NO821894L - Fremgangsmaate til bruk ved ombygning av turboladede dieselmotorer, samt motorer ombygget ifoelge fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte til bruk ved ombygning av impulsturboladede 2-takts dieselmotorer med 3- og 4-sylindergrupperinger, hvor tennavstanden er henholdvis 120° og 9 0° veivvinkel, samt motorer ombygget ifølge fremgangsmåten i

Det er kjent to former for 2-takts turboladede dieselmotorer, nemlig motorer hvis turboladere er impulsdrevne, og motorer hvis turboladere er jevntrykksdrevne. Ved impulsturboladede motorer bestemmes.sylindergrupperingen til hver avgassdrevet turbolader av tenningsavstanden mellom sylindrene. For. 6-, 9-og 12-sylindrede motorer er tenningsfølgen normalt valgt slik at grupper på 3 sylindere har en jevn tenningsavstand på 120° og er tilsluttet én turbolader. For 4- og 8-sylindrede motorer oppdeles hver turbindyse normalt i to delseksjoner med hvert sitt delinnløp. Til hvert delinnløp er det tilsluttet to sylindere med størst tenningsavstand som normalt vil være 180°, svarende til en gruppe med en jevn tenningsavstand på 90°. Impulsturboladede motorer har et forholdsvis lite rørvolum før turbinen med store trykkimpulser, når avgassen strømmer ut av sylinderen gjennom avgassventilen til turbinen. Motorene krever som. følge derav forholdsvis tidlig åpning av motorens avgassventiler for å oppnå en tilstrekkelig stor foravstrømning til senkning av sylindertrykket ned til spyletrykket, når motorstemplet åp-ner spyleportene. Impulsturboladningsprinsippet gir en stor energimengde til drift av turboladerne, men på bekostning av et. unødig høyt brenseloljeforbruk.

Hensikten med denne oppfinnelse er å anvise en lett fremgangsmåte, når ombygning'av turboladede dieselmotorer frå impulsturboladning til jevntrykksturboladning er aktuell for oppnåelse åv en reduksjon i det spesifikke brenseloljeforbruk.

Man kunne tenke seg å bygge om en motor med impulsdrevne turboladere til en motor med jevntrykksladede turboladere ved å omdanne vedkommende motor til en motor med det ladesystem som er vanlig for motorer, hvis turbolader eller turboladere er jevntrykksdrevne. En vanlig motor av sistnevnte art har en for samtlige sylindere felles avgassamlebeholder som mater motorens turbolader eller turboladere i jevntrykksdrift. Eri for samtlige sylindere felles avgassamlebeholder har den fordel at det oppnås en god utjevning av trykkimpulsene fra alle de tilhørende sylindere og derved en tilnærmelsesvis konstant ladning av den eller de til vedkommende avgassamlebeholder sluttede turboladere.

Foreliggende oppfinnelse hviler på den erkjennelse at en montering av en felles avgassamlebeholder på en eksisterende motor, som ikke opprinnelig er utformet med tanke på dette, med-fører betydelige vanskeligheter ikke bare. plassmessig, men også på grunn av de forholdsregler som må treffes på grunn av de store lengdeutvidelser som en slik felles avgassamlebeholder vil undergå ved oppvarming til driftstemperatur. Enn videre ville en slik ombygning eventuelt kreve en dempning av trykksvingnin-gene i én lang stor avgassamlebeholder for å motvirke forstyr-relser i de enkelte motorsylindrenes spyle- og ladningsforhold.

Fr-emgangsmåten ifølge, oppfinnelsen utmerker seg ved at de forbindelser som ved en motor med ellers impulsdrevne turboladere forbinder disse turboladeres turbiner med motorens avgassventiler ,' for hver turbins vedkommende erstattes med en for vedkommende turbin separat avgassamlebeholder som innkobles mellom vedkommende turbins innløp og de til vedkommende turbin hørende avgassventiler og som hver har et volum som er avpasset slik i størrelse at avgassutstrømningen på sylinderen ikke øker trykket i avgassamlebeholderen før turbinen utover middeltrykket i motorens spyle- og ladeluftmottaker.

Herved oppnås at ombygningen kan foretas på en enkel må-te, idet den for vanlige motorer med jevntrykksdrevet eller jevnstrykkdrevne turboladere felles avgassamlebeholder unngås, og i stedet anvendes det en avgassamlebeholder for hver av vedkommende motors eksisterende turboladere, hvorved installasjons-arbeidet foretas lett og sikkert samtidig med at store utvidelser og sammentrekninger unngås på grunn av at vedkommende beholdere er separate. Det har således vist seg at når det dreier seg om ombygning av skipsmotorer, kan ombygningsarbeidet gjennomføres tilnærmelsesvis innen det tidsrom som svarer til et skips normale dokkperiode for rengjøring og maling av skroget, og derved kan ekstra utgift til liggetid i mange tilfelle unngås. Dette har stor betydning med hensyn til at omkostningene ved å lå et skip av denne størrelse ligge, hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mest fordelaktig kan brukes, kan andra opp tii danske kroner 200.000,- pr. dag.

