CN107044332B - 一种发动机的冷却系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机的冷却系统和方法，尤其是船用柴油机的冷却系统和方法。采用双热交换器，分别布置在高温支路和低温支路中，内部冷却液经发动机本体加热后分成第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：所述第一内部冷却液支路包括第一节温器、副热交换器、高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路包括第二节温器、主热交换器、低温级中冷器；通过第一内部冷却液支路和第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后回到发动机本体形成闭合冷却回路。满足了整机的尺寸要求、降低了冷却系统成本、提高了冷却系统的可靠性，改善了发动机的燃烧情况。

Description

一种发动机的冷却系统和方法
技术领域
一种内燃机的冷却系统和方法，尤其是船用柴油机的冷却系统和方法。
背景技术
现有的船用发动机冷却系统循环水路技术是：冷却液通过淡水泵流经发动机后水温升高，再通过节温器实现大小循环，在水温较低时通过小循环直接回到淡水泵前，在水温较高时经过热交换器并被冷却再回到淡水泵前；海水泵将海水先引入中冷器冷却发动机的进气，再流经热交换器冷却发动机的冷却液，参见图1。
其一，上述船用发动机(柴油机)冷却系统中，中冷器采用外循环海水冷却，水质差，腐蚀性强，易造成堵塞甚至引起中冷器漏水故障；海水管路需采用铜管，管路布置复杂且管系多，发动机成本上升；海水的清洁度不能保证；以上原因造成中冷器的冷却可靠性差；并且发动机在低温环境或低负荷下，进气温度很低，性能差。其二，尽管船用发动机已经在应用冷却液冷却中冷器，一定程度上提高了系统的冷却可靠性，冷却液管路可铸在发动机机体上，紧凑性也更强；但已有的中冷器需要的热交换器散热量高、需要热交换器的体积大，这与柴油机对整机尺寸的要求较高相悖。
发明内容
本发明针对已有的包含中冷器的冷却系统提出改进，进而解决冷却系统与发动机整机尺寸要求、成本要求和燃烧状况方面存在的问题，并进一步提高冷却系统的可靠性。本发明的技术方案中：柴油机：以柴油为燃料的动力机械，为车辆、船舶等提供动力。发动机本体：指柴油机的机体和缸盖等部件。中冷器：柴油机增压后的进气温度较高，通过中冷器降低增压后的进气温度。中冷器(高温级)：在副热交换器后的高温冷却液流过。中冷器(低温级)：在主热交换器后的低温冷却液流过。热交换器：柴油机冷却液带走的热量通过热交换器利用海水将热量带走。机油冷却器：柴油机内的润滑油通过机油冷却器利用冷却液将热量带走。淡水泵：能够实现冷却液的加压，使冷却液在柴油机中强制对流换热。海水泵：能够实现海水的加压，使海水强制流动实现换热。节温器：能够调节大小循环的冷却液流量，实现柴油机冷却液温度的调节。
本发明以合理布置循环水路、有效利用水温和水流量为出发点，在一个闭式循环水路的高温和低温支路中分别布置的热交换器，且在一个闭式循环水路中布置高温和低温冷却中冷器，改进了发动机的冷却系统。具体地，
一种发动机的冷却系统，包括
闭合的冷却回路，闭合的冷却回路中流动有内部冷却液，所述闭合的冷却回路包括第一内部冷却液支路和第二内部冷却液支路，所述第一内部冷却液支路包括第一节温器、副热交换器、高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路包括第二节温器、主热交换器、低温级中冷器；其中，副热交换器的散热量小于主热交换器的散热量；内部冷却液经发动机本体加热后经过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路后流回所述发动机本体；
还包括外部冷却系统，所述外部系统将外部冷却液先引入到所述主热交换器后再引入到所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
所述第一内部冷却液支路通过所述第一节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述副热交换器、所述高温级中冷器；所述小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器。
所述第二内部冷却液支路通过所述第二节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述主热交换器、所述低温级中冷器；所述小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器。
所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
所述第二内部冷却液支路中的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过所述第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
所述发动机是柴油机。
一种发动机的冷却方法，所述发动机的冷却方法包括：
采用内部冷却液和外部冷却液对发动机进行冷却，其中：
内部冷却液冷却发动机本体后流入第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：
流入所述第一内部冷却液支路的内部冷却液通过第一节温器实现大循环或小循环，在水温较高时通过大循环依次经过副热交换器、高温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；
流入所述第二内部冷却液支路的内部冷却液支路通过第二节温器实现大循环小循环，在水温较高时通过大循环依次经过主热交换器、低温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器；
所述副热交换器的散热量小于所述主热交换器的散热量；
通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后流回到发动机本体；
外部冷却液先被引入到主热交换器再被引入到副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
所述第二内部冷却液支路的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
所述主热交换器、副热交换器的散热量分配、所述高温级中冷器和低温级中冷器的散热量分配、第一和第二内部冷却液支路的冷却液流量分配是通过仿真计算确定的。
本发明采用在一个闭式循环中布置双热交换器和冷却液两级冷却中冷器，通过合理组织冷却系统循环水路，合理分配热交换器的散热量和冷却液流量，实现了中冷器的高低温冷却，具有以下技术效果：
