CN105221244A - 一种船用相继增压柴油机装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用相继增压柴油机装置及其控制方法，包括补气装置和冷却装置；补气装置包括空气压缩机、气源气瓶，空气压缩机连接气源气瓶，气源气瓶后方设置补气阀Ⅰ，补气阀Ⅰ后方的管道分成A路气管和B路气管，A路气管上分别安装喷管Ⅰ和喷管Ⅱ，喷管Ⅰ设置在A列进气管里，喷管Ⅱ设置在B列进气管里，B路气管上分别安装机匣喷管A和机匣喷管B，机匣喷管A安装在基本压气机上，机匣喷管B安装在受控压气机上；冷却装置包括混合器，混合器里设置喷淋器，中冷器后方引出冷却气管，混合器安装在冷却气管上，混合器后方的冷却气管与B路气管相通。本发明改善了柴油机加载、加速过程中的经济性和排放性。

Description

一种船用相继增压柴油机装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是船用柴油机的增压系统及其控制方法。

背景技术

采用涡轮增压技术可以提高内燃机的升功率、降低燃油消耗率，因此大多数内燃机都已经采用的增压技术。但是采用涡轮增压技术，内燃机在加速或加载过程中，由于增压器的转动惯性，增压器转速升高较慢，压气机出口空气压力低，使得内燃机的进气量不能满足燃烧，因此在加速过程中燃油消耗率升高，排气中有害物质量增加，使得内燃机的经济性和排放性都急剧恶化。同时增压器压气机中的叶轮是旋转部件，在工作时会承受多种载荷。尤其是在高压比工况下，叶轮叶片的温度会超过200℃，使得铝制的压气机叶片极易发生变形，对与扩压器叶片也会由于工质温度过高而导致叶片变形。叶片发生变形后，会严重恶化压气机的性能，缩小压气机的稳定运行范围，使压气机易于出现失速和喘振等问题。

对于船用柴油机一般采用相继增压系统，由于其进排气系统容积大，增压器尺寸大，使得柴油机在加速或加载过程中，会加剧由于进气量不足导致的经济性和排放性恶化。同时船用压气机的尺寸大，叶轮叶片线速度高，压比高，压气机内部的气体温度高，使得压气机的叶轮叶片和扩压器叶片更易于发生变形。

发明内容

本发明的目的在于提供可以改善柴油机加载、加速过程中的经济性和排放性的一种船用相继增压柴油机装置及其控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用相继增压柴油机装置，包括柴油机、基本压气机、基本涡轮、受控压气机、受控涡轮，柴油机的A列进气管上安装基本压气机，柴油机的A列排气管上安装基本涡轮，基本压气机和基本涡轮同轴，柴油机的B列进气管上安装受控压气机，柴油机的B列排气管上安装受控涡轮，受控压气机和受控涡轮同轴，A列进气管和B列进气管上安装中冷器，B列进气管里设置空气阀，B列排气管里设置燃气阀，其特征是：还包括补气装置和冷却装置；所述补气装置包括空气压缩机、气源气瓶，空气压缩机连接气源气瓶，气源气瓶后方设置补气阀Ⅰ，补气阀Ⅰ后方的管道分成A路气管和B路气管，A路气管上分别安装喷管Ⅰ和喷管Ⅱ，喷管Ⅰ设置在A列进气管里，喷管Ⅱ设置在B列进气管里，B路气管上分别安装机匣喷管A和机匣喷管B，机匣喷管A安装在基本压气机上，机匣喷管B安装在受控压气机上；所述冷却装置包括混合器，混合器里设置喷淋器，中冷器后方引出冷却气管，混合器安装在冷却气管上，混合器后方的冷却气管与B路气管相通。

