CN113864041B

CN113864041B - 基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法及其实施装置

Info

Publication number: CN113864041B
Application number: CN202111163363.3A
Authority: CN
Inventors: 杨名洋; 马泽泰; 邓康耀; 石磊; 崔毅; 张琨
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: CN113864041A

Abstract

一种柴油机技术领域的基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法及其实施装置，功率恢复方法包括以下步骤：利用涡轮流量公式计算得出涡前压力；利用涡轮能量公式计算得出涡轮所能提供的能量；利用涡轮与压气机之间的能量平衡公式与压气机效率公式，结合计算求出电动压气机后压力和电动压气机后实际温度；利用能量公式计算出电动压气机所需要的能量；根据计算得出的电动压气机所需要的能量值，通过变频电机对电动压气机转速进行调节。在本发明中，电动压气机串接在低压级，当柴油机处于高排气背压的环境时，根据排气背压调节驱动电机转速，提高进气压力，以达到在高排气背压下柴油机进气量的补充，从而可以实现柴油机功率的恢复。

Description

基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法及其实施装置

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机技术领域的功率恢复方法及其实施装置，特别是一种带有变频电机的基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法及其实施装置。

背景技术

自50年代以来，柴油机因其功率范围大、燃油消耗率低、维修简单方便、可靠性高，被广泛运用于船舶主动力及船用发电等领域。在水下工作的特殊工况时，由于柴油机排气管处于海平面以下一定深度，柴油机面临着高排气背压的环境，且通常最高背压范围可高达1.65bar～1.85bar左右。

研究显示，高背压环境对柴油机功率特性产生严重影响。当排气背压从1.0bar增加至1.65bar时，柴油机输出功率大幅下降，最大降幅能达到52.9％，柴油机排气温度、压力、烟度均快速增加。通过发动机运行参数的分析证实，其主要原因是高背压导致泵气损失及残余废气系数快速增加，增压涡轮前排气能量不足，进气量随之减少，进而引起燃烧持续期增长及后燃比例增加。

目前的船舶动力所用的中、大型柴油机已经广泛采用废气涡轮增压器技术用以提升柴油机输出功率。涡轮功率依赖其入口端发动机排气及出口端环境的压力与温度，在波动高背压工况下涡轮出口端环境状况与大气背压工况下出现明显差异，增压器性能将会发生剧烈的变化。因此，单独靠涡轮增压器难以满足高背压下柴油机的功率恢复。

为满足船舶动力要求，柴油机需要具备多背压工况适应能力，在波动高背压工况下和普通大气工况下均能提供长时间、稳定的高功率输出，同时其排气温度和缸内最大压力等各项参数不能超出设计指标以保证其运行可靠性。但是，在现有的技术中还没有相关的专利。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法及其实施装置，既可以满足在稳态高背压下柴油机功率的恢复，同时也能实现波动高背压下电机的随动控制。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明的基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法包括以下步骤：

第一，利用涡轮流量公式计算得出涡前压力P₃：

第二，利用涡轮能量公式计算得出涡轮所能提供的能量E_T：

第三，利用涡轮与压气机之间的能量平衡公式与压气机效率公式，结合计算求出电动压气机后压力P₁′和电动压气机后实际温度T₁′：

第四，利用能量公式计算出电动压气机所需要的能量E_C1：

第五，根据计算得出的电动压气机所需要的能量值，通过变频电机对电动压气机转速进行调节；

其中，

为流经涡轮的质量流量，单位为kg/s；T_T为涡轮前温度，单位为K；A_T为涡轮流通面积，单位为m²；P₄为涡轮的排气背压，单位为Pa；P₃为涡轮前压力，单位为Pa；E_T为涡轮提供的能量，单位为J；η_T为涡轮效率；

为流经压气机的质量流量，单位为kg/s；T₁为电动压气机后实际温度，单位为K；P₁′为电动压气机后压力，单位为Pa；P₂为压气机后压力，单位为Pa；η_C2是压气机绝热效率；η_C1是电动压气机绝热效率；T_1s′为经过电动压气机等熵压缩后的温度，单位为K；T₁为电动压气机前温度，单位为K；E_C1为压气机所需能量，单位为J；P₁为电动压气机前压力，单位为Pa；R为气体常数，取值为8.314J/(mol·K)；K为涡轮端绝热多变指数，取值为1.33；γ为压气机端绝热多变指数，取值为1.4。

