一种船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶冷却控制技术领域，尤其是一种船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统及方法。

背景技术

发动机在工作时，自身会产生大量的热量，造成发动机机体和整机相关部件的温度升高，当温度高于一定的值后，会影响到发动机的正常工作，当前的船机发动机系统包括发动机、供气系统及冷却系统，供气系统包括中冷器，当前船用发动机中冷器采用单一冷却介质冷却增压后气体温度。

目前普遍采用海水对中冷气中增压的空气进行冷却，但海水温度低，存在过度冷却的问题，无法保证发动机的最佳运行温度；并且海水中杂质较多，即使海水进入中冷器冷却前进行过滤，也无法彻底消除海水杂质对中冷器可靠性的影响。而如果采用淡水冷却中冷器，中冷器因进水温度高，实现相同的冷却效果往往需要配置更大的中冷器体积，造成空间布局紧张。此外，当前的发动机冷却系统按标定点中冷后气温作为控制边界进行性能开发，保证发动机在最苛刻工况下的冷却能力，但在其他发动机工况，无法调节合适的中冷后温度。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统及方法，采用海水和淡水双循环分级冷却，在保证冷却能力的情况下，还能兼顾中冷器的可靠性以及调节发动机在全工况下保持最优的进气温度。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，一种船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统，包括淡水泵和海水泵，海水泵通过管路依次连接中冷器和热交换器以形成外冷却循环回路，淡水泵通过管路依次连接中冷器、发动机、热交换器以形成内冷却循环回路；海水泵出水口的管路通过带有第一旁通阀的旁路连接热交换器进水口管路，淡水泵出水口的管路通过带有第二旁通阀的旁路连接发动机进水口管路，中冷器出气口处设置温度传感器，发动机控制单元根据发动机所处不同工况以调节第一旁通阀和第二旁通阀开度。

作为进一步的实现方式，所述中冷器的进气口通过管路连接增压器，发动机控制单元根据温度传感器反馈的温度数据修正第一旁通阀和第二旁通阀开度。

作为进一步的实现方式，所述外冷却循环回路上的旁路一端连接第一旁通阀，另一端连接靠近中冷器第一出水口的管路，形成第一旁路，通过第一旁路形成外冷却小循环回路。

作为进一步的实现方式，所述内冷却循环回路上的旁路一端连接第二旁通阀，另一端连接靠近中冷器第二出水口的管路，形成第二旁路，通过第二旁路形成内冷却小循环回路。

作为进一步的实现方式，所述第一旁通阀和第二旁通阀均为比例三通阀。

第二方面，一种船机分级冷却的中冷后温度闭环控制方法，采用中冷后温度闭环调节系统，包括如下步骤：

标定发动机各工况下最佳的中冷后温度，并将对应的第一旁通阀和第二旁通阀的开度情况输入发动机控制单元，得到中冷后温度MAP图，之后发动机控制单元根据发动机不同工况进行MAP调用；

若发动机处于第一转速范围，发动机控制单元开启第一旁通阀和第二旁通阀，以实现第一旁路和第二旁路为开启状态，外冷却循环回路和内冷却循环回路不参与调节中冷后温度；

若发动机处于第二转速范围，发动机控制单元逐渐调节第二旁通阀关闭角度直至全关，通过内冷却循环回路参与调节中冷后温度；

若发动机处于第三转速范围，发动机控制单元逐渐调节第一旁通阀关闭角度直至全关，通过外冷却循环回路和内冷却循环回路共同参与调节中冷后温度。

作为进一步的实现方式，所述发动机控制单元获取温度传感器的检测温度数据，并与中冷后温度MAP图对比后进行第一旁通阀、第二旁通阀开启角度的修正，实现闭环控制。

作为进一步的实现方式，在满足中冷器空间布置的情况下，增大淡水冷却比例以提高系统可靠性。

作为进一步的实现方式，外冷却循环回路和内冷却循环回路共同参与调节中冷后温度时，优先采用内冷却循环回路参与调节。

作为进一步的实现方式，发动机控制单元对第一旁通阀、第二旁通阀开启角度的修正包括如下步骤：

若温度传感器检测温度数据高于设定值，发动机控制单元调节第一旁通阀、第二旁通阀开度以增大海水和淡水进入中冷器的流量；

若温度传感器检测温度数据低于设定值，发动机控制单元调节第一旁通阀、第二旁通阀开度以减少海水和淡水进入中冷器的流量；修正时，优先采用内冷却循环回路参与调节。

上述本发明的有益效果如下：

1.本发明在外冷却循环回路和内冷却循环回路上均通过旁通阀设置旁路，发动机控制单元可以根据发动机所处不同工况以调节第一旁通阀和第二旁通阀开度，进而实现了海水和淡水双循环分级冷却，保证冷却能力的同时兼顾可靠性以及调节发动机在全工况下保持最优的进气温度。

2.本发明提前标定发动机各工况下最佳的中冷后温度，并将对应的第一旁通阀和第二旁通阀的开度情况输入发动机控制单元，得到中冷后温度MAP图，之后发动机控制单元可以根据发动机不同工况进行MAP调用。

