CN114526153B - 一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法 - Google Patents

一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法。采用的技术方案是：包括电动增压器、一级中冷器、二级中冷器、电动增压器进气截止阀、电动增压器旁通阀、高压级增压器旁通阀、温度压力传感器、转速传感器与电控单元ECU，将实时进气量与目标进气量进行比较，通过控制增压系统中低压级增压器、高压级增压器和电动增压器的运行状态，实时进气量达到目标值。本发明的有益效果：采用电动辅助增压系统，设置低压级增压器、高压级增压器和电动增压器，通过采用合适的增压控制策略，使柴油机在全工况范围内实现所需的增压压力和进气量，通过电动增压器的辅助增压实现快速响应，从而保证柴油机良好的动力性、经济性和排放特性。

Description

一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法
技术领域
本发明属于发动机增压技术领域，涉及一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法。
背景技术
增压系统通过提高柴油机进气压力，增加进气量，从而实现柴油机动力的提升和排放的改善；
随着船用柴油机的强化指标不断提高，传统的单级或相继增压器已不能兼顾全工况范围内的进气量或高增压压力的要求。采用两级增压系统可以满足柴油机中高转速的进气要求，但在柴油机低转速时响应速度慢，且泵气损失较高，可能导致进气量不足，从而造成较高的污染物排放。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，能够满足柴油机在全工况范围内的进气量或高增压压力的要求，特别是柴油机怠速、低速大扭矩、标定点等工况的进气量和快速响应的要求，有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，采用的技术方案是，包括柴油机、低压级增压器与高压级增压器，所述低压级增压器包括低压级增压器压气机与低压级增压器涡轮，所述高压级增压器包括高压级增压器压气机与高压级增压器涡轮，还包括：
电动增压器、一级中冷器、二级中冷器、电动增压器进气截止阀、电动增压器旁通阀、高压级增压器旁通阀、温度压力传感器、转速传感器与电控单元ECU；
所述柴油机的排气歧管侧连接有高压级排气管，高压级排气管分路为高压级增压器连接管和高压级增压器旁通管，高压级增压器连接管连接高压级增压器涡轮，高压级增压器旁通管上设置高压级涡轮旁通阀，低压级增压器涡轮出口连接排气管。
作为本发明的一种优选技术方案，所述低压级增压器压气机入口处连接进气管，所述低压级增压器压气机出口通过低压级进气管连接高压级增压器压气机入口，低压级进气管上设置一级中冷器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述高压级增压器压气机出口连接有高压级进气管，高压级进气管分路为电动增压器连接管和电动增压器旁通管，所述电动增压器连接管上设置电动增压器和电动增压器进气截止阀，电动增压器旁通管上设置电动增压器旁通阀，高压级进气管上设置二级中冷器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述二级中冷器后设置温度压力传感器，柴油机飞轮端设置有转速传感器，在柴油机不同工况下，电控单元ECU接收温度压力传感器、转速传感器以及其他输入信号，经计算得出该工况下增压系统的控制策略。
作为本发明的一种优选技术方案，包括以下步骤：
S1：根据柴油机的动力性、经济性和排放试验，确定不同工况下所需的进气量，储存在ECU中；
S2：将实时进气量与所述S1步骤所述的目标进气量进行比较，若实时进气量比目标量小，控制增压系统运行状态使增压压力增大，实时进气量达到目标值，反之亦然；
S201：当柴油机处于怠速运行时，电动增压器旁通阀关闭，电动增压器进气截止阀打开，高压级增压器旁通阀关闭。柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转。新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩，由于此工况下排气能量很低，低压级和高压级增压器联合运行所产生的增压压比很小，因此电动增压器运行，进一步提高进气压力，从而增加怠速时的进气量，使柴油机怠速稳定，而且污染物排放进一步降低。
S202：当柴油机处于低转速运行时，安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量。若进气量小于目标值，采用S201的控制策略，同时增大电动增压器的转速，提高进气压力。若进气量大于目标值，首先采用S201的控制策略，同时降低电动增压器的转速，降低进气压力，若进气量仍大于目标值，则关闭电动增压器进气截止阀，打开电动增压器旁通阀，此时进气经旁通管路进入二级冷却器。
S203：当柴油机处于中等转速中小负荷运行时，电动增压器旁通阀开启，电动增压器进气截止阀关闭，高压级增压器旁通阀打开一定开度。柴油机一部分排气流经高压级增压器的涡轮，然后进入低压级增压器的涡轮，另一部分排气流经高压级增压器旁通阀直接进入低压级增压器的涡轮。新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩，然后流经电动增压器旁通阀进入二级中冷器，经二级中冷器冷却后的进入柴油机的进气歧管。安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量。若进气量小于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度减小，增加流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而提高增压压力。若进气量大于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度增大，降低流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而降低增压压力。
