Brodski Motori I

Sveučilište u Dubrovniku Pomorski 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.............................3 1.2. Poredbeni prikaz brodskih dizelskih motora s drugim brodskim porivnim strojevima.........................................................................................4

1.3. Podjela brodskih porivnih dizelskih motora..............................................6 ' 1.4. Načelo rada dizelskih motora.............................................................................7 1.5. Poredbeni prikaz dvotaktnih i četverotaktnih dizelskih motora...........................9

2. Procesi u motori ma i snaga motora.................................................................15 2.1. Teorijski kružni procesi............................................................................16 2.1.1. Lenoirov proces..............................................................................16 2.1.2. Cornotov proces............................................................................18 2.1.3. Joullov proces................................................................................18 2.1.4. Ottov proces...........................................................................................20

2.1 .5. O ieselov proces............................................................................22

2.1.6. Sabathe - proces.............,....................................................23 ' 2.1.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova kružnog procesa............... 25 2.1.8. Kružni procesi motora s nabijanjem...............................................27 2.2.1. Snaga motora i prosječni tlak.........................................................31 2.2.1.1. Određivanje snage prema prosječnom tlaku ...................31 2.2.2. Određivanje snage s pomoću topline goriva............ .................................................................................. 32 2.2.2.1. Snaga Otto-motora...........................................................32 2.2.2.2. 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.................................................................................................... 34 2.2.3.3. Prosječni tlak........................................................................................35 2.2.3.4. 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......................................38 2.2.3.8. Pretičak zraka........................................................................... 39

2.3. Stvarni procesi u dizelskim motori ma....................................................40 2.3.1. Indikatorski dijagrami četverotaktnog dizelskog motora (4TDM) 41 2.3.2. Indikatorski dijagram dvotaktnog dizelskog motora (2TDM)..........42 2.3.3. ProsječflJ indicirani tlak..................................................................43 2.3.4. I ndicirana snaga motora................................................................44 2.3.5. I ndicirani stupanj iskoristivosti.......................................................46

2

2.3.6. Efektivna snaga dizelskih motora...................................................48

3

2.3.7. Mehanički stupanj iskoristivosti.....................................................,........50

2.3.8. Prosječni efektivni tlak...................................................................50 2.3.9. Efektivni stupanj iskoristivosti........................................................51 2.4. Procesi izmjene radnog medija u cilindru motora..................................53 2.4.1. Faze izmjene plinova u četverotaktnim dizelskim motorima.........54 2.4.2. 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..............................................69 2.5.1. Razmjena topline za vrijeme kompresije....................................69 2.5.2. Eksponent politropne kompresije........................,.......................69

2.5.3. parametri stlačnog zraka na svršetku kompresije. . .,............70 2.5.4. Stupanj kompresije......................................................................70 2.6. Izgaranje goriva i toplinsko opterećenje dizelskih motora.....................71 2.6.1. Izgaranje u dizelskim motorima..................................................71 2.6.2. Rasprskavanje goriva..................................................................72 2.6.3. Komore izgaranja i stvaranje smjese..........................................73 2.6.4. Jednokonusno stvaranje smjese.................................................73 2.6.5. Višekonusno stvaranje smjese...................................................75 2.6.6. Proces izgaranja u dizelskim motorima......................................77 2.6.6.1. Ćimbenici koji utječu na kašnjanje samozapaljenja goriva.................................................................................78 2.6.7. Toplinska bilanca motora.....................................................................81 2.6.8. Toplinsko opterećenje dizelskih motora...............................................83

3. Dinamika stapnog mehanizma..........................................................................88 3.1. Sile tlaka plinova na stap.......................................................................88 3.2. Sile izazvane gibanjem masa jednocilindričnog motora........................90 3.2.1. Sile rotirajućih masa...................................................................91 3.2.2. Sila inercije oscilacijskih masa....................................................92

3.3. Djelovanje komponenata sila.......................................................................................,.........96 3.4. Izjednačivanje djelovanja masa.............................................................99 3.5. Nejednolikost okretnog momenta...........................................................101 3.6. Proračun zamašnjaka.............................................................................104 4. Dijelovi dizelskih motora....................................................................................107 4.1. Nepokretni dijelovi..................................................................................108 4.1.1. Temeljna ploča............................................................................108 4.1.2. Osnovni ležajevi..........................................................................110 4.1.3. Odrivni ležaj.................................................................................116 4.1.4. Kučište motora.............................................................................118 4.1.5. Cilindri motora.............................................................................122 4.1.6. Košuljice cilindara...............................................................................123

