一种单缸发动机的排气边界控制装置的制作方法

本实用新型涉及发动机的排气系统，具体地，涉及一种单缸发动机的排气边界控制装置。

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。

发动机进气阀开启、排气阀尚未关闭的阶段为扫气过程，扫气质量的好坏会影响缸内残余废气量，从而影响燃烧过程，同时也影响扫气带走的缸内热量，从而影响受热零部件热负荷。影响扫气过程的主要因素为此阶段的进气压力和排气压力间的压差。

在利用单缸发动机进行整机模拟试验时，由于整机各缸之间存在排气干涉，排气压力波动较大，难于对排气道中的压力波进行精确的控制。以上种种将会造成单缸发动机的排气边界条件与整机的排气边界条件不同，从而使得单缸发动机的扫气过程和整机不同，导致燃烧过程和零部件热负荷与整机有较大差异。

因此，为了实现利用单缸发动机对整机工作过程进行精确模拟，有必要提出一种单缸发动机的排气边界控制装置，从而解决上述现有技术中的不足。

技术实现要素：

在实用新型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。本实用新型的实用新型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不足，本实用新型公开了一种单缸发动机的排气边界控制装置，该排气边界控制装置用于精确模拟整机的排气边界条件，其中该排气边界控制装置包括：排气膨胀管，该排气膨胀管通过管路连接到单缸发动机的排气口，该排气膨胀管为具有一定直径和长度的圆筒状管，通过改变该排气膨胀管的直径和长度，从而能够改变流经的排气的压力波的波形；排气稳压筒，该排气稳压筒通过管路连接到所述排气膨胀管，从而接收来自所述排气膨胀管的排气以稳定排气的压力；排气压力粗调阀和排气压力细调阀，所述排气压力粗调阀和排气压力细调阀以并联设置的方式连接到所述排气稳压筒的出口端，所述排气压力粗调阀和排气压力细调阀构造成能够调整开度以调节流经的排气的稳态压力；排气总管，所述排气总管连接到所述排气压力粗调阀和排气压力细调阀的出口端以接收排气并将接收到的排气排出到外部环境中。

根据本实用新型中的单缸发动机的排气边界控制装置，与现有的单缸发动机的排气系统相比，通过改变控制装置中的能够调整压力和/或压力波形的部件的参数，能够在单缸发动机中较精确地模拟整机的排气压力和/或压力波形，从而能够更加准确地模拟整机的扫气过程和预测整机的性能。

优选地，所述排气边界控制装置包括多个具有不同直径和长度的排气膨胀管，通过更换具有不同直径和长度的排气膨胀管来改变流经的排气的压力波的波形。

根据优选的排气边界控制装置，通过在控制装置中设置多个能够调整压力和/或压力波形的部件，能够在单缸发动机中较精确地模拟整机的排气压力和/或压力波形，从而能够更加准确地模拟整机的扫气过程和预测整机的性能。

优选地，所述排气膨胀管的连接到单缸发动机的管路为排气谐振管，所述排气谐振管构造成能够调整单缸发动机的排气压力波的波形。

根据优选的排气边界控制装置，通过将管路设计为排气谐振管，能够进一步提高排气压力波的波形整定的能力和调节自由度。

优选地，所述排气压力粗调阀和排气压力细调阀均为电动控制的阀门，其中以开环控制的方式控制所述排气压力粗调阀的开度，以闭环控制的方式控制所述排气压力细调阀的开度。

根据优选的排气边界控制装置，能够对排气进行节流控制，从而调节所述排气边界控制装置中的排气压力。

优选地，还包括设置在所述排气膨胀管上游的压力传感器，其中所述压力传感器采集进入所述排气膨胀管的排气的压力并将该压力转换为控制信号反馈至所述排气压力细调阀，从而实现以闭环控制的方式控制所述排气压力细调阀的开度。

