SCHEEPSDIESELMOTOREN

In 1985 behaalde ik het diploma Scheepswerktuigkundige A, na het volgen van de Middelbare School voor Scheepswerktuigkunde. De vakken Motoren, Stoomturbines, Stoomketels, Smeermiddelen, Oliën  en Materialen, Vaktekenen, Meet- & Regeltechniek, Elektrotechniek staan mij helder voor de geest. Evenals het (machine)bankwerken, lassen, wis- en natuurkunde. Na de bijbehorende vaartijd is daar het Staatsdiploma SWTK A aan toegevoegd. Soms heb ik nog wat te doen met dieselmotoren, bij zelfwerkzaamheid. Maar beroepsmatig ligt het wachtlopen in de machinekamer al decennia achter mij. Ook de schoolboeken van toen zijn opgeruimd, behalve dan het boek ‘Scheepsoliemotoren en Gasturbines’ van H.W. Tijen en C. Kapsenberg. En het boek ‘Turbines’ van J. van der Borden en J. La Heij. Met daaraan toegevoegd de ‘Stoomtabellen’ door G.J.W. Esseling. Levende in een tijd waarin de technische ontwikkelingen zich voortzetten, niet in de laatste plaats omwille van klimaat, milieu en energietransitie besef ik dat ‘mijn’ kennis ingehaald is door de tijd en de techniek. Over niet al te lange tijd zullen de ‘traditionele’ verbrandingsmotoren in kleine voer- en vaartuigen zelfs in aantallen af gaan nemen. Maar om mijn eigen geheugen op te frissen deze pagina. Hoe dieselmotoren in elkaar steken. En welke berekeningen erop losgelaten kunnen worden.

Stork Werkspoor DRo 216 K viertakt zescilinder lijnmotor met turbodrukvulling en verbrandingsluchtkoeler
Mirfak machinekamer 03 stuurboord SWD foto: C. Bijl
Mirfak machinekamer midden SWD foto: C. Bijl
Mirfak bakboord SWD foto: C. Bijl
Mirfak machinekamer balustrade brandstofafsluiters nabij dagtank foto: C. Bijl
Mirfak machinekamer bakboord SWD foto: C. Bijl
Hoofd Elektro Motor loodsvaartuig Fomalhout, foto: Kees Bijl
Mirfak DAF havengenerator en verwarmingsketel foto: C. Bijl
Vetus M2.05 tweecilinder viertakt lijnmotor op basis van een Mitsubishi motorblok. Alle onderhoudbehoeftige onderdelen bevinden zich op een toegankelijke plaats aan de voorzijde, zoals de koelwaterpompen, de V-snaar en de brandstoffilters. Ook het smeeroliefilter en de keerkoppeling aan de achterzijde zijn via een luik goed bereikbaar.

DIESELMOTOREN

Vierslag Trunkzuiger Dieselmotor

Vierslag Trunkzuiger Dieselmotor 

In de cilinders bevinden zich de zuigers: de zuigers maken een op- en neergaande beweging in de cilinders. De drijfstangen zetten de op en neer gaande beweging van de zuigers door middel van kruktap en krukas om in een draaiende beweging. De krukwangen fungeren daarmee als contragewichten ofwel balansgewichten. De draaiende beweging van de krukas wordt in een 1:2 vertraging via het krukastandwiel en het nokkenastandwiel overgebracht op de nokkenas welke via de klepstoters en tuimelaars beurtelings de in- en uitlaatkleppen openen. De nokkenas drijft ook de hoge druk brandstofpompen aan, die pulserend brandstof persen naar de verstuivers. De wervelkamers in de cilinderkop dragen bij aan een verbeterde verbranding van de ingespoten brandstof. In het carter of bij een ‘droog carter’ in de aflooptank bevindt zich de rond te pompen smeerolie. De koelruimten rond de cilinders en de cilinderkoppen worden met circulerend koelwater gekoeld. De uitlaatgassen worden afgevoerd via de uitlaatreciever. Aan het carter bevinden zich explosiedeksels, deze laten de overdruk bij een onverhoopte ‘carter-explosie’ ontsnappen om hopelijk te voorkomen dat de gehele motor ontwricht raakt. Een dergelijke motoropbouw wordt genoemd het type ‘trunkzuigermotor’: de drijfstang is direct aan de zuiger verbonden, de cilinders staan in open verbinding met het carter ofwel de ‘krukkast’.

Vierslag Kruishoofdmotor 

Op de volgende tekening is een doorsnede te zien van een Vierslag Kruishoofdmotor waaraan de volgende onderdelen zijn toegevoegd ten opzichte van de trunkzuigermotor. De zuiger is via zuigerstang verbonden aan het kruishoofd, waaraan het draaipunt van de drijfstang. Aan het kruishoofd bevind zich een leislof welke langs de leibaan glijdt en daarmee de zijwaartse krachten, de leibaankrachten opvangen.

Vierslag Kruishoofdmotor

Tweeslag Langsspoeling Kruishoofdmotor

Een ander concept is dat van de Tweeslag Kruishoofdmotor, zoals de onderstaande versie met langsspoeling. In de cilinderkop bevonden zich één of meer uitlaatkleppen en de verstuiver, maar de aanvoer van verse verbrandingslucht vindt plaats door spoelpoorten onderin de cilinder. De zuiger sluit de aanvoer van verse verbrandingslucht af en opent de poorten wanneer de bovenrand van de zuiger lager staat dan de spoelpoorten. Het kruishoofd van de motor in de afbeelding is uitgevoerd als spoelzuiger van een grotere diameter dan de werkzuiger om het volume van de drijfstang te compenseren (waar staal zit kan geen lucht zijn) en om de berekende spoelovermaat te waarborgen. De spoelzuiger heeft hiermee een dubbele functie, de zijwaarts gerichte leibaankrachten op te vangen en als zuiger in de spoelluchtpomp. Met name Bolnes heeft dit principe toegepast. Andere Tweetakt Langsspoeling kruishoofdmotoren kunnen zijn voorzien van een separate spoelluchtpomp, hetzij aangedreven door de turboblowers of mechanisch aangedreven of een combinatie van beide. Het spoelluchtkanaal van Langsspoelingmotoren bevindt zich lager langs de motor, de krukkast en de cilinders zijn lucht- en gasdicht van elkaar gescheiden. De krukas heeft anders dan bij Vierslag Dieselmotoren een 1:1 Overbrenging naar de nokkenas. Met andere woorden: de nokkenas draait met hetzelfde toerental als de krukas.

