DK170123B1 - Fremgangsmåde til mindskning af ekstraspændinger fra torsionssvingninger i en hovedaksel til en stor totakts dieselmotor - Google Patents

Description

i DK 170123 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til mindskning af ekstraspændinger fra torsionssvingninger i en med en propeller forbundet hovedaksel til en stor totakts hovedmotor i et skib, hvor udstødsventilernes åbne- og 5 lukkebevægelse og brænds tof indsprøjtningen i cylindrene styres ved hjælp af en computer, hvor motorens hovedkritiske tangentialtrykskomponent bevirker torsionsresonanssvingninger i hovedakslen i et omdrejningstalsinterval, hvori kontinuert motordrift er util-10 ladelig, men gennemkørsel er nødvendig, og hvor torsionsspændingerne i omdrejningstalsintervallet kan overstige en forudbestemt størrelse.

1 et skib er hovedmotorens krumtapaksel forbundet med propelleren gennem en propelleraksel og om nødven-15 digt én eller flere mellemaksler. Krumtapakslen, propellerakslen og mellemakslerne udgør motorens hovedaksel. Det er velkendt, at motoren fremkalder torsionssvingninger og dermed ekstraspændinger, som overlejres de af drivmomentet frembragte torsions-20 spændinger i hovedakslen, og at torsionssvingningernes frekvens afhænger af motorens omdrejningstal. Når torsionssvingningernes frekvens for den dominerende svingningsorden, den såkaldte "hovedkritiske orden" ligger nær ved eller falder sammen med hovedakslens 25 egenfrekvens, kan der opstå store torsionsspændinger i akslen som følge af resonanssvingninger. Det er også velkendt, at hovedakslens egenfrekvens kan ligge i et omdrejningstalsinterval, der ligger under motorens fuldlastpunkt (MCR). Motoren må derfor gennemkøre 30 resonansintervallet for at nå op på normal belastning.

For at hindre for store ekst ras spændinger i det nævnte omdrejningstalsinterval kan motoren forsynes med mekaniske svingningsdæmpere. Alternativt kan akslen gøres så stiv, at resonanspunktet flyttes op over 35 motorens fuldlastpunkt. Begge disse løsninger er DK 170123 B1 2 forholdsvis omkostningskrævende og motoranlægget får større vægt og størrelse. De grundlæggende begreber i v forbindelse med torsionssvingninger i en motors hovedaksel og kendte metoder til dæmpning af disse sving- i 5 ninger er eksempelvis beskrevet i ansøgerens brochure "Vibration Characteristics of Two-Stroke Low Speed Diesel Engines" 2. udgave 1988 forfattet af L. Bryndum og S.B. Jacobsen.

De seneste års udvikling af motorer med computer-10 styring af brændstofindsprøjtningen og af ventilbevægelserne muliggør en for hver motorcyklus og hver cylinder individuel indstilling af indsprøjtnings-tidspunktet. I EP-A-447 697 er dette udnyttet til mindskning af torsionsspændingerne i hovedakslen ved 15 gennemkørsel af et omdrejningstalsinterval, hvor vibrationsdæmpning erfaringsmæssigt er nødvendig. Denne kendte metode til dæmpning af torsionssvingningerne går ud på at forsinke brændselsindsprøjtningen i halvdelen af motorens cylindre for at faseforskyde disse cylindres 20 momentbidrag i forhold til de øvrige cylindres momentbidrag, hvorved torsionsspændingernes størrelse mindskes.

Det kan imidlertid beregningsmæssigt eftervises, at for at opnå en mærkbar reduktion kræves der en faseforskydning af en sådan størrelsesorden, at for-25 brænding i praksis vanskeliggøres.

Opfindelsen har til formål at anvise en anden og mere virkningsfuld fremgangsmåde til mindskning af torsionsspændingerne i hovedakslen.

Med henblik herpå er den indledningsvis nævnte 30 fremgangsmåde ejendommelig ved, at motoren ved kørsel med stigende belastning gennem det nævnte omdrejningstalsinterval styres således, at udstødsventilen for ^ mindst én af cylindrene stilles åben i løbet af cylinderens kompressionsslag, og at mindst én af de øvrige DK 170123 B1 3 cylindre sættes op i effekt svarende til den manglende effekt fra cylinderen eller cylindre uden kompression.

