一种适用于高海拔地区的柴油机起动辅助系统及方法与流程

本发明涉及柴油机技术领域，尤其是涉及一种适用于高海拔地区的柴油机起动辅助系统及方法。

背景技术：

低压缩比柴油机是目前柴油机领域的一个重要发展趋势，主要是由于国内外排放法规的趋严，使得柴油机氮氧化物排放和颗粒物排放控制技术得到大力发展，而柴油机降低压缩比后缸内爆发压力和温度都有所下降，可以大幅减少柴油机氮氧化物和颗粒物的排放。柴油机降低压缩比带来的另一个好处是柴油机的机械负荷和热负荷都明显减小，这就为柴油机轻量化和高转速提供了必要条件。同时一些高功率密度柴油机，一般采用高增压技术提高功率密度，也需要低压缩比来降低机械负荷和热负荷。

但是低压缩比柴油机的一个主要问题就是冷机起动困难，主要是由于柴油机在起动时涡轮增压器不工作，充气效率低，而压缩比降低后，柴油机缸内进气压缩终了温度和压力都会明显低于高压缩比柴油机，造成燃油雾化变差，温度和压力难以达到着火条件。这种问题在高原环境下更加严重，因为高原大气压力低，使得柴油机起动时进气质量下降，压缩终了时缸内气体的温度和压力进一步下降，使得起动更加困难。

目前对于柴油机高原冷机起动的改善，一般采用两种技术路线，一种是对进气、冷却水或者机油等进行加热，另外一种是采用压缩空气起动或者是起动时对发动机进气进行补气。第一种技术路线由于需要将空气、冷却液或者机油等加热，所以需要等待较长时间才能起动，影响工作效率，同时加热所需的能耗很大，如果用电加热的话还要考虑电源取用问题。第二种方法不需要加热，如压缩空气起动，直接将储气罐中的高压空气在柴油机做功行程通入气缸，推动活塞做功升速，此方法在船舶用大型柴油机应用广泛，主要是因为船舶都配有大功率空压机，可以不断向储气罐中补充压缩空气；而起动进气补气是在柴油机起动拖动过程中向进气管补气，增加进气质量，从而改善缸内混合气质量，达到缩短起动时间的目的。目前起动进气补气也有两种方法，一种是储气罐对发动机进气补气，一种是电动涡轮发动机进气补气。在车辆和移动机械上，储气罐由于体积不可能做大，所以需要非常高的压力才能保证足够的储气量，目前储气罐有达到8MPa之高，具有一定危险性，而且储气罐需要配备大功率高压缩比的空压机才能持续使用，否则需要经常更换，给使用带来不便。电动涡轮目前在汽油机上已有使用，但在柴油机上使用及较少，主要是电动涡轮需要针对发动机单独研发，并需要有复杂的控制策略，成本非常高，且稳定性难以保证，所以难以大规模应用。

为了能够让柴油机在高原环境中方便、顺利地起动，同时尽量减少对柴油机的改动，需要在起动补气方法上进行改良。如何能在高原环境下让低压缩比柴油机做到快速顺利的起动，尽量减少对柴油机的改动，同时能够保证较高稳定性，是目前在低压缩比柴油机高原冷机起动急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于高海拔地区的柴油机起动辅助系统及方法，可提高发动机在高海拔下的起动成功率，缩短低压缩比柴油机起动升速时间，使柴油机更快进入稳定怠速状态，解决目前柴油机高原起动困难的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于高海拔地区的柴油机起动辅助系统，用于辅助柴油机的起动，所述柴油机包括进气口、涡轮增压进气管、中冷器和发动机，该系统包括辅助增压进气管、低压比大流量流体机械、大气压力传感器、冷却液温度传感器和控制单元，所述进气口通过气体分流阀分别连接涡轮增压进气管的进气端和辅助增压进气管的进气端，所述中冷器的进气端通过气体合流阀分别连接涡轮增压进气管的出气端和辅助增压进气管的出气端，所述低压比大流量流体机械设于辅助增压进气管内，中冷器的出气端连接发动机的进气端，所述大气压力传感器设于进气口上，所述冷却液温度传感器设于发送机内，所述控制单元分别连接低压比大流量流体机械、气体合流阀、气体分流阀、大气压力传感器、冷却液温度传感器和发动机。

