本发明涉及发动机的进气系统，具体地，涉及一种单缸发动机的进气边界控制装置和方法。
背景技术：
单缸发动机具有设计、制造简单，试验时各参数独立性强、需更换试验件数量少、大幅降低试验成本等优点，是一种常用的试验机。在发动机新机型研发过程中，有必要先通过单缸发动机试验筛选零部件匹配方案、验证主要零部件的可靠性，以降低整机的试验成本和开发风险。对于船用大型发动机，由于整机造价高、试验成本高，通过单缸发动机模拟整机先期开展零部件开发和性能验证试验就显得更为重要。
船用大型发动机均采用增压、中冷的进气方式，最大增压比可以达到5以上，整机在不同的环境条件和不同的运行工况，作为进气边界条件之一的进气温度在较大的范围内变化。现有技术中，当外部环境温度较高时，进气温度较高，在一定运行工况下使得单缸发动机的进气温度比整机高。进气温度高会造成气缸充气效率降低，导致燃烧温度升高，增加活塞、缸盖和气缸套的热负荷，同时会增加废气中的NOx含量，使单缸发动机NOx排放预测值偏高，造成单缸发动机对整机性能、可靠性和排放的预测不够准确。
进一步，为了实现单缸发动机对整机工作过程更精确的模拟，期望单缸发动机的进气系统还能精确地模拟整机的进气压力和/或压力波的波形，以在进气系统具有温度调节的功能的基础上，使单缸发动机在不同的环境条件和不同的运行工况下，获得和整机近似相同的进气边界条件。
因此，有必要提出一种单缸发动机的进气边界控制装置，从而解决上述现有技术中的诸多不足中的至少一者。
技术实现要素：
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了解决上述现有技术中的诸多不足中的至少一者，本发明公开了一种单缸发动机的进气边界控制装置，该进气边界控制装置用于模拟整机的进气边界条件，其中，该进气边界控制装置包括：空气压缩机，该空气压缩机设置为加压来自外部环境的空气并经由出口端向外输出加压后的空气；板式换热器，该板式换热器通过管路连接到所述空气压缩机的出口端，从而接受来自所述空气压缩机的空气以降低空气的温度；冷冻干燥机，该冷冻干燥机通过管路连接到所述板式换热器，从而接收来自所述板式换热器的空气以进一步降低空气的温度和湿度；一级进气稳压筒，该一级进气稳压筒通过管路连接到所述冷冻干燥机，从而接收来自所述冷冻干燥机的空气以稳定空气的压力；进气加热器，该进气加热器通过管路连接到所述一级进气稳压筒，从而接收来自所述一级进气稳压筒的空气以提高空气的温度；二级进气稳压筒，该二级进气稳压筒通过管路连接到所述进气加热器，从而接收来自所述进气加热器的空气以稳定空气的压力；进气稳压箱，该进气稳压箱通过管路连接到所述二级进气稳压筒以接收来自所述二级进气稳压筒的空气以进一步稳定空气的压力，所述进气稳压箱通过管路连接到单缸发动机，以向所述单缸发动机供给能模拟整机进气边界条件的空气。
根据本发明中的单缸发动机的进气边界控制装置，与现有的单缸发动机的进气系统相比，进气温度调节范围更大，即使在外部环境温度高时也能将进气冷却到整机进气温度以下，从而使单缸发动机在不同环境条件和不同运行工况下(尤其是外部环境温度高的情况下)均能够精确模拟整机的进气边界条件，从而有助于比较准确的预测整机的性能及排放。
优选地，所述进气稳压箱连接到单缸发动机的管路为可调整的进气谐振管，并且所述二级进气稳压筒、所述进气稳压箱和所述进气谐振管中的至少一者构造成能够调整单缸发动机的进气的压力和/或压力波的波形。
根据优选的进气边界控制装置，能够根据发动机的具体运行参数及工况，灵活调整进气稳压筒、进气稳压箱和进气谐振管路的结构形式，使得发动机的进气压力波动与多缸整机保持一致。
优选地，其中所述板式换热器为气液板式换热器，所述板式换热器包括：分别位于换热器两端的空气入口和空气出口，所述空气入口和所述空气出口通过空气流道联通；位于换热器一侧的冷却液入口和冷却液出口，所述冷却液入口和所述冷却液出口通过冷却液流道联通；其中所述空气流道和所述冷却液流道能够以串联或者并联的方式设置。
根据优选的进气边界控制装置，能够利用气液板式换热器高效地对加压后的空气进行换热冷却，从而扩大进气温度的调节范围以在不同的环境条件和不同运行工况下精确模拟整机的进气边界条件。
