內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法與流程

本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)控制領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法。

背景技術(shù)：

內(nèi)燃機(jī)車(chē)渦輪增壓柴油機(jī)的冷卻水系統(tǒng)分高溫冷卻水系統(tǒng)和中冷水系統(tǒng)(中冷水系統(tǒng)也稱(chēng)作低溫冷卻水系統(tǒng))，高溫冷卻水系統(tǒng)和中冷水系統(tǒng)是兩個(gè)完全獨(dú)立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻水系統(tǒng)的散熱器在設(shè)計(jì)時(shí)是通過(guò)兩個(gè)完全獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)的，柴油機(jī)啟動(dòng)后，高溫水泵和中冷水泵開(kāi)始工作，水泵將冷卻水輸入柴油機(jī)的進(jìn)水總管，冷卻水受熱升溫后，由出水總管流出，流進(jìn)機(jī)車(chē)?yán)鋮s裝置的散熱器中，由冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)空氣進(jìn)行冷卻。流經(jīng)散熱器冷卻后的冷卻水，流回高溫水泵和中冷水泵，這樣不斷地往復(fù)循環(huán)。

通過(guò)內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)用工況的最高環(huán)境溫度和柴油機(jī)性能實(shí)驗(yàn)所得的熱量、柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫限值、柴油機(jī)中冷水進(jìn)口水溫限值、水泵流量等相關(guān)參數(shù)，通過(guò)換熱學(xué)計(jì)算，分別計(jì)算出柴油機(jī)高溫冷卻水系統(tǒng)和中冷水系統(tǒng)所需的散熱器的尺寸，并在此基礎(chǔ)上為高溫散熱器和中冷散熱器各預(yù)留10％的余量來(lái)滿(mǎn)足機(jī)車(chē)正常運(yùn)用的要求。

將柴油機(jī)中冷器的進(jìn)氣溫度控制在50℃～55℃時(shí)，可以改善柴油機(jī)性能和減少排放，這是眾所周知的。柴油機(jī)中冷器的進(jìn)氣是通過(guò)中冷水系統(tǒng)來(lái)冷卻的，換言之，將柴油機(jī)的中冷水進(jìn)口水溫控制在45℃以下，可以有效的改善柴油機(jī)性能和減少排放。然而，使用現(xiàn)有技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)將柴油機(jī)的中冷水進(jìn)口水溫設(shè)定在45℃(柴油機(jī)的中冷水進(jìn)口水溫限值通常在60℃以上)，中冷散熱器會(huì)非常的大，這樣在空間布置非常緊張的內(nèi)燃機(jī)車(chē)中很難實(shí)現(xiàn)。

這種現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)方法可以保證機(jī)車(chē)的正常運(yùn)用，但無(wú)法改善柴油機(jī)性能和減少排放。隨著世界性的能源緊張和環(huán)境，污染等問(wèn)題嚴(yán)重影響著全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人類(lèi)的生存環(huán)境。節(jié)能、環(huán)保課題逐漸提上日程，顯然對(duì)于采用節(jié)能、環(huán)保理念的今天，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法,機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)用中最高環(huán)境溫度很少出現(xiàn)并且機(jī)車(chē)并不是一直在滿(mǎn)負(fù)荷下工作，環(huán)境溫度越低或機(jī)車(chē)使運(yùn)用功率越小，高溫散熱器和中冷散熱器的散熱能力的余量越大。這時(shí)高溫冷卻水的散熱能力顯然過(guò)剩，將高溫冷卻水的過(guò)剩的散熱能力應(yīng)用到中冷水系統(tǒng)中，對(duì)改善柴油機(jī)性能和減少排放能起到積極的作用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法，包括2個(gè)冷卻水回路，為高溫冷卻水回路和中冷水回路，高溫冷卻水回路包括高溫水泵、柴油機(jī)、高溫散熱器，中冷水回路包括中冷水泵、中冷器、中冷散熱器，所述的高溫冷卻水回路和中冷水回路通過(guò)閥A和閥B連接，所述的閥A的兩端分別連接中冷水泵的出口和高溫水泵的入口，所述的閥B的兩端分別連接高溫水泵的出口和中冷水泵的入口，閥A受控于閥控器A，閥B受控于閥控器B，控制計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)給閥控器A和閥控器B，溫度傳感器檢測(cè)柴油機(jī)高溫出口水溫T，將檢測(cè)信號(hào)傳輸給控制計(jì)算機(jī)；

