SE424348B - Forfarande och anordning vid kylning av forbrenningsmotor for att nedbringa korrosivt slitage av cylinderlopp och kolvringar - Google Patents

Description

20 25 30 35 8005086-7 turen på cylinderfqdrets insida; är hos dagens diesel- motorer vanligen l70 - l8G°C när motorn arbetar vid full effekt och Befinner sig därvid inom ett temperatur- område, där korrosionen är förhållandevis låg och nära ett minimum. Korrosionsproblemen uppstår när motorn ar- betar viddeflasüarav sin maximala effekt. Kylningen av cylinderfodren och kolvringarna medför då att tempera- turen hos dessa sjunker ned i det korrosiva temperatur- området. Kylningen av en dieselmotor eller en förbrän- ningsmotor i allmänhet sker med ett kylmedium som cir- kuleras genom kanaler och utrymmen i motorn. Kylmedlet passerar utanför motorn en kylare som på lämpligt sätt iavkyles. Eventuellt kan kylenheten bestå av ett vatten- intag från en större vattenkälla, t ex sjövatten eller motsvarande. För reglering avkylmediumtemperaturen förefinnes en shuntledning som fungerar så, att retur- mediun\från motorns kylkanaler âterföres genom lämplig inställning av en trevägsventil. Ingående kY1medium till motorn utgöres således av en blandning av från kylaren kommande kylmedium och genom trevägsventilen shuntat returkylmedium från motorn. d Ändamålet med föreliggande uppfinning är nu att elimine- ra att yttemperaturen för cylinderlopp och kolvringar under olika driftsförhållanden ligger inom det ovan nämnda korrosiva temperaturområdet. Man skall således så ombesörja kylningen, att yttemperaturen för cylinder- lopp och kolvringar antingen befinner sig ovanför det farliga temperaturområdet ur korrosionssynpunkt eller under detsamma. I praktiken har det visat sig omöjligt att upprätthålla temperaturen i turområdena över eller under nämnda korrosiva område.

Det kännetecknande för uppfinningen är nu att yttempe- raturen för cylinderlopp och kolvringar medelst kyl- mediunLtemperering under motorns bhlastning'upp till viss dellast hållas i huvudsak konstant och under den undre temperaturgränsen för riskerad korrosionsmaxima på grund ettdera av tempera- 10 15 20 in 30 8005086-7 av S03-halten i rökgasen och att vid ökande effektuttag och vid uppnående av nämnda dellast,kyflmediumtempereringen ger en språngvis förhöjning av yttemperaturen till ett vär- de ovanför övre temperaturgränsen för nämnda riskerade korrosionsmaxima samt att yttemperaturen härefter hålles över detta värde medelst kylmediumtempereringen.

I det följande kommer uppfinningen att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningsfigurer.

Fig. 1 visar därvid ett diagram över förhållandet mellan yttemperaturen för cylinderlopp och kolvringar såsom en funktion av en dieselmotors effektuttag. Vidare visas temperaturen för avgående kylvatten och ingående kyla vatten såsom en funktion av effektuttaget.

Fig. 2 visar för åskådlighetens skull två ovanför varand« ra förlagda diagram, varav framgår uppfinningstanken och hur yttemperaturen för cylinderlopp och kolvringar för» löper som en funktion av effektuttaget, varjämte också avgående kylvattentemperatur, ingående kylvattentempera- tur och cirkulerande kylmediets hastighet såsom en funk- tion av effektuttaget visas.

Fig. 3 visar ett strömningsschema för kylmedelanlägg- ningen för en dieselmotor jämte reglertekniken enligt uppfinningen.

Fig. 4 visar på samma sätt som fig. 3 uppfinningstanken men i en annan utföringsform.

Känd reglerteknik för en dieselmotors kylvatten ger såsom resultat ett kylningsförlopp som åskädliggöres i ritningsfigur l. I detta exempel på kylningsförloppet hålles avgående kylvatten vid konstant temperatur, var- för det ingående kylvattnet genom shuntningen får en 10 15 20 25 30 35 8005086- 7 allt högre temperatur ju lägre effektuttaget är. Cy- linderlopptemperaturen blir vid fullt effekttuttag ca l80°C enär kylningen är avpassad för detta. Redan vid ca 70 % dellast kommer emellertid enligt detta exempel cylinderlopptemperaturen ned i det i det föregående angivna korrosiva temperaturområdet och kommer att vara förlagt där ända till dess att effektuttaget understiger ca 20 %. Av figuren framgår såsom känt att temperaturen i cylinderlopp och kolvringar varierar med effektuttaget vid hitintills använda kylsystem för för- bränningsmotorer och dieselmotorer i synnerhet.

