一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置及补气方法

摘要

本发明的目的在于提供一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置及补气方法，高压缩气源通过补气中冷器连接补气分叉管，补气分叉管的第一分支通过第一补气喷射阀连接A列空气气轨，补气分叉管的第二分支通过第二补气喷射阀连接B列空气气轨，A列排气总管和B列排气总管通过排气连通管相通，总补气阀、第一补气喷射阀、第二补气喷射阀、废气阀和空气阀分别连接控制单元。本发明在空气气轨上装有补气管连接各进气道，可以对各气缸单独进行补气，能够避免在总管补气造成空气进入各缸延迟差异较大，实时监测发动机的运行状态，进而判断补气开启及关闭的时间以及补空的空气量，实现对空气快速响应以及空气量的需求。

权利要求

1.一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气方法，其特征是：采用如下一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置，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列进气总管连接A列空气气轨，A列空气气轨连接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列进气总管连接B列空气气轨，B列空气气轨连接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连接补气分叉管，补气分叉管的第一分支通过第一补气喷射阀连接A列空气气轨，补气分叉管的第二分支通过第二补气喷射阀连接B列空气气轨，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，B列进气总管上设置空气阀，高压缩气源与补气中冷器之间设置总补气阀，总补气阀、第一补气喷射阀、第二补气喷射阀、废气阀和空气阀分别连接控制单元；

A列空气气轨连接A列补气管，A列补气管伸入其对应的A列进气歧管里至阀门之前，A列补气管的端部设置高压喷嘴，B列空气气轨连接B列补气管，B列补气管伸入其对应的B列进气歧管里至阀门之前，B列补气管的端部设置高压喷嘴；

A列空气气轨和B列空气气轨的容积为气缸单次喷气量的100‑105倍；

相继增压柴油机在运行过程中，曲轴转速传感器实时检测柴油机转速，并在控制单元中实时计算衡量转速变化快慢的转速变化率Δn，在控制单元中设置柴油机负荷突增时的临界转速变化率n1，当检测到Δn大于或等于n1时，柴油机处于突然加速加载的瞬态过程，开启总补气阀，对柴油机进行补气；若Δn小于n1，检测废气阀状态，若检测到废气阀在关闭时突然开启，柴油机进行增压器的切换，此时开启总补气阀开始补气；若既不满足Δn＞n1，也不满足废气阀由关到开的条件，则发动机不需要进行补气，应继续回到检测曲轴转速的步骤，若满足其中之一的条件，则开启总补气阀来运行补气装置；开启总补气阀后，检测两列进气总管的进气压力，再通过速度密度法分别判断两列气缸的实际进气量，之后根据转速变化率Δn确定每列气缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定每列气缸所需的理论空气量，将理论空气量减实际进气量确定补充的空气量，最后根据补气喷射阀的流量特性确定两个补气喷射阀的喷射脉宽，设置好喷射脉宽后开启两侧的补气喷射阀，高压空气进入空气气轨并通过补气管分别对各缸进行补气，之后按设置好的喷射脉宽关闭两侧的补气喷射阀，再关闭总补气阀，补气装置暂时停止工作；此时判断发动机是否停止运行，若继续运行，则重新监测曲轴转速，若停止工作，则此控制流程结束。

说明书

一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置及补气

方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 随着船舶大型化发展，大功率V型增压柴油机得到了广泛的应用，但采用单极增压的大型柴油机在实际使用时常遇到一些问题亟需解决，其中低工况下扭矩不足便是最主要
的问题之一。为了改善大功率V型增压柴油机全工况的性能，因此采用相继增压技术来解决
低工况下扭矩不足的问题。相继增压技术的基本原理是：增压柴油机采用多台增压器，随着
转速和负荷的不断提高，增压器相继投入使用，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。而当柴油机进行增压器切换时，空气阀会迟于废气阀打开，导致切换
过程进气响应慢，进气量明显不足。此外当柴油机处于加速或加载时，喷油量会突然增加，
而由于进气响应较慢，使得瞬态过程进气量明显不足，导致燃烧和排放恶化。针对大功率V
型相继增压柴油机瞬态过程进气响应慢和进气量不足的问题，需在柴油机上安装补气装置
来及时补充空气。由于大功率船用柴油机尺寸较大，直接在进气总管进行补气会导致空气
进入各个气缸的补气延迟差异较大且补气量不均匀。

[0003] 现阶段对于V型相继增压柴油机补气装置的研究仍存在着明显的缺陷。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连接两进
气总管的连通管相连，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，且空气
进入两列气缸的路径不同，补气均匀性难以保证。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