4

4.1.7. Poklopac cilindra...........................................................................................127 4.1.8. Sigurnosni ventil.............................................................,.............................. 131

4.2. Pokretni dijelovi.......................................................................................132 4.2.1. Stap i klip......................................................................................132 4.2.2. Osovinice klipa.............................................................................134 4.2.3. Stapni ili klipni prstenovi...............................................................135 4.2.4. Stapaica...........................................................................................................137

4.2.5. 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 .................................................................................151 5.1. Sustav goriva..........................................................................151 5.1.1. Sisaljke.....................................................................152 5.1.2. Raspored cjevovoda.................................................152 5.1.3. Uređaji za zagrijavanje goriva u tankovima.......:......153 5.1.4. Uređaji za ispuštanje vode iz tankova goriva............153 5.1.5. Uređaji za prikupljanje iscurenog goriva...................153 5.1.6. Punjenje tankova gorivom........................................154 5.1.7. Tankovi za gorivo.....................................................154 5.1.8. Dovod goriva motoru s unutrašnjim izgaranjem........155 5.1.9. Uređaji goriva.............,.............................................155 5.1.10. Zajednički sustav goriva glavnog i pomoćnih motora157 5.1.11. Visokotlačne sisaljke..............................................159 5.1.11.1. Sisaljke s promjenjljivim hodom stapa.................160 5.1.11.2. Sisaljke sa zakretanjem stapa.............................160 5.1.11.3. Sisaljke s preljevnim ventilom..............................164 5.2. Sustav hlađenja..............................................................................174 5.2.1. Protočni sustav hlađenja.......................................................174 5.2.2. Kružno hlađenje....................................................................176 5.2.2.1. Sustav hlađenja glavnih motora................................178 5.2.2.2. Hlađenje cilindara slatkom vodom............................178 5.2.2.3. Sustav hlađenja stapova slatkom vodom..................180 5.2.2.4. Sustav morske vode...;.............................................181 5.2.2.5. Sustav hlađenja cilindara u MAN-B&W motora ......182 5.3. Sustavi podmazivanja.....................................................................183 5.3.1. Klasifikacija sustava podmazivanja.......................................184 5.3.2. Shema sustava podmazivanja..............................................185 5.3.2.1. Podmazivanje cilindara.............................................188 5.3.2.2. Sustav podmazivanja cilindara od skladišnog tanka do lubrifikatora....................................................188 5.3.2.3. Princip rada sisaljki za podmazivanje cilindara .........190 5.3.3. Elementi sustava podmazivanja...........................................193 5.4. Sustav upućivanja.................................................................197 5.4.1. Općenito o sustavu upućivanja...................................197 5.4.2. Kompresori.................................................................198 5.4.3. Boce zraka za upućivanje...........................................199 5.4.4. Glavni uputni ventil.....................................................200

5

5.4.5. Uputni ventili...............................................................201 5.4.6. Razvodnici zraka........................................................203 5.5. Manevriranje motornim brodovima........................................205 5.5.1. Uređaji za prekretanje motora............................................205 5.5.2. Prerketanje Sulzerova motora............................................207 5.5.3. Prekterne spojke................................................................209 6. Regulatori......................................................................................211 6. O. ....................................................................................................212 6.1. Stupanj neosjetljivosti i stupanj neravnomjernosti regulatora 214 6.2. Regulatori neizravnog djelovanja bez povratne veze.............217 6.3. Regulatori neizravnog djelovanja s povratnom vezom...........219 6.4. Granično-sverežimski regulatori MAN-ova motora................220 6.5. Woodward-regulatori.............................................................222 6.6. Elektronski regulatori.............................................................229 6.6.1. Elektrohidraulički aktuator dovoda goriva........................231 7. Goriva............................................................................................233 7.1. Goriva za dizelske motore.....................................................234 7.2. Obilježja goriva ..................................................................... 234 7.2.1. Toplina izgaranja ili ogrijevna moć goriva....................234 7.2.2. Gustoća goriva............................................................235 7.2.3. Viskoznost...................................................................235 7.2.4. Temperatura paljenja..................................................237 7.2.5. Temperatura gorenja...................................................238 7.2.6. Točka samozapaljivanja..............................................238 7.2.7. Krutište.......................................................................238 7.2.8. Sadržaj smolastih tvari................................................239 7.2.9. Koks............................................................................239 7.2.10. Kiselost....................................................................239 7.2.11. Pepeo........................................................................240 7.2.12. Sadržaj sumpora u gorivu.........................................241 7.2.13. Voda u gorivu............................................................242 7.2.14. Mehaničke primjese u gorivu.....................................242 7.2.15. Ocjena kvalitete goriva prema samozapaljivosti........242 7.3. Klasifikacija goriva................................................................243 7.4. Smještaj novih goriva............................................................245 7.5. Ulja za brodske dizelske motore...........................................249 7.5.1. Odlike ulja i sastav......................................................249 7.5.2. 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....................................................251 7.5.3.3. Temperatura zapaljenja..................................252 7.5.3.4. Neutralizacijske odlike ...........................................................252 7.5.3.5. Mehaničke primjese..............................................................252 7.5.3.6. Voda u ulju......................................................253 7.5.3.7. Aditivi..............................................................253