Oppdelingen i særskilte beholdere til de enkelte sylih- dergrupper har andre vesentlig forenklede og prisbesparende aspekter når det gjelder ombygningen av eksisterende motorer.. De enkelte avgassamlebeholdere er enkle å fremstille og særlig å montere,og som følge av at de er separate, kreves det ikke noen ekspansjonselementer. Det oppnås enkel transport fra verk-sted og til skip på vedkommende værft, og beholderne kan tas ombord uten å skulle atskilles og er derfor klar til øyeblikke-lig montering på motoren, så snart skipet kommer i havn. Ved oppdeling i særskilte avgassamlebeholdere oppnås det enn videre mulighet for at flere beholdere kan monteres samtidig, eller beholderne kan monteres på en motorhalvdel ad gangen, idet en skipsmotor normalt er innrettet til å kunne drive skipet med halvdelen av sylindrene i arbeide.

Det vil forstås at jo mindre de særskilte avgassbeholdere gjøres, jo større vil de ved oppfinnelsens bruk oppnådde fordeler bli, men avgassbeholderne kan naturligvis ikke velges vil-kårlig små, idet dé trykk som tilveiebringes i beholderne åv avgassen, vil bli større jo mindre beholderne velges, og hvis middeltrykket i beholderne stiger over middeltrykket i motorens spyle- og ladeluftmottaker, vil motoren i beste fall arbeide meget dårlig. Fordelene ved denne oppfinnelse oppnås maksimalt ved å redusere volumet av de særskilte avgassbeholdere ned til en grensestørrelse, nemlig slik at avgassamlebeholderne nettopp kan oppta de store foravstrømningsgassmengder uten at trykket derved overstiger det gjennomsnittlige spyle- og ladelufttrykk. Oppfinnelsen hviler ytterligere på den erkjennelse at de forholdsvis store transiente trykkutsving som kan forekomme i avgassamlebeholderne og som.man normalt gjør alt for å unngå, godt kan aksepteres i forbindelse med ombygninger, idet beholdere med liten lengde gir en så høy.egenfrekvens at forsterkningen blir betydningsløs, og det tross alt kan oppnås en under omsten-dighetene akseptabel luftfordeling i sylindrene. Det er her av betydning at den nevnte dimensjonering er valgt på en slik måte at den sikrer den fordel ved jevntrykksturboladnin.g som består i at åpningstidspunktet for avgangen kan rykkes tilbake til et senere tidspunkt i ekspansjonslaget, slik at den vanlige brenselbesparelse på 6-8%, nemlig tilsvarende forskjellen i oljefor-bruk mellom en.impulsladet og en jevntrykksladet motor, oppnås. Man behøver således ikke å frykte uberegnelige svingninger som ville kreve dempning, da man ikke behøver å ta hensyn til even-tuelle resonans- eller interferensfenomener som vil kunne opp-tre ved anvendelse av en for samtlige sylindre felles avgassamlebeholder. Til oppnåelse av meget små dimensjoner av de særskilte avgassamlebeholdere kan det ifølge en foretrukket utførel-se av oppfinnelsen i de enkelte avgassamlebeholdere aksepteres så høye maksimaltrykk at det ved momentant lave trykk i motorens spyle- og ladeluftmottaker, dvs. ved trykk i denne, som ■ ligger under dens middeltrykk, kan forekomme tilbakestrømning fra avgassamlebeholderne og til de dermed forbundne sylindere ved begynnelsen av spyleportenes åpning, idet det ifølge oppfinnelsen, har vist seg at de ulemper som kan fremkomme derved, oppveies av de' fordeler som avgassamlebeholdernes små dimensjoner medfører.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen anvendes det avgassamlebeholdere som sammen med sine forbindelser til henholdsvis de tilhørende sylindere og den tilhørende turbin har et volum som er ca. 2,3 ganger så stort som slagvolumet av de til vedkommende avgassamlebeholder sluttete sylindere.

Den tidligere nevnte faktor vil variere alt ettersom det dreier seg om en motor med 3-sylindergrupperinger eller 4-sylindergrupperinger. Faktoren bør være litt større for motorer med 3-sylindergrupperinger enn for motorer med 4-syli'ndergrupperiri-ger og velges hensiktsmessig ifølge oppfinnelsen mellom ca. 2,2 og 2,6 for 3-sylindergrupperinger og mellom 2,0 og 2,4 for 4-■sy linder gr upper inge r.