优选地，还包括并联地设置在所述一级进气稳压筒和所述进气加热器之间的进气压力粗调阀和进气压力细调阀，以及设置在所述进气加热器的入口端的管路上的进气压力传感器；其中所述进气压力传感器采集该管路中的气体压力，并将该压力转换为控制信号反馈至所述进气压力细调阀。
根据优选的进气边界控制装置，能够根据外部控制信号和/或进气压力传感器传来的控制信号对进气进行节流控制，从而将进气压力调节至目标进气压力。
优选地，还包括经由带旁通调压阀的管路连接到所述一级进气稳压筒的旁通消音器和设置在所述一级进气稳压筒上的压力传感器，其中所述压力传感器采集所述一级进气稳压筒中的气体压力并将该压力转换为控制信号反馈至所述旁通调压阀进行开度调节从而将所述一级进气稳压筒中的压力维持在目标阈值压力。
根据优选的进气边界控制装置，能够根据一级进气稳压筒中的气体压力所转换的控制信号对旁通调压阀进行开度调节，从而将所述一级进气稳压筒中的压力维持在目标阈值压力，从而提高了整个进气边界控制装置的操作安全性。
优选地，还包括设置在所述进气加热器和所述二级进气稳压筒间的管路上的进气温度传感器，其中所述进气温度传感器采集经由所述进气加热器加热后的气体温度并将该温度转换为控制信号反馈至所述进气加热器。
根据优选的进气边界控制装置，根据进气温度传感器测量得到的实时进气温度与目标进气温度的差值，通过优选为比例积分微分(PID)控制的方式自动调节进气加热器的加热功率的大小，使不同运行工况下单缸发动机进气温度和整机保持基本一致。
优选地，还包括设置在所述进气稳压箱上的温度传感器和压力传感器，其中所述温度传感器和压力传感器采集进气稳压箱中的气体的温度和压力并将该温度和压力转换为外显的读数向外输出。
根据优选的进气边界控制装置，能够利用进气稳压箱上的温度传感器和压力传感器外显进气稳压箱中的气体的压力和温度，使操作人员能够实时地对进入单缸发动机的气体的压力和温度进行监测，从而提高了整个进气边界控制装置的操作安全性。
本发明还公开了一种使用单缸发动机的进气边界控制装置控制单缸发动机的进气边界的方法。
附图说明
本发明实施例的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施方式及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1为根据本发明的一个优选实施方式的进气边界控制装置的示意图。
附图标记说明：
1、空气压缩机 2、板式换热器 3、冷冻干燥机
4、一级进气稳压筒 5、旁通调压阀 6、旁通消音器
7、进气压力粗调阀 8、进气压力细调阀 9、进气压力传感器
10、进气加热器 11、进气温度传感器 12、二级进气稳压筒
13、进气稳压箱 14、进气谐振管 15、单缸发动机
16、排气系统
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施例可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施例发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
根据本发明的一个方面，提供一种单缸发动机的进气边界控制装置，该进气边界控制装置用于精确模拟整机的进气边界条件。具体在本实施例中，该单缸发动机为船用柴油机的单缸柴油机，但本领域技术人员能够理解，该单缸发动机并不限于用于船用柴油机，而是还可以用于其它诸如陆地用柴油机或者汽油机等发动机。本领域技术人员能够理解，发动机的进气边界是指例如在进行发动机试验时，不限于为进气压力、进气温度和进气压力波等输入条件。在利用单缸发动机进行整机运行模拟时，有必要使进入单缸发动机内的进气的边界条件与整机的进气边界条件设定为基本一致，以符合试验的精度。
在附图1所描述的实施例中，该进气边界控制装置包括以下部分：
首先是空气压缩机1。该空气压缩机1设置为加压来自外部环境的空气并经由出口端向外输出加压后的空气。优选地，该空气压缩机为由变频电机驱动的螺杆式空气压缩机或者叶轮式空气压缩机。该空气压缩机的压比优选为大于等于5，以满足发动机的实验要求。
