SCHEEPSWERKTUIGKUNDE

In 1985 het diploma Scheepswerktuigkundige A behaald, 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. Alhoewel de ontwikkeling van de techniek zich voortzet blijven de werkingsprincipes van dieselmotoren interessante materie.

HOOFDSTUKKEN

1e HOOFDSTUK EXPLOSIE- VERSUS VERBRANDINGSMOTOREN

2e HOOFDSTUK VIERSLAG ARBEIDSPROCES DIESELMOTOREN

3e HOOFDSTUK KLEPPENDIAGRAM VIERSLAG DIESELMOTOREN

4e HOOFDSTUK INDICATEURDIAGRAM VIERSLAG DIESELMOTOREN

5e HOOFDSTUK GEÏNDICEERD VERMOGEN VIERSLAG DIESELMOTOREN

6e HOOFDSTUK GEMIDDELDE ZUIGERSNELHEID

7e HOOFDSTUK BRANDSTOFINSPUITING

8e HOOFDSTUK HOGEDRUK BRANDSTOFPOMP EN VERSTUIVER

9e HOOFDSTUK TWEESLAG ARBEIDSPROCES DIESELMOTOREN

10e HOOFDSTUK GEÏNDICEERD VERMOGEN TWEESLAG DIESELMOTOREN

11e HOOFDSTUK DRUKVULLING

12e HOOFDSTUK SPECIFIEK LUCHTGEBRUIK

13e HOOFDSTUK SPECIFIEK BRANDSTOFGEBRUIK

14e HOOFDSTUK RENDEMENTEN

15e HOOFDSTUK SMEERSYSTEMEN

16e HOOFDSTUK KOELSYSTEMEN

1 EXPLOSIE- VERSUS VERBRANDINGSMOTOREN

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.

Benzinemotoren: 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. Benzinemotoren (eventueel werkende op LPG) zijn per definitie ‘explosie-motoren’ en behoren tot de categorie ‘lage druk motoren’ vanwege de relatief lage compressiedrukken gedurende de compressieslag.

Dieselmotoren: 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. Dieselmotoren zijn per definitie ‘verbrandings-motoren’.

Lage druk -, middeldruk – en hoge druk dieselmotoren

Dieselmotoren kunnen onderverdeeld worden in lage druk – middeldruk – en hogedruk dieselmotoren. Tot de lage druk dieselmotoren behoren de ouderwetse gloeikop- of gloeistiftmotoren, waarbij aanvankelijk voor het starten door externe hittebron zoals een gas- of petroleumbrander een onderdeel van de cilinderkop wordt verhit. Tot de middeldruk dieselmotoren behoren de motoren met een voorkamer, waarvoor de indirect ingespoten brandstof in een werveling van lucht tot een betere ontbranding komt. Bij hogedruk dieselmotoren wordt de brandstof direct in de gecomprimeerde hete verbrandingslucht boven de zuigers ingespoten.

De ‘Ricardo Voorkamer’ is een uitvinding van Harry Ralph Ricardo (London, 26 januari 1885, Midhurst, 18 mei 1974). De voorkamer is een bolvormige ruimte in de cilinderkop waar de brandstof indirect wordt ingespoten. Gedurende de compressieslag wordt de lucht in de bolvorm in een wervelende beweging gebracht. Resulterend in een gelijkmatige en meer volledige verbranding door verbeterde vermenging van lucht en brandstof.

Zie hier een doorsnede van een SWD DRo216K Vierslag dieselmotor met voorkamer

2 VIERSLAG ARBEIDSPROCES DIESELMOTOREN

In de cilinders van dieselmotoren bewegen zich één of meer zuigers in een op en neer gaande beweging. Deze op en neer gaande beweging van de zuiger(s) in de cilinder(s) worden door de drijfstang(en) en de krukken omgezet in een ronddraaiende beweging van de krukas. Wanneer een zuiger in een cilinder zich naar boven beweegt, richting de cilinderkop, dan vindt er een volumeverkleining plaats van de ruimte boven de zuiger. Beweegt de zuiger zich naar beneden, richting de krukas, dan vindt er een volumevergroting plaats.

Inlaat- en compressieslag

Bij een dieselmotor werkend volgens het ‘VIERSLAG ARBEIDSPROCES’ maakt de zuiger twee opgaande en twee neergaande slagen. De krukas maakt daarbij twee omwentelingen. Tijdens de INLAATSLAG beweegt de zuiger zich naar beneden, het volume boven de zuiger vergroot, de luchtdruk daalt, door de geopende inlaatklep stroomt verse verbrandingslucht de cilinderruimte binnen. Daarop volgt de COMPRESSIESLAG waarbij de zuiger zich naar boven verplaatst, het volume boven de zuiger verkleind, de luchtdruk en de temperatuur van de lucht die wordt samengeperst stijgen, want zowel de inlaat- als de uitlaatklep in de cilinderkop zijn gesloten.

Arbeid- en uitlaatslag

Nadat de zuiger opnieuw door het Bovenste Dode Punt BDP is gegaan beweegt de zuiger zich weer naar beneden, genoemd de ARBEIDSLAG. Er heeft vlak voor het BDP een brandstofinspuiting plaats gevonden door de verstuiver. De ingespoten brandstof is tot ontbranding gekomen door de hoge temperatuur van de samengeperste lucht. Boven de zuiger zijn zowel de druk als de temperatuur verder opgelopen door de verbranding. Waardoor de zuiger naar beneden wordt gedrukt. Zowel de inlaat- als de uitlaatklep staan gesloten. Druk en temperatuur worden omgezet in beweging. Wanneer de zuiger voor de tweede maal door het ONDERSTE DODE PUNT ODP is gegaan beweegt de zuiger zich weer naar boven, het volume boven de zuiger neemt af, de uitlaatklep staat geopend, de verbrandingsgassen verlaten tijdens deze UITLAATSLAG de cilinderruimte waarna het gehele proces zich herhaalt.