Ifølge oppfinnelsen justeres drivkammene til avgassventilene hensiktsmessig til en optimal forsinkelse av deres åpning svarende til den fremtidige motorbelastning og den fremtidige drift av turbinene som jevntrykksdrevne turbiner, hvorved det oppnås en maksimal besparelse i spesifikt brennstofforbruk. Ifølge en utførelse av fremgangsmåten justeres drivkammene til avgassventilene til en forsinkelse av ventilenes åpning utover hva som er praksis ved vanlig ombygning til jevntrykksturboladning, såfremt den fremtidige maksimale motorbelastning ønskes redusert. En forøket forsinkelse på ca. 1° veivvinkel for hver 10% reduksjon i den fremtidige normale motorbelastning har vist seg å være hensiktsmessig.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor under henvis-ning til tegningen, hvor: Fig. 1 og 2 viser en lengdespylet 2-taktsmotor, sett. henholdsvis fra siden og bakfra, som er velegnet til å bli bygget om under anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, fig. 3,4 og 5 en lengdespylet 2-taktsmotor, sett henholdsvis fra siden, bakfra og ovenfra etter å være ombygget under anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Den på fig. 1 og 2 viste motor er en sekssylindret dieselmotor som er turboladet.ved hjelp av to turboladere 1 og 2, hvis turbininnløp hhv. 3 og 4 e"r forbundet med motorens avgassventiler. Hver av turbininnløpene 3 og 4 er således forbundet med tre av motorens sylindre, nemlig ved hjelp av tre avgassrør og disse sylindre hår jevn tenningsavstand på 120°. Både på

fig. 1 og 2 er bare vist to av de tre avgassrør, som er forbundet med hver av de to turboladere 1 og 2, og disse avgassrør er . betegnet med hhv. 5,6 og 7,8. Det dreier seg om forholdsvis korte avgassrør og avgassrørene til hver turbolader er forbundet med sylindre som arbeider faseforskutt 120° i forhold til hverandre. De to turboladeres 1 og 2 turbiner mates således i impulsdrift, idet foraystrømnings^og . utstøtsimpulsene fra hver sylinder føres direkte til et delinnløp i den tilhørende turbins turbininnløp. Dette krever en forholdsvis stor forav-strømning for å oppnå tilstrekkelig effekt av turboladerne. På den annen side er turboladerne i stand til å mate motorsylindrene også selv ved meget små belastninger. Denne matning skjer over en spyle- og ladeluftmottaker 9.

Fig. 3,4 og 5' viser en tolvsylindret dieselmotor-av prin-sipielt samme ombygning som dieselmotoren ifølge fig. 1 og 2,

men etter å være ombygget fra impulsdrift til jevntrykksdrift av turboladerne ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Som det vil sees ved sammenligning av de to motorer, er

de direkte forbindelser mellom avgassventilene til hver sylin-dergruppe med tre sylindere og den tilhørende turbolader henholdsvis 11,12,13 og 14 erstattet med en avgassamlebeholder henholdsvis 15,16,17 og 18, som ved hjelp av et enkelt utløp - henholdsvis 20,21,22 og 23 er sluttet til den tilhørende turboladers turbin-innløp henholdsvis 25,26,2 7 og 28, og enn videre er hver avgass-samlebeholder forbundet med den tilhørende sylindergruppes avgass-

ventiler ved hjelp av tre korte rørbend, henholdsvis 30a,30b ; 30c og 30d. Som disse forbindelser 30a,30b,30c og 30d kan det i og for sfeg utmerket anvendes deler av de rørforbindelser som opprinnelig forbandt vedkommende turboladere direkte med vedkommende sylindere, nemlig den i forhold til vedkommende sylinder nærmeste del av vedkommende ledninger, kfr. den nedadgående bøy-ning på fig. 1 og 2, som på fig. 4 er dreid 190° etter å være gjennomskåret på et passende sted.

De for de enkelte sylindergrupper individuelle avgass-samlebeholdere 15,16,17 og 18 mates således av tre sylindere som er faseforskutt 120° i forhold ,til hverandre. Avgassamle-beholderrte 15,16,17 og 18 har hver et slikt volum at det maksimale trykk, som fremkommer under motorens arbeide, som følge av disse samlebeholderes-matning med avgass fra de tilhørende sylindere ligger tett ved, men ikke overstiger middeltrykket i motorens spyle- og ladeluftmottaker 31.

Ved motorer med grupper på hver 4 sylindere forsynes

hver gruppe med en avgassamlebeholder som forklart ovenfor.

