SE425514B - Sett att temperaturreglera ett ferskvattenkylsystem for kompressormatade forbrenningsmotorer med luftmellankylare samt ferskvattenkylsystem i enlighet med settet - Google Patents

Description

8102892-0 Kravet på en förvärmning av insugningsluften vid låga motorbelast- ningar har framförallt aktualiserats av önskan att kunna använda tjockoljedrivna dieselmotorer även under arktiska förhållanden. För- utom att förvärmningen ökar tjbckgljans tändvillighet minskar den även bränsleförbrukningen inom låglastomràdet i och med att det via motorns kylvatten till insugningsluften överförda värmet returneras till motorn där det på nytt får delta i förbränningen.

I motorns höglastområde, där turbokompressorn ger en markant uppvärm- ning av insugningsluften,är det istället väsentligt att insugnings- luften kyles effektivt, vilket även detta sker vid kylsystemet enligt uppfinningen.

I svenskt patent 78.10997-2 beskrivs ett färskvattenkylsystem för kompressormatade förbränningsmotorer av främst typen mediumspeed 7 dieselmotorer innefattande förutom motorns kylmantlar en färskvatten- kylare och en värmeväxlare för luftmellankylning. Kylsystemet enligt detta patent kan anses indelat i tre med varandra integrerade temperaturkretsar bestående av en högtemperaturkrets, innefattande motorns kylmantlar, cirkulationspump, flödesjusteringsanordning samt avluftnings~, expansions- och tryckhållningskärl, en lågtemperatur- krets innefattande i första hand luftmellankylaren samt en värmeväx- lingskrets innefattande färskvattenkylaren. Kylvattenströmmarna och temperaturfördelningen i dessa tre med varandra integrerade temperatur- kretsar styrs med hjälp av tvâ termostatventiler anordnade i bestämda knutpunkter mellan temperaturkretsarna.

Föreliggande uppfinning hänför sig nu till en väsentlig förbättring av detta tidigare system. Genom att införa en tredje termostatventil och komplettera systemet med nya förbiströmningsmöjligheter uppnås flera större och mindre fördelar jämfört med det tidigare systemet medan dettas bästa egenskaper bibehålles. Bland dessa fördelar kan hänvisas till den tidigare nämnda förvärmningen av insugningsluften i lâglastområdet och möjligheterna till värmeåtervinning i hög- lastområdet. För jämförelser mellan de bägge systemens termiska egen- _ skaper hänvisas även till en jämförelse mellan figur 3 i nämnda patent och figur 3 i efterföljande beskrivning. Dessa figurer har med avsikt A utformats så att de underlättar direkta jämförelser mellan de väsent~ ligaste termiska egenskaperna för de bägge kylsystemen. Fördelarna med kylsystemet enligt uppfinningen framstår därvid helt klart. I detta sammanhang kan det även vara motiverat att påpeka att den vid kylsystemet enligt uppfinningen erhållna högre kylvattentemperaturen 8102892-0 inom främst lâglastområdet väsentligt minskar risken för korrosions- skador åstadkomna genom t ex kondensutfällning på ventilhalsar m m medan den rent generellt högre kylvattentemperaturen i första hand underlättar återvinningen av överskottsvärmet.

Kylsystemets enligt uppfinningen generella uppbyggnad skall nu beskrivas i samband med figur 1 på vilken motorns och turboaggregatets kylmantlar visas som en gemensam enhet 1. Denna är i sin tur inkopplad i en högtemperaturkrets som i övrigt består av en tilloppsledning 2 innefattande färskvattenpumpen 3 och en avloppsledning 4 innefattande en strömningsreglerande strypning 5 och ett expansions- och avluft- nings- och tryckhållningskärl 6. Detta är försett med en tryckhåll- ningsledning 6a. Det totala flödet genom motorns och turboaggreqatets kylmantlar styrs av kylvattenpumpens 3 kapacitet i kombination med strypningen 5. Högtemperaturkretsens utlopps- och inloppssidor för- binds av en förbiledning 7. I dennas anslutning till högtemperatur- kretsens inloppssida är en trevägs termostatventil T1 anordnad. Till denna termostatventils tredje anslutning är vidare lågtemperatur- kretsens tilloppsledning 8 inkopplad. I denna tilloppsledning är även en värmeväxlare 9 för temperering av motorns insugningsluft inkopplad.

