集主机转速、负荷、工作模式和曲轴转角的信号；

所述扫气流通面积计算部根据所述主机转速、负荷、工作模式和曲轴转角的信号确定出扫气流通面积。

10.根据权利要求8所述的扫气调节装置控制方法，其特征在于，产生对所述扫气运动部进行运动的控制指令包括：

所述活动气缸计算部根据所述扫气流通面积，判断设定工作模式下的活动气缸；

所述运动位移计算部确定扫气运动部的运动位移；

所述驱动时刻计算部用于计算所述驱动部的驱动时刻，其中，所述运动位移和所述驱动时刻作为所述控制指令。