初始状态下，气体分流阀和气体合流阀开启进气口经涡轮增压进气管进入中冷器的第一通道且关闭进气口经辅助增压进气管进入中冷器的第二通道，同时低压比大流量流体机械不工作，控制单元接收发动机的开机信号后，分别接收冷却水温传感器采集的冷却液温度以及大气压力传感器采集的进气口处大气压力，当判断当前冷却液温度低于当前大气压力下的温度设定值时，控制单元分别向气体分流阀和气体合流阀输出辅助起动指令，同时向低压比大流量流体机械输出工作指令，此时第一通道关闭且第二通道开启，直至发动机转速达到设定转速，气体分流阀、气体合流阀和低压比大流量流体机械复位回初始状态。

所述低压比大流量流体机械的压缩比取值范围为1.2-1.6。

所述低压比大流量流体机械的流量与发动机排量和怠速转速有关，满足以下公式：

Q＝0.036×P×V

式中，Q表示流量，单位为m³/h，P表示发动机排量，单位为L，V表示怠速转速，单位为r/min。

所述低压比大流量流体机械采用离心式压气机、旋涡气泵或轴流式压气机。

所述低压比大流量流体机械由蓄电池供电工作。

所述控制单元内存储有包含当前柴油机在不同大气压力下温度设定值的大气压力-冷却液温度MAP图，所述大气压力-冷却液温度MAP图内的大气压力和冷却液温度满足以下公式：

T_c＝0.083P_a²-1.897P_a+349.841

式中，T_c表示冷却液温度，单位为K，P_a表示大气压力，单位为kPa。

所述辅助增压进气管上设有自动泄压阀，自动泄压阀在辅助增压进气管内压力大于流体机械最大工作压力时开启。

所述进气口处设有空气过滤器。

一种采用上述的系统实现适用于高海拔地区的柴油机起动辅助方法，包括以下步骤：

1)采集冷却液温度和进气口处大气压力，且发动机进气方式初始设置为：开启进气口经涡轮增压进气管进入中冷器的第一通道且关闭进气口经辅助增压进气管进入中冷器的第二通道；

2)判断当前冷却液温度是否低于当前大气压力下的温度设定值，若是，则执行步骤3)，若否，则执行步骤4)；

3)关闭进气口经涡轮增压进气管进入中冷器的第一通道且开启进气口经辅助增压进气管进入中冷器的第二通道，发动机进气全部流经低压比大流量流体机械，执行步骤5)；

4)维持发动机进气方式的初始设置，执行步骤5)；

5)判断发动机转速是否达到设定转速，若是，则发动机起动成功，发动机进气方式设置为初始设置的方式，若否，则跳转步骤2)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明实现了发动机冷起动的完全自动控制，不需要单独的空气过滤器，可在较低耗电量的前提下满足柴油机对供气压力和供气量的需求，显著提高发动机在高海拔下的起动成功率，缩短低压缩比柴油机起动升速时间，可使柴油机更快进入稳定怠速状态，解决目前柴油机高原起动困难的问题。

2)本发明可根据环境大气压力和发动机冷却液温度判断是否需要辅助起动，控制单元中预存发动机的起动辅助判断MAP图，不同大气压力下的冷却液温度限值也不一样，当发动机冷却液温度低于当前大气压力下的冷却液温度限值，则为辅助起动，否则正常起动不需要辅助，此判断方法保证了起动辅助判断的准确性，且涉及参数少，有利于降低控制的复杂度，同时不会对控制策略产生负面影响。

3)本发明控制单元中的起动辅助判断MAP图可以根据不同发动机进行标定，具有灵活性。不同柴油机的性能不同，不同工作场合对柴油机的起动性能要求也不同，这就使得不同柴油机的起动辅助判断也不一样，控制单元中的起动辅助判断MAP图可以根据不同发动机进行灵活标定，确保可以应用在所有柴油机上，其中MAP图采用二次方程函数形式可以最佳地反应大气压力和冷却液温度之间的关系。

4)本发明采用了低压比大流量流体机械进行供气，具有供气量大，效率高，能耗较低等特点。相比于以往的储气罐供气，低压比大流量流体机械供气量大，同时不需要额外的储气罐布置空间，而在同样供气量条件下，低压比大流量流体机械体积较小，有利于在车辆和移动机械上进行布置。同时低压比大流量流体机械的压缩比和供气流量可以根据柴油机需求进行选型，保证各种型号的柴油机在起动时都能有合适的供气压力和供气量，同时尽量减小耗电量。低压比大流量流体机械效率较高，不需要很大的功率，所以尤其适用于以电瓶作为电源的车辆和移动机械上，满足迅速运行进气的需求。

