CN112196664B - 一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，应用于低速二冲程双燃料柴油机，该柴油机包括控制系统，该控制系统根据采集到的转速信号和扭矩信号，对柴油机运行的负荷状况进行判断，从而得出该负荷状况下的扫气压力参考设定值和扫气温度参考值，所述控制系统再通过将采集到的扫气温度与该扫气温度参考值进行比较，然后对所述扫气压力参考设定值进行相应补偿，并最终输出扫气压力设定值的指令，以使柴油机的单位时间内扫气量与预设值保持一致。本发明能够针对柴油机扫气温度的变化，对扫气压力设定值实时进行动态补偿，使单位时间内扫气量和空燃比与预设值保持一致，从而达到了确保柴油机运行性能良好，延长柴油机寿命的效果。

Description

一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法
技术领域
本发明涉及一种应对柴油机扫气温度变化的扫气压力补偿方法，具体涉及到一种低速二冲程双燃料柴油机应对扫气温度变化的扫气压力设定值补偿方法，属于柴油机技术领域。
背景技术
低速二冲程双燃料柴油机在燃气模式运行过程中，在不同负荷状况下对柴油机单位时间内扫气量或空燃比相对比较敏感，也即要求柴油机在不同工况下的单位时间内扫气量或空燃比与设计期望值基本保持一致。
对于传统的低速柴油机来说，为了柴油机在不同负荷状况下保证空燃比或单位时间内扫气量，通常的作法是：1)在柴油机控制程序中规定各负荷状况下扫气压力的设定值；2)给出柴油机各负荷状况下扫气温度的参考值。其中，柴油机扫气压力设定值是通过控制柴油机废气旁通开度来实现的，而柴油机扫气温度参考值仅作为柴油机运行时的参考，或作为柴油机调整的一个目标参考值。
然而，在船舶运行过程中由于外部环境因素或柴油机本身原因，柴油机的实际扫气温度很难与期望参考值保持一致，那么此时该负荷状况下单位时间内扫气量或空燃比将会偏离设计期望值。对于传统的低速双燃料柴油机来说，由柴油机扫气温度变化而造成的单位时间内扫气量与空燃比的变化是可以接受的；而对于低速二冲程双燃料柴油机来说，由于其对单位时间内扫气量或空燃比相对比较敏感，这样的变化就可能导致柴油机燃烧状况恶化，从而影响柴油机性能以及燃烧室零部件的寿命。
因此，对于低速二冲程双燃料柴油机来说，为了保证柴油机在不同负荷状况下单位时间内扫气量或空燃比保持不变，就需要根据柴油机的实际扫气温度情况，对该负荷状况下的扫气压力设定值进行相应的补偿，以确保柴油机能够正常运行。
发明内容
本发明提出了一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，即根据柴油机的实际扫气温度值，对在该负荷状况下的扫气压力设定值进行实时补偿，使在该负荷状况下的单位时间内扫气量与设计值保持一致，也即该负荷状况下的空燃比与设计值保持一致，以确保柴油机燃烧状况正常和柴油机性能良好，延长燃烧室零部件的寿命。
根据柴油机热力学原理，柴油机的单位时间内扫气量为：
Figure GDA0003388684960000011
Figure GDA0003388684960000025
当
Figure GDA0003388684960000021
时，
F(t)为常数，
Figure GDA0003388684960000022
当
Figure GDA0003388684960000023
时，
Figure GDA0003388684960000024
式中，
Qt为单位时间内扫气量，单位为kg/s；
Se为扫气箱的有效扫气面积，单位为cm2，其中，Se仅与柴油机结构有关，当柴油机机型结构确定后，Se值也就确定了；
F(t)为扫气箱内扫气空气质量流量函数；
Ps为扫气箱内扫气压力，单位为bar，Ps由控制系统最终输出的扫气压力设定值Pse决定，与柴油机的扫气压力设定值Pse一致；
Pe为气缸内压力值，单位为bar；
Tsm为扫气温度，单位为℃；
g为重力加速度，单位为m/s2；
R为废气气体常数，单位为kJ/kgK；
Ks为空气常数。
从上述柴油机的单位时间内扫气量Qt的计算过程中，我们可以发现，在柴油机结构确定的情况下，某一负荷状况下的柴油机的单位时间内扫气量Qt仅与柴油机扫气箱内扫气空气质量流量函数F(t)，扫气箱内扫气压力Ps以及柴油机扫气温度Tsm有关，而扫气箱内扫气空气质量流量函数F(t)仅与扫气温度Tsm有关。因此，柴油机的单位时间内扫气量Qt仅与扫气箱内扫气压力Ps以及扫气温度Tsm有关。
基于上述原理，本发明所采取的技术方案如下：
