SE413427B - Ferskvattenkylsystem for kompressormatade forbrenningsmotorer med luftmellankylning - Google Patents

Description

gva1o997-2 Helt färskvattenkylda system för såväl mantelkylning av motorn som mellankylning av förbränningsluften finns redan i bruk för t ex diesellok och enstaka marina och stationära motorer men såvitt vi känner till inget utförande i likhet med nedan beskrivna system.

Fördelarna med föreliggande kylsystem torde främst vara dess enkla uppbyggnad innefattande få och robusta komponenter samt dess stora flexibilitet vad beträffar temperaturregleringen i systemet inom hela motorns effekt- och varvtalsområde och under olika yttre förhållanden.

Den i systemet ingående kombinerade avluftnings-,expansions- och tryckhållningstanken erbjuder vidare en elegant lösning på samtliga dessa funktioner i en enda robust enhet som vid fabrik kan monteras direkt på motorn och som genom att expan- sionsutrymmet anbringats under avluftningskammaren ej ökar motorns bygghöjd då den monteras med tilloppet från motorn på strömningsmässigt mest fördelaktiga höjd.

Färskvattenkylsystemet i enlighet med föreliggande uppfinning g har definierats i de efterföljande patentkraven och skall nu ytterligare beskrivas i samband med bifogade ritningar.

Av dessa visar figur 1 ett förenklat schema över kylvattensy- stemet medan figur 2 visar en snittad sidoprojektion av den kombinerade avluftnings-, expansions- och tryckhållningstanken, och figur 3 en karaktäristik över hela systemet uppmätt vid en speciell motor.

Pâ-figur 1 markerar en dubbel prick- streck linje vilka detaljer som är lämpliga att montera direkt på eller ingår i själva motorn. Dessa levereras alltså lämpligen som en enhet _ från fabriken. Från kylmanteln 1 med dess i förekommande fall utritade fyra kylströmmar följer kylvattnet en huvudström 2 till den kombinerade avluftnings-, expansions- och tryckhåll- ningstankens 5 övre avluftningskammare 4. Under denna kammare och avskild från densamma medelst en skiljevägg 5 ligger tankens expansions- och tryckhàllningskammare 6. Tankens mera 'detaljerade utformning kommer att beskrivas närmare i samband med figur 2. Efter avluftningen i kammaren 5 lämnar kylvattnet 7810997-2 densamma i form av en huvudström som passerar en flödes- justerventil 8. Vid en efter flödesjusterventilen 8 anordnad första greningspunkt 9 och en i strömningsriktningen något längre fram anordnad andra greningspunkt 10 delas kylvatten- strömmen upp i tre delströmmar av vilka den första 11 via en första temperaturregulator T1 tillförs en såsom luftmellan- kylare fungerande värmeväxlare 12. I temperaturregulatorn T1 blandas kylvattenströmmen 11 med en direkt från den företrädes- vis utanför motorn anordnade färskvattenkylaren 21 kommande kylvattenström 13. Denna senare kylvattenström utgör den ena av de två vid den tidigare nämnda andra greningspunkten 10 av- skilda kylvattenströmmarna, som alltså nu återföres efter passage genom färskvattenkylaren 21. Temperaturregulatorn T1 är avpassad att ständigt tillföra luftmellankylaren 12 en kyl- vattenström 14 med konstant temperatur. Temperaturregulatorn bestämmer alltså endast blandningsförhållandet mellan de bägge kylvattenströmmarna 11 och 13. Vid en omedelbart efter luft- mellankylaren 12 anordnad andra temperaturregulator T2 samman- förs kylvattenströmmen från luftmellankylaren med den andra kylvattenströmmen 15 av de två vid greningspunkten 10 separera- de delströmmarna. Kombinerade ger dessa bägge delströmmar 14 och 15 ånyo en huvudström 16 med samma flöde som den från motorns kylmantlar kommande huvudströmmen 2. Även temperatur- regulatorn T2 är avpassad att sköta blandningsförhållandet mellan de olika tempererade delströmmarna 14 och 15. Hotorns kylmantel 1 kommer alltså ständigt att kunna tillföras kyl- vatten av konstant temperatur. På sin väg till motorns kyl- mantel passerar kylvattenströmmen 16 kylvattenpumpen 17~ Det är denna pump som tillsammans med den tidigare nämnda flödes- justerventilen 8 bestämmer det totala kylvattenflödet genom systemet. Av den ovan skisserade uppbyggnaden framgår att varje ändring av kylvattentemperaturen vid någon punkt i sy- stemet innebär en ändring av de olika delflödena 11, 1? och 15 proportionella storlek vilket ger en konstanthållning av tempe- raturen i flödena 14 och 16.

