1、第四章 柴油机冷却水温度控制系统概述柴油机装置中的冷却循环，是指在系统中的介质从柴油机或装置中吸收了热量而提高温度后，再经冷却器放出热量使温度降低，然后回到柴油机或装置中去。在中、小型柴油机装置中，只有缸套冷却水和滑油系统的温度需要调节。而大功率柴油机装置管路系统复杂，需要进行温度控制的参数，除缸套冷却水和滑油系统外，尚有活塞冷却系统，增压空气冷却器的冷却水系统、喷油嘴冷却系统，以及冷却淡水及滑油的舷外水冷却系统等。柴油机运行时，气缸套和缸盖必须用淡水来冷却。总是希望把冷却水温度维持在设备说明书所规定的数值上，这对柴油机安全、可靠和经济地运行十分重要。如果冷却水出口温度过高，则缸套内温度就高，
2、油膜容易蒸发，加剧缸套的磨损；使缸套和缸体所形成的冷却水腔接合处的橡胶密封圈损坏；还会使燃烧时的过量空气系数减少，略微降低指示功率和效率。如果冷却水出口温度过低，又会使散热损失增加；特别是缸套内外温差太大，会导致热应力增大，时间一长容易出现裂纹；当使用含硫的燃油时，由于缸壁温度较低，燃气中的二氧化硫、三氧化硫可能会形成亚硫酸、硫酸，使缸套等受到腐蚀。冷却水温度的控制方法通常是采用三通调节阀把气缸冷却淡水分成两部分：一部分通过淡水冷却器，用海水冷却淡水使其温度降低；另一部分不通过淡水冷却器，与经过冷却的淡水混合，然后进入柴油机气缸的冷却空间。若冷却水温度高于给定值，则开大主阀，增加通过淡水冷却器
3、的淡水量；关小旁通阀，减少不经冷却器旁通的水量，使冷却水温度降回到给定值。若冷却水温度低于给定值，则关小主阀，开大旁通阀，减少经冷却器的水量，使冷却水温度回升到给定值。控制这两部分水量比例大小的部件是三通调节阀，也是该控制系统的执行机构。冷却水温度自动控制系统根据测温元件的位置不同有两种控制方案：一种方案是把测温元件装在柴油机冷却水进口管路上，测温元件的输出信号与冷却水进口温度成比例地变化。测温元件的输出信号送入调节器，调节器把冷却水温度的给定值和测量值相比较得到偏差值，然后按照某种作用规律输出控制信号到执行机构，从而改变三通调节阀的开度，把冷却水的进口温度控制在给定值或给定值附近。但冷却水的
4、出口温度会随柴油机的负荷而变化。在超负荷运行的情况下，会产生冷却水出口温度过高的现象。另一种方案是把测温元件装在柴油机冷却水出口管路上，这时可把冷却水出口温度控制在给定值或给定值附近。但是，进口温度会随柴油机负荷而变化，特别是当柴油机负荷突然增大时，冷却水的进口温度会明显降低。第一节 直接作用式冷却水温度控制系统直接作用式温度调节器的类型很多，结构各不相同，但它们的基本工作原理是一样的。它们都不需外加能源，而是根据测温元件内所充注的工作介质的压力或体积随温度成比例变化的原理而工作的。这一压力或体积的变化直接动作三通调节阀，改变经冷却器的淡水流量和旁通的淡水流量，从而控制冷却水的温度。直接作用式
5、控制系统把测量单元、调节器和执行机构都组装在一起，成为不可分割的整体。直接作用式温度调节器结构简单，只能实现比例控制，PB 不能调整，最大动态偏差emax、静态偏差 较大，控制精度很低，误差较大。一、WDT-52图 4-1 所示的是通常用在柴油发电机组冷却水温度自动控制系统中的 WDT-52 型淡水温度调节器原理图。从柴油机出来的高温冷却水进入调节阀，由此分成两路：一路进冷却器，另一路经旁通流道重新与冷却器出来的水混合，然后回到柴油机冷却水循环泵入口，如此完成循环。当出水温度增高时，调节阀自动增加通过冷却器的水量；当出水温度降低时，又自动减少通过冷却器的水量，这样就可以维持较恒定的水温。此调节
