SCHEEPSMOTOREN

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.

ms Rigel
Loodsboot Rigel in 1946 bij de werf Smit & Z’n Kinderdijk bij de afbouw

INLEIDING OPBOUW SCHEEPSDIESELMOTOREN

1e HOOFDSTUK TWEESLAG EN VIERSLAG ARBEIDSPROCESSEN 

2e HOOFDSTUK LEIBAANKRACHT

3e HOOFDSTUK DRUKVULLING 

4e HOOFDSTUK RENDEMENTEN

5e HOOFDSTUK BRANDSTOFVERBRUIK 

6e HOOFDSTUK VERMOGEN EN KOPPEL 

7e HOOFDSTUK SMERING

8e HOOFDSTUK KOELING

9e HOOFDSTUK TYPEN DIESELMOTOREN

10e HOOFDSTUK FABRIKATEN SCHEEPSDIESELMOTOREN

11e HOOFDSTUK KEERKOPPELINGEN

12e HOOFDSTUK DIESEL ELEKTRISCHE VOORTSTUWING

13e HOOFDSTUK FORMULEBLAD

HOOFDSTUK MACHINEKAMER INDRUK 

De machinekamer van loodsboot Rigel bij de ingebruikneming. Later is de SMIT- MAN type R557 hoofdmotor vervangen voor een Bolnes DNL7 tweeslag langspoeling dieselmotor

INLEIDING

Opbouw Scheepsdieselmotoren

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. Als voorbeeld twee verschillende scheepsdieselmotoren van Nederlands fabrikaat, een Stork Werkspoor Diesel vierslagmotor en een Bolnes tweeslag langspoeling met spoelzuigermotor met genummerd de belangrijkste onderdelen.

Stork Werkspoor/Wärtsilä Diesel DRo

Stork Werkspoor Diesel alias Stork Wärtsilä Diesel
Stork Werkspoor Diesel alias Stork Wärtsilä Diesel

1 Cilindervoering / Verbrandingsruimte
2 Zuiger
3 Zuigerpen
4 Drijfstang
5 Krukpen
6 Krukwang
7 Contragewicht
8 Vliegwiel
9 Nokkenas
10 Tuimelas
11 Inlaatklep
12 Hogedruk Brandstofpomp
13 Ricardo Wervelkamer / Voorkamer
14 Uitlaatgassenreciever
15 Verbrandingsluchtkanaal
16 Luchtkoeler
17 Circulatiekoelwater
18 Zeewaterpomp
19 Smeeroliecarter
20 Startluchthandel

Bolnes DNL

Bolnes DNL
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

Vetus M2.05

Doorsnede Vetus M2.05 dieselmotor

1 Zuiger
2 Drijfstang
3 Krukas
4 Krukwang
5 Nokkenas
6 Stoterstang
7 Tuimelaar
8 Uitlaatklep
9 Verstuiver
10 Retourleiding
11 Uitlaatkanaal
12 Stoterstang
13 Koelwatermantel
14 Aftapplug
15 Kleppendeksel
16 Gloeipluggen
17 Cilinderkop
18 Oliepeilstok
19 Aanzuig smeerolie
20 Carterpan
21 Aftapplug

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 zijn per definitie ‘explosie-motoren’.

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’.

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

HOOFDSTUK 1 

Tweeslag – en vierslag arbeidsprocessen

Vierslag arbeidsproces

In de cilinders bewegen zich op en neer gaande zuigers. De op en neergaande beweging van de zuigers worden door middel van drijfstangen opgezet in een draaiende beweging van de krukas. Maar ook andersom, de draaiende krukas brengt de zuigers in een op en neer gaande beweging. In de zuigers vindt daardoor een voortdurende volumevergroting en volumeverkleining plaats. Door middel van een 1:0,5 tandwieloverbrenging wordt door de krukas de nokkenas in beweging gebracht. De nokkenas zorgt via de stoterstangen en de tuimelaars voor op het bestemde moment het openen van de in- en uitlaatkleppen in de cilinderkop . Ook zorgt de nokkenas voor het bestemde moment inspuiten van dieselolie door de verstuiver in de wervelkamer en verbrandingsruimte in de cilinder boven de zuiger.

De zuiger heeft tijdens de opgaande beweging waarbij zowel de in- als de uitlaatklep gesloten staan, tijdens de  ‘compressieslag’ aangezogen lucht samengeperst die door de compressie in temperatuur is gestegen. In deze hete lucht wordt door de verstuiver heen brandstof gespoten die daarop ontbrandt. Deze verbranding verhoogt de druk in de ruimte boven de zuiger en drukt deze naar beneden. De ‘arbeidslag’. Tijdens de volgende opgaande beweging van de zuiger staat de uitlaatklep open, verbrandingsgassen wordt via de uitlaatklep en het uitlaatgassenkanaal naar buiten gestuwd, de ‘uitlaatslag’.  Bij de volgende neergaande beweging van de zuiger staat de inlaatklep open, waarlangs verse verbrandingslucht wordt aangezogen, de ‘inlaatslag’ waarop de volgende ‘compressieslag’ volgt en de cyclus zich herhaald.