Tweeslag Kruishoofd Dieselmotor met spoelzuiger
Bolnes DNL tweeslag langsspoeling

 

1 Uitlaatgassenleiding
2 Langs spoeling met één centraal geplaatste uitlaatklep
3 Verstuiver met één gat ter voorkoming van verstoppen (1 of 2 per cilinder)
4 Losse uitwisselbare koelwatermantel en cilindervoering
5 Oliegekoelde werkzuiger
6 Gasdichte doorvoer van zuigerstang
7 Kruishoofd uitgevoerd als spoelzuiger
8 Gelast frame van staalplaat
9 Zijdelingse uitneembare krukas

Bootmotor

Compacte Scheepsdiesel

Hierboven een compacte dieselmotor geschikt gemaakt voor kleine boten. Dit soort motoren worden toegepast voor de aandrijving van pompen, compressors, generatoren en tractoren en compacte auto’s. Mogelijk door aanpassingen van het vliegwiel, de koeling en de brandstofpomp op basis van hetzelfde motorblok. Het klepmechanisme is bedekt onder een kleppendeksel, de smeerolie wordt door de smeeroliepomp ook naar het klepmechanisme geperst, voor de koude start bevinden zich in de cilinderkop een gloeipluggen om de voorkamer elektrisch voor te verwarmen en de koude start te verbeteren. Kleine bootmotoren kunnen direct gekoeld zijn met buitenboordwater dat langs de cilindermantels en door de cilinderkop wordt gepompt door de koelwaterpomp, deze motor heeft indirecte koeling, circulerende koelvloeistof wordt in de aangebouwde warmtewisselaar op temperatuur gehouden. De koelvloeistof wordt gekoeld door buitenboordwater.

Leibaankrachten 

Al een aantal maal is de term ‘leibaankrachten’ gebruikt. Dit zijn de zijdelingse krachten die werken op de zuiger of op de zuigerstang als gevolg van de schuine- en ook wisselende standen van de drijfstang. Wanneer de zuiger in het bovenste dode punt BDP of het onderste dode punt ODP staat, dan staat de drijfstang recht onder de zuiger en boven de zuiger in de hartlijn van de motor. Stel dat de motor zich bevindt aan het einde van de compressieslag, dan staat er een kracht op de zuiger recht naar beneden in het vlak van de hartlijn. Maar zodra de kruk van d ekrukas zich uit de hartlijn verplaatst, om te beginnen tijdens de arbeidslag, dan liggen de krachtlijnen niet meer parallel aan de hartlijn van de motor. Dan beweegt zich een drijfstangkracht Fd in de hartlijn van de drijfstang naar de kruktap, en een zijdelingse kracht haaks op de hartlijn. Deze kracht, de ‘leibaankracht’ Fl ondervindt weer een tegengestelde reactiekracht Fg van de cilinderwand of bij een kruishoofdmotor van de leibaan, overgebracht op het kruishoofd via de kruishoofdslof.

Fragment van een krukas
Krukas (1), Drijfstang (2), Zuiger (3), Cilinder (4)

Wanneer de zuiger door het onderste dode punt ODP is gegaan, dan werken de krachten in spiegelbeeld en daarmee tegengesteld. De kruktap drukt schuin op de hartlijn van de motor via de drijfstang op de zuiger, juist bij de compressieslag wordt er boven de zuiger compressieruimte opgebouwd die de kracht op de zuiger doet toenemen. Dit krachtenspel is te ontbinden in een kracht haaks op de hartlijn van de motor tegen de tegenoverliggende cilinderwand of ‘trekkende’ aan de leibaanslof. Vandaar dat de leibaanslof naar beide zijden in de leibaan ingesloten ligt.

Zichtbare effecten

De leibaankrachten zijn op verschillende manieren te constateren. Bij meting van de cilinderwand van een trunkzuigermotor waar de zuigers de leibaankrachten opvangen kan na vele draaiuren of een gebrekkige smering  of te vaak draaien op te lage toerentallen sprake zijn van ovale zuigers en/of ovaal uitgesleten cilindervoeringen. In een ernstige situatie kunnen er duidelijke strepen / krassen zichtbaar zijn ontstaan door de boven- en onderrand van (schrapende) zuigers.

Bij relatief grote motoren in verhoudingsgewijs ranke of kleine schepen kan bij starten of snel toenemend toerental een schommeling in het gehele schip gevoeld worden. Deels  te verklaren door massakrachten van de krukas, een zwaar vliegwiel en de bewegende delen in de (keer)koppeling, maar ook deels toe te schrijven aan de leibaankrachten. Bij een flexibel opgestelde motor is deze beweging soms ook waar te nemen.

Constructie en draairichting

De plaats van de leibaan is ook bepaald door de ‘vooruit-draairichting’ van de schroef. Ook bij de zuigerstoommachines is dit van toepassing. De leibaankrachten kunnen het effectiefst drukkend opgevangen worden: de krachten worden dan opgevangen door de constructie van de motor ofwel de zuigerstoommachine. Bij achteruit draaien werken de leibaankrachten andersom, echter is dit alleen voor kortere duur. Bij (stoom)schepen met twee schroefassen en tegengesteld draaiende scheepsschroeven zijn de motoren / zuigerstoommachines dan ook in spiegelbeeld gebouwd.

