CN108266261B - 利用废气能量的船用柴油机中冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用废气能量的船用柴油机中冷系统，包括：柴油机；增压器；下游海水泵，其一端设置有下游涡轮，下游涡轮连接柴油机；上游海水泵，其与下游海水泵的另一端相连接；中冷器，其分别与上游海水泵、压气机和柴油机相连接；下游水阀，其与下游海水泵并联，并与上游海水泵相连接，以使得当下游水阀开启时，海水能够通过下游水阀直接进入上游海水泵，当下游水阀关闭时，海水能够依次进入下游海水泵和上游海水泵；以及弹簧阀，其设置于柴油机与下游涡轮之间，以使得当弹簧阀开启时，柴油机的一部分废气能够流入下游涡轮中，以驱动下游海水泵。本发明的中冷系统有效利用了废气残余能量，并最大化地提高了柴油机的燃烧热效率。

Description

利用废气能量的船用柴油机中冷系统
技术领域
本发明属于船用柴油机技术领域，涉及一种利用废气能量的船用柴油机中冷系统。
背景技术
当前的船机中冷系统一般采用如图1所示的布置，通过发动机直接驱动海水泵，进入中冷系统的海水流量与发动机的转速有关(呈线性关系)。由于柴油机中冷后温度并不是越低越好，而是存在一个最佳值，也就是说，中冷系统与柴油机需要进行匹配，才能使柴油机运行在一个比较理想的状态。在进行柴油机中冷系统匹配时，由于中冷系统参数在运行过程中是不可变的，中冷器或海水泵一旦确定下来后，中冷系统的能力也基本确定下来了。因此，仅能选取一个柴油机工况作为选择中冷器和海水泵的依据。
通常，根据柴油机在标定工况下需要的冷却能量进行中冷系统的选型，从而保证柴油机在标定工况下能达到比较理想的性能指标。因此，现有技术中的船用柴油机中冷系统仅能在标定点一个运行工况和柴油机进行匹配，在低负荷时，通常会造成中冷后温度过低，从而影响柴油机的燃烧热效率。而且在非标定点或小负荷时，柴油机并不需要那么大流量的海水泵，因此会造成能量的浪费。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用废气能量的船用柴油机中冷系统，从而克服在中小负荷时能量浪费、整机热效率低的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用废气能量的船用柴油机中冷系统，包括：柴油机；增压器，其包括压气机，压气机用于压缩空气；下游海水泵，其设置于船用柴油机中冷系统的海水进入端，下游海水泵的一端设置有下游涡轮，下游涡轮连接柴油机；上游海水泵，其与下游海水泵的另一端相连接；中冷器，其分别与上游海水泵、压气机和柴油机相连接，使得通过上游海水泵的海水能够进入中冷器，以冷却来自压气机的压缩空气，并将中冷后的压缩空气输送至柴油机；下游水阀，其与下游海水泵并联，并与上游海水泵相连接，以使得当下游水阀开启时，海水能够通过下游水阀直接进入上游海水泵，当下游水阀关闭时，海水能够依次进入下游海水泵和上游海水泵；以及弹簧阀，其设置于柴油机与下游涡轮之间，以使得当弹簧阀开启时，柴油机的一部分废气能够流入下游涡轮中，以驱动下游海水泵。
在一优选的实施方式中，弹簧阀为单向阀，弹簧阀能够根据下游涡轮的涡前压力的大小来保持关闭、部分开启或者全部开启。
在一优选的实施方式中，增压器分别与中冷器和柴油机相连接，以使得压缩空气能够进入中冷器，且柴油机的另一部分废气能够通过增压器排出。
在一优选的实施方式中，上游海水泵的功率小于下游海水泵的功率。
在扭矩点工况时，涡前压力低于第一压力值，弹簧阀保持关闭状态，仅上游海水泵运行，使得上游海水泵与柴油机匹配，并得到上游海水泵的参数。
在一优选的实施方式中，在标定工况时，涡前压力大于第二压力值，弹簧阀全部开启，一部分废气能够流入下游涡轮中，以驱动下游海水泵运行，当下游海水泵的转速达到预设值时，下游水阀关闭，此时上游海水泵和下游海水泵同时运行，根据标定工况下柴油机需要的能量及上游海水泵的参数，来确定下游海水泵的参数。
在一优选的实施方式中，在扭矩点工况与标定工况之间时，若仅靠上游海水泵无法满足所述柴油机对所述中冷器能力的要求，且涡前压力大于第三压力值，弹簧阀部分开启。
