CN111255602B - 可调补气装置及其起动、加速、加载控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调补气装置及其起动、加速、加载控制方法，包括空压机，空压机接入空气瓶，空压机和空气瓶之间设置有安全阀；压力传感器用于检测空气瓶和补气瓶内的压力数据，补气瓶和空气瓶之间设置有气水分离器和补气阀，补气瓶和柴油机连接，补气瓶和柴油机之间设置有变径调节阀；空压机对气动马达补气，气动马达起动柴油机；ECU控制元件接受柴油机的转速和扭矩信号并对空压机、压力传感器、气动马达、减压阀、变径调节阀控制。本发明通过添加补气瓶，满足柴油机在不同瞬变工况下对气量的需求、改善瞬态性能，兼顾气动马达等设备的耗气需求，且不会出现抢气等负面影响。实时满足柴油机每次瞬变工况下的实际耗气需求。

Description

可调补气装置及其起动、加速、加载控制方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体地，涉及一种可调补气装置及其起动、加速、加载控制方法。

背景技术

大功率、中高速柴油机由于涡轮增压器的瞬态响应迟滞等原因，在瞬变工况下往往都会面临起动时间长、加速加载缓慢、冒烟严重、动力性变差等问题。虽然在高压共轨技术、电子控制系统日益发达后，通过优化喷油策略、精细控制电子管理系统等技术，可以改善柴油机在瞬变工况的下的油气匹配问题。但在起动阶段、突加转速或突加扭矩时，为了匹配相应输出功，柴油机在油量输出已经做出反应后，其新鲜空气供应不足的本质问题仍未解决，因此对于柴油机在瞬变工况下缸内燃烧不充分、冒烟严重、动力指标降低等问题依然十分突出。

为了柴油机的瞬态性能，在优化喷油策略等控制方法后，对于仍然不满足起动或加速加载等瞬态性能情况，往往采用补气的技术方案，而对于补气方法则主要分为两种，即补气瓶补气和采用电力涡轮增压装置。对于补气瓶补气的技术方案，其主要思路为从空气瓶引气，经过减压阀后直接将新鲜空气补入柴油机前进气箱或者中冷器前，从而可以实现柴油机在起动、加速和加载等瞬变过程中新鲜空气不足、冒烟严重、动力性指标降低等问题。但是对于采用气动马达起动的柴油机，在柴油机吹车、起动等过程已经消耗掉大量空气，此时再通过空气瓶引气进行补气，可能存在抢气、空气量不足以及补气压力、流量不可调的风险，这不利于持续有效的改善柴油机的瞬变性能，也对整机的布置方案、空气瓶的能力提出了更高的要求。

对于采用电力涡轮增压装置的技术方案，目前主流的技术路线为直接选用电力涡轮增压器代替传统的涡轮增压器，或者重新选用一套较小规格的电力涡轮增压装置作为临时补气方案，上述方案虽然均可以改善柴油机的瞬态性能，但对于成熟机型，考虑采用电力涡轮增压器取代传统涡轮增压器的改造成本和供气能力，采用电力增压补气装置所带来的成本增加和布置难度，上述两种技术路线在气侧供应的实现、补气的优化效果以及成本控制上仍有较大的进步空间。

因此，需要一种布置简单、补气压力可调又成本可控的补气装置，以改善柴油机的瞬态性能。

目前，在改善柴油机瞬态性能方面，主流的技术方案无法实现补气压力的实时可调，且改造成本较大，对于柴油机的布置也提出了更高的需求，具体如下：

对于采用补气瓶补气的技术方案，虽然可以实现柴油机在起动、加速和加载等瞬变过程中新鲜空气不足、冒烟严重、加速加载缓慢等问题。但是对于采用气动马达起动的柴油机，在柴油机吹车、起动等过程已经消耗掉大量空气，此时再通过空气瓶引气进行补气时，可能存在抢气、气量不足以及补气压力不可调的风险，这不利于持续有效的改善柴油机的瞬变性能，也对整机的布置方案、空气瓶的能力提出了更高的要求。