設(shè)置T1為閥開(kāi)啟溫度，當(dāng)柴油機(jī)高溫出口水溫T<T1時(shí)，閥A和閥B關(guān)閉，高溫冷卻水回路和中冷水回路獨(dú)立循環(huán)，高溫冷卻水回路消耗常規(guī)的冷卻能力，而剩余的冷卻能力分配給中冷水回路；當(dāng)柴油機(jī)高溫出口水溫T＝T1時(shí)，控制計(jì)算機(jī)激活閥控器A和閥控器B打開(kāi)閥A和閥B，中冷水回路中的一些相對(duì)溫度低的冷卻液流向高溫冷卻水回路，同時(shí)，高溫冷卻水回路中相同體積的相對(duì)溫度高的冷卻液流向中冷水回路，一部分中冷散熱器內(nèi)設(shè)的冷卻能力有效的轉(zhuǎn)移去冷卻高溫冷卻水回路中的冷卻液；

當(dāng)柴油機(jī)高溫出口水溫T>T1時(shí)，閥A和閥B逐漸開(kāi)大，對(duì)流速率增加，使高溫冷卻水回路和中冷水回路的冷卻液的溫度保持在允許的設(shè)計(jì)溫限范圍內(nèi)；當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在標(biāo)定的最高環(huán)境溫度40℃時(shí)，柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫的限值為98℃，柴油機(jī)中冷水進(jìn)口水溫的限值為65℃。

所述的閥開(kāi)啟溫度T1為90℃。

本發(fā)明的有益效果是對(duì)于機(jī)車(chē)發(fā)展的環(huán)保要求得到改善，在內(nèi)燃機(jī)車(chē)的冷卻水系統(tǒng)中采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法，并對(duì)本發(fā)明進(jìn)行合理應(yīng)用，預(yù)計(jì)燃油消耗率可以降低2-3的百分點(diǎn)，NOx排放約降低8-12個(gè)百分點(diǎn)，提高柴油機(jī)性能。

附圖說(shuō)明

圖1為內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法原理框圖。

圖2為內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分離式中冷控制方法3種工作狀態(tài)圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖1和附圖2對(duì)發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，機(jī)車(chē)實(shí)際運(yùn)用中最高環(huán)境溫度很少出現(xiàn)并且機(jī)車(chē)并不是一直在滿(mǎn)負(fù)荷下工作，環(huán)境溫度越低或機(jī)車(chē)使用功率越小，高溫散熱器和中冷散熱器的散熱能力的余量越大。這時(shí)高溫冷卻水的散熱能力顯然過(guò)剩，如果能把這部分過(guò)剩的散熱能力應(yīng)用到中冷水系統(tǒng)中，顯然對(duì)改善柴油機(jī)性能和減少排放能起到積極的作用。

本發(fā)明應(yīng)用于渦輪增壓柴油機(jī)的冷卻水系統(tǒng)，定義了一種當(dāng)散熱器和風(fēng)扇尺寸確定的冷卻水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)冷卻能力超過(guò)需求時(shí)有能力用一部分冷卻能力來(lái)增強(qiáng)中冷器進(jìn)氣空氣的冷卻，增強(qiáng)的中冷器冷卻會(huì)改善柴油機(jī)性能和減少排放。機(jī)車(chē)的冷卻能力主要取決于散熱器和冷卻風(fēng)扇的尺寸，并且設(shè)計(jì)機(jī)車(chē)在運(yùn)用的最高環(huán)境溫度工況下和柴油機(jī)功率滿(mǎn)負(fù)荷的條件下可以將柴油機(jī)中冷卻液的溫度冷卻到可接受的范圍內(nèi)。另一方面，機(jī)車(chē)運(yùn)用不在最高環(huán)境溫度工況下或者柴油機(jī)功率較低時(shí)所需要的冷卻能力會(huì)低于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大冷卻能力。這樣，散熱器就有過(guò)剩冷卻能力。如何利用這一部分過(guò)剩的冷卻能力在中冷器中對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻是本發(fā)明的關(guān)鍵。

