补气系统和补气控制方法与流程

本发明涉及柴油机技术领域，且更具体地涉及一种补气系统和补气控制方法。

背景技术：

涡轮增压柴油机在低负荷工况下加速/加载工况过程中，会出现涡轮迟滞现象。具体表现为动力性变差，加速缓慢，冒黑烟等情况。这是由于柴油机外部负载增加后，柴油机无法输出相匹配的扭矩造成的。尽管已有的柴油机在采用电子控制系统对其操作后，燃油系统能够快速的反应，输出相应的油量，但是，增压系统在此过程中，由于增压器转动惯量和进排气系统中气体的可压缩性等原因，涡轮增压系统无法快速响应，提供足够的进气量，此时过量空气系数急剧下降到一个较低值，缸内燃烧恶化，动力性指标降低，排放指标变差，尤其是碳烟排放急剧增多。

基于此，已有的柴油机通常会通过补气技术即在涡轮迟滞现象发生时，向进气系统中补充足够的进气量，使气缸内存有足够的空气以使燃烧正常进行，优化柴油机的动态性能与瞬态排放。但是，已有的补气工艺通常是直接将补气管路连接至涡轮增压器中的压气机壳，由于气体直接冲击叶片，因此，不能采用过高的补气压力，且气体需要流过压气机、进气总管等部件后才能进入气缸，补气介入燃烧过程时间较长，效果不明显。已有的补气工艺还有直接将补气管路连接至进气总管，在补充的气体进入进气总管时，若气压过高则容易引起压气机喘振。

因此，需要一种补气系统和补气控制方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

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。

为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种补气系统，用于包括柴油机和发电机的发电机组，所述柴油机向所述发电机提供驱动力，所述柴油机设置有至少两个气缸，所述柴油机通过涡轮增压器向所述至少两个气缸送入空气，所述涡轮增压器的送气口和所述至少两个气缸之间设置有进气主管路和与所述至少两个气缸分别连通的至少两个进气歧管路，补气系统包括：

补气压气机，用于压缩空气；以及

补气管路，所述补气管路的输入端与所述补气压气机连通，所述补气管路的输出端分别与所述至少两个进气歧管路连通，以使所述空气经由所述至少两个进气歧管路直接分别进入对应的所述气缸。

根据本方案，由于补气管路的输出端直接连接至与气缸连通的进气歧管路，使得补气系统中的空气能够直接进入进气歧管路从而快速进入气缸中，能够降低涡轮增压器中的压气机的喘振。并且由于设置了补气压气机，使得可以向气缸中补入压缩后的压力较高的空气。

可选地，所述补气管路的输出端设置有对应于每个所述进气歧管路的喷射装置，所述空气经由所述喷射装置进入所述进气歧管路。

可选地，所述补气系统还包括设置在所述补气压气机下游的减压装置和气体储存装置，所述减压装置设置在所述补气压气机和所述气体储存装置之间。

可选地，所述补气管路的管径在靠近所述气体储存装置的出口处由大变小。

可选地，所述补气管路在所述气体储存装置的下游设置有安全阀。

可选地，所述补气系统包括控制单元，所述控制单元配置为根据所述柴油机的运行负荷和/或加载负荷幅度而使所述补气系统向所述柴油机补气。

可选地，所述控制单元配置为当所述运行负荷大于等于负荷预设值时控制所述补气系统不向所述柴油机补气。

可选地，所述控制单元配置为当所述运行负荷小于负荷预设值且所述加载负荷幅度小于加载负荷幅度预设值时所述补气系统不向所述柴油机补气。

可选地，所述控制单元配置为当所述运行负荷小于负荷预设值且所述加载负荷幅度大于等于加载负荷幅度预设值时所述补气系统向所述柴油机补气。

可选地，所述控制单元配置为根据所述加载负荷幅度而控制所述补气系统向所述柴油机补气的补气循环次数。

可选地，所述控制单元进一步配置为使得所述补气系统在所述柴油机的进气时向所述柴油机补气，并且在所述柴油机的进气门开启之前所述补气系统的补气开始，在所述柴油机的进气门关闭之前所述补气系统的补气停止。

根据本发明的另一个方面，提供了一种补气控制方法，用于使用根据上述技术方案中任一方面所述的补气系统的包括柴油机和发电机的发电机组，所述柴油机向所述发电机提供驱动力，所述补气控制方法包括如下步骤：