Ved resonanspunktet for torsionssvingningerne i akslen afhænger torsionsspændingernes størrelse af 5 størrelsen af de enkelte cylindres harmoniske komponent af den svingningsorden, som exiterer torsionssvingningerne. Størrelsen af den enkelte cylinders harmoniske komponent afhænger både af det indicerede middeltryk i cylinderen og af kompressionstrykket i cylinderen. Ved 10 de omdrejningstal, hvor torsionsspændinger i akslen sædvanligvis bliver store, er kompressionsbidraget til den harmoniske komponent lidt større end bidraget fra det indicerede middeltryk. Åbningen af udstødsventilen i løbet af cylinderens kompressionsslag medfører, at 15 både kompressionsbidraget og middel tryksbidraget fjernes, så den pågældende cylinder stort set ikke bidrager med nogen harmonisk komponent til torsionssvingningen. Den øgede effekt på en eller flere af de øvrige cylindre giver disse cylindre et større middel-20 tryk og dermed også større harmoniske komponenter, men da middeltrykkets bidrag til de harmoniske komponenters størrelse i disse cylindre sker på toppen af kompressionsbidraget, vil' summen af cylindrenes harmoniske komponenter totalt set blive mindre. I en sekscylindret 25 motor kan cylindrenes 6. ordens harmoniske komponenter ved resonanspunktet eksempelvis nedsættes knap 7% ved på denne måde at sætte én cylinder kompressionsløs og lade de øvrige cylindre udføre den kompressionsløse cylinders arbejde.

30 Ved passagen af omdrejningstalsintervallet omkring resonanspunktet kan der med fremgangsmåden opnås en sådan mindskning af torsionsspændingernes størrelse, at der ikke er brug for mekaniske svingningsdæmpere eller særligt udformede akselsystemer.

DK 170123 B1 4

Den manglende effekt fra cylinderen eller cylindre uden kompression kan fordeles ligeligt blandt motorens * øvrige cylindre. Dette er især fordelagtigt, hvis resonanspunktet ligger så tæt ved motorens MCR-punkt, , 5 at cylindrenes normale middeltryk ved det pågældende omdrejningstal ligger på så højt niveau, at en enkelt cylinder ikke er i stand til at yde det dobbelte af sin normaleffekt ved omdrejningstallet.

1 en foretrukken fremgangsmåde ifølge opfindelsen 10 styres i det mindste nogle af motorens cylindre i nævnte omdrejningstalsinterval således, at de i hveranden cyklus er i det væsentlige uden kompression og i hveranden cyklus yder i det væsentlige det dobbelte af cylinderens normaleffekt ved det pågældende omdrejnings-15 tal. Resonanspunktet vil normalt ligge i en sådan passende stor afstand fra motorens MCR-punkt, at cylindrene er i stand til at yde dobbelt så stor effekt som umiddelbart uden for omdrejningstalsintervallet. Driftsformen giver den fordel, at cylindrenes gennem-20 snitlige varmebelastning bliver stort set konstant ved passagen af resonanspunktet.

Fuld virkning af opfindelsen kan hensigtsmæssigt opnås ved, at cylindrene set i tændingsrækkefølgen styres til at være skiftevis kompressionsfrie og 25 dobbeltydende. Dermed fjernes halvdelen af motorens kompressionsbidrag til resonanssvingningen.

Udstødsventilen, som stilles åben i løbet af kompressionsslaget, kan hensigtsmæssigt bevæges til en stilling i en sådan begrænset afstand fra ventilsædet, 30 at den under kompressionsslaget udstrømmende gas udsættes for et med svingningerne varierende trykfald ved passagen af ventilsædet. Der optræder dermed en * drøvlevirkning over ventilsædet, hvilket fører til fjernelse af energi fra det svingningssystem, som 35 fremkalder torsionssvingningerne. Dette giver en DK 170123 B1 5 væsentlig større dæmpning af torsionssvingningerne end hvad der kan opnås ved helt at fjerne cylinderens kompressionsbidrag, bl.a. fordi trykket i den stort set kompressionsfrie cylinder kun behøver at ligge for-5 holdsvis få bar over trykket i udstødskanalen for at den ved drøvlingen afsatte energimængde får mærkbar indflydelse på torsionssvingningerne.

Udstødsventilen kan også holdes åben i løbet af ekspansionsslaget i en stilling i en sådan begrænset 10 afstand fra ventilsædet, at den indstrømmende luft udsættes for et trykfald ved passagen af ventilsædet, hvorved opnås to virkningsbidrag til dæmpningen i løbet af en motorcyklus.