Benzine- versus dieselmotor

Zowel een diesel- als een benzinemotor werken op basis van zuigers in cilinders waarvan de op- en neergaande bewegingen omgezet worden in een draaiende beweging van de krukas. In de ruimte boven de zuiger vinden voortdurende temperatuur-, druk- en volumeveranderingen plaats, waarin ook de fase van verbranding van de brandstof. Het grote verschil tussen een diesel- en een benzinemotor is de ontsteking van de brandstof.

Benzine, externe vermenging, vonkontsteking 

Bij een benzinemotor wordt een explosief mengsel van benzinedamp en lucht (waarin zuurstof) ontstoken door de elektrische vonk van een bougie, met een temperatuur- en drukverhoging boven de zuiger als gevolg die de zuiger naar beneden drukt. Het brandbare mengsel van benzine en verbrandingslucht is buiten het motorblok tot stand gebracht, in een carburateur of door injectie.

Diesel, interne vermenging, temperatuurontsteking

Bij een dieselmotor wordt een nevel van dieselolie in hete samengeperste lucht (waarin zuurstof) gespoten. De samengeperste en daardoor hete lucht in combinatie met vernevelde diesel zorgen voor de ontbranding, temperatuur- en drukverhoging boven de zuiger. De hogere drukken en temperaturen bij een dieselmotor zijn belangrijke redenen waarom de onderdelen van een dieselmotor zwaarder zijn uitgevoerd. Bij een dieselmotor vindt de vermenging van diesel en verbrandingslucht plaats in de cilinders op het moment van inspuiting.

Wet van Boyle in de dieselmotor 

Er is een natuurkundige wetmatigheid verwoord in de ‘Wet van Boyle’  die stelt dat bij een afgesloten hoeveelheid gas bij gelijkblijvende temperatuur de druk van dat gas omgekeerd evenredig is aan het volume. Eenvoudig gezegd: pers je een hoeveelheid gas samen in een kleinere ruimte, dan neemt de druk in dat gas toe. In zekere zin is dit wat er gebeurt in een fietspomp of een ander soort compressor. Samengeperste lucht wordt heet. Zo ook in de cilinders van een dieselmotor. Er is verbrandingslucht aangezogen, er komt een moment dat deze zich in een gesloten ruimte bevindt en samengeperst wordt waardoor de gasdruk in de gesloten ruimte toeneemt. Geformuleerd: druk maal volume is een constante. Waarbij 1 Bar staat voor 10 N/cm²  ofwel 100.000 N/m².

Druk¹ * Volume¹ = Druk² * Volume²

100.000 N/m² * m³ = 100.000 N/m² * m³

P¹ * V¹ = P² * V²

Nu spreekt de Wet van Boyle over de voorwaarde van de gelijkblijvende temperatuur. Maar bij een werkende dieselmotor ontbreekt de tijd om na de samenpersing af te koelen. Sterker nog, een dieselmotor heeft die hete lucht nodig! Door het samenpersen van de verbrandingslucht is de temperatuur opgelopen. En daarmee evenredig de luchtdruk in de cilinder. De hogere temperatuur heeft de druk van de gecomprimeerde verbrandingslucht ook hoger gemaakt. De ‘middelbare school-uitleg’ is dat de moleculen in de samengeperste lucht dichter bij elkaar zijn gedrukt en meer bewegingsruimte nodig hebben, wrijving geeft warmte, de wrijving doet de druk en temperatuur stijgen.

Compressieverhouding

Uitgaande van de bovenstaande dieselmotor met een boring maal slag van 65 bij 68 millimeter. De zuigeroppervlakte is π/4 * 6,5² = 33,16 cm² * 6,8 = 225,53 cm³ slagvolume.  De technische beschrijving van deze tweecilinder dieselmotor geeft een cilinderinhoud van 451 cm³, bij een compressieverhouding van 23:1.

De compressieverhouding is de uitkomst van slagvolume Vs plus het compressievolume Vc met de zuiger in bovenste dode punt BDP gedeeld door dat volume. Geformuleerd:

ε = (Vs + Vc) / Vc

ε = (s m³ + c m³) / c m³

TWEESLAG EN VIERSLAG ARBEIDSPROCESSEN 

Dieselmotoren werken volgens verschillende arbeidsprocessen. In grote lijnen onder te verdelen in het tweeslag of het vierslag arbeidsproces. Met een ‘slag’ wordt een opgaande of neergaande beweging van de zuigers bedoeld. Bij een tweeslag ofwel tweetaktmotor maakt de zuiger één op- en één neergaande beweging met één omwenteling van de krukas om een geheel arbeidsproces te doorlopen. Bij de vierslag ofwel viertaktmotor twee opgaande en twee neergaande bewegingen met twee omwentelingen van de krukas voor één arbeidsproces.

Vierslag arbeidsproces

Inlaatslag De zuiger maakt een neergaande beweging terwijl de inlaatklep geopend staat en de uitlaatklep gesloten is. Doordat het volume boven de zuiger in de cilinder groter wordt wordt daalt de druk, verse verbrandingslucht stroomt de cilinderruimte binnen.

Compressieslag De inlaatklep en de uitlaatklep staan beiden gesloten terwijl de zuiger een opwaartse beweging maakt. Het volume in de cilinder wordt door de zuiger verkleind, de ingesloten lucht wordt samengeperst, de luchtdruk en de luchttemperatuur lopen op.

Arbeidslag Terwijl de inlaatklep en de uitlaatklep gesloten blijven wordt er vanuit de verstuiver onder hoge druk dieselbrandstof in de hete verbrandingslucht geïnjecteerd, waardoor deze ontsteekt. Bij de verbranding komt er energie vrij die de druk en de temperatuur verder op laten lopen en de zuiger in een neergaande beweging brengen.