判断加载区域步骤，将所述柴油机的运行负荷与负荷预设值进行比较，以判断所述补气系统是否向所述柴油机补气。

根据本方案，采用由发电机负荷信号计算得到的柴油机的负荷信号来初步判断补气系统是否向柴油机补气，相比于已有的采用柴油机的转速信号来判断补气是否进行的方式，本发明的补气反应更加灵敏。

可选地，在判断加载区域步骤中，当所述运行负荷大于等于所述负荷预设值时，所述补气系统不向所述柴油机补气。

可选地，还包括在所述判断加载区域步骤之后的判断加载负荷幅度步骤，将所述柴油机的加载负荷幅度与加载负荷幅度预设值进行比较，以判断所述补气系统是否向所述柴油机补气。

可选地，在判断加载区域步骤中，当所述运行负荷小于所述负荷预设值时，进行所述判断加载负荷幅度步骤。

可选地，在所述判断加载负荷幅度步骤中，当所述加载负荷幅度小于所述加载负荷幅度预设值时，所述补气系统不向所述柴油机补气。

可选地，在所述判断加载负荷幅度步骤中，当所述加载负荷幅度大于等于所述加载负荷幅度预设值时，所述补气系统向所述柴油机补气。

可选地，根据所述加载负荷幅度而控制所述补气系统向所述柴油机补气的补气循环次数。

可选地，通过控制补气喷嘴的开启而使所述补气系统向所述柴油机补气。

附图说明

本发明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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为根据本发明的优选实施方式的补气系统的结构示意图，其中还示出了柴油机的结构；

图2为根据本发明的优选实施方式的补气系统的控制单元的连接关系示意图；

图3为根据本发明的优选实施方式的补气控制方法的流程示意图；

图4为用于图3的补气控制方法的补气循环次数插值表；

图5为补气循环次数插值表的一个实施方式；以及

图6为补气系统的补气阶段相对于柴油机的进气阶段的时间轴线示意图，其中以曲轴转角作为时间参考。

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而言显而易见的是，本发明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。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明。显然，本发明的施行并不限定于该技术领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，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，不应当解释为局限于这里提出的实施方式。

应当理解的是，在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施方式并且不作为本发明的限制，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。本发明中所使用的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并非限制。

本发明中所引用的诸如“第一”和“第二”的序数词仅仅是标识，而不具有任何其他含义，例如特定的顺序等。而且，例如，术语“第一部件”其本身不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身不暗示“第一部件”的存在。

以下，将参照附图对本发明的具体实施方式进行更详细地说明，这些附图示出了本发明的代表实施方式，并不是限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种补气系统，用于包括柴油机100和发电机200(图2)的发电机组，具体是，该补气系统用于向柴油机100进行补气，由此，图1所示的示实施方式仅示出柴油机100的结构。可以理解，柴油机100能够与发电机200连接，并且向发电机200提供驱动力。

由于柴油机100和发电机200各自的结构和彼此的连接方式是已有的，为简洁起见不再详述。本实施方式中，柴油机100设置有至少两个气缸110，柴油机100通过涡轮增压器120向至少两个气缸110送入空气。涡轮增压器120的送气口和至少两个气缸110之间设置有进气主管路l1和与至少两个气缸110分别连通的至少两个进气歧管路l2。进气歧管路l2与气缸110一一对应。具体地，至少两个气缸110并排设置，此处，可以理解，如图1所示，当气缸110的数量比较多时可以设置成两列，每列的气缸110并排设置。涡轮增压器120包括涡轮气压机121和增压器122。涡轮气压机121的送气口输出的压缩空气依次经由进气主管路l1、各个进气歧管路l2进入相应的气缸110。在图示实施方式中，进气主管路l1还设置有空冷器130。

补气系统包括用于压缩空气的补气压气机310和用于输送空气的补气管路l3。补气管路l3的输入端与补气压气机310连通，补气管路l3的输出端分别与至少两个进气歧管路l2连通，以此实施方式，空气先经过补气压气机310压缩后，接着经由补气管路l3进入至少两个进气歧管路l2，从而可以直接分别进入对应的气缸110。具体地，补气管路l3包括补气主管路l31和补气歧管路l32。补气主管路l31在靠近各气缸110处分支为与至少两个补气歧管路l32。补气歧管路l32与进气歧管路l2一一对应。可以理解，上述输出端由各补气歧管路l32形成。

