模拟高原环境下的开式柴油机进排气系统及其控制方法与流程

本发明涉及内燃机技术领域，并且更具体地，涉及一种模拟高原环境下的开式柴油机进排气系统及其控制方法。

背景技术：

我国地域辽阔，东西部海拔跨度较大，西部大部分地区海拔高度都在2000米以上，大气压力低、氧气稀薄、昼夜温差大等因素是其典型的环境条件。这给铁路大功率内燃机车用柴油机的运用带来很大的挑战，主要表现为空气进气量不足、功率负载低、缸内燃烧恶化、排气温度过高等。为了改善柴油机在高原应用中出现的问题，需要重新设计专门用于高原环境的柴油机，提高涡轮增压器的压比，增大空气进气量。设计完成后需要进行相应的台架性能验证试验，但是由于高原与平原环境条件的差别，平原试验时柴油机进排气系统不作处理的情况下，会出现缸内燃烧压力高、排气温度高、排气背压高等问题。

现有技术中，通常采用理论计算+密闭空间试验验证的方式。在完成柴油机高原性能理论计算分析的基础上，采用密闭的高原专用试验间，近似的模拟高原的进排气环境，同时完成全部的试验验证工作。该技术的缺点为：1)密闭的高原专用试验间对功率等级比较低的柴油机比较适用，对于大功率等级的柴油机实现起来相当困难；2)大功率柴油机密闭高原试验间受限于柴油机的外形尺寸，需要足够大的试验空间，密闭的大空间对于控制系统来说相当难于实现，且会出现环境条件不均匀的现象。成本也相当高。

故在试验台真实模拟高原环境极为必要，需要对大功率柴油机的进排气系统进行高原适应性研究，设计一套模拟高原环境的开式进排气系统，对平原试验台性能验证起着至关重要的作用。

技术实现要素：

为了克服现有技术不足，本发明的目的在于提供一种模拟高原环境条件的开式柴油机进排气系统及其控制方法，用以解决大功率高原柴油机在平原试验台试验的技术问题。该进排气系统通过控制、调节大功率柴油机的进排气环境条件，在平原实现对高原环境的模拟，使高原大功率柴油机在平原试验台完成相关的试验验证工作，且验证过程能够实现较为精准的调控系统内的温度和压力。

基于上述目的，采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种模拟高原环境下的开式柴油机进排气系统，包括：

进气系统，进气系统连接到柴油机的进气口，

排气系统，排气系统连接到柴油机的出气口，

进气控制器，进气控制器与进气系统电联接，且配置为控制、收集和反馈进气系统的参数；

排气控制器，排气控制器与排气系统电联接，且配置为控制、收集和反馈排气系统的参数；

ecu控制器，ecu控制器与柴油机、进气控制器和排气控制器电联接；

其中，进气系统包括进气支管和电控进气量调节装置，电控进气量调节装置设置在进气支管上；进气支管连通至柴油机的进气口；气体依次通过进气支管和电控进气量调节装置进入进气系统，经过柴油机，再通过排气系统排出。

进一步地，进气系统还包括：

进气稳压箱；进气稳压箱上设置有第一进口和第一出口，第一进口和第一出口呈对角线错位布置；第一出口连接至柴油机的进气口，所述第一进口连通所述进气支管；在该设置下，进气稳压箱的第一进口和第一出口位置布置做到左右错位、上下错位。

设置在进气稳压箱内部的电控进气温度调节装置；以及

连接在进气稳压箱上的进气温度传感器和进气压力传感器。

进一步地，第一进口设置在进气稳压箱侧面底部，第一出口设置在进气稳压箱顶面的远离第一进口的一端。

进一步地，电控进气量调节装置的一端连接至进气支管，另一端与第一进口连接。电控进气调节装置布置在第一进口的进气支管上，进气系统气体流动属于被动循环，需要第一进口与控制调控气量装置统一在一个气路上。

