CN109899122B - 船用发动机的排气余热回收系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，包括工质箱、工质泵、蒸发器、排气三通控制阀、预热控制阀、做功控制阀、活塞式膨胀机、冷却散热装置、冷凝器及其连接管路等。工质泵通过连接管路抽取工质箱中的工质，并输送到蒸发器的工质进口处，流入蒸发器的液态工质通过热交换原理吸收船用发动机排气的热量形成过热蒸汽。过热蒸汽首先通过开启的预热控制阀对膨胀机进行预热，以使之快速地进入做功准备状态。当膨胀机满足设定的做功条件时，关闭预热控制阀，同时开启做功控制阀，使过热蒸汽推动膨胀机做功。经过膨胀机做功后的乏汽将进入冷凝器，经过换热冷却的乏汽将凝结为低温液态水，最后将返回到工质箱。借此可以合理的回收排气余热。

Description

船用发动机的排气余热回收系统的控制方法

技术领域

本发明是关于发动机领域，特别是关于一种船用发动机的排气余热回收系统的控制方法。

背景技术

现有对发动机排气余热能的回收技术主要分为热电转换、朗肯循环、动力涡轮技术等。其中朗肯循环的余热回收原理为首先通过电动工质泵将工作介质从工质箱中抽出，并送到蒸发器中，然后利用热交换原理将通过蒸发器的发动机高温排气热量转化为加热工作介质的热量，加热后的工作介质将形成过热蒸汽，过热蒸汽通过推动膨胀机，使其对外做功或发电。经过膨胀机的乏汽将进入冷凝器，并成为液态工质后返回工质箱中。

朗肯循环又可分为有机朗肯循环和蒸汽朗肯循环。有机工质分解温度一般不高于350℃，可利用其回收中低温余热，而且有机朗肯循环的余热能量回收效率较高。基于有机朗肯循环的这些特点，并结合车用发动机复杂多变的运行工况、排气温度变化幅度大、汽车整体空间及布局受限等情况，有机朗肯循环一般多用于车用发动机的中低温排气余热能回收。而由于发动机的排气温度一般都高达500～600℃，如直接使用有机工质对排气温度进行余热回收，则有可能造成有机工质的分解，因此利用有机朗肯循环进行工作的排气余热回收系统设计较为复杂，且需要对其采取必要的优化措施，以有效降低有机工质因热交换的温度过高而分解的风险。而蒸汽朗肯循环的工作介质为水，因为其蒸发温度较高，可利用其进行高温余热回收，但蒸汽朗肯循环的能量回收设备较有机朗肯循环的设备要大，非常不利于整车的布局，所以目前利用蒸汽朗肯循环回收车用发动机排气余热能的技术方案非常少。其中实用新型专利CN207813708U使用了蒸汽朗肯循环，且使用活塞式膨胀机作为做功设备，对外输出机械功。该排气余热回收系统通过蒸发器蒸发工质水，将其变为过热蒸汽，在膨胀机的预热阶段，过热蒸汽将通过预热通道预热膨胀机的外围设备和润滑介质(如油底壳及机油)，使膨胀机快速进入工作准备状态。当膨胀机工作条件满足后，过热蒸汽则通过做功通道推动膨胀机旋转，并对外做功。

对于船用发动机来说，由于其运行工况较单一且稳定、排气温度通常会维持在一个较高的水平、船舱空间较宽裕、其它方面的制约因素也较少，而且工作介质水为无毒无害的物质，获取途径较简单，且相对有机工质而言，高温的水蒸汽也不会对工作在密闭船舱空间的人员造成不可逆的人身伤害，因此利用蒸汽朗肯循环在船用发动机排气余热回收方面有一定的应用前景。

在现有技术中，多数方案都是使用有机朗肯循环来回收车用发动机的高温排气余热，且回收的余热多用于驱动发电机进行发电。而使用有机朗肯循环来回收船用发动机的高温排气余热的系统则很少，且有机朗肯循环回收高温排气余热能有如下几个缺点：

1)有机朗肯循环使用的工质，其分解温度较低，一般不高于350℃，而发动机的排气温度一般高达500～600℃。如此高的温度有可能会造成有机工质的分解及失效，这制约了有机朗肯循环在发动机高温排气余热回收方面的应用。

2)此外，有机工质的其它特性(如获取途径、人体接触及伤害等)也限制了其应用的范围。特别是将使用有机朗肯循环的排气余热回收系统应用在远洋船舶上时，在进行余热回收过程中，需要考虑整个系统的密闭性，否则高温的有机工质将会存在泄漏、挥发、人体伤害等风险。

3)多数情况下，有机朗肯循环排气余热回收系统都会采用单螺杆膨胀机，过热蒸汽推动主轴螺杆转动并驱动发电机发电。当发出的电能过剩时，则需要考虑电能的存储问题。而电能在存储和释放的过程中，都会产生能量损失，这将使余热回收的效率打折扣。

