CN112780402A - 一种大功率船用柴油机多点次序补气装置及补气方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种大功率船用柴油机多点次序补气装置及补气方法，高压缩气源通过补气中冷器分别连接A列集气腔和B列集气腔，A列进气总管和B列进气总管之间通过进气连通管相通，A列排气总管和B列排气总管通过排气连通管相通，受控涡轮增压器的涡轮与排气连通管之间设置废气阀，受控涡轮增压器的压气机与进气连通管之间设置空气阀，高压缩气源与补气中冷器之间设置总补气阀，废气阀、空气阀和总补气阀连接控制单元。本发明采用集气腔连接到各进气歧管，采用高压喷射嘴使补充空气更快速集中，喷气的能量损失较低，补气效果较好，显著地解决了大功率船用相继增压柴油机动态过程进气不足的问题，实现了对空气的快速响应以及空气量的需求。

Description

一种大功率船用柴油机多点次序补气装置及补气方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是船用柴油机进排气装置及控制方法。

背景技术

相继增压柴油机的基本原理是：增压柴油机采用多台增压器,随着转速和负荷的增长,涡轮增压器相继投入运行,达到增压器和柴油机的最佳匹配,使得柴油机在整个运行区域内有较高的增压比和较好的经济性。然而在柴油机相继增压切换过程中，空气阀会迟于废气阀打开，导致在增压器切换的瞬态过程进气量明显不足，除此之外，在柴油机突然加速或加载时，由于喷油量突然增加，而各缸进气存在迟滞现象，导致动态过程进气量不足。针对发动机动态过程进气响应慢的问题需及时补气。如果采用在进气总管补气，由于发动机功率较高，尺寸大，从增压器出口到各个气缸之间的距离差别较大，从而导致各缸气体分配的不均匀性，同时容易产生迟滞效应，而且由于各缸工作顺序不同，无法满足定时定量地针对发动机不同工况进行补气。

现阶段对于相继增压柴油机的补气装置的研究仍然有很多不足，补气的响应速度以及补气的均匀性都对补气效果有很大的影响。专利CN 203035338 U发明了具有补气功能的相继增压结构，该结构只是将高压缩气源与两进气总管间的连通管相连，使得补充空气到各缸的行程较长，容易造成补气能量的损失，补气效果较差；且由于各气缸位置的不同，补充空气通过进气总管到达各气缸时的压力波动较大，无法满足各气缸补气的均匀性。专利CN 103016139 A发明了柴油机相继增压补气装置及补气方法，该发明设计的补气分配器只能将补充空气分配到各气杠，并不能根据各缸的工作顺序以及配气相位独立地控制补气，无法满足定时定量低进行补气。专利CN 103790694 A发明了相继增压柴油机加气系统及其加气方法，该发明利用加气装置分别向基本压气机的蜗壳和另一侧排气管喷气，增加切换过程柴油机的进气量，但此方法由于补气位置与气缸距离较远，会导致补气响应较慢，无法实现快速补气。

发明内容

本发明的目的在于提供能解决动态过程进气响应慢以及进气量不足的问题，以及在进气总管补气导致各缸气体分配不均匀，无法定时定量补气等问题的一种大功率船用柴油机多点次序补气装置及补气方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种大功率船用柴油机多点次序补气装置，其特征是：包括基本涡轮增压器、受控涡轮增压器、A列气缸、B列气缸、高压缩气源，基本涡轮增压器的压气机通过A列中冷器连接A列集气腔，A列集气腔连接A列气缸，基本涡轮增压器的涡轮通过A列排气总管连接A列气缸，受控涡轮增压器的压气机通过B列中冷器连接B列集气腔，B列集气腔连接B列气缸，受控涡轮增压器的涡轮通过B列排气总管连接B列气缸，高压缩气源通过补气中冷器分别连接A列集气腔和B列集气腔，A列进气总管和B列进气总管之间通过进气连通管相通，A列排气总管和B列排气总管通过排气连通管相通，受控涡轮增压器的涡轮与排气连通管之间设置废气阀，受控涡轮增压器的压气机与进气连通管之间设置空气阀，高压缩气源与补气中冷器之间设置总补气阀，废气阀、空气阀和总补气阀连接控制单元。

本发明一种大功率船用柴油机多点次序补气装置还可以包括：

1、A列集气腔通过A列喷射阀连接A列补气管，A列补气管伸入其对应的A列进气歧管里至A列进气阀之前，A列补气管端部安装高压喷嘴，B列集气腔通过B列喷射阀连接B列补气管，B列补气管伸入其对应的B列进气歧管里至B列进气阀之前，B列补气管端部安装高压喷嘴，所有A列喷射阀和B列喷射阀均分别连接控制单元。