S204：当柴油机处于中等转速高负荷时，首先采用S203的控制策略。若进气量仍小于目标值，高压级增压器旁通阀关闭，电动增压器旁通阀关闭、电动增压器进气截止阀打开。柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转。此时电动增压器运行，新鲜进气经低压级增压器的压气机和高压级增压器的压气机压缩后，再次在电动增压器中被压缩，从而提高进气压力增大进气量。
S205：当柴油机处于高转速运行时，采用S203的控制策略。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，采用电动辅助增压系统，设置低压级增压器、高压级增压器和电动增压器，通过采用合适的增压控制策略，使柴油机在全工况范围内实现所需的增压压力和进气量，而且通过电动增压器的辅助增压实现快速响应，从而保证柴油机良好的动力性、经济性和排放特性。
附图说明
图1为本发明所述电动辅助增压系统的示意图；
图2为本发明所述电动辅助增压系统的控制方法；
图3为本发明低压级增压器、高压级增压器和电动增压器联合运行示意图；
图4为本发明低压级增压器和高压级增压器联合运行示意图；
图5为本发明低压级增压器和高压级增压器部分旁通运行示意图。
图中：
1-进气管；11-低压级进气管；12-高压级进气管；121-电动增压器连接管；122-电动增压器旁通管；
2-排气管；21-高压级排气管；211-高压级增压器连接管；212-高压级增压器旁通管；
3-低压级增压器；31-低压级增压器压气机；32-低压级增压器涡轮；
4-高压级增压器；41-高压级增压器压气机；42-高压级增压器涡轮；
5-电动增压器；
61-电动增压器进气截止阀；62-电动增压器旁通阀；63-高压级增压器旁通阀；
71-一级中冷器；72-二级中冷器；
8-柴油机；
91-温度压力传感器；92-转速传感器；
10-电控单元ECU。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1至图5所示，本发明所述的一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，采用的技术方案是，包括柴油机8、低压级增压器3与高压级增压器4，所述低压级增压器3包括低压级增压器压气机31与低压级增压器涡轮32，所述高压级增压器4包括高压级增压器压气机41与高压级增压器涡轮42，还包括：电动增压器5、一级中冷器71、二级中冷器72、电动增压器进气截止阀61、电动增压器旁通阀62、高压级增压器旁通阀63、温度压力传感器91、转速传感器92与电控单元ECU10；所述柴油机8的排气歧管侧连接有高压级排气管21，高压级排气管21分路为高压级增压器连接管211和高压级增压器旁通管212，高压级增压器连接管211连接高压级增压器涡轮42，高压级增压器旁通管212上设置高压级涡轮旁通阀63，低压级增压器涡轮32出口连接排气管2。
进一步地，所述低压级增压器压气机31入口处连接进气管1，所述低压级增压器压气机31出口通过低压级进气管11连接高压级增压器压气机41入口，低压级进气管11上设置一级中冷器71。
进一步地，所述高压级增压器压气机41出口连接有高压级进气管12，高压级进气管12分路为电动增压器连接管121和电动增压器旁通管122，所述电动增压器连接管121上设置电动增压器5和电动增压器进气截止阀61，电动增压器旁通管122上设置电动增压器旁通阀62，高压级进气管12上设置二级中冷器72。
进一步地，所述二级中冷器72后设置温度压力传感器91，柴油机飞轮端设置有转速传感器92，在柴油机不同工况下，电控单元ECU10接收温度压力传感器91、转速传感器92以及其他输入信号，经计算得出该工况下增压系统的控制策略。
进一步地，包括以下步骤：
S1：根据柴油机的动力性、经济性和排放试验，确定不同工况下所需的进气量，储存在ECU中；
S2：将实时进气量与所述S1步骤所述的目标进气量进行比较，若实时进气量比目标量小，控制增压系统运行状态使增压压力增大，实时进气量达到目标值，反之亦然；
S201：当柴油机处于怠速运行时，电动增压器旁通阀关闭，电动增压器进气截止阀打开，高压级增压器旁通阀关闭。柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转。新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩，由于此工况下排气能量很低，低压级和高压级增压器联合运行所产生的增压压比很小，因此电动增压器运行，进一步提高进气压力，从而增加怠速时的进气量，使柴油机怠速稳定，而且污染物排放进一步降低。
S202：当柴油机处于低转速运行时，安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量。若进气量小于目标值，采用S201的控制策略，同时增大电动增压器的转速，提高进气压力。若进气量大于目标值，首先采用S201的控制策略，同时降低电动增压器的转速，降低进气压力，若进气量仍大于目标值，则关闭电动增压器进气截止阀，打开电动增压器旁通阀，此时进气经旁通管路进入二级冷却器。
S203：当柴油机处于中等转速中小负荷运行时，电动增压器旁通阀开启，电动增压器进气截止阀关闭，高压级增压器旁通阀打开一定开度。柴油机一部分排气流经高压级增压器的涡轮，然后进入低压级增压器的涡轮，另一部分排气流经高压级增压器旁通阀直接进入低压级增压器的涡轮。新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩，然后流经电动增压器旁通阀进入二级中冷器，经二级中冷器冷却后的进入柴油机的进气歧管。安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量。若进气量小于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度减小，增加流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而提高增压压力。若进气量大于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度增大，降低流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而降低增压压力。
