一种柴油发动机、柴油发动机的控制系统及调节方法

1.本发明公开了一种柴油发动机、柴油发动机的控制系统及调节方法，属于柴油发动机进气压力调节与排气能量回收领域。


背景技术：

2.现阶段，柴油机早已广泛应用，其在柴油发电机组、汽车、通航飞机以及中小型无人机动力等领域中都扮演着重要的角色，但柴油机排气污染、排气温度高、余热利用效率低等问题也日益突出。
3.在发动机排气能量利用方面，目前最常用的方式是废气涡轮增压技术，它利用气缸排气中的动能和内能驱动涡轮和压气机，进一步增加发动机的进气压力、温度和流量，最终提高发动机的输出功率。该方式存在的最大问题是小负荷时发动机排气能量不足，发动机增压不足；大负荷时发动机能量多余，通过废气阀直接旁通泄放，能量利用效率降低。
4.为实现传统废气涡轮增压技术中发动机高温排气能量的充分利用，解决传统废气涡轮增压系统的缺点，可以采用新型的单独增加补燃燃烧装置同时在增压器压气机端增加功率调节电机的技术方案。补燃燃烧装置对发动机排气进一步掺混进行二次燃烧，始终工作在高效率区间，保证发动机进气压力稳定在固定值；功率调节电机控制器则根据发动机排气以及补燃后的功率值与压气机需要功率值的差值进行电动/发电状态控制，电动状态下对增压器进行助力，用于发动机起动和瞬态加速，功率由蓄电池来提供，发电状态下则是对于多余的能量采用发电对电池充电进行调节。这样从整体上讲，补燃燃烧装置和增压器均可控制工作在高效率区间，发动机由于进气稳定控制调节瞬态特性也比较好。采用带补燃增压系统的柴油机发动机优点非常突出，但是由于增加了补燃燃烧装置和功率调节电机，两者与发动机的耦合使得控制系统设计以及调节方法与传统的废气涡轮增压柴油发动机有非常大的不同。传统废气涡轮增压柴油发动机的控制调节方式只有废气阀，调节方式也是单变量的pid调节，控制功能只是作为发动机控制器的一个子功能模块而存在。带补燃增压系统的柴油发动机，从控制系统架构上，带功率调节电机的增压器、补燃燃烧装置、发动机是三个并列的系统，不存在从属关系，三者可以独立工作，同时由顶层的协调控制器进行综合协调控制。


技术实现要素：

5.本发明提出一种柴油发动机、柴油发动机的控制系统及调节方法，根据补燃增压柴油发动机增压器、功率调节电机、补燃燃烧装置以及发动机的基本架构，在控制系统上采用了分层与模块化方式。控制系统包含功率调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器、发动机控制器以及综合协调控制器，综合协调控制器通过双向高速can总线分别与其他三个控制器相连。调节方法是综合协调控制器通过控制其他三个控制器实现补燃增压柴油发动机的电机电动/发电功率、增压器增压压力、补燃燃烧装置油气配比以及发动机负荷的综合调节。
6.综合协调控制器首先通过油门控制输入信号采集得到控制输入，通过油门功率曲线得到功率控制目标值；接着从高速双向can总线得到其他三个控制器的状态信息；然后根据综合协调控制算法计算得到功率调节电机控制器电动/发电功率目标控制量、补燃燃烧控制器功率变化控制量、发动机控制器功率变化控制量的控制信息；最后通过高速双向can总线传递给其他三个控制器。
7.功率调节电机控制器通过两线高速can总线一方面从综合协调控制器得到电机电动/发电功率控制目标值，根据数值正负进行电动状态下的转速控制或者发电状态下的整流电流控制，通过内部的驱动电路和控制算法实现上述控制目标；一方面实时向综合协调控制器上传当前转速或者电流目标值。
8.补燃燃烧控制器通过高速can接口一方面从综合协调控制器得到燃烧器功率变化量控制目标值，补燃燃烧控制器根据燃烧控制算法输出流量阀开度控制以及喷油量控制信号，对补燃燃烧装置中的油气比进行精确控制，保证补燃燃烧装置在不超温的条件下始终处于高效率燃烧区间；一方面实时向综合协调控制器上当前传燃烧器功率和温度信息。
9.发动机控制器通过高速can总线一方面从综合协调控制器得到发动机功率变化量控制目标值以及油门开度信息，根据发动机转速、油门开度查表map数据插值(三维数据表格插值)计算得到喷油基础脉宽以及通过传感器输入计算喷油脉宽的补偿系数，两者相乘得到最终的控制脉宽信号输出到喷油器，实现发动机负荷的调节；一方面实时向综合协调控制器上传发动机转速以及喷油脉宽信息。本发明的控制系统调节方法流程如下：
10.(1)综合协调控制器采集用户油门控制输入开度大小，得到实际需要的功率目标值；
11.(2)综合控制器从发动机控制器上传信息得到发动机当前转速数值，结合采集得到的油门控制输入开度信息，确定发动机的当前工作点；与实际需要的功率目标值差值计算，得到发动机功率控制变化目标值，通过can总线下发到发动机控制器。
