專利名稱：增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處于水下環(huán)境的柴油機(jī)工作性能的試驗(yàn)研究領(lǐng)域，特別是涉及一種能 夠?qū)μ厥庥猛静裼蜋C(jī)所承受的排氣背壓波進(jìn)行模擬的增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù)：
柴油機(jī)在水下運(yùn)行時(shí)，承受高的進(jìn)氣真空度以及高的排氣背壓，需要建立專門的 水下環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)來模擬柴油機(jī)水下工作時(shí)的環(huán)境條件。柴油機(jī)的排氣背壓波調(diào)節(jié)一般采用耐高溫的電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使其接受4 20mA 或1 5V的電信號(hào)，通過閥門開度的變化達(dá)到排氣背壓波調(diào)節(jié)的目的。現(xiàn)有的排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置僅能調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)排氣背壓波的大小，因此，柴油機(jī)試驗(yàn) 一般也只能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的排氣背壓調(diào)節(jié)試驗(yàn)。這種穩(wěn)態(tài)的排氣背壓調(diào)節(jié)裝置不能反映海浪運(yùn) 動(dòng)所形成的排氣背壓波形，更無法加以調(diào)節(jié)控制。由于是穩(wěn)態(tài)排氣背壓調(diào)節(jié)對(duì)閥門的開啟 閉合速度要求不高，而滿足動(dòng)態(tài)調(diào)控要求的調(diào)節(jié)閥，要求閥的動(dòng)作靈敏度高，驅(qū)動(dòng)力矩大， 閥門轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置，能夠模擬 處于通氣管狀態(tài)運(yùn)行的水下工作柴油機(jī)上所受到的由海浪波動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)排氣背壓波， 并且其波形、波幅及頻率可調(diào)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置包括高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電機(jī)組排氣管上，接受來自 高速電流輸出卡的4_20mA控制電流，閥芯作相應(yīng)的回轉(zhuǎn)開閉動(dòng)作，通過閥體開度的大小來 控制閥前排氣的壓力，并將閥體開度信號(hào)反饋給高速數(shù)據(jù)采集卡；動(dòng)態(tài)壓力傳感器，設(shè)置在高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥前方的水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電機(jī) 組排氣管上，將排氣壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，由高速數(shù)據(jù)采集卡讀取后與預(yù)存 要求的排氣背壓波形進(jìn)行比較分析；高速數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)置在工控機(jī)上，根據(jù)工控機(jī)的控制軟件指令，采集排氣壓力波 信號(hào)、高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度值以及控制電流的反饋數(shù)值；高速電流輸出卡，設(shè)置在工控機(jī)上，根據(jù)工控機(jī)的控制軟件指令，將控制電流信號(hào) 曲線離散化，并輸出到高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)輸入端；工控機(jī)，由控制軟件負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理，控制信號(hào)的發(fā)送，數(shù)據(jù)曲線的生成、顯 示、比較與存儲(chǔ)。采用本發(fā)明的增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置，通過控制電流的變動(dòng)輸出，產(chǎn)生 高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度的擺動(dòng)，形成滿足一定頻率、一定波幅要求的排氣背壓波。水下運(yùn)行柴油機(jī)性能試驗(yàn)的結(jié)果表明，本發(fā)明能夠產(chǎn)生模擬發(fā)動(dòng)機(jī)水下運(yùn)行環(huán)境 的排氣背壓波，其頻率、峰值及波形在一定條件下可調(diào)，能夠模擬增壓柴油機(jī)水下通氣管狀態(tài)運(yùn)行時(shí)承受海水壓力波動(dòng)的工作環(huán)境，并達(dá)到預(yù)期效果，可以滿足水下增壓柴油機(jī)性能 試驗(yàn)的需求。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明的一實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖；圖2是當(dāng)輸入的控制電流為正弦波時(shí)輸出的排氣背壓波曲線；圖3是當(dāng)輸入的控制電流為三角波時(shí)輸出的排氣背壓波曲線；圖4是控制電流參數(shù)確定流程框圖；圖5是給定工況下排氣穩(wěn)態(tài)背壓與電流關(guān)系的標(biāo)定圖。
