DK153238B - Fremgangsmaade ved regulering af temperaturen i ferskvandskoeleanlaeg til kompressorfoedede forbraendingsmotorer samt ferskvandskoeleanlaeg til kompressorfoedede forbraendingsmotorer - Google Patents

Description

DK 153238B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til regulering af temperaturen i sådanne ferskvandskøleanlæg til kom* pressorfødede forbrændingsmotorer, hvori der indgår en luftmellem*· køler til motorens indsugningsluft og en ferskvandskøler til sænkning 5 af kølevandstemperaturen, og hvor køleanlægget ved hjælp af flere termostatventiler opdeles i forskellige temperatur kredse. Opfindelsen angår også et ferskvandskøleanlæg udformet Ifølge de for opfindelsen kendetegnende principper.

Fra beskrivelsen til dansk patent nr. 148.544 (svarende til 10 svensk patentansøgning nr. 78.10997-21; fremlægningsnummer 413.427) kendes der et ferskvandskøleanlæg til kompressorfødede forbrændings* motorer af fortrinsvis typen mellemhastighedsdieselmotorer, og som foruden motorens kølekapper har en ferskvandskøler og en varmeveksler til luftmel lem køling, Køleanlægget ifølge denne kendte teknik 15 kan anses for at være opdelt i tre med hinanden integrerede temperaturkredse bestående af en højtemperatur kreds, hvori der indgår motorens kølekapper, cirkulationspumpe, strømningsjusteringsmekanisme samt udluftnings-, ekspansions- og trykholdekar, en lavtemperaturkreds, der har i første række mellemkøleren samt en varme-20 vekslerkreds, hvori ferskvandskøleren indgår. Kølevandsstrømmene og temperaturfordelingen i disse tre med hinanden integrerede temperaturkredse styres ved hjælp af to termostatventiler, der er anbragt i bestemte knudepunkter mellem temperaturkredsene.

Den foreliggende opfindelse, der er karakteriseret ved det 25 i den kendetegnende del af krav 1 angivne, angår en væsentlig forbedring af dette tidligere anlæg. Ved at indføre en tredje termostatventil og ved at komplettere anlægget med nye by-pass muligheder, opnås der flere større og mindre fordele sammenlignet med det tidligere anlæg, medens dettes bedste egenskaber bibeholdes. Blandt 30 disse fordele kan der henvises til den nedenfor nævnte forvarmning af indsugningsluften i det lave belastningsområde og mulighederne for varmegenvinding i højbelastningsområdet.

Det der er specielt udmærker sig for de termiske egenskaber for køleanlægget ifølge opfindelsen, er altså, dels at køleanlæg-35 get automatisk giver en kraftig forvarmning af indsugningsluften i motorens lave belastningsområde og en intensiv køling i motorens høje belastningsområde, dels at al spildvarmen i det fra motoren udstrømmende kølevand samles i et punkt, hvor det er tilgængeligt for genvinding til andet formål. Dette sidste er si meget mere en-

DK 153238B

2 kelt, idet det udstrømmende kølevand uafhængigt af belastningen af motoren altid vil blive holdt ved en relativt set forholdsvis høj og samtidig jævn temperatur.

Kravet om en forvarmtling af indsugningsluften ved lave 5 motorbeiastninger er frem for alt blevet aktualiseret af ønsket om at kunne anvende dieselmotorer, der drives med svær brændselsolie også under arktiske forhold. Foruden at forvarmningen forøger den svære olies tændviliighed, formindsker den også brændselsforbruget indenfor det lave belastningsområde, idet den via motorens kølevand 10 og til indsugningsluften overførte varme returneres til motoren, hvor den påny kan deltage i forbrændingen. I motorens højeste belastningsområde, hvor turbokompressoren giver en markant opvarmning af indsugningsluften, er det istedet væsentligt, at indsugningsluften køles effektivt, og også dette sker ved hjælp af køleanlægget ifølge 15 opfindelsen.

Den ved køleanlægget ifølge den foreliggende opfindelse opnåede højere kølevandstemperatur først og fremmest indenfor det lave belastningsområde formindsker i væsentlig grad risikoen for korrosionsskader, der fremkommer ved for eksempel kondensudfæld-20 ning på ventilskafter m.m., medens den helt generelt højere kølevandstemperatur i første række letter genvindingen af overskudsvarmen .

