brodski motori i
DESCRIPTION
Osnove termodinamike s primjenom na brodske motoreTRANSCRIPT
Sveučilište u DubrovnikuPomorski odjel
Prof. dr. sc. Luko Milić
Brodski dizelski motori I
(III izdanje)
Dubrovnik, 2002.
Sadržaj
Pred govor. .... . .. ... . .. . .. . . .. . .................................................... ................ . .. .... . ....Kazalo slika, dijagrama i tablica.......................................................................................Oznake i kratice...............................................................................................................1. Općenito o brodskim dizelskim motorima....................................................................2
1.1. Pregled povijesnog razvoja motora s unutarnjim izgaranjem.............................31.2. Poredbeni prikaz brodskih dizelskih motora s drugim brodskim
porivnim strojevima...........................................................................................41.3. Podjela brodskih porivnih dizelskih motora..............................................6 '
1.4. Načelo rada dizelskih motora..............................................................................71.5. Poredbeni prikaz dvotaktnih i četverotaktnih dizelskih motora...........................9
2. Procesi u motori ma i snaga motora.................................................................152.1. Teorijski kružni procesi...........................................................................16
2.1.1. Lenoirov proces.............................................................................162.1.2. Cornotov proces...........................................................................182.1.3. Joullov proces...............................................................................182.1.4. Ottov proces............................................................................................202.1 .5. O ieselov proces..........................................................................222.1.6. Sabathe - proces.............,....................................................23 '
2.1.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova kružnog procesa............... 252.1.8. Kružni procesi motora s nabijanjem..............................................272.2.1. Snaga motora i prosječni tlak........................................................31
2.2.1.1. Određivanje snage prema prosječnom tlaku ..................312.2.2. Određivanje snage s pomoću topline goriva.............................................................................................. 32
2.2.2.1. Snaga Otto-motora..........................................................322.2.2.2. Snaga dizelskih motora....................................................33
2.2.3. Utjecaj pojedinih činitelja na snagu motora ........................................... 34 2.2.3.1. promjer cilindra........................................................................................34
2.2.3.2. Stapaj....................................................................................................342.2.3.3. Prosječni tlak........................................................................................352.2.3.4. Brzina okretaja......................................................................................35
2.2. 3 . 5. B ro j ci I i n dara.. . .. .. . .. .. .. . .. . .. . .. .. . .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... 36 2.2.3.6. Koeficijent punjenja................................'.........................36
2.2.3.7. Teorijski potrebna količina zraka......................................382.2.3.8. Pretičak zraka............................................................................39
2.3. Stvarni procesi u dizelskim motori ma...................................................402.3.1. Indikatorski dijagrami četverotaktnog dizelskog motora (4TDM) 41
2.3.2. Indikatorski dijagram dvotaktnog dizelskog motora (2TDM)..........422.3.3. ProsječflJ indicirani tlak.................................................................432.3.4. I ndicirana snaga motora...............................................................442.3.5. I ndicirani stupanj iskoristivosti......................................................462.3.6. Efektivna snaga dizelskih motora..................................................48
2
2.3.7. Mehanički stupanj iskoristivosti......................................................,........502.3.8. Prosječni efektivni tlak..................................................................502.3.9. Efektivni stupanj iskoristivosti.......................................................51
2.4. Procesi izmjene radnog medija u cilindru motora..................................532.4.1. Faze izmjene plinova u četverotaktnim dizelskim motorima.........542.4.2. Određivanje faza izmjene plina.....................................................58
2.4.3. Izmjena radnog medija u dvotaktnom dizelskom motoru (2TDM) 59 2.4.3.1. Sustavi ispiranja dvotaktnih motora................................................63
2.5. Proces kompresije u dizelskim motori ma.............................................692.5.1. Razmjena topline za vrijeme kompresije....................................692.5.2. Eksponent politropne kompresije.......................,......................692.5.3. parametri stlačnog zraka na svršetku kompresije. . .,............702.5.4. Stupanj kompresije.....................................................................70
2.6. Izgaranje goriva i toplinsko opterećenje dizelskih motora.....................712.6.1. Izgaranje u dizelskim motorima..................................................712.6.2. Rasprskavanje goriva.................................................................722.6.3. Komore izgaranja i stvaranje smjese.........................................732.6.4. Jednokonusno stvaranje smjese................................................732.6.5. Višekonusno stvaranje smjese...................................................752.6.6. Proces izgaranja u dizelskim motorima......................................77
2.6.6.1. Ćimbenici koji utječu na kašnjanje samozapaljenjagoriva..................................................................................78
2.6.7. Toplinska bilanca motora......................................................................812.6.8. Toplinsko opterećenje dizelskih motora...............................................83
3. Dinamika stapnog mehanizma.........................................................................883.1. Sile tlaka plinova na stap......................................................................883.2. Sile izazvane gibanjem masa jednocilindričnog motora........................90
3.2.1. Sile rotirajućih masa..................................................................913.2.2. Sila inercije oscilacijskih masa...................................................92
3.3. Djelovanje komponenata sila.....................................................................................,.........963.4. Izjednačivanje djelovanja masa............................................................993.5. Nejednolikost okretnog momenta..........................................................1013.6. Proračun zamašnjaka...........................................................................104
4. Dijelovi dizelskih motora...................................................................................1074.1. Nepokretni dijelovi.................................................................................108
4.1.1. Temeljna ploča...........................................................................1084.1.2. Osnovni ležajevi.........................................................................1104.1.3. Odrivni ležaj................................................................................1164.1.4. Kučište motora............................................................................1184.1.5. Cilindri motora............................................................................1224.1.6. Košuljice cilindara...............................................................................123
3
4.1.7. Poklopac cilindra............................................................................................1274.1.8. Sigurnosni ventil.............................................................,.............................. 131
4.2. Pokretni dijelovi......................................................................................1324.2.1. Stap i klip....................................................................................1324.2.2. Osovinice klipa............................................................................1344.2.3. Stapni ili klipni prstenovi..............................................................1354.2.4. Stapaica...........................................................................................................1374.2.5. Križna glava................................................................................138
4.2.6. O j n i ce. .. . . . .. . . .. . . .. . . . .. . . . . . . .. .. . .. . . . .. . . . . . .. .. . . .. . . . ... ... 1 39 4.2.7. Koljenasto vratilo (osovina)............................................................................143
4.2.8. Razvodni mehanizam............................................................................145
5. Sustavi motora ..................................................................................1515.1. Sustav goriva...........................................................................151
5.1.1. Sisaljke......................................................................1525.1.2. Raspored cjevovoda..................................................1525.1.3. Uređaji za zagrijavanje goriva u tankovima.......:......1535.1.4. Uređaji za ispuštanje vode iz tankova goriva............1535.1.5. Uređaji za prikupljanje iscurenog goriva....................1535.1.6. Punjenje tankova gorivom.........................................1545.1.7. Tankovi za gorivo......................................................1545.1.8. Dovod goriva motoru s unutrašnjim izgaranjem........1555.1.9. Uređaji goriva.............,..............................................1555.1.10. Zajednički sustav goriva glavnog i pomoćnih motora1575.1.11. Visokotlačne sisaljke...............................................1595.1.11.1. Sisaljke s promjenjljivim hodom stapa..................1605.1.11.2. Sisaljke sa zakretanjem stapa..............................1605.1.11.3. Sisaljke s preljevnim ventilom..............................164
5.2. Sustav hlađenja...............................................................................1745.2.1. Protočni sustav hlađenja.......................................................1745.2.2. Kružno hlađenje.....................................................................176
5.2.2.1. Sustav hlađenja glavnih motora................................1785.2.2.2. Hlađenje cilindara slatkom vodom............................1785.2.2.3. Sustav hlađenja stapova slatkom vodom..................1805.2.2.4. Sustav morske vode...;.............................................1815.2.2.5. Sustav hlađenja cilindara u MAN-B&W motora ......182
5.3. Sustavi podmazivanja......................................................................1835.3.1. Klasifikacija sustava podmazivanja.......................................1845.3.2. Shema sustava podmazivanja...............................................185
5.3.2.1. Podmazivanje cilindara.............................................1885.3.2.2. Sustav podmazivanja cilindara od skladišnog
tanka do lubrifikatora.....................................................1885.3.2.3. Princip rada sisaljki za podmazivanje cilindara .........190
5.3.3. Elementi sustava podmazivanja............................................193
5.4. Sustav upućivanja..................................................................1975.4.1. Općenito o sustavu upućivanja....................................1975.4.2. Kompresori..................................................................1985.4.3. Boce zraka za upućivanje............................................1995.4.4. Glavni uputni ventil......................................................200
4
5.4.5. Uputni ventili................................................................2015.4.6. Razvodnici zraka.........................................................203
5.5. Manevriranje motornim brodovima........................................2055.5.1. Uređaji za prekretanje motora.............................................2055.5.2. Prerketanje Sulzerova motora.............................................2075.5.3. Prekterne spojke.................................................................209
6. Regulatori........................................................................................2116. O. ....................................................................................................212 6.1. Stupanj neosjetljivosti i stupanj neravnomjernosti regulatora 214
6.2. Regulatori neizravnog djelovanja bez povratne veze.............2176.3. Regulatori neizravnog djelovanja s povratnom vezom...........2196.4. Granično-sverežimski regulatori MAN-ova motora.................2206.5. Woodward-regulatori..............................................................2226.6. Elektronski regulatori..............................................................229
6.6.1. Elektrohidraulički aktuator dovoda goriva........................231
7. Goriva.............................................................................................2337.1. Goriva za dizelske motore......................................................234
7.2. Obilježja goriva ..................................................................... 234 7.2.1. Toplina izgaranja ili ogrijevna moć goriva....................2347.2.2. Gustoća goriva.............................................................2357.2.3. Viskoznost....................................................................2357.2.4. Temperatura paljenja...................................................2377.2.5. Temperatura gorenja...................................................2387.2.6. Točka samozapaljivanja...............................................2387.2.7. Krutište.........................................................................2387.2.8. Sadržaj smolastih tvari.................................................2397.2.9. Koks.............................................................................2397.2.10. Kiselost......................................................................2397.2.11. Pepeo.........................................................................2407.2.12. Sadržaj sumpora u gorivu..........................................2417.2.13. Voda u gorivu.............................................................2427.2.14. Mehaničke primjese u gorivu.....................................2427.2.15. Ocjena kvalitete goriva prema samozapaljivosti........242
7.3. Klasifikacija goriva.................................................................2437.4. Smještaj novih goriva.............................................................2457.5. Ulja za brodske dizelske motore............................................249
7.5.1. Odlike ulja i sastav.......................................................2497.5.2. Produkcija i oplemenjivanje ulja...................................250
7.5.3. Eksploatacijske odlike ulja i naznake u svezi eksploatacije.. ...251 7.5.3.1. Viskoznost ulja.................................................251
7.5.3.2. Kiselost ulja.....................................................2517.5.3.3. Temperatura zapaljenja...................................252
7.5.3.4. Neutralizacijske odlike ...........................................................252 7.5.3.5. Mehaničke primjese...............................................................252
7.5.3.6. Voda u ulju.......................................................2537.5.3.7. Aditivi...............................................................253
5
7.6. Kontrola kvalitete ulja............................................................2557.3.5. Separiranje goriva i ulja...............................................261
7.3.5.1. Cjevasti separatori..........................................2617 .7. Zdjelasti separatori...............................................................262
7.7.3. Ćistilac (purifikator) .....................................................264 7.3.1. Bistrilac (klorifikator) ....................................................267
7.7.4. Decenter separatori.....................................................2677.8. Osnovne naznake automatskog rada separatora268 .
8. Eksploatacijske odlike i režimi rada brodskih dizelskih motora..........2718.1. Opći pojmovi o odlikama i režimima rada brodskih
dizelskih motora......................................................................2728.2. Odlike brodskog vijka.............................................................2768.3. Dijagrami opterećenja............................................................2838.4. Univerzaine odlike..................................................................2858.5. Regulacijske odlike.................................................................2868.6. Odlike režima upućivanja motora...........................................2868.7. Promjena opterećenja motora pri ubrzanju broda..................287
Prilog 1. Mjerne jedinice ........................................................................ 290-304Oznake i kratice .....................................................................................312-322
Literatura
1
1.
Općenito o brodskim motorima
_____________________________________________________________________
1.1. Pregled povijesnog razvoja motora s unutarnjim izgaranjem
1.2. Usporedbeni prikaz brodskih dizelskih motora s drugim brodskim porivnim
strojevima
1.3. Podjela brodskih porivnih dizelskih motora
1.4. Načelo rada dizelskih motora
1.5. Usproredbeni prikaz dvotaktnih i četverotaktnih dizelskih motora
_____________________________________________________________________
1. Općenito o brodskim motorima
Brodski dizelski motori su toplinski strojevi koji kemijsku energiju goriva pretvaraju u toplinu, a u procesu ekspanzije, toplinu pretvaraju u mehanički rad.
Uvjeti uporabe energije na brodovima određeni su nizom posebnosti koje se razlikuju od onih pri stacionarnim uređajima, npr:
prilagođenost radu pri brzim promjenama režima rada i postojanje uređaja prekreta, odnosno uređaja za promjenu smjera plovidbe;
2
ograničenost masa i gabarita uređaja;
prilagođenost trajnom pouzdanom radu u uvjetima autonomne plovidbe broda, daleko od mjesta opskrbe djelovima i obavljanja remonta;
prilagođenost radu u uvjetima ljuljanja, naginjanja i poniranja broda.
Osim navedenih posebnosti, brodski porivni sustavi moraju, također, odgovarati zahtjevima karakterističnim za bilo koji suvremeni tehnički kompleks. Tako, tehničko-ekonomska učinkovitost brodskog dizelskog porivnog sustava (BDPS) mora odgovarati razini razvoja suvremene tehnike, što se u osnovi određuje njegovim ekonomskim (efektivnim) stupnjem iskoristivosti. Neprestana nastojanja za povećanjem stupnja iskoristivosti uvjetovanja su znatnim energetskim gubicima pri pretvorbi i prijenosu energije.
Važni eksploatacijski zahtjev je sigurnost BDPS pod kojim se podrazumijeva pouzdanost rada porivnog dizelskog motora o kojoj ovisi sigurnost broda u cjelini. Svakako, u važne odlike BDPS ubraja se povećana otpornost, tj. zadržavanje radne sposobnosti pri nenormalnim uvjetima požara, djelomičnom naplavljivanju strojarnice, sudaru, vibracijama zbog poniranja, posrtanja itd.
Danas se pridaje velika pozornost zadovoljavanju ergonomskih i ekoloških zahtjeva.
Ergonomski zahtjevi podrazumijevaju stvaranje optimalnih uvjeta za učinkovito upravljanje BDPS-om i za njegovo opsluživanje uz istodobno ispunjavanje postavljenih higijenskih i tehničkih normi za bezopasno posluživanje strojeva od osoblja.
Ekološki zahtjevi podrazumijevaju zaštitu okoliša u prvom redu ostvarivanjem učinkovitih mjera spriječavanja zagađivanja mora produktima nafte u suglasnosti s međunarodnom konvencijom (SOLAS). Također, potrebno je voditi računa o zagađivanju zraka produktima izgaranja (NOx, SOx, COx, HC), snižavanju buke pri radu strojeva, itd.
Prema namjeni brodski dizelski motori dijele se na glavne porivne i pomoćne. Namjena brodskih motora postavlja odgovarajuće zahtjeve koje oni moraju ispunjavati. Glavni brodski motori, osim više drugih, moraju ispunjavati i ove zahtjeve:
moraju raditi sigurno u vrlo širokom intervalu od maksimalnog broja okretaja, koji je obično 110% nazivnog, do minimalnoga, koji je 30% nazivnog;
moraju se lako i sigurno upućivati u toplom i hladnom stanju;
moraju imati sposobnost lakog i sigurnog prekretanja u manevriranju.
Pomoćni brodski motori trebaju udovoljavati zahtjevima uređaja koje pogone. S obzirom na to da brodski pomoćni motori obično pogone generator koji daje struju konstantnog napona i frekvencije, oni moraju raditi s vrlo malim promjenama broja okretaja bez obzira na promjenu opterećenja.
Brodski dizelski motori izrađuju se kao dvotaktni (2T) i četverotaktni (4T).
Dvotaktni dizelski motori rabe se za glavne, porivne strojeve, a četverotaktni služe za glavne porivne i pomoćne strojeve.
Najpoznatije tvrtke koje se bave proizvodnjom brodskih dizelskih motora su SULZER, MAN, FIAT, DOXFORD, BURMEISTER & WAIN, MAN B&W,WARTSILA NSD, MITSUBISHI, GTAVERKEN i S.E.M.T. PIELSTICU s 4T motorima.
Te tvrtke konstruirale su motore kojih je svaki novi tip rezultirao s određenim poboljšanjima u konstrukciji, sigurnosti rada, ekonomičnosti pogona, pogodnostima u rukovanju i održavanju, a istodobno oni zadržavaju svoje karakteristične odlike.
2T MAN motori bili su prepoznatljivi s povratnim ispiranjam cilindara, SULZER s poprečnim ispiranjem, GÖTAVERKEN s istosmjernim ispiranjem i ispušnim ventilom, a DOXFORD motori s dva protuhodna stapa u jednom cilindru itd.
Kod današnjih konstrukcija 2T brodskih dizelskih motora jedno od bitnih obilježja je dugi hod stapa prema promjeru cilindra, što je u velikoj mjeri utjecalo na odstupanje od tradicionalnih karakteristika u nekim tvrtkama. Ova novina je rezultirala poboljšanjem stupnja iskoristivosti kao zbog povečanog stupnja kompresije, odnosno, radi smanjenja toplinskih gubitaka.
Novi tip 2T dizelskih motora MAN-B&W je motor s istosmjernim ispiranjem i ispušnim ventilom te odnosom hoda stapa i promjera cilindra do oko 3,7, što je znatno više nego u prethodnih tipova MAN i B&W motora. Slično je postupila i tvrtka SULZER, koja je, također, prešla na istosmjerno propuhivanje s ispušnim ventilom, velikim odnosom hoda stapa prema promjeru cilindra i malim brojem okretaja.
3
1.1. Pregled povijesnog razvoja motora s unutarnjim izgaranjem
Pokušaja konstrukcije motora s unutarnjim izgaranjem bilo je još u 17. stoljeću. Prvi se spominje Hautefeuill, koji je 1678. godine predložio atmosferski stroj, a 1687. godine Huyghens pokušavao je izgaranjem baruta pogoniti klip uvis kako bi on svojim padom izvršio korisni rad.
Tek 1860. godine francuski mehaničar Lenoir patentirao je svoj plinski motor. To je bio dvoradni dvotaktni motor koji je radio bez kompresije, a 1861. godine francuski inženjer Beau de Roche opisao je način rada četverotaktnog motora, koji odgovara današnjem motoru.
Nikolaus Otto je konstruirao i izveo prvi benzinski motor 1876. godine. Inž. Rudolf Diesel patentirao je 1893. godine motor s kompresijom čistog zraka i uštrcavanjem goriva u stlačeni zrak.
Nakon desetak godina Dieselov motor dobiva praktičnu primjenu. Da bi postigao Carnotov proces, Diesel se koristi plinovitim, tekućim ili krutim gorivom. Prvi dizelski motori trebali su raditi na benzin, ali je Diesel rabio petrolej kao najprihvatljivije gorivo. Kasnije je gorivo bila sirova nafta i teško dizelsko gorivo, a danas neki dizelski motori rade na plin, koji ima dovoljno visoku kaloričnu vrijednost. Dieselovu namjeru da se koristi ugljenom prašinom kao gorivom za svoje motore ostvario je njegov kolega Pawlikowski između dva svjetska rata. Velika količina pepela spriječila je primjenu krutog goriva za dizelske motore.
U 1897. godini izgrađen je prvi uspješni eksperimentalni dizelski motor u tvornici Maschinenfabrik - Augsburg, čime je postavljena osnova suvremenim dizelskim motorima.
Prvi pokušaj ostvarenja dvotaktnog motora s prednabijanjem pripada engleskom inženjeru Daugaldu Klerku 1878. godine, a realizacija prvoga dvotaktnog motora hanoverskoj tvornici Witting et Hees 1880. godine.
Švicarska firma Sulzer izradila je prvi dvotaktni prekretni motor 1905. godine, a već 1912. sagrađen je prvi prekooceanski brod Selendia pogonjen s dva dizelska motora.
Nakon pet godina rada na razvoju, izrađen je 1917. motor sa 6 cilindara, koji je uspješno podvrgnut pokusnom radu pet dana bez prekida. Za vrijeme pokusnog rada postignuta je maksimalna snaga od 9.120 kW, kojom je radio 12 sati.
Sl. 1.1. Prvi Sulzerov motor iz 1897. godine
Tvrtka MAN je 1926. počela ugrađivati dvotaktne dvoradne motore u brodove trgovačke mornarice.
R. Diesel je namjeravao postići tlak kompresije od 120 bara, ali poradi nerazvijene tehnologije postigao je samo 30 bara, a tek 1950. godine to je ostvarila tvrtka MAN.
1.2. Usporedbeni prikaz brodskih dizelskih motora s drugim brodskim porivnim strojevima
U pravilu, brodski porivni strojevi su dizelski motori i parne turbine. U prošlosti, dosta dugo rabili su se parni stapni strojevi, a također se za neke posebne potrebe rabe plinske turbine kao i atomski pogon.
4
Zahtjevi za pojedine elemente atomskog postrojenja mnogo su veći nego na ostalim strojevima. Posebni problemi se pojavljuju pri uporabi raznih materijala, koji su pored mehaničkih i termičkih opterećenja izloženi i dodatnom značenju. Uređaj za regulaciju tih postrojenja moraju posjedovati veću točnost i brzinu djelovanja nego što se traži za ostala brodostrojarska postrojenja. Pogonska sigurnost tih instalacija je na prvom mjestu, djelovi reaktora su zaštićeni tako da je isključeno istjecanje radioaktivne tvari, kako pri izbijanju požara, sudaru ili čak pri potonoću broda. Također, mora se osigurati automatski prestanak rada reaktora, kako pri ispadanju električne centrale tako i pri potonuću broda.
Atomski pogon pokazao se sigurnim npr. na podmornicama "Nautilus" i "Skate", a ugrađen je na više od sto brodova ratnih mornarica.
Što se tiče ekonomičnosti, nuklearni pogon trgovačkih brodova za sada ne može konkurirati ostalim vrstama pogona jer su skuplji, a na to se nadovezuju problemi osiguranja kao i pravni problemi.
Poriv broda plinskim turbinama je s ekonomskim stupnjem iskoristivosti od 30 do 32%, što znači da je znatno manji od stupnja iskoristivosti dizelskih motora. Ekonomski stupanj iskoristivosti plinskih turbina približava se stupnju iskoristivosti dizelskih motora pri temperaturama plina na ulazu u turbinu od 1300°C i više. Međutim, materijali koji se rabe za izradu plinskih turbina ne osiguravaju trajan i pouzdan rad na tim temepraturama.
Stupanj iskoristivost plinskih turbina pri dopuštenim vrijednostima temperatura plina na ulazu u turbinu od 800 do 850°C može se poboljšati ugradnjom dodatne parne utilizacijske turbine. Budući da i u tim slučajevima efektivni stupanj iskoristivosti ne prelazi 36%, a pored toga ozbiljan nedostatak je i u tome što troše skupo deficitarno lako gorivo kao i potreba uporabe dvostupnjevih reduktora, brodske porivne plinske turbine još nisu značajna konkurencija dizelski motori. Njihova prednost je u ekološkim kriterijima.
Pri uporabi parnih turbina s visokim vrijednostima parametara pare, pri kojim pogon brodskih parnih kotlova nije dovoljno pouzdan, ekonomski stupanj iskoristivosti ne prelazi 35 do 37%. Snižavanjem vrijednosti parametara pare na razinu koja omogućava dovoljnu pouzdanost parnih kotlova, snižava se stupanj iskoristivosti na 25%. Reduktori su, također, uređaji koji se redovito rabe kako bi se omogućilo rad turbine u području najpovoljnijeg stupnja djelovanja, a u isto vrijeme i rad brodskog vijka s brzinama okretaja pri kojim postiže maksimalni učin.
U početku dvadesetih godina ovog stoljeća 95% novih brodova pogonjeno je s parnim stapnim pogonom, a samo 5% dizelskim, 1969. godine parno turbinski pogon imali su brodovi s 13,1 milijuna tona nosivosti, a 16,5 milijuna tona nosivosti imali su brodovi s dizelskim pogonom. Između 1970. i 1976. godine gradilo se oko 35% brodova s parno-turbinskim porivom da bi se u 1986. godini snizio na svega par postotaka. Navedeni podaci odnose se na brodove od 2000 i više tona nosivosti.
Diesel motorni poriv danas je široko u uporabi poradi niza prednosti. Ovdje se navode samo neke:
ekonomski stupanj iskoristivosti je veći od 50%;
potrošak goriva je za 30 do 50% manji od onog pri parnim turbinama;
brzina okretaja nekih sporookretnih DM je 55 do 90 min-1
što je pogodno za postizanje visokog stupnja iskoristivosti porivnog sustava;
jednostavnost brodskih DM osigurava laku prilagodljivost automatizaciji;
široki raspon snaga po cilindru omogućava sastavljanje brodskih DM za pogon brodova od najmanjih do najviših nosivosti;
minimalno vrijeme potrebno za pripremu DM za pogon s relativno brzim postizanjem nazivne snage;
brodski DM mogu raditi s tekućim gorivima razne kvaliteta kao i s plinovitim.
1.3. Podjela brodskih porivnih dizelskih motora
Brodski porivni dizelski motori (BPDM) mogu se podijeliti po raznim osnovama.
5
1. Prema realizaciji radnog procesa na:
a) četverotakne motore, u kojima se radni proces događa u četiri takta, odnosno u dva okretaja koljenaste osovine;
b) dvotaktne motore u kojima se radni proces događa u dva takta, odnosno za jedan okretaj koljenaste osovine.
2. Prema punjenju radnog cilindra na:
a) motore bez nabijanja u kojima se zrak prije usisa u cilindar komprimira puhalom na viši tlak od atmosferskog;
b) motore s prednabijanjem u kojima je zrak na početku kompresije pod višim tlakom od atmosferskog.
3. Prema konstrukciji na:
a) motore bez križne glave, u kojima je klip opterećen okomitim silama na površinu klizanja;
b) motore s križnim glavom, u kojima okomita komponenta sile djeluje izvan cilindra na kliznu stazu;
c) motore s vertikalnim, horizontalnim i koso položenim cilindrima;
d) motore s protuhodnim stapovima (klipovima) u kojim se radni proces događa između dva stapa.
4. Prema brzini okretaja koljenaste osovine na:
a) sporookretne motore s brzinom vrtnje do 250 okretaja u minuti;
b) srednjookretne motore s brzinom vrtnje od 250 do 750 okretaja u minuti;
c) brzookretne motore s brzinom vrtnje od 750 do 1500 okretaja u minuti;
5. Prema tipu glavnih strojeva na:
a) jednotipni, samo DM;
b) kombinirani, DM i plinska turbina.
6. Prema broju osovinskih vodova na:
a) jednoosovinske, najčešće su u uporabi;
b) višeosovinske, u uporabi su češće dvoosovinski a rijetko troosovinski.
7. Prema broju glavnih motora, koji rade na jednu osovinu na:
a) jednomotorne;
b) višemotorne, od kojih je najčešće u uporabi s dva stroja, a rjeđe sa tri ili četiri.
8. Prema načinu ostvarivanja promjene smjera vožnje broda na:
a) prekretne DM;
b) neprekretne DM s reduktorom i/ili prekretnom spojkom;
c) neprekretne DM s uređajem za zakretanje krila brodskog vijka.
9. Prema stupnju automatizacije i načinu upravljanja na:
a) DM s lokalnim mjestom upravljanja i stalnom službom u strojarnici;
b) s automatskim daljinskim upravljanjem i stalnom službom na središnjem mjestu upravljanja;
c) s automatskim daljinskim upravljanjem.
10. Prema načinu proizvodnje električne energije na brodu:
a) s autonomnim dizelskim generatorom;
b) s osovinskim generatorima i autonomnim dizelskim generatorom;
c) s utilizacijskim turbogeneratorima i autonomnim dizelskim generatorima;
d) s jednim elektroenergetskim sustavom. Uređaj s jednim elektroenergetskim sustavom rabi glavni energetski uređaj za poriv broda kao i za opskrbljivanje električnom energijom svih potrošača. U uporabi je na brodovima s elektro-porivom.
Bez obzira na tip motora, način prijenosa snage i tip propulzora imaju značajan utjecaj na iskoristivost energije. Zbog toga, navode se načini prijenosa snage na brodski vijak i tipovi propulzora.
1. Prijenos snage s motora na brodski vijak može biti:
a) neposredno predavanje snage na brodski vijak;
6
b) predavanje snage reduktorom, koji reducira brzinu vrtnje vratila motora na brzinu vrtnje brodskog vijka;
c) prijenos reduktorom i prekretnom spojkom, koja omogućava promjenu smijera vrtnje vratila brodskog vijka u odnosu na smijer vrtnje vratila motora;
d) hidraulički prijenos i to s hidrauličkim spojnicama i hidrauličkim transformatorom, s hidrauličkim sisaljkama pogonjenim DM i hidromotorom koji radi na brodskom vijku, te hidrauličkim sisaljkama pogonjenim DM i mlaznim propulzorom;
e) električni prijenos (dizelsko-električni uređaj) glavnim dizelskim generatorima i osovinskim elektromotorom;
2. Tipovi propulzora mogu biti:
a) brodski vijak s fiksnim krilima;
b) brodski vijak s prekretnim krilima;
c) koaksijalnim kontrarotirajućim vijcima;
d) kola s lopaticama;
e) mlazni propulzori.
1.4. Načelo rada dizelskih motora
Dizelski motori su strojevi koji pretvaraju toplinsku energiju, dobivenu izgaranjem goriva, u mehanički rad. Proces se ponavlja ciklički, a odvija se u cilindru motora poradi čega se nazivaju motori s unutarnjim izgaranjem. Izgaranje se događa pri uštrcavanju goriva u komprimirani i zagrijani zrak, dolazi do samozapaljenja goriva za vrijeme miješanja sa zrakom. Uslijed naglog izgaranja goriva naglo se povećava tlak i temperatura plinova koji djeluju na klip ili stap silom koja se prenosi preko stapnog mehanizma na koljenasto vratilo, koje se kružno giba.
Brodski dizelski motori rade u dva ili četiri takta s prednabijanjem koje se danas uglavnog ostvaruje pomoću turbopuhala.
Sl. 1.2. Proces 2TDM
7
Radni proces dvotaktnih motora, slika 1.2., događa se u dva hoda stapa (klipa) ili dva takta na sljedeći način:
takt kompresije (ispiranje-nabijanje, kompresija, uštrcavanje goriva i paljenje);
radni takt (izgaranje, ekspanzija, ispuh i početak ispiranja).
Radni proces četverotaktnih motora, slika 1.3., događa se u četiri hoda klipa ili četiri takta kako slijedi:
Sl. 1.3. Proces 4TDM
usisavanje zraka (a);
kompresija, uštrcavanje goriva i paljenje (b);
izgaranje i ekspanzija (c);
ispuh plinova (d).
Stapovi (klipovi) dostižu krajnje položaje u gornjoj mrtvoj točki (GMT) i donjoj mrtvoj točki (DMT). Udaljenost između tih točaka je hod stapa (klipa), a obujam cilindra između DMT i GMT naziva se stapajni obujam. Odnos između obujma iznad stapa kad je stap u DMT i obujma iznad stapa kad je u GMT naziva se stupanj kompresije (e).
1.5. Usporedbeni prikaz dvotaktnih i četverotaktnih dizelskih motora
Za poriv broda rabe se dvotaktni i četverotaktni dizelski motori. Dvotaktni dizelski motori (2TDM) za poriv broda su sporookretni s križnom glavom (sl. 1.4.), a četverotaktni dizelski motori (4TDM) su srednjeokretni i brzookretni bez križne glave (sl. 1.5.) s reduktorom broja okretaja.
8
Sl. 1.4. Poprečni presjek 2TDM
Suvremeni 2TDM su dugohodni, u kojima se odnos hoda stapa i promjera cilindra nalazi u granicama do 3,82:1, visine do 15,0 m i širine do 4,936 m, mase 1.235 t (MAN-B&W S90 MC-T sa 7 cilindara).
a) b)Sl. 1.5. Srednjeokretni 4TDM: a) - s cilindrima u “V” rasporedu;
b) - s cilindrima u liniji
Za 4TDM odnos hoda stapa i promjera cilindra je u granicama od 1,05:1 do 1,85:1 sa znatno manjim visinama. Na slici 1.6. predočena su dva motora snage 13.000 kW. Budući se radni proces 4TDM događa u dva okretaja vratila, znači da pri jednakim drugim parametrima 2TDM su toplinski dvostruko opterećeni. Iz tablica 2.1. i 2.2. vidi se da su 4TDM srednjeokretni i brzookretni što omogućava dobivanje više snage s obzirom da je snaga proporcionalna broju okretaja.
Broj cilindara 2TDM je od 4 do 12, dok je kod 4TDM, u ovisnosti o rasporedu cilindara, 3 do 12 u liniji i 8 do 24 u V rasporedu.
9
Sl. 1.6. Shema usporedbe prema gabaritima 4TDM tvrtke MAN tip V52/55 snage 13.000 kW i 2TDM jednake snage
Promjeri cilindara 2TDM su u granicama od 100 do 900 mm, Fiat GMT proizvodio je motore s promjerom 1050 mm, hod stapa je od 127 do 3150 mm.
Snaga tih motora po cilindru je od 30 do 4560 kW, a ukupna snaga motora može iznositi 68000 kW.
Promjeri cilindara 4TDM nalaze se u granicama od 100 do 620 mm, a hod stapa od 105 do 1050 mm.
Snage 4TDM-a nalaze se u vrlo širokim granicama od 300 do 23.850 kW, a kombiniranjem dva ili tri motora mogu se dobiti potrebne snage za poriv najvećih brodova.
Brzine okretanja 2TDM nalaze se u granicama od 54 do 300 u min, a 4TDM-a od 180 do 3300 o/min.
Broj okretaja većine 4TDM-a je u granicama između 300 i 750 u min. Prosječne brzine gibanja stapa 2TDM su od 5,47 do 8,2 m/s, a prosječne brzine gibanja klipa 4TDM su od 5 do 12,74 m/s.
Punjenje cilindra 4TDM (sl. 1.3.) i ispuh ispušnih plinova obavlja se kroz ventile. Ventili se pogone brijegovima razvodne osovine preko podizača i klackalica. O obliku i položaja brijegova na razvodnoj osovini ovisi trenutak otvaranja i zatvaranja usisnih i ispušnih ventila.
Kod 2TDM (sl. 1.2.) punjenje zrakom radnog cilindra ostvaruje se kroz otvore na košuljici, koje otvara i zatvara stap. Ako se ispušni plinovi odvode kroz ventile, tada se oni otvaraju mehanizmom koji dobiva pogon od razvodne osovine.
Klipovi motora bez križne glave (4TDM, sl. 1.5.) spojeni su pomoću ojnice s koljenastim vratilom. U tom slučaju smanjuje se visina motora, produkti izgaranja koji prolaze između košuljice, stapa i stapnih prstenova ulaze u prostor u kojem se okreće koljenasto vratilo i u kojem se sakuplja ulje podmazivanja. Pored toga, košuljice cilindara motora bez križne glave dodatno su opterećene okomitim silama, koje povećavaju trenje i trošenje košuljica.
Brodski 2TDM su s križnom glavom u kojima je stap spojen s koljenastim vratilom preko stapaice, križne glave i ojnice. U tom slučaju prostor ispod stapa odvojen je pregradom od prostora kartera.
Porivni 2TDM obično se proizvode kao prekretni neposredno povezani preko osovinskog voda na brodski vijak (BV), a također se rabe za pogon prekretnih BV. Niski brojevi okretaja tih motora pogoduju postizanju dobre iskoristivosti BV.
Tablica 1.1. Pregled parametara 2TDM
TVRTKAMODEL
PRO-MJER mm
HOD STAPA
mm
BROJ CILINDARA U LINIJI /
V
SNAGA Kw/CILI-NDRU
BRZINA o/min
PRO-SJEČNI TLAK
bar
PRO-SJEČNABRZINA STAPA
m/s
SNAGA kW
10
MAN-B&WS 90MC-T
K 90MC-C
(optimiziran)
900
900
2500 5,6,7 4560 75 18.0 8.0 22800-31920
L 70MC 700 2268 4,5,6,7,8 2620 106 17.0 8.0 10480-20960
L 60MC 600 1944 4, ..., 8 1920 123 17.0 8.0 7680-15360
L 50MC 500 1620 4, ..., 8 1330 148 17.0 8.0 5320-10640
L 35MC 350 1050 4, ..., 12 650 210 18.4 7.35 2600-7800
MITSUBISHIUEC52LS
520 1850 4, ..., 8 717-1325 90-120 16.84 7.40 2870-10590
UEC60LS 600 2200 4, ..., 8 957-1765 75-100 17.03 7.33 3830-14120
UEC75LSII 750 2800 4, ..., 12 1595-2942 63-84 16.99 7.84 6380-35300
UEC85LSI 850 3150 5, ..., 12 1980-3862 54-76 17.06 7.98 9900-46340
SULZERRTA48
480 1400 4 do 9 1090 154 16.8 7.19 2400-9810
RTA62 620 2150 4 do 8 2220 113 18.2 8.10 4880-17760
RTA84 840 2900 4 do 10,12 3500 95 16.6 7.6 7720-42000
RTA84 840 2900 4 do 10,12 3730 81 17.2 7.83 8200-44760
RTA84T 840 3150 5 do 9 3880 74 18.0 7.8 10650-34920
Tablica 1.2. Pregled parametara 4TDM
TVRTKA
MODEL
PRO-MJER mm
HOD STAPA mm
BROJ CILINDARA U LINIJI / V
SNAGA Kw/CILI-NDRU
BRZINA o/min
PRO-SJEČNI
TLAK bar
PRO-SJEČNA BRZINA STAPA
m/s
SNAGA MOTORA kW
MAN-B&W
L23/30A-EKV
L/V40/45V52/55BL52/55BL58/64
225400520520580
330450550550640
66,7,8,9L;12,14,16,18
V10,12,14,16,18V
6,7,8,9L6,7,8,9L
133605775885
1390
800600450450428
16.821.417.720.223.0
8.09.08.28.29.1
8003630-108907750-139505310-7965
8340-12510
SULZER
S20
AT25
ZA40S
200
250
400
300
300
560
4,6,8, 9L5,6,8L;12,16V
6,8,9L;12,14,16,18V
160
220
720
1000
1000
510
20.4
17.9
24.1
10.00
10.00
9.52
460-1440
700-3520
3600-12960
NIIGATA
L25HX
MG25HX
L26HLX
MG26HLX
M26A(E,F,G)TE
250
250
260
260
260
350
350
350
350
460
6L
6L
6L
6L
6L
172-221
221
184-245
245
147
720-750
750
720-750
750
400
20.54
20.54
21.11
21.11
18.07
8.40-8.75
8.75
8.40-8.75
8.75
6.13
1029-1323
1323
1103-1471
1471
735-882
11
PIELSTICK
PA5-225
PA6-280CL
PC2.6B-400
PC30-425
PC4.2-570
PC4.2B-570
PC40-570
255
280
400
425
570
570
570
270
350
500
600
620
660
750
5,6,6L;12,16,18V
6,8,9L;12,16,18,20V
6,7,8,9L;10,12,14,16,18,20V
6,7,8,9L
6,7,8,9L;10,12,14,16,18V
10,12,14,16,18V
5,6,7,8,9,10V
210
295
630
736
1215
1325
1325
1000
750
530
450
429
429
375
19.2
21.9
22.6
23.1
21.5
22.0
22.2
9.0
8.75
8.83
9.0
8.85
9.4
9.4
1100-3960
1770-5880
3780-11340
4415-6625
7290-21870
13250-23850
6625-13250
HANSHIN
LH39LA
6LF50A
6LF58A
390
500
580
760
800
1050
6L
6L
6L
368
552
772
235
240
190
21.09
17.90
17.93
5.95
6.40
6.65
2207
3310
4634
Srednjeokretni i brzookretni 4TDM poradi velikog broja okretaja pogone brodski vijak preko reduktora broja okretaja, što stvara optimalne brzine okretanja vratila BV. Izrađuju se kao neprekretni s prekretnim spojkama i prekretni.
U stalnom nastojanju razvoja brodskih DM ide se u pravcu što veće iskoristivosti energije goriva, povećanja pouzdanosti motora, snižavanje buke i poboljšavanjem ekologije s obzirom na zagađenja koja uzrokuje rado motora.
Sniženje potroška goriva 2TDM postiže se povećanjem nabijanja, optimizacijom otvorenosti ispušnih ventila, povećanjem odnosa maksimalnog tlaka izgaranja prema prosječnom efektivnom tlaku, optimiziranjem sustava ispiranja. Pozitivni učinak, također, daje snižavanje brzine okretaja BV, povećanje temperature ispušnih plinova, uporabom osovinskog generatora.
Na slici 1.7. prikazan je utjecaj hoda stapa i odnosa pi/pe na smanjenje potroška goriva.
Sl. 1.7. Utjecaj odnosa hoda stapa i promjera cilindra (h/d) na specifični potrošak goriva
i utjecaj odnosa maksimalnog tlaka izgaranja i prosječnog efektivnog tlaka na specifični potrošak goriva (2TDM tvrtke MAN-B/W)
U Japanu se razrađuje projekt sporookretnih 2TDM u kojema je he = 60%. U osnovi tog rješenja je kompleksno upravljanje procesom izgaranja što u velikoj mjeri smanjuje problem gabarita ovih motora.
Specifični potrošak goriva sporookretnih motora smanjen je na 162 g/kWh. Uporabom utilizacije s turbokompaundnim sustavom također se postiže značajan ekonomski učinak (snizuje se be
na 156 k/kWh), a he dostiže 55%.
Izbor tipa brodskog porivnog 2TDM (sporookretnog) ili 4TDM (srednjeokretnog i brzookretnog) obavlja se ovisno o namjeni broda i uvjetima smještaja glavnog stroja u brodskoj strojarnici.
Iz naprijed navedenog, uporaba 4TDM sa srednjim brzinama okretanja racionalnija je na brodovima s ograničenim visinama strojarnice. Ukratko, može se reći da su osnovne prednosti 4TDM:
12
jeftiniji; - manja visina stroja; - šire mogućnosti osiguranja optimalne brzine okretanja BV s obzirom na obvezatnu uporabu reduktora broja okretaja.
2TDM imaju veći:
- ekonomski stupanj iskoristivosti,
- - rade samo s niskokvalitetnim gorivima,
- - pouzdaniji su u radu i jednostavniji u opsluživanju (manji broj cilindara pri jednakim snagama),
- -imaju dulje vrijeme do generalnog remonta.
13
2.
Procesi u motorima i snaga motora
_____________________________________________________________________
2.1. Teorijski kružni procesi
2.2. Snaga motora i prosječni tlak
2.3. Stvarni procesi u dizelskim motorima
2.4. Procesi izmjene radnog medija u cilindru motora
2.5. Proces kompresije u dizelskim motorima
2.6. Izgaranje goriva i toplinsko opterećenje dizelskih motora
_____________________________________________________________________
14
2.1. Teorijski kružni procesi
_____________________________________________________________________
2.1.1. Lenoirov proces
2.1.2. Carnotov proces
2.1.3. Joullov proces
2.1.4. Ottov proces
2.1.5. Dieselov proces
2.1.6. Sabathe proces
2.1.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova kružnog procesa
2.1.8. Kružni procesi motora s prednabijanjem
_____________________________________________________________________
2.1.1. Lenoirov proces
Francuski mehaničar Lenoir patentirao je 1860. godine stroj s unutarnjim izgaranjem kod kojega je u cilindar dovodio smjesu zraka i plina.
Stroj je bio dvoradni dvotaktni bez kompresije. Na polovici hoda stapa smjesa se palila tako da je teorijski proces izgaranja bio pri konstantnom obujmu uz nagli porast tlaka u cilindru (sl. 2.1.).
Sl. 2.1. Lenoirov proces u p-v dijagramu
Tlak u cilindru, za vrijeme punjenja (1-2) niži je od atmosferskoga, a promjena stanja odvija se prema izobari, tj. p1 = p2 = konst.
U središnjem položaju stapa gorivo se pali, dovedena toplina je q, pa izlazi:
q c T Tv1 3 2 (2.1.)
15
(2.2.)
V V2 3
(2.3.)
p,V i T - tlak, obujam i temperatura u odgovarajućim točkama
cv - toplinski kapacitet plina
m - masa plina
R - plinska konstanta
Poradi djelovanja plinova na stap tlakom p3, na stap djeluje sila:
F pd
3
2
4
Ta sila potiskuje stap prema donjoj mrtvoj točki (DMT). Ova sila se smanji za veličinu koja je rezultat djelovanja tlaka plinova s donje strane stapa.
Za vrijeme ovog procesa u cilindru se događa ekspanzija plinova prema politropskoj promjeni:
p V p Vn n3 3 4 4
U DMT obujam plinova V4 = V5 porastao je u odnosu na V3, a tlak p4 je niži od tlaka p3. Vrijednost tlaka p4 može se izračunati prema politropskoj promjeni stanja:
p pVV
n
4 33
4
ili
p pVV
n
4 32
5
(2.4.)
Za vrijeme ekspanzije 3-4 obavlja se rad:
(2.5.)
Termički stupanj iskoristivosti Lenoirova procesa računa se iz odnosa iskorištene i utrošene topline:
h
Q Q Q
Q
1 21
211
1
(2.6.)
Lenoirov stroj radio je s koeficijentom iskoristivosti h = 4,2 %.
2.1.2. Carnotov proces
Carnotov kružni proces sastoji se od dvije izoterme i dvije adijabate (sl. 2.2.).
16
Sl. 2.2. Carnotov kružni proces u p-v dijagramima
Radni medij ekspandira od 1 - 2 uz T1 = konst. pa je dovedena toplina:
q T S S1 1 2 1 (2.7.)
S - entropija
Ekspanzija se nastavlja po adijabati 2 - 3, zatim se plin komprimira po izotermi uz T2=konst. Za vrijeme izotermičke kompresije odvodi se toplina:
q T S S2 3 3 4 (2.8.)
Od 4 - 1 obavlja se adijabatska kompresija radnog medija uz dq = 0.
Rad tog kružnog procesa je:
(2.9.)
Termički stupanj Carnotova kružnog procesa ovisi o odnosu temperatura izoterma kod kojih se toplina Q1 dovodi (T1) i temperature kod koje se toplina Q2 odvodi (T3), pa je:
hcLQ
Q QQ
TT
1
1 2
1
3
1
1 (2.10.)
Carnotov termički stupanj djelovanja najpovoljniji je stupanj iskoristivosti u pretvorbi toplinska energije u rad.
2.1.3. Jouleov proces
Na slici 2.3. prikazan je u p-v i T-S dijagramu Jouleov kružni proces koji se događa između dvije izobare i dvije adijabate.
Sl. 2.3. Jouleov kružni proces
17
Kompresija u cilindru je adijabatska od 1 - 2. Prema jednadžbi za adijabatsku promjenu stanja može se odrediti tlak i temperatura na kraju kompresije:
p pV
V
k
2 11
2
(2.11.)
T TVV
k
2 11
2
1
(2.12.)
Od 2 - 3 dovodi se toplina q, po izobari (p2 = konst.), koju možemo napisati u slijedećem obliku:
q c T Tp1 3 2 (2.13.)
Od 3 - 4 odvija se adijabatska ekspanzija do početnog tlaka. Kao i kod adijabatske kompresije, može se dati veza između veličina stanja na početku i svršetku ekspanzije:
p p pVV4 1 2
3
4
(2.14.)
T TVV4 3
3
4
1
(2.15.)
Od 4 - 1 odvodi se toplina pri p1 = konst., pa je
q c T Tp2 4 1 (2.16.)
Termički stupanj iskoristivosti Juleova procesa može se izračunati kako slijedi:
h
LQ
Q QQ
c T T
c T Tp
p1
1 2
1
4 1
3 2
1
Ako se usvoje oznake u ovom procesu:
e VV
1
2- stupanj kompresije
VV
TT
3
2
3
2- koeficijent obujma kad se dovodi toplina
VV
4
3- koeficijent ekspanzije
Ako se upotrijebe dane zamjene i izrazi (2.11.) i (2.12.), dobiva se:
p p2 1 e (2.17.)
T T2 11 e (2.18.)
T T T3 2 11 e (2.19.)
Iz adijabatske ekspanzije 3 - 4 dobiva se odnos tlakova p3 i p4, koji su jednaki tlakovima p2 i p1:
p p K2 1 (2.20.)
Također se može napisati i odnos temperatura:
TT
43
1 (2.21.)
18
Ako se usporede izrazi za tlak p2, u izrazima (2.17.) i (2.20.), vidi se da je e = . Koristeći se tom jednakošću izraz (2.19.) izlazi:
(2.22.)
Uvrste li se izrazi (2.18.), (2.19.) i (2.22.) u izraz za termički stupanj iskoristivosti, dobiva se:
h e e e
1 111 1
11
11 1
T T
T T(2.23.)
Dakle, termički stupanj iskoristivosti procesa povećava se s porastom stupnja kompresije ili s povišenjem tlaka za vrijeme adijabatske kompresije.
Međutim, povećava li se stupanj kompresije, rast će i temperatura radnog medija, što jako utječe na skraćenje vijeka trajanja plinske turbine zbog smanjenja čvrstoće kovine od koje su izrađene lopatice plinske turbine.
2.1.4. Ottov-proces
Nikolaus Otto konstruirao je 1876. godine prvi motor s vanjskim pripremanjem gorive smjese, koji je radio prema teorijskom kružnom procesu, prema autoru nazvan Ottovim procesom.
Ottov teorijski proces sastoji se od dvije adijabate i dvije izohore, kako se vidi na slici 2.4.
Sl. 2.4. Ottov kružni proces
1 - 2 adijabatska je kompresija u kojoj se odnos između obujma i temperature može izraziti na ovaj način:
TT
VV
2
1
1
2
11
e (2.24.)
19
2 - 3 dovodi se toplina q1 pri izohoričnoj promjeni stanja:
q c T Tv1 3 2
3 - 4 adijabatska ekspanzija u kojoj je:
TT
VV
4
3
2
1
1
1
1
e(2.25.)
4 - 1 odvodi se toplina q2 pri izohori:
q c T Tv2 4 1
Termički stupanj iskoristivosti Ottova procesa izračunava se na ovakav način:
h
1
1
1
41
4
32
3
TTT
TTT
(2.26.)
Koristeći se izrazima (2.24.) i (2.25.) može se dokazati da je:
TT
TT
1
4
2
3
(2.27.)
TT
4
31
1 e (2.28.)
Ako se te vrijednosti uvrste u izraz (2.26.), dobiva se izraz za termički stupanj iskoristivosti Ottova procesa:
he
11
1 (2.29.)
Iz tog procesa vidi se da termički stupanj iskoristivosti Ottova procesa ovisi o stupnju kompresije i eksponentu adijabate, kao i kod Juleova procesa, a ne zavisi o dovedenoj toplini.
S obzirom na to da se kod Otto-motora komprimira smjesa zraka i goriva, potrebno je voditi računa da temperatura na kraju kompresije T2 ne poraste toliko da bi moglo doći do preuranjenog samozapaljenja smjese.
2.1.5. Dieselov proces
Rudolf Diesel je 1893. godine prijavio patent za gradnju "ekonomičnog toplinskog motora".
U Dieselovu procesu kompresija i ekspanzija događaju se kao i u Ottovu procesu po adijabati, dovođenje topline po izobari, a odvođenje topline po izohori.
20
Sl. 2.5. Dieselov kružni proces
Dobiveni rad W prikazan je površinom 1 - 2 - 3 - 4 - 1, a može se izraziti kao razlika dovedene topline q1 i odvedene topline q2.
(2.30.)
q c T Tp1 3 2
q c T Tv2 4 1
Termički stupanj iskoristivosti Dieselova procesa izračunava se iz omjera dobivenog rada i utrošene topline:
h
q
q qq
c T T
c T Tv
p1
1 2
1
4 1
3 2
1 (2.31.)
Koristeći se poznatim termodinamičkim izrazima za adijabatu, izobaru i izohoru, dolazi do zavisnosti:
Iz adijabatske kompresije 1 - 2:
T T2 11 e
Iz izobare 2 - 3:
TT
VV
3
2
3
2- koeficijent povećanja obujma
T T T3 2 11 e
Iz adijabatske ekspanzije 3 - 4:
T T4 1
Ako se uvrste vrijednosti T1, T3 i T4 u (2.31.), dobiva se izraz za termički stupanj iskoristivosti:
(2.32.)
Iz tog izraza vidi se da termički stupanj iskoristivosti ovisi o: stupnju kompresije, koeficijentu povećanja obujma za vrijeme dovođenja topline i o eksponentu adijabatske promjene stanja.
Stupanj kompresije u motora s dizelskim procesom uvjetovan je temperaturom samozapaljenja goriva i nalazi se u intervalu od 13 do 18.
Motori koji rade prema Dieselovu kružnom procesu imaju prednosti u usporedbi s motorima s Ottovim kružnim procesom zbog samozapaljenja goriva, što eliminira uređaj za paljenje goriva, upotrebljavaju se manje kvalitetna goriva i imaju povoljniji termički stupanj iskoristivosti.
21
2.1.6. Sabathe-proces
Prema Sabatheovu teorijskom procesu rade danas dizelski motori. U ovom procesu važno je da se motoru u cilindar uštrca dio goriva prije GMT, što omogućuje da jedan dio goriva izgori približno pri konstantnom obujmu, a drugi dio pri konstantnom tlaku Slika 2.6. prikazuje Sabatheov-proces u p-v i T-s dijagramu.
Sl. 2.6. Sabathe kružni proces
Dijelovi kružnog procesa su:
1 - 2 adijabatska kompresija ( Dq = 0 );
2 - 3 izohorično dovođenje topline ( v = konst. );
3 - 4 izobarično dovođenje topline ( p = konst.);
4 - 5 adijabatska ekspanzija;
5 - 1 izohorično odvođenje topline.
Teorijski dobiven rad prema Sabatheovu procesu je:
(2.33.)
q c T TIv1 3 2
q c T TIIp1 4 3
q c T Tv2 5 1
Termički stupanj iskoristivosti Sabatheova procesa je:
(2.34.)
Temperature u karakterističnim točkama izrazit će se preko temperature T1 i koeficijenata:
e VV
1
2- stupanj kompresije
22
- koeficijent povećanja obujma
pp
TT
3
2
3
2- koeficijent porasta tlaka
Vodeći računa o odgovarajućim promjenama stanja dobiva se:
T T2 11 e
T T T3 2 11 e
T T T4 3 11 e
T TVV
T5 44
5
1
1
Ako se te vrijednosti uvrste u izraz (2.34), dolazi se do:
h e e e e
1 1 1
11
11
11
11
T T
T T T T
he
1
1 11 11 (2.35.)
Iz izraza za termički stupanj iskoristivosti Sabatheova procesa vidi se da na njega utječu stupanj e, koeficijent povećanja obujma , koeficijent porasta tlaka i eksponent adijabatske promjene stanja , i to:
termički stupanj iskoristivosti procesa povećava se s porastom e i i smanjenjem
pri = 1 izraz (2.35.) prelazi u izraz za termički stupanj iskoristivosti Ottova kružnog procesa;
pri = 1 izraz (2.35.) prelazi u izraz za termički stupanj iskoristivosti Dieselova kružnog procesa.
Svi suvremeni motori s unutarnjim izgaranjem sa samozapaljenjem goriva rade prema Sabatheovu kružnom procesu koji postiže dobar termički stupanj iskoristivosti, koji je između onog za Ottove motore i veči od onog za čisti Dieselov proces, za jedan te isti stupanj kompresije.
2.1.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova kružnog procesa
Ottov, Dieselov i Sabatheov kružni proces posebno su zanimljivi za motore s unutarnjim izgaranjem. Da bi se uočile prednosti i nedostaci pojedinih procesa, izvršit će se njihova usporedba u p-v i T-s dijagramima uz odgovarajuće pretpostavke pod kojima će se ti kružni procesi odvijati.
23
Prvo se postavljaju jednake vrijednosti stupanja kompresije e i jednake dovedene količine topline q1.
Sl. 2.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova procesa pri e = konst. i q1 = konst.
Ottov proces prikazan je punom crtom: 1 - 2 -4' - 5' - 1.
Sabatheov proces prikazan je s crta-točka 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 1.
Dieselov proces prikazan je isprekidanom crtom: 1 - 2 - 4'' - 5'' - 1.
Uz pretpostavku jednakih stupnjeva kompresije i jednake količine dovedene topline iz T-s dijagrama vidi se da je u Ottovu procesu najmanja odvedena količina topline q2, prikazana površinom a - 1 - 5' -b, a najveća je u Dieselovu procesu -
površina a - 1 -5'' - d. Prema tome može se zaključiti da je najbolja iskoristivost u Ottovu procesu, zatim Sabatheovu, a najmanja u Dieselovu procesu.
Ako se za te procese postavi da je dovedena toplina q1 jednaka, kao i jednak
maksimalni tlak (pmaks), za ta tri procesa mogu se nacrtati dijagrami pogodni za komparaciju. Sl. 2.8. prikazuje procese u p-v i T-s dijagramima.
Sl. 2.8. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova procesa pri q1 = konst i pmaks = konst
Ottov proces u p-v i T-s dijagramu prikazan je punim crtama: 1 - 2' - 4' - 5' - 1.
Sabatheov proces prikazan je linijama crta-točka: 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 1.
Dieselov proces predočen je isprekidanim crtama 1 - 2'' - 4'' - 5'' - 1.
24
Iz tih dijagrama vidi se da je najmanja odvedena količina topline q2 u Dieselovu procesu, u T-s dijagramu površina omeđena linijama a - 1 - 5'' - b, nešto je veća odvedena toplina u Sabatheovu procesu, prikazana površinom a - 1 - 5 - c, a najveća je u Ottovu procesu, prikazana površinom a - 1 - 5' - d.
Iz toga se zaključuje da je u zadanim uvjetima najbolja iskoristivost u Dieselovu, a najslabija u Ottovu procesu. Iskoristivost u Sabatheovu procesu je uz tako postavljene uvjete kao i u prvom slučaju između Ottova i Dieselova procesa.
Ako se usporede izrazi stupnjeva iskoristivosti za ova tri procesa, vidi se da su oni ovisni o stupnju kompresije e. Kod Otto-motora sa stupnjem kompresije ne može se ići preko određene granice, koja u konkretnom slučaju ovisi o vrsti upotrijebljenoga goriva.
Dizelskim motorima stupanj kompresije ograničen je čvstroćom njihovih dijelova.
2.1.8. Kružni procesi motora s prednabijanjem
Motorima s prednabijanjem često se iskorištava toplinska energija njihovih ispušnih plinova za dobavu zraka potrebnoga za prednabijanje. Da bi se to postiglo, omogućuje se nastavak ekspanzije ispušnih plinova iz cilindra motora u plinskoj turbini. Ti se procesi često nazivaju procesima s produljenom ekspanzijom.
Pri produljenoj ekspanziji u plinskoj turbini razlikuju se dva osnovna rješenja.
Prvo je rješenje kad plinska turbina dobiva plinove s varijabilnim tlakom ovisno o opadanju tlaka za vrijeme ispuha (takozvani impulsni sustav), što se praktično postiže ako od svakog cilindra do turbine vodi posebni ispušni vod manjeg promjera (sl. 2.9.).
Sl. 2.9. Kružni proces s nabijanjem uz iskorištavanje kinetičke energije ispušnih plinova
Faze procesa su:
1 - 2 adijabatska kompresija u cilindru motora;
2 - 3 dovođenje topline po izohori;
3 - 4 dovođenje topline po izobari;
4 - 5 adijabatska ekspanzija u cilindru motora;
5 - 6 adijabatska ekspanzija u ispušnoj cijevi i lopaticama turbine;
6 - 7 odvođenje topline po izobari iz turbine u atmosferu;
7 - 8 adijabatska kompresija u turbopuhalu;
25
8 - 1 odvođenje topline u hladnjaku zraka
U ovom rješenju u turbini se iskorištava i kinetička energija strujanja plinova iz cilindra. Tijekom procesa ispuha stalno se mijenja krivulja ekspanzije, kako se mijenja masa zbog ispuha u cilindru i kako pada tlak u ispušnoj cijevi i cilindru. Zbog toga je teško analitički pratiti ovaj proces u idealnim kružnim procesima.
Drugo je rješenje kad plinska turbina radi približno s konstantnim tlakom ispušnih plinova koji se prethodno skupljaju u posebnom sakupljaču (tzv. sustav s konstantnim tlakom).
Kružni proces u kojemu je konstantni tlak ispušnih plinova pred ulazom u plinsku turbinu, prikazan je u p-v dijagramu na slici 2.10.
Sl. 2.10. Kružni proces nabijanja s konstantnim tlakom plinova pred ulazom u turbinu
Etape procesa su:
1 - 2 adijabatska kompresija u cilindru;
2 - 3 dovođenje topline po izohori;
3 - 4 dovođenje topline po izobari;
4 - 5 adijabatska ekspanzija u cilindru;
5 - 1 odvođenje topline po izohori;
1 - 6 dovođenje topline iz cilindra u turbinu po izobari;
6 - 7 adijabatska ekspanzija u turbini;
7 - 8 odvođenje topline iz turbine u atmosferu po izobari;
8 - 1’ adijabatska kompresija u turbopuhalu.
Za brodske 2 T motore često se rabe kružni procesi s nabijanjem zraka, ekspanzijom ispušnih plinova u turbini, odvođenjem topline s plinovima pri p = konst. i hlađenjem zraka nakon kompresije u turbopuhalu (sl. 2.11.).
26
Sl. 2.11. Kružni proces s nabijanjem i međuhlađenjem zraka
Dijelovi procesa su:
1 - 2 adijabatska kompresija zraka u turbopuhalu;
2 - 3 hlađenje zraka u hladnjaku uz p = konst., s odvođenjem topline qI2 ;
3 - 4 adijabatska kompresija zraka u cilindru motora;
4 - 5 dovođenje topline qI1 po izohori (v = konst.);
5 - 6 dovođenje topline qII1 uz p = konst.;
6 - 7 adijabatska ekspanzija plinova u cilindru motora;
7 - 8 proces odvođenja topline qII2 pri V7 8 =konst. iz cilindra motora;
8 - 9 dovođenje topline qIII1 uz p p konstT8 9 . plinskoj turbini;
9 - 10 adijabatska ekspanzija plinova u plinskoj turbini;
10 - 1 odvođenje topline s produktima izgaranja u atmosferu pri p konstI0 .
Na dijelu dijagrama 7 - 8 - 9 obavlja se prijelaz radnog medija iz cilindra motora u plinsku turbinu. Pri tomu se toplina , odvedena iz cilindra na dijelu 7 - 8, u
potpunosti odvodi turbini na dijelu 8 - 9 kao toplina , što je rezultat pretvorbe
kinetičke energije plina u toplinsku energiju u kolektoru, tj. .
Termički stupanj iskoristivosti motora s kombiniranim procesom je:
h
1 2 2
1 1
q q
q q
I III
I II (2.36.)
Kao i u prethodnim procesima vrijede ovi koeficijenti:
e11
2
VV - stupanj kompresije turbopuhala
e e e0 1 - ukupni stupanj kompresije
VV
2
3- koeficijent smanjenja obujma pri hlađenju,
ako nema hladnjaka V V2 3 , 1
13
8
VV - koeficijent promjene obujma plina u cilindru motora
27
(za 4T motor 1 = 1, za 2T motor 1 = 0,8-0,9)
pp
3
8- koeficijent smanjenja tlaka u ispušnoj cijevi do turbine
pp
2
1- koeficijent porasta tlaka u turbopuhalu
z
- koeficijent smanjenja tlaka u turbini
Iz dijagrama se vidi da je p p8 9 , p p2 3 i p p1 10 .
Koristeći se prethodnim koeficijentima i poznatim termodinamičkim izrazima za dovedenu i odvedenu toplinu, za toplinski stupanj iskoristivosti kružnog procesa s nabijanjem i hlađenjem zraka dobiva se:
he
e
1
11
1 1
11
1
11 1
01
k
kk
(2.37.)
S pomoću tog izraza ocjenjuje se utjecaj pojedinih parametara na toplinski stupanj iskoristivosti.
Analizom jednadžbe (2.37.) dolazi se do niza zaključaka, kako slijedi:
1. Toplinski stupanj iskoristivosti u kombiniranom procesu s međuhlađenjem zraka nakon kompresije u turbohalu manji je nego bez hlađenja:
h hhl
Pri tomu se razlika vrijednosti:Dh h h hl
povećava s porastom koeficijenta povećanja tlaka u kompresoru: p p2 1/
U stvarnim procesima, snižavanjem temperature zraka za nabijanje u hladnjaku zraka manje se smanjuje efektivni stupanj iskoristivosti nego toplinski u teorijskom procesu. Međuhlađenje zraka omogućuje da se poveća specifični rad procesa bez rasta maksimalne temperature.
2. Toplinski stupanj iskoristivosti kružnog procesa s konstantnim tlakom plinova ispred turbine manji je za 4 do 8% od onoga u impulsnom sustavu nabijanja.
Povećava li se vrijednost razlika između vrijednosti toplinskog stupnja iskoristivosti ovih procesa se smanjuje.
Prema tomu, u impulsivnim sustavima s višim tlakovima nabijanja iskorištavanje kinetičke energije ispušnih plinova se smanjuje.
3. Veća promjena obujma radnog medija u procesu osigurava povećanje toplinskog stupnja iskoristivosti. Ako je stupanj kompresije motora (e) od 12 do 13, a koeficijent povećanja tlaka u turbopuhalu () od 2 do 3, vrijednost toplinskog stupnja iskoristivosti kombiniranog procesa (h) je od 0,70 do 0,72.
4. Ako raste odnos tlakova pp
3
8 od 1,0 do 1,4, toplinski se stupanj iskoristivosti
smanjuje od 4 do 5%.
28
5. Kad se povećava koeficijent promjene obujma plina u cilindru od 0,8 do 1,2, toplinski stupanj iskoristivosti procesa povećava se od 5 do 6%.
6. Povećavajući dovođenje topline qI1 pri v=konst. i smanjujući dio topline qII1 koja se dovodi pri p = konst., povećava se toplinski stupanj iskoristivosti.
2.2.1. Snaga motora i prosječni tlak
Snaga motora može se izračunati iz mehaničkog rada, prema prosječnom tlaku plinova u cilindru motora i brzini vrtnje ili prema količini topline goriva koja u cilindru izgara i brzini vrtnje.
Kad se govori o snazi motora, valja imati na umu da se može izračunati teorijska, indicirana i efektivna snaga.
2.2.1.1. Određivanje snage prema prosječnom tlaku
Tlak u cilindru motora stalno se mijenja za vrijeme odvijanja radnog procesa. Za proračun snage motora koristi se prosječni tlak p .
Snaga motora izračunava se tako da se izračuna sila F koja djeluje preko stapa na stapni mehanizam:
Fd
p N 2
4
, (2.38.)
Rad za vrijeme jednog stapaja (s) je:
(2.39.)
Snaga motora jednaka je radu u jedinici vremena, pri čemu se mora voditi računa o: broju okretaja vratila motora u minuti (n), broju cilindara (z) i broju radnih stapaja (i) koji ima pojedini tip motora za vrijeme jednog okretaja.