Samengevat

Inlaatslag De zuiger maakt een neergaande beweging van BDP richting ODP 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 van ODP richting BDP. 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 ontbrand. Bij de verbranding komt er energie vrij die de druk en de temperatuur verder op laten lopen en de zuiger van het BDP in een neergaande beweging richting ODP brengt.

Uitlaatslag De uitlaatklep wordt geopend terwijl de zuiger een opwaartse beweging maakt van ODP richting BDP. 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

3 KLEPPENDIAGRAM VIERSLAG DIESELMOTOREN

Hieronder het kleppendiagram van een vierslag dieselmotor. De waarden zijn bij benadering en kunnen per motorfabrikaat verschillen, maar het gaat om het principe. Een inlaat- of uitlaatklep heeft tijd nodig om geheel geopend of gesloten te worden. Daarbij is het van belang dat de kleppen vol open of juist gesloten zijn wanneer dit voor het arbeidsproces van belang is. Ook kan een eerdere opening of sluiting van de inlaat- of uitlaatklep een nuttig effect hebben voor het arbeidsproces.

Inlaatklep

In het kleppendiagram is te zien dat de INLAATKLEP (blauw) 25° a 15° voor het BDP van de uitlaatslag begint te openen. De zuiger bevindt zich bijna in het BDP, dat wil zeggen dat de zuigersnelheid vrijwel nihil is en er nog nauwelijks verandering van volume boven de zuiger plaats vindt. Door het openen van de INLAATKLEP in dit stadium te laten beginnen kan de INLAATKLEP een volledige opening bereiken wanneer de zuiger door het BDP heen is gegaan en zich beweegt naar het ODP. Zo kan de cilinder zo volledig mogelijk volstromen met verse verbrandingslucht. De INLAATKLEP begint te sluiten rond het ODP, maar is pas volledig gesloten op 25° a 30° na de doorgang van de zuiger door het ODP. Ook hier staat de zuiger vrijwel stil, maar de aangezogen verse verbrandingslucht is in beweging en kan in deze fase nog een moment doorstromen wat de vulling van de cilinder ten goede komt. Waarop de compressieslag begint.

Uitlaatklep

De UITLAATKLEP begint zich te openen in dit diagram rond de 35° a 40° voor het ODP aan het einde van de arbeidslag. Er heeft verbranding plaatsgevonden, de druk is omgezet in beweging van de zuiger, de zuigersnelheid is richting het ODP af aan het nemen. Door de UITLAATKLEP nu te laten openen kunnen de restdrukken van de het verbrandingsgassen beginnen met wegstromen uit de cilinderruimte. De UITLAATKLEP staat volledig geopend wanneer de zuiger door het ODP is gegaan, de daarna weer opgaande zuiger drijft de verbrandingsgassen uit. De UITLAATKLEP begint in het BDP te sluiten, ook in deze fase staat de zuiger stil, de restdruk van de verbrandingsgassen worden benut om deze de cilinderruimte te laten verlaten.

Geopende inlaat- en uitlaatklep

In de overgang van UITLAATSLAG naar INLAATSLAG zijn zowel de INLAATKLEP als de UITLAATKLEP een moment beiden geheel of deels gesloten, zoals het kleppendiagram laat zien. De zuiger in het BDP staat vrijwel stil, maar de aangezogen verbrandingslucht is bij een werkende dieselmotor in beweging, zeker bij een dieselmotor met drukvulling (waarover later meer). Deze in beweging zijnde aanstromende lucht stroomt de cilinderruimte ofwel de verbrandingsruimte binnen. Waarbij ook de UITLAATKLEP nog geopend staat. En waarlangs verbrandingsgassen de cilinderruimte verlaat. De binnenstromende verbrandingslucht draagt enerzijds bij tot een zo volledig mogelijke vulling van de verbrandingsruimte. Ook draagt de aanstromende lucht bij aan de verdrijving van nog aanwezige verbrandingsgassen. En koelt het de UITLAATKLEP waar hete verbrandingsgassen langs zijn gestroomd. Een belangrijk gegeven in het arbeidsproces van vierslag dieselmotoren.

4 INDICATEURDIAGRAM VIERSLAG DIESELMOTOREN

Het voorgaande laat weten dat de drukken en temperaturen in de cilinders van verbrandingsmotoren voortdurend variëren, afhankelijk van de fase van het arbeidsproces. Met behulp een ‘INDICATEURTOESTEl’, een schrijvende drukmeter kan per cilinder het drukverloop ofwel het INDICATEURDIAGRAM worden gemaakt. Waaruit een indicatie van de gemiddelde druk en daarmee het geïndiceerde vermogen Pi, en eventuele afwijkingen in het ARBEIDSPROCES in beeld kunnen worden gebracht.

Geïndiceerd vermogen per cilinder

De oppervlakte van de gebieden tussen de lijnen van de grafiek zijn een maat voor de gemiddelde geïndiceerde druk Pi in de cilinder. Zowel de overdrukken als de onderdrukken zijn maatgevend en van invloed op het GEÏNDICEERDE VERMOGEN per cilinder. Zo kunnen ook de cilinders onderling worden vergeleken. Opmerkelijke verschillen tussen de drukken en het drukverloop in de cilinders vragen aandacht.

Stel dat er geen brandstofinspuiting zou plaats vinden, dan zou (in theorie) de compressielijn volledig 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’. Het gaat dan om de energie die wordt geleverd tijdens de arbeidslag van de dieselmotor.