3.本发明在中冷器出气口设置温度传感器，发动机控制单元根据发动机工况下进行MAP调用并通过中冷后温度传感器反馈的温度数值进行修正，保证第一旁通阀和第二旁通阀的最佳开启角度，实现闭环控制。

4.因海水温度低于淡水温度，相同流量下具备更好的冷却效果，因此本发明优先采用淡水冷却的方式，可兼顾到中冷器的体积，便于整机布置；在满足中冷器空间布置的情况下，可以增大淡水冷却比例以提高系统可靠性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统的整体结构示意图。

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。

其中：1.发动机，2.中冷器，3.热交换器，4.增压器，5.海水泵，6.淡水泵；

21.温度传感器，51.外冷却循环回路，52.第一旁通阀，61.内冷却循环回路，62.第二旁通阀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

中冷器：用于降低增压后的空气温度，以降低发动机的热负荷；

标定点：通常也指发动机的额定功率点，即最大功率点。

实施例一

本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，一种船机分级冷却的中冷后温度闭环调节系统，包括发动机1、中冷器2、热交换器3、增压器4、海水泵5和淡水泵6。

中冷器2的进气口通过管路连接增压器，气体经过增压器4增压后进入中冷器2，之后通过中冷器2的出气口进入发动机中。可以理解的是，气体在经过增压器4增压后，气体的压力和温度升高，通过中冷器2对气体降温，提高气体密度，能够保证后续发动机1的工作效率。

如图1所示，海水泵5通过管路依次连接中冷器2和热交换器3以形成外冷却循环回路51；淡水泵6通过管路依次连接中冷器2、发动机1、热交换器3以形成内冷却循环回路61。

本实施例海水泵5能够将海水依次泵入中冷器2、热交换器3，淡水泵6能够将淡水依次泵入中冷器2、发动机1、热交换器3，进入热交换器3的海水和淡水换热，提高淡水对发动机1的冷却效果。换热后的海水从热交换器3的海水出水口排至大海。

如图1所示，海水泵5出水口的管路通过带有第一旁通阀52的旁路连接热交换器3的进水口管路，外冷却循环回路51的管路通过中冷器2第一进水口进入中冷器2，通过中冷器2第一出水口从中冷器2延伸出来连接热交换器3。

本实施例的外冷却循环回路15上的旁路一端连接第一旁通阀52，另一端连接靠近中冷器2第一出水口处的管路，形成外冷却循环回路51上的第一旁路，通过第一旁路形成外冷却小循环回路。本实施例的外冷却小循环回路指的是依次连接的海水泵5、第一旁路、热交换器3及相应的连接管路。

淡水泵6出水口的管路通过带有第二旁通阀62的旁路连接发动机进水口管路，内冷却循环回路61的管路通过中冷器第二进水口进入中冷器2，通过中冷器2第二出水口从中冷器2延伸出来连接发动机1。

本实施例的内冷却循环回路61上的旁路一端连接第二旁通阀62，另一端连接靠近中冷器2第二出水口处的管路，形成内冷却循环回路61上的第二旁路，通过第二旁路形成内冷却小循环回路。本实施例的内冷却小循环回路指的是依次连接的淡水泵5、第二旁路、发动机1、热交换器3及相应的连接管路。热交换器3的淡水出口通过管路连接淡水泵6的进口，形成循环回路。

本实施例的发动机控制单元可以根据发动机所处不同工况以调节第一旁通阀52和第二旁通阀62开度。第一旁通阀52和第二旁通阀62均为比例三通阀。

具体的，在该系统应用之前，发动机不同转速及负荷工况，通过调节第一旁通阀52和第二旁通阀62的开启程度，在满足排放规限值前提下，基于发动机油耗最低原则，标定发动机各工况下最佳的中冷后温度，并将对应的第一旁通阀52和第二旁通阀62的开度情况输入发动机控制单元，得到中冷后温度MAP图，之后发动机控制单元可以根据发动机不同工况进行MAP调用。

考虑到标定的中冷后温度MAP图与发动机系统实际应用过程中的环境温度等因素不同，中冷器2出气口处设置温度传感器21，发动机控制单元根据发动机工况下进行MAP调用并通过中冷后温度传感器21反馈的温度数值进行修正，可以实现闭环控制，保证第一旁通阀52和第二旁通阀62的最佳开启角度；同时也能解决阀使用时间加长，机械磨损带来的开启角度偏差的问题。

若发动机1处于第一转速范围，发动机控制单元开启第一旁通阀和第二旁通阀，以实现第一旁路和第二旁路为开启状态，此时外冷却循环回路51和内冷却循环回路61不参与调节中冷后温度；即淡水和海水均不进入中冷器2给气体降温，第一转速范围为发动机怠速、低负荷工况，此时增压后的气体温度本身较低，不需要进行降温冷却，可以降低发动机1冒白烟风险。