12.(3)综合控制器从补燃燃烧控制器上传信息得到补燃燃烧装置的功率、温度信息；根据发动机目标功率需求，计算发动机排气功率；两个功率值进行差值计算，得到补燃燃烧装置的功率变化目标值，通过can总线下发到补燃燃烧控制器。
13.(4)综合控制器从功率调节电机控制器上传信息得到增压器转速信息，根据增压器转速功率特性曲线查表得到增压器当前功率值；与补燃燃烧装置计算功率进行差值计算，得到电机功率分配大小，根据电机分配功率数值的正负进行电动或者发电控制运行，电动状态下进行转速控制，发电状态下进行整流电流控制。
14.本发明的优点在于：
15.1、增压器独立控制，压力保持恒定，始终工作在高效率区间。
16.2、增压器功率调节电机的控制解决了发动机小负荷状态下排气能量不足，增压不够；大负荷条件下功率多余，直接废气阀泄放，效率降低的问题。
17.3、补燃燃烧装置通过补燃始终工作在高效区间。
18.4、发动机进气稳定，控制调节性能好。
19.5、能量利用效率高，整机效率得到提升。
20.控制系统采用分层和模块化结构，便于集成和并行开发。
附图说明
21.图1为本发明的柴油发动机的结构示意图。
22.图2为本发明的控制系统示意理图。
23.图3为本发明的调节方法流程图。
24.图4是本发明燃烧器总体结构示意图。
25.图5是本发明燃烧器射流燃烧室以及部分附件结构示意图。
26.图6是本发明燃油喷嘴结构示意图。
27.图7是本发明的燃油喷嘴芯的示意图。
28.图8是本发明的燃油喷嘴的剖视图。
29.图9是本发明的气体旋流器的俯视局部剖视图。
30.图10是本发明补燃燃烧装置中悬臂转子的剖视图。
31.图11是本发明的补燃燃烧装置。
32.附图标记：
33.1.发动机排气管，2.补燃燃烧器，3.涡轮增压器，4.功率调节电机，5.隔热封严装置，6.旋流燃烧室，7.射流燃烧室，8.发动机排气管进口，9.补燃燃烧器出口，10.增压器出口，11.电机支架，12.联轴器，13.燃油入口，14.空气导入部，15.加热件，16.燃油喷嘴芯，17.气体旋流器，18.雾化圆柱腔，19.二级旋流区，20.射流区，21.出口管路，22.第一排气接口，23.第二排气接口，24.旋流孔，25.气体导入孔，26.出油孔，27.螺旋油道，28.气体导入部，29.斜槽，30.燃油导流管，31.注油空间，32.安装配合孔，33.转轴，34.径流式涡轮，35.轴承，36.离心式压气机叶轮，37.轴向径向阻尼器，101.柴油发动机，102.油箱，103.补燃燃烧装置，104.电控燃油喷射器，105.电控流量调节阀，106.柴油发动机节气门，107.增压器涡轮，108.增压器压气机，201.油门输入，202.综合协调控制器，203.高速双向can总线，204.功率调节电机控制器，205.三相双向逆变器，206.蓄电池，207.温度传感器，208.补燃燃烧控制器，209.第一喷油器，210.流量调节阀，211.第二喷油器，212.发动机进气温度传感器，213.发动机进气压力传感器，214.发动机燃油压力传感器，215.发动机转速传感器，216.控制开关，217.发动机控制器。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、完整，下面结合附图为本发明作进一步的详细说明。应当理解的是，所描述的实施方式仅作为一种例示，并非用于限制本发明。
35.本发明的一个具体实施例，如图1，公开了一种柴油发动机，包括：柴油发动机101、油箱102、补燃燃烧装置103、电控燃油喷射器104、电控流量调节阀105、柴油发动机节气门106、涡轮增压器3、功率调节电机4及连接管路；
36.涡轮增压器3包括增压器涡轮107和增压器压气机108；
37.所述增压器压气机108通过连接管路分别与电控流量调节阀105和柴油发动机节气门106连接，电控流量调节阀105通过管路与补燃燃烧装置103头部连接，增压器出口的高压气体，一部分通过电控流量调节阀105流入补燃燃烧装置103，另一部分通过气缸节气门106流入柴油发动机101的气缸。油箱102内的燃油经由电控燃油喷射器104加压后进入燃烧
器头部与电控流量调节阀105来的空气进行充分掺混后进入补燃燃烧装置103的二次燃烧区，柴油发动机101的排气(废气)由排气门排出进入补燃燃烧装置103的二次燃烧区，并与由补燃燃烧装置103头部来的高温燃气在补燃燃烧装置103的二次燃烧区进行充分混合和二次燃烧。补燃燃烧装置103的高温燃气由连接管路流入增压器涡轮107膨胀做功，增压器涡轮107与增压器压气机108连接，推动增压器压气机108压缩新鲜空气，提高柴油发动机101的空气流量；同时增压器压气机108端集成功率调节电机4，该调节电机可以在电动或者发电状态下运行，电动状态为发动机起动和瞬态加速提供功率，发电状态下对多余涡轮功进行发电回收，调节增压器转速，保证增压器工作在高效区间。