采用电控进气量调节装置(优选为电动节气门)的调控原理及特点：

初始状态时，进气稳压箱中充满平原环境的气体状态，柴油机与电动节气门都处于关闭状态。当柴油机和电动节气门工作时，开始阶段，电动节气门开度比较小，瞬时可以改变箱体内的气体状态，随着气体状态的变化，电动节气门开度逐步动态调整，短时间内可以使箱体内获得稳定的高原气体状态，随着柴油机持续工作，箱体内气流基本可以做到充分融合，同时获得稳定的动态平衡气体状态。

电动节气门的布置位置与空气进气口同属一个气路循环，对于被动循环的进气系统，箱体内的气体状态基本可以做到精准调控。

采用电动节气门的方案主要应用于中高功率等级、中高增压压比、高空气流量的柴油机，因为气体环境状态的变换需要的调控力度比较大，另外电动节气门的调控相对比较灵活，灵敏度比较高。避免采用其它调节设备带来的调节不准确，无法维持稳定、平衡的气体状态。

进一步地，进气温度传感器和进气压力传感器与进气稳压箱连通且配置以采集进气稳压箱的温度和压力数据。

进一步地，电控进气温度调节装置靠近进气稳压箱的第一进口设置，可以在第一时间实现对进入稳压箱的空气进行温度的调节，随后通过设置在进气稳压箱上部的温度传感器的反馈，由ecu控制器指导完成电控进气温度调节装置对温度的微调。

进一步地，进气控制器与进气温度传感器、进气压力传感器、电控进气量调节装置、电控进气温度调节装置电联接。

进一步地，排气系统包括：

排气稳压箱；排气稳压箱包括第二进口和第二出口，第二进口和第二出口呈对角线错位布置；第二进口连接至柴油机的出气口；

设置在排气稳压箱内部的电控排气温度调节装置；以及

连接在排气稳压箱上的排气温度传感器和排气压力传感器；

电控风机，电控风机的一端连接至第二出口，另一端连接至排气支管。

电控排气温度调节装置设置在靠近排气稳压箱的第二出口的位置。可以在第一时间实现对进入稳压箱的空气进行温度的调节，随后通过设置在排气稳压箱上部的温度传感器的反馈，由ecu控制器指导完成电控排气温度调节装置对温度的微调。

进一步地，排气控制器与排气温度传感器、排气压力传感器、电控风机、电控排气温度调节装置电联接。

根据本发明，还提供一种如上所述的模拟高原环境下的开式柴油机进排气系统的控制方法，包括以下步骤：

1)ecu控制器采集柴油机的运行工况性能参数，且手动或编程预设高原环境条件；

2)ecu控制器通过进气控制器和排气控制器触发电控进气量调节装置、电控进气温度调节装置、电控风机、电控排气温度调节装置分别同时动作，调节进入和排出柴油机气体的温度和压力；

3)进气温度传感器和进气压力传感器采集进气稳压箱中气体的温度和压力，并经由进气控制器反馈给ecu控制器；同样地，排气温度传感器和排气压力传感器采集排气稳压箱中气体的温度和压力，并经由排气控制器反馈给ecu控制器；ecu控制器根据反馈的温度和压力，通过进气控制器和排气控制器对进入和排出柴油机气体的温度和压力进行反馈调节。