Detta innebär att en i det närmaste konstant lufttemperatur på den i motorn indrivna luften erhålles beroende av lämpligt vald pumpkaraktäristik, kombination och val av termostatven- tilernas reglerområden samt val av kylarea och K-värdeskarak- täristik för luftmellankylaren (se bifogade karaktäristik på 7810997-2 figur 3).

På figur 1 finns vidare en tryckhållningsförbindelse 18 och två avluftningsförbindelser 19 respektive 20 för luft- mellankylaren 12 och färskvattenkylaren 21. Råvattenledningen till färskvattenkylaren 21 har fått beteckningen 22. I rå- vattenkretsen ingår givetvis såväl cirkulationspump som lämp- liga komponenter för styrning av råvattenflödet men dessa har ej medtagits på ritningen eftersom denna har till främsta upp- gift att illustrera färskvattenkylsystemet.På samma sätt har smörjoljekylare och diverse säkerhets- och kontrollsystem vil- ka som regel ingår i en motorinstallation av denna typ ute- slutits för att gör figuren så tydlig som möjligt.

På figuren har emellertid antytts en i en egen cirkulations- krets 23 med separat kylvattenpump 24 kopplad kylvattenför- värmare 25.

Denna krets användes under varmhållning alternativt en kort tid före uppstartning av motorn vid extremt kalla förhållan- den.- Den på figur 2 visade kombinerade avluftnings-,expansions- och tryekhållningstanken 3 består som tidigare nämnts av en övre avluftningskammare 4 och en undre expansions- och tryckhâll- ningskammare 6 åtskilda av en skiljevägg 5. Kammaren 6 är- utifrån åtkomlig via ett ovanpå tanken anbringat trycktätt men med en tryckregulator försett lock 26 som är anbringat över ett stigarrör 27 som leder genom den övre kammaren 4 till den undre. Den normala vätskeytan i den undre kammaren finns utritad på figuren. Den övre avluftningskammaren är som framgår av figuren 1 normalfallet helt fylld med kyl- vatten.

Den övre kammaren 4 har ett tillopp 28 och ett utlopp 29.

Tilloppet och utloppet mynnar i olika delar av kammaren och emellan_dessa är anordnad en tvärs kammaren sig sträckande styrplåt 30. 7810997-2 Kylvattnet tvingas därigenom följa den väg som antytts på figuren med en streckprickad pillinje. Genom att vatten- flödets impuls nedbringas av den riktningsändring som styr plåten ger upphov till och förändringen till större snitt- area i tanken sker en övergång till laminär strömning varvid en effektiv avluftning av kylvattenflödet erhålles." Avskild luft ansamlas i kammarens övre del och har genom en rörledning 31 en passage till tankens undre kammare. Rörled- ningen 31 har en öppning 32 i kammarens 4 övre del och en öpp- ning 33 under vätskeytan i kammaren 6. På figuren finns även en rensplugg 34 utritad. I tilloppet 28 finns ett avluftnings- hål 35 för att förhindra en luftansamling i rörkröken under uppfyllning av systemet. I tankens undre kammare 6 vars gasdel (luft) alltså komprimeras och upptar utvidgningen då vattnet i systemet uppvärmes mynnar tryckhållningsledningen 18 samt avluftningsledningarna 19 respektive 20 från luftmellankylaren 12 respektive färskvattenkylaren 21 (se fig 1).