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.

Klepdiagram van een vierslag dieselmotor

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.

Langspoeling

Dieselmotoren kunnen zijn gebaseerd op verschillende Tweeslag arbeidsprocessen, zowel in combinatie van spoelpoorten en uitlaatklep(pen), het zogenaamde ‘langsspoeling’ systeem, of met spoel- en uitlaatpoorten. 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

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.

HOOFDSTUK 2

Leibaankracht

Leibaankrachten 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 de krukas 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.

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.

HOOFDSTUK 3

Drukvulling

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

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 van een vierslag motor wordt deels gerealiseerd door de onderdruk in de cilinders tijdens de inlaatslag maar deze stromen ook vol door de gerealiseerde overdruk vanuit de drukvulgroep. Wanneer een tweeslag motor niet is uitgerust met een mechanisch aangedreven spoelpomp zoals een kruishoofd met spoelzuiger (zie BOLNES) of een externe spoelluchtpomp zijn turboblowers onmisbaar voor de aanvoer van verbrandingslucht  (zie Stork HOTLO). Zie ook het toegevoegde indicateurdiagram waarin de ‘overdruk’ zichtbaar is gemaakt.

Turbodrukvulling

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

Specifiek luchtgebruik

Het specifieke luchtverbruik is afhankelijk van de stookwaarde, 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.

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

Is = λt * Lth * be

Geïndiceerd vermogen

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

In de bovenstaande formule  staat voor 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)

HOOFDSTUK 4

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.

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

HOOFDSTUK 5 BRANDSTOFVERBRUIK 

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 

HOOFDSTUK 6

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 (r, radius). De hoeksnelheid kan op twee manieren worden uitgedrukt worden, zowel in radialen als in graden per seconden. De omtrek van een volledige cirkel bedraag π * diameter d of π * 2 * straal r. De omtrek van een cirkelheeft een lengte van 2 * π Radialen, een halve cirkel heeft een bootlengte van π Radiaal. Waarin de lengte r gelijk is aan de lengte van de boog langs de omtrek van de cirkel. Wanneer een een punt op de cirkel een gehele omtrek heeft gemaakt gedeeld door de tijd, volgt daaruit de hoeksnelheid ω.

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.

HOOFDSTUK 7

Smering

In (scheeps)motoren bewegen zich roterend, wankelend, heen- en weer gaand en stotend vele onderdelen langs elkaar. 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. Het kruishoofd en de zuigers maken heen- en weer gaande bewegingen, evenals zuigerstangen, nokvolgers,  klepstoters en klepstelen eveneens, waarbij tussen deze onderdelen ook stoten plaatsvinden, zoals bij de klepspeling tussen tuimelaar en klepsteel, maar ook bij de zuigerveren in hun sponningen en bij (overmatige) lagerspeling. Op verschillende plaatsen in een motorblok worden verschillende temperaturen gemeten, 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. Het eerste gegeven, de slijtage betekent dat er metaaldelen vrij komen, het tweede ontwikkelt warmte/hitte en mechanische weerstand. In combinatie met het eerste mogelijk ook vonkvorming. 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

Smeeroliesysteem

Bij de meest gangbare motoren bevind de smeerolie zich in het motorcarter ofwel de krukkast. Bij kleine motoren in de zogenoemde carterpan. Ook komt voor dat het carter fungeert als verzamelplaats van de smeerolie, en dat de smeerolievulling van de motor zich bevindt in de smeerolie-aflooptank onder de motor. Bij een in werking zijnde motor wordt de smeerolie door de smeeroliepomp uit het carter dan wel de aflooptank opgepompt. De smeeroliepomp kan mechanisch aangedreven zijn door de motor zelf, of door een externe elektrisch aangedreven pomp. De smeeroliepomp perst de smeerolie naar de smeeroliefilters en smeeroliekoeler, en vandaar uit door leidingen naar de bewegende delen van de motor. Er wordt smeerolie gepompt naar de krukaslagers. In de lagerschaal bevindt zich een groef of sponning, vanuit deze sponning of groef lopen er door de krukas, krukwangen en kruktappen geboorde oliekanalen (zie bijvoorbeeld de doorsnede van de BOLNES motor). De olie wordt onder druk door de lagers en de oliekanalen geperst (de druk bedraagt 3 A 5 Bar) en naar de kruktap geleid. Ook daar bevinden zich een sponning en oliekanalen door de drijfstangen naar de kruishoofden en de zuiger. Zie opnieuw de tekening van de BOLNES motor, nadat de smeerolie de zuiger inwendig gekoeld heeft loopt de smeerolie door het retourkanaal terug naar de spoelzuiger. Vandaar loopt de olie terug de krukkast in. Een vergelijkbare weg legt de olie af tot smering van de nokkenas en het klepmechanisme.