Av ritningsfiguren 2 framgår uppfinningstanken. Däri visas att enligt uppfinningstanken kylningseffekten för motorn så regleras, att temperaturen för cylinder- lopp vid lägre belastning av motorn hålles konstant och vid ca 100° men att vid uppnående av ex.vis 50 % effektuttag yttemperaturen för cylinderlopp och kolvringar språng- vis och snabbt får öka till ca l80°, dvs. ovanför nämnda korrosiva temperaturområde. Givetvis gäller också det omvända förhållandet när man minskar effektuttaget från fullt effektuttag för dieselmotorn ned till motorns av- stängning. Det framgår således, att man upprätthåller i princip två temperaturer för cylinderlopp och kolv- ringar och detta i beroende av effektuttaget för motorn.

Kylningsförloppet skall styras mycket strikt medelst en i det följande benämnd styrenhet. Denna styrenhet får för ändamålet insignaler från effektuttaget, från in- gående och från avgående kylvattentemperaturen. Med hjälp av dessa tre parametrar reglerar styrenheten kyl- ningsförloppet så att det i fig. 2 visade resultatet uppnås. Resultatet kan emellertid ej uppnås på konven- tionellt sätt, dvs. medelst en shuntning av kylkretsen.

Enligt uppfinningen regleras nu kylningen medelst en ändring av kylvattenhastigheten genom motorn i förhål- lande till effektuttaget från motorn. Genom ändring av 10 15 20 25 30 35 8005086-7 kylvattenhastigheten eller kylmediumhastigheten påverkas nämligen värmeövergångstaletciför metall till vatten, enär d = f (Re) = HM), där Re är Reynolds tal d är kanaldiametern för vattnet v är vattenhastigheten och fllär vattnets viskositet.

Såsom kylmedium har tidigare och kommer i det följande att nämnas vatten men andra vätskor är givetvis tänkbara. Regle- ringen av vattenhastigheten kan ske med olika medel som i det följande kommer att beskrivas.

I ritningsfiguren 2 åskådliggöres schematiskt kylningsför- loppet såsom tidigare nämnts. l övre delen av figuren visas således temperaturförloppet hos det från motorn avgående och till motorn ingående kylvattnet som en funktion av effektut- taget. Regleringen av vattenhastigheten har en klart domine- rande inverkan på kyleffekten. Regleringen medelst shuntning av ingående kylvatten får därför närmast en korrigerande ka- raktär. Det temperaturförlopp för till motorn ingående och från motorn avgående kylvattnet som åskådliggöres i ritnings- figuren 2 är därför endast exemplifierande och kan variera starkt beroende på val av vattenhastighet och olika motorty- per. Om man såsom här visas väljer att låta avgående kylvat- tentemperaturen följa ett kontinnerligt temperaturförlopp så kan den ingående kylvattentemperaturen exempelvis behöva sty- ras enligt här visat förlopp, dvs. ett sjunkande förlopp med ökat effektuttag men med en språngartad ökning samtidigt med sänkningen hos vattenhastigheten. Den nedre kurvan i fig. 2 illustrerar vattenhastigheten och som framgår ökas vattenhas- tigheten kontinuerligt från ungefär 0,60 av full hastighet och upp till 0,90 av full hastighet med ökande effektuttag och fram till ett effektuttag av i närheten av 45 %. Därefter sänkes vattenhastigheten drastiskt under en mycket kort period av ökande effektuttag så att vattenhastigheten sjun- ker till under hälften av full vattenhastighet. Härav följer att kylningseffekten starkt minskas, vilket svarar mot en 10 15 20 25 30 35 80050 86-7 hastigt ökande temperatur för cylinderlopp och kolvringar.

I figurens 2 övre del och översta kurva illustreras huru me- delst den nästan lodräta linjen yttemperaturen för nämnda delar stiger från 100°C till 180°C. Kurvan ifråga benämnes med foder. Ifrân denna belastningspunkt, dvs. vid ungefär 45 % belastning, ökar kylbehovet med ökande effektuttag, varför såsom framgår av nedre kurvan i fig. 2 vattenhastig- hten får öka från denna punkt av dellast och upp till fullt effektuttag. Vattenhastigheten är således den parameter som gives största variationerna för att påverka kylförloppet för motorn. Det kan antagas att vattenhastigheten för kylningen vid fullt effektuttag i fig. 2 angives med värdet 1,0 och att vattenhastigheten kan regleras nedåt från detta värde.

Av fig. 2 framgår således också att yttemperaturen för cylin- derlopp och kolvringar endast befinner sig inom det tidigare nämnda farliga temperaturområdet under mycket kort dellast- förändring. Självklart gäller att man också skall se till att just den dellast, där den språngvisa temperaturförändringen sker inte uttages ur motorn under ett längre tidsförlopp, utan skall passeras. Självklart är således, att man såsom lämplig punkt för den språngvisa temperaturförändringen väl- jer en punkt för dellast, som passar motorns driftssätt i öv- rigt, dvs. en dellast som aldrig kommer till användning annat än vid passering av motorn från start till ett driftseffekt- uttag och åter.