2、A列集气腔的容积为A列补气管进气流量的100-105倍，B列集气腔的容积为B列补气管进气流量的100-105倍。

本发明一种大功率船用柴油机多点次序补气方法，其特征是：相继增压柴油机在运行过程中，安装在曲轴上的转速传感器实时检测柴油机转速，当转速传感器检测到当前转速变化率n大于或等于目标转速变化率Δn时，柴油机处于加速加载的动态过程；若检测到n小于Δn，则通过安装在废气阀上的传感器实时检测废气阀是否开启，若检测到废气阀没有开启，此时发动机不进行补气，则继续回到检测曲轴转速的状态；若检测到废气阀开启时，相继增压柴油机将要进行增压器的切入过程；在柴油机处于加速加载以及增压器切换这两类动态过程运行时，柴油机会出现进气不足的现象，此时补气装置介入来解决动态过程进气不足的问题：首先开启总补气阀，让高压缩空气进入到A列集气腔、B列集气腔中，装在两侧进气总管的压力传感器检测进气压力，通过速度密度法判断此时的进气量，进而确定进入各缸的实际进气量，之后根据测得的实时转速变化率n确定各缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定所需进气量，再减去各缸的实际进气量，从而确定需要补充的空气量，再根据喷射阀的流量特性确定了喷射脉宽，之后确定补气装置中各喷射阀的补气顺序和补气正时，以及补气装置停止工作的时间，通过上止点传感器，当检测到到某一气缸中活塞最先处于进气门开启时的配气相位上止点前a°CA时，该气缸进气门开启，此时开启对应的喷射阀，之后按预先设定的喷射脉宽关闭对应的喷射阀，此时判断是否所有气缸完成了补气，若没有完成，则按照气缸工作顺序确定下个对应的气缸，在该气缸活塞处于进气门开启的配气相位时，再对其喷射阀进行相应的控制；当所有气缸都完成补气时，关闭总补气阀，补气装置暂停工作；之后判断柴油机是否停止运行，若柴油机未停止工作，则重新对曲轴转速以及废气阀状态进行实时检测，确保下次柴油机进气不足时重新启用补气装置对柴油机进行补气，直到柴油机停止工作，补气流程结束。

本发明的优势在于：本发明采用集气腔连接到各气缸的进气歧管，集气腔容积大于单次喷气量的100倍，使得各缸补气过程互不干扰；同时该装置采用高压喷射嘴使补充空气更快速集中地喷射到各缸进气门处，喷气的能量损失较低，补气效果较好。并且该补气装置可以与控制系统相配合，通过采集柴油机转速，上止点，进气总管压力等信号，可以实时检测发动机的运行状态，并根据运行状态通过单独控制每个补气的喷射阀进而控制补气装置的具体运行模式。从而更加显著地解决了大功率船用相继增压柴油机动态过程进气不足的问题，实现了对空气的快速响应以及空气量的需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为进气歧管内部补气装置的结构示意图；

图3为补气管与一个气缸的位置关系图；

图4为高压喷嘴剖视图；

图5为补气方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，图1为带有补气装置的相继增压柴油机总结构图。其中相继增压柴油机基本组成包括在发动机A列气缸一侧的A列进气总管2、基本涡轮增压器3、A列排气总管4、A列中冷器1、A列气缸17(A1,A2,A3,A4,A5,A6)；在B列气缸一侧包括B列进气总管6、受控涡轮增压器7、B列排气总管8、废气阀5、空气阀9、B列中冷器10、B列气缸13(B1,B2,B3,B4,B5,B6)。补气系统包括高压缩气源16、总补气阀15、补气中冷器14、集气腔11、两列控制进入连接各气缸进气歧管的喷射阀12(A1阀～A6阀，B1阀～B6阀)，以及控制单元18组成。