6、阀的作用就是自动按水温来改变通过冷却器的水量和旁通水量的比例。在调节阀中有一个密封的波纹管盒 4，其中充入某种低沸点的液体（如乙醚、丙酮等） ，但并不充满。波纹管盒内的空气已排除，盒中只有液体的蒸汽。液体的饱和压力与其温度的关系是由液体本身性质所决定的。由柴油机出来的高温冷却水包围着充有低沸点液体的波纹管，使其内部液体达到与冷却水同样的温度。液面上的蒸汽压力为液体在此温度下的饱和压力。冷却水温度愈高，饱和压力愈高。波纹管是可伸缩的弹性元件，管内的蒸汽压力能克服波纹管的弹力而使波纹管伸长。水温愈高，蒸汽压力愈高，波纹管伸得愈长。波纹管底下的阀杆带动两个阀盘 1和 3。下阀盘 3 控制旁通流道的阀
7、口，上阀盘 1 控制通向冷却器流道的开度，因此水温愈高，旁通水量愈小，通向冷却器水量愈大。调节阀就按这个原理自动改变冷却水量的分配比例，以实现自动调节温度的目的。这种温度调节阀设计成波纹管内的压力比大气压力低，故使波纹管一直处于压缩状态。当波纹管因故障而泄漏时，波纹管立即自动伸长，使主阀全开，旁通阀全关。这时淡水全泵气缸柴油机膨 胀水 柜海水冷却器淡水12534图 4-1-1 WDT-52 型温度调节器1-主阀；2- 阀杆；3- 旁通阀；4- 波纹管；5-手操机构部进入冷却器，保证冷却水出口温度不致过高。还可以用手转动螺钉 5 顶动阀杆 2 来调整主阀与旁通阀的开度，从而实现温度的手动控制。二
8、、WALTON图 4-2 所示的是 WALTON 型恒温阀的结构原理图。WALTON 型恒温阀又称石蜡式调节阀。它由阀体、传动机构、滑板和感温盒组成。感温盒内充有石蜡混合液作为感温介质。它按力平衡原理工作，利用石蜡混合液的体积随温度变化而成比例地变化的性质，用体积膨胀产生的作用力来推动执行机构，改变滑板的位置来控制冷却水的温度。若冷却水温度升高，石蜡混合液体积增大，感温盒（测量单元）1 内的活塞（比较单元）2 下移，再经活塞杆、连杆 8 以及连杆与滑板 5 的铰接点 10，使滑板 5 绕轴 7 逆时针转动一个角度，减少旁通水量，增加经冷却器的水量，从而使冷却水温度下降，逐渐向给定值恢复，随着感
9、温盒内活塞的下移，弹簧（反馈环节）3 被压缩，当感温盒内石蜡混合液因体积膨胀所产生的向下作用力与弹簧 3 向上的张力相平衡时，滑板 5 停止转动，旁通管口和经冷却器管口的开度不再改变。冷却水温度又重新稳定在比给定值略高的值上。当冷却水温度降低时，恒温阀的动作方向正好与上述的情况相反。该调节阀温度给定值的调整，通过调整滑板 5 的初始位置来实现的。在实物中，感温盒 1、拖动板 9 和轴 7 是紧固在一起的，轴 4 伸出前端盖并装一个指针，该指针指示冷却水温度的给定值，转动指针可取变滑板 5 的初始位置，即可改变给定值。对恒温阀进行手动控制时，也是通过转动轴 7 改变滑板位置来实现的。恒温阀在运行
10、管理中应注意以几点：(1)安装时，注意管道对中，上紧连接法兰螺栓时，用力要均匀，以避免阀体产生变形，造成滑板 5 卡阻，使阀动作失灵，导致水温随负荷有较大的变化。(2)运行时，每隔 3000h 要对阀的内部进行一次检查与清洗，防止污物卡住滑板。拆装时，一定要将前端盖和整个内部部件结构一起拉出夹。尤其不得将和传动机构拆开。装复时，上紧前端盖螺钉后，要通过手操指针来回转动几次（注意：转动指针时不准超过限位销） 。若无异常现象，再将轴 4 放置于正常运转位置上。(3)运行过程中，若发现冷却水温度不可控地升高时，首先要检查恒温阀，看是否因它出现故障所致。检查方法是，手动将通往冷却器的管口全打开，旁通阀