若发动机1处于第二转速范围，发动机控制单元逐渐调节第二旁通阀关闭角度直至全关，通过内冷却循环回路中的淡水参与调节中冷后温度，外冷却循环回路上的第一旁路为流通状态，海水不进入中冷器2参与调节中冷后温度，保证中冷器的可靠性。第二转速范围为中等转速、中等负荷；

若发动机1处于第三转速范围，发动机控制单元逐渐调节第一旁通阀52关闭角度直至全关，通过外冷却循环回路51和内冷却循环回路61共同参与调节中冷后温度。

实施例二

一种船机分级冷却的中冷后温度闭环控制方法，采用中冷后温度闭环调节系统，包括如下步骤：

在该系统应用之前，发动机不同转速及负荷工况，通过调节第一旁通阀52和第二旁通阀62的开启程度，在满足排放规限值前提下，基于发动机油耗最低原则，标定发动机各工况下最佳的中冷后温度，并将对应的第一旁通阀52和第二旁通阀62的开度情况输入发动机控制单元，得到中冷后温度MAP图，之后发动机控制单元可以根据发动机不同工况进行MAP调用。

若发动机1处于第一转速范围，第一转速范围为发动机1怠速以及低负荷工况，此时发动机控制单元开启第一旁通阀52和第二旁通阀62，以实现第一旁路和第二旁路为开启状态，外冷却循环回路51中的海水和内冷却循环回路61中的淡水不进入中冷器2，不参与调节中冷后温度，降低发动机1冒白烟的风险。

随着发动机1转速提高，若发动机1处于第二转速范围，第二转速范围为发动机1中等转速、中等负荷情况，进入中冷器2的空气温度需要冷却时，优先控制内冷却循环回路61，发动机控制单元逐渐调节第二旁通阀62关闭角度直至全关，通过内冷却循环回路61参与调节中冷后温度。

在此转速范围内，随着发动机1转速提高，第二旁通阀62控制的第二旁路逐渐被关闭直至最后全关，第二旁路全关后，内冷却循环回路61全部参与中冷后温度的调节。依靠淡水进行冷却，因发动机淡水相较海水杂质少，可有效提高中冷器保养周期及使用寿命。

发动机1在第二转速范围下，依靠淡水冷却可基本达到冷却要求，而随着增压后气体温度进一步提升，即发动机1处于第三转速范围：高转速、高负荷工况下，此时单纯依靠淡水冷却无法满足冷却要求，需要引入海水冷却。

发动机控制单元逐渐调节第一旁通阀52关闭角度直至全关，通过外冷却循环回路51和内冷却循环回路61共同参与调节中冷后温度。此过程中，外冷却循环回路中的海水进入中冷器的量增大，冷却效率逐渐提高。因海水温度低于淡水温度，相同流量下具备更好的冷却效果，可兼顾到中冷器的体积，便于整机布置。

因此，本实施例只在发动机1处于高转速、高负荷情况下才控制海水参与冷却，可有效提高中冷器保养周期及使用寿命。

考虑到标定的中冷后温度MAP图与发动机系统实际应用过程中的环境温度等因素不同，中冷器出气口处设置温度传感器，发动机控制单元根据发动机工况下进行MAP调用并通过中冷后温度传感器反馈的温度数值进行修正：发动机控制单元获取温度传感器的检测温度数据，并与中冷后温度MAP图对比后进行第一旁通阀、第二旁通阀开启角度的修正可以实现闭环控制，保证第一旁通阀和第二旁通阀的最佳开启角度；同时也能解决阀使用时间加长，机械磨损带来的开启角度偏差的问题。

本实施例的中冷后温度MAP图一般在标准环境(进气温度25℃，大气压力100kPa，相对湿度30％)下标定而来，当发动机实际运行环境与标准环境发生偏离时，会造成按原MAP调用的阀开度下，无法满足此时的增压后气体温度冷却需求。此时，根据温度传感器检测的实时数据，发动机控制单元判断若与标定温度偏差较大，则会对阀开度进行修正。

具体的，发动机控制单元对第一旁通阀、第二旁通阀开启角度的修正包括如下步骤：

若温度传感器检测温度数据高于设定值(标定温度)，发动机控制单元调节第一旁通阀、第二旁通阀开度以增大海水和淡水进入中冷器的流量；

若温度传感器检测温度数据低于设定值(标定温度)，发动机控制单元调节第一旁通阀、第二旁通阀开度以减少海水和淡水进入中冷器的流量；修正时，优先采用内冷却循环回路参与调节。

若温度传感器检测温度数据与标定温度温和，发动机控制单元依据中冷后温度MAP图继续运行。

可以理解的是，外冷却循环回路51和内冷却循环回路61共同参与调节中冷后温度时，优先采用内冷却循环回路61参与调节，在满足中冷器空间布置的情况下，本实施例可以增大淡水冷却比例以提高系统可靠性。

本实施例实现了海水和淡水双循环分级冷却，保证冷却能力的同时兼顾可靠性；同时进行预标定MAP，采用闭环控制，可以根据发动机的具体工况不同，调节合适的中冷后温度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。