38.可选地，参见图4-11，补燃增压装置103包括发动机排气管1、补燃燃烧器2、涡轮增压器3和功率调节电机4。
39.发动机排气管1与补燃燃烧器2连接；发动机排气管进口8与发动机排气口连接，增压器出口10与发动机空气盒连接，补燃燃烧器2的空气导入部14与发动机空气盒接通。
40.功率调节电机4通过电机支架11固定在增压器3上，功率调节电机4的轴与涡轮增压器3的轴通过联轴器12传输扭矩，在发动机起动时功率调节电机4拖动涡轮增压器3转动，涡轮增压器3提供的压缩空气通过增压器出口10进入发动机空气盒，为发动机起动提供扫气压力，能够使发动机在高原起动时更容易。
41.发动机起动后发动机排气由排气管进口8经发动机排气管1进入补燃燃烧器2的旋流燃烧室6，与此同时涡轮增压器3提供的压缩空气经发动机空气盒由补燃燃烧器的空气导入部14进入补燃燃烧器2的射流燃烧室7，燃油经补燃燃烧器的燃油入口13进入补燃燃烧器2的射流燃烧室7内在氮化硅加热棒15的作用下与补燃燃烧器空气导入部14进来的空气接触完成补燃燃烧器2的点火过程，点燃的高温燃气由补燃燃烧器2的射流燃烧室7进入补燃燃烧器2的旋流燃烧室6与发动机排气管1进入的发动机排气进行掺混进行二次燃烧，在二次燃烧的过程中发动机排气中的hc、co转化成无害的水和二氧化碳，而颗粒物质量相对较大在旋流燃烧室6内，在气体旋流作用下滞留时间较长，能够进行充分燃烧，最终也会转化成无害物质通过补燃燃烧器出口9排出；涡轮增压器3与补燃燃烧器2在补燃燃烧器出口9处通过法兰连接并用螺母压紧法兰面。
42.可选地，发动机排气管1设置2个，分别与第一排气接口和第二排气法兰连接。
43.由补燃燃烧器2排出的高温燃气进入涡轮增压器3驱动涡轮增压器3的涡轮作功，涡轮增压器3获得更大的能量，此时功率调节电机4工作模式转为发电模式，通过控制发电量的大小实现涡轮增压器3的控制，而控制补燃燃烧器2的燃油入口13进入的油量大小可以实现进入涡轮增压器3的高温燃气温度控制，使涡轮增压器3始终工作在高效率区间，两种控制方式联合调节，在涡轮增压器3涡轮前不放掉多余高温燃气的情况下能够实现涡轮增压器3的精准控制，把原本需要放掉的高温燃气能量转化成电能输出。通过两种调节方式的使用能够实现废气能量的回收效率的最大化。
44.本发明的一个具体工作过程案例是：某款重型柴油发动机工作在1500rad/min的转速时，它的增压器压比为1.5，增压器转速为45000rad/min，涡轮旁通阀开度为20％。原机排放数据为碳烟浓度为2.9fsn，co浓度为900
×
10-6
，thc浓度为93
×
10-6
，nox浓度为1450
×
10-6
，颗粒物总数量为1.75
×
108#/ml，颗粒物总质量为3.5
×
10-4
μg/ml，颗粒物几何平均直径为102.5nm，油耗为180kg/h，排气温度为853k。
45.此时采用本发明的补燃燃烧器，在补燃器内采用0.0125kg/s的送气量和0.000625kg/s的喷油量,设计点燃烧室燃油与空气的油气比为0.0613，在射流燃烧器中燃烧温度最高达到1200k，主燃区温度1600k。经过本发明的补燃燃烧器之后，碳烟浓度从2.9fsn降低到1.7fsn，降低了41.3％；co浓度从900
×
10-6
降低到430
×
10-6
，降低了38.6％；thc浓度从93
×
10-6
降低到56
×
10-6
，降低了39.8％；no
x
浓度从1450
×
10-6
降低到980
×
10-6
，降低了32.4％；颗粒物总数量从1.75
×
108#/ml降低到0.82
×
108#/ml，降低了53.1％；颗粒物总质量为3.5
×
10-4
μg/ml降低到2.71
×
10-4
μg/ml，降低了22.6％；颗粒物几何平均直径从102.5nm降低到85.6nm，降低了16.5％。
46.由于涡轮旁通阀的关以及补燃燃烧器中二次燃烧的能量，导致进入涡轮的能量增加。此时增压器转速从45000rad/min升高到了53000rad/min，压比从1.5增加的1.8。此时，位于发动机进气总管的压力传感器检测到进气的压比超过柴油机发动机的需求，涡轮增压系统控制单元将功率调节电机4工作模式转为发电模式，并提高发电功率至0.8kw，此时发电量为0.6kw/h。通过提高功率调节电机的发电功率，将增压器转速从53000rad/min降低为45000rad/min，压比降低至1.5，回到了柴油机工作所需的压比。与通过废气旁通阀将多余废气排出的传统增压器和柴油发动机的匹配方式相比，本发明提出的提高能量回收效率的补燃燃烧器，实现了对废气能量的更多利用。