, W (2.40.)
ili
Pd
p s i z 2
4 2
, W (2.41.)
tn
60 2
, 1/s
d - promjer cilindra
- kutna brzina vratila
t - vrijeme jednog okretaja
i - 1 za 2T-motore
i – 0,5 za 4T-motore
Snaga motora ovisi o obujmu cilindra, Vs:
29
Vd
ss 2
4 , m3
, W (2.42.)
U izraze za snagu (2.40.), (2.41.) i (2.42.) uvrštavaju se vrijednosti prosječnog tlaka, i
to teorijskoga, indiciranog ili efektivnog ovisno o tomu koja se snaga želi izračunati.
2.2.2. Određivanje snage s pomoću topline goriva
Za motore s unutarnjim izgaranjem snaga se izračunava prema toplini koja se dovodi
motoru izgaranjem goriva u cilindru.
Ovisno o tomu je li Ottov ili dizelski motor bira se i radni medij koji se dovodi u
cilindar i tu komprimira.
2.2.2.1. Snaga Otto-motora
Masa smjese goriva i zraka (ms) koja se usisava u cilindar motora je:
, kg (2.43.)s - gustoća smjese, kg/m3 pri tlaku i temperaturi ispred ulaza u cilindar p - koeficijent punjenja
Masa goriva koje sa zrakom ulazi u cilindar motora dobiva se iz zbroja mase goriva i potrebnog zraka. Za izgaranje 1 kg goriva treba , kg zraka, što znači da smjesa u kojoj se nalazi 1 kg goriva ima masu 1 + Z0, kg.
- pretičak zrakaZ0 - teorijski potrebna količina zraka
Masa goriva (mg) koja može izgorjeti u cilindru motora je:
mm
Z
V
Zgs s p s
1 10 0 , kg (2.44.)
Prema tom izrazu izračuna se količina topline, odnosno mehanički rad koji se može dobiti iz te topline po jednom stapaju:
30
, J (2.45.)
h - stupanj iskoristivosti
Hd - donja ogrjevna moć goriva, J/kg
Snaga motora ovisno o broju cilindara (z), broju radnih stapaja (i) po jednom okretaju i kutnoj brzini (), odnosno broju okretaja (n) u minuti, bit će:
PV H
Zi z
s p s d
h
1 20
, W (2.46.)
Prema tome koja se snaga želi izračunati, u izrazu (2.46.) uvrštava se ht, hi ili he.
2.2.2.2. Snaga dizelskih motora
Količina goriva koja u cilindru može izgorjeti ovisi o količini zraka dovedenoga u cilindar. Masa zraka koja ulazi u cilindar pri jednom stapaju je:
m Vd
sz s p z p z 2
4, kg (2.47.)
z - gustoća zraka pri tlaku i temperaturi ispred ulaznih organa u cilindar
Za izgaranje 1 kg goriva u cilindru motora potrebno je Z0, kg zraka, pa će prema tomu u cilindru po jednom stapaju izgarati količina goriva:
mm
Z
V
Zgz s p z
0 0
, kg (2.48.)
Kad izgara masa goriva mg, oslobađa se toplina:
QV
ZHs
s p z
d
0
, J (2.49.)
Toplina koja se pretvara u mehanički rad ovisi o stupnju iskoristivosti h:
, J (2.50.)
Snaga motora sa "z" cilindara i "i" radnih taktova po okretaju je:
(2.51.)
2.2.3. Utjecaj pojedinih činitelja na snagu motora
Faktori koji imaju utjecaja na snagu motora mogu se uočiti u izrazima za snagu motora (2.42.) i (2.51.) ili u izrazu za prosječni tlak (2.53.). Iz tih izraza vidi se da na snagu motora utječe promjer cilindra (d), hod stapa (s). prosječni tlak (p), broj okretaja vratila (n), odnosno kutna brzina (), broj cilindata (z), broj radnih taktova po jednom okretaju (i), koeficijent punjenja cilindra (p), gustoća zraka (z), toplinska moć goriva (Hd), stupanj iskoristivosti (h), pretičak zraka () i minimalna potrebna količina zraka (Z0).
31
2.2.3.1. Promjer cilindra
Promjer cilindra (d) ima značajan utjecaj na snagu motora jer se u izrazu pojavljuje kao kvadratna veličina.
Povećani promjer stapa utječe i na hod stapa (s). Kod 2 T brodskih motora odnos hoda stapa prema promjeru kretao se oko 1,5 da bi se taj odnos povećavao i danas iznosi više od 3,5. Promjer cilindara u glavnih brodskih motora kreće se do 1 m.
Povećavanjem promjera cilindra raste mehaničko i toplinsko opterećenje stapa. Sile koje djeluju na stap prenose se preko stapnog mehanizma i djeluju na sve njegove dijelove pa i na ležajeve koljenčaste osovine. Da bi se toplinsko opterećenje stapa i poklopca cilindra zadržalo u dopuštenim granicama, od velikog je značenja kvalitetno hlađenje tih dijelova.
2.2.3.2. Stapaj
Stapaj u motora ovisi o promjeru cilindra i broju okretaja vratila. Motorima s malim brojem okretaja omjer s/d može biti veći od 3,5, a onima s velikim brojem okretaja ta je vrijednost manja, a može biti 1. Povećavajući vrijednost s/d omogućuje se dobivanje pogodnijeg oblika prostora izgaranja s manjim omjerom površine koja je u kontaktu s vrućim plinovima i volumena, tj. smanju se gubici topline tijekom procesa izgaranja.. Povećanje stapaja izravno utječe na visinu motora, što znači da na dužinu stapaja utječe i namjena motora. O duljini stapaja ovisi i prosječna brzina stapa :
vsn sn s
260 30
, m/s (2.52.)
Zbog povećane brzine stapa raste trenje, što zahtijeva da se cilindri podmazuju kvalitetnije.
S obzirom na to da se u cilindru stap ubrzava od 0 do maksimalne vrijednosti za vrijeme jednog stapaja, potrebno je voditi računa o veličini sila inercije, koje ovise o akceleraciji i masi pokretnih dijelova.
2.2.3.3. Prosječni tlak
Prosječni tlak dizelskih motora može se izračunati ako se izjednače izrazi za snagu motora (2.42.) i (2.51.) kako slijedi:
V p i zV H i z
Zs
s p z d
h
2 20
pH
Zp z d
h 0
, Pa (2.53.)
32
Prosječni tlak za Otto-motore dobiva se izjednačavajući izraze (2.42.) i (2.46.) pa izlazi:
V p i zV H
Zi zs
s p s d
h
2 1 20( )
pH
Zp s d
h1 0
(2.54.)
Ako se u izraze (2.53.) i (2.54.) umjesto općeg stupnja iskoristivosti uvrste indicirani stupanj hi ili efektivni stupanj iskoristivosti he, dobiva se prosječni indicirani tlak pi ili prosječni efektivni tlak .
Iz izraza (2.53.) vidi se da srednji tlak dizelskih motora ovisi o koeficijentu punjenja cilindra p, gustoći zraka z, donjoj ogrjevnoj moći goriva Hd, stupnju iskoristivosti h, pretičku zraka i minimalno potrebnoj količini zraka Z0.
2.2.3.4. Broj okretaja
Snaga motora, pri jednakim vrijednostima efektivnih tlakova, upravo je proporcionalna broju okretaja vratila n, tj.:
P P n n1 2 1 2: :
U određenim tipovima motora postoje granice maksimalnih i minimalnih brojeva okretaja kojima odgovaraju snage od maksimalne do minimalne vrijednosti. U tom intervalu motori rade s različitim stupnjevima iskoristivosti i različitim specifičnim potroškom goriva be. Mijenja li se broj okretaja, mijenjaju se radni uvjeti motora; uz
manji broj okretaja, odnosno manju snagu motora, pogon je sigurniji i dijelovi motora manje se troše. Maksimalna snaga i maksimalni broj okretaja ne smiju se prekoračiti jer bi se time prekoračila dopuštena toplinska i mehanička naprezanja. Povećanjem brzine vrtnje rastu inercijalne sile (i to s kvadratom brzine vrtnje), tako da povećavaju mehanička naprezanja, što je još osjetljivije opterećenja ležaja.
Za brodske motore s izravnim pogonom brodskog vijka treba voditi računa o ovisnosti stupnja iskoristivosti vijka i broja okretaja. S obzirom na to da je iskoristivost veća a broj okretaja je manji, danas se izrađuju motori i sa 60 okretaja u minuti.
Inercijske sile oscilirajućih masa rastu s kvadratom broja okretaja, pa preračunatu na jedinicu površine stapa često u brzookretnih motora premašuju tlak izgaranja. Brzookretni su motori u usporedbi sa sporookretnima jednakih dimenzija mnogo više termički opterećeni. Trajna uporaba motora uz znatno niži broj okretaja od nominalnoga nije preporučljiva jer je niža kompresija, slabije rasprskavanje goriva, gorivo lošije izgara i brže nastaje čađa u prostoru izgaranja. Kutna brzina vratila
n
30 proporcionalna je broju okretaja n.
2.2.3.5. Broj cilindara
Broj cilindara motora utječe na ravnomjernosti njegova zaokretnog momenta, na ravnomjernost upućivanja i mogućnost upućivanja motora stlačenim zrakom. Motori s većim brojem cilindara imaju mirniji rad od onih s manjim brojem cilindara i jednakim brojem okretaja. S obzirom na to da se mahanički gubici nešto smanjuju u
33
višecilindričnih motora to će i efektivna snaga motoru biti nešto veća od umnoška broja cilindara i efektivne snage jednog cilindra.
P Z Pe ecil . .
2.2.3.6. Koeficijent punjenja
Koeficijent punjenja p je omjer mase svježeg zraka mzu koji uđe u cilindar i teorijske
mase zraka mz0 prema stapajnom obujmu cilindra pri tlaku p0 i temperaturi T0 ispred ulaznih organa u cilindar (usisni vod ili spremnik zraka za ispiranje ili nabijanje):
p zu
z
e
s
mm
VV
0
(2.55.)
p - koeficijent punjenja
mzu - efektivna masa zraka u cilindru
mz0 - teorijska masa punjenja stapajnog obujma
Ve - stvarni obujam zraka u cilindru pri p0 i T0
Vs - stapajni obujam cilindra
Masa zraka u cilindru izračunava se s pomoću ovih formula:m Vzu p s z (2.56.)
z - gustoća ispred ulaza u cilindar, kg/m3
zz
pR T
0
0
Koeficijent punjena može se izračunati po ovoj formuli:
ee p
r
ppTT
11
11
0
0
1(2.57.)
Za 2T-motore koeficijent punjenja je:
ee p
r
p
p
T
T
'
' 1
1
11
0
0
1
(2.58.)
e - stupanj kompresije (geometrijski)
e’ - stvarni stupanj kompresije
p0 - tlak ispred ulaznih organa u cilindar
p1 - tlak na početku kompresije
T0 - temperatura na početku kompresije
r - koeficijent zaostalih plinova
Stupanj kompresije e jednak je omjeru maksimalnog obujma cilindra V i kompresijskog obujma Vc:
e V
VV VVc
s c
c(2.59.)
34
Stvarna kompresija počinje nakon zatvaranja usisnih ventila kod 4 T M ili prekrivanjem ispušnih raspora kod 2 T M.
Stvarni stupanj kompresije je:
(2.60.)
- koeficijent korekcije stapajnog obujma
Na početku kompresije u cilindru se nalazi smjesa zraka i plinova koji su zaostali u cilindru zbog nesavršenosti njegova ispuha.
Na koeficijent punjenja ima značajan utjecaj koeficijent zaostalih plinova:
(2.61)
= masa zaostalih plinova
Koeficijent zaostalih plinova je omjer mase zaostalog plina prema masi svježeg zraka. Taj koeficijent pokazuje stupanj čišćenja cilindra od zaostalih plinova.
Vrijednost koeficijenta zaostalih plinova r za različite dizelske motora nalazi se u granicama:
četverotaktni 0,01 - 0,04dvotaktni s istosmjernim ispiranjem 0,04 - 0,09dvotaktni s poprečnim ispiranjem 0,07 - 0,14
2.2.3.7. Teorijski potrebna količina zraka
Izgaranje goriva proces je oksidacije njegovih sastavnih elemenata praćen oslobađanjem topline. Za izgaranje 1 kg goriva potrebna je određena količina kisika ili zraka u kojem ima 21% volumskih, odnosno 23% masenih udjela kisika.
Teorijska ili minimalno potrebna količina kisika Omin za izgaranje 1 kg goriva može se dobiti prema kemijskom sastavu goriva.
Tekuća goriva sastoje se od ovih osnovnih elemenata: ugljika, vodika, kisika i sumpora.
Ovisno o mjestu dobivanja i tehnologiji prerade maseni udio pojedinih elemenata goriva je:
ugljik C = 0,84 - 0,87
vodik H = 0,10 - 0,14
kisik O = 0,001 - 0,01
sumpor S = 0,0001 - 0,05
Minimalno potrebnu količinu kisika za izgaranje može se izračunati iz stehiometrijskih odnosa.
Kao primjer uzima se izgaranje ugljika:
C + O2 = CO2
12 kg C + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2
1 kg C + 1/12 kmol O2 = 1/12 kmol CO2
35
m kg C + m/12 kmol O2 = m/12 kmol CO2
Iz posljednje jednakosti slijedi da za potpuno izgaranje m kg C treba m/12 kmola kisika, a kao rezultat izgaranja dobiva se m/12 kmol CO2 plina.
Analogno tomu izračunava se potrebna količina kisika za izgaranje vodika i sumpora. Ukupno potrebna količina kisika za izgaranje nekoga goriva dobiva se zbrajanjem potrebne količine kisika za izgaranje sastavnih elemenata goriva.
Teorijski prijeko potrebna količina zraka za izgaranje 1 kg goriva u kmol/kg goriva je:
ZC H S O
01
021 12 4 32 32
, (2.62.)
Z0 - teorijski potrebna količina zraka
C - maseni udio ugljika u gorivu
H - maseni udio vodika u gorivu
S - maseni udio sumpora u gorivu
O - maseni udio kisika u gorivu
Poradi ograničenog vremena potrebnog da se stvori smjesa u cilindru dizelskih motora i zato što je tako dobivena smjesa zraka i goriva nesavršena, teorijski potrebna količina zraka da potpuno izgori gorivo nije dostatna. Zbog toga je stvarna količina zraka za izgaranje goriva u cilindru motora veća od teorijski potrebne, što se obuhvaća s koeficijentom pretička .
Tablica 2.1. Jednadžbe izgaranja
Reakcija Jednadžba maseni udjeli
ugljik izgara u ugljični dioksid C + O2 = CO2 12kgC + 32kgO = 44kgCO2
ugljik izgara u ugljični monoksid
2C + O2 = 2CO 24kgC + 32kgO = 56kgCO
ugljični monoksid izgara u ugljični dioksid
2CO + O2 = 2CO2 56kgCO + 32O = 88kgCO2
vodik izgara u vodu 2H2 + O2 = 2H2O 4kgH + 32kgO = 36kgH2O
sumpor izgara u sumporni dioksid
S2 + 2O2 = 2SO2 64kgS + 64kgO = 128kgSO2
sumporni dioksid izgara u sumporni trioksid
2SO2 + O2 = 2SO3 128kgSO2+32kgO= 160kgSO3
sumporni dioksid spaja se u sumporastu kiselinu
SO2 + H2O = H2SO3 64kgSO2+18kgH20= 82kgH2SO3
sumporni trioksid i voda tvore sumpornu kiselinu
SO3 + H2O = H2SO4 80kgSO3 + 18kgH20 = 98 kgH2SO4
2.2.3.8. Pretičak zraka
Pretičkom zraka naziva se omjer stvarne i teorijski potrebne količine zraka:
ZZ0
(2.63.)
Stvarna količina zraka utrošena za izgaranje je:
36
Z Z 0 (2.64.)
Eksperimentalnim putem određuje se stvarna i teorijski potrebna količina zraka za jedan radni proces ili za izgaranje 1 kg goriva.
Pretičak zraka može se izračunati ako je poznata masa zraka što se dovodi u cilindar i masa goriva koja se uštrcava po jednom radnom procesu u cilindar:
m
Z bz1
0 128 9,(2.65.)
bb P
i z n
G
i z ne e h
1 60 60
(2.66.)
mz1 - masa zraka dovedena u cilindar (u jednom procesu), kg
b1 - količina uštrcanoga goriva u cilindar po procesu, kg
be - specifični efektivni potrošak goriva, kg/kWh
Pe - efektivna snaga motora, kW
z - broj cilindara
n - broj okretaja koljenaste osovine motora, o/min
i - koeficijent taktnosti
Vrijednost pretička zraka ovisi o sposobnosti stvaranja smjese, o sustavu nabijanja i radnom režimu motora.
Prema ispitivanjima, koeficijent pretička zraka u nominalnom režimu rada dizelskih motora iznosi:
sporookretni motori 1,8 do 3,6
srednjookretni motori 1,6 do 2,0
brzookretni motori 1,5 do 1,8
Prema analizi ispušnih plinova koeficijent pretička zraka dobiva se po formuli:
1
1 3 76
1
179
212
2
2
2
,O
N
O
N(2.67.)
O2 i N2 - volumni udjeli kisika i dušika u uzorku ispušnih plinova.
2.3. Stvarni procesi u dizelskim motorima
Razlika između teorijskog i stvarnog procesa je poradi toga što se stvarni proces ne događa prema teorijski postavljenim promjenama stanja idealnog plina već se događa s realnim plinom u realnim uvjetima koji utječu na pojave gubitaka, kao što su: gubici trenja, gubici predavanja topline, gubici nepotpunog izgaranja goriva, itd.
37
2.3.1. Indikatorski dijagram četverotaktnog dizelskog motora (4TDM)
Sl. 2.12. Indikatorski dijagram 4TDM
Indikatorski p-V dijagram daje ovisnost tlaka i obujma u radnom procesu. On se snima na više načina. U motora s malim brojem okretaja snima se s pomoću indikatora po kojemu je i dobio naziv. Površina indikatorskog dijagrama proporcionalna je radu dobivenomu u jednomu radnom procesu u jednom cilindru.
Iz indikatorskog dijagrama dobiva se srednji indicirani tlak koji omogućuje da se izračuna indicirana snaga motora.
Opisani proces detaljno se vidi u dijagramu na slici 2.14.
U dijagramu brojevima su označeni dijelovi radnog procesa koji se razlikuju kod teorijskih i indikatorskih dijagrama. Točka 1 označava početak otvaranja usisnog ventila za vrijeme gibanja stapa prema GMT. Usis se obavlja uz približno konstantni tlak u motora bez nabijanja. Usis završava u točki 2, u kojoj se zatvara usisni ventil, i to u hodu stapa od DMT prema GMT. U Otto-motora usisava se smjesa zraka i goriva, koja se stvara u rasplinjaču, a u dizelskih motora usisava se zrak.
Zatvaranjem usisnog ventila počinje kompresija, koja se odvija do točke 3. Ona se obavlja uz politropnu promjenu stanja plina. Karakteristična je po tomu što je u prvom dijelu prijelaz topline sa stijenke cilindra na komprimirane plinove, a u drugom dijelu kompresije događa se suprotno, s plinova na stijenke.
U Otto motorima, u točki 3 pali se smjesa goriva i zraka električnom iskrom, a u dizelskim počinje uštrcavanje goriva koje se s malim zakašnjenjem samozapaljuje i izgara do točke 4. U točki 4 počinje ekspanzija plinova koja se odvija do točke 5. U točki 5 otvaraju se ispušni ventili, kroz koje se odvode ispušni plinovi. Ispuh se plinova događa između točaka 5 i 6, i to tako da je od točke 5 do DMT slobodni ispuh, a od DMT do GMT stap istiskuje ispušne plinove u svom hodu prema GMT. Točka 6 nalazi se iza GMT i u njoj se zatvara ispušni ventil. Prije nego stap dođe u točku 6, u točki 1 počinje se otvarati usisni ventil, a time počinje i novi proces.
38
Vrijeme od početka otvaranja usisnog ventila u točki 1 do zatvaranja ispušnog ventila u točki 6 naziva se ispiranje cilindara.
Površina na dijagramu označena s "+" predočuje u mjerilu dobivenu radnju, a ona s "-" rad utrošen na usis i ispuh.
2.3.2. Indikatorski dijagram dvotaktnog dizelskog motora ( 2TDM)
Na slici 2.13. dani su položaji stapa i radni proces u indikatorskom dijagramu. U ovim motorima punjenje cilindra zrakom i ispiranje od produkata izgaranja obavlja se pri svršetku hoda ekspanzije i na početku hoda kompresije.
Plinovi se iz cilindra odvode kroz ispušne otvore 2 ili kroz ispušne ventile postavljene na poklopcu cilindra.
Zrak pod tlakom od 150 do 450 kPa ulazi u cilindar kroz ispirne otvore 1, koji su smješteni, kao i ispušni, na donjem dijelu košuljice cilindra. Otvaranjem i zatvaranjem otvora na košuljici cilindra upravlja stap motora. Radni proces u dvotaktnim motorima (2TDM) je ovaj:
Sl. 2.13. Shema 2TDM s indikatorskim dijagramom
Opisani proces vidi se u dijagramu na slici 2.13.
Prvi takt - ispiranje i kompresija
Pri svršetku gibanja stapa prema DMT (donjoj mrtvoj točki) otkrivaju se ispirni otvori d, kroz koje ulazi zrak u cilindar iz ispirnog kolektora. Stap se giba od DMT prema GMT (gornja mrtva točka). U početku hoda nastavlja se ispiranje i ispuh produkata kroz ispušne otvore 2 (ventile) u kolektor ispušnih plinova. Svršetak ispiranja i nabijanja cilindara zrakom (na indikatorskom dijagramu s0 a) određuje se trenutkom zatvaranja ispirnih i ispušnih otvora ili ventila.
Nakon što se zatvore organi za izmjenu plinova, počinje proces kompresije (linija ac na dijagramu), koji završava dolaskom stapa u GMT. Na kraju kompresije (točka c) tlak u cilindru naraste od 45 do 80 bar-a i temperatura od 750 do 850 K.
Drugi takt - izgaranje, ekspanzija, ispuh i ispiranje
39
Ovaj takt odgovara hodu stapa od GMT do DMT. Prije GMT od 5 do 15o zakreta koljenastog vratila počinje se uštrcavati gorivo u cilindar.
Ono se samo zapali i izgara (u dijagramu ef). Pod djelovanjem tlaka plinova na stap on se giba prema DMT uz ekspanziju plinova (na dijagramu fb'). U trenutku otvaranja ispušnih otvora 2, od 65 do 75° (za ispušne ventile od 80 do 90°) prije DMT počinje ispuh produkata izgaranja (točka b) iz cilindra u kolektor ispušnih plinova, iz kojega plinovi struje u plinsku turbinu uz naglo opadanje tlaka.
Ispirni otvori 1 otvaraju se stapom poslije otvaranja ispušnih otvora, kad je tlak u cilindru približno jednak tlaku zraka u resiveru koji ulazi u cilindar. Otkrivanjem ispirnih otvora počinje ispiranje cilindara i njegovo punjenje svježim zrakom. Ispiranje traje dok stap ne prekrije ispirne otvore pri gibanju prema GMT.
Na indikatorskom dijegramu označeni su dijelovi radnog procesa:
a-e - kompresija; e-f - izgaranje; f-b - ekspanzija; b-o'-a - izmjena plinova.
Na dijagramu su prikazani karakteristični obujmovi radnog cilindra: Vs - obujam stapaja; Vc - obujam kompresijskog prostora; Vs' - reducirani obujam stapaja;DVs - gubitak, zbog postojanja ispušnih i ispirnih otvora; Va - ukupni obujam.
Kad se uspoređuje snaga 4T i 2T motora jednakog promjera cilindara i jednakog hoda stapova, brojeva okretaja i brojeva cilindara, snaga 2TM znatno je veća.
Teorijski, s obzirom na dvostruko veći broj radnih procesa, snaga 2TM trebala bi biti dva puta veća od snage 4TM. Stvarnim motorima snaga je približno od 1,75 do 1,85 puta veća, i to zbog gubitaka, npr. zbog gubitka dijela radnog cilindra DVs, slabijeg ispiranja od ispušnih plinova i zbog toga slabijeg punjenja cilindra svježim zrakom.
2.3.3. Prosječni indicirani tlak
Sl. 2.14. Indikatorski dijagram
Površina u indikatorskom dijagramu predočuje rad dobiven u motoru u jednom radnom procesu ovisno o tlaku i obujmu cilindra. Radi preglednosti slike 2.14. osnovica pravokutnika, kojeg površina predstavlja indicirani rad, podignuta je od apscise.
Sporookretni motori imaju posebni mehanizam za snimanje indikatorskog dijagrama.
40
Pod prosječnim indiciranim tlakom podrazumijeva se uvjetno postojanje tlaka pi, koji djeluje na površinu stapa za vrijeme jednoga radnog hoda i koji obavi rad ekvivalentan indiciranom radu stvarnog motora u jednom radnom procesu.
Prosječni indicirani tlak, kPa može se dati kao odnos rada jednog radnog procesa prema obujmu cilindra:
(2.68.)
Prosječni indicirani tlak, kPa može se izračunati iz površine indikatorskog dijagrama, koja se može odrediti s pomoću planimetra, ili izračunati, npr trapeznim postupkom. Ako je površina dobivena planimetriranjem prosječni indicirani tlak može se izračunati na ovaj način:
(2.69.)
A - površina indikatorskog dijagrama, mm2
l - duljina indikatorskog dijagrama, mm
Mp - mjerilo tlaka, mm/kPa
Cp - konstanta planimetra
Prosječni indicirani tlak jedan je od važnih pokazatelja rada i opterećenja cilindara motora. U eksploataciji potrebno je snimanje dijagrama bar jedanput mjesečno. Osim toga, indiciranje je potrebno pri otkrivanju nenormalnosti u radu pojedinih cilindara, nakon regulacije ili zamjene sisaljka goriva ili rasprskača, nakon remonta, po prijelazu na drugu kvalitetu goriva, a također nakon znatnog porasta otpora gibanju broda.
Odstupanje vrijednosti pi u pojedinim cilindrima ne treba premašivati 25%,
prosječne vrijednosti motora:
pz
pi ii
z
1
1(2.70.)
Promjena vrijednosti pi u pojedinim cilindrima zna nastupiti zbog uštrcavanja različite količine goriva kao rezultat nepravilne regulacije sisaljka goriva.
2.3.4. Indicirana snaga motora
Indicirana snaga dizelskih motora stvarna je snaga razvijena plinovima u cilindru motora. Ta je snaga proporcionalna dobavi goriva po jednom procesu gc, indiciranom stupnju iskoristivosti hi, broju okretaja vratila motora i o više drugih čimbenika.
Izvođenje izraza za indiciranu snagu može se početi koristeći se ovisnošću između rada dobivenoga po jednomu radnom procesu i srednjega indiciranog tlaka:
(2.71.)
U 2TM radni proces se događa za vrijeme jednog okretaja, a u 4TM za dva okretaja vratila, što se uzima u obzir kad se motoru proračunava snaga.
A - površina stapa, m2
41
s - hod stapa, m
pi - prosječni indicirani tlak, Pa
S obzirom na to da je umnožak stapne površine i stapnog hoda jednak stapajnom obujmu, indicirani se rad daje kao umnožak obujma i tlaka:
(2.72.)
Vs - radni obujam cilindra, m3
pi - prosječni indicirani tlak, kPa
Vd
ss 2
4 (2.73.)
d - promjer cilindra, m
s - stapaj, m
Ako se uvrsti vrijednost za stapajni obujam u izraz (2.68.), dobiva se:
(2.74.)
Indicirana snaga cilindra, kW, određuje se uzimajući u obzir broj radnih stapaja po okretaju i broj okretaja vratila:
Pd s
p n ici i
2
4 60
(2.75.)
n - broj okretaja vratila, o/min
i - koeficijent taktnosti
P z Pd s p n i z
i cii
2
4 60
(2.76.)
Koeficijent taktnosti je broj radnih stapaja po jednom okretaju vratila motora:
za 2TM i = 1,
za 4TM i = 0,5.
Ako se obrađuje više indikatorskih dijagrama za neki motor, indicirana snaga pojedinih cilindara izračunava se prema formuli:
P k p nic i (2.77.)
kd s i
2
4 60(2.78.)
k - konstanta za određeni motor
Indicirana snaga motora s više cilindara dobiva se kao zbroj indiciranih snaga pojedinih cilindara:
(2.79.)
z - broj cilindara motora
Ako je u određenom motoru pi jednak za sve cilindre, tad se indicirana snaga
motora izračunava prema izrazu:
P z Pd s i p z n
i ici
2
4 60
(2.80.)
42
P d s i p z ni i 0 0131 2, (2.81.)
Izraz (2.81.) omogućuje procjenu utjecaja osnovnih konstrukcijskih i eksploatacijskih čimbenika na indiciranu snagu motora. Da bi se povećala indicirana snaga motoru, može se povećati promjer i broj cilindara. Broj cilindara u jednom redu može biti i do 12. Kad se bira odnos hoda stapa i promjera cilindra, treba voditi računa o više čimbenika, npr. o broju okretaja motora, o tome jesu li to Ottovi ili dizelski motori itd. Taj odnos je u Ottovim motorima s velikim brojevima okretaja oko 1, a u 2TM s malim brojevima okretaja on dostiže 3,8.
Kad se odabire hod stapa i broj okretaja, potrebno je voditi računa o srednjoj brzini stapa vs, m/s.
vs n
s
30(2.82.)
Te vrijednosti ovise o drugim karakteristikama motora, npr. sporookretni, srednjookretni i brzookretni.
Pri povećanju vs smanjuju se gabariti i masa motora, ali se povećava dinamičko
opterećenje i trošenje dijelova koji se gibaju, što dovodi do skraćenja vijeka trajanja motoru. Prema brzini gibanja stapova, brodski dizelski motori dijele se na: sporohodne vs = 4,5 do 6,5; srednjohodne vs = 6,5 do 9,0 i brzohodne vs = 9,0 do 12 i više m/s.
U eksploataciji se indicirana snaga može povećati ako se poveća srednji indicirani tlak i broj okretaja.
2.3.5. Indicirani stupanj iskoristivosti
U termodinamičkom kružnom procesu prema II zakonu termodinamike jedan dio topline predaje se rashladnom spremniku. Odnos topline, koja se pretvorila u mehanički rad i koja je predana klipu i ukupno dovedene topline ( ili topline razvijene izgaranjem) daje termički stupanj iskoristivosti.
U stvarnom procesu, toplinom odvedenom rashladnom spremniku smatra se ona toplina što je odvedena ispušnim plinovima. Osim toga, nastaju gubici zbog nepotpunog izgaranja goriva, kao i dio topline koja se preko stijenka cilindra predaje na rashladno sredstvo, odnosno okolinu.
Svi toplinski gubici stvarnog procesa u radu motora uzimaju se u obzir indiciranim stupnjem iskoristivosti hi. Indicirani stupanj iskoristivosti jednak je odnosu topline pretvorene u indicirani rad u cilindru motora i topline koja se gorivom dovodi u cilindar:
(2.82.)
Qd - dovedena količina topline, kJ/h Q G Hd h d (2.83.)
Gh - potrošak goriva na sat, kg/h
Hd - donja ogrjevna vrijednost goriva, kJ/kg
43
Količina topline koja odgovara indiciranom radu Li,, kJ/h može se izračunati po
izrazu:
(2.84.)
Uvrštavanjem izraza (2.83.) i (2.84) u izraz (2.82.) dobiva se:
hii
h d i d
P
G H b H
3600 3600(2.85.)
bi - specifični indicirani potrošak goriva, kg/kWh
bGPih
i
(2.86.)
Specifični indicirani potrošak goriva i indicirani stupanj iskoristivosti mogu se odrediti prema podacima dobivenima mjerenjem potroška goriva Gh i indiciranom snagom motora.
Indicirani stupanj iskoristivosti hi kod goriva s Hd=41868 kJ/kg dizelskih motora bit će:
za 2TDM 0,42 - 0,56
za 4TDM 0,45 - 0,58
Indicirani specifični potrošak goriva bi, kg/kWh dizelskih motora je:
za 2TDM 0,177 - 0,204
za 4TDM 0,170 - 0,190
Indicirani stupanj iskoristivosti hi ovisi o više konstrukcijskih i eksploatacijskih
čimbenika. Najjači utjecaj ima stupanj kompresije e, konstrukcija komore izgaranja, koeficijent viška zraka, kut uštrcavanja goriva i broj okretaja motora.
Indicirani stupanj iskoristivosti hi i specifični potrošak goriva bi mogu se dobiti s pomoću podataka dobivenih mjerenjem i s pomoću izraza (2.85.) i (2.86.) ili proračunom radnih procesa koji se motoru događaju u cilindru.
Potrošak goriva na sat Gh izračuna se iz izraza za potrošak zraka na sat. Potrošak zraka na sat Gzh dobiva se preko potroška goriva Gh:
G Z Gzh h 2897 0, (2.87.)
Osim toga, može se on izračunati s pomoću dimenzija cilindra, gustoće zraka 1 i koeficijenta punjenja p:
Gd s i n z
zhz p
60
4
2 (2.88.)
Gustoća zraka je:
(2.89.)
Rz - plinska konstanta zraka, kJ/kg k
Izjednače li se izrazi (2.87.) i (2.88.) te se upotrijebi izraz (2.89.) i umnožak mRs = 28,970,287, dobiva se:
Gd s i n z p
Z Thz p
z
60
4 8 315
2
0
,
(2.90.)
44
Ako se uvrste izrazi (2.80.) i (2.90.) u jednadžbu (2.86.), nastaje izraz za specifični potrošak goriva bi u obliku:
bp
Z T piz p
z i
433
0
(2.91.)
Uvrštavanje izraza za indicirani specifični potrošak goriva (2.91.) u (2.85.) rezultat je izraz za izračunavanje indiciranog stupnja iskoristivosti:
hiz i
d z
Z T p
H p
8 315 0, (2.92.)
Taj se izraz upotrebljava za procjenu hi.
2.3.6. Efektivna snaga dizelskih motora
Pod pojmom efektivne snage motora Pe misli se na snagu na spojnici motora za pogon brodskog vijka, generatora ili nekog drugog energetskog potrošača. Efektivna je snaga manja od indicirane snage za snagu mehaničkih gubitaka:
P P Pe i m (2.93.)
U mehaničke gubitke ubrajaju se gubici za svladavanje trenja između pokretnih dijelova, snaga koja se troši za pogon privješenih pomoćnih mehanizama, gubici ventilacije pokretnih dijelova i zraka, te gubici pumpanja (gubici usisnih hodova kod 4TM).
Efektivna snage obično se određuje prema rezultatima mjerenja zakretnog momenta i broja okretaja motora ili elektroopterećenjem generatora ako motor pogoni generator.
Uz određene vrijednosti zakretnog momenta i broja okretaja, efektivna snaga motora. kW, određuje se prema izrazu:
PM n
ez 30
(2.94.)
Mz - zakretni moment, kNm
n - broj okretaja u minuti, o/min
Zakretni moment obično se određuje hidrauličnim ili električnim torziometrom. Zakretni moment bit će:
M F rz (2.95.)
F - sila koja uravnotežuje zakretni moment, kN
r - krak na kojemu djeluje sila, m
Ako se uvrsti izraz (2.95.) u jednadžbu za snagu (2.94.) izlazi:
PF r n
e
30(2.96)
Snaga motora koji pogoni generator struje određuje se prema električnom opterećenju generatora:
PU I
eG
100 h , kW (2.97.)
45
U - napon, V
I - jakost struje, A
hG - stupanj iskoristivosti generatora
Za mjerenje zakretnog momenta glavnih brodskih motora, povezanih preko osovinskog voda s brodskim vijkom, služe torziometri. Načelo djelovanja zasniva se na elastičnoj deformaciji vratila pri prijenosu zakretnog momenta na brodski vijak. Za vrijeme rada motora i prijenosa zakretnog momenta na vijak uvija se vratilo. Prema Hukovu zakonu kut uvijanja vratila proporcionalan je zakretnom momentu:
(2.98.)
l - duljina vratila na kojemu se mjeri kut uvijanja, m
G - modul klizanja kovine od koje je napravljeno vratilo, kPa
Ip- polarni moment otpora presjeka vratila, m4
Iz izraza (2.98.) izlazi zakretni moment:
MG I
lzp
(2.99.)
Kut uvijanja vratila može se naći s pomoću izraza:
Dlr
(2.100.)
Dl - luk uvijanja vratila, m
r - polumjer na kojemu se mjeri luk uvijanja vratila, m
Na osnovi izraza (2.99.) i (2.100.) formula za snagu (2.94.) dobiva ovaj oblik:
PG I l n
l rep
D30
(2.101.)
U izrazu (2.101) dvije su promjenljive veličine: luk uvijanja Dl l i broj okretaja n. Za mjerenje luka uvijanja Dl upotrebljava se više metoda. Najčešća je s pomoću torziometra, pri tome se za mjerenje Dl, rabi induktivna, elektroakustična ili kapacitativna metoda mjerenja.
2.3.7. Mehanički stupanj iskoristivosti
Za ocjenu uspješnosti pretvorbe indicirane snage u efektivnu koristi se mehanički stupanj iskoristivosti hm. Mehanički stupanj iskoristivosti jednak je omjeru efektivne i indicirane snage motora:
hm e
i
PP
(2.102.)
Mehanički stupanj iskoristivosti obuhvaća sve mehaničke gubitke koji nastaju za vrijeme rada dizelskih motora. Polazeći od izraza može se napisati stupanj iskoristivosti u obliku:
46
hm i m
i
m
i
e
e m
P PP
PP
PP P
1 (2.103.)
Snaga mehaničkih gubitaka približno se određuje kao indicirana snaga motora u praznom hodu.
Idući podaci mehaničkog stupnja iskoristivosti dobiveni su ispitujući rad motoru pri nominalnoj snazi:
za 2T sporookretne 0,88 - 0,91
za 4T srednjookretne 0,89 - 0,91
za 4T brzookretne 0,80 - 0,85P Pe i m h (2.104.)
Iz podataka se vidi da su mehanički gubici znatni. Na njih utječu mnogi faktori, npr. broj okretaja, stanje površina koje se međusobno taru, kvaliteta podmazivanja, način rukovanja itd.
2.3.8. Prosječni efektivni tlak
Prosječni efektivni tlak važni je pokazatelj rada motora. On često služi za usporedbu stupnja forsiranja različitih motora ili opterećenja jednog motora u raznim radnim režimima. Prosječni efektivni tlak karakterizira prosječni efektivni rad u cilindru motora po procesu. Ta veličina, kPa, može se odrediti iz odnosa:
(2.105.)
Le - prosječni efektivni rad jednog cilindra motora po jednom procesu, kJ
Vs - radni obujam cilindra, m3
Prosječni efektivni rad jednog cilindra po jednom procesu dobiva se prema izrazu:
(2.106)
Pe - efektivna snaga motora, kW
n - broj okretaja, o/min
z - broj cilindara
i - koeficijent taktnosti
Koristeći se izrazima (2.73.), (2.105.) i (2.106.) nastaje jednadžba za prosječni efektivni tlak:
pP
d s z n i
P
d s z n ie
e e
4 60
0 01312 2 ,(2.107.)
Iz nje se dobiva izraz za efektivnu snagu motora:
P d s z n i pe e 0 0131 2, (2.108.)
Ako je poznat prosječni efektivni tlak, za izračunavanje efektivne snage motora poslužit će izraz (2.108.). Vrijednosti pe za različite brodske dizelske motore u MPa su:
4T bez nabijanja 0,5 - 0,65
47
4T s nabijanjem 1,4 - 2,5
2T bez nabijanja 0,45 - 0,55
2T s nabijanjem 1,2 - 1,6
Ako se snaga mehaničkih gubitaka uvjetno izrazi kao indicirana i efektivna preko prosječnog tlaka, a u ovom slučaju preko prosječnog tlaka mehaničkih gubitaka pm, tad prosječni efektivni tlak može biti određen iz izraza (2.93.):
p p pe i m (2.109.)
Prosječne vrijednosti tlaka mehaničkih gubitaka za brodske dizelske motore u kPa iznose:
2T sporookretni pm = 100 - 120
4T srednjookretni 180 - 200
Iz izraza (2.102.), (2.108.) i (2.76) izlazi izraz:hm e ip p /
a iz njega se dobiva jednadžba za pe: p pe i m h (2.110.)
2.3.9. Efektivni stupanj iskoristivosti
Efektivni stupanj iskoristivosti je kompleksni pokazatelj ekonomičnosti rada dizelskih motora, koji obuhvaća sve gubitke u motora. On se očituje kao omjer količine topline pretvorene u efektivni rad na vratilu prema količini topline koja se dovodi u motor:
(2.111.)
Količina topline koja se u jednom satu pretvori u efektivni rad izračunava se na osnovi izraza:
(2.112.)
Efektivni stupanj iskoristivosti dade se na analogan način izraziti kao i indicirani u izrazu (2.85.) s pomoću potroška goriva na sat, efektivne snage i toplinske moći goriva:
hee
h d e d
P
G H b H
3600 3600(2.113.)
Specifični efektivni potrošak goriva be, kg/kWh, jest potrošak goriva na sat po
efektivnoj snazi motora:
(2.114)
Ako se efektivna snaga u jednadžbi (2.113.) izrazi s pomoću indicirane snage i mehaničkog stupnja iskoristivosti, izraz (2.102.), dobiva se efektivni stupanj iskoristivosti u obliku:
hh
hhei m
h di m
P
G H
3600(2.115.)
Iz jednadžbe se vidi da efektivni stupanj iskoristivosti obuhvaća sve gubitke što ih obuhvaća indikatorski stupanj iskoristivosti i mehaničke gubitke koje sadrži mehanički stupanj iskoristivosti.
48
Odnos između efektivnog i indiciranog stupnja iskoristivosti naći će se iz izraza (2.85.) i (2.113) koji su obrnuto proporcionalni specifičnim potrošcima goriva:
h he i i eb b/ / (2.116.)
Iz (2.115.) dobiva se:
h h hm e i / (2.117.)
S pomoću (2.116.) i (2.117) nastaje izraz za mehanički stupanj iskoristivosti:hm i eb b /
Iz njega se dalje izvodi izraz za efektivni specifični potrošak goriva:b be i m /h (2.118.)
Priložena tablica daje podatke o ekonomičnosti rada motora.
Tablica 2.2. Specifični potrošak goriva i efektivna iskoristivost:
Tip motora be, g/kWh bm, g/kWh he, %
Sporookretni 160 - 210 0,5 - 1,0 44 - 50
Srednjookretni 170 - 215 1,0 - 2,0 44 - 48
Brzookretni 205 - 230 2,0 - 5,0 38 - 41
Kao pokazatelj ekonomičnosti brodskih dizelskih motora daje se ukupni specifični efektivni potrošak ulja bm, g/kWh.
Povećani efektivni stupanj iskoristivosti i smanjeni specifični potrošak goriva uz povećani stupanj nabijanja, postiže se tako da se poveća mehanički stupanj iskoristivosti, poboljša stvaranje homogene smjese zraka i goriva, te ostvari bolje iskorištavanje energije ispušnih plinova.
Promjenom radnog režima motora mijenja se i specifični potrošak goriva. Minimalni potrošak goriva be u brodskih motora postiže se obično na 80 do 90% nominalnog broja okretaja. Promjena specifičnog potroška goriva be ovisno o broju okretaja u sporookretnim brodskim motorima dana je na dijagramu slike 2.15.
Sl. 2.15. Dijagram efektivne snage i specifičnog potroška goriva u 2TDM prema vijčanoj karakteristici
49
Za brodske porivne motore posebno je važno zadržavati mali potrošak goriva u cijelom radnom režimu od minimalnoga do nominalnog. To će se ostvariti brižljivim održavanjem sustava ispiranja i nabijanja, te sustava goriva, ali i boljom smjesom goriva i zraka, što poboljšava izgaranje u motoru. Snaga brodskih motora i njihova ekonomičnost zavise, također, o barometarskom tlaku i temperaturi zraka, kao i o donjoj ogrjevnoj vrijednosti goriva. Zbog toga ISO standard 3046/1 propisuje temperaturu zraka 25° C, barometarski tlak 1 bar, temperaturu rashladne vode na ulazu u hladnjak zraka 25°C i donju ogrjevnu vrijednost goriva 42,7 MJ/kg. Ako se stvarne vrijednosti ovih veličina razlikuju od navedenih, to se pri proračunu snage treba imati u vidu, jer povećanje temperature zraka za 10°C znači smanjenje snage za 3%. .
2.4. Procesi izmjene radnog medija u cilindru motora
Za normalan rad motora potrebno je osigurati za svaki novi radni proces novu količinu zraka i goriva, te odvođenje ispušnih plinova nastalih u prethodnom procesu. Dovođenje zraka i goriva razlikuje se ovisno o tomu u kojim se motorima obavlja radni proces. Ottovim motorima dovodi se istodobno smjesa zraka i goriva, a dizelskima se uštrcava gorivo u stlačeni zrak. Odvođenje ispušnih plinova razlikuje se u dvotaktnim i četverotaktnim motorima, ali i u motorima s nabijanjem ili bez njega.
2.4.1. Faze izmjene plinova u četverotaktnim dizelskim motorima
Snaga motora ovisi o količini zraka dovedenoj u cilindar, a od te količine ovisi količina goriva koja u njemu izgara.
Na slici 2.16. razvodni je dijagram faza izmjene plinova u 4TDM. Od 5 do DMT slobodni je ispuh, od DMT do GMT ispuh je pod djelovanjem stapa u cilindru motora. U dizelskim motorima ispuh se dijeli na natkritični i potkritični.
Natkritičnim se naziva onaj period ispuha u kojemu je tlak ispušnih plinova viši od kritičnoga, tj. od trenutka otvaranja ispušnih ventila do trenutka kad se u cilindru tlak izjednači s kritičnim. Otvaranje usisnog ventila (1) je približno 70 do 80° prije GMT, zatvaranje usisnog ventila (2) je 25 do 35° poslije DMT. Uštrcavanje goriva (3) je 10 do 20° prije GMT. Otvaranje ispušnog ventila (5) je 30 do 60° prije DMT a zatvaranje ispušnog ventila (6) je 50 do 60° poslije GMT.
50
Sl. 2.16. Razvodni dijagram za 4TDM
1-2 - kut otvorenosti usisnog ventila 5-6i - kut otvorenosti ispušnog ventila1-6 - kut prekrivanja ventila 3-4 - kut uštrcavanja goriva
U većini motora, na početku otvaranja ispušnih ventila pri nominalnom radnom ražimu, tlak pbo je u granicama između 300 i 900 kPa. Ti tlakovi su viši od kritičnoga
pk, koji se izračunava prema izrazu:
p pk t v / (2.119.)
v - kritični odnos tlakova
pt - tlak plinova u ispušnom kolektoru
Kritički odnos tlakova ovisi o sastavu i fizikalnim obilježjima plinova, a određuje se po formuli:
v t k
kk
p pk
/
21
1 (2.120.)
k - eksponent adijabatske promjene stanja plinova
Natkritični ispuh obavlja se kritičnom brzinom koja je jednaka brzini širenja zvuka koju izračunavamo prema formuli:
kkk
RT
21
103
R - plinska konstanta, kJ/kgK
51
T - temperatura plinova u cilindru, K
Kad je temperatura plinova od 750 do 1 200 K, kritična se brzina kreće između 500 i 630 m/s. Natkritični ispuh dio je slobodnog ispuha, a završava blizu DMT.
Na slici 2.17. prikazan je dijagram promjene tlaka u cilindru, ispušnom kolektoru i u spremniku zraka, za vrijeme izmjene plinova u 4TDM i impulsnim dovodom plinova plinskoj turbini.
Pri promjeni radnog režima mijenja se trajanje natkritičnog ispuha, npr. pri smanjenom opterećenju motora period natkritičkog ispuha je kraći, pri tome se smanjuje tlak u cilindru na početku ispuha, i obratno.
Potkritičnim ispuhom naziva se period ispuha od trenutka kad se u cilindru tlak izjednači s kritičnim pk do otvaranja usisnog ventila.
Sl. 2.17. Dijagrami promjene tlaka u 4DMT:
1 - promjena tlaka u cilindru motora 2 - promjena tlaka u ispušnoj cijevi
3 - promjena tlaka u usisnoj cijevi
Za vrijeme potkritičnog ispuha tlak je u cilindru niži od kritičnoga, a i on se postupno smanjuje i stabilizira blizu vrijednosti tlaka u ispušnom kolektoru. Strujanje plina iz cilindra rezultat je djelovanja stapa u njegovu gibanju prema GMT. Odnos tlakova pt/p i brzina strujanja plinova na izlazu iz cilindra ovisi o brzini gibanja
stapova i odnosu površine presjeka kroz koji plinovi struje kroz ispušni ventil prema površini stapa. Veliki utjecaj imaju na tlak i brzinu strujanja i hidraulične pojave u ispušnom kolektoru i cilindru motora.
Za vrijeme potkritičnog ispuha, brzina strujanja kroz ispušni ventil može se izračunati prema izrazu:
2
11 10
13RT
kk
p pt
kk/ (2.122.)
Temperatura plinova u cilindru za vrijeme potkritičnog ispuna približno je konstantna do početka ispiranja.
U periodu prekrivanja ventila 1 - 6, (sl. 2.16) obavlja se ispiranje cilindra ovisno o tlakovima u resiveru pz, u cilindru p i u ispušnom kolektoru pt.
52
Pri pz>p>pt ispire se prostor izgaranja. U tom slučaju kroz usisni ventil u cilindar struji zrak, a kroz ispušni ventil istodobno iz cilindra izalaze ispušni plinovi. Temperatura plinova u cilindru brzo se snižava do vrijednosti blizu temperature punjenja na početku kompresije. Za ispiranje je potrebno regulirati razliku tlakova (pz
-pt), što se osigurava odabirom faza izmjene plinova u cilindru. Pri impulsnom dovođenju plinova plinskoj turbini u periodu prekrivanja ventila, kao po pravilu, osigurava se veća razlika tlakova nego u turbina s konstantnim tlakom plinova. Na slici 2.17. su dijagrami tlakova za motore s impulsnim dovodom plinova turbini. Za te motore rabe se posebne ispušne cijevi radi odvoda plinova do plinske turbine s relativno malim presjecima i obujmom.
Da bi se ostvarilo kvalitetno ispiranje od ispušnih plinova, u cilindar se dovodi veća količina zraka nego što je potrebno za izgaranje goriva. Dio zraka, u procesu propuhivanja, izlazi s produktima izgaranja u ispušni kolektor. Zbog propuhivanja smanjuje se količina zaostalih plinova u cilindru, a povećava se količina zraka. Osim toga, propuhivanje omogućuje hlađenje stijenka stapa, glave i ispušnih ventila.
Višak zraka za propuhivanje određuje se koeficijentom propuhivanja, a on se dobiva iz odnosa masa zraka koji ulazi u cilindar za jedan proces prema masi zraka što ostaje u cilindru, na početku kompresije. Koeficijent propuhivanja izračunava se pomoću slijedeće formule:
a zm m / (2.123.)
Koeficijent propuhivanja za 4TDM s propuhivanjem nalazi se u granicama između 1,05 i 1,35. Daljnje povećanje koeficijenta nedostatno je učinkovito.
Ako je pz<p>pt, u periodu prekrivanja ventila nastaje izlaz plinova u ispušni kolektor i izlaz plinova u ispirni resiver, kroz usisni ventil.
Pojava dvostrukog ispuha opaža se u početku perioda prekrivanja ventila, na dijagramu 1 - 8 (sl. 2.16.) pri povećanim vrijednostima tlaka u cilindru.
Ako je Pz>p<pt, nastupa dvostruko punjenje cilindra, i to zrakom iz resivera i ispušnim plinovima iz kolektora. Ta pojava događa se pri svršetku perioda prekrivanja i pri snižavanju tlaka u cilindru.
Za vrijeme punjenja cilindra zrakom 8 - 7 (sl. 2.16.) otvoren je usisni ventil. Proces istjecanja zraka ima potkritične karakteristike. Brzina istjecanja zraka ovisi o odnosu tlakova p/pz, a određuje se s pomoću jednadžbe:
z z
kkRT
kk
p p
2
11 10
13/ (2.124.)
R - plinska konstanta zraka, kJ/kgK
T - temperatura zraka ispred cilindra, K
k - eksponent adijabate zraka
Promjena tlaka pri punjenju cilindra (pz - p) nastaje ovisno o veličini rasta obujma cilindra pri gibanju stapa prema DMT, i ovisi o brzini gibanja stapa i odnosu otvora za prolaz zraka usisnog ventila i površine stapa.
U periodu kašnjenja zatvaranja ispušnog ventila, na dijagramu 7 - 2, pri pravilno odabranoj fazi razmjene plinova, dodatno se puni cilindar zrakom. U tom periodu stap se giba prema GMT, međutim, još se nastavlja ulazak zraka, jer je tlak u cilindru niži od tlaka u resiveru. U ovom dijelu procesa brzina strujanja zraka postupno se smanjuje i teži prema ništici, pri približnom odnosu tlakova p/pz=1.
53
Kut zakašnjenja zatvaranja usisnog ventila određuje se tako da tlak u trenutku zatvaranja usisnog ventila u nominalnom režimu bude približno jednak tlaku u resiveru zraka; vidi dijagram na slici 2.17.
Kad je kut zakašnjenja zatvaranja usisnog ventila suviše velik ili suviše malen, punjenje je cilindra manje od maksimalno mogućeg.
U okolnostima suviše malog kuta zakašnjenja zatvaranja usisnog ventila, tlak će u cilindru biti niži od tlaka u resiveru zraka a u drugom slučaju nastat će gubitak zraka kroz otvorene ventile s obzirom na to da je tlak u cilindru viši od onoga u resiveru. U brodskim srednjookretnim 4TDM gubici punjenja su između 1 i 2%. Veći brojevi okretaja motora zahtijevaju veći kut zakašnjenja zatvaranja usisnih ventila kako bi se osiguralo maksimalno punjenje cilindara zrakom.
2.4.2. Određivanje faza izmjene plina
Faze izmjene plina ustanovljuju se na osnovi analize dijagrama promjene tlaka plinova i ispitivanja ekonomičnosti rada motora. Dijagrami se dobivaju s pomoću oscilografa ili indikatora, a mogu se formirati na osnovi proračuna procesa izmjene plina. Na slici 2.18. dijagram je ispuha i usisa (punjenja) u 4TDM s plinskoturbinskim nabijanjem.
Sl. 2.18. Dijagrami izmjene radnog medija u 4TDM
Na dijagramu pod a) vidi se da je krivulja ispuha iznad krivulje usisa; rad utrošen za punjenje i ispuh je negativan. Bitni utjecaj na indicirani rad motora, na punjenje i ispuh, te na uvjete rada turbopuhala ima kut predotvaranja ispušnog ventila (sl. 2.16. od 5 do 7).
Pod indiciranim radom podrazumijeva se rad dobiven u cilindru po jednom radnom procesu. S obzirom na to da prije ili poslije je otvaranje ispušnog ventila utječe na potrošak goriva, kut predotvaranja ispušnog ventila određuje se prema najmanjem potrošku goriva po jedinici snage.
Na slici 2.18.b prikazani su dijagrami ispuha u 4TDM s raznim kutevima predotvaranja ispušnih ventila. Najpovoljnije otvaranje ispušnog ventila je u točki b2,kojoj odgovara najveći indicirani rad.
Ranije otvaranje ispušnog ventila, npr. u točki b1, rezultira manjim indiciranim
radom, jer se tlak pri ranijem otvaranju ispušnog ventila brže snizuje pri svršetku ekspanzije.
54
U okolnostima kasnijeg otvaranja ispušnog ventila, npr. u točki b3, indicirani se
rad također smanjuje, jer je tlak na početku hoda ispuha visok, tako da je utrošeni rad za ispuh plinova povećan.
Tablica 2.3. Faze izmjene radnog medija u 4TDM u o okreta koljenaste osovine
Ispušni ventil Usisni ventil
D M otvaranje prije D M T
zatvaranje iza G M T
otvaranje do G M T
zatvaranje iza D M T
Prekrivanje ventila
Bez nabijanja 20 - 50 15 - 25 15 - 20 20 - 50 30 - 40
S nabijanjem 40 - 50 50 - 60 50 - 80 40 - 50 100 - 140
U tablici 2.3. dane su faze izmjene radnog medija karakteristične za 4TDM. Optimalne faze izmjene radnog medija biraju se iz uvjeta najekonomičnijeg rada motora u eksploataciji.
Broj ventila u poklopcu cilindra i njihovi konstrukcijski odnosi i otvori moraju osigurati ispuh plinova i punjenje cilindara zrakom uz najmanje otpore strujanju i potrebnu čvrstoću poklopca cilindra i ventila.
Četverotaktni motori mogu imati dva ili četiri ventila u poklopcu cilindra.
2.4.3. Izmjena radnog medija u dvotaktnom dizelskom motoru (2tdm)
Kvaliteta ispiranja cilindara od produkata izgaranja i njihovo punjenje zrakom bitno utječu na snagu i ekonomičnost rada. Izmjena plinova u 2TDM mnogo je složenija nego u 4TDM. Za 4TDM ispuh se plinova ostvaruje pod djelovanjem stapa u hodu prema GMT. U periodu prekrivanja ventila u motorima s nabijanjem obavlja se propuhivanje cilindara. Pri punjenju u cilindar ulazi zrak u prostor koji stap oslobađa. Ti se procesi događaju kontinuirano jedan za drugim i traju općenito od
400 do 450o okreta koljenaste osovine.
U 2TDM proces ispiranja i nabijanja cilindara zrakom obavlja se za samo 120
do 150o okreta koljenaste osovine, i to u dijelu hoda ekspanzije i dijelu hoda kompresije. Znatni dio procesa odvoda ispušnih plinova odvija se istodobno s procesom dovoda svježeg zraka. Pri tomu se neizbježno miješaju dijelovi ispušnih plinova i svježeg zraka.
Poradi pogodnije analize karakteristika izmjene radnog medija, taj se proces uvjetno dijeli na četiri dijela: slobodni ispuh, prisilni ispuh, ispiranje i nabijanje.
Slobodni ispuh počinje od trenutka otvaranja ispušnih raspora do početka ispiranja. Ovisno o karakteru strujanja plinova kroz ispušne raspore ili ispušne ventile, proces se ispuha dijeli na natkritični i potkritični.
Natkritičnim ispuhom naziva se dio ispuha od časa otvaranja ispušnih raspora ili ventila do izjednačavanja tlaka u cilindru s kritičnim tlakom. U tom periodu brzina strujanja plinova jednaka je brzini zvuka u istom mediju. Brojčana se vrijednost određuje prema izrazu (2.121.) za kritičnu brzinu. Ta brzina dostiže vrijednosti od 500 do 700 m/s. Vrijednost kritičnog tlaka dobiva se prema formuli (2.119.), a kritični odnos tlakova prema formuli (2.120.).
55
Potkritičnim ispuhom naziva se period od završetka slobodnog ispuha do početka ulaska zraka u cilindar motora. Strujanje plinova u tom periodu ima potkritične karakteristike. Brzina istjecanja ovisi o promjeni tlaka, a određuje se prema formuli (2.122.). Potkritični period ispuha karakterističan je po daljnjem snižavanju tlaka u cilindru. Na svršetku ispuha tlak u cilindru je p, koji omogućava početak ulaza zraka iz resivera u cilindar.
Slobodni ispuh po trajanju je relativno kratak u usporedbi s trajanjem izmjene plinova, ali za to vrijeme tlak u cilindru brzo opada od vrijednosti obo na vrijednost pn, kad počinje ispiranje. U pravilno odabranih organa za izmjenu plinova slobodni se ispuh po trajanju poklapa s periodom predispuha.
Predispuhom se naziva vremenski period od otkrivanja ispušnih otvora do otkrivanja ispirnih otvora. U motorima s plinskom turbinom konstantnoga tlaka, ispušni se plinovi skupljaju u kolektoru ispušnih plinova relativno velikog obujma. Za vrijeme slobodnog ispuha u kolektoru se očituje samo mali "val" tlaka, koji nema stvarni utjecaj na proces strujanja plinova. Promjene tlakova za vrijeme izmjene plinova u cilindru 2TDM s turbinom konstantna tlaka dane su na slici 2.19.
Sl.2.19. Dijagram promjena tlaka u 2TDM s konstantnim sustavom nabijanja
U tom sustavu slobodni ispuh završava u trenutku otkrivanja ispirnih otvora. U toj izvedbi poklapaju se slobodni ispuh i predispuh, što se vidi na dijagramu.
Za motore s impulsnim sustavom nabijanja rabe se relativno uske cijevi za odvod plinova od cilindra do plinske turbine. Pri intenzivnom ispuhu u ispušnoj se cijevi stvara brzoimpulsni val tlaka ispušnih plinova. Iskorištavanjem impulsne energije ispušnih plinova povećava se snaga plinskoj turbini.
Karakter mijenjanja tlaka u cilindru, ispušnom cjevovodu i u resiveru zraka za vrijeme izmjene radnog medija u motora s impulsnim sustavom nabijanja predočen je na slici 2.20. U tom slučaju predispuh je kratak zbog toga što do trenutka otkrivanja ispirnih otvora tlak u cilindru ne padne do vrijednosti pn, potrebne za ulazak zraka u cilindar motora.
56
Sl. 2.20. Dijagrami promjene tlaka u sustavu ispiranja u 2TDM s impulsnim nabijanjem
Prije nego završi slobodni ispuh djelomično se otvaraju ispirni otvori, zbog čega je moguć prodor vrućih plinova iz cilindra u resiver zraka, To se može dogoditi i u motorima s konstantnim sustavom nabijanja. Ako je taj period kratak, tad se ta pojava ne događa ili je neznatna, pa se može zanemariti. U eksploataciji motora otvori se ispušnih plinova smanjuju s vremenom zbog stvaranja naslaga gareži, a osim toga se povećava otpor strujanju u dijelu turbopuhala zbog naslaga ulja i goriva na lopaticama turbine pod utjecajem polimerizacije. To sve rezultira povećanim tlakom u ispušnoj cijevi i usporenim opadanjem tlaka u cilindru u periodu predispuha.
Prodiranje plinova u resiver je nepoželjno jer se produkti izgaranja u njemu miješaju sa svježim zrakom i ponovno vraćaju u cilindar za vrijeme ispiranja. Rezultat te pojave je slabije ispiranje cilindra.
Pri prodoru plinova u resiver raste temperatura košuljice u predjelu ispirnih otvora. U ispirne otvore, kanale i resiver dolaze čestice ulja za podmazivanje cilindara s plinovima. Zbog visoke temperature stjenka koksiraju se uljne čestice na ispirnim otvorima, što smanjuje otvore i povećava otpor strujanju plinova te pridonosi slabijem ispiranju cilindra.
Prodor u resiver čestica koje još gore, noseći sa sobom čestice užarena koksa i neizgorjena goriva, može zapaliti nakupljeno ulje u resiveru. Požar u resiveru zna izazvati pregrijavanje cilindara, što je opasno za veću havariju cilindra i stapa.
Učinkovit način da se onemogući prodor plinova u resiver zraka je uporaba prostora ispod stapa za dodatno komprimiranje zraka prije otkrivanja ispirnih otvora. Povećani tlak u prostoru ispod stapa stvara zračnu branu koja plinovima sprječava prodor u resiver. Zrak ulazi u cilindar u početku otvaranja ispirnih otvora, kad je tlak u cilindru još nešto viši od tlaka postignutoga turbopuhalom.
57
Sl. 2.21. Mijenjanje tlaka u sustavu nabijanja s iskorištavanjem prostora ispodstapa za dodatno komprimiranje zraka
1 - tlak u resiveru OI - otvaranje ispušnih otvora2 - tlak u prostoru ispod stapa ZI - zatvaranje ispušnih otvora3 - tlak u cilindru motora OP - otvaranje ispirnih otvora4 - tlak u ispušnoj cijevi ZP - zatvaranje ispirnih otvora
ZZ - zatvaranje okretnih klapna
Na slici 2.21. dijagrami su promjene tlakova u cilindru, resiveru, prostoru ispod stapa i u ispušnoj cijevi u motorima kojima prostor ispod stapa služi za dodatno komprimiranje ispirnog zraka. U tom otpada mogućnost nabijanja ispušnih plinova u resiver zraka. U času dolaska stapa u DMT impuls zraka stvoren u prostoru ispod stapa nestaje, ali i tlak u cilindru poprima manje vrijednosti od tlaka zraka za ispiranje.
Prisilni ispuh obuhvaća period od početka ulaska zraka u cilindar do zatvaranja ispirnih otvora. Taj dio procesa odvija se uz zadržavanje odnosa tlakova pz>p>pt. U tom periodu nastavlja se ispuh zaostalih plinova u cilindru kroz ispušne otvore, nakon slobodnog ispuha. Proces ispiranja cilindara od ispušnih plinova je prisilni ispuh, jer plinovi iz cilindra izlaze pod djelovanjem ulaznog zraka u cilindar.
Zrak koji se dovodi u cilindar za vrijeme ispiranja mora biti dostatan da bi se ostvarilo ispiranje cilindara od produkata izgaranja i osigurao proces izgaranja u idućem procesu.
U motorima kojima je gornji rub ispušnih otvora viši od ispirnih otvora nastavlja se ispuh od časa zatvaranja ispirnih otvora do zatvaranja ispušnih otvora. Dio se zraka u tom periodu istiskuje iz cilindra kroz ispušne otvore gibanjem stapa prema GMT. Taj ispuh naziva se "gubitak punjenja". Ta pojava smanjuje specifičnu snagu i ekonomičnost motora. U motorima kojima ispirne otvore prekriva stap nakon prekrivanja ispušnih, povećava se punjenje cilindra zrakom, što se naziva "nabijanje". Da bi u tom periodu zrak ulazio u cilindar, potrebno je ostvariti odnos tlakova pz>p.
Usporedo s promjenama tlaka u ispušnom kolektoru zaustavlja se proces istjecanja, a u kolektoru se pojavljuje tlačni val. Pojavom tlačnog vala nastaju impulsi koji se događaju u početku ispuha iz svakog cilindra. Valovi tlaka šire se uzduž kolektora brzinom zvuka, odbijaju se od stijenke, pa mogu stvoriti područje povišena tlaka u dijelu spoja ispušne cijevi s cilindrom, iz kojega u određenom trenutku slijedi ispuh. Povećanje tlaka pogoršava proces ispiranja cilindara od ispušnih plinova.
58
Oscilacije tlaka očituju se i u resiveru zraka, čemu je posljedica pojava područja sniženog i povišenog tlaka ispred ispirnih otvora pojedinih cilindara. Rezultat plinsko-dinamičnih pojava u sustavu izmjene plinova jest činjenica da je punjenje cilindara različito po masi, a prema tomu ni uvjeti rada cilindara nisu jednaki.
2.4.3.1. Sustavi ispiranja dvotaktnih motora
Sustavi ispiranja cilindara od ispušnih plinova dijele se prema strujanju zraka kroz cilindar na:
- istosmjerne;
- poprečne;
- povratne.
Istosmjerno ispiranje cilindara karakteristično je po strujanju zraka uzduž osi cilindra kojim se istiskuju ispušni plinovi bez velikog miješanja s njima. U brodskim 2TDM s istosmjernim ispiranjem postiže se najmanji koeficijent zaostalih plinova r od 0,05 do 0,09. Ovisno o konstrukciji pojedinih elemenata koji upravljaju ispuhom, razlikuje se nekoliko izvedaba istosmjernog ispiranja.
Istosmjernim ispiranjem s ispušnim ventilom i ispirnim otvorima koriste se mnoge tvrtke, npr. BURMEISTER AND WAIN, GÖTAVERKEN, MITSUBISHI, a u novije vrijeme i SULZER i MAN-B&W.