Voorsmeren

Uit het bovenstaande valt op te maken dat de smeerolie bij langere stilstand van de motor uit de lagers en oliekanalen zal zijn gelopen. Daarom is bij grotere motoren het ‘voorsmeren’ van belang. Met een elektrisch (of hand) aangedreven pomp wordt voor het starten smeerolie in het systeem van de motor gepompt, zodat alle lagers en oliekanalen vol staan. Zou het smeerolie voorpompen achterwege worden gelaten, dan zou dat betekenen dat de motor bij de eerste omwentelingen met geen of te weinig smering in beweging wordt gebracht. Bij kleine motoren ontbreekt in de regel de mogelijkheid tot ‘voorsmeren’. Na langdurige stilstand zal ook daar de smeerolie uit het systeem zijn gezakt, maar de het ‘droog lopen’ omvat dan slecht een zeer korte tijd, aangezien de smeerolie slechts ‘centimeters’ van carter naar lagers hoeft af te leggen eer alle lagers bereikt zijn. Desondanks, na langere tijd stilstaan zal de meeste smeerolie teruggezakt zijn in het carter. Een goede reden om na stilstand olie te peilen voor een zuiver beeld.

Explosiedeksels

Bij grotere motoren bevinden zich meestal op de carterluiken of – deuren ‘explosiedeksels’. Tijdens het in werking zijn van een scheepsmotor bereikt de smeerolie een temperatuur van 65° a 80° Celcius, en bevindt zich in de krukkast een nevel van smeeroliedamp. Wanneer daarin ook zuurstof aanwezig is kan zich een explosief mengsel vormen. Zeker wanneer zich brandstoflekkage voordoet, bijvoorbeeld bij één of meer hogedruk brandstofpompen, dan zou dieselolie zich kunnen mengen met de smeerolie. Afgezien van de verminderde smerende eigenschappen van dit mengsel loert het gevaar van een ‘carter-explosie’, als gevolg van een warmgelopen lager. De explosiedeksels dien te voorkomen dat een motorcarter ontzet raakt. Neemt niet weg dat een dergelijke explosie levensgevaarlijk zijn, mocht men zich in de buurt van bevinden …

HOOFDSTUK 8

Koeling

Verbrandingsmotoren hebben koeling nodig. En daar is een tegenstrijdigheid. Enerzijds heeft een dieselmotor een hoge temperatuur nodig om de ingespoten brandstof te doen ontbranden in de verbrandingsruimte. En staat warmte ook voor aanwezige energie. Tegelijk hebben te hoge temperaturen consequenties voor de onderdelen en materialen in een verbrandingsmotor. Zoals een gezegde leert ‘je moet het ijzer smeden als het heet is’. Hoge temperaturen maken metalen als staal, messing en lood buigbaar en vervormbaar. Kunnen doen smelten. Pakkingen zouden ook verbranden. Evenals de smeeroliën en vetten die zouden verbranden en verkolen zonder te smeren. Redenen waarom verbrandingsmotoren gekoeld moeten worden. Bij relatief kleine motoren is luchtkoeling mogelijk, onder andere de fabrikanten Deutz en SAMOfA hebben luchtgekoelde dieselmotoren op de markt gebracht met ‘geforceerde luchtkoeling’ waarbij een ventilator lucht langs de van koelribben voorziene cilinders en cilinderkoppen blaast. Grotere Scheepsmotoren worden gekoeld door circulerend koelwater, dat op haar beurt weer gekoeld wordt door zeewater. Waarbij verschillende systemen worden toegepast.

Open koelsysteem

Half gesloten koelsysteem

Gesloten koelsysteem

Bodemtankkoeling

Beunkoeling

Open koelwatersysteem

Open koelwatersysteem
Open koelwatersysteem

Het ‘open koelwatersysteem’ behoort tot de meest eenvoudige koelwatersystemen. Eigen alleen de waterkoeling zoals bijvoorbeeld Lister en Peter die bij kleine stationaire motorblokken heeft toegepast is eenvoudiger: een cilinderkop met aan de bovenzijde een open ‘pan’ waar water in wordt bijgevuld. ‘Kookt’ de pan droog, tijd om weer wat water bij te gieten. Nu het ‘open koelwatersysteem’, veel toegepast bij kleine boten. Buitenboordwater wordt door een koelwaterpomp aangezogen en door een koelwaterfilter, een wierfilter heen geleid en naar het motorblok gepompt. Daar worden de cilindermantel(s) en de cilinderkop, en soms de uitlaat gekoeld waarna het koelwater de motor verlaat en overboord wordt gepompt. Een thermostaat reguleert een terugstroom van koelwater terug het systeem in, waarmee warmer koelwater wordt benut om de motor sneller op bedrijfstemperatuur te laten komen en bij bijzonder koud buitenboordwater de motor op een goede bedrijfstemperatuur te houden.

Voordeel

Het voordeel van dit systeem is de éénvoud van het systeem: de motor heeft genoeg aan één koelwaterpomp, het komt zelfs voor dat het wierfilter achterwege wordt gelaten, en er wordt volstaan met een rooster aan de buitenzijde van de romp.

Nadeel

Het nadeel van dit systeem is de grotere kans op dichtslibben van de koelwaterruimten in het motorblok als gevolg van aangezogen zand, de inwendige corrosie (roestvorming) in de koelruimten, zeker wanneer er op zout water wordt gevaren, en de aanwezigheid van kalkaanslag aan de binnenzijde van de motor. Met verminderde koeling en mogelijk oververhitting tot gevolg. Een ander nadeel is dat de motor langere tijd nodig heeft om op bedrijfstemperatuur te komen.

