CN112049716B - 一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，包括冷却水箱、冷却水换热器、混合控温装置，柴油机冷却水腔连接冷却水管路，冷却水箱安装在冷却水管路上，冷却水管路连接三通阀的进口，三通阀的第一出口连接冷却水换热器，冷却水换热器通过低温冷却水管路连接混合控温装置，三通阀的第二出口通过高温冷却水管路连接混合控温装置，高温冷却水管路上设置冷却水预热装置，高温冷却水管路里的高温冷却水和低温冷却水管路里的低温冷却水在混合控温装置里混合后，通过淡水泵通往柴油机冷却水腔。本发明保证了柴油机各机件均可在各自最适合的温度下工作，此外，对旁通废气的能量进行了回收和存储。

Description

一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统

技术领域

本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是柴油机冷却系统。

背景技术

目前绝大多数船用柴油机采用海水冷却淡水，淡水内部循环对柴油机各机件进行冷却的方法。其中淡水循环依靠淡水泵进行驱动，内循环淡水吸收完各机件的热量后流向冷却水节温器，当冷却水温度低于设定值时，则经旁通管路直接流回淡水泵；而当冷却水温度高于设定值时，则流向热交换器并与循环海水进行换热，再流回淡水泵。但其因为仅在淡水循环设置了一个冷却水节温器，只能根据冷却水温度进行简单地分流，不能保证柴油机各机件均能处于最适合的温度下工作，易造成部分机件存在冷却不足或冷却过度的问题，导致柴油机动力性、经济性、可靠性以及寿命的下降。

随着柴油机单机功率的逐渐增大，高负荷工况下柴油机的热负荷也不断增大，柴油机内循环淡水需要更多的海水进行冷却以保证柴油机的安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的在于提供能保证柴油机各机件均可在各自最适合的温度下工作的一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：包括冷却水箱、冷却水换热器、混合控温装置，柴油机冷却水腔连接冷却水管路，冷却水箱安装在冷却水管路上，冷却水管路连接三通阀的进口，三通阀的第一出口连接冷却水换热器，冷却水换热器通过低温冷却水管路连接混合控温装置，三通阀的第二出口通过高温冷却水管路连接混合控温装置，高温冷却水管路上设置冷却水预热装置，高温冷却水管路里的高温冷却水和低温冷却水管路里的低温冷却水在混合控温装置里混合后，通过淡水泵通往柴油机冷却水腔。

本发明还可以包括：

1、所述混合控温装置包括滑油冷却器、空冷器、高冷却水管路第一支路、高温冷却水管路第二支路、高温冷却水管路第三支路、低温冷却水管路第一支路、低温冷却水管路第二支路，高温冷却水管路分别连通高冷却水管路第一支路和高温冷却水管路第二支路，高温冷却水管路第二支路连通高温冷却水管路第三支路，低温冷却水管路分别连通低温冷却水管路第一支路和低温冷却水管路第二支路，低温冷却水管路第一支路里的冷却水并入高温冷却水管路第一支路后流入空冷器，空冷器的冷却水出口与高温冷却水管路第二支路合并后连通滑油冷却器，滑油冷却器的冷却水出口与高温冷却水管路第三支路以及低温冷却水管路第二条支路合并后流出混合控温装置并连通淡水泵。

2、还包括外循环总进水管路、外循环总排水管路，外循环总进水管路分别连接外循环常回路和外循环增强回路，外循环常回路和外循环增强回路分别连接冷却水换热器，外循环常回路上设置外循环常回路海水泵，外循环增强回路上设置外循环增强回路海水泵，冷却水换热器分别连接外循环总排水管路和外循环增强回路排水管路，外循环增强回路排水管路的出口并入外循环总排水管路。