对于进气系统必须精准调节进气稳压箱中的气体温度和压力，并实现动态调整，排气系统也需要精准调节排气稳压箱中的气体温度和压力，同时实现动态调整，故本发明中布置有三个控制器单元，分别为ecu控制器、进气控制器以及排气控制器，上述三个控制器单元可以做到进、排气分别控制调节，同时又做到互联互通。避免以往的只使用ecu控制器控制造成的控制干扰以及逻辑混乱等弊端。对于大功率柴油机来说，外界环境的影响因素比较多，每一项都可能对柴油机整机性能造成巨大的影响，所以必须对进、排气系统分别控制，而且需要精准控制。温度和压力环境缺一不可，都需要进行模拟调节。以往的单缸机、小功率柴油机控制相对容易，变量影响因素比较少，比如，温度等参数可以采用外界环境温度简单换算即可初步预估，采用预估后的数据对单缸机、小功率柴油机的性能影响微乎其微。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种模拟高原环境条件的开式柴油机进排气系统，用以解决大功率高原柴油机在平原试验台试验的技术问题。该系统通过控制、调节柴油机的进排气环境条件，在平原实现对高原环境的动态模拟，使高原柴油机在平原试验台完成相关的试验验证工作。该系统的实施可以避免以往的大功率高原柴油机只能在高原实地进行各项标定试验，大大节约了试验成本；另外可以实现柴油机单独的高原试验标定工作，无需进行装车实地试验验证；再者在试验台进行试验，可以及时对技术方案进行调整，大大简化了试验验证流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的模拟高原环境条件的开式柴油机进排气系统示意图；

图2为本发明一优选实施例的进气稳压箱主视示意图，其中示出了进气稳压箱的尺寸；

图3为图2的进气稳压箱的俯视图。

附图标记列表

1-柴油机；2-排气波纹管；3-排气接管；4-排气稳压箱；5-电控排气温度调节装置；6-排气温度传感器；7-排气压力传感器；8-电控风机；9-排气支管；10-排气控制线束；11-排气控制器；12-柴油机ecu线束；13-ecu控制器；14-进气控制器；15-进气控制线束；16-进气支管；17-电控进气量调节装置；18-电控进气温度调节装置；19-进气稳压箱；20-进气温度传感器；21-进气压力传感器；22-进气接管；23-进气波纹管；24-第一出口；25-第一进口；26-进气口；27-出气口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

如图1所示，模拟高原环境下的开式柴油机进排气系统，包括进气系统、排气系统、进气控制器14、排气控制器11以及ecu控制器13。

进气系统连接到柴油机1的进气口26，排气系统连接到柴油机1的出气口27。

进气控制器14与进气系统电联接，且配置为控制、收集和反馈进气系统的参数；排气控制器11与排气系统电联接，且配置为控制、收集和反馈排气系统的参数；ecu控制器13通过柴油机ecu线束12分别与柴油机1、进气控制器14和排气控制器11电联接。

进气系统包括进气稳压箱19、电控进气温度调节装置18、进气温度传感器20、进气压力传感器21、进气支管16和电控进气量调节装置17，电控进气量调节装置17设置在进气支管16上。电控进气量调节装置17优选采用电动节气门(蝶阀)，通过调整蝶阀的开度，控制空气进气流量，调节进气真空度。

进气稳压箱19采用封闭的大容积箱体结构，第一进口25和第一出口24设置在进气稳压箱19上；第一进口25和第一出口24呈对角线错位布置，第一进口25设置在进气稳压箱19侧面底部，第一出口24设置在进气稳压箱19顶面的远离第一进口25的一端；第一出口24通过进气波纹管23和进气接管22刚性连接至柴油机1的进气口26，进气波纹管23一端连接在柴油机1中增压器的进气口26，另一端与进气接管22连接，此种连接方式为避振连接方式，可以避免柴油机1的振动通过管路传递到整个进气系统，保持整个系统的稳定性。电控进气量调节装置17的一端与进气支管16连接，电控进气量调节装置17的另一端与第一进口25连接。气体依次通过进气支管16和电控进气量调节装置17进入进气稳压箱19，经过柴油机1，再通过排气系统排出。

电控进气温度调节装置18优选采用温控单元模块，用于控制进气稳压箱19箱体内部的温度，可以通过一定的信号量触发电阻加热与制冷实现温控功能。温控单元模块设置在进气稳压箱19内部；温控单元模块靠近进气稳压箱19的第一进口25设置，可以在第一时间实现对进入稳压箱的空气进行温度的调节，随后通过设置在进气稳压箱19上部的温度传感器的反馈，由ecu控制器13指导完成电控进气温度调节装置18(温控单元模块)对温度的微调。