Hefter beskrives udførelseseksempler for opfindel-15 sen nærmere med henvisning til den meget skematiske tegning, hvor fig. 1 illustrerer en totakts dieselmotor, fig. 2 er et diagram over den 6. ordens tangential-trykskomponent på plejlstangssølen som funktion af 20 middeltrykket i cylinderen, og fig. 3 viser cylindrenes 6. ordens harmoniske komponent i en motor, som drives i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

I fig. 1 ses en generelt med 1 betegnet stor 25 totakts dieselmotor af krydshovedtypen. Motorens forbrændingskammer 2 er afgrænset af en cylinder foring 3 og et cylinderdæksel 4 samt et i foringen lejret stempel 5.

Stemplet er gennem en stempelstang 6 direkte 30 forbundet med et krydshoved 7, der gennem en plej Istang 8 er direkte forbundet med en piej lstangssøle 9 i en bugt 10 på en krumtapaksel 11.

En udstødsventil 12 med tilhørende hus 13 er monteret på dækslet 4. Udstødsventilen aktiveres 35 hydraulisk af en hydraulisk drivenhed 14, der styres DK 170123 B1 6 af en elektro-mekanisk ventil og aktiveres af gennem en ledning 15 overførte styresignaler fra en computer * 16.

En i dækslet 4 monteret brændselsventil 17 kan r 5 tilføre forstøvet brændstof til forbrændingskammeret 2. En af en solenoideventil styret og hydraulisk drevet brændselspumpe 18 tilfører gennem en trykledning 19 brændstof til brændselsventilen i afhængighed af styresignaler modtaget fra computeren 16 gennem en 10 ledning 20. Gennem en signaloverførende ledning 21 tilføres computeren 16 oplysninger om motorens øjeblikkelige omdrejningstal (omdr/min). Omdrejningstallet kan enten udtages fra motorens tachometer, eller det kan stamme fra en på motorens hovedaksel monteret 15 vinkelgiver, som fastlægger motorens øjeblikkelige drejestilling og omdrejningshastighed i intervaller, som udgør brøkdele af en motorcyklus på 360° akseldrejning.

Når computeren har bestemt tidspunktet for brændselsindsprøjtningen og den tilhørende mængde brændstof samt 20 udstødsventilens åbne- og lukketidspunkt, aktiveres brændselspumpen 18 og drivenheden 14 i overenssem-melse hermed på det for cylindren korrekte tidspunkt af motorens cyklus. Motoren har flere cylindre, der alle er udstyret på ovennævnte vis, og computeren 16 styrer 25 driften af samtlige cylindre.

Hvis motoren er en stationær kraftproducerende dieselmotor omfatter hovedsakslen motorens krumptapaksel og en eventuel forbindelsesaksel til den af motoren drevne generator. Hvis motoren er en hovedmotor i et 30 skib, omfatter hovedakslen som nævnt ovenfor krumtapakslen og propellerakslen samt eventuelle mellemaksler.

Den gennem plej Istangen overførte trykkraft FR j- er i fig. 1 opløst i en radialkomposant FR og en tangentialkomposant FT. 1 et omdrejningstalsinterval 35 omkring hovedakslens egenfrekvens kan de varierende DK 170123 B1 7 tangentialkræfter FT på plejlstangssølerne fremkalde resonanssvingninger i hovedakslen. Akslens laveste egensvingningsform (et-knudepunkt) kan ved et bestemt omdrejningstal modtage stor energi fra den orden af 5 torsionssvingningernes harmoniske komponenter, som svarer til cylinderantallet, dels fordi tændingen i de enkelte cylindre er faseforskudt med netop denne svingningsordens periode, dels fordi alle tangential-kraftbidragene for denne svingningsorden virker til at 10 forstærke akslens laveste egensvingning.

Herefter vil der som eksempel beskrives en sekscy-lindret motor. Sammenhængen mellem det indicerede middeltryk i en cylinder og amplituden for vibrationssvingningens 6. ordens tangentiale komponent for den 15 pågældende cylinder er illustreret i fig. 2. Skaleringen på ordinataksen angiver blot det indbyrdes størrelsesforhold mellem amplituderne, bedømt i forhold til amplituden ved et middeltryk på 0 bar. Når der ikke indsprøjtes brændstof i cylinderen, er det indicerede 20 middeltryk 0 bar, og det ses at størrelsen af den 6. ordens tangentialkomponent findes ved punktet A, hvor amplitudestørrelsen K er bestemt af den kraft, som forekommer på stemplet som følge af komprimeringen af luften i cylinderen. Resonanspunktet for torsions-25 svingninger i hovedakslen befinder sig normalt ved en motorbelastning, hvor det indicerede middeltryk i cylindrene er på ca. 6 bar svarende til punktet B på kurven i fig. 2, hvor tangentialkomponenten er ca. 80% større end i punktet A og er sammensat af kompressions-30 bidraget K og middeltryksbidraget B^. Ved et indiceret middel tryk på 12 bar ligger amplituden for tangentialkomponenten i punktet C, dvs. på en værdi, der er ca. 2,9 gange større end værdien i punktet A. Tangentialkomponenten C er sammensat af kompressions-35 bidraget K og middeltryksbidraget C^.