根据优选的排气边界控制装置，能够根据排气压力传感器传来的控制信号对排气进行节流控制，从而提高排气压力调节的自动化程度。

优选地，还包括设置在所述排气总管上的排气后处理装置和排气消音器。

根据优选的排气边界控制装置，能够模拟实际发动机运行工况下排气后处理装置和排气消音器对排气背压所带来的影响，使得单缸发动机的试验运行更加逼近发动机的实际使用工况。

附图说明

本实用新型实施例的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施方式及其描述，用来解释本实用新型的原理。在附图中，

图1为根据本实用新型的一个优选实施方式的排气边界控制装置的示意图；

图2为根据本实用新型的排气膨胀管的结构示意图；

图3为根据本实用新型的不同直径的排气膨胀管的排气压力波对比图；

图4为根据本实用新型的不同长度的排气膨胀管的排气压力波对比图；

图5为根据本实用新型的带有排气膨胀管的控制装置的排气压力对比实验图。

附图标记说明：

1、进气模拟增压系统 2、单缸发动机 3、排气谐振管

4、排气膨胀管 5、排气稳压筒 6、排气压力粗调阀

7、排气压力细调阀 8、排气压力传感器 9、排气后处理装置

10、排气消音器

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实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本实用新型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，为了避免与本实用新型实施例发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本实用新型实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本实用新型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。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

根据本实用新型的一个方面，提供一种单缸发动机的排气边界控制装置，该排气边界控制装置用于精确模拟整机的排气边界条件。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为船用柴油机，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，发动机的排气边界是指例如在进行发动机试验时、不限于为排气压力和排气压力波的波形在内的输出条件。在利用单缸发动机进行整机运行模拟时，有必要使排出单缸发动机的排气的边界条件与整机的排气边界条件设定为基本一致，使得单缸机的扫气过程与整机相似，进而准确地预测多缸整机的性能。

在附图1所描述的实施例中，示出了一种使用单缸发动机机模拟多缸整机的系统，该系统包括：用于模拟多缸整机进气的进气模拟增压系统1；单缸发动机2，该进气模拟增压系统1通过管路连接到该单缸发动机2，从而以模拟多缸整机进气的方式向单缸发动机2供给进气；排气边界控制装置，该排气边界控制装置连接到单缸发动机2的排气口，从而将单缸发动机2中做功完成后的排气排出到外部环境。

如图1所示，该排气边界控制装置包括：排气膨胀管4，该排气膨胀管4通过管路连接到单缸发动机的排气口，该排气膨胀管构造为能改变长度L和直径D以改变流经的排气的压力波的波形，优选地，在排气膨胀管上设置有压力传感器以监测流经膨胀管的排气压力。

在附图2中示出了根据本实用新型的排气膨胀管4。如图2所示，该排气膨胀管4为具有直径为D且长度为L的圆筒状管，其中圆筒状管的两端分别连接到排气膨胀管的上游部件和下游部件。由于排气膨胀管4的空间容积和与之连接的管路相比要大许多，使得在连续管路中流动的排气在进入排气膨胀管后发生膨胀从而对排气压力波的波形进行整定。通过调整排气膨胀管4的直径D和长度L，可以改变来自单缸发动机的排气的压力波的幅值和相位，从而使扫气阶段的排气压力波的波形和整机近似相同。当然本领域技术人员能够理解，该排气膨胀管4还可以降低排气噪声。

在本实施例中，提供多个具有不同直径D和长度L的排气膨胀管4。根据发动机运行工况或者发动机排气量的大小，可以选择匹配不同直径和长度的排气膨胀管。根据本实施例，可以通过计算机仿真计算的方式选择合适管径和长度的排气膨胀管。

在附图3-4中示出了利用计算机仿真软件来选择确定合适管径和长度的排气膨胀管。具体来说，对于给定的发动机缸径(例如但不限于为270mm)和给定的发动机行程(例如但不限于为300mm)，将不同直径的排气膨胀管作为可变参数输入到计算机仿真软件中进行数值模拟计算。该计算软件可以是例如为BOOST、GT-Power等本领域已知的发动机一维工作过程模拟仿真软件。在给定的缸径和发动机行程的情况下，进行排气膨胀管排气压力的模拟计算是本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