[0004] 本发明的目的在于提供能解决相继增压柴油机瞬态过程进气响应慢和进气量不足的问题，以及在进气总管补气造成补气不均匀，能量损失较大等问题的一种大功率船用
柴油机总管分流控制多点补气装置及补气方法。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 本发明一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置，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列进气总管连接A列空气气轨，A列空气气轨连接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列进气总管连接B列空气气轨，B
列空气气轨连接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
源通过补气中冷器连接补气分叉管，补气分叉管的第一分支通过第一补气喷射阀连接A列
空气气轨，补气分叉管的第二分支通过第二补气喷射阀连接B列空气气轨，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，B
列进气总管上设置空气阀，高压缩气源与补气中冷器之间设置总补气阀，总补气阀、第一补
气喷射阀、第二补气喷射阀、废气阀和空气阀分别连接控制单元。

[0007] 本发明一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气装置还可以包括：

[0008] 1、A列空气气轨连接A列补气管，A列补气管伸入其对应的A列进气歧管里至阀门之前，A列补气管的端部设置高压喷嘴，B列空气气轨连接B列补气管，B列补气管伸入其对应的
B列进气歧管里至阀门之前，B列补气管的端部设置高压喷嘴。

[0009] 2、A列空气气轨和B列空气气轨的容积为气缸单次喷气量的100‑105倍。

[0010] 本发明一种大功率船用柴油机总管分流控制多点补气方法，其特征是：相继增压柴油机在运行过程中，曲轴转速传感器实时检测柴油机转速，并在控制单元中实时计算衡
量转速变化快慢的转速变化率Δn，在控制单元中设置柴油机负荷突增时的临界转速变化
率n1，当检测到Δn大于或等于n1时，柴油机处于突然加速加载的瞬态过程，开启总补气阀，
对柴油机进行补气；若Δn小于n1，检测废气阀状态，若检测到废气阀在关闭时突然开启，柴
油机进行增压器的切换，此时开启总补气阀开始补气；若既不满足Δn＞n1，也不满足废气
阀由关到开的条件，则发动机不需要进行补气，应继续回到检测曲轴转速的步骤，若满足其
中之一的条件，则开启总补气阀来运行补气装置；开启总补气阀后，检测两列进气总管的进
气压力，再通过速度密度法分别判断两列气缸的实际进气量，之后根据转速变化率Δn确定
每列气缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定每列气缸所需的理论空气量，将理论空气量
减实际进气量确定补充的空气量，最后根据补气喷射阀的流量特性确定两个补气喷射阀的
喷射脉宽，设置好喷射脉宽后开启两侧的补气喷射阀，高压空气进入空气气轨并通过补气
管分别对各缸进行补气，之后按设置好的喷射脉宽关闭两侧的补气喷射阀，再关闭总补气
阀，补气装置暂时停止工作；此时判断发动机是否停止运行，若继续运行，则重新监测曲轴
转速，若停止工作，则此控制流程结束。

[0011] 本发明的优势在于：本发明采用分流控制V型柴油机两列气缸的补气，并在两侧分别装有空气气轨连接到各缸的进气道，空气气轨容积大于各缸单次喷气量的100倍，能够保
证各缸补气过程互不干扰。在空气气轨上装有补气管连接各进气道，可以对各气缸单独进
行补气，能够避免在总管补气造成空气进入各缸延迟差异较大。此外补气装置同控制系统
相配合，通过采集柴油机转速、废气阀状态、进气总管压力信号，可以实时监测发动机的运
行状态，进而判断补气开启及关闭的时间以及补空的空气量，实现对空气快速响应以及空
气量的需求。

附图说明

[0012] 图1为本发明的结构示意图；

[0013] 图2为补气管与一个气缸的位置关系图；

[0014] 图3为高压喷嘴剖视图；

[0015] 图4为补气控制流程图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0017] 结合图1‑4，图1为带有补气装置的大功率V型柴油机总结构图。其中大功率V型柴油机采用相继增压技术，基本组成包括A列气缸1一侧的A列排气总管2、基本涡轮增压器3、A
列进气总管4；在B列气缸10一侧包括B列进气总管5、空气阀6、受控涡轮增压器7、废气阀8和
B列排气总管9；并且在两进气总管连接处装有中冷器11。补气装置包括控制单元18、高压缩
气源12、总补气管14、总补气阀13、补气中冷器15，之后连接补气分叉管16，在分叉管两侧分
别装有补气喷射阀17，并在分叉管末端分别装有空气气轨19；空气气轨容积大于单次喷射
量的100倍，可保证在各缸喷气时空气气轨无压力波动，避免喷气过程各缸循环补气量的波
动和各缸干扰问题。

