NO820735L - Or fremgangsmaate og anordning ved kjoeling av forbrenningsmot - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte

og en anordning ved kjøling av forbrenningsmotor for å minske korrosiv slitasje av sylinderløp og stempelringer.

Sylinderforing- og stempelringslitasjen i en dieselmotor

er vanligvis overveiende en korrosiv slitasje. Dette gjelder spesielt i motorer med høyt gjennomsnittstrykk. Korrosjonen skyldes hovedsakelig brennstoffets svovelinnhold. I en dieselmotor foregår alltid forbrenningen av brennstoffet med et forholdsvis stort luftoverskudd, noe som medfører at dannelsen av svoveltrioksyd dominerer i forhold til dannelsen av svoveldioksyd. Med vanndampen i røykgassene dannes det sammen med svovelsyrling den sterkere svovelsyre. Korrosjonen sammen med den mekaniske slitasje gjør at sylinderforingen og stempelringene får en altfor kort levetid og utgjør en markant økonomisk belastning.

Ved overgang fra tungolje til dieselolje med sitt lavere svovelinnhold minket slitasjen generelt, men sovelinnholdet i dieseloljer er i den senere tid av forskjellige årsaker økt,

og derved minskes dieseloljens fordeler i forhold til tungoljen. Kjente undersøkelser viser at korrosjonen av stål i røykgass

med 0,01 og 0,02% SO^-innhold har et meget markant maksimum ved ca. 150°C, men på begge sider av dette maksimum foreligger det korrosjonsminima. således er temperaturer like over 170-180°C og temperaturer like under 110-120°C gunstige fra korrosjonssynspunkt. Disse angitte temperaturer varierer noe med stålets sammensetning og med røykgassens SO^-innhold, men generelt kan det sies at et temperaturområde på mellom 120 og 170°C

i en sylinderforing eller i stempelringer er klart ugunstig fra korrosjonssynspunkt. Sylinderforingens temperatur eller rettere sagt overflatetemperaturen på sylinderforingens inner-side, er hos dagens dieselmotorer vanligvis 170-180°C når motoren

arbeider ved full effekt og befinner seg derved i et temperaturområde hvor korrosjonen er forholdsvis liten og nær et minimum. Korrosjonsproblemene oppstår når motoren arbeider ved delbelast-ningen av sin maksimale effekt. Kjølingen av sylinderforingen og stempelringene medfører da at temperaturen hos disse synker ned i det korrosive temperaturområde. Kjølingen av en dieselmotor eller en forbrenningsmotor generelt foregår med et kjøle-medium som sirkuleres gjennom kanaler og rom i motoren. Kjøle-midlet passerer utenfor motoren en kjøler som avkjøles på egnet måte. Eventuelt kan kjøleenheten bestå av et vanninntak fra en større vannkilde, f.eka. sjøvann eller tilsvarende. For regulering av kjølemediumtemperaturen finnes det en shuntledning som funksjonerer slik at returmedium fra motorens kjølekanaler

føres tilbake ved hensiktsmessig innstilling av en treveisventil. Innstrømmende kjølemedium til motoren utgjøres således av en blanding av kjølemedium som kommer fra kjøleren og retur-kjølemedium fra motoren, som er shuntet gjennom trevei.sventilen.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å hindre

at overflatetemperaturen for sylinderløp og stempelringer under ulike driftsforhold ligger i det ovennevnte korrosive temperaturområde. Man skal således utføre kjølingen slik at overflatetemperaturen for sylinderløp og stempelringer enten befinner seg

over det farlige temperaturområde fra korrosjonssynspunkt eller under dette. I praksis har det vist seg umulig å opprettholde temperaturen i et av temperaturområdene over eller under det korrosive område.

Det kjennetegnende for oppfinnelsen er at overflatetemperaturen for sylinderløp og stempelringer ved hjelp av kjølemedium-temperering under belastning av motoren opp til en viss delbelastning holdes stort sett konstant og under den nedre temperaturgrense for risikert korrosjonsmaksima på grunn av SO^-inn-holdet i røykgassen og at ved økende effektuttak og når nevnte delbelastning er oppnådd gir kjølemediumtemperaturen en sprangvis økning av overflatetemperaturen til en verdi over den øvre grense for de risikerte korrosjonsmaksima, samt at overflatetemperaturen deretter holdes over denne verdi ved hjelp av kjøle-mediumtempereringen.