I de på figur l inte närmare utritade säkerhetssystemen ingår att vätskeytan i expansions- och tryckhållningskammaren 6 skall hållas inom begränsade variationer. I tanken kan därför inkopp- las en pumpstart 36 vid låg nivå för tillförsel av ytterligare kylvatten till systemet från en konventionell dräneringstank (ej utritad) samt ett pumpstopp 37 vid normal nivå och slut- ligen ett alarm 38 för extremt låg nivå.

På figur 2 är en nivâskala 39 utritad bredvid tanken 3. Denna nivàskala motsvarar ett på tankens 3 utsida anordnad och med expansions-,tryckhållningskammaren förbundet nivàavläsningsrör.

Avluftningskammaren 4 är vidare försedd med en luftutlopps- ventil 40. Nivåskalan 39 har de tre markeringarna "låg", "hög" och "fylln ". Vid normal drift skall kammarens 6 nivå ligga inom det normala driftsområdet mellan markeringarna för hög respektive låg vattennivå. Nivámarkeringen "fylln" användes vid uppfyllning av ett tomt system då även luftutloppsventilen 40 skall vara öppen. Då kylvatten fyllts till denna nivå och ventilen 40 stängts och systemet startas upp, omfördelas vattnet, i systemet så att den övre kammaren 4 utfylles och det bildas ett luftfyllt expansionsutrymme i den undre kammaren 6. 7810997-2 Beträffande färskvattenkylsystemets enligt uppfinningen all- männa funktion kan i övrigt anmärkas att vattenpumpens 17 kapacitet inställes med hjälp av flödesjusteranordningen 8 så att en önskad temperaturhöjning erhålles över motorn vid full effekt. Därigenom ökas även trycknivån i mantelkylningen så att temperaturgränsen för ångbildning förhöjes varigenom en dylik ångbildning kan undvikas på motorns starkt värmeav- givande ytor. Flödesjusteranordningen 8 kan bestå av en lås- bar strypventil eller en fast strypbricka.

Temperaturregulatorn T1 blandar högtemperaturvatten med kallt vatten från färskvattenkylaren till konstant inloppstempera- tur för luftmellankylaren.

- Temperaturregulatorn T2 blandar hög- och làgtemperatur- vatten till konstant inloppstemperatur i högtemperatur- kretsen (mantelkylningen).

Då motorn startas upp styr temperaturregulatorn T2 under kort tid vattencirkulationen enbart genom högtemperaturkretsen till dess driftstemperatur uppnåtts.

En viss förvärmningseffekt i luftmellankylaren erhålles dock dels genom ett litet förbindelsehål i temperaturregulatorernas element och dels genom luftmellankylarens avluftningsledning.

Så snart motorn nått normal arbetstemperatur styr temperatur- regulatorerna T2 och T1 även vatten genom lågtemperaturkretsen (luftmellankylaren), varvid insugningsluften tempereras, d v s kyles ned om belastningen så kräver eller förvärmes om så er- fordras.

Då drifttemperatur även uppnåtts i lågtemperaturkretsen börjar temperaturregulatorn T1 vid ökad belastning att späda in vatten från färskvattenkylaren i lågtemperaturkretsen och ge ökad kyl- effekt åt luftmellankylaren. Som framgår är arrangemanget så- dant att ökad kyleffekt erhålles i luftmellankylaren för ökande belastning i motorn, vilket leder till att motorns termiska belastning hålles nere. 7810997-2 Tryckhållning 1 systemet utgöres av vattnets statiska nivå i undre kammaren tillsammans med tryckökningen genom vattnets expansion och verkar genom tryckhållningsledningen 18 som för- binder den undre kammaren 6 med pumpens 17 sugsida, vilket garanterar att störningar (kavitation) ej uppkommer i pumpen.