5)本发明对低压比大流量流体机械的选型提出了优选的方案，其中低压比是指压缩比取值范围为1.2-1.6，同时流体机械的流量与发动机排量和怠速转速有关，以保证弥补高海拔压力低下的进气需求，方便用户根据标准化优选方案改进发动机结构，实用性强。

6)本发明对原发动机机结构改动小，并实现自动控制。起动辅助系统不需要额外安装空气过滤器，而是从原机空气过滤器后的进气管取气，流体机械压缩后送入中冷器，所以对原机不需要大的改动。而起动辅助系统具有控制单元，与发动机ECU控制单元连接，可自动对起动辅助系统进行控制，不需要人工操作，降低了驾驶员的工作量。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为控制单元及其输入输出信号示意图；

图3为大气压力-冷却液温度MAP图。

图中：1、空气过滤器，2、气体分流阀，3、低压比大流量流体机械，4、自动泄压阀，5、气体合流阀，6、中冷器，7、发动机进气管，8、发动机，9、冷却液温度传感器，10、发动机排气管，11、涡轮增压器，12、大气压力传感器，13、蓄电池，14、控制单元，15、进气口，16、涡轮增压进气管，17、辅助增压进气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

如图1所示，一种适用于高海拔地区的柴油机起动辅助系统，用于解决目前柴油机，尤其是低压缩比柴油机高原起动困难的问题，并可以根据不同发动机8对起动辅助控制策略进行标定，柴油机包括进气口15、涡轮增压进气管16、中冷器6和发动机8，涡轮增压进气管16内设置涡轮增压器11的一端，涡轮增压器11的另一端设置在发动机8的发动机排气管10上，进气口15处设有空气过滤器1，该系统包括辅助增压进气管17、低压比大流量流体机械3、大气压力传感器12、冷却液温度传感器9和控制单元14，进气口15通过气体分流阀2分别连接涡轮增压进气管16的进气端和辅助增压进气管17的进气端，中冷器6的进气端通过气体合流阀5分别连接涡轮增压进气管16的出气端和辅助增压进气管17的出气端，低压比大流量流体机械3设于辅助增压进气管17内，中冷器6的出气端连接发动机8的进气端，大气压力传感器12设于进气口15处管外任何可准确测量大气压力的位置，冷却液温度传感器9设于发送机冷却水套内，低压比大流量流体机械3由蓄电池13供电工作，控制单元14分别连接低压比大流量流体机械3、气体合流阀5、气体分流阀2、大气压力传感器12、冷却液温度传感器9和发动机8，空气经中冷器6冷却后由发动机进气管7进入发动机8，发动机8产生的废气经由发动机排气管10进入涡轮增压器11，之后排到大气中。

气体分流阀2用来控制来自于空气过滤器1的空气流向，气体分流阀2的阀门位置只有两个，位置一为关闭通往流体机械的通道，空气全部流入涡轮增压器11；位置二为关闭通往涡轮增压器11的通道，空气全部流入流体机械。同样地，气体合流阀5用来控制进入中冷器6的空气来流方向，气体合流阀5的阀门位置只有两个，位置一为关闭流体机械通往中冷器6的通道，只有来自涡轮增压器11的空气流入中冷器6；位置二为关闭通往涡轮增压器11的通道，只有来自流体机械的空气流向中冷器6。气体合流阀5和气体分流阀2均采用电控阀。

低压比大流量流体机械3的压缩比取值范围为1.2-1.6，同时低压比大流量流体机械3的流量与发动机8排量和怠速转速有关，满足以下公式：

Q＝0.036×P×V

式中，Q表示流量，单位为m³/h，P表示发动机排量，单位为L，V表示怠速转速，单位为r/min。低压比大流量流体机械3可根据发动机需求选用不同的类型和不同的压缩比和流量，以满足发动机起动辅助需求，如离心式压气机、旋涡气泵、轴流式压气机等。