Uitlaatslag De uitlaatklep wordt geopend terwijl de zuiger een opwaartse beweging maakt. De verbrandingsgassen stromen via de uitlaatklep de cilinder uit, deels door de restdruk van de verbranding, maar ook door de volumeverkleining van de cilinderruimte, de zuiger drukt de verbrandingsgassen naar buiten. Waarna het arbeidsproces zich herhaalt.

INLAATSLAG Het spoelen en vullen met verbrandingslucht van de cilinders

COMPRESSIESLAG Het comprimeren van verbrandingslucht

ARBEIDSLAG Het tot ontbranding brengen van ingespoten dieselbrandstof

UITLAATSLAG Het uitdrijven van afgewerkte verbrandingsgassen

Kleppendiagram

Bij het beschrijven van het arbeidsproces van een viertakt dieselmotor is geschreven over het geopend en gesloten staan van de inlaat- en de uitlaatklep. Maar om een vierslagmotor zo efficiënt mogelijk te laten werken beginnen het openen en sluiten van de kleppen niet in de onderste en bovenste dode punten van de zuiger, maar momenten daarvoor of erna.

Inlaatklep De inlaatklep begint aan het einde van de uitlaatslag een aantal booggraden voor het BDP te openen. Hiermee wordt bereikt dat de inlaatklep bij het weer naar beneden gaan vol open staat zodat er zo efficiënt mogelijk verse verbrandingslucht wordt aangezogen. De inlaatklep staat in het BDP nog niet vol open maar wel op een kier. Belangrijk, want de afstand van de bovenkant van de zuiger tot de cilinderkop is nog minimaal en laat geen ruimte. Pas na het BDP wanneer de zuiger ruimte en snelheid maakt tijdens de inlaatslag staat de inlaatklep vol open.

Wanneer de zuiger door het onderste dode punt gaat begint de inlaatklep te sluiten maar staat nog wel open. De neergaande zuiger heeft een onderdruk gecreëerd en er is een luchtstroom op gang gebracht door het inlaatkanaal welke nog benut wordt terwijl de zuiger door het onderste dode punt gaat en nog vrijwel stil staat. Hiermee bereikt de cilinder een betere vulling met verse verbrandingslucht.

Uitlaatklep De uitlaatklep begint enkele booggraden voor het onderste dode punt aan het einde van de arbeidslag te openen, om bij het begin van de uitlaatslag vol open te staan. Aan het einde van de arbeidslag maakt de zuiger nog nauwelijks beweging, van effectieve krachtomzetting van druk in beweging is nog nauwelijks sprake. Wel is er de restdruk van de explosieve verbranding van de dieselbrandstof. Deze restdruk wordt benut om de cilinderruimte te verlaten door de opengaande uitlaatklep. Wanneer de zuiger weer gaat bewegen en het volume van de cilinder gaat verkleinen worden verder de verbrandingsgassen de cilinderruimte uitgedreven.

De uitlaatklep begint te sluiten terwijl de zuiger door het bovenste dode punt gaat, de ruimte tussen de zuiger en de klep is minimaal, maar de zuiger staat nog een fractie open wanneer de inlaatslag begint. De uitgestoten en stromende verbrandingsgassen creëren in deze fase een onderdruk welke de restgassen de cilinder laten verlaten. De instromende verse verbrandingslucht die langs de inlaatklep stroomt heeft daarbij een koelende werking op de uitlaatklep waar hete verbrandingsgassen langs zijn gestroomd.

Gelijktijdige opening

In het bovenste dode punt van de zuiger bij de overgang tussen de uitlaatslag naar de inlaatslag staan beide kleppen dus deels geopend om de in en uitstroom zo effectief mogelijk te laten plaatsvinden, een efficiënte cilindervulling te verkrijgen en om de kleppen te koelen, in het bijzonder de uitlaatklep.

Kleppendiagram Viertakt Verbrandingsmotor

In het bovenstaande kleppendiagram staan een aantal waarden in booggraden. Deze kunnen per motor verschillen, afhankelijk van het toerental, aan- of afwezigheid van drukvulling, de soort dieselbrandstof en de aandrijving waarvoor de motor is geconstrueerd. Een dieselmotor geconstrueerd voor de aandrijving van een generator waarbij een constant toerental gewenst is behoeft een ander kleppendiagram dan een motor bestemd voor wisselende toerentallen. De waarden geven een indicatie.

Gemiddelde Zuigersnelheid

De zuigers van een zuigermotor bewegen zich voortdurend van het bovenste dode punt BDP naar het onderste dode punt ODP. In het onderste dode punt ODP en het bovenste dode punt BDP staan de zuigers stil, het zijn de keerpunten in de bewegingen van de zuiger. Rondom de situatie wanneer de kruk een rechte hoek maakt met de drijfstang ondervinden de zuigers de hoogste snelheid. De gemiddelde zuigersnelheid is met de volgende formule te berekenen, waarbij de lengte van de zuigerslag in meters m is en het aantal omwentelingen per seconde, dus het toerental per minuut gedeeld door 60.

Gemiddelde Zuigersnelheid = 2 * Lengte Zuigerslag  * Omwentelingen 

Vgem = 2 * s * n

m/sec = m * n/sec

Ter illustratie: een compacte bootmotor heeft een toerental van 2750 omwentelingen per minuut en een zuigerslag van 68 millimeter. 2750 gedeeld door 60 maakt 45,8 omwentelingen per seconde. 68 millimeter staat gelijk aan 0,068 meter. De gemiddelde zuigersnelheid bij het gegeven toerental bedraagt 2 * 0,068 * 45,8 = 6,23 m/sec. Stationair loopt deze motor 750 omwentelingen per minuut, 2 * 0,068 * (750/60) bedraagt 1,7 m/sec. Op het maximum toerental 2 * 0,068 * (3600/60) is dat 8,16 m/sec. Door de zuigers van relatief licht materiaal te maken zoals van aluminium blijven de massakrachten en daarmee de slijtage en de trillingen beperkt.