5 GEÏNDICEERD VERMOGEN VIERSLAG DIESELMOTOR

Geïndiceerd vermogen

Pi = π/4 d² * s * p * n * z * i 

W = π/4 m² * m² * N/m² * omw/sec * z * i

In de cilinders van een verbrandingsmotor heerst een gemiddelde geïndiceerde (opgewekte) gasdruk. Deze druk werkt in op de zuiger, waarbij het oppervlak van de zuiger bepaald hoeveel kracht er wordt overgebracht op de drijfstangen. Het aantal omwentelingen van de krukas, anders gezegd, het aantal arbeidsprocessen per seconde is de factor die van invloed is op het vermogen, evenals het aantal cilinders en het arbeidsproces zelf. Bij een vierslag dieselmotor maakt de krukas twee omwentelingen per arbeidsproces, bij een tweeslagmotor (zie later) één omwenteling per volledig proces. Het geïndiceerde vermogen wordt berekend met de formule Pi = π/4 d² * s * p * n * z * i

In deze formule  staat  Pi voor het geïndiceerde vermogen in Watt, π/4 d² voor de zuigeroppervlakte in meter m, s voor de zuigerslag in vierkante meter m², n het aantal omwentelingen per seconde (dus aantal omwentelingen per minuut gedeeld door 60) van de krukas, p voor de gemiddelde cilinderdruk in N/m² en z voor het aantal cilinders. Bij vierslagmotoren geldt factor i = 0,5.

Compressieverhouding

De compressieverhouding is de uitkomst van slagvolume Vs waarbij opgeteld het compressievolume Vc, de vrije ruimte met de zuiger in het BDP gedeeld door het volume Vc. Vs is te berekenen door de oppervlakte van de zuiger π/4 d² in m vermenigvuldigd met de slag s in meter.

Vs = π/4 d² * s

ε = (Vs + Vc) / Vc

ε = (s m³ + c m³) / c m³

Wanneer de cilinderdiameter, de slag en compressieverhouding bekend is, kan indirect met deze formules Vc worden berekend, het overgebleven vrije volume waneer de zuiger zich in BDP bevindt. Deze vrije ruimte is niet per definitie een ronde schijf. In de zuiger kan een holle verbrandingsruimte zijn aangebracht evenzo kan zich in de cilinderkop een wervelkamer bevinden. De inlaat-, uitlaat- en aanzetkleppen kunnen zich ook bevinden in uitsparingen. Ook de indicateurkranen vergroten de compressieruimte Vc.

6 GEMIDDELDE ZUIGERSNELHEID

De zuigers in de cilinders bewegen zich voortdurend van BDP naar ODP. In het ODP en BDP staan de zuigers stil, het zijn de keerpunten in de bewegingen van de zuiger van boven naar beneden of omgekeerd. Daarbij draait de krukas een (vrijwel) constant aantal omwentelingen per minuut en dus ook per seconde.

In de fasen waarbij de drijfstang een hoek maakt van rond de 90° is de zuigersnelheid het hoogst. De gemiddelde zuigersnelheid is te berekenen met de volgende formule: Vgem = 2 * s * n. Waarbij de lengte s staat voor de zuigerslag in meters en n voor het aantal omwentelingen per seconde. Gewoonlijk wordt een toerental aangeduid in omwentelingen per minuut. Dit getal dient dus gedeeld te worden door 60’.

Gemiddelde Zuigersnelheid = 2 * Lengte Zuigerslag  * Omwentelingen 

Vgem = 2 * s * n

m/sec = m * n/sec

Voorbeeldberekening

Toerental 675 omwentelingen per minuut
Cilinderslag 45 centimeter

Vgem = 2 * s * n
Vgem = 2 * 0,45 * (675/60)
Vgem = 2 * 0,45 * 11,25
Vgem = 10,125 m/sec

Toerental 2750 omwentelingen per minuut
Cilinderslag 68 millimeter 

Vgem = 2 * s * n
Vgem = 2 * 0,068 * (2750/60)
Vgem = 2 * 0,068 * 45,833
Vgem = 6,233 m/sec

7 BRANDSTOFINSPUITING

Dieselmotoren zijn verbrandingsmotoren waarbij de brandstof in gecomprimeerde verbrandingslucht wordt gespoten. Deze verbrandingslucht bevindt zich in de cilinder en is door de zuiger tijdens de compressieslag samengeperst. Door deze samenpersing is de verbrandingslucht aanzienlijk gestegen in temperatuur, rond de 100° Celcius aan het einde van de compressieslag, rond de 350° Celcius bij de verbranding. Bij het ontbranden van de eerste ingespoten brandstof loopt de temperatuur dus nog verder op, waardoor het verbrandingsproces van verder ingespoten brandstof aanzienlijk wordt versneld en verbeterd.

Voorinspuiting en grens der verbranding

De inspuiting begint 10° tot 5° booggraden voor het BDP van de zuiger, en duurt afhankelijk van de hoeveelheid in te spuiten brandstof tot 30° a 45° na BDP. De VOORINSPUITING is nodig om de brandstof de gelegenheid te geven om tot ontbranding te komen. De brandstofinspuiting duurt niet gedurende de gehele arbeidslag, wanneer de inspuiting ten einde is, is de verbranding nog gaande en lopen druk en temperatuur nog op. Ook is er een GRENS DER VERBRANDING noodzakelijk, zou de verbranding te lang voortduren, dan zou de UITLAATKLEP kunnen verbranden. Ook is er sprake van verloren energie: brandstof die verbrand in het uitlaatkanaal.

Voorbeeldberekening

Stel, een vierslag scheepsmotor loopt met een toerental van 750 omwentelingen per minuut. Waarbij de brandstofinspuiting 7° voor het BDP begint en duurt tot 20° na het BDP. De inspuitboog omvat daarmee 27° De vraag is hoeveel tijd de inspuiting verloopt.