Half gesloten koelwatersysteem

Half gesloten koelwatersysteem
Half gesloten koelwatersysteem

Hierboven een voorbeeld van een ‘halfopen koelwatersysteem’. Het systeem bestaat uit een gesloten ‘zoetwatersysteem’ gekenmerkt door het ‘blauwe’ water. Dit circuleert rond door middel van de Circulatie koelwaterpomp dat het koelwater naar de cilindermantels en cilinderkoppen verpompt. Daarna verlaat het koelwater de motor en wordt het naar de warmtewisselaar geleid waar het circulerende water wordt gekoeld door buitenboordwater ofwel het zeewater. In het zoetwater- ofwel circulatiewater systeem is een temperatuurregelaar opgenomen die regelt of het circulerende koelwater buiten de warmtewisselaar om opnieuw naar de koelkanalen in de motor wordt geleid, of naar de warmtewisselaar. In het schema sluit de retour van de temperatuurregelaar na de circulatiewaterpomp aan, dit kan ook voor de pomp zijn, afhankelijk hoe het systeem is ingericht. Buiten de tekening bevindt zich een expansievat, warm koelwater zet uit en kouder koelwater krimpt in, het expansievat fungeert als buffer. Het ‘blauwe water’ is een gesloten systeem waarbij het koelwater voortdurend circuleert.

Het ‘groene water’ staat voor het open systeem, buitenboordwater wordt aangevoerd, aangezogen door de zeewaterpomp en naar de warmtewisselaar gepompt waar het koude zeewater het warme circulatiewater koelt. Waarna het zeewater via een buitenboordafsluiter weer wordt afgevoerd naar buitenboord.

Voordeel

Het voordeel van dit systeem is dat de dieselmotor wordt gekoeld door kwalitatief beter water dat voorzien kan zijn van reinigende en conserverende chemicaliën welke eventueel bij opleggen van het schip kan beveiligen tegen bevriezing. Doordat het circulerende koelwater schoner blijft wordt de kans op dichtslibben sterk verminderd en blijft het koelend vermogen hoog. Doordat er met behandeld zoet water wordt gekoeld kan de koelwatertemperatuur hoger worden afgesteld wat het rendement door de verbeterde verbranding van de dieselmotor ten goede komt. Daarbij treden er minder spanningen op in de materialen doordat de temperaturen gelijkmatiger worden gereguleerd.

Bij opstarten van de installatie zal de dieselmotor eerder op bedrijfstemperatuur zijn, aangezien het circulerende koelwater warmte blijft behouden. Warmte die ook benut kan worden via een warmtewisselaar voor de verwarming van de accommodaties aan boord, of de warmwatervoorziening.

Nadeel

Voor zover het als een nadeel beschouwd kan worden: het systeem heeft extra componenten zoals de zeewaterpomp en de warmtewisselaar, welke beide onderhoud behoeven. De aandrijving van de zeewaterpomp heeft effect op het mechanische rendement. Dit wordt echter weer ruimschoots gecompenseerd door het thermische rendement van de installatie.

HOOFDSTUK 9

Typen scheepsdieselmotoren

Vierslag Trunkzuiger Dieselmotor

Vierslag Trunkzuiger Dieselmotor

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: 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.

 

Tweeslag Kruishoofd Dieselmotor met spoelzuiger

Spoelpomp of turboblowers 

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 Kruishoofdmotor met dwarsspoeling

HOOFDSTUK 10

Fabrikaten scheepsdieselmotoren

STORK WERKSPOOR/WÄRTSILÄ DIESEL DRo 210 K

Stork Wärtsila Diesel DRo 21 K
Stork Werkspoor / Wärtsila Diesel DRo 21 K doorsnede
BOLNES TWEESLAG LANGSSPOELING MET SPOELZUIGER
Bolnes DNL tweeslag langsspoeling

BOLNES dieselmotoren zijn Tweeslag Langsspoeling Dieselmotoren waarbij het kruishoofd is uitgevoerd als spoelzuiger. Opmerkelijk is daarbij dat het frame van de dieselmotor geen gietstuk is maar een gelast stalen frame uit plaatstaal. Een opmerkelijke prestatie van vakmanschap, denkende aan alle krimpspanningen die zich voordoen bij het lassen. Machinefabriek BOLNES hanteerde het concept van de toepassing van motoronderdelen, het aantal cilinders, van drie cilinders in lijn tot zestien cilinders in V-opstelling. De lengte van de krukas en het aantal krukken en de toepassing of het achterwege laten van turboblowers bepaalden daarbij het motorvermogen. Ook kon er een in delen opgebouwde nokkenas zijn toegepast, gemonteerd met klembanden, waarbij een elk deel bestond uit een nok voor de uitlaatklep en een nok voor de brandstofpomp.. Waarbij vrijwel alle mechanische onderdelen uitwisselbaar zijn met andere BOLNES dieselmotoren. Zowel de krukas als de nokkenas kan zijdelings uit het frame worden genomen voor onderhoud en reparatie. Daarop was het gelaste motorframe ingericht met wegneembare stukken, druk- en trekstangen. In Bolnes folders werd daar schematisch aandacht aan gegeven: met één of twee personen kan in zoveel uur een cilinderkop of zuiger worden vervangen.