11、通道全关闭。过数分钟后，如果冷却水温度下降，则说明是恒温阀有故障，较大的可能性是感温盒内的石蜡混合液漏泄。若冷却水温度仍不下降，则说明不是恒温阀的问题，应另找原因。运行中，弹簧 3 断裂，导致冷却水的温度不可控地降低。第二节 气动式冷却水温度控制系统对大型低速柴油机冷却水系统，由于阀门尺寸很大，上述充有低沸点液体波纹管所产生的力不足以推动大阀门，这时必须采用间接式调节器。下面介绍一种船用基地式调节器，它把变送、调节、显示等部分都组装在一个仪表壳体内，构成一台完整的控制仪表。图 4-2-1 为柴油机冷却水温度调节系统原理图，即 TQWQ 型气动温度三通调节阀。此系统主要由调节器和三通转阀两部分组
12、成。此调节器是以压缩空气为能源，气源压力为 0.14MP。采用力矩平衡原理工作的反作用式比例调节器。图 4-1-2 WALTON 恒温阀结构原理图1-感温盒；2- 活塞与活塞秆；3-弹簧；4- 转轴；5-滑板；6-阀体；7- 轴；8- 杠杆；9-拖板；10-杠杆支点1、控制系统的组成及工作原理测量单元是温包 1，它是由不锈钢材料制成，里面充注膨胀系数较大沸点较低的易挥发性的液体。利用温度内介质饱和压力随温度而变化的性质，来反映冷却水温度的实际值。温包内压力的变化经软的毛细管接入测量波纹管 3。比例调节器是由角尺形主杠杆 4，及作用于主杠杆 4 上的测量波纹管 3、反馈波纹管5、定值弹簧 6、喷
13、嘴 8、档板 9 及气动功率放大器 7 等部分组成。由小气缸 10、活塞 11、三通阀 14 组成执行机构。当系统处于平衡状态时，作用于主杠杆 4 上的测量力（温包输出的压力信号与测量波纹管有效面积的乘积）对支点 15 产生的测量力矩，与作用于主杠杆 4 上反馈波纹管 5 的反馈力对支点 15 产生的反馈力矩及定值弹簧 6 的张力对支点 15 所产生的力矩相平衡。主杠杆 4 稳定不动，档板与喷嘴之间的开度不变，气动功率放大器 7 输出一个不变的稳定气压信号，三通调节阀中的转阀 13 的位置固定不变。因喷嘴挡板是一个十分灵敏的元件，实际上喷嘴挡板间隙仅在极小的范围内变动，因而定值弹簧力变化很小，
14、所以实际上可认为测量力的变化是由反馈波纹管的压力变化来补偿。即测量力变小，反馈力增大，反之亦然。这样通冷却器管口和旁通管口的开度不变，冷却水温度稳定在给定值上。当系统受到扰动（如柴油机负荷突然变大） ，冷却水出口管路的水温会升高（温包插在冷却水出口管路中） ，温包 1 内的介质汽化加强，通过毛细软管 2 使测量波纹管 3 内的压力升高，主杠杆 4 将绕支点 15 逆时针方向转动。固定在杠杆左端的喷嘴 8 将离开挡板 9，其背压降低，于是气动功率放大器输出压力信号减小（测量信号增大，输出信号减小的调节15图 4-2-1 TQWQ 型气动冷却水温度控制系统1-温包；2- 毛细管；3- 测量波纹管；
15、4- 主杠杆；5-反馈波纹管；6-定值弹簧；7-放大器；8-喷嘴；9-挡板；10- 气缸；11- 活塞；12-弹簧；13-转阀；14-三通阀；15-支点器叫反作用式调节器） 。小气缸 10 中的活塞 11 在弹簧作用下向上移动，拉动转阀 13 逆时针方向转动，开大通冷却器的管口，关小旁通管口，即经冷却器的冷却水流量增大，旁通水量减小，使冷却水温度降低，并逐渐向给定值方向恢复。与此同时，调节器的输出直接送入反馈波纹管 5，使其压力降低，波纹管收缩，将使主杠杆 4 绕支点 15 顺时针方向转动，这就限制了挡板离开喷嘴，这一动作与测量信号的动作方向相反，故称为负反馈。当放大器输出压力减小到使反馈力矩
