CN112196703B - 船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法，通过将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气进行循环利用，经过洗涤和冷却后进入所述增压器与新鲜空气混合，作为扫气空气再次进入气缸中燃烧，并且根据所述船用低速双燃料主机的运行负荷情况实时动态调节扫气空气中的氧浓度，从而增加空气与燃气混合物的自燃点，减缓燃烧速度，减小点火压力，使燃烧分段进行，实现优化燃烧过程和提高燃烧效率；所述动态控制系统包括废气循环系统、废气循环控制系统、冷却水循环系统和冷却水循环控制系统。本发明在燃气模式下根据主机的运行情况实时自动控制循环废气的流量和温度，达到了提高燃料的使用效率、降低燃气消耗和提高经济性的效果。

Description

船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法
技术领域
本发明涉及船用双燃料柴油机，特别涉及一种船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法，属于船用柴油机技术领域。
背景技术
为了应对日益严峻的环境污染问题，IMO出台了有效的法规来减少和限制海运的有害排放。随着这些法规的日趋严格，目前使用的传统重油燃料已经很难达到法规的要求，而新型的燃气燃料可以轻而易举地达到排放要求，所以对新燃料主机的需求也逐年增加。但使用双燃料务必会带来燃料成本的增加，因而必须开展双燃料主机在燃气模式下的节能研究，以优化燃烧过程，从而达到降低燃料消耗的目的。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法，使主机在燃气模式下根据实时运行载荷自动动态调节扫气空气的氧浓度，从而增加空气和燃气混合物的自燃点，继而优化燃烧过程，最终达到降低燃气消耗、提高经济性的目的。
基于上述目的，本发明解决其技术问题采取的技术方案如下：
一种船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，该船用低速双燃料主机包括有排气集管、扫气集管、涡轮、增压器和柴油机控制系统，该涡轮与所述排气集管连接；其特征在于：所述的动态控制系统包括废气循环系统、废气循环控制系统、冷却水循环系统和冷却水循环控制系统；
所述废气循环控制系统分别连接所述柴油机控制系统和冷却水循环控制系统，所述柴油机控制系统预置有废气的循环比例和进入增压器的废气温度，并且据此向所述废气循环控制系统发出控制指令，所述废气循环控制系统将预置的进入增压器的废气温度信号传输给所述冷却水循环控制系统，接受该冷却水循环控制系统反馈的废气冷却后的实时温度信号并且将其与废气实时压力信号一起反馈给所述柴油机控制系统；
所述废气循环系统与所述废气循环控制系统连接，将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气经处理后再次作为扫气空气循环利用，该废气循环系统包括背压阀、入口节流阀、出口节流阀、喷淋式冷却装置、扫气空气空冷器和滴水分离器，所述背压阀连接于所述涡轮的排气管中，所述喷淋式冷却装置的上游通过所述入口节流阀与所述涡轮连接，下游通过所述出口节流阀与所述增压器连接，所述扫气空气空冷器与所述滴水分离器连接，该扫气空气空冷器的上游与所述增压器连接，该滴水分离器的下游与所述扫气集管连接；
所述冷却水循环系统用于实现冷却水的循环使用和冷却，该冷却水循环系统分别与所述废气循环系统的喷淋式冷却装置和所述冷却水循环控制系统连接。
作为进一步改进，所述的冷却水循环系统包括板式换热器、增压泵、循环水罐、沉降罐和油气监测器，所述循环水罐的上游连接所述喷淋式冷却装置，接收完成喷淋的冷却水，下游分别连接所述沉降罐和增压泵，所述油气监测器连接于所述沉降罐上，以实时监测该沉降罐中的油气浓度，所述增压泵用于为冷却水的循环提供动力，其下游连接所述板式换热器，在该板式换热器中冷却水通过与海水进行热交换达到冷却，所述板式换热器的下游连接所述喷淋式冷却装置，以提供再循环的冷却水。