具體實(shí)施例方式參見圖1所示，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置包 括高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1、動(dòng)態(tài)壓力傳感器2、工控機(jī)5 ；所述工控機(jī)5上設(shè)有高速數(shù)據(jù)采 集卡3、高速電流輸出卡4，并安裝有控制軟件。所述高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1即排氣背壓調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電 機(jī)組排氣管上。為了縮短閥的啟閉時(shí)間，滿足排氣背壓波的頻率需求，將所述排氣背壓調(diào)節(jié) 閥的通徑按照排氣流量與背壓設(shè)計(jì)值下的最小允許值選取，以減小閥芯(盤)質(zhì)量。閥的 外部構(gòu)造尺寸及所安裝的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選大一個(gè)檔次，可使閥的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩提高約50% (如 從原來的IOONm提高至150Nm)，閥芯直徑約減小20% (如從原來的IOOmm縮小至80mm)，從 而可使閥的運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高1倍左右，閥的啟閉時(shí)間縮短將近一半。所述排氣背壓調(diào)節(jié)閥接 受來自高速電流輸出卡4的4-20mA控制電流，在該電流的作用下閥芯作相應(yīng)的回轉(zhuǎn)開閉動(dòng) 作，通過開度的大小來控制閥前排氣的壓力，并將閥芯開度信號(hào)反饋給高速數(shù)據(jù)采集卡3。所述高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1的選型，需要根據(jù)水下增壓柴油機(jī)設(shè)計(jì)工況下的排氣 流量、排氣背壓與排氣溫度，計(jì)算確定高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1的最小允許通徑；根據(jù)最高排 氣溫度與排氣背壓值，進(jìn)行所述高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1的結(jié)構(gòu)選型；根據(jù)所述高溫電子電 動(dòng)調(diào)節(jié)閥1的啟閉時(shí)間以及閥的結(jié)構(gòu)尺寸，估算所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以此確定電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 規(guī)格。所述動(dòng)態(tài)壓力傳感器2安裝在排氣背壓調(diào)節(jié)閥1之前的水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電 機(jī)組排氣管上，將排氣壓力(波)信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流(波)信號(hào)，由高速數(shù)據(jù)采集 卡3讀取后與預(yù)存要求的排氣背壓波形進(jìn)行比較分析，工控機(jī)5的控制軟件通過預(yù)設(shè)背壓 波曲線與實(shí)測(cè)背壓波曲線的比較，對(duì)控制電流的參數(shù)進(jìn)行修正。所述高速數(shù)據(jù)采集卡3根據(jù)工控機(jī)5的控制軟件指令，采集排氣壓力波、背壓調(diào)節(jié) 閥開度值以及控制電流的反饋數(shù)值。所述高速電流輸出卡4根據(jù)工控機(jī)5的控制軟件指令，將控制電流(波)信號(hào)曲 線離散化，并輸出到高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥1的信號(hào)輸入端。所述工控機(jī)5通過控制軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理，發(fā)送控制信號(hào)以及數(shù)據(jù)曲線的 生成、顯示、比較與存儲(chǔ)。柴油機(jī)測(cè)量所采用的高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)系基于計(jì)算機(jī)測(cè)控原理，采用高速數(shù)據(jù)采集模塊(如所述的高速數(shù)據(jù)采集卡幻的模擬量輸入技術(shù)，所采集高速數(shù)據(jù)需經(jīng)過物理標(biāo) 定、數(shù)字濾波去除現(xiàn)場(chǎng)噪音干擾，以形成氣缸壓力、排氣壓力波等實(shí)時(shí)曲線。高速數(shù)據(jù)輸出 控制技術(shù)采用高速數(shù)據(jù)輸出模塊(如高速電流輸出卡4)的模擬量輸出技術(shù)，將擬輸出的控 制曲線離散化，并按一定的步長間隔轉(zhuǎn)換為模擬電流值進(jìn)行輸出，達(dá)到控制相應(yīng)的設(shè)備，使 其按一定的曲線規(guī)律動(dòng)作。