16、与测量力矩相等（定值弹簧的弹性力矩可忽略不计）时，整个系统就处于一个新的平衡状态。在定值控制系统中，把给定值定为坐标的 O 点，则 P 入 =0 就是给定值。因此 P 入 就可看做偏离给定值的温度值。在稳态时，调节器的测量力矩等于反馈力矩，则有：； ；21lql反测 21lFl反出测入入入反测出 PKlFP2式中，F 测 、F 反 分别为测量波纹管和反馈波纹管的有效面积。l 1 和 l2 分别是测量波纹管和反馈波纹管中心线到支点 15 的距离。TQWQ 的放大倍数 K= 。2lF反测2、参数调整TQWQ 型气动温度调节器，其比例带是可以调整的。通过左右移动反馈波纹管 5 的位置，改变负反馈强度
17、来实现的。松开反馈波纹管 5 的锁紧螺母，沿主杠杆 4 左移反馈波纹管 5，因 l2 增大，负反馈作用强，放大倍数 K 减小，比例作用弱，即比例带 PB 大。反之，右移反馈波纹管 5，l 2 减小， K 增大，比例作用强，比例带 PB 减小。通过调整定值弹簧 6 的预紧力来改变冷却水温度的给定值。如要提高温度给定值，应增大定值弹簧的预紧力，使挡板能靠近一点喷嘴，背压升高，经放大器 7 输出的 P 出 增大，推动小气缸 10 中的活塞 11 下移，使转阀顺时针转一个角度，关小通冷却器管口，开大旁通管口，使冷却水温度升高。这样，当系统达到稳态时，冷却水温度要比原来高。反之，要降低给定值，可扭松定值
18、弹簧预紧力。它与系统受到扰动，使冷却水温度升高的动作过程是一样的。系统达到稳态时，冷却水的温度要比原来的温度值低。在操作过程中要注意，每左右移动一次反馈波纹管，都要把它的锁紧螺母锁紧，然后再让系统投入工作。第三节 电动式冷却水温度控制系统电动式冷却水温度控制系统的类型很多。在控制系统中，有的调节器采用分立元件，有的调节器用集成运算放大器构成。MR型电动冷却水温度控制系统，是用集成运算放大器组成的基地式仪表，能实现比例微分控制作用。 图 4-3-1 示出了 MR-型电动调节器、开关组、限位开关、过载保护继电器、三相交流伺服电机 M 及由 M 带动的三通调节阀等部分组成。图中限位开关、过载保护继电
19、器及三相交流伺服电机 M 属于执行机构，装在冷却水进口管路的三通调节阀上。MR-型电动调节器把测量、显示、调节各部分以及相应的继电器和开关元件都组装在一个控制箱中，并安装在机舱的集中控制室内。它的测量单元是 T802 型热敏电阻，具有负的温度系数，被插在气缸冷却水进口管路中，其电阻值与冷却水温度的变化成线性关系。T 802 型热敏电阻在 20C 时，电阻值为 802，当被测温度升高时，其电阻值成比例地减小。经分压器分配，就把冷却水温度的变化，成比例地转换成电压信号。这个温度测量信号一方面送到指示电路；另一方面与由电位器整定的代表冷却水温度给定值的电压信号相比较，得到偏差值 。这个偏差值经比例微
20、分作用输出一个连续变化的控制信号，并送至脉冲宽度调制器。脉冲宽度调制器把 PD 输出的连续变化的控制信号调制成脉冲信号。若冷却水温度的测量值高于给定值，脉冲信号使“减少输出继电器”断续通电，其触头 SWl 断续闭合，三相交流伺服电机 M 正向断续转动。电机 M 经减速传动装置带动两个互成 90的平板阀转动。一个阀控制旁通水量；另一个阀控制淡水经过冷却器的流量。当SWl 断续闭合时，伺服电机 M 将断续地朝逆时针方向转动，关小旁通阀，开大经冷却器的淡水阀，使冷却水温度降低。若冷却水温度的测量值低于给定值时，脉冲宽度调制电路输出的脉冲信号使 “增加输出继电器 ”断续通电，其触头 SW2 断续闭合。