47.可选地，补燃燃烧器包括加热件15、喷嘴、射流燃烧室7和旋流燃烧室6；
48.喷嘴包括燃油喷嘴芯16和气体旋流器17；气体旋流器3包括雾化圆柱腔18；雾化圆柱腔构成射流燃烧室5的一级旋流区；射流燃烧室7还包括二级旋流区19和射流区20；燃油喷嘴芯用于将燃油导入一级旋流区一级旋流区与二级旋流区连通，二级旋流区与射流区连通；加热件设置于二级旋流区，用于点燃二级旋流区内的气体掺混雾化燃油；射流区与旋流燃烧室连通。
49.可选地，加热件为氮化硅加热棒；通入的气体为空气；一级旋流区、二级旋流区和射流区均为圆柱腔体。
50.可选地，旋流燃烧室包括多个壳体面，在第一壳体面上设置有出口管路21，出口管路从该壳体外向旋流燃烧室内延伸至旋流燃烧室腔室内部的中心位置，射流区与二级旋流区的直径的比为3:5至2:5；在与第一壳体面和第二壳体面均相邻的第三壳体面和/或第四壳体面分别设置第一排气接口22和/或第二排气接口23；空气导入部14的截面积：第一排气接口的截面积：第二排气接口的截面积之比为1：1：1。进一步地，发动机排量与掺混燃烧室的体积之比为50:1至65:1。
51.进一步地，旋流燃烧室的横截面为圆角矩形腔体或原形。
52.可选地，第一排气接口和第二排气接口分别与发动机排气管1相接，发动机燃烧后产生的尾气通过第一排气接口和第二排气接口沿切向进入旋流燃烧室，在旋流燃烧室内形成旋流充分掺混，发动机尾气中的hc、co以及碳核颗粒在旋流燃烧室内进一步燃烧转化成co2和h2o，同时释放化学能。
53.可选地，第一排气接口和第二排气法兰以出口管路21为分界相对设置于旋流燃烧室的两侧，发动机尾气从两侧分别沿切向进入旋流燃烧室中，此时对向气流便于在燃烧室中形成旋流，与通过射流区进入燃烧室的高温燃气进行充分混合，实现更好的二次燃烧效果。
54.可选地，气体导入部14靠近二级旋流区的一侧设置气体导入孔25，气体导入孔为向心孔，连通空气导入部和二级旋流区；气体导入孔的轴线与二级旋流区的轴线成角度设置；气体流过时可以产生切向速度，方便旋流的产生；气体导入部与旋流孔24的横截面面积相等。
55.可选地，燃油喷嘴芯16为可拆卸喷嘴，通过密封垫片进行燃油喷嘴的端面密封，加热件1通过螺栓预紧力紧密贴合，进行锥面密封。
56.可选地，射流区与旋流燃烧室连接；一级旋流区、射流区、二级旋流区和旋流燃烧室的腔室体积依次增大。
57.使用时，当燃烧器先于发动机工作时：加热棒1先行预热，燃油经进燃油入口13进入喷嘴后，通过燃油导流管，经出油孔26喷出，流过燃油喷嘴芯上的螺旋油道27，在螺旋油道的末端进入斜槽29喷入一级旋流区；气体从空气导入部进入气体导入部28，一部分通过一级旋流区的旋流孔流入一级旋流区，另一部分从二级旋流区的气体导入孔直接进入二级旋流区；燃油在一级旋流区中，与一级旋流器旋流孔进入的气体对向充分掺混后，进入二级旋流区后，被伸入二级旋流区的加热棒点燃之后，开始混合燃烧，与二级旋流区的气体导入孔来的气体掺混，继续燃烧；随后进入射流区，同时火焰反向传播至一级旋流区，加热棒断电，完成点火过程。
58.当发动机先于燃烧器工作时：发动机起动后，发动机的废气排气温度达到阈值温度(通常300℃)后，加热棒1预热，燃油经进燃油入口进入喷嘴后通过燃油导流管30从出油孔26进入螺旋油道末端的斜槽喷射进一级旋流区，在一级旋流区内与空气导入部来的气体掺混后进入二级旋流区开始混合燃烧，后经射流区进入旋流燃烧室进行二次燃烧，在旋流掺混燃烧室内被高温尾气点燃，火焰往回传播至一级旋流区，随后关加热棒1，完成点火过程。
59.一级旋流区内的高温燃气进入二级旋流区继续与气体掺混燃烧，随后进入射流区膨胀加速，进入旋流燃烧室，与第一排气接口进入旋流燃烧室的活塞发动机尾气掺混进行二次燃烧，在二次燃烧的过程中hc、co和碳核颗粒物继续燃烧，转化成co2和h2o，释放出能量，完全燃烧的气体经旋流燃烧室出口管路排出。
60.本发明中的一级旋流区通过与斜槽对向的旋流孔实现气体与燃油的充分掺混，同时由于一级旋流区内部气体与燃油流速比二级旋流区慢，混合气流能够在一级旋流区充分燃烧，是稳定燃烧后的主燃区。二级旋流区实现启动时点火，同时作为副燃区进行燃烧反应。首先气体沿切向进入燃烧器内，在空气导入部的腔体内形成预旋效果，一部分通过一级旋流区腔体的侧壁面旋流孔，沿切向进入一级旋流区内形成一级旋流；另一部分通过气体导入部侧壁的气体导入孔沿燃烧器切向进入二级旋流区内，产生二级旋流；射流区使高温燃气膨胀加速，进入旋流燃烧室。
61.一级旋流区进入二级旋流区时为一级旋流；气体从空气导入部进入二级旋流区的时候通过气体导入孔(形状为旋流孔)，自然产生旋流，由于气体导入孔沿截面均匀圆形分布，与一级旋流在二级旋流区汇合时形成二级旋流，对一级旋流加强。