Lågtemperaturkretsen ansluter med en utloppsledning 10 till hög- temperaturkretsen i knutpunkten mellan denna senares utloppssida 4a och förbiledningen 7. Lågtemperaturkretsens utlopps- och inloppssidor är i sin tur förbundna med en förbiledning 11. I knutpunkten mellan denna förbiledning och lågtemperaturkretsens utloppssida är en tre- vägs termostatventil T2 anordnad. I denna termostatventils tredje anslutning är värmeväxlingskretsens inloppsledning 12 inkopplad.

Denna leder i sin tur via alternativa vägar antingen över en värme- återvinningsapparat 13 eller via en förbiledning med separat styrd ventil 14 till en färskvattenkylare 15. En förbiledning 16 leder vidare förbi kylaren 15. I knutpunkten mellan förbiledningen 16 och utloppet 17 från kylaren 15 är en trevägs termovstatventil T3 inkopp- lad. Dennas tredje anslutning, utloppssidan, är via ett utlopp 18 förbunden med knutpunkten mellan lågtemperaturkretsens tillopp 8 och förbiledningen 11. Vid den på figur 1 visade utformningen av kyl- systemet enligt uppfinningen är hög och lågtemperaturkretsarna med hjälpsystem monterade direkt på motorn medan värmeväxlingskretsens mera skrymmande enheter är monterade utanför motorn. Motorn och på denna monterade delar av kylsystemet är markerad M.

På figuren visas även en råvattenledning 19 och en råvattenpump 20 för färskvattenkylaren 15. Som framgår av figuren används två av 8102892-o 4 kylarens 15 moduler 15a och 15b för färskvattenkylningen medan den tredje modulen 15c användes för smörjoljekylning. Smörjoljans strömningskrets genom kylarmodulen 15c är betecknad 0. I denna ingår även en termostatventil TO för reglering av önskad smörjoljetemperatur.

Denna ingår ej direkt i uppfinningen och kommer därför ej att diskuteras närmare. De i den kompletta kylarmodulen ingående enheterna begränsas av den streckprickade linjen k.

En viss mindre mängd kylvatten strömmar ständigt genom de olika för- biledningarna via speciella sidoöppningar genom termostatventilerna T1, T2 och T3.

Termostatventilernas reglertemperaturer benämnas i det följande rent generellt t1, tz och ts, På figur 1 markerar t1-t3 termostatventil- ernas styrorgan.

Termostatventilen T1 svarar för att det till motorns kylmantlar till- förda kylvattnets temperatur blir i huvudsak oberoende av effekt- uttaget över motorn.

Termostatventilens T2 temperaturomrâde och reglerkaraktäristik är så vald, att vid fallande motorbelastning övergår huvudreglerfunktionen för mantel- och luftmellankylning till denna ventil. Detta innebär att då det från motorn utgående kylvattnets temperatur vid låg motor- belastning sjunker under Tzreglertemperatur t2 så kommer huvuddelen av det genom systemet cirkulerande kylvattnet att via förbiledningen 11 ledas tillbaka till lâgtemperaturkretsen och där ge en effektiv förvärmning av insugningsluften.

Termostatventilens T3 reglertemperatur t3 är så vald att denna för- hindrar en överkylning av det kylvatten som via T2 matas genom kylaren. Vid normal drift samverkar T3 med T1 vilka då tillsammans tagit över styrningen av hela systemet medan T2 står helt öppen.

Vid det på figur 1 generellt visade exemplet är de olika termostat- ventilernas reglertemperaturer t1=66 3 3°C, t2=71 i 3°C och t3=38 3 3°C. Dessa reglertemperaturer har visat sig ge en synnerligen fördelaktig temperaturfördelning i kylsystemet till sådana tjockolje- drivna medium speed dieselmotorer som åtminstone periodvis används under arktiska förhållanden.

Med ovan angivna reglertemperaturer för termostatventilerna ger det på figur 1 illustrerade systemet vid normaldrift en ungefärligen 1G° temperaturhöjning av kylvattnet över motorn. Vid nollast över 8102892-0 motorn kommer vidare ca 95% av den genom systemet cirkulerande kyl- vattenmängden att via termostatventilen T2 passera förbi värmeväx- lingskretsen. Vid maxlast på motorn då motorns kylmantlar tillförs ca 6600 vatten av T1 och lämnar ett ca 76°C vatten kommer T2 med reglertemperaturen 71°C att stå helt öppen. Därvid kommer ca 75% av den genom systemet cirkulerande kylvattenmängden att passera genom kylaren medan termostatventilen T] späder in ca 25%'via förbiledningen 7. I mellanregistret kommer T1 och T3 att samverka medan T2 står mer eller mindre vidöppen och beredd att ta över huvudreglerfunktionen vid nollast eller mycket låg motorbelastning.