3、柴油机的旁通废气管路连接旁通废气涡轮，旁通废气涡轮连接发动机并带动发电机发电，发电机连接蓄电池。

4、冷却水管路上设置第一温度及流量传感器，高冷却水管路第一支路上设置第二温度及流量传感器，空冷器和滑油冷却器之间的管路上设置第三温度及流量传感器，滑油冷却器与淡水泵之间的管路上设置第四温度及流量传感器，高冷却水管路第一支路上设置第一节流阀，低温冷却水管路第一支路上设置第二节流阀，低温冷却水管路第二支路上设置第三节流阀，高冷却水管路第二支路上设置第四节流阀，高冷却水管路第三支路上设置第五节流阀。

5、柴油机水箱出口温度低于20℃时，三通阀第一出口的开度为最大且第二出口开度为最小，使内循环淡水全部流入高温冷却水管路，不与外循环海水进行换热，随着柴油机水箱出口温度升高，三通阀第一出口的开度减小且第二出口的开度增大，使更多的内循环淡水与外循环海水进行换热；三通阀第二出口的最大开度为90％，保留10％的高温冷却水可在后续的温度控制过程中与低温冷却水混合，对冷却水温度进行调节，避免部分机件存在冷却过度的问题；

在柴油机冷却水腔出口温度高于x℃时，蓄电池为外循环增强回路海水泵进行供电，外循环增强回路海水泵工作，驱动外循环海水对低温冷却水管路进行强化冷却，从而提高高负荷工况下柴油机冷却系统的冷却效果；x的范围为80℃至90℃。

本发明的优势在于：

1.在柴油机启动或外界环境温度较低时，可控制使淡水循环不流经冷却水换热器，内循环淡水和外循环海水不进行热交换，同时冷却水预热装置对淡水进行加热，使循环淡水温度升高以起到进气预热以及滑油预热的作用，有利于缸内燃烧以及减小摩擦，使燃油消耗率低，柴油机经济性好。

2.在部分负荷工况时，可根据各冷却水管路上设置的温度和流量传感器测得的反馈信号对各支路上高温冷却水和低温冷却水的混合进行控制，使柴油机各机件均处于最适合的温度下工作，避免部分机件的冷却不足或冷却过度情况的产生，可以有效改善柴油机设计工况点外的工作性能。

3.在高负荷工况时(柴油机废气旁通阀开启对应负荷，根据具体情况进行设定，范围为60％负荷至80％负荷)，利用旁通的废气驱动涡轮并带动发电机产生电能并存储于蓄电池中，实现对柴油机旁通废气能量的回收，提高了柴油机的能量利用率。

4.在柴油机冷却水腔出口温度高于x℃时，其中x要根据具体情况进行设定，x的范围为80℃至90℃，外循环增强回路海水泵工作，强化对内循环淡水的冷却，满足柴油机各机件的冷却要求，保障柴油机的安全稳定运行。

5.在柴油机停止运行时，蓄电池继续为柴油机冷却系统进行供电，维持柴油机冷却系统的继续运行，带走柴油机的余热，避免柴油机停止运行后余热向机舱的辐射作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为混合控温装置的结构示意图。

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1-2，本发明一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，包括柴油机1、旁通废气涡轮6、发电机7、蓄电池8、冷却水箱2、冷却水换热器18、冷却水预热装置22、控制单元23、混合控温装置24、淡水泵26以及连接管路等。柴油机冷却水腔由冷却水管路与冷却水箱2连接，冷却水箱2出口连接三通阀10，在三通阀10后分为两条支路，三通阀10第一出口通往冷却水换热器18，与外循环海水进行换热后由低温冷却水管路Ⅲ19通往混合控温装置24，三通阀10第二出口由高温冷却水管路Ⅳ20通往混合控温装置24，在高温冷却水管路Ⅳ20上设置有冷却水预热装置22，高温冷却水和低温冷却水在混合控温装置24中进行混合，最终由淡水泵26驱动通往柴油机冷却水腔。