DK 170123 B1 8

Herefter beskrives et eksempel på fremgangsmåden ifølge opfindelsen. Når computeren 16 ud fra om- * drejningstalssignalet modtaget gennem ledningen 21 afgør, at motoren træder ind i omdrejningstalsinterval- .

5 let omkring resonanspunktet for hovedakslen, aktiveres udstødsventilen 12 for mindst én af cylindrene til at stå åben i løbet af stemplets kompressionslag, så der ikke sker nogen trykopbygning i forbrændingskammet. Plejlstangssølen 9 påvirkes derfor kun af inertikræf-10 terne fra bevægelsen af stemplet 5, stempelstangen 6, krydshovedet 7 og plejIstangen 8, hvilket giver en 6. ordens tangentialkomponent af meget lille størrelse, vist i punktet D i fig. 2 for det opovergående stempelslag og i punktet D’ for det nedovergående stem-15 pelslag.

For at undgå fald i motorens effekt kompenserer computeren for den eller de kompressionsfrie cylindres arbejde ved at sætte en eller flere af de Øvrige Cylindre tilsvarende op i effekt. Hvis en enkelt 20 cylinder, som skulle have arbejdet ved punktet B i fig.

2 sættes kompressionsløs og computeren sætter en enkelt anden cylinder til at give den dobbelte ydelse, vil denne cylinder arbejde ved punktet C. Dermed fjernes et relativt tangentialt komponentbidrag K+B^ på 1,8, mens 25 cylinderen ved punktet C yder et bidrag K+C^ på 2,9, hvoraf ses, at tangentialkomponenterne for de to cylindre tilsammen bliver 0,7 mindre. Da de seks cylindre hver ville have ydet et bidrag på 1,8, hvis motoren havde kørt på kendt vis, fører kompressionsfri 30 kørsel af en enkelt cylinder til et fald i de samlede c tangentialkomponentbidrag på (0,7x100)/(6x1,8)% = 6,5%.

Denne reduktion kan være tilstrækkelig til at undgå anvendelsen af mekaniske torsionssvingningsdæmpere. Hvis torsionsspændingerne i hovedakslen ønskes yderligere 35 reduceret kan to eller tre af de 6 cylindre køres DK 170123 B1 9 kompressionsfrit, hvilket fører til ca. 20% mindskning af de 6. ordens tangentialkomponenter.

De enkelte cylindres 6. ordens tangentialkomponent er i fig. 3 vist som funktion af krumtapvinklen. Da 5 motoren er en totakts motor, svarer en hel motorcyklus til en krumtapdrejning på 360°. X løbet af denne cyklus udviser de 6. ordens tangentialkomponenter 6 fulde perioder. Cylindrene 1-4 kører med normalt middeltryk, mens cylinder 5 kører kompressionsfrit og cylinder 6 10 kører med dobbelt middeltryk. Det ses, at inertibidragene fra cylinder 5 udbalancerer sig selv, idet de skiftevis virker i medfase og modfase med tangentialkom-ponentbidragene fra de øvrige cylindre. Som forklaret ovenfor er det samlede bidrag fra cylindrene 5 og 6 15 væsentligt mindre end bidraget fra to af de øvrige cylindre, der kører på sædvanlig vis.

Når motoren er accellereret ud af omdrejningstalsintervallet omkring resonanspunktet, styres cylindrene på sædvanlig vis.

20 Omdrejningstalsintervallet med resonanspunktet kan være forudbestemt i afhængighed af udformningen af det pågældende motoranlæg og kan være lagret i computeren 16, som så vælger at styre efter fremgangsmåden ifølge opfindelsen eller på sædvanlig vis afhængigt af, om 25 motorens aktuelle omdrejningstal ligger inden for eller uden for intervallet. Alternativt kan udstyret til måling af hovedakslens position og omdrejningshastighed være så fintmærkende, at computeren 16 ud fra de modtagne informationer om akslens bevægelse kan be-30 stemme, om akslens torstionssvingninger overstiger en forudbestemt grænseværdi. Hvis dette er tilfældet, skifter computeren over til at styre motoren i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen, og når akslens omdrejningstal har ændret sig en forudbe-35 stemt størrelse, som erfaringsmæssigt ligger tilstrække- DK 170123 B1 10 ligt langt væk fra omdrejningstallet med for højt vibrationsniveau, skifter computeren tilbage til den * normale motorstyring.