而对于采用电力涡轮增压装置的技术方案，目前主流的技术路线为直接选用电力涡轮增压器代替传统的涡轮增压器，或者重新选用一套较小规格的电力涡轮增压装置作为临时补气方案，上述两种方案虽然均可以改善大功率、中高速柴油机的瞬态性能，但对于成熟机型，考虑采用电力涡轮增压器的改造成本和供气能力，采用电力增压补气装置所带来的成本增加和布置难度，上述两种技术路线在实现、优化效果以及成本控制上仍有较大的进步空间。

本发明提供了一种柴油机的可调补气装置及其控制方法，用于解决大功率、中高速柴油机起动时间长、加速和加载缓慢、动力性指标低、冒烟严重等瞬态性能问题，属于发动机技术领域。该发明可以在柴油机起动过程、加速和加载等瞬变过程，根据柴油机所需新鲜气量的实际需求，在线调整补气压力、补气流量、补气时间等关键参数，实现油、气混合的最优匹配，从本质上解决柴油机在瞬变工况下空气供应不足、动力性指标降低和冒烟严重等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柴油机的可调补气装置及其起动、加速、加载控制方法。

根据本发明提供的一种柴油机的可调补气装置，包括空压机、安全阀、压力传感器、空气瓶、气动马达、ECU控制元件、柴油机、气水分离器、减压阀、补气瓶以及变径调节阀，其中：

空压机接入空气瓶，空压机和空气瓶之间设置有安全阀；

压力传感器用于检测空气瓶和补气瓶内的压力数据，并将压力数据传输到ECU控制元件上；

补气瓶和空气瓶之间设置有气水分离器和补气阀，空气瓶依次通过气水分离器和补气阀对补气瓶补气；

补气瓶和柴油机连接，补气瓶和柴油机之间设置有变径调节阀；

空压机对气动马达补气，气动马达起动柴油机；

ECU控制元件接受柴油机的转速和扭矩信号并对空压机、压力传感器、气动马达、减压阀、变径调节阀控制。

优选地，空气瓶设置有第一气压阈值，空气瓶内气压低于第一气压阈值时，ECU控制元件控制空压机对空气瓶充气；

补气瓶设置有第二气压阈值，补气瓶内气压低于第二气压阈值时，ECU控制元件开起减压阀对补气瓶补气。

本发明还提供一种基于上述可调补气装置的起动控制方法，包括如下步骤：

起动控制步骤：ECU控制元件收到柴油机的起动指令，依次给出气动马达控制信号、喷油信号；

起动判断步骤：ECU控制元件判断柴油机起动转速控制信号是否满足起动要求，若判断结果为是，则不发送指令；若判断结果为否，则调整喷油信号，并进入变径调节阀控制步骤；

变径调节阀控制步骤：ECU控制元件给变径调节阀发送变径调节阀控制信号。

优选地，所述变径调节阀控制信号包括调整变径调节阀的阀径、开启和关闭时间。

本发明还提供一种基于上述可调补气装置的加速、加载控制方法，包括如下步骤：

转速/扭矩判断步骤：ECU控制元件收到柴油机的加速、加载信号，判断柴油机的转速幅度和扭矩幅度的变化是否超过设定值，若判断结果为是，则进入变径调节阀调整步骤，若判断结果为否，则不执行动作；

变径调节阀调整步骤：ECU控制元件确定变径调节阀的阀门开启时间、结束时间以及阀门开启直径。

优选地，所述设定值包括转速幅度设定值A0和扭矩幅度设定值B0。

优选地，所述设定值包括多级转速幅度设定值A0、A1、A2···An和多级扭矩幅度设定值B0、B1、B2···Bn，其中n表示级数。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明通过在空气瓶后添加补气瓶，可以满足柴油机在不同瞬变工况下对气量的需求、改善瞬态性能，兼顾气动马达等设备的耗气需求，且不会出现抢气等负面影响；

2.本发明通过空压机、空气瓶、减压阀、补气瓶、ECU控制元件等零部件的有效组合，可以实时满足柴油机每次瞬变工况下的实际耗气需求；

3.本发明通过对气动马达、喷油器和变径调节阀等关键参数的有效控制，可以实现起动过程油气混合的最佳匹配，满足大功率、中高速柴油机日益提高的起动性能指标要求；

4.本发明通过在补气瓶后添加变径调节阀，可以实现补气压力、补气流量和补气时间的在线多级实时调节，可以同时满足不同的瞬态性能需求、实现最优的油气匹配策略，包括起动过程、柴油机变工况下的突加转速、突加扭矩等过程；