辅助增压进气管17上设有自动泄压阀4，自动泄压阀4紧邻流体机械，且沿空气流向位于流体机械后方，预设置流体机械最大工作压力，自动泄压阀4在辅助增压进气管17内压力大于流体机械最大工作压力时开启，压力降低为设定压力即关闭。

控制单元14中预存有发动机大气压力-冷却液温度MAP图，每个大气压力下所对应的冷却液温度设定值不同(如：大气压力低时，发动机8需要较高的冷却液温度才能正常起动，而大气压力高时，发动机8在较低冷却液温度下就能正常起动)，MAP根据发动机8不同而采用不同的标定，如图3所示，大气压力-冷却液温度MAP图内的大气压力和冷却液温度满足以下公式：

T_c＝0.083P_a²-1.897P_a+349.841

式中，T_c表示冷却液温度，单位为K，P_a表示大气压力，单位为kPa。当大气压力传感器12和发动机水套中的冷却液温度传感器9的信号传输至控制单元14后，控制单元14将其与预存的MAP图进行对比，如果在当前大气压力下，温度低于设定的温度值，则认定为冷机起动，并需要进行起动辅助。

控制单元14的输入输出端如图2所示，控制单元14的Input1是发动机开机信号，Input2是大气压力信号信号，Input3是冷却液温度信号，Input4是发动机转速信号，Output1信号是控制气体分流阀2的信号，Output2信号是控制气体合流阀5的信号，Output3信号是控制低压比大流量流体机械3开关的信号。控制单元14可受发动机ECU策略的控制，在起动时，通过流体机械对进气进行增压，以优化柴油机起动时充气效率，解决发动机8由于进气不足导致的无法起动的问题。通过控制单元14中预存的大气压力-冷却液温度MAP图对发动机起动环境进行判断，所存的大气压力-冷却液温度MAP图可针对发动机起动性能要求具体标定，同时流体机械的工作压力和供气量可根据发动机需求选型，使之能够符合所有柴油机的要求。

辅助起动工作原理：

初始状态下，气体分流阀2和气体合流阀5均位于位置一，开启进气口15经涡轮增压进气管16进入中冷器6的第一通道且关闭进气口15经辅助增压进气管17进入中冷器6的第二通道，同时低压比大流量流体机械3不工作，控制单元14接收发动机8的开机信号后，分别接收冷却水温传感器采集的冷却液温度以及大气压力传感器12采集的进气口15处大气压力，当判断当前冷却液温度低于当前大气压力下的温度设定值时，控制单元14分别向气体分流阀2和气体合流阀5输出辅助起动指令，同时向低压比大流量流体机械3输出工作指令，此时气体分流阀2和气体合流阀5均位于位置二，第一通道关闭且第二通道开启，直至发动机8转速达到设定转速，控制单元14接收到来自发动机电子控制单元ECU的转速信号后会自动将发动机进气从起动辅助系统切换到正常的涡轮增压器11至中冷器路线，即气体分流阀2、气体合流阀5和低压比大流量流体机械3复位回初始状态，此时所有进气都流经涡轮增压器11，进入中冷器6。

在起动初期，由于发动机转速较低，单位时间进气量需求也较小，此时由于流体机械不断向中冷器6供气，可能会使气泵后的进气管内压力超过设定值(如30kPa)，此时流体机械后的自动泄压阀4在内外压差的作用下打开，部分空气由泄压阀排出，直到管内压力回到设定值以内，之后自动泄压阀4关闭。

气体分流阀2和气体合流阀5在辅助冷起动时，由位置一变为位置二，此时空气不会从涡轮增压器11泄漏出去。同理，气体分流阀2和气体合流阀5在发动机8起动成功后同时由位置二变为位置一，关闭通往流体机械的进气，防止发动机8正常工作时涡轮形成的高压空气从气体合流阀5处、自动泄压阀4处泄漏。

一种采用上述的系统实现适用于高海拔地区的柴油机起动辅助方法，包括以下步骤：

1)采集冷却液温度和进气口15处大气压力，且发动机8进气方式初始设置为：开启进气口15经涡轮增压进气管16进入中冷器6的第一通道且关闭进气口15经辅助增压进气管17进入中冷器6的第二通道；

2)判断当前冷却液温度是否低于当前大气压力下的温度设定值，若是，则执行步骤3)，若否，则执行步骤4)；

3)关闭进气口15经涡轮增压进气管16进入中冷器6的第一通道且开启进气口15经辅助增压进气管17进入中冷器6的第二通道，发动机进气全部流经低压比大流量流体机械3，执行步骤5)；