与现有技术相比，根据本发明的利用废气能量的船用柴油机中冷系统具有如下有益效果：
(1)利用上游海水泵和下游海水泵对进入中冷器的海水流量进行控制，从而实现一个中冷系统同时匹配两种柴油机运行工况；
(2)利用部分废气流入下游涡轮，来驱动下游海水泵，从而对海水进行初级加压，有效利用了废气残余能量，进一步提升了整机热效率，同时由于上游海水泵的功率小于下游海水泵的功率，因此在中小负荷时，仅上游海水泵工作时，能够节约驱动海水泵的能量。
(3)中冷器的海水流量与柴油机在标定工况及扭矩点工况均得到完美的匹配，优化了柴油机燃烧过程，最大化地提高了柴油机的燃烧热效率；
(4)利用了下游涡轮的涡前压力作为控制下游海水泵工作状态切换的信号。
附图说明
图1是现有技术的船用柴油机中冷系统的示意图。
图2是根据本发明的利用废气能量的船用柴油机中冷系统的示意图。
图3是根据本发明的船用柴油机中冷系统与传统中冷系统的冷却功率的对比图。
主要附图标记说明：
1-柴油机，2-增压器，3-上游海水泵，4-上游海水泵，5-压气机，6-下游海水泵，7-下游水阀，8-下游涡轮，9-弹簧阀。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图2所示，根据本发明优选实施方式的利用废气能量的船用柴油机中冷系统，包括：柴油机1、增压器2、中冷器4、上游海水泵3、下游海水泵6、下游水阀7、下游涡轮8和弹簧阀9。
其中，增压器2包括压气机5，压气机5用于压缩空气。下游海水泵6设置于船用柴油机中冷系统的海水进入端，下游海水泵6的一端设置有下游涡轮8，下游涡轮8连接柴油机1。上游海水泵3与下游海水泵6的另一端相连接。中冷器分别与上游海水泵3、压气机5和柴油机1相连接，使得通过上游海水泵3的海水能够进入中冷器4，以冷却来自压气机5的压缩空气，并将中冷后的压缩空气输送至柴油机1。下游水阀7与下游海水泵6并联，并与上游海水泵3相连接，以使得当下游水阀7开启时，海水能够通过下游水阀7直接进入上游海水泵3，当下游水阀7关闭时，海水能够依次进入下游海水泵6和上游海水泵3。弹簧阀9设置于柴油机1与下游涡轮8之间，以使得当弹簧阀9开启时，柴油机1的一部分废气能够流入下游涡轮8中，从而驱动下游海水泵6。
上述方案中，弹簧阀9为单向阀，弹簧阀能够根据下游涡轮的涡前压力的大小来保持关闭、部分开启或者全部开启。通过对弹簧阀9的弹簧刚度进行选择，能够保证柴油机1在扭矩点工况时，下游涡轮8的涡前压力低于第一压力值F1，弹簧阀9保持关闭状态，仅上游海水泵3运行，使得上游海水泵3与柴油机1匹配，并得到上游海水泵3的参数。在标定工况时，当涡前压力大于第二压力值F2时，弹簧阀9全部开启，一部分废气能够流入下游涡轮8中，从而驱动下游海水泵3运行，当下游海水泵6的转速达到预设值时，下游水阀7关闭，此时上游海水泵3和下游海水泵6同时运行，根据标定工况下柴油机需要的能量及上游海水泵3的参数，来确定下游海水泵6的参数，从而实现标定工况下的中冷系统与柴油机的匹配。同时充分利用了柴油机的废气的残余能量，进一步提升了整机热效率。在扭矩点工况与标定工况之间时，若仅靠上游海水泵3无法满足柴油机1对中冷器4能力的要求，且当涡前压力大于第三压力值F3时，弹簧阀9部分开启，此时下游海水泵6能弥补上游海水泵3能力不足的问题。
增压器2分别与中冷器4和柴油机1相连接，以使得压缩空气能够进入中冷器4，且柴油机1的另一部分废气能够通过增压器2排出。
优选地，上游海水泵3的功率小于下游海水泵6的功率，这样在中小负荷时，仅上游海水泵3工作，从而大大节约了驱动海水泵的能量。解决了低负荷工况时海水泵冷却能力过剩而导致的发动机性能不能达到较优状态的问题。