21、于是电机 M 断续朝顺时针方向转动，使冷却水温度升高。这样，可保证冷却水温度稳定在给定值或给定值附近。当冷却水温度测量值等于或接近给定值时，调节器无输出， “减少”和“增加”输出继电器均断电。SW 1 和 SW2 组合开关均断开，电机 M 停转。三通调节阀的开度不变。在“减少输出继电器”SW 1 和“增加输出继电器”SW 2 的电路中分别串联了一个限位图 4-3-1 MR-型电动冷却水温度控制原理框图主机给水泵rz增加减少Sr1Sr2Sr3三通阀淡水海水 海水进口出口 冷却器M指示仪表 给定值电位器T802开关和一个过载保护继电器控制的开关 Sr3。若某些故障使伺服电机 M 电流过大时，过载保
22、护继电器动作，使开关 Sr3 断开。继电器 SW1 和 SW2 均断电，切断电机 M 的电源，保护电机不会因过热而烧毁。限位开关的作用是，当转阀转至接近极限位置时，触头 A断开，切断电机 M 的电源使电机停转，以免平板阀卡死在极限位置，使电机 M 回行时动作不灵敏，或因起动电流过大而引起过热。在继电器 SWl 和 SW2 的通电回路中，分别串联了 SWl 和 SW2 的常闭触头 Sr1 和 Sr2，其作用是互相连锁，防止两个继电器 SWl 和 SW2 同时通电。MR-型电动冷却水温度控制系统是由六块电路板组成。如图 4-3-2 所示。1电源电路电源电路是由主电源电路 MRP 板和稳压电源电路
23、MRS 板两部分组成。220V 交流主电源由外部接线端 8 和 9 接至 MRP 板。合上电源主开关 SWl，220V 交流电经保险丝 Fl 和F2 由 MRP 板上的接线端 4 和 16 送到 MRS 板上的变压器初级绕组，另一路经“手动-自动”选择开关由接线端 8 或 15，或由 11 和 16 接至继电器和开关装置板 MRK，作为“增加输出继电器”或“减少输出继电器”的工作电源。MRS 板上的变压器初级绕组输入的是 220V 交流电源，两组次级绕组均输出 21V 交流电压。两个交流电压各自经二级管桥式整流电路、阻容滤波电路和稳压电路得到两个上正下负的 16V 直流电压。将上面稳压器输出的
24、负极与下面稳压器输出的正极短接并接地。这样就得到对地为+16V、0V 和 -16V 的电压，并分别经 MRS 板上的接线端 1、2 和 3 送到各印刷电路板的接线端 2、6 和 18，作为各印刷电路板的工作电源。MRP 板上的 D2 是发光二极管，合上电源主开关 SWl，D 2 亮，说明电源正常。2输入和指示电路输入和指示电路如图 4-3-2（一）中的 MRB 板所示。（1）输入电路输入电路的作用是进行信号变换，将气缸冷却水温度的测量值与给定值进行比较，输出一个偏差值 。它是由测温元件 T802 型热敏电阻、给定值调整电位器 Wl 和运算放大器TUl 等元件组成。带有温度补偿的 T802 型热
25、敏电阻插在柴油机冷却水进口管路中，它的两端经外部接线端 2 和 3 接在 MRB 板上的 12 和 6 端。假定 R3R1、R 2、及 T802 型热敏电阻的电阻值，则 A 点的电位 UA 为： VTR6)(1)/( 2180280212 当冷却水温度升高时，由于 T802 电阻值减小而使 UA 降低。当冷却水温度从 0C 变化到 100C 时，对应的 UA 值从 3.5V 变化到 1.48V，U A 经电阻 R3 送至运算放大器 TUl 的反相端。B 点电位 UB 相当于冷却水温度处在给定值时所对应的电压信号。它是经 R4、R 5 和电位器 W1 分压得到的，并经 R6 和 R8 分压送至
26、TU1 的同相端。调整电位器 Wl 可调整 UB的大小，即调整冷却水温度的给定值。 电 容 C1 和 C2 是 滤 波 电 容 ， 滤 掉 两 个 输 入 端 的 交流 干 扰 信 号 。 TUl 是 一 个 差 动 输 入 运 算 放 大 器 ， 差 动 输 入 方 式 可 避 免 导 线 上 电 阻 压 降（ 属 于 共 模 信 号 ） 引 起 的 误 差 。 其 输 出 信 号 U15 电 压 为 ：71586386RURUBBAABABB UR378637378638615 )()( 如 果 选 取 ； 则 637R)(3715ABRU式中， （U B-UA）就是冷却水温度的偏差值。当