4)维持发动机8进气方式的初始设置，执行步骤5)；

5)判断发动机转速是否达到设定转速，若是，则发动机8起动成功，发动机进气方式设置为初始设置的方式，若否，则跳转步骤2)。

在步骤5)中，当发动机8在初始设置的方式下连续判断发动机8未达到设定转速的次数超过设定次数时，则直接跳转步骤3)，其中设定次数可为2～3次，此步骤可有效地避免连续初始设置方式下起动失败的死循环特殊情况，进一步提高发动机冷起动成功率。

从柴油机起动辅助方法的步骤可知，当环境温度高于当前大气压力下的温度设定时，通过控制单元14的控制，可以正常起动，减少对蓄电池13电能的消耗；当环境温度较低时，控制单元14自动采用辅助系统起动发动机8，缩短发动机8起动时间，提高发动机8起动成功率，当发动机8起动成功，进入怠速阶段，通过控制单元14的控制，使进气流经涡轮增压器11，并关闭流体机械。

具体的，当驾驶员将钥匙拧到“ON”档，发动机8上电，控制单元14检测大气压力传感器12的Input2信号，与预存的大气压力-冷却液温度MAP进行比对，得到当前大气压力下最低正常起动温度限值，将此限值与检测到的冷却液温度Input3信号进行比对，如果冷却液温度低于限值，则控制单元14通过Output1信号和Output2信号分别将气体分流阀2和气体合流阀5置于位置二，通过Output3信号起动低压比大流量流体机械3。

在发动机8起动过程中，如果控制单元14检测到发动机8转速Input4信号达到怠速转速，则控制单元14通过Output1信号和Output2信号分别将气体分流阀2和气体合流阀5置于位置一，通过Output3信号关闭低压比大流量流体机械3。

如果起动时发动机8为热机状态，则控制单元14接受Input3信号，不会使用起动辅助系统。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值，本发明优点具体包括：

1)现有技术系统复杂，加装成本高，同时对发动机8改动较大，可能会增加发动机8的故障率。而较多的部件也需要很多空间进行布置，在车辆和移动机械上，空间非常有限，实际中布置如此多的部件有很大困难。而本发明系统主要组成为低压比流体机械、控制单元14和一些阀门，所以占用空间很小，且重量轻，对发动机8改动很小，尽量减少起动辅助系统对原柴油机的改动，降低成本，同时也能够减少安装起动辅助系统后产生故障的几率，不会对发动机8的稳定性和耐久性造成破坏；

2)在控制方式上，本申请不需要测量环境温度，以发动机冷却液温度作为判断发动机起动是否需要辅助的主要影响因素，只要发动机冷却液温度高于设定值，即使环境温度低(即进气温度低)，也不会对发动机起动性能有明显影响。所以本发明涉及的测量参数少，有利于降低控制的复杂度，同时不会对控制策略产生负面影响。

3)现有技术需要单独的电动高压气泵给高压储气筒补充高压气，高压比气泵耗电量较大，而在车辆和移动机械上，电能由蓄电池13供给，电能有限。而本发明采用低压比大流量流体机械3，由于压比较低，所以有效率高、能耗低的优点，即使与柴油机起动电机同时运行，蓄电池电量也能够满足。同时低压比流体机械流量很大，完全能够满足重型机械和车辆的大型柴油机的起动补气需求。

4)由于不同海拔时，大气压力相差较大，所以柴油机起动性能也有很大差别，例如，在0m海拔-40℃环境温度和冷却液温度可以正常起动的柴油机，在4500m海拔时-15℃温度下就已经无法正常起动。现有技术控制策略中的温度、压力等设定值都是定值，缺少针对海拔变化的起动控制措施。而本发明的控制策略中，针对不同海拔，有预存的大气压力-冷却液温度MAP，即冷却液温度设定值是随着大气压力的变化而变化的，大气压力越低(海拔越高)，冷却液温度设定值也越高。预存的大气压力-冷却液温度MAP可根据不同款发动机8的起动性能要求进行标定。通过这个MAP，本申请可以精确控制所有海拔条件下的起动辅助系统，兼顾了起动性能和蓄电池电量节约两个方面。