Indicateurdiagram

De drukken in een cilinder van een verbrandingsmotor zijn niet constant maar variëren voortdurend, afhankelijk van de fase van het arbeidsproces. Door middel van een ‘indicateurtoestel’, een schrijvende drukmeter kan per cilinder het drukverloop in beeld worden gebracht. Dit wordt het indicateurdiagram genoemd. Waaruit patronen maar ook afwijkingen in het proces kunnen worden opgemaakt. De oppervlakte van de gebieden tussen de grafieklijnen zijn een maat voor de gemiddelde geïndiceerde druk Pi in de cilinder. Stel dat er geen brandstofinspuiting zou plaats vinden, dan zou (in theorie) de compressielijn samen vallen met een decompressielijn. Ook laat het onderstaande diagram de onderdruk zien tijdens de inlaatslag. De neergaande zuiger creëert een vacuüm, waarin vermogen verloren gaat. Evenals de overdruk tijdens de uitlaatslag waarbij verbrandingsgassen worden uitgedreven. Zoals ook de compressieslag kracht en vermogen ‘kost’. Welke opgebracht wordt tijdens de arbeidslag.

Indicateurdiagram Vierslag dieselmotor zonder drukvulling

Tweeslag arbeidsprocessen

De ‘werkzuiger’ en de ‘spoelzuiger’ van een Tweeslag Langsspoeling Dieselmotor. Verbrandingslucht wordt de cilinder ingelaten door de spoelpoorten.

Dieselmotoren kunnen zijn gebaseerd op verschillende 2 Takt of Tweeslag arbeidsprocessen. Hierboven een voorstelling van een Tweeslag Dieselmotor met langsspoeling. In deze uitvoering is het kruishoofd uitgevoerd als een ‘spoelzuiger’ in een ‘spoelcilinder’ met een ‘zuig- en een ‘persmembraan’. De spoelzuiger heeft een grotere diameter dan de ‘werkzuiger’, het volume van de drijfstang wordt hiermee gecompenseerd om voldoende vulling van de ‘werkcilinder’ te verkrijgen. De verse verbrandingslucht stroomt via de spoelpoorten de cilinderruimte binnen wanneer de bovenrand van de werkzuiger de spoelpoorten is gepasseerd, op weg naar het onderste dode punt ODP. In deze fase opent zich ook de uitlaatklep waardoor de verbrandingsgassen de cilinderruimte verlaten naar uitlaatgassenreciever. Wanneer de werkzuiger zich beweegt richting het bovenste dode punt BDP sluit de zuiger de spoelpoorten af, terwijl ook de uitlaatklep(pen) gesloten worden. De lucht wordt door het verkleinen van de cilinderruimte gecomprimeerd, ook deze slag wordt de compressieslag genoemd, de druk en de temperatuur lopen op, nabij het bovenste dode punt begint de inspuiting van dieselbrandstof via de verstuiver waarop de arbeidslag begint. Bij het bereiken van de spoelpoorten en de uitlaatkleppen begint het proces opnieuw.

COMPRESSIESLAG Het comprimeren van verbrandingslucht

ARBEIDSLAG Het expanderen van verbrandingsgassen

Uitwisseling van gassen bij zuiger rondom het onderste dode punt

Kleppendiagram Tweeslag Langsspoeling verbrandingsmotor

Bij het Tweeslag langsspoeling proces ontbreken dus de aparte inlaatslag en uitlaatslag. Vanwege het ontbreken van een inlaatslag waarbij de zuiger een onderdruk creëert zijn spoelpompen of turboblowers nodig voor de aanvoer van verse verbrandingslucht. Fabrikanten die dit principe hanteren zijn o.a. Bolnes, GM-Diesel (deze zonder kruishoofd), en MAN, Burmeister & Wain, Sulzer en Wärtsilä, leveranciers van grote machinevermogens.

Indicateurdiagram Tweeslagmotor met langsspoeling

Motorconstante en geïndiceerd vermogen

Geïndiceerd vermogen Pi = π/4 d² * s * p * n * z * i (1 of 0,5)

Hierin is P het geïndiceerde (opgewekte) vermogen, π/4 d² de oppervlakte van de zuiger in meter, s de slag van de zuiger in meter, n het aantal omwentelingen per seconde (dus aantal omwentelingen per minuut gedeeld door 60), p de gemiddelde cilinderdruk in N/m² en z het aantal cilinders. Bij tweeslagmotoren geldt i = 1, bij vierslagmotoren i = 0,5. In de bovenstaande formule zijn de zuigeroppervlakte, de zuigerslag en daarmee het slagvolume, het aantal cilinders en het arbeidsproces onveranderlijk. Dit wordt de ‘motorconstante’ C genoemd. De gemiddelde cilinderdruk en het toerental doen de uitkomst P variëren.

Motorconstante C = π/4 d² * s * z * i (1 of 0,5)

Mechanisch rendement

Door middel van het arbeidsproces van een verbrandingsmotor wordt er energie die voortkomt uit de brandstof en de verbrandingslucht omgezet in mechanische energie. Maar niet alle toegevoerde energie wordt omgezet in mechanische energie. Er treden mechanische verliezen op, onder te verdelen in ‘wrijvingsverliezen’ en ‘mechanische verliezen’.

Wrijvingsverliezen Deze doen zich voor door wrijving tussen de zuigers en de cilinderwanden, de zuigerpennen en de drijfstangen, de drijfstangen en de kruktappen, de krukaslagers, de nokkenaslagers, bij grote machines tussen de leisloffen en de leibannen en indien aanwezig de spelzuigers. De smering van alle bewegende delen verlagen de wrijvingsweerstanden en daarmee de wrijvingsverliezen.

