CN211058902U - 柴油机中冷智能调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种柴油机中冷智能调节装置，该调节装置包括执行机构、测量单元、中央处理单元，以及报警监控单元和人机交换界面等组成，通过本实用新型实现的调节方法，可以根据柴油机的负荷变化以及海水温度的变化自动调节进入中冷器的冷却水量，将柴油机的气缸进气温度控制在合理范围内，提升柴油机运行的安全性、可靠性和使用寿命。

Description

柴油机中冷智能调节装置

技术领域

本实用新型涉及一种柴油机中冷智能调节装置。

背景技术

现在柴油机普遍采用废气涡轮增压技术来提高柴油机进气密度及进气量，从而提高柴油机的功率和热效率，从长期的发展趋势来看柴油机的增压程度也在不断的向着高增压方向发展。高增压使得经过增压器压缩过的空气温度的急剧升高，压缩终点的温度达到近200℃甚至更高。进气温度过高会使柴油机的燃烧恶化，排放增加，于是中冷应运而生，为了给柴油机提供更好的燃烧初始条件，在涡轮增压器出口至气缸进气之间的气道上加装的中间冷却器，用于冷却被涡轮增压器压缩过空气，通过调节进入中冷器的冷却水流量使气缸进气温度控制在合理区间。现在大型柴油机中冷冷却水量调节一般采用手动模式(如图1所示为现有冷却水量调节阀的结构示意图，其中1，阀体；2，阀蕊，3，阀盖；4，阀门手柄)，这对于远洋货轮柴油机来说没什么问题，因为这些船上的柴油机长期处于稳定工况下运行，增压压力及供气量也基本恒定，中冷冷却水量调节阀只要保持一个固定的开度就可以了，基本不怎么需要调节。但对于港作拖轮来说情况就复杂的多，因为拖轮长期处于变工况、变负荷的工作状态，采用手动冷却水量调节阀很难适应随时变化的柴油机工况。进气温度过高导致柴油机热负荷增加，燃烧和排放恶化(燃烧温度过高会使氮氧化增加)，进气温度过低又会使凝水增加，可能导致柴油机气缸内产生液击或低温腐蚀，也可能会影响柴油机低速低负荷运行时的稳定性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种柴油机中冷智能调节装置,以解决现有技术存在的上述问题。

为实现上述目的，本实用新型可通过以下技术方案予以实现：

本实用新型的柴油机中冷智能调节装置，包括

左、右执行机构，其分别包括伺服控制器、伺服电机、行星减速机和冷却水量调节阀，在一中央控制器的控制下，分别对应通过所述伺服控制器驱动伺服电机经行星减速机减速后驱动智能冷却水量调节阀；

左、右测量单元，其分别由温度传感器、压力传感器、模拟量输入模块组成，分别将测量到的中冷器信息通过所述模拟量输入模块输入到所述中央控制器；

中央控制器，其对所述左、右测量单元输入的测量信息进行计算、处理，对应输出控制信号给所述伺服控制器，以控制所述伺服电机对所述智能冷却水量调节阀开度进行调节，如有报警信号输入则输出报警信号；

报警监控单元，其与所述中央控制器连接，输出报警信号；

人机交换界面，其与所述中央控制器连接。

作为本实用新型的优选实施例：

其中，所述智能冷却水量调节阀包括依次连接的阀体、阀蕊、阀盖和阀门手柄，所述阀蕊的转轴内设有一轴承，并在该转轴内该轴承的下端设一水封圈密封。

其中，所述行星减速机与智能冷却水量调节阀采用“H”型活动铰扣进行连接，当该“H”型活动铰扣扣在所述阀门手柄上时所述伺服电机的转动将带动所述智能冷却水量调节阀阀门的转动实现阀门的自动控制；当所述“H”型活动铰扣翻起与所述阀门手柄脱开时，能直接操作阀门手柄实现手动控制。

其中，所述温度传感器包括水温传感器、中冷排气温度传感器，所述水温传感器安装在所述智能冷却水量调节阀进口管路上，中冷排气温度传感器设置在增压空气出中冷器管路上，在增压空气进、出中冷器管路上分别设置了压力传感器，以监测中冷器进气气压和排气气压，所述温度传感器和压力传感器分别将测得的信息输出到所述模拟量输入模块。

其中，所述报警监控单元包括10路开关量监控报警电路，其中5路为闭合报警电路，另 5路为断开报警电路，每一路报警电路都有固定的指示灯与其对应。

其中，所述人机交换界面包括触摸屏，对所述柴油机中冷智能调节装置的各项运行数据以柱状图或扇形图和数字显示的方式进行实时监测及对相关运行参数进行调整设定，同时进行报警显示。