Med hjälp av ventilen 14 och värmeåtervinningsapparaten 13 finns motorns i kylvattnet samlade överskottsvärme ständigt tillgängligt för återvinning för andra ändamål.

I ovan nämnda svenska patent 78.10997-2 beksrivs ett kombinerat av- luftnings-, expansions- och tryckhållningskärl. Vid enmotorsystem 1 enlighet med föreliggande uppfinning användes även detta kärl i oför- ändrat skick. Speciellt utmärkande för detta är att avluftnings- kammaren ligger över tryckhållnings- och expansionskammaren.

Vid flermotorsystem i enlighet med uppfinningen bibehålles de på motorerna direkt monterade hög- och lågtemperaturkretsarna i huvudsak oförändrade medan samtliga motorers värmeväxlingskretsar sammankopplas till en enda krets styrd av en enda termostatventil Tš. Vi har även funnit det vara lämpligt att koppla samman samtliga avluftnings-, tryckhållnings- och expansionskärl till en enda krets. Avluftningen sker på samma sätt som vid enmotorsystem medan tryckhållning och expansion sammanförts till ett centralt expansionskärl 35. Jämfört med tryckhâllnings- och expansionskärlet enligt ovan nämnda patent ändras detta vid var och en av motorerna vid flermotorsystem enligt följande.

Nivâvakter, vattenståndsrör och trycklock slopas. Såväl den övre som den undre kammaren fylls upp med vatten och den undre kammarens övre öppning, där trycklocket sitter vid enmotorsystem, anslutas till ett centralt expansionskärl. En mindre tryckskillnad mellan trycket i de bägge kamrarna ger en förstärkt avluftning. Genom ett mindre flöde genom systemet transporteras avskild gas kontinuerligt mot det centrala expansionskärlets 35 avluftare 33.

Figur 2 visar ett flermotorarrangemang i enlighet med det ovan sagda.

De olika motorerna har betecknats M1 - M4. Detaljer som redan finns med på figur 1 har fått behålla sina tidigare beteckningar. Från de olika motorerna M1- M4 tillförs värmeväxlingskretsen vatten via led- 8102892-0 ningarna 21-24. I värmeväxlingskretsen för flermotorsystemet finns en värmeâtervinningsapparat 25 en färskvattenkylare 26, en termotstatventil T3, med förbiledning 27 förbi kylaren och för- bindelseledningar 28-31 till motorernas lågtemperaturkretsar samt en returledning 32 genom vilken överskottsvatten kan cirkulera utan att passera genom motorerna. Detta senare är framförallt vä- sentligt då en eller flera av motorerna i kretsen är avstängda. I värmeväxlingskretsen för flermotorsystem ingår vidare en separat cirkulationspump 36 medan separata oljekylare 37 är anordnade vid respektive motor.

Från de olika avluftningskärlen 6 i respektive motor går tryckhåll- nings- och expansionsledningar via den centrala avluftaren 33 till expansionstanken 35. Detta är även försett med speciell tryckhåll- ningledning 34.

De aktuella driftsvärdena för ett representativt enmotorsystem i en- lighet med föreliggande uppfinning framgår av bifogade figurer 3 och 4.

Claims (7)

8102892-0 7 PATENTKRAV

1. Sätt att reglera temperatureni sådana färskvattenkylsystem för kompressormatade förbränningsmotorer i vilka det ingår en luft- mellankylare för motorns insugningsluft och en färskvattenkylare för sänkning av kylvattentemperaturen och där den senare kan förbi- kopplas vid låga motorbelastningar k ä n n e t e c k n a t därav, att kylsystemet medelst tre trevägstermostatventiler uppdelas i o- lika temperaturkretsar vars respektive temperaturer de olika termo- statventilerna reglerar genom förbiledning av och inspädning av kyl- vatten från angränsande temperaturkretsar varvid den första termostat- ventilen genom inspädning av varmt kylvatten som just passerat motorn tillser att motorns kylmantlar tillförs kylvatten vars temperatur ej understiger en på förhand bestämd temperatur medan den andra termo- statventilen leder huvuddelen av kylvattnet förbi färskvattenkylaren så länge vattnets temperatur understiger ett på förhand bestämt värde som understiger den normala temperaturen på kylvattnet efter motorn vid normaldrift medan den tredje termostatventilen leder kylvatten förbi färskvattenkylaren i tillräcklig mängd för att förhindra en överkylning av det kylvatten som tillförs värmeväxlaren för luftmel- lankylningen.