62.射流通过射流区实现，射流区联通二级旋流区和旋流燃烧室，二级旋流区内部空间小于旋流燃烧室，使射流区两侧产生压力差，旋流通过射流区时加速，在进入旋流燃烧室后，脱离射流区管壁约束，形成射流。
63.可选地，喷嘴为燃油雾化喷嘴；燃油喷嘴芯16包括第一固定端和燃油传导柱；气体旋流器17包括燃油导入部、空气导入部14和雾化圆柱腔18；第一固定端设置燃油入口13；燃油传导柱依次设置第一柱段、旋流槽31和第二柱段，第一柱段靠近第一固定端，第二柱段远离第一固定端；第一柱段内部设置出油孔26，外周设置螺旋油道27，出油孔靠近第一固定端；螺旋油道螺旋设置于出油孔和旋流槽之间的第一柱段的外周；螺旋油道用于将从出油孔输出的燃油螺旋传输至旋流槽；旋流槽为沿燃油传导柱的径向圆环槽；旋流槽用于将燃油在此处旋转后喷射入斜槽；第二柱段的外周设置斜槽，斜槽连通旋流槽与雾化圆柱腔；斜槽的轴线与第二柱段的轴线和/或雾化圆柱腔的轴线的角度为α；斜槽用于将燃油喷射入雾化圆柱腔；燃油入口与出油孔连通；燃油导入部与雾化圆柱腔相连，包括容纳腔和第二固定端；容纳腔用于容纳燃油传导柱，第二固定端用于连接第一固定端；容纳腔依次设置第一容纳段和第二容纳段；第一容纳段接近第一固定端，第一容纳段的直径大于第一柱段，第一容纳段与第一柱段之间形成注油空间31，出油孔设置于第一柱段位于注油空间的区域；燃油由出油孔流出后通过注油空间流入螺旋油道；雾化圆柱腔与气体导入部28通过旋流孔24连通；通过旋流孔使气体导入部中的压缩空气产生旋转后导入雾化圆柱腔18。
64.可选地，出油孔26设置m个，m》＝1，m个出油孔沿第一柱段的径向设置。
65.可选地，第一柱段的轴向长度a为6.5-7.5mm，优选为7.25mm，旋流槽的轴向长度c为4.5-5.5mm，优选为5.25mm，第二柱段的轴向长度为e为0.5-1mm，优选为1mm，第一柱段与第二柱段的直径相等，为d0为3-6mm，直径d0选择时可根据所需的斜槽的数量选择，斜槽数量少于4个时为3-4mm，优选为3.5mm，斜槽数量多于4个时为4-6mm；旋流槽的径向深度d1为0.15-0.45mm，优选为0.3mm；斜槽的横截面面积s1为0.01mm2ꢀ‑
0.03mm2，优选为0.015mm2，径向深度d2为0.05-0.15mm，优选为0.1mm；螺旋油道的横截面面积s2为2ns
1-3ns1，优选地s2为2.5ns1，优选为0.098mm2，其中，n为斜槽的个数，螺旋油道径向深度d3为0.125-0.375mm，优选为0.25mm；多个出油孔的总横截面面积s3为4ms
2-5ms2，优选为0.40mm2，直径d4为0.25-0.75mm，优选为0.5mm；雾化圆柱腔的轴向长度h为12-14mm，优选为12mm，直径d5为2d
0-5d0，优选为13mm；旋流孔与第二柱段远离第一固定端的端面的轴向距离b为b＝l/d5＝1/2，优选为6.5mm；旋流孔的横截面面积s4为8mm
2-12mm2，优选为10mm2，旋流孔的轴线中点位置与雾化圆柱腔的对应径向平面的轴心距离l为5-7mm，优选为5.25mm；斜槽的轴线与第二柱段的轴线和/或雾化圆柱腔的轴线的角度α满足α＝arctan(l/(b-1/2d0)，优选为30度。
66.可选地，a：b：c：e＝7.25：6.5：5.25：1；d1：d2：d3：d4：d5＝0.3：0.1：0.25：0.5：13。斜槽的数量和横截面积与燃油总量值相关；本实施例使用的燃油流量约为20mg/s，对应地，采用2个斜槽；斜槽出口的朝向与旋流孔出口的朝向相对设置，能够使燃油与空气进行充分掺混，提升燃烧质量；燃油导入部与雾化圆柱腔连通；第一固定端与第二固定端螺纹连接；第一固定端为柱状结构，第二固定端为柱状容纳腔；在第一固定端和燃油传导柱的过渡接触面设置密封垫片33，通过第一固定端与第二固定端的螺纹紧固将密封垫片压紧于第一固定端与第二固定端的轴向接触面以实现燃油密封不泄露；燃油入口为多段阶梯柱状腔，接近第一柱段的一端的末端阶梯柱状腔段与出油孔连通；末端阶梯柱状腔段为燃油导流管，直径大于等于出油孔的直径；出油孔与末端阶梯柱状腔段的轴线垂直；旋流孔设置多个，多个旋流孔沿雾化圆柱腔的周向均匀设置；气体导入部28为环形腔室，气体导入部设置于雾化圆柱腔外圈；气体导入部和雾化圆柱腔之间的壁厚为旋流孔的横截面面积s4的0.5-1倍；还