本发明一种船用相继增压柴油机装置还可以包括：

1、所述喷管Ⅰ和喷管Ⅱ在A列进气管和B列进气管中的位置位于中冷器之后。

2、B路气管上安装补气阀Ⅱ，补气阀Ⅱ位于补气阀Ⅰ和机匣喷管B之间，机匣喷管B前端设置机匣控制阀，冷却气管上设置冷却阀，冷却阀位于中冷器和混合器之间。

本发明一种船用相继增压柴油机控制方法，其特征是：采用如下船用相继增压柴油机装置：

包括柴油机、基本压气机、基本涡轮、受控压气机、受控涡轮、补气装置和冷却装置，柴油机的A列进气管上安装基本压气机，柴油机的A列排气管上安装基本涡轮，基本压气机和基本涡轮同轴，柴油机的B列进气管上安装受控压气机，柴油机的B列排气管上安装受控涡轮，受控压气机和受控涡轮同轴，A列进气管和B列进气管上安装中冷器，B列进气管里设置空气阀，B列排气管里设置燃气阀，所述补气装置包括空气压缩机、气源气瓶，空气压缩机连接气源气瓶，气源气瓶后方设置补气阀Ⅰ，补气阀Ⅰ后方的管道分成A路气管和B路气管，A路气管上分别安装喷管Ⅰ和喷管Ⅱ，喷管Ⅰ设置在A列进气管里，喷管Ⅱ设置在B列进气管里，B路气管上分别安装机匣喷管A和机匣喷管B，机匣喷管A安装在基本压气机上，机匣喷管B安装在受控压气机上；所述冷却装置包括混合器，混合器里设置喷淋器，中冷器后方引出冷却气管，混合器安装在冷却气管上，混合器后方的冷却气管与B路气管相通。

当柴油机加速或加载时，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ同时开启，补气过程开始，此时冷却阀强制关闭；当柴油机加速或加载过程结束，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ同时关闭，补气过程结束，冷却阀取消强制关闭状态，在柴油机从1TC向2TC切换过程中，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ强制开启，补气过程开始，此时冷却阀强制关闭，5s后取消补气阀Ⅰ、补气阀Ⅱ和冷却阀的强制状态，若柴油机未进入补气过程，补气阀Ⅰ关闭，若基本压气机的压比大于设定值，则冷却阀开启，喷淋器开始喷淋过程，气流与喷淋的液滴在混合器中混合后进入压气机中对压气机叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。

本发明的优势在于：本发明采用一套装置既可以在相继增压柴油机加速、加载时，通过进气管上的喷管以及压气机机匣上的喷管向柴油机内喷入气体，改善柴油机加载、加速过程中的经济性和排放性；又可以在压气机高压比工况下，向压气机内部引入带有小液滴的低温湿气体，对叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，柴油机1包括A、B两列进气管和A、B两列排气管；A列进气管2上装有基本压气机13，B列进气管3上装有受控压气机12，A列排气管4上装有基本涡轮14，B列排气管5上装有受控涡轮11，A列进气管2和B列进气管3上装有中冷器15；基本压气机13和基本涡轮14组成基本增压器，受控压气机12和受控涡轮11组成受控增压器；在B列进气管3上装有空气阀22，在B列排气管5上装有燃气阀23；当燃气阀23和空气阀22全部打开时，受控增压器开始工作，称此时相继增压柴油机处于2TC状态，当燃气阀23和空气阀22全部关闭时，受控增压器停止工作，称此时相继增压柴油机处于1TC状态。

船用相继增压柴油机涡轮增压器辅助装置的特征结构包括两部分：补气装置和冷却装置。

补气装置为：空气压缩机6左侧通过气管连接气源气瓶9，气源气瓶9右侧连着补气阀Ⅰ10。补气阀Ⅰ10后气管分为两路，A路气管101分别连接着喷管Ⅰ24和喷管Ⅱ25，喷管Ⅰ24和喷管Ⅱ25分别安装在中冷器15后的A列进气管2和B列进气管3上；B路气管102上装有补气阀Ⅱ21。补气阀Ⅱ21后分别连接着机匣喷管A19和机匣喷管B20，在机匣喷管B20上游装有机匣控制阀26。

冷却装置为：在中冷器后15的A列进气管2上引出一条冷却气管103，冷却气管103按顺序装有冷却阀16、混合器18，冷却管103末端连接着机匣喷管A19和机匣喷管B20。其中在混合器18上装有喷淋器17。

空气压缩机6为任意空气压缩机；补气阀Ⅰ10、补气阀Ⅱ21、机匣控制阀26和冷却阀16为电磁阀，根据信号控制阀门的开关。

喷管Ⅰ24和喷管Ⅱ25为任意喷管，安装在中冷器15后的A列进气管2和B列进气管3上，喷管与进气管的安装角度可以根据实际情况确定，本发明中的安装角度为30°。

机匣喷管A19和机匣喷管B20安装在压气机机匣上，其安装位置和安装角度可以根据实际情况确定。

喷淋器17安装在混合器18上，喷淋器17喷淋的液体为液态水，喷出的液滴平均直径要求10微米以下，液态水的温度为常温水，一般为25℃。

气源气瓶9与空气压缩机6联合工作，保持气源气瓶9内的气体压力保持在设定值。该设定值可以根据实际情况确定，本发明中气瓶中压力保持在柴油机工作的最高进气压力值加0.3MPa。