4)现有技术中的多数方案都是在排气温度未达到余热回收预设温度时，直接将发动机排气通过旁路的排气通路直接排入大气中。这种方案将致使一部分发动机排气余热得不到较好的利用。

5)现有技术中的多数方案都是使用发动机转速传感器和油门传感器识别发动机当前的运行状态，而这种方式无法精确地评估发动机其它参数变化对当前运行工况的影响。

此外，在现有技术中(授权公告号：CN207813708U)，即使其属于蒸汽朗肯循环，但是其排气余热回收系统也存在如下缺点：

1)其技术方案未设置排气旁路通路，当船用发动机的排气能量长时间超出蒸发器的换热能力时，将会损坏蒸发器；

2)其蒸发器的排气出口未设置排气出口温度传感器，导致需要在余热回收控制策略中设计蒸发器模型，以便能计算出排气出口的温度。而由于控制实时性和模型计算速度的问题，导致蒸发器模型不能设计得太精确，否则将无法及时获得必要的数据，以便用于换热量的计算；

3)由于不同功率的船用发动机要匹配不同尺寸的蒸发器，这导致需要对不同的蒸发器模型进行参数化匹配，而参数化工作较复杂，且需要做大量的试验来验证蒸发器模型参数化的正确性，因此对不同的蒸发器模型进行参数化将导致开发成本的增加，且较难保证在产品全生命周期内的换热能力一致性。

针对上述的现有问题，本申请发明人认为应该主要下列问题并提出相应的解决方案：

1)有机工质的分解温度一般不高于350℃，如果有机工质通过蒸发器直接与发动机排气进行换热，则会造成有机工质的分解或失效。为了降低或避免有机工质失效的风险，则需要在发动机排气温度上进行合理的控制或在排气余热回收设备上进行优化设计，而这无疑会增加研发成本或设备成本。针对船用发动机，由于其整体空间布局的限制没有车用发动机要求得那么严格，且船用发动机在大部分情况下，都处于高转速高负荷的运行工况，即发动机的排气温度在多数情况下都会远高于有机工质的分解温度。而可作为蒸汽朗肯循环的工质水，则在这方面没有明显的缺点，且获取较易及对人体无明显毒害。因此本申请提案结合工质水的上述优点，利用水作为船用发动机余热回收的工质。

2)现有技术中，多数方案都在排气温度未达到余热回收预设温度时，直接将高温的排气排入到大气中。而实用新型专利CN207813708U则将未达余热回收预设温度的排气通过换热加热工质水，使之形成蒸汽，从而对膨胀机外围设备进行预热的技术方案。但该技术方案未考虑当排气能量长期超出或临界于蒸发器最大换热能力的情况，故本申请提案提出不仅需要设置预热通道，而且还需要设置排气旁通通道，以便能更高效地利用船用发动机的排气余热能量，从而达到节油减排的目的。

3)在现有技术方案(实用新型专利CN207813708U)中，未设置排气出口温度传感器。该技术方案虽然节省了一个排气温度传感器的成本，但是必须在控制策略中增加蒸发器模型，并需对蒸发器模型进行大量的台架试验，从而获得必要的数据，才能对该蒸发器模型进行合适的参数化。此外，复杂且高精度的模型将消耗大量的计算资源及影响控制策略的实时响应性，从而导致控制效果变差。本申请提案增加了一个排气出口温度传感器，就是为了实时计算出蒸发器的换热能量，为改善余热能量回收控制效果及保证全生命周期中余热回收效率的一致性奠定基础。

4)在现有技术方案中，仅使用发动机转速传感器和油门传感器识别发动机当前的运行状态及预测发动机的排气能量来进行余热回收控制的方法是明显不足以精确地判断整个排气余热回收系统的状态和准确地计算出余热回收能量的。本申请提案将采集发动机自身多个关键控制参数如发动机转速、进气质量流量、进气温度、进气压力、喷油量等作为余热回收控制的信号输入，并结合采集的排气温度、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力及排气余热回收系统的物理参数等信号进行实时的工质流量自动控制，以便使排气余热回收系统达到预期的效果。

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

本发明的一个目的在于提供一种船用发动机的排气余热回收系统，其能够合理地回收船用发动机的排气余热。

本发明的另一目的在于提供一种船用发动机的排气余热回收系统，其能够使排气余热回收系统实时安全地运行在最佳的余热回收状态。

为实现上述目的，本发明提供了一种船用发动机的排气余热回收系统，包括蒸汽朗肯循环机械回路以及电气控制回路；蒸汽朗肯循环机械回路包括工质箱、工质泵、蒸发器及膨胀机。工质箱用于存储工质；工质泵用以通过管路从工质箱内抽取工质；蒸发器用以与船用发动机的排气装置进行热交换，蒸发器的进口通过管路与工质泵连通，工质进入蒸发器后经加热后形成过热蒸汽后从出口排出；膨胀机包括预热口、做功口以及输出端，预热口通过预热控制阀与蒸发器的出口连通，做功口通过做功控制阀与蒸发器的出口连通，输出端通过离合器控制机构为船用发动机助力做功。电气控制回路包括信号采集单元、传感器单元以及系统控制器。信号采集单元用以获取船用发动机当前状态的相关信息；传感器单元用以获取排气余热回收系统各个位置的温度和压力信息；系统控制器根据从信号采集单元以及传感器单元收集到的信息，并经过一系列的计算后控制排气余热回收系统正常运行。