包括外壳，外壳设置于气体导入部的外侧，用于进一步地密封气体导入部；空气导入部与气体导入部连通，用于输入压缩空气；空气导入部的空气入口方向平行于气体导入部的切向设置，用于使压缩空气沿气体导入部的切向输入气体导入部内；雾化圆柱腔远离第二固定端的一侧为敞口，用于释放雾化燃油；气体导入部为密闭腔室；气体旋流器还包括安装配合孔32，安装配合孔设置于气体旋流器的燃油导入部的内壁上，燃油喷嘴芯与安装配合孔的配合间隙小于等于2倍燃油流动时的附面层厚度，与旋流槽和斜槽共同组成燃油通道，小间隙配合防止燃油通过时泄露；燃油传导柱与雾化圆柱腔的轴线同线；旋流孔24为向心孔；旋流孔与气体导入部的交界面与旋流孔的轴线成角度设置；旋流孔为螺旋向心孔或径向平面向心孔。
67.使用时，燃油喷嘴芯16与气体旋流器17通过螺纹紧固连接，并将密封垫片33压紧实现燃油密封不泄露；气体旋流器与外壳连接为一体，实现外壳与气体旋流器的气密性；空气导入部的空气接管连接在外壳上，在使用时燃油喷嘴芯上的燃油入口处通过螺纹连接与外部燃油接头接通，空气导入部处的空气接管与外部气源接通，至此实现了完整的燃油喷嘴结构功能；燃油通过燃油入口经过出油孔进入到注油空间内，通过燃油喷嘴芯上的螺旋油道进入旋流槽内进行旋转，此时燃油获得了旋转速度后，经过螺旋油道平衡进入斜槽的流量分配，进入斜槽后呈锥状喷射进雾化圆柱腔内，与此同时，压缩空气通过空气导入部沿切向进入到气体导入部内，并进行旋转，后通过旋流孔沿切向进入雾化圆柱腔。由于在结构上斜槽11角度α满足α＝arctan(l/(b-1/2d0)，优选为30度，因此在雾化圆柱腔内，通过斜槽喷射出的高速燃油与通过旋流孔24进来的高速空气直接冲击掺混，通过气液两相直接碰撞实现燃油与空气掺混更加均匀。
68.可选地，还包括悬臂式转子装置，悬臂式转子装置用于涡轮增压器3中，补燃燃烧器出口9连接涡轮增压器且能够驱动涡轮增压器3的涡轮作功，涡轮增压器的增压器出口33与发动机空气盒连接，发动机空气盒连接补燃燃烧器2的空气导入部14，功率调节电机4与涡轮增压器轴通过联轴器连接并传输扭矩。
69.悬臂式转子装置包括转轴33和径流式涡轮34，转轴33上从前往后依次排列设置轴承35、离心式压气机叶轮36、轴向径向阻尼器37和径流式涡轮34。
70.隔热封严装置5位于离心式压气机叶轮和径流式涡轮之间，离心压气机叶轮的一侧以端面配合的方式与轴承连接，离心压气机叶轮的另一侧端面与轴向径向阻尼器相连接，采用前端螺母将轴承、离心压气机叶轮、轴向径向阻尼器压紧在转轴轴肩，实现转子系统的装配。
71.离心压气机叶轮和径流式涡轮采用背靠背形式，中间由轴向径向阻尼器和隔热封严装置隔开。轴承位于转轴最前端，对整个转子系统进行支撑，转子悬臂支撑。转子系统高速旋转时，离心压气机叶轮前端进入的空气。部分经过轴承对其进行冷却。
72.同时，轴向径向阻尼器可在转子系统运转时，产生轴向和径向的阻尼，耗散转子振动能量；轴向径向阻尼器的轴向端面与静止部件之间形成第一小间隙，轴向径向阻尼器的径向外圆柱面与静止部件之间形成第二小间隙；随着转轴高速旋转，第一小间隙和第二小间隙内气流高速旋转挤压，并耗散转子振动能量的作用，保证悬臂式转子装置稳定运转。
73.隔热封严装置固定在静止部件上，内部通气，可将燃气辐射和传递过来的热量带走，实现热隔离。隔热封严装置内圆柱面与转轴之间的配合对动静交界面泄露的高压气体
进行封严。进一步的，隔热封严装置的内圆柱面和转轴外圆柱面配合，形成第三小间隙，转轴1高速转动带动第三小间隙内的气流高速旋转，起到旋转密封作用，对高压气体进行封严。
74.间隙宽度与转速、盘腔内压力值相关，在工作转速为120000-16000rpm，盘腔压力为1.1个标准大气压的工况下，第一小间隙和第二小间隙的宽度为0.4mm-0.5mm，能达到较好的减振效果。
75.隔热封严装置内圆柱面和转轴外圆柱面间的间隙宽度与设计转速、压力相关，在工作转速为120000-16000rpm，压力为1.1大气压的工况下，第三小间隙的宽度为0.4mm-0.5mm，能达到较好的维持转子稳定的效果。
76.可以理解的是，补燃燃烧装置103的头部设置有出口管路21。
77.本发明的另一个具体实施例，如图2所示，公开了一种柴油发动机的控制系统，包括油门输入201、综合协调控制器202、高速双向can总线203、功率调节电机控制器204、三相双向逆变器205、蓄电池206、温度传感器207、补燃燃烧控制器208、第一喷油器209、流量调节阀210、补燃燃烧装置103、发动机进气温度传感器212、发动机进气压力传感器213、发动机燃油压力传感器214、发动机转速传感器215、控制开关216、发动机控制器217和第二喷油器211。油门输入201为用户控制输入，反映的是功率需求，根据设定的油门功率曲线可以得到功率目标值。