(1)本发明采用双热交换器，分别布置在高温支路和低温支路中，减小单个热交换器的散热量要求，由于增加了一个副热交换器帮助分担主热交换器的散热量，因此能够减小单个热交换器的体积，满足柴油机整机的尺寸要求；同时降低了中冷器(高温级)的进水温度，因而降低了中冷器(高温级)的匹配难度。
(2)本发明设计成高温级和低温级的两级中冷器，充分利用了柴油机进气和高温、低温冷却液的温差，进一步降低了中冷器的匹配难度。
(3)中冷器由现有的外部循环海水冷却改为内部冷却介质(淡水)内循环冷却，减少了耐腐蚀材料应用，降低成本，解决了中冷器采用外部海水冷却易堵塞的问题。
(4)中冷器采用发动机内部冷却介质(淡水)内循环冷却，提高发动机低温环境或低负荷下的进气温度，改善燃烧；
(5)海水管路多采用铜管，本发明减少了整机海水管系，降低了成本。
附图说明
图1示出了现有冷却系统循环水路图。
图2示出了本发明冷却系统循环水路图。
图3示出了包含两级和单级中冷器的冷却系统淡水流量分配的仿真结果(L/min)。
图4示出了包含两级和单级中冷器的冷却系统的散热量分配的仿真结果对比(kW)。
图5示出了包含两级和单级中冷器的冷却系统的温度的仿真结果对比(℃)。
图6示出了包含两级和单级中冷器的冷却系统的换热效率要求的仿真结果对比。
具体实施方式
实施例1：
一种发动机的冷却系统，包括，发动机，具有发动机本体，还包括高温级中冷器、低温级中冷器、主热交换器、副热交换器，其中，副热交换器的散热量小于主热交换器的散热量；内部冷却液经发动机本体加热后分成第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：所述第一内部冷却液支路包括第一节温器、副热交换器、高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路包括第二节温器、主热交换器、低温级中冷器；通过第一内部冷却液支路和第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后回到发动机本体形成闭合冷却回路；外部冷却液先被引入到主热交换器再被引入到副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
进一步，所述第一内部冷却液支路，通过所述第一节温器实现大小循环，在水温较高时走大循环依次经过所述副热交换器、所述高温级中冷器；在水温较低时走小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路，通过所述第二节温器实现大小循环，在水温较高时走大循环依次经过所述主热交换器、所述低温级中冷器；在水温较低时走小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器。
进一步，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到主热交换器和副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
进一步，所述第二内部冷却液支路，其中的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器，之后再与第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
进一步，所述主热交换器、副热交换器的散热量分配、所述高温级中冷器和低温级中冷器的散热量分配、两条内部冷却液支路的冷却液流量分配是通过仿真计算确定的。
一种发动机的冷却方法，内部冷却液冷却发动机本体后分成第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：所述第一内部冷却液支路，其内部冷却液通过第一节温器实现大小循环，在水温较高时走大循环依次经过副热交换器、高温级中冷器；在水温较低时走小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路，其内部冷却液支路通过第二节温器实现大小循环，在水温较高时走大循环依次经过主热交换器、低温级中冷器；在水温较低时走小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器；上述副热交换器的散热量小于上述主热交换器的散热量；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后回到发动机本体形成闭合冷却回路；外部冷却液先被引入到主热交换器再被引入到副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
进一步，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到主热交换器和副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
进一步，所述第二内部冷却液支路，其中的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器，之后再与第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
进一步，所述主热交换器、副热交换器的散热量分配、所述高温级中冷器和低温级中冷器的散热量分配、两条内部冷却液支路的冷却液流量分配是通过仿真计算确定的。
进一步，所述发动机是船用柴油机。
实施例2：
一种发动机的冷却系统，包括闭合的冷却回路，闭合的冷却回路中流动有内部冷却液，所述闭合的冷却回路包括第一内部冷却液支路和第二内部冷却液支路，所述第一内部冷却液支路包括第一节温器、副热交换器、高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路包括第二节温器、主热交换器、低温级中冷器；其中，副热交换器的散热量小于主热交换器的散热量；内部冷却液经发动机本体加热后经过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路后流回所述发动机本体；
还包括外部冷却系统，所述外部系统将外部冷却液先引入到所述主热交换器后再引入到所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
优选的，所述第一内部冷却液支路通过所述第一节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述副热交换器、所述高温级中冷器；所述小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器。
优选的，所述第二内部冷却液支路通过所述第二节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述主热交换器、所述低温级中冷器；所述小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器。
优选的，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