Mechanische verliezen Deze zijn het gevolg van voor het functioneren van een motor benodigde componenten zoals de aandrijving van het kleppenmechanisme, de lage- en hogedruk brandstofpompen, smeeroliepompen, koelwaterpompen, spoelpompen, de regulateur en de overtoerenbeveiliging. Het mechanische verlies wordt geschat op 10 a 15% van het geïndiceerde vermogen Pi.

Het mechanische rendement is de verhouding tussen het effectief vermogen en het geïndiceerd vermogen.

MECHANISCH RENDEMENT ηm = Pe / Pi

Hieruit volgt ook dat de gemiddelde effectieve druk het product is mechanisch rendement maal de geïndiceerde druk.

GEMIDDDELDE EFFECTIEVE DRUK pe = ηm * pi

Geïndiceerd thermisch rendement

In de cilinders wordt door de verbranding van brandstof en de aanvoer van verbrandingslucht het vermogen Pi opgewekt. Per kilogram brandstof wordt er H0 kJ energie toegevoerd, waarbij een hoeveelheid warmte staat voor een hoeveelheid energie. Onder de  H0 van een brandstof wordt de ‘stookwaarde’ van een brandstof verstaan. Ter indicatie:

Diesel= 35900 kJ/liter
HVO = 345000 kJ/liter
GTL = 343000 kJ/liter
Biodiesel = 33100 kJ/liter

Gasolie = 40000 kJ/kg
Heavy Fuel Oil = 42000 kJ/kg

Het geindiceerd vermogen Pi is het vermogen ontwikkeld in de cilinders boven de zuigers ten gevolge van de gemiddelde druk p van de verbrandingsgassen. Een deel van de toegevoerde energie gaat daarbij verloren als gevolge van warmteverliezen door koeling en straling.

Warmteverliezen Bestaande uit afgevoerde warmte door de afvoer van uitlaatgassen (30%), door de noodzakelijke koeling van motoronderdelen door circulatiewater, smeeroliën en verbrandingslucht (20%) en door de warmteafgifte van de motor aan de omgeving (warmtestraling) (1%)

Het geïndiceerd thermisch rendement is de verhouding tussen het geïndiceerde vermogen Pi en de toegevoerde energie in de stookwaarde van de brandstof Ho.

GEÏNDICEERD THERMISCH RENDEMENT  

ηi = Pi / B * Ho

Hieruit volgt dat het totale rendement het product is van het mechanisch rendement maal het thermisch rendement.

TOTAAL RENDEMENT

ηt = ηm * ηi

Specifiek brandstofverbruik 

Het specifieke brandstofverbruik van een motor is de hoeveelheid benodigde ofwel verbruikte brandstof per vermogens- en tijdseenheid van een verbrandingsmotor. Het specifiek brandstofverbruik van een dieselmotor is het aantal (kilo)grammen brandstof dat een motor nodig heeft om gedurende één uur een vermogen van één Kilowatt te leveren in gegeven omstandigheden. Het specifiek brandstofverbruik is het resultaat van zowel de stookwaarde van de brandstof als het rendement van de verbrandingsmotor.

Geformuleerd:

SPECIFIEK BRANDSTOFVERBRUIK  

Gram brandstof per Kw per uur
Liter brandstof per Kw per uur

be = B / Pe

be = 1 / Rt * Ho in Kg/KWh

be = 1000 / Rt * Ho in g/KWh

Hierin is:

be Specifiek Brandstofverbruik
Rt rendement in procenten
Ho stookwaarde in KJ/Kg of KJ/Liter
B Brandstofgebruik in Kg of Liter per uur
Pe effectief vermogen in KW

Brandstofverbruik

BRANDSTOFVERBRUIK  = specifiek verbruik * geleverd vermogen * tijd

B = be * Pe * t 

Specifiek luchtgebruik en stoichiometrische verbranding

Wanneer de hoeveelheid zuurstof exact overeenkomt bij de volledige verbranding van een hoeveelheid  brandstof spreken we over een stoichiometrische verbranding. De verhouding tussen deze hoeveelheid brandstof en de hoeveelheid verbrandingslucht wordt de stoichiometrische verhouding benoemend.

Luchtovermaat

Een volledige verbranding gedurende het arbeidsproces van een dieselmotor is nauwelijks te behalen. Daarom wordt er een overmaat aan verbrandingslucht toegevoerd om de brandstof zo volledig mogelijk te verbranden, de luchtovermaat. We kunnen ervan uitgaan dat ongeveer twee maal de theoretische stoichiometrische hoeveelheid lucht per brandstofeenheid wordt aangevoerd.

Spoelovermaat

Ook wordt er een hoeveelheid verbrandingslucht lucht gevraagd voor de spoeling van de cilinders om al de verbrandingsgassen zo volledig mogelijk af te voeren. Deze spoelovermaat heeft een afkoelend effect en leidt tot een lager thermisch rendement.

De totale luchtfactor λt is de verhouding tussen de totale luchthoeveelheid alt toegevoerd aan de motor en de theoretisch benodigde hoeveelheid lucht Lth.

LUCHTFACTOR

λt = Lt / Lth

Het specifiek luchtverbruik Is is de massa lucht die per brandstofeenheid aan de motor wordt toegevoerd.

SPECIFIEK LUCHTGEBRUIK

Is = λt * Lth * be

Turbodrukvulling

Om een hoeveelheid brandstof volledig te verbranden is er (stoichiometrisch) een bepaalde hoeveelheid verbrandingslucht lucht nodig. Andersom gaat op dat hoe meer verbrandingslucht aanwezig, hoe meer brandstof kan worden toegevoegd met behoud van een stoichiometrische verbranding. Hoe meer brandstof wordt gebruikt en volledig er wordt verbrand in het arbeidsproces, hoe meer energie er wordt geïndiceerd. Door het toepassen van turbodrukvulling wordt de aanwezige energie in de verbrandingsgassen benut om de hoeveelheid en de druk van de verbrandingslucht te verhogen.