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende bli beskrevet under

henvisning til de medfølgende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser et diagram av forholdet mellom overflatetem peratur for sylinderløp og stempelringer som en funksjon av en dieselmotors effektuttak. Videre vises temperaturen for ut-strømmende kjølevann og innstrømmende kjølevann som en funksjon av effektuttaket. Fig. 2 viser to diagrammer som for oversiktens skyld er anbrakt over hverandre og hvor oppfinnelsestanken fremgår- og hvordan overflatetemperaturen i sylinderløp og stempelringer løper som en funksjon av effektuttaket, mens det også er vist temperaturen i utstrømmende kjølevannstemperatur og innstrømmende kjølevann samt sirkulerende kjølemediets hastighet som en funksjon av effektuttaket.

Fig. 3 viser strømningsskjerna for kjølemiddelanlegget

for en dieselmotor samt reguleringsteknikken ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser på samme måte som fig. 3 oppfinnelsestanken, men i en annen utførelsesform.

Kjent teknikk for en dieselmotors kjølevann gir som resultat et kjølingsforløp som er vist i fig. 1. I dette eksempel

på kjølingsforløpet holdes utstrømmende kjølevann på konstant temperatur, hvorved det innstrømmende kjølevann på grunn av shuntingen får en temperatur som er desto høyere jo lavere effektuttaket er. Sylinderløpstemperaturen blir ved fullt effektuttak ca. 180°C idet kjølingen er avpasset for dette. Allerede ved ca. 70% delbelastning kommer imidlertid ifølge dette eksempel sylinderløpstemperaturen ned i det ovenfor angitte korrosive temperaturområde og kommer til å ligge der- helt til effektuttaket understiger 20%. Av figuren fremgår det som er kjent at temperaturen i sylinderløp og stempelringer varierer med effektuttaket hos hittil anvendte kjølesystemer for forbrenningsmotorer og særlig dieselmotorer.

Oppfinnelsesidéen fremgår av fig. 2. Der vises at ifølge oppfinnelsestanken reguleres kjøleeffekten for motoren slik at temperaturen i sylinderløp ved lavere belastning av motoren holdes konstant og på ca. 100°C, men at ved oppnåelse av f.eks. 50% effektuttak får overflatetemperaturen i sylinderløp og stempelringer sprangvis og hurtig øke til ca. 180°C, dvs. over nevnte korrosive temperaturområde. Selvsagt gjelder også det omvendte forhold når man minsker effektuttaket fra fullt effektuttak for dieselmotorer ned til avstengning av motoren. Det fremgår således at man i prinsippet bibeholder to temperaturer for sylinderløp og stempelringer, avhengig av effektuttaket for motoren.

Kjøleforløpet skal styres meget nøye ved hjelp av en styreenhet. For dette formål mottar styreenheten innsignaler fra effektuttaket og fra temperaturen i innstrømmende og utstrøm-, mende kjøkevann. Ved hjelp av disse tre parametre regulerer styreenheten kjøleforløpet slik at det i fig. 2 viste resultat oppnås. Resultatet kan imidlertid ikke oppnås på konvens-jonell måte, dvs. ved hjelp av shunting av kjølekretsen. Ifølge oppfinnelsen reguleres nå kjølingen ved hjelp av en forandring av kjølevannshastigheten gjennom motoren i forhold til effektuttaket fra motoren. Ved forandring av kjølevannshastigheten eller kjølemediumshastigheten påvirkes nemlig varmeovergangs-tallet a for metall til vann, idet

hvor'Re er Reynolds tall

d er kanaldiameteren for vannet

v er vannhastigheten og

n er vannets viskositet.

Som kjølemedium er ovenfor og vil i det etterfølgende

nevnes vann, men andre væsker er selvfølgelig tenkelige. Reguleringen av vannhastigheten kan forgå ved hjelp av forskjellige anordninger som vil bli beskrevet i det etterfølgende.

Fig. 2 viser som nevnt ovenfor kjøleforløpet skjematisk.