本发明的实施装置包括进气总管、进气支管、柴油机、排气支管、排气总管、电动压气机、压气机、中冷器、涡轮、排气背压阀、旁通管、旁通阀、上位机、控制模块、变频电机、齿轮箱、齿轮箱出油管、散热片、齿轮箱进油管、冷却油罐，进气支管的入口与进气总管的出口相连接，进气支管的出口与柴油机进气道入口相连接，排气支管的入口与柴油机的排气道出口相连接，排气支管的出口与排气总管的入口相连接，电动压气机、压气机、中冷器沿进气方向依次布置在进气总管上，涡轮、排气背压阀沿排气流向依次布置在排气总管上，旁通管的两端口分别与涡轮前后的排气总管相连通，旁通阀布置在旁通管上，压气机和涡轮通过连接轴连接在一起；上位机、控制模块、变频电机通过线束相连接；变频电机与齿轮箱连接，齿轮箱与电动压气机相连接；齿轮箱的进出油口分别与齿轮箱出油管的出口、齿轮箱进油管的入口相连接，散热片的进出油口分别与齿轮箱进油管的出口、齿轮箱出油管的入口相连接，冷却油罐布置在齿轮箱进油管上。

进一步地，在本发明中，变频电机与齿轮箱通过皮带相连接，齿轮箱与电动压气机耦合在一起。

更进一步地，在本发明中，散热片与冷却油罐的高度低于电动压气机。

在本发明中，齿轮箱与电动压气机耦合在一起，风冷装置用于齿轮箱的冷却，变频电机用于控制电动压气机转速，控制模块与控制程序相互配合实现变频电机的控制。电动压气机串联在低压级，实现进气量的恢复；电动压气机与高压级压气机串联，实现高增压比的目的。控制模块与控制程序可以实现变频电机转速的实时控制与监测。控制模块将电机信息反馈给控制程序，控制程序实时监测，并可由使用者根据要求任意调节变频电机转速。控制程序可留有外接口，可由使用者自己根据使用情况编写变频电机转速控制，并接入控制程序，实现不同情况下变频电机的控制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单，安装方便；可以在高背压时恢复柴油机的进气量，从而实现柴油机的功率恢复；可以实现不同背压以及波动背压时的电机随动控制，适应范围广。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施装置结构示意图；

图3为本发明实施装置变频电机安装示意图；

其中：1、进气总管，2、进气支管，3、柴油机，4、排气支管，5、排气总管，6、电动压气机，7、压气机，8、中冷器，9、涡轮，10、排气背压阀，11、旁通管，12、旁通阀，13、上位机，14、控制模块，15、变频电机，16、齿轮箱，17、齿轮箱出油管，18、散热片，19、齿轮箱进油管，20、冷却油罐，21、电机皮带轮，22、安装底座，23、电动压气机支架，24、张紧轮，25、电动压气机固定板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

整个实施装置的具体结构如图2和图3所示，包括进气总管1、进气支管2、柴油机3、排气支管4、排气总管5、电动压气机6、压气机7、中冷器8、涡轮9、排气背压阀10、旁通管11、旁通阀12、上位机13、控制模块14、变频电机15、齿轮箱16、齿轮箱出油管17、散热片18、齿轮箱进油管19、冷却油罐20、电机皮带轮21、安装底座22、电动压气机支架23、张紧轮24、电动压气机固定板25，进气支管2的入口与进气总管1的出口相连接，进气支管2的出口与柴油机3进气道入口相连接，排气支管4的入口与柴油机3的排气道出口相连接，排气支管4的出口与排气总管5的入口相连接，电动压气机6、压气机7、中冷器9沿进气方向依次布置在进气总管1上，涡轮9、排气背压阀10沿排气流向依次布置在排气总管5上，旁通管11的两端口分别与涡轮9前后的排气总管5相连通，旁通阀12布置在旁通管11上，压气机7和涡轮9通过连接轴连接在一起；上位机13、控制模块14、变频电机15通过线束相连接；变频电机15与齿轮箱16连接，齿轮箱16与电动压气机6相连接；齿轮箱16的进出油口分别与齿轮箱出油管17的出口、齿轮箱进油管19的入口相连接，散热片18的进出油口分别与齿轮箱进油管19的出口、齿轮箱出油管17的入口相连接，冷却油罐20布置在齿轮箱进油管上。变频电机15与齿轮箱16通过皮带相连接，齿轮箱16与电动压气机6耦合在一起。散热片18与冷却油罐20的高度低于电动压气机6，变频电机15与电动压气机6之间的转速比为1:15。变频电机15、电动压气机支架23均安装在安装底座22上；电机皮带轮21安装在变频电机15的前端，电机皮带轮21通过皮带与张紧轮24以及齿轮箱16的轮系相连接；电动压气机6通过电动压气机固定板25安装在电动压气机支架23的顶部。