综合协调控制器202运行功率调节电机、补燃燃烧器和发动机的协调算法，核心是根据双向高速can总线203上传上来的功率调节电机、补燃燃烧装置以及发动机的状态信息，按照先发动机功率然后补燃燃烧装置功率最后是功率调节电机功率的调节方法进行计算，得到各自的控制目标值，再通过双向高速can总线203传递给功率调节电机控制器204、补燃燃烧控制器208和发动机控制器217。功率调节电机控制器204根据协调控制器202得到的功率调节控制信息，通过三相双向逆变器205输出驱动，根据电动或者发电状态输出驱动功率调节电机4或者功率调节电机4发电对蓄电池206进行充电。补燃燃烧控制器208根据综合协调控制器202得到的功率控制信息，结合温度传感器207信息，通过喷油器209和流量调节阀210的控制实现补燃燃烧装置103工作在高效率(燃烧效率80％以上)区间同时不超温(不超过800℃)。发动机控制器217根据综合协调控制器202得到的控制信息，结合进气温度传感器212、进气压力传感器213、燃油压力传感器214、转速传感器215、控制开关216等传感器信息，对第二喷油器211进行控制，实现发动机负荷调节。
78.第三方面，本发明公开了一种柴油发动机的控制系统的控制调节方法，用于控制前述采油发动机的控制系统，如图3所示，具体实施如下：
79.(1)综合协调控制器202采集用户油门控制输入开度大小，得到实际需要的功率目标值；
80.(2)综合协调控制器202从发动机控制器上传信息得到发动机当前转速数值，结合采集得到的油门控制输入开度信息，确定发动机的当前工作点，得到当前功率值；与实际需要的功率目标值差值计算，得到发动机功率控制变化目标值，通过双向高速can总线203下发到发动机控制器，发动机控制器实现功率控制。
81.(3)综合协调控制器从补燃燃烧控制器上传信息得到补燃燃烧装置的功率和温度信息；根据发动机目标功率需求，估计计算发动机排气功率；两个功率值进行差值计算，得到补燃燃烧装置的功率变化目标值，通过can总线下发到补燃燃烧控制器，补燃燃烧控制器
实现燃烧功率控制。
82.(4)综合协调控制器从功率调节电机控制器上传信息得到增压器转速信息，根据增压器转速功率特性曲线查表得到增压器当前功率值；与补燃燃烧装置计算功率进行差值计算，得到电机功率分配大小，根据电机分配功率数值的正负进行电动或者发电控制运行，电动状态下进行转速控制，发电状态下进行整流电流控制，电机控制实现转速或者电流控制。
83.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种柴油发动机，其特征在于，包括柴油发动机、油箱、补燃燃烧装置、电控燃油喷射器、电控流量调节阀、柴油发动机节气门、涡轮增压器和功率调节电机；涡轮增压器包括增压器涡轮和增压器压气机；所述增压器压气机通过连接管路分别与电控流量调节阀和柴油发动机节气门连接，电控流量调节阀通过管路与补燃燃烧装置头部连接，增压器压气机出口的高压气体，一部分通过电控流量调节阀流入补燃燃烧装置，另一部分通过气缸节气门流入柴油发动机的气缸；油箱内的燃油经由电控燃油喷射器加压后进入燃烧器头部与电控流量调节阀来的空气进行充分掺混后进入补燃燃烧装置的二次燃烧区，柴油发动机的排气由排气门排出进入补燃燃烧装置的二次燃烧区，并与由补燃燃烧装置头部来的高温燃气在补燃燃烧装置的二次燃烧区进行充分混合和二次燃烧；补燃燃烧装置的高温燃气由连接管路流入增压器涡轮膨胀做功，增压器涡轮与增压器压气机连接，推动增压器压气机压缩新鲜空气；增压器压气机上设置功率调节电机。2.一种柴油发动机的控制系统，用于控制权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，包括功率调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器、发动机控制器以及综合协调控制器；综合协调控制器通过高速双向can总线协调功率调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器和发动机控制器实现发动机的电机电动或发电功率、增压器压气机出口的增压压力、补燃燃烧装置油气配比以及发动机负荷的综合调节。3.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，功率调节电机控制器通过三线接口连接增压器压气机端三相高速无刷电机三相绕组，通过两线接口连接蓄电池，通过高速双向can总线连接综合协调控制器。4.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，功率调节电机控制器通过高速双向can总线从综合协调控制器得到电机电动或发电功率控制目标值，根据数值正负进行电动状态下的转速控制或者发电状态下的整流电流控制，通过内部的驱动电路和控制算法实现上述控制目标；同时，实时向综合协调控制器上传当前功率调节电机的转速或者电流目标值。