板式换热器2通过管路连接到空气压缩机1的出口端，以接受来自空气压缩机1的空气以降低空气的温度。进一步地，如图1所示，该板式换热器2优选为气液板式换热器，该板式换热器包括：分别位于换热器2两端的空气入口和空气出口：位于换热器2一侧的冷却液入口和冷却液出口；其中联通空气入口和空气出口的空气流道以及联通冷却液入口和冷却液出口的冷却液流道能够以串联或者并联的方式设置。优选地，该冷却液可以是冷却水，从而以简便且低成本的方式对空气进行换热冷却。在实际操作中，可以以电动阀门或者手动阀门的方式对冷却液的流动进行控制。
冷冻干燥机3通过管路连接到板式换热器2以接收来自板式换热器2的空气，以进一步降低空气的温度和湿度。具体地，该冷冻干燥机3采用压缩式制冷的方式，它由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等四个基本部件组成。将上述部件用管道依次连接以形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断地循环流动，发生状态变化并与压缩空气进行热量交换，有效降低压缩空气的温度并减少压缩空气中的水蒸气含量，从而达到降低空气的温度和湿度的目的。
一级进气稳压筒4通过管路连接到冷冻干燥机3，以接收来自冷冻干燥机3的空气以稳定空气的压力。优选地，该一级进气稳压筒4具有相当大的容积，通过使气体在该一级进气稳压筒4中膨胀，降低空气压力并滤除进气压力中的压力波动以稳定气体压力。
进气加热器10通过管路连接到一级进气稳压筒4，以接收来自一级进气稳压筒4的空气以提高空气的温度。
二级进气稳压筒12通过管路连接到进气加热器10，以接收来自进气加热器10的空气以稳定空气的压力。优选地，该二级进气稳压筒12具有相当大的容积且能够经由例如可控隔板或者阀门的方式调整二级进气稳压筒内的气体膨胀容积，通过使气体在该二级进气稳压筒12中膨胀，降低空气压力并滤除进气压力中的压力波动，以稳定气体压力。进一步，通过改变二级进气稳压筒12的容积，能够调整经由该二级进气稳压筒稳压后的气体压力波形。
进气稳压箱13通过管路连接到二级进气稳压筒12，以接收来自二级进气稳压筒12的空气以进一步稳定空气的压力。优选地，该进气稳压箱13具有相当大的容积且能够经由例如可控隔板或者阀门的方式调整进气稳压箱内的气体膨胀容积，通过使气体在该进气稳压箱13中膨胀，降低空气压力并滤除进气压力中的压力波动以稳定气体压力。进一步，通过改变进气稳压箱13的容积，能够调整经由该进气稳压箱稳压后的气体压力波形。
在本实施例中，该进气稳压箱13通过管路14连接到单缸发动机15的缸盖，以向单缸发动机15供给能模拟整机进气边界条件的空气，以使单缸发动机的进气温度与多缸发动机的整机进气温度一致。单缸发动机15中燃烧做功后的排气经由排气系统16排出到外部环境中。
进一步，如图1所示，进气稳压箱13连接到单缸发动机15的管路为可调整的进气谐振管14，并且进气谐振管14构造成调整单缸发动机的进气压力波的波形。具体来说，可以根据单缸发动机的具体运行参数和具体运行工况的进气需求来灵活改变进气谐振管14等部件的结构形式，例如但不限于：可以改变二级进气稳压筒12的容积来调整进气压力波形；改变进气稳压箱13的容积来调整进气压力波形；以及改变进气谐振管14的管路长度、数量、公称通径等参数，从而调整进气压力和/或滤除进气中的压力波尖峰，进而调整单缸发动机的缸内压力曲线峰值的幅值和相位，从而使单缸发动机的进气过程中的进气压力和/或压力波的波形与多缸整机近似保持一致。
进一步地，如图1所示，还包括并联地设置在一级进气稳压筒4和进气加热器10之间的进气压力粗调阀7和进气压力细调阀8，以及设置在进气加热器10的入口端的管路上的进气压力传感器9。具体地，其中进气压力粗调阀7和进气压力细调阀8均以电动调节的方式工作。其中进气压力粗调阀7的入口端和出口端分别连接到一级进气稳压筒4和进气加热器10，而进气压力细调阀8以并联设置的方式连接到进气压力粗调阀8的两端以旁通部分流经进气压力粗调阀7的气体。