Na slici 2.22. prikazan je raspored raspora za istosmjerno ispiranje, koji su smješteni na donjem dijelu košuljice po cijelom obodu. Takav raspored raspora omogućuje dostatno velike otvore za strujanje zraka, pri relativno maloj visini raspora, a također ravnomjerno raspoređivanje zraka po presjeku cilindra. Svi su otvori jednake visine i oblika. Tangencionalno usmjeren zrak na ulazu u cilindar osigurava njegovo strujanje kroz cilindar prema ispušnom ventilu po vijčanoj stazi. Takvo se strujanje zadržava do svršetka kompresije, što poboljšava uspostavu kvalitetnije smjese zraka i goriva.
Ispuh plinova obavlja se preko ispušnih ventila smještenih u poklopcu cilindra. U raznih motora broj ispušnih ventila varira od 1 do 4. Oni se pogone razvodnom osovinom preko polužnog mehanizma ili hidrauličkim pogonom.
Pri gibanju stapa prema dolje prvo se otvaraju ispušni ventili.
59
Sl. 2.22. Shema istosmjernog ispiranja Sl. 2.23. Shema istosmjernog ispiranja ss ispušnim ventilom: 1 - ispušni ventil; rasporima za ispiranje i ispuh: 1- ispušni2 - ispirni raspori; 3 - resiver ispirnog raspori; 2 - resiver ispirnog zraka; 3 - is-zraka pirni raspori
Od trenutka otvaranja ispušnih ventila do otvaranja ispirnih raspora obavlja se slobodni ispuh. Istosmjerno ispiranje karakteristično je po relativno velikom kutu
predotvaranja ispušnih ventila prije DMT, koji iznosi od 86 do 95o okreta koljenaste osovine. Time se povećava tlak plinova ispred plinske turbine, a zato i njezina snaga.
Motorima s impulsnim dovodom plinova plinskoj turbini osigurava se potrebna snaga za dobavu zraka na svim radnim režimima.
Dok su otvoreni ispirni raspori, odvija se istodobno ispiranje cilindara i prisilni
ispuh. Ispušni se ventili zatvaraju od 15 do 20o iza zatvaranja ispirnih raspora poradi
smanjenja gubitaka punjenja. Oni se zatvaraju od 47 do 57o iza DMT. Gubici punjenja cilindara zrakom su neznatni, pa je opravdano smatrati da je izmjena plinova završena zatvaranjem ispirnih raspora.
Brodskim dizelskim motorima s istosmjernim i ispiranjem ispušnim ventilom, gubici hoda stapa su od 0,08 do 0,13. Zbog kvalitetnog ispiranja cilindara koeficijent ispiranja je od 1,45 do 1,55.
Na slici 2.23. prikazana je shema istosmjernog ispiranja s rasporima za ispuh i ispiranje. To se rješenje susreće u motorima s dva suprotno hodna stapa u jednom cilindru, npr. "DOXFORD"-motorima. Njima su na donjem dijelu cilindra smješteni ispirni, a na gornjem ispušni raspori, tako da jedan stap prekriva i otkriva ispušne, a drugi ispirne raspore.
Poradi osiguranja pravodobnog otkrivanja i prekrivanja ispušnih i ispirnih raspora, te osiguranja slobodnog ispuha, ojnice stapova koji prekrivaju ispušne otvore spojene su na odgovarajuće osnace koljenaste osovine koje su zakrenute za
6 do 12o u odnosu prema kutu što odgovara početku otvaranja ispirnih raspora. Na osnovi toga, ispušni se otvori otvaraju prije ispirnih, i tako omogućuju slobodan ispuh. Pri svršetku izmjene plinova u cilindru ispirni raspori zatvaraju se iza ispušnih.
60
Raspori su ravnomjerno raspoređeni po cijelom obodu košuljice cilindra. Tangecijalni ulaz zraka na zamišljenu kružnicu osigurava njegovo strujanje kroz cilindar po vijčanoj krivulji. Pokazatelji kvalitete ispiranja identični su onima u istosmjernog ispiranja s ispušnim ventilom.
Nedostatak je složenost konstrukcije, veliko toplinsko opterećenje stapova koji upravljaju ispuhom i pogoršanje izmjene plinova u prekretnih motora u vožnji "krmom".
Na slici 2.25. prikazano je poprečno ispiranje cilindra motora karakteristično po tomu što se ispirni raspori nalaze nasuprot ispušnima. Raspori su izvedeni s nagibom prema osi cilindra. Visina ispušnih raspora veća je nego ispirnih.
Pri gibanju stapa prema DMT, pri svršetku ekspanzije prvo se otkrivaju ispušni raspori. Od tog trenutka do otkrivanja ispirnih raspora, na dijagramu sa sl. 2.24.- (4 - 5), odvija se slobodni ispuh. U periodu od 5 do 6 istodobno su otvoreni ispirni i
Sl. 2.24. Razvodni dijagram 2TDM Sl. 2.25. Shema uš - kut uštrcavanja goriva poprečnog ispiranjap - kut ispiranjai - kut ispuha
ispušni raspori. Kad su raspori pravilno dimenzionirani i uz pz>p>pt kroz ispirne otvore u cilindar ulazi zrak, a kroz ispušne otvore izlaze ispušni plinovi pod djelovanjem ulaznog zraka u cilindar. Istodobno se obavlja ispiranje i ispuh. Kad je stap blizu DMT, dio zraka struji iz ispirnih prema ispušnim rasporima, ne utječući na ispiranje cilindara od zaostalih plinova. To je jedan od nedostataka poprečnog ispiranja. Od trenutka prekrivanja ispirnih raspora do prekrivanja ispušnih (6 - 1 na dijagramu) izlazi jedan dio zraka iz cilindra pod djelovanjem stapa, što je još jedan nedostatak poprečnog ispiranja. Zbog nesavršenosti i gubitaka punjenja zraka, u motorima s poprečnim ispiranjem povećava se količina zaostalih plinova, a smanjuje količina zraka.
U 2TDM kompresija počinje po svršetku procesa izmjene plinova, tako se jednim dijelom hoda stapa prema GMT ne koristi za kompresiju.
Na slici 2.26. predočena je shema poprečnog ispiranja FIAT-motora, kojima su ispirni raspori viši od ispušnih. Na ulazu zraka iz resivera u cilindar smješteni su nepovratni lamelasti ventili. Pri gibanju stapa prema DMT on otkriva prvo ispirne, a zatim
61
ispušne raspore. Međutim, u intervalu između otvaranja ispirnih i ispušnih raspora ne dolazi do ulaska zraka u cilindar ni do izlaska ispušnih plinova iz cilindra zbog prisutnosti ventila na usisnoj strani.
Sl. 2.26. Shema poprečnog ispiranja FIAT-motora
U trenutku otkrivanja ispušnih raspora počinje slobodni ispuh, koji traje sve dok se tlak u cilindru ne snizi do vrijednosti nešto manje od tlaka u resiveru zraka. Dužina tog perioda u eksploataciji je različita. Kad je opterećenje motora veće, više traje slobodni ispuh.
Kad opadne tlak u cilindru na vrijednost manju od tlaka zraka u resiveru, otvaraju se lamelasti ventili i propuštaju zrak u cilindar. Od tog trenutka do prekrivanja ispušnih raspora obavlja se istodobno ispiranje i prisilni ispuh.
Prednost takva rješenja je u tomu što su uklonjeni gubici punjenja koji se događaju u motorima s ranijim zatvaranjem ispirnih raspora. U trenutku zatvaranja ispušnih raspora tlak je zraka u cilindru jednak tlaku nabijanja.
Konstrukcija motora s ventilima na ulazu zraka u cilindar je složenija, manja je sigurnost rada i zahtijeva dodatne napore u posluživanju.
Na slici 2.27. shema je ispiranja SULZER RD-motora, a na slici 2.28 prikazana je shema ispiranja SULZER RND-motora. Na obje sheme vidi se da su ispirni raspori raspoređeni na većem dijelu oboda košuljice cilindra, a ispušni su na strani ispušnog priključka postavljeni nešto više od ispirnih raspora. Pri gibanju stapa prema DMT prvo se otvaraju ispušni otvori omogućavajući slobodni ispuh.
62
Sl. 2.27. Shema ispiranja SULZER Sl.2.28. Shema ispiranja SULZERRD-motora: 1 - ispirni raspori; 2 - RND-motora: 1 - turbopuhalo; 2 -ispušni raspori; 3 - okretna klapna kolektor ispušnih plinova; 3 - cilindar;
4 - ispušni raspori; 5 - ispirni raspori;6 - ventilator; 7 - resiver zraka;8 - hladnjak zraka
Otkrivanjem ispirnih raspora odvija se istodobno ispiranje i prisilni ispuh. Taj se proces završava zatvaranjem ispirnih raspora. Koeficijent zaostalih plinova u RD SULZER-motora je 0,10. Tim motorima ugrađena je okretna klapna, koja svojim okretanjem zatvara ispušne priključke prije nego stap zatvori ispušne raspored. Na taj način izmjena se plinova završava u trenutku okretanja klapne i onemogućuje gubitak punjenja. Pri gibanju stapa prema DMT u trenutku otvaranja ispušnih raspora, okretna je klapna otvorena.
SULZER RND-motorima, pri gibanju stapa prema gore, od trenutka prekrivanja ispušnih raspora do prekrivanja ispirnih raspora dolazi do gubitka u punjenju zrakom. Početak kompresije odgovara trenutku prekrivanja ispušnih raspora.
Povratno ispiranje cilindara karakteristično je po rasporedu ispušnih raspora iznad ispirnih, što omogućuje smještaj resivera zraka i kolektora ispušnih plinova na istoj strani motora. Pri gibanju stapa prema dolje prvo se otkrivaju ispušni raspori i događa se slobodni ispuh. U trenutku otvaranja ispirnih raspora počinje proces ispiranja i prisilnog ispuha. Na slici 2.29. shema je povratnog ispiranja MAN-motora.
63
Sl. 2.29. Shema povratnog ispiranjaMAN-motora1 - ispušni raspori2 - Ispirni raspori3 - okretna klapna
Nagib ispirnih raspora je prema dolje tako da se s udubljenjem u čelu stapa omogućuje oblikovanje karakterističnog strujanja zraka od stapa prema poklopcu cilindra i dalje prema ispušnim rasporima. Na velikom dijelu tog procesa istiskuju se produkti izgaranja zrakom koji ulazi u cilindar. Pri svršetku procesa miješa se zrak s ispušnim plinovima i nastaju gubici kroz ispušne raspore.
Koeficijent zaostalih plinova u ovim motorima iznosi od 0,08 do 0,09. Od trenutka prekrivanja ispirnih raspora do prekrivanja ispušnih raspora gubi se jedan dio zraka iz cilindra.
2.5. Proces kompresije u dizelskim motorima
64
2.5.1. Razmjena topline za vrijeme kompresije
Zadaća kompresije u dizelskim motorima je da povisi temperaturu komprimiranog zraka do temperature koja osigurava samozapaljenje uštrcanog goriva pri svršetku kompresije. Kompresija se obavlja gibanjem stapa od DMT prema GMT nakon zatvaranja usisnih ventila u 4TDM ili ispušnih i ispirnih raspora, odnosno ispušnih ventila u 2TDM.
U teorijskom procesu kompresija se odvija po adijabatskoj promjeni, koja se matematički može izraziti ovako:
(2.125.)
k - koeficijent adijabatske kompresije
p - tlak
V - obujam
Stvarni proces kompresije odvija se po politropnoj promjeni stanja plina, zbog razmjene topline s okolinom. Osim toga, u stvarnom procesu kompresije nastaju gubici zbog nesavršenosti brtvljenja ventila i stapnih prstena.
U početku kompresije, kad je temperatura zraka niža od temperature stijenka cilindra, toplina se predaje sa stijenka cilindra na zrak. Pri tomu je eksponent politrope (n') veći od eksponenta adijabate (k). Ovisno o kompresiji i povišenju temperature, predavanje topline od stijenka cilindra na zrak smanjuje se do jedne točke u kojoj je temperatura zraka jednaka prosječnoj temperaturi stijenka. Pri daljnjoj kompresiji temperatura stlačenog zraka postaje viša od prosječne temperature stijenka cilindra, pa toplina prelazi sa zraka na stijenke. Pri tomu je eksponent politropne kompresije manji od eksponenta adijabate n' < k.
2.5.2. Eksponent politropne kompresije
Prema eksperimentalnim podacima, brodskim se dizelskim motorima eksponent politropne kompresije n'1 mijenja od 1,1, na početku kompresije, do 1,5, na njezinu svršetku. Prosječna vrijednost eksponenta politropne kompresije u brodskim sporookretnim dizelskim motorima s hlađenjem stapova nalazi se u intervalu n1 = 1,34 -
1,38, a u srednjookretnim i brzookretnim n1 = 1,38 - 1,42.
Vrijednost eksponenta politropne kompresije ovisi o broju okretaja, dimenziji cilindra, opterećenju motora, intenzitetu hlađenja stapova i brtvljenju stapnih prstenova. S povećanjem broja okretaja raste eksponent politropne kompresije. Povećava li se opterećenje motoru, rast će vrijednost eksponenta politropne kompresije, jer se povisuje temperatura stijenka cilindra. Na početku kompresije predaje se veća količina topline, a pri svršetku njezino je odvođenje manje. Povećava li se intenzitet hlađenja stapova i košuljica, smanjivat će se eksponent politropne kompresije. Prema tomu, pri radu s manjim brojem okretaja i za vrijeme manevriranja potrebno je održavati temperaturu rashladne vode na gornjim vrijednostima preporučenog intervala. Gubici zbog propuštanja stapnih prstena i ventila također smanjuju vrijednost eksponenta politropne kompresije. Ako vrijednosti tlaka i obujma na početku kompresije označimo s indeksom (a), a na svršetku kompresije s (c), jednadžba politropne kompresije bit će:
pV pVa an
c cn1 1
(2.126)
Vrijednosti pa i pc dobivaju se iz indikatorskog dijagrama.
2.5.3. Parametri stlačenog zraka na svršetku kompresije
Tlak i temperatura plina na svršetku kompresije izračunavaju se iz izraza (2.162). Tlak se dobiva po formuli:
65
p pVV
pc aa
c
n
an
1
1e
(2.127)
e - stvarni stupanj kompresije
Dizelskim motorima bez nabijanja tlak na svršetku kompresije nalazi se u intervalu od 3 800 do 5 000 kPa, a dizelskim motorima s nabijanjem od 4 500 do 11.000 kPa. Temperatura plinova na svršetku kompresije izračunava se iz općepoznatoga termodinamičkog izraza za politropnu promjenu stanja plina:
T TVVc aa
c
n
1 1
(2.128)
Temperatura na svršetku kompresije u dizelskim motorima bez nabijanja je od 800 do 900 K, a u dizelskim motorima s nabijanjem od 900 do 1.100 K.
2.5.4. Stupanj kompresije
Odabir stupnja kompresije za brodske dizelske motore ovisi o tipu motora, brzohodnosti, sposobnosti stvaranja smjese zraka i goriva, tlaku nabijanja, konstrukcijskim karakteristikama i uvjetima iskorištavanja. Stupanj kompresije treba osigurati sigurno upućivanje motora, tj. mora osigurati samozapaljenje goriva u režimu upućivanja. Ti su zahtjevi ispunjeni ako je stupanj kompresije motora bez nabijanja najmanje 12, a motora s nabijanjem najmanje 11.
S povećanjem stupnja kompresije povećava se stupanj iskoristivosti motora. Zbog toga se nastoji koristiti što većim stupnjem kompresije. Međutim, povećava li se stupanj kompresije, raste tlak na svršetku kompresije, a prema tomu i opterećenje pojedinih dijelova motora. Povećavanje opterećenja pojedinih dijelova zahtijeva njihove veće dimenzije ili uporabu kvalitetnijih materijala za njihovu izradu. Zbog toga, brodskim 2TDM vrijednosti stupnja kompresije nalaze se u ovim intervalima:
11 - 15 kod sporookretnih
12 - 16 kod srednjookretnih
15 - 24 kod brzookretnih
U eksploataciji brodskih višecilindričnih dizelskih motora valja osigurati identičke radne procese i ravnomjeran raspored snage po cilindrima. Poradi toga potrebno je motoru regulirati rad tako da na svršetku kompresije bude tlak u svim cilindrima približno jednak. Redovito je u eksploataciji brodskih dizelskih motora dopušteno odstupanje prosječne vrijednosti tlaka na svršetku kompresije za 2%.
2.6. Izgaranje goriva i toplinsko opterećenje dizelskih motora
Ekonomičnost rada dizelskih motora uvelike ovisi o načinu izgaranja goriva i hlađenju cilindara motora, odnosno o količini topline koja se hlađenjem iz motora odvodi. Toplinsko opterećenje motora također ovisi o količini topline što se odvodi kroz jedinicu površine koja se hladi, npr. košuljice cilindra ili stapa.
2.6.1. Izgaranje u dizelskim motorima
Za kvalitetno izgaranje goriva u dizelskim motorima važno je stvoriti što ravnomjerniju smjesu zraka i goriva. Za stvaranje smjese u dizelskim motorima na raspolaganju je vrlo kratko vrijeme od
66
0,005 do 0,05 sekunda. U tom vremenu gorivo se rasprskava u sitne kapljice i ravnomjerno se raspoređuje u zrak koji se nalazi u prostoru izgaranja.
Rasprskavanje se obavlja u trenutku uštrcavanja goriva u cilindar kroz vrlo male rupice na sapnici rasprskača. Smjesa se stvara u cilindru za vrijeme uštrcavanja i izgaranja goriva. Na slici 2.30. prikazan je mlaz goriva koji se oblikuje na izlasku goriva iz rasprskača. Mlaz je karakteriziran kutom a i duljinom l. Kut rasplinjavanja je kut između osi dijametralno suprotnih mlazova.
Sl. 2.30. Mlaz goriva
Dužina i kut mlaza goriva, te kut rasplinjavanja moraju biti prilagođeni obliku komore izgaranja: plamen treba obuhvatiti, po mogućnosti , cijelu masu zraka u komori, ali čestice goriva ne trebaju dopirati do hlađenih površina, gdje se nakupljaju i koksiraju.
Broj mlazova uvjetovan je brojem provrta na mlaznici, Poželjan je veći broj; što ih je više, to je ravnomjernije raspoređeno gorivo u zraku komore izgaranja. Bez obzira na broj mlazova, gorivo i zrak ne bi bili dobro pomiješani ako se zrak ne giba. Prema tomu, za dobro oblikovanje smjese zraka i goriva prijeko je potrebno vrtložno strujanje zraka.
2.6.2. Rasprskavanje goriva
Dizelskim motorima gorivo se uštrcava u cilindar pod visokim tlakom koji se ostvaruje visokotlačnim sisaljkama. Tlak uštrcavanja goriva iznosi pri izravnom uštrcavanju od 20 do 200 MPa.
U sapnici su kanali dužine od 4 do 7 promjera provrta. Zbog trenja goriva o stijenke
provrta, brzina je strujanja različita. Ona je veća što je sloj goriva bliže osi mlaza. Pod
djelovanjem aerodinamičkog otpora mlaz se širi i raspada u pojedine čestice. Kut i dužina
mlaza ovisi o odlikama goriva, obliku kanala u mlaznici i otporu zraka.
Od odlika goriva, na proces rasprskavanja utječe njegova površinska napetost, viskozitet i gustoća. Kad je veća površinska napetost i veći viskozitet, odvajanje čestica goriva je otežano, kut se mlaza smanjuje, a dužina se povećava. Oblik provrta na sapnici utječe na uspostavu vrtložnog strujanja unutar struje goriva. Pri oštrim rubovima, hrapavim kanalima i njihovim znatnim dužinama gorivo se brzo razbija, kut se mlaza povećava, a dužina se skraćuje. Otpor strujanju goriva kroz zrak ovisi o brzini istjecanja iz provrta. Za nastanak dobre smjese brzina istjecanja goriva morala bi biti od 250 do 350 m/s. Veća brzina rezultira sitnijim i ravnomjernim česticama goriva i povećanjem brzine isparavanja goriva.
Brzina istjecanja goriva pri određenom obujmu ovisi o tlaku uštrcavanja i o ukupnom presjeku otvora. Za poboljšanje procesa stvaranja smjese potrebno je povećati brzinu i da brzina ima najveću vrijednost u trenutku kad završava uštrcavanje goriva.
Na slici 2.31. dijagrami su utjecaja tlaka uštrcavanja i promjera provrta na brzinu istjecanja goriva.
67
Sl. 2.31. Utjecaj tlaka uštrcavanja i srednjeg promjera provrta sapnice na brzinu istjecanja goriva
Tlak uštrcavanja u sporookretnim dizelskim motorima nalazi se u granicama od 25 do 90 MPa, a u srednjookretnima od 30 do 100 MPa.
Brzina istjecanja goriva izračunava se po izrazu:
iup p
2 103
(2.129.)
- brzina istjecanja goriva, m/s
i - koeficijent istjecanja
pu - tlak uštrcavanja, kPa
p - tlak plinova u cilindru, kPa
- gustoća goriva, kg/m3
Koeficijent istjecanja ovisi o stanju sapnice. Za sapnice s cilindričnim otvorima i glatkim površinama koeficijent se nalazi u intervalu od 0,7 do 0,8.
2.6.3. Komore izgaranja i stvaranje smjese
Dovod goriva u cilindar i njegovo rasprskavanje obavljaju se mehanički kroz otvore rasprskača visokog tlaka koji stvara sisaljka za gorivo. Proces izgaranja goriva u cilindru traje nekoliko milisekunda. Poradi toga gorivo mora biti raspršeno u najsitnije čestice, izmiješano sa zrakom, zagrijano i djelomično ispareno. Gorivo se pali kad je u parnom stanju.
Vrijeme za koje se ostvaruje fizička i kemijska priprema goriva od njegova ulaska u cilindar do trenutka njegova zapaljenja naziva se period kašnjenja zapaljenja. Vrijeme kašnjenja iznosi od 10 do 15% vremena uštrcavanja i izgaranja goriva, a ovisi o nizu čimbenika, npr.:
- temperaturi i tlaku u komori za izgaranje;
- vrsti goriva koje izgara;
- dimenzijama čestica goriva;
- kvaliteti miješanja goriva i zraka i ravnomjernosti raspodjele po obujmu cilindra.Proces miješanja goriva raspršenoga radi ravnomjernog raspoređivanja po komori za
izgaranje, naziva se stvaranje smjese. Kut okreta koljenastog vratila od početka ulaska goriva do dolaska klipa u GMT zove se kut preduštrcavanja.
68
Proces stvaranja smjese ovisi o probojnosti goriva, ravnomjernom rasprskavanju po komori izgaranja, obliku mlaza, srednjem promjeru kapljica, tlaku uštrcavanja, promjeru otvora mlaznice i promjeni tlaka u cilindru.
Kvaliteta stvaranja smjese posebno ovisi o učinkovitom miješanju zraka i goriva, koja ovisi o konstrukciji komore izgaranja. Postoje različite konstrukcije prostora izgaranja i mogu se podijeliti u dvije skupine:
a) nerazdijeljeni ili jednokomorni prostor izgaranja;
b) razdijeljeni ili višekomorni prostor izgaranja.
2.6.4. Jednokomorno stvaranje smjese
U jednokomornom stvaranju smjese gorivo se uštrcava neposredno u komoru izgaranja, koja se formira od glave stapa, poklopca i stijenka cilindra. Ravnomjerna raspodjela goriva po obujmu komore izgaranja postiže se primjenom mlaznice s više malih rupica promjera oko 0,15 mm. Broj rupica je od 4 do 12.
Kvaliteta smjese ovisi o vrtložnom strujanju zraka u komoru i broju mlazova goriva. Gorivo je potrebno uštrcavati okomito na smjer strujanja zraka.
Broj rotacija zraka u komori ovisi o broju mlazova goriva i kutu preduštrcavanja goriva. Vrtloženje zraka u jednokomornom izgaranju može se postići na ove načine:
1. u dvotaktnim motorima izvedbom kosih proreza za propuhivanje, tako da zrak
ulazi tangecijalno u cilindar;
2. u četverotaktnim motorima postavljanjem zaslona na pladnju usisnog ventila, što
stvara veliki otpor strujanju;
3. prikladnim oblikovanjem i smještajem usisne cijevi motora;
4. primjenom posebnih oblika prostora izgaranja prikladnih za stvaranje vrtloženja.Komora izgaranja u jednokomornom stvaranju smjese razvrstava se prema smještaju
glavnog dijela kompresijskog prostora na četiri skupine (sl. 2.32.).
I. - glavni dio kompresijskog prostora je u čelu stapa;
II. - glavni dio kompresijskog prostora je u poklopcu cilindra;
III. - kompresijski prostor smješten je dijelom u poklopcu cilindra, a dijelom u stapu;
IV. - kompresijski je prostor između dva stapa koji se gibaju u suprotnim smjerovima.
69
2.32. Sheme oblika i smještaja komora izgaranja
Najpovoljniji prostori za stvaranje smjese zraka i goriva dani su na slici 2.32. pod 2, 3, 5, i 8.
Kad oblik kompresijskog prostora u potpunosti ne odgovara obliku mlaza, za postizanje ravnomjerne raspodjele kapljica sapnice se rasprskača postavljaju pod različitim kutom prema osi rasprskača.
2.6.5. Višekomorno stvaranje smjese
Višekomorno stvaranje smjese prakticira se u motorima manjih promjera kojima se želi postići dobro miješanje zraka i goriva s relativno niskim tlakovima uštrcavanja goriva.
Višekomorno stvaranje smjese ostvaruje se u motora s pretkomorom, s vrtložnom komorom i akumulacijskom komorom.
Pretkomorno stvaranje smjese primjenjuje se u dizelskim motorima s promjerom cilindra manjim od 300 mm. Komora za izgaranje podijeljena je na pretkomoru smještenu u glavi cilindra i glavnu komoru, koja se nalazi između klipa poklopca i stijenke cilindra (sl. 2.33.).
Sl. 2.33. Shema prostora izgaranja motora s pretkomorom: 1 – poklopac cilindra; 2 - ventili; 3 - rasprskač; 4 - stap
Sl.2.34. Indikatorski dijagram motora s pretkomorom
70
Pretkomora je spojena s glavnom komorom jednim ili s više kanala kojih zbroj presjeka iznosi od 0,5 do 1% površine klipa. Obujam pretkomore je od 15 do 30% ukupnog obujma komore izgaranja. U pretkomori izgori oko 10 - 15% uštrcanog goriva.
Stvaranje smjese u pretkomornim motorima obavlja se na račun razvijene energije koja se dobiva pri djelomičnom izgaranju goriva u petkomori. Na slici 2.34. prikazani su tlakovi u pretkomori i
glavnoj komori, između 3 i 8 105 Pa. Razlika tih tlakova je od 3 do 8 bara i omogućuje da se oblikuje smjesa u glavnoj komori.
Sl. 2.35. Shema vrtložne komore: 1 - svjećica; 2 - rasprskač; 3 - ventil;4 - poklopac cilindra: 5 - stap; 6 - umetak
Gorivo koje se uštrca u pretkomoru samo djelomično izgara, zbog nedostatka kisika, ali ipak pri njegovu djelomičnom izgaranju tlak u pretkomori naglo raste i postaje veći od tlaka u cilindru. Gorivo koje nije uspjelo izgorjeti i produkti nepotpunog izgaranja struje kroz spojne kanale u cilindar.
Poradi većeg tlaka i brzine istjecanja, goruća se smjesa intenzivno miješa s glavnom masom u cilindru i gorivo potpuno izgara. Rasprskač se nalazi u sredini pretkomore, a uštrcava se kroz jedan otvor rasprskača promjera od 0,5 do 1 mm, pod tlakom od 8 do 15 bara.
Dobro stvaranje smjese u pretkomornim motorima osigurava potpuno izgaranje goriva pri relativno niskim vrijednostima pretička zraka (a) = 1,5 - 1,7.
Na slici 2.35. predočena je shema vrtložne komore smještene u glavi cilindra i spojene s prostorom iznad stapa spojnim kanalima. Vrtložne su komore obično u obliku šuplje kugle ili su cilindrična oblika.
Obujam vrtložne komore iznosi od 50 do 80% ukupnog obujma prostora izgaranja.
Spojni kanali izvedeni su tangencijalno na vrtložnu komoru i pod nekim kutom prema dnu klipa obično imaju ovalni presjek. Pri smještaju vrtložne komore u glavi cilindra presjek spojnih kanala iznosi od 1 do 3% površine klipa.
U procesu kompresije zrak se komprimira iz glavne komore kroz kanal u vrtložnu komoru i tako dobiva vrtložno strujanje. Rasprskač uštrcava gorivo u prostor vrtložne komore; on obično ima jedan provrt.
Pri izgaranju goriva tlak se u vrtložnoj komori povisuje. Dobro stvaranje smjese u motorima s vrtložnom komorom osigurava bezdimno izgaranje goriva pri pretičku zraka (a) = 1,3 - 1,4.
Za motore s vrtložnom komorom karakteristična je umjerena vrijednost maksimalnog tlaka.
Mane motora s pretkomorom, vrtložnom komorom i akumulacijskom komorom su:
a) složena konstrukcija poklopca cilindra;
b) otežano upućivanje u hladnom stanju;
c) povećana potrošnja goriva.
71
2.6.6. Proces izgaranja u dizelskim motorima
Proces izgaranja smjese goriva i zraka prikazan je dijagramom na slici 2.36. Izgaranje je podijeljeno u četiri faze:
A - B je period zakašnjenja paljenja goriva;
B - C je period izgaranja s naglim porastom tlaka uz približnu izohoričnu promjenu
stanja plina;
C - D period izgaranja pri malim promjenama tlaka;
D - E period dogorijevanja.
Prva faza je zakašnjenje samozapaljenja, a određuje se u indikatorskom dijagramu (slika 2.36.) početkom uštrcavanja goriva (točka A), a traje do početka odstupanja krivulje tlaka izgaranja od krivulje kompresije bez uštrcavanja goriva (točka B).
Sl. 2.36. Dijagram promjene tlaka i temperature pri izgaranju u cilindru
Dužina zakašnjenja samozapaljenja je kraća ako se određuje metodom registracije pojave svjetlosti koja nastaje pri prvoj pojavi plamena, a ne iz dijagrama.
Druga faza je brzo izgaranje i nagli porast tlaka u cilindru motora. U drugoj fazi izgara veliki dio goriva koje se uštrcava u I. fazi i dio goriva što se uštrca u II. fazi.
Od mjesta samozapaljenja plamen se širi u zone u koje je za vrijeme zakašnjenja zapaljenja uštrcano gorivo uspjelo ishlapiti i formiralo je smjesu zapaljive koncentracije. Uštrcavanje goriva završava obično u II. fazi. Motorima s velikim brojem okretaja, poradi poboljšanja stupnja iskoristivosti motora, cijela se količina goriva uštrcava u I. fazi.
Treća faza je određena pojavom maksimalnog tlaka (točka C), a završava pojavom maksimalne temperature plinova u cilindru (točka D).
Četvrta faza je dogorijevanje goriva u cilindru dizelskog motora. Zapaljiva se smjesa za vrijeme dogorijevanja oblikuje relativno sporo ako je količina neiskorišćenog zraka u komori izgaranja mala. Osim toga, u zonama izgaranja i okolo njih nalaze se produkti izgaranja goriva, što sve skupa smanjuje brzinu međusobne difuzije para goriva i zraka te brzinu izgaranja.
Vrijeme zakašnjenja zapaljenja iznosi od 0,001 do 0,005 sekunda. To vrijeme treba da je što kraće, a ovisi o cetanskom broju goriva, stupnju kompresije, o rasprskavanju goriva i vrtloženju, o broju okretaja i materijalu stapa.
2.6.6.1. Čimbenici koji utječu na kašnjenje samozapaljenja goriva
72
Period kašnjenja samozapaljenja goriva u cilindru dizelskih motora ovisi o više čimbenika, koji se mogu podijeliti na kemijske, fizikalne i konstrukcijske.
Kemijski sastav i sposobnost samozapaljenja goriva, koncentracija kisika i zaostalih plinova u komori izgaranja imaju znatan utjecaj na kašnjenje izgaranja.
Sposobnost rasplinjavanja goriva, sposobnost formiranja smjese, tlak i temperatura punjenja na svršetku kompresije jesu fizikalni čimbenika koji utječu na kašnjenje zapaljenja goriva.
U konstrukcijske čimbenike ubrajaju se: stupanj kompresije, konstrukcijsko rješenje komore izgaranja, broj okretaja osovine motora, kut preduštrcavanja goriva, toplinska vodljivost materijala stapa i intenzitet hlađenja stapa.
Od kemijskih čimbenika najveći utjecaj ima kemijski sastav goriva i samozapaljivost. Pogodna su goriva s većim cetanskim brojem.
Na slici 2.37 dijagram je s različitim krivuljama promjene tlaka pri izgaranju goriva s različitim sposobnostima samozapaljenja goriva.
Sl. 2.37. Dijagrami promjene tlaka pri izgaranju različitih goriva
Krivulje 1 i 2 dobivene su u radu motora s gorivom koje ima malo zakašnjenje samozapaljenja. U tim krivuljama vidi se relativno mala brzina prirasta tlaka. Krivulje 4 i 5 dobivene su u radu motora s gorivom kojemu je veliko zakašnjenje zapaljenja. Rezultat toga je velika brzina prirasta tlaka i veći maksimalni tlak. Povećavanjem koncentracije kisika i smanjivanjem zaostalih plinova skraćuje se period zakašnjenja zapaljenja goriva.
Tlak i temperatura zraka na svršetku kompresije imaju, također, bitni utjecaj na zakašnjenje samozapaljenja. Kad se povećavaju ti parametri, osobito u području njihovih relativno malih vrijednosti, vrijeme zakašnjenja samozapaljenja se skraćuje.
Sl. 2.38. Dijagram ovisnosti zakašnjenja samozapaljenja o temperaturi punjenja
Na slici 2.38. predočena je ovisnost zakašnjenja samozapaljenja o temperaturi zraka koji se
dovodi motoru u cilindar. Ispitivanja pokazuju da pri temperaturi do 400oC promjena temperature
punjenja bitno utječe na dužinu zakašnjenja samozapaljenja. Kad su temperature više od 400oC, promjena temperature punjenja neznatno utječe na kašnjenje samozapaljenja.
Konstrukcijski čimbenici utječu na samozapaljenje preko svog djelovanja na vrijednosti temperature i tlaka zraka na svršetku kompresije.
73
Krivulje na slici 2.39. prikazuju utjecaj stupnja kompresije e na period kašnjenja
samozapaljenja, dan u stupnjevima (o) okreta koljenaste osovine za goriva s raznim vrijednostima cetanskog broja.
Sl. 2.39. Utjecaj stupnja kompresije na period zakašnjenja samozapaljenja za razna goriva
Povećavanje stupnja kompresije e rezultira manjom osjetljivošću na promjenu cetanskog broja goriva.
Utjecaj broja okretaja motora na period zakašnjenja samozapaljenja prikazan je dijagramom na slici 2.40. Kad se povećava broj okretaja motora n, period zakašnjenja samozapaljenja se smanjuje.
Sl. 2.40. Dijagram ovisnosti perioda zakašnjenja samozapaljena o brzini okretaja vratila motora.
Smanjeni period zakašnjenja rezultat je povišenja temperature i tlaka punjenja pri svršetku kompresije. Pri tomu kut i, koji odgovara periodu kašnjenja i, povećava se prema odnosu i = 6ni.
2.6.7. Toplinska bilanca motora
Od ukupno dovedene topline u cilindar motora, u brodskih dizelskih motora, pretvara se u efektivni rad od 38 do 54%, a sve ostalo su toplinski gubici. Dio topline odvodi se s ispušnim plinovima a dio hlađenjem dijelova motora. Na slici 2.41. prikazan je Sankeyev dijagram u kojemu je dan grafički prikaz vanjske toplinske bilance.
74
Sl. 2.41. Sankeyev dijagram dizelskih motora
Qiz - toplina dovedena u cilindar izgaranjem goriva
Qis - toplina ispušnih plinova
Qhl - toplinska hlađenja
Qos - ostali gubici
Qef - efektivno iskorištena toplina
Jednadžba vanjske toplinske bilance može se dati u obliku
Q Q Q Q Qiz ef is hl os
Vanjska toplinska bilanca omogućuje procjenu savršenosti motora, služi kao polazište u projektiranju sustava hlađenja i podmazivanja, te određuje način najsvrsishodnijeg iskorištavanja toplinskih gubitaka.
Poradi velikih teškoća u proračunu toplinskih gubitaka u određenim sklopovima, toplinska bilanca određuje se eksperimentalno u ravnotežnim radnim režimima, prema karakteristikama (težinska, vijčana i sl.) u odgovarajućim uvjetima eksploatacije motora.
Sl. 2.42. Raspored topline u brodskom dizelskom motoru s nabijanjem
Na slici 2.42. dijagram je rasporeda topline u motora s nabijanjem:
Q1 - toplina koja se dovodi u cilindar motora gorivom, J/kg
Q2 - toplina pretvorena u indicirani rad
Q3 - toplina pretvorena u efektivni rad
Q4 - toplina koja se odvodi hlađenjem zraka vodom
Q5 - toplina koja se odvodi hlađenjem cilindra
75
Q6 - toplina koja se odvodi hlađenjem ispušne cijevi
Q7 - toplina hlađenja turbokompresora
Q8 - toplina trenja koja se odvodi vodom
Q9 - toplina dovedena u motor stlačenim zrakom
Q10 - toplina kompresora
Q11 - toplina usmjerena prema turbokompresoru
Q12 - toplina koja osigurava rad plinske turbine
Q13 - toplina odvedena hlađenjem dijelova uljem
Q14 - toplina plinova pri izlazu iz plinske turbine
Q15 - toplina odvedena iz kompresora uljem
Q16 - toplina trenja u motoru
Q17 - toplina trenja dijelova motora odvedena uljem
Q18 - toplina neobuhvaćenih toplinskih gubitaka
Q19 - toplina odvedena vodom
Vanjska bilanca topline za ovaj motor dana je ovim izrazom:
Q Q Q Q Q Q1 3 13 14 18 19
Q G Hh d1
Q Pe3 3600
Q G c T Tu u u u13 2 1
Q G c T G T cp p p z z14 2 1
Q G c T Tv v v v19 2 1
Q18 - u neobuhvaćene toplinske gubitke ubraja se toplina koja se predaje okolini,
gubici zbog nepotpunog izgaranja goriva itd.
Gh - potrošak goriva za sat, kg/h
Hd - toplinska vrijednost goriva, J/kg
Pe - efektivna snaga motora, W
Gu - masa ulja za hlađenje, kg
cu - toplinski kapacitet ulja, J/kg
T2u, T1u - temperature ulja na izlazu i ulazu hladnjaka, K
Gp - masa ispušnih plinova, kg
cp - toplinski kapacitet ispušnih plinova, J/kg
T2p - temperatura plinova na izlazu iz plinske turbine, K
Gz - masa zraka, kg
T1 - temperatura zraka na ulazu u motor, K
cz - toplinski kapacitet zraka, J/kg
Gv - masa vode hlađenja, kg
cv - toplinski kapacitet vode, J/kg
76
T Tv v2 1, temperature vode na izlazu i ulazu hladnjaka, K
2.6.8. Toplinsko opterećenje dizelskih motora
Kako se vidi iz toplinske bilance, toplina u cilindru motora djelomično se pretvara u mehaničku energiju, a ostalo su gubici topline koja se odvodi ispušnim plinovima i hlađenjem. Radna sposobnost dijelova koji formiraju radni prostor ocjenjuje se prema termičkim i mehaničkim naprezanjima. Osnovni pokazatelj toplinskog stanja je temperatura na raznim mjestima pojedinih dijelova.
Radna sposobnost prema toplinskom stanju određuje se na osnovi vrijednosti temperature u pojedinim točkama i uspoređujući ih s dopuštenima. Pregledno predočene vrijednosti temperatura daju temperaturna polja. Prema tim poljima (sl. 2.43.) moguće je vidjeti toplinski najopterećenija mjesta i poduzeti mjere da se ona smanje, kao što je promjena oblika, mogućnost hlađenja, zamjena materijala itd.
Prema ispitivanjima, vrijednosti temperatura stapa ovise o materijalu, tako su one:
300 - 350oC za lake slitine;
400 - 450oC za lijevano željezo;
450 - 500oC za čelik:
Za dijelove koji se hlade uljem dopuštene vrijednosti temperatura ovise o rabljenom ulju. Za ulja
koja služe za hlađenje te su temperature između 300 i 400oC.
Sl. 2.43. Temperaturna polja stapa i košuljice Sulzer-motora: a) stap hlađen uljem(pe=700 kPa); b) stap hlađen vodom (pe=1 000 kPa)
Ako temperatura prekorači dopuštene vrijednosti, formira se sloj laka i gareži, koji stvaraju termički otpor, smanjujući odvođenje topline. Postupni nastanak gareži izaziva porast temperature
stapa i do 100oC, zapečenje prstena, pukotine na stapu zbog rasta termičkih naprezanja.
Temperature na poklopcu cilindra ograničene su pojavom raznih koncentracija naprezanja, kao što su otvori za ventile, kanali itd. Ovisno o materijalu one su:
170 - 250oC za lake slitine
250 - 300oC za lijevano željezo;
300 - 350oC za čelik;
Približna ocjena radne sposobnosti stapa, košuljice i poklopca cilindra može se dati prema kriterijima toplinskog naprezanja, koji označuju osnovne uvjete za rad motora.
77
Prvi je dan omjerom naprezanja za neki materijal pri radnoj temperaturi prema uvjetnom termičkom naprezanju u stijenkama na promatranom radnom režimu motora.
K d
t1
q tst
st
D
KE qd st
t st1
Taj je kriterij uvjetni koeficijent pričuve čvrstoće, koji karakterizira sigurnost konstrukcije stapa. On obuhvaća fizikalno-mehaničke odlike materijala stijenka i veličinu toplinskog toka.
t - konstrukcijski faktor st -
debljina stijenke
E - modul elastičnosti materijala t - uvjetno termičko
naprezanje
st - veličina toplinskog tijeka d - dopušteno
naprezanje
za dani materijalNa osnovi analize eksperimentalnih podataka za sporohodne dizelske motore, taj kriterij za donji dio stapa iznosi 1,1.
Drugi kriterij dan je omjerom kritične temperature na kojoj se formira sloj laka (Tlak) cilindričnog ulja
prema temperaturi iznad prvog stapnog prstena (Tk1),
KTTlak
k2
1
1
Treći kriterij izražen je omjerom temperatura stijenka košuljice Tko u predjelu prvog stapnog
prstena, kad je stap u GMT, prema temperaturi točke rosišta vodene pare (TrH2O):
KTT
ko
r H O3
2
1 .
Taj je kriterij važan za motore koji rade s gorivom u kojemu ima sumpora.
Četvrti kriterij određuje vijek trajanja para stapnih prstenova i košuljice. On je dan omjerom kritične temperature uljnog filma (temperature pri kojoj se stvara opna ulja) i temperature gornjeg dijela košuljice:
KTTkr
ko4 1
Kritična temperatura uljnog filma karakteristična je po naglom smanjenju viskoznosti ulja na površini košuljice cilindra, što dovodi do promjene režima trenja, tako da se hidraulično trenje pretvara u trenje poluokvašenih površina, ili čak u suho trenje.
Toplinsko opterećenje cilindra također se ocjenjuje prema toplinskom toku, odnosno prema količini topline koja prolazi kroz jedinicu rashladne površine u jedinici vremena:
qQAcil , W/m2
A A A A 1 2 3
Qcil- toplina odvedena po cilindru rashladnom vodom u jedinici vremena
A - površina preko koje se odvodi toplina, m2
A1 - površina poklopca cilindra, m2
A2 - površina stapa
A3 - površina stijenke cilindra; uzima se samo pola površine jer izgarni plinovi ne
djeluju na košuljicu za cijelo vrijeme stapaja
78
Toplinsko se opterećenje povećava s porastom dijela topline koja se odvodi rashladnom vodom, s brojem okretaja, s povećanjem prosječnoga efektivnog tlaka i porastom specifičnog potroška goriva itd.
79
Dinamika stapnog mehanizma
_____________________________________________________________________
3.1. Sile tlaka plinova na stap
3.2. Sile izazvane gibanjem masa jednocilindričnog motora
3.3. Djelovanje komponenata sila
3.4. Izjednačivanje djelovanja masa
3.5. Nejednolikost okretnog momenta
3.6. Proračun zamašnjaka
_____________________________________________________________________
3. Dinamika stapnog mehanizma
Ravnomjernost rada motora ovisi o silama stapnog mehanizma. Taj mehanizam omogućava pretvaranje pravocrtnog gibanja stapa (klipa) u kružno gibanje koljenaste osovine. S obzirom na periodično ponavljanje pojedinih dijelova
80
radnog procesa, neprestano se događa mijenjanje brzine stapa i tlaka plinova koji djeluju na čelo stapa.
Za vrijeme dok motor radi na stapni mehanizam djeluju ove sile:
- sile tlaka plinova na stap;
- sile inercije pokretnih masa;
- sile teže dijelova stapnog mehanizma;
- sile trenja u zglobovima mehanizma.
Sile trenja u usporedbi s drugim silama nisu velike, a ovise o više čimbenika, npr. o hrapavosti dijelova koji se taru, o uvjetima podmazivanja, toplinskom režimu, zračnosti, tako da se ne mogu točno izračunati. Zbog toga u dinamičkom proračunu one se ne uzimaju u obzir, već se obuhvaćaju s mehaničkim koeficijentom iskoristivosti kao dio mehaničkih gubitaka.
3.1. Sile tlaka plinova na stap
Tlak plinova (px) koji djeluje na površinu stapa je:p p px xi o (3.1.)
pxi - trenutni indicirani tlak, Pa
po - tlak okolne atmosfere ili tlak prednabijanja, Pa
Trenutna sila koja djeluje na stap je:
Fd
px2
4 , N (3.2.)
d - promjer stapa, m
Sila koja djeluje na stap označava se s +, a ona što djeluje na poklopac s -.
Sila od tlaka plinova koja djeluje na stap F može se rastaviti na dvije komponente:
FF
oj cos (3.3.)
F Fn tan (3.4.)
- kut ojnice prema osi cilindra
Fn - komponenta sile okomita na kliznu stazu
Foj - komponenta sila u pravcu ojnice
81
Sl. 3.1. Rastavljanje sila stapnog mehanizma
Foj djeluje i na osnac osnog koljena, pa se prenesena u središte osnaca može rastaviti u dvije komponente:
- tangentnu:
F F Ft oj
sin( )sin( )
cosa a
(3.5.)
koja djeluje u tangencionalno smjeru na kružnicu polumjera r;a- kut osnog koljena prema osi cilindra,
- radijalnu:
F F Fr oj
cos
cos
cosa
a
(3.6.)
Ta sila djeluje u smjeru osnog koljena.
Prenese li se Fr u smjeru djelovanja u središte osovine motora i označi se s
F'r i ako se tu zamisli djelovanje sila F’t jednaka + Ft i - F’t, onda -F't s +F't pravi par
sila s razmakom ( r ). Moment tih sila proizvodi okretanje osovine i naziva se okretni moment motora (Mz):
(3.7.)
Na slici 3.2. predočene su krivulje promjene tangencijalnih sila nastalih djelovanjem tlaka plinova u cilindru motora. Dijagrami su rezultat proračuna tangencijalnih sila za motor sa 6 cilindara, s pomakom kuta od 60° kuta koljenaste osovine između susjednih cilindara prema redosljedu paljenja, =0,2 (odnos polumjera koljenaste osovine (r) i dužine ojnice (l)), hod stapa 1,6 m i prosječnim indiciranim tlakom 16,5 bara 8.
82
Sl.3.2. Dijagrami promjene tangencijalnih sila od tlaka plinova u motoru sa 6 cilindara
Iz dijagrama na slici 3.2. može se uočiti znatna neuravneteženost tangencijalnih sila koje nastaju poradi djelovanja tlaka plinova u cilindru motora.
Suprotno okretnom momentu djeluje otpor okretanja brodskog vijka. Sila F't i F’r s hvatištem u osi koljenaste osovine mogu se opet sastaviti u rezultirajuću silu F'oj. Ta sila opterećuje ležaj, a može se rastaviti na vertikalnu F' = F i u silu -Fn.
Sili F u osnovnom ležaju koljenaste osovine djeluje suprotna sila -F na poklopac cilindra. Te dvije suprotne sile naprežu kućište stroja na vlak i ne prenose se na temelj na koji je motor postavljen. Sile Fn i -Fn čine par sila s razmakom (h). Moment tog para sila jednak je Mz, ali djeluje u suprotnom smjeru i nastoji motor prevrnuti obratno smjeru okretanja koljenaste osovine.
Moment Mpr = F h tan = Mz zove se moment prevrtanja, a mora ga preuzeti temelj na kojemu je motor vijcima pričvršćen. Mpr je u ravnoteži s momentom sila reakcije F1 i F2 (F1 je reakcija od pritiskanja na temelj, a F2 reakcija od rastezanja pričvrsnih vijaka). Preko temelja prenosi se taj moment na brodski trup.
3.2. Sile izazvane gibanjem masa jednocilindričnog motora
Pri gibanju stapnog mehanizma nastaju sile rotirajućih masa (osno koljeno, osnac osnog koljena, donji dio ojnice s donjim ležajem) i sile inercije oscilacijskih masa (stap ili klip, stapajica, križna glava, gornji dio ojnice s gornjim ležajem).
3.2.1. Sile rotirajućih masa
Sila neuravnoteženih rotirajućih masa je centrifugalna sila:
(3.8.)
r - polumjer osnog koljena
n30
- kutna brzina osnog koljena
mr - masa rotirajućih dijelova reducirana na središte osnaca osnog koljena
83
Ako težište neke rotirajuće mase nije u središtu osnaca osnog koljena, nego je udaljeno za od središta osnaca, onda se masa mo tog dijela, kod redukcije na
središte osnaca, mora multiplicirati s r
. Prema tomu je reducirana masa ramena
m mrr o o,
, a budući da su dva ramena, to se za jedno osno koljeno mora uzeti
2m r o, . Rotirajuća masa donje glave ojnice s donjim dijelom ojnice izračunava se iz formule:
m malr oj oj. (3.9.)
l - dužina ojnice između dva središta ležaja
moj - cijela masa ojnice
a - udaljenost središta gornje glave od težišta S ojnice
Sl. 3.3. Dinamički modeli: a - ojnice; b - koljenaste osovine
m m m mr r os r o r oj . . .2 (3.10.)
mr.os - reducirana masa osnaca
Za ostatak mase ojnice mbloj
pretpostavlja se da izvodi oscilacijsko gibanje.
b- udaljenost središta donje glave od težišta (s) ojnice,
mr - zbroj rotirajućih masa reduciranih na središte osnaca.
Suvremenim brzookretnim motorima vrijednost mr.os kreće se u granicama od 0,3 do 0,4 moj. Manje se vrijednosti odnose na motore s većim brojem okretaja.
Sporookretnim motorima s križnom glavom bit će .
3.2.2. Sila inercije oscilacijskih masa
Sila inercije masa s oscilacijskim gibanjem periodički je promjenljiva sila koja djeluje u smjeru osi cilindra. Ukupna masa (ms) sastoji se od masa koje se gibaju gore-dolje, tj. izvode čisto linearno oscilacijsko gibanje (mosc) (stap, stapajica, križna glava, itd.), i
jednog dijela mase ojnice, mbloj za koji se računa da također izvodi linearno
oscilacijsko gibanje:
84
m m mbls osc oj (3.11.)
Sile inercije masa s oscilacijskim gibanjem jednake su produktu mase s njezinim ubrzanjem ili usporenjem. Da bi se odredilo ubrzanje, treba put stapa (x) izraziti kao funkciju kuta osnog koljena (a).
Sl. 3.4. Shema stapnih mehanizama dizelskih motora
Prema slici 3.4. može se uspostaviti veza između puta (x) i kuta (a) kako slijedi:x r l r l cos cosa (3.12.)
Sl. 3.5. Utjecaj parametra na promjenu tangencijalnih sila i okretnih momenata
Iz dijagrama na slici 3.5 vidi se utjecaj odnosa promjera koljenaste osovine i dužine ojnice: pri malim vrijednostima od 0,2 do 0,5 promjena tangencijalnih sila je relativno pravilna, ali pri većim vrijednostima nepravilnost je sve više izražena. Pri malim vrijednostima , manja je komponenta Fn okomita na kliznu površinu klipa ili klizne stope. Dakle, može se zaključiti, vrijednost parametra ne smije biti veći od 0,5, a preporučuje se granice od 0,2 do 0,3.
Ako je omjer polumjera osnog koljena prema duljini ojnice:
rl
(3.13.)
onda je:
85
sin sin sin a a rl
cos sin2 21
cos sin sin a 1 1212 2 2
12
Taj izraz razvijen u binomni red daje:
cos sin sin ... a a
112
12 4
2 2 4 4
Vrijednost za brodske dizelske motore je u granicama od 0,2 do 0,28, pa je za praktične proračune dostatno uzeti prva dva člana reda:
cos sin a 112
2 2 (3.14.)
x r
112
2cos sina a (3.15.)
Ako se put stapa derivira po vremenu, dobiva se brzina stapa (v).
vdxdt
dxd
ddt
dxd
a
aa
(3.16.)
- kutna brzina osnog koljena
Ubrzanje stapa izračunava se deriviranjem brzine po vremenu:
advdt
dvd
ddt
dvd
a
aa
a r a a2 2cos cos (3.17.)
Sila inercije oscilirajućih masa Fa je:
Fa = -m's a
(3.18.)
Označi li se:
F m rI s 2 (3.19.)
F m rII s 2 (3.20.)
Silu Fa može se napisati kako slijedi:F F Fa I II cos cosa a2 (3.21.)
FI cosa - sila inercije prvog reda
- sila inercije drugog reda
Amplituda sile FI veća je od FII za 3,5 do 5 puta.
Sila Fa djeluje pri ubrzanju oscilacijskih masa (I. i III. kvadrant) suprotno smjeru gibanja stapa, pa ako pri tom smanjuje tlak plinova, daje joj se predznak (-), a dok pri usporenju (II. i IV. kvadrant) djeluje u smjeru gibanja stapa i ako povećava silu koja djeluje na stap zbog tlaka plinova, daje joj se predznak (+).
86
U mrtvim točkama sila inercije oscilirajućih masa ima ove vrijednosti:
GMT F m roa s( );a 0 12 djeluje prema gore;
DMT F m roa s( );a 180 12 djeluje prema dolje.
Sila inercije oscilirajućih masa periodički raste i pada ovisno o kutu a i može se dobiti zbrajajući sile prvog i drugog reda.
Sl. 3.6. Zbrajanje inercijskih sila oscilirajućih masa I. i II. reda
FI je vektor sile inercije prvog reda (FI cosa)
FII je vektor sile inercije drugog reda (FII cos2a)
Inercijske sile oscilirajućih masa djeluju u osi cilindra, dok centrifugalna sila Fc
rotirajućih masa djeluje radijalno u smjeru osnog koljena.
Fc se može rastaviti u:
- vertikalnu komponentu Fc.v.. = mr r 2cosa;
- horizontalnu komponentu Fc.h. = mr r 2sina.
Sl. 3.7. Centrifugalna sila i njezine komponente
87
3.3. Djelovanje komponenata sila
Centrifugalna sila je prvog reda i istog smjera kao FI. Vertikalna komponenta centrifugalne sile rotirajučih masa Fc.v.. pribraja se sili inercije I. reda FI cosa oscilacijskih masa. Ako se zbroje vertikalne komponente I. i II. reda, dobiva se:
F F FI v I c. cos cos a a (3.22.)F FII v II. cos 2a (3.23.)
Vertikalna komponenta I. reda nastoji motor pritisnuti ili podići s temelja jedanput za svaki okretaj, a vertikalna komponenta II. reda dvaput za svaki okretaj.
Horizontalna komponenta Fc.h..=mrr2 sina nastoji motor periodički pomicati
desno-lijevo.
Fa = FI cosa+FII cos2a oscilirajućih masa može se rastaviti u iste komponente kao i sila koja potječe od tlaka plinova izgaranja tj.
FF
oj aa
. cos
Foj a. - inercijska sila oscilirajućih masa u smjeru ojnice
F Fn a a. tan (3.24.)Fna. - komponenta sile inercije okomita na os cilindra
F
Fr a
a.
cos
cos
a
(3.25.)
Fr a. - komponenta sile inercije u smjeru osnog koljena
F Ft a a.
sin
cos
a
(3.26.)
- komponenta sile inercije u smjeru tangente
M F
rz a A.
sin
cos
a
(3.27.)
M z a. - okretni moment uzrokovan djelovanjem inercijske sile
M Mpr a z a. . (3.28.)M pr a. - moment prevrtanja uzrokovan inercijskom silom
Kod sile oscilirajućih masa nema suprotne sile koja bi opterećivala poklopac cilindra.
Inercijsku silu mora prihvatiti temelj motora. Sile inercije oscilacijskih masa opterećuju ležajeve i klizne staze križnih glava u smjeru suprotnomu sili tlaka izgarnih plinova, tako da tlakovi u ležajevima i na kliznim stazama i polužju postaju manji, a okretni moment i moment prevrtanja postaju ravnomjerniji.
Na slici 3.8. dan je dijagram sila dizelskog motora pri kojem je masa dijelova s oscilirajućim gibanjem 4100 kg i prosječnim tlakovima plinova izgaranja 16,6 bara.
Fp - sila tlaka plinova, Fa - sila inercije i FR - rezultanta sila stapnog mehanizma.
88
Sl. 3.8. Utjecaj mase i tlakova plinova na rezultantu sila stapnog mehanizma a - m=6000 kg, b - m=2000 kg
Pri malom broju okretaja opterećenja dijelova mehanizma su velika kad djeluju uglavnom samo tlakovi plinova. Kad se povećava broj okretaja, padaju opterećenja do određenog minimuma jer sile oscilirajućih masa djeluju suprotno. Pri daljnjem porastu broja okretaja sile oscilirajućih masa prevladavaju jer rastu proporcionalno s kvadratom broja okretaja.
Brzookretnim motorima moraju oscilirajući dijelovi biti što lakši. Tako se Al-slitina upotrebljava za klipove, šupljine u osnacima, primjenom čelika visoke čvrstoće i dobrim oblikovanjem napregnutih dijelova.
Sl. 3.9. Dinamičko opterećenje stapnog mehanizma ovisno o brzini okretaja
Inercijske sile oscilirajućih masa povoljno djeluju na podmazivanje jer opterećuju čas jednu čas drugu polovicu ležaja. Svornjaci križnih glava ili osovinice klipova sporookretnih 2TDM osobito su jako opterećeni jer su tlačnim silama plinova stalno pritisnuti samo s jedne strane. U velikim sporookretnim 2TDM sile oscilirajućih masa samo malo rasterećuju navedene dijelove od sile tlakova plinova, pa se mora svornjak križne glave jače dimenzionirati i upotrijebiti tlačno podmazivanje.
U višecilindričnim motorima, svrha je izjednačivanja djelovanja masa da se odrede tako kutovi osnih koljena, odnosno red paljenja cilindara, kako bi se inercijske sile pojedinih cilindara i njihovi momenti međusobno poništavali.
FI cosa i FIIcos2a djeluju u pravcu osi cilindra, a Fc djeluje u ravnini koja prolazi kroz os cilindra i okomita je na osovinu motora. Zbog razmaka cilindara sile Fc’
FIcosa i FII cos2a uzrokuju momente Mz, MI i MII, koji nastoje kućište motora
89
prevrnuti i pomaknuti ili uzrokovati vibracije. Sile Fc1, Fc2 itd., odnosno njihove vertikalne komponente Fccosa, uzrokuju momente oko ravnine S - S na slici 3.10. u kojoj se nalazi težište stroja, pa se dobiva:
M F hc c1 1 1 1 cosa
M F hc c2 2 2 2 cosa itd.
Momenti horizontalnih komponenata Fc1sina1h1, Fc2sina2h2 itd. nastoje stroj zaokrenuti oko vertikalne osi koja ide kroz težište, ali to se u proračunu obično zanemaruje.
Momenti MI i MII djeluju na prevrtanje u uzdužnom smjeru, a mogu se napisati kako slijedi:
M F hI I1 1 1 cosa
M F hI I2 2 2 cosa itd.
M F hII II1 1 12 cos a
M F hII II2 2 22 cos a itd.
Radi izjednačivanja sila mogu se vektori sila pojedinih cilindara Fc, FI i FII grafički zbrajati vodeći računa o pripadnim kutovima a. Tako se dobivaju poligoni s rezultirajućim vektorima Fc.r, FIr i FIIr; ako su ti vektori jednaki ništici, sustav sila je izjednačen. Većini višecilindričnih motora moguće je izjednačiti inercijske sile (osim za 1, 2 i 4 cilindra), dok momenti većine motora ostaju neizjednačeni, pa ih mora preuzeti konstrukcija.
Sl. 3.10. Shema djelovanja inercijske sile u dvotaktnom četverocilindričnom motoru
3.4. Izjednačivanje djelovanja masa
90
Djelovanje rotirajućih i oscilirajućih masa (sile i momenti) da se u višecilindričnim motorima potpuno ili djelomično poništiti određivanjem najpovoljnijih kutova osnih koljena ili najpovoljnijeg reda paljenja motora. Sile i momenti koji se tako ne mogu ukloniti daju se djelomično ili sasvim izjednačiti protuutezima ili ih mora preuzeti konstrukcija motora. Potpuno se utezima poništava samo djelovanje rotirajućih masa.
Da bi se djelovanje rotirajućih masa (mr) reduciranih na polumjer izjednačilo,
treba biti:
mu - masa protuutega
ru - udaljenost težišta masa protuutega od osi koljenaste osovine
Sl. 3.11. Protuuteg za izjednačivanje
Fa (sila koju uzrokuju oscilacijske mase) ne može se potpuno izjednačiti protuutezima.
Centrifugalna sila koju stvara protuuteg je sila prvog reda s frekvencijom
n
30, a mijenja se po sinusoidi, dok se Fa osim od sile prvog reda s frekvencijom
sastoji i od sile drugog reda frekvencije 2, koja se ne može izjednačiti sa silom prvog reda. Zbog toga se izjednačuje samo sila FIcosa, a FIIcos2a preuzima konstrukcija. Sila Fu što je daje protuuteg ima vertikalnu komponentu koja
izjednačuje FIcosa i horizontalnu komponentu Fusina koja ostaje neuravnotežena. Da se izbjegne prejako djelovanje horizontalnih komponenata protuutega, uzima se za izjednačivanje komponenata FIcosa obično samo pola mase od one koja bi trebala za potpuno izjednačavanje. Ukupni će se protuuteg dimenzionirati za potpuno izjednačenje rotirajućih masa i za polovicu izjednačenja sile prvog reda oscilirajućih masa:
m r m r m ru u r s 2 2 212
ms - oscilirajuća masa
Protuutezi moraju biti smješteni tako da glavna osovina bude, s obzirom na djelovanje centrifugalnih sila, statički i dinamički uravnotežena.
91
Četverocilindrični motor ima izjednačene inercijske sile prvog reda i sve momente u slučaju kad nema protuutega na remenu. U tom su slučaju osnovni ležaji više opterećeni nego kad se izvrši uravnoteženje kao na slici.
Sl. 3.12. a - Izjednačivanje rotirajućih masa; b - uravnotežena osovina motora sčetiri cilindra; c - uravnotežena osovina s utezima četverocilindričnog motora
Mc = Mu momenti su potpuno uravnoteženi pa su ležajevi rasterećeni.
U 2TDM izbjegava se postavljanje osnih koljena u istom smjeru jer bi se više cilindara palilo u istom trenutku, što bi nepovoljno djelovalo na jednolikost tangencijalnih sila i okretni moment.
3.5. Nejednolikost okretnog momenta
Moment Mz stapnom se stroju mijenja periodički, i to u 2TM u jednom okretaju, a u 4TM u dva okretaja. U GMT i DMT Mz = 0.
Promjenu okretnog momenta izaziva:
1. nejednolik hod stapa stroja;
2. torzijske vibracije koljenaste osovine i osovinskog voda;
3. neujednačen zahvat zupčanika;
4. uvijanje glavne i bregaste osovine dugih motora;
5. trešnja u ležajevima osnih koljena u brzookretnim motorima.
Umjesto promjenljivog okretnog momenta Mz = Ft r obično se promatra promjena tangencijalnih sila:
92
F Ft r osc
.sin( )
cosa (3.29.)
F F Fr osc a. (3.30.)
Fr.osc - rezultirajuća oscilirajuća sila sastavljena je od sile na stap (F) i sile
inercije (Fa) oscilirajućih masa
F - iz indikatorskog dijagrama
pix - trenutni indicirani tlak
Fa - sila inercije oscilirajućih masa
Za određivanje Ft mjerodavna je rezultirajuća sila osciliranja.
Sl. 3.13. Grafičko određivanje tangencijalnih sila
Rezultirajuća sila oscilacija nanosi se na smjer trenutnog položaja osnog koljena. Crtkana linija, paralelna s pravcem ojnice, odsijeca na simetrali a-a dužinu koja je proporcionalna tangencijalnoj sili Ft.
Umjesto sila F, Fa, Fr.osc i Ft mogu se uzeti pri konstrukciji te sile podijeljene površinom stapa, odnosno izražene kao tlakovi.
Nejednolikost hoda koji nastaje zbog promjene tangencijalnih sila mjeri se stupnjem nejednolikosti , koji je jednak omjeru razlike maksimalne i minimalne kutne brzine i prosječne kutne brzine:
V V
vmaks min (3.31.)
maks maksn n
nmin min
maks min
2, (rad/s)
Stupanj nejednolikosti morao bi se nalaziti u ovim granicama:
Pogon osovine brodskog vijka 0,045 do 0,033.
Pogon brodskoga generatora istosmjerne struje 0,01 do 0,007.
Pogon brodskog generatora izmjenične struje 0,007 do 0,005.
Pogon brodskih generatora ako rade paralelno 0,004 do 0,003.
93
Prosječni okretni moment i prosječna tangencijalna sila mogu se odrediti iz indicirane snage motora pomoću slijedećih formula:
P F rn
Mi t z 260
, W
MP
zi , Nm (3.32.)
Ovisnost prosječne tangencijalne sile o prosječnom tlaku u cilindru daje se slijedećim formulama:
PD
S p i z F ri i t 2
4 2
FD
p i zt i 2
4, N (3.33.)
S = 2r
i - broj radnih stapaja po okretaju
z - broj cilindara motora
MP
zz - prosječni okretni moment na spojci motora
Stupanj nejednolikosti motora je manji što je više cilindara i što je djelovanje zamašnih masa veće.
Kinetička energija tijela koje se okreće oko nepomične osi općenito je:
, J (3.34.)
E maks2
2
2
- moment tromosti masa koje rotiraju
Višak rada koji je proizvelo povećanje kinetičke energije rotirajućih masa je:
DLmaks
2 2min , J (3.35.)
- stupanj nejednolikosti
Ako se DL odredi planimetrijski iz dijagrama, a je zadano, može se izračunati ukupni moment tromosti rotirajućih masa potreban da se ostvari zadani stupanj nejednolikosti, tj:
D DL L
n2 2 2
900(3.36.)
U slučaju da moment tromosti postojećih rotirajućih masa nije dostatan, može se nedostatak nadoknaditi zamašnjakom.
Moment tromosti rotirajućih masa može se izraziti s promjerom tromosti kako slijedi:
(3.37.)
94
m - masa rotirajućih dijelova
D - promjer tromosti
U praksi se često rabi zamašni moment GD2 umjesto momenta tromosti rotirajućih masa:
GD gg L g L
n2
2 2 244 3600
D D, Nm2 (3.38.)
Moment tromosti rotirajućih masa dobiva se pomoću zamašnog momenta
GD
g
2
4(3.39.)