Alternativt kan ett yttre tryck anslutas till stigarröret 27.

Detta stigarrör, som utgår från undre kammaren 6, är vidare försett med en i trycktätt lock 26 med däri inbegripen tryck- regulator, som dels öppnar vid bestämt övertryck (säkerhets- funktion) och dels öppnar strax under atmosfärslinjen (vakuum funktion).

I övrigt kan påpekas att genomspolningen i avluftningsröret 31 från övre kammare till undre (expansionsdelen) mynnar ut under vattennivån så att någon genomduschning av expansions- delen ej sker och därmed minimal syresättning av systemvatt- net. Avluftningsrörets 31 dragning innebär dessutom att ingen luftficka dras upp till övre kammaren då motorn stoppats var- vid bedömningen av vätskenivån även blir enklare.

Fördelarna med systemet enligt uppfinningen skulle kunna samman- fattas: - Ett enda kylsystem för både mantel- och luftmellan- kylning där samtliga funktioner finns inbyggda på motorn utom färskvattenkylaren.

- Luftmellankylningens effektivitet ökar med ökande motorbelastning, vilket håller nere motorns termiska belastning.

- Förvärmning (temperering) av insugningsluften sker vid uppstart och vid drift under arktiska förhållan- den (kondensbildning undvikas).

- Kontinuerlig avluftning (avgasning) säkerställd.

- Korrosionssäkert system eftersom syresättning av vattnet ej sker.

- Enhetligare och billigare material i rör, armaturer och luftmellankylare kan användas (jämfört med rå- Vattenkylning). 7810997--2 - Förenklat handhavande.

- Väsentligt förenklad motorinstallation.

Färskvattenkylsystemet enligt uppfinningen är slutligen på figur 3 exemplifierat med relevanta data för ett dylikt kyl- system vid en kompressormatad luftmellankyld "medium speed" dieselmotor med utvecklad effekt och varvtal enligt propeller- lagen. Den aktuella motorn var som framgår av diagrammet för- sedd med en direktdriven vattenpump. Motorns varvtal är markerat på X-axeln och i övrigt torde de olika kurvorna tala för sig själva.

Claims (8)

781099?-2 PATENTKRAV

1. Färskvattenkylsystem för kompressormatade för- bränningsmonmær av främst typen medium speed dieselmotorer innefattande förutom kylmantlarna (1) vid motorns cylindrar och en konventionell färskvattenkylare (21) även en luftmellan- kylare (12) för kylning av förbränningsluften sedan denna läm- nat kompressorn men före inmatningen i respektive cylinder k ä n n e t e c k n a t därav att kylsystemet är uppdelat i en motorns kylmantlar innefattande högtemperaturkrets, i vilken dessutom ingår en i kylvattnets cirkulationsriktning före motorn anordnad cirkulationspump (17) samt efter den- samma anordnade avluftnings-, expansions-, tryckhållnings- och flödesjustersystem (3,8), en luftmellankylaren (12) inne- fattande lágtemperaturkrets samt en färskvattenkylaren (21) innefattande värmeväxlingskrets varvid förbindelsen mellan dessa olika kretsar är så anordnad att det heta kylvattnet (2) i högtemperaturkretsen sedan detta lämnat motorn avlänkas i tre parter av vilka den första via värmeväxlingskretsen ledes genom färskvattenkylaren (21) medan den andra parten (11X blandas med den första parten (13) efter färskvattenkylaren i proportioner som bestäms av en i korsningen mellan dessa bägge kretsar anordnad första temperaturregulator (T1) för att där- efter via lágtemperaturkretsen ledas genom luftmellankylaren (12) och därefter vid en andra temperaturregulator (T2) blandas med kylvattnet från den tredje (15) av de avlänkade parterna från högtemperaturkretsen i proportioner som bestäms av denna andra temperaturregulator (T2) för att därefter ånyo vid kon- stant temperatur tillföras högtemperaturkretsen och via denna motorns kylmantlar (1).