柴油机旁通废气管路4连接旁通废气涡轮6，由涡轮带动发电机7生成电能并存储于蓄电池8当中，蓄电池8由电缆9为外循环增强回路海水泵16以及冷却水预热装置22供电。

外循环系统包括外循环常回路以及外循环增强回路，外循环总进水管路15分为2条支路，海水由分别在两条支路上设置的外循环常回路海水泵14以及外循环增强回路海水泵16驱动流入冷却水换热器18，其中外循环常回路对内循环淡水进行常规冷却，在常规冷却不足时，外循环增强回路对低温冷却水管路Ⅲ19进行强化冷却，海水由外循环增强回路排水管路12并入外循环总排水管路13后排出。

混合控温装置包括空冷器33、滑油冷却器46、温度及流量传感器、节流阀以及连接管路等。高温冷却水管路Ⅳ20在混合控温装置中分为3条支路，低温冷却水管路Ⅲ19在混合控温装置中分为2条支路。低温冷却水管路第一支路Ⅴ39并入高温冷却水管路第一支路Ⅷ36后流入空冷器33，空冷器33冷却水出口与高温冷却水管路第二支路Ⅸ31合并后流入滑油冷却器46，滑油冷却器46冷却水出口与高温冷却水管路第三支路Ⅺ29以及低温冷却水管路第二条支路Ⅵ45合并后流出混合控温装置。

分别在冷却水管路Ⅰ3、Ⅷ36、Ⅹ43和Ⅻ27上设置温度及流量传感器Ⅰ5、Ⅱ41、Ⅲ44和Ⅳ28，并将信号传输到控制单元23。在冷却水管路Ⅰ3上设置三通阀10并且分别在冷却水管路Ⅷ36、Ⅴ39、Ⅵ45、Ⅸ31和Ⅺ29上设置节流阀Ⅰ35、Ⅱ40、Ⅲ42、Ⅳ32和Ⅴ30，控制信号由控制单元23传输到三通阀以及各节流阀，对其开度进行控制。

柴油机旁通废气管路4连接旁通废气涡轮6，由涡轮6带动发电机7产生电能并存储于蓄电池8当中，在柴油机启动或外界环境温度较低时，蓄电池8为冷却水预热装置22进行供电，提高柴油机冷却水温度，对柴油机进气以及滑油进行预热，起到减小摩擦以及改善柴油机燃烧的作用；在高负荷工况下，柴油机1散发的热量增加，冷却系统需要带走更多的热量，冷却水温度随之升高，当冷却水温度高于x℃时,其中x要根据具体情况进行设定，一般x的范围为80℃至90℃，蓄电池8为外循环增强回路海水泵16进行供电，外循环增强回路海水泵16工作，对低温冷却水管路Ⅲ19进行强化冷却，提高高负荷工况下柴油机冷却系统的冷却效果。柴油机冷却水腔由冷却水管路连接冷却水箱2，经三通阀10分为两条支路，三通阀第一出口通往冷却水换热器18，与外循环海水进行换热，冷却水换热器连接低温冷却水管路Ⅲ19并通往混合控温装置24，三通阀第二出口连接高温冷却水管路Ⅳ20，高温冷却水管路Ⅳ20同样通往混合控温装置24，并且在高温冷却水管路Ⅳ20上设置有冷却水预热装置22。

混合控温装置包括空冷器33、滑油冷却器46、温度及流量传感器、节流阀以及连接管路等。高温冷却水管路Ⅳ20在混合控温装置中分为3条支路，低温冷却水管路Ⅲ19在混合控温装置中分为2条支路。低温冷却水管路第一支路Ⅴ39并入高温冷却水管路第一支路Ⅷ36后流入空冷器33，中冷器冷却水出口与高温冷却水管路第二条支路Ⅸ31合并后流入滑油冷却器46，滑油冷却器冷却水出口与高温冷却水管路第三条支路Ⅺ29以及低温冷却水管路第二条支路Ⅵ45合并后流出混合控温装置24，并在冷却水泵26的驱动下流入柴油机冷却水箱。