机匣控制阀26的开启和关闭与燃气阀同步，即当燃气阀开启时机匣控制阀26开启，燃气阀关闭时机匣控制阀26关闭。

补气阀Ⅱ21的开启和关闭与补气阀Ⅰ10同步，即当补气阀Ⅰ10开启时补气阀Ⅱ21开启，即当补气阀Ⅰ10关闭时补气阀Ⅱ21关闭。

相继增压柴油机从1TC到2TC时，燃气阀23和空气阀22开启时，当监测到燃气阀23从关闭到开启的过程，补气阀Ⅱ21和补气阀Ⅰ10强制开启一段时间，具体开启时间根据实际情况确定，本发明中开启时间段确定为5s。

相继增压柴油机在运行时，对其的转速和转矩进行监测，当监测到转速增大或者转矩增大时，即确定为柴油机进入加速或加载过程。

当确定柴油机进入加速或加载过程中，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时开启，气流从气源气瓶中分两路流入到进气管和压气机中。当监测到补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21开启时，则不论压气机处于何种状态，冷却阀16强制关闭。当确定柴油机的加速或加载过程停止，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时关闭，补气过程结束，冷却阀16强制关闭状态取消。

相继增压柴油机在运行时，对其基本压气机13的压比进行监测，当监测到压比大于设定值时，即进入压气机冷却工况，此时冷却阀16打开，由于A列进气管2中的气体压力高于压气机机匣处的气体压力，使得气体流向压气机，压气机叶片的冷却过程开始。压比设定值根据实际情况选取，本发明中选取压比3为设定值。

混合器18上装有喷淋器17，喷淋器17与冷却阀16同步开关，即冷却阀16开启时喷淋器17开始向混合器18喷入液滴，喷入的液滴与流经冷却气管103的低温气体在混合器18混合形成湿空气，然后流入压气机中对叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。冷却阀16关闭时喷淋器17停止向混合器18喷入液滴。喷淋器17喷入液体的质量流量根据实际情况确定，本发明中的喷入液体量为冷却气管103中气体流量的10％。

本装置的具体操作方法为：在柴油机运行时分别对柴油机的转速、转矩和基本压气机的压比进行监控。当柴油机在加速或加载过程中时，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时开启，补气过程开始，此时冷却阀16强制关闭；监测到柴油机加速或加载过程结束，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时关闭，补气过程结束，冷却阀16取消强制关闭状态。在相继增压柴油机从1TC向2TC切换过程中，由于燃气阀23出现从关闭到开启的状态，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21强制开启，补气过程开始，此时冷却阀16强制关闭，5s后取消补气阀Ⅰ10、补气阀Ⅱ21和冷却阀16的强制状态。当柴油机没有进行补气过程，补气阀Ⅰ10关闭，此时监控到基本压气机14的压比大于设定值，冷却阀16开启，喷淋器17开始喷淋过程，气流与喷淋的液滴在混合器18中混合后进入压气机(基本压气机13或者基本压气机13和受控压气机12)中对压气机叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。

喷淋器17安装在冷却装置中的混合器18上，喷淋器17喷淋的液体为液态水，喷入的液滴与流经冷却气管103的低温气体在混合器18形成湿空气，进入压气机中对叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。

本装置的具体操作方法为：在柴油机运行时分别对柴油机的转速、转矩和基本压气机的压比进行监控。当柴油机在加速或加载过程中时，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时开启，补气过程开始，此时冷却阀16强制关闭；监测到柴油机加速或加载过程结束，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21同时关闭，补气过程结束，冷却阀16取消强制关闭状态。在相继增压柴油机从1TC向2TC切换过程中，由于燃气阀23出现从关闭到开启的状态，补气阀Ⅰ10和补气阀Ⅱ21强制开启，补气过程开始，此时冷却阀16强制关闭，5s后取消补气阀Ⅰ10、补气阀Ⅱ21和冷却阀16的强制状态。当柴油机没有进行补气过程，补气阀Ⅰ10关闭，此时监控到基本压气机14的压比大于设定值，冷却阀16开启，喷淋器17开始喷淋过程，气流与喷淋的液滴在混合器18中混合后进入压气机(基本压气机13或者基本压气机13和受控压气机12)中对压气机叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。