2. Färskvattenkylsystem enligt krav 1 k ä n n e t e c k- n a t därav att i högtemperaturkretsen ingående avluftnings- expansions-, tryckhâllnings- (3) och flödesjustersystem (8) är anordnade i kylvattnets strömningsriktning efter motorn men före uppdelningen av högtemperaturvattenkretsen.

3. Färskvattenkylsystem enligt krav 1 k ä n n e t e c k - n a t därav att de bägge temperaturregulatorerna (T1, T2) '7810997-2 10 enbart är anpassad att styra blandningsförhållandet mellan kylvatten av olika temperatur som från deolika kretsarna blandas i regulatorerna för att ge en fortsatt kylvatten- ström av bestämd temperatur medan den i högtemperaturkretsen anbringade flödesjusteranordningen (8) och cirkulationspumpen (17) svarar för kylvattenflödets storlek i hela systemet.

4. Färskvattenkylsystem enligt något av kraven 1-3 k ä n n e t e c k n a t därav att däri ingående komponen- ters reglerområden och karaktäristiker är så valda och kombinerade att den i motorn indrivna luftens temperatur hålles konstant inom ett proportionellt band motsvarande 10 % av börvärdet för belastad motor varvid luften kyles inom motorns höga effektområde och förvärmes inom dess låga effekt- område trots att i systemet ingående temperaturavkännande element är placerade i det kylande mediet.

5. Färskvattenkylsystem enligt något av kraven 1-4 k ä n n e t e c k n a t av att däri ingår en i högtempera- turkretsen i kylvattnets strömningsriktning efter motorn an- bringad kombinerad avluftnings-, expansions- och tryckhåll- ningstank (3) utformad med en trycktät med infoch utlopp för kylvattnet försedd helt kylvattenfylld övre avluftnings- kammare (4) samt en under densamma anbringad likaledes tryck- tät och delvis kylvattenfylld expansions- och tryckhàllnings- kammare (6), vilken dels via ett under kammarens vätskeyta mynnande rör (18) är förbunden med högtemperaturkretsen före motorn samt dels via ett andra under vätskeytan mynnande rör (31) är förbunden med avluftningskammarens högsta punkt.

6. Färskvattenkylsystmmenligt krav 5 k ä n n e - t e c k n a t därav att avluftningskammaren (4) av en från dess botten till ett stycke upp tvärs tanken sig sträckande styrplåt (30) uppdelas i en inloppsdel och en utloppsdel så utformade att kylvattnets flödesarea väsentligt förstoras så att vattnet tvingas till en laminär strömning genom kammaren. 7810997 -2 ll

7. Färskvattenkylsystem enligt något av kraven 5 eller 6 k ä n n e t e c k n a t därav att avluftningskammaren (4) och expansions-tryckhållningskammaren (6) medelst en mellanplåt är avdelade ur en och samma tank (5) vilken monterats direkt på motorn med avluftningskammarens inlopp på strömningsmässigt mest fördelaktiga höjdläge i förhållande till motorns kylmantlar.

8. Färskvattenkylsystem enligt något av kraven 5-7 k ä n n e t e c k n a t därav att avluftningskammaren (4) är försedd med en i dess översta del anordnad öppningsbar luftutloppsventil (40) samt att expansions-tryckhållnings~ kammarens (6) undre del är förbunden med ett till nämnda kammare anslutet genom avluftningskammaren sig sträckande stigarrörs (27) övre del medelst ett längs tankens (3) utsida löpande nivåavläsningsrör (59) varigenom det är möjligt att vid uppfyllning av systemet med luftutloppsventilen (40) öppen fylla upp tankens bägge kamrar till en på niváavläsnings- röret (39) markerad gemensam höjd för att därefter vid stängd luftutloppsventil (40) då systemet startas upp omfördela kyl- vattnet så att tankens övre kammare helt vattenfylles medan ett luftfyllt expansionsutrymme bildas i den undre kammaren.