Bolnes 4 cilinder tweeslag
Bolnes 4 cilinder tweeslag langsspoeling met spoelzuiger van 200 Pk
Bolnes 4 cilinder langsspoeling
Deelbare nokkenas, hogedruk Brandstofpomp, verstuiver met ontluchtingkraantjes, stoterstang, smeerolieleiding naar klepmechanisme en startlonthouders, gelaste machineonderdelen uit plaatstaal. Hoe eenvoudig en simpel het Bolnes-concept.
Bolnes 4 cilinder
Onder de nokkenas de spoelluchtkleppen, aan de bedieningszijde de zuigmembranen, aan de achterliggende zijde de persmembranen
Bolnes 4 cilinder
De krukas met de spoelcilinders en de membraankleppen

STORK HOTLO TWEESLAG LANGSPOELING MET OPLADING

Stork HOTLO HOTlo 75/160

De Stork HOTLO zoals hierboven afgebeeld is een Tweetakt Langsspoeling Kruishoofd dieselmotor. Rechts bovenaan de tekening zijn de turboblowers te zien het spoelluchtkanaal rechts naast de cilinders. De drukvulling wordt gerealiseerd door de turboblowers, aangedreven door de uitlaatgassenturbine en de daaraan gekoppelde centrifugaalventilatoren. Tussen de turboblowers en het spoelluchtkanaal is ook de luchtkoeler te zien om een hogere vullingsgraad te bereiken. Het volume van lucht neemt af bij een lagere temperatuur, waardoor er meer verbrandingslucht aan de cilinders kan worden toegevoerd. Tweetakt langspoeling dieselmotoren zijn niet zelfaanzuigend, en hebben in beginsel drukvulling nodig. Om deze al bij het starten te realiseren zijn drie cilinders aan één drukvulgroep verbonden, zodat al bij de eerste omwenteling van de krukas de turboblowers aan het werk worden gezet door startlucht en de eerste verbrandingsgassen. In de cilinderkoppen zijn vier kleppen gemonteerd, twee inlaat- en twee uitlaatkleppen, met in het midden de verstuiver. Dergelijke motoren leverden (deze stamt uit de jaren ‘60 van de vorige eeuw) vermogens van 10.000 Pk bij 120 omwentelingen per minuut. De Stork motoren volgens het HOTLO concept werden geconstrueerd met slagvolume 540 * 1150 mm tot 750 * 1600 mm (diameter * slag). Noemenswaardig is de smering van het kruishoofd en de koeling van de zuiger. De spoelruimten en verbrandingsruimte is volledig gescheiden van de krukkast. In de dwarsdoorsnede zijn boven de krukas de ‘armen’ te zien waardoorheen de smeerolie naar het kruishoofd en de zuiger wordt gevoerd. De afkorting HOTLO  staat voor ‘Hesselman Omkeerbare Tweetakt Langsspoeling met Oplading’.

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

Gemiddeld 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 liter * 0,84 kg/dm³ geeft 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, wat genoemd wordt een Thermisch Rendement van 51%.

Thermisch rendement

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 ηt = 7,7 / 14,945 = 0,51
ηt = 51%

Specifiek brandstofgebruik

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

be = B / Pe

Specifiek brandstofgebruik in gram

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

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

Specifiek brandstofgebruik in milliliter

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

Stork Werkspoor/Wärtsilä Diesel

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%

HOOFDSTUK 11

KEERKOPPELINGEN

Direct Omkeerbare Motoren

De meest voorkomende scheepsvoortstuwing is de configuratie waarbij een dieselmotor de schroefas aandrijft en daarmee de scheepsschroef in beweging brengt. Er zijn scheepsdieselmotoren van het ‘direct omkeerbare type’ wat wil zeggen dat de scheepsmotor is ingericht om zowel linksom als rechtsom te kunnen werken. Veelal bestaat de ‘omkeer-inrichting’ uit het verschuiven van de nokkenas. Op de nokkenas bevinden zich dan ‘vooruit-nokken’ en ‘achteruit-nokken’ voor de aansturing van de kleppen, de Hogedruk brandstofpompen en de aanzetlucht. Door de motor ‘vooruit’ of ‘achteruit’ te starten draait de scheepsschroef linksom of rechtsom.

Keerkoppelingen

Bij een niet-omkeerbare scheepsmotor wordt er tussen de motor en de schroefaslijn een keerkoppeling opgenomen. De motor heeft een constructieve vaste draairichting maar de keerkoppeling laat de schroefas linksom of rechtsom draaien of stil staan, de ‘vrijloop’. De keerkoppeling keert de draairichting van krukas om, afhankelijk van de constructie met of zonder vertraging, met varianten in mechanische en hydraulische overbrengingen of een combinatie. Ook de wijzen van ‘omkeren’ verschillen. Hieronder twee schematische voorstellingen.