I den øvre del av figuren vises således temperaturforløpet hos henholdsvis kjølevannet som strømmer inn i motoren og det som strømmer ut av motoren som en funksjon av effektuttaket. Reguleringen av vannhastigheten har en klart dominerende innvirkning på kjøleeffekten. Reguleringen ved hjelp av shunting av innstrøm- ( mende kjølevann får derfor nærmest en korrigerende karakter.

Det temperaturforløp for kjølevannet som strømmer inn i og ut

av motoren og som er vist i fig. 2 er derfor bare eksempel og kan variere sterkt avhengig av vannhastighet og forskjellige motortyper. Dersom man som vist her velger å la det utstrømmende kjølevanns temperatur følge et kontinuerlig temperaturforløp kan temperaturen i det innstrømmende kjølevann f.eks. måtte styres ifølge det viste forløp, dvs. et synkende forløp med økt effektuttak, men med en sprangvis økning samtidig med senk-ningen av vannhastigheten. Den nedre kurve i fig. 2 viser vannhastigheten, og som det fremgår økes vannhastigheten kontinuerlig fra ca. 0,60 av full hastighet og opp til 0,90 av full hastig-

het med økende effektuttak frem til et effektuttak i nærheten av 45%. Deretter senkes vannhastigheten drastisk i løpet av.

et meget kort tidsrom av økende effektuttak slik at vannhastigheten synker til under halvparten av full vannhastighet. Derav følger at kjøleeffekten minskes sterkt, noe som svarer til en hurtig økende temperatur i sylinderløp og stempelringer." I den øvre del og øverste kurve i fig. 2 vises hvordan ved hjelp av den nesten vertikale linje overflatetemperaturen for nevnte deler øker fra 100 til 180°C. Vedkommende kurve benevnes foring. Fra dette belastningspunkt, dvs. omtrent ved 45% belastning,

øker kjølebehovet med økende effektuttak. Av den grunn tillates som det fremgår av nedre kurve i fig. 2 vannhastigheten å øke fra dette punkt av delbelastning og opp til fullt effektuttak. Vannhastigheten er således den parameter som gis de største variasjoner for å påvirke motorens kjøleforløp. Det kan antas at vannhastigheten for kjølingen ved fullt effektuttak angis med verdien 1,0 og at vannhastigheten kan reguleres nedover fra denne verdi. Av fig. 2 fremgår det således også at overflatetemperaturen i sylinderløp og stempelringer bare befinner seg 1 det ovennevnte farlige temperaturområde under meget kort del-belastningsforandring. Selvfølgelig gjelder det at man også

skal sørge for at nettopp den delbelastning hvor den sprangvise temperaturforandring foregår ikke uttas av motoren i et lengre tidsrom, men skal passeres. Selvfølgelig er det slik at man som egnet punkt for den sprangvise temperaturforandring velger et punkt for delbelastning som passer motorens driftsmåte for øvrig, dvs. en delbelastning som aldri kommer til anvendelse annet enn ved passering av motoren fra start til et driftseffekt-uttak og tilbake.

Fig. 3 viser skjematisk et kjølevannsanlegg for en dieselmotor. Dieselmotoren 1 har således en kjølevannsutløpsledning 2 som fører til en kjøler 3. Fra kjøleren 3 ledes kjølevannet til motorens kjølevannsinntak. En shuntledning 4 shuntkopler kjølevannsutløpsledningen 2 i forhold til kjøleren 3 ved hjelp av en treveisventil 5. Dette utgjør også den kjente teknikk.

En manøvreringsanordning 8 styrer treveisventilen 5 slik at temperaturen på det innstrømmende kjølevann til motoren holdes på den ønskete verdi. Ifølge kjent teknikk har manøvrerings-organet 8 mottatt signal for manøvreringen av treveisventilen avhengig av det utstrømmende kjølevanns temperatur. En sirkula sjonspumpe 9 sørger for kjølevannets sirkulasjon gjennom motoren 1. I den i fig. 3 viste utførelsesform forutsettes det at sirkulasjonspumpen arbeider med konstant effekt. For nå ifølge oppfinnelsen å regulere kjølevannshastigheten og derved kjøle-vannets kjølende effekt er det etter sirkulasjonspumpen 9 anordnet en treveisventil 14 som dels mater kjølevann til motoren dels i en sløyfe 15 returnerer kjølevann til sirkulasjonspumpens innløpsside. Treveisventilen 14 manøvreres ved hjelp av en manøv-reringsanordning 13.