一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，应用于低速二冲程双燃料柴油机，该柴油机包括飞轮、扫气箱和控制系统Cs；其特征在于：所述的柴油机的控制系统Cs根据采集到的柴油机的转速信号Vs和扭矩信号Te，对柴油机运行的负荷状况进行判断，从而得出该负荷状况下的扫气压力参考设定值Psref和扫气温度参考值Tsref，所述控制系统Cs再通过将采集到的扫气温度Tsm与该扫气温度参考值Tsref进行比较，然后对所述扫气压力参考设定值 Psref进行相应补偿，并最终输出扫气压力设定值Pse的指令，以使柴油机的单位时间内扫气量Qt与预设值保持一致；
所述的控制系统对所述扫气压力参考设定值进行补偿并输出扫气压力设定值依据下列计算过程进行：
Figure GDA0003388684960000031
Figure GDA0003388684960000036
当
Figure GDA0003388684960000032
时，
F(t)为常数，
Figure GDA0003388684960000033
当
Figure GDA0003388684960000034
时，
Figure GDA0003388684960000035
其中，
Qt为单位时间内扫气量，单位为kg/s，
Se为扫气箱的有效扫气面积，仅由柴油机结构唯一确定，单位为cm2，
F(t)为扫气箱内扫气空气质量流量函数，
Ps为扫气箱内扫气压力，单位为bar，与控制系统输出的扫气压力设定值Pse数值一致，
Pe为气缸内压力值，单位为bar，
Tsm为扫气温度，单位为℃，
g为重力加速度，单位为m/s2，
R为废气气体常数，单位为kJ/kgK，
Ks为空气常数。
所述的转速信号Vs由转速传感器采集并输入所述柴油机的控制系统，该转速传感器安装于所述柴油机的飞轮上。
所述的扭矩信号Te台架试验时由水力测功器采集并输入所述柴油机的控制系统Cs，船舶航行时由轴功率机采集并输入所述柴油机的控制系统Cs。
所述的扫气温度Tsm由安装于所述柴油机的扫气箱上的温度传感器采集并输入所述柴油机的控制系统Cs。
所述的柴油机运行的负荷状况包括所述柴油机运行的实时转速和实时功率。
与传统的柴油机扫气量控制装置或方法相比，本发明的主要优点在于：
1.本发明能够针对柴油机扫气温度的变化，对柴油机扫气压力设定值实时进行有效的动态补偿，即，柴油机的扫气压力设定值能够随着柴油机扫气温度的变化进行动态调节。
2.本发明不需要额外增加相关测试设备或装置，仅需对柴油机控制系统内的控制程序进行相应的修改。
3.本发明避免了由于柴油机扫气温度变化，而造成柴油机单位时间内扫气量或空燃比与设计值存在较大偏差。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图中，
Vs为转速信号，Te为扭矩信号，Psref为扫气压力参考设定值，Tsref为扫气温度参考值， Tsm为扫气温度，Pse为扫气压力设定值，Cs为控制系统，Sw为控制程序。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细的说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。凡依据本说明书的内容所做的等效变化及修改，都应属于本发明申请要求保护的技术范围。
本发明应用于低速二冲程双燃料柴油机，该柴油机包括飞轮、扫气箱和控制系统Cs，该控制系统Cs内置有控制程序Sw。所述应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法根据柴油机的实际扫气温度值，对扫气压力设定值进行实时补偿，使单位时间内扫气量和空燃比与预设值保持一致，从而达到确保柴油机运行性能良好，延长柴油机寿命的效果。
请参阅图1，所述柴油机的转速信号Vs，由柴油机本身的转速传感器采集并输入柴油机的控制系统Cs；一般来说，所述转速传感器安装在所述柴油机的飞轮上。
所述柴油机的扭矩信号Te，在车间台架试验时由水力测功器采集并输入柴油机的控制系统Cs，在船舶航行中由轴功率机采集并输入柴油机的控制系统Cs。
所述柴油机的扫气温度Tsm，由安装在柴油机的扫气箱上的温度传感器采集并输入柴油机的控制系统Cs。
所述柴油机的单位时间内扫气量Qt，是指在某负荷状况下单位时间内通过扫气箱的空气量，则根据柴油机热力学原理，
Figure GDA0003388684960000051
Figure GDA0003388684960000056
当
Figure GDA0003388684960000052
时，
F(t)为常数，
Figure GDA0003388684960000053
当
Figure GDA0003388684960000054
时，
Figure GDA0003388684960000055
其中，
Qt为单位时间内扫气量，单位为kg/s；
Se为扫气箱的有效扫气面积，单位为cm2，其中，Se仅与柴油机结构有关，当柴油机机型结构确定后，Se值也就确定了；