Mechanische keerkoppeling zonder reductie

De volgende tekening laat een keerkoppeling zien geschikt voor schepen waarbij veelvuldig voor- en achteruit varen zonder vermogensverlies van belang zijn, bijvoorbeeld voor toepassingen bij veerboten, sleepboten en ijsbrekers. Links is het bovenaanzicht van de aandrijvende motor te zien. Het vliegwiel aan de aan de uitgaande as van de motor heeft een vaste draairichting, in rood ingetekend. Aan de primaire as van de keerkoppeling bevindt zich de ‘Vooruit’ koppeling met koppelingsplaten. Deze as heeft dezelfde draairichting als de aandrijvende as van de motor, weergegeven in de rode pijl. Wanneer de ‘Vooruit-koppeling’ in werking is zal het grote rondsel rechts waarmee de schroefas is verbonden tegenover gesteld aan de uitgaande as van de motor in werking treden. Het ‘Vooruit-rondsel’ staat verbonden met de uitgaande as van de motor. Door de ‘Achteruit-koppeling’ in werking te stellen wordt het ‘Achteruit-rondsel’ indirect met de uitgaande as van de motor verbonden. Twee maal vindt er een omkering van de draairichting plaats, het resultaat is dat de schroefas in dezelfde richting draait als de uitgaande as van de motor. Voor een goed besef van de werking is het van belang dat de ‘Vooruit-‘ en ‘achteruit-rondsels’ vrij lopen ten opzichte van elkaar. De ‘Vooruit-‘ en ‘Achteruit-koppeling’ mogen nooit gelijktijdig in werking zijn.

Keerkoppeling met ‘voor’ en ‘achteruit’ evenredige overbrenging in toerental

Mechanische keerkoppeling met reductie

Hieronder een ander principe, toegepast bij kleine schepen zoals sloepen en kleine boten. Toegepast door keerkoppelingen van het fabrikaat Hurth. Inwendig bevinden zich op de uitgaande (secundaire) as twee vrij draaiende grote tandwielen. De secundaire as drijft schroefas aan. Op de secundaire as bevinden zich twee pakketten frictieplaten. Door middel van deze frictieplaten wordt of het ene of het andere grote tandwiel gefixeerd op de secundaire as. In middenstand zijn beide pakketten frictieplaten ontkoppeld en lopen beide grote tandwielen vrij rond, evenals de schroefas.

Primaire en secundaire as

Op de primaire as bevinden zich twee kleine tandwielen. De primaire as wordt aangedreven door de krukas, dus door de motor. Het ene kleine tandwiel loopt direct in het tandwiel van de secundaire as, het andere kleine tandwiel drijft de secundaire as aan via een tussenwiel. De ingaande (primaire) as heeft dezelfde draairichting heeft als de krukas van de motor. De omkering van de draairichting vindt plaats door het fixeren één van de beide frictiepakketten. Aandrijving van de schroefas vindt plaats via of het kleine tandwiel direct op het grote tandwiel, of via het kleine tussentandwiel.

De vertraging van de schroefas ten opzichte van de krukas is 1:2,05 in de ‘vooruit-stand’ en 1:85 in de ‘achteruit-stand’. Hurth schrijft bij dit type keerkoppeling voor de schroefas vrij te laten lopen. Waarbij ‘bedrijfsuren’ tijdens het zeilen gerekend dienen te worden als motoruren voor wat betreft de keerkoppeling. De secundaire as draait immers met de schroefas mee.

Principe Hurth HBW5-2R keerkoppeling met tussentandwiel

Hydraulische koppeling

DIESEL ELEKTRISCHE VOORTSTUWING

Hoofd Elektro Motor loodsvaartuig Fomalhout, foto: Kees Bijl

HOOFDSTUK 12

Diesel Elektrische Voortstuwing

Een andere vermogensoverbrenging van dieselmotor naar de scheepsschroef is de diesel elektrische voortstuwing. Niet alleen in de scheepvaart, ook bij de spoorwegen is deze configuratie vaak toegepast bij diesel elektrische locomotieven. In de huidige tijd wordt in doorontwikkelde vorm het concept ook toegepast in het wegverkeer, vaak in combinatie met volledig elektrisch rijden met accu’s als buffer.

Diesel elektrische voortstuwing ziet er in grote lijnen zo uit: één of meer dieselmotoren drijven één of meer generatoren (dynamo’s) aan. Deze generatoren (dynamo’s) wekken een elektrische spanning en stroom op welke naar een elektromotor wordt geleid. De elektromotor drijft de schroefas met de scheepsschroef aan. Om de scheepsschroef vooruit of achteruit te laten werken ofwel linksom of rechtsom te laten draaien bevinden zich tussen de generatoren en de elektromotor elektrische schakelingen. Daarnaast is er regeltechniek om het toerental en daarmee het vermogen van de scheepsschroef te regelen. Waarbij het aantal ingeschakelde generatoren (dynamo’s) maatgevend zijn voor de beschikbare spanning en stroomsterkte welke aan de voortstuwingselektromotor geleverd wordt, en daarmee het schroefasvermogen.