For å manøvrere de to treveisventiler 5 og 14 er det anordnet en styreenhet 12. Denne styreenhets utsignaler går som vist i fig. 3 til manøvreringsanordningen 8 respektivt til manøv-reringsanordningen 13. Det viktigste innsignal til styreenheten 12 kommer fra en målegiver på motoren, som i innsignaler angir til styreenheten hvilken belastning motoren er utsatt for, dvs. hvilket effektuttak motoren kjøres med. Som forklart ovenfor i forbindelse med fig. 2 gjelder det at ved et visst effektuttak, f.eks. 50%, skal vannhastigheten hurtig senkes. Videre skal det innstrømmende kjølevanns temperatur senkes. Signal fra målegiveren 11 meddeler styreenheten 12 når effektuttaket er det ovennevnte. En målegiver 6 er anordnet ved kjølevannsutløpsled-ningen fra motoren, og likeledes er en målegiver 10 anordnet på inntaksledningen ved motoren, og signaler fra disse måle-givere avgis til styreenheten 12. Styreenheten 12 setter de tre innsignaler fra målegiverne 6, 10 og 11 sammen slik at for-løpet ifølge fig. 2 oppnås. Ved et effektuttak på f.eks. 50% mottar både manøvreringsanordningen 8 og manøvreringsanordningen 13 signaler fra styreenheten 12, og de to treveisventiler 5 og 14 omstilles slik at kjøleeffekten avtar hurtig. Dette med-fører således den hurtig økte temperatur for sylinderløp og stempelringer. Manøvreringsanordningen 8 stiller således inn treveisventilen 5 slik at det innstrømmende kjølevanns temperatur senkes hurtig eller tillates å synke, men det vesentlige er at treveisventilen 14 innstilles slik at vannhastigheten ved nevnte effektuttak synker hurtig, noe som gjøres ved innstilling slik at rundpumping foregår ved hjelp av treveisventilen 14 og shuntledningen 15 gjennom pumpen 9. Derved senkes vannhastigheten gjennom motoren.

Styreenheten 12 er oppbygget ifølge kjent teknikk. Den inneholder således tre forforsterkere, en for hver inngående signalledning fra målegiverne 6, 10 og 11. De forsterkete signaler går deretter til en funksjonsgenerator som inneholder en matematisk modell av et egnet reguleringsforløp, f.eks. det som er vist i fig. 2. Funksjonsgeneratoren omdanner i overensstemmelse med denne modell innsignalene til styresignaler for ventilstillingene for de to treveisventiler 5 og 14. Styresig-nalene passerer en slutt-forforsterker, en for hver ventil, hvorved det dannes manøvreringsstrøm til ventilenes manøvrerings-anordninger 8 og 13. Dersom ventilene er pneumatisk manøvrert,

så går de forsterkete styresignaler til en trykkomformer.

Motorens effektuttak kan måles ved hjelp av en effektmåler av kjent type og anbrakt på en utgangsaksel fra motoren. Effekt-måleren er utstyrt med målegiver 11 som således avgir et signal som et mål på uttatt effekt. En fullt anvendbar tilnærmet verdi for motorens effektuttak kan også oppnås ved avføling av brenn-stoff pumpens regulatorstilling. Temperaturmålegivere og manøv-rer ingsanordninger for ventilene, pneumatiske eller elektriske, er tilgjengelige på markedet.

En tenkelig, men praktisk dårligere variant av kjølevann-systemet ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 4, hvor det benyttes samme hendelsesutvikling som i fig. 3. Den eneste forskjell i forhold til utførelsesformen i fig. 3 er at treveisventilen 14 er erstattet med et styrbart strupeorgan 24. Ved å øke eller minske strupeeffekten ved hjelp av organet 24 henholdsvis økes og minskes vannhastigheten gjennom motorens kjølevannsledninger. En ytterligere, men ikke vist tenkelig utførelsesform er at sirkulasjonspumpen drives slik at dens kapasitet varierer. Dette kan foregå ved hjelp av en motor som har varierbart omløpstall. Dersom sirkulasjonspumpen f.eks. er en sentrifugalpumpe minskes respektivt økes drivmotorens rotasjonshastighet, hvorved pumpens pumpeeffekt forandres i overensstemmelse med ønsket gjennom-strømningshastighet'for kjølevannet.