Het principe: de door de motor uitgestoten verbrandingsgassen drijven een uitlaatgasturbine aan, waaraan op dezelfde as een centrifugaalwaaier is gemonteerd die verbrandingslucht aanzuigt vanuit het luchtfilter onder een zekere overdruk naar een spoelluchtkanaal perst. Door deze overdruk wordt er een hogere vullingsgraad van de cilinders bereikt, kan er meer dieselbrandstof worden ingespoten, is er een hogere gemiddelde geïndiceerde druk en neemt het geïndiceerde vermogen toe. De aanvoer van verse verbrandingslucht in de cilinders wordt deels gerealiseerd door de onderdruk in de cilinders tijdens de inlaatslag maar deze stromen ook vol door de gerealiseerde overdruk vanuit de drukvulgroep. Zie het toegevoegde indicateurdiagram met ‘overdruk’.

Door het verhogen van de luchtdruk in de spoelluchtkanalen maar ook door de passage van de ‘turboblower’ is de luchttemperatuur ook toegenomen, met als indirect gevolg een volumevergroting van de verbrandingslucht van de luchtmassa. Door tussen de turboblower en de cilinders de lucht te koelen neemt het soortelijke volume van de lucht weer af en komt dat de vullingsgraad van de cilinders ten goede. Deze luchtkoeling vindt plaats in de ‘intercooler’. Deze is geplaatst tussen de turboblower en de cilinders in.

Turbodrukvulling
Indicateurdiagram Vierslag dieselmotor met drukvuling

Vermogen en koppel

Een radiaal is gedefinieerd als de grootte van een middelpuntshoek van een cirkel waarvan de lengte van de boog gelijk is aan de lengte van de straal (radius). De hoeksnelheid kan op twee manieren worden uitgedrukt worden, zowel in radialen als in graden per seconden.

HOEKSNELHEID in radialen seconde ω = 2π/t
HOEKSNELHEID in graden per seconde ω = 360°/t

Het ontbinden van de zuigerkracht

Het motorkoppel is de kracht waarmee de krukas in beweging wordt gebracht. Deze kracht is de resultante van de gemiddelde drukken en krachten  op de zuigers, drijfstangen en kruktappen. Motorkoppel M is een ander gegeven dan motorvermogen P maar hebben wel een direct verband in combinatie met het toerental n.

Hoeksnelheid

ω = 2π * n

Hoeksnelheid ω is 2π maal de omwentelingen per seconde (Hz)

Vermogen

P = M * ω

Het vermogen P van een motor is het motorkoppel M vermenigvuldigd met de hoeksnelheid ω. De hoeksnelheid is de hoek in radialen afgelegd in een bepaalde tijd.

Vermogen

P = M * 2π * n

Koppel

M = P / 2π * n

Het vermogen P van een motor is daarmee tevens te berekenen vanuit het motorkoppel M maal 2π maal omwentelingen per seconde.

Mitsubishi Vetus M2.05 Vierslag motor

Compacte Scheepsdiesel

Algemene gegevens

Aantal cilinders: 2
Cilinderdiameter: 65 mm
Cilinderslag: 68 mm
Compressieverhouding: 23:1
Slagvolume 451 cm³

Vermogen 7,7 Kw / 10,5 Pk
Maximum toerental 3600 omw/min

Inspuitdruk: 160 Bar
Inspuitmoment: 27° voor BDP
Klepspeling in: 0,25 mm
Klepspeling uit: 0,25 mm

Smeerolie inhoud: 2,8 Liter
Koelwater inhoud: 3 Liter
Thermostaat: 71° Celsius

Aansluitspanning accu: 12 Volt
Wisselstroomdynamo: 14 Volt, 35 Ampère
Accucapaciteit 55 Ah

CALCULATIE

Gemiddelde zuigersnelheid Vetus M2.05

Vgem = 2 * s * n

Vgem = 2 * 0,068 * (3600/60) = 8,16 m/sec (3600 omw/min)
Vgem = 2 * 0,068 * (3200/60) = 7,25 m/sec (3200 omw/min)
Vgem = 2 * 0,069 * (2400/60) = 5,44 m/sec (2400 omw/min)

Motorconstante Vetus M2.05

Mc = ∏/4 d² * s * z * 1/2

Mc = ∏/4 0,068² * 0,065 * 2 * 1/2 = 0,000236

Effectieve gemiddelde druk Vetus M2.05

Pe = ∏/4 D² * s * pe * z * n * 1/2

7,7 kW = ∏/4 0,068² * 0,065 * Pe * 2 * (3200/60) * 1/2

7700 W = pe * 0,0126
pe = 611.111 N/m²
pe = 6,1 Bar

Thermisch rendement en brandstofgebruik

Globaal genomen gebruikt deze Vetus M2.05 bij wisselende belasting/toerentallen 1,5 Ltr dieselbrandstof per uur. Dieselbrandstof heeft een soortelijke massa van 0,84 kg/dm³ (1 liter), 1,5 * 0,84 geef5 een gebruik van 1,26 kg / uur. Delen we deze 1,26 kg door 3600 (60 minuten maal 60 seconden) dan komt dat op een brandstofgebruik van 0,00035 kg/seconde. Als Verbrandingswaarde van dieselbrandstof Ho wordt gegeven 42.700 kJoule/kg, er wordt per seconde 0,00035 kg * 42700 kJ = 14,945 kJ warmte aan de motor toegevoegd. Het afgegeven motorvermogen bedraag 7,7 kW gedeeld de toegevoerde warmte 7,7/14,945 = 0,51 met andere woorden: het Thermisch Rendement bedraagt 51%.