在一优选的实施方式中蒸汽朗肯循环机械回路还包括排气三通控制阀、冷凝器以及冷却散热装置。排气三通控制阀设置在排气装置和蒸发器之间，排气三通控制阀用以控制排气装置与蒸发器进行热交换或者不与蒸发器进行热交换而从旁路直接排出；经过膨胀机做功后的过热蒸汽变为乏汽，乏汽经过冷凝器以及冷却散热装置冷凝散热后变为液态回流至工质箱内。

在一优选的实施方式中信号采集单元包括发动机转速采集单元、进气质量流量采集单元、进气温度采集单元、进气压力采集单元以及喷油量采集单元，其分别采集船用发动机的转速、进气质量流量、进气温度、进气压力以及喷油量的信息。

在一优选的实施方式中传感单元包括工质温度传感器、排气出口温度传感器、蒸汽温度传感器以及蒸汽压力传感器。工质温度传感器设置在蒸发器的入口处，用以采集工质进入蒸发器时的温度信息；排气出口温度传感器设置在蒸发器的排气出口处，用以采集经过与蒸发器进行热交换以后的排气温度信息；蒸汽温度传感器设置在蒸发器的出口处，用已采集出口处的过热蒸汽的温度信息；蒸汽压力传感器设置在蒸发器的出口处，用已采集出口处的过热蒸汽的压力信息。

在一优选的实施方式中传感单元还包括液位传感器以及乏汽冷凝温度传感器。液位传感器设置在工质箱内，用以采集工质箱内的工质的液面信息；乏汽冷凝温度传感器，其设置在冷凝器的出口处，用以采集冷凝为液态的工质的温度。

在一优选的实施方式中船用发动机的排气余热回收系统还包括电磁阀单元以及散热风扇控制单元，电磁阀单元包括三通控制电磁阀设置在排气三通控制阀内；预热控制电磁阀设置在预热控制阀内；做功控制电磁阀设置在做功控制阀内；及离合器控制电磁阀，其设置在离合器控制机构内；散热风扇控制单元设置在冷却散热装置内；其中系统控制器根据信号采集单元以及传感器单元收集到的信息发出指令，并通过三通控制电磁阀、预热控制电磁阀、做功控制电磁阀、离合器控制电磁阀以及散热风扇控制单元来控制排气三通控制阀、预热控制阀、做功控制阀、离合器控制机构以及冷却散热装置工作，从而保证排气余热回收系统能实时地回收船用发动机的排气余热，并将其转化为机械能直接助力船用发动机做功。

为实现上述另一目的，本发明提供了一种船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，包括下列步骤：

初始化步骤：当排气余热回收系统的系统控制器通电后，将对其软硬件进行初始化，判断系统有无故障；

信息采集步骤，其包括下列子步骤：

如系统无故障且传感器单元信号正常，则通过液位传感器采集的工质箱液位值，通过工质温度传感器采集的工质温度值，通过排气进口温度传感器采集的排气进口温度值，通过排气出口温度传感器采集排气出口温度值，通过蒸汽温度传感器和蒸汽压力传感器采集的蒸发器出口处的过热蒸汽温度值和压力值；

工质抽取步骤：当传感器单元信号正常，则系统控制器根据热传递和热平衡等原理和转速信号、进气质量流量、喷油量、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力、排气进口温度、排气出口温度、经查表获得的排气比热容以及蒸汽比热容的已知数据和根据蒸发器物理特性、换热效率、工程经验获得的修正因子流量的修正值计算当前所需的工质质量流量，并通过查表的方式将其转化为工质泵的变频电机的驱动频率后，带动工质泵运转，并从工质箱中抽取需求的工质水质量流量；

做功判断步骤：当蒸汽温度和压力都处于能使活塞式膨胀机对外做功的设定范围内时，系统控制器则通过做功控制电磁阀接通做功控制阀，并预热控制电磁阀断开预热控制阀，此时，膨胀机将进入对外做功状态；

做功步骤：当蒸汽温度和压力都已高于最低设定值，而船用发动机又处于非怠速状态且发动机负荷大于设定值时，则系统控制器根据已有的输入条件判断排气余热回收系统仍可利用发动机排气余热对外做功，即通过做功控制电磁阀接通做功控制阀并通过预热控制电磁阀断开预热控制阀；

助力做功步骤：当船用发动机有额外的功率需求时，系统控制器将通过离合器控制电磁阀接通离合器控制机构，使膨胀机与离合器控制机构进行机械式啮合，以并曲轴功的方式提升发动机输出功率；如发动机无额外的功率需求，则进入乏汽冷凝温度的条件判断步骤；