27、冷却水温度高于给定值时，U B UA，U 15 为正极性电压值；当冷却水温度低于给定值时，U B UA，U 15 是负极性电压值。可见，TU 1的输出 U15 表示了冷却水温度的偏差值的大小的方向，并送至比例微分控制电路 MRV 板。在 TU1 的反馈回路中，并联了一个电容 C6，它相当于在 TU1 的比例运算环节中串联了一个惯性环节，其作用是防止电路振荡，提高电路的稳定性。一般 C6 值较小，否则 TU1 的输出对冷却水温度的变化就不灵敏了。图 4-3-2（一）中 SWl 是内给定与外给定切换开关，外给定电压信号可以从端子 10 引进，内给定电压信号是由 R4、R 5 和电位器 W1 分压线
28、路给出。（2）指示电路指示电路的作用是将 被 控 温 度 的 电 压 信 号 转 换 为 电 流 信 号 ， 并 由 电流 表 来 指 示 冷却水温度的测量值和给定值。它是由运算放大器 TU2、晶体管 T1、反馈电阻和电位器W2、W 3、电流表（温度表） G 等元件组成。电流表 G 的满量程是 01mA，它所对应的温度是 0100C，表头 G 的刻度已改为温度刻度。反映冷却水温度实际值的 A 点电位 UA 经转换开关 SW2 送至运算放大器 TU2 的同相端，反相端的电位相当于 PNP 晶体管 T1 发射极的电位。当冷却水温度升高时，U A 降低，TU 2输出信号 U6 降低，PNP 晶体管
29、T1 基极电压降低，其集电极电流增大，电流表（温度表）G 的读数增加。随着集电极电流的增大，发射极电位要降低，使 U6 有升高的趋势。这一趋势限制了 T1 集电极电流的增大。当 T1 发射极电位下降到使 T1 集电极电流不再增加为止，这时 TU2 输出 U6 稳定不变，电流表读数也就稳定在一个较高的数值上。反之，当冷却水温度降低时，U A 升高，TU 2 的输出 U6 也升高，T 1 集电极电流减小，表头 G 的读数随之减小。T 1 集电极电流减小，使 T1 发射极电位升高，这就限制了 U6 的继续增加。当 T1 发射极电位升高到使 T1 集电极电流不再减小为止，这时电流表读数又稳定在比原来较
30、低的数值上。指示电路也能显示所调整的给定值，把 MRB 板上的开关 SW2 合到上面，则代表冷却水温度给定值的 UB 接到 TU2 的同相端，表头将显示给定值。若该值不够满意，可通过对电位器 W1 的调整来改变。调整电位器 W2 可调整电流表 G 的零点。在表头 G 调零前要把 UA 调准，即冷却水温度为 0时，U A=3.5V。这时可在 TU2 的同相端加一个 3.5V 的电压信号，TU 2 输出 U6 应使电流表 G 指针指零，若指针不指零，例如大于零，说明 U6 太低，这时应减小电位器 W2 的电阻值来降低 T1 发射极电位，使 TU2 输出的电压 U6 升高，使 T1 集电极电流减小，直到电流表指针指零为止。调零是通过改变 T1 发射极电压，即改变 TU2 负反馈强度来实现的。调整电位器 W3 可调整电流表 G 的量程。零点调好后，在 TU2 的同相端加一个 1.48V的电压信号，观察电流表 G 的指针是否指在 100C 上，若指示不到 100，说明量程大了，可调整 W3，使 R13 与 W3 并联的等效电阻值减小，即减小其限流作用，使集电极电流增大，