750 omw/min / 60’ = 12,5 omw/sec
1 sec / 12,5 omw = 0,08 seconde / omw (360°)
0,08 sec / 360° = 0,00022 sec / 1°
27° * 0,00022 sec = 0,0059 seconde

8 HOGEDRUK BRANDSTOFPOMP EN VERSTUIVER

Om een exacte brandstofinspuiting te realiseren, zowel qua tijdstip als hoeveelheid is er de Hogedruk Brandstofpomp met bijbehorende verstuiver ontwikkeld. De eerste bestaat uit een plunjerpomp welke bediend wordt door een nokkenas. Deze hogedruk brandstofpompen perst de brandstof onder hoge druk (60 – 90 Bar) stootsgewijs naar de verstuiver. In de verstuiver bevindt zich de verstuivernaald of verstuiverklep, aangedrukt door de verstuiverveer. De verstuiverklep opent onder de genoemde brandstofdruk, waarna de brandstof door één of meer zeer kleine openingen (van tienden van een millimeter) in de verbrandingsruimte wordt gespoten. Zoals gezegd en berekend vindt dit plaats in duizendsten van een seconde.

1, Aansluitnippel Hogedruk Brandstofleiding 2, Aansluitnippel retourleiding 3, Afstelpen lichthoogte verstuivernaald 4, Afdekkap 5, Afstelbout veerspanning 6, Wartel 7, Verstuiverveer 8, Verstuiverpen 9, Wartel 10, Brandstofgoot / Brandstofkanaal 11, Verstuivernaald 12, Verstuivernippel 13, Brandstofruimte

Wanneer de brandstofplunjer van de Hogedruk Brandstofpomp een hoeveelheid brandstof naar de verstuiver pompt wordt de verstuivernaald gelicht en wordt de brandstof in de hete lucht verneveld. De veerdruk van de verstuiverveer bepaald het moment van openen. Hoe hoger de veerdruk, des te meer brandstofdruk nodig is om te openen. Een te hoge veerspanning laat de brandstofinspuiting later beginnen, een te lage veerspanning laat de inspuiting te vroeg beginnen. Bij te late verbranding en daarmee te lang durende inspuiting kunnen de kleppen verbranden. Bij te vroege inspuiting vindt er voorontbranding plaats tijdens de compressieslag. Een juiste veerspanning is dus essentieel.

Oude verstuivers hebben de mogelijkheid om de lichthoogte van de verstuivernaald in te stellen. Hiermee kan de lichthoogte van de verstuivernaald, en daarmee de kwaliteit van de brandstoflevering, en indirect de lengte van de brandstofinspuiting deels worden gereguleerd. Bij een grote lichthoogte opent de verstuivernaald, de brandstof verlaat de verstuivernippel en de brandstofdruk in de verstuiver daalt. De gedaalde brandstofdruk doet de mate van verneveling afnemen. En daarmee de kwaliteit van de verbranding. Door de lichthoogte van de verstuivernaald te beperken blijft er gedurende de inspuiting een hogere brandstofdruk gehandhaafd waarmee de kwaliteit van de inspuiting en de verneveling toeneemt.

Langs de verstuivernaald gelekte brandstof wordt afgevoerd via de retourleiding.

9 TWEESLAG ARBEIDSPROCESSEN DIESELMOTOREN

Dwarsspoeling en lusspoeling

Er zijn voor dieselmotoren verschillende tweeslag arbeidsprocessen. Er zijn uitvoeringen met spoelpoorten in de cilinderwand, onderverdeeld in inlaatpoorten en uitlaatpoorten. Waarbij de toegevoerde verbrandingslucht en afgevoerde verbrandingsgassen verschillende wegen kunnen doorlopen door de cilinderruimte. Dit kan zijn volgens DWARSSPOELING en LUSSPOELING. De spoelpoorten en uitlaatgassenpoorten bevinden zich nabij het ODP van de cilinder. Wanneer de bovenrand van de neergaande zuiger de poorten bereikt worden deze door de zuigerwand geopend. De UITLATGASSENPOORTEN zijn veelal hoger dan de SPOELPOORTEN, waarbij van de resterende RESTDRUK van de verbranding gebruik wordt gemaakt. De aanvoer van verbrandingslucht komt tot stand door de SPOELDRUK in het SPOELLUCHTKANAAL opgebracht door turboblowers, spoelzuigers of spoelpompen. Wanneer de zuiger zich weer van het ODP richting het BDP sluit de bovenrand  en de zuigermantel de poorten weer af.

Langsspoeling

Bij het tweeslag arbeidsproces volgens het concept LANGSPOELING zijn er onderin de cilinderwand spoelpoorten aangebracht waardoor verse verbrandingslucht de cilinderruimte binnenstroomt. Verbrandingsgassen verlaten de cilinderruimte via de uitlaatklep in de cilinderkop. 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.

Zie hier een doorsnede van een Bolnes DNL Tweeslag langsspoeling dieselmotor

COMPRESSIESLAG Het comprimeren van verbrandingslucht

ARBEIDSLAG Het expanderen van verbrandingsgassen

Uitwisseling van gassen bij zuiger rondom het onderste dode punt

Bij het Tweeslag langsspoeling proces ontbreken 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.

10 GEÏNDICEERD VERMOGEN TWEESLAG DIESELMOTOR

Geïndiceerd vermogen Pi = π/4 d² * s * p * n * z * i 

W = π/4 m² * m² * N/m² * omw/sec * z * i

In de cilinders van een verbrandingsmotor heerst een gemiddelde geïndiceerde (opgewekte) gasdruk. Deze druk werkt in op de zuiger, waarbij het oppervlak van de zuiger bepaald hoeveel kracht er wordt overgebracht op de drijfstangen. Het aantal omwentelingen van de krukas, anders gezegd, het aantal arbeidsprocessen per seconde is de factor die van invloed is op het vermogen, evenals het aantal cilinders en het arbeidsproces zelf. Bij een vierslag dieselmotor maakt de krukas twee omwentelingen per arbeidsproces, bij een tweeslagmotor (zie later) één omwenteling per volledig proces. Het geïndiceerde vermogen wordt berekend met de formule Pi = π/4 d² * s * p * n * z * i

In deze formule  staat  Pi voor het geïndiceerde vermogen in Watt, π/4 d² voor de zuigeroppervlakte in meter m, s voor de zuigerslag in vierkante meter m², n het aantal omwentelingen per seconde (dus aantal omwentelingen per minuut gedeeld door 60) van de krukas, p voor de gemiddelde cilinderdruk in N/m² en z voor het aantal cilinders. Bij tweeslagmotoren geldt factor i = 1.