I fig. 3 visas schematiskt en kylvattenanläggning för en dieselmotor. Dieselmotorn 1 har således en utgående kylvat- tenledning 2, som leder till en kylare 3. Från kylaren 3 le- des kylvattnet till motorns kylvattenintag. Med 4 betecknas en shuntledning som shuntkopplar utgående kylvattenledningen 2 relativt kylaren 3 med hjälp av en trevägsventil 5. Detta utgör också den kända tekniken. Ett manöverdon 8 styr trevägs- ventilen S så att ingående kylvattentemperaturen till motorn hålles vid önskade värden. Enligt känd teknik har manöverdonet 8 tidigare erhållit signal för manövreringen av trevägsven- . tilen i beroende av utgående kylvattentemperaturen. 10 15 20 25 30 35 8005086-7 En cirkulationspump 9 sörjer för kylvattnets cirkulation genom motorn 1. I den i fig. 3 visade utföringsformen fö- rutsättes att cirkulationspumpen arbetar med konstant ef- fekt. För att nu enligt uppfinningstanken reglera kylvatten- hastigheten och därmed kylvattnets kylande effekt så är ef- ter cirkulationspumpen 9 anordnad en trevägsventil 14 som dels matar kylvatten till motorn, dels i slingan 15 returne- rar kylvatten till cirkulationspumpens inloppssida. Trevägs- ventilen 14 manövreras medelst ett manöverdon 13.

För att manövrera de två trevägsventilerna 5 och 14 är anordnat en styrenhet 12. Denna styrenhets utsignaler går som visas i fig. 3 till manöverdonet 8 respektive manöver- donet 13. Den viktigaste insignalen till styrenheten 12 kom- mer från en mätgivare på motorn som således angiver i in- signaler till styrdonet vilken belastning motorn är utsatt för, dvs. vilket effektuttag som motorn köres med. Såsom tidigare förklarats i anslutning till fig. 2 gäller att vid visst effektuttag, säg 50 % skall vattenhastigheten snabbt sänkas. Vidare skall ingående kylvattentemperaturen sänkas.

Signal från mätgivaren 11 meddelar styrenheten 12 när effekt- uttaget är det nu nämnda. En mätgivare 6 är anordnad vid ut- gående kylvattenledningen från motorn och likaledes är en mätgivare 10 anordnat på ingående ledningen vid motorn och signaler från dessa mätgivare avgives till styrenheten 12.

Styrenheten 12 sammansätter de tre insignalerna från mät- givarna 6, 10 och 11 så att förloppet enligt fig. 2 åstad- kommes. Vid ett effektuttag av säg således 50 % erhåller såväl manöverdonet 8 som manöverdonet 13 signaler från styrenheten 12 och de två trevägsventilerna 5 respektive 14 omställes så, att kyleffekten snabbt minskar. Detta medför således den snabba förhöjda temperaturen för cy- linderlopp och kolvringar. Manöverdonet 8 ställer således in trevägsventilen 5 så att ingående kylvattentemperaturen snabbt sänkes eller tillåtes sjunka men det huvudsakliga är att trevägsventilen 14 inställes så, att vattenhastig- heten snabbt vid nämnda effektuttag sjunker, vilket göres 10 15 20 25 30 8005086-7 genom inställning så att rundpumpning sker med hjälp av trevägsventilen 14 och shuntledningen 15 genom pumpen 9.

Vattenhastigheten genom motorn 1 sänkes därigenom.

Styrenheten 12 är uppbyggd enligt känd teknik. Den inne- håller sålunda tre förförstärkare, en för varje ingående signalledning från mätgivarna 6, 10 och 11. De förstärkta signalerna går sedan till en funktionsgenerator, som inne- håller en matematisk modell av ett lämpligt reglerings- förlopp, t ex det som åskâdliggöres i fig. 2. Funktions- generatorn omvandlar i enlighet med denna modell insigna- lerna till styrsignaler för ventillägena för de två tre- vägsventilerna 5 och 14. Styrsignalerna passerar en slut- förstärkare, en för varje ventil, för alstrande av manö- verström till ventilernas manöverdon.8 och 13. Om venti- lerna är pneumatiskt manövrerade så går de förstärkta styrsignalerna till en tryckomvandlare.

Motorns effektuttag kan mätas medelst en effektmätare av känt slag och applicerad på från motorn utgående axel.

Effektmätaren är sedan försedd med mätgivaren 11 som så- ledes avger en signal som ett mått på uttagen effekt.

Ett fullt användbart närmevärde för motorns effektuttag kan också erhållas genom avkänning av bränslepumparnas regulatorläge. Temperaturmätgivare och manöverdon för ventilerna, pneumatiska eller elektriska finnes till- gängliga på marknaden.