有益效果

1.本实用新型的调节装置为了尽量少改动船上现有的管路，保留了原有的中冷器冷却水量调节阀阀体，重新设计了阀蕊、阀盖等部件，以方便与行星减速齿轮及伺服电机的连接，同时使调节阀兼顾自动与手动调节的功能，自动调节失效时，仍然能够手动进行操作，提高系统的安全性；

2.人机交换界面友好，方便管理。本实用新型将重要的运行工况参数(如中冷器进气压力、中冷器出气压力、中冷器出气温度、调节阀开度等)实时呈现在触摸屏上，以便轮机人员实时监测，同时我们还能在触摸屏上实现各项参数的查看、设定功能，一般轮机人员经过简单的学习便能熟练操作这套装置，方便了轮机人员的管理；

3.由于拖轮长期处于变负荷、变工况状态，而且多数时期拖轮处于中低负荷运转，所以中冷器冷却水量调节采用手动模式无法适应工况、负荷变化的需求，若按高负荷设定冷却水量调节阀的开度，那么低负荷时就会造成进气温度过低，从而可能导致低温腐蚀或凝水增加造成液击的危险，同时从柴油机热平衡方程式中我们也可以得知由于冷却水带走了大量的热量，也会导致柴油机的热效率下降；若按低负荷设定冷却水量调节阀的开度则又将造成高负荷时气缸进气温度过高，导致柴油机热负荷增加，燃烧和排放恶化(燃烧温度过高会使氮氧化增加)，所以合适的气缸进气温度对柴油机安全运行、节能和控制排放非常重要。通过本实用新型的调节装置实现的调节方法对港作拖轮或长期处于变负荷的工程船来说，不仅会使柴油机工况更加良好，提升柴油机运行的安全性、可靠性和使用寿命；而且还能达到节能和减排的效果。

附图说明

图1为现有冷却水量调节阀的结构示意图

其中，1，阀体；2，阀蕊；3，阀盖；4，阀门手柄

图2为本实用新型的框图(注：本实用新型装置可控制两台主机中冷器调节阀，所示框图仅以一台控制进行说明)

图3为本实用新型中智能冷却水量调节阀结构示意图

图3-1为图3沿A-A剖面示意图

其中，1，阀体；2，阀蕊；3，阀盖；4，阀门手柄，5，轴承；6，水封圈，7，“H”型活动铰扣；8，驱动手柄；9，尼龙垫片；10，凸轮；11，微动开关；12，支架；13，行星减速机；14，伺服电机；15，销

图4为本实用新型中温度传感器和压力传感器布置示意图

其中，A,智能冷却水量调节阀；a,水温传感器；b,中冷排气温度传感器；c，压力传感器

图5为本实用新型中报警监控单元电路图

图6为本实用新型中海水温度——最大开度系数设定曲线图

图7为为本实用新型中排气压力——开度系数设定曲线图

图8为本实用新型中预设模式流程图

图9为本实用新型中智能模式流程图

图10为本实用新型工作电路图

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

本实用新型的柴油机中冷智能调节装置，包括：左、右执行机构，其分别包括伺服控制器、伺服电机、行星减速机和冷却水量调节阀，在一中央控制器(先进的PLC型号为S7200SMART ST 60控制)的控制下，分别对应通过伺服控制器(型号为V90 200W)驱动伺服电机(型号为 200W五抱闸)经行星减速机减速后驱动智能冷却水量调节阀；左、右测量单元，其分别由温度传感器、压力传感器、模拟量输入模块(其中温度传感器型号为KZW/P Pt100,压力传感器型号为KZY-KO-HAG,模拟量输入模块型号为6ES7288-3AE08-0AA0)组成，分别将测量到的中冷器信息通过模拟量输入模块输入到中央控制器；中央控制器，其对左、右测量单元输入的测量信息进行计算、处理，对应输出控制信号给伺服控制器，以控制伺服电机对智能冷却水量调节阀开度进行调节，如有报警信号输入则输出报警信号；报警监控单元，其与中央控制器连接，输出报警信号；人机交换界面，其与中央控制器连接。如图2所示，本实用新型装置可控制两台主机中冷器调节阀，所示框图仅以一台控制进行说明，其中编码器位于伺服电机内，用于反馈阀的开度信号。