11 DRUKVULLING

Om een hoeveelheid brandstof volledig te verbranden is er (stoichiometrisch) een bepaalde hoeveelheid verbrandingslucht lucht nodig. Andersom gaat op, dat hoe meer verse verbrandingslucht aanwezig, hoe meer brandstof er kan worden toegevoegd met behoud van een stoichiometrische verbranding. Hoe meer brandstof 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. Vierslag motoren zijn vanwege hun werkingsprincipe zelfaanzuigend: tijdens de inlaatslag zuigt de cilinder zich vol. Tweeslag motoren hebben een externe spoelpomp nodig. Dat kan zijn een door mechanisch aangedreven luchtpomp, of een turboblower zoals de Brown Boveri Turboblower hieronder.

1, Uitlaatgassenzijde turboblower 2, Gasturbinehuis 3, Gasturbine 4, Luchtinlaat met luchtfilter 5, Spoelluchtwaaier 6, Waaierhuis 7, Divergerend luchtkanaal 8, Isolatiemateriaal

Toelichting

De naar beneden wijzende zwarte pijl is de aanvoer van de verbrandingsgassen naar de Turboblower toe, de naar boven wijzende zwarte pijl duidt de richting van de verbrandingsgassen naar buiten. De witte pijlen links in de tekening duiden de richting van de aangezogen lucht aan. Via het luchtkanaal (7) wordt de lucht naar de luchtkoeler, de spoelluchtreceiver en vandaar naar de cilinders geleid. Tussen de verbrandingsgassen en de verbrandingsluchtruimte bevindt zich een temperatuur-isolatie. De uitlaatgassen kunnen een temperatuur hebben van 350° a 400° Celsius. Dieselmotoren hebben baat bij een lage luchttemperatuur. De rotoras wordt gesmeerd met smeerolie, zowel aan de luchtzijde als aan de verbrandingsgassenzijde is te zien hoe smeerolie via een leiding en pompwerking op de rotoras naar de lagers wordt geleid. De rotoras draait afhankelijk van het geleverde vermogen door de motor met zeer hoge omwentelingssnelheden, 7500 tot 10.000 omwentelingen per minuut.

Asea Brown Boveri VTR 454 Turboblower

Turbodrukvulling

Turbodrukvulling werkt als volgt: door de motor uitgestoten verbrandingsgassen drijven een uitlaatgasturbine aan, waaraan op dezelfde as een waaierpomp is gemonteerd.,deze zuigt vers verbrandingslucht aan vanuit het luchtfilter, en transporteert deze onder overdruk naar het spoelluchtkanaal. 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 van een vierslag motor wordt deels gerealiseerd door de onderdruk in de cilinders tijdens de inlaatslag, maar door de gerealiseerde overdruk vanuit de drukvulgroep wordt een hogere vullingsgraad bewerkstelligd. Tweeslag motoren kunnen uitgerust met een mechanisch aangedreven spoelpomp zoals een kruishoofd met spoelzuiger (zie BOLNES) of een externe spoelluchtpomp, ook dan wordt er met een turbodrukvulgroep een hogere vullingsgraad bereikt. Er zijn ook tweeslag motoren zonder mechanische luchtpompen, die volledig werken met behulp van turbodrukvulling. (zie bijvoorbeeeld de Stork HOTLO). Zie ook het toegevoegde indicateurdiagram waarin de ‘overdruk’ zichtbaar is gemaakt.

12 SPECIFIEK LUCHTGEBRUIK

Het SPECIFIEK LUCHTGEBRUIK is afhankelijk van de stookwaarde van de brandstof, maar ook van de luchtovermaat en de spoelovermaat. Het specifiek luchtgebruik is de hoeveelheid lucht welke een dieselmotor gebruikt in verhouding tot het specifiek brandstofgebruik, en daarmee het volume lucht in m³ in verhouding tot het geleverde vermogen in kW.

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 Lt 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

Ls = λt * Lth * be

13 SPECIFIEK BRANDSTOFVERBRUIK

Het SPECIFIEK BRANDSTOFGEBRUIK is de hoeveelheid brandstof per vermogenseenheid in een bepaalde tijd wordt gebruikt. Het specifiek brandstofverbruik duidt de hoeveelheid in gewicht in gram of kG of een bepaald volume in dm³ (liter) benodigd of berekend om gedurende één uur een vermogen Pe van één Kilowatt te leveren. Het specifiek brandstofverbruik is het resultaat van zowel de stookwaarde Ho van de brandstof als het rendement ηt van de verbrandingsmotor.

SPECIFIEK BRANDSTOFVERBRUIK

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

be = B / Pe

be = 1 / ηt * Ho in Kg/KWh

be = 1000 / ηt * Ho in g/KWh

Hierin is:

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

Stookwaarde Ho

De STOOKWAARDE is de hoeveelheid energie in warmte die vrijkomt bij de volledige (stoichiometrische) verbranding van 1 kG of 1 Liter van de brandstof vastgesteld bij genormaliseerde / gestandaardiseerde omstandigheden. Dit laatste betreft factoren als omgevingstemperatuur, luchtvochtigheid en luchttoevoer. In de kolom hieronder is te zien dat verschillende dieselbrandstoffen verschillende STOOKWAARDEN hebben. Een brandstof met een lagere STOOKWAARDE voegt per gewicht – of volume-eenheid minder energie toe aan een motor dan een brandstof met een hogere STOOKWAARDE. Resulterend in een hogere of lagere vermogens bij een bepaald brandstofgebruik.