En tänkbar men praktiskt.sâme variant av kylvattensyste- met I enlighet med uppfinningstankén illustreras i rit- ningsfiguren 4, där samma händelseutveckling användes som för fig. 3. Enda skillnaden i förhållande till utföringsformen enligt fig. 3 är att trevägsventilen 14 ersätts med ett styrbart stryporgan 24. Genom att öka eller minska strypeffekten med hjälp av organet 24 'ökas respektive minskas vattenhastigheten genom motorns 10 15 20 8005086-7 kylvattenledningar. En ytterligare men ej visad tänkbar utföringsform är att cirkulationspumpen drives så att dess kapacitet är varierbar. Detta kan ske medelst en motor som har reglerbart varvtal. Om cirkulationspumpen exempelvis är en centrifugalpump så minskas respektive~ ökas rotationshastigheten för drivmotorn, varigenom pumpens pumpeffekt förändras i enlighet med önskad ge- nomströmningshastighet för kvlvattnet.

Uppfinningen har i det föregående beskrivits i några tänkbara utföringsformerr Sneciellt skall observeras att i det föregående således valts att vattenhastighe- ten och därmed yttertemperaturen för cylinderlopp och kolvringar snabbt skall förändras vid en valfri dellast, säg ca 50 % av full effekt. Vidare gäller ju enligt vad som inledningsvis nämnts att temperaturområdet där korro- sionsfaran är störst varierar något med materialets sam- mansättning, dvs. sammansättningen av materialet i cylin- derloppet och kolvringar och också med rökgasernas S03- halt. De i fig. 2 angivna temperaturgränserna 100°C och 180°C för yttemperaturen för foder (cylinderl0PP) är således angivna i exemplifierande syfte. Gränserna kan således varieras alltefter kunskaperna om materialets sammansättning och rökgasernas_§O3-halt.

Claims (11)

8005086-7 10 PATENTKRAV:

1. Förfarande vid kylning av förbränningsmotor för att nedbringa korrosivt slitage av cylinderlopp och kolv- ringar, k ä n n e t e c k n a t av att yttemperaturen för cylinderlopp och kolvringar medelst reglering av kyl- effekten under motorns belastning upp till förutbestämd dellast hålles under den undre temperaturgränsen för ris- kerad korrosionsmaxima p g a S03-halt i rökgasen och att vid ökande effektuttag och vid uppnåendet av nämnda del- last kyleffekten regleras så att en sprângvis förhöjning uppnås av yttemperaturen till ett värde ovanför övre tem- peraturgränsen för nämnda riskerade korrosionsmaxima samt att yttemperaturen härefter hålles över detta värde.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kylmediumreäleríngefl åtminstone utföres genom regle- ring av kylmediumhastigheten genom motorn.

3. Förfarande enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a t av att kylmediets strömningshastighet ökas med ökande effekt- uttag och att vid nämnda förutbestämda delbelastning strömningshastigheten språngvis sänkes.

4. Förfarande enligt krav 2 eller 3, k ä n n e t e c k - n a t av att ingående kylmediumtemperaturen genom shunt- ning med avgående kylmedium språngvis ändras vid den förutbestämda dellasten.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att ingående kylmediumtemperaturen i övrigt kontinuer- ligt anpassas med ökande effektuttag.

6. Anordning vid kylning av förbränningsmotorer för att nedbringa korrosivt slitage av cylinderlopp och kolv- ringar, varvid dessas yttemperatur regleras enligt för- farandet i krav 1, k'ä n n e t e c k n a d av att styr- 8005086-7 11 organ (12), som erhåller signaler-från en mätgivare (11) för motorns effektuttag, vilket styrorgan i beroende av mätgivarens (11) insignal avgiver utsignal till ett i motorns kylmediumledning anordnat flödeshastighetsbe- stämmande organ (14,15).

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att styrorganet (12) även avgiver utsignal till ett manö- verdon (8) för en trevägsventil (5), som reglerar shunt- ning av utgående kylmedium relativt en kylare (3).

8. Anordning enligt något av kraven 6 eller 7, k ä n - n e t e c k n a d av att styrorganet (12) också motta- ger insignaler från en mätgivare (6) på utgående kylme- diumledningen och från en mätgivare (10) på ingående kylmediumledningen.

9. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att det flödeshastighetsbestämmande organet innefattar en konstantreglerad cirkulationspump (9), en denna efter- kopplad trevägsventil (14) med en utgående ledning till motorn och en utgående ledning (15) till pumpens sugsida.

10. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att flödeshastighetsbestämmande organet innefattar en i kylvattenledning insatt cirkulationspump med reglerbart varvtal.

11. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att flödeshastighetsbestämmande organet innefattar ett reglerbart stryporgan i kylvattenkretsen för motorn.