乏汽冷凝温度的条件判断步骤：系统控制器将通过采集乏汽冷凝温度传感器的温度值来控制散热风扇控制单元，以使散热风扇达到需求的转速，最后使经过冷凝器冷凝后的液态工质温度位于设定的温度范围内；当乏汽冷凝温度大于设定的温度范围，则系统控制器将增加散热风扇的需求转速，当乏汽冷凝温度小于设定的温度范围，则系统控制器将减小散热风扇的需求转速，当乏汽冷凝温度位于设定的温度范围内时，则系统控制器将保持散热风扇当前的需求转速；以及

冷凝回流步骤：经过膨胀机做功后的乏汽将通过冷凝器进行冷凝，冷凝后的乏汽将以液态的形式返回工质箱内。

在一优选的实施方式中信息采集步骤还包括下列子步骤：如传感器单元信号不正常，则首先判断是否为液位传感器超低限导致的故障，当液位传感器检测到工质的液位低于第一设定限值时，系统控制器将会驱动警告灯快速闪烁进行报警，以提示操作者进行工质的加注；

当操作者仍未对工质箱进行工质加注，且船用发动机仍运行在高转速高负荷的设定的做功工况及液位已经低于第二设定限值时，系统控制器将进入第一故障管理模式，同时点亮警告灯常亮，提示操作者及时加注工质，然后接通排气三通控制阀，将高温的排气直接旁通到大气中；同时，系统控制器驱动离合器控制机构断开膨胀机与船用发动机的曲轴的连接，并通过做功控制电磁阀断开做功控制阀及通过预热控制电磁阀接通预热控制阀；而系统控制器还会根据采集的蒸汽温度及压力驱动工质泵的变频电机运行一段时间，以使蒸发器冷却到设定的安全状态；

当操作者在工质液位小于第一设定限值但大于第二设定限值时，对工质箱进行了加注，则警告灯熄灭。此后，控制程序返回并重新对传感器单元信号进行采集；

当操作者在工质液位小于第二设定限值时，对工质箱进行加注，则控制器将熄灭警告灯，同时退出故障模式，随后控制程序将返回到传感器单元的信号采集环节；

当为除液位传感器以外的传感器故障时，则进入第二故障管理模式，同时点亮报警灯慢速闪烁，并提示操作者根据当前的故障码排查及清除故障；以及

当故障清除后，系统控制器将重新采集传感器单元的信息。

在一优选的实施方式中排气余热回收系统的控制方法还包括预热判断步骤：当蒸汽温度和压力都达到最低设定值，但发动机仍处于怠速状态或发动机负荷小于等于设定值时，系统控制器则认为目前状态下的发动机排气余热仅能够预热活塞式膨胀机及其附件，即通过预热控制电磁阀接通预热控制阀对膨胀剂进行预热；如预热控制电磁阀原来已处于接通状态，则继续保持接通状态；此时，膨胀机处于预热状态，处于预热状态的膨胀机无法对外做功，下一步将直接进入乏汽冷凝温度的条件判断步骤。

在一优选的实施方式中排气余热回收系统的控制方法还包括故障处理步骤：当系统存在故障，则清除故障存储区中存储的所有故障码后，重新初始化系统控制器。

与现有技术相比，本发明的船用发动机的排气余热回收系统及其控制方法具有以下有益效果：通过多个信号采集单元(发动机转速采集单元、进气质量流量采集单元、进气温度采集单元、进气压力采集单元、喷油量采集单元)从发动机处获取更多更精确的发动机状态信息，并结合在排气余热回收系统中采集的传感器信号(如：排气温度、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力等)、蒸发器物理特性参数、排气和工质比热容、换热效率等参数进行工质质量流量的实时计算，从而更有效地控制排气余热回收的效果。设计了一套符合船用发动机需求的排气余热回收控制流程和方法，其中包含根据发动机和余热回收系统的当前状态，计算出最佳的工质质量流量；如何利用液位传感器建立液位超低限并提示操作者加注工质的报警机制；建立了发生故障时如何进行故障管理和清除故障的机制；提出了即使蒸汽温度和压力暂时低于设定的范围，只要发动机仍处于非怠速状态且发动机负荷大于设定值的状态下，都应按膨胀机仍处于做功状态进行预控制的机制。既有将未达到余热回收温度的发动机排气直接旁通到大气中，又有利用未达到预热回收温度的排气进行膨胀机及其附件预热的方案，而它们都存在不同的缺点，而本申请提案既全面地考虑了如何有效地利用好未达到余热回收温度的发动机排气，又考虑了当出现排气能量超出蒸发器最大换热能力时，该如何处理这些排气余热能量，从而使排气余热回收系统安全地运行在最佳的余热回收状态。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的示意图。