F(t)为扫气箱内扫气空气质量流量函数；
Ps为扫气箱内扫气压力，单位为bar，Ps由控制系统最终输出的扫气压力设定值Pse决定，与柴油机的扫气压力设定值Pse一致；
Pe为气缸内压力值，单位为bar；
Tsm为扫气温度，单位为℃；
g为重力加速度，单位为m/s2；
R为废气气体常数，单位为kJ/kgK；
Ks为空气常数。
从上述柴油机的单位时间内扫气量Qt的计算过程中，我们可以发现，在柴油机结构确定的情况下，某一负荷状况下柴油机的单位时间内扫气量Qt仅与柴油机扫气箱内扫气空气质量流量函数F(t)，柴油机扫气压力Ps以及柴油机扫气温度Tsm有关，而柴油机的扫气箱内扫气空气质量流量函数F(t)仅与柴油机的扫气温度Tsm有关；因此，柴油机的单位时间内扫气量Qt仅与柴油机的扫气压力Ps以及柴油机的扫气温度Tsm有关。
也就是说，在柴油机单位时间内扫气量Qt、扫气压力参考设定值Psref以及扫气温度参考值Tsref已经确定的情况下，柴油机的控制系统Cs可以根据实测的柴油机的扫气温度Tsm，对柴油机的扫气压力值Ps进行补偿，以使柴油机实际的单位时间内扫气量Qt与预设值保持一致，同时柴油机的空燃比与预设值保持一致，从而确保柴油机运行良好。
因此本发明所述应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法的技术方案为：
所述柴油机的控制系统Cs根据采集到的柴油机的转速信号Vs和扭矩信号Te，对柴油机运行的负荷状况进行判断，从而得出该负荷状况下的扫气压力参考设定值Psref和扫气温度参考值Tsref，所述控制系统Cs再通过将采集到的扫气温度Tsm与该扫气温度参考值Tsref进行比较，然后对所述扫气压力参考设定值Psref进行相应补偿，并最终输出扫气压力设定值Pse 的指令，以使柴油机的单位时间内扫气量Qt与预设值保持一致。
本发明要求保护的范围不仅限于上述实施例，也应包括其他不经过创造性劳动即能获得的显而易见的等效变换和替代方案。

Claims (5)

1.一种应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，应用于低速二冲程双燃料柴油机，该柴油机包括飞轮、扫气箱和控制系统；其特征在于：所述的柴油机的控制系统根据采集到的柴油机的转速信号和扭矩信号，对柴油机运行的负荷状况进行判断，从而得出该负荷状况下的扫气压力参考设定值和扫气温度参考值，所述控制系统再通过将采集到的扫气温度与该扫气温度参考值进行比较，然后对所述扫气压力参考设定值进行相应补偿，并最终输出扫气压力设定值的指令，以使柴油机的单位时间内扫气量与预设值保持一致；
所述的控制系统对所述扫气压力参考设定值进行补偿并输出扫气压力设定值依据下列计算过程进行：
Figure FDA0003388684950000011
Πs＝Ps/Pe；
当
Figure FDA0003388684950000012
时，
F(t)为常数，
Figure FDA0003388684950000013
当
Figure FDA0003388684950000014
时，
Figure FDA0003388684950000015
其中，
Qt为单位时间内扫气量，单位为kg/s，
Se为扫气箱的有效扫气面积，仅由柴油机结构唯一确定，单位为cm2，
F(t)为扫气箱内扫气空气质量流量函数，
Ps为扫气箱内扫气压力，单位为bar，与控制系统输出的扫气压力设定值Pse数值一致，
Pe为气缸内压力值，单位为bar，
Tsm为扫气温度，单位为℃，
g为重力加速度，单位为m/s2，
R为废气气体常数，单位为kJ/kgK，
Ks为空气常数。
2.根据权利要求1所述的应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，其特征在于：所述的转速信号由转速传感器采集并输入所述柴油机的控制系统，该转速传感器安装于所述柴油机的飞轮上。
3.根据权利要求1所述的应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，其特征在于：所述的扭矩信号台架试验时由水力测功器采集并输入所述柴油机的控制系统，船舶航行时由轴功率机采集并输入所述柴油机的控制系统。
4.根据权利要求1所述的应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，其特征在于：所述的扫气温度由安装于所述柴油机的扫气箱上的温度传感器采集并输入所述柴油机的控制系统。
5.根据权利要求1所述的应对扫气温度变化的扫气压力补偿方法，其特征在于：所述的柴油机运行的负荷状况包括所述柴油机运行的实时转速和实时功率。
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