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 25 fig. 1 viser en udførelsesform for et generelt kølean læg ifølge den foreliggende opfindelse til en motor, fig. 2 et køleanlæg ifølge opfindelsen til fire motorer, fig. 3 prøvningskurver til køleanlægget ifølge opfindel-30 sen optegnet under samme prøvningsbetingelser, som de i fig. 3 i beskrivelsen til det tidligere nævnte danske patent nr. 148.544 viste og forklarede prøvningskurver, og fig. 4 en sammenligning mellem kompressorluftforvarm-35 ningen henholdsvis luftmel lemkølingen ved normal drift og "drift i arktisk klima".

Den generelle opbygning af køleanlægget ifølge den foreliggende opfindelse skal herefter beskrives i forbindelse med fig. 1, hvor motorens og turboladeaggregates kølekapper er vist som en

DK 153238 B

3 fælles enhed 1. Denne er på sin side indkoblet i en højtemperatur-kreds, som iøvrigt består af en tilløbsledning 2, hvori der indgår en ferskvandspumpe 3 og en afløbsledning 4, hvori der indgår en strømningsregulerende drøvlemekasnime 5 og et ekspansions- og 5 udluftnings- og trykholdekar 6. Dette er forsynet med en trykholde-ledning 6a. Den totale strøm gennem motorens og turboladeaggrega-tets kølekapper styres af kølevandspumpen 3's kapacitet i kombination med drøvlemekanismen 5. Højtemperatur kredsens udløbs- og indløbssider er forbundet ved hjælp af en by-pass-ledning 7. I 10 dennes tilslutning til højtemperaturkredsens indløbsside er der anbragt en trevjestermostatventil T^. Til denne termostatventils tredje tilslutning er der endvidere sluttet lavtemperaturkredsens tiliøbsled-ning 8. I denne tilløbsledning er der også indkoblet en varmeveksler 9 til temperering af motorens indsugningsluft. Lavtemperatur kredsen 15 er ved hjælp af en udløbsledning 10 sluttet til højtemperatur kredsen i knudepunktet mellem denne sidstes udløbsside 4a og by-pass-led-ningen 7. Lavtemperaturkredsens udløbs- og indløbssider er på deres side forbundet med en by-pass-ledning 11. I knudepunktet mellem denne by-pass-ledning og lavtemperaturkredsens udløbsside 20 er der anbragt en trevejstermostatventil Tg. Til denne termostatventils tredje tilslutning er varmevekslerkredsens Indløbsledning 12 tilkoblet. Denne fører på sin side via alternative veje enten over et varmegenvindingsapparat 13 eller via en by-pass-ledning med separat styret ventil 14 til en ferskvandskøler 15a-c. En by-pass-ledning 16 25 fører endvidere forbi køleren 15a-c. I knudepunktet mellem by-pass-ledningen 16 og udløbet 17 fra køleren 15a-c er der indkoblet en trevejstermostatventil T^. Dennes tredje tilslutning, udløbssiden, er via et udløb 18 forbundet med knudepunktet mellem lavtemperaturkredsens tilløb 8 og by-pass-ledningen 11. Ved den i fig. 1 viste 30 udformning af køleanlægget ifølge opfindelsen er høj- og lavtemperaturkredsene med hjælpeanlæg monteret direkte på motoren, medens varmevekslerkredsens mere pladskrævende enheder er monteret udenfor motoren. Motoren og derpå monterede dele af køleanlægget er markeret med M.

35 På figuren er der også vist en råvandsledning 19 og en råvandspumpe 20 til ferskvands køleren 15a-c. Som det fremgår af figuren, anvendes der to af kølerens moduler 15a og 15b til ferskvandskølingen, medens det tredje modul 15c anvendes til smøreoliekøling. Smøreoliens strømningskreds gennem kølemodulet 15c er

DK 153238B

4 betegnet med O. I dette indgår der også en termostatventil Tq til regulering af den ønskede smøreolietemperatur. Denne indgår ikke direkte i opfindelsen og vil derfor ikke blive forklaret nærmere. De i det komplette kølemodul indgående enheder begrænses af en streg-5 prik-linie K.

En vis mindre mængde kølevand strømmer vedvarende gennem de forskellige by-pass-ledninger via specieile sideåbninger gennem termostatventilerne , Tg og Tg.

Termostatventilernes reguleringstemperaturer benævnes i 10 det følgende rent generelt tg og tg. I fig. 1 markerer tj-tg termostatventilernes styreorganer.