在进气稳压箱19的箱体的上部中心位置布置有传感器安装座，进气温度传感器20和进气压力传感器21设置在传感器安装座上；进气温度传感器20和进气压力传感器21与进气稳压箱19连通且配置以采集进气稳压箱19的温度和压力数据。在一个优选实施例中，进气温度传感器20采用热敏电阻型式的传感器，进气压力传感器21采用压敏电阻型式的传感器。

进气控制器14通过进气控制线束15分别与进气温度传感器20、进气压力传感器21、电控进气量调节装置17、电控进气温度调节装置18电联接。

不同功率等级、不同压比和流量的柴油机，进气稳压箱19的尺寸、第一进口25和第一出口24的设置位置以及管道内直径都会不同，需要通过具体的模拟计算确定。另外排气稳压箱4的结构与进气稳压箱19的结构类似。

在本申请的一个优选实施例中：

(1)柴油机技术参数(uic条件下：环境温度25℃，大气压力：1*标准大气压)

额定转速：1000r/min；

额定功率：1750kw；

增压器压比：3.4～3.6；

空气流量：3.3～3.7kg/s；

空气进气温度：30～35℃；

空气进气压力：≥0.97*标准大气压。

(2)柴油机技术参数(高原环境条件下：环境温度-40～35℃，大气压力：0.5～0.8*标准大气压)

额定转速：1000r/min；

额定功率：1500～1650kw；

增压器压比：2.5～4.0；

空气流量：2.3～4.5kg/s；

空气进气温度：-35～45℃；

空气进气压力：≥0.47～0.77*标准大气压。

(3)进气稳压箱19设计方案(第一进口25和第一出口24错位示意图)

进气稳压箱19的尺寸为：长2000cm，宽600cm，高1000cm。

如图2所示的进气稳压箱19的主视图，在进气稳压箱19的高度方向上，第一出口24的位置与第一进口25的位置的差值为850cm；在进气稳压箱19的长度方向上，第一出口24的位置与第一进口25的位置的差值为1850cm；如图3所示的进气稳压箱19的俯视图，在进气稳压箱19的宽度方向上，第一出口24的位置与第一进口25的位置的差值为300cm；第一出口24的管道内直径为200cm，第一进口25的管道内直径为200cm。

进气稳压箱19的第一进口25位于箱体右侧底部朝右的位置，第一出口24位于箱体左侧顶部朝上的位置。箱体的进出气口位置布置做到左右错位、上下错位。

采用电控进气量调节装置17(优选为电动节气门)的调控原理及特点：

初始状态时，进气稳压箱19中充满平原环境的气体状态，柴油机1与电动节气门都处于关闭状态。当柴油机1和电动节气门工作时，开始阶段，电动节气门开度比较小，瞬时可以改变箱体内的气体状态，随着气体状态的变化，电动节气门开度逐步动态调整，短时间内可以使箱体内获得稳定的高原气体状态，随着柴油机1持续工作，箱体内气流基本可以做到充分融合，同时获得稳定的动态平衡气体状态。

电动节气门的布置位置与空气进气口同属一个气路循环，对于被动循环的进气系统，箱体内的气体状态基本可以做到精准调控。

采用电动节气门的方案主要应用于中高功率等级、中高增压压比、高空气流量的柴油机1，因为气体环境状态的变换需要的调控力度比较大，另外电动节气门的调控相对比较灵活，灵敏度比较高。避免采用其它调节设备带来的调节不准确，无法维持稳定、平衡的气体状态。

排气系统包括排气稳压箱4、电控排气温度调节装置5、电控风机8、排气温度传感器6和排气压力传感器7。

排气稳压箱4包括第二进口和第二出口，第二进口和第二出口呈对角线错位布置，其中排气稳压箱4的第二进口位于箱体下部靠左的位置，第二出口位于箱体上部靠右的位置；第二进口通过排气波纹管2、排气接管3刚性连接至柴油机1的出气口27。