如图3所示，本发明的一优选的实施例，对670kW船用柴油机冷却功率的分析，从如3中可看出：相对于传统的中冷系统，本发明的中冷系统更逼近发动机的目标冷却功率，一方面，能使得中冷后温度更接近目标值；另一方面，在非标定转速下更能节省海水泵的能耗，从而使得中冷器的海水流量与柴油机在标定工况及扭矩点工况均得到完美的匹配，优化了柴油机燃烧过程，最大化地提高了柴油机的燃烧热效率。如图1和图3所示，本发明的中冷系统同时匹配柴油机的扭矩工况与标定点工况过程如下：(1)对弹簧阀9的弹簧刚度进行选择，保证柴油机1在扭矩点时，涡前压力不足以使弹簧阀9开启。同时，扭矩点之后，随着涡前压力的升高，弹簧阀9开启，并在接近标定点时，弹簧阀9开启能达到最大值。(2)在扭矩点工况时，弹簧阀9尚未开启，仅上游海水泵3运行，进行上游海水泵3与柴油机1匹配，即得到上游海水泵3的参数。(3)标定工况时，弹簧阀9全部开启，中冷系统中的上游海水泵3和下游海水泵6同时工作。根据标定工况柴油机需要的能量，并结合上一步已经确定的上游海水泵3，便可得知下游海水泵6需要的冷却能力，即图2中虚线(上游海水泵冷却能力)与圆实线(本发明的中冷系统)末端的差值。通过以上三步，便能使得本发明的中冷系统同时匹配柴油机的扭矩点工况与标定工况。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种利用废气能量的船用柴油机中冷系统，其特征在于，该船用柴油机中冷系统包括：
柴油机；
增压器，其包括压气机，所述压气机用于压缩空气；
下游海水泵，其设置于所述船用柴油机中冷系统的海水进入端，所述下游海水泵的一端设置有下游涡轮，所述下游涡轮连接所述柴油机；
上游海水泵，其与所述下游海水泵的另一端相连接；
中冷器，其分别与所述上游海水泵、压气机和柴油机相连接，使得通过所述上游海水泵的海水能够进入所述中冷器，以冷却来自所述压气机的压缩空气，并将中冷后的压缩空气输送至所述柴油机；
下游水阀，其与所述下游海水泵并联，并与所述上游海水泵相连接，以使得当所述下游水阀开启时，海水能够通过所述下游水阀直接进入所述上游海水泵，当所述下游水阀关闭时，海水能够依次进入所述下游海水泵和所述上游海水泵；以及
弹簧阀，其设置于所述柴油机与所述下游涡轮之间，以使得当所述弹簧阀开启时，所述柴油机的一部分废气能够流入所述下游涡轮中，以驱动所述下游海水泵。
2.根据权利要求1所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，所述弹簧阀为单向阀，所述弹簧阀能够根据所述下游涡轮的涡前压力的大小来保持关闭、部分开启或者全部开启。
3.根据权利要求1所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，所述增压器分别与所述中冷器和所述柴油机相连接，以使得所述压缩空气能够进入所述中冷器，且所述柴油机的另一部分废气通过所述增压器排出。
4.根据权利要求1所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，所述上游海水泵的功率小于所述下游海水泵的功率。
5.根据权利要求2所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，在扭矩点工况时，所述涡前压力低于第一压力值，所述弹簧阀保持关闭状态，仅所述上游海水泵运行，使得所述上游海水泵与所述柴油机匹配，并得到所述上游海水泵的参数。
6.根据权利要求5所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，在标定工况时，所述涡前压力大于第二压力值，所述弹簧阀全部开启，所述一部分废气能够流入所述下游涡轮中，以驱动所述下游海水泵运行，当所述下游海水泵的转速达到预设值时，所述下游水阀关闭，此时所述上游海水泵和所述下游海水泵同时运行，根据标定工况下所述柴油机需要的能量及所述上游海水泵的参数，来确定所述下游海水泵的参数。
7.根据权利要求5所述的船用柴油机中冷系统，其特征在于，在扭矩点工况与标定工况之间时，若仅靠上游海水泵无法满足所述柴油机对所述中冷器能力的要求，且涡前压力大于第三压力值，所述弹簧阀部分开启。
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