作为进一步改进，所述的增压泵、板式换热器和循环水罐安装在同一个撬装中。
作为进一步改进，所述的喷淋式冷却装置包括有主冷却室，该主冷却室的侧面连通J形的预冷却室。
作为进一步改进，所述的主冷却室的顶部设有用于回收废气余热的节热器。
作为进一步改进，所述的废气循环系统还包括有辅助鼓风机，该辅助鼓风机连接于所述入口节流阀与所述喷淋式冷却装置之间，用于为废气的循环提供动力。
作为进一步改进，所述的预置的废气的循环比例和进入增压器的废气温度根据所述船用低速双燃料主机的具体运行情况合理地确定。
本发明的另一技术方案如下：
一种通过上述动态控制系统实现的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制方法，其特征在于：通过将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气进行循环利用，经过洗涤和冷却后进入所述增压器与新鲜空气混合，作为扫气空气再次进入气缸中燃烧，并且根据所述船用低速双燃料主机的运行负荷情况实时动态调节扫气空气中的氧浓度，从而增加空气与燃气混合物的自燃点，减缓燃烧速度，减小点火压力，使燃烧分段进行，实现优化燃烧过程和提高燃烧效率。
作为进一步改进，所述的动态控制方法包括：
根据所述船用低速双燃料主机的具体运行情况，在所述柴油机控制系统内预置废气的循环比例和进入增压器的废气温度，该柴油机控制系统据此向所述废气循环控制系统发出控制指令，所述废气循环控制系统根据该控制指令操作所述废气循环系统的背压阀、入口节流阀和出口节流阀的开度，以控制旁通出来的循环废气量，同时将预置的进入增压器的废气温度的信号传输给所述冷却水循环控制系统，该冷却水循环控制系统由此控制所述冷却水循环系统的增压泵和循环水罐，使循环废气冷却至预置温度；
与此同时，所述冷却水循环控制系统将废气冷却后的实时温度信号反馈给所述废气循环控制系统，该废气循环控制系统根据该实时温度信号控制所述废气循环系统，并且将该实时温度信号与废气实时压力信号一起反馈给所述柴油机控制系统；所述柴油机控制系统根据反馈信息再向所述废气循环控制系统发出新的控制指令，如此循环往复，动态控制扫气空气中的氧浓度，从而优化燃烧过程，提高燃烧效率，实现所述船用低速双燃料主机的稳定运行。
作为进一步改进，所述的旁通出来的循环废气量最多为废气总量的50％。
与现有技术相比，本发明达到了以下有益技术效果：
1)所述动态控制系统把部分经过涡轮的废气，经过清洗冷却后重新送入增压器，使得废气与新鲜空气在增压器的压缩机叶轮中充分混合，扫气空气中的部分氧气被CO2代替，从而改变燃气空气混合物的自燃点，使得燃烧过程分段进行，减缓燃烧速度，减小点火压力，提高燃烧效率，最终达到了优化燃烧过程的目的。
2)在燃气模式下，所述柴油机控制系统可以根据主机的实时运行载荷自动调节扫气空气中的氧浓度，控制循环废气的流量和温度，进而达到了提高燃料的使用效率、降低燃气消耗和提高经济性的效果。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为废气循环系统的结构示意图。
图3为喷淋式冷却装置的结构简图。
图4为冷却水循环系统的结构示意图。
图中，
1—涡轮,2—背压阀，3—入口节流阀，4—辅助鼓风机，5—喷淋式冷却装置，6—增压器，7—扫气空气空冷器，8—滴水分离器，9—出口节流阀，21—板式换热器，22—增压泵，23—循环水罐，24—沉降罐，25—油气监测器，51—主冷却室，52—预冷却室，53—节热器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步具体的详细说明，但不能因此而限制本发明要求保护的范围。