每个补气歧管路l32都设置有对应于每个进气歧管路l2的喷射装置320，空气经由喷射装置320喷射进入进气歧管路l2，以此实施方式，可以降低空气流的冲击。可选地，图示实施方式中示出了喷射装置320是补气喷嘴。

补气系统还包括设置在补气压气机310下游的减压装置330和气体储存装置340，减压装置330设置在补气压气机310和气体储存装置340之间。补气压气机310压缩的空气可以通过减压装置330的作用减压至合适的补气压力后再输送至气缸110。补气压力一般可以是10bar～15bar。气体存储装置用于存储减压后的空气，这样可以使得补气系统中的气体压力稳定。可选地，减压装置330可以是减压阀，气体存储装置可以是储气瓶。

补气管路l3的管径可以在靠近气体储存装置340的出口处由大变小。具体地，补气主管路l31上可以设置有管径减缩的变径部件350，诸如，变径管。该变径部件350设置在气体储存装置340的下游，从气体储存装置340的出口输出的空气通过变径部件350后流速增加。补气管路l3在气体储存装置340的下游还可以设置有安全阀360，当补气压力不超过安全阀360的安全阈值时，安全阀360处于关闭状态，当补气压力超过安全阀360的安全阈值时，安全阀360打开气体从安全阀360处外泄至外界环境。在图示实施方式中，安全阀360设置在变径部件350的下游。

需要说明的是，补气系统中除了喷射装置320设置在补气歧管路l32上，其它装置，诸如减压装置330、气体储存装置340等均设置在补气主管路l31上。

进一步地，如图2所示，补气系统还可以包括控制单元370，控制单元370能够与上述的柴油机100、发电机200，以及补气系统中的喷射装置320关联，关联方式可以是电连接。控制单元370能够接收来自发电机200的负荷信号，并且将发电机200的负荷信号运算并输出为柴油机100的运行负荷(即加载前柴油机100的当前运行负荷)。控制单元370还可以接收来自柴油机100的曲轴信号(是指与气缸110连接的曲轴的信号)，并且可以从曲轴信号获得柴油机100的转速信号并输出为柴油机100的转速。

控制单元370还能够向喷射装置320发送控制信号(即补气喷嘴信号)来控制喷射装置320是否开启，即通过控制补气喷嘴的开启而使补气系统向柴油机100补气，当补气喷嘴关闭时，停止补气。补气量的大小取决于补气喷嘴的开启时长。补气系统还可以设置有用于检测补气压力的压力检测器(未示出)。压力检测器可以设置在气体储存装置340上。在该实施方式中，控制单元370还可以接收来自压力检测器的信号对补气压力进行实时监测。

在本实施方式中，控制单元370配置为根据柴油机100的运行负荷和/或加载负荷幅度而使补气系统向柴油机100补气。

具体地，参考图3和图4，控制单元370配置为当柴油机100的运行负荷大于等于负荷预设值a时控制补气系统不向柴油机100补气。也就是说，在柴油机100的运行负荷大于等于负荷预设值a的情况下，柴油机100可以不用补气也能够满足柴油机100的当前运行的需求。由此可知，该补气系统在柴油机100具有较高的运行负荷时可以不用补气。需要说明的是，负荷预设值a是根据需要预先设定的定值，该负荷预设值a可以根据需要设定为40～50％之间的数值，例如可以为40％、45％或50％。

控制单元370配置为当柴油机100的运行负荷小于负荷预设值a且柴油机100的加载负荷幅度小于加载负荷幅度预设值b0时补气系统不向柴油机100补气。也就是说，在柴油机100的运行负荷小于负荷预设值a且柴油机100的加载负荷幅度小于加载负荷幅度预设值b0的情况下，柴油机100可以不用补气也能够满足柴油机100的当前运行的需求。由此可知，该补气系统在柴油机100具有较低的运行负荷不一定补气，还需要根据柴油机100的加载负荷幅度的大小来判断是否补气，当柴油机100的加载负荷幅度较小时可以不向柴油机100补气。需要说明的是，加载负荷幅度是加载负荷(加载后柴油机100达到的运行负荷，图3中示出为目标负荷)减去运行负荷所得的数值，例如运行负荷为10％，加载负荷为40％，本次加载负荷幅度是30％；加载负荷幅度预设值b0是根据需要预先设定的定值，该加载负荷幅度预设值b0可以根据需要设定为10～20％之间的数值，例如可以为10％、15％或20％。