图2是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的控制方法的流程图。

图3是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的控制策略图。

主要附图标记说明：

1-工质箱，2-液位传感器，3-系统控制器，4-工质泵，5-工质温度传感器，6-排气出口温度传感器，7-蒸发器，8-蒸汽温度传感器，9-蒸汽压力传感器，10-排气进口温度传感器，11-排气三通控制阀，12-预热控制阀，13-做功控制阀，14-膨胀机，15-离合器控制机构，16-船用发动机，17-发动机转速采集单元，18-进气质量流量采集单元，19-进气温度采集单元，20-进气压力采集单元，21-喷油量采集单元，22-散热风扇控制单元，23-冷却散热装置，24-冷凝器，25-乏汽冷凝温度传感器；31-发动机转速，32-发动机进气质量流量，33-发动机进气温度，34-发动机进气压力，35-发动机喷油量，36-发动机排量，37-发动机废气质量流量计算及修正模块，38-发动机废气质量流量，39-发动机废气比热容，40-排气进口温度，41-排气出口温度，42-工质水温度，43-蒸汽温度，44-工质水与蒸汽比焓计算模块，45-工质水与蒸汽比焓差，46-工质水质量流量计算模块，47-工质水质量流量，48-变频电机驱动频率计算及输出模块。

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1所示，图1是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的示意图。根据本发明优选实施方式的一种大功率船用发动机排气余热回收系统，其包括蒸汽朗肯循环机械回路和电气控制回路。

在一些实施方式中，用于蒸汽朗肯循环机械回路的部件有：工质箱1、工质泵4、蒸发器7、排气三通控制阀11、预热控制阀12、做功控制阀13、活塞式膨胀机14、冷却散热装置23、冷凝器24及其连接管路等。其连接关系及功能是：工质泵4通过连接管路抽取工质箱1中的工质水，并输送到蒸发器7的工质进口处，流入蒸发器7的液态工质通过热交换原理吸收船用发动机16排气的热量形成过热蒸汽。当膨胀机14初次冷机运行或未达到设定的做功条件时，过热蒸汽首先通过开启的预热控制阀12对膨胀机14进行预热，以使之快速地进入做功准备状态。当膨胀机14满足设定的做功条件时，关闭预热控制阀12，同时开启做功控制阀13，使过热蒸汽推动膨胀机14做功。经过膨胀机14做功后的乏汽将进入冷凝器24，经过换热冷却的乏汽将凝结为低温液态水，最后将返回到工质箱1。

用于电气控制回路的部件有：设置在工质箱1的液位传感器2、排气余热回收系统的系统控制器3、驱动工质泵4的变频电机运行、工质温度传感器5、排气出口温度传感器6、蒸汽温度传感器8、蒸汽压力传感器9、排气进口温度传感器10、排气三通控制阀11、预热控制阀12、做功控制阀13、离合器控制机构15、发动机转速采集单元17、进气质量流量采集单元18、进气温度采集单元19、进气压力采集单元20、喷油量采集单元21、散热风扇控制单元22、乏汽冷凝温度传感器25及其连接线束等。电气控制回路的连接关系及功能为：排气余热回收系统的系统控制器3通过连接信号采集单元的发动机转速采集单元17、进气质量流量采集单元18、进气温度采集单元19、进气压力采集单元20、喷油量采集单元21获取发动机当前状态的相关信息，并采集液位传感器2、温度传感单元的工质温度传感器5、排气出口温度传感器6、蒸汽温度传感器8、排气进口温度传感器10、蒸汽压力传感器9的信号，经过一系列算法计算后控制工质泵4的变频电机、电磁阀单元的(三通控制电磁阀、预热控制电磁阀、做功控制电磁阀、离合器控制电磁阀)、散热风扇控制单元22等执行器的动作，使系统能实时地回收船用发动机16排气余热能，并将其转化为机械能直接驱动发动机做功。

如图2所示，图2是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的控制方法的流程图。根据本发明优选实施方式的一种大功率船用发动机16排气余热回收系统的控制方法，其包括以下步骤：

当余热回收系统控制器3通电后，将对其软硬件进行初始化。如系统无故障，则进入下一步的传感器信号采集。如系统存在故障，则清除故障存储区中存储的所有故障码后，重新初始化控制器。

传感器采集的信号值有：通过液位传感器2采集的工质箱1液位值；通过工质温度传感器5采集的工质温度值；通过排气进口温度传感器10采集的排气进口温度值；通过排气出口温度传感器6采集排气出口温度值；通过蒸汽温度传感器8和蒸汽压力传感器9采集的蒸发器7出口处的过热蒸汽温度值和压力值。如采集的传感器信号不正常，则首先判断是否为液位传感器2超低限导致的故障。当液位传感器2检测到工质的液位低于第一设定限值时，系统控制器3将会驱动警告灯快速进行报警，以提示操作者进行工质的加注。当操作者仍未对工质箱1进行工质加注，且发动机仍运行在高转速高负荷等设定的做功工况及液位已经低于第二设定限值时，系统控制器3将进入第一故障管理模式，同时点亮警告灯常亮，提示操作者及时加注工质，然后接通排气三通控制阀11，将高温的排气直接旁通到大气中。此外，系统控制器3驱动离合器控制机构15断开膨胀机14与发动机曲轴的连接，并断开做功控制电磁阀及接通预热控制电磁阀，而系统控制器3还会根据采集的蒸汽温度及压力驱动变频电机运行一段时间，以使蒸发器7冷却到设定的安全状态。当操作者在工质液位小于第一设定限值但大于第二设定限值时，对工质箱1进行了加注，则警告灯熄灭。此后，控制程序返回并重新对传感器信号进行采集。当操作者在工质液位小于第二设定限值时，对工质箱1进行加注，则系统控制器3将熄灭警告灯，同时退出故障模式，随后控制程序将返回到传感器的信号采集环节。