2. Färskvattenkylsystem för kompressormatade förbränningsmotorer med luftmellankylning i enlighet med sättet enligt patentkrav 1 inne- fattande med varandra integrerade högtemperatur-, lågtemperatur- och värmeväxlingskretsar varvid i högtemperaturkretsen ingår motorns och kompressorns kylmantlar (1), organ för reglering av kylvattenströmmen genom motorn i form av kylvattenpump (3), strypningar (5) för regle- ring av kylvattenflödet genom1mnrmns kylmantlar samt för kylsystemet gemensamma avluftnings-, expansions- och tryckhållningsorgan (6), medan en värmeväxlare (9) för luftmellankylning av motorns insugnings- luft ingår i lågtemperaturkretsen och en färskvattenkylare (15) i smzsez-o 8 värmeväxlingskretsen k ä n n e t e c k n a t därav att högtempera- turkretsens inloppssida via en första trevägs termostatventil (T1) är ansluten till lågtemperaturkretsen omedelbart efter värmeväxlaren (9) för luftmellankylningen medan högtemperaturkretsens utloppssida vid en första knutpunkt efter motorn via en förbiledning (7) är an- sluten till nämnda första termostatventils (T1) tredje anslutning och denna termostatventils reglerkaraktäristika är så vald att motorns kylmantlar (1) genom blandning av vatten direkt från högtempraturkret- sens utloppssida och vatten som passerat genom värmeväxlaren (9) för luftmellankylningen tillförs kylvatten av en på förhand bestämd temperatur oberoende av belastningen över motorn medan en anslutning från nämnda första knutpunkt efter motorn leder till en andra knut- punkt efter motorn och en där anordnad andra trevägs termostatventil (T2) vilken vidare är förbunden dels med lâgtemperaturkretsens inlopps- sida och varvid denna termostatventils reglerkaraktäristika är så vald att huvuddelen av vattnet ledes förbi värmeväxlingskretsen om inte kylvattnets temperatur på motorns utloppssida överstiger en på förhand bestmämd temperatur (tz) vilken understiger nämnda kylvatten- temperatur vid normaldrift då nämnda andra termostatventil (T2) kommer att vara helt öppen mot värmeväxlingskretsen vilken dels innefattar en färskvattenkylare (15) dels en förbiledning (16) som mynnar i en trevägs termostatventil (T3) anordnad efter färskvattenkylaren (15) och som förutom med förbiledningen och kylaren även är förbunden med lågtemperaturkretsen i den knutpunkt där förbiledningen från den andra termostatventilen (T2) mynnar och varvid reglerkaraktäristikan för nämn- da tredje termostatventil (T3) är så vald att temperaturen på det kyl- vatten som tillförs lågtemperaturkretsen aldrig understiger ett på förhand bestämt värde.

3. Färskvattenkylsystem enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a*t därav att en värmeåtervinningsapparat med separat manövrerad förbiled- ningsventil finns inkopplad i värmeväxlingskretsen.

4. Färskvattenkylsystem enligt patentkrav 2 eller 3 k ä n n e - t e c k n a t därav att nämnda tre termostatventilers (T1, T2 och T3) reglertemperaturer är respektive 66 i 3°C, 71 1 3°C och 38 3 3°C.

5. Färskvattenkylsystem enligt något av kraven 2-4 k ä n n e - t e c k n a t därav att hög- och lågtemperaturkretsar, värmeväxlare (9) för luftmellankylning och de däri ingående termostatventilerna 8102892-0 (T1 och T2) är monterade direkt på motorn medan värmeväxlingskret- sen med kylare (15) är monterad utanför motorn.

6. Färskvattenkylsystem enligt krav 5 för flera med varandra samverkande motorer n n e t e c k n a t därav att samtliga nmtorers värmeväxlingskretsar kopplats samman till en värmeväxlings- krets styrd av en termostatventil (T3) varvid samtliga motorers överskottsvärme samlas i en punkt på värmeväxlingskretsens inlopps- k ä sida.

7. Färskvattenkylsystem enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a t därav att denna uppvisar en separat returledning (32) i samband med kylaren (26) genom vilken överskottsvatten kontinuerligt kan cirku- lera.