在冷却水管路Ⅰ3上设置温度和流量传感器Ⅰ5，冷却水管路上的温度和流量信号传输到控制单元23，由控制单元23发出的控制信号传输到在冷却水管路Ⅰ3上设置的三通阀10，当检测到柴油机水箱2出口温度低于20℃时，控制三通阀10第一出口的开度为最大且第二出口开度为最小，使内循环淡水全部流入高温冷却水管路Ⅳ20，不与外循环海水进行换热，避免热量损失。随着检测到的柴油机水箱2出口温度不断升高，控制三通阀10第一出口的开度不断减小且第二出口开度不断增大，使更多的内循环淡水进入冷却水换热器18与外循环海水进行换热，以保证柴油机良好的冷却效果。设置三通阀10第二出口的最大开度为90％，即使内循环淡水不会全部流经冷却水换热器18与外循环海水进行换热，保留10％的高温冷却水可在后续温度控制过程中与低温冷却水混合，对冷却水温度进行调节，避免部分机件存在冷却过度的问题。

在冷却水管路Ⅷ36、Ⅹ43和Ⅻ27上设置温度和流量传感器Ⅱ41、Ⅲ44和Ⅳ28，冷却水管路上的温度和流量信号传输到控制单元23，由控制单元23发出的控制信号分别传输到在冷却水管路Ⅷ36、Ⅴ39、Ⅵ45、Ⅸ31和Ⅺ29上设置的节流阀Ⅰ35、Ⅱ40、Ⅲ42、Ⅳ32和Ⅴ30。其中传感器反馈的流量信号主要用于对冷却水的流量进行监测，避免出现冷却水流量不足的情况。将柴油机各机件在不同负荷下的最适合的工作温度作为设定值，将检测得到的温度信号与设定值进行对比，当其高于设定值时，控制在对应机件前合并的高温冷却水管路上的节流阀开度减小，降低高温冷却水流量，同时控制低温冷却水管路上的节流阀开度增大，提高低温冷却水流量，由此实现对高温冷却水与低温冷却水的混合情况的控制，进而实现对流入柴油机各机件的冷却水温度的调控，以保证柴油机各机件均处于最适合的温度下工作。

内循环淡水由柴油机1冷却水腔流出经冷却水管路流入冷却水箱2，冷却水箱2出口经冷却水管路Ⅰ3与三通阀10连接，三通阀10的一个出口通往冷却水换热器18，内循环淡水在冷却水换热器18与外循环海水进行换热，对内循环淡水进行降温。外循环系统包括冷却水换热器18、外循环总进水管路15、外循环常回路海水泵14、外循环增强回路海水泵16、外循环增强回路进水管路17、外循环增强回路排水管路12以及外循环总排水管路13，其中外循环常回路海水泵14可选择由柴油机曲轴带动或电力驱动，驱动外循环海水对冷却水换热器18中的内循环淡水进行常规冷却。在高负荷工况下，柴油机1散发的热量增加，冷却系统需要带走更多的热量，在柴油机冷却水腔出口温度高于x℃时，其中x要根据具体情况进行设定，x的范围为80℃至90℃，蓄电池8为外循环增强回路海水泵16进行供电，外循环增强回路海水泵16工作，驱动外循环海水对低温冷却水管路Ⅲ19进行强化冷却，从而提高高负荷工况下柴油机冷却系统的冷却效果。低温冷却水管路Ⅲ19连接混合控温装置24。

三通阀的另一个出口连接高温冷却水管路Ⅳ20，高温冷却水管路Ⅳ20流经冷却水预热装置22，在柴油机启动或环境温度较低时，蓄电池8为冷却水预热装置22供电，对冷却水进行加热，起到对进气和滑油进行预热的效果，有利于缸内燃烧以及减小摩擦，使燃油消耗率低，柴油机经济性好。高温冷却水管路Ⅳ20同样连接混合控温装置24。