Termostatventilen T^ er ansvarlig for, at temperaturen af det til motorens kølekapper tilførte kølevand i hovedsagen bliver uafhængig af effektudtaget over motoren.

15 Termostatventilen Tg's temperaturområde og reguleringska rakteristisk er valgt på en sådan måde, at hovedreguleringsfunktionen for kappe- og iuftmellemkøling ved faldende motorbelastning overgår til denne ventil. Dette indebærer, at når det fra motoren udstrømmende kølevandstemperatur ved lav motorbelastning synker 20 under termostatventilen Tg's reguleringstemperatur tg, vil hoveddelen af det gennem anlægget cirkulerende kølevand via by-pass-led-ningen 11 blive ledet tilbage til lavtemperatur kredsen og der give en * effektiv forvarmning af indsugningsluften.

Termostatventilen Tg's reguleringstemperatur tg er valgt 25 pi en sådan måde, at denne forhindrer en overkøling af det kølevand, som via termostatventilen Tg fødes gennem køleren. Ved normal drift samvirker termostatventilen Tg med termostatventilen T^, der da tilsammen overtager styringen af hele anlægget, medens termostatventilen Tg står helt åben.

30 Ved det i fig. 1 generelt viste eksempel er de forskellige termostatventilers reguleringstemperatur som følger: tj = 66 ± 3°C, tg = 71 ± 3°C og tg = 38 ± 3°C. Disse reguleringstemperaturer har vist sig at give en særlig fordelagtig temperatur-fordeling i køleanlægget til sådanne mellemhastighedsdieselmotorer, 35 der drives med svær olie, og som i det mindste periodevis anvendes under arktiske forhold.

Med de i det foregående angivne reguleringstemperaturer for termostatventilerne giver det i fig. 1 illustrerede anlæg ved normal drift en temperaturstigning på tilnærmelsesvis 10° af kølevan-

DK 153238B

5 det over motoren. Ved nullast over motoren vil endvidere ca. 95% af den gennem anlægget cirkulerende kølevandsmængde komme til via termostatventilen Tg at passere forbi varmevekslerkredsen. Ved maksimallast pi motoren, nir motorens kølekapper tilføres vand med 5 en temperatur pi ca. 66°C af termostatventilen T^, og vand med en temperatur pi ca. 76°C forlader disse, vil termostatventilen Tg med reguleringstemperaturen 71°C sti helt iben. Derved vil ca. 75% af den gennem anlægget cirkulerende kølevandsmængde komme til at passere gennem køleren, medens termostatventilen tilspæder ca.

10 25% via by-pass-ledningen 7. I mellemområdet vil termostatventilen og termostatventilen Tg samvirke, medens termostatventilen Tg stir mere eller mindre vidt åben og parat til at overtage hovedreguleringsfunktionen ved nullast eller meget lav motorbelastning.

Ved hjælp af ventilen 14 og varmegenvindingsapparatet 13 15 er den i motorens kølevand samlede overskudsvarme til stadighed tilgængelig for genvinding til andre formål.

I beskrivelsen til ovennævnte svenske patent nr. 78.10997-2 er der beskrevet et kombineret udluftnings-, ekspansions- og tryk-holdekar. Ved enmotoranlægget ifølge den foreliggende opfindelse 20 anvendes dette kar også i uændret tilstand. Det, der specielt udmærker dette, er, at udluftningskammeret ligger over trykholde- og ekspansions kammeret.

Ved flermotoranlæg ifølge opfindelsen bibeholdes de pi motorerne direkte monterede høj- og lavtemperaturkredse i hovedsa-25 gen uændret, medens samtlige motorers varmevekslerkredse sammenkobles til en enkelt kreds, der styres af en enkelt termostatventil T'3. Det har også vist sig at være hensigtsmæssigt at sammenkoble samtlige udluftnings-, trykholde- og ekspansionskar til en enkelt kreds. Udluftning sker på samme måde som ved enmotoranlæg, me-30 dens trykholdelse og ekspansion er ført sammen til et centralt ekspansionskar 35. Sammenlignet med trykholde- og ekspansionskarret ifølge det i det foregående nævnte patentskrift ændres dette ved hver af motorerne ved flermotoranlæg, som anført i det følgende. Niveauovervigere, vandstandsrør og tryklig sløjfes. Både det øver-35 ste og det nederste kammer fyldes op med vand, og det nederste kammers øverste åbning, hvor tryklåget sidder ved enmotoranlæg, sluttes til et centralt ekspansionskar. En mindre trykforskel mellem trykket i de to kamre giver en forstærket udluftning. Ved en mindre strøm gennem anlægget transporteres udskilt gas kontinuerligt mod

DK 153238B

6 det centrale ekspansionskar 35's udlufter 33.