G - težina rotirajućih dijelova u N
g - 9,81 m/s2
D - promjer tromosti
3.6. Proračun zamašnjaka
Zamašni je moment svih rotirajućih masa GD2, na brodskoj osovini sastavljen od zamašnih momenata motora, osovine i brodskog vijka:
GD GD GD GDmot vijka os
2 2 2 2
Ako su poznati GD GD GDmot vijka os
2 2 2, , , može se izračunati potreban GD2 zamašnjaka, a odatle i dimenzije zamašnjaka. Zamašnjaku koji ima srednji promjer vijenca Dv sr. jednak promjeru tromosti zamašnjaka ( )Dz , može se težina vijenca ( ).Gv z računati prema:
G Dg L g L
nv z v sr. .
22 2 2
4 3600D D
Gg L
D
g L
D nv z
v sr v sr.
. .
4 3600
2 2 2 2 2
D D , N (3.40.)
Težina cijelog zamašnjaka (Gz) približno se uzima (skupa s glavinom):
G Gz v z11, . (3.41.)
- težina vijenca zamašnjaka
Srednji promjer Dv.sr ograničen je maksimalno dopuštenom brzinom vo.maks i to:
sivi lijev vo.maks = 30 do 40 m/s
čelični lijev vo.maks < 100 m/s
kovani čelik vo.maks = 120 do 150 m/s
Ako se za zamašnjak žele uzeti u obzir zamašni momenti svih dijelova, dade se on rastaviti na dijelove i izračunati zamašni moment (GD2) iz njihovih momenata tromosti.
95
Sl. 3.14. Proračun zamašnog momenta
Ukupni moment tromosti jednak je zbroju momenata tromosti pojedinih dijelova, pa izlazi:
1 2 31
12 2
22 3
32G
gi
G
gi
G
gi
Izračunavanje polumjera tromosti pojedinih dijelova obavlja se prema slijedećim formulama:
i d d1 12
221
8 - polumjer tromosti vijenca
i d d2 22
321
8 - polumjer tromosti srednjeg prstena
i d d3 32
421
8 - polumjer tromosti glavine
Prema formuli 3.38. može se izračunati promjer tromosti zamašnjaka kako slijedi:
GD g G D G D G Dz
z2
1 12
2 22
3 324
Dg
Gz
z
4
(3.42.)
Težina zamašnjaka približno se određuje na osnovi empirijske formule:
GDCP
nz
e23
23 7
,, Nm2 (3.43.)
Gz - težina zamašnjaka, N
D - promjer tromosti, m
C - čimbenik zamašnog momenta, ovisi o motoru
Pe - efektivna snaga motora, W
n - broj okretaja, min
- stupanj nejednolikosti
Tablica 3.1. Vrijednosti čimbenika zamašnog momenta
96
CBroj
cilindara O t t o - m o t o r i D i z e l s k i m o t o r i
srednjeokretni sporookretni 4TOM 2TOM 4TDM 2TDM 4TDM 2TDM
1 17,5 14,5 35 22 40 - 70 25 - 602 7,2 2 - 4 14,5 3,6 20 - 30 5 - 153 3,5 - 4,5 1,5 7 - 9 2,2 8 - 18 4 - 64 1,1 - 1,75 0,72 2,2 - 3,5 1,1 3 - 7 2 - 36 0,72 - 1,5 - 1,5 - 3 -8 0,33 - 0,7 - 0,8 - 1,5 -
Manje vrijednosti odnose se na brzookretnije motore.
Zamašnjak obavlja više zadataka:
1. smanjenje nejednolikosti okretanja;
2. pomaže upućivanje motora;
3. pomaže regulaciju broja okretaja (trenutni višak ili manjak energije preuzima ili
daje zamašnjak)
U višecilindričnim brodskim motorima ulogu zamašnjaka preuzima kotač osovinskog voda. Prijeko potrebna vrijednost stupnja nejednolikosti osigurava se okretanjem masa motora. Što je manji broj cilindara, to je veća vrijednost C i veća je potreba za zamašnjakom.
97
4.
Dijelovi dizelskih motora
_____________________________________________________________________
4.1. Nepokretni dijelovi
4.2. Pokretni dijelovi
_____________________________________________________________________
98
4. Dijelovi dizelskih motora
Od brodskih dizelskih motora traži se pouzdanost u radu, ekonomičnost, dugi vijek trajanja, jednostavno održavanje, kompaktnost konstrukcije, prilagođena brzina okretaja dobrom stupnju iskoristivosti brodskog vijka, itd. Navedeni zahtjevi u velikoj mjeri diktiraju konstrukcijska rješenja pojedinih dijelova dizelskih motora kao i motora u cjelini.
Dizelski motori sastoje se od nepokretnih i pokretnih dijelova. Glavni nepokretni dijelovi su: temeljna ploča, osnovni ležajevi, kućište motora, cilindri, blokovi cilindara, košuljice cilindara i poklopci cilindara. Glavni pokretni dijelovi su: stapovi, stapajice, križne glave, ojnice, koljenaste osovine sa zamašnjakom, razvodne osovine i prijenosni mehanizam za pogon ventila.
4.1. Nepokretni dijelovi
_____________________________________________________________________
4.1.1. Temeljna ploča
4.1.2. Osnovni ležajevi
4.1.3. Odrivni ležaj
4.1.4. Kučiše motora
4.1.5. Cilindri motora
4.1.6. Košuljice cilindara
4.1.7. Poklopac cilindra
4.1.8. Sigurnosni ventil
_____________________________________________________________________
4.1.1. Temeljna ploča
Temeljna ploča konstrukcijski je dio motora koji podupire cijeli njegov okvir i prima sile tlaka plinova u cilindrima i sile inercije pokretnih masa.
Temeljna ploča mora biti dovoljno kruta u uzdužnoj i poprečnoj ravnini, tako da spriječi progib osi koljenaste osovine i pomake cilindara.
99
Sl. 4.1. Poprečni nosač temeljne ploče
Osnovni dijelovi temeljne ploče su: uzdužni i poprečni nosači, otvori u koje se ugrađuju kotveni vijci i donji dijelovi temeljnih ležajeva.
Uzdužni nosači osiguravaju uzdužnu krutost temeljne ploče, a poprečni poprečnu. U poprečnim nosačima smješteni su ležajevi koljenastog vratila. Nakon centriranja, temeljna se ploča temeljnim vijcima spaja za brodski temelj. Zbog zagrijavanja motora vijci moraju osigurati pravilno rastezanje temeljne ploče.
Temeljne ploče sporookretnih motora obično se rade od lijevana željeza, dok se za srednjookretne i brzookretne motore rabi lijevani čelik. Današnji dizelski motori imaju temeljne ploče i stalke zavarene konstrukcije.
Sl. 4.2. Temeljna ploča Sulzerova RND 105 motora i postavljanje koljenaste osovine
100
Sl. 4.3. Poprečni presjek motora bez križne glave
1 - ispušni ventil 2 - ispušne cijevi3 - turbo-puhalo 4 - usisni ventil5 - sabirnik ispirnog zraka 6 - kotačić za regulaciju faze uštrcavanja 7 - razvodna osovina 8 - ojnica9 - koljenasta osovina 10 - stap
4.1.2. Osnovni ležajevi
Osnovni ili temeljni ležajevi nose koljenastu osovinu i omogućavaju njezino okretanje. Razlikuju se dvije vrste osnovnih ležajeva: stojeći i viseći. Viseći se ležajevi rabe obično u manjim motorima bez temeljne ploče. U sporookretnim motorima rabe se stojeći ležajevi, koji se ugrađuju u udubljenje na poprečnim nosačima temeljne ploče.
Dimenzije temeljnih ležajeva ovise o veličini koljenaste osovine. Što je manji razmak cilindara, to su osnaci ležajeva kraći u odnosu prema promjeru osovine. U tom slučaju njihovo je površinsko opterećenje veće. Kućišta ležajeva izrađuju se kao konstrukcijska cjelina s temeljnom pločom, i to tako da se lijevaju ili da se zavare na temeljnu ploču.
Ležaj se sastoji od kućišta ležaja i blazinice.
Kučište ležaja formira ležaj, daje mu čvrstoću i nosi blazinicu. Blazinica se sastoji od dva dijela. Najčešće se za kliznu površinu blazinice rabi bijela kovina (slitina kositra, antimona i bakra; kositar se može zamijeniti olovom), olovna bronca (slitina bakra i olova) i aluminijske slitine sa silicijem ili kositrom, Materijali za blazinicu obično imaju malu trajnu titrajnu čvrstoću, koja se povećava ako je sloj
101
materijala tanji. Zbog toga se za vrlo velika opterećenja izrađuju blazinice s dva ili tri sloja različitih materijala. Blazinicama sporookretnih motora stijenke su debljine od 5 do 15 mm i izrađene su od sivog lijeva, lijevanog čelika ili bronce, a klizne površine izljevene su od bijelog metala. Blazinice su zajedno s ulošcima stisnute vijcima poklopca, a uzdužno i obodno pomicanje sprečavaju zatici, izdanci i sl.
Sl. 4.4. Osnovni ležaj u brodskim motorima
Blazinice su zamjenljive cilindričnog presjeka; donja se može izvaditi, a da se pri tomu ne mora podići cijela koljenasta osovina. Blazinica se u tom slučaju vadi tako što se skine poklopac, pa se u jedan za to predviđen provrt na osovini postavi zatik. Polaganim zakretanjem osovine blazinica se istisne van. Zračnost ležaja sporookretnih motora je 1/1000-1/800 promjera osovine, a ovisi o brzookretnosti motora.
Ležajevi se podmazuju tlačno i ulje prolazi iz osnovnog ležaja u šuplju koljenastu osovinu poradi podmazivanja donjeg i gornjeg ležaja ojnice. Poradi hlađenja ležaja mora protok ulja biti osiguran i iznosi za velike strojeve od 11 do 16 l/kWh. Ležajevi se za svakih 1 000 sati rada istroše oko 0,01 - 0,015 mm za sporookretne motore.
Na slici 4.4. prikazan je osnovni ležaj brodskih motora na kojoj je s 1 i 7 označeno kućište ležaja, s 2 i 6 blaznica, 3 zatik, 4 podloška, 5 vijci za stezanje kučišta, 8, 9, 10, 11 i 12 provrti, žljebovi i “džepovi” za ulje i 13 klizna površina ležaja.
102
Sl. 4.5. Osnovni ležaj Sulzerova motora
Za namještanje zračnosti ležajeva služe čelične podloge, smještene između sastava ležajnih polovica. Podloge su različite debljine, tako da se zračnost prema potrebi fino ugađa. Zračnost je od velike važnosti za kvalitetu podmazivanja. Formiranje uljnog jastuka u donjoj polovici ležaja potpomaže klinasti utor u ravnini sastava polovica ležajeva.
Zračnost ležaja mjeri se najmanje jednom za 6 - 8 000 sati rada, obvezno s obje njegove strane. Najjednostavnija kontrola zračnosti ležaja izvodi se uz pomoć olovne žice. Na maticama pričvrsnih vijaka i poklopca ležaja ubilježe se znakovi zategnutosti matice. Nakon što se to izvrši, skine se gornji poklopac ležaja i na osnac osovine postavi se nekoliko olovnih žica određene debljine. Potom se ponovno pričvrsti poklopac na ležaj i matice se pritegnu na zadanu vrijednost. Nakon toga nanovo se demontira ležaj i mikrometrom se izmjeri debljina žice na više mjesta i izračuna prosječna debljina a time i zračnost ležaja.
Drugi način mjerenja je kontrolnim listićima kojima se dobiva približna vrijednost zračnosti. Mjerenje se izvodi postavljanjem koljenaste osovine u odgovarajući položaj, a zatim se uvlači listić odabrane debljine s obje strane ležaja. Ako mjerenje pokaže znatna odstupanja od maksimalno dopuštene zračnosti, ležaj se mora demontirati i obaviti potrebne zahvate. Demontiranje ležaja izvodi se s pomoću diferencijalnog koloturnika konopca i hidrauličkih sisaljka za otpuštanje matica. Prije samog skidanja potrebno je skinuti cijev za podmazivanje ležaja. Zatim se pričvrsti hidraulična sisaljka za otpuštanje hidrauličkih vijaka na potpornim svornjacima ležaja. Otpuste se vijci i uklone svornjaci, uvije se očni vijak u poklopac ležaja i pričvrsti za njega konopac, podigne se poklopac i s pomoću koloturnika ili diferencijalnog koloturnika izvuče se poklopac ležaja. Za vađenje donjeg dijela ležaja potrebno je skinuti osigurače pomicanja ležaja, a zatim postaviti dvije dizalice ispod ramena koljenaste osovine, kao što je prikazano na slici 4.6. Na njoj je prikazano podizanje koljenaste osovine hidrauličnom dizalicom u Sulzerovu motoru.
1 - zatik2 - blaznica3,4 - zatici5 - pločice za blaznice6 - vijci za pritezanje7 - poklopac ležaja8 - osovina9 - donji dio kućišta10 - okvir
103
Sl. 4.6. Podizanje koljenaste osovine hidrauličnom dizalicom za demontiranjedonje blazinice osnovnog ležaja
Ako su blazinice ležaja istrošene, zamjenjuju se novim ili se naliju bijelom kovinom. Prilikom postavljanja novog ležaja osnaci koljenaste osovine lagano se namažu montažnom bojom, zatim se na njih montiraju blazinice i nekoliko puta okrenu. Sva ona mjesta koja su ostala označena bojom moraju se "tuširati" i ponoviti cijeli proces. Nakon što se ustanovi da su blazinice i nosač čisti, na vanjsku se stranu nanese mast da se smanji trenje.
Kvarovi temeljnih ležajeva mogu se manifestirati u zaribavanju ležaja i taljenju bijele kovine ili pucanju blazinice.
Uzroci kvarova mogu biti različiti, kao npr.:
slabo podmazivanje ili prestanak podmazivanja zbog začepljenja nečistoćom
provrta za podmazivanje;
uporaba pogrešnog ulja, koje nije preporučio proizvođač motora;
prisutnost vode ili goriva u ulju;
prisutnost krutih nečistoća u ležaju;
nepravilno izgaranje u cilindru uzrokuje povećani tlak izgaranja, a time
povećano specifično opterećenje ležaja;
rad motora duže vrijeme pod preopterećenjem;
nedostatni tlak ulja, odnosno upućivanje motora bez uključene sisaljke za
podmazivanje;
prilikom rastavljanja i ponovnog sastavljanja može doći do nepropisnog zatezanja vijaka, a time i nepravilne zračnosti ležaja.
To su samo neki od mogućih uzroka kvarova na osnovnom ležaju.
4.7. a) Odvajanje bijelog metala poradi defleksije koljenaste osovine
104
Sl. 4.7. b) Oštećenje ležaja od bijelog metala usljed zamora u srednjeokretnim dizelskim motorima
Sl. 4.7. c) Oštećenje ležaja od olovne bronze usljed korozije poradi djelovanja kiselih ulja na olovo
105
Sl. 4.8. “Tuširanje” osnovnih ležaja
Za "tuširanje" donje polovice blazinice rabi se ravno ili trokutasto zavinuto grecalo. Površina donje blazinice treba pokazivati jednoliko nalijeganje osnaca na plohu ležaja, a kut nalijeganja "a" donje blazinice je od 40 do 60. Pri "tuširanju" mora se rabiti nalijegajući osnac promjera "dw" (sl. 4.8.a). U "tuširanju" važno je da svaki zahvat grecanja bude prvo u jednom smjeru, a zatim poprijeko na prethodni, i to u smjeru prema natrag (sl. 4.8.b) Iznad i ispod uljnih džepova sa strana, mora se klin dubine od 0,1 mm postupno izgrecati preko čitave širine na obje strane.
106
Sl. 4.9. Demontaža gornje šalice temeljnog ležaja
Klin se mora protezati 15 mm iznad gornjeg ruba i 30 mm ispod donjeg ruba uljnog džepa (sl. 4.8.c). Nakon što je postignuta dobra donja ploha nalijeganja "a", drugi cilindar za tuširanje postavlja se u donju polovicu ležaja, a vanjska se ploha premaže plavilom. Okrećući kalibar lijevo-desno u donjoj polovici blazinice treba vidjeti podudaraju li se neopterećene plohe "" i "" na stranama s propisanim promjerom ležaja. Ako to nije tako, ta se dimenzija mora postići poprečnim "tuširanjem", bez "tuširanja" plohe nalijeganja "a", koja je već prilagođena (sl. 4.8.a) Provrt gornje polovice ležajne blazinice mora se kontrolirati na sličan način, s istim kalibrom za "tuširanje". Vertikalna zračnost "" mjeri se lisnatim mjerilom ili prešanjem olovne žice promjera od 0,8 do 1 mm. Ta zračnost se prilagođuje dodavanjem ili skidanjem podložaka.
4.1.3. Odrivni ležaj
Odrivni ležaj prenosi silu poriva od brodskog vijka na trup broda. U uporabi su odrivni ležajevi pri kojim je klizna površina sastavljena od segmenata, slika 4.10.b. Novije konstrukcije motora uključuju integrirani odrivni blok u temeljnoj ploči, slika 4.10.a.
107
a)
b)Sl.4.10.a - Segmenti odrivnog ležaja; b- Integrirani odrivni ležaj i
pogon razvodne osovine
Segmenti su približno trapeznog oblika izrađeni od čelika a klizna površina je od bijelog metala. Segmenti se oslanjaju na kućčšte, a na kliznu površinu, koju formiraju segmenti oslanja se odrivni greben preko kojeg se predaje sila poriva od brodskog vijka preko osovinskog voda na odrivni ležaj i trup broda.
Ležaji obično imaju 6, 8 ili 12 segmenata sa svake strane odrivnog prstena poradi vožnje pramcem ili krmom.
Podmazivanje odrivnog ležaja vrši se uljem u koje je uronjen dio odrivnog prstena. Između odrivnog prstena i segmenata formira se uljni "klin" koji omogućava dobro podmazivanje, ravnomjerno opterećenje i veliki dopušteni površinski tlak. Hlađenje ulja se vrši dovođenjem rashladne vode u posebne komore kučišta ležaja ili preko posebnih spiralnih cijevi.
Posebnu pozornost potrebno je dati kontroli zračnosti ležaja kako bi se izbjegla havarija stapnog mehanizma poradi mogučnosti aksijalnog pomaka koljenaste osovine.Kontrolu je potrebno obavljati prema uputama u instrukcijskim knjigama.
Kontrolira se zračnost s obje strane odrivnog grebena. Pri rastavljanju i sastavljanju ležaja mora se voditi računa da se segmenti montiraju na ista mjesta. Ako se ustanove manja oštećenja na segmentima potrebno je ista otkloniti zaglađivanjem, a ako se radi o većim oštećenjima potrebno je izvršiti zamjenu ili nastaviti vožnju sa smanjenom snagom motora. Izmjene zračnosti, po sastavljanju ležaja, unose se u dnevnik stroja.
Kontrola odrivnog ležaja obavlja se nakon 6000 do 8000 sati rada.
108
4.1.4. Kućište motora
Kućište motora oblikuju stalci cilindara s bočnom oplatom. Propisi Hrvatskog registra brodova postavljaju određene zahtjeve s obzirom na kućište motora snage od 55 kW i više. Ti zahtjevi su ovi:
Međusobni spojevi dijelova kućišta koji tvore prostor koljenastog vratila moraju biti nepropusni za ulje i plinove. Spojni svornjaci moraju biti dosjedni.
Kućište i poklopci otvora na njemu moraju biti dostatno čvrsti, a poklopci dovoljno pričvršćeni da ne izlete pri eksploziji.
Kućište motora i dijelovi povezani s njim moraju imati odljeve (žljebove, cijevi itd.) i moraju se poduzeti druge mjere da se onemogući prodor goriva i vode u sustav ulja za podmazivanje. Rashladni prostori kućišta cilindra moraju imati ispuste kojima se ostvaruje potpuno pražnjenje.
Ne dopušta se, redovito, ventiliranje prostora koljenastog vratila ni dovođenje vanjskog zraka u nj na neki drugi način. Ako je predviđeno prisilno uklanjanje plinova (npr. za detektor dima), podtlak u prostoru koljenastog vratila ne smije biti viši od 0,25 kPa.
Za motore snage do 736 kW dopušta se odsisavanje zraka iz prostora koljenastog vratila puhalom uz uvjet da postoje odjeljivači ulja, koji sprečavaju da se ulje odvodi s odsisanim zrakom.
Ne dopušta se međusobno spajanje ni odušnih ni odljevnih cijevi ulja dvaju ili više motora.
Promjer odušnih cijevi iz prostora koljenastog vratila treba biti praktički što manji, a krajeve cijevi valja zaštititi zaustavljačima plamena, i izvesti ih tako da se spriječi prodor vode u motor.
Odušne cijevi moraju se voditi na gornju otvorenu palubu ili do drugoga neopasnog mjesta iz kojega je osiguran dostatni odušak.
- Prostor koljenastog vratila mora imati sigurnosne ventile, i to:
1. Motori s promjerom cilindra većim od 200 do 250 mm najmanje jedan ventil na svakom kraju prostora. Ako motor ima 8 ili više cilindara, potrebno je dodati još jedan ventil blizu sredine motora.
2. Motori s promjerom cilindra većim od 250 do 300 mm moraju imati najmanje jedan ventil nasuprot svakom koljenu, ali ne manje od dva ventila po motoru.
3. Motori s promjerom cilindra većim od 300 mm moraju imati po jedan ventil nasuprot svakom koljenu.
4. Odijeljeni prostori u prostoru koljenastog vratila, kao što je prostor pogona razvodne osovine i sl., moraju imati dodatni sigurnosni ventil ako im obujam premašuje 0,6 m3. Prostori spojeni s ostalim prostorom koljenastog vratila otvorom površine veće od 115 mm2 po svakom m3 obujma, ne smatraju se odvojenima.
Prostori spojeni s ostalim prostorom koljenastog vratila otvorom površine manje od 45 cm2 ne moraju se uzimati u obzir pri proračunu obujma prostora koljenastog vratila.
5. Motori s promjerom cilindra do 200 mm, ili obujmom prostora koljenastog vratila manjim od 0,6 m3, ne moraju imati sigurnosni ventil na prostoru koljenastog vratila.
- Sigurnosni ventili moraju biti tipa koji je odobrio HRB.
109
Konstrukcija mora udovoljavati ovim zahtjevima:
1. mora biti osigurano momentalno otvaranje ventila pri povećanju tlaka u prostoru koljenastog vratila od 0,02 MPa, i automatsko brzo zatvaranje da se spriječi ulazak zraka u prostor koljenastog vratila;
2. ispusni otvori ventila moraju biti zaštićeni tako da se spriječi opasnost od izlaska plamena u strojarnicu.
- Površina slobodnih otvora svih sigurnosnih ventila ne smije biti manja od 115 cm2
po svakom m3 bruto-prostora koljenastog vratila.
Pri računanju bruto-obujma ne uzima se u obzir obujam pokretnih dijelova koji su u prostoru koljenastog vratila. Svaki sigurnosni ventil predviđen u skladu sa zahtjevima nabrojenima od 1 do 5 može se zamijeniti s ne više od dva grupirana ventila odgovarajuće površine otvora. Površina otvora svakoga od ta dva ventila ne smije biti manja od 45 cm2.
- Odljevni otvori prostora koljenastog vratila moraju imati rešetku ili mrežicu da se spriječi upadanje predmeta u odljevnu cijev.
Taj zahtjev vrijedi i za motore sa suhim prostorom koljenastog vratila.
Motori s promjerom cilindra od 230 mm i većim od toga moraju imati na svakom cilindru sigurnosni ventil reguliran na tlak ne viši od 40% maksimalnog tlaka izgaranja. Prostori kućišta i cilindra odvojeni su dijafragmom u kojoj se nalazi provrt s brtvama kroz koji prolazi stapajica. Na slici 4.11. prikazan je spoj temeljne ploče, stalaka i cilindara kotvenim vijcima.
Sl. 4.11. Spoj temeljne ploče, stalaka i cilindara kotvenim vijcima
U suvremenim konstrukcijama često se kućište izrađuje od pravokutnih poprečnih stalaka i uzdužnih nosača pa je dobilo kutijastu konstrukciju. Visoki stupanj krutosti kojim se odlikuje kutijasta konstrukcija omogućuje prihvaćanje sila izgaranja i zaštitu ležajeva koljenastog vratila od sila deformacija prenesenih s trupa preko dvodna.
Na slici 4.12. redoslijed je pritezanja kotvenih vijaka, a na slici 4.13. dana je kutijasta konstrukcija kućišta MAN-motora serije C/CL.
110
Sl. 4.12. Raspored pritezanja kotvenih vijaka
Sl. 4.13. Temeljna ploča, kutijasta konstrukcija kućišta motora i cilindri serije C/CL
Sl. 4.14. Kućište motora
1 - stalak 2 - stezne ploče 3 - kotveni vijak4 - plašt cilindra 5 - temeljna ploča 6 - priključci za CO2
7 - vrata 8 - sigurnosni ventili 9 - poklopac10 - zaštitini poklopac 11 - vijci osnovnih ležajeva 12 - blazinica osnovnog ležaja13 - vodilica kotvenih vijaka 14 - vijci ukrućivanja temeljnih vijaka 15 - klizna stopa za naprijed16 - klizna stopa za krmom 17 - podložak za regulaciju zračnosti 18 - koljenasto vratilo
111
Stalci se postavljaju na temeljnu ploču poprečno između cilindara, a najčešće imaju oblik slova "A" i potpuno su simetrični. Ako se stalci izrađuju lijevanjem od sivog lijeva, u njima moraju biti otvori za smještaj kotvenih vijaka.
U izradi stalaka od "I" ili pravokutnog profila zavarivanjem, za prolazak kotvenih vijaka postavljaju se posebne cijevi.
Stalci se povezuju limenim pločama i tako oblikuju kućište motora. Na bočnim stranama su vrata za nadzor prostora koljenastog vratila. Na vratima se nalaze sigurnosni ventili, koji se moraju otvarati kad tlak naraste iznad dopuštene vrijednosti.
112
4.1.5. Cilindri motora
Cilindri motora sastoje se od plašta i košuljice. Plašt cilindra služi kao nosač košuljice, a zajedno s njom oblikuje rashladni prostor kuda cirkulira rashladna voda u motora hlađenih vodom.
Konstrukcija cilindara ovisi o vrsti motora; npr. četverotaktnim motorima cilindri se izrađuju u bloku, a velikim dvotaktnim motorima s križnom glavom, izrađuju se pojedinačno.
Malim motorima kućište i blok cilindara lijeva se u jednom komadu i tako se dobiva homogena konstrukcija velike krutosti. Na slici 4.15. presjek je MAN-motora VV 52/55 kojemu je raspored cilindara u obliku slova "V", što skraćuje dužinu motora.
Sl. 4.15. Poprečni presjek motora s "V"-rasporedom cilindara
Plaštevi cilindara, stalci i temeljne ploče stegnuti su, u velikim dvotaktnim motorima, zajedno kotvenim vijcima i tako su oslobođeni naprezanja na vlak.
Ovisno o načinu ispiranja, na plaštu cilindra nalaze se otvori za ispiranje i ispuh pri poprečnom i obratnom ispiranju, a pri istosmjernom ispiranju s ispušnim ventilom, samo otvori za ispirni zrak.
Na plaštu se izrađuju otvori koji omogućuju pristup prostoru ispod stapa, a zatvoreni su poklopcima.
Voda za hlađenje cilindara ulazi između plašta cilindara u najnižoj točki rashladnog prostora, a izlazi vode iz rashladnog prostora smješteni su na najvišoj točki poklopca cilindra. Kroz rashladni prostor cilindra voda se tlači tako da se ne formiraju zračni jastuci ili parni džepovi. Na ulazu i izlazu rashladne vode iz cilindra često se postavljaju ventili za omogućavanje isključivanja pojedinih cilindara iz rashladnog sustava.
Blokovi cilindara lijevaju se od sivog lijeva.
113
Sl. 4.16. Blok cilindra i košuljica 4T MAN KZ-motora
4.1.6. Košuljice cilindara
Košuljice cilindara motora za vrijeme rada izložene su velikim toplinskim i mehaničkim opterećenjima. Zbog zagrijavanja košuljica potrebno je osigurati mogućnost njihova uzdužnog i radijalnog širenja.
Prema konstrukciji razlikujemo uglavnom tri vrste košuljica:
- Košuljice koje se umeću u cilindar, pri čemu se između košuljice i unutarnje površine plašta oblikuje rashladni prostor (sl. 4.16. i sl. 4.17.)
114
Sl. 4.17. Košuljica Sulzerova RLA-motora s gumenim brtvenim prstenima rashladnog prostora
Najviše se susreću u brodskim motorima, ali ih ima i u motorima za druge namjene.
- Košuljice lijevane zajedno s plaštom cilindra danas se rijetko izrađuju.
- Sastavljene košuljice izrađuju se kao tanki tuljci. U takvu rješenju rashladni prostor se oblikuje između stijenka plašta cilindra tako da rashladna voda nema neposredni dodir s košuljicom.
Košuljice četverotaktnih motora jednostavnije su i ravnomjerno su termički opterećene, nemaju otvore za ispiranje i ispuh kao u dvotaktnim motorima.
Košuljice cilindara izrađuju se od lijevanog željeza, pri čemu je od posebne važnosti sitnozrnasta struktura. Sivo lijevano željezo često se legira s bakrom, vanadijem, titanom, kromom, niklom, a ponekad i s rodijem, kojim se postiže najfinija raspodjela fosfita. Brzohodnim motorima košuljice se ponekad kromiraju radi dobivanja vrlo tvrde radne površine, a neke su od kovana čelika nitrirane da im se poveća tvrdoća.
Gornja prirubnica košuljice mora pravilno nalijegati kako ne bi došlo do naprezanja na savijanje, zato mora utor u kojemu leži izdanak cilindarskog poklopca biti postavljen okomito iznad sjedišta košuljice u plaštu.
Pri oblikovanju gornje prirubnice potrebno je izbjegavati oštre prijelaze i kutove, kako bi se izbjegle koncentracije naprezanja i lomovi. Na slici 4.18. prikazan je način kako se spajaju košuljica, plašt i poklopac cilindara raznim brtvama između cilindra i njegova poklopca.
4.18. Spoj košuljice plašta i poklopca cilindra
Na donjem kraju košuljice postavljaju se gumeni prsteni ili brtve kako je prikazano na slici 4.19.
115
Sl. 4.19. Brtvljenje donjeg kraja košuljice
Košuljica je s gornje strane malo proširena tako da gornji prsten stapa u radu nešto prelazi rub proširenja kako bi se spriječilo stvaranje stube na košuljici u koju bi, pri zamjeni stapnih prstenova, gornji prsten udarao.
Cilindarske košuljice sporohodnih motora troše se obično od 0,05 do 0,12 mm za 1 000 sati rada uz uporabu teškoga goriva. Najveći utjecaj na trošenje imaju u ovom slučaju ulja za podmazivanje. Pri uporabi teških goriva sa sadržajem sumpora od 3% mogu istrošenja narasti na 0,5 mm za 1 000 sati rada, dok je istrošenost pri uporabi lakoga dizelskoga goriva od 0,05 do 0,12 mm. Pri uporabi ulja za podmazivanje s velikom alkaličnom pričuvom mogu se istrošenosti i uz uporabu goriva s velikim sadržajem sumpora držati u granicama kao i kod lakoga goriva, od 0,08 do 0,2 mm. što zadovoljava. Povećano trošenje može biti i zbog nepotpunog izgaranja jer tad rastu temperature stijenka košuljice. Inače, košuljica se više troši u gornjem dijelu nego u donjemu. To je normalno jer je toplinsko opterećenje gornjeg dijela veće i gornja je površina izložena intenzivnijem učinku štetnih produkata izgaranja.
Da bi se ti štetni utjecaji uklonili, mora se ne samo osigurati optimalno potrebna zračnost između stapnih prstenova i košuljice nego i rabiti ulje koje u izgaranju ne stvara ostatke. Ako se košuljica istrošila više od dopuštene vrijednosti, nastaje propuštanje između prstena i košuljice, što uzrokuje pad tlaka i temperature kompresije, a time i ostale negativne pojave.
Rashladna voda utječe na rashladne površine košuljice elektrokemijskom korozijom i kavitacijskom erozijom. Ukoliko su rashladne površine prekrivene talogom, na tim se mjestima brže izjeda košuljica zbog slabog prijelaza topline.
Povišenjem temperature rashladne vode spriječit će se kondezacija ispušnih plinova u izgarnom prostoru, a to sprečava stvaranje sumporne kiseline, koja izaziva trošenje košuljica. Košuljica se štiti premazivanjem bakelitnim lakom. Ako je košuljici nagrizeno 0,5% debljine stijenke, mora se zamijeniti novom.
Promjer košuljice provjerava se mikrometrom za mjerenje šupljina s točnošću mjerenja od 0,01 mm. Obično već postoje točno određena mjesta na kojima se mjeri istrošenost košuljice, što ovisi o vrsti motora. Te izmjerene vrijednosti unose se u protokol. Mjeri se na više mjesta, a najmanje na tri. Mjeri se u dva okomita smjera, tj. lijevo-desno i prova-krma, gdje je istrošenje košuljice i najveće. Za vrijeme mjerenja temperatura mikrometra i šipke ne smije se mijenjati.
116
Sl. 4.20. Mjerenje promjera košuljice:
1 - košuljica;2 - kanali za podmazivanje košuljice;3 - letva s provrtima za mjerenje promjera; 4 - mikrometar za mjerenje istrošenosti košuljice
4.1.7. Poklopac cilindra
Poklopac zatvara cilindar s gornje strane i zajedno s gornjom površinom stapa oblikuje kompresijski prostor. On je izložen djelovanju plinova pod tlakom i visokim temperaturama. Mora imati jednostavan i simetričan oblik, dno mu treba intenzivno hladiti vodom, stijenke po mogućnosti trebaju biti jednake debljine da bi se izbjegla unutarnja naprezanja.
Izvanjski je oblik poklopcu kružni, četverokutan ili šestero, odnosno osmerokutan. Kad je cilindru promjer manji od 200 mm, poklopci se rade za više cilindara u jednom komadu.
Poklopac cilindara u četverotaktnih i dvotaktnih motora s uzdužnim ispiranjem sastoji se od dvije paralelne stijenke međusobno spojene vertikalnim stijenkama i kanalima za ventile (sl. 4.21.). U kućištu poklopca smještena su dva ili četiri ventila za usis i ispuh, rasprskač goriva, uputni ventil, pipac za priključak indikatora, a u nekih motora i sigurnosni ventil. Zbog prisutnosti otvora i kanala za ispušne plinove i svježi zrak, neravnomjerno se zagrijava poklopac cilindra.
117
Sl. 4.21. Poklopac cilindra u četverotaktnog motora
1 - provrt rashladne vode; 5 - kućište ventila;2 - usisni ventil; 6 - poklopac otvora 3 - vodilica ventilarashladnog prostora 7 - košuljica cilindra4 - ispušni ventil
Poklopci cilindara u dvotaktnih motora s uzdužnim ispiranjem i ispušnim ventilom više su toplinski opterećeni od poklopaca u četverotaktnih motora. Poklopci cilindara dvotaktnih motora s poprečnim i obratnim ispiranjem jednostavniji su po konstrukciji s obzirom na to da nemaju usisne i ispušne ventile. Da bi se postiglo bolje ispiranje komora izgaranja, dno se poklopcu cilindra ponekad izrađuje udubljeno kao na slici 4.22.
Sl. 4.22. Poklopac cilindra u 2TM sastavljen od dva dijela
1 - rasprskač goriva; 2 - vijak; 3 - gornji dio poklopca; 4 - prsten5 - cink protektor; 6 - uputni ventil; 7 - osnovni dio poklopca;
8 - košuljica; 9 - plašt cilindra; 10 - sigurnosni ventil; 11 - cijev
118
Motorima velikih snaga, promjera većega od 600 mm, poklopci se cilindrima izrađuju često sastavljeni od dva dijela, što omogućuje da se donji dio izradi od materijala otpornoga na visoke temperature (npr. od molibdenova čelika), a gornji dio od lijevanog željeza.
Poradi zaštite gornjeg dijela košuljice od pregrijavanja, poklopci se cilindara u velikih motora često grade tako da stap ulazi u šupljinu poklopca (sl. 4.23.) ili poklopac uranja u košuljicu (sl. 4.25.a). Na slici 4.24. prikazan je poklopac 2-taktnoga dizelskog motora MAN-B&W.
Sl. 4.23. Poklopac cilindra Sulzerova motora Sl. 4.24. Poklopac cilindra MAN-B&W tipa RND tip 6S26MC
Na slici 4.22. predočen je poklopac Fiatovih motora koji imaju poprečno ispiranje cilindara.
Cilindarski se poklopci hlade slatkom ili morskom vodom. Rashladna se voda dovodi u rashladni prostor poklopca cilindra iz rashladnog prostora cilindara kroz posebno postavljene cijevi ili u motorima malih snaga kroz posebne provrte na bloku cilindara. Struja vode mora postupno hladiti dno cilindarskog poklopca, vodilice ventila, te kanale za zrak i ispušne plinove. Za povećanje brzine cirkulacije vode primjenjuju se ove mjere: rashladni prostor dijeli se na dva dijela (sl. 4.22.), u donjem dijelu poklopca voda se usmjerava na tangencijalno strujanje kroz otvore, povećavaju se dodirne površine lijevanjem rashladnih rebara itd.
Cilindarski poklopci imaju dosjed u odgovarajućim utorima istokarenima u gornjem dijelu kušuljice, te imaju u tu svrhu istokarene izdanke. Za brtvljenje se najčešće između poklopca i cilindara postavljaju brtve od tankoga bakrenog lima debljine do 1 mm ili brtve izrađene od azbesta i bakra. Poklopci se stežu i popuštaju unakrsno.
119
Sl. 4.25. Poklopac cilindra 2-taktnih motora: a - poklopac uranja u košuljicu; b - stap ulazi u poklopac cilindara
U pregledu cilindarskih poklopaca pozornost se posvećuje površini prostora izgaranja i dosjednim površinama te površini u rashladnom prostoru.
Sve površine treba temeljito očistiti od gareži, kamenca i taloga u rashladnom prostoru.
Nekim motorima u rashladni se prostor postavljaju protektori za zaštitu od učinka galvanske struje (sl. 4.22.).
Sl. 4.26. Poklopac cilindra za Sulzerov RL motor
1 - cijev za smanjenje tlaka u cilindru prilikom otvaranja sigurnosnog ventila; 2 - sigurnosni ventil; 3 - cijevi za indikaciju curenja goriva na rasprskaču te za odzračivanje sustava (prije upućivanja motora preporuča se sustav goriva odzračiti); 4 - indikatorski pipac; 4a - zaštitna cijev za indikatorski provrt; 5 - visokotlačna cijev i njezina zaštita (u slučaju pucanja gorivo ne curi po strojarnici već se skuplja u spremniku za prihvat propuštenog goriva na rasprskačima i V.T. sisaljkama - spremnik je obično malog kapaciteta -50 lit. da omogući pravovremenu detekciju bilo kakvog curenja); 6 - sabirnik propuštenog goriva; 7 - cijevi kontrolnog zraka za uputni ventil; 8 - sjedište rasprskača (prije postavljanja novog rasprskača sjedište je potrebno izbrusiti jer će u protivnom tim putem biježati plinovi izgaranja); 9 - vodilica košuljice - spaja rashladne prostore košuljice i poklopca cilindra; 9a - vijak koji pričvršćuje vodilicu; 10 - gumeni prstenovi rashladog prostora; 11 - poklopac cilindra; 12 - matica vijka poklopca cilindra; 13 - vijak poklopca cilindra; 14 - umetak; 15 - rasprskač; 16 - podložne pločice za osiguranje pritegnutosti rasprskača; 17 - uputni ventil; 18 - brtva od mekog željeza - spoj košuljice i poklopca cilindra; 19 - zatik za pravilno postavljanje; 21 - košuljica cilindra; 22 - cijev zraka za upućivanje; 23 - ventil (vijak) za odzračivanje; 24 - očni vijak za podizanje poklopca cilindra;
120
25 - ulaz vode za hlađenje rasprskača; 26 - izlaz vode za hlađenje rasprskača; 26a - pipac za provjeru eventualnog propuštanja goriva u vodu za hladenje
Često su u uporabi cinčani protektori. Oni moraju biti čvrsto stegnuti na metal koji štite od korozije. Pri pregledu potrebno je voditi računa o istrošenosti protektora i prema potrebi valja ga zamijeniti.
Vijci na poklopcu stežu se posebnim alatom, kao što su hidraulični, pneumatski ili električni grijači. Za stezanje vijaka u malih motora rabi se dinamo-ključ kojim se može točno kontrolirati zategnutost vijaka.
4.1.8. Sigurnosni ventil
Na poklopcu cilindra postavlja se sigurnosni ventil slike 4.22., 4.23. i 4.26. poradi spriječavanja porasta tlaka iznad dopuštene vrijednosti. Klasifikacijska društva propisuju za motore s promjerom većim od 300 mm obvezatnu uporabu sigurnosnih ventila. Ventil se otvara pri porastu tlaka u cilindru za 10 do 15 bara iznad maksimalnog tlaka izgaranja. Tlak otvaranja ventila ugađa se promjenom zategnutosti opruge (7) slika 4.27.
Sl. 4.27. Sigurnosni ventil
1 - vijak za stezanje opruge 2 - prsten3 - matica 4 - vijak5 - gumena prstenasta brtva 6 - kućište ventila7 - opruga 8 - podloška opruge9 - ventil 10 - sjedište ventila
11 - bakrena brtva
121
Pregled sigurnosnih ventila potrebno je obaviti nakon šest mjeseci rada. Pregled se obavlja na specijalnom stolu za kontrolu tlaka otvaranja. U tu svrhu priključi se na visokotlačnu sisaljku, a zatim se ručno tlači dok se ventil ne otvori. Ugađanje se vrši stezanjem ili popuštanjem opruge pomoću vijka (1) dok se ne postigne otvaranje ventila na tlaku 10% većim od maksimalnog tlaka izgaranja. Pri kontroli potrebno je obratiti pažnju na dosjedne površine ventila i sjedišta, kao i na stanje površine vretena. Ako je potrebno ventil se brusi a pri većim oštećenjima zamjeni se novim.
122
4.2. Pokretni dijelovi
_____________________________________________________________________
4.2.1. Stap i klip
4.2.2. Osovinice klipa
4.2.3. Stapni ili klipni prstenovi
4.2.4. Stapaica
4.2.5. Križna glava
4.2.6. Ojnice
4.2.7. Koljenasto vratilo (osovina)
4.2.8. Razvodni mehanizam
_____________________________________________________________________
4.2.1. Stap i klip
Stapni je mehanizam namijenjen za pretvorbu pravocrtnoga gibanja stapa ili klipa u kružno gibanje koljenaste osovine. Na stap ili klip djeluju sile tlaka plinova i inercije, koje se dalje prenose ovisno o konstrukciji motora, i to: u motora s križnom glavom na stapajicu i križnu glavu, gdje se rastavljaju na dvije sastavnice: onu u smjeru ojnice i na komponentu okomitu na kliznu stazu; motorima bez križne glave sile se rastavljaju na osovinici klipa u dvije komponente: jednu u smjeru ojnice, a drugu u pravcu okomitomu na os cilindra u ravnini u kojoj se ojnica giba. Sile ojnice djeluju na koljenastu osovinu, koja se okreće pod djelovanjem tangencijalne komponente.
U motora bez križne glave okomita komponenta djeluje na klip tako da se povećava sila trenja između košuljice i klipa, što povećava toplinsko i mehaničko opterećenje tih dijelova. Okomita sila ovisi o tlačnoj sili plinova i o odnosu radijusa koljenaste osovine i dužine ojnice. Zbog smanjenja okomite sile na površinu cilindra, r/l se motorima bez križne glave bira u intervalu od 1/3,6 do 1/4,8.
Motorima s križnom glavom, s obzirom da se okomita komponenta prenosi s križne glave na kliznu stopu i kliznu stazu, cilindri i stapovi rasterećeni su od učinka okomite sastavnice. S obzirom da stapajica povećava visinu motora u dugohodnim motorima s križnom glavom, odnos radijusa koljenaste osovine i duljine ojnice r/l bira se u intervalu od 1/2,3 do 1/2,8.
Suvremeni četverotaktni motori izrađuju se bez križne glave promjera do 650 mm, a dvotaktni motori s križnom glavom od 250 mm i više.
Ovisno o konstrukciji motora, taktnosti, stupnju forsiranja motora, stapovi i klipovi rade se u jednom komadu ili sastavljeni, hlađeni ili nehlađeni. Mehaničko opterećenje stapova ovisi o tlačnoj sili plinova na čelo stapa i inercijskoj sili, a toplinsko opterećenje ovisi o djelovanju plinova izgaranja i trenju koja izazivaju zagrijavanje i širenje stapa, odnosno klipa.
123
Na slici 4.28.a prikazan je klip u jednom komadu koji se neposredno ne hladi. Sastoji se od glave (2) i kliznog dijela (4). Glavu formira dno (1) i cilindrični dio u kojemu se nalaze kanali (3) za prstenove koji brtve (kompresijski prstenovi).
Klizna površina vodi klip, pri gibanju u cilindru, i predaje bočnu silu košuljici cilindra. S 5 i 7 označeni su kanali za uljne prstenove, a 6 označava provrt u koji se postavlja osovinica klipa.
Sl. 4.28. Konstrukcije i načini hlađenja klipova motora
Zbog zagrijavanja i širenja klipova i stapova potrebna je radna zračnost između klipa i cilindarske košuljice. Ako se klip po visini ne zagrijava ravnomjerno, za osiguranje potrebne zračnosti promjer je glavi klipa nešto manji od promjera kliznog dijela. Oblik dijelova stapa određuje se prema taktnosti motora, stupnju forsiranja i sposobnosti odvođenja topline. Dno stapu prima tlak i toplinu vrućih plinova, ograničuje i oblikuje komoru izgaranja (sl. 2.32.) Oblik dnu stapa ovisi o načinu formiranja smjese, smještaju komore izgaranja i načinu ispiranja cilindra.
Visina glavi stapa ovisi o broju stapnih prstenova i smještaja gornjeg prstena. Klizni dio stapa izrađuje se što je moguće lakšim, vodeći računa o potrebnoj krutosti koja se za neke klipove poboljšava rebrima. Dužina klizne površine izračunava se prema dopuštenomu površinskom tlaku koji nastaje djelovanjem okomitih sila.
Toplina nehlađenih klipova odvodi se preko klipnih prstenova na košuljicu i dalje na rashladnu vodu. Da bi se toplina raspodijelila na sve prstenove ravnomjerno, potrebno je konstruirati presjek prijelaza od dna klipa na stijenke glave pojačan i postupan kao na slici 4.28. a i b.
Motorima s većim opterećenjem toplina se od klipova ili stapova odvodi izravnim hlađenjem: za klipove uljem, a stapove uljem ili vodom. Hlađenje može biti strujno, cirkulacijsko ili bućkanjem. Pri strujnom hlađenju (brzookretni motori s pe, do
1,2 MPa i s promjerom do 200 mm) unutarnju površinu glave klipa oplakuje ulje koje se dovodi kroz otvor 1 na ojnici 2 na slici 4.28.b.
Cirkulacijsko hlađenje ostvaruje se pri povećanoj brzini strujanja ulja koje se dovodi u prstenasti ili spiralni prostor, u uporabi je u brzookretnim i srednjookretnim
124
motorima (sl. 4.28.c). Pri hlađenju bućkanjem ulje se dovodi pod djelovanjem inercijskih sila (sl. 4.28.d, e i f). Ulje se dovodi klipu kroz ojnicu, odakle se nakon hlađenja ono slijeva u karter.
Sl. 4.29. Dvodijelni stap u motoru s križnom glavom
Motorima s križnom glavom rashladno sredstvo dovodi se teleskopskim cijevima ili cijevima zglobno povezanima koje omogućuju praćenje gibanja stapa.
Materijal za stapove mora imati dobre mehaničke odlike, dobru toplinsku vodljivost, mali koeficijent linearnog širenja, otpornost na visoke temperature, dobru obradljivost i malu masu. Stapovi se izrađuju od sivog lijeva, aluminijskih slitina i od lijevanog ili kovanog čelika.
Aluminij ima malu specifičnu težinu, što je povoljno zbog inercijskih sila, međutim, ima veliki koeficijent linearnog širenja, koji se smanjuje legiranjem. Dvodijelnim stapovima dno se izrađuje od kovanog ili lijevanog čelika ili od specijalnoga sivog lijeva, a plašt obično od lijevanog željeza.
4.2.2. Osovinice klipa
Motorima bez križne glave spoj između klipa i ojnice ostvaruje se preko osovinice. Na osovinicu djeluju mehanička opterećenja tlaka plinova i inercije, koji se mijenjaju po veličini i smjeru. Osovinica se zagrijava, preuzima dio topline od klipa i trenja. Konstrukcija joj ovisi o radnim uvjetima, načinu učvršćivanja i dovodu ulja klipu za njegovo hlađenje. Na slici 4.30. prikazana je osovinica, koja se obično izrađuje šuplja poradi smanjenja mase. Površina joj se brusi da bi se smanjilo trenje i poboljšala čvrstoća. U nekim konstrukcijama na osovinicama se rade radijalni provrti (sl. 4.30.b) ili sustav radijalnih (1) i uzdužnih provrta (2) na slici 4.30.c za dovod ulja potrebnoga za podmazivanje i hlađenje.
125
Sl. 4.30. Osovinice klipa: a, b, c - konstrukcijska rješenja; d,e - načini učvršćivanja
Osovinice se osiguravaju od zadiranja u materijal cilindra elastičnim osiguračima (sl. 4.30.d), čepovima od mekšeg materijala (sl. 4.30.e) ili svornjakom koji prolazi kroz njihovu šupljinu. Često se rabe "plivajuće" osovinice, koje za vrijeme rada omogućuju slobodno okretanje u klipu i u ojnici. Materijal za izradu osovinica je ugljični ili legirani čelik. Osovinice se termički obrađuju cementiranjem ili kaljenjem i otpuštanjem.
4.2.3. Stapni ili klipni prstenovi
Stapni prstenovi dijele se prema namjeni na kompresijske ili brtvene i uljne. Na prstenove djeluju tlak i temperatura plinova te sile inercije i trenja. Stapni su prsteni kružna oblika i pravokutnoga su ili nekoga drugog presjeka (slika 4.31.). U slobodnom položaju promjer je prstena veći od promjera cilindra. Kad je prsten postavljen u cilindar, zračnost između krajeva prstena s, osigurava mu slobodno širenje pri zagrijavanju.
Kompresijski prstenovi brtve radnu zračnost između stapa i cilindra i odvode toplinu sa stapa na cilindar i dalje na rashladno sredstvo. Montirani prsteni u cilindru nalaze se u stegnutom stanju te su pod učinkom sila elastičnosti tlačeni na stijenku cilindra s početnim tlakom od 0,1 do 0,35 MPa. Za vrijeme rada motora tlak na prstenima (p1, p2, p3) povećava se na račun djelovanja plinova koji prodiru u prostor između prstena i stapa.
126
Sl. 4.31. Stapni prstenovi: a - konstrukcija; b - labirintno djelovanje;c - kompresijski; d - oblici spoja; e - uljni
Pri višestrukom prigušivanju opada tlak plina od prstena do prstena na p'1, p'2, p'3 (sl. 4.31.b). Iza drugog prstena tlak je svega 0,1 tlaka u cilindru. Broj kompresijskih prstenova obično je od 3 do 5, ovisno o brzohodnosti motora, tlaku plinova i načinu hlađenja stapova. Prema obliku presjeka kompresijski su prstenovi pravokutni (1), konusni (2), trapezni (3), pravokutni nesimetrični (4) (sl. 4.31.c). Prsteni pravokutna presjeka su jednostavni, osiguravaju dobro odvođenje topline. Teško se uhodavaju, rabe se kao gornji prstenovi, koji rade u uvjetima nedostatnog podmazivanja. Konusni prsteni su s prednjim skošenjem od 1 do 3°; brzo se uhodavaju. Postavljaju se kao drugi i treći. Trapezni prstenovi rade se s bočnim skošenjem pod kutom od 15 do 20°. Rabe se kao gornji prstenovi zbog dobre otpornosti na pregaranje u brzookretnim motorima. Prsteni s nesimetričnim presjekom pri montiranju sa stapom u cilindar se stežu. Radna površina prstena poprima oblik konusa, što poboljšava uhodavanje i smanjuje sklonost zapečenju. Rabe se u srednjookretnim i sporookretnim motorima.
Uljni prstenovi reguliraju količinu ulja koja dolazi do površine stapa i kompresijskih prstenova, te razmazuju ulje po površini košuljice u gibanju stapa prema GMT. Na stapu se postavlja od 1 do 3 uljna prstena ispod kompresijskih prstenova. Broj i raspored uljnih prstenova ovise o zračnosti između stapa i cilindra, dužini klizne površine, broju okretaja koljenaste osovine i odnosu hoda stapa prema promjeru cilindra.
Na slici 4.31.e uljni su prstenovi, koji se izrađuju u različitim izvedbama; s 3 je označen prsten sa skošenim gornjim površinama pod kutom od 20 do 30. Kad se stap giba prema dolje, dva donja ruba prstenu stružu ulje s klizne površine košuljice, i ono se odvodi kroz kanale a. Za pojačanje radijalnog tlaka na površinu košuljice cilindra postavlja se opruga kao na slici 4.31.e, označena s 1.
Stapni prstenovi izrađuju se od sivoga lijevanog željeza s lisnatim grafitom ili lijevanog željeza s kuglastim grafitom legiranim kromom, niklom, molibdenom, bakrom i vanadijem. Da bi se povećala otpornost na trošenje, neki se prstenovi kromiraju. Nekima koji se ne kromiraju, za ubrzano uhodavanje nanosi se tanki sloj
127
olova, bakra ili se opskrbljuju umetkom u obliku prstena (5) od antifrikcijske bronce (sl. 4.31.c).
4.2.4. Stapajica
Stapajica čvrsto povezuje stap s križnom glavom i pravocrtno prenosi silu tlaka plinova na križnu glavu. Gornji kraj stapajici završava s prirubnicom preko koje se ona spaja sa stapom vijcima (sl. 4.29.). Prijelaz od prirubnice na dršku je blag, u obliku konusa, da bi se povećala krutost i snizila koncentracija naprezanja.
Vijci koji spajaju stapajicu sa stapom moraju biti elastični, tj. moraju se produžiti kad se stap zbog zagrijavanja rastegne. Oni se izrađuju što je moguće duži pa se poradi produženja vijaka često ispod matice stavljaju distancijske cijevi. Donji kraj stapajice spojen je s križnom glavom pravokutnom prirubnicom (1 na sl. 4.32.a) ili cilindričnim produžetkom s maticom na slici 4.32.b. Za pravilno spajanje stapa sa stapajicom rabe se izdanci ili zatici.
Sl. 4.32. Stap i stapajica motora: a - s istosmjernim ispiranjem; b - s poprečnim ispiranjem
Provrti u sredini stapajice služe za dovod i odvod sredstva za hlađenje stapova.
Stapajica prolazi kroz brtvenice na dijafragmi, koja odvaja prostor ispod cilindra od prostora kartera motora. Da bi se smanjilo trošenje i gubici zbog trenja, površina drške stapajice, koja se tare, obrađuje se brušenjem.
Na slici 4.33. prikazana je stapajica i brtvenice koje se postavljaju u dijafragmu i koje skidaju ulje sa stapajice. Kućište je posebno modificirano za smještaj brtvenica; na njega djeluju opruge radi boljeg nalijeganja na stapajicu. U visini četvrtog prstena napravljen je provrt za odvod ulja koje se zadržava na stapajici, i na taj se način smanjuje mogućnost prolaska ulja u prostor ispod dijafragme i snizuje se tlak na prstenove ispod odvodnog provrta.
128
Sl. 4.33. Stapajica i brtve
Stapajice se izrađuju kovanjem od ugljičnih čelika ili čelika legiranih kromom i manganom.
4.2.5. Križna glava
Križna glava preuzima sile sa stapajice i prenosi ih na ojnicu i kliznu papuču. S križnom glavom spojene su: stapajica, ojnica i klizna papuča, a u nekim motorima i neki drugi elementi, npr. sklop za dovod rashladnog sredstva.
Sl. 4.34. Križne glave s: a) -jednostrukim, b) -dvostrukim, c) -četverostrukim vođenjem
129
Sl. 4.35. Križna glava s ležajima Sl. 4.36. Spoj stapajice i križne glavegornje glave ojnice s dvostrukim vođenjem
Križna se glava izrađuje kovanjem od čelika. Između osovinice križne glave i male glave ojnice nalaze se klizni ležajevi, različitih izvedaba. Klizna papuča preuzima okomitu silu i predaje ju na kliznu stazu. Križna glava može biti jednostrano, dvostrano ili četverostrano vođena. Na slici 4.34. predočena je križna glava s jednostranim i dvostranim vođenjem.
Pri jednostranom vođenju križne glave dobar je pristup stapnom mehanizmu. Za vožnju krmom u tom se slučaju rabi razmjerno mala klizna površina na preklopnim komadima staze koji obuhvaćaju papuču. Zbog manje površine tad je znatno veće opterećenje nego površine za vožnju naprijed. To se ipak može dopustiti jer vožnja krmom traje kratko.
Jednaki se uvjeti postižu za vrijeme vožnje naprijed i krmom pri četverostrukom vođenju, što osiguravaju dvije jednake površine, koje preuzimaju okomitu silu pri vožnji naprijed i krmom. Za izradu papuća služi kvalitetni čelik, ponekad legiran krommolibdenom ili kromniklom, ili srednjeugljični termički obradiv čelik. Na klizne površine papuča i staza nanosi se tanki sloj bijelog metala s poprečnim i uzdužnim žljebovima za dovod ulja po cijeloj kliznoj površini.
4.2.6. Ojnice
Ojnice povezuju klip ili križnu glavu s koljenastom osovinom i pretvaraju pravocrtno gibanje klipa ili križne glave u kružno gibanje koljenaste osovine. Ojnice su opterećene tlačnim silama plinova i inercijskim silama. Razlikuju se u motora s križnom glavom i u onih bez nje.
130
Sl. 4.37. Ojnice motora bez križne glave
Ojnice se sastoje od gornje ili male glave i donje glave povezanih drškom. Držak ojnice može biti kružna presjeka s provrtom ili I-profila, kako je prikazano na slici 4.37.
Kružni presjek ojnice uobičajen je u srednjookretnim i sporookretnim motorima, a izrađuje se kovanjem s posebnom obradom površine.
Sl. 4.38. Ojnice motora s križnom glavom
U većine konstrukcija kroz držak pravi se uzdužni provrt kojim se dovodi ulje za podmazivanje ležaja u maloj glavi. Motorima bez križne glave mala je glava preko jednodijelnog ležaja povezana s osovinicom klipa; izrađuje se u jednom komadu s drškom i ne može se rastavljati. Na slici 4.39. nekoliko je konstrukcija gornje glave.
131
Sl. 4.39. Konstrukcije gornjih glava ojnica
U srednjookretnih motora u uporabi je ovalni oblik sa zadebljanjem prema sredini (sl. 4.39.c i d). Sferni oblik glave (sl. 4.28.f) osigurava samocentriranje klipa u središtu i omogućuje okretanje klipa oko osi cilindra za vrijeme rada motora. U brzookretnim i srednjookretnim forsiranim motorima, poradi smanjenja opterećenja po jedinici površine, donja se površina kliznom ležaju povećava (sl. 4.39.b i d). U otvor gornje glave utiskuje se jednodijelni ležaj od bronce (sl. 4.37.a).
Ti se ležajevi podmazuju uljem dovedenim kroz provrte uzduž drška ojnice ili uljem što se cijedi kroz radijalne provrte (1 na sl. 4.39.a).
Ojnice motora s križnom glavom (sl. 4.38.) povezuju križnu glavu, preko osnaca, s gornjom glavom (1), a donja glava (3) povezana je s koljenastom osovinom preko letećeg osnaca koljenaste osovine. Gornja i donja glava rade se u dva dijela, koji mogu biti izrađeni odvojeno od drška (sl. 4.38.a) ili u jednom komadu (sl. 4.38.b). Držak ojnice, kod motora s križnom glavom, kružna je presjeka s provrtom za dovod ulja za podmazivanje ležaja. Za učvršćivanje odvojenih glava, krajevi držača završavaju u obliku prirubnice. Dužina držača može se regulirati čeličnim podlošcima (4 na sl. 4.38.a).
Prema uvjetima rastavljanja donje glave ojnice se izrađuju s okomitim ili kosim prorezom. Dijelovi donje glave ojnice spajaju se djelomično kalibriranim vijcima (sl. 4.40.a) ili vijcima i zaticima kao na slici 4.40.c. Dimenzije donje glave ojnice moraju biti takve da se u demontaži može kroz cilindar izvaditi klip s ojnicom.
132
Sl. 4.40. Konstrukcije donjih glava ojnica
Držak ojnice može biti izrađen u dva komada kao na slici 4.37.b. U tim konstrukcijama nema ograničenja u širini jer se donji dio ojnice vadi kroz karter, a ne kroz cilindar, što jednako vrijedi i za ojnice motora s križnom glavom.
U motorima s V-rasporedom cilindara rabe se ojnice različitog načina spajanja s koljenastim osovinama. Na slici 4.41.a prikazano je spajanje ojnica s letećim osnacom tako da su donje glave smještene jedna do druge, a na slici 4.41.b sastavljanje je ojnica u obliku zgloba koji se sastoji od glavne ojnice (1), spojene s osnacom koljenaste osovine i spojne ojnice (2) spojena za glavnu ojnicu osovinicom (3) s pomoću ušaka (4).
Sl. 4.41. Ojnice motora s V-rasporedom cilindara i kalibrirani vijci
Ulje za podmazivanje letećih ležajeva koljenaste osovine dovodi se kroz provrt u koljenastoj osovini iz sustava podmazivanja motora.
Ojnice se izrađuju od kvalitetnih ugljičnih čelika ili čelika legiranih kromom, krom-niklom, krom-nikal-volframom, krom-molibdenom itd.
Brzookretnim motorima vijci ojnice stežu se dinamometarskim ključem, a srednjookretnim i sporookretnim motorima specijalnim hidrauličnim uređajem za stezanje matica. Matice se osiguravaju provlakama, kontramaticama i specijalnim podlošcima.
Vijci za stezanje ojnica sporookretnih motora izrađuju se od kvalitetnoga ugljičnog čelika, a srednjookretnih i brzookretnih od čelika legiranoga kromom, niklom, molibdenom itd.
4.2.7. Koljenasto vratilo (osovina)
Koljenasto vratilo jedan je od najnapregnutijih dijelova motora, a jednako je tako jedan od najsloženijih pokretnih dijelova za izradu.
Koljenasto vratilo opterećeno je tlačnim silama plinova, a također i silama inercije dijelova koji se gibaju oscilacijski i onih s kružnim gibanjem. Opterećenja su neravnomjerna i osim opterećenja na savijanje i uvijanje izazivaju još dodatna naprezanja, npr. pri rezonanciji, koja može rezultirati i pucanjem vratila. Koljenasto
133
vratilo sastoji se od osnaca vratila, osnaca koljena, ramena koljena i spojnih prirubnica.
Sl. 4.42. Koljenasto vratilo 4T diesel motora
3 - vijak za učvršćenje 6 - zubčasto kolo 4 - vijci za osiguranje 7 - temeljna ploča 5 - temeljni ležaj 8 - prirubnica
Ovisno o veličini motora, broju koljena i dužini osnaca koljenasto se vratilo izrađuje u jednom, u dva i više komada spajanih prirubnicama.
Koljenasta vratila brodskih dizelskih motora izrađuju se kovanjem, prešanjem ili lijevanjem od ugljičnih čelika, i legiranih čelika koji se cementiraju i nitriraju. Također se rabi lijevano željezo s kuglasto formiranim grafitom. Za poboljšanje eksploatacijskih odlika koljenasta se vratila od lijevanoga željeza očvršćavaju mehanički, termički, kemijsko-termički, ali i kombinacijom tih metoda da bi se postigla bolja dinamička čvrstoća i površinska tvrdoća.
Međusobni raspored koljena ovisi u prvom redu o taktnosti motora i broju njegovih cilindara. Optimalni raspored koljena koljenastog vratila važan je za ravnomjerni raspored okretnog momenta.
a)
b) c) d)
134
Sl. 4.43. Koljenasto vratilo: a -opći oblik; b -izrađeno od jednog komada; c -polusastavljeno; d -sastavljeno
Kut između koljena susjednih prema redoslijedu paljenja a izračunava se prema formuli:
a 360 iz
z - broj cilindara motora
i - ovisi o taktnosti motora (i = 1 za 2TM, i = 2 za 4TM)
Poradi smanjenja inercijskih sila i centrifugalnih sila, u osnacima se prave provrti, koji se sa strane zatvaraju, a često se rabe za dovod ulja potrebnoga za podmazivanje ležaja letećih osnaca. Unutarnji promjer osnaca ograničuje se na 0,4 promjera osnaca. Polumjer prijelaza osnaca i ramena u vratila kovanih u jednom komadu ili polusastavljenih ne smije biti manji od 0,05d, a prijelaz između osnaca i prirubnice ne smije biti manji od 0,08d; d je promjer osnaca.
Preporučuje se postavljanje izlaza za ulje na površinama osnaca u presjecima u kojima su naprezanja minimalna. Rubovi otvora moraju se zaobliti na polumjer ne manji od 0,25 promjera otvora i moraju se pomnjivo izbrusiti.
Površinsko kaljenje osnaca ne smije zahvatiti polumjer zaobljenja, osim kad se kali cijela osovina. Ako je u kućište motora ugrađen odrivni ležaj, promjer odrivne osovine u području ležaja ne smije biti manji od promjera koljenaste osovine ni manji od promjera određenoga prema pravilima Hrvatskog registra brodova.
Bočni nosači koji spajaju osnace mogu biti različita oblika, npr. pravokutnoga (sl. 4.43.a), koji se rabi u srednjookretnim motorima, kružnoga (sl. 443.b) za brzookretne i srednjookretne motore. Sa stajališta najracionalnijeg iskorištavanja materijala s obzirom na čvrstoću i krutost, najbolje su ovalne izvedbe.
Vratilo s protuutezima izrađuje se za uravnoteženje masa, odnosno za rasterećenje temeljnih ležaja od centrifugalnih inercijskih sila.
Na slici 4.43.a s 8 je označena prirubnica na krmenom kraju za pričvršćenje zamašnjaka i spoj s osovinskim vodom. Sa 7 je označen zupčanik za pogon razvodne osovine, a na prednjem dijelu s 1 označen je zupčanik za pogon privješenih pomoćnih mehanizama.
Zamašnjak osigurava potrebnu ravnomjernost okretaja koljenaste osovine motora. On se izrađuje u obliku kotača masivna oboda. Zamašnjaci su od lijevanog željeza ili čelika.
4.2.8. Razvodni mehanizam
135
Ovisno o tomu je li motor 2T ili 4T, razlikuju se uređaji s pomoću kojih se upravlja usisom i ispuhom plinova. U 2TM razvod se plinova regulira stapom pri poprečnom i obratnom ispiranju, a u istosmjernom ispiranju s ispušnim ventilom ispiranje se cilindra upravlja s pomoću stapa, a ispuhom ventilom. U 4TM u poklopcu cilindra smješteni su ventili za usis i ispuh.
Razvodni mehanizam sastoji se od razvodne osovine koju tjera koljenasta osovina preko zupčanika ili lančanog prijenosa, te ventilnog mehanizma. Na slici 4.44. prikazan je prijenos gibanja s razvodne osovine na ventile.