控制单元370配置为当柴油机100的运行负荷小于负荷预设值a且柴油机100的加载负荷幅度大于等于加载负荷幅度预设值b0时补气系统向柴油机100补气。本实施方式中，要使补气系统向柴油机100补气需要同时满足两个条件，一个是柴油机100的运行负荷小于负荷预设值a，另一个是柴油机100的加载负荷幅度大于等于加载负荷幅度预设值b0。也就是说，当柴油机100的运行负荷较低且加载负荷幅度较大时才需要向柴油机100补气。

本实施方式的补气系统通过控制单元370的操作使得补气系统能够在柴油机100的加载过程中实现快速补气，从而补充的空气可以快速进入气缸110内参与燃烧过程。相比于已有的只要柴油机100加载就进行补气的补气系统，本实施方式的补气系统可以明显减少空气的补气量，由此，可以有效减小气体储存装置340的容积，有效降低碳烟的排放。并且可以使得加载过程柔和且可控。

进一步地，控制单元370还可以配置为根据柴油机100的加载负荷幅度而控制补气系统向柴油机100补气的补气循环次数。需要说明的是，此处的“补气循环次数”是指柴油机100在补气过程中能够完成的循环次数n。例如，对于4冲程柴油机100，其工作过程可以分为进气、压缩、膨胀、排气的4个阶段，柴油机100完成上述过程一次称为柴油机100完成一次循环。柴油机100完成一次循环，与气缸110连接的曲轴转动2转，转过720℃a。控制单元370可以根据曲轴信号判断柴油机100完成的循环次数以及柴油机100处于循环中4个阶段的哪一个阶段中。

本实施方式中，控制单元370还配置为使得补气系统在柴油机100的进气阶段向柴油机100补气。具体地，喷射装置320接收来自控制单元370的补气喷嘴信号后，并且在柴油机100的进气阶段时，喷射装置320开启以向柴油机100补气。在柴油机100的压缩、膨胀和排气的阶段中，喷射装置320关闭停止向柴油机100补气。

可选地，如图6所示，控制单元370进一步配置为使得在柴油机100的进气门开启之前补气系统的补气开始，并且在柴油机100的进气门关闭之前补气系统的补气停止。在柴油机100的一个循环过程中，曲轴转角是从0℃a转动至720℃a。补气开始时刻对应的曲轴转角α1小于进气门开启时刻对应的曲轴转角α2。可选地，α1与α2的差值可以小于或等于10℃a。例如，α1与α2的差值可以是10℃a。补气停止时刻对应的曲轴转角α3小于进气门关闭时刻对应的曲轴转角α4。可选地，α3与α4的差值可以小于或等于10℃a。例如，α3与α4的差值可以是10℃a。

本实施方式的补气循环次数需要通过图4中示出的补气循环次数插值表而获得。进一步说，控制单元370能够响应于补气循环次数插值表而计算出补气循环次数，从而控制补气循环次数的大小。补气循环次数插值表中设置了n个包括加载负荷幅度预设值b0的预设的加载负荷幅度参数，此处n大于等于零。例如，在图4所示的实施方式中，包括第一加载负荷幅度参数b1、第二加载负荷幅度参数b2、第三加载负荷幅度参数b3和第四加载负荷幅度参数b4。并且b4＞b3＞b2＞b1＞b0。进一步说bn是随着n的增加而递增的序列值。其中，bn对应的加载速率是bn/10ms。

补气循环次数插值表中的a是指上述的负荷预设值。补气循环次数插值表中还设置了n个与bn一一对应的补气循环次数cn+1。例如，图中示出的c1、c2、c3、c4和c5。c1、c2、…cn+1的数值可以根据需要设置为不同或部分不同的数值。

图5示例性地示出了补气循环次数插值表的一个实施方式，其中，负荷预设值a为50％。加载负荷幅度预设值b0为10％。加载负荷幅度参数b1为20％，b2为30％，b3为40％，b4为100％。补气循环次数c1为10，c2为20，c3、c4和c5都为30。对于通过补气循环次数插值表来获得补气循环次数的内容将在下面详细描述。