为了适应自动调节的需要，本实用新型对中冷器冷却水量调节阀部分结构进行了改造。保留阀体结构不变，对阀蕊及阀盖结构进行改造，对比图1现有的冷却水量调节阀结构图，本实用新型中的智能冷却水量调节阀如图3所示，在阀蕊的转轴内设有一轴承，并在该转轴内该轴承的下端设一水封圈密封，对阀蕊转轴增加了轴承支承和可靠的水封装置，这样做的目的是为了适应阀门自动调节的需要(原来手动调节，调节的频率非常的低，所以阀蕊转轴仅采用O型圈密封，改成自动调节后，阀门的开度会根据负荷变动而变动，调节频率高，这时要防止阀蕊转动轴封漏水并且还要能有效地减少转阀阻力，所以增设可靠的水封装置和轴承支撑是非常必要的)；行星齿轮减速机与智能冷却水量调节阀采用“H”型活动铰扣进行连接，如图3-1所示，当“H”型活动铰扣扣在阀门手柄上时伺服电机的转动将带动阀门转动实现阀门的自动控制；当活动铰扣翻起与阀门手柄脱开时，又能直接操作阀门手柄实现手动控制。图中，1，阀体；2，阀蕊；3，阀盖；4，阀门手柄，5，轴承；6，水封圈，7，“H”型活动铰扣；8，驱动手柄；9，尼龙垫片；10，凸轮；11，微动开关；12，支架；13，行星减速机；14，伺服电机；15，销。

本实用新型中温度传感器包括水温传感器a、中冷排气温度传感器b，如图4所示，水温传感器a安装在智能冷却水量调节阀A进口管路上，中冷排气温度传感器b设置在增压空气出中冷器管路上，在增压空气进、出中冷器管路上分别设置了压力传感器c，以监测中冷器进气气压和排气气压，温度传感器和压力传感器分别将测得的信息输出到模拟量输入模块。

本实用新型中报警监控单元包括10路开关量监控报警电路，其中5路为闭合报警电路，另5路为断开报警电路，每一路报警电路都有固定的指示灯与其对应。如图5所示为报警监控单元电路图。报警监控单元对输入到中央控制器的中冷器运行参数进行实时监控，并发出参数越限报警信号。报警监控单元对对输入到中央控制器的中冷器运行参数进行实时监控，并发出参数越限报警信号，包括：气缸进气温度超限报警和中冷器气侧脏堵报警。气缸进气温度超限报警为当柴油机气缸进气温度超过50℃时发出报警信号；中冷器气侧脏堵报警为通过实时监控中冷器进气和排气压力差值大小，实现对中冷器气侧脏堵的监测。其中，当中冷器进气和排气压力差值≥0.15kgf/cm²时，报警监控单元发出报警信号，并通过人机交换界面显示。

本实用新型的人机交换界面包括触摸屏，对柴油机中冷智能调节装置的各项运行数据(如气缸进气温度、海水温度、中冷进气压力、中冷排气压力<气缸进气压力>、冷却水量调节阀开度)以柱状图或扇形图和数字显示的方式进行实时监测及对相关运行参数(如气缸进气温度设定、原点设定、中冷器气侧脏堵设定及其它各项预设参数)进行调整设定，同时进行报警显示。

通过以上所述的柴油机中冷智能调节装置实现的调节方法，以增压空气压力和海水温度作为重要的参变量，对柴油机全负荷范围内冷却水量调节采取分段控制，控制模式分为预设模式和智能模式，预设模式为：让气缸进气温度在柴油机变负荷(中冷排气压力)的情况下始终保持在一个合理的区间，同时还能有效适应海水温度的变化，智能模式包括预设模式和精控模式，精控模式为以气缸进气温度与预设温度进行比较，如有偏差(中冷排气温度超出中冷排气设定温度±3℃)，中央控制器将输出调节信号给伺服控制器，伺服控制器驱动伺服电机转动带动调节阀调整开度，通过改变进入中冷器的冷却水量，使中冷排气温度达到预设温度，柴油机负荷稳定时，柴油机中冷智能调节装置将会开启精控模式，使中冷排气温度达到预设温度，实现精确控温；一旦柴油机负荷变化，柴油机中冷智能调节装置又将转为预设模式工作，直到下次负荷稳定时再度开启精控模式，实现精确控温。

其中，预设模式包括以下步骤(如图8所示)：

1)接通电源，首先自检并初始化伺服控制器，中央控制器通过报警监控单元读取外部报警信号输入，如有报警信号输入立即通过人机交换界面或报警监控单元通过报警指示灯及蜂鸣器输出报警；