Sl. 4.44. Prijenosni mehanizam s Sl.4.45. Ventil s provrtom zarazvodne osovine na ventil rashladno sredstvo
S razvodne osovine (2) preko brijega (3), kotačića i podizača (5) djeluje se na njihalo (6), koje radi kao dvokraka poluga što desnim krakom djeluje na ventil (1). Ventili su opterećeni tlačnom silom plinova i inercijskom silom, te zagrijavanjem vrućim plinovima pri izgaranju goriva. Visoka temperatura i brzina plinova, koji sadrže spojeve sumpora i vanadija, izazivaju koroziju i eroziju dosjednih površina pladnja ventila i sjedišta ventila.
Raspored i broj ventila određuje se ovisno o taktnosti motora i njegovoj brzohodnosti, ali i o stupnju forsiranja.
136
Sl. 4.46. Shema rasporeda usisnih i ispušnih ventila
Raspored ventila u cilindarskom poklopcu četverotaktnog motora može biti uzdužan ili poprečan u odnosu prema osi koljenastog vratila (sl. 4.46.). Međutim, može biti u jednom redu ili u dva reda, s odvodom i dovodom plinova na jednoj ili na obje strane motora. Za 2TM s malim brojem okretaja obično je jedan ventil, smješten u sredini poklopca motora kao na slici 4.24.
Na slici 4.47.a, prikazan je ventil (1) s vodilicom (3), ventilskim oprugama (4) i ventilskim podlošcima (5) s osiguračima (7) i sjedištima (8). Ventili mogu biti izravno montirani u poklopcu cilindra, kao na slici 4.47.a, ili su u posebnom kućištu (1) kao na slici 4.47.b. Posebno kućište omogućuje jednostavniju zamjenu ventila, bez demontiranja poklopca cilindra, i poboljšanje njegova hlađenja.
Sl. 4.47. Ventili: a - montiran u poklopcu cilindra, b - montiran u posebnom kućištu;c - učvršćenje vretena ventila; d - dosjed ventila
Promjer usisnih i ispušnih ventila obično je jednak, ali se ponekad brzookretnim motorima usisni ventili izrađuju većeg promjera od ispušnih ventila, i do 20%, radi lakšeg punjenja cilindara zrakom. Pladanj ventila nasjeda na sjedište ventila pod
137
kutom od 45° u ispušnih ventila, a od 30 do 45° u usisnih ventila. Poradi dobrog brvtljenja prolaza plinova ventili se bruse brusnom pastom na dosjed ventila.
Ventili se zatvaraju oprugama, koje se montiraju s prednaponom, s pomoću podloška (3) i dvodijelnih osigurača (4) na slici 4.47.c. Na jedan ventil dolazi jedna ili dvije opruge cilindrična oblika suprotno usmjerenog uspona. Opruge se centriraju s pomoću odgovarajuće izvedbe podloška (5 na sl. 4.47.a). Vodilica ventila (3) i vreteno ventila bruse se poradi pravilnog vođenja ventila i predavanja topline na rashladno sredstvo. Nekim motorima hlade se dosjedi ventila (sl. 4.24.) radi intenzivnijeg odvođenja topline s pladnja ventila. Brzohodnim motorima u vretenu ventila radi se provrt u koji se postavi natrij, i on se pri zagrijavanju ventila bućka i povećava efekt hlađenja. Za srednjookretne motore koji rabe teška goriva sa sumporom, rabi se cirkulacijsko hlađenje ventila vodom dovedenom ventilu preko savitljivih cijevi i provrta u vretenu ventila (sl. 4.45.).
Motorima koji rade na teško gorivo, da bi im se povećao vijek trajanja i ujednačila temperatura zagrijavanja ispušnih ventila, provodi se zakretanje ventila posebnim uređajem "Rotocap" ili krilcima (2 na sl. 4.47.b) na koja djeluju ispušni plinovi i tako zakreću ventil pri svakom otvaranju za određeni kut.
Za ventile se odabiru austenitni ili legirani čelici, a za napregnute ispušne ventile materijali otporni na visoke temperature, kao što su čelici legirani kromom, krom-niklom ili krom-nikal-molibdenom. Često se na površinu pladnja ispušnih ventila nanosi sloj stelita (slitina kobalta, kroma i volframa).
Dosjedi ventila ponekad se tokare u poklopcu cilindra (sl. 4.44.) ili može biti izrađeno kao posebno sjedište uprešano ili zavareno u poklopac cilindra (sl. 4.47.a) ili je u sklopu posebnog kućišta ventila kao na slici 4.47.b.
Dosjed ventila izrađuju se od specijalnih čelika legiranih kromom ili od specijalnoga lijevanog željeza.
Razvodna osovina služi za upravljanje ventilima, za pogon visokotlačnih sisaljka goriva, za pogon regulatora broja okretaja, za pogon razvodnika zraka za upućivanje motora itd. Manjim brzookretnim motorima ona je u jednom komadu, a bregovi su istokareni i glodani. Sporookretnim motorima bregovi se navlače u vrućem stanju na osovinu i osiguravaju klinovima. U nekih motora, poradi jednostavnosti izrade i mogućnosti regulacije, rabe se rastavljive bregaste ploče, kao na slici 4.48.b kojima se može ugađati kut brijega.
Sl. 4.48. Bregovi razvodne osovine: a - brijeg i osovina izrađeni u jednom komadu;b - prilagodljivi kolut s brijegom, c - brijeg osiguran hidrauličnim upresivanjem
Prekretnim motorima s uzdužnim pomicanjem razvodne osovine, osovina ima dvostruke bregove: za vožnju "naprijed" i za vožnju "krmom". Razvodna se osovina izrađuje od ugljičnog čelika ili od čelika legiranih kromom ili krom-niklom. Da se
138
smanji trošenje površine elemenata, osovine se podvrgavaju termičkoj obradi, a površine se bruse.
Razvodna se osovina pogoni koljenastim vratilom s odgovarajućim prijenosnim omjerom. Dvotaktnim motorima taj omjer je 1 : 1, a četverotaktnima je 1 : 2. Razvodna osovina može biti smještena u bloku cilindara kao na slici 4.44, zatim na razini poklopca cilindra, kao na slici 4.49.a ili iznad ventila - slika 4.49.b. Poradi pogodnosti pristupa za pregled i remont mnogim se motorima razvodna osovina postavlja u prostor kućišta. Ovisno o položaju razvodne osovine izvodi se prijenos gibanja s razvodne osovine na ventile.
Na slici 4.44. prijenos se obavlja preko potisne motke (5) i ventilske dvokrake poluge (6), a na slici 4.49.a on je izveden preko ventilne poluge ili izravno kao na slici 4.49.b.
Prijenos s koljenaste osovine na razvodnu ostvaruje se kombinacijom prijenosnih zupčanika kao na slici 4.49.c, s pomoću vertikalne osovine i koničnih zupčanika na slici 4.49.d ili preko lanca kao na slici 4.49.e. U sporookretnim motorima najviše se rabi lančani prijenos, pri kojemu se rabi uređaj za zatezanje lanca (1), zupčanice (2) i vodilice (3) za sprečavanje uzdužnih vibracija lanca. Da bi se postigla dostatna krutost razvodne osovine, broj je osnovnih osnaca jednak broju osnovnih osnaca koljenaste osovine. Brzookretnim motorima razvodna osovina izrađuje se u jednom komadu, a srednjookretnima i sporookretnim može biti u više komada spajanih prirubnicama.
Ležajevi razvodne osovine čelične su šalice nalivene bijelim metalom koji oblikuje kliznu površinu. Krajnji ležaj postavljen blizu pogonu fiksira osovinu u aksijalnom pomicanju zbog linearnog širenja nastaloga zagrijavanjem.
Sl. 4.49. Smještaj i prijenos pogona razvodne osovine: a, b - smještaj razvodne osovine u poklopcu i iznad poklopca cilindra; c - zupčasti prijenos;
d - prijenos preko okomito postavljene osovine; e - prijenos s pomoću lanca
Slika 4.50. sadrži prikaz elemenata preko kojih se prenosi gibanje s razvodne osovine na ventile. U srednjookretnim motorima rabi se kratki podizači s kotačićem (sl. 4.50.a) da se smanji trenje između brijega i kotača. Motorima kojima je razvodna osovina postavljena niže od cilindarskog poklopca ugrađuju se potisne motke, prikazane na slici 4.50.b.
Dvokrake ventilne poluge služe za prijenos sile s podizača ili potisne motke na ventil, te za promjenu smjera njezina djelovanja.
139
Sl. 4.50. Elementi za prijenos sile s razvodne osovine na ventile
Na ventilnoj su poluzi vijci s kontramaticama za regulaciju zračnosti potrebne zbog linearnog širenja ventilnog vretena zagrijavanjem za vrijeme rada motora. Zračnost se daje u instrukcijskim knjigama proizvođača motora. Kontramaticom se osigurava vijak od odvijanja tijekom rada motora. U suvremenim srednjookretnim motorima umjesto regulacijskog vijka rabi se hidraulični podizač, koji automatski uklanja zračnost ventilnog mehanizma.
Suvremenim sporookretnim motorima mehanički je pogon ispušnog ventila zamijenjen pneumatsko-hidrauličnim, prikazanim na slici 4.51. Ventil (1) otvara se pod učinkom tlaka ulja do 30 MPa, koje djeluje na stap (3) servomotora, učvršćen na vretenu ventila. Ulje se dovodi kroz cijev (4), tlačeno stapom (5), koji se pogoni brijegom razvodne osovine (7) preko podizača (6). Ventil se zatvara komprimiranim zrakom tlaka do 2 MPa, koji djeluje na stap (2) učvršćen na ventilu (1).
Pneumatsko-hidraulični pogon povećava sigurnost u radu, smanjuje buku i trošenje dijelova zbog trenja, povećava vijek trajanja ventila i odstranjuje udarce u pogonu.
140
Sl. 4.51. Ispušni ventil s pneumatsko-hidrauličnim pogonom
Podmazivanje ležaja razvodne osovine i prijenosnog mehanizma obavlja se uljem iz cirkulacijskog sustava podmazivanja motora.
141
5.
Sustavi motora
________________________________________________________________
5.1. Sustav goriva
5.2. Sustav hlađenja
5.3. Sustavi podmazivanja
5.4. Sustav upućivanja
5.5. Manevriranje motornim brodovima
________________________________________________________________
5. Sustav motora
Pod sustavom podrazumjeva se sklop uređaja i dijelova koji su u funkciji obavljanja određenog zadatka.
142
U ovom dijelu izlaže se uloga i funkcioniranje pojedinih sustava kao cjeline, tako i njihovih pojedinih dijelova. Obrađuju se sustavi goriva, hlađenja, podmazivanja, upućivanja i prekretanja motorom.
5.1. Sustav goriva
________________________________________________________________
5.1.1. Sisaljke
5.1.2. Raspored cjevovoda
5.1.3. Uređaji za zagrijavanje goriva u tankovima
5.1.4. Uređaji za ispuštanje vode iz tankova goriva
5.1.5. Uređaji za prikupljanje iscurenog goriva
5.1.6. Punjenje tankova gorivom
5.1.7. Tankovi za gorivo
5.1.8. Dovod goriva motoru s unutrašnjim izgaranjem
5.1.9. Uređaji goriva
5.1.10. Zajednički sustav goriva glavnog i pomoćnih motora
5.1.11. Visokotlačne sisaljke
________________________________________________________________
Sustav goriva u brodskih motora sastoji se od tankova, cjevovoda, sisaljka za prebacivanje goriva i visokotlačnih sisaljka za uštrcavanje goriva u cilindar motora, rasprskača, filtara, separatora i zagrijača za grijanje goriva.
Klasifikacijski zavodi svojim propisima određuju uvjete koje moraju ispunjavati sustav goriva i pojedini njegovi djelovi. Hrvatski registar brodova svojim pravilima propisuje uvjete za pojedine elemente sustava goriva kako dalje u tekstu slijedi.
5.1.1. Sisaljke
Za pretakanje goriva moraju se predvidjeti najmanje dvije sisaljke s mehaničkim pogonom, od kojih je jedna pričuvna.
Kao pričuvna može poslužiti bilo koja sisaljka pogodna za tu svrhu, računajući i sisaljke separatora goriva.
Na brodovima ograničenog područja plovidbe II. i III. ne zahtijeva se pričuvna sisaljka.
Na brodovima kojima dnevna potrošnja goriva nije veća od 2 tone dopušteno je postavljanje jedne ručne sisaljke.
143
Ako se tankovi za gorivo i duboki tankovi naizmjenice rabe za krcanje goriva i balasta, treba predvidjeti odgovarajuće uređaje za blokiranje cjevovoda balasta dok se u tankovima nalazi gorivo i cjevovoda goriva dok je u tankovima balast.
Sisaljke za pretakanje goriva, računajući i na sisaljke separatora, moraju imati osim lokalnog uređaja za upravljanje još i uređaj za zaustavljanje sisaljke s lako dostupnog mjesta izvan prostorije u kojoj se ona nalazi.
5.1.2. Raspored cjevovoda
Cjevovodi goriva, redovito moraju biti potpuno odvojeni od drugih cjevovoda. Ako se tankovi goriva rabe za balast, trebaju udovoljiti zahtjeve točke 8.1.2. - Pravila Hrvatskog registra brodova.
Cjevovodi za pretakanje zagrijanoga goriva pod tlakom moraju se smjestiti na dobro uočljivim i pristupačnim mjestima.
Cijevi za protok goriva ne smiju se voditi iznad motora s unutarnjim izgaranjem, turbina, cjevovoda ispušnih plinova, parnog cjevovoda (osim parnih cijevi za zagrijavanje goriva), parnih kotlova i njihovih dimovoda.
U iznimnim okolnostima dopušta se izvedba cjevovoda za gorivo iznad strojeva i uređaja, uz uvjet da cjevovodi koji tuda prolaze nemaju otpustljive spojeve, a na potrebnim mjestima imaju tave koje sprečavaju kapanje goriva na navedene uređaje.
Usisni cjevovod goriva za tankove obujma većega od 50 l, ali i cjevovodi namijenjeni za izravnavanje razine tekućine u tankovima smještenima iznad dvodna, moraju imati zaporne ventile, izravno na tankovima. Mora se predvidjeti daljinsko zatvaranje tih ventila sa stalno pristupačnih mjesta, a koja se nalaze izvan prostorije u kojoj su tankovi.
Ako su tankovi za gorivo smješteni iznad dvodna i graniče s tunelom osovinskog voda ili cjevovoda, odnosno s drugim sličnim prostorijama, ventili mogu imati lokalno upravljanje, ali na cjevovodu mora biti dodatni ventil na pristupačnom mjestu izvan tih prostorija. Ako je taj dodatni ventil u strojarnici, mora biti moguće daljinsko zatvaranje ventila izvan strojarnice.
Za tankove dnevne potrošnje preporučuju se ventili brzozapornog tipa.
5.1.3. Uređaji za zagrijavanje goriva u tankovima
Tekuće gorivo zagrijava se s pomoću spiralnih cijevi parom ili vodom.
Te spiralne cijevi moraju se smjestiti u najnižim dijelovima tanka.
Krajevi usisnih cijevi za gorivo u dnevnom i taložnom tanku moraju se smjestiti iznad spiralnih cijevi za grijanje tankova, tako da cijevi za grijanje tankova goriva budu, koliko je moguće, stalno uronjene.
Najviša temperatura zagrijanoga goriva u tankovima mora biti 10oC niža od plamišta para goriva.
144
Kondenzat pare za grijanje mora se voditi kroz kontrolnu posudu opremljenu kontrolnim staklom.
Tlak pare za zagrijavanje tankova ne smije biti viši od 0,7 MPa.
Poradi nadzora temperature zagrijanoga goriva moraju se na potrebnim mjestima postaviti termometri.
5.1.4. Uređaji za ispuštanje vode iz tankova goriva
Za ispust prikupljene vode iz tankova dnevne potrošnje i taložnih tankova treba predvidjeti samozatvorive ventile i odvodne cijevi u sabirne tankove.
Te cijevi moraju imati staklo za nadzor protoka, a na mjestima gdje postoje tave mogu se umjesto stakla rabiti otvoreni lijevci.
5.1.5. Uređaji za prikupljanje iscurenoga goriva
Ispod nestrukturnih tankova, ispod sisaljka i filtara, te na svim mjestima gdje bi gorivo moglo curiti, treba postaviti tave za prikupljanje goriva.
Odljevne cijevi spojene na sabirne tave moraju se voditi do tankova iscurenoga goriva. Nije ih dopušteno odvoditi u kaljužu i u preljevne tankove.
Unutarnji promjer odljevnih cijevi ne smije biti manji od 25 mm.
Krajeve odljevnih cijevi treba voditi do dna tanka, tako da između dna i kraja cijevi ostane minimalna zračnost. Ako je tank iscurenoga goriva smješten u dvodnu, valja u slučaju oštećenja izvanjske oplate, konstruktivnim mjerama spriječiti ulaz.
Mora se omogućiti signalizacija za upozorenje na visoku razinu u tankovima iscurenoga goriva.
Ako odljevne cijevi iz tava za prikupljanje goriva koje se nalaze u raznim vodonepropusnim prostorima vode u zajednički tank, moraju biti predviđene konstruktivne mjere da ne prodre voda iz jednoga naplavljenog prostora u drugi kroz otvorene krajeve odljevnih cijevi goriva.
5.1.6. Punjenje tankova goriva
Tankovi goriva na brodu moraju se puniti stalno ugrađenim cjevovodima za punjenje. Ti cjevovodi moraju biti opskrbljeni potrebnom atmaturom koja osigurava dovod goriva u sve tankove goriva.
Krajevi cijevi namijenjenih punjenju tankova moraju se postaviti što bliže dnu tanka.
Na putničkim brodovima tankovi se goriva pune iz posebne prostorije, odijeljene od drugih prostorija, koja obvezno ima odljevne cijevi vođene do tankova za iscureno gorivo.
145
Cjevovodi za punjenje tankova smještenih iznad dvodna moraju se spojiti na gornju stijenku tanka. Ako je to nemoguće izvesti, oni moraju imati nepovratne ventile, postavljene izravno na tankovima.
Ako se cijev za punjenje rabi kao usisna cijev, umjesto nepovratnog ventila potreban je zaporni ventil s daljinskim zatvaranjem s pogodnog mjesta izvan prostorije u kojoj su tankovi.
5.1.7. Tankovi za gorivo
Nestrukturni tankovi moraju biti konstruirani u skladu s Pravilima.
Tankovi za gorivo u prostoriji strojnog uređaja moraju biti smješteni u skladu s Pravilima.
Tankovi goriva smješteni na otvorenim dijelovima palube i nadgrađa, ali i na drugim mjestima izloženima atmosferskom utjecaju, moraju biti zaštićeni od djelovanja sunčevih zraka.
Na brodovima od stakloplastike tankovi goriva ne smiju biti uz prostoriju za putnike. Prostor između tankova goriva i prostorija za putnike i posadu mora se dobro ventilirati.
Po pravilu, tankovi goriva ne smiju se smjestiti u brodsku strojarnicu. Ako su oni ipak u strojarnici, moraju biti od čelika ili drugoga jednakovrijednog materijala.
Tankovi goriva moraju biti odijeljeni pregracima od tankova pitke vode, vode za kotlove, biljnog ulja za podmazivanje.
5.1.8. Dovod goriva motorima s unutrašnjim izgaranjem
Sustav za gorivo obvezno je opremljen tako da osigurava dovod goriva pripremljenoga i očišćenog za ispravan rad motora.
Filtar na cjevovodu za dovod goriva do motora mora biti takav da se dade čistiti bez prekida rada motora.
Ako sustav goriva za porivni motor ima privješenu dobavnu sisaljku, osim kod strojarnice s dva i više motora od kojih svaki ima svoju dobavnu sisaljku, treba omogućiti dovod goriva u motor ako se dobavna sisaljka pokvari.
Ti zahtjevi ne odnose se na brodove ograničenog područja plovidbe II. i III.
Pri radu porivnih motora s raznim vrstama goriva moraju se poduzeti mjere opreza kako bi se spriječila mogućnost da pomoćni motori i drugi potrošači dobiju neodgovarajuće gorivo.
5.1.9. Uređaji goriva
146
Visokotlačne sisaljke goriva moraju imati uređaj za brzi prekid dostave goriva u bilo koji cilindar. Dopuštaju se iznimke za motore s promjerom cilindara manjim od 180 mm koji imaju sisaljke goriva u bloku.
Visokotlačne cijevi goriva moraju biti čelične, bešavne i debelih stijenki, bez međusobnog spajanja zavarivanjem ili lemljenjem.
Svi porivni i pomoćni motori promjera cilindra od 250 mm i više moraju imati zaštićene visokotlačne cijevi. Zaštitom se mora spriječiti curenje ili prskanje goriva po dijelovima na motoru ili oko njega, koje bi moglo izazvati požar.
Moraju se osigurati odgovarajući uređaji za odvod iscurenoga goriva i za spriječavanje zagađivanja mazivog ulja gorivom.
Ako se kao zaštita rabi savitljiva cijev, ona mora biti odobrenog tipa. Zaštita se postavlja i na povratne cijevi u kojima titranje tlaka premašuje 2 MPa.
Motori predviđeni za pogone bez stalne službe u strojarnici moraju imati zaštićene visokotlačne cijevi, bez obzira na veličinu promjera njihova cilindra.
Cijevi goriva moraju biti termički izolirane do visokotlačne sisaljke. Cijevi od visokotlačne sisaljke do rasprskača moraju biti zaštićene da ne bude curenja ili prskanja po motoru, što bi bila velika opasnost za izbijanje požara u strojarnici.
Iz izvatka Pravila Hrvatskog registra i slike 5.1. vidi se koji su dijelovi sustava goriva i koje uvjete ti dijelovi moraju ispunjavati.
Sustav goriva u dizelskih motora treba osigurati:
- točno doziranje goriva prema zadanom režimu rada motora;
- potrebni tlak za uštrcavanje goriva;
- uštrcavanje točno određene količine goriva u točno određenom vremenskom
trenutku;
- mogućnost mijenjanja trenutka uštrcavanja goriva prema opterećenju motora;
- ravnomjerno rasprskavanje goriva u prostoru izgaranja;
- stabilni rad od minimalnoga do nominalnog radnog režima motora;
- optimalni zakon uštrcavanja za zadane uvjete zapaljenja i izgaranja goriva.
5. 1. Shema zagrijavanja goriva u Fiatovu motoru
1 - tank goriva s grijačem, 2 - taložni tank goriva, 3 - transfer sisaljke, 4 - separatori goriva, 5, 10 - zagrijači goriva, 6 - tank dnevne potrošnje, 7 - tank dizelskoga goriva, 8 - ventil, 9 - sisaljke goriva, 11 - filter samočistač, 12 - razvodna cijev goriva, 13 - visokotlačna sisaljka
147
Sl. 5.2. Sustav goriva Sulzerova motora
1 - glavni motor 10 - parni zagrijač2 - taložni tank teškog goriva 11 - filtar goriva3 - dnevni tank teškog goriva 12 - visokotlačna sisaljka4 - dnevni tank diesel goriva 13 - prekotlačni ventil5 - troputni ventil 14 - preljev visokotlačne sisaljke6 - filtar 15 - preljev pri provjeri usisa visokotlačnih sisaljki7 - napojna sisaljka nižeg tlaka 16 - prekotlačni ventil9 - napojna sisaljka višeg tlaka 17 - prigušivač impulsa tlaka
5.1.10. Zajednički sustav goriva glavnoga i pomoćnih motora
Gorivo iz skladišnih tankova tretira se u centrifugalnim separatorima prije ulaska u servisne tankove (1) i (2) na slici 5.3. Iz servisnih tankova ono ulazi u sustav napajanja.
148
Sl. 5.3. Sustav goriva MAN B&W-motora
U napojnom sustavu gorivo se tlači napojnim sisaljkama (3) u cirkulacijski sustav koji je pod tlakom od 4 bara. U napojni sustav može biti uključen fini filtar. Preljev napojnih sisaljka recirkulira se u cjevovod by-passa u koji je ugrađen preljevni ventil kako bi zadržao ulazni tlak konstantnim u cirkulacijskom krugu, bez obzira na potrošnju goriva.
Sisaljke (4) u cirkulacijskom krugu podižu tlak goriva iz sustava napajanja na konstantni tlak ulaska od 7 do 8 bara prije visokotlačne sisaljke. Ulazni tlak se održava na potrebnoj razini preljevnim ventilom s oprugom smještenim na glavnomu motoru. S pomoću predgrijača (5) održava se temperatura, odnosno viskozitet zagrijavanjem teškoga goriva. Zaštita uštrcanog sustava ostvaruje se filtrom (6) koji odvaja čestice od 50 mm, a smješten je što bliže glavnomu motoru. Takav filtar ugrađuje se i u pomoćne motore.
Preliveno gorivo vraća se preko odušnog tanka (7), gdje se plinovi oslobađaju preko odzračnog ventila (9), poradi sprečavanja kavitacije u sustavu. Trosmjerni ventili s daljinskim upravljanjem omogućuju uporabu teškog i dizelskoga goriva za pomoćne motore. Oni se montiraju blizu motora. Posebna booster-sisaljka (1) opskrbljuje dizelskim gorivom pomoćne motore iz tanka (2). Za osiguranje rada booster-sisaljke i u slučaju prekida normalnog napajanja energijom, sisaljka se trenutačno prebacuje na pogon stlačenim zrakom ili energijom napajanja u nuždi. Za vrijeme rada u luci, kad je glavni motor zaustavljen i potrebna je snaga samo jednoga ili više pomoćnih motora, tad su u pogonu sisaljke (3). Ako se rabi teško gorivo, u pogonu je cirkulacijska sisaljka (4) i aktiviran je preljevni ventil (10) na zaobilaznom spoju između ulaza i izlaza glavnog motora.
Sustav je goriva zajednički za glavni i pomoćni motor, te za teško i dizelsko gorivo. Tlačni dio sustava sprečava ishlapljivanje goriva i kavitaciju pri njegovu zagrijavanju poradi postizanja viskoziteta od 10 do 15 cSt, potrebnoga za uštrcavanje goriva.
149
5.1.11. Visokotlačne sisaljke
Visokotlačne sisaljke imaju zadaću da gorivo pod visokim tlakom dovode do rasprskača. One dobivaju pogon od brijega na razvodnoj osovini motora, do posebne osovine za pogon visokotlačnih sisaljka, a ima i onih posebnih koje su pogonjene tlakom plinova iz cilindra motora.
Sisaljke mogu biti izrađene posebno za svaki cilindar ili u zajedničkom kućištu za više cilindara. Sisaljke za velike sporookretne motore koji rade kao porivni strojevi, moraju biti prikladne za rad prema vijčanoj karakteristici i za rad pri malom broju okretaja. Sisaljke se moraju jednostavno uključivati i isključivati iz pogona.
Visokotlačne se sisaljke dijele prema načinu regulacije dobave goriva na:
- sisaljke s promjenom stapnog hoda;
- sisaljke sa zakretanjem stapa;
- sisaljke s preljevnim ventilom.
Dobava goriva može se regulirati promjenom početka uštrcavanja goriva, promjenom svršetka uštrcavanja i kombinacijom ta dva načina. Pri regulaciji svršetka uštrcavanja, početak je nepromijenjen bez obzira na opterećenje motora. Taj način regulacije čest je u motora kojima se broj okretaja ne mijenja, kao što su motori za pogon generatora.
U regulaciji snage motora s promjenom početka uštrcavanja goriva, početak uštrcavanja mijenja se s promjenom opterećenja motora, i to što je veće opterećenje, početak će uštrcavanja biti prije. Taj način regulacije pogodan je za porivne strojeve.
5.1.11.1. Sisaljke s promjenljivim hodom stapa
Promjena stapnog hoda ostvaruje se aksijalnim pomakom kosog brijega na razvodnoj osovini. Sisaljka je jednostavne konstrukcije; sastoji se od kućišta u kojemu je stap sisaljke s pripadajućim cilindrom, te usisni i tlačni ventili (sl. 5.4.).
150
5.4. Shema sisaljke s promjenljivim hodom stapa
U regulaciji sisaljke s kosim brijegom pomiče se razvodna osovina uzdužno tako da se zbog promjene visine kosog brijega mijenja hod stapu sisaljke, a time i količina uštrcanoga goriva. To je pomicanje razvodne osovine nepraktično i povezano je s relativno velikim otporima, zbog čega se u praksi rijetko susreće, i to samo u motora malih snaga. Početak je dobave stalan, a svršetak se mijenja ovisno o ekscentričnosti dijela brijega s kojim je pri odgovarajućoj regulaciji kotačić u zahvatu.
5.1.11.2. Sisaljke sa zakretanjem stapa
U ovim sisaljkama dobava se regulira zakretanjem stapa u cilindru sisaljke na kojemu se nalaze okomiti i spiralni žljebovi. Ovisno o tomu za koliki se kut zakreće stap, bit će dužina trajanja uštrcavanja goriva.
Na slici 5.5. prikazan je presjek sisaljke. S (1) označen je njezin cilindar, na kojemu su dva bočna otvora za dovod goriva u cilindar. U cilindru je stap (2) sa žljebovima na gornjem dijelu, a donji dio završava s dva izdanka koja zadiru u proreze na tuljku (5). Na tuljku je učvršćen nazupčani segment (4) koji je u zahvatu s nazupčanom motkom (5). Uzdužnim pomicanjem motke (3) zakreće se segment (4), tuljak (5) i stap (6). Zakretanjem stapa mijenja se dužina efektivnog tlačenja goriva, koje traje do trenutka poklapanja bočnog otvora sa spiralnim žlijebom.
5.5. Visokotlačna sisaljka sa zakretanjem stapa
Dobava goriva u ovim sisaljkama regulira se na tri načina:- promjenom trenutka svršetka dobave goriva, slika 5.6.a;- promjenom trenutka početka dobave goriva, slika 5.6.b;- mijenjanjem početka i svršetka dobave, slika 5.6.c.
151
Sl. 5.6. Mogućnosti regulacije dobave goriva u sisaljkama sa zakretanjem stapa:a - promjenom svršetka dobave; b - promjenom početka dobave;
c - promjenom početka i svršetka dobave
Gorivo se tlači preko tlačnog ventila, tlačnog voda i rasprskača u cilindar motora. Tlačni ventil onemogućava povrat goriva iz tlačnog voda u cilindar za vrijeme usisnog hoda stapa i naglo rasterećenje tlačnog voda i rasprskača u trenutku nalijeganja tlačnog ventila na sjedište. To je važno za nagli prekid uštrcavanja goriva kako bi se spriječilo njegovo kapanje u cilindar i stvaranje gareži.
Tvrtka MAN konstruirala je visokotlačne sisaljke sa zakretanjem stapa za srednjookretne motore s dva stapa u tandemu, različitih promjera. Svaki stap tlači gorivo preko posebnoga tlačnog ventila i tlačne cijevi u zajednički rasprskač. Ta sisaljka radi na istom načelu kao i ona prikazana na slici 5.5. Osnovna razlika između
sisaljka prikazanih na slici 5.5. i slici 5.7. u tome je što se u ove sisaljke s pomoću malog stapa obavlja bolja regulacija pri malim opterećenjima i praznom hodu motora, kad motor razvija snagu potrebnu da se svladaju njegovi mehanički gubici.
152
Sl. 5.7. Visokotlačna sisaljka RV i VV40/54 MAN-motora s velikim i malim stapomkoji rade u tandemu
1 - brijeg razvodne osovine; 2 - regulacijski vijak; 3 - podizač s kotačićem; 4 - klip; 5 - cilindar; 6 - tlačni ventil; 7 - cijev; 8 - vijak za fiksiranje cilindra; 9 - nazupčani segment; 10 - nazupčana motka; 11 - opruga; 12 - uređaj za isključenje sisaljke; 13 - vodilica podizača; 14 - kotačić
Mali stap je postavljen u odnosu prema velikomu tako da tlačenje počinje nešto prije, čime se pri vsim opterećenjima motora postiže postupno izgaranje i ravnomjernije raste tlak u prostoru izgaranja. Na slici 5.7.c vidi se da se preduštrcavanje događa - 20 do 10.
U ovim sisaljkama početak dobave odgovara trenutku zatvaranja bočnih otvora stapom na košuljici, a ne trenutkom zahvata brijega na razvodnoj osovini i kotačića podizača stapa. Nadzor veličine kuta preduštrcavanja povezana je s kontrolom i postavljanjem točne zračnosti između kotačića i brijega.
5.1.11.3. Sisaljke s preljevnim ventilom
153
Ovim sisaljkama dobava se goriva regulira preljevnim i usisnim ventilom ili njihovom kombinacijom. Njima se može mijenjati dobava promjenom početka, svršetka ili promjenom i početka i svršetka uštrcavanja goriva. Često služe za motore velikih snaga, kao što ih proizvode tvrtke Sulzer i Fiat.
Sl. 5.8. Shematski prikaz sisaljke s regulacijom početka uštrcavanja usisnim ventilom
Na slici 5.8. shematski je prikazana visokotlačna sisaljka kojoj se dobava regulira usisnim ventilom. Hod stapa u cilindru sisaljke prati lijevi krak dvokrake poluge (9), koja se oslanja na ekscentar osovine (8). Desni krak dvokrake poluge djeluje preko podizača (7) na usisni ventil (2). Gibanjem stapa prema dolje, preko poluge (9) otvara se usisni ventil (2), a gorivo popunjava prostor iznad stapa u cilindru sisaljke. U hodu stapa prema gore dio goriva izlazi iz sisaljke preko otvorenoga ventila sve dok se on ne zatvori. Zatvaranjem usisnog ventila upravlja dvokraka poluga (9), na koju djeluje regulator zakretanjem ekscentrično postavljenog oslonca (8).
Ako se želi veća dobava goriva, valja zakrenuti ekscentar (8) tako da poluga (9) omogući ranije zatvaranje usisnog ventila (2). Ako se želi manja dobava, zakretanje se obavlja tako da se usisni ventil zatvara kasnije, tako da kroz usisni ventil iscuri veća količina goriva, uštrcavanje kasnije počinje, a njegov je završetak kad stap dođe u gornji položaj. Sisaljka osim usisnog ima još tlačni i sigurnosni ventil. Na ovom načelu zasniva se rad visokotlačnih sisaljki Sulzerova motora. Jedna takva izvedba je na slici 5.9.
154
Sl. 5.9. Visokotlačna sisaljka s regulacijom početka dobave
1, 10, 19 - cijevni umetak; 2, 7, 18, 22 - opruge; 3 - tlačni ventil; 4, 20 - sjedište ventila; 5 - sigurnosni ventil; 6 - kućište sisaljke; 8 - košuljica; 9 - stap; 11 - nosač kotačića; 12 - kotačić;13 - dvokraka poluga; 14 - ekscentar; 15 - dio podizača s navojem; 6 - matica za osiguranje; 17 - podizač ventila s navojem za regulaciju; 21 - usisni ventil
U ove sisaljke, kako je već istaknuto, dobava se goriva regulira preko usisnog ventila koji djeluje i kao regulacijski ventil. Dobava goriva po radnom procesu regulira
155
se također mijenjajući dužinu podizača usisnog ventila preko regulacijskog vijka (17) i matice (15).
Sisaljke goriva s regulacijom početka dobave imaju više nedostataka s obzirom na proces izgaranja. Svršetak uštrcavanja goriva obavlja se pri smanjenju brzine stapa, a znači i pri snižavanju tlaka uštrcavanja goriva, zbog čega je i kvaliteta rasprskavanja goriva slabija. U početku uštrcavanja brzina stapa i tlak uštrcavanja su visoki, pa u periodu zakašnjenja zapaljenja uštrcava se relativno velika količina goriva. Tomu je posljedica nagli rast tlaka izgaranja.
Na slici 5.10. prikazana je sisaljka Fiatova motora s preljevnim ventilom kojim se regulira svršetak dobave goriva.
Stap (12) pogoni razvodna osovina preko brijega, kotačića i polužnih podizača. Prostor u cilindru iznad stapa sisaljke puni se gorivom kroz cijev (10) i automatski ventil (11). Pri gibanju stapa prema gore ventil (11) se zatvara, a gorivo se kroz provrt (8) odvodi rasprskaču. Pri gibanju stapa prema gore smanjuje se zračnost između regulacijskog vijka (7) na njihalu (13) i preljevnog ventila (9), a potom se ventil (9) otvara spajajući tlačni prostor s usisnim.
Dobava sisaljke regulira se zakretanjem ekscentričnog oslonca na koji se oslanja poluga, a njome se djeluje na podizač (14) i njihalo (7) preljevnog ventila (9). Dobava za pojedine cilindre regulira se regulacijskim vijkom (7).
Sisaljka se isključuje iz pogona otvaranjem preljevnog ventila (9) zakretanjem posebne osovinice te preko podizača (12) i dvokrake poluge (13). Iz svega se vidi da je ovim sisaljkama početak dobave konstantan, a svršetak se mijenja ovisno o željenoj snazi motora. Kad je snaga veća, produžuje se dobava goriva, kasnije se otvara preljevni ventil, a ako je potrebna manja snaga, prije se otvara preljevni ventil i uštrcavanje goriva traje kraće. Kad se isključuju pojedini cilindri iz pogona, zadržava se otvoren preljevni ventil.
Sl. 5.10. a) Fiatova sisaljka s regulacijom svršetka dobave goriva
b) Središnji dio u hodu dobave goriva
Na slici 5.11. shema je visokotlačne sisaljke s kombiniranom regulacijom početka i svršetka dobave goriva. Usisni i preljevni ventili upravljaju se preko podizača ki se oslanjaju na poluge (5) i (22), te ekscentara (4) i (23). Za razliku od sisaljke s regulacijom početka dobave, ove sisaljke imaju usisne ventile (18) i preljevne ventile (14).
156
Sl. 5.11 a) Visokotlačne sisaljke goriva s usisnim i preljevnim ventilima
Početak dobave goriva regulira se usisnim ventilom (18) tako da se zakretanjem ekscentričnog oslonca (23) mijenja trenutak zatvaranja usisnog ventila, a time i početak uštrcavanja goriva. U početku dobave goriva zatvorena su oba ventila (18 i 14). Između podizača i tlačnog ventila u početku tlačenja goriva postoji zračnost. Podizanjem stapa sisaljke (21) i zakretanjem poluge (5) ta se zračnost smanjuje. U trenutku otvaranja ventila (14) prestaje uštrcavanje goriva u cilindar motora. Gorivo iz prostora iznad stapa sisaljke preko preljevnog ventila struji u preljev. To se događa pri relativno velikoj brzini gibanja stapa sisaljke, tako da se kvaliteta rasprskavanja goriva na svršetku uštrcavanja ne pogoršava. Tlačni ventil (17) otvara se pod tlakom goriva, a zatvara kad se otvori preljevni ventil i omogućuje naglu dekompresiju tlačnog voda, što je važno za brzo zatvaranje igle rasprskača i
157
sprečavanje da gorivo kapa u cilindar motora. Sigurnosni ventil (15) sprečava pojavu nedopustivo visokih tlakova.
Da bi motor dobro radio od izuzetne je važnosti pravilna regulacija dobave goriva, tj. početak i završetak uštrcavanja goriva mora se događati u istim položajima stapova u svim cilindrima jednog motora.
Uštrcavanje se mora regulirati prema uputama u instrukcijskim knjigama. Nakon zamjene dijelova koji utječu na uštrcavanje goriva valja provjeriti i po potrebi uskladiti vrijednosti u skladu s vrijednostima s probnog stola.
5.11. b) radni položaji visokotlačne sisaljke
I - trenutak prije zatvaranja usisnog ventila S
II - dobava goriva u cilindar motora
III - trenutak početka otvaranja preljevnog ventila
GMT kut zakreta koljenaste osovine
158
5.11. c) Dijagram početka i svršetka dobave goriva pri raznim opterećenjima motora
5.1.3. RASPRSKAČI GORIVA
Rasprskači goriva imaju zadaću da u prostor izgaranja uštrcaju gorivo u obliku mlaza određena oblika pod visokim tlakom. Zakon uštrcavanja određen je oblikom brijega na razvodnoj osovini. Uštrcavanje goriva mora se naglo prekinuti jer kapanjem goriva nastaje njegovo koksiranje i deformacija sapnice, što utječe na oblik mlaza goriva.
O kvaliteti rasprskavanja goriva ovisi kvaliteta njegova miješanja sa zrakom i samo izgaranje u cilindru.
Rasprskači se dijele na otvorene i zatvorene. Otvoreni su jednostavne konstrukcije. Unutarnji prostor im je uvijek spojen s prostorom izgaranja u cilindru, jer nema igle koja inače zatvara izlaz goriva u tim rasprskačima. S obzirom na to da oni nemaju iglu, nije moguć nagli prekid rasprskavanja goriva već ono kapa i po prestanku efektivnog tlačenja goriva., zbog čega se ti rasprskači praktički danas ne rabe u klasičnoj izvedbi. Otvoreni rasprskači rabe se za sisaljke neposredno spojene s rasprskačem. Taj se sustav rabi za srednjookretne motore tvrtke Götaverken i brzookretne tvrtke Maybach.
5.12. Igle rasprskača: a,b - ventilskog tipa; c, d - sa svornjakom;
159
Kad su rasprskač i visokotlačna sisaljka spojeni u jednu cjelinu, izbjegavaju se elastični utjecaji koji se pojavljuju u normalno dugim cijevima od sisaljke do rasprskača. Tlak uštrcavanja može se kretati do 2 000 bara, što osigurava dobro rasprskavanje pri malom broju okretaja uz koji se postiže tlak od 300 do 500 bara. Gorivo se tlači neposredno poviše sapnice; prolazi najprije nepovratni ventil koji sprečava ulazak plinova u cilindar ako tlačni ventil propušta. Nakon tlačnog ventila gorivo ulazi u sapnicu i kroz rupice na njoj u cilindar. Dobava se obično regulira zakretanjem stapa sisaljke goriva.
Zatvoreni rasprskači dijele se na rasprskače s mehaničim otvaranjem igle i na one s hidrauličkim otvaranjem igle. U prvih se rabe podizači i njihala za prijenos pogona od brijega na razvodnoj osovini do igle rasprskača. Zbog složenosti tog prijenosa danas se rabe rasprskači s hidrauličnim otvaranjem igle koristeći se gorivom kao radnim medijem.
Na slici 5.12. prikazane su igle u raznim rasprskačima koje brtve prolazak gorivu. U nekim rasprskačima igla završava svornjakom koji prolazi kroz otvor za gorivo i tako utječe na oblik mlaza goriva i sprečava stvaranje gareži na samim otvorima. U brodskim motorima rabe se rasprskači s iglom koja odvaja prostor izgaranja od unutarnjeg dijela rasprskača u kojemu je gorivo. Igla nasjeda na dosjed pod djelovanjem sile opruge koja ovisi o potrebnom tlaku za kvalitetno rasprskavanje goriva.
Slika 5.13. predočava sustav cirkulacije poriva Sulzer RT motora između visokotlačne sisaljke, rasprskača i preljeva.
Sl. 5.14. Uređaj za nadzor tlaka
otvaranja igle rasprskača
160
Sl. 5.13.Rasprskač goriva Sl. 5.15. Rasprskač hlađen gorivom
Na slici 5.13. poprečni je presjek rasprskača. Igla rasprskača (4) i njezino kućište (5) formiraju element rasprskača. Gorivo se od visokotlačne sisaljke dovodi do rasprskača visokotlačnom cijevi s priključkom (13) i dalje kroz provrte (12) i (7) do vrha igle. Tlak goriva djeluje na konusnu površinu igle i nastoji svladati silu otpora opruge. Kad sila tlaka goriva nadvlada otpor opruge, igla se podigne sa dosjeda, a gorivo kroz provrte u sapnici rasprskača ulazi u cilindar. Kad se snizi tlak goriva, igla naglo prekida prolazak goriva pod djelovanjem opruge i tako sprečava njegovo kapanje, nepotpuno izgaranje i stvaranje gareži. Tlak goriva pri rasprskavanju regulira se vijkom (11). Kontrola i regulacija tlaka uštrcavanja obavlja se posebnim uređajem koji se sastoji od ručne sisaljke, spremnika za gorivo i manometra.
Na slici 5.14. prikazan je uredaj za ispitivanje ispravnosti rasprskača goriva. Spremnik ručne sisaljke valja napuniti čistim gorivom koje se rabi za ispitivanje rasprskača. Tlak otvaranja igle je maksimalni otklon kazaljke na manometru. Tlak uštrcavanja regulira se stezanjem ili popuštanjem vijka, ili postavljanjem podložaka različitih debljina preko kojih se djeluje na zategnutost opruge.
Igla i njezino kućište obrađuju se brušenjem tako da pojedinačno nisu zamjenjivi, već kao sklop. Sapnica rasprskača hladi se vodom ( sl. 5.14. ) koja ulazi kroz priključak (16) i provrt (2) u kućištu rasprskača. Voda se odvodi kroz priključak (1) od rasprskača u sustav hlađenja, odvojen od sustava hlađenja ostalih dijelova motora. Hlađenjem sapnice sprečava se nastanak gareži oko sapnice, što je posebno važno u radu s teškim gorivom. Rasprskači se hlade i gorivom koje se kroz posebni provrt dovodi do dijelova koji se hlade.
Na slici 5.15. prikazan je rasprskač kojemu se gorivo ne dovodi posebno za hlađenje. Posebnost te konstrukcije je u tomu što gorivo stiže kroz središnji provrt koji se nalazi i u samoj igli (4). Gorivo se dovodi kroz provrt (13) u prostor (18), a po otvaranju ventila (4) ulazi u prostor (19) smješten ispod igle opterećene oprugom (9). Kad je igla zatvorena, gorivo neprekidno cirkulira kroz rasprskač jer se u donjem dijelu elementa (17) nalaze posebni otvori. Kroz te otvore gorivo struji u prostor kućišta rasprskača, a zatim kroz priključak (12) odvodi se u preljev. Otvori u elementu (17) prekrivaju se kućištem ventila (4) njegovim podizanjem. Podizanje igle zmaks
161
ograničeno je elementom (17). Sigurno se hlađenje osigurava kroz tankostijeno kućište (6) rashladnom vodom kojom se hladi poklopac cilindra i cirkulacijom goriva kroz rasprskač između dva uštrcavanja goriva.
Element ventila slika 5.15.a) sastoji se od vodilice vretena (A), vretena (B), graničnika (C), opruge (E) i klizača (D).
Vreteno (B) je normalno oslonjeno na sjedište u vodilici (A), djelovanjem sile opruge (E) o kojoj ovisi tlak otvaranja ventila i tlak rasprskavanja goriva.
Pozicija I:
Gorivo od napojne sisaljke preko zagrijača goriva cirkulira kroz visokotlačnu sisaljku i rasprskač. U rasprskaču gorivo struji kroz središnji provrt, koji je radijalnim provrtom povezan s prostorom oko vretena (B) odakle se gorivo vrača u cirkulacijski sustav.
Pozicija II:
Pri porastu tlaka goriva od visokotlačne sisaljke, gorivo kroz provrte djeluje na konusnu površinu klizača (D). Pri porastu tlaka goriva 10 bara podigne se klizač (D) za razmak D1 i pri tome se zatvori radijalni provrt koji spaja središnji provrt i prostor oko vretena (B).
Pozicija III:
Poradi daljnjeg porasta tlaka goriva povećava se sila od tlaka goriva na konusnu površinu vretena (B), te u trenutku kad ta sila savlada otpor opruge podigne se vreteno (B) sa sjedišta i propušta gorivo u cilindar motora kroz provrte na sapnici.
Prije upućivanja motora potrebno je odzračiti tlačne cijevi i rasprskače goriva nakon pregleda ili popravka rasprskača, sisaljka ili tlačnog voda. Za odzračivanje je na rasprskaču posebni ventil, kroz koji se ispušta zrak i dio goriva dok ono ne počne izlaziti u kontinuiranom mlazu bez mjehurića.
Sl. 5.15. a) Radne pozicije rasprskača hlađenog gorivom:
162
I - pozicija hlađenja rasprskača;
II - početak podizanja igle;
III - uštrcavanje goriva
5.2. SUSTAV HLAĐENJA
Sustav hlađenja služi za hlađenje dijelova koji se zagrijavaju izgaranjem goriva, trenjem, te za odvođenje topline od ulja, goriva, vode i zraka za nabijanje cilindara.
Održavati dopuštene temperature u radnom režimu dizelskih motora moguće je samo ako se odvodi dio topline izgaranja goriva rashladnim sredstvom i podmazuju odgovarajući dijelovi koji se tijekom rada taru.
Odvodeći toplinu hlađenjem smanjuje se količina topline koja se pretvara u mehanički rad u motoru. Zbog toga količina topline odvedena hlađenjem mora biti minimalna kako bi se osigurao siguran rad motoru.
U brodskim dizelskim motorima rabe se ovi sustavi hlađenja:
- cirkulacijski sustav u kojemu se motor hladi slatkom vodom što cirkulira u zatvorenom krugu; njime se hladi košuljica cilindra, poklopac cilindra, turbopuhalo za nabijanje zraka;
- sustav hlađenja stapa slatkom vodom ili uljem;
- sustav hlađenja rasprskača slatkom vodom ili gorivom;
- sustav morske vode za hlađenje cirkulacijske vode i ulja u sustavu hlađenja i podmazivanja motora. Osim toga ovim se sustavom hladi zrak za nabijanje u međuhladnjacima.
Osim hlađenja motora u zatvorenom sustavu susreće se i protočno hlađenje, po konstrukciji jednostavnije. U tim sustavima morska voda prolazi kroz rashladne prostore motora, a zatim se odvodi izvan broda. Bez obzira na jednostavnost konstrukcije, protočni sustav hlađenja je neracionalan za brodske dizelske motore.
Prema temperaturnoj razini rashladne vode razlikuju se niskotemperaturni sustavi hlađenja, srednjotemperaturni i visokotemperaturni sustavi.
Niskotemperaturni su protočni; u njima se temperature zadržavaju do 50oC, zbog intenzivnog taloženja soli iz morske vode i drugih primjesa koje se talože na rashladnim površinama.
Sustavi s umjerenim temperaturama su dvokonturni sustavi s temperaturama
od 70 do 90oC. Oni su najčešći u brodskim dizelskim motorima.
Visokotemperaturni sustavi imaju temperature više od 100oC. Da bi se spriječilo ishlapljivanje, sustav se drži pod povišenim tlakom.
163
5.2.1. PROTOČNI SUSTAV HLAĐENJA
U protočnom hlađenju morskom vodom rabe se niže temperature hlađenja,
tako da je temperatura izlazne morske vode najviše od 45 do 50oC, jer se pri 55oC počinju na rashladnim površinama taložiti soli natrijklorida i kamenac u velikim količinama. Temperatura izvanbrodske vode mijenja se u širokim granicama, od 5 do
30oC, na što utječe godišnje doba i područje u kojemu se brod nalazi. Za Jadran se
kao gornja temperatura obično uzima 25oC, a u tropskim uvjetima 32oC.
Za hlađenje motora nisu prikladne velike temperaturne razlike, pa one ne bi
smjele biti više od 5 do 10o (razlika temperatura na ulazu i izlazu iz motora).
Motor je bolje hladiti većom količinom tople vode nego malom količinom hladne. U hladnije godišnje doba dodaje se ulaznoj hladnoj vodi topla izlazna voda s pomoću spoja izlaznog kolektora s usisnim vodom rashladne sisaljke preko jednog regulacijskog ventila. Izvanbrodska voda za hlađenje usisava se preko Kingston-ventila, a prije ulaska u sisaljku prolazi kroz usisni filtar. Sisaljka tlači vodu u glavni vod uzduž motora, odakle obično ona ulazi u donji dio rashladnog prostora cilindara, iz tog prostora ide u poklopce cilindara i dalje u sabirnu cijev koja vodi vodu izvan broda, a ponekad prije toga hladi i ispušnu cijev motora. Hlađenje pojedinih cilindara regulira se pipcima na izlazu rashladne vode iz cilindarskih poklopaca, a obično se tu nalaze i termometri, tako da se temperature hlađenja cilindara mogu kontrolirati.
Tlak rashladne vode iznosi obično od 1,5 do 3 bara, a prosječna je brzina rashladne vode od 0,5 do 1 m/s.
Sustav hlađenja motora mora biti tako projektiran da se nigdje ne mogu stvarati parni ili zračni mjehuri, koji bi mogli uzrokovati i mjestimična pregrijavanja.
Mnogim se motorima na košuljicama cilindara u rashladnom prostoru pojavljuje trošenje, u brzookretnih motora zna biti intenzivno. Ta se pojava pripisuje elektrokemijskoj koroziji i kavitacijskoj eroziji.
Kavitacija se pojavljuje osobito u motora bez križne glave zbog vibracija košuljice uzrokovanih udaranjem klipa na jednu ili drugu stranu košuljice pri okretanju koljenaste osovine. To je djelovanje sve jače što je veća zračnost između klipa i košuljice i što je tanji sloj rashladne vode koja okružuje košuljicu, a to je česta pojava u lakim konstrukcijama. Trošenje košuljice može se ublažiti:
a) smanje li se vibracije košuljice tako da se smanji zračnost klipa i pojača li se krutost košuljice;
b) poveća li se otpornost površine košuljice protiv trošenja npr. kromiranjem;
c) povisi li se temperatura rashladne vode ili se prijeđe na kružno hlađenje slatkom vodom;
d) postave li se cinčani protektori u rashladne prostore kad je u pitanju trošenje zbog elektrokemijske korozije.
Protočno hlađenje motora rijetko je na brodovima unutrašnje plovidbe jer se zbog nečiste vode rashladni prostori brzo zamulje. Pri uporabi morske vode temperatura rashladne vode je niska, što nije povoljno za radni proces motora. Shema hlađenja MAN-ova motora prikazana je na slici 5.19.
164
Sl. 5.19. Shema protočnog hlađenja srednjookretnog motora
Rashladnu morsku vodu usisava sisaljka (3) preko Kingston-ventila (1) i usisnog filtra (2). Sisaljka tlači morsku vodu kroz rashladnik ulja (4), odakle struji u cilindre motora, i dalje kroz poklopce cilindara (11) u rashladni prostor ispušne cijevi (10). Zagrijana morska voda struji cjevovodom do regulacijskog pipca s termometrom i dalje cjevovodom (8) preko nepovratnog ventila izvan broda. Na slici su još označeni: cijev za dovod rashladne vode (5), spoj (6) i (7) između razvodne cijevi i pojedinih cilindara, spoj (9) od cilindara do sabirne cijevi rashladne vode i blok cilindara (12).
5.2.2. KRUŽNO HLAĐENJE
Kružno hlađenje ostvaruje se s pomoću sustava slatke vode i sustava morske vode. Na slici 5.20. prikazane su tri varijante kružnog hlađenja.
165
Glavna mu je prednost u mogućnosti primjene razmjerno visokih temperatura rashladne vode. Visina prosječne temperature znatno utječe na rad motora, tj. što je temperatura viša, to je rad motora povoljniji. Zato se pri kružnom hlađenju slatkom
vodom rabe temperature od 70 do 90oC na izlazu iz motora, a temperatura je ulazne
vode od 50 do 70oC. Temperaturni pad relativno je malen i iznosi Dt=10 - 20oC.
Viša temperatura rashladne vode ima ove prednosti:
a) povisuje se efektivna snaga motora i snizuje specifični potrošak goriva, jer se manje topline odvodi na rashladnu vodu;
b) povisuje se unutarnja temperatura stijenka košuljice i snizuje viskozitet ulja za podmazivanje, čime se povisuje mehanička korisnost;
c) viša temperatura sprečava kondenzaciju ispušnih plinova u izgarnom prostoru i stvaranje sumporne kiseline, pa smanjuje trošenje;
d) kondenzacija vlage se na ventilnom polužju i ostalim uređajima motora pri visokim temperaturama rashladne vode isključuje, a time se sprečava korozija tih dijelova;
e) mirniji je rad motora zbog boljeg procesa izgaranja.
Sl. 5.20. Blok dijagram kružnog hlađenja: a) - konvencionalni sustav hladenja
b)
166
c)
Sl. 5.20. Blok dijagram kružnog hlađenja:
b - središnji sustav hlađenja - I. varijanta; c - središnji sustav hlađenja - II. varijanta
5.2.2.1. SUSTAVI HLAĐENJA GLAVNIH MOTORA
U hlađenju velikih brodskih dizelskih motora susreću se tri različita sustava:
1. hlađenje cilindara slatkom vodom i hlađenje stapova uljem;
2. hlađenje cilindara slatkom vodom i hlađenje stapova slatkom vodom, pri kojemu
svaki od tih hlađenja ima svoj zasebni kružni sustav;
3. centralni rashladni sustav (hlađenje cilindara i stapova povezano je u jedan
zajednički sustav).
U sva tri slučaja može još biti hlađenje rasprskača dizelskim gorivom ili slatkom vodom, koji su redovno odvojeni od sustava hlađenja cilindara i stapova.
5.2.2.2. HLAĐENJE CILINDARA SLATKOM VODOM
Na slici 5.21. shematski je prikazan sustav hlađenja Sulzerova motora.
167
Cirkulacijska sisaljka (2) tlači slatku vodu tlakom od 2,5 bara do razvodne cijevi, odakle voda struji do pojedinih cilindara priključnim cijevima.
Zagrijana rashladna voda izlazi iz motora na gornjem dijelu s temperaturom od
85oC. Voda iz pojedinih cilindara prikuplja se u sabirnu cijev. Rashladna voda odvodi se do komore, odakle se preko centrifugalnog odjeljivača zraka (6), stabilizatora strujanja tekućine (7) ,te diska za regulaciju tlaka rashladne vode (8), odvodi u rashladnik slatke vode (10). Na ulazu u rashladnik nalazi se termostat (11), koji regulira protok rashladne vode kroz rashladnik, gdje se snizuje temperatura slatke
vode od 80 do 70oC ovisno o opterećenju motora. Tako je pri manjim opterećenjima temp. na ulazu oko 80 dok pri najvećim opterećenjima temperatura na ulazu moze
pasti i na 66oC.
Na izlaznu cijev priključen je i generator slatke vode (12), kapaciteta oko 30% ukupnog prijelaza topline s glavnog motora na rashladnu vodu.
Dopuna sustava slatkom vodom iz ekspanzijskog tanka (13) obavlja se preko cijevi (15) spojene ispred usisa sisaljke (3). Na tanku se još nalazi:
- alarm niske razine slatke vode (LAL);
- indikator visine stupca slatke vode (LI);
- ventil za ubacivanje inhibitora u rashladni sustav (17);
- otvor za punjenje tanka svježom vodom (16);
- odušnik zraka i cijev za pražnjenje tanka.
Prije upućivanja motora rashladnu vodu treba zagrijati. Zagrijava se u parnom zagrijaču (4) tako da pomoćna sisaljka (3) siše dio slatke vode iz rashladnog sustava i potiskuje ju kroz zagrijač pa se tako ona zagrijana vraća ponovno u rashladni sustav. S 14 označen je termometar.
168
Sl. 5.21. Hlađenje cilindara slatkom vodom
5.2.2.3. SUSTAV HLAĐENJA STAPOVA SLATKOM VODOM
Na slici 5.22. prikazan je sustav hlađenja stapova slatkom vodom u Sulzerovim motorima.
Cirkulacijska sisaljka (2) siše vodu preko usisne košare iz sabirnog tanka (7). Ako je voda vruća, provodi se kroz hladnjak (3), hlađen morskom vodom.
Termostatski ventil (4) regulira temperaturu slatke vode na 55oC. Od termostata rashladna voda struji do razdjelne cijevi (5), odakle se razvodi do svakog cilindra. Rashladna se voda do stapova dovodi teleskopskim cijevima. Voda na izlazu ima
temperaturu od 75,8oC, a prikuplja se u sabirnoj cijevi (6), na kojoj je obično odušnik zraka. Iz sabirne cijevi voda struji u sabirni tank (7). U tank (8) sakuplja se zauljena voda koja se propušta poradi nesavršenosti brtvljenja na teleskopskim cijevima. Sakupljena voda se kaskadno separira.
Na tanku se nalazi alarm niske razine vode (LAL), indikator razine vode (LI), ventil za punjenje svježom vodom (9), te otvor za dodavanje kemikalija koje sprečavaju koroziju i taloženje kamenca (10).
169
Sl. 5.22. Sustav hlađenja stapova slatkom vodom
5.2.2.4. SUSTAV MORSKE VODE
Na slici 5.23. predočen je sustav hlađenja glavnog motora (9) i tri pomoćna motora (10). To je niskotemperaturni sustav hlađenja, kojemu su s (1) označeni ulazi morske vode pri plovidbi u dubokim i plitkim muljevitim vodama (niski i visoki usis). Morska voda tlači se sisaljkama (2) prema hladnjaku zraka glavnog motora i prema hladnjacima ulja (6). Nakon prolaska kroz hladnjak ulja ona prolazi i kroz hladnjak (8) za hlađenje cilindarskih košuljica.
Temperatura u sustavu regulira se s pomoću termostatskog ventilatora (3), koji održava potrebnu temperaturu mijenjajući količinu povratne zagrijane morske vode na ulazu u sisaljke. Ta se regulacija ostvaruje na poticaj osjetila koje mijenja impuls ovisno o temperaturi morske vode na izlazu iz sisaljka (2).
1 - usis morske vode
2 - sisaljke morske vode
3 -termoregulacijski
170
ventil
4 - tlačna cijev
5 - nepovratni ventil
6 - hladnjaci ulja
7 - hladnjaci zraka
8 - hlanjak slatke vode
Sl. 5.23. Sustav hlađenja morskom vodom
5.2.2.5. SUSTAV HLAĐENJA CILINDARA U MAN-B&W-MOTORA
Ovim sustavom kontrolira se temperatura motora i štite se radne površine od korozije i kavitacije. Slika 5.24. sadrži prikaz sustava hlađenja cilindara u kojemu se sisaljkom (1) potiskuje topla voda iz motora do generatora slatke vode (2) i dalje do hladnjaka vode (3).
1 - sisaljke
2 - evaporator
171
3 - hladnjak
4 - termoregulacijski ventil
5 - tank za odzračivanje
6 - dilatacijski tank
A - ventili na povratnim cijevima
B - ventil na preljevnoj cijevi
Sl. 5.24. Zajednički sustav hlađenja cilindara glavnog i pomoćnih motora
Temperatura se regulira trosmjernim termoregulacijskim ventilom (4), koji miješa hladnu i toplu vodu i tako održava temperaturu vode pri izlazu iz glavnog
motora na 80-82oC. U pomoćnih motora temperatura rashladne vode regulira se termoregulacijskim ventilom (F2), koji vraća toplu vodu prema ulazu u motor ovisno o
temperaturi vode na izlazu iz motora. Ta temperatura održava se na 80oC.
Sustav ima zajednički diletacijski spremnik (6). Da bi se spriječilo prikupljanje zraka, u sustav vode montiran je odzračivač zraka (5) na izlazu iz glavnog motora. U sustavu između odzračivača i dilatacijskog tanka postavljen je uređaj alarma koji se aktivira ako količina zraka ili plina prekorači dopuštenu granicu.
Za vrijeme boravka broda u luci glavni se motor zagrijava toplinom rashladne vode iz pomoćnih motora. Zagrijavanje se postiže zatvaranjem ventila A i otvaranjem ventila B, čime se usmjerava topla voda iz pomoćnih motora na strujanje kroz glavni motor. Cirkulacija vode ostvaruje se djelovanjem sisaljka pomoćnih motora. Voda ulazi u glavni motor kroz priključak M, a izlazi kroz priključak K u smjeru suprotnomu cirkulaciji vode tijekom normalnog rada glavnog motora. Vodu na izlazu iz motora usmjerava termostatski ventil (4) i u hladnjak (3).
Temperatura vode na izlazu iz pomoćnih motora održava se na 80oC s pomoću termoregulacijskog ventila (F2).
172
5.3. SUSTAVI PODMAZIVANJA
Ulje u sustavima podmazivanja dizelskih motora dovodi se do dijelova koji se međusobno taru poradi smanjenja trenja. Osim što ulje podmazivanjem smanjuje trenje, ono hladi, štiti pojedine djelove od korozije, ispire motor od nečistoća i poboljšava brtvljenje.
Prema načinu dovoda ulja do mjesta podmazivanja, razlikuje se prisilno podmazivanje motora pod tlakom, podmazivanje raspršivanjem i kombinirano.
U velikim brodskim motorima podmazivanje je obično izvedeno tako da se ulje pod tlakom dovodi do svih mjesta podmazivanja, i to posebni sustav za podmazivanje dijelova u karteru, a posebni za podmazivanje cilindara.
Podmazivanje raspršivanjem upotrebljava se za cilindre motora malih i srednjih snaga bez križne glave, zatim, osovinica klipova, a ponekad i za podmazivanje "letećih" ležajeva.
Poradi velike važnosti podmazivanja motora za sigurnost rada motora klasifikacijski zavodi propisuju osnovne uvjete i pojedine uređaje u sustavima podmazivanja.
Ulje za podmazivanje dovodi se površinama košuljica cilindara, ležajevima koljenaste osovine i razvodne osovine, kompresorima, sisaljkama, prijenosnim zupčanicima, mehanizmima za otvaranje ventila, pogonu visokotlačnih sisaljka i razvodnom mehanizmu plinova.
Na slici 5.25. prikazan je način dovođenja ulja do temeljnih ležajeva u motoru.
Sustav podmazivanja sastoji se od: sisaljki, filtara, hladnjaka, tankova, cjevovoda i instrumenata za nadzor i signalizaciju.
5.3.1. KLASIFIKACIJA SUSTAVA PODMAZIVANJA
Sustavi podmazivanja brodskih dizelskih motora klasificiraju se prema raznim odlikama.
Prema načinu osiguranja tlaka podmazivanje može biti gravitacijsko, prisilno i kombinirano. U gravitacijskim sustavima ulje u tlačni cjevovod ulazi slobodnim tlakom iz tanka ulja koji je postavljena iznad objekta podmazivanja. Tim se sustavom često podmazuju ležajevi turbopuhala. U prisilnom podmazivanju ulje dolazi do mjesta podmazivanja tlačeno posebnom sisaljkom. U kombiniranom sustavu podmazivanja uključena su oba načina dobave ulja potrebnoga za podmazivanje.
Prema strujanju ulja razlikuje se cirkulacijsko i linijsko (lubrifikacijsko) podmazivanje. U cirkulacijskom ulje cirkulira u određenom krugu i podmazuje određena mjesta, odakle se cijedi i ponovno potiskuje kroz sustav. U linijskom
173
podmazivanju ulje se dovodi samo jednom do površina koje se podmazuju; takvo je npr. podmazivanje cilindara velikih brodskih motora.
Prema vrstama ulja rabljenih u motoru, razlikuje se podmazivanje svih dijelova jednom vrstom ulja i s više njih. U nekim motorima rabe se međusobno različita ulja za podmazivanje ležajeva motora, cilindara, turbopuhala, za hlađenje stapova, i to birane kvalitete koja će dati najbolje rezultate u određenim radnim uvjetima.
Sl. 5.25. Dovod ulja do temeljnih Sl. 5.26. Shema sustava podmazivanja
ležajeva "mokri" karter
Pri uporabi više vrsta ulja, u motoru je više autonomnih sustava sa svim potrebnim elementima za podmazivanje, što je uobičajeno za glavne brodske motore. U glavnim brodskim motorima cilindri se podmazuju uljem koje tlače posebne sisaljke (lubrifikatori) kroz specijalne otvore na košuljici. Na košuljici se često prave posebni žljebovi kako bi se ulje dovodilo po cijelom obodu košuljice.
Prema mjestu gdje se ulje nalazi u motoru razlikuju se sustavi podmazivanja "suhi" i "mokri" karter.
U sustavu podmazivanja "suhi" karter ulje koje se dovodi do mjesta podmazivanja cijedi se u karter, a iz njega, obično, slobodnim padom ili pomoću posebne sisaljke odvodi se u posebni tank. U sustavu "mokri" karter, karter služi kao
174
spremnik ulja. U nekim motorima rabi se kombinirani sustav, gdje se dio ulja zadržava u karteru, a dio u posebnom spremniku.