本发明的实施过程中，当柴油机3处于高排气背压的工况下，由控制程序启动变频电机15，带动电动压气机6对柴油机3进行补气，从而恢复柴油机3的功率；在波动背压时，同样可以由控制程序对变频电机15进行实时调节，从而适应不同工况。在运行过程中，齿轮箱16的润滑与冷却由风冷装置进行冷却，以保证电动压气机6高速运行时的温度不会过高。

在实施的过程中，首先利用涡轮流量公式计算得出涡轮9前的压力P₃：

而后，利用涡轮能量公式计算得出涡轮9所能提供的能量E_T：

而后，利用涡轮9与压气机7之间的能量平衡公式与压气机效率公式，结合计算求出电动压气机6后压力P₁'和电动压气机6后实际温度T₁'：

而后，利用能量公式计算出电动压气机6所需要的能量E_C1：

最后，根据计算得出的电动压气机6所需要的能量值，通过变频电机15对电动压气机6的转速进行调节；

其中，

为流经涡轮9的质量流量，单位为kg/s；T_T为涡轮9前温度，单位为K；A_T为涡轮9的流通面积，单位为m²；P₄为涡轮9的排气背压，单位为Pa；P₃为涡轮9前压力，单位为Pa；E_T为涡轮9提供的能量，单位为J；η_T为涡轮9的效率；

为流经压气机7的质量流量，单位为kg/s；T₁′为电动压气机6后实际温度，单位为K；P₁′为电动压气机6后压力，单位为Pa；P₂为压气机7后压力，单位为Pa；η_C2是压气机7绝热效率；η_C1是电动压气机6绝热效率；T_1s′为经过电动压气机6等熵压缩后的温度，单位为K；T₁为电动压气机6前温度，单位为K；E_C1为压气机7所需能量，单位为J；P₁为电动压气机7前压力，单位为Pa；R为气体常数，取值为8.314J/(mol·K)；K为涡轮端绝热多变指数，取值为1.33；γ为压气机端绝热多变指数，取值为1.4。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一，利用涡轮流量公式计算得出涡前压力

：

；

第二，利用涡轮能量公式计算得出涡轮所能提供的能量

：

；

第三，利用涡轮与压气机之间的能量平衡公式与压气机效率公式，结合计算求出电动压气机后压力

和电动压气机后实际温度

：

；

第四，利用能量公式计算出电动压气机所需要的能量

：

；

其中，

为流经涡轮的质量流量，单位为

；

为涡轮前温度，单位为

；

为涡轮流通面积，单位为

；

为涡轮的排气背压，单位为

；

为涡轮前压力，单位为

；

为涡轮提供的能量，单位为J；

为涡轮效率；

为流经压气机的质量流量，单位为

；

为电动压气机后实际温度，单位为

；

为电动压气机后压力，单位为

；

为压气机后压力，单位为

；

是压气机绝热效率；

是电动压气机绝热效率；

为经过电动压气机等熵压缩后的温度，单位为

；

为电动压气机前温度，单位为

；

为压气机所需能量，单位为J；

为电动压气机前压力，单位为

；R为气体常数，取值为8.314J/(mol·K）；

为涡轮端绝热多变指数，取值为1.33；

为压气机端绝热多变指数，取值为1.4；

实施上述基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法的装置，包括进气总管、进气支管、柴油机、排气支管、排气总管，进气支管的入口与进气总管的出口相连接，进气支管的出口与柴油机进气道入口相连接，排气支管的入口与柴油机的排气道出口相连接，排气支管的出口与排气总管的入口相连接，还包括电动压气机、压气机、中冷器、涡轮、排气背压阀、旁通管、旁通阀、上位机、控制模块、变频电机、齿轮箱、齿轮箱出油管、散热片、齿轮箱进油管、冷却油罐，电动压气机、压气机、中冷器沿进气方向依次布置在进气总管上，涡轮、排气背压阀沿排气流向依次布置在排气总管上，旁通管的两端口分别与涡轮前后的排气总管相连通，旁通阀布置在旁通管上，压气机和涡轮通过连接轴连接在一起；上位机、控制模块、变频电机通过线束相连接；变频电机与齿轮箱连接，齿轮箱与电动压气机相连接；齿轮箱的进出油口分别与齿轮箱出油管的出口、齿轮箱进油管的入口相连接，散热片的进出油口分别与齿轮箱进油管的出口、齿轮箱出油管的入口相连接，冷却油罐布置在齿轮箱进油管上。

2.根据权利要求1所述的基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法，其特征在于所述变频电机与齿轮箱通过皮带相连接，齿轮箱与电动压气机耦合在一起。

3.根据权利要求1所述的基于电动增压的高背压柴油机功率恢复方法，其特征在于所述散热片与冷却油罐的高度低于电动压气机。