2)中央控制器读取海水温度、中冷排气压力(气缸进气压力)、中冷排气温度(气缸进气温度)、中冷进气压力参数，而后对伺服控制器进行初始化，驱动伺服电机转动，通过触发安装在智能冷却水量调节阀阀体上的原点行程开关找到原点信号(阀门开度计算基准)；

3)当中央控制器检测到柴油机运转信号后(如图1所示，柴油机运转信号通过输入模块到中央控制器，其中该输入模块为柴油机速度继电器控制的继电器提供的开关量信号，速度继电器在柴油机安保系统均有配置，本实用新型只是从原有的柴油机安保系统上取了柴油机运转信号，如图10所示，当柴油机转速≥200rpm时，速度继电器触点SRY114(右机)、SRY214(左机)闭合，相应的继电器RY157(右机)、RY257(左机)线圈通电，常开触点闭合提供柴油机运转信号)，柴油机中冷智能调节装置自动开启运行；

4)中央控制器对复杂的热量交换进行线性化处理，根据收到的运行参数计算阀门的预设开度并调节阀门开度至新的预设开度，以维持气缸进气温度的相对稳定。

其中，线性化处理包括：为保持气缸进气温度相对稳定，在柴油机满负荷运行时，选取具有代表性的海水温度下所对应的智能冷却水量调节阀的开度值，经过连点成线，进行分段线性化处理，形成了一条“海水温度——最大开度系数设定”曲线(如图6所示)， 0/T3/T6…T_n/T_n+3…/T30分别为触摸屏设定的对应海水温度0℃/3℃/6℃…n℃/n+3℃…/30℃下阀门最大开度系数值，其中智能冷却水量调节阀门开度范围为0～90°，t代表当前监测到的海水温度，若T_n≤t＜T_n+3,那么当前海水温度对应的阀门最大开度系数的计算公式为：

这样设计的根据是柴油机一旦中冷器选型安装好以后，换热面积也就定下来了，增压空气的温度除了与压缩度有关，还与压缩前的初始温度有关，在各种特定负荷工况下，增压空气压缩度基本变化不大，增压空气的温度除了与压缩度有关，还与压缩前的空气初始温度有关，而空气初始温度和海水温度都属于环境温度的范畴(一般来说海水温度高，空气温度也高；海水温度低，空气温度也低)。所以对于船用柴油机的运行来说，真正决定中冷器换热能力的是海水温度。冷却海水温度高，换热能力差，那么为了交换同样的热量，就需要更多的水量进行冷却，表现在操作上就是同样负荷下冷却水量调节阀开度大；冷却海水温度低，换热能力强，交换同样的热量，需要的冷却水量就少，表现在操作上就是同样的负荷下冷却水量调节阀开度小。为了保证柴油机全天侯、全负荷范围内都能保持合适的气缸进气温度，一般中冷器都是按照最高海水温度和最大负荷(最高增压压力)进行选型设计的。当海水温度降低时，为了维持气缸的进气温度相对稳定，我们需要降低最大负荷对应冷却水量调节阀的开度以减少冷却水量。

不同负荷下需中冷器交换的热量与增压空气增压度呈正相关关系，增压度大(增压空气压力高)，需中冷器交换的热量多，需给中冷器供应更多的冷却水来进行换热，体现在操作上就是冷却水量调节阀的开度增大；增压度小(增压空气压力低)，需中冷器交换的热量少，那么就需要减少供给中冷器的冷却水量，体现在操作上就是冷却水量调节阀开度减小。在海水温度不变的情况下，为了维持气缸进气温度相对稳定，选取具有代表性的排气压力值所对应的阀门开度系数，经过连点成线，进行分段线性化处理，形成一条“排气压力——阀门开度系数”曲线(如图7所示)，P0/P0.16/P0.32…P_m/P_m+0.16…P1.6分别为触摸屏设定的对应排气压力冷却水量调节阀的开度系数值，p代表当前监测到的中冷器排气压力，若P_m≤p＜P_m+0.16, 那么当前排气压力对应的阀门开度系数的计算公式为：

阀门的预设开度a的开度计算公式为：a＝90°×K1％×K2％。

阀门开度K1曲线体现了海水温度(也代表环境温度)对冷却水量调节阀开度的影响，阀门开度K2曲线体现了增压压力(增压度)对冷却水量调节阀开度的影响。本实用新型中智能冷却水量调节阀门开度值是综合这两种因素结果(调节阀开度a＝90°×K1％×K2％)。比如主机运行时，系统检测到当前海水温度25℃，排气压力0.9kgf/cm²,在触摸屏上我们可以看到当前海水温度处于预设海水温度24℃和27℃之间，对应的阀门最大开度系数T24和T27设定值为分别为83和94，那么25℃的海水温度对应