5.3.2. SHEME SUSTAVA PODMAZIVANJA
Shema podmazivanja "mokri" karter prikazana je na slici 5.26. Ulje koje se slijeva s površina kroz mrežicu (1) prikuplja se u karteru (koritu) motora. Iz kartera kroz usisni filtar (11), ulje siše sisaljka (8), te ga kroz grubi filter (7) i fini filtar (6), termoregulacijski ventil (5) i hladnjak (4) tlači u tlačni vod ulja (3). Iz tlačnog voda, ulje se odvodi do pojedinih mjesta u motoru koje treba podmazivati, a kroz cijev (2) za podmazivanje ležajeva turbokompresora. Pomoću termoregulatora (5) dio ulja propušta se mimo hladnjaka (4), čime se osigurava održavanje temperature ulja na
zadanoj vrijednosti (60 - 80oC). Pored sisaljke (8), koju pogoni motor, rabi se i autonomna sisaljka (10) za dobavu ulja kroz nepovratni ventil (9) pri dovođenju sustava pod tlak prije upućivanja motora.
Sl. 5.27. Shema sustava podmazivanja "suhi" karter
Na slici 5.27. data jeshema podmazivanja dizelskih motora sustavom "suhi" karter. U ovom sustavu ulje se nalazi u cirkulacijskom spremniku (1), smještenom ispod motora. Jedna od sisaljki (9) (druga je pričuvna) siše ulje kroz usisni filtar (10) iz spremnika (1), tlači ga kroz filtar (8), gdje se otklanjanju grube nečistoće, te preko termoregulatora (6) i hladnjaka ulja (5) usmjerava ga u tlačni vod (4). Dio ulja nakon filtriranja u grubom filtru (8), ulazi u fini filtar (7) i iz njega se vraća u spremnik (1). Ulje se nakon podmazivanja prikuplja u karteru, odakle kroz cijev (3) odlazi u spremnik (1). Ulje iz motora zagrijano je na više temperature, zasićeno je parama, zrakom i plinovima, te sadrži pjenu. U spremniku (1) ulje se taloži, zrak i plinovi se izdvajaju i ventiliraju kroz odušnu cijev (2), a pare se kondenziraju.
175
U nekim motorima fini se filtar postavlja serijski s grubim filtrom tako da cijela količina ulja struji kroz oba filtra.
R - ulaz ulja za podmazivanje
temeljnih ležaja
U - ulaz ulja za hlađenje stapova
i podmazivanje gornjeg i donjeg
ležaja ojnice
te stopa križne glave
AB - izlaz ulja u karter
AR - odušnik
Sl. 5.28. Shema podmazivanja MAN-B&W motora
Na slici 5.28. shematski je prikazan sustav podmazivanja MAN-B&W motora, kojim se podmazuju ležajevi, hlade stapovi, itd.
Ulje se usisava sisaljkom (3) iz niskog tanka, te preko hladnjaka ulja (1) i filtra (2) tlači se u motor, gdje se raspoređuje za podmazivanje temeljnih ležajeva (R) i hlađenje stapova, te podmazivaje križne glave, uključujući gornju i donju glavu ojnice (U). U sustav su uključeni manometri za kontrolu tlaka, termometri za nadzor temperature, termoregulacijski ventil za regulaciju temperature hlađenja ulja u hladnjaku i odzračivač. Ulje se separira u separatorima, koji u shemi nisu prikazani.
176
Sustav podmazivanja ležaja razvodne osovine i opskrbe hidrauličnog uređaja uljem za otvaranje ispušnih ventila predočen je na slici 5.29.
1 - motor
2 -slivni tank
3 - usisni filteri
4 - sisaljka ulja
5 - hladnjak
6 - termoregulacijski ventil
7 - filter
8 - ulaz ulja za podmazivanje osnovnih
ležajeva i hlađenje stapova
9 - sisaljka ulja za križnu glavu
10 - ulaz ulja za podmazivanje križne glave
i hidraulike aktuatora ispušnog ventila
Sl. 5.29. Cirkulacijski sustav podmazivanja
Ulje cirkulira u zatvorenom krugu koji se sastoji od uljnog tanka (1), dvije sisaljke (2), od kojih je jedna pričuvna, zatim hladnjaka (3) i filtra (4), odakle ulje struji do razvodnog mehanizma. Iz motora preko magnetskog ventila (5) ulje se vraća u tank, opremljen posebnom cirkulacijskom sisaljkom i finim filtrom u by-passu. Fini filtar odvaja sitne nečistoće koje se ne mogu izdvojiti centrifugiranjem.
177
5.3.2.1. PODMAZIVANJE CILINDARA
Podmazivanje tarnih površina prstenova i košuljice unutar cilindra različito je za četverotaktne srednjeokretne i dvotaktne sporookretne brodske dizelske motore. Cilindri četverotaktnih motora podmazuju se zapljuskivanjem karterskim uljem, dok brodski sporookretni dizelski motori imaju posebne mazalice. Pri podmazivanju cilindara pred ulja se postavljaju slijedeći zahtjevi:
1. Odvajanje tarnih površina uljnim filmom2. Brtvljenje između prstenova i košuljice, te spriječavanje propuštanja prstenova3. Neutraliziranje kiselih produkata izgaranja koji nastaju pri temperaturama rosišta
vodene pare (SO2 + H2O = H2SO4)4. Omekšavanje ostataka čađe koji nastaju pri izgaranju i spriječavanje abrazivnih
istrošenja5. Smanjenje čađenja ispušnog kolektora i plinske turbine, dakle, spriječavanje
zapečenja prstenova i održavanje motora u čistom stanju. Poradi slabog podmazivanja ulje koksira i zadržava se u motoru te onemogućava obavljanje osnovnih funkcija, navedenih pod 2., 3., 4. i 6.
6. Hlađenja zagrijanih površina uz minimalno izgaranju ulja.
Pri radu motora dio cilindarskog ulja izgara, ali količina koja se dovodi u cilindar ne smije biti prevelika. Naime, zbog nakupljanja ostataka ulja na čelu stapa smanjuje se odvođenje topline usljed čega može doći do pregrijavanja stapova, udaraca u motoru, a u krajnjem slučaju do zapečenja i zaglavljivanja stapova. Pri tom temperatura rashladnog medija raste. Pored toga, izaziva zapečenja prstenova i abraziju, poradi djelovanja krutih ostataka.Pojava plavkastog dima na ispuhu indikacija je izgaranja prevelike količine ulja dovedene motoru koju tada treba smanjiti. Uzroci mogu biti i neki drugi, vidjeti poglavlje o dijagnosticiranju kvarova.
Količina ulja za podmazivanje cilindara ovisi o hodu stapa, promjeru cilindra, broju okretaja motora, opterećenju, temperaturama u cilindru, vrsti motora, mjestu postavljanja mazalica, te o vrsti goriva.Pri određivanju položaja mazalica treba voditi računa o slijedećem:1. Ne smiju se postavljati blizu ispirnih i ispušnih raspora jer bi se ulje skidalo i
nakupljalo u ispirnom kolektoru što predstavlja opasnost od požara. 2. Ne smiju se postavljati blizu zona s visokim temperaturama poradi prebrzog
izgaranja ulja.3. Provrta mora biti dovoljno da se osigura neprekinutost uljnog filma po cijelom
opsegu (uljni žlijebovi u kojima se ulje zadržava) i visini košuljice (višepojasno podmazivanje za motore s dugim hodom stapa).
5.3.2.2. Sustav podmazivanja cilindara od skladišnog tanka do lubrifikatora
Sustav podmazivanja cilindara kod 2TDM odvojen je od cirkulacijskog sustava podmazivanja.
178
Na slici 5.29. dat je shematski prikaz sustava podmazivanja cilindara motora Sulzer RTA, koji prikazuje tijek ulja od skladišnjih tankova do cilindra. Na usis transfer sisaljke (4), cilindarsko ulje dotječe iz skladišnog spremnika, odakle se tlači u manji spremnik dnevne potrošnje cilindarskog ulja (6). Spremnik dnevne potrošnje mora biti opremljen alarmom niske razine.
Sl. 5.29. Sustav podmazivanja cilindara motora Sulzer RTA 1-glavni motor 5-ručna sisaljka za ulje2-skladišni spremnik cilindarskog ulja 6-dnevni tank ulja3-usisni filter transfer sisaljke cilindarskog ulja 7- lubrifikator4-dobavna sisaljka ulja
Isto tako, razlika geodetskih visina izmedu dna dnevnog tanka i središta koljenaste osovine motora ne smije biti manja od 10 m kako bi se osigurala dovoljna pozitivna dotočna visina na usisu lubrifikatora (7). Na cjevovodu se ugrađuje i mjerač protoka, odnosno, potrošnje cilindarskog ulja.Ulje se, zatim, razvodi do pojedinih lubrifikatora i tlači u mazalice koje su raspoređene po opsegu cilindra u jednom ili više razina.Pri svakom hodu klipa sisaljke lubrikatora osigurava se periodična dobava male količine ulja za pojedne mazalice na cilindru.
5.3.2.3. Princip rada lubrifikatora i regulacija
179
Sl. 5.31. Elementi mazalice na cilindru
Sl. 5.32. Dijagram tlaka u cilindru u pojasu mazalica
Sl. 5.33. Hidraulicki pogon lubrifikatora i regulacija podmazivanja
Sl. 5.34. Lubrifikator i princip rada IVO - sisaljka
Vratilo (15) pogonjeno je preko pužnog kola (12) pužnim vijkom (12a) koji je navučen na vratilo (13) pogonjeno hidrauličkim motorom (7 , sl. 5).
Rotacijsko gibanje vratila (15) pretvara se u oscilacijsko preko profilirane ploče (5) koja pogoni sve klipove sisaljki (7) i pripadajuće razvodnike (8).
Radno kolo (6) pogoni razvodnik (8) tako da isti napravi dva hoda (dole-gore) za jedan okretaj vratila (15) dok profilirana ploča (5) prenosi gibanje na klip sisaljke koji
180
u istom vremenu napravi dva radna hoda i dva hoda usisa (odnos hodova razvodnika i klipa 2/4).
Za vrijeme usisa poprečni utor na razvodniku (8) spaja usisni prostor sisaljke ispod klipa (7) s usisnim kanalom (A). Pomicanje razvodnika predhodi usisnom hodu klipa koji se podiže profiliranom pločom (5) te usisava ulje u prostor cilindra klipa.
Nešto prije hoda tlačenja pomicanjem razvodnika (8) najprije se prekrije usisni kanal (A).
Pri hodu tlačenja prostor klipa naizmjenično se spaja s donjim pa gornjim otvorom (B) po uzduznom kanalu razvodnika (8). Tako se ulje tlači za svaki tlačni hod klipa kroz svaku od tlačnih cijevi za vrijeme jednog okretaja vratila pužnog kola.
Efektivni hod stapa ugađa se vijkom (2) na kučistu lubrikatora (3). Regulacija količine dobave ulja djeluje na obje tlačne cijevi (B).
Zavijanjem vijka za ugađanje (2) smanjuje se efektivni hod stapa zbog čega se smanjuje količina tlačenog ulja u mazalice.Potpunim zavijanjem vijka (2) moguće je dobavu ulja potpuno obustaviti.
Rad sisaljke konstantno se nadzire podsredstvom električnog uređaja za nadzor rada smještenog na vrhu sisaljke (sl. 5.a). Prilikom dobave ulja u svakom pojedinom tlačnom vodu mala čelična kuglica se podiže i pri hodu usisa polagano pada. Ako slijedeći jedan, ili dva hoda tlačenja izostane kuglica će pasti te konačno ostvariti kontakt između dvije poluge koje se nalaze na dnu staklenog uređaja za nadzor rada sisaljke. Staklo omogućuje i vizualan nadzor čovjeka.Uređaji za dojavu opisane pojave točno ukazuju na cilindar o kojem se radi.
Elementi lubrifikatora i karakteristični momenti rada
181
Sl. 5.32. Shema djelovanja elemenata lubrifikatora
I polozajU prvom hodu stap (1) giba se prema dole i tlači ulje kroz otvor (4). Pri tom razvodnik (2) je u najdonjem položaju u kojem uzdužni utor na razvodniku spaja radni prostor sisaljke s tlačnim kanalom (4).
II polozajU drugom položaju klip (1) se počeo kretati od donje mrtve točke prema gornjoj čemu je predhodilo gibanje razvodnika prema gore tako da se spoji usisni kanal (5), preko poprečnog utora na razvodniku (2), s prostorom ispod klipa (1).
III polozajU tom položaju razvodnika klip mora napraviti cijeli hod usisa (zadan vijkom za regulaciju (2) Sl. 2 .) da bi se tek nakon toga razvodnik (2) pomakao u svoju gornju mrtvu točku čime će omogućiti spajanje prostora ispod klipa (1) i tlačnog kanala (3) što se vidi iz položaja III na slici.
Mazalice kosuljica Sl. 5.33.
Kroz cijev (1) ulje sa tlači sisaljkom lubrifikatora u prostor mazalice (A). Akomulatorski stap mazalice odjeljen je od prostora (A) gumenom dijafragmom (2). Zbog tlaka ulja stap se potiskuje prema gore svladavajući silu opruge.
Zbog djelovanja opruge akomulatora tlak ulja je nesto viši od tlaka ispirnog zraka i prilikom podmazivanja je konstantan, a trenutak ubrizgavanja ovisi o tlaku u cilindru.
182
Na primjer kod Sulzer 4RLA 90 svakih 7-16 okretaja motora ,ovisno o opterećenju, ulje se ubrizgava u cilindar.
183
Na slici 5.32. predočena je shema samočistivog uljnog filtra automatskom uspostavom njegovih hidrauličnih i filtracijskih odlika bez zaustavljanja i rastavljanja.
Sl. 5.31. Magnetski filtar:
1 - kućište; 2 - dovod ulja;
3 - mrežica; 4 - magnet;
5 - poklopac; 6 - odvod ulja;
7 - rebro; 8 - čepSl.5.32. Samočistivi filtar
Na kućištu (1) s priključnom cijevi za dovod onečišćenog ulja, a i očišćenog ulja (b), te otvorom za odvod nečistoća, smješteno je nekoliko komora (2) s filtrirajućim elementima (3). Komore (2) spojene su s cijevima (a), (b) i (c) preko prebacivača (5), koji ima automatski električni pogon. U gornji prostor kućišta (1), preko nepovratnog ventila (4) dovodi se stlačeni zrak kojim se regeneriraju filtracijski
184
elementi. Prikazano kućište na slici 12.8.a odgovara radnom položaju prebacivača (5), u kojem u komoru (2) neprekidno se dovodi onečišćeno ulje za čišćenje. Pri dostizanju graničnog tlaka u komori (2) zbog zaprljanja filtracijskih elemenata (3) prebacivač (5) automatski se okreće oko osi do položaja prikazanoga na slici 12.8.b. Komora (2) se isključuje iz procesa filtracije, a element (3) se čisti protjecanjem smjese zaostalog ulja i dovedenoga stlačenog zraka. Po završenoj regeneraciji elementa (3) prebacivač (5) vraća se u radni položaj, zaustavljajući dovod stlačena zraka, odstranjujući zrak kroz posebni ventil, a proces filtracije ulja se nastavlja.
Za hlađenje ulja rabe se uljni hladnjaci s glatkim ili orebrenim cijevima. Na slici 5.33. predočen je hladnjak ulja brodskih dizelskih motora. Hladnjaci se izrađuju u obliku bubnja u kojem su smještene cijevi, učvršćene u pregradama (2). Kroz cijevi struji morska voda, a kroz prostor oko cijevi ulje se hladi. Prostor oko cijevi podijeljen je pregradama, tako da je putanja ulja poprečna na cijevi poradi intenzivnijeg prijelaza topline. Za odstranjivanje zraka iz hladnjaka predviđen je pipac (5).
Poradi zagrijavanja, cijevi dilatiraju u donjoj pregradi u koju su uvaljane.
Sl. 5.33. Hladnjak ulja
Ovisno o namjeni razlikuju se gravitacijski, cirkulacijski i skladišni uljni tankovi. Iz gravitacijskih tankova ulje struji do mjesta podmazivanja slobodnim padom. U cirkulacijskima, ulje struji pod djelovanjem sisaljka do mjesta podmazivanja. Skladišni
185
tankovi služe za uskladištenje ulja na određeno vrijeme; iz njih se ono može pumpati u gravitacijske ili cirkulacijske tankove.
5.4. SUSTAV UPUĆIVANJA
Sustav upućivanja dizelskih motora ima zadaću da omogući pokretanje stapnog mehanizma tako da se ostvari potrebni broj okretaja osovine kojim će se osigurati samozapaljenje goriva uštrcanoga u cilindar motora. Upućivanje stlačenim zrakom obavlja se u glavnih i pomoćnih brodskih motora.
Sl. 5.36. Sustav upućivanja stlačenim zrakom
Sustav upućivanja brodskih dizelskih motora komprimiranim zrakom ima ove uređaje: kompresor, boce za stlačeni zrak, glavni uputni ventil, razvodnik zraka, uputne ventile i cijevi za zrak.
Shema zajedničkog sustava upućivanja glavnog i pomoćnih motora dana je na slici 5.36. On se sastoji od dva kompresora (1) koji tlače uputni zrak u dvije boce (2) s tlakom od 30 bara. Glavni motor dobiva zrak od 30 bara neposredno iz boca, dok se zrak za kontrolu i manevriranje reducira na 7 bara u redukcijskoj stanici (3).
Zrak za upućivanje i kontrolu pomoćnih motora dobiva se također iz istih boca preko redukcijskih ventila (4).
Ustreba li, može se aktivirati kompresor (5), koji preko pomoćne boce (8) osigurava zrak za upućivanje pomoćnih motora. Separator ulja i vode (6) postavlja se za odvajanje tih tekućina od zraka. Na bocama zraka postavljaju se ventili za ispuštanje vode.
186
5.4.1. KOMPRESORI
Kompresori u sustavu upućivanja imaju zadaću da osiguraju sigurnu dobavu zraka u boce zraka kako bi bilo moguće sigurno upućivati motor u bilo kojem trenutku. Na brodovima duge i velike obalne plovidbe moraju biti najmanje dva glavna kompresora. Jedan od njih može biti privješen. Kapacitet svih glavnih kompresora mora biti dostatan za punjenje spremnika porivnih motora u vremenu od jednog sata, počevši od atmosferskog tlaka do tlaka potrebnoga za upućivanje motora propisani broj puta.
Kapacitet kompresora ne smije biti manji od 50% ukupnog kapaciteta svih glavnih kompresora, ali nipošto ne smije biti manji od kapaciteta koji se zahtijeva za brodsku sirenu.
Na brodovima ograničenog područja plovidbe umjesto privješenog kompresora za punjenje spremnika zraka za upućivanje mogu se rabiti i ispušni plinovi.
5.4.2. BOCE ZRAKA ZA UPUĆIVANJE
Komprimirani zrak za upućivanje motora smješta se u čelične boce pod odgovarajućim tlakom. Potrebna količina zraka za upućivanje porivnih motora i za pneumatsko upravljanje mora se nalaziti najmanje u dvije neovisne boce ili u dvije neovisne grupe od nekoliko posuda. Obujam svake od dvije posude ili svake neovisne grupe od nekoliko posuda određuje se tako da su u njih može smjestiti najmanje polovica zraka potrebnoga za 12 upućivanja, naizmjenice naprijed i krmom za prekretni motor pripremljen za rad. Količina stlačenog zraka za upućivanje porivnih motora (koji pogone brodski vijak sa zakretnim krilima, ili se mogu upućivati neopterećeni na neki drugi način) mora biti dostatan za šest upućivanja najjačega od postojećih motora. Pri tomu mora biti osiguran zrak za sustav upravljanja motorom. Za upućivanje pomoćnih motora mora se predvidjeti najmanje jedna posuda kapaciteta dostatnoga za šest upućivanja motora najveće snage, te uz uvjet da je motor hladan pripremljen za rad.
Ako je predviđen spremnik komprimiranog zraka za sirenu i za pogon sustava upravljanja porivnih strojeva, te za druge brodske potrebe, njegov obujam mora se povećati za obujam dobiven prema proračunu samo za sirenu; pri tome valja predvidjeti automatsko dopunjavanje spremnika komprimiranog zraka ili signalizaciju koja se uključuje kad u spremniku ostane samo količina zraka potrebna za sirenu.
Na slici 5.37. prikazana je glava boce zraka, učvršćena vijcima (8) na prirubnicu (5). Na glavi se nalazi ventil za punjenje (12), zaporni ventil (9), ventil za propuhivanje (6) i ventil manometra (13).
Ventil za punjenje (12) otvara se pri punjenju boce stlačenim zrakom od kompresora preko cijevi (11). Zaporni ventil (9) služi za otvaranje izlaza zraka u cijev (17) kroz koju se on odvodi do motora. Ventil za propuhivanje (6) služi za ispuštanje kondenzirane vlage kroz cijev (1). Cijev (1) izvedena je tako da njezin donji kraj
187
završava 10 mm od dna boce. Ako je boca nagnuta, kraj cijevi mora biti smješten u najniži dio boce.
Ventil (13) služi za propuštanje zraka do manometra radi nadzora tlaka zraka. Na glavi se boce također postavlja sigurnosni ventil. S obzirom na to da se u bocama zrak nalazi pod tlakom (obično do 3 000 kPa), one podliježu posebnoj kontroli eksperata kao i sve posude pod tlakom. Kontrola se obavlja izvanjskim promatranjem stanja boce, brtvljenja spojenih dijelova, provjerom sigurnosnih ventila. Izvanjska se kontrola provodi nakon dvije godine. Unutarnja kontrola obavlja se nakom četiri godine, a obuhvaća sve što i izvanjska, a osim toga i brižljiv pregled unutarnjih dijelova boce. Zato je potrebno otvaranje boce i brižljivo čišćenje unutarnjih površina od nečistoća i hrđe. Armatura mora biti pregledana, ventili i pipci zatvoreni. Hidraulično ispitivanje obavlja se svako osam godina, a provjerava se čvrstoća boce i njezini spojevi. Ispituje se pod tlakom vode koji 25% nadmašuje radni tlak.
Sl. 5.37. Glava boce zraka
5.4.3. GLAVNI UPUTNI VENTIL
188
Glavni uputni ventili propuštaju zrak u sustav upućivanja za vrijeme upućivanja motora. Na slici 5.38. pod (C) predočen je glavni uputni ventil u Sulzerovu motoru. Zrak iz boce komprimiranog zraka struji u prostor (N) kućišta (15), ventila (1), gdje djeluje na pladanj koji pritišće na dosjed (2). To djelovanje pojačava opruga (3). Iz prosotra N zrak struji u kućište ventila-razvodnika (10) i djeluje na pladanj ventila pritišćući ga na dosjed.
Pomicanjem ručke upravljanja u položaj "upućivanje" otvara se manevarski ventil koji propušta zrak do priključka (7) odakle ulazi u prostor ispod stapa (8) razvodnika (10) i podiže ga. Pri tom prostor (k) odvaja zadebljani dio vretena ventila od priključnog prostora koji je spojen s razvodnikom zraka.
Zrak iz boce, kroz otvoreni ventil (10), ulazi u razvodnik zraka (b) i ispod stapa (4) (glavnog ventila) učvršćenoga na vretenu ventila (1), koji podiže. Kroz otvoreni ventil zrak iz boce ulazi u uputni ventil na poklopcu cilindra motora. Otvori u prostoru (T) prekrivaju se vretenom ventila u glavnom uputnom ventilu.
Postavljanjem ručke upravljanja u položaj "stoj" ili "pogon" spaja se prostor ispod stapa (8) s atmosferom.
Sl. 5.38. Elementi sustava upućivanja u Sulzerovu motoru: a - uputni ventil;
b - razvodnik zraka; c - glavni uputni ventil
Sila opruge (11) vraća ventil (10) na dosjed (9), a prostor (K) se spaja s atmosferom. Zrak ispod stapa (4), preko prostora (K), struji u atmosferu, a opruga (3) vraća ventil na dosjed.
5.4.4. UPUTNI VENTILI
189
Uputni ventili smješteni su na cilindarskom poklopcu motora koji se upućuju stlačenim zrakom. Preko uputnih ventila propušta se komprimirani zrak, tijekom upućivanja, u cilindar motora, i to u trenutku kad pojedini stap prelazi gornju mrtvu točku za nekoliko stupnjeva okreta koljenaste osovine.
Uputni se ventili otvaraju mehanički ili pneumatski. Danas se to obično čini stlačenim zrakom. Na slici 5.38. pod a predočen je uputni ventil kakav se rabi u Sulzerovu motoru s diferencijalnim stapovima za otvaranje i zatvaranje ventila, a na slici 5.39. uputni je ventil bez diferencijalnih stapova koji se zatvara djelovanjem sile opruge.
Sl. 5.39. Uputni ventil:
1 - ventil; 2 - stap ventila;
3 - dovod zraka za otvaranje
ventila; 4 - dovod uputnog
zraka
Sl. 5.40. Shema sustava upući-
190
vanja motora komprimiranim
zrakom: 1 - uputni ventil;
2 - dovodna cijev zraka za
otvaranje ventila; 6 - razvodnik
zraka; 9 - ručka za upravljanje
Otvaranjem uputnih ventila upravlja se propuštanjem zraka u cilindar motoru, koji je obično pod tlakom nižim od 3 MPa. Zrak za otvaranje uputnog ventila predočenog na slici 5.38. pod a, ulazi u gornji otvor i djeluje na površinu stapa (6) iznad gornjeg prstena (7). Sila koja savladava otpor opruge i djelovanje tlaka na pladanj ventila (2) jednaka je umnošku tlaka zraka i manje površine stapa (6). Kad se ventil ponešto spusti, gornji prsten nije više na cilindričnom dijelu košuljice te zrak ulazi i iznad drugog prstena, tj. iznad drugog dijela stapa većeg promjera. Na taj se način ubrzava otvaranje ventila i njegovo sigurno zadržavanje u otvorenom položaju. To je potrebno osobito pri pokretanju motora kad mu se osovina još okreće u prethodnom smjeru, pa se on mora najprije zaustaviti, zašto se korisiti komprimiranim zrakom.
Pri zatvaranju zrak ulazi u prostor ispod stapa (6), djeluje na veću površinu stapa i brzo zatvara ventil. Kad stap (6) s prstenom prijeđe odgovarajući put, odvoji se prostor u koji se dovodi zrak od prostora ispod stapa (6) manjim stapom (5), na koji tada djeluje stlačeni zrak. Zbog tog odvajanja smanjuje se sila što djeluje na zatvaranje ventila, zato se ventil blago zatvara, bez udaraca. Iz svih cijevi uputnih ventila zrak struji u atmosferu kroz prostor K i T.
Uputni se ventil često zatvara silom opruge u trenutku kad se prostor iznad stapa (2) na slici 5.39. poveže s atmosferom. Razvođenje zraka za otvaranje i zatvaranje uputnih ventila obavlja se razvodnicima zraka.
5.4.5. RAZVODNICI ZRAKA
Razvodnici zraka usmjeravaju zrak kojim se otvaraju uputni ventili. Ovisno o rasporedu razvodnika u odnosu prema razvodnoj osovini razlikuju se zvjezdasti
191
Sl 5.41. Sustav upućivanja MAN-motora sa zvjezdastim rasporedom
razvodnika zraka
razvodnici i razvodnici s rasporedom u nizu. Na slici 5.38.b je razvodnik Sulzerova motora: Sastoji se od razvodnog stapa (5), smještenoga u košuljici (6). Stap pogoni razvodna osovina (4) preko brijega (3) na koji se oslanja kotačić (2). Košuljica (6) je upresovana u kućištu (1). Opruga (8) drži razvodni stap u gornjem položaju, u kojemu kotačić ne dodiruje brijeg razvodne osovine.
Po otvaranju glavnoga uputnog ventila (1) i pomoćnog ventila-razvodnika (10) (sl. 5.38.c) zrak ulazi u prostor C u košuljici (6) razvodnika zraka i kroz provrt (7) u prostor M, u kojem djeluje na stap (5) i pritišće ga nadolje, tako da se kotačić (2) oslanja na brijeg (3) razvodne osovine. Okretanjem razvodne osovine preko brijega upravlja se stapom razvodnika (5) i razvodnim zrakom koji upravlja otvaranjem uputnim ventilom na cilindarskoj glavi.
Na slici 5.41. shematski je predočen sustav upućivanja MAN-ova motora s zvjezdastim rasporedom razvodnika zraka 1 smještenih oko razvodnog brijega. Uputni ventili 3 povezani su cijevima s razvodnicima zraka i glavnim uputnim ventilom 8, od kojeg zrak struji kroz cijev 6 i 4 do uputnog ventila (3), gdje čeka trenutak kad će zrak od razvodnika 1 otvoriti prolaz zraku u cilidar motora otvaranjem uputnog
192
ventila. Sa 7 označena je kontrolna cijev glavnoga uputnog ventila, s 15 filtar, a s 18 booster-servomotor.
5.5. MANEVRIRANJE MOTORNIM BRODOVIMA
Smjer brodske vožnje može se mijenjati na slijedeće načine: prekretanjem pogonskog stroja, prekretnim spojkama i zakretanjem krila brodskog vijka. Manevriranje prekretanjem motora provodi se tako da se pri promjeni smjera vožnje zaustavi motor i ponovno uputi, ali tako da se vratilo motoru okreće u suprotnom smjeru. Ako je brod opremljen spojkama ili vijkom sa zakretnim krilima, u manevru se motor ne zaustavlja.
5.5.1. UREĐAJI ZA PREKRETANJE MOTORA
U prekretanju motora potrebno je pravodobno osigurati pogon uređaja za odgovarajući smjer okretanja vratila motora. Dvotaktnim dizelskim motorima valja osigurati uštrcavanje goriva, razvod zraka za upućivanje i pravodobno otvaranje i zatvaranje ispušnih ventila ako je motor s istosmjernim ispiranjem i ispušnim ventilom. Za četverotaktne motore potrebno je osim tih uređaja osigurati pravodobno otvaranje usisnih i ispušnih ventila. Te elemente pogoni razvodna osovina na kojoj se nalaze dvostruki bregovi za vožnju "naprijed" i za vožnju "krmom", ili se rabi jedan brijeg simetrične izvedbe za oba smjera vožnje.
Sustav s aksijanim pomicanjem razvodne osovine ima dva brijega na razvodnoj osovini za svaki ventil, razvodnik zraka i visokotlačnu sisaljku. Za prekret razvodna se osovina pomiče aksijalno, tako da ispod kotačića dođe odgovarajući brijeg za vožnju "naprijed" i "krmom". Da bi kotačić s jednog brijega mogao doći na drugi nesmetano, uobičajena su dva načina:
1. podizanjem kotačića posebnim mehanizmom prije aksijanog pomicanja razvodne osovine i spuštanje na bregove nakon njezina aksijalnog pomaka;
2. uporabom koso odrezanih bregova i pogodnim oblikovanjem kotačića, on se pri aksijalnom pomaku razvodne osovine popne ili spusti na drugi brijeg. (sl. 5.39.).
U velikih dvotaktnih motora prekret se obično obavlja zakretanjem razvodne osovine za neki kut (sl. 5.43.) Na razvodnoj osovini postavlja se jedan brijeg simetrične izvedbe za oba smjera vožnje, tako da se posebnom spojkom razvodna osovina zakrene, a bregovi pod različitim kutovima djeluju na kotačiće u vožnji "naprijed" i vožnji "krmom".
Na slici 5.40. vidi se uređaj za pogon i prekret visokotlačne sisaljke goriva u MAN-B&W tipa S26MC, kojemu se prekretanje obavlja jednostavnim i sigurnim mehanizmom, koji kotačić pomiče prema naprijed ili prema natrag ovisno o željenom smjeru brodske vožnje. Kotačić pogoni simetrično izrađen brijeg. Pomak kotačića za
193
vožnju "naprijed" ili "krmom" izvodi se pneumatskim servo-uređajem, koji je neovisan za svaki cilindar sisaljke goriva.
Kotačić se oslanja na brijeg ekscentrično u odnosu prema osi cilindra sisaljke. Kut između osi osovinice oslonca poluge i kotačića u položajima za vožnju "naprijed" i vožnju "krmom" jest kut prekreta motora.
Sl. 5.40. Izvedba bregova i kotačića
u motora s aksijalnim pomakom
razvodne osovine:
1 - razvodnik zraka
2 - sisaljka goriva
3 - brijeg za pogon sisaljke goriva
u vožnji "naprijed"
4 - brijeg za upravljanje razvodnikom
zraka pri upućivanju "naprijed"
5 - razvodna osovina
6 - brijeg za pogon sisaljke u vožnji
"krmom"
Osim opisanih rješenja rabe se i druga, npr. sustav s dva brijega i dva kotačića za svaki element koji pogone bregovi razvodne osovine. U tom slučaju razvodna se
194
osovina pomiče aksijalno. Prekret se ostvaruje podizanjem poluge na kojoj su kotačići smješteni u različitim ravninama, tako da se dovodi u međusobni dodir kotačić i brijeg za vožnju "naprijed" ili "krmom".
Sl. 5.41. Visokotlačna sisaljka i prekretni mehanizam
u MAN-B&W-motora
5.5.2. PREKRETANJE SULZEROVA MOTORA
Prekretanje dvotaktnih Sulzerovih motora obavlja se zakretom razvodne osovine uređajem prikazanim na slici 13.8., gdje je također predočen sustav za upućivanje i upravljanje. Manevriranje započinje kad se ručka telegrafa (15) iz položaja "naprijed" ili "krmom" postavi u položaj "stoj". Kad se telegraf postavi na "stoj", opadne tlak u cilindru servomotora zaustavljanja (22) i on se postavi u položaj "0", pod djelovanjem opruge. Istodobno se ručka za gorivo (16) postavlja u odgovarajući položaj, npr. 3,5, kako bi se spriječili udarci pri upućivanju. Dok je ručka telegrafa u položaju "stoj", poluga upućivanja (20) je blokirana uređajem za mehaničko blokiranje poluge upućivanja (19). Osim toga, poluga upućivanja (20) blokirana je u svom položaju hidrauličnim uređajem (19) sve dok servomotor
195
prekretanja nije završio prekret ili nije u svom krajnjem položaju koji odgovara položaju ručke telegrafa.
Sl. 5.42. Uređaj za prekretanje, upućivanje i upravljanje u Sulzerovu motoru
Pomakom ručke telegrafa iz položaja "naprijed" u "stoj" zakreće se kulisna ploča i razvodnik prekretanja (13) postavi se u položaj "stoj". U položaju "stoj" vod razvodnog ulja, koji spaja razvodnik prekretanja (13) sa servomotorom (12), spojen je s odvodom razvodnika (13) i rasterećen od tlaka ulja.
Kad broj okretaja motora dostatno padne, ručka se telegrafa postavlja u položaj "krmom", pri čemu se servomotor prekretanja postavi u položaj "krmom". Čim servomotor dostigne krajnji položaj, hidraulični uređaj blokiranja ručke upućivanja (19) oslobađa ručku upućivanja (20). Mehanički uređaj blokiranja (19) oslobađa ručku upućivanja (20) čim se ručka telegrafa postavi iz položaja "stoj" u radnu poziciju.
Postavljanjem ručke upućivanja (20) u položaj "upućivanje" započinje postupak upućivanja motora, podiže se predventil zraka za upućivanje (23). Stlačeni zrak struji kroz blokirajući ventil na stroju za okretanje (14) vratila motora ako je on isključen. Jedan dio zraka preko ventila (23) struji do automatskoga zapornog ventila
196
za upućivanje (3), a drugi dio do razvodnika zraka (5), gdje svladava otpor opruge i pritičće kotačiće razvodnika na bregove. Aktivirajući zrak od ventila (23) deblokira ventil (3) koji otvara uputni zrak što dalje struji do razvodnika zraka (5) i preko njega do uputnog ventila (4) na cilindarskom poklopcu motora. Zrak koji se propušta u cilindre motora i potiskuje stapove za vrijeme upućivanja, struji izravno iz ventila (3) do uputnog ventila (4).
Osigurač prekretanja (9) automatski blokira dovod goriva s pomoću servomotora zaustavljanja (22) kad ručka telegrafa prolazi preko položaja "stop". Dovod ostaje isključen sve dok se smjer okretanja vratila motora ne podudari s položajem ručke telegrafa.
5.5.3. PREKRETNE SPOJKE
U brzookretnih i srednjookretnih motora snaga do 3 500 kW najjednostavnija je uporaba prekretnim spojkama, koje obično i reduciraju brojeva okretaja na vrijednosti pri kojima je povoljan stupanj iskoristivosti brodskog vijka. Rabe se mehaničke ili hidraulične prekretne spojke. Mehaničke mogu biti s cilindričnim ili konusnim zupčanicima.
Na slici 5.43. predočena je prekretna spojka, koja osim promjene smjera obavlja i redukciju broja okretaja motora na onaj broj okretaja vijka pri kojemju on postiže povoljan stupanj iskoristivosti.
Sl. 5.43. Sheme prekretnih spojka: a - s cilindričnim međuzupčanikom;
b - s konusnim međuzupčanicima
Za vožnju "krmom" steže se lamelasta spojka (6), a okretni moment prenosi se od vratila motora na kojemu je učvršćen zamašnjak (1), preko zupčanika (3), međuzupčanika (4) i zupčanika (5), spojke (6), zupčanika (9 i 10) na vratilo (11). Kod vožnje "krmom" vratilo motora i vratilo vijka okreću se u suprotnim smjerovima. Za vožnju "naprijed" stegne se lamelasta spojka (7) a istodobno popusti spojka (6).
197
Prijenos zakretnog momenta vrši se s vratila motora preko zupčanika (12), (8), (9) i (10) na vratilo (11).
Na slici 5.42.b shematski je prikaz prekretne spojke kojoj se suprotni smjer vožnje ostvaruje konusnim zupčanicima (13). Vožnja "naprijed" postiže se stezanjem spojke (6), a popuštanjem spojke (7). Okretni moment prenosi se preko zupčanika (3), (5), (9) i (10) na vratilo (11). Vožnja krmom može se postići stezanjem lamelaste spojke (7) a popuštanjem spojke (6). U tom slučaju okretni moment prenosi se preko konusnih zupčanika (13) i zupčanika (12), (8), (9) i (10) na vratilo (11).
Posebnost ovih prekretnih spojka je u tomu što je za njih predviđena posebna spojka (2) preko koje se ograničava prijenos okretnog momenta ako on oscilira ili pri radu s brojem okretaja blizu kritične vrijednosti.
Da bi se poboljšale manevarske karakteristike, prekretna se spojka radi s kočnicom (za kočenje osovinskog voda pri prekretanju). Kočenjem se skraćuje vrijeme prekretanja (od trenutka isključivanja spojke za vožnju "naprijed" do početka okretanja osovinskog voda u suprotnom smjeru) tri do četiri puta. Konstrukcija je kočnici lamelasta s više lamela, s tim što su pogonjene lamele učvršćene za nepokretno kućište spojke.
Na slici 5.44. dana je shema hidraulične spojke za prijenos okretnog momenta i promjenu smjera okretanja vratila brodskog vijka. Ova spojka onemogućuje nagla preopterećenja i udarce kad se povećava otpor gibanju broda. Vratilo motora spojeno je s vratilom 6 preko zupčanika 8 i 7 (koji je šupalj) dijeli po dužini vratilo 1 na dva dijela. Na vratilu (1) čvrsto su uklinjena kola sisaljke: (4) hidrauličnog transformatora za "naprijed", (9) hidraulične spojenice za "naprijed" i (14) hidrauličnog transformatora za "natrag". U šupljinu vratila (1) smješteno je vratilo (2) koje je turbinsko kolo: (3) hidrauličnog transformatora za vožnju "naprijed", (12) hidraulične spojke i (16) hidrauličnog transformatora za vožnju "natrag".
Sl. 5.44. Shema hidraulične prekretne spojke
198
Turbinsko vratilo (2) spojeno je preko prirubnice (17) s reduktorom koji reducira broj okretaja motora na broj okretaja vijka. Hidraulični transformatori imaju kućišta (18) i (26). Kućište hidraulične spojnice formira kolo sisaljke (9) i poklopac (13), koji su čvrsto spojeni s vratilom pumpe (1). Hidraulični transformator uključuje se u rad djelovanjem sisaljke napajanja, koje se dovodi cijevima (19) i (25), a isključivanje se ostvaruje ispuštanjem ulja kroz cijevi (20) i (27). Hidraulična spojnica puni se kroz cijev (24), a prazni kroz membranski ventil (22).
Prazni se hod ostvaruje kad u kućištima (26), (13) i (18) nema ulja, vratilo sisaljke (1) okreće se, a vratilo turbine (2) je nepokretno.
Pri pokretanju ili kad se povećava otpor gibanju, preko cijevi (25) puni se kućište hidrauličnog transformatora (26) za vožnju naprijed. Kolo sisaljke (4) usmjerava ulje na lopatice (5) turbinskog kola (3), poradi čega se počinje okretati turbinsko vratilo (2) u istom smjeru kao i vratilo sisaljke. Smjer strujanja ulja u kućištu 26 predočen je strelicama.
Zbog nedostatnog stupnja iskoristivosti hidrauličnog transformatora, normalni pogon za vožnju "naprijed" ostvaruje se preko hidraulične spojnice. Za prijelaz na hidrauličnu spojnicu ispušta se ulje iz kućišta 26 kroz cijev 27, a istodobno se puni hidraulična spojka kroz cijev 24. Na kolu sisaljke 9 nalaze se radijalne lopatice koje prisiljavaju ulje na kružno gibanje, a onu pod djelovanjem centrifugalne sile pokreće preko lopatica 10 i 11 turbinsko kolo 12. Preko turbinskog kola 12 pogoni se vratilo 2 u istom smjeru kao i vratilo 1.
Za vrijeme rada hidraulične spojke membranski ventili pritisnuti su tlakom ulja na dosjede, a koje se dovodi kroz cijev 23. Isključenje hidraulične spojke ostvaruje se otvaranjem ventila preko kojih ulje istječe kroz otvor 21.
Za vožnju "krmom" ulje se od sisaljke dovodi kroz cijev 19 u kućište 18. Pod djelovanjem kola sisaljke 14 ulje ima kružno gibanje, označeno crtkanim strelicama, koje pokazuju tlak na lopatice turbinskog kola 15. Poradi djelovanja ulja okreće se vratilo 2 u smjeru suprotnomu okretanju vratila 1. Pri isključenju hoda "natrag" ulje izlazi iz kućišta 18 kroz cijev 20.
6.
Regulatori________________________________________________________________
6.1. Stupanj neosjetljivosti i stupanj neravnomjernosti regulatora6.2. Regulatori neizravnog djelovanja bez povratne veze6.3. Regulator neizravnog djelovanja s povratnom vezom
199
6.4. Granično-sverežimni regulatori man-ova motora6.5. Woodward-regulatori6.6. Elektronski regulatori________________________________________________________________
Za regulaciju brodskih dizelskih motora rabe se centrifugalni regulatori izravnog i neizravnog djelovanja, te elektronički regulatori.
Regulatorima s izravnim djelovanjem regulacijski se element pogoni neposredno mjernim elementom, bez uporabe dodatne energije.
Regulatorima s neizravnim djelovanjem na regulacijski organ djeluje mjerni element preko pojačala, a energiju daje posebni izvor.
Za motore velikih snaga kao što su glavni brodski dizelski motori rabe se regulatori s neizravnim djelovanjem, a za motore malih i srednjih snaga regulatori s izravnim djelovanjem.
Na slici 6.1. strukturne su sheme regulatora s izravnim i neizravnim djelovanjem. Iz strukturnih shema vidi se da se sustav sastoji od objekta regulacije i regulatora.
Sl. 6.1. Strukturna shema sustava automatske regulacije:
200
a - izravnog djelovanja; b - neizravnog djelovanja
Osim spomenute podjele regulatori se razlikuju prema zakonu po kojemu se ostvaruje regulacija. Zakonom regulacije naziva se matematička ovisnost djelovanja regulatora na objekt regulacije, U suglasnosti s tim, razlikuju se:
- Proporcionalni regulatori (P-regulatori), kojima se motka sisaljke goriva pomiče proporcionalno promjeni broja okretanja vratila motora.
- Integralni regulatori (I-regulatori), kojima je regulacijsko djelovanje jednako integralu odstupanja broja okretaja od zadane vrijednosti. I-regulatori nemaju zaostalih neravnomjernosti, a statička je greška jednaka ništici.
- Proporcionalno-integralni regulatori (PI-regulatori) sjedinjuju karakteristike P-regulatora i I-regulatora. Promjena broja okretaja vratila utječe na veličinu i brzinu pomaka motke za promjenu dobave goriva.
- Proporcionalno-derivacijski regulatori (PD-regulatori) su oni kojima na pomak motke za dobavu goriva utječe veličina i brzina promjene okretaja vratila motora.
- Proporcionalno-integralno-derivacijski regulatori (PID-regulatori) su oni kojima pomicanje motke za dobavu goriva ovisi o broju: okretaja i brzine njegove promjene. Promjena broja okretaja utječe također na brzinu pomicanja regulacijskog organa.
Prema namjeni i radnom režimu regulatori se dijele na:
- jednorežimne, koji podržavaju samo jedan brzinski režim motora, npr. u motora za pogon generatora struje;
- dvorežimski, koji podržavaju dva brzinska radna režima motora (minimalni brzinski režim i režim na nominalnom broju okretaja);
- sverežimski regulatori podržavaju bilo koji ravnotežni radni režim motora minimalnoga do nominalnog broja okretaja;
- granični regulatori uključuju se u rad samo ako broj okretaja motora postigne vrijednost veću od dopuštene. Ovi regulatori isključuju motor iz pogona.
Svaki porivni motor mora imati regulator broja okretaja namješten tako da motor ne može prekoračiti proračunski broj okretaja više od 15%.
Svaki porivni motor snage od 220 kW i više, predviđen za brod s vijskom sa zakretljivim krilima ili s izvrstivom spojkom, osim regulatora broja okretaja mora imati granični regulator ugođen tako da motor ne može nadmašiti proračunski broj okretaja više od 20%.
Svaki pomoćni motor koji pogoni električni generator mora ima regulator broja okretaja ugođen tako da udovoljava ovim zahtjevima:
- pri naglom rasterećenju 100% opterećenoga generatora trenutna promjena broja okretaja ne smije biti veća od 10% proračunskog broja okretaja, a nakon 5 sekunda ustaljeni broj okretaja ne smije se razlikovati od prethodnoga više od 5% proračunskog broja okretaja;
- pri naglom opterećenju na 50% proračunske snage, i odmah zatim opterećenju s ostalih 50% snage, trenutna promjena broja okretaja ne smije biti veća od 10% proračunskog broja okretaja, a 5 sekunda nakon opterećenja ustaljeni broj okretaja ne smije se razlikovati od prethodnoga više od 5% proračunskog broja okretaja.
Svaki pomoćni motor snage od 220 kW i više za pogon električnog generatora, osim regulatora broja okretaja mora imati i granični prekidač namješten tako da broj okretaja ne smije prekoračiti broj okretaja više od 15%.
Kolebanje ustaljenog broja okretaja u dizelskim motorima izmjenične struje pri opterećenju od 25 do 100% proračunske električne snage mora biti u granicama od 1% proračunskog broja okretaja.
Regulator mora imati uređaj koji omogućuje lokalnu i daljinsku promjenu broja okretaja unutar granice od 10%.
Automatska regulacija tijesno je povezana s radnim uvjetima dizelskih motora i sa zahtjevima postavljenima u eksploataciji. Zbog toga za ocjenu dizelskih motora kao objekta regulacije prijeko je potrebno znati njegove moguće radne režime, karakteristike dizelskih motora i odlike stroja koji motor pogoni.
201
6.1. Stupanj neosjetljivosti i stupanj neravnomjernosti regulatora
Kad se promjeni kutna brzina ili broj okretaja vratila, mijenja se centrifugalna sila koja djeluje na položaj skliznog elementa (tuljka) regulatora i pomiče ga u novi položaj. Pri tom pomaku pojavljuje se sila trenja u mjernom elementu i organima za dobavu goriva. Veličina sile trenja ovisi o kvaliteti izradbe, kvaliteti materijala i podmazivanju pokretnih dijelova. Sila trenja može se izračunati pomoću slijedeće formule:
(6.1.)
m - koeficijent trenja
N - sila okomita na površinu trenja
Ft - sila trenja
Tuljak mjernog elementa u ravnoteži je ako je zbroj sila što na njega djeluju jednak ništici.
Sila trenja je suprotnog smjera od smjera gibanja, što znači da može biti pozitivna ili negativna:
F A Fr t 2 0 (6.2.)
Fr - postavna sila (ovisi o zategnutosti opruge)
A - koeficijent proporcionalnosti
- kutna brzina utega regulatora
Ovisno o predznaku Ft mogu se izračunati dvije vrijednosti kutnih brzina utega koje odgovaraju
graničnim položajima ravnoteže tuljka:
" ,F FAr t ,
F FAr t (6.3.)
Obje vrijednosti odgovaraju istom položaju tuljka:
" - kutna brzina pri rastu kutne brzine
' - vrijednost pri smanjenju kutne brzine
Zbog postojanja sile trenja u intervalu kutnih brzina " - ' mjerni element reagira na promjenu kutne brzine ili broja okretaja vratila regulatora. Taj interval naziva se područje neosjetljivosti regulatora.
Kao karakteristika neosjetljivosti regulatora uveden je pojam stupnja neosjetljivosti regulatora, koji se može izraziti odnosom kutnih brzina:
e
" ,
sr(6.4.)
sr
" ,
2
Područje neosjetljivosti regulatora najbolje se ilustrira površinom u dijagramu ravnotežnih krivulja mjernog elementa. (sl. 14.2.)
U ravnotežnom položaju tuljka je zo, a utezi imaju kutnu brzinu o. Kad se poveća kutna
brzina, tuljak će ostati u položaju zo, sve dok kutna brzina ne dostigne vrijednost:
o r tF FA
"
Tada tuljak svlada silu trenja i pomakne se u novi položaj, npr. koji zauzima kod maks. Kad se smanji broj okretaja, dogodit će se obratno, tuljak će se pomaknuti prema zmin pri
kutoj brzini:
o r tF FA
,
202
Sl. 6.2. Područje neosjetljivosti regulatora
Da bi se smanjio stupanj neosjetljivosti, potrebno je smanjiti silu trenja, što se postiže smanjenim koeficijentom trenja. Brodskim dizelskim motorima stupanj neosjetljivosti je u granicama od 0,5 do 3%.
Ocjena neravnomjernosti rada regulatora, odnosno sposobnosti regulatora da podržava zadani brzinski režim u dizelskih motora, obavlja se s pomoću stupnja neravnomjernosti .
maks
sr
min(6.5.)
sr
maks min
2
Stupanj neravnomjernosti iznosi obično od 2 do 6%.
Sl. 6.3. Regulacijske karakteristike
Na slici 6.3. prikazane su regulacijske karakteristike motora, i to:
203
a - astatička karakteristika s =0;
b - statička karakteristika s >0.
6.2. Regulatori neizravnog djelovanja bez povratne veze
Kad se motoru promijeni opterećenje, mijenja se brzina okretanja njegova vratila, mijenja se signal mjernog elementa. Signal mjernog elementa uspoređuje se u usporedbenom slogu sa zadanom vrijednošću reguliranog parametra. Dobivena se vrijednost pojačava u pojačalu i predaje izvršnom elementu, i on djeluje na regulacijski element pomoću kojega se korigira dobava goriva motoru.
Slika 6.4. sadrži shemu regulatora neizravnog djelovanja bez povratne veze. Osjetni su element dvije kugle (1) koje se okreću brzinom proporcionalnoj brzini okretanja koljenastog vratila. Postavnik zadane vrijednosti je opruga (2), a usporedbeni je slog pomični tuljak (3) koji se giba uzduž osi i djeluje na položaj poluge (4), što se zakreće oko oslonca. Izvor je pomoćne energije sisaljka ulja (8), koju pogoni koljenasto vratilo motora. S pomoću stapa (6) i opruge (7) ulje je u sustavu pod konstantnim tlakom.
Signal od usporedbenog elementa predaje se na razvodnik servouređaja (5), koji usmjerava ulje pod tlakom u cilindar servomotora iznad (ili ispod) stapa (11) spojenoga sa stapajicom (12), preko koje se djeluje na dobavu goriva visokotlačne sisaljke.
Sl. 6.4. Shema regulatora neizravnog djelovanja bez povratne veze
Hidraulični servomotor izvršni je element pojačala regulatora. PRigušni ventil (9) je element preko kojega se ugađa regulator.
Kad se povećava brzina okretanja, rastu centrifugalne sile utega, svladavaju silu opruge, zakreću polugu (4) i podižu stap razvodnika (5) prema gore. Ulje pod tlakom ulazi u prostor ispod stapa (11), pomiče stap i stapajicu (12), i tako djeluje na smanjenje dobave goriva. Ulje iz prostora iznad stapa izlazi kroz središnji vod u razvodniku u odljev. Kao rezultatsmanjene dobave goriva opada brzina okretanja vratila motora, zbog čega se smanjuje centrifugalna sila utega i pomiče se stap razvodnika prema dolje. Gornji prostor servomotora spaja se s tlačnim vodom i ulje pod tlakom ulazi u prostor iznad stapa, potiskuje stap nadolje i povećava dobavu goriva, što izaziva rast broja okretaja vratila motora i novi pomak elemenata koji rezultira novim smanjenjem dobave goriva. Ako motor nema značajno samouravnoteženje, te regulatore ne breba rabiti: automatski sustav uvijek će se
204
nalaziti u dinamičkom stanju, tj. motor će za vrijeme rada imati stalni rast, a zatim pad brzine okretanja vratila motora neovisno o stvarnom opterećenju motora.
6.3. Regulator neizravnog djelovanja s povratnom vezom
Za stabilizaciju prijelaznog procesa u regulatora rabi se povratna veza, koja može biti čvrsta, elastična i kombinirana.
Sl. 6.5. Shema regulatora s neizravnim djelovanjem i čvrstom povratnom vezom
Na slici 6.5. regulator je neizravnog djelovanja s čvrstom povratnom vezom. Osjetni element regulatora su utezi (2); oni se mogu zakretati oko oslonaca i djeluju na pokretni tuljak (4), koji obavlja funkciju usporedbenog sloga. S gornje strane tuljka djeluje opruga (1), a skupa s tuljkom pomiče se stapajica (5) razvodnika servomotora. Ulje pod tlakom (p) dovodi se od akumulatora pod nepromijenjenim tlakom. Ovisno o položaju stapa, ulje se usmjerava u prostor iznad stapa (7) ili ispod njega u cilindru servomotora, i prisiljava stap i s njim spojenu stapajicu (9) na pravocrtno gibanje. Stapajica (9) spojena je s motkom preko koje se upravlja dobavom goriva od visokotlačne sisaljke goriva.
Čvrsta povratna veza sastoji se od stapajice (10), poluge (11), spojnice (13) i poluge (12) koja povezuje povratnu vezu s polugom preko kolje se uspostavlja željeni broj okretaja.
Pri povećanom opterećenju smanjuje se broj okretaja vratila motora i utega regulatora. Zbog toga se stap razvodnika pomiče prema dolje i povezuje prostor ispod stapa (7) s tlačnim, a prostor iznad stapa s preljevnim priključcima. Stap se servomotoru podiže, preko stapajice (9) djeluje na povećanje dobave goriva. istodobno stapajica (10) djeluje preko povratne veze na zakretanje poluge (12) oko njezina oslonca, tako da se smanjuje zategnutost opruge (1). Stap se razvodniku podiže i postepeno pokriva svojim rubovima tlačne i preljevne otvore. Pri smanjenom presjeku otvora kanala opada brzina pomicanja stapa razvodniku servomotora, tako da stap razvodnika dođe u svoj neutralni položaj, u kojemu potpuno prekriva kanale, s malom brzinom gibanja. Pošto stap razvodnika prekrije kanale, stap se servomotoru zaustavlja u položaju koji osigurava novu dobavu goriva primjerenu većem opterećenju motora. Zbog veće dobave goriva raste broj okretaja koljenastog vratila motora. Ako brzina okretanja ne odgovara zadanoj, proces se regulacije ponavlja, ali sad s manjom
205
amplitudom. Uvođenje čvrste povratne veze izaziva neravnomjernost regulacije, tj. dolazi od statičke pogreške.
Ugađanje regulatora s čvrstom povratnom vezom na zadanu brzinu okretanja obavlja se promjenom zategnutosti opruge.
6.4. Granično-sverežimni regulatori man-ova motora
Za regulaciju broja okretaja MAN-ova motora upotrebljavaju se centrifugalni regulatori s okomitim i vodoravnim položajem vratila regulatora. Na slici 6.6. shema je regulatora koji se u MAN-ovim motorima rabi kao sverežimni regulator. Pogon utega preko vertikalnog vratila s konusnim zupčanicima omogućuje vratilo motora.
Sl. 6.6. Shema regulatora tvrtke MAN
Kad se poveća zadani broj okretaja 10%, centrifugalna sila utega (4) nadvladat će postavnu silu opruge (9). U tom slučaju utezi se razmiču i preko poluge (8) pomiču razvodnik servomotora (15) prema dolje. Ulje iz cirkulacijskog sustava dovodi se pod tlakom (p) u gornji prostor servomotora, a donji se prostor povezuje s preljevom. Stap se servomotoru pomiče na dolje i preko polužja djeluje na pad dobave goriva u cilindar motora.
Kad se smanji broj okretaja vratilu motora, gornji se prostor spaja s preljevom ulja, a donji se prostor povezuje s cirkulacijskim sustavom ulja pod tlakom. Stap se servomotoru podiže i povećava dobavu goriva dok se stap razvodnika ne dovede u položaj u kojemu zadebljanja na razvodniku ne prekriju kanale A i B. Stap servomotora će se zadržati u novom položaju koji odgovara povećanoj dobavi goriva. Broj se okretaja povećava. Ako novi broj okretaja ne odgovara zadanomu, proces se regulacije ponavlja, ali sad s manjim odstupanjima brzine okretanja, a prijelazni se proces postupno prigušuje. Ovi su regulatori s neizravnim djelovanjem, a čvrstom povratnom vezom i s statičkom karakteristikom, što znači da imaju stalno statičko odstupanje.
Regulator se ugađa na zadanu brzinu okretanja i mijenjajući zategnutost opruga preko kotačića 12.
6.5. Woodward-regulatori
206
Za brodske motore često se rabe Woodward-regulatori. Oni se izrađuju kao dva osnovna modela UG u PG, u nekoliko modifikacija. Za ilustraciju UG-modela obradit će se centrifugalni regulator UG-40 na slici 6.7.
Utezi (23) osjetnog elementa pogone se vratilom motora preko odgovarajućeg prijenosa i zupčanika (21 i 22). Izodromna povratna veza regulira se iglom (12). Stapovi akumulatora s oprugama (11) osiguravaju konstantni tlak ulja u tlačnim provrtima i brzo djelovanje servomotora. Stupanj neravnomjernosti regulatora može se mijenjati od 0 do 12%. Za generatorske i brzookretne brodske dizelske motore stupanj neravnomjernosti je oko 5%. Za dizelske motore velikih snaga po cilindru stupanj neravnomjernosti je 10 - 12%. Gibanje utega (23) prenosi se na razvodnik (14) kojim se regulira dotok ulja pod tlakom u prostor ispod stapa servomotora (17), dok ulje pod tlakom tlači na gornju prstenastu površinu stapa.
Kad se razvodnik (14) nalazi u središnjem položaju, dobava goriva je konstantna. Kad se motoru smanji opterećenje, povećava se kutna brzina vratila, razvodnik (14) pod djelovanjem centrifugalne sile utega (23) pomiče se prema gore i povezuje prostor ispod stapa (17) sa spremnikom ulja (24). Pod djelovanjem tlaka ulja na gornju površinu stapa servomotora stap se spušta i preko odgovarajućeg prijenosa smanjuje dobavu goriva motoru. Čvrsta povratna veza, poluga (19) i ostali elementi prikazani na slici 6.7., povećavaju nategnutost opruge osjetnog elementa i tako vraćaju razvodnik u početni položaj. U prostoru izodromne veze stvara se podtlak poradi gibanja stapa (9) prema gore, zbog čega se stap (8) pomakne prema dolje i pomiče, kao i čvrsta povratna veza, razvodnik u početni položaj.
Pri povećanom opterećenju smanjuje su kutna brzina vratilu motora, sila prednapona opruge svladava centrifugalnu silu, a razvodnik se servomotora pomiče prema dolje. Ulje se pod tlakom dovodi s donje strane stapa servomotora, zbog čega se stap pomiče prema gore i utječe na porast dobave goriva. Čvrsta povratna veza smanjuje silu opruge osjetnog elementa, a u prostoru izodromne veze povećava se tlak pa se zato razvodnik servomotora vraća u početni položaj.
Vrijeme djelovanja izodromne povratne veze određuje se zavijanjem igle (12), čime se određuje brzina protoka ulja iz tanka u prostor (10) ili obratno, ali i moment kad će povratni klip (8 i 9) s oprugama doći u srednji položaj.
Ako su igličasti ventil (12) i indikator (3) pravilno ugođeni, razvodnik (14) ostat će nepokretan u srednjem položaju tijekom povratnoga gibanja.
207
Sl. 6.7. Shema Woodward-regulatora
Nakon završetka regulacije utezi (23), motke (4), razvodnik (14) i povratni klip (8 i 9) ponovno su u srednjem položaju. Stap (17), osovina ograničenja (18) i poluga (19) ostaju u izmijenjenom položaju.
Veća brzina broda postiže se tako da se poveća broj okretaja ručnim kolom (2). Indikator opterećenja reagira u trenutku kad regulator oslobodi željenu dobavu goriva. Okretanjem ručnog kola (2) gibanje se prenosi polugom na ozubljeni segment i ozubljeni tuljak (25) Pomocanjem ozubljenog tuljka (25) djeluje se na zategnutost opruge što se odražava na položaj utega, a time i na broj okretaja motora.
Woodwardov regulator PGA prikazan je na slici 6.8. Takvi regulatori sastoje se od tri sklopa:
- osnovnog sklopa;
- sklopa za ugađanje broja okretaja;
- povratne veze.
Osnovni sklop sastoji se od uljne sisaljke (62), spremnika ulja sa stapovima (64), opruge (40), utega (41), košuljice (47), kompenzacijskog uređaja (57) i servomotora (50).
208
Sl. 6.8. Woodwardov regulator PGA58
Smanji li se opterećenje, utezi (41) se razmiču (veća centrifugalna sila), podižući stap razvodnika (45), tako da ulje otječe iz kompenzacijskog sustava, čime se smanjuje dobava goriva (stap servomotora se pomiče prema dolje). Razlika tlaka na kompenzacijskom segmentu (44) proizvodi silu prema dolje koja potpomaže oprugu (40) i ponovno centrira razvodnik malo prije nego što se pogonska osovina potpuno usporila. Klip servomotora (50) zaustavlja se kad on postigne točku koja odgovara porastu goriva.
Pri velikom smanjenju broja okretaja klip servomotora (50) kreće se prema položaju "0" i blokira prolazak kompenzacijskom ulju između cilindra servomotora (49) i igličastog ventila (48). To sprečava normalno izjednačivanje kompenzacije.
Povećana razlika tlaka, zbog pomaka kompenzacijskog klipa (44), dodana djelovanju opruge (40), privremeno povećava brzinu regulatora. Regulator počinje korekcijsku aktivnost čim broj okretaja pogonske osovine padne ispod zadane vrijednosti. Zbog toga pokreće se klip servomotora prema gore, što nanovo povećava dobavu goriva u dostatnoj količini i tako sprečava preveliko smanjenje broja okretaja.
Kad se klip servomotoru (50) giba prema gore, on ponovno otkriva prolaz kompenzacijskom ulju, čime se stabilizira brzina pogonske osovine (59) na postavljenoj brzini.
Sklop za ugađanje brzine sastoji se od kućišta mijeha (30), razvodnika za ugađanje brzine (32), jednoradnoga hidrauličnog cilindra (38) za namještanje brzine s povratnom oprugom (39), povratne veze (23) za dovođenje u središnji položaj stapa razvodnika (32) i mehanizma za ručno reguliranje brzine (14).
Ugađanje brzine regulatora izravno je proporcionalno utlaku upravljačkog zraka (29). Porast tlaka upravljačkog zraka sabija mijeh (30) i pokreće razvodnik (32) prema dolje.
Brzina na kojoj regulator upravlja određena je silom koja se pokazuje na vrhu utega (41) s pomoću opruge u osnovnu sklopu. Sila opruge (40) određena je položajem klipa (37) u cilindru za postavljanje brzine (38). Položaj klipa (37) sa svoje strane određen je volumenom ulja iznad njega.
209
Smjer i količina toka ulja u tom prostoru ili iz njega nadzire se razvodnikuom (32). za regulaciju brzine, koji je mehanički povezan s mijehom (30). Ako se klip giba prema dolje otvarajući gornji rub otvora u košuljici (33), ulje može teći u cilindar za regulaciju brzine (38). To pomiče klip (37) prema gore, otvara rub na košuljici (33) i ulje izlazi u slivni tank. To omogućuje opruzi (39) da podigne klip (37), smanjujući silu opruge (40) i željenu brzinu.
Zbog usporenoga gibanja klipa, ulje pod tlakom ulazi u okretnu košuljicu (33) kroz otvor koji se preklopi s glavnim dovodom jednom za svaki okretaj košuljice. Promjer otvora određuje specifični vremenski interval koji može biti bilo koji unutar nominalnog raspona od 1 do 50 s.
Stupanj gibanja klipa servomotora (50) iznad njegova punog hoda prema gore (od maksimalnoga do praznog hoda) ograničen je na motorima s turbopuhalom kako bi se spriječilo zaustavljanje turbopuhala tijekom usporenja. To vrijeme je od 1 do 15 s. U tom slučaju razvodnik ima dodatni segment, koji pokriva odvodni otvor u košuljici. Vrijeme istjecanja ulja iz cilindra za ugađanje brzine (38) ograničeno je okomitim procjepom na ispusnom segmentu koji se poklapa s otvorom u okretnoj košuljici (33) jednom u svakom okretaju.
Mijeh (30) i povratna opruga (24) čine sustav izjednačivanja mehanički spojen s razvodnikom (32) preko C-veze (31). Upravljački zrak (29) djeluje na mijeh (30) i stvara silu prema dolje na donjoj strani veze (31). Opruga (24) za vraćanje, spojena s gornjim krakom veze (31), stvara suprotnu silu prema gore. S tim silama u ravnoteži, upravljački segment na razvodniku (32) zatvara otvor u okretnoj košuljici (33) i ulje, osim gubitka, ne može teći u cilindar (38) ili izvan njega. Porastom tlaka upravljačkog zraka, (povećanje brzine) sila na mijeh (30) postaje veća od povratne sile opruge (24) i tlači mijeh prema dolje. Na taj način C-veza (31) ide prema dolje i spušta razvodnik (32). Tlak ulja koji se pojavljuje na mahove, zbog okretanja košuljice, teče u cilindrar (38) spuštajući klip (37) koji dalje zbija oprugu (40) i time regulatoru povećava brzinu. kako se klip (37) giba nadolje, povratna poluga (23), spojena na desnom kraju za gornji dio stapajice (27), zakreće se u smjeru kazaljke na satu oko oslonca ležaja (28.a) na produženom kraku vijka za ručno ugađanje brzine (21). Lijevi krak poluge spojen je s povratnom oprugom (24) i oprugom opterećenja (22). Pokretanje poluge u smjeru kazaljke na satu uzrokuje proporcionalni porast sile povratne opruge koja preko C-veze (31) postupno širi mijeh (30) do njegove normalne dužni dok se istodobno podiže razvodnik (32)
Kad se sila povratne opruge (24) izjednači sa silom koju uzrokuje upravljački zrak djelujući na mijeh (30), mijeh i razvodnik su opet u središnjem položaju s upravljačkim otvorom na košuljici. Zaustavljanje toka ulja u cilindra (38) zadržava klip (37) i oprugu (40) u položaju koji odgovara tlaku upravljačkog zraka. Opruga za postavljanje brzine (40) opterećuje povratnu oprugu da bi održala pozitivni kontakt između poluge i oslonca ležaja na sve vrijeme.