本发明所述船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法通过将主机排出的部分废气循环利用，经过清洗冷却后再进入增压器与新鲜空气混合，作为扫气空气再次进入气缸中燃烧；并且通过与船用低速双燃料主机的柴油机控制系统连接，根据主机的运行情况控制循环废气的流量和温度，将燃料燃烧过程最优化，进而提高燃料的使用效率。
请参阅图1，所述动态控制系统包括废气循环系统、废气循环控制系统、冷却水循环系统和冷却水循环控制系统。
所述废气循环控制系统分别连接所述柴油机控制系统和冷却水循环控制系统，所述柴油机控制系统预置有废气的循环比例和进入增压器的废气温度，并且据此向所述废气循环控制系统发出控制指令，所述废气循环控制系统将预置的进入增压器的废气温度信号传输给所述冷却水循环控制系统，接受该冷却水循环控制系统反馈的废气冷却后的实时温度信号并且将其与废气实时压力信号一起反馈给所述柴油机控制系统。
废气循环系统——
请参阅图2，所述废气循环系统安装于船用低速双燃料主机旁，该船用低速双燃料主机包括有排气集管、扫气集管、涡轮1、增压器6和柴油机控制系统，该涡轮1与所述排气集管连接。所述废气循环系统把部分经过涡轮1的废气经过清洗冷却后重新进入增压器6入口，使得废气和新鲜空气在增压器6的压缩机叶轮中充分混合，使得扫气空气中的部分氧气被CO2代替，从而改变燃气空气混合物的自燃点，优化燃烧过程。
所述废气循环系统包括背压阀2、入口节流阀3、出口节流阀9、喷淋式冷却装置5、扫气空气空冷器7和滴水分离器8，具体结构如下：
1.将由涡轮1排出的部分废气旁通至动态控制系统中，充分利用废气的剩余压强，使废气进入喷淋式冷却装置5，所旁通出的废气量由排气管中的背压阀2控制，最多可旁通废气总量的50％至废气循环系统。
2.所述喷淋式冷却装置5的结构见附图3。在喷淋式冷却装置5中，采用喷淋淡水的方式洗涤和冷却废气，使其温度降低至扫气空气的温度以下，这将避免在扫气空气冷却时出现额外的凝结水滴。冷却废气的水为淡水，在喷淋式冷却装置5中采用两级喷淋的方式充分与废气进行换热，即分为预喷淋(一级喷淋)和主喷淋(二级喷淋)两个阶段。
喷淋式冷却装置5设置为主冷却室51的侧面连接一个J型管作为预冷却室52，使得废气在进入主冷却室51之前就先进行预冷却。预冷却室52中实现一级喷淋，在主冷却室51的二级喷淋方式中，水滴的方向由上而下，与废气由下而上的方向正好相反，能使冷却水滴与高温废气达到充分接触，有效提高了冷却效率。
在废气离开主冷却室51之前，还需要经过滴水分离，因为在两次喷淋冷却后，废气的温度将达到其露点以下，此时废气中的水蒸气会凝结成水滴，所以需要分离出这些水滴，以有效防止液态水滴进入管道和增压器6的压缩机造成腐蚀，因此喷淋式冷却装置5中还包含有水雾捕捉器。
为了充分利用废气的热量，在预冷却室52的入口处可以安装节热器53，以回收废气中的热量，并将该部分热量提供给船上的其他设备使用。
3.洗涤冷却后的废气通过管道进入增压器6压缩机，并在压缩机叶轮中与新鲜空气充分混合继而进入扫气集管。
值得注意的是，针对该废气循环系统距离主机较远，即排气口至喷淋式冷却装置5的管路较长的情况，视情况确定是否需要在废气旁通管路中安装辅助鼓风机4，以提供废气循环所需的能量。
废气循环控制系统通过控制安装在废气进入废气循环系统的背压阀2，来控制进入废气循环系统内的废气流量。如需关闭废气循环系统，应同时关闭废气入口的背压阀2、入口节流阀3和出口的出口节流阀9。关闭废气循环系统需要关闭该系统入口和出口的节流阀。
冷却水循环系统——
请参阅图4，所述冷却水循环系统包括板式换热器21、增压泵22、循环水罐23、沉降罐24和油气监测器25。
2.经过喷淋式冷却装置5的冷却水流入循环水罐23中，再经增压泵22加压，为冷却水的循环提供动力后进入板式换热器21中，冷却媒介为海水，喷淋用淡水与海水进行换热进行冷却，最后再次进入喷淋式冷却装置5中去冷却废气。