当为其它类型的传感器故障时，则进入第二故障管理模式，同时点亮报警灯慢速闪烁，并提示操作者根据当前的故障码排查及清除故障。当故障清除后，系统控制器3将重新采集传感器信号。

当传感器信号正常，则系统控制器3根据热传递和热平衡等原理、已知的数据(转速信号、进气质量流量、喷油量、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力、排气进口温度、排气出口温度、经查表获得的排气比热容和蒸汽比热容等)及流量修正值(根据蒸发器7的物理特性、换热效率、工程经验等获得的修正因子)计算当前所需的工质质量流量，并通过查表的方式将其转化为工质泵4的变频电机的驱动频率后，带动工质泵4运转，并从工质箱1中抽取需求的工质水质量流量。

当蒸汽温度和压力都处于能使活塞式膨胀机14对外做功的设定范围内，则接通做功控制电磁阀，并断开预热控制电磁阀。此时，膨胀机14将进入对外做功状态。当蒸汽温度和压力都已高于最低设定值，而船用发动机16又处于非怠速状态且发动机负荷大于设定值，则系统控制器3根据已有的输入条件判断余热回收系统仍可利用发动机排气余热能对外做功，即接通做功控制电磁阀及断开预热控制电磁阀。当蒸汽温度和压力都达到最低设定值，但发动机仍处于怠速状态或发动机负荷小于等于设定值，则认为目前状态下的发动机排气余热能仅能够预热活塞式膨胀机14及其附件，即接通预热控制电磁阀。如预热控制电磁阀原来已接通，则继续保持接通状态。此时，膨胀机14处于预热状态。因为处于预热状态的膨胀机14无法对外做功，所以下一步将直接进入乏汽冷凝温度的条件判断。

当船用发动机16有额外的功率需求时，系统控制器3将接通离合器控制结构的电磁阀，使膨胀机14与离合器控制机构15进行机械式啮合，以并曲轴功的方式提升发动机输出功率。如发动机无额外的功率需求，则进入乏汽冷凝温度的条件判断。

经过膨胀机14做功后的乏汽将通过冷凝器24进行冷凝，冷凝后的乏汽将以液态的形式返回工质箱1。余热回收系统控制器3将通过采集乏汽冷凝温度传感器25的温度值来控制散热风扇控制单元22，以使散热风扇达到需求的转速，最后使经过冷凝器24冷凝后的液态工质温度位于设定的温度范围内。当乏汽冷凝温度大于设定的温度范围，则系统控制器3将增加散热风扇的需求转速。当乏汽冷凝温度小于设定的温度范围，则系统控制器3将减小散热风扇的需求转速。当乏汽冷凝温度位于设定的温度范围内时，则系统控制器3将保持散热风扇当前的需求转速。

如图3所示，图3是根据本发明一实施方式的排气余热回收系统的控制策略图。排气余热回收系统的控制策略如下：

系统控制器33根据发动机转速31、发动机进气温度33、发动机进气压力34和发动机排量36计算出发动机理论进气质量流量，然后与发动机实际的进气质量流量进行对比及修正后与发动机喷油量35相加获得废气质量流量38。紧接着，系统控制器33根据工质水温度42和蒸汽温度43在工质水与蒸汽比焓计算模块44中查表计算获得比焓差45，然后废气质量流量38、发动机废气比热容39、排气进口温度40、排气出口温度41和工质水与蒸汽比焓差45输入到工质水质量流量计算模块46中获得最终的工质水质量流量47，最后在变频电机驱动频率计算及输出模块48计算出驱动频率，并驱动变频电机运转。

综上所述，本发明的船用发动机的排气余热回收系统及其控制方法具有以下优点：

1)通过多个信号采集单元(发动机转速采集单元、进气质量流量采集单元、进气温度采集单元、进气压力采集单元、喷油量采集单元)从发动机处获取更多更精确的发动机状态信息，并结合在排气余热回收系统中采集的传感器信号(如：排气温度、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力等)、蒸发器物理特性参数、排气和工质比热容、换热效率等参数进行工质质量流量的实时计算，从而更有效地控制排气余热回收的效果。