基本涡轮增压器与A列气缸相连，受控涡轮增压器与B列气缸相连。在高压气源中存储高压空气，与补气总管的一端相连，补气总管上装有中冷器，在中冷器的另一端装有分叉管与两集气腔相连，集气腔可以暂时存储补充的空气，每个集气腔上装有与气缸数量相对应的补气管，分别与进气歧管相连，在每个补气管上都装有喷射阀，控制各缸补气的开关以及喷射脉宽。在进气歧管中，补气管弯曲深入到离进气门较近的位置，并在补气管上装有高压喷嘴，喷嘴的喷口对准各缸的进气门。在发动机上装有曲轴转角和上止点传感器，用于检测发动机转速和相位；在两列进气总管中装有压力传感器，在废气阀上装有检测废气阀开关状态的传感器。传感器将发动机的运行状态实时传入到控制单元，控制系统根据发动机的具体工况来控制补气装置的运行。所述的一种大功率船用柴油机多点次序补气装置，其特征主要在于：该补气装置通过检测发动机运行时的各参数进而确定相继增压柴油机的运行状态，并在柴油机的不同工况下，起动对应的补气装置与柴油机的工作模式进行匹配，在柴油机进气响应慢以及进气量不足的情况下，通过控制喷射阀，以及利用深入到进气歧管的喷射嘴，将高压空气快速喷射到各缸的进气门处，实现对空气快速响应和空气量的需求。

采用集气腔来暂时存储高压空气，集气腔的容积大于单次喷气量的100倍，避免喷气过程中集气腔内压力波动导致的各缸循环补气量的波动和各缸干扰问题。

在集气腔上，每个补气管19与进气歧管间都装有独立的喷射阀12，以便根据各气缸的工作顺序以及喷气正时单独对每个气缸进行补气。

集气腔上的每个补气管19弯曲深入到进气歧管中，并在补气管19上装有喷射嘴20，该喷射嘴20腔内采用较细的管径设计，长度较短且喷嘴喷口的位置与气缸较近，且对准进气门21，高压空气射流直接穿过进气门和气门座之间的间隙直接进入气缸，实现快速进气和避免高速喷气射流的能量损失，实现快速补气。

采用电控单元，根据柴油机转速、上止点、废气阀状态和进气总管压力等信号，实时判断发动机的运行状态，实现定时定量补气。

本发明设计的一种用于相继增压柴油机的多点高压空气喷射补气装置通过与相继增压柴油机的工作过程相配合，进而实现在发动机进气不足时对装置进行补气。图2和图3分别是进气歧管内部补气装置的三维结构图和补气管与一个气缸的位置关系图。集气腔11的容积大于补气管19容积的100倍，在每一补气管进行补气时，可保证集气腔内气体的压力波动无明显变化，使得进气管补气过程互不影响，避免了直接在补气总管补气造成补气过程压力存在波动，保证了补气的统一性。在每个补气管上都装有喷射阀12，通过与控制单元相连，可以对每个喷射阀单独控制，从而实现对每个气缸定时定量地补气。喷气管弯曲深入到进气歧管中，且深入位置与气缸的进气门位置较近，使得喷气行程较短，补气压力损失较小,避免直接在进气总管补气造成补充的空气到各缸流动的路径距离过长，从而造成补气能量损失过多。在喷气管尾部装有高压喷嘴20，其内部剖视图如图4所示，高压喷嘴的内部长度较短，且内径采用由大到小的平滑过渡的设计，使得喷出气体的压力损失较小，喷射速度更快，延迟较低，且喷嘴的喷射方向对准进气门处，保证了补气位置的准确性。

图5为补气装置控制流程图。本发明同时介绍了一种大功率船用柴油机多点次序补气方法。具体控制流程为：相继增压柴油机在运行过程中，安装在曲轴上的转速传感器实时检测发动机转速，当转速传感器检测到当前转速变化率n大于目标转速变化率Δn时，说明柴油机处于突然加速加载的动态过程；若检测到n小于Δn，则通过安装在废气阀上的传感器实时检测废气阀是否开启，若检测到废气阀没有开启，说明此时发动机不需要进行补气，则继续回到检测曲轴转速的状态；若检测到废气阀开启时，说明相继增压柴油机将要进行增压器的切入过程。在柴油机处于加速加载以及增压器切换这两类动态过程运行时，柴油机会出现进气不足的现象，此时需要补气装置介入来解决动态过程进气不足的问题。首先开启总补气阀，让高压缩空气进入到两侧的集气腔中。装在两侧进气总管的压力传感器检测进气压力，通过速度密度法判断此时的进气量，进而确定进入各缸的实际进气量。之后根据测得的实时转速变化率n确定各缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定所需进气量，再减去各缸的实际进气量，从而确定了需要补充的空气量，再根据喷射阀的流量特性确定了喷射脉宽。之后需要确定补气装置中各喷射阀的补气顺序和补气正时，以及补气装置停止工作的时间。通过上止点传感器，当检测到到某一气缸中活塞最先处于进气门开启时的配气相位上止点前a°CA时，说明该气缸进气门开启，此时开启对应的喷射阀，之后按预先设定的喷射脉宽关闭对应的喷射阀。此时判断是否所有气缸完成了补气，若没有完成，则按照气缸工作顺序确定下个对应的气缸，在该气缸活塞处于进气门开启的配气相位时，再对其喷射阀进行相应的控制。当所有气缸都完成补气时，关闭总补气阀，补气装置暂停工作。之后需要判断柴油机是否停止运行，若柴油机未停止工作，则需要重新对曲轴转速以及废气阀状态进行实时检测，确保下次发动机进气不足时可以重新启用补气装置对发动机进行补气，直到柴油机停止工作，补气流程自动结束。