Fig. 2 viser et flermotoranlaeg svarende til det, der er anført i det foregående. De forskellige motorer er betegnet med IV^-IV^. Enkeltheder, som allerede er medtaget i fig. 1, er forsynet 5 med samme betegnelser, som er anvendt deri. Fra de forskellige motorer tilføres varmevekslerkredsen vand via ledningerne 21-24. I varmevekslerkredsen til flermotoranlægget findes der et varmegenvindingsapparat 25, en ferskvandskøler 26, en termostatventil med by-pass-ledning 27 forbi køleren, og forbindelsesled-10 ninger 28-31, til motorernes lavtemperaturkredse samt en returledning 32, hvorigennem overskudsvand kan cirkulere uden at passere gennem motorerne. Dette sidste er fremfor alt væsentligt, når en eller flere af motorerne i kredsen er aflukkede. I varmevekslerkredsen til flermotoranlaeg indgår der endvidere en separat cirkulations-15 pumpe 36, medens separatoliekølere 37 er anbragt ved de respektive motorer.

Fra de forskellige udluftningskar 6 til de respektive motorer forløber trykholde- og ekspansionsledninger via den centrale udlufter 33 til ekspansionstanken 35. Denne er også forsynet med en 20 speciel trykholdeiedning 34.

En sammenligning af prøvningskurverne for køleanlægget ifølge opfindelsen (fig. 3) og tilsvarende kurver for det for teknikkens standpunkt typiske køfeanlæg ifølge beskrivelsen til dansk patent nr. 148.544 (fig. 3) giver følgende relevante fakta.

25 Køleanlægget ifølge opfindelsen giver indenfor det kritiske lave omdrejningsområde, for eksempel ved koldstart, en ca. 10%C højere kølevandstemperatur end det kendte anlæg og giver til trods herfor ikke nogen større temperaturstigning over motoren end det kendte anlæg.

30 Denne virkning på kølevandstemperaturen kan sammenlig nes med den virkeligt effektive forvarmning af indsugningsiuften, som noteres for køleanlægget ifølge opfindelsen indenfor det for motoren kritiske lave omdrejningsområde 350-500 r/min..

Som det fremgår af de tilsvarende kurver for det danske 35 patent, giver køleanlægget ifølge dette patent en væsentligt ringere forvarmning indenfor det lave omdrejningsområde meo den luft, som luftforvarmeren leverer til motoren, inden dens højeffektområde successivt stiger. Denne stigende temperatur af den kompressorluft, som tilføres motoren skal på sin side sammenlignes med, at kølean-

DK 153238B

7 lægget Ifølge opfindelsen faktisk giver en sænkning af kompressorlliftens temperatur indenfor omdrejningsområdet 500-750 r/min for først at stige ved de allerhøjeste omdrejninger, hvor en temperaturstigning ikke helt undgås. Der opnås altså flere markante fordele med en 5 effektivt forvarmet kompressoriuft indenfor det lave omdrejningsom råde og en bedre køling indenfor det høje omdrejningsområde samt samme temperatur af det kølevand, som tilføres motoren.

De aktuelle driftsværdier for et repræsentativt enmotoran-læg ifølge den foreliggende opfindelse fremgår af de vedføjede fig. 3 10 og 4.

15 20 25 30 35

Claims (5)

1. Fremgangsmåde ved regulering af temperaturen 1 ferskvandskøleanlæg til kompressorf Ødede forbrændingsmotorer, hvori der indgår en luftmel I em køl er til motorens indsugningsluft og en fersk- 5 vandskøler til sænkning af kølevandstemperaturen, og hvor køleanlægget ved hjælp af flere termostatventiler opdeles i flere forskellige temperaturkredse, hvorved det bliver muligt at by-passe køleren ved lave motorbelastninger, kendetegnet ved, at at køleanlægget ved hjælp af tre trevejstermostatventiler opdeles i forskellige 10 temperaturkredse, hvis temperaturgrænser de forskellige termostatventiler regulerer ved by-passing af og tilspædning af kølevand fra tilgrænsende temperaturkredse, idet den første termostatventil ved tilspædning af varmt kølevand, som netop har passeret motoren, sørger for, at motorens kølekapper tilføres kølevand, hvis tempera-15 tur ikke underskrider en på forhånd bestemt temperatur, medens den anden termostatventil leder hoveddelen af kølevandet forbi ferskvands køleren, sålænge vandets temperatur underskrider en på forhånd bestemt værdi, som underskrider den normale temperatur af kølevandet efter motoren ved normal drift, medens den tredje termo-20 statventil leder kølevandet forbi ferskvandskøleren i tilstrækkelig mængde til at forhindre en overkøling af det kølevand, som tilføres varmeveksleren for luftmeilemkølingen.