S204：当柴油机处于中等转速高负荷时，首先采用S203的控制策略。若进气量仍小于目标值，高压级增压器旁通阀关闭，电动增压器旁通阀关闭、电动增压器进气截止阀打开。柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转。此时电动增压器运行，新鲜进气经低压级增压器的压气机和高压级增压器的压气机压缩后，再次在电动增压器中被压缩，从而提高进气压力增大进气量。
S205：当柴油机处于高转速运行时，采用S203的控制策略。
本文中未详细说明的电路控制方式为现有技术。
本发明所述的电动辅助增压系统，设置低压级增压器、高压级增压器和电动增压器，通过采用合适的增压控制策略，使柴油机在全工况范围内实现所需的增压压力和进气量，而且通过电动增压器的辅助增压实现快速响应，从而保证柴油机良好的动力性、经济性和排放特性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，包括柴油机、低压级增压器与高压级增压器，所述低压级增压器包括低压级增压器压气机与低压级增压器涡轮，所述高压级增压器包括高压级增压器压气机与高压级增压器涡轮，其特征在于，还包括：
电动增压器、一级中冷器、二级中冷器、电动增压器进气截止阀、电动增压器旁通阀、高压级增压器旁通阀、温度压力传感器、转速传感器与电控单元ECU；
所述柴油机的排气歧管侧连接有高压级排气管，高压级排气管分路为高压级增压器连接管和高压级增压器旁通管，高压级增压器连接管连接高压级增压器涡轮，高压级增压器旁通管上设置高压级涡轮旁通阀，低压级增压器涡轮出口连接排气管；
控制方法包括以下步骤：
S1：根据柴油机的动力性、经济性和排放试验，确定不同工况下所需的目标进气量，储存在ECU中；
S2：将实时进气量与所述S1步骤所述的目标进气量进行比较，若实时进气量比目标量小，控制增压系统运行状态使增压压力增大，实时进气量达到目标值，反之亦然；
S201：当柴油机处于怠速运行时，电动增压器旁通阀关闭，电动增压器进气截止阀打开，高压级增压器旁通阀关闭；柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转；新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩；
S202：当柴油机处于低转速运行时，安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量；若进气量小于目标值，采用S201的控制策略，同时增大电动增压器的转速，提高进气压力；若进气量大于目标值，首先采用S201的控制策略，同时降低电动增压器的转速，降低进气压力，若进气量仍大于目标值，则关闭电动增压器进气截止阀，打开电动增压器旁通阀，此时进气经旁通管路进入二级冷却器；
S203：当柴油机处于中等转速中小负荷运行时，电动增压器旁通阀开启，电动增压器进气截止阀关闭，高压级增压器旁通阀打开一定开度；柴油机一部分排气流经高压级增压器的涡轮，然后进入低压级增压器的涡轮，另一部分排气流经高压级增压器旁通阀直接进入低压级增压器的涡轮；新鲜进气在低压级增压器的压气机中被压缩，压力增大，温度升高，经一级中冷器冷却后，进入高压级增压器的压气机中再次被压缩，然后流经电动增压器旁通阀进入二级中冷器，经二级中冷器冷却后的进入柴油机的进气歧管；安装在高压级进气管上的温度和压力传感器反馈信号给ECU，ECU计算得出实时进气量；若进气量小于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度减小，增加流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而提高增压压力；若进气量大于目标值，将高压级增压器旁通阀的开度增大，降低流经高压级增压器涡轮的排气流量，从而降低增压压力；
S204：当柴油机处于中等转速高负荷时，首先采用S203的控制策略；若进气量仍小于目标值，高压级增压器旁通阀关闭，电动增压器旁通阀关闭、电动增压器进气截止阀打开；柴油机排气流经高压级增压器的涡轮和低压级增压器的涡轮，推动其旋转；此时电动增压器运行，新鲜进气经低压级增压器的压气机和高压级增压器的压气机压缩后，再次在电动增压器中被压缩，从而提高进气压力增大进气量；
S205：当柴油机处于高转速运行时，采用S203的控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，其特征在于：所述低压级增压器压气机入口处连接进气管，所述低压级增压器压气机出口通过低压级进气管连接高压级增压器压气机入口，低压级进气管上设置一级中冷器。
3.根据权利要求1所述的一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，其特征在于：所述高压级增压器压气机出口连接有高压级进气管，高压级进气管分路为电动增压器连接管和电动增压器旁通管，所述电动增压器连接管上设置电动增压器和电动增压器进气截止阀，电动增压器旁通管上设置电动增压器旁通阀，高压级进气管上设置二级中冷器。
4.根据权利要求1所述的一种针对船用柴油机的电动辅助增压系统及控制方法，其特征在于：所述二级中冷器后设置温度压力传感器，柴油机飞轮端设置有转速传感器，在柴油机不同工况下，电控单元ECU接收温度压力传感器、转速传感器以及其他输入信号，经计算得出该工况下增压系统的控制策略 。
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