如图3所示，选择具有4种不同直径的排气膨胀管进行数值模拟计算：D1(例如但不限于为200mm)、D2(例如但不限于为300mm)、D3(例如但不限于为400mm)、D4(例如但不限于为500mm)，从而得到如图3所示的不同直径的排气膨胀管在完整的720度曲轴转角(对应于四冲程发动机)内的排气压力的曲线(如图3所示，不同直径对应于不同线型)，其中重点关注排气压力曲线中的进气门开启时刻(IVO)之后和排气门关闭时刻(EVC)之前的单缸发动机排气压力曲线峰值的幅值和相位。将整机排气的排气压力曲线作为参考基础，比较不同直径所对应的排气压力曲线与整机的排气压力曲线的逼近程度和一致性。如图3所示，其中具有D2直径的排气压力曲线和整机排气压力曲线最为逼近，由此对于给定的发动机排气量和给定的工况，适宜选择直径为D2的排气膨胀管。

同样地，对于给定的发动机排气量和给定的工况，将不同长度的排气膨胀管作为可变参数输入到计算机仿真软件中进行数值模拟计算。如图4所示，选择具有4种不同长度的排气膨胀管进行数值模拟计算：L1(例如但不限于为600mm)、L2(例如但不限于为800mm)、L3(例如但不限于为1000mm)、L4(例如但不限于为1200mm)，从而得到如图4所示的不同长度的排气膨胀管在完整的720度曲轴转角(对应于四冲程发动机)内的排气压力的曲线(如图4所示，不同长度对应于不同线型)，其中重点关注排气压力曲线中的进气门开启时刻(IVO)之后和排气门关闭时刻(EVC)之前的单缸发动机排气压力曲线峰值的幅值和相位。将整机排气的排气压力曲线作为参考基础，比较不同长度所对应的排气压力曲线与整机的排气压力曲线的逼近程度和一致性。如图4所示，其中具有L3长度的排气压力曲线和整机排气压力曲线最为逼近，由此对于给定的发动机排气量和给定的工况，适宜选择长度为L3的排气膨胀管。由此，综合计算机模拟计算的结果，能够选择最适宜当前发动机排气量和工况的排气膨胀管。

在附图5中示出了设置有根据本实施例确定的排气膨胀管4和未设置排气膨胀管的排气压力对比实验图。为了便于比较排气膨胀管4的效果，将整机排气的排气压力曲线作为参考基础，比较设置排气膨胀管和未设置排气膨胀管时的排气压力曲线与整机的排气压力曲线的逼近程度和一致性。如附图5中所示，在未设置排气膨胀管时，排气压力曲线中的进气门开启时刻(IVO)之后和排气门关闭时刻(EVC)之前的单缸发动机排气压力曲线会出现明显的尖峰，明显地与整机排气压力不符，而设置排气膨胀管后，能够滤除该尖峰从而使排气压力更加逼近整机的排气压力曲线。

该排气边界控制装置还具有排气稳压筒5，该排气稳压筒5通过管路连接到位于其上游的排气膨胀管4，从而接收来自排气膨胀管4的排气以稳定排气的压力。优选地，该排气稳压筒5为具有相当大的气体膨胀容积的圆筒，通过使排气在该排气稳压筒5中膨胀，能够有效地降低排气的压力并滤除排气压力中的压力波动以稳定排气压力。借此，在排气稳压筒5的作用下，流经其的排气能够获得大致恒定的排气稳态压力。

该排气边界控制装置还具有排气压力粗调阀6和排气压力细调阀7，如图1所示，排气压力粗调阀6和排气压力细调阀7以并联设置的方式连接到排气稳压筒5的出口端以接收来自排气稳压筒5的具有大致恒定的排气稳态压力。将排气压力粗调阀6和排气压力细调阀7构造成能够调整开度以调节流经的排气的稳态压力。优选地，排气压力粗调阀6和排气压力细调阀7均为电动控制的蝶阀，例如为在阀门的上端设置有接收外部控制信号的处理器和电动执行机构的蝶阀。根据本实施例，分别以开环控制的方式控制排气压力粗调阀6的开度，并以闭环控制的方式控制排气压力细调阀7的开度。