所述增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置的實(shí)施過程在于控制電流波形主要參數(shù)的 確定，而輸出的控制電流與排氣背壓之間的關(guān)系非常復(fù)雜，它是由控制電流與閥門開度以 及排氣背壓與閥門開度、試驗(yàn)工況等諸多因素影響確定的，對(duì)這一物理過程的模擬不僅尚 無成熟程序，而且也難以獲得所需詳盡的電控閥門的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，需通過柴油機(jī)在不同工況 下的穩(wěn)態(tài)背壓試驗(yàn)來尋求兩者的關(guān)系，然后才能獲得所需控制電流波的數(shù)據(jù)。即，根據(jù)排氣 背壓波的波形要求，通過計(jì)算與試驗(yàn)分析，確定控制電流波的波形；根據(jù)排氣背壓波的波幅 變化范圍，通過靜態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定及動(dòng)態(tài)測(cè)試分析比較，確定控制電流波的最大值與最小值。下面結(jié)合圖4具體說明如何確定控制電流波形的主要參數(shù)。1、確定控制電流波的最大值與最小值(幅值)在工況參數(shù)穩(wěn)定情況下，排氣背壓波的最大值與最小值由控制電流波的幅值決 定，控制電流與排氣背壓的關(guān)系由柴油機(jī)不同工況下的穩(wěn)態(tài)背壓試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。例如，在某 一工況下獲得的穩(wěn)態(tài)背壓-電流的試驗(yàn)曲線如圖5所示，當(dāng)要求的排氣背壓變化范圍一定 時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥門開度范圍也相應(yīng)確定，控制電流的初步取值范圍亦隨之確定，該值在實(shí)際的 背壓波動(dòng)試驗(yàn)中，需根據(jù)反饋的背壓波形數(shù)值進(jìn)行修正調(diào)整。2、控制電流波的最大允許頻率由于排氣背壓調(diào)節(jié)閥為蝶閥，從全開到全閉需要一定的時(shí)間。排氣背壓波所能實(shí) 現(xiàn)的最大波動(dòng)頻率取決于所選排氣背壓調(diào)節(jié)閥的開閉響應(yīng)速度。對(duì)應(yīng)于排氣背壓波變化幅 值的排氣背壓調(diào)節(jié)閥閥盤所需運(yùn)行時(shí)間決定了排氣背壓波在該幅值要求下能達(dá)到的最大 頻率，以此可確定控制電流最大允許頻率，排氣背壓波頻率在該最大允許頻率范圍內(nèi)可按 需要任意調(diào)節(jié)。3、控制電流波形的確定根據(jù)分析而知，由于閥門的機(jī)械慣性，使閥開度在曲線頭部與底部的變化會(huì)比控 制電流緩慢，而由于氣流的慣性，使排氣壓力在曲線頭部、底部的變化會(huì)比閥的開度緩慢。 綜合兩者的影響效果，造成排氣壓力波曲線在頭部、底部區(qū)域鈍化、變寬。因此，所述高速電 流輸出卡4根據(jù)確定后的控制電流的幅值與頻率，綜合考慮閥門的機(jī)械慣性等影響因素， 依據(jù)所需排氣背壓波的波形，可以選取合適的輸入控制電流波形，進(jìn)行離散化處理。4、排氣背壓波的濾波處理，即由工控機(jī)5的控制軟件對(duì)實(shí)測(cè)排氣背壓波采用連續(xù) 平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波。根據(jù)反饋排氣背壓信號(hào)需要對(duì)輸出控制電流波形參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整，使要求的 背壓波形與實(shí)測(cè)的背壓波形逐步逼近，誤差最小。對(duì)反饋波形信號(hào)采用連續(xù)平均值法濾波 技術(shù)，可獲得較為清晰的排氣背壓波，實(shí)現(xiàn)排氣背壓波的良好模擬。參見圖2所示，當(dāng)輸入的控制電流為正弦波時(shí)，輸出的排氣背壓波接近于梯形方 波。參見圖3所示，當(dāng)輸入的控制電流為三角波時(shí)，獲得的實(shí)測(cè)排氣背壓波近似于正弦波形。本發(fā)明可以比較準(zhǔn)確地模擬水下運(yùn)行柴油機(jī)的實(shí)際排氣背壓波狀態(tài)，對(duì)于水下運(yùn) 行的增壓柴油機(jī)性能的試驗(yàn)研究具有重要價(jià)值；適用于特種用途柴油機(jī)的運(yùn)行環(huán)境模擬。以上通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的 限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也 應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置，其特征在于，包括高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，設(shè)置在水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電機(jī)組排氣管上，接受來自高速 電流輸出卡的4-20mA控制電流，閥體作相應(yīng)的回轉(zhuǎn)開閉動(dòng)作，通過閥體開度的大小來控制 閥前排氣的壓力，并將閥體開度信號(hào)反饋給高速數(shù)據(jù)采集卡；動(dòng)態(tài)壓力傳感器，設(shè)置在高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥前方的水下增壓試驗(yàn)用柴油發(fā)電機(jī)組排 