高温冷却水管路Ⅳ20在混合控温装置中分为3条支路，低温冷却水管路Ⅲ19在混合控温装置中分为2条支路。低温冷却水管路第一支路Ⅴ39并入高温冷却水管路第一支路Ⅷ36后流入空冷器33，对来自压气机的高压空气进行冷却，空冷器冷却水出口与高温冷却水管路第二条支路Ⅸ31合并后流入滑油冷却器46，对柴油机滑油进行冷却，滑油冷却器冷却水出口与高温冷却水管路第三条支路Ⅺ29以及低温冷却水管路第二条支路Ⅵ45合并后流出混合控温装置，并在冷却水泵26的驱动下流入柴油机冷却水腔。

在冷却水管路Ⅰ3上设置温度和流量传感器Ⅰ5，冷却水管路上的温度和流量信号传输到控制单元23，由控制单元23发出的控制信号传输到在冷却水管路Ⅰ3上设置的三通阀10，当检测到柴油机水箱2出口温度低于20℃时，控制三通阀10第一出口的开度为最大且第二出口开度为最小，使内循环淡水全部流入高温冷却水管路Ⅳ20，不与外循环海水进行换热，避免热量损失。随着检测到的柴油机水箱2出口温度不断升高，控制三通阀10第一出口的开度不断减小且第二出口的开度不断增大，使更多的内循环淡水与外循环海水进行换热，以保证柴油机良好的冷却效果。设置三通阀10第二出口的最大开度为90％，即使内循环淡水不会全部流经冷却水换热器18与外循环海水进行换热，保留10％的高温冷却水可在后续的温度控制过程中与低温冷却水混合，对冷却水温度进行调节，避免部分机件存在冷却过度的问题。

在冷却水管路Ⅷ36、Ⅹ43和Ⅻ27上设置温度和流量传感器Ⅱ41、Ⅲ44和Ⅳ28，冷却水管路上的温度和流量信号传输到控制单元23，由控制单元23发出的控制信号分别传输到在冷却水管路Ⅷ36、Ⅴ39、Ⅵ45、Ⅸ31和Ⅺ29上设置的节流阀Ⅰ35、Ⅱ40、Ⅲ42、Ⅳ32和Ⅴ30。其中传感器反馈的流量信号主要用于对冷却水的流量进行监测，避免出现冷却水流量不足的情况。将柴油机各机件在不同负荷下的最适合的工作温度作为设定值，将检测得到的温度信号与设定值进行对比，当其高于设定值时，控制在对应机件前合并的高温冷却水管路上的节流阀开度减小，降低高温冷却水流量，同时控制低温冷却水管路上的节流阀开度增大，提高低温冷却水流量，由此实现对高温冷却水与低温冷却水的混合情况的控制，进而实现对流入柴油机各机件的冷却水温度的调控，以保证柴油机各机件均处于最适合的温度下工作。

由于柴油机各机件最适合的工作温度有所不同，且在不同工况下柴油机各机件最适合的工作温度也会有所变化，但现有技术只能根据冷却水温度进行简单地分流，所以不能保证柴油机各机件均能处于最适合的温度下工作，容易导致部分机件存在冷却不足或冷却过度的问题，进而导致柴油机动力性、经济性、可靠性以及寿命的下降。本发明对柴油机冷却系统中冷却水管路的布置进行设计，利用三通阀将内循环淡水分为高温冷却水和低温冷却水，并由温度反馈信号控制各支路上节流阀的开度，从而实现对高温冷却水和低温冷却水混合情况的控制，进而实现对流入柴油机各机件的冷却水温度的调控，以保证柴油机各机件均处于最适合的温度下工作，避免柴油机部分机件出现冷却不足或冷却过度的问题，并且能够根据柴油机负荷的变化及时进行调整，可以有效改善柴油机设计工况点外的工作性能。本发明在柴油机启动或低负荷工况下能够控制内循环淡水不流经冷却水换热器，使到内循环淡水快速升温，加速柴油机启动的同时避免了不必要的热量损失，并且本发明还对柴油机旁通废气的能量进行了回收，提高了柴油机的能量利用率。