Povratna opruga (24) podiže C-vezu (31) i razvodnik (32) pri smanjenju brzine, tako da se mijeh širi prema gore. kako ulje izlazi iz cilindra (38), klip (37) se podiže smanjujući silu opruge (40) i namještenu brzinu regulatora. Podizanjem klipa (37) povratna poluga (23) smanjuje silu povratne opruge (24). Kad je sila povratne opruge izjednačena sa silom na mijeh (30), upravljački segment razvodnika (32) prekrije otvor na košuljici (33). To zaustavlja tok ulja iz cilindra (38) i zadržava klip (37) i oprugu (40) u položaju što odgovara tlaku upravljačkog zraka. Stupanj promjene sile povratne opruge (24) za dano gibanje klipa (37) određen je udaljenošću između oslonca kugličnog ležaja (28.a) i točke na kojoj je povratna poluga (23) pričvršćena za stapajicu. (27).
U slučaju najernog prekida zraka, ili pada tlaka zraka, može se zahtijevati da se regulator ugodi na manju brzinu. tad vijak (25) zaustavi iglu koja se nalazi na povratnoj poluzi (23) kad su upravljački zrak i brzina pogonske osovine (59) na normalnoj vrijednosti.
Kad je tlak upravljačkog zraka smanjen ispod minimalne vrijednosti, povratna opruga (24) podiže stap razvodnika (32) dok vijak za namještanje male brzine (25) ne dotakne iglu na povratnoj poluzi (23). kad se klip za regulaciju brzine (37) giba prema gore, zaustavna igla na povratnoj poluzi (23) istodobno gura dolje vijak za namještanje male brzine (25) ponovno centrirajući stap razvodnika (32) i u tom trenutku klip (37) dostiže položaj male brzine.
Bez tlaka upravljačkog zraka vijak za pneumatsko namještanje male brzine (25) drži se uz zaustavni klin na povratnoj poluzi (23) uz pomoć povratne opruge (24).
Povratna poluga (23) izravno je spojena preko C-veze (31) sa stapom razvodnika (32). Okretanje preklopke (14) u smjeru kazaljke na satu (povećanje broja okretaja) uzrokuje da se matica (15) vodećeg vijka pokreće prema van i spušta klizni prsten (18) ispod matice (20). To omogućuje da opruga opterećenja (22) pokreće vijak za regulaciju brzine (21), a time i oslonac ležaja, prema dolje s prstenom do dodira vijka za namještanje velike brzine (19) klinom (17) za zaustavljanje.
210
Gibanjem vijka (21) prema dolje lijevi kraj povratne poluge (23), potisnut nadolje od opruge opterećenja (22), gura dolje vijak (25) i vezu (31), izvodeći iz središnjeg položaja stap razvodnika (32). Ulje pod tlakom teče u cilindar (38) i gura klip (37) nadolje povećavajući brzinu. Gibanje klipa (37) uzrokuje rotaciju povratne poluge (23) u smjeru kazaljke na satu. Dok je vijak (25) držan uz zaustavni klin u povratnoj poluzi (23) s povratnom oprugom (24), diže se stap razvodnika (32) gore, dok se poluga okreće sve dok se ponovno zaustavi stap razvodnika (32) u srednjem položaju, i tad je postignuta željena brzina. Okretanje preklopke (14) suprotno smjerukazaljke na satu (smanjen broj okretaja) uzrokuje gibanje matice (15) prema unutra i podiže prsten (18) ispod matice povratne poluge (23) i tako podiže stap razvodnika (32) iz središnjeg položaja. kako ulje otječe iz cilindra (38), klip (37) se giba prema gore smanjujući brzinu. Gibanje povratne poluge (23) suprotno kazaljci na satu vraća u srednji položaj stap razvodnika (32), i tad je postignut željeni broj okretaja.
Povratna veza automatski mijenja brzinu regulatora smanjujući silu opruge (40) za malu veličinu u funkciji hoda klipa (50) u smjeru porasta dobave goriva. Obratno povećava se sila opruge (40) kad se klip (50) giba u smjeru smanjenja dobave goriva. Povratna veza sastoji se od oslonog bloka pričvršćenoga na gornji kraj stapajice stapa za ugađanje brzine, poluge (11) i sklopa oslonog klina što spaja osloni blok i kraj stapajice stapa servomotora, ugodive viljuške (12) pričvršćene na klin oslonca pokretnog klipa u kućištu sa stapajicom (27) stapa za regulaciju brzine. Gibanje stapa servomotora (50) preneseno preko sklopa poluga uzrokuje rotacijsko gibanje viljuške (12) koja dodiruje vrh klipa. Tu, opet, uzrokuje gibanje prema gore ili dolje klipa iznad opruge (40).
Položaj viljuške (12) određuje odnos gibanja poluge (11) koje se prenosi i na stap.
Ako je viljuška postavljena na povećani razmak od središnje linije oslonog klina, prenosi se povećani odnos gibanja poluge na klip. Točni položaj viljuške (12) određen je karakteristikom pogonske osovine (59), a dio tereta treba nositi pogonska osovina.
Nestabilni rad regulatora može uzrokovati nepravilan položaj viljuške (suprotno od središnje linije oslonog klina prema pneumatskom primaču 30).
6.6. Elektronski regulatori
Elektronski regulatori sve seviše rabe za regulaciju brzine okretanja koljenaste osovine dizelskih motora. Univerzalni su prema mogućnosti uporabe, posjeduju veliki dijapazon ugađanja, dobro se uklapaju u sustav daljinskog upravljanja i lako se prilagođavaju računalima. Na slici 6.9. data je shema elektronskog kontrolnog sustava Alphatronik 2A s kontrolnom pločom u kontrolnoj sobi i na zapovjedničkom mostu. Sustav je namijenjen za regulaciju brzine okretanja osovine motora i regulaciju uspona krila brodskog vijka.
Sustav pomoću osjetila kontrolira uspon brodskog vijka, broj okretaja motora i indeks goriva. Električni signal s kontrolne ploče prenosi se elektro-pneumatskom pretvaračun na glavnom motoru i električnom aktuatoru servouređaja. Aktuator ugađa uspon krila brodskog vijka i brzinu prema zadanoj vrijednosti. Kontrolni sustav opterećenja automatski prilagođava opterećenje motora prema datoj optimalnoj krivulji opterećenja te brzini i indeksu goriva. Regulacija brzine okretanja osovine motora zasniva se na regulaciji dovoda goriva motoru, djelovanjem preko aktuatora na visokotlačnu sisaljku goriva. Regulacija se u osnovi sastoji iz dva funkcionalno ovisna dijela, upravljačkog (kontroler u užem smislu) i izvršnog (aktuator dovoda goriva). Na slici 6.10. prikazana je blok shema regulacijskog kruga brzine dizelskih motora s električkim kontrolerom.
211
Sl. 6.9. Shema kontrolnog sustava Alphatronik 2A
Sl. 6.10. Blok dijagram regulacije brzine okretanja osovine s elektroničkim kontrolerom
Aktuatori na brodskim motorima mogu biti: mehanički, pneumatski, hidraulični, električni, elektropneumatski i elektrohidraulički. Danas se često rabe elektrohidraulički (za dizelske motore velikih snaga) elektropneumatski i električni (za motore srednjih i malih snaga) poradi lakše izvedbe daljinskog i automatskog upravljanja, odnosno mogućnosti implementiranja suvremenog elektroničkog kontrolera.
212
6.6.1. Elektrohidraulički aktuator dovoda goriva
Elektrohidraulički aktuator posjeduje određena svojstva kao što su brza reakcija, dobra stabilnost i upravljivost, mogućnost postizanja velikih izlaznih snaga i druga, koja ga čine skoro nezamjenjivim za dizelske motore velikih snaga. Zadatak mu je pretvaranje električkog signala dobivenog iz elektroničkog regulatora u odgovarajući pomak motke sisaljke goriva, koji je u izravnom odnosu s dotokom goriva u motor.
Konfiguraciju takvog sustava čine: elektrohidraulički servoventil (EHSV), hidraulički motor (MH), hidraulička sisaljka (HS) i druge pomoćne komponente, slika 6.11.
Sl. 6.11. Blok dijagram elektrohidrauličkog aktuatora
Hidraulička sisaljka stvara radni tlak u sustavu a može biti pogonjena oddizelskog motora. Radom aktuatora upravlja djelovanje strujnog signala na elektrohidraulički servoventil koji regulira protok ulja (qA) kroz hidromotor, a time i brzinom. Smjer okretanja ovisi o polaritetu, odnosno o smjeru
ulaznog strujnog signala. Potrebni strujni signal upravljanja (obično 20 do 200 mA) dobiva se iz naponsko-strujnog pretvarača koji napon iz strujnog kontrolera konvertira u odgovarajući strujni signal.
Danas se uspješno rabe elektronski aktuatori koji su mikroprocesori i koji s elektronskim regulatorom tvore digitalno regulatorski sustav. U sklopu ovog sustava nalaze se magnetski ventili, logičke jedinice, pretvornici, pojačala i drugi elementi koji omogućuju pored regulacije dobave goriva i obavljanje cijelog niza drugih radnji kao što je ograničenje opterećenja motora, nabijanje zraka, kritičnog broja okretaja, usporavanje, upućivanje motora itd.
213
7.
Goriva i ulja________________________________________________________________
7.1. Goriva za dizelske motore
7.2. Obilježja goriva
7.3. Klasifikacija goriva
7.4. Smještaj novih goriva
7.5. Ulja za brodske dizelske motore
7.6. Kontrola kvalitete ulja
7.7. Separiranje goriva i ulja
7.8. Osnovne naznake automatskog rada separatora________________________________________________________________
7.1. Goriva za dizelske motore
Gorivo u dizelskim motorima samo se zapali u njihovu cilindru, u koji se ono dovodi pod visokim tlakom. Jedna od osnovnih zadaća motora je sigurno i lako upućivanje, te siguran i ekonomičan rad, što u velike ovisi o gorivu.
Od goriva koja se rabe za brodske dizelske motore zahtijeva se velika toplina izgaranja, velika sposobnost samozapaljenja, lako i sigurno rasprskavanje, potpuno izgaranje, što manja cijena koštanja. Fizikalno-kemijske odlike goriva moraju ispunjavati zahtjeve u različitim uvjetima eksploataicije, ali i tehničkim uvjetima koju su normirani standardima
7.2. Obilježja goriva
214
Goriva koja se rabe za dizelske motore produkti su frakcijske destilacije sirove nafte. Oni su, kao i nafta, složena smjesa raznih ugljikovodika. Ovisno o odlikama i strukturi molekula ugljikovodika dijele se na tri skupine: parafine ili alifatske ugljikovodike, naftene ili cikličke ugljikovodike i aromatske ugljikovodike. Alifatski ugljikovodici imaju najveću sposobnost samozapaljivosti, npr. benzon, imaju veliku stabilnost, prema tome veliku otpornost na samozapaljenje. Goriva s velikim udjelom naftena imaju veliki viskozitet, a po sposobnosti na samozapaljenje između su alifatskih i aromatskih ugljikovodika.
Udio pojedinih skupina ugljikovodika u gorivu ovisi o sastavu nafte i o sastavu pojedinih frakcija u gorivu. Destilacijska goriva imaju približno 30 do 50% alifatskih, od 5 do 15% naftenskih i od 30 do 50% aromatskih ugljikovodika, a teška goriva približno od 5 do 50% alifatskih, od 40 do 70% naftenskih i 10 do 25% aromatskih ugljikovodika.
Teška goriva koja se rabe za brodske dizelske motore smjesa su ostataka frakcijske destilacije nafte ili ostataka krekiranja s ostacima frakcijske destilacije sirove nafte. Zbog velikog viskoziteta tih goriva ona se obično zagrijavaju, kako bi se dovela u stanje koje pruža normalno funkcioniranje sustava goriva.
7.2.1. Toplina izgaranja ili ogrjevna moć goriva
Ogrjevna moć goriva je količina topline koja se oslobađa pri potpunom izgaranju 1 kg goriva. Razlikuje se gornja ogrjevna moć goriva Hg (u kojoj se uzima u obzir i toplina oslobođena u kondenzaciji vodene
pare nastale izgaranjem vodika u gorivu i vode koja je ispraila za vrijeme izgaranja goriva) i donja ogrjevna moć goriva Hd, pri kojoj nije uzeta u obzir toplina oslobođena kondenzacijom pare.
Donja ogrjevna moć goriva koja se rabe za dizelske motore nalazi se u intervalu od 39 800 do 44 000 kJ/kg. U raznim proračunima obično se računa s Hd = 41 868 kJ/kg goriva.
7.2.2. Gustoća goriva
Pod gustoćom goriva razumijeva se odnos mase i obujma koji to gorivo zauzima. Jedinica gustoće je
g/cm3 ili kg/m3. Prema gustoći tekuća se goriva dijela na laka ( = 650 - 800 g/cm3) i teško ( = 800 -
975 g/cm3) Gustoća se ponekad daje i kao bezdimenzionalna vrijednost dobivena iz omjera mase pri
20oC i mase vode pri 4oC, koja se označava kao . Poznavanje gustoće goriva omogućuje da se izračuna masa goriva u tankovima. Gustoća goriva ovisi i o temperaturi: povećanjem temperature smanjuje se gustoća goriva. U SAD-u gustoća se mjeri u API-stupnjevima (American Petroleum
Institute) pri 60oF.
Goriva za dizelske motore imaju gustoću u ovim granicama:
plinsko ulje (
pri 20oC) 0,831 - 0, 863
marinsko dizelsko ulje 0,892 - 0,932
teško ulje za loženje 0,920 - 0,950
kotlovska ulja za loženje 0,950 - 0,990
7.2.3. Viskoznost
Viskoznost je karakteristika koja pokazuje kakva je sposobnost tekućine da protječe kroz cijevi. Viskoznošću se naziva sila otpora koja se pojavljuje pro uzajamnom pomicanju neke tekućine.
O viskoznosti goriva ovisi kvaliteta njegova raspršivanja kad se ono uštrcava u cilindar motoru, ali i mogućnost pumpanja goriva. Što je viskoznost manja, to jje rasprskavanje goriva bolje.
Kinematička viskoznost J mjeri se u mm2/s i određuje se kao odnos dinamičke viskoznosti i gustoće goriva pri istoj temperaturi:
215
(7.1.)
- dinamička viskoznost, Pa s
- gustoća goriva, kg/m3
Praktička jedinica za mjerenje kinematičke viskoznosti je stupanj Englera (oE); on se dobiva iz
odnosa vremena potrebnoga za protjecanje 200 cm3 goriva kroz kalibrirani otvor viskozimetra Englera
pri temperaturi ispitivanja viskoznosti prema vremenu protjecanja iste količine vode pri 20oC.
Viskoznost u sekundama Redwood I određuje se kao vrijeme istjecanja 50 cm3 goriva pri temperaturi ispitivanja viskoznosti kroz kalibrirani otvor Redwoodova viskozimetra. U Engleskoj se kinematička viskoznost mjeri i u Redwood II; odnos Redwood I : Redwood II = 10 ; 1. U Americi se
rabe Saybolt-sekunde za mjerenje viskoznosti. Približno se uzima da je 1oE = 30 sekunda Redwood I = 35 sekunda Saybolt = 3 sekunde Redwood II.
Viskoznost dizelskih goriva koja se rabe za brzookretne motore nalazi se u intervalu od 3,5 do
8 mm2/s pri 20oC. Viskoznost srednjoviskoznih goriva ne bi smjela biti veća od 36 mm2/s pri 50oC.
Teška dizelska goriva (mazut), najčešća u uporabi za brodske motore, imaju viskoznost do 350 mm2/s pri 50°C.
Povišenjem temperature viskoznost se gorivu snizuje. Da bi se osiguralo kvalitetno rasprskavanje teških goriva i njihovo prepumpavanje i separacija, potrebno ih je zagrijavati na temperature od 45 do 110°C. Za određivanje temperature na koju će se neko gorivo zagrijavati kako bi postiglo potrebnu viskoznost, služe dijagrami kao na slici 7.1.
216
Sl. 7.1. Ovisnost viskoziteta raznih goriva o temperaturi
7.2.4. Temperatura paljenja (plamište)
Pod temperaturom paljenja podrazumijeva se najniža temperatura pi kojoj se smjesa para goriva i zraka zapali u dodiru s otvorenim plamenom. Plamište se određuje u uređaju Martens-Penskog.
Temperatura paljenja ovisi o prisutnosti lakih frakcija i karakterizira goriva s obzirom na opasnost od požara. Prema uvjetima mornarice, plamište prema Martens-Penskom ne smije biti niže od 65°C za loživo ulje. Plamišta ulja za podmazivanje motora obično su viša od 200°C.
7.2.5. Temperatura gorenja
Temperatura gorenja ili točka gorenja jest najniža temperatura pri kojoj se gorivo zapali plamenom i nastavi gorjeti najmanje 5 sekunda. Temperatura gorenja obično je viša od temperature paljenja za 30 do 60°C.
7.2.6. Točka samozapaljivanja
Minimalna temperatura pri kojoj se gorivo samozapali i gori bez utjecaja nekog sredstva za paljenje naziva se točka samozapaljivanja. Ona ovisi o kemijskom sastavu goriva i uvjetima sredine u kojoj dolazi do samozapaljivanja, o tlaku i sastavu medija. Povećava li se tlak medija i količina kisika, snizuje se točka samozapaljivanja. Uz tlak od 3,5 do 4,5 MPa točka samozapaljivanja dizelskih goriva nalazi se između 200 i 250°C.
7.2.7. Krutište (stinište)
Temperatura pri kojoj gorivo hladeći se gubi obilježje tekućine, naziva se krutište ili stinište. Poznavanje krutišta omogućuje odabir goriva za plovidbu u određenim klimatskim uvjetima i ocjenu njegova potrebnog zagrijavanja poradi prerade.
Temperature krutišta goriva, suglasno standardima, trebaju biti za dizelska goriva ne viša od -
10oC do srednje viskoznih dizelskih goriva od -5°C. Mazutu koji se rabi za dizelske motore, krutište je
od 10 do 25oC, a mazutu s parafinom ono dostiže i 40oC. Na tim temperaturama izdvajaju se kristali parafina iz goriva i on začepi cijev i filtre, pa gorivo gubi sposobnost tečenja. Da se spriječi izdvajanje i omogući normalna protočnost goriva, gorivo treba zagrijavati na cijelom putu od tanka goriva do rasprskača na poklopcu cilindra.
7.2.8. Sadržaj smolastih tvari
Smolaste tvari (neutralne smole, asfalteni i dr.) pojavljuju se kao rezultat oksidacije i polimerizacije nezasićenih ugljikovodika u nafti. Posebno veliku količinu smola i asfaltena sadrži ulje za loženje koje je ostatak krekiranja. Goriva s visokim postotkom smolastih tvari nestabilna su pri uskladištenju, stvaraju naslage gareži na rasprskačima, stapu i poklopcu cilindra. Prisutnost taloga u gorivu komplicira eksploataciju filtara i separatora. Da bi se spriječilo stvaranje taloga, preporučuje se
217
izbjegavanje miješanja na brodovima goriva raznih sorta ili prethodna provjera inkompatibilnosti. Nastanak smola ovisi o prisutnosti u gorivu nezasićenih ugljikovodika sklonih oksidaciji. Ulja za podmazivanje motora ne smiju imati tvrdog asfalta.
7.2.9. Koks
Pod koksom se razumijeva garež koja se prikuplja na vrućim površinama dijelova prostora izgaranja, kao rezultat razlaganja goriva na visokim temperaturama.
Uporabom goriva sklonih nastanku koksa stvara se garež oko sapnica rasprskača, u kanalima prstena na stapovima, na stijenkama komora izgaranja, u ispišnom traktu, u ispirnim i ispušnim rasporima dvotaktnih motora, na površini stapa i košuljice cilindra. To može rezultirati slabijim podmazivanjem prstenova i njihovim "zapečenjem" u utorima te zadiranjem prstenova u površinu košuljice po kojoj klize.
Postotak koksa određuje se Kondradsonovim uređajem. On u goriva dobivenih destilacijom obično ne premašuje 0,5%, a u teških goriva dostiže i do 10%.
7.2.10. Kiselost
Kiselost je pokazatelj prisutnosti organskih kiselina u gorivu, nastalih oksidacijom organskih spojeva u doditu s kisikom iz zraka. Povećana kiselost pojačava koroziju uređaja sustava za dobavu goriva i dijelova koji oblikuju prostor izgaranja.
Kiselost goriva ocjenjuje se posrednim putem, količinom miligrama lužine potrebne da se neutralizira 100 ml goriva. Kiselost goriva dizelskim motora ne bi trebala biti veća od 5 mg KOH na 100 ml goriva. Kiselost teških dizelskih goriva se ne ograničava standardima.
Sadržaj mineralnih kiselina i lužina, koje izazivaju intenzivnu koroziju, nije dopušten ni u teškim gorivima.
7.2.11. Pepeo
Pepeo je tvrdi ostatak nakon izgaranja goriva. To je neorganska sastavnica goriva, koja se sastoji od soli i metalnih oksida, koji se zadrže u gorivu nakon prerade sirove nafte. U sastav pepela ulaze i mehaničke primjese što dospiju u gorivo tijekom transporta i uskladištenja. Znatni dio elemenata od kojih nastaje pepeo odvaja se iz goriva separacijom i filtriranjem na brodu. Jedan dio ostaje u gorivu stopljen ili u koloidnom stanju, a to su spojevi silicija, željeza, vanadija i natrija. Spojevi silicija i željeza izazivaju abrazivno trošenje dijelova aparature za gorivo.
Pepeo koji nastaje izgaranje goriva u cilindru potpomaže abrazivno trošenje dijelova košuljice i stapa, a spojevi vanadija i natrija u pepelu pomažu koroziji dijelova prostora izgaranja, ispušnih ventila, sapnice i lopatica turbopuhala.
Vanadij se pretežito nalazi u srednjoviskoznim gorivima i mazutu, u kojima njegova količina može dostići 0,02% mase. To je jedan od razloga nemogućnosti uporabe takvih goriva u plinskoturbinskim uređajima. Za te strojeve goriva ne smiju sadržavati vanadija više od 0,0004%. Pri izgaranju se vanadijev pentoksid (V2O5) izlučuje na okolne površine, na kojima jako korozivno djeluje
pri temperaturama višima od 690oC jer se tad vanadijev pentoksid nalazi u rastaljenom stanju.
Ako i natrija ima u gorivu, spaja se on s vanadijevim pentoksidom i stvara spojeve (NaVO3 i
Na4V2O7) koji se tale na još nižim temperaturama, tj. pri 630oC. U rastaljenom stanju ti spojevi
prodiru u ogrebotine i šupljine te razaraju sloj kovina i ubrzavaju oksidaciju pri visokoj temperaturi, i trošenje materijala raste. Prisutnost natrija snizuje temperaturu pro kojoj se jako razvija korozijsko
218
djelovanje vanadija, a može je sniziti i ispod 630oC ako su prisutni natrijevi sulfati, jer vanadijev
pentoksid zna formirati spojeve koji se tale ispod 540oC.
Korozivno djelovanje osobito je jako na ispušnim ventilima i dosjedima. Motorima koji rade na teško gorivo hlade se ispušni ventili i dosjed ventila, a nekim motorima se ventili zakreću za vrijeme rada poradi ravnomjernog opterećenja. Pri nižim temperaturama vanadij djeluje kao katalizator te ubrzava izgaranje sumpora.
Pepeo se određuje prema masi goriva u postocima. Dizelskim gorivima postotak se pepela ograničuje na 0,01%, a mazutu do 0,2%.
7.2.12. Sadržaj sumpora u gorivu
Goriva kojima se koristi za brodske dizelske motore karakteristična su po velikom sadržaju sumpora, u elementarnom stanju ili u spojevima. Prisutnost sumpora se ograničuje, ali u teškim gorivima koja se danas rabe njegov postotak nekad premašuje i 5%. Ako se sumpor u gorivu nalazi kao aktivni sumporovodik, štetan je i prije izgaranja jer štetno djeluje na uređaje za dovod goriva, posebno na bakar i njegove slitine.
Spojevi sumpora koji nastaju izgaranjem goriva jedan su od najutjecajnijih čimbenika na koroziju košuljice cilindra motora. Kao produkt izgaranja sumpora pojavljuje se sumporni dioksid ili sumporni trioksid (SO2 i SO3). Vanadij iz goriva za vrijeme izaranja formira vanadijev pentoksid,
V2O5, koji djeluje kao katalizator tako da je rezultat oksidacije više SO3 nego SO2.
Rezultat spajanja SO3 s vodenom parom koja se nalazi u produktima izgaranja jest agresivna
sumporna kiselina, H2SO4. Pri temperaturama sijenka nižima od temperature rosišta para sumporne
kiseline, kondenzira se para na površini košuljice cilindra, što uzrokuje elektrokemijsku koroziju kovine košuljice i stapnih prstenova.
Sl. 7.2. Ovisnost trošenja košuljice cilindra u mm ovisno o %S i temperaturi
Osim toga, produkti izgaranja sumpora i njegovi spojevi povećavaju abrazivno trošenje dijelova koji se taru, zbog formiranja čvrstih čestica i zbog porasta tvrdoće čestica. Na slici 7.2. prikazana je ovisnost trošenja košuljice cilindra o temperaturi površine pri raznim postocima sumpora u gorivu.
Temperatura kondenzacije para sumporne kiseline ovisi o parcijalnom tlaku tih para u cilindru, a parcijalni tlak ovisi o sadržaju sumpora u gorivu. Što je više sumpora u gorivu, to je viša temperatura rosišta para sumporne kiseline.
Poradi sprečavanja kondenzacije kiselih para na površini košuljice, prijeko je potrebno održavati temperaturu hlađenja na gornjoj granici preporučenog intervala.
Za podmazivanje cilindara moraju se rabiti ulja s posebnim alkaličnim dodatkom koji neutralizira kiseline.
7.2.13. Voda u gorivu
219
Voda u gorivu je nepoželja, izaziva koroziju tankova i uređaja, otežava upućivanje motora i može uzrokovati zastoj u radu. Ona zauzima dio obujma tankova goriva, a osim toga prijeko ju je potrebno odvojiti iz goriva, za što se troši energija. Prema standardima prisutnost se vode ograničuje do 0,5% za teška goriva, ali u mazutu za trgovačke brodove količina joj se kreće i do 2%.
U uljima za podmazivaje motora voda je štetna jer izaziva koroziju dijelova koji se podmazuju, a u legiranim uljima otapa neke aditive što se zajedno s vodom odvajaju iz ulja separiranjem.
7.2.14. Mehaničke primjese u gorivu
Mehaničke primjese u gorivu mogu biti organskog ili anorganskog podrijetla. Osnovni sastojci mehaničkih primjesa su čestice koksa, prašine i kovine koje dospijevaju u gorivo pri njegovoj preradi, uskladištenju, transportu i prepumpavanju. Prisutnost mehaničkih primjesa u gorivu uzrokuje onečišćenje filtara, povećava trošenje površina koje se međusobno taru u sisaljkama goriva i rasprskačima, izaziva zapečenje otvora na sapnicama rasprskača, blokira stapove sisaljka goriva i igala rasprskača, a također povećava trošenje košuljica cilindra i stapnih prstenova.
U standardima za gorivo strogo se ograničuje prisutnost u gorivu mehaničkih primjesa. U dizelskim gorivima srednjeg viskoziteta sadržaj mehaničkih primjesa ograničuje se do 0,1%, a mazutu do 0,8%.
U dizelskim motorima osposobljenima za uporabu teškoga goriva predviđeni su uređaji za odstranjivanje mehaničkih primjesa iz goriva, npr. taloženjem, filtracijom i separacijom. Za separiranje se rabe samočistivi separatori. Režim separiranja uspostavlja se prema gustoći goriva i sadržaju mehaničkih primjesa.
7.2.15. Ocjena kvalitete goriva prema samozapaljivosti
Goriva ovisno o njihovu kemijskom sastavu, imaju razne sposobnosti s obzirom na samozapaljivost. O kvaliteti samozapaljivosti goriva ovisi period zakašnjenja zapaljenja goriva i dinamika radnog procesa dizelskih motora. pri kojemu su osnovni pokazatelji srednja i maksimalna brzina porasta tlaka u izgaranju. Sposobnost goriva da se samo zapali određuje se cetanskim brojem.
Cetanski broj goriva (CB) određuje se uspoređivanjem prema volumnom udjelu u smjesi cetana (C16H34) i alfametilnaftalina (C11H10) koja je po sposobnosti samozapaljenja pri ispitivanju na
standardnom motoru, ekvivalentna ispitivanom gorivu.
Cetan ima veliku sposobnost samozapaljenja i njemu je dogovorno dodijeljen cetanski broj 100, a alfametilnaftalinu cetanski broj 0, zbog njegove slabe sposobnosti samozapaljenja. Formiranje smjese iz cetana i alfametilnaftalina u raznim omjerima može se postići prema sposobnosti na samozapaljenje bilo koja vrijednost što odgovara karakteristici ispitivanoga goriva. Ekvivalentnost po samozapaljivosti etalonske smjese goriva određuje se na standardnomu motoru s promjenljivim stupnjem kompresije koji se može mijenjati tijekom rada. Obujam cetana u smjesi u postocima određuje cetanski broj ispitivanoga goriva.
Aromatski ugljikovodici imaju niski cetanski broj, a parafini viši. Dizelskim gorivima cetanski broj ne bi trebao biti niži od 45 do 50, a mazutu od 25 do 35. U motorima s većim brojem okretaja potrebna su goriva s većim cetanskim brojem, Cetanski broj može se povećati dodatkom tetralina, amilnitrata itd.
7.3. Klasifikacija goriva
Za goriva koja se rabe na brodovima susreću se razni nazivi. Ovdje će se dati najčešći nazivi s kratkim obrazloženjem:
1. plinsko ulje (Marine Gas Oil-MGD);
220
2. dieselsko gorivo (Marine Diesel Oil - MDD);
3. srednje teška goriva (Intermediate Fuels IF ili IFO);
4. teško gorivo (Bunker Fuel Oil - BFO).
Za plinsko ulje ima i drugih naziva, npr. Fuel A1/A2, Bunker gas oil, Marine diesel medium itd.
Plamište ovog goriva je iznad 60oC, gustoća mu varira ovisno o procesu dobivanja, ali se obično
računa do 0,86 kg/dm3.
Definirani viskozitet pri 40oC je maksimalno 5,50 cSt. Za ova goriva nije potreban uređaj za zagrijavanje.
Za dizelsko gorivo rabe se još nazivi Diesel B1/B2, Diesel fuel oil, Bunker diesel oil itd.
Ovo je gorivo tzv. crni proizvod, koji se može klasificirati na dva načina:
- "čisti destilat", s više od 90% plinskog ulja, kao što su B1 ili Dieselk No. 2. i M2;
- miješani destilat, s težim frakcijama ispod 10%, kao što su B2, Diesel No.4, CIMAC 1 i M3.
Gustoća je između 0,861 i 0,92, a viskozitet je pri 40oC maksimalno 14 cSt. Ovisno o točki magljenja, predgrijavanje se u nekim okolnostima preporučuje. Drži se da je potrebno hladiti rasprskače i separirati gorivo.
Srednje teška goriva još se nazivaju: Thin fuel oil (Shell), Marine intermediate fuel (ESSO), Medium marine fuel, Light marine fuel oil itd.
Ova se goriva klasificiraju kao dva različita proizvoda i to:
- za brodove bez grijanja tankova: viskozitet između 30 i 40 cSt i niske točke stinjavanja;
- za brodove s grijanjem tankova: viskoziteta od 180 i više cSt i bez uzimanja u obzir kolika je točka stinjavanja.
Teška goriva (BFO) još su poznata kao Marine bunker fuel, Marine boiler fuel oil, Bunker C fuel, Masut itd. Ova su goriva ostaci rafinacije.
Tablica 7.1. Pregled maksimalnih vrijednosti nekih karakteristika i primjesa teških goriva
Viskozitet cSt/5oC 700
Gustoća kg/m3 na 15oC 891
Plamište oC >60
Conradson Carbon % težinski 22
Asfalt % težinski 14
Sumpor % težinski 5
Voda % težinski 1,0
Pepeo % težinski 0,2
Aluminij mg/kg 30
Vanadij (V) mg/kg 600
Natrij mg/kg 90% od V
Napomena: Gustoća može biti nadmašena ako je sustav za čišćenje goriva opremljen potrebnim tipom separatora.
221
7.4. Smještaj novih goriva
Poradi problema inkompatibilnosti goriva različita podrijetla i/ili procesa dobivanja, osnovno je smjestiti novo gorivo u prazne tankove.
Pažljivo razdvajanje goriva raznih proizvođača mora se održavati što je moguće dulje. To se može obaviti ovim predradnjama:
- isprazne se tankovi što je više moguće
- obustavi se cirkulacija pare za grijanje kako bi se izbjeglo pregrijavanje zagrijača i zraka;
- provjerava se stanje tankova sondiranjem i izračunava količinu preostaloga goriva;
- upisuje se količina u knjigu s gustoćama;
- isprazne se preljevni tankovi;
- provjeravaju se filtri na cjevovodu za krcanje goriva;
- obavljaju se pripremne radnje za slučaj prelijevanja goriva po palubi ili u more.
Na brodovima se provjeravaju karakteristike goriva priručnim uređajima, kojih ima različitih izvedaba, prilagođenih potrošnji, odnosno snazi motora. Jedan od kvalitetnijih uređaja je "OCEAN FUEL LABTEST KIT'Đ" kojim se određuju ove odlike goriva:
gustoća;
kompatibilnos;
stinište;
katalitičko otkrivanje;
viskozitet;
određivanje taloga;
sadržaj vode;
kiselinski test;
sadržaj soli;
komparativni viskozitet.
Tablica 7.2. Pregled odlika raspoloživih goriva na tržištu
KARAKTERISTIKA GORIVA MARINE GAS OIL
MARINE DIESEL OIL
IFO BFO
Gustoća (pri 15oC) g/ml 0,82...0,78 0,85...0,92 0,90...0,991 0,991 do 1,010
Viskozitet *
pri 40oC mm2/s (cSt)
pri 50oC mm2/s (cSt)
pri 100oC (38oC) (RWI)
2 ... 7
-
-
4 ... 17
-
-
-
30 ... 420
200 ... 4000
-
do 700
7000
Stinište oC -25 ... -7 -18 ... 10 0 ... 20 do 30
Sumpor ** % 0,2 ... 1,8 1 ... 5
Konradsonom karbonski
ostatak CCR *** % 0,01 ... 1,5 1,5 ... 17 do 22
Pepeo **** % 0 ... 0,01 0 ... 0,02 0,01 ... 0,15 do 0,2
222
Voda % 0 ... 0,1 0 ... 0,25 0,1 ... 1 do 2
Kvaliteta paljenja *****
Cetanski broj/index
50 ... 40 40 ... 20 40 ... 20*
*svojstveno lakoj
komponenti
-
Plamište oC min. 60 (ili kako je zakonom određeno)
Napomena: Navedene karakteristike goriva daju samo pregled raspoloživih goriva, a ne indiciraju njihovu primjenjivost. Ovaj pregled nije u potpunosti kompletan, jer i druge odlike goriva mogu imati utjecaja na perfomanse motora.Brodska dizel goriva mogu biti destilati, ali i blendirana. Neke odlike blendiranih goriva mogu neudovoljavati zahtijevima kvalitete za specifične tipove motora.
* Goriva visokog viskoziteta moraju se u cilju reduciranja viskoziteta prije uštrcavanja u motor pregrijati na zahtjevanu temperaturu.
** Za vrijeme izgaranja, sumpor prelazi u sumporne okside, koji u dodiru sa vodom stvaraju kiseline. Ove kiseline mogu uzrokovati koroziju i stvaranje naslaga, naročito na hladnijim komponentama. Negativni učinak visokog sadržaja sumpora može se značajno otkloniti uporabom odgovarajućeg ulja za podmazivanje, naročito ulja s odgovarajućim alkalitetom. U slučaju da se rabi gorivo sa sadržajem sumpora od 0,5 i niže, za određivanje pravilnog podmazivanja i odabir ulja konzultirati proizvođača.
*** Visoki konradsonov broj ukazuje da prilikom izgaranja gorivo ima tendenciju stvaranja naslaga, kao i taloženja na rasprskačima, utorima stapnih prstenova.
**** Pepeo brusi stapne prstenove, košuljice cilindara i ventile, a također može pospiješiti stvaranje naslaga i pregaranje, naročito ako ima visoki sadržaj vanadija i natrija. Sadržaj natrija mora biti manji od 1/3 sadržaja vanadija.
***** Sporohodni motori nisu naročito osjetljivi na kvalitetu goriva i mogu raditi sa gorivom Cetanskog broja 25. Za motore sa 400 i više okretaja preporučuje da se Cetanski broj bude minimalno 40. Za teška goriva ne postoji standardizirana metoda određivanja kvalitete paljenja, tako da Cetanski broj nije moguće definirati, osim analitički (CCAI, CNP).
Tabela 7.3. Specifikacija goriva za brodske dizelske motore prema BSI
KLASA K L A S A
GORIVA M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11 M12
GUSTOĆA PRI 40oC, g/ml, maks.
- 0,900 0,920 - - - - - - - - -
GUSTOĆA PRI 15oC, g/ml, maks.
- - - 0,991 0,991 0,991 9,991 0,991 0,991
KINEMATSKI VISKOZITET min.
PRI 40oC, cSt, maks
1,505,50
-11,00
-14,00
--
--
--
--
--
--
--
--
--
KINEMATSKI VISKOZITET maks.
PRI 80oC, cSt,
- - - 15,00 25,00 45,00 75,00 100,0 130,0 75,0 100,0
130,0
CETANSKI BR. maks. 45 35 - - - - - - - - - -
KARBONSKI OSTATAK, CONRADSON,
% (m/m) maks.
- - - 12,0 14,0 20,0 22,0 22,0 22,0 - - -
PLAMIŠTE, oC min.
43,0 60,0 60,0 600 60,0 60,0 60,0 60,0 60,0 60,0 60,0 60,0
SADRŽAJ VODE,
% (v/v), maks. 0,05 0,25 0,30 0,50 0,80 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
UKUPNI TALOZI,
% (m/m), maks.
0,01 0,02 - - - - - - - - - -
PEPEO, % (m/m)
maks. 0,01 0,01 0,05 0,10 0,10 0,10 0,15 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20
SADRŽAJ SUMPORA
% (m/m) maks.
1,00 2,00 2,00 3,50 4,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00
223
STINIŠTE, oC
(01.12.-31.03.) maks.
(01.04.-30.11.) maks,
-
-
0
6
24
24
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
SADRŽAJ VANADIJA,
mg/kg, maks. - - 100 250 350 500 600 600 600 600 600 600
SADRŽAJ ALUMINIJA,
m/kg, maks.- - 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
IZVOR: British Standards Institution - DOC. 82/52414 05.82
Tabela 7.4. Klasifikacija goriva za brodske dizelske motore
(ISO TC 28/SC4/WG6 - lipanj 1984.)
VRSTA GORIVA O Z N A K A N A P O M E N A
KLASA KATEGORIJA
DESTILIRANO
GORIVO
ISO - F - DMX Za uporabu izvan strojarnice (generator za nuždu, čamci za spašavanje i sl.)
DESTILIRANO
GORIVO
ISO - F - DMA
DMB
DMC
Za opću uporabu; ne smije sadržati ostatke
Za opću uporabu; može sadržavati tragove ostataka
Za opću uporabu; može sadržati nešto ostataka
RESIDUALNO GORIVO
ISO - F - RMA 10
RMB 10
RMC 10
RMD 15
RME 25
RMF 25
RMG 35
RMH 35
RMH 45
RMH 55
Gorivo ograničene gustoće
RESIDUALNO GORIVO
ISO - F - RMK 35
RML 35
RMK 45
RML 45
RML 55
Gorivo neograničene gustoće
224
7.5. Ulja za brodske dizelske motore
Ulja su namjenjena za smanjenje gubitaka energije trenja i smanjenje brzine trošenja djelova koji se taru, kao i za hlađenje (kod dizelskih motora od 8 do 12% topline goriva odvodi se cirkulacijskim uljem). Ulja se dijele prema uporabi na: antifrikcijska, konzervacijska, hidraulična, elektroizolacijska, ispirna i ulja za brtvljenje.
Cilindarsko ulje treba osigurati hidraulično trenje između stapova i košuljica. Ova ulja moraju posjedovati odgovarajući viskozitet u uvjetima povišenih temperatura, visokog tlaka uz prisustvo vlage, zraka i produkata izgaranja.
Temperatura stapa u visini gornjeg prstena je 180oC, a temperatura klizne površine košuljice
je 170oC, pri ovim vrijednostima uljni film mora zadržati sposobnost brtvljenja, podmazivanja i antikorozivnog djelovanja.
Zadatak cirkulacijskog ulja je podmazati i hladiti ležaje, zupčanike kao i pogonske lance. Ulja trebaju zadržavati u lebdećem stanju produkte oksidacije, izgaranja kao i ostale krute nečistoće, što sprječava formiranje taloga na stijenkama kartera kao i drugim djelovima motora. Ulje treba posjedovati otpornost na starenje, što produžuje njegov radni vijek i smanjuje potrošnju.
7.5.1. Odlike ulja i sastav
Da ulja mogu ispunjavati postavljene zahtjeve, ona moraju imati ove odlike:
- određenu viskoznost, koja odgovara uvjetima rada motora;
- moraju imati potrebnu viskoznost kod promjene temperature;
- visoku otpornost protiv oksidacije i starenja;
- sposobnost rastvaranja produkta izgaranja u motoru, kao što je: čađa, uljni koks, te da ih zadržava fino razdijeljene u lebdećem stanju (detergentne i disperzne odlike);
- dobru mazivost, posebno važno kod malih brzina;
- da nije korozivno;
- da ima sposobnost neutraliziranja kiselih produkata izgaranja.
Uljne frakcije nafte su kompleksne mješavine složenih ugljikovodika koje se mogu podijeliti u skupine:
- kristaličnih parafina;
- parafinski, naftenski, aromatski i nezasićeni ugljikovodici;
- asfaltene i smolaste supstance;
- sumporni i kiseli spojevi.
Kristalični parafin sprječava ulje da ostane u tekućem stanju kod nižih temperatura. Aromatski i nezasićeni ugljikovodici su nestabilni, vrlo brzo oskidiraju te stvaraju polimerizacijske produkte koji se u motoru pojavljuju kao talozi, smole i lakovi. Asfalti i smole su oksidacijski produkti teških ugljikovodika. Pojavljuju se posebno u korištenim uljima, nisu poželjni jer stvaraju taloge u motoru. Sumporni spojevi izazivaju koroziju metala. Ulja za podmazivanje dobivaju se frakcijskom destilacijom nafte te prema podrijetlu imaju više ili manje jednih ili drugih spojeva.
7.5.2. Produkcija i oplemenjivanje ulja
225
Frakcije daju uljne destilate određene viskoznosti, plamišta i gustoće. U daljnjem postupku ulja se podvrgavaju:
- ekstrakciji, da se uklone aromati i tako dobiju stabilna ulja s povećanim indeksom viskoziteta;
- deparafinaciji, da se uklone kristalični parafini;
- obradi kemikalijama i aktivnom glinom, da se uklone asfalti, smole, sumpori i kisikovi spojevi.
Na ovaj način dobijaju se prirodna ulja, koja prema podrijetlu i načinu obrade imaju manje ili više tražene odlike motornog ulja. Tako npr. prirodna ulja na bazi naftenske osnove imaju blage antioksidacijske i deterdžentne odlike.
Prirodne odlike ulja, osobito za motore s višim specifičnim opterećenjem i za motore koji rade s teškim gorivom, nisu dovoljna da ispune sve tražene zahtjeve. Poradi toga se rabe ulja kojima se dodaju aditivi, koji poboljšavaju prirodne odlike. Takva ulja su legirana koja u praksi nazivamo HD-ulja (Heavy-Duty Oil).
Za podmazivanje brodskih dizelskim motora rabe se različita ulja. Pri izboru ulja uzimaju se u obzir karakteristike motora, stupanj forsiranja, kvalitet goriva i uvjeti eksploatacije.
7.5.3. Eksploatacijske odlike ulja i naznake u svezi eksploatacije
7.5.3.1. Viskoznost ulja
Viskoznost ulja je jedno od najvažnijih eksploatacijskih odlika koje stvara određeni režim trenja. O viskozitetu ulja ovisi sposobnost nosivosti uljnog klina, koji odvaja osnac od površine ležaja, protočnost ulja, odvod topline od dijelova, gubici na trenje i niz drugih eksploatacijskih pokazatelja.
S obzirom da se viskoznost mijenja s promjenom temperature ulja, određivanje iste obavlja se
pri određenim temperaturama, npr. pri 50oC ili pri 100oC što se naznači uz viskoznost. Za eksploataciju je važna ovisnost promjene viskoznosti s promjenom temperature, poradi čega se daje
odnos viskoznosti na 50oC i na 100oC. Što je manja ovisnost viskoznosti o promjeni temperature, to je veća eksploatacijska kvaliteta ulja.
Promjena viskoznosti ulja od 20 do 25% u usporedbi s nekorištenim uljem je znak za potpunu zamjenu ulja u cirkulacijskom sustavu.
7.5.3.2. Kiselost ulja
Kiselost ulja je također važan pokazatelj za eksploataciju. U uljima, koja se rabe za podmazivanje dizelskih motora, mogu se nalaziti kiseline organskog i mineralnog porijekla. Formiranje kiselina u uljima ovisi o raznim eksploatacijskim uvjetima. Organske kiseline korodiraju slitine ležaja, ako su izrađene od olovne bronce, potpomažu taloženje lakova i gareži na dijelovima stapa i poklopca cilindra.
Prisustvo mineralnih kiselina u ulju značajno povećava korozivno djelovanje ulja, uglavnom na neobojene metale poradi djelovanja sulfidskih kiselina kao i nekih drugih produkata. Jedan od efikasnih načina za eliminiranje kiselina iz ulja je ispiranje ulja vodom pri separiranju, pošto se mineralne kiseline lako rastvaraju u vodi. Pri ispiranju ulja vodom istodobno se djelomično odvajaju visokomolekularne organske kiseline i mehaničke primjese kao i dodaci za legiranje ulja što je štetno za ulja. Prema tome ispiranje vodom se može obavljati samo pri nelegiranim uljima.
226
Kiselost ulja ili goriva određuje se kiselinskim brojem, koji znači količinu svih kiselina u 1 g ulja ili goriva. Vrijednost kiselinskog broja jednaka je količini kalijeva hidroksida (KOH) u miligramima, neophodno potrebnog za neutraliziranje kiselina koje se nalaze u 1 g ulja.
Povećana brzina skupljanja kiselih produkata u ulju ukazuje na neispravnost u radu motora. Kontrola kiselinskog broja ulja u motoru daje mogućnost procjene tehničkog stanja motora.
7.5.3.3. Temperatura zapaljenja
Temperatura zapaljenja je važan pokazatelj opasnosti od požara kod eksploatacije i skladištenja ulja.
Temperatura zapaljenja ulja u cirkulacijskom sustavu podmazivanja ne treba biti niža od 170oC, u protivnom ulje treba zamijeniti.
7.5.3.4. Neutralizacijske odlike
Neutralizacijske odlike ulja karakteristična su po sadržaju neutralizacijskih dodataka, koji se dodaju uljima poradi neutraliziranja kiselina koje nastaju za vrijeme eksploatacije motora. To su alkalični dodaci koji mogu biti otopljeni u vodi koji s uljem čine emulziju i ulja sa suhim alkaličnim dodatkom koji u koloidnom stanju lebdi u ulju. Minimalna alkaličnost ulja za brodske motore u miligramima KOH/g ulja treba se nalaziti u granicama:
od 10 do 20 pri sporookretnim motorima velikih snaga;
od 6 do 8 srednjeokretnih motora koji koriste goriva s velikim postotkom sumpora;
od 1,5 do 6 pri pomoćnim motorima koji rade na dizelsko gorivo.
7.5.3.5. Mehaničke primjese
Mehaničke primjese su nerastvorive tvari organskog ili anorganskog podrijetla u odgovarajućem rastvoru. Mehaničke primjese svježeg ulja određuju se kao maseni postotak, koji se nalazi u ulju, a koji nije rastvorljiv u benzinu ili benzolu. Ove primjese potpomažu formiranje ugljičnih naslaga u motoru, koje povećavaju habanje pojedinih dijelova.
Prisustvo mehaničkih primjesa u motoru je krajnje nepoželjno bez obzira da li su organskog ili anorganskog podrijetla. Standardi određuju dozvoljenu količinu primjesa u ovisnosti o tipu i namjeni motora. Štetni utjecaj se spriječava specijalnim dodacima koji disperziraju primjese, odnosno pomažu odvajanje i sprečavaju taloženje nerastvorenih primjesa, a kod kvalitetnog separiranja ulja poboljšavaju separiranje i filtriranje.
7.5.3.6. Voda u ulju
Prisustvo vode u ulju pogoršava njegove mazive odlike, smanjuje nosivu sposobnost uljnog klina, raspodjelu površinskog trenja, naglo povećava korozivno djelovanje kiselih primjesa. Osim toga, voda ubrzava proces oksidacije ugljikovodika u ulju, time potpomaže njegovo starenje i nastajanje naslaga u motoru.
Voda u ulje može dospjeti poradi slabog brtvljenja u sustavu hlađenja motora, neispravnosti hladnjaka ulja, kondenzacijom vlage u karteru motora itd. Posebno je opasan prodor morske vode u ulje, što povećava brzinu korozije metala i emulgiranje ulja. Količina vode u ulju određuje se postocima mase isparene vode iz ulja prema masi ulja.
Vodu iz ulja se odstranjuje separiranjem uz prethodno zagrijavanje od 70 do 80oC.
227
Uklanjanje soli iz ulja, koja je sadržana u morskoj vodi, obavlja se ispiranjem zagrijanom slatkom vodom u procesu separiranja. Ako nije moguće separirati ulje ili separacija nije dovoljno efikasna (ulje s vodom formira stabilnu emulziju), dopušta se voda u ulju maksimalno do 1,0%.
7.5.3.7. Aditivi
Uljima se dodaju aditivi poradi legiranja, odnosno poradi dobivanja ili poboljšanja određenih odlika ulja. Najčešće se dodaju slijedeći aditivi:
- aditivi za poboljšanje indeksa viskoznosti, koji reguliraju viskoznost ulja u ovisnosti o temperaturi stinjavanja i uvjetima eksploatacije motora;
- antioksidanti, koji usporavaju proces oksidacije ulja, što je osobito važno za cirkulacijsko ulje, za kojeg se zahtijeva dugi vijek trajanja bez značajnih promjena eksploatacijskih odlika;
- aditivi protiv korozije spriječavaju korozivno djelovanje kiselina na djelove motora ili onemogućuju koroziju metalnih površina zbog vode prisutne u ulju;
- detergenti spriječavaju nakupljanje smolastih masa na površinama stapa, poklopca, kanalima i sl., zadržavaju čestice gareži i produkte raspadanja i polimerizacije ulja u disperznom stanju;
- aditivi za poboljšanje mazivosti dodaju se uljima za poboljšanje mazivosti u uvjetima podmazivanja pri visokim temperaturama i visokim tlakovima;
- aditivi za snižavanje temperature stinjavanja dodaju se uljima motora koji rade na niskim temperaturama;
- aditivi za spriječavanje pjenjenja dodaju se onim uljima koja naginju pjenjenju. Pjena spriječava proboj ulja u sustav podmazivanja, pogoršava podmazivanje, pogoduje kavitacijskoj eroziji pri ležaju.
Pored navedenih aditiva koriste se i drugi dodaci s višestrukom namjenom, kao i dodaci specijalne namjene.
Bazična ulja bez aditiva, dobivena destilacijom nafte i podvrgnuta odgovarajućem filtriranju i obradi imaju slijedeće odlike: veliku otpornost na toplinu (čisti stapovi i košuljice) i otpornost na oksidaciju (veći radni vijek ulja), malu isparljivost (mali potrošak ulja).
Granični pokazatelji bazičnog ulja su:
viskozitet pri 50oC, mm2/s 75 - 100
viskozitet prema SEA 40
indeks viskoziteta >98
temperatura, oC
stinište -10
plamište >200
sadržaj vode, % prema obujmu <0,1
sadržaj soli, % prema masii <0,02
koksiranje prema Konradsonu, % <0,5
Kako je naprijed navedeno, rabi se odvojeni sustav za cirkulacijsko podmazivanje ležaja i drugih elemenata u karteru, a poseban sustav za podmazivanje cilindara.
Za cirkulacijsko podmazivanje rabe se ulja viskoziteta SAE 30 koja posjeduju potrebne disperzno-detergentne odlike i čiji je TBN od 5 do 9.
Ulja za podmazivanje, cilindara su viskoziteta SAE 40 ili SAE 50 s raznim vrijednostima TBN, koji ovisi o kvaliteti goriva. Za HFO potrebno je ulje s TBN od 10 do 20, a ako izgara residualno gorivo od 1 do 5% sumpora, TBN je oko 70. Ulja s visokim TBN mogu se rabiti u ekstremno teškim uvjetima pogona, međutim nisu pogodna za motore u kojih izgaraju goriva s malim postotkom sumpora.
U tablici 7.6. dat je pregled nekih poznatijih tvrtki u svijetu koje proizvode cirkulacijska i cilindrična ulja.
228
Tablica 7.6. Cilindrična i cirkulacijska ulja
Tvrtka
(Company)
Cilindrično ulje
(Cylinder oil)
Cirkulacijsko ulje
(Circulating oil)
SAE 50 / TBN 70 SAE 30 / TBN 5-9
ELF - Lub.
BP
Castrol
Chevron
Esso
Gulf
Mobil
Shell
Texaco
talusia 70
CLO 50-M
S/DZ 65
Delo Special
Tromar SV
Cyloil 700
Mobilgard 570
Alexia 50
Taro Special
Atlanta Marine DX
Energol DL-MP 30
Marine MPX-30
800 Marine oil
Tromar AS 30
Veritas AC 30
Mobilgard 300
Melina 30
Doro AR 30
7.6. Kontrola kvalitete ulja
Kontrola kvalitete ulja na brodu je važan i odgovoran posao. Neispravno ulje može izazvati oštećenje djelova motora, a zamjena ulja u sustavu podmazivanja je popraćena s velikim troškovima, jer u motoru može biti i nekoliko desetaka tona ulja. Kontrola kvaliteta ulja na brodu obavlja se priručnim priborom koji omogućuje dobivanje određenih podataka o stanju ulja. Rabe se razni pribori, npr. Leugor pribor, brodski kontrolni STM pribor, Shell ADC-V pribor, BPMI i slični pribori za testiranje ulja.
Sa STM priborom mogu se dobiti slijedeći podaci:
- razrjeđenje gorivom;
- kiselost vodenog ekstrakta;
- sadržaj čađe;
- stupanj detergentnosti.
Shell ADC-V pribor omogućuje na jednostavan način dobivanje uvida u: A - alkalitet, D - disperziju, C - zagađenost, V - viskozitet. Većina potrebnih informacija dobija se iz mrlje rabljenog ulja stavljenog na specijalni papir koji upija ulje. Vizuelno ispitivanje mrlje pokazuje onečišćenje i odlike disperzije, a boja kapljice specijalnog reagensa koji se stavi na mrlju pokazuje da li je ulje kiselo, lužnato ili neutralno.
Ispitivanje motornog ulja na brodu prema BRITISH PETROL MARINE INTERNATIONAL (BPMI) sustavu omogućuje dobivanje podataka o viskozitetu, sadržaju vode, sadržaju soli (morske vode), ukupne alkaličnosti (TBN - Total Base Number), jakih kiselina (SA - Strong Acid) i nerastopivih čestica.
Kod ispitivanja viskoziteta uspoređuje se viskozitet rabljenog i novog ulja u uređaju predočenom na slici 7.3.
229
Sl. 7.3. Pribor za određivanje viskoziteta - Viscocheck
Veoma je važno da rabljeno i novo ulje budu iste temperature. U jedan spremnik kapaljkom ulijemo 3 ml novog, a u drugi rabljenog ulja, kako je prikazano na slici 7.3. Viscocheck podignemo da se osloni na zakošenu površinu i čekamo da se novo ulje pomakne do središnje oznake (Central line), istodobno se pomiče i rabljeno ulje u drugom žlijebu. Kad novo ulje dođe do središnje crte Vichocheck vratimo u vodoravni položaj i očitamo položaj rabljenog ulja; ako je ulje između dvije oznake tada je ono zadovoljavajuće, a ako je izvan potrebno je poduzeti odgovarajuće mjere.
Ispitivanje vode u ulju i gorivu obavlja se sa slijedećim pomagalima: posudicom za reakciju, pincetom, mjernom epruvetom od 25 ml, plastičnom čašom, kapaljkom od 5 ml, reagensom oznake "A" i oznake "B". Potrebno je koristiti zaštitne rukavice i zaštitne naočale. Uzorak dobro protresemo a zatim stavimo 5 ml ulja u posudicu za reakciju kapaljkom. Ulju dodamo 15 ml reagensa "A" te pažljivo protresemo, nakon toga kapaljkom nakapamo 15 kapi reagensa "B" u plastičnu čašu koju pažljivo položimo na površinu tekućine u posudi za reakciju s pomoću pincete. Zatim zatvorimo reakcijsku posudu i mućkamo po 20 sekunda svaka 2 minuta. Nakon 20 minuta očitamo rezultat na instrumentu i nastavimo s postupkom dok dva uzastopna očitavanja ne budu jednaka. Rezultat dobijemo na slijedeći način:
Voda u volumenom % = očitano na instrumetnu u % vol.
volumen uzorka u ml
Ako je sadržaj vode u uzorku iznad 1,24% obujma, uzorak treba smanjiti i ponoviti postupak.
Ispitivanje morske vode u ulju obavlja se slijedećim pomagalima: ispitna staklena cjevčica, mjerna epruveta od 25 ml; set indikatorskih cjevčica, čvrsti i probušeni čep, destilirana voda i reagens "a". Pomoću mjerne epruvete stavimo 5 ml destiliran vode u ispitnu staklenu cjevčicu, protresemo uzorak ulja te 25 ml ulja dodamo u ispitnu staklenu cjevčicu i dodamo 20 ml reagensa "A", zatvorimo ispitnu cjevčicu čvrstim čepom. Nakon toga energično protresemo jednu minutu a zatim zamijenimo čep probušenim. Pustimo da se voda odvoji, što može potrajati i do 2 sata. Donju stranu ispunjene indikatorske cjevčice ovlažimo destiliranom vodom, zatim postavimo prst na gornji kraj indikatorske cjevčice i ubacimo je kroz probušeni čep u ispitnu cjevčicu sve dok u donjem kraju cjevčice ne dođe do vodene separacije. Indikatorsku cjevčicu izvučemo iz ispitne nakon 5 minuta očistimo je izvana papirnatom maramicom i provjerimo rezultate ispitivanja.
Napomena:
- ako je ulje pomiješano s destiliranom vodom boja se ne mijenja samo je malo tamnija poradi vlažnosti;
- ako je ulje pomiješano s pitkom vodom u kojoj ima tragova soli NaCl boja se mijenja u svijetlo-žutu na dnu indikatorske cjevčice;
- ako je ulje pomiješano s morskom vodom boja se promijeni u svijetlo-žutu i to skoro 50% punjenja indikatorske cjevčice, postotak promjene ovisi o sadržaju soli u vodi.
Ispitivanje alkaličnosti (TBN) služi da bi odredili bazični sastav ulja i za pokazivanje razine na kojoj aditivi postaju neuporabljivi u ulju. Za ovaj test rabe se slijedeća pomagala: tri začepljene mjerne
230
epruvete od 50 ml; automatska kapaljka s kutijom uložaka koji se bacaju nakon uporabe; označena 25- mililitarska kapaljka s punjačem; mjerna epruveta od 10 ml; reagensi s oznakama "G", "H" i "K"; zaštitne naočale i zaštitne rukavice.
Prije uzimanja uzorka ulja potrebno je isprati odbacivi uložak s uzorkom kako slijedi:
1. staviti čisti odbacivi uložak na osovinicu kapaljke, pritisnuti lagano s laganim okretanjem da se osigura nepropusni spoj.
2. dobro protresti uzorak.
3. dok se drži kapaljka uspravno, uvući odbacivi uložak 3 - 4 mm u uzorak ulja.
5. otpustiti dugme da dođe do usisavanja malo uzorka, a kad se potpuno otpusti pričekati 15 sekunda, zatim izvaditi uložak iz ulja i posušiti da bude potpuno čist papirnatom maramicom.
6. držeći uložak iznad uzorka uštrcati ulje natrag u uzorak laganim pritiskom na dugme do prvog zubca, pričekati 2 sekunde i lagano otpustiti dugme automatske kapaljke do drugog zubca i nakon 2 sekunde lagano otpustiti dugme. Pričekati 10 sekunda te postupak pod brojem 9 ponoviti 3 puta. Uložak je tada spreman za uzimanje 1 ml uzorka za ispitivanje.
7. napuniti uložak uzorkom služeći se uputstvima pod 3, 4 i 5.
8. uštrcati ulje u jednu od tri 50-mililitarske epruvete laganim pritiskom na dugme automatske kapaljke do prvog zubca, pričekati 2 sekunde i lagano otpustiti dugme. Pričekati 10 sekunda i ponoviti pod 8 još tri puta.
9. ponoviti postupak prema uputstvima 7 i 8 da bi se uštrcao 1 ml uzorka istog ulja u drugu 50-mililitarsku epruvetu.
10. kad su svi potrebni uzorci pripremljeni isprazniti odbacivi uložak.
11. uporabom mjerne epruvete od 10 ml dodati po 10 ml reagensa "K" u svaku epruvetu koja ima 1 ml uzorka, zatim ga začepiti i promućkati 30 sekunda.
12. ako postoji prethodni zapis ispitivanja pretpostaviti očekivani TBN uzorka, označiti dvije 50-mililitarske epruvete s TBN vrijednostima koje se očekuju. Za nizak TBN npr. ispod 15, povećanje od 5 TBN jedinica je preporučljivo, za višak TBN recimo iznad 15, povećanje od 10 TBN jedinica je preporučljivo.
13. postaviti punilo kapaljki na označenu kapaljku i pažljivo raspršiti u svaku epruvetu od 50 ml koja sadrži ulje toliko ml reagenska "H" da odgovara označenom TBN broju.
14. začepiti i energično protresti epruvetu u trajanju od 60 sekunda, povremeno ispuštajući plinove poradi smanjenja tlaka u epruveti.
15. dodati 10 ml reagensa "G" u svaku epruvetu, začepiti i okretati 10 puta.
26. pustiti da miruje dok se boja indikatora ustali, što može potrajati do 5 minuta. Usporediti boju indikatora s bojom na slici. Ako jedna od epruveta ima smeđe-zelenu otopinu indikatora to odgovara TBN ulja.
17. ako obje epruvete imaju zeleno-žutu naslagu u indikatoru daljnja provjera se radi uporabom treće 50-mililitarske epruvete dodavanjem manje reaensa "H" da se dobije plavo-ljubičasta boja.
Za ispitivanje prisustva jakih kiselina u novom ili rabljenom ulju potrebna su slijedeća pomagala: staklena ispitna posudica, staklena kapaljka, destilirana voda, reagensi "E" i "F", zaštitne rukavice i naočale.
Ispitivanje se obavlja slijedećim redom:
- staviti dvije kapi ulja u staklenu ispitnu posudu.
- dodati 3 kapi destilirane vode.
- dodati 8 do 10 kapi reagensa "E".
- lagano protresti posudicu da se izmješa te dodati 5 kapi reagensa "F".
- lagano promješati staklenom mješalicom, ako se tekućina koja okružuje uljne kapi oboji u:
a - svijetložutu boju, ulje je alkalično,
b - mutno smeđe-narančastu, ulje treba poslati na laboratorijsko ispitivanje,
c - intenzivno crvenu boju znači prisutnost jakih kiselina, potrebno je odmah poduzeti potrebne mjere.
Za ispitivanje nerastopivih sastojaka u ulju rabe se slijedeća pomagala: komparator s filtrom, 3 kalibrirane komparatorske epruveta, stalak za epruvete, kapaljka za uzorak, reagens "A" i polietilenska boca za uporabu reagensa "A" za ispiranje.
231
Postupak je slijedeći:
1. dobro protresti uzorak;
2. usuti uzorak u okruglu ispitnu epruvetu skoro do vrha i staviti na stalak;
3. kapaljku za uzorak staviti u ispitnu epruvetu i napuniti je uljem koje ispitujemo do 3 min;
4. staviti na vrh ispitne kapaljke prst da se ostvari nepropusni spoj, izvaditi je iz epruvete i očistiti ulje s vanjske strane;
5. ispustiti ulje do određene oznake na ispitnoj kapaljki što ovisi o vrsti ulja koje se ispituje;
6. očistiti višak ulja s dna kapaljke;
7. uvući vrh kapaljke u čistu komparatorsku epruvetu na stalku ali ne ispod oznake 10 ml;
8. vršak ispirne bočice s reagenskom "A" staviti na vrh kapaljke i isprati dok se ulje i kapaljke s reagensom "A" ne napuni do oznake 10 ml na epruveti;
9. pažljivo izmiješati sadržaj epruvete s kapaljkom za uzorak;
10. staviti epruvetu u desnu stranu komparatora;
11. napuniti drugu komparatorsku epruvetu do oznake 10 ml s reagenskom "A" i staviti je u lijevu stranu komparatora;
12. okretati obojeni disk dok se obje strane ne poklapaju, pročitati sadržaj nerastopivih sastojaka na desnom donjem prozorčiću komparatora;
13. ako je boja tamnija nego najveća standardna na disku, mješavina reagensa "A" i ulja mora se razblažiti kako slijedi:
a - miješanje sadržaja epruvete s uzorkom i isprazniti 5 ml,
b - dodati reagens "A" do oznake od 10 ml na epruveti s uzorkom i miješati,
c - zamijeniti epruvetu u komparatoru i ponovo usporediti kao pod (11) i (12),
d - kad je razblaženo u omjeru 1:1 očitanje na disku boja mora se udvostučiti;
14. ako i nakon razblaženja od 1:1 boja ostaje još uvijek veća od najveće standardne na disku potrebno je ponovo razblažiti uz ponavljanje postupka pod (13.a) do (13.c), razblaženje će biti 1:3 a očitanje na disku se pomnoži s 4.
Laboratorijska analiza obavlja se u specijaliziranim laboratorijima gdje se određuje: viskozitet ulja, razrjeđenje gorivom, sadržaj vode, plamište, sadržaj pepela, stupanj detergentnosti, kiselost odnosno bazičnost ulja, oksidacijska stabilnost, netopivost u pentanu odnosno u benzinu.
Pravilno uzimanje uzorka ulja je važno za konačni rezultat ispitivanja ulja, poradi toga treba se pridržavati slijedećih uputstava:
- uzorak uzeti iz glavnog tlačnog cjevovoda prema stroju kao na slici 7.4.