Ved ombygning av den på fig. 3,4 og 5 viste motor er det ytterligere foretatt en justering av de kammer som påvirker mo--torens avgassventiler, nemlig til forsinkelse av disses åpning, og svarende til den påtenkte drift av turbinene som jevntrykksdrevne og de dermed forbundne brennstoffbesparelser. Hvis det etter ombygningen ønskes en nedsettelse av motorens maksimale belastning for å spare ytterligere brensel, har en forsinkelse av avgassventilenes åpning på ca. 1% for hver 10% av den fremtidige maksimale motorbelastning som ønskes nedsatt, vist seg å gi det beste resultat.

Ved den på tegningen viste utførelse er volumet av hver av avgassamlebeholderne 15,16,17 og 18 inklusive deres forbindelser 25,26,27 og 28 samt 30a,30b,30c og 30d valgt å svare til ca. 2,3 ganger slagvolumet av de til hver avgassamlebeholder sluttede sylindere. Derved fremkommer det et maksimalt trykk i hver av avgassamlebeholderne som ligger tett ved, men som ikke overstiger middeltrykket i motorens spyle- og ladeluftmottaker 31, og avgassamlebeholderne blir derved passende små for bekvem håndtering og montering ved ombygningen.

Ved den på tegningen viste utførelse hvor det dreier seg om en motor med 3-sylindergrupperinger, kan den ovenfor nevnte faktor variere mellom ca. 2,2 og 2,6. Hvis det dreier seg om en motor med 4-sylindergrupperinger, kan vedkommende faktor velges litt lavere, nemlig mellom ca. 2,0 og 2,4.

Til oppnåelse av ekstremt små beholdere kan det deri ak-. septeres maksimale trykk som er større enn de minimale trykk som kan forekomme ved. trykksvingninger i spyle- og ladeluftmottå-keren 31.

Som følge av ombygningen til jevntrykksdrift oppnås det så store oljebesparelser at disse mer enn oppveier de i. forbindelse med ombygningen ifølge oppfinnelsen forbundne omkostnin-ger, sett over motorens levetid. Som det fremgår av ovenstående, . foregår ombygningen enn videre forholdsvis enkelt, idet avgass-samlebeholderne takket være deres forholdsvis lille lengde, lett lar seg anbringe på en allerede installert motor, og dessuten kan de opprinnelige turboladere inngå i det ombyggede ladesystem etter tilpasning til'den ønskede kapasitet og det ønskede trykk. Enn videre kan motorens opprinnelige spyle- og ladeluftmottaker 31 anvendes.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til bruk ved ombygning av impulsturboladede 2-takts dieselmotorer med 3- og 4-sylindergrupperinger, hvor tenningsavstanden er henholdsvis 120° og 90° veivvinkel, karakterisert ved at de forbindelser (5,6,7 og 8) som ved en motor med ellers impulsdrevne turboladere (1 og 2) forbinder disse turboladeres (1 og 2) turbiner med motorens avgassventiler, for hver turbins vedkommende erstattes med en for vedkommende turbin separat avgassamlebeholder (15,16,17 og 18), som innkobles mellom vedkommende turbins innløp (hhv. 25,26,2 7 og 28) og de til vedkommende turbin hørende avgassventiler, og som hver "har et volum som er avpasset slik i størrelse at av-gassutstrømningen fra sylindrene ikke øker trykket i avgassamlé-beholderen før turbinen ut over middeltrykket i motorens spyle-og ladeluftmottaker (31) .

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det anvendes avgassamlebeholdere hvis volum er avpasset slik i størrelse at det av gasstrømningen fra de tilhørende sylindre inn i hver avgassamlebeholder før turbinen tilveiebrakte maksimale trykk er større enn det minimale trykk, som som følge av trykksvingninger i motorens spyle- og ladeluftmottaker kan forekomme i denne.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert •ved at det anvendes avgassamlebeholdere (15,16,17 og 18) som sammen med sine forbindelser (hhv. 30a,30b,30c og 30d og 20,21,

22 og 23) til henholdsvis de tilhørende sylindere og den tilhø-rende turbin har et volum som er ca. 2,3 ganger så stort som slagvolumet av de til vedkommende avgassamlebeholder sluttede sylindere.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den nevnte faktor for 3-sylindergrupperinger ligger mel-, lom ca. 2,2 og 2,6 og for 4-sylindergrupperinger ligger mellom ca. 2,0 og 2,4.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at påvirkekammene til avgassventilene justeres til en optimal forsinkelse av deres åpning svarende til den fremtidige motorbelastning og den fremtidige drift av turbinene som jevntrykksdrevne turbiner.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at forsinkelsen av avgassventilenes åpning forøkes med ca.

1° véivvinkel for hver 10%, den fremtidige maksimale motorbelastning nedsettes.

7. Motor, ombygget ifølge fremgangsmåten ifølte et hvilket som helst av de foregående krav.