这样能够循环使用冷却水，但是在喷淋式冷却装置5中由一部分废气中水蒸气凝结成的水滴会进入循环水罐23，因此如果不采取适当措施循环水罐23中的水会越来越多。为此，在循环水罐23上部安装了排水管，从排水管排出的水将进入沉降罐24，排出的水中会含有少量柴油，因此无法直接排入海洋而需要进一步处理，所述沉降罐24上连接有油气监测器25，以实时监控沉降罐24中的油气浓度，确保安全。
同时为了节约增压泵22的能耗，可以将冷却水循环系统内的增压泵22、板式换热器21和循环水罐23安装在一个撬装中，安装紧凑能有效降低管路中的势能损失。
本发明所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制方法通过将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气进行循环利用，经过洗涤和冷却后进入所述增压器与新鲜空气混合，作为扫气空气再次进入气缸中燃烧，并且根据所述船用低速双燃料主机的运行负荷情况实时动态调节扫气空气中的氧浓度，从而增加空气与燃气混合物的自燃点，减缓燃烧速度，减小点火压力，使燃烧分段进行，实现优化燃烧过程和提高燃烧效率。
请参阅附图1，所述的动态控制方法具体内容如下：
柴油机控制系统(ECS)中包含废气旁通控制部分，用以控制废气循环量。根据船用低速双燃料主机自身的运行情况，ECS给出合适的废气循环比例和进入增压器的废气温度，ECS将控制信号传送给废气循环控制系统，废气循环控制系统将据此来控制旁通出来的循环废气量，即控制废气循环系统的入口节流阀3、出口节流阀9以及排气集管上背压阀2的开度。接着，废气循环控制系统根据废气循环系统的运行情况来控制废气循环增压器，为废气的稳定循环提供动力。同时，废气循环控制系统将废气进入增压器6的设定温度信号给到冷却水循环控制系统。冷却水循环控制系统由此控制冷却水循环系统内的增压泵22、循环水罐23的溢流阀等，使得废气冷却到设定温度。
另一方面，冷却水循环控制系统将废气冷却后的温度信号反馈给废气循环控制系统。废气循环控制系统根据该信号控制废气循环系统(调节增压泵进而控制流量，例如：废气温度过高，调低流量使废气充分冷却)，废气循环系统还会将废气的压力和温度信号反馈给柴油机控制系统(ECS)。ECS根据反馈信息再给出新指令到废气循环控制系统(接上例，废气进入主机增压器6的温度过高，应调低进入循环的废气流量，所以ECS将给出调低旁通流量的指令给废气循环控制系统)，如此循环往复，控制整个船用低速双燃料主机的稳定运行，从而实现根据主机的运行情况，动态控制扫气空气中的氧浓度，进而达到节约燃料、提高燃烧效率的效果。
上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，该船用低速双燃料主机包括有排气集管、扫气集管、涡轮、增压器和柴油机控制系统，该涡轮与所述排气集管连接；其特征在于：所述的动态控制系统包括废气循环系统、废气循环控制系统、冷却水循环系统和冷却水循环控制系统；
所述废气循环控制系统分别连接所述柴油机控制系统和冷却水循环控制系统，所述柴油机控制系统预置有废气的循环比例和进入增压器的废气温度，并且据此向所述废气循环控制系统发出控制指令，所述废气循环控制系统将预置的进入增压器的废气温度信号传输给所述冷却水循环控制系统，接受该冷却水循环控制系统反馈的废气冷却后的实时温度信号并且将其与废气实时压力信号一起反馈给所述柴油机控制系统；
所述废气循环系统与所述废气循环控制系统连接，将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气经处理后再次作为扫气空气循环利用，该废气循环系统包括背压阀、入口节流阀、出口节流阀、喷淋式冷却装置、扫气空气空冷器和滴水分离器，所述背压阀连接于所述涡轮的排气管中，所述喷淋式冷却装置的上游通过所述入口节流阀与所述涡轮连接，下游通过所述出口节流阀与所述增压器连接，所述扫气空气空冷器与所述滴水分离器连接，该扫气空气空冷器的上游与所述增压器连接，该滴水分离器的下游与所述扫气集管连接；
所述冷却水循环系统用于实现冷却水的循环使用和冷却，该冷却水循环系统分别与所述废气循环系统的喷淋式冷却装置和所述冷却水循环控制系统连接；