Diesel Elektrische Voortstuwing op basis van gelijkstroomgeneratoren en -motor

Stroomschakelingen

Hierboven een schematische voorstelling van een Diesel Elektrische Voortstuwingsinstallatie op basis van gelijkstroom generatoren en – motor. Stel dat gevaren wordt op de Bakboord dieselmotor. Schakelcontacten BB a, BB b en d’ worden ingeschakeld, en daarmee is een kring gesloten: van de BB VS generator via BB a naar de VS motor, en dan via BB b terug naar de BB VS Generator. Stel dat gevaren wil worden op de Bakboord en Midden dieselmotor. Schakelcontacten Mid a, BB b en Mid c worden ingeschakeld. BB VS en Mid VS staan in serie geschakeld en leveren in lijn met elkaar vermogen aan VS motor. Varen op drie motoren: SB a, BB b, Mid c en SB c worden ingeschakeld, de stroomkring loopt van SB generator via SB a naar de VS motor, dan via BB b naar BB VS generator, via Mid c naar Midden VS generator, en via SB c naar de SB VS generator. De drie gelijkstroom generatoren staan in serie geschakeld met de VS gelijkstroom motor. SB b, Mid a, Mid b en BBa staan open en maken geen verbinding. Stel dat alleen op SB dieselmotor gevaren wil worden: SB a en SB b worden gesloten. Bij de Midden dieselmotor: Mid a en Mid b worden gesloten. Schakelcontacten d’ en d”worden benut bij het varen op SB VS en BB VS generator. Daartoe wordt d” gesloten en staat d’ open.

Stuurboord-, midden- en bakboord voortstuwingsgeneratoren in serie geschakeld met de Voortstuwingsmotor
Diesel Elektrische Voortstuwing op basis van gelijkstroom met de Midden Generator in bedrijf

Voordelen Diesel Elektrische Voortstuwing

Afstemming op vermogen, toerental en koppel

Doordat het totale vermogen verdeeld is over meerdere dieselmotoren met aangekoppelde generatoren kunnen deze zo gekozen worden dat zij merendeels fungeren in het toeren- en vermogensgebied van het maximum koppel en daarmee het rendabelst omgaan in de verhouding geleverd vermogen en brandstofverbruik.

Variabele inzetbaarheid

Wanneer er meerdere dieselgeneratoren zijn geïnstalleerd kan er ‘vermogensvraagafhankelijk’ gekozen worden om te varen op één, twee of meer in werking zijnde dieselgeneratoren. De in werking zijnde dieselgeneratoren kunnen dan werken in het toerengebied met het gunstigste koppel en daarmee werken met het hoogste rendement ten op zichtte van het brandstofverbruik.

Trilling- en geluidreductie

Dieselgeneratoren kunnen flexibel worden opgesteld zodat mechanische trillingen en geluid minder sterk worden doorgegeven aan dé motorfundaties en daarmee aan het schip. Waardoor het schip minder luidruchtig  is  en minder trilt bij verschillende vermogens en toerentallen. Daarbij wekt een elektromotor  minder trillingen op, zeker ten opzichte van een dieselmotor waarmee de aandrijflijn bestaande uit elektromotor – stuwblok – schroefas – scheepsschroef als geheel minder geluid en trillingen opwekt.

Flexibiliteit bij scheepsontwerp

Bij het ontwerpen en construeren van het schip kunnen de relatief kleinere / lichtere dieselgeneratoren geplaatst worden op de plaats van het schip waar deze het meest bijdragen aan de stabiliteit, ligging en het gedragingen van het schip in golven. Doordat de generatorsets relatief lager van opbouw zijn kunnen deze dieper in het schip worden ingebouwd waardoor bovenliggende dekken minder onderbroken worden. De aandrijving van de schroefas kan door middel van dicht bij de scheepsschroef geplaatste motor met een korte tussenas. Een schroefastunnel door verblijven, laadruimte of tanks kan achterwege blijven.

Continuïteit scheepsbedrijf

Wanneer er meerdere dieselgeneratoren zijn geïnstalleerd kan er tijdens het ‘zeebedrijf’ onderhoud gepleegd worden aan tijdelijk ‘buiten werking gestelde’ dieselgeneratoren, terwijl het schip kan blijven varen (zij het niet op vol vermogen). Ook wanneer een dieselgenerator stil is gevallen kan er gevaren worden op de nog in werking zijnde generatoren.

Uitwisselbare motoronderdelen

Wanneer er dezelfde / gelijke dieselgeneratoren zijn geïnstalleerd kunnen onderdelen uitgewisseld worden en hoeven er minder reserveonderdelen op voorraad te zijn. Het onderscheid tussen grote / zware  ‘hoofdmotor(en)’ en lichte / kleine ‘hulpmotoren’ is vervallen.