Claims (4)

1.一种大功率船用柴油机多点次序补气装置，其特征是：包括基本涡轮增压器、受控涡轮增压器、A列气缸、B列气缸、高压缩气源，基本涡轮增压器的压气机通过A列中冷器连接A列集气腔，A列集气腔连接A列气缸，基本涡轮增压器的涡轮通过A列排气总管连接A列气缸，受控涡轮增压器的压气机通过B列中冷器连接B列集气腔，B列集气腔连接B列气缸，受控涡轮增压器的涡轮通过B列排气总管连接B列气缸，高压缩气源通过补气中冷器分别连接A列集气腔和B列集气腔，A列进气总管和B列进气总管之间通过进气连通管相通，A列排气总管和B列排气总管通过排气连通管相通，受控涡轮增压器的涡轮与排气连通管之间设置废气阀，受控涡轮增压器的压气机与进气连通管之间设置空气阀，高压缩气源与补气中冷器之间设置总补气阀，废气阀、空气阀和总补气阀连接控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种大功率船用柴油机多点次序补气装置，其特征是：A列集气腔通过A列喷射阀连接A列补气管，A列补气管伸入其对应的A列进气歧管里至A列进气阀之前，A列补气管端部安装高压喷嘴，B列集气腔通过B列喷射阀连接B列补气管，B列补气管伸入其对应的B列进气歧管里至B列进气阀之前，B列补气管端部安装高压喷嘴，所有A列喷射阀和B列喷射阀均分别连接控制单元。

3.根据权利要求2所述的一种大功率船用柴油机多点次序补气装置，其特征是：A列集气腔的容积为A列补气管进气流量的100-105倍，B列集气腔的容积为B列补气管进气流量的100-105倍。

4.一种大功率船用柴油机多点次序补气方法，其特征是：相继增压柴油机在运行过程中，安装在曲轴上的转速传感器实时检测柴油机转速，当转速传感器检测到当前转速变化率n大于或等于目标转速变化率Δn时，柴油机处于加速加载的动态过程；若检测到n小于Δn，则通过安装在废气阀上的传感器实时检测废气阀是否开启，若检测到废气阀没有开启，此时发动机不进行补气，则继续回到检测曲轴转速的状态；若检测到废气阀开启时，相继增压柴油机将要进行增压器的切入过程；在柴油机处于加速加载以及增压器切换这两类动态过程运行时，柴油机会出现进气不足的现象，此时补气装置介入来解决动态过程进气不足的问题：首先开启总补气阀，让高压缩空气进入到A列集气腔、B列集气腔中，装在两侧进气总管的压力传感器检测进气压力，通过速度密度法判断此时的进气量，进而确定进入各缸的实际进气量，之后根据测得的实时转速变化率n确定各缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定所需进气量，再减去各缸的实际进气量，从而确定需要补充的空气量，再根据喷射阀的流量特性确定了喷射脉宽，之后确定补气装置中各喷射阀的补气顺序和补气正时，以及补气装置停止工作的时间，通过上止点传感器，当检测到到某一气缸中活塞最先处于进气门开启时的配气相位上止点前a°CA时，该气缸进气门开启，此时开启对应的喷射阀，之后按预先设定的喷射脉宽关闭对应的喷射阀，此时判断是否所有气缸完成了补气，若没有完成，则按照气缸工作顺序确定下个对应的气缸，在该气缸活塞处于进气门开启的配气相位时，再对其喷射阀进行相应的控制；当所有气缸都完成补气时，关闭总补气阀，补气装置暂停工作；之后判断柴油机是否停止运行，若柴油机未停止工作，则重新对曲轴转速以及废气阀状态进行实时检测，确保下次柴油机进气不足时重新启用补气装置对柴油机进行补气，直到柴油机停止工作，补气流程结束。

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