Claims (4)

1.一种船用相继增压柴油机装置，包括柴油机、基本压气机、基本涡轮、受控压气机、受控涡轮，柴油机的A列进气管上安装基本压气机，柴油机的A列排气管上安装基本涡轮，基本压气机和基本涡轮同轴，柴油机的B列进气管上安装受控压气机，柴油机的B列排气管上安装受控涡轮，受控压气机和受控涡轮同轴，A列进气管和B列进气管上安装中冷器，B列进气管里设置空气阀，B列排气管里设置燃气阀，其特征是：还包括补气装置和冷却装置；所述补气装置包括空气压缩机、气源气瓶，空气压缩机连接气源气瓶，气源气瓶后方设置补气阀Ⅰ，补气阀Ⅰ后方的管道分成A路气管和B路气管，A路气管上分别安装喷管Ⅰ和喷管Ⅱ，喷管Ⅰ设置在A列进气管里，喷管Ⅱ设置在B列进气管里，B路气管上分别安装机匣喷管A和机匣喷管B，机匣喷管A安装在基本压气机上，机匣喷管B安装在受控压气机上；所述冷却装置包括混合器，混合器里设置喷淋器，中冷器后方引出冷却气管，混合器安装在冷却气管上，混合器后方的冷却气管与B路气管相通。

2.根据权利要求1所述的一种船用相继增压柴油机装置，其特征是：所述喷管Ⅰ和喷管Ⅱ在A列进气管和B列进气管中的位置位于中冷器之后。

3.根据权利要求1或2所述的一种船用相继增压柴油机装置，其特征是：B路气管上安装补气阀Ⅱ，补气阀Ⅱ位于补气阀Ⅰ和机匣喷管B之间，机匣喷管B前端设置机匣控制阀，冷却气管上设置冷却阀，冷却阀位于中冷器和混合器之间。

4.一种船用相继增压柴油机控制方法，其特征是：采用如下船用相继增压柴油机装置：

包括柴油机、基本压气机、基本涡轮、受控压气机、受控涡轮、补气装置和冷却装置，柴油机的A列进气管上安装基本压气机，柴油机的A列排气管上安装基本涡轮，基本压气机和基本涡轮同轴，柴油机的B列进气管上安装受控压气机，柴油机的B列排气管上安装受控涡轮，受控压气机和受控涡轮同轴，A列进气管和B列进气管上安装中冷器，B列进气管里设置空气阀，B列排气管里设置燃气阀，所述补气装置包括空气压缩机、气源气瓶，空气压缩机连接气源气瓶，气源气瓶后方设置补气阀Ⅰ，补气阀Ⅰ后方的管道分成A路气管和B路气管，A路气管上分别安装喷管Ⅰ和喷管Ⅱ，喷管Ⅰ设置在A列进气管里，喷管Ⅱ设置在B列进气管里，B路气管上分别安装机匣喷管A和机匣喷管B，机匣喷管A安装在基本压气机上，机匣喷管B安装在受控压气机上；所述冷却装置包括混合器，混合器里设置喷淋器，中冷器后方引出冷却气管，混合器安装在冷却气管上，混合器后方的冷却气管与B路气管相通。

当柴油机加速或加载时，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ同时开启，补气过程开始，此时冷却阀强制关闭；当柴油机加速或加载过程结束，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ同时关闭，补气过程结束，冷却阀取消强制关闭状态，在柴油机从1TC向2TC切换过程中，补气阀Ⅰ和补气阀Ⅱ强制开启，补气过程开始，此时冷却阀强制关闭，5s后取消补气阀Ⅰ、补气阀Ⅱ和冷却阀的强制状态，若柴油机未进入补气过程，补气阀Ⅰ关闭，若基本压气机的压比大于设定值，则冷却阀开启，喷淋器开始喷淋过程，气流与喷淋的液滴在混合器中混合后进入压气机中对压气机叶轮叶片和扩压器叶片进行冷却。