Functioneel bij zee- en havenbedrijf

Bij een conventionele voortstuwingsinstallatie wordt er gewoonlijk gebruik gemaakt van één of twee hoofdmotoren voor de voortstuwing, met daarnaast twee of drie hulpmotoren voor de opwekking van elektriciteit en de aandrijving van het hulpbedrijf zoals pompen, compressoren en dekwerktuigen. De hoofdmotoren zijn alleen varende in bedrijf. Bij een diesel elektrische voortstuwing wordt er gekozen voor een aantal gelijke dieselgeneratoren die zowel de voortstuwing verzorgen en de voeding van het boordnet / het hulpbedrijf. Het ‘havenbedrijf’ komt vrijwel overeen met het ‘zeebedrijf’.

Nadelen Diesel Elektrische Voortstuwing

Complexe componenten

Een Diesel Elektrische Voortstuwing is complex wat betreft de elektrische schakelingen en de vermogensregeling van het voortstuwingsvermogen. Normaliter is aan een dieselmotor zowel een boordnetgenerator als een voortstuwingsgenerator verbonden. Wisselingen in het ‘voortstuwingsvermogen’ hebben effect op het toerental en daarmee de frequentie van het boordnet. Om een zo stabiel mogelijk boordnet (waarop ook de navigatie-apparatuur is aangesloten) te realiseren is een complexe toerenregeling noodzakelijk. Ditzelfde geldt op het synchroon laten werken van de boordnet- en voortstuwingsgeneratoren.

Lager rendement

Ieder component van een Diesel Elektrische Voortstuwing heeft een eigen rendement ofwel iedere energieomzetting gaat gepaard met mechanische -, thermische-, wrijvings- en elektrische verliezen. Zo hebben de dieselmotoren, de generatoren en de elektromotor(en) ieder een eigen rendement, waarbij de genoemde mechanische-, thermische-, wrijvings- en elektrische verliezen meetellen in het uiteindelijke schroefrendement.

Onderhoudsgevoelig

Een Diesel Elektrische Voortstuwing vraagt extra aandacht voor wat betreft onderhoud. Denk daarbij aan koolborstels en sleepcontacten in de generatoren en elektromotoren, en V-snaren wanneer er aangebouwde bekrachtigingsgeneratoren worden toegepast. Ook is het systeem gevoelig voor elektrolytische corrosie door de toepassing van verschillende geleidende metalen in combinatie met (zee)water.

Meerdere machinekamers

Alhoewel per definitie dieselgeneratoren kleiner van omvang zijn en per definitie draaien met een hoger toerental zijn er meerdere sets nodig om hetzelfde vermogen van één zwaardere / grotere en langzaam draaiende dieselmotor te verkrijgen. Een grotere scheepsschroef is bij lagere toerentallen rendabeler dan een kleine scheepsschroef met hoog toerental. Voor de aandrijving van een elektromotor met een rendabel laag toerental is een aparte machinekamer nodig (hierbij niet uitgaande van POD’s).

HOOFDSTUK 13

FORMULEBLAD

Gemiddelde Zuigersnelheid

Vgem = 2 * s * n

Vgem = Gemiddelde zuigersnelheid in m / sec
s = slag van de zuiger in m
n = toerental in omwentelingen / sec

——————————————————

Geïndiceerd vermogen vierslagmotor

Pi = pi * π/4 d² * s * z * n * 0,5

Geïndiceerd vermogen tweeslagmotor

Pi = pi * π/4 d² * s * z * n * 1

Pi = Geïndiceerd vermogen in W
pi = gemiddelde geïndiceerde druk in Newton / m²
π/4 d² = oppervlakte zuiger in m²
d = zuigerdiameter in m
s = zuigerslag in m
z = aantal cilinders
n = toerental in omwentelingen / sec
0,5 = factor voor Vierslagmotor
1 = factor voor Tweeslagmotor

———————————————————-
Motorconstante Vierslagmotor

Mc = π/4 d² * s * z 0,5

Motorconstante Tweeslagmotor

Mc = π/4 d² * s * z

————————————————————————————

Slagvolume

Vs = π/4 d² * s

Vs = volume in m³
π/4 d² = oppervlakte zuiger in m²
d = zuigerdiameter in m
s = zuigerslag in m

——————————————————————————-

Specifiek brandstofgebruik

be = B / Pe

be = 1 / (ηt * Ho)

be = Specifiek brandstofgebruik in kg / kWh
B = brandstofverbruik in kg/sec
Pe = effectief vermogen in kW
ηt = totale rendement (%)
Ho = stookwaarde van de brandstof kJ/kg

Rendementen

ηm =  mechanisch rendement
ηi = geïndiceerd thermisch rendement
ηt = totaal rendement
be = specifiek brandstofverbruik

————————————————————————————

MACHINEKAMERINDRUK

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
Mirfak DAF havengenerator en verwarmingsketel foto: C. Bijl
Mirfak machinekamerwerkplaats. Tegen het schot opmeet achtergrond de regenwalsen voor de Hoofd Elektro Motor (de voortstuwing) en de Boegschroef Motor (de dwarsstuwing) foto: C. Bijl

Deze pagina is in ontwikkeling
en wordt gaandeweg uitgebreid

Klik op afbeelding en van naar Vetus M2.05 bootmotor

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.