柴油机冷却水温度控制系统的改进

机电设计研究《机电技术》2009年第2期55柴油机冷却水温度控制系统的改进祁辉宇（江苏海事职业技术学院轮机工程系，江苏南京211170）摘要：目前船舶柴油机采用的气缸冷却水温度自动控制系统，在柴油机负荷突变或超负荷的情况下，会造成气缸冷却水进口温度过低或出口温度过高，无论哪种情况的出现对柴油机都是不利的。为此，本文提出一种改进措施，采用温度-流速双量控制方式。通过该控制方式能有效地防止上述情况的发生，同时又使进出管口的温差不超过12℃。关键词：冷却水进口温度出口温度定值控制双量控制中图分类号：U664.81＋4文献标识码：A文章编号：1672-4801（2009）02-055-003引语船舶柴油机气缸冷却水温度的自动控制系统的控制方法很多,总体分为三种:直接作用式,如WALTON恒温阀;气动控制方式,如TQWQ-C-405型;电动控制方式,如MR-Ⅱ型。这几种控制方式都是通过反馈环节控制柴油机气缸冷却水的进口管水温或出水管水温，使水温保持在给定值或给定值附近。但当柴油机超负荷的情况下，会造成气缸冷却水进口温度过低或出口温度过高。无论哪种情况的出现对柴油机都是不利的。柴油机气缸进口温度过低会造成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀；气缸出口温度过高会使缸壁滑油膜蒸发、缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化。对于中高速柴油机，一般出口温度可控制在70℃～80℃（不烧含硫重油时），低速机可控制在60℃～70℃，进出口温差不大于12℃。为提高柴油机运转的安全性、可靠性和经济性，本文提出一种改进措施，采用温度-流速双量控制方式，通过该控制方式能有效地防止柴油机在超负荷的情况下气缸冷却水进口温度过低或出口温度过高现象的发生。1目前船舶柴油机气缸冷却水温度自动控制的一般方法为了确保柴油机安全、可靠和经济地运转，气缸套和气缸盖要用淡水来冷却，使冷却水温度控制在昀佳值或昀佳值附近。常用三通调节阀实现水温的控制，如图1所示。该方法是把冷却水泵排出的总水量分成两部分：一部分先通过淡水冷却器到三通调节阀，这部分水量在淡水冷却器中经海水冷却其水温会降低，称为冷却水量；另一部分不通过冷却器冷却，通过旁通管路直接到三通调节阀，称为旁通水量。冷却水量与旁通水量在三通阀中混合，然后进入柴油机气缸的冷却空间。三通调节阀起到控制冷却水量和旁通水量比例多少的作用，但两部分水量的总和，即总排水量在三通调节阀的调节过程中可以认为是保持不变的。1柴油机2水泵3调节器4三通调节阀5淡水冷却器6感温元件图1气缸冷却水温度控制原理冷却水温度自动控制系统由淡水冷却器、测温元件、调节器和三通调节阀等基本单元组成，如图1所示。图1(a)的感温元件装在柴油机冷却水进口管上，图1(b)的感温元件装在柴油机冷却水出口管处。感温元件输出信号与冷却水进口（或出口）温度成比例变化。感温元件输出信号送入调节器。调节器把冷却水温度给定值与测量值相比较得到偏差值。然后按某种作用规律输出一个控制信号送至执行机构，从而改变三通阀的开度，把冷却水的进口（或出口）温度控制在给定值或给定值附近。目前船舶上对柴油机气缸冷却水温度的自动控制系统的控制方法很多,总体分为三种:直接作用式,如WALTON恒温阀；气动控制方式,如TQWQ-C-405型;电动控制方式,如MR-Ⅱ型。而无论哪一种控制方式都是通过反馈环节控制柴油机气缸冷却水的进口管水温或出水管水温使其保持在给定值或给定值附近。2柴油机气缸冷却水温度控制系统存在的缺陷分析图1(a)的感温元件装在柴油机冷却水进口管上，通过闭环控制系统，柴油机气缸冷却水的进《机电技术》2009年第2期机电设计研究56口管水温保持在给定值或给定值附近。但冷却水的出口温度会随柴油机负荷的变化而有所变化，在超负荷运行时，气缸温度升高，在进口冷却水的温度和流速不变的情况下，冷却水出口温度将会发生过高的现象。其过程如下：图1(b)是把感温元件装在柴油机冷却水出口处，这时冷却水出口温度可以控制在给定值或给定值附近。但进口温度会随负荷的变化而变化，在超负荷时，气缸温度升高，初始时进口冷却水的温度和流速不变，冷却水出口温度升高，超过给定值，调节器输入负温度偏差信号，通过一定的运算关系和作用方式，调节器输出控制信号给执行机构，执行机构去控制三通阀的开度，增大冷却水量，减小旁通水量，冷却水进口温度下降。经过一段时间的调整，冷却水出口温度被控制在给定值或给定值附近，而冷却水进口温度将会发生过低的现象。其控制过程如下：通过以上分析可知，无论将测温元件放置在柴油机气缸冷却水的进口管路上以控制进口水温，还是将测温元件放置在柴油机气缸冷却水的出口管路上以控制出口水温，在超负荷的情况下，会造成气缸冷却水出口温度过高或进口温度过低，对柴油机都是不利的。柴油机冷却有以下作用：首先，冷却可以保持受热件的工作温度不超过材料所允许的限值，从而可保证在高温状态下受热部件的足够强度；其次，冷却可以保证受热件内外壁面适当的温差，减少受热件的热应力；此外，冷却还可以保证运动部件如活塞与缸套的适当间隙、缸壁工作面滑油膜的正常工作状态。在管理中应兼顾柴油机冷却的两方面要求，既不使柴油机因过分冷却而过冷，也不使柴油机因缺乏冷却而过热。