STOOKWAARDEN

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

Brandstofverbruik

Wanneer een motor in bedrijf is, verbruikt deze brandstof B in verhouding tot het geleverde vermogen Pe. Het specifiek brandstofgebruik be geeft de hoeveelheid brandstof in gewicht kG of volume L per geleverd vermogen kWh. Het geleverde vermogen Pe staat voor het vermogen in kW dat de motor continu op dat moment levert. De t staat voor het aantal tijd in uren dat de motor in bedrijf is.

BRANDSTOFVERBRUIK

Brandstofverbruik = specifiek verbruik * geleverd vermogen * tijd

B = be * Pe * t 

14 RENDEMENTEN

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.

Warmteverliezen door koeling

Door middel van de brandstof wordt er warmte en daarmee energie aan de motor toegevoerd en omgezet in beweging, in mechanische energie. Een deel van deze warmte ofwel energie verlaat de motor vanwege de noodzakelijke koeling. Zonder koeling zouden metalen en materialen aan de motor hun sterkte en vorm verliezen, zouden pakkingen, smeeroliën en vetten verbranden, zou men niet in de nabije omgeving van een werkende motor kunnen verblijven.

Warmteverliezen door uitlaatgassen

Door middel van de uitlaatgassen verlaat restwarmte de motor via de uitlaatgassenkanalen. Door middel van een turboblower waarin expansie van de uitlaatgassen plaats vindt en waarmee een deel van de potentiële energie wordt teruggewonnen. Een volgende manier om warmte terug te winnen uit de uitlaatgassen is de toepassing van de uitlaatgassenketel, waarin water wordt verhit tot heet water en stoom.

Stralingsverliezen

Door middel van de brandstof wordt er warmte en daarmee energie aan de motor toegevoerd en omgezet in beweging, in mechanische energie. Een deel van deze warmte ofwel energie verlaat de motor door middel van warmtestraling.

Mechanisch Rendement

Het mechanische rendement is de verhouding tussen het effectief vermogen en het geïndiceerd vermogen. Het geïndiceerde vermogen is het vermogen dat is opgewekt als gevolg van de gemiddelde geïndiceerde druk Pi en de algehele constructie van de motor. Het effectieve vermogen is het gemeten asvermogen Pe. Het verschil tussen Pe en Pi ontstaat door de mechanische verliezen zoals de aandrijving van nokkenas, kleppen, brandstofpompen, smeeroliepompen, koelwaterpompen en de regulateur, maar ook de loze slagen van inlaatslag, compressieslag en uitlaatslag, kortom alle mechanieken nodig om het werkingsproces te realiseren. Daarnaast zijn er de wrijvingsverliezen welke ontstaan bij de bewegende zuigers in de cilinders, de lagers van krukas, nokkenas, drijfstangen, zuigerstangen, pompassen enzovoort.

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. 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 ηt het product is van het mechanisch rendement ηm maal het geïndiceerde rendement ηi. Het geïndiceerde rendement ηi is het resultaat van mechanische verliezen, wrijvingsverliezen, warmteverliezen en stralingsverliezen.

TOTAAL RENDEMENT

ηt = ηm * ηi

Warmteverliezen in %

Globaal genomen verlaat 30% tot 45% van de 100% toegevoerde Verbrandingswaarde Ho aan warmte de motor door middel van de uitlaatgassen. Deze kunnen afhankelijk van de belasting van de motor een temperatuur van 180° tot 360° Celcius. Hoe hoger de belasting, het brandstofgebruik en het toerental hoe groter het volume uitlaatgassen in m³. De warmte in de uitlaatgassen kan efficiënt worden benut voor de verwarming van een uitlaatgassenketel.

Door middel van het koelwater wordt 10% tot 15% van de geïndiceerde ofwel toegevoerde warmte afgevoerd. Bij eenvoudige motoren met een open koelwatersysteem door middel van buitenboordwater zal dit aantal procenten hoger liggen, uitgaande van een gesloten koelsysteem met circulerend koelwater blijft er warmte deels in het systeem. Deze warmte kan efficiënt worden benut bijvoorbeeld voor de verwarming van de accommodatie.

Bij benadering 2% tot 5% van de warmte wordt afgevoerd door middel van de smeerolie en de koeling daarvan. Smeerolie heeft zoals eerder beschreven niet alleen tot doel het smeren van de bewegende delen en het afvoeren van verontreinigingen, maar ook voor de koeling, anders gezegd voor het afvoeren van warmte.

Er is ook warmte die aan de omgeving wordt afgegeven, zoals in de ruimte van de machinekamer, stralingswarmte genoemd, zo’n 1%. Uitlaatgassenkanalen zijn geïsoleerd, in de eerste plaats om het risico op brandgevaar en lichamelijk letsel te verminderen. Maar ook om de omgevingstemperatuur zo laag mogelijk te houden.

15 SMEERSYSTEMEN

In motoren bewegen zich vele onderdelen roterend, wankelend, heen- en weer gaand langs elkaar heen. Assen draaien in lagerschalen, zoals de krukas en de kruktappen en de nokkenas. Aan het kruishoofd of aan de zuigers maken de drijfstangen een wankelende beweging, evenals de tuimelaars ofwel klephefbomen. Tanden van tandwielen glijden over elkaar heen bij het in elkaar grijpen, oefenen druk op elkaar uit met een oliefilm tussen de tanden. Het kruishoofd en de zuigers maken opgaande en neergaande bewegingen, evenals zuigerstangen, nokvolgers, klepstoters en klepstelen, waarbij tussen deze onderdelen ook stoten plaatsvinden, zoals bij de klepspeling tussen tuimelaars en klepstelen, en de zuigerveren in de sponningen afhankelijk van de speling.

Zuigerkoeling

Links een oliegekoelde zuiger met zuigerstang van een Stork HOTLO 75/150 dieselmotor. Op de tekening hieronder is te zien hoe de smeerolie door een scharnierend pijpenstelsel naar het kruishoofd wordt gevoerd. Van onderaf wordt de smeerolie door een binnenkanaal naar de zuiger gevoerd. Bovenaan wordt deze langs de binnenzijde van de zuiger geleid waar de smeerolie de holle zuiger vult en koelt. In de zuiger bevindt zich een overloop welke er zorg voor draagt dat zich voortdurend een zekere hoeveelheid smeerolie in de holle zuiger bevindt. De overloop leidt naar een buitenkanaal waardoor de smeerolie naar beneden wordt teruggevoerd.