2. Ferskvandskøleanlæg ti! kompressorfødede forbrændingsmotorer med luftmel lem køling til udøvelse af fremgangsmåden ifølge 25 patentkrav 1, og som har indbyrdes integrerede højtemperatur-, lavtemperatur- og varmeveksler kredse, og hvor der i højtemperaturkredsen indgår motorens og kompressorens kølekapper (1), organer til regulering af kølevandsstrømmen gennem motoren i form af en kølevandspumpe (3), drøvlemekanismer (5) eller lignende samt for 30 køleanlægget fælles udluftnings-, ekspansions- og trykholdeorganer (6), medens en varmeveksler (9) for luftmellemkøling af motorens indsugningsluft indgår ί lavtemperaturkredsen, og en ferskvandskøler (15a-b) i varmevekslerkredsen, kendetegnet ved, at højtemperaturkredsens indløbsside via en første trevejstermostatventil 35 (Tn) er sluttet til lavtemperaturkredsen umiddelbart efter varmeveksleren (9), medens højtemperaturkredsens udløbsside ved et første knudepunkt efter motoren via en by-pass-ledning (7) er sluttet til den nævnte første termostatventils (T^) tredje tilslutning, og hvorhos denne termostatventils reguleringskarakteristik er valgt på en DK 153238 B 9 sidan måde, at motorens kølekapper (1) ved blanding af vand direkte fra højtemperaturkredsens udløbsside og vand, som har passeret gennem varmeveksleren (9), tilføres kølevand med en på forhånd bestemt temperatur uafhængigt af belastningen over motoren, medens 5 en tilslutning fra det nævnte første knudepunkt efter motoren fører til et andet knudepunkt efter motoren og en dér anbragt anden trevejstermostatventil (Tg), der endvidere er forbundet dels med lavtemperatur kredsens indløbsside umiddelbart før varmeveksleren (9), dels med varmevekslerkredsens indløbsside, og hvor denne 10 termostatventils regulerarakteristik er valgt på en sådan måde, at hoveddelen af vandet ledes forbi varmevekslerkredsen, såfremt kølevandets temperatur på motorens udløbsside ikke overstiger en på forhånd bestemt temperatur (tg)/ som dog underskrider den nævnte kølevandstemperatur ved normal drift, hvor den nævnte anden termo-15 statventil (Tg) vil være helt åben mod varmevekslerkredsen, der dels har en ferskvandskøler (15a,b), dels en by-pass-ledning (16), som udmunder i en trevejstermostatventil (Tg), der er anbragt efter ferskvandskøleren (15a,b), og som foruden at være forbundet med by-pass-ledningen og køleren også er forbundet med lavtemperatur-20 kredsen i det knudepunkt, hvor by-pass-ledningen fra den anden termostatventil (Tg) udmunder, og hvorhos reguleringskarakteristikken for den nævnte tredje termostatventil (Tg) er valgt på en sådan måde, at temperaturen af det kølevand, som tilføres lavtemperaturkredsen, aldrig underskrider en på forhånd bestemt værdi.

3. Ferskvandskøleanlæg ifølge krav 2, kendeteg net ved, at der i varmevekslerkredsen er indkoblet et varmegen-vindingsapparat (13) med separat manøvreret by-pass-ventil.

4. Ferskvandskøleanlæg ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at de nævnte tre termostatventiler (T^, Tg og Tg) 30 reguleringstemperaturer er henholdsvis 66 ± 3°C, 71 ± 3°C og 38 ± 3°C.

5. Ferskvandskøleanlæg ifølge et eller flere af kravene 2-4, kendetegnet ved, at høj- og lavtemperaturkredse, varmevekslere (9) til luftmel lemkøling og de deri indgående termo- 35 statventiler (T1 og Tg) er monteret direkte på motoren, medens varmevekslerkredsen med køler (15a,b) er monteret udenfor motoren.