排气稳压箱4采用的结构与进气稳压箱19类似，但是箱体的容积不同，需要通过排气流量进行计算确定，排气稳压箱4也是实现模拟高原环境排气系统的重要部件，可以有效调节、控制柴油机1的排气背压，避免背压过高导致的柴油机1排温过高的问题。另外该稳压箱结构的另一作用是可以实现在平原试验台连接排放测试设备，近似的模拟高原环境柴油机1的排放指标，一举双得。

在箱体的上部中心位置布置有传感器安装座，排气温度传感器6和排气压力传感器7设置在传感器安装座上。在一个优选实施例中，排气温度传感器6采用k型热电偶型式的传感器，排气压力传感器7采用压敏电阻型式的传感器。

电控风机8的一端刚性连接至第二出口，另一端刚性连接至排气支管9。电控风机8采用电动离心式风机，用于控制排气系统的压力环境，调节排气系统的排气背压，通过控制风机的转速实现不同的抽风量，进而模拟不同海拔下的排气背压，该结构便于实施，成本相对比较低。

电控排气温度调节装置5为温控单元模块，其设置在靠近排气稳压箱4的第二出口的位置。可以在第一时间实现对进入稳压箱的空气进行温度的调节，随后通过设置在排气稳压箱4上部的温度传感器的反馈，由ecu控制器13指导完成电控排气温度调节装置5(温控单元模块)对温度的微调。不同于电控进气温度调节装置18的是，此处的温控单元模块运用温度相对比较高。用于控制排气稳压箱4箱体内部的温度，也是可以通过一定的信号量触发电阻加热与制冷实现温控功能。

排气控制器11通过排气控制线束10分别与排气温度传感器6、排气压力传感器7、电控风机8、电控排气温度调节装置5电联接。

本申请的模拟高原环境下的开式柴油机1进排气系统的控制方法，包括以下步骤：

1)ecu控制器13采集柴油机1的运行工况性能参数，且手动或编程预设高原环境条件；

2)ecu控制器13通过进气控制器14和排气控制器11触发电控进气量调节装置17、电控进气温度调节装置18、电控风机8、电控排气温度调节装置5分别同时动作，调节进入和排出柴油机1气体的温度和压力；

3)进气温度传感器20和进气压力传感器21采集进气稳压箱19中气体的温度和压力，并经由进气控制器14反馈给ecu控制器13；同样地，排气温度传感器6和排气压力传感器7采集排气稳压箱4中气体的温度和压力，并经由排气控制器11反馈给ecu控制器13；ecu控制器根据反馈的温度和压力，通过进气控制器和排气控制器对进入和排出柴油机气体的温度和压力进行反馈调节。

具体地，ecu控制器13作为整个柴油机1系统和进排气系统的控制中枢，通过ecu线束12采集柴油机1的运行工况性能参数，并在源程序中自动设定进排气系统的目标压力和温度值，再通过ecu线束12同时将其反馈给进气控制器14和排气控制器11，完成程序调节值的初始设定。

进气控制器14主要用于控制进气系统装置的温度、压力控制调节。进气控制器14同时接收到来自ecu控制器13、进气温度传感器20和进气压力传感器21的反馈信号，通过初始的编程程序结合反馈信号指导电控进气量调节装置17和电控进气温度调节装置18同时动作，完成进气流量和进气温度的动态调节。

排气控制器11主要用于控制排气系统装置的温度、压力控制调节。排气控制器11同时接收到来自ecu控制器13、排气温度传感器6和排气压力传感器7的反馈信号，通过初始的编程程序结合反馈信号指导电控风机8和电控排气温度调节装置5同时动作，完成排气背压和排气温度的动态调节。

柴油机ecu线束12、进气控制线束15、排气控制线束10均采用无卤、阻燃、防油水的屏蔽性良好的集成线束。用于控制器之间以及控制器与传感器之间的通讯连接。

ecu控制器13可以将数据传输到pc端显示。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。