Oppfinnelsen er ovenfor beskrevet i noen tenkelige utførel-sesf ormer. Spesielt skal det observeres at det ovenfor er valgt at vannhastigheten og derved overflatetemperaturen for sylinder-løp og stempelringer skal forandres hurtig ved en valgfri delbelastning, f.eks. 50%, av full effekt. Videre gjelder jo ifølge det som er nevnt innledningsvis at temperaturområdet hvor korro-sjonsfaren er størst varierer noe med materialets sammensetning, dvs. sammensetningen av materialet i sylinderløpet og stempel ringer, og også med røykgassenes SO^-innhold. De i fig. 2 angitte temperaturgrenser 100°C og 180°C for foringens (sylinder-løpets) overflatetemperatur er således eksempler. Grensene kan således variere med kunnskapene om materialets sammensetning og røykgassenes SO^-innhold.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte ved kjøling av forbrenningsmotor for å nedsette korrosiv slitasje av sylinderløp og stempelringer, karakterisert ved at overflatetemperaturen for sylinderløp og stempelringer ved hjelp av regulering av kjøleeffekten under motorens belastning opp til en forutbestemt delbelastning holdes under den nedre temperaturgrense for risi^ -kert korrosjonsmaksima på grunn av SO^ -innhold i røykgassen, og at ved økende effektuttak og ved oppnåelse av nevnte delbelastning reguleres kjøleeffekten slik at det oppnås en sprangvis økning av overflatetemperaturen til en verdi over øvre temperaturgrense for nevnte risikerte korrosjonsmaksima, samt at overflatetemperaturen deretter holdes over denne verdi,

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at kjølemediumtemperaturen i det minste ut-føres ved regulering av kjølemediumhastigheten gjennom motoren.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at kjølemediets hastighe't økes med økende effektuttak, og at ved den forutbestemte delbelastning senkes strømningshastigheten sprangvis-.

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2 eller 3, karakterisert ved at det innstrømmende kjølemediums temperatur forandres sprangvis ved nevnte delbelastning ved shunting med det utstrømmende kjølemedium.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 4, karakterisert ved at temperaturen i det innstrømmende kjølemedium for øvrig tilpasses kontinuerlig med økende effektuttak.

6. Anordning ved kjøling av forbrenningsmotorer for å nedsette korrosiv slitasje av sylinderløp og stempelringer, hvis overflatetemperatur reguleres ved fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at et styreorgan (12), som mottar signaler fra en målegiver (11) for motorens effektuttak avgir utsignal til et i motorens kjølemediumledning anordnet strømningshastighetsbestemmende organ (14,15) avhengig av innsignal fra målegiveren (11).

7. Anordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved at styreorganet (12) også avgir utsignal til en manøvreringsanordning (8) for en treveisventil (5) som regulerer shunting av utstrømmende kjølemedium i forhold til en kjøler (3).

8. Anordning i samsvar med krav 6 eller 7, karakterisert ved at styreorganet (12) også mottar innsignaler fra en målegiver (6) på kjølemediumutløpsledningen og fra en målegiver (10) på kjølemediuminnløpsledningen.

9. Anordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det strømningshastighetsbestemmende organ omfatter en konstantregulert sirkulasjonspumpe (9), en denne etterkoplet treveisventil (14) med en utløpsledning til motoren og en utløpsledning til pumpens sugeside.

10. Anordning i samsvar med krav 6, karakterisert ved at det strømningshastighetsbestemmende organ omfatter en i kjølevannsledningen innsatt sirkulasjonspumpe med regulerbart omløpstall.

11. Anordning i samsvar-med krav 6, karakterisert ved at det strømningshastighetsbestemmende organ omfatter et regulerbart strupeorgan i motorens kjølevannkrets.