优选地，进气压力粗调阀7为开环控制，直接根据例如为外部输入控制信号或者用户预设定的开度值来直接控制进气压力粗调阀7的开度。进气压力细调阀8为则采用优选为PID控制的闭环控制方式。具体控制方式为：通过进气压力传感器9采集管路中的气体压力，将该压力转换为控制信号的输入值，并将该输入值作为PID控制的条件信号反馈至进气压力细调阀8以实现开度调节。通过分别改变进气压力粗调阀7和/或进气压力细调阀8的阀门开度，能够将进气压力调节至目标进气压力，从而满足单缸机不同运行工况下的进气压力调节需求。
进一步地，如图1所示，还包括经由带旁通调压阀5的管路连接到一级进气稳压筒4的旁通消音器6，和设置在一级进气稳压筒4上的压力传感器，其中该压力传感器采集一级进气稳压筒4中的气体压力，并将该压力转换为控制信号反馈至旁通调压阀进行开度调节，以调节一级进气稳压筒经由该旁通调压阀流入旁通消音器6的空气的量，从而将一级进气稳压筒4中的压力维持在目标阈值压力。旁通消音器6可以是利用多孔吸声材料来降低噪声的阻性消音器，或是由突变界面的管和室组合而成的抗性消声器，还可以是由阻性消声器和抗性消声器所组成的阻抗复合式消声器。空气在旁通消声器中进行降噪处理后排放至外部环境。
进一步地，如图1所示，还可以包括设置在进气加热器10和二级进气稳压筒12间的管路上的进气温度传感器11，其中该进气温度传感器11采集经由进气加热器10加热后的气体温度并将该温度转换为控制信号，反馈至进气加热器10进行加热功率调节，从而形成具有稳定进气温度。如此，根据该控制信号确定供给到进气加热器10的电流来对进气加热器10的功率进行调节。
进一步地，如图1所示，还包括设置在该进气稳压箱12上的温度传感器和压力传感器，其中该温度传感器和压力传感器采集进气稳压箱中的气体的温度和压力并，将该温度和压力转换为外显的读数向外输出。优选地，可以直接将温度传感器和压力传感器设置成带有外显读数的温度表和压力表。当然，本领域技术人员也能够意识到，可将温度传感器和压力传感器的读数经由信号线传输给计算机，并外显到显示屏上。
以下结合图1对根据本发明的单缸发动机的进气边界控制装置来控制单缸发动机的进气边界条件的方法进行描述。
首先启动空气压缩机1以将来自外部环境的空气加压到一定的压力，并将加压后的空气通过管路输送到板式换热器2。经由板式换热器2降低来自空气压缩机1的加压后的空气的温度。具体来说，将来自外部供应源的冷却液供给到板式换热器中，以经由板式换热器中的气液换热来降低加压后的空气温度。可选地，冷却液在板式换热器以蛇形的方式流动，以提高冷却液的流程，并相应地延长进行冷却换热的时间。
然后，经由冷冻干燥机3进一步降低来自空气的温度和湿度。随后，将经过两次降温和除湿后的空气供给到一级进气稳压筒4。以使空气在筒中形成稳定的压力。如图1所示，在一级进气稳压筒4出口端可以分为两个分支：一个分支出口通过设置有旁通调压阀5的管路连接到旁通消音器6，以在一级进气稳压筒4中的空气压力过高时，经由调节流经旁通调压阀5的空气量以将一级进气稳压筒4中的压力维持在目标压缩压力；另一个分支出口经由管路连接到进气压力粗调阀7和进气压力细调阀8，以通过开环控制和闭环控制相结合的方式对供给到单缸发动机的进气的压力进行节流开度调节，从而将进气压力调节至目标进气压力。
进一步，经由进气加热器10将空气的温度提高至目标进气温度。具体来说，进气空气通由进气压力粗调阀7和进气压力细调阀8后进入进气加热器10，并根据进气温度传感器11测量得到的进气温度与目标进气温度的差值通过PID控制器自动调节加热电流的大小，使不同运行工况下单缸发动机进气温度和整机保持基本一致。随后，经由进气加热器10加热后的空气依次进入二级进气稳压筒12和进气稳压箱13，以形成具有稳定进气温度和压力的能模拟整机的进气边界条件。进气稳压箱12通过管路14和单缸发动机15的进气道入口相连，以将能模拟整机的进气边界条件供给到单缸发动机，从而满足单缸发动机的模拟整机工况的测试要求。单缸发动机15中燃烧做功后的排气经由排气系统16排出到外部环境中。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。