本發(fā)明方案如下：設(shè)計(jì)時(shí)，高溫散熱器的冷卻能力只能滿(mǎn)足柴油機(jī)全功率、環(huán)境溫度25℃條件下的冷卻，此時(shí)柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫為98℃(柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫的限值為98℃)。中冷散熱器的冷卻能力可以滿(mǎn)足柴油機(jī)全功率、環(huán)境溫度25℃條件下的冷卻，此時(shí)柴油機(jī)中冷水進(jìn)口水溫為45℃(柴油機(jī)中冷水進(jìn)口水溫的限值為65℃),如果換算柴油機(jī)中冷水進(jìn)口水溫為65℃，中冷散熱器的余量約為150％左右。依據(jù)散熱器、風(fēng)扇和水泵的規(guī)格，可以確定柴油機(jī)高溫出口水溫T達(dá)到一個(gè)不會(huì)危害機(jī)車(chē)可靠運(yùn)行的上限溫度T1(通常T1為90℃左右)，這個(gè)溫度T1稱(chēng)之為閥開(kāi)啟溫度，閥A和閥B的開(kāi)啟溫度，圖2為柴油機(jī)高溫出口水溫T在大于、等于、小于閥開(kāi)啟溫度T1的三種工作狀態(tài)下的方框圖，從圖1可以看出，當(dāng)溫度傳感器測(cè)定的柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫T小于T1時(shí)，高溫冷卻水回路和中冷水回路獨(dú)立循環(huán)，此時(shí)系統(tǒng)總冷卻能力的一大部分分配給中冷水系統(tǒng)，增強(qiáng)對(duì)中冷器進(jìn)氣空氣的冷卻。當(dāng)溫度傳感器測(cè)定的柴油機(jī)高溫冷卻水出口水溫T等于T1時(shí)，控制計(jì)算機(jī)就會(huì)激活閥控器來(lái)打開(kāi)連接閥(閥A和閥B)。由于開(kāi)啟了連接閥，中冷水回路中的一些相對(duì)溫度低的冷卻液流向高溫冷卻水回路，同時(shí)，高溫冷卻水回路中相同體積的相對(duì)溫度高的冷卻液流向中冷水回路。隨著溫度傳感器測(cè)定的高溫出口水溫T的上升，連接閥越開(kāi)越大，對(duì)流速率也在增加，最終使高溫冷卻水回路和中冷水回路的冷卻液的溫度保持在允許的設(shè)計(jì)溫限范圍內(nèi)。實(shí)際上，通過(guò)這種對(duì)流傳質(zhì)，一部分中冷散熱器內(nèi)設(shè)的冷卻能力有效的轉(zhuǎn)移去冷卻高溫冷卻水回路中的冷卻液。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行在標(biāo)定的最高環(huán)境溫度40℃時(shí)，可以使柴油機(jī)高溫出口水溫低于98℃，中冷水進(jìn)口水溫低于65℃，使高溫冷卻水回路和中冷水回路的冷卻液保持在柴油機(jī)可接受的最高冷卻液溫限范圍內(nèi)。

運(yùn)用此種發(fā)明方法，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的冷卻能力可以以受控的方式分配給不同的回路。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，高溫冷卻水回路的冷卻能力會(huì)使柴油機(jī)工作在預(yù)期的溫限范圍內(nèi)，而剩余的冷卻能力可全部分配去冷卻進(jìn)氣空氣。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，分配給高溫冷卻水回路的冷卻能力會(huì)必要地增大以保持高溫冷卻回路在預(yù)期的溫限范圍內(nèi)，相應(yīng)的，分配給中冷水回路的冷卻能力會(huì)減小。本發(fā)明的本質(zhì)貢獻(xiàn)就是通過(guò)對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻能力的分配控制。

如圖1所示，系統(tǒng)中有兩個(gè)冷卻水回路，一個(gè)用于高溫冷卻水的冷卻，另一個(gè)用于中冷水的冷卻。高溫冷卻水回路包括高溫水泵、柴油機(jī)、高溫散熱器等。中冷水回路包括中冷水泵、中冷器、中冷散熱器等。冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫中冷散熱器和高溫散熱器通風(fēng)。從圖1可以看出，有兩個(gè)閥(閥A和閥B)連接高溫冷卻水回路和中冷水回路。受控于控制計(jì)算機(jī)的閥控器控制著這些閥的開(kāi)啟。閥A連接中冷水泵的出口和高溫水泵的入口，類(lèi)似的，閥B連接高溫水泵的出口和中冷水泵的入口。系統(tǒng)部件按如下設(shè)計(jì)：柴油機(jī)高溫出口水溫T低于90℃時(shí)，閥A和閥B完全關(guān)閉，沒(méi)有對(duì)流。冷卻回路之間沒(méi)有冷卻液的傳遞，就如兩個(gè)獨(dú)立的回路一樣各自運(yùn)行，此時(shí)高溫冷卻水回路消耗常規(guī)的冷卻能力，而剩余的冷卻能力分配給中冷水回路。當(dāng)柴油機(jī)高溫出口水溫T達(dá)到90℃時(shí)，閥A和閥B開(kāi)啟，中冷水回路的相對(duì)溫度較低的冷卻水會(huì)從壓力較高的中冷水泵出口流向壓力較低的高溫水泵入口。相反，高溫冷卻水回路的相同體積的水會(huì)從高溫水泵的出口流向中冷水泵的入口。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，從高溫冷卻水回路流到中冷水回路的相對(duì)溫度高的冷卻液體積等于從中冷水回路流到高溫冷卻水回路的相對(duì)溫度低的冷卻液。盡管從一個(gè)回路到另一個(gè)回路與反過(guò)程的對(duì)流速率是相同的，但是由于回路中的冷卻液的溫度的差異，導(dǎo)致從一個(gè)回路到另一個(gè)回路的傳熱量不同。因而，就存在從高溫冷卻回路到中冷水回路的凈傳熱，這也是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。