Med de ovennævnte reduktioner af tangential-5 komponenternes samlede størrelse kan der opnås en mindskning af de ekstra torsionsspændinger i hovedakslen på op til 65-70% af det udæmpede niveau.

Fra den generelle svingningslære er det velkendt, at den største værdi af amplituden for en harmonisk 10 svingning omkring resonanspunktet kan mindskes ved at indføre dæmpning i svingningssystemet. Torsionssvingningerne i en forbrændingsmotors hovedaksel er dæmpede af de friktionskræfter, som optræder mellem motorens bevægelige dele. Af hensyn til motorens virkningsgrad 15 er friktionsdæmpningen i videst muligt omfang minimeret. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen giver en fordelagtig mulighed for i svingnings systemet at indføre en midlertidig dæmpning, som kun er virksom ved passagen af resonanspunktet og derfor ikke påvirker motorens 20 virkningsgrad ved omdrejningstal uden for resonansintervallet. Dette sker ved at stille den eller de åbne udstødsventiler i de kompressionsfrie cylindre i en sådan stilling, at den udstrømmende luft udsættes for et med svingningerne vekslende drøvletab ved passagen 25 af ventilen. Motorens maksimale kompressionstryk ligger normalt på ca. 130 bar. Hvis udstødsventilen stilles i en åben stilling, hvor kompressionstrykket i cylinderen kun andrager eksempelvis fra 5 til 15 bar, er cylinderens ovennævnte kompressionsbidrag forsvindende i 30 forhold til kompressionsbidraget ved fuld kompression, * men energiafsættelsen ved drøvlingen af luften til trykket i udstødskanalen fremkalder en dæmpning af & torsionssvingningernes maksimale amplitude, som reducerer ekstraspændingerne i hovedakslen. Derved mindskes 35 ekstraspændingerne fra torsionssvingningerne både fordi

Claims (6)

10 PATENTKRAV

1. Fremgangsmåde til mindskning af ekstraspændinger fra torsionssvingninger i en med en propeller forbundet hovedaksel (11) til en stor totakts hovedmotor (1) i et skib, hvor udstødsventilernes (12) åbne- og lukkebevæ-15 gelse og brændstofindsprøjtningen i cylindrene styres ved hjælp af en computer (16), hvor motorens hovedkritiske tangentialtrykskomponent bevirker torsionsresonanssvingninger i hovedakslen i et omdrejningstalsinterval, hvori kontinuert motordrift er util-20 ladelig, men gennemkørsel er nødvendig, og hvor torsionsspændingerne i omdrejningstalsintervallet kan overstige en forudbestemt størrelse, kendetegnet ved, at motoren ved kørsel med stigende belastning gennem det nævnte omdrejningstalsinterval 25 styres således, at udstødsventilen (12) for mindst en af cylindrene stilles åben i løbet af cylinderens kompressionsslag, og at mindst en af de øvrige cylindre sættes op i effekt svarende til den manglende effekt fra cylinderen eller cylindre uden kompression.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendeteg net ved, at den manglende effekt fra cylinderen eller cylindre uden kompression fordeles ligeligt blandt motorens (1) øvrige cylindre. 12 DK 170123 Bl

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, k e n d e - tegnet ved, at i det mindste nogle af motorens - (1) cylindre i nævnte omdrejningstalsinterval styres således, at de i hver anden cyklus er i det væsentlige 5 uden kompression og i hver anden cyklus yder i det væsentlige det dobbelte af cylinderens normaleffekt ved det pågældende omdrejningstal.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet v e d, at cylindrene set i tændingsrækkefølgen 10 styres til at være skiftevis kompressionsfrie og dobbeltydende.

5. Fremgangsmåde ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at udstødsventilen, som stilles åben i løbet af kompressionsslaget, bevæges til 15 en stilling i en sådan begrænset afstand fra ventilsædet, at den under kompressionsslaget udstrømmende luft udsættes for et trykfald ved passagen af ventilsædet.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet ved, at udstødsventilen også holdes åben i løbet 20 af ekspansionsslaget i en stilling i en sådan begrænset afstand fra ventilsædet, at den indstrømmende luft udsættes for et trykfald ved passagen af ventilsædet. *