Claims (5)

1.一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：包括冷却水箱、冷却水换热器、混合控温装置，柴油机冷却水腔连接冷却水管路，冷却水箱安装在冷却水管路上，冷却水管路连接三通阀的进口，三通阀的第一出口连接冷却水换热器，冷却水换热器通过低温冷却水管路连接混合控温装置，三通阀的第二出口通过高温冷却水管路连接混合控温装置，高温冷却水管路上设置冷却水预热装置，高温冷却水管路里的高温冷却水和低温冷却水管路里的低温冷却水在混合控温装置里混合后，通过淡水泵通往柴油机冷却水腔；

所述混合控温装置包括滑油冷却器、空冷器、高冷却水管路第一支路、高温冷却水管路第二支路、高温冷却水管路第三支路、低温冷却水管路第一支路、低温冷却水管路第二支路，高温冷却水管路分别连通高冷却水管路第一支路和高温冷却水管路第二支路，高温冷却水管路第二支路连通高温冷却水管路第三支路，低温冷却水管路分别连通低温冷却水管路第一支路和低温冷却水管路第二支路，低温冷却水管路第一支路里的冷却水并入高温冷却水管路第一支路后流入空冷器，空冷器的冷却水出口与高温冷却水管路第二支路合并后连通滑油冷却器，滑油冷却器的冷却水出口与高温冷却水管路第三支路以及低温冷却水管路第二条支路合并后流出混合控温装置并连通淡水泵。

2.根据权利要求1所述的一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：还包括外循环总进水管路、外循环总排水管路，外循环总进水管路分别连接外循环常回路和外循环增强回路，外循环常回路和外循环增强回路分别连接冷却水换热器，外循环常回路上设置外循环常回路海水泵，外循环增强回路上设置外循环增强回路海水泵，冷却水换热器分别连接外循环总排水管路和外循环增强回路排水管路，外循环增强回路排水管路的出口并入外循环总排水管路。

3.根据权利要求2所述的一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：柴油机的旁通废气管路连接旁通废气涡轮，旁通废气涡轮连接发动机并带动发电机发电，发电机连接蓄电池。

4.根据权利要求3所述的一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：冷却水管路上设置第一温度及流量传感器，高冷却水管路第一支路上设置第二温度及流量传感器，空冷器和滑油冷却器之间的管路上设置第三温度及流量传感器，滑油冷却器与淡水泵之间的管路上设置第四温度及流量传感器，高冷却水管路第一支路上设置第一节流阀，低温冷却水管路第一支路上设置第二节流阀，低温冷却水管路第二支路上设置第三节流阀，高冷却水管路第二支路上设置第四节流阀，高冷却水管路第三支路上设置第五节流阀。

5.根据权利要求4所述的一种船用柴油机多支路混合控温冷却系统，其特征是：柴油机水箱出口温度低于20℃时，三通阀第一出口的开度为最大且第二出口开度为最小，使内循环淡水全部流入高温冷却水管路，不与外循环海水进行换热，随着柴油机水箱出口温度升高，三通阀第一出口的开度减小且第二出口的开度增大，使更多的内循环淡水与外循环海水进行换热；三通阀第二出口的最大开度为90％，保留10％的高温冷却水可在后续的温度控制过程中与低温冷却水混合，对冷却水温度进行调节，避免部分机件存在冷却过度的问题；

在柴油机冷却水腔出口温度高于x℃时，蓄电池为外循环增强回路海水泵进行供电，外循环增强回路海水泵工作，驱动外循环海水对低温冷却水管路进行强化冷却，从而提高高负荷工况下柴油机冷却系统的冷却效果；x的范围为80℃至90℃。

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