5.本发明通过添加补气瓶、减压阀、变径调节阀等零部件，在不对整机做任何改造的同时，兼顾柴油机瞬态性能，改造成本低且补气装置安装、布置简单。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为柴油机可调补气装置示意图；

图2为空气瓶、补气瓶空气压力控制方法流程图；

图3为柴油机起动过程补气控制方法流程图；

图4为柴油机加速加载等瞬态过程的补气控制方法流程图。

图中示出：

1.空压机、2.安全阀、3.压力传感器、4.空气瓶、5.气动马达、6ECU控制元件；

7.柴油机、8.气水分离器、9.减压阀、10.补气瓶、11.变径调节阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种压力可调的补气装置及补气方法,可以根据柴油机所需新鲜气量的实际需求，在线调整补气压力、补气流量等关键参数，实现油、气混合的最优匹配，从本质上解决柴油机在瞬变工况下空气供应不足、动力性指标降低和冒烟严重等问题。具体的，如图1至图4所示，根据本发明提供的一种柴油机的可调补气装置及控制方法，包括空压机1、安全阀2、压力传感器3、空气瓶4、气动马达5、ECU控制元件6、柴油机7、气水分离器8、减压阀9、补气阀10、变径调节阀11。其中：空气瓶4前连接安全阀2和空压机1，空气瓶4的压力通过压力传感器3将空气瓶4的实时压力传输到ECU控制元件6上。空气瓶4的压力维持在一定范围，比如20～30bar，在空气瓶4压力低于设定值时，可以通过ECU控制元件6开启空压机1进行补气。空气瓶4后连接气动马达5，且气动马达5的实时转速信号、柴油机7的转速和扭矩信号、变径调节阀11的管径控制信号、以及补气瓶10的实时压力均通讯到ECU控制元件6，并通过ECU控制元件6给出调节指令。补气瓶10可以在满足气动马达5等耗气零部件的正常使用需求的同时，兼顾柴油机7瞬态性能的补气需求。补气瓶10前连接有气水分离器8和减压阀9，补气瓶10的压力维持在一定范围，比如10～15bar，在补气瓶10压力低于设定值时，通过ECU控制元件6发出指令，直接从空气瓶4对补气瓶10补气，以保证柴油机各瞬态工况下不同的瞬态气量需求，如图2所示。补气瓶8后连接变径调节阀11，在不同负荷下，柴油机7将转速和扭矩信号给到ECU控制元件6，并通过ECU控制元件6发出指令，对是否补气、变径调节阀11调整幅度和补气时间作出响应。

本发明提供的一种柴油机的可调补气控制方法，柴油机在起动初期，增压器基本处于不工作状态，为了满足柴油机起动指标、实现瞬时转速的快速增加，根据喷油器的实时油量、喷油轨压和喷油正时等策略的变化，通过调整变径调节阀的阀径、开启和关闭时间，实现补气压力、补气耗量的在线调节。而随着柴油机功率密度、起动性能要求的日益增加，对起动目标转速、起动时间的要求也越来越高，此时存在优化喷油策略后仍然不满足起动指标的情况。对于起动指标要求较高的柴油机，其起动过程控制方法如图3所示。当柴油机7给出起动指令后，首先需通过ECU控制元件6让气动马达5做出响应，其次给出喷油信号，包括喷油量、喷油轨压和喷油正时的控制策略，最后对变径调节阀11的开启和结束时间、通径大小等发出指令，以满足柴油机高起动指标下的性能需求。