柴油机气缸进口温度过低会造成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀。气缸出口温度过高会使缸壁滑油膜蒸发、缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化。对于中高速柴油机，一般出口温度可控制在70℃～80℃（不烧含硫重油时），低速机可控制在60℃～70℃；进出口温差不大于12℃。3改进的措施为了使柴油机在超负荷的情况下，气缸冷却水进口温度过低或出口温度过高，无论哪种情况的出现对柴油机都是不利的。为此必须对温度控制系统进行改进，其措施是采用温度-流速双量控制方式，其原理如图2、图3所示。图2和图3相对于图1增加了一个感温元件和水泵转速控制电路。1柴油机2水泵3、9调节器4三通调节阀5淡水冷却器6、7感温元件8比较器10转速控制电路图2汽缸冷却水温度-流速控制原理图该电路采用双重控制方式，两种控制系统。由感温元件7，水泵转速控制电路，水泵，柴油机，构成冷却水流速控制系统；由感温元件6，调节器，三通阀，柴油机，构成冷却水温度定值控制系统。两种系统既相互独立，又相互联系。柴油机在正常负荷时，电动机转速较低，温度控制系统在冷却水流速处于较低的情况下，通过冷却水温度定值控制系统对冷却水进行定值控制；柴油机在超负荷时，当进出口温差超过设定值（如12℃），电动机转速提高，温度控制系统在冷却水流速处于较高的情况下对冷却水进行定值控制，提高冷却效果，这一方面使气缸冷却水的进口管温度或出口管温度控制在昀佳值或昀佳值附近，同时又使进出管口的温差不超过12℃。对图2，当柴油机负荷不超载时，感温元件7输出信号所对应的冷却水出口温度不太高，转速控制电路以正常转速旋转，冷却水的流动速度为0.7m/s速度流动，此时系统在冷却水流速处于较低的情况下，通过感温元件6所在的温度定值控机电设计研究《机电技术》2009年第2期57制环节保持气缸冷却水进口温度在75℃左右；当柴油机负荷超载时，感温元件7输出信号所对应的冷却水出口温度较高，当出口温度与进口温度之差高于事先设定的开关控制限值时，通过调节器9和门控电路使水泵转速控制电路动作，从而使水泵电动机转速从正常转速升高为高速运转状态，冷却水的流动速度加快，提高冷却水的冷却效果，有效地防止冷却水出口温度过高现象的发生。同时，系统在冷却水流速处于较高的情况下，通过感温元件6所在的温度定值控制环节保持气缸冷却水进口温度在75℃左右。1柴油机2水泵3、9调节器4三通调节阀5淡水冷却器6、7感温元件8比较器10转速控制电路图3汽缸冷却水温度-流速控制原理图同理，对图3，当柴油机负荷不超载时，感温元件7输出信号所对应的冷却水进口温度不太低，转速控制电路以正常转速旋转，冷却水的流动速度为0.7m/s速度流动，此时系统在冷却水流速处于较低的情况下，通过感温元件6所在的温度定值控制环节保持气缸冷却水出口温度在75℃左右；当柴油机负荷超载时，感温元件7输出信号所对应的进口温度较低，当出口温度与进口温度之差高于事先设定的开关控制限值时，通过调节器9和门控电路使水泵转速控制电路动作，从而使水泵电动机转速从正常转速升高为高速运转状态，冷却水的流动速度加快，提高冷却水的冷却效果，有效地防止冷却水进口温度过低现象的发生。同时，系统在冷却水流速处于较高的情况下，通过感温元件6所在的温度定值控制环节保持气缸冷却水出口温度在75℃左右。转速控制电路原理如图6，来自于调节器9的电压信号与阀值信号E相比较，E的值为对应于出口和进口温差等于12℃的电压值，当温差小于12℃时，Ui＜E，二极管截止，运算放大器的输出由E值确定，通过触发电路和晶闸管交流调压电路输出一定的电压，泵机对应一种转速；当温差大于12℃时，Ui＞E，二极管导通，运算放大器的输出由Ui值确定，通过触发电路，使晶闸管交流调压电路输出电压提高，泵机转速提高。图4水泵电机转速控制电路原理图4结束语通过以上分析，我们看出柴油机在超负荷状态下，现有的气缸冷却水温度控制系统不能满足对冷却水温度的要求，出现气缸出口冷却水温度过高，使缸壁滑油膜蒸发、缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化；或出现气缸进口冷却水温度过低会造成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀。这种缺陷的存在必然会使柴油机的故障增多，降低柴油机的工作寿命。在原有的柴油机冷却水温度控制系统的基础上增加淡水泵的转速控制环节，实现温度、流速的双量控制。这样这一方面使气缸冷却水的进口管温度或出口管温度控制在昀佳值或昀佳值附近，同时又使进出管口的温差不超过12℃，从而满足了柴油机对冷却水温度的要求，进一步提高了柴油机工作的安全性、可靠性和经济性。参考文献[1]郑凤阁,李凯.轮机自动化[M].大连:大连海事大学出版社,2005.[2]杜荣铭,船舶柴油机[M].大连:大连海事大学出版社,2005.[3]陈渝光.电气自动控制原理与系统[M].北京:机械工业出版社,2008.[4]贺一平.电工学[M].大连:大连海事出版社.2003.[5]叶红春.关于舰船自动化舱室控温系统接口电路设计[J].船电技术,2001（3）.作者简介：祁辉宇（1963年-），男，江苏，高校教师，研究方向：船舶电气设备及其自动控制.