氣管上，將排氣壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(hào)，由高速數(shù)據(jù)采集卡讀取后與預(yù)存要求 的排氣背壓波形進(jìn)行比較分析；高速數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)置在工控機(jī)上，根據(jù)工控機(jī)的控制軟件指令，采集排氣壓力波信 號(hào)、高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度值以及控制電流的反饋數(shù)值；高速電流輸出卡，設(shè)置在工控機(jī)上，根據(jù)工控機(jī)的控制軟件指令，將控制電流信號(hào)曲線 離散化，并輸出到高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)輸入端；工控機(jī)，由控制軟件負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理，發(fā)送控制信號(hào)，數(shù)據(jù)曲線的生成、顯示、比較 與存儲(chǔ)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)水下增壓柴 油機(jī)設(shè)計(jì)工況下的排氣流量、排氣背壓與排氣溫度，計(jì)算確定最小允許通徑；根據(jù)最高排氣 溫度與排氣背壓值進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型；根據(jù)啟閉時(shí)間以及閥的結(jié)構(gòu)尺寸估算所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以 此確定電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的規(guī)格。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控制軟件通過預(yù)設(shè)背壓波曲線與實(shí)測(cè) 背壓波曲線的比較，對(duì)控制電流的參數(shù)進(jìn)行修正。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控制電流的最大值與最小值由柴油機(jī) 不同工況下的穩(wěn)態(tài)背壓試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，并在實(shí)際的背壓波動(dòng)試驗(yàn)中，根據(jù)反饋的背壓波形 數(shù)值進(jìn)行修正調(diào)整。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控制電流最大允許頻率，由對(duì)應(yīng)于排氣 背壓波變化幅值的高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥芯所需運(yùn)行時(shí)間確定的排氣背壓波在該幅值要 求下能達(dá)到的最大頻率確定，排氣背壓波頻率在該最大允許頻率范圍內(nèi)按需要任意調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述高速電流輸出卡根據(jù)確定后的控制電 流的幅值和頻率，綜合考慮閥門的機(jī)械慣性，依據(jù)所需排氣背壓波的波形選取合適的輸出 控制電流波形，進(jìn)行離散化處理。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述控制軟件對(duì)實(shí)測(cè)排氣壓力波信號(hào)采用 連續(xù)平均值法進(jìn)行數(shù)字濾波。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增壓柴油機(jī)排氣背壓波調(diào)節(jié)裝置，高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥接受高速電流輸出卡的控制電流，通過閥體開度的大小來控制閥前排氣壓力，將閥體開度信號(hào)反饋給高速數(shù)據(jù)采集卡；動(dòng)態(tài)壓力傳感器將排氣壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)；高速數(shù)據(jù)采集卡采集排氣壓力波、高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度值以及控制電流的反饋數(shù)值；高速電流輸出卡將控制電流信號(hào)曲線離散化，并輸出到高溫電子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的信號(hào)輸入端；工控機(jī)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集處理，發(fā)送控制信號(hào)，數(shù)據(jù)曲線的生成、顯示、比較與存儲(chǔ)。本發(fā)明能夠模擬處于通氣管狀態(tài)運(yùn)行的水下工作柴油機(jī)上所受到的由海浪波動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)排氣背壓波，并且其波形、波幅及頻率可調(diào)。
文檔編號(hào)G01M15/04GK102087168SQ200910201898
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者任自中, 張慧, 谷峰, 郭豐澤 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所