[0018] 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。空气存储在高压缩气源中，气源出口与补气总管一端相连，在总管上装有控制补气装置开关的总补气阀，
在补气总管末端装有补气中冷器，在中冷器另一侧同补气分叉管相连，分叉管两侧装有喷
气阀，分别连接两侧的空气气轨，空气气轨上装有与气缸数相同的补气管，分别与进气道相
连。补气管弯曲深入到进气道中，在末端装有高压喷嘴，且喷嘴喷口对准进气门。在发动机
的各个位置都装有传感器，其中在V型柴油机的两侧进气总管内装有检测压力的传感器，用
于检测进气流量；在发动机曲轴上装有检测转速和相位的曲轴转角传感器以及上止点传感
器；并且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
反馈到控制系统，控制系统经过判断进而控制补气装置的具体运行模式。所述的一种大功
率船用柴油机总管分流控制多点补气装置，其特征主要在于：该补气装置可以实时检测发
动机的运行状态，当发动机处于动态过程进气响应慢以及进气量不足时，可以通过控制补
气装置的切入，将高压空气快速地喷射到各气缸，实现发动机对空气量以及进气快速响应
的需求。

[0019] 该装置采用分流控制两列气缸的补气。通过补气分叉管将空气分别导流到两侧空气气轨，以便根据每列气缸所需的补气量分别进行补气。

[0020] 高压空气先进入空气气轨19，再通过空气气轨19上的各补气管20将空气分别导入至各进气道中。将高压空气先导入空气气轨19能够稳定空气压力，且通过各补气管20能够
实现多点补气。

[0021] 空气气轨19上的每个补气管20都弯曲深入到进气道中，并在末端装有高压喷嘴21。该喷嘴长度较短，并采用管径逐渐变小的设计可以将空气射流高速喷出。并且喷嘴出口
与气缸较近且对准进气门，使得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，避免喷气射流的能量损失。

[0022] 该装置采用电控系统，根据废气阀状态、柴油机转速和进气总管等信号，实时判断发动机运行状态，进而控制补气装置的切入切处以及补气过程的空气量。

[0023] 图2和图3分别是补气管与一个气缸的位置关系图和高压喷嘴剖视图。在空气气轨上装有与气缸数相等的补气管20，补气管弯曲深入到进气道内并在末端装有高压喷嘴21。
高压喷嘴长度较短，且采用内径由大到小的平滑过渡设计，使得喷气射流能够以较高的压
力快速喷出。喷嘴出口对准进气门，高压射流可以快速穿过进气门与气门座之间的间隙进
入到气缸中，避免了补气过程的能量损失。

[0024] 图4是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总管分流控制多点补气方法。方法的具体控制流程为：大功率V型相继增压柴油机在运行过程中，曲
轴转速传感器实时检测发动机转速，并在控制单元中实时计算衡量转速变化快慢的转速变
化率Δn，根据经验在控制单元中设置柴油机负荷突增时的临界转速变化率n1，当检测到Δ
n大于n1时，说明柴油机处于突然加速加载的瞬态过程，此时应开启总补气阀，准备对柴油
机进行补气；若Δn小于n1，则需要检测废气阀状态，若检测到废气阀在关闭时突然开启，说
明柴油机将进行增压器的切换，这时也需开启总补气阀开始补气；若既不满足Δn＞n1，也
不满足废气阀由关到开的条件，则说明发动机不需要进行补气，应继续回到检测曲轴转速
的步骤，若满足其中之一的条件，则需要开启总补气阀来运行补气装置。开启总补气阀后，
需检测两列进气总管的进气压力，再通过速度密度法分别判断两列气缸的实际进气量，之
后根据转速变化率Δn确定每列气缸所需的喷油量，再由目标空燃比确定每列气缸所需的
理论空气量，将理论空气量减实际进气量确定补充的空气量，最后根据补气喷射阀的流量
特性确定两个补气喷射阀的喷射脉宽。设置好喷射脉宽后便可开启两侧的补气喷射阀，高
压空气进入空气气轨并通过补气管分别对各缸进行补气，之后按设置好的喷射脉宽关闭两
侧的补气喷射阀，再关闭总补气阀，补气装置暂时停止工作。此时需要判断发动机是否停止
运行，若继续运行，则需回到第一步重新监测曲轴转速，若停止工作，则此控制流程结束。