Sl. 7.4. Mjesta uzimanja uzorka ulja iz motora
232
- uzorak uvijek uzimati na istom mjestu;
- osigurati da ukupna količina ulja u cirkulaciji bude približno ista za svaki uzorak;
- uzorak uzimati samo kad je ulje zagrijano na radnu temperaturu;
- pipac za uzimanje uzorka temeljito očistiti i pričekati dok ne prostruji toplo ulje;
- uzorak treba uliti u bocu od 1 litre;
- uzorak treba uzimati u periodu od oko 10 minuta za velike strojeve, a oko 5 minuta za manje;
- nakon uzimanja uzorka potrebno je ulje dobro protresti prije pretakanja u bočicu za uzorak;
- ispuniti maksimalno 80% obujam bočice uzorka tako da ostane prostor za zrak pri vrhu te je čvrsto zatvoriti.
Uzimanje uzorka moralo bi se obavljati svaka 3 - 4 mjeseca pri dvotaktnim motorima s križnom glavom.
7.3.5. Separiranje goriva i ulja
Separiranjem se odvajaju krute nečistoće i voda iz goriva i ulja. Također se odvajanje nečistoća iz goriva obavlja taloženjem.
Taložni tlakovi služe za "grubo" čišćenje goriva na način da tekućina miruje određeno vrijeme, a uslijed različite težine pojedinih sastojaka dolazi do njihovog taloženja. Da bi se odvajanje vode i krutih nečistoća u tankovima događalo brže, u tanku se ugrađuju parni zagrijači, koji zagrijavaju gorivo i tako smanjuju viskoznost goriva i ubrzavaju odvajanje pojedinih frakcija. Temperatura goriva se
održava, ovisno o viskozitetu, između 60 i 80oC. Na brodu se nalaze dva taložna tanka .
Separatore dijelimo prema raznim osnovama, npr. prema obliku bubnja u kojem se vrši separiranje na: cjevaste (cilindrične), zdjelaste i decanter separatore.
U ovisnosti da li se vrši odvajenje tekućine od tekućine ili krute nečistoće od tekućine separatore dijelimo na bistrioce (klarifikatore) i čistioce (purifikatore). Separatore također dijelimo prema načinu odstranjivanja taloga iz bubnja na: samočistioce i separatore pri kojim se talog odstranjuje ručno, kad se separator zaustavi.
U separatorima obavlja se odvajanje vode i krutih nečistoća pod djelovanjem jake centrifugalne sile koja ovisi o broju okretaja bubnja i masi sastojaka u separiranoj tekućini.
7.3.5.1. Cjevasti separatori
Najpoznatiji cjevasti separatori su "Sharples", koji se često rabe na američkim brodovima. Načelo rada ovih separatora bazira se na jakoj centrifugalnoj sili, koja nastaje poradi velikog broja okretaja bubnja i koja može biti i do 15 000 puta veća od gravitacijske. Broj okretaja je od 10 000 do 20 000 i minuti.
Gorivo ili ulje koje sadrži u sebi vodu i nečistoće dovodi se s donje strane na priključak (10) na slici 7.4. i struji prema izlazu.
233
Sl. 7.5. Cjevasti separator
Čisto gorivo struji kroz otvor (2) a voda kroz otvor (3), krute nečistoće (8) skupljaju se na stijenkama bubnja (6) odakle se odstranjuju.
Ovi separatori se izrađuju kao klarifikatori i kao purifikatori. Regulacija kvalitete odvajanja obavlja se gravitacijskim prstenom.
Cjevasti separatori su jednostavne konstrukcije, malih dimenzija promjera do 180 mm a dužinom bubnja do 7 promjera, imaju dobar učinak separiranja. Nedostatak je mali obujam za zadržavanje taloga, poradi toga je potrebno češće čišćenje, koje traje svega petnaestak minuta.
7.7. Zdjelasti separatori
Za dobro i kvalitetno separiranje vrlo je važno postavljanje slogova tanjura u bubanj separatora. Na ovaj način tanjuri u bubnju separatora dijele prostor na veći broj manjih paralelnih prostora separiranja. Razmak između tanjura je oko 2 mm, a vrsta tanjura i položaj provrta na njima ovisi o količini taloga u tekućini koja se separira.
Unutar svakog pojedinog separacijskog prostora gorivo ima točno određeni tijek . Na slici 7.5. prikazan je tijek mješavine goriva, vode i krutih nečistoća, te odvojenih dijelova mješavine. Gorivo koje sadrži krute nečistoće i vodu ulazi s donje strane tanjura kroz provrte. Količina goriva koja uđe u jedan separacijski prostor jednaka je kvocijentu obujma ukupne količine goriva, koja je ušla u bubanj i broja tanjura. Ova količina goriva ulazi u separacijski prostor na radijusu (ra), protječe kroz kanal dužine l, a
izlazi na radijusu (ri). Odvajanje krutih nečistoća obavlja se dok je gorivo u separacijskom kanalu.
Brzina (w) goriva nije jednolika na svakom mjestu presjeka kanala. Ona je najveća u središnjem dijelu kanal, a smanjuje se uz površinu tanjura tako da se može pretpostaviti da je uz sami rub tanjura jednaka nuli. Na djelić nečistoće, osim spomenute brzine (w), djeluje i centrifugalna sila koja daje
234
brzinu taloženja (v). brzina (v) djeluje paralelno s kosom plohom tanjura. Rezultanta ovih dvaju brzina jest brzina (vp), čiji smjer određuje teorijski tijek nečistoća u kanalu.
Poradi jednostavnijeg prikaza uzima se da je teorijski tijek čestice nečistoće ravna crta, kao što je i predočeno isprekidanom crtom na slici 7.5. Stvarni tijek koji čestice načistoće prevaljuju, predočen je na slici 7.6. Na njoj je predočen tijek pojedinih komponenti mješavine.
Sl. 7.6. Brzina strujanja u prostoru separiranja između komponenti tanjura
Sl. 7.7. Tijek tekućine u prostoru separiranja
Da bi se kruta nečistoća odvojila od goriva mora doći do površine gornjeg tanjura BB', prije nego dođe do ruba B'. Brzina tekućine (v) uz površinu tanjura tako je mala da možemo zanemariti njen utjecaj na tijek čestica nečistoća, poradi toga se odvojene krute čestice nečistoća odvode u prostor taloga bubnja uz površinu gornjeg tanjura. brzina taloženja (v) koja gura nečistioće kroz kanal je brzina koja nastaje uslijed djelovanja centrifugalne sile.
Broj okretaja ovih separatora je od 4 000 do 10 000 o/min.
7.7.3. Čistilac (purifikator)
Čistilac služi da iz goriva odstrani vodu i krute nečistoće. Osnovna razlika između bistrioca i čistioca je u broju izlaza, čistilac ima dva izlaza a bistrilac samo jedan.
235
Sl. 7.9. Separator čistilac
Zagrijana mješavina goriva, vode i krutih nečistoća ulazi u bubanj separatora kroz dovodnu cijev (1), na slici 7.7. Gorivo preko razdjelnog prostora struji između koničnih tanjura (2). Pod djelovanjem centrifugalne sile od goriva se odvaja voda i krute nečistoće koje se gibaju prema stijenkama bubnja (3).
Zagrijana mješavina goriva, vode i krutih nečistoća ulazi u bubanj separatora kroz dovodnu cijev označenu s (1) na slici 7.7. Gorivo se zatim preko razdjelnog prostora vodi u prostor između koničnih tanjura, označen s (2). Pod djelovanjem centrifugalne sile od goriva se odvaja voda i krute nečistoće, koje se kreću prema stijenkama bubnja (3). na stijenkama se krute nečistoće skupljaju u vidu taloga. Voda napušta bubanj preko otvora (5), dok se čisto gorivo odvodi kroz otvor (4).
Prije nego se gorivo pusti u bubanj separatora neophodno je bubanj napuniti toplom vodom. Na ovaj način osniva se teška faza, koju nazivamo "vodena brtva". Kada gorivo pustimo u bubanj osniva se zona odvajanja između sloja vode i goriva. Položaj ove zone je vrlo važan za dobru i kvalitetnu separaciju. Položaj zone separiranja mora biti prilagođen vrsti goriva. Prilagodba se obavlja izborom gravitacijskog prstena, čiji promjer ovisi o vrsti goriva separiranja.
Osim ovakvog načina ugađanja zone odvajanja, postoji i regulacija prigušivanjem na izlazu jedne od faza. Ovakav način regulacije može se koristiti samo pri separatorima koji imaju centripetalnu sisaljku na izlazu lakše ili teže faze.
Zona separiranja je prostor u kojem se odvaja lakša od teže faze pod djelovanjem centrifugalne sile. Stoga je vrlo važno odabrati gravitacijski prsten odgovarajućeg promjera. Promjer prstena ovisi o gustoći pojedinih komponenti tekućine koju separiramo i temperaturi pri kojoj se separacija odvija. Postoje tri načina određivanja promjera gravitacijskog prstena i to:
- matematički,
- pomoću tablice, i
- eksperimentalno.
Linija odvajanja treba prolaziti točno preko provrta na tanjuru, ako linija odvajanja prolazi dalje od provrta prema periferiji tanjura tad je gravitacijski prsten preširok, a ako linija odvajanja prolazi dalje od provrta prema osi gravitacijski prsten je preuzak.
Centripetalna sisaljka je dio separatora koji se rabi za izbacivanje lakše i/ili teže faze iz bubnja separatora. Pri separatorima koji imaju centripetalnu sisaljku na izlazu lake faze, zona odvajanja regulira se prigušivanjem.
Centripetalna sisaljka radi pomoću disk-sisaljke koji na sebi ima zakrivljene kanale uronjene u tekućinu koja rotira s bubnjem separatora. Disk miruje i zahvaća tekućinu svojim kanalima kojim je usmjerava prema središtu, odakle izlazi van, slika 7.8.
236
Centripetalna sisaljka omogućuje stvaranje vodene brtve, oslobađa gorivo od prisustva zraka i pjene, povećava izlazni tlak, a time i postizanje veće visine dizanja.
Sl. 7.8. Centripetalne sisaljke: a) Alfa-Laval, b) Westfalia
Sl. 7.9. Separator bistrilac (klarifikator)
7.3.5.4. Bistrilac (klarifikator)
Bistrilac iz goriva odvaja samo krute čestica, dok količina vode mora biti neznatna. Za vrijeme rada iz bistrioca izlazi samo očeištećno gorivo ili ulje. Na izlazu vode postavlja se brtva, slika 7.8. Ako se gorivo odvodi pomoću centripetalne sisaljke, tada se na izlazu postavi gravitacijski prsten najmanjeg promjera a na izlazu čistog goriva postavlja se prsten za određivanje razine s provrtima na najvećem promjeru.
Na brodovima se teško gorivo često separira u dva stupnja, npr. prvo u jednom separatoru koji radi kao purifikator a zatim u drugom koji radi kao klarifikator.
237
Prvi odvaja vodu i krute čestice, dok drugi odvaja samo preostale čestice i služi kao sigurnosni separator.
Pored serijskog povezivanja separatori se spajaju i paralelno tako da kroz svaki separator prolazi po 50% ukupne količine koju treba separirati. Ispitivanja su pokazala da se smanjio promjer u potpunosti uklonjenih čestica kod paralelno spojena dva separatora koji rade kao purifikatori u odnosu na serijski rad purifikatora i klarifikatora.
7.7.4. Decanter separatori
Ovi separatori na brodovima se kombiniraju sa zdjelastim ili cilindričnim separatorima, a mogu biti izvedeni kao klarifikatori ili kao purifikatori.
Na slici 7.10. predočen je Mitsubishi decanter separator koji radi kao purifikator. Ulje ili gorivo dovode se kroz cijev u središnji dio bubnja koji rotira. na tekućinu djeluje centrifugalna sila koja izdvaja krute nečistoće na unutarnju stijenku bubnja odakle ih pomoću konusnog potiska vijka (Screw conveyor) izbacuje na lijevom konusnom dijelu van bubnja. Očišćeni medij i zaprljana voda odvode se kroz odgovarajuće priključke na drugom kraju bubnja.
Bubanj i potisni vijak okreću se različitim brzinama.
Sl. 7.10. Decanter separator
Ovi separatori mogu biti konstruirani s lopaticama što znatno povećava učinak separatora.
7.8. Osnovne naznake automatskog rada separatora
Suvremene brodske strojarnice opremljene su separatorima koji rade potpuno automatski. Pri tomu razlikujemo programsko upravljanje gdje je unaprijed dat program rada i vrijeme trajanja pojedinih faza separiranja i regulacija s korištenjem mikroprocesora koji dobivaju podatke od odgovarajućih osjetila i na osnovu istih upravljaju procesom separiranja.
Proces izbacivanja nakoupljenog taloga iz bubnja rasčlanjuje se u slijedeće faze:
- zatvaranje dobave goriva u separator,
- istiskivanje zaostalog goriva vrućom vodom iz bubnja,
- propuštanje vode u hidraulični sustav za otvaranje,
- dovođenje vode koja zatvara bubanj,
238
- dovođenje vruće vode u bubanj, za osnivanje vodene brtve i propuštanje goriva u separator čime se nastavlja separacija.
Na slici 7.11. predočena je shema sustava separiranja Westfalia. Pritiskom na dugme upućivanja, na upravljačkom ormariću, pokreće se separator koji nakon 4 do 5 minuta postiže puni broj okretaja. Nakon toga pritiskanjem na dugme separacije, separator je spreman za početak rada. Nečisto gorivo dovodi se kroz cijev (6), sisaljkom (10) tlači se preko parnog zagrijača (11) i trosmjernog ventila (14) u separator. Za vrijeme pražnjenja bubnja, gorivo struji obilaznom cijevi ponovo na usis sisaljke (10). Čisto gorivo izlazi kroz cijev (1). Voda, koja je prethodno zagrijanja, dovodi se u bubanj kroz cijev (5), a služi za formiranje vodene brtve ili za istiskivanje zaostalog goriva iz bubnja, za vrijeme potpunog pražnjenja bubnja. Radna voda ulazi u hidraulični uređaj za otvaranje bubnja kroz cijev (4) a izlazi kroz cijev (2). Teška faza - voda napušta bubanj kroz otvor (3), a talog se izbacuje kroz cijev (13). Kroz cijev (9) dovodi se komprimirani zrak za upravljanje s trosmjernim ventilom (14).
Sl. 7.11. Shema sustava separiranja Westfalia
U sustavu za automatsku regulaciju rada i signaliziranja uključeni su elektromagnetski ventili, presostat, programator i zvučna sirena.
Separiranje goriva i ulja danas se često regulira tako da se separiranje obavlja po odgovarajućem programu, uz istodobno kontroliranje čiste separirane tekućine ili otpadne vode. Kontrola se obavlja posebnim osjetilima koji kontroliraju električnu provodljivost kontrolirane tekućine ili električnog kapaciteta.
Sl. 7.12. Shema ispuštanja vode i taloga kod Alfa-Laval-ovog separatora FOPX:
a) ispuštanje vode, b) ispuštanje vode i taloga
239
Za ilustraciju primjene mikroprocesora u sustavima separiranja uzet je Alfa - Laval-ov ALCAP sustav za separiranje teškog dizelskog goriva. U sustavu se koristi FOPX-ov separator, koji je bez gravitacijskog diska.
Voda iz separatora FOPX ispušta se s talogom ili kroz posebno kontrolirani ventil, kako je prikazano na slici 7.12.
Gorivo za čišćenje kontinuirano dolazi u separator. Protok goriva se ne prekida za vrijeme ispuštanja vode ili taloga. Čisto gorivo stalno se odvodi iz separatora kroz izlaz za očišćeno gorivo.
Kontrola vode u separiranom gorivu obavlja se pomoću posebnog osjetila (water transducer WT 100) kod kojeg se kontrolira električni kapacitet, koji se mijenja s promjenom količine vode u gorivu. Ovaj uređaj registrira prisustvo vode s preciznošću od 0,05%. Uređaj je smješten na izlazu pročišćenog goriva iz separatora, a podatak o prisutnosti vode u gorivu predaje se mikroprocesoru. Kad sadržaj vode u gorivu pređe određenu vrijednost, mikroprocesor (MARST I) inicira automatsko ispuštanje vode iz bubnja.
Regulaciju ispuštanja taloga i vode obavlja programska jedinica, na shemi slika 7.13. (EPC 30).
Sl. 7.13. Shema kontrolnog sustava ALCAP
Ako se u gorivu nalazi srednja količina vode, njeno odstranjivanje obavlja se kombinirano: programska jedinica (EPC 30) upravlja izbacivanjem taloga i vode svako 15 minuta (sl. 7.12.b), a ako se u međuvremenu pojavi povećana količina vode u separiranom gorivu, mikroprocesor (MARST 1) upravlja otvaranjem ventila za ispust vode (sl. 7.12.a).
Ako je u gorivu mala količina vode, voda se ispušta s talogom prema programu programske jedinice EPC 30.
Pri separiranju potrebno je voditi računa o održavanju temperatura na konstantnim vrijednostima. Kapacitet separiranja ovisi o viskozitetu i temperaturi separirane tekućine. Potrebno je rabiti posebne tankove za goriva raznog podrijetla.
240
8.
Eksploatacijske odlike i režimi rada brodskih dizelskih motora
_____________________________________________________________________
8.1. Opći pojmovi o odlikama i režimima rada brodskih dizelskih motora
8.2. Odlike brodskog vijka
8.3. Dijagrami opterećenja
8.4. Univerzalne odlike
8.5. Regulacijske odlike
8.6. Odlike režima upućivanja motora
8.7. Promjena opterećenja motora pri ubrzanju broda
_____________________________________________________________________
8.1. Opći pojmovi o odlikama i režimima rada brodskih dizelskih motora
Osnovni čimbenici koji obilježavaju rad dizelskih motora su: snaga, okretni moment, spacifični potrošak goriva, stupnjevi iskoristivosti, prosječni indicirani i efektivni tlakovi u cilindru, tlak nabijanja zraka, temperature ispušnih plinova i sl.
Međusobna zavisnost pojedinih čimbenika može se dati grafički, analitički ili tablično. U osnovne odlike, motora svrstavaju se odlike brzine i opterećenja. Pri
241
brzinskim odlikama nezavisno promjenljivi čimbenik je kraj okretaja osovine otora (n) ili kutna brzina (), a pri odlikama opterećenja nezavisno promjenljiva veličina je efektivna snaga (Pe), prosječni efektivni tlak (pe) i okretni moment (M).
Režim rada motora može biti ravnotežni i neravnotežni. Pri ravnotežnom režimu rada motora osnovni pokazatelji radnog procesa su stalni, ne ovise o vremenu. Neravnotežni režim rada motora je popraćen promjenom vrijednosti osnovnih čimbenika tijekom vremena. Prijelaz iz ravnotežnog u neravnotežni režim rada motora može biti izazvan promjenom opterećenja motora. Neravnotežni režim se događa i pri prijelazu iz jednog ravnotežnog režima u drugi, te obuhvaća tako važne režime za eksploataciju kao što su upućivanje, prekretanje, zaustavljanje i rad pri zagrijavanju motora. Pri neravnotežnom režimu postoji razlika između efektivne snage Pe koju motor razvija i snage Pp otpora potrošača povezanog s motora kako bi se brodski vijak ili elektrogenerator okretao zadanim brojem okretaja. Ako je višak snage, broj okretaja motora povećava se, a pri manjku se smanjuje. U oba slučaja promjena broja okretaja motora aktivira regulator, koji mijenja dobavu goriva.
Svaki brzinski režim zahtijeva određenu efektivnu snagu ili okretni moment motora, odnosno, svakom brzinskom režimu potrebno je prilagoditi odgovarajuću efektivnu snagu. Snage su date na slici 8.1.
Slika 8.1. Vanjske odlike DM
- Granična snaga (Pg) “apsolutna vanjska odlika” je maksimalna snagu koju DM može uopće razviti pri pojedinim brojevima okretaja. Vožnja pri razvijanju granične snage nije dopuštenajer je motor preopterećen te mogu nastati teške posljedice (krivulja 1).
- Maksimalna snaga (Pe maks.) (OVER LOAD RATING, OR) je najveća dopuštena snaga pri pogonu DM. Trajanje uporabe te snage ograničeno je od proizvođača, obično do 1 sata (krivulja 2). Kod porivnih motora
P
P
nmaks
nemaks
en nFHG
IKJ
3
242
- Maksimalna trajna snaga (Pen) (MAXIMUM CONTINUOUS RATING, MCR) je maksimalna efektivna snaga koju DM može trajno razvijati bez ograničenja uporabe i bez posljedica za motor. Ta snaga je za 10% manja od maksimalne i naziva se nazivna snaga motora (Pen), na slici krivulja 3.
- Eksploatacijska snaga (Pe eks.) (CONTINUOUS SERVICE RATING, CSR) je manja od nazivne a osigurava trajno siguran rad pri visokom stupnju ekonomske iskoristivosti, ta snaga je za približno 10% manja od Pen (krivulja 4).
Prema nazivnoj snazi određuju se i druge snage, npr. minimalna snaga Pe min= 0,3 Pen, ili ekonomska snaga (Pee) pri kojoj je najmanji specifični potrošak goriva (be). Ta snaga je obično u granicama od 75% do 85% nazivne snage.
Za navedene snage mogu se odrediti vanjske odlike, tako se ovisnost snage o broju okretaja odredi za onaj položaj doziranih organa goriva koji odgovara jednoj od tih snaga uz pripadajući broj okretaja, npr. za Pn pri nn biti će potreban određeni položaj ručke goriva. Ako se pri tom položaju ručke mijenja broj okretaja od minimalnog do maksimalnog mijenjanjem opterećenja dobit će se “vanjska odlika nazivne snage”. Na sličan način mogu se dobiti vanjske odlike ostalih snaga.
Vanjske odlike dobivaju se na sličan način i za druge čimbenike kao što su efektivna iskoristivost, mehanička iskoristivost, specifični potrošak goriva itd.
243
Sl. 8.2. Odlike 2TDM tvrtke MAN-B&W L 50MC-L50MCE
Na slici 8.2. predočeni su uobičajeni dijagrami 2TDM:
krivulja 1 predočava odnos broja okretaja vratila motora i snage opterećenja;
krivulja 2 predočava promjenu srednjeg efektivnog tlaka u cilindru motora;
krivulja 3 daje ovisnost maksimalnog tlaka u cilindru motora o opterećenju,
krivulja 4 predočava tlak kompresije zraka u cilindru motora;
Krivulja 5 predočava promjenu tlaka zraka za nabijanje cilindara motora;
Krivulja 6 predočava promjenu temperatura ispušnog plina u resiveru;
Krivulja 7 predočava promjenu temperatura ispušnog plina poslije ispušnog ventila (na izlazu iz cilindra);
krivulja 8 predočava temperaturu ispušnih plinova iza turbine;
krivulja 9 predočava promjenu specifičnog efektivnog potroška goriva.
244
Na slici 8.3. predočeni su dijagrami 4TDM koji pogoni tvrtke SEMT-Pilstik PC4 sa sljedećim odlikama:
d = 570 mm, promjer cilindra;
s = 520 mm, hod klipa;
pe = 20 bar, prosječni efektivni tlak
n = 400 o/min
Pe = 1140 kW/cil.
Sl. 8.3. Odlike 4TDM tvrtke SEMT-“Pilstik”
8.2. Odlike brodskog vijka
Sl. 8.4. Poriv i otpor broda
Otpor boda ovisi o nizu faktora kao što su: gustoća vode, veličina i stanje okvašenih površina (korozija i obraštanje trupa), brzina broda, oblik trupa broda,
245
stanje mora, utjecaj vjetra na nadvodni dio broda, utjecaj struja, opterećenja, utjecaj plitskih voda, kao i cijeli niz drugih faktora.
Snaga otpora (PE) je snaga potrebna da se savlada otpor broda R.
P R vE (8.1.)
v - brzina broda, m/s.
Porivni stroj mora posjedovati veću snagu (PB), koja ovisi o gubicima prijenosa i pretvaranju snage u porivnu silu.
PP
BE
Ph (8.2.)
hP - stupanj iskoristivosti poriva.
U vožnji s poniranjem otpor može porasti za 50% do 100% ukupnog otpora broda u mirnom vremenu.
Otpor vode gibanju broda može se izraziti izrazom
R K S v R R Fn r 1
2 12 ,b g
(8.3.)
Koeficijent K1 obuhvaća otpore koji nastaju djelovanjem zraka (vjetra) na brod, a R(Rn, Fr) je bezdimenzionalni koeficijent otpora koji se može predočiti u obliku sume:
R = Rr + R0 + Rw (8.4.)
Rr = f1 /Re) - koeficijent otpora trenja,
R0 = f2 (Re) - koeficijent otpora oblika,
Rw = f3(Fr) - koeficijent otpora valova
- gustoća vode, kg/m3;
S - okvašena površina trupa broda, m2;
v - brzina broda, m/s.
Iz datih izraza vidi se da otpor ovisi o istisnini broda, o obliku trupa i u velikoj mjeri o brzini broda. Osnovni dio koeficijenta otpora obično je koeficijent trenja, koji pri vrijednosti Fr od 0,2 do 0,3 za transportne brodove je približno 60% vrijednosti R(Rn, Fr). U eksploataciji se povećava Rf poradi korozije i obraštanja trupa broda.
Snaga “tegljenja” broda PE, kW računa se
P T t vE ( )1 10 3(8.5.)
246
T - sila poriva propulzora, N;
t - koeficijent opstrujavanja.
Stupanj iskoristivosti poriva hp dobiva se pomoću slijedećeg izraza
h h h hp v b vt
1
1 (8.6.)
hv - stupanj iskoristivosti BV u mirnoj vodi;
hb - koeficijent utjecaja trupa broda;
- koeficijent utjecaja strujanja vode u smjeru vožnje.
Za približno određivanje snage PE kW, često se rabi formula s koeficijentom admiraliteta:
PD v
CE 2 3 3/
(8.7.)
D - istisnina broda, t:
v - brzina broda, čv;
C - koeficijent admiraliteta
CD v
PE 0
2 303
0
/
(8.8.)
Koeficijent C određuje se prema podacima prototipa, tj. indeks “0” odnosi se na podatke prototipa.
Koeficijent C može se mijenjati u relativno širokim granicama u ovisnosti o dimenzijama broda, odnosu njegovih elemenata i relativnoj brzini. Za velike jednoosovinske brodove C=500 do 600. Pri nepovoljnom opstrujavanju trupa i za brodove relativno male tonaže C se može smanjiti na 400 pa i nižu vrijednost.
Odnos snaga i istisnine broda može se dati slijedećim izrazom:
P
P
D
Dx
n
x
nFHG
IKJ
2 3/
(8.9.)
Pn - nazivna snaga motora, kW;
Dn - nazivna istisnina broda, t;
Px - snaga potrebna za poriv broda s istisninom broda Dx.
Poriv BV T, moment okretaja M i stupanj iskoristivosti h su dinamičke odlike BV. Poradi pogodnosti te se odlike determiniraju kako slijedi:
247
T K p d KT
d 1
2 41 2 4
(8.10.)
M K d KM
d 2
2 52 2 5
(8.11.)
h vv v
s
T v
M
T v
M n
2 (8.12.)
K1 - koeficijent poriva;
K2 - koeficijent momenta;
- kutna brzina BV, 1/s;
d - promjer BV, m;
vv - brzina BV u odnosu na mirnu vodu, m/s;
ns - broj okretaja BV u sekundi;
Relativno napredovanje BV je bezdimenzionalna veličina:
vv
s
v
n d
(8.13.)
Razlika između teoretskog i stvarnog napredovanja BV naziva se skliz (s), koji se daje u obliku koeficijenta.
SH n v
H n
v
H n H ds v
s
v
s
v
1 1/ (8.14.)
H - uspon BV
Rabeći izraze za poriv, okretni moment i relativno napredovanje BV može se stupanj iskoristivosti BV determinirati kako slijedi:
hvvK
K 1
2 2 (8.15.)
Učinkovitosti rada BV kao prenosnika energije determinira se njegovim stupnjem iskoristivosti, koji je jednak omjeru iskorištene i upotrebljene snage. Međutim, kako se vidi iz datog izraza stupanj iskoristivosti je determiniran koeficijentima poriva i momenta te koeficijentom relativnog napredovanja BV. Ovisnost tih parametara može se grafički predočiti u obliku krivulja djelovanja BV kao na slici 8.5.
248
Sl. 8.5. Krivulje djelovanja brodskog vijka u slobodnoj vodI
Pri ravnotežnom režimu rada DM vrijednosti v=konst., H/d=konst., K2=konst., može se vrijednost otpornog momenta BV determinirati kvadratnom parabolom
M c nv 12
(8.16.)
n - brzina okretanja BV, o/min;
c1 - konstantna vrijednost za određene uvjete plovidbe broda.
Snaga, apsorbirana BV pri tim uvjetima izražava se
PM n
c nvv m
30 2
(8.17.)
c2 - koeficijent proporcionalnosti;
m - za deplasmanske brodove je 3, a za glisirajuće 1,6 do 2,6
Pri ravnotežnom režimu plovidbe broda
Mv = Mm = c1 n2 (8.18.)
Pe = Pm = cz n3 (8.19.)
Dakle, pri neposrednom prenosu snage na BV opterećenje DM jednoznačno je određeno brzinom okretaja n ili brzinom broda v. Budući je pri ravnotežnom režimu brzina broda proporcionalna brzini okretaja brodskog vijka n, pri predočavanju vijčanih karakteristika okretnog momenta motora Mm često se n mijenja s prosječnim efektivnim tlakom pe, tako da je
Mm = Mv = c3pe (8.20.)
249
c3 - konstanta za određeni tip motora
Na slici 8.6. predočena je vijčana karakteristika DM pri plovidbi broda u raznim uvjetima. Pri plovidbi broda u normalnim uvjetima (mirno more, čist podvodni dio trupa broda, normalni gaz) karakteristika 1, koja se siječe u točki A s nominalnom vanjskom karakteristikom 7. Pri promjeni uvjeta plovidbe i režima rada broda vijčana karakteristika mijenja svoj položaj, ako se poveća otpor gibanju broda (valovito more, povećan gaz broda, obraštanje trupa broda) smanjuje se brzina broda i relativno napredovanje BV v, pri tome se umanjuje brzina okretaja te povećava okretni moment Mv (krivulje 2, 3, 4). Analiza pokazuje da promjenom hidrodinamičkih djelovanja mijenjaju se odlike vijčanih krivulja, pti tome formiraju se “teške” ili “lake” karakteristike. Ako se formira “teška” karakteristika vijak pri nazivnoj snazi radi s brzinom okretaja manjom od nazivne (nn), a pri lakoj vijak postiže punu brzinu okretaja, ali ne razvija nazivnu snagu motora.
Sl. 8.6. Karakteristike BV (1, 2, 3, 4 i 5) i dizelskog motora (6)
Brodski vijak treba u potpunosti odgovarati trupu broda i porivnom DM, to se određuje vijčanom karakteristikom koja prolazi kroz točku A, koja odgovara nazivnoj efektivnoj snazi motora (Pen) i nazivnoj brziniokretaja (nn).
BV s pokretnim krilima može se promatrati kao konstrukcija koja u sebi sarži seriju vijaka različitog uspona što se postiže sinhroniziranim zakretanjem krila oko njihove osi okomite na os vijka. Hidrodinamičke i eksploatacijske odlike tih vijaka kao što su: sila poriva, moment otpora i potrebna snaga z pogon funkcija su ne samo brzine okretaja nego i odnosa Hd.
250
Sl. 8.7. Karakteristike BV s prekretanjem krila
BV se zakretanjem krila omogućavaju iskorištavanje pune snage motora na bilo kojoj vrijednosti otpora ili brzine broda. Pri DM s fiksnim krilima, svakoj vrijednosti brzine okretaja odgovara strogo određena vriednost utroška goriva i brzina broda, dok pri uporabi BV s prekretnim krilima određena brzina se postiže s raznim odnosima uspona (D/d) i brzinama okretaja uz varijabilnu ekonomičnost. Područje maksimalne ekonomičnosti odgovara radu s nazivnim usponom krila BV.
Minimalna brzina broda s fiksnim krilima BV ostvaruje se pri minimalnoj stabilnoj brzini okretaja DM, a s uporabom prekretnih BV, moguće je postići bilo koju brzinu od nule do maksimalne promjenom uspona krila uz konstantnu brzinu okretaja.
Mogućnost promjene smjera vožnje broda (pramcem, krmom) ostvaruje se zakretanjem krila u položaj sa suprotnim predznakom sile poriva, pri tome je put i vrijeme u pravilu kraće nego pri prekretanju DM.
Resursi DM se poboljšavaju zahvaljujući manevriranju brodom bez zaustavljanja i upućivanja motora.
Mogućnost rada motora s konstantnim brzinama okretaja na svim režimima plovodbe omogućava pogon generatora električne struje koji zahtijevaju konstantne brzine okretaja.
Nedostaci prekretnih BV su: manji stupan iskoristivosti na nazivnim režimima rada do 3% u odnosu na BV s fiksnim krilima, veća masa i složenija izvedba s obzirom na potrebu postojanja uređaja za prekretanje krila.
Promjena brzine broda može se ostvariti regulacijom samo brzine okretaja, samo uspona kril BV ili promjenom oba parametra istodobno. Prema 56 ovisnost između brzine broda s prekretnim BV i brzine okretaja je linearna v=c1n (sl. 8.8.). Svakom pravcu odgovara određena vrijednost H/d.
251
Sl. 8.8. Ovisnost brzine broda o brzini okretaja prekretnog BV
Ovisnost brzine broda o odnosu uspona i promjera krila prekretnih BV determinira se formulom
v = c2 (H / d - H 0 / d)1/2 (8.21.)
c2 - konstanta, ovisno o brzini okretaja;
H0/d - odnos s nultim porivom.
Pri istodobno mijenjaju parametara n i H/d uz v=konstant. na režimu slobodne plovidbe stupanj iskoristivosti BV se povećava uz smanjenje brzine okretanja i povećanja uspona krila do nazivne vrijednosti, a zatim se neznatno smanjuje.
Promjer vijka dostiže 9 do 9,5 m, a broj krila je 2 do 7. Poradi postizanja boljeg stupnja iskoristivosti brodski vijci, u pravilu, izrađuju se od visokokvalitetne bronce ili nerđajućeg čelika. Brodski vijci s prekretnim krilima omogućavaju učinkovito iskorištavanje porivnih strojeva pri promeni režima rada, obavljaju funkcije reverziranja, te olakšavaju izbor ili transmisiju snage.
Izbor tipa i broja propulzora potrebno je obavjati istodobno s izborom drugih elemenata porivnog sustava uzimajući u obzir konstrukcijske oblike i posebnosti eksploatacije broda. Većina brodova na morima ima jednoosovinsko rješenje jer je u principu najjednostavnije, međutim, u nizu slučajeva može se pokazati svrsishodna uporaba višeosovinskog poriva (obično dvoosovinski). Ta rješenja može uvjetovati:
povećanje stupnja iskoristivosti pri ograničenim promjerima brodskog vijka poradi raspoređivanja snage na više propulzora npr. plitke vode, veliki brodovi s porivom velikih snaga;
povećanje trajnosti (npr. ledolomci);
povećanje manevarskih odlika broda, osiguranje upravljivosti pri vožnji krmom, itd.
8.3. Dijagrami opterećenja
252
Efektivna snaga koju mora razvijati porivni dizelski motor proporcionalna je prosječnom efektivnom tlaku (pe) i brzini okretanja vratila (n). Prema tome snaga se može predočiti kako slijedi:
PB = K pe n (8.22.)
Ako je pe=konstantan.
PB = K n (8.23.)
Isto tako, prema zakonu brodskog vijka (8.19.) snaga se može predočiti kao:
PB = K n3
Prema datim primjerima snaga (PB) može se dati u obliku eksponencijalne funkcije brzine okretanja vratila (n) u obliku
PB = K ni (8.24.)
Ako se ovaj izraz logaritmira dobiva se mogućnost prikazivanja snage PB kao linearne funkcije:
log (PB) = i log (n) + log K
koja je ekvivalentna y = K + l.
Prema tome, u logaritamskom mjerilu krivulja brodskog vijka bit će prikazana pravcem paralelnim pravcu s koeficijentom nagiba 3, (log PB = log K + 3 log n), a snaga motora s konstantnim prosječnim efektivnim tlakom (i=1) bit će prikazana pravcem paralelnim s apcisnom osi (log PB = log K + log n).
Prema naprijed navedenom, može se nacrtati dijagram kad na slici 8.9 koji omogućava utvrđivanje granica opterećenja dizelskog motora prema određenom BV. Snaga (kW), broj okretaja (o/min) i prosječni efektivni tlak (pe) nanose se u logaritamskom mjerilu.
253
Sl. 8.9. Dijagram opterećenja
Točka A odgovara točki MCR, kroz tu točku prolazi pravac 1 koji predstavlja 100% snagu opterećenje motora brodskim vijkom na pokusnom stolu 100% broja okretaja. Pravci 2 i njemu paralelni pravci predstavljaju linije konstantnog prosječnog efektivnog tlaka. Pravac 3 označava granicu broja okretaja DM u službi. Dva granica je obično 103,3% nazivnog broja okretaja. Pravac 4 označava vrijednosti maksimalne snage i maksimalnog prosječnog efektivnog tlaka za određeni broj okretaja, koji se očitava na apcisi. Pravac 5 označava granicu maksimalne trajne snage DM. Prava 5a označava granicu prosječnog efektivnog tlaka stalnog rada.
8.4. Univerzalne odlike
Za ocjenu tehničko-eksloatacijskih odlika DM pri njegovom radu na promjenljivim režimima, rabe se univerzalne odlike koje su niz krivulja s konstantnim vrijednostima više čimbenika. Na primjer efektivni specifični potrošak goriva Be, temperatura plina na ulazu u plinsku turbinu tt, itd., koje se predočavaju u kordinatnom sustavu efektivnog tlaka i broja okretaja u minutu ili zaokretnog momenta. Na slici 8.10. predočene su univerzalne odlike 4TDM tvrtke SEMT-Pilstik tipa PC4. Efektivna snaga po jednom cilindru je 1150 kW pri 400 0/min i prosječnom efektivnom tlaku 20,5 bara.
254
8.10. Univerzalne odlike 4TDM tvrtke Sl. 8.11. Univerzalne odlikeSEMT-Pilstik brzookretnog 4TDM tvrtke MAN tip
V6V 23/23TL
Iz dijagrama lako se može uočiti najekonomičniji režim rada motora sa specifičnim potroškom goriva be=197 g/kKw (145 g/KSh) u intervalu odlika: pe od 8,8 do 191, bar i brojeva okretaja n od 270 do 400 o/min. Dijagram je dobiven uporabom goriva s Hd=42280 kJ/kg pri atmosferskom tlaku 1.02 bara i temperaturi 28C.
Na slici 8.11. date su univerzalne odlike brzookretnog 4TDM tvrtke MAN tipa V6V 23/23TL s maksimalnom snagom Pe=2280 kW (3000 KS) pri 1500 o/min, pe=15,4 bara i be=206 g/kWh.
8.5. Regulacijske odlike
Regulacijske odlike prikazuju zavisnost osnovnih pokazatelja rada dizelskog motora o brzini okretanja osovine motora pri raznim zategnutostima opruga regulatora, odnosno pri određenim zadanim vrijednostima brojeva okretaja. Ako je u eksploataciji potrebno ograničiti samo maksimalni dozvoljeni broj okretaja, na motor se ugrađuje granični, jednorežimni regulator. Dvorežimnim regulatorom osigurava se rad dizelskih motora na dva krajnja režima koji odgovaraju minimalnom i maksimalnom broju okretaja. Sverežimni regulatori se rabe za automatsko podržavanje raznih stabilnih režima rada motora s brojevima okretaja osovine motora u intervalu od minimalnog (nmin) do maksimalnog (nmaks).
255
Sl. 8.12. Odlike dizelskog motora Sl. 8.13. Odlike dizelskog motora sas dvorežimnim regulatorom sverežimnim regulatorom
8.6. Odlike režima upućivanja motora
Vrijeme upućivanja motora je određeno trenutkom uključivanja uputnog uređaja i početkom stabilnog rada motora na gorivo. Za brodske motore uputna svojstva su zadovoljavajuća, ako vrijeme upućivanja ne prelazi 10 s pri temperaturi okolnog zraka, rashladne vode i dijelova motoroa ne niže od 5C. Pri nižim vrijednostima nabrojenih temperatura svojstva upućivanja su takva da mnoge motore treba prethodno zagrijati.
Najvažniji faktori koji utiču na uputna svojstva motora su: temperatura i tlak zraka u cilindru na svršetku procesa kompresije, kvalitet rasprskavanja goriva i njegovo miješanje sa zrakom u periodu upućivanja. Na te faktore značajan utjecaj ima stupanj kompresije, dimenzije cilindra, stupanj istrošenosti stapnih prstenova, broj okretaja vratila motora, temperatura okolnog zraka i toplinsko stanje motora. Pri upućivanju motora uvjeti zapaljenja i izgaranje goriva mnogo se razlikuju od uvjeta rada na ravnotežnim režimima (snižava se temperatura zraka na svršetku kompresije, tlak uštrcavanja goriva i kvalitet njegovog rasprskavanja, povećava se tvrdoća rada motora).
Svi ovi faktori kao i nedovoljno podmazivanje površina koje se taru dovode do znatnog trošenja djelova motora. Eksperimentalna istraživanja pokazuju da jedno upućivanje nedovoljno zagrijanog motora prema trošenju tarućih djelova odgovra 3 do 5 sati njegovog rada na nominalnom režimu rada.
Uputna svojstva motora mogu se poboljšati prethodnim zagrijavanjem motora pomoću vode zagrijane u drugom motoru ili u zagrijaču vode, zagrijavanjem zraka, koji ulazi u cilindar motora i zagrijavanjem goriva.
256
8.7. Promjena opterećenja motora pri ubrzanju broda
Slika 8.14. Promjena opterećenja dizelskih motora za vrijeme ubrzanja broda
Promjena opterećenja motora za vrijeme ubrzanja broda može ilustrirati dijagramom na slici 8.14. Pri pogonu brodskog vijka s fiksnim krilima i neposrednim djelovanjem za vrijeme upućivanja dizelskog motora istodobno započinje okretanje brodskog vijka. U prvom času brzina broda je ništica, prema tome opterećenje dizelskog motoa mijenjat će se po “teškoj” karakteristici brodskog vijka. Pv do presjeka s karakteristikom regulatora Pri (1-2), odgovara određenom položaju ručke upravljanja sverežimnim regulatorom. Dalje, prema povećanju brzine broda opterećenje se smanjuje prema regulacijskoj karakteristici (2-3). U točki 3 završava ubrzanje broda do brzine, određene normalnom karakteristikom brodskog vijka. Daljnje ubrzanje do postizanja zahtjevane brzine često se ostvaruje postepeno prema odsječcima 3 do 5, ... 13 do 14. Da bi se ovo ostvarilo potrebno je postepeno pomicati ručku upravljanja sverežimnim regulatorom u niz međupoložaja koji odgovaraju odgovarajućim regulacijskim karakteristikama. U svakom položaju potrebno je zadržati ručku dok se ne postigne odgovarajuća brzina broda i odgovarajuće toplinsko stanje motora.
OZNAKE I KRATICE
257
A
A - površina indikatorskog dijagramaA - površina preko koje se odvodi toplinaA1 - površina poklopca cilindraA2 - površina stjenke cilindraas - udaljenost središta gornje glave od težišta “s” ojnicea - ubrzanje stapa
B
BDPS - brodski dizelski porivni sustavBPDM - brodski porivni dizelski motorBV - brodski vijakbe - efektivni specifični potrošak gorivab1 - količina uštrcanog goriva cilindar po procesubi - specifični indicirani potrošak gorivabm - specifični efektivni potrošak uljab - udaljenost središta donje glave od težišta (s) ojnice
C
Cr - toplinski kapacitet plina (V = const)Cp - toplinski kapacitet plina (p = const)C - maseni udio ugljika u gorivuCp - konstanta planimetraCz - toplinski kapacitet zrakaCv - toplinski kapacitet vodeCu - toplinski kapacitet uljaC - čimbenik zamašnog momenta
D
DM - dizel motorDMT - donja mrtva točkad - promjer cilindraD - promjer tromostiDr.sr. - središnji promjer vjencaDz - promjer tromosti zamašnjaka
E
258
E - modul elastičnosti materijalaE - kinetička energija tijela
F
F - silaF - sila koja uravnotežuje zakretni momentFoj - komponenta sile u pravcu ojniceFn - komponenta sile okomita na kliznu stazuFt - tangencijalna komponenta sileFr - radijalna komponenta sileF1 - reakcija od pritiska na temeljF2 - reakcija od rastezanja pričvrstnih vijakaFc - centrifugalna silaFp - sila tlaka plinovaFa - sila inercijeFr - rezultanta sile stapnog mehanizmaFt - tangecijalna silaFr.osc. - rezultirajuća oscilirajuća silaFI cos a - sila inercije I reda FIFII cos2a - sila inercije II reda FIIFc.v. - vertikalna komponenta antrifugalne sileFc.h. - horizontalna komponenta centrifugalne sileFoj.a - inercijska sila oscilirajućih masa u smjeru ojniceFn.a - komponenta sile inercije okomita na os cilindraFr.a - komponenta sile inercije u smjeru osnog koljenaFt.a - komponenta sile inercije u smjeru tangente
G
GMT - gornja inertna točkaGh - potrošak goriva na satGzh - potrošak zraka na satG - modul klizanja kovine od koje je napravljeno vratiloGz - masa zrakaGv - masa vode hlađenjaGu - masa ulja za hlađenjeGp - masa ispušnih plinovaGD2 - zamašni momentG - težina rotirajućih djelovaGv.z - težina vjenca zamašnjakaGz - težina zamašnjaka
H
259
H - hod stapaHd - donja ogrjevna moć gorivaHd - toplinska moć gorivaH - maseni udio vodika u gorivuh - razmak između sila
I
i - broj radnih stapaja (broj radnih takova po jednom okretaju ili koeficijent taktnosti)
I - jakost strujeI - duljina vratila na kojem se mjeri kut uvijanjaIp - polazni moment presjeka ventila
J
K
k - koeficijent adijabatske kompresijek - konstanta za određeni motorK - efikasnost adijabatske promjene stanja plinaK1,K2,K3,K4 - kriterij toplinskog naprezanja
L
L - rad kružnog procesal - dobiveni radLs - mehanički rad po jednom stapajuLi - indicirani radl - duljina indikatorskog dijagramaLe - prosječni efektivni rad jednog cilindra motora po jednom procesul - duljina ojnice
M
m - masa plinams - masa smjese goriva i zraka koji se usisava u cilindar motoramg - masa gorivamz - masa zrakamzu - efektivna masa zraka u cilindrumzo - teorijska masa punjenja stapnog obujmamzp - masa zaostalih plinovamz1 - masa dovedena u cilindar (u jednom procesu)Mp - mjerilo tlaka
260
Mz - zakretni momentMz - okretni moment motoraMpr - moment prevrtanjamr - zbroj rotirajućih masa reduciranih na središte ojnicemr.os - reducirana masa osnacamoj - cijela masa ojnicemr.o - reducirana masa osnog koljenamr.oj - rotirajuća masa donje glave ojnicem - masa rotirajućih djelovaMz,MI,MII - moment koji nastoji pomaknuti ili prevrnuti motormr - rotirajuće masemu - mase protuutegaM z - prosječni okretni moment na spojci motorams - oscilirajuća masams - ukupna masamosc - masa linearnog oscilirajućeg gibanjaMz.a - okretni moment uzrokovan djelovanjem inercijske sileMpr.a - moment prevrtanja uzrokovan inercijskom silom
N
n - politropski eksponent (ili eksponent politropske kompresije)
n - broj okretaja vratila motora
O
O - maseni udio kisika u gorivuOI - otvaranje ispušnih otvoraOP - otvaranje ispirnih otvora
PII
po - tlak okolne atmosferepu - tlak uštrcavanjap - tlak plinova u cilindruPix - trenutni indicirani tlak
P
PT - plinska turbinapi - inicirani tlakpe - efektivni tlakpmaks - maksimalni tlakp - tlakp-v - radni dijagramp - prosječni tlak
261
pi - prosječni indicirani tlakpe - prosječni efektivni tlakP - snaga motoraPe - efektivna snaga motoraPe.cil. - efektivna snaga jednog cilindraPo - tlak ispred ulaznih organa u cilindarPci - indicirana snaga cilindraPi - indicirana snagaPm - snaga mehaničkih gubitakapm - prosječni tlak mehaničkih gubitakapbo - Pk - kritični tlakovipt - tlak plina u ispušnom kolektorupz - tlakovi u resiverupn - pa - tlak na početku kompresijePc - tlak na svršetku kompresijepx - tlak koji djeluje na površinu stapapxi - ???? indicirani tlak
Q (q)
q1 - dovedena toplinaQ - količina toplineq2 - odvedena toplinaQ1 - dovedena toplinaQ2 - odvedena toplina
- dovođenje topline po izohori (V = konst)- dovođenje topline uz (p = konst)- dovođenje topline uz P8-9 = PT = konstanta, plinskoj turbini- odvođenje topline; hlađenje zraka u hladnjaku pri p = konst.- određenje topline pri V7-9 = konst. iz cilindra motora- određenje topline s produktima izgaranje u atmosferi pri po
I = konst.Qs - količina topline po jednom stapajuQd - dovedena količina toplineq - toplinski tokQcit - toplina odvedena po cilindru rashladnom vodom u jedinici vremenaQ11 - toplina usmjerena prema turbokompresoruQ12 - toplina koja osigurava rad plinske turbineQ13 - toplina dovedena hlađenjem djelova uljemQ14 - toplina plinova pri izlazu iz plinske turbineQ15 - toplina odvedena iz kompresora uljemQ16 - toplina trenja u motoruQ17 - toplina trenja djelova motora odvedena uljemQ18 - toplina neobuhvaćenih toplinskih gubitakaQ19 - toplina odvedena vodomQiz - toplina dovedena u cilindru izgaranjem gorivaQis - toplina ispušnih plinovaQRl - toplinsko hlađenje
262
Qos - ostali gubitciQet - efektivno iskorištena toplinaQ1 - toplina koja se dovodi u cilindar motora gorivomQ2 - toplina pretvorena u indicirani radQ3 - toplina pretvorena u efektivni radQ4 - toplina koja se odvodi hlađenjem zraka vodomQ5 - toplina koja se odvodi hlađenjem cilindraQ6 - toplina koja se odvodi hlađenjem ispušne cijeviQ7 - toplina hlađenja turbokompresoraQ8 - toplina trenja koja se odvodi vodomQ9 - toplina dovedena u motor stlačenim zrakomQ10 - toplina kompresora
R
R - plinska konstantaRz - plinska konstanta zrakar - korak na kojem djeluje silar - polumjer na kojemu se mjeri luk uvijanja vratilaru - udaljenost težišta masa protuutega od osi koljenaste osoviner - polumjer osnog koljena
S
s - gravitacijas - hod stapaS - maseni udio sumpora u gorivus - središte osnaca (težišta)
T
2T - dvotaktni4T - četverotaktniTK - turbo kompresor2TDM - dvotaktni dizel motori4TDM - četverotaktni dizel motoriT - temperaturaT-s - entropijski dijagramt - vrijeme jednog okretajaTo - temperatura na početku kompresijeT - temperatura plina u cilindruTa - temperatura na početku kompresijeTc - temperatura na kraju kompresijeTKO - temperatura stijenka košuljiceTrH2O - temperatura točke rosišta vodene pareTKr - temperatura pri kojoj se stvara uljna ???T1 - temperatura zraka na ulazu u motor
263
T2V - temperatura vode na izlazu iz hladnjakaT1V - temperatura vode na ulazu u hladnjakTld - temperatura na kojoj se formira sloj lakaTK1 - temperatura iznad prvog stapnog prstenaT2u - temperatura ulja na izlazu u hladnjakT1u - temperatura ulja na ulazu u hladnjakT2p - temperature plinova na izlazu iz plinske turbine
U
U - napon
V
V - obujamv - specifični obujamVs - radni obujam cilindrav - prosječna brzina stapajaVe - stvarni obujam zraka u cilindruVs - stapajni obujam cilindraVc - kompresijski obujamvs - srednja brzina stapajaVa - obujam na početku kompresijeVc - obujam na svršetku kompresijev - brzna stapa
Z
z - koeficijent smanjenja tlaka u turbiniz - broj cilindaraZo - teorijski potrebna količina zraka (minimalna potrebna količina zraka)
Z - stvarna količina zraka utrošena za izgaranjeZi - zatvaranje ispušnih otvoraZp - zatvaranje ispirnih otvoraZz - zatvaranje okretnih ???
W
X
X - put stapa
a
264
a - pretičak zrakaa - kut mlaza (rasprskač)a - kut osnog koljena prema osi cilindra
- kritični odnos tlakova - kut rasplinjavanja - kut ojnice prema osi cilindrat - konstrukcijski faktor
(D)
- koeficijent ekspanzijeDl - luk uvijanja vratilaST - debljina stijenke - stupanj nejednolikosti hoda koji nastaje promjenom tangecijalnih silaDL - višak rada koje je proizvelo povećanje kinetičke energije rotirajućih masa
e
e - stupanj kompresije motorae1 - stupanj kompresije turbopuhalaeo - ukupni stupanj kompresije
h
he - ekonomska iskoristivosth - termički stupanj iskoristivostihc - termički stupanj iskoristivosti Carnatov-a kružnog procesahi - indicirani stupanj iskoristivostihz - hG - stupanj iskoristivosti generatorahm - mehanički stupanj iskoristivosti
p - koeficijent punjenja cilindraST - veličina toplinskog tijela
265
m
- koeficijent porasta tlaka u turbopuhalu - ukupni moment tromosti
Y
Yr - koeficijent zaostalih plinova
- omjer toplinskih kapaciteta pri konstantnom tlaku i volumenu
- koeficijent obujma (kad se dovodi toplina) ili
- koeficijent povećanja obujmas - gustoća smjesez - gustoća zraka - gustoća goriva - udaljenost od središta osnaca
- koeficijent smanjenja tlaka u ispušnoj cijevi do turbinet - uvjetno termičko naprezanjad - dopušteno naprezanje za dati materijal
266
1 - koeficijent promjera obujma olina u cilindru motora (za 4T motor = 1, za 2T motor 1 = 0,8-0,9)
- koeficijent porasta tlaka - koeficijent korekcije stapajnog obujmau - kut otvorenosti usisnog ventilai - kut otvorenosti ispušnog ventilap - kut prekrivanja ventilauš - kut uštrcavanja gorivaa - koeficijent propuhivanja1 - koeficijent istjecanja
- koeficijent smanjenja obujma pri hlađenju (ako nema hladnjaka =1) - kutna brzina vratilaz - brzina istjecanja zraka - brzine istjecanja goriva - kut brzine osnog koljena
267
Mjerne jedinice (ISO - SUSTAV JEDINICA)
Međunarodni sustav jedinica, SI, napravljen je od sedam osnovnih jedinica nabrojenih u tablici A1, i od dviju pomoćnih jedinica datih u tablici A2.Jedinice “mol, kandela i steradijan” neće u ovom poglavlju biti dalje definirane.Izvedene jedinice izražene su algebarski na osnovu osnovnih jedinica.Nekimod izvedenih SI jedinica data su posebna imena i simboli, vidi tablica A3.Postoje neke posebne jedinice izvan SI sustava koje su zadržane u ISO standardima zbog njihove praktične vrijednosti ili zato jer se rabe u nekim specijaliziranim područjima. Neke od njih date su u tablici A4 kao dodatne jedinice.Prefiksi dati u tablici A5 rabe se za formiranje imena i simbola umnožaka SI jedinica.Međunarodni SI sustav jedinica u potpunosti je opisan u:ISO 1000: SI jedinice i preporuke za uporabu njihovih umnožaka i nekih drugih osobnih jednicaISO 31/0: Osnovna načela veličina, imena i simbola.
Tablica A1. SI osnovne jedinice (Table A1 SI Base Units)
Veličina (Quantity) Naziv (Name) Oznaka (Symbol)
duljina (length)
masa (mass)
vrijeme (time)
jakost struje (electric current)
apsolutna temp. (absolute temperature*)
količina tvari (amount of substance)
intenzitet svjetlosti (luminous intensity)
metar (metre)
kilogram (kilogram)
sekunda (second)
amper (ampere)
kelvin (kelvin)
mol (mole)
kandela (candela)
m
kg
s
A
K
mol
cd
Tablica A2. Pomoćne jedinice (Table A2 Supplementary SI Units)
Veličina (Quantity) Naziv (Name ) Oznaka (Symbol)
Ravninski kut (plane angle)
Prostorni kut (solid angle)
Radijan (radian)
Steradijan (steradian)
rad
sr
Tablica A3. Izvedene SI jedinice s posebnim imenima (Table A3 Derived SI Units with Special Names)
Veličina
(Quantity)
Naziv
(Name)
Symbol
(Simbol)
Izvedene iz osnovnih jedinica (Expressed in base, supplementary or derived SI units)
Frekvencija (frequency)
Sila (force)
hertz
newton
Hz
N
1 Hz = 1 s-1
1 N = 1 kg m/s2
268
tlak (pressure, stress)
energija, rad, količina topline (energy, work, quantity of heat)
snaga (power)
električni potencijal (electric potential)
temperatura (temperature)
pascal
joule
watt
volt
Celcius
Pa
J
W
V
C
1 Pa = 1 N/m2 *
1 J = 1 N m
1 W = 1 J/s
1 V = 1 W/A
1C = 1 K**
* For mechanical stresses N/mm2 is widely used. 1 N/mm2=106 N/m2
** t (C) = T(K) - T0(K), where T0=273.15 K
Tablica A4. Dodatne Si jedinice (Table A4 Additional SI Units)
Veličina (Quantity) Naziv (Name) Oznaka (Symbol)
Definicije (Definition)
vrijeme (time)
vrijeme (time)
ravninski kut (plan angle)
volumen (volume)
tlak (pressure)
minuta (minute)
sat (hour)
stupanj (degree)
litra (litre)
bar
min
hl
bar
1 min = 60 s
1 h = 60 min
1 = (/180) rad
1 l = 1 dm3
1 bar = 105 Pa
Table A5 SI Prefixes (Tablica A5. Prefiksi)Faktor (Factor) Prefiks (Prefix) Oznaka (Symbol) Factor (Faktor) Prefiks (Prefix) Oznaka (Symbol)
1018 exa E 10-1 deci d1015 peta P 10-2 centi c1012 tera T 10-3 milli m109 giga G 10-6 micro m106 mega M 10-9 nano n103 kilo k 10-12 pico p102 hecto h 10-15 femto f10 deca da 10-18 atto a
KONSTANTE PRETVORBETablica konstanti pretvorbe za najčešće jedinice i izvedene jedinice znanstvene sustava (centimetar-gram-sekunda=CGS), metričkog tehničkog sustava (metar-kilopond-sekunda) i sustava (foot-pound-sekunda) u SI sustavu.
Dužina (m) (Length) 1 in (inch) 25.40 mm = 0.0254 m1 ft (foot) = 12 inches 0.3048 m1 yd (yard) = 3 ft = 36 inches 0.9144 m1 statute mile = 1760 yds 1609 m1 n mile (međunarodna nautička milja international nautical mile) 1852 m
269
Površina (m2) (area)1 sq. in (Kvad. inč) (aquare inch.) 0.645210-3 m2
1 sq.ft (kvadrat. stopa) (square foot) 92.9010-3 m2
Volume (1 m3 = 1000 l) (Volumen)1 cub. in (kubični inč) (cubic inch) 16.39 10-6 m3
1 cub-ft (kubična stopa) (cubic foot) 28.32 10-3 m3 = 28.32 l1 gallon* (imperical, UK) 4.546 10-3 m3 = 4.546 l1 gallon* (US) 3.78510-3 m3 = 3.785 l1 barrel (US petroleum barrel) = 42 gallon (US)
0.1590 m3
1 bbl (dry barrel, US) 0.1156 m31 register ton = 100 cub. ft 2.832 m3* 1 gallon = 4 quarts = 8 pints
Brzina (Velocity, Speed (m/s) 3.6 km/h = 1 m/s)1 kn (knot) = (nautička milja/u) 1 nautical mile/h
1.852 km/h = 0.5144 m/s
Za ostale pretvorbe, vidi tablicu za duljine (For other conversions, see table for length)
Masa (kg) (mass)1 lb (pound mass) = 16 ozs (ounces) 0.4536 kg1 cwt (UK) (hundredwight) = 112 lbs 50.80 kg1 long ton (UK) = 20 cwt = 2240 lbs 1.016 metric tons = 1016 kg1 short ton (S) = 2000 lbs 0.907 metric tons = 907 kg1 slug* 14.59 kg* Unit of mass in the ft-lb-s system (jedinica mase u ft-lb-s sustav)
Gustoća (kg/m3) (density)1 lb (pound mass) = 16 ozs (ounces) 0.4536 kg
Sila (kg m/s2 = N) (Force)1 kp (kilopond)1 poundal **1 lbf (pound force)
9.807 N9.808 138.3 10-3 N4.448 N
* Može se povremeno pronaći kao kgf (kilogram snaga(Can occasionally be found stated as kgf (kilogram force).Standardno ubrzanje slobodnog pada gn= 9,80665 m/s2
Standard acceleration of free fall gn = 9.80665 m/s2
270
** Jedinice sile u ft-lb-s sustavi(Unit of force in the ft-lb-s system)
Tlak (Pressure (N/m2 = Pa, 1 bar = 105 Pa, 1 mbar = 10-3 bar)1 kp/cm2 = 1 at = 0.9678 atm1 at = 735,5 mm Hg* = 10 m H2O**750 mm Hg*1 mm Hg* (T = 273 K)1 mm H2O** (T=277 K)1 atm (standard atmosphere) = 760 mm1 atm = 1.033 at1 in Hg* (T=273 K)1 in H2O** (T = 277 K)1 lbf/sq.in (psi)
98.07103 Pa = 0.9807 bar(T = 277 K)105 Pa = 1 bar133.3 Pa = 1.333 mbar10-4 at = 9.807 Pa = 98.07 10-3 mbar1.013105 Pa = 1013 mbar
3386 Pa = 33.86 mbar249.1 Pa = 2.491 mbar6895 Pa = 68.95 mbar
* Mercury. 1 mm Hg = Torr Values in Table provided gn = 9.80665 m/s2
** Stupac vode (WC) (Water column (WC)
Naprezanje (Stress (1 N/m2 = 10-6 N/mm2)1 kp/mm2 = 100 kp/cm2
1 lbf/sq. in (psi) = 0.07031 At9.807 N/mm2
6.89510-3 N/mm2
Dinamički viskozitet (Dynamic viscosity (N s/m2)1 kp s/m2
1 poundal s/sq.ft1 lbf/sq. ft.
9.807 N s/m2 = 98.07 P (poise)1.488 N s/m2
47.88 N s/m2
* poise je specijalno ime preuzeto iz CGS system) (poise is a special name taken from the CGS system. 1 P = 0.1 Pa s 1 cP = 1 mPa s = 10-3 Pa s)
Kinematički viskozitet (Kinematic viscosity (m2/s)1 sq.ft/s 92.9010-3 m2/s = 92.90 103 cSt**) 1 cSt (centi stokes) = 10-6 m2/s. Stokes je posebno ime preuzeto iz CGS sustava, 1st =10-4 m2/s) (Stokes is a special name takne from the CGS system. 1 St = 10 -4
m2/s (1 cSt (centistokes) = 10-6m2/s.)
Energija, rad (Energy, Work (Nm = J, Wh)1 calI.T.* 4.187 J*1 kpm 9.807 J
271
1 hph (metric) 2.648 106 J = 0.7355 kWh1 ft lbf 1.356 J1 hph (UK, US) 2.685 106 J = 0.7457 kWh1 BTU (UK, US) 1.055 103 J = 1.055 kJ
* Točna vrijednost: 4,1568 J (Exact value: 4.1868 J)I.T. = International steam Table
Snaga (Power (kg m2/s3 = N m/s = J/s = W)1 kpm/s 9.807 W1 hp (metric) = 75 kpm/s 735.5 W = 0.7355 kW1 kcalI.T./h 1.163 W1 ft.lbf/s 1.356 W1 hp (UK, US) = 550 ft.lbf/s 745.7 W1 BTU/h 0.2931 W
Moment sile (Moment of Force, Torque (kg m2/s2 = Nm)lako se izvodi iz gornjih tablica Can easily be derived from the above
tables
Moment inercije (Moment of Inertia (kg m2))1 GD2 (old notation) (stari zapis)1 WR2 (old notation)* (stari zapis)
= 4 l* kg m2
= 1 l* kg m2
* l = dmrr2, mr = masa na radijusu r (mass at the radius r)G = W = mass in kg.D= Diameter of gyrationR = Radius of gyration
Specific fuel consumption* (g/kWh)1 g/hph (metric)* 1.360 g/kWh
Razlika temperatura (Temperature difference (K))1C (Celsisu)1F (Fahrenheit)
1 K5/9 K
Nivoi temperature-vidi napomenu kod tablice A3)(Temperature levels (K) (see footnote to Table A3)1C (Celsisu)1F (Fahrenheit)Celsius from Fahrenheit:(Celzijusi iz Fahrenheita): tc = 5/9 (tf-32)Fahrenheit from Celsius: (Fahrenheiti iz celzijusa) tf = 9,5 tc
tc + 273.15 = K5/9 (tr-32) + 273.15 = K
272
+ 32
Specifični toplinski kapacitet (Specific heat capacity (J/(Kg K)) 1 kcalIT /(kg C)1 BTU*/(lb F) = 1 kcalIT/(kg C)
4.187 103 J/(kg K)4.187 103 J/(kg K)
* Britanske toplinske jedinice-vidi tablicu za pretvorbu energije (British Thermal Unit (see table for energy conversions)
Heat conductance (W/(m K))1 calIT/(cm s C)1 kcalIT/(m h C)1 BTU*/(ft h F)
418.7 W/(m K)1.163 W/(m K)1.731 W/(m K)
* British Thermal Unit (see table for energy conversions)
Heat transmission (W/(m2 K))1 calIT/(cm2 s C)1 kcalIT/(m2 h C)1 BTU*/(ft2 h F)
41.87 103 W/(m K)1.163 W/(m2 K)1.731 W/(m2 K)
Neki fizički podaci u SI jedinicama (Some physical data in SI units)
Nomenclature t = temperatura u °C (tempr. in C)DK = temperaturna razlika (temperature difference) = gustoća u kg (m3) (density in kg/m3)cp = toplinski kapacitet u J/(kg DK (Heat capacity in J/(kg DK))
t cp range cp
Voda (Water) 18 999 4.18 103
Ulje za podmazivanje (približno) (Lubricating oil (approx.)*)
15 900 1.96 103
Atmosfera (Atmospheric air (dry) (p=1 bar)
0 1.276 998 0-150 1005
Ispušni plin(Exhaust gas)
200-400 1080
* (Viskozitet 100-140 cSt kod 40C-750 mm Hg = 1 bar = 105 Pa (Viscosity. 100-140 cSt at 40C 750 mm Hg= 1 bar = 105 Pa)
273
1 atm (standardni tlak u razini mora) = 760 mm Hg = 1013 mbarPlinska konstanta za zrak i ispušne plinove(Gas constant for air and exhaust gas 287 J/(kgK)
Voda, temperatura isparavanja(Water, heat of evaporation 100C)
1.013 bar
2.256 106 J/kg
Gorivo, niža kalorijska vrijednost (Fuel oil. Lover calorific value)
41-43 106 J/kg
ISO 3046 standard eference fuel 42 106 J/kgDiesel engine reference fuel
(see below)
Specific fuel oil consumption (SFOC)Reference conditions
Specific fuel oil consumption values refer to brake power, and the following reference conditions:
Reference Conditions (ISO Ambient):Blower inlet temperature 27CBlower inlet pressureCharge air coolant temperature 27CFuel oil lower calorific value 42707 kJ/kg (10200 kcal/kg)
300 K1000 mbar
300 K
42707 kJ/kg
274
275