具体来说，排气压力粗调阀6为开环控制的方式，直接将例如为外部输入控制信号或者用户预设定的控制信号输入或存储到电动控制阀门的处理器中，从而根据期望的开度值来直接控制排气压力粗调阀6的开度。与此同时，排气压力细调阀7为则采用优选为PID控制的闭环控制方式。具体控制方式为：如图1所示，在排气膨胀管4的上游处设置有排气压力传感器8，通过该排气压力传感器8采集管路中的排气压力，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排气压力细调阀7以实现开度调节，本领域技术人员能够理解，该压力传感器8的测量值还可以作为压力显示和监控信号。当然，也可以根据实际需要，将该排气压力传感器8设置在排气稳压筒5的下游，排气膨胀管4上游的压力传感器8作为压力显示和监控信号。通过分别改变排气压力粗调阀6和/或排气压力细调阀7的阀门开度，能够将排气压力调节至目标排气压力从而满足单缸机不同运行工况下的排气压力调节需求。

该排气边界控制装置还具有排气总管，该排气总管连接到排气压力粗调阀6和排气压力细调阀7的出口端以接收排气并将接收到的排气排出到外部环境中。该排气总管可以是一体铸造成型的与外部环境连通的管路。优选地，该排气总管上设置有排气后处理装置9和排气消音器10。通过在排气总管上增设排气后处理装置9和排气消音器10，能够模拟实际发动机运行工况下排气后处理装置9和排气消音器10对排气背压所带来的影响，使得单缸发动机的试验运行更加逼近发动机的实际使用工况。

进一步，如图1所示，排气膨胀管4连接到单缸发动机2的排气口的管路为排气谐振管3，该排气谐振管3构造成能够调整单缸发动机2的排气压力波的波形。优选地，在排气谐振管3的上游设置有用于监测排气温度的温度传感器。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排气需求来灵活改变排气谐振管3的结构形式，例如但不限于可以改变排气谐振管3的管路长度、数量、公称通径等参数，从而调整排气压力和/或滤除排气中的压力波尖峰，进而调整单缸发动机的排气压力曲线峰值的幅值和相位，从而使单缸发动机的排气过程中的排气压力和/或压力波的波形与多缸整机近似保持一致。

以下结合图1对根据本实用新型的单缸发动机的排气边界控制装置来控制单缸发动机的排气边界条件的方法进行描述。

首先启动单缸发动机2，经由进气模拟增压系统1向单缸发动机2供给进气。随着单缸发动机2燃烧做功并向外排出排气。排气首先流入排气谐振管3，排气在该排气谐振管3中能够发生谐振效应，从而调整排气压力和/或滤除排气中的压力波尖峰。随后，排气从排气谐振管3流入到排气膨胀管4中以对排气压力波的波形进行整定。同时，还能够降低排气的噪音。再后，排气从排气膨胀管4流入排气稳压筒5中，通过排气稳压筒吸收排气压力反射波形，从而滤除排气压力波中的压力波尖峰，以获得大致恒定的排气稳态压力。

再后，排气稳压筒5的出口管路可以例如通过三通管分为两路，分别连接到电动排气压力粗调阀6和电动排气压力细调阀7。电动排气压力粗调阀6例如接受外部控制信号进行开环控制，直接调节阀的开度；电动排气压力细调阀7根据排气压力传感器8的反馈信号进行闭环PID控制，以根据与目标排气压力的差值自动调节阀的开度。

然后，排气通过排气压力粗调阀6和电动排气压力细调阀7后汇入排气总管内经排气后处理装置9和排气消音器10后最终排入大气中。

本实用新型以能够变缸径、变行程的单缸发动机为应用对象，能够满足不同缸径单缸发动机的排气边界的需求，本实用新型中的单缸发动机的排气边界控制装置通过设置多个具有可调结构形式(管路长度、数量、公称通径等)的压力波调节部件，达到保证单缸机换气过程与多缸整机一致；为研究不同柴油机的不同工况条件下单缸机和多缸整机的运行性能提供了可能。

本实用新型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，而非意在将本实用新型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，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型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实用新型所要求保护的范围以内。