5.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，补燃燃烧控制器通过两线接口连接喷油器，通过三线接口连接流量调节阀，通过两线接口连接温度传感器，通过两线双向高速can接口连接综合协调控制。6.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，补燃燃烧控制器通过高速双向can接口从综合协调控制器得到燃烧器功率变化量控制目标值，补燃燃烧控制器根据燃烧控制算法输出流量阀开度控制以及喷油量控制信号，对补燃燃烧装置中的油气比进行精确控制，保证补燃燃烧装置在不超温的条件下始终处于高效率燃烧区间；同时，实时向综合协调控制器上当前传燃烧器功率和温度信息。7.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，发动机控制器通过传感器线束连接进气温度、进气压力、燃油压力、转速和控制开关传感器，通过执行器线束连接到各气缸的喷油器，通过高速双向can接口连接综合协调控制器；综合协调控制器通过高速双向can总线分别与功率调节电机控制器、补燃燃烧控制器和发动机控制器相连，通过传感器线束与油门控制输入相连。8.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，发动机控制器通过高速
双向can总线从综合协调控制器得到发动机功率变化量控制目标值以及油门开度信息，根据发动机转速、油门开度查表map数据插值计算得到喷油基础脉宽以及通过传感器输入计算喷油脉宽的补偿系数，两者相乘得到最终的控制脉宽信号输出到喷油器，实现发动机负荷的调节；同时，实时向综合协调控制器上传发动机转速以及喷油脉宽信息。9.如权利要求2所述一种柴油发动机的控制系统，其特征在于，综合协调控制器通过油门控制输入信号处理得到控制输入，通过高速双向can总线得到调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器和发动机控制器的状态信息；根据综合协调控制算法计算得到功率调节电机控制器电动或发电功率目标控制量、补燃燃烧控制器功率变化控制量和发动机控制器功率变化控制量；再通过高速双向can总线传递给调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器和发动机控制器。10.一种柴油发动机的控制系统的调节方法，用于对权利要求2-9所述的柴油发动机的控制系统，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、综合协调控制器采集用户油门控制输入开度大小，得到实际需要的功率目标值；步骤2、综合协调控制器从发动机控制器上传信息得到发动机当前转速数值，结合采集得到的油门控制输入开度信息，确定发动机的当前工作点，得到当前功率值；与实际需要的功率目标值差值计算，得到发动机功率控制变化目标值，通过can总线下发到发动机控制器，发动机控制器实现功率控制；步骤3、综合协调控制器从补燃燃烧控制器上传信息得到补燃燃烧装置的功率、温度信息；根据发动机目标功率需求，估计计算发动机排气功率；两个功率值进行差值计算，得到补燃燃烧装置的功率变化目标值，通过can总线下发到补燃燃烧控制器，补燃燃烧控制器实现燃烧功率控制；步骤4、综合协调控制器从功率调节电机控制器上传信息得到增压器转速信息，根据增压器转速功率特性曲线查表得到增压器当前功率值；与补燃燃烧装置计算功率进行差值计算，得到电机功率分配大小，根据电机分配功率数值的正负进行电动或者发电控制运行，电动状态下进行转速控制，发电状态下进行整流电流控制，电机控制实现转速或者电流控制。

技术总结
本发明公开了一种柴油发动机、柴油发动机的控制系统及调节方法，控制系统包含功率调节电机控制器、补燃燃烧装置控制器、发动机控制器以及综合协调控制器，综合协调控制器通过双向高速CAN总线分别与其他三个控制器相连。调节方法是综合协调控制器通过协调控制其他三个控制器实现补燃增压柴油发动机的电机电动/发电功率、增压器增压压力、补燃燃烧装置油气配比以及发动机负荷的综合调节，解决当前柴油发动机普遍采用的废气涡轮增压系统存在的小负荷排气能量不足增压不够、大负荷排气能量多余旁通泄放效率降低的缺点。余旁通泄放效率降低的缺点。余旁通泄放效率降低的缺点。


技术研发人员：周煜 刘晓静 邵龙涛 李雪宇 高新华 何荣辉
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/21