优选的，所述第二内部冷却液支路中的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过所述第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
优选的，所述发动机是柴油机。
一种发动机的冷却方法，所述发动机的冷却方法包括：采用内部冷却液和外部冷却液对发动机进行冷却，其中：内部冷却液冷却发动机本体后流入第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：流入所述第一内部冷却液支路的内部冷却液通过第一节温器实现大循环或小循环，在水温较高时通过大循环依次经过副热交换器、高温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；流入所述第二内部冷却液支路的内部冷却液支路通过第二节温器实现大循环小循环，在水温较高时通过大循环依次经过主热交换器、低温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器；
所述副热交换器的散热量小于所述主热交换器的散热量；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后流回到发动机本体；外部冷却液先被引入到主热交换器再被引入到副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
优选的，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
优选的，所述第二内部冷却液支路的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
优选的，所述主热交换器、副热交换器的散热量分配、所述高温级中冷器和低温级中冷器的散热量分配、第一和第二内部冷却液支路的冷却液流量分配是通过仿真计算确定的。
本发明的中冷器是淡水冷却的，降低了中冷器的换热效率要求，进而可以有效的降低中冷器的匹配难度，使结构更紧凑；高温级和低温级两级中冷器相比于单级中冷器，散热量可以分担在中冷器的高温级和低温级，可以充分利用高温级和低温级的冷却液，仿真结果见图3～图6，两者的对比过程中：将淡水的流量分配一样，对比具有单级和两级中冷器的冷却系统的温度分布和换热效率要求分布，从图6可以看出高温级和低温级中冷器的换热效率要求均比单级中冷器有明显的降低，因而降低了中冷器的匹配难度，使结构更紧凑。
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。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种发动机的冷却系统，包括闭合的冷却回路，其特征在于，闭合的冷却回路中流动有内部冷却液，所述闭合的冷却回路包括第一内部冷却液支路和第二内部冷却液支路，所述第一内部冷却液支路包括第一节温器、副热交换器、高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路包括第二节温器、主热交换器、低温级中冷器；其中，副热交换器的散热量小于主热交换器的散热量；内部冷却液经发动机本体加热后经过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路后流回所述发动机本体；所述第一内部冷却液支路通过所述第一节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述副热交换器、所述高温级中冷器；所述小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；所述第二内部冷却液支路通过所述第二节温器实现大循环或小循环，所述大循环依次经过所述主热交换器、所述低温级中冷器；所述小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器；还包括外部冷却系统，所述外部冷却系统将外部冷却液先引入到所述主热交换器后再引入到所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
2.根据权利要求1所述的发动机的冷却系统，其特征在于，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
3.根据权利要求1所述的发动机的冷却系统，其特征在于，所述第二内部冷却液支路中的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过所述第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发动机的冷却系统，其特征在于，所述发动机是柴油机。
5.一种发动机的冷却方法，其特征在于，所述发动机的冷却方法包括：
采用内部冷却液和外部冷却液对发动机进行冷却，其中：
内部冷却液冷却发动机本体后流入第一内部冷却液支路、第二内部冷却液支路：
流入所述第一内部冷却液支路的内部冷却液通过第一节温器实现大循环或小循环，在水温较高时通过大循环依次经过副热交换器、高温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述副热交换器但经过所述高温级中冷器；
流入所述第二内部冷却液支路的内部冷却液支路通过第二节温器实现大循环小循环，在水温较高时通过大循环依次经过主热交换器、低温级中冷器；在水温较低时通过小循环不经过所述主热交换器但经过所述低温级中冷器；
所述副热交换器的散热量小于所述主热交换器的散热量；
通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后流回到发动机本体；
外部冷却液先被引入到主热交换器再被引入到副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
6.根据权利要求5所述的发动机的冷却方法，其特征在于，所述内部冷却液是淡水，所述外部冷却液是海水；通过所述第一内部冷却液支路和所述第二内部冷却液支路的内部冷却液汇合后经淡水泵回到发动机本体；所述海水通过海水泵被引入到所述主热交换器和所述副热交换器中对内部冷却液进行冷却。
7.根据权利要求5所述的发动机的冷却方法，其特征在于，所述第二内部冷却液支路的内部冷却液经过所述低温级中冷器后还经过机油冷却器以冷却发动机的润滑油，之后再与通过第一内部冷却液支路的内部冷却液汇合。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的发动机的冷却方法，其特征在于，所述主热交换器、副热交换器的散热量分配、所述高温级中冷器和低温级中冷器的散热量分配、第一和第二内部冷却液支路的冷却液流量分配是通过仿真计算确定的。
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