Smering en koeling

In een motorblok bevinden zich uiteenlopende temperaturen, rond de zuigers, kleppen en cilinderkop vindt verbranding van brandstof en koolafzetting plaats, in de krukkast en rond de koelers en pompen liggen de temperaturen beduidend lager. Wanneer metalen zonder smeermiddel over elkaar heen bewegen ontstaat er slijtage en wrijving. Slijtage betekent dat er metaaldelen vrij komen, wrijving ontwikkelt warmte/hitte en mechanische weerstand. Hieruit volgt dat aan smeerolie eisen worden gesteld om aan de volgende doelen en functie-eisen te kunnen voldoen:

Doel van smeerolieën

Wrijving tussen bewegende delen verminderen
Slijtage tussen bewegende delen verminderen
Warmteontwikkeling tussen bewegende delen minderen
Het koelen van motoronderdelen
Het afvoeren van opgenomen warmte
Het afvoeren van verontreiniging
Het conserveren van motoronderdelen
Bijdragen aan afdichting van pakkingen
Bijdragen aan een stillere en zuiniger loop

16 KOELSYSTEMEN

Vierslag trunkzuigermotor

1, Uitlaatgassenkanaal 2, Klepstoter of stoterstang 3, Kleppendeksel 4, Klephefboom of tuimelaar, 5, Uitlaatklep 6, Gloeistift of gloeiplug, 7, Verstuiver 8, Inlaatluchtkanaal 9, Cilinderkop 10, Zuiger 11, Startmotor 12, Vliegwielhuis 13, Koelwateraftap 14, Krukas 15, Carter 16, Brandstoffilter 17, Nokkkenas 18, Smeeroliepeilstok 19, Smeeroliefilter 20, Aanzuigkorf smeerolie, 21 Carterpan, 22, Smeerolieaftap.

Tweeslag Langspoeling Trunkzuigermotor

De doorsnede hierboven toont een tweeslag Langsspoeling Trunkzuigermotor. Kruishoofdmotoren zijn vanwege hun constructie hoger en vragen daarmee extra inbouwruimte. Een lage inbouwhoogte kan van belang zijn bij Roll-On Roll-Of schepen en veerboten om een vrij doorgaand laaddek te behouden. Ook bij het installeren van grote vermogens in relatief kleine schepen zoals sleepboten kan een lage inbouwruimte een rol spelen. De bovenstaande motor is verlaagd door het weglaten van zuigerstang, kruishoofd en leibaan. Zodat een Trunkzuigermotor is ontstaan. Bij een kruishoofdmotor kan een gasdichte afscheiding tussen krukkast en spoelluchtruimte worden geconstrueerd door de zuigerstang door een horizontaal vlak te leiden. Bij deze motor worden de spoelpoorten wanneer de zuiger naar of van het BDP gaan gesloten gehouden door een verlengde zuigerwand. Ook is de verlenging aan de onderzijde door een aanzetstuk van de cilindervoering te zien.

Stork HOTLO Kruishoofdmotor

Stork HOTLO

De afkorting HOTLO staat voor Hesselman Omkeerbare Tweetakt Langsspoelingmotor met Oplading. Bovenaan de motor is de tuimelaar of met een andere benaming de klephefboom te zien, welke de uitlaatkleppen openen en laten sluiten. Rechts daarvan bevindt zich de turboblower. De gasturbine van de turboblower wordt aangedreven door de uitlaatgassen van twee of drie cilinders, de gasturbine drijft een spoelluchtblower aan die de verbrandingslucht naar het spoelluchtkanaal pompt. Deze bevindt zich rechts van de doorsnede ter hoogte van de spoelpoorten. Tussen de turboblower en het spoelluchtkanaal is de luchtkoeler te zien, door de lucht te koelen met zeewater neemt het soortelijk volume van de lucht af, en neemt de luchtmassa per volumeeenheid toe. Bij meer luchtmassa kan een hoger vermogen en een rendabeler verbranding worden gerealiseerd.

In het carter is de krukas en een drijfstang te zien met daarboven het kruishoofd en de zuigerstang, met daarop de holle zuiger. Links onderaan aan de buitenzijde is de manouvreerstand van de motor te zien, aan de binnenzijde een systeem van bewegende smeerolieleidingen met draaipunten. Door deze leidingen wordt smeerolie naar het kruishoofd en de leislof en leibaan van het kruishoofd gepompt, en door de inwendige leidingen door de zuigerstang naar de zuiger. Zo worden de bewegende delen gesmeerd, en wordt de zuiger van binnenuit gekoeld. De smeerolie loopt af in de smeerolieaflooptank aan de onderzijde van de motor.

Links buiten de motor de handels en bedieningshandwielen van de manouvreerstand. De Stork HOTLO is een omkeerbare motor wat zeggen wil dat de motor in twee draairichtingen kan worden aangezet, om de scheepsschroef linksom of rechtsom te laten draaien, om vooruit of achteruit te varen. Het omkeren van de draairichting gebeurd door de nokkenas in lengterichting te verschuiven. Per stoterstang ofwel klepstoter en per hogedruk brandstofpomp bevinden zich twee nokken op de nokkenas. Een vooruitnok en een achteruitnok. Door de nokkenas te verschuiven worden de gewenste nokken onder de klepstoter en brandstofpomp geplaatst. Evenals de nokken voor de aanzetlucht. Bij de manouvreerstand wordt de draairichting en het toerental geregeld en wordt de motor aangezet en gestopt.