2)设计了一套符合船用发动机需求的排气余热回收控制流程和方法，其中包含根据发动机和余热回收系统的当前状态，计算出最佳的工质质量流量；如何利用液位传感器建立液位超低限并提示操作者加注工质的报警机制；建立了发生故障时如何进行故障管理和清除故障的机制；提出了即使蒸汽温度和压力暂时低于设定的范围，只要发动机仍处于非怠速状态且发动机负荷大于设定值的状态下，都应按膨胀机仍处于做功状态进行预控制的机制。

3)既有将未达到余热回收温度的发动机排气直接旁通到大气中，又有利用未达到预热回收温度的排气进行膨胀机及其附件预热的方案，而它们都存在不同的缺点，而本申请提案既全面地考虑了如何有效地利用好未达到余热回收温度的发动机排气，又考虑了当出现排气能量超出蒸发器最大换热能力时，该如何处理这些排气余热能量，从而使排气余热回收系统安全地运行在最佳的余热回收状态。

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 (9)

1.一种船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述排气余热回收系统包括蒸汽朗肯循环机械回路以及电气控制回路；

所述蒸汽朗肯循环机械回路包括：

工质箱，其用于存储工质；

工质泵，其用以通过管路从所述工质箱内抽取所述工质；

蒸发器，其用以与所述船用发动机的排气装置进行热交换，所述蒸发器的进口通过管路与所述工质泵连通，所述工质进入所述蒸发器后经加热后形成过热蒸汽后从出口排出；及

膨胀机，其包括预热口、做功口以及输出端，所述预热口通过预热控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述做功口通过做功控制阀与所述蒸发器的出口连通，所述输出端通过离合器控制机构为所述船用发动机助力做功；

所述电气控制回路包括：

信号采集单元，其用以获取所述船用发动机当前状态的相关信息；

传感器单元，其用以获取所述排气余热回收系统各个位置的温度和压力信息；及

系统控制器，其根据从所述信号采集单元以及所述传感器单元收集到的信息，并经过一系列的计算后控制所述排气余热回收系统正常运行；

所述控制方法包括下列步骤：

初始化步骤：当所述排气余热回收系统的系统控制器通电后，将对其软硬件进行初始化，判断系统有无故障；

信息采集步骤，其包括下列子步骤：

如系统无故障且传感器单元信号正常，则通过液位传感器采集的工质箱液位值，通过工质温度传感器采集的工质温度值，通过排气进口温度传感器采集的排气进口温度值，通过排气出口温度传感器采集排气出口温度值，通过蒸汽温度传感器和蒸汽压力传感器采集的蒸发器出口处的过热蒸汽温度值和压力值；

工质抽取步骤：当传感器单元信号正常，则系统控制器根据热传递和热平衡等原理和转速信号、进气质量流量、喷油量、工质温度、蒸汽温度、蒸汽压力、排气进口温度、排气出口温度、经查表获得的排气比热容以及蒸汽比热容的已知数据和根据蒸发器物理特性、换热效率、工程经验获得的修正因子流量的修正值计算当前所需的工质质量流量，并通过查表的方式将其转化为工质泵的变频电机的驱动频率后，带动工质泵运转，并从工质箱中抽取需求的工质水质量流量；

做功判断步骤：当蒸汽温度和压力都处于能使活塞式膨胀机对外做功的设定范围内时，系统控制器则通过做功控制电磁阀接通做功控制阀，并预热控制电磁阀断开预热控制阀，此时，膨胀机将进入对外做功状态；

做功步骤：当蒸汽温度和压力都已高于最低设定值，而船用发动机又处于非怠速状态且发动机负荷大于设定值时，则系统控制器根据已有的输入条件判断排气余热回收系统仍可利用发动机排气余热对外做功，即通过做功控制电磁阀接通做功控制阀并通过预热控制电磁阀断开预热控制阀；

助力做功步骤：当船用发动机有额外的功率需求时，系统控制器将通过离合器控制电磁阀接通离合器控制机构，使膨胀机与离合器控制机构进行机械式啮合，以并曲轴功的方式提升发动机输出功率；如发动机无额外的功率需求，则进入乏汽冷凝温度的条件判断步骤；

乏汽冷凝温度的条件判断步骤：系统控制器将通过采集乏汽冷凝温度传感器的温度值来控制散热风扇控制单元，以使散热风扇达到需求的转速，最后使经过冷凝器冷凝后的液态工质温度位于设定的温度范围内；当乏汽冷凝温度大于设定的温度范围，则系统控制器将增加散热风扇的需求转速，当乏汽冷凝温度小于设定的温度范围，则系统控制器将减小散热风扇的需求转速，当乏汽冷凝温度位于设定的温度范围内时，则系统控制器将保持散热风扇当前的需求转速；以及