根据本发明的另一个方面，提供了一种补气控制方法，用于使用补气系统的包括柴油机100和发电机200的发电机组，如图3所示，补气控制方法包括如下步骤：

判断加载区域步骤s1，将柴油机100的运行负荷与负荷预设值进行比较，以判断补气系统是否向柴油机100补气。此处，需要理解的是“加载区域”是指判断柴油机100在加载前所处的运行状态，是高负荷运行还是低负荷运行。

具体地，在判断加载区域步骤s1中，当柴油机100的运行负荷大于等于负荷预设值，即柴油机100是较高负荷运行时，补气系统不向柴油机100补气并且柴油机100直接加载至加载负荷(即图示的目标负荷)。需要说明的是，在进行判断加载区域步骤s1之前，柴油机100就已开始进行加载。当柴油机100完成加载后，程序过程结束。

可选地，在判断加载区域步骤s1之前还可以进行检测柴油机的运行状态步骤s0，在该步骤中，控制单元能够提示柴油机的运行状态是加速状态或平稳状态。

补气控制方法还包括在判断加载区域步骤s1之后的判断加载负荷幅度步骤s2，将柴油机100的加载负荷幅度与加载负荷幅度预设值进行比较，以判断补气系统是否向柴油机100补气。在判断加载区域步骤s1中，当柴油机100的运行负荷小于负荷预设值时，进行判断加载负荷幅度步骤s2。

在判断加载负荷幅度步骤s2中，当加载负荷幅度小于加载负荷幅度预设值时，补气系统不向柴油机100补气并且柴油机100直接加载至加载负荷(即图示的目标负荷)。需要说明的是，在进行判断加载区域步骤s1之前，柴油机100就已开始进行加载。当柴油机100完成加载后，程序过程结束。

在判断加载负荷幅度步骤s2中，当加载负荷幅度大于等于加载负荷幅度预设值时，补气系统向柴油机100补气并且在补气之前柴油机100已加载至加载负荷。具体地，当加载负荷幅度大于等于加载负荷幅度预设值时，程序进入下一个步骤，即补气喷嘴开启步骤s3，控制单元370控制补气喷嘴开启。

补气控制方法还包括在补气喷嘴开启步骤s3之后的补气时长控制步骤s4，当补气喷嘴开启后，控制单元370根据加载负荷幅度而控制补气系统向柴油机100补气的补气循环次数(补气喷嘴的时长)。在补气时长控制步骤s4中，当补气使柴油机100完成补气循环次数后补气喷嘴关闭。当补气喷嘴关闭后程序结束。

需要说明的是，在进行判断加载区域步骤s1之前，柴油机100就已开始进行加载，在补气时长控制步骤s4之前，柴油机100已加载至加载负荷。

本实施方式中描述的补气控制方法中涉及到的相关内容与上文描述控制单元370的内容有相同，为简洁起见，不再赘述。

参考图5来描述补气控制方法的一个实施方式。

当柴油机100的运行负荷为60％时，柴油机100开始加载，程序进入判断加载区域步骤s1。由于运行负荷60％＞负荷预设值50％，无论加载负荷为何值，补气喷嘴无动作(即不开启)，补气系统不向柴油机100补气。

当柴油机100的运行负荷为0％时，柴油机100开始加载，程序进入判断加载区域步骤s1。由于运行负荷0％＜负荷预设值50％，程序进入判断加载负荷幅度步骤s2，加载负荷为5％，加载负荷幅度为5％，加载负荷幅度5％＜加载负荷幅度预设值10％，补气喷嘴无动作，补气系统不向柴油机100补气。

当柴油机100的运行负荷为0％，柴油机100开始加载，程序进入判断加载区域步骤s1，由于的运行负荷0％＜负荷预设值50％，程序进入判断加载负荷幅度步骤s2，加载负荷为40％，加载负荷幅度为40％，加载负荷幅度40％＞加载负荷幅度预设值10％，补气喷嘴动作(即进入补气喷嘴开启步骤s3)。程序进入补气时长控制步骤s4，控制单元能够基于补气时长插值表获得对应于加载负荷幅度40％的补气循环次数为30。补气系统向柴油机100补气时长能够使得柴油机100完成30个循环。当完成30个循环后，补气喷嘴关闭，程序结束。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部”、“件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其他特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式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方式范围内。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方式，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。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。