1,5 Liter * 0,84 kg/dm³ = 1,26 kg / uur
1,26 / 3600 = 0,00035 kg/sec
0,00035 * 42700 = 14,945 kJoule/sec
Thermisch Rendement = 7,7 / 14,945 = 0,51 = 51%

Specifiek brandstofgebruik

SPECIFIEK BRANDSTOFVERBRUIK  

De Vetus M2.05 gebuikt gemiddeld 1,26 kG brandstof per uur bij een vermogen van 7,7 kW.

be = B / Pe

be = 1260 gram / 7,7
be = 163,64 gram/kW

De Vetus M2.05 gebruikt gemiddeld 1,5 Liter brandstof per uur bij een vermogen van 7,7 kW.

be = 1500 cc / 7,7
be = 194,8 cc/kW

Stork Werkspoor/Wärtsilä Diesel

Stork Werkspoor / Wärtsila Diesel DRo 21 K doorsnede

Algemene technische gegevens SWD DRo Vierslag Dieselmotoren

Aantal cilinders: 6 of 8
Cilinderdiameter: 210 mm
Cilinderslag: 300 mm
Compressieverhouding: 1:14,7
Slagvolume: 10,4 liter
Gemiddelde zuigersnelheid bij 900 omw/min: 9 m/sec
Gemiddelde effectieve cilinderdruk: 13 Bar bij 750 omw/min
Constructie-toerentallen: 720-900 omw/min
Verbrandingswaarde 42,7 MJoule/kg

DRo 216 K vermogen/cilinder
(turboblower met luchtkoeling) 85 kW

In gebruik zijnde als scheepsvoortstuwing:

Gemiddelde effectieve druk: 11,9 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,2 m/sec (720 omw/min)
Effectief vermogen: 445 kW
Specifiek brandstofverbruik 216 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 11,6 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,5 m/sec (750 omw/min)
Effectief vermogen: 450 kW
Specifiek brandstofverbruik: 217 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 10,3 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 9 m/sec (900 omw/min)
Effectief vermogen: 480 kW
Specifiek brandstofverbruik: 220 g/kW

DRo 216 vermogen/cilinder
(turboblower zonder luchtkoeling) 70 kW

Gemiddelde effectieve druk: 9,6 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,2 m/sec (720 omw/min)
Effectief vermogen: 360 kW
Specifiek brandstofverbruik 224 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 9,5 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,5 m/sec (750 omw/min)
Effectief vermogen: 370 kW
Specifiek brandstofverbruik: 225 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 8,4 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 9 m/sec (900 omw/min)
Effectief vermogen: 390 kW
Specifiek brandstofverbruik: 229 g/kW

DR 216 vermogen/cilinder
(zelfaanzuigend) 47 kW

Gemiddelde effectieve druk: 6,2 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,2 m/sec (720 omw/min)
Effectief vermogen: 230 kW
Specifiek brandstofverbruik 243 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 6,1 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 7,5 m/sec (750 omw/min)
Effectief vermogen: 240 kW
Specifiek brandstofverbruik: 243 g/kW

Gemiddelde effectieve druk: 5,7 Bar
bij gemiddelde zuigersnelheid van 9 m/sec (900 omw/min)
Effectief vermogen: 270 kW
Specifiek brandstofverbruik: 245 g/kW

CALCULATIE

Gemiddelde zuigersnelheid SWD DRo 216 K

Vgem = 2 * s * n

Gegeven: de SWD DRo 216 K draait met een toerental van 720 omw/min
De gemiddelde zuigersnelheid is dan: Vgem = 2 * 0,3 * 720/60 = 7,2 m/sec

Motorconstante SWD DRo 216 K

Mc = ∏/4 d² * s * z * 1/2

Mc = ∏/4 0,21² * 0,3 * 6 * 1/2 = 0,032

Effectief vermogen SWD DRo 216 K

Pe = ∏/4 D² * s * pe * z * n * 1/2

Gegeven: de SWD DRo 216 K draait met een toerental van 720 omwentelingen per minuut. De gemiddelde efectieve druk overeenkomstig de fabrieksopgave 11,9 Bar te zijn. Pi ’ = ∏/4 0,21² * 0,3 * 1190.000 * 6 * 12 * 1/2 = 444.916,962 Watt = 444,92 kW. (Effectief vermogen: 445 kW volgens fabrieksopgave)

Brandstofgebruik SWD DRo 216 K

Het specifiek brandstofverbruik 216 g/kW per uur. Het brandstofverbruik per uur volgt uit 444,92 kW * 216 g/kW = 96.098,4 g = 96,1 kg per uur. De soortelijke massa van gasolie is 0,84 kg/dl. Hieruit volgt een brandstofgebruik van 96,1 * 0,84 = 80,7 Liter per uur.

Thermisch Rendement SWD DRO 216 K

De motor gebruikt 96,1 kg/uur, gedeeld door 60 minuten gedeeld 60 seconden maakt dat een brandstofgebruik van 0,026 kg per seconde. De Verbrandingswaarde Ho van dieselbrandstof bedraagt 42.700 kJoule/kg. De toegevoerde Verbrandingswaarde per seconde is dus 0,026 kg/sec * 42.700 kJoule/kg maakt 1139,85 kJoule/sec. Het totale Rendement is het geleverde vermogen gedeeld door de toegevoerde energie ofwel 444,92 gedeeld door 1139,85 is 0,39 ofwel 39%

Thermisch Rendement

ηt = Pe / B * Ho

ηt = Pe / B * Ho
ηt = 444,92 / 0,026 * 1139,85 = 0,39 = 39%

Deze pagina is in ontwikkeling
en wordt gaandeweg uitgebreid

Mirfak machinekamerwerkplaats foto: C. Bijl

Disclaimer

Het bovenstaande is zo betrouwbaar mogelijk beschreven maar hieraan kunnen geen consequenties worden verbonden aangaand technische berekeningen of het slagen voor toetsen en examens. Deze zijn uitsluitend weergegeven om te komen tot inzicht van de werking van scheepsdieselmotoren.