冷凝回流步骤：经过膨胀机做功后的乏汽将通过冷凝器进行冷凝，冷凝后的乏汽将以液态的形式返回工质箱内。

2.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述蒸汽朗肯循环机械回路还包括：

排气三通控制阀，其设置在所述排气装置和所述蒸发器之间，所述排气三通控制阀用以控制所述排气装置与所述蒸发器进行热交换或者不与所述蒸发器进行热交换而从旁路直接排出；

冷凝器以及冷却散热装置，经过所述膨胀机做功后的所述过热蒸汽变为乏汽，所述乏汽经过所述冷凝器以及所述冷却散热装置冷凝散热后变为液态回流至所述工质箱内。

3.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述信号采集单元包括发动机转速采集单元、进气质量流量采集单元、进气温度采集单元、进气压力采集单元以及喷油量采集单元，其分别采集所述船用发动机的转速、进气质量流量、进气温度、进气压力以及喷油量的信息。

4.如权利要求1所述的船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述传感器 单元包括：

工质温度传感器，其设置在所述蒸发器的入口处，用以采集所述工质进入所述蒸发器时的温度信息；

排气出口温度传感器，其设置在所述蒸发器的排气出口处，用以采集经过与所述蒸发器进行热交换以后的排气温度信息；

蒸汽温度传感器，其设置在所述蒸发器的出口处，用已采集所述出口处的所述过热蒸汽的温度信息；以及

蒸汽压力传感器，其设置在所述蒸发器的出口处，用已采集所述出口处的所述过热蒸汽的压力信息。

5.如权利要求4所述的船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述传感器 单元还包括：

液位传感器，其设置在所述工质箱内，用以采集所述工质箱内的所述工质的液面信息；以及

乏汽冷凝温度传感器，其设置在所述冷凝器的出口处，用以采集冷凝为液态的所述工质的温度。

6.如权利要求2所述的船用发动机的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，还包括：

电磁阀单元，其包括：

三通控制电磁阀，其设置在所述排气三通控制阀内；

预热控制电磁阀，其设置在所述预热控制阀内；

做功控制电磁阀，其设置在所述做功控制阀内；及

离合器控制电磁阀，其设置在所述离合器控制机构内；以及

散热风扇控制单元，其设置在所述冷却散热装置内；

其中，所述系统控制器根据所述信号采集单元以及所述传感器单元收集到的信息发出指令，并通过所述三通控制电磁阀、所述预热控制电磁阀、所述做功控制电磁阀、所述离合器控制电磁阀以及所述散热风扇控制单元来控制所述排气三通控制阀、所述预热控制阀、所述做功控制阀、所述离合器控制机构以及所述冷却散热装置工作，从而保证所述排气余热回收系统能实时地回收所述船用发动机的排气余热，并将其转化为机械能直接助力所述船用发动机做功。

7.如权利要求1所述的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，所述信息采集步骤还包括下列子步骤：如传感器单元信号不正常，则首先判断是否为液位传感器超低限导致的故障，当液位传感器检测到工质的液位低于第一设定限值时，系统控制器将会驱动警告灯快速闪烁进行报警，以提示操作者进行工质的加注；

当操作者仍未对工质箱进行工质加注，且船用发动机仍运行在高转速高负荷的设定的做功工况及液位已经低于第二设定限值时，系统控制器将进入第一故障管理模式，同时点亮警告灯常亮，提示操作者及时加注工质，然后接通排气三通控制阀，将高温的排气直接旁通到大气中；同时系统控制器驱动离合器控制机构断开膨胀机与船用发动机的曲轴的连接，并通过做功控制电磁阀断开做功控制阀及通过预热控制电磁阀接通预热控制阀；而系统控制器还会根据采集的蒸汽温度及压力驱动工质泵的变频电机运行一段时间，以使蒸发器冷却到设定的安全状态；

当操作者在工质液位小于第一设定限值但大于第二设定限值时，对工质箱进行了加注，则警告灯熄灭；此后，控制程序返回并重新对传感器单元信号进行采集；

当操作者在工质液位小于第二设定限值时，对工质箱进行加注，则控制器将熄灭警告灯，同时退出故障模式，随后控制程序将返回到传感器单元的信号采集环节；

当为除液位传感器以外的传感器故障时，则进入第二故障管理模式，同时点亮报警灯慢速闪烁，并提示操作者根据当前的故障码排查及清除故障；以及

当故障清除后，系统控制器将重新采集传感器单元的信息。

8.如权利要求7所述的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，还包括预热判断步骤：当蒸汽温度和压力都达到最低设定值，但发动机仍处于怠速状态或发动机负荷小于等于设定值时，系统控制器则认为目前状态下的发动机排气余热仅能够预热活塞式膨胀机及其附件，即通过预热控制电磁阀接通预热控制阀对膨胀剂进行预热；如预热控制电磁阀原来已处于接通状态，则继续保持接通状态；此时，膨胀机处于预热状态，处于预热状态的膨胀机无法对外做功，下一步将直接进入乏汽冷凝温度的条件判断步骤。

9.如权利要求1所述的排气余热回收系统的控制方法，其特征在于，还包括故障处理步骤：当系统存在故障，则清除故障存储区中存储的所有故障码后，重新初始化系统控制器。

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