柴油机在加速、加载过程中，可以根据喷油策略、目标转速和目标负荷的变化，实现补气压力、补气流量和补气时间的实时可调。以柴油机第一级加载28％负荷，二级加载57％负荷，三级加载100％负荷为例，由于每次加载时负载的变化，柴油机的喷油策略、所需气量和补气时间均有差异，此时通过调整变径调节阀的阀径、开启和关闭时间等参数，使每次加速和加载过程的油、气充分混合，以满足瞬变工况需求。结合附图4详细说明：在稳态工况下，柴油机的涡轮增压器能够提供足够的空气流量，可以实现柴油机的动力、经济、排放等指标。但在柴油机的加速、加载过程中，由于增压器响应迟滞，突加负荷时油量的快速增加、气量响应的延迟会导致缸内燃烧不充分、柴油机冒烟严重。当柴油机7发出加速、加载信号后，根据ECU控制单元6判断设定转速和目标负荷的变化，当突加负荷不小于B0或者突加转速不小于A0时，通过控制信号实时调整变径调节阀11开启时间、结束时间和通径大小，可以在线调整实际补气时间和补气耗量，从而可以保证突加转速或突加负荷时空气侧的迅速响应，进而优化缸内燃烧不充分、瞬态性能差等问题。另外，根据加速、加载次数，在实施阶段，可以将突加转速、突加负荷设为多级，比如突加转速不小于A0、A1、A2···，突加负荷不小于B0、B1、B2···，但相应地，ECU控制信号6需提前根据设定加速、加载幅度，对变径调节阀11的补气时间、通径大小发出相应的控制指令。

本发明是解决柴油机起动时间长、在瞬变工况下加速加载缓慢、动力指标低、冒烟严重等问题的最佳方案，在兼顾柴油机瞬态性能的同时，能够实现补气压力、补气流量的多次、多级在线调节，不会出现抢气、补气压力和补气流量不可控等问题，且成本可控、安装和布置简单。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种可调补气装置，其特征在于，包括空压机、安全阀、压力传感器、空气瓶、气动马达、ECU控制元件、柴油机、气水分离器、减压阀、补气瓶以及变径调节阀，其中：

空压机接入空气瓶，空压机和空气瓶之间设置有安全阀；

压力传感器用于检测空气瓶和补气瓶内的压力数据，并将压力数据传输到ECU控制元件上；

补气瓶和空气瓶之间设置有气水分离器和补气阀，空气瓶依次通过气水分离器和补气阀对补气瓶补气；

补气瓶和柴油机连接，补气瓶和柴油机之间设置有变径调节阀；

空压机对气动马达补气，气动马达起动柴油机；

ECU控制元件接受柴油机的转速和扭矩信号并对空压机、压力传感器、气动马达、减压阀、变径调节阀控制；

空气瓶设置有第一气压阈值，空气瓶内气压低于第一气压阈值时，ECU控制元件控制空压机对空气瓶充气；

补气瓶设置有第二气压阈值，补气瓶内气压低于第二气压阈值时，ECU控制元件开起减压阀对补气瓶补气；

柴油机将转速和扭矩信号给到ECU控制元件。

2.一种基于权利要求1任一项所述的可调补气装置的起动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

起动控制步骤：ECU控制元件收到柴油机的起动指令，依次给出气动马达控制信号、喷油信号；

起动判断步骤：ECU控制元件判断柴油机起动转速控制信号是否满足起动要求，若判断结果为是，则不发送指令；若判断结果为否，则调整喷油信号，并进入变径调节阀控制步骤；

变径调节阀控制步骤：ECU控制元件给变径调节阀发送变径调节阀控制信号。

3.根据权利要求2所述的可调补气装置的起动控制方法，其特征在于，所述变径调节阀控制信号包括调整变径调节阀的阀径、开启和关闭时间。

4.一种基于权利要求1任一项所述的可调补气装置的加速、加载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

转速/扭矩判断步骤：ECU控制元件收到柴油机的加速、加载信号，判断柴油机的转速幅度和扭矩幅度的变化是否超过设定值，若判断结果为是，则进入变径调节阀调整步骤，若判断结果为否，则不执行动作；

变径调节阀调整步骤：ECU控制元件确定变径调节阀的阀门开启时间、结束时间以及阀门开启直径。

5.根据权利要求4所述的可调补气装置的加速、加载控制方法，其特征在于，所述设定值包括转速幅度设定值A0和扭矩幅度设定值B0。

6.根据权利要求4所述的可调补气装置的加速、加载控制方法，其特征在于，所述设定值包括多级转速幅度设定值A0、A1、A2···An和多级扭矩幅度设定值B0、B1、B2···Bn，其中n表示级数。