所述的冷却水循环系统包括板式换热器、增压泵、循环水罐、沉降罐和油气监测器，所述循环水罐的上游连接所述喷淋式冷却装置，接收完成喷淋的冷却水，下游分别连接所述沉降罐和增压泵，所述油气监测器连接于所述沉降罐上，以实时监测该沉降罐中的油气浓度，所述增压泵用于为冷却水的循环提供动力，其下游连接所述板式换热器，在该板式换热器中冷却水通过与海水进行热交换达到冷却，所述板式换热器的下游连接所述喷淋式冷却装置，以提供再循环的冷却水。
2.根据权利要求1所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，其特征在于：所述的增压泵、板式换热器和循环水罐安装在同一个撬装中。
3.根据权利要求1所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，其特征在于：所述的喷淋式冷却装置包括有主冷却室，该主冷却室的侧面连通J形的预冷却室。
4.根据权利要求3所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，其特征在于：所述的主冷却室的顶部设有用于回收废气余热的节热器。
5.根据权利要求1所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，其特征在于：所述的废气循环系统还包括有辅助鼓风机，该辅助鼓风机连接于所述入口节流阀与所述喷淋式冷却装置之间，用于为废气的循环提供动力。
6.根据权利要求1所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统，其特征在于：所述的预置的废气的循环比例和进入增压器的废气温度根据所述船用低速双燃料主机的具体运行情况合理地确定。
7.一种通过权利要求1所述动态控制系统实现的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制方法，其特征在于：通过将所述船用低速双燃料主机排出的部分废气进行循环利用，经过洗涤和冷却后进入所述增压器与新鲜空气混合，作为扫气空气再次进入气缸中燃烧，并且根据所述船用低速双燃料主机的运行负荷情况实时动态调节扫气空气中的氧浓度，从而增加空气与燃气混合物的自燃点，减缓燃烧速度，减小点火压力，使燃烧分段进行，实现优化燃烧过程和提高燃烧效率。
8.根据权利要求7所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制方法，其特征在于：所述的动态控制方法包括：
根据所述船用低速双燃料主机的具体运行情况，在所述柴油机控制系统内预置废气的循环比例和进入增压器的废气温度，该柴油机控制系统据此向所述废气循环控制系统发出控制指令，所述废气循环控制系统根据该控制指令操作所述废气循环系统的背压阀、入口节流阀和出口节流阀的开度，以控制旁通出来的循环废气量，同时将预置的进入增压器的废气温度的信号传输给所述冷却水循环控制系统，该冷却水循环控制系统由此控制所述冷却水循环系统的增压泵和循环水罐，使循环废气冷却至预置温度；
与此同时，所述冷却水循环控制系统将废气冷却后的实时温度信号反馈给所述废气循环控制系统，该废气循环控制系统根据该实时温度信号控制所述废气循环系统，并且将该实时温度信号与废气实时压力信号一起反馈给所述柴油机控制系统；所述柴油机控制系统根据反馈信息再向所述废气循环控制系统发出新的控制指令，如此循环往复，动态控制扫气空气中的氧浓度，从而优化燃烧过程，提高燃烧效率，实现所述船用低速双燃料主机的稳定运行。
9.根据权利要求8所述的船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制方法，其特征在于：所述的旁通出来的循环废气量最多为废气总量的50％。
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