Links bovenaan de hogedruk brandstofpompen en de klepstoters boven de nokkenas, evenals de indicateurkranen om per cilinder een indicateurdiagram te maken, en om de motor met geopende indicateurkranen rond te kunnen tornen. Centraal in de cilinderkop de verstuiver tussen de uitlaatkleppen. Halverwege de cilinder zijn de spoelpoorten te zien waardoor de verse verbrandingslucht de cilinders instromen en de uitlaatgassen verdrijven.

Stork HOTLO dieselmotoren zijn geleverd als 6 tot 12 cilinder uitvoeringen. Met een cilinderdiameter van 54 centimeter en een slag van 115 centimeter. Respectievelijk een cilinderdiameter van 75 centimeter bij een slag van 160 centimeter. Deze motoren leverden vermogens tot 20.000 Pk bij toerentallen van 130 omwentelingen per minuut.

Stork Hesselman Kruishoofdmotor

Specificaties Stork Hesselman 1954 (gedateerde eenheden)

Langspoeling met vier uitlaatkleppen per cilinder
Uitlaatklep begint opening 85° voor ODP
Uitlaatklep gesloten 55° na ODP
Spoelpoorten openen 50° voor ODP
Spoelpoorten sluiten 50° na ODP
Acht cilinders
Cilinderdiameter 750 millimeter
Slaglengte 160 millimeter
Asvermogen 8200 ePk
Toerental 115 omwentelingen / minuut
Gemiddelde effectieve druk 6 kg / cm²
Specifiek brandstof 146 gram / ePk
Spoelluchtdruk 1,3 kg / cm²

Harland & Wolff / Bürmeister & Wain

Een andersoortige tweeslag verbrandingsmotor is de door Harald & Wolf in licentie gebouwde Bürmeister & Wain Tweeslag dieselmotor met tegengesteld bewegende zuigers in één cilinder. Er is bij deze motoren geen cilinderkop aanwezig, de bovenzijde van de cilinder wordt afgedekt door een bovenzuiger. Deze wordt door middel van excentriekschijven op de krukas tegenovergesteld aan de benedenzuiger welke via een zuigerstang en een drijfstang aan de krukas is verbonden. Het is dus de benedenzuiger die de verbrandingsdruk omzet van een heen en weer gaande om in een draaiende beweging. In de cilinder bevinden zich rond het ODP van de benedenzuiger spoelpoorten. Wanneer de benedenzuiger nabij het ODP is opent deze zuiger de spoelpoorten waardoor verse verbrandingslucht wordt aangevoerd. In die fase heeft de bovenzuiger zich naar boven verplaatst en heeft op gelijke wijze uitlaatpoorten geopend die zich tussen de verbrandingsruimte tussen de beneden – en bovenzuiger bevindt. Er vindt daarmee een zekere langsspoeling plaats, verbrandingslucht stroomt bij de benedenzuiger door de spoelpoorten de cilinder binnen, verbrandingsgassen verlaten de cilinder door de uitlaatpoorten bij de bovenzuiger. Één of twee verstuivers bevinden zich in de cilinderwand, daar waar de twee zuigers naar elkaar toe bewogen zijn om de verbrandingslucht te comprimeren.

Voor- en nadelen

Het voordeel van deze motoren is een effectieve cilindervulling en een ideale verbrandingsruimte. Het nadeel zijn de grote massa’s welke bewogen worden, zoals de zware bovenzuiger met de bijbehorende brug en de excentriekstangen. Waarbij door de excentriektriekstangen eveneens smeerolie wordt aan- en afgevoerd om de bovenzuiger te smeren en te koelen. Daarbij zijn deze motoren hoger en behoeven extra inbouwruimte.

Doxford motoren

Een vergelijkbaar concept als de Harald & Wolff / Bürmeister & Wain motor met tegengesteld werkende zuiger is de Doxford motor. In principe werkt de Doxford motor hetzelfde zoals hierboven beschreven, maar in plaats van excentriekschijven op de krukas zijn de bovenzuigers via lange zuigerstangen en drijfstangen op de krukas aan krukken verbonden. Dit betekent dat wanneer de benedenzuiger zich naar het ODP beweegt gedurende de arbeidslag, dat deze de kruktap naar beneden drukt in een draaiende beweging. Gelijktijdig beweegt de bovenzuiger zich naar het BDP, en trekt via de langs de motor lopende zuigerstangen en de drijfstangen in de krukkast de krukken op de krukas naar boven in een draaiende beweging. Tijdens de compressieslag gebeurd het tegenovergestelde, de zuigers worden door de krukas met drie kruktappen per cilinder naar elkaar toe bewogen.

Spoelluchtpomp

In de dwarsdoorsnede van de Doxford motor is links de spoelluchtpomp en de hefboomaandrijving te zien. Aan het kruishoofd is draaibaar een korte drijfstang bevestigd die de lange arm van een hefboom beweegt. Aan het andere uiteinde van de hefboom eveneens een korte drijfstang verbonden aan de zuigerstang van de spoelluchtpomp. De zuiger hiervan heeft een relatief grote diameter en daarmee grote oppervlakte, maar de zuiger maakt een korte slag. De spoelluchtpomp is een dubbelwerkende pomp, wanneer de bovenzijde perst zuigt de onderzijde. Vanaf de spoelluchtpomp wordt de aangezogen lucht naar de spoelluchtruimte geleid en vandaar naar de cilinders.

Voor- en nadelen

De voordelen zijn vergelijkbaar met de Harald & Wolff / Bürmeister & Wain motoren, waarbij de beweging van bovenzuiger niet alleen benut wordt voor een efficiënte verbrandingsruimte en cilinderspoeling, maar ook wordt de beweging van de bovenzuiger overgebracht op de krukas. De bovenzuiger levert daarmee niet alleen mechanische verliezen op welke het mechanisch rendement verlagen, maar werkt ook mee aan een verbetering van het totale rendement.

DEZE PAGINA IS INCOMPLEET
EN MOMENTEEL IN ONTWIKKELING

EXCUUS VOOR HET ONGEMAK

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.