计算出 K1＝86.667；同样，在触摸屏上我们可以看到当前排气压力处于预设排气压力0.80kgf/cm²和0.96kgf/cm²之间，对应的阀门开度系数P_0.80和P_0.96设定值分别为52和63，那么0.9kgf/cm²的排气压力对应

计算出K2＝58.875；此时智能冷却水量调节阀预设开度a＝90°×86.667％×58.875％，计算出a＝45.92°。中央控制器将45.92°阀门开度控制指令与经伺服控制器反馈回来的调节阀的真实开度进行比较(该调节阀的真实开度经伺服电机同轴转动的编码器输出到该伺服控制器)，如有偏差，控制器会根据偏差大小发送一条调节指令给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机转动带动调节阀到达相应开度。一旦中央控制器扫描到增压压力或冷却水温发生变化，又会根据新的运行参数重新计算阀门的预设开度并调节阀门开度至新的预设开度，以维持气缸进气温度的相对稳定。

本实用新型在智能模式下(如图9所示),伺服控制器会根据测量参数的变化来决定进入预设模式还是精控模式，在智能模式下，阀门开度控制先按照预设模式工作，阀门到达预设值后，经过若干秒(本实施例为40秒)后，中冷器排出压力和冷却水温没有变化，中冷排气温度超出排气设定温度±3℃时启动精控模式，自动启用PID算法，继续调整阀门，使中冷排气温度控制在设定温度范围内(当海水温度和柴油柴油机负荷保持相对稳定时，PLC处理器采集中冷器排气温度信号与预设温度进行比较，如有偏差且偏差超过限值，PLC处理器将输出调节信号给伺服控制器，伺服控制器器驱动伺服电机转动带动智能冷却水量调节阀调整开度，通过改变进入中冷器的冷却水量，使中冷排气温度达到预设温度，实现精确控温)。如果中冷器排出压力或冷却水温变化，又自动回到预设模式工作。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，包括

左、右执行机构，其分别包括伺服控制器、伺服电机、行星减速机和智能冷却水量调节阀，在一中央控制器的控制下，分别对应通过所述伺服控制器驱动伺服电机经行星减速机减速后驱动智能冷却水量调节阀；

左、右测量单元，其分别由温度传感器、压力传感器、模拟量输入模块组成，分别将测量到的中冷器信息通过所述模拟量输入模块输入到所述中央控制器；

中央控制器，其对所述左、右测量单元输入的测量信息进行计算、处理，对应输出控制信号给所述伺服控制器，以控制所述伺服电机对所述智能冷却水量调节阀开度进行调节，如有报警信号输入则输出报警信号；

报警监控单元，其与所述中央控制器连接，输出报警信号；

人机交换界面，其与所述中央控制器连接。

2.根据权利要求1所述的柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，所述智能冷却水量调节阀包括依次连接的阀体、阀蕊、阀盖和阀门手柄，所述阀蕊的转轴内设有一轴承，并在该转轴内该轴承的下端设一水封圈密封。

3.根据权利要求2所述的柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，所述行星减速机与智能冷却水量调节阀采用“H”型活动铰扣进行连接，当该“H”型活动铰扣扣在所述阀门手柄上时所述伺服电机的转动将带动所述智能冷却水量调节阀阀门的转动实现阀门的自动控制；当所述“H”型活动铰扣翻起与所述阀门手柄脱开时，能直接操作阀门手柄实现手动控制。

4.根据权利要求1所述的柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，所述温度传感器包括水温传感器、中冷排气温度传感器，所述水温传感器安装在所述智能冷却水量调节阀进口管路上，中冷排气温度传感器设置在增压空气出中冷器管路上，在增压空气进、出中冷器管路上分别设置了压力传感器，以监测中冷器进气气压和排气气压，所述温度传感器和压力传感器分别将测得的信息输出到所述模拟量输入模块。

5.根据权利要求1所述的柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，所述报警监控单元包括10路开关量监控报警电路，其中5路为闭合报警电路，另5路为断开报警电路，每一路报警电路都有固定的指示灯与其对应。

6.根据权利要求1所述的柴油机中冷智能调节装置，其特征在于，所述人机交换界面包括触摸屏。

Images