6

7.6. Kontrola kvalitete ulja...........................................................255 7.3.5. Separiranje goriva i ulja..............................................261 7.3.5.1. Cjevasti separatori..........................................261 7 .7. Zdjelasti separatori..............................................................262 7.7.3. Ćistilac (purifikator) ....................................................264 7.3.1. Bistrilac (klorifikator) ....................................................267 7.7.4. Decenter separatori....................................................267 7.8. Osnovne naznake automatskog rada separatora268 . 8. Eksploatacijske odlike i režimi rada brodskih dizelskih motora..........271 8.1. Opći pojmovi o odlikama i režimima rada brodskih dizelskih motora.....................................................................272 8.2. Odlike brodskog vijka............................................................276 8.3. Dijagrami opterećenja............................................................283 8.4. Univerzaine odlike.................................................................285 8.5. Regulacijske odlike................................................................286 8.6. Odlike režima upućivanja motora..........................................286 8.7. Promjena opterećenja motora pri ubrzanju broda..................287 Prilog 1. Mjerne jedinice ........................................................................ 290-304 Oznake 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, G√TAVERKEN 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, GÖ TAVERKEN 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

5

Brodski porivni dizelski motori (BPDM) mogu se podijeliti po raznim osnovama. 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: 6

a) neposredno predavanje snage na brodski vijak; 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.

7

Sl. 1.2. Proces 2TDM 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 (ε).

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 TVRTKA MODEL

PROMJER mm

HOD STAPA mm

BROJ CILINDAR A U LINIJI / V

SNAGA Kw/CILINDRU

BRZIN A o/min

PROSJEČN I TLAK bar

PROSJEČNA BRZINA STAPA m/s

SNAGA kW

10

MAN-B&W S 90MC-T

900

K 90MC-C

900

2500

5,6,7

4560

75

18.0

8.0

22800-31920

(optimiziran) 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

MITSUBISHI UEC52LS

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

SULZER

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

RTA48

Tablica 1.2. Pregled parametara 4TDM TVRTKA MODEL

PROMJER mm

HOD STAP A mm

225 400 520 520 580

330 450 550 550 640

BROJ CILINDARA U LINIJI / V

SNAGA Kw/CILI -NDRU

BRZINA o/min

PROSJEČNI TLAK bar

PROSJEČNA BRZINA STAPA m/s

SNAGA MOTORA kW

6 6,7,8,9L 6,7,8,9L

133 605 775 885 1390

800 600 450 450 428

16.8 21.4 17.7 20.2 23.0

8.0 9.0 8.2 8.2 9.1

800 3630-10890 7750-13950 5310-7965 8340-12510 460-1440

MAN-B&W L23/30AEKV L/V40/45 V52/55B L52/55B L58/64

6,7,8,9L;12,14,16,18 V

10,12,14,16,18V

SULZER S20

200

300

4,6,8, 9L

160

1000

20.4

10.00

AT25

250

300

5,6,8L;12,16V

220

1000

17.9

10.00

700-3520

ZA40S

400

560

6,8,9L;12,14,1 6,18V

720

510

24.1

9.52

3600-12960

L25HX

250

350

6L

20.54

8.40-8.75

1029-1323

250

350

6L

172221

720-750

MG25HX

750

20.54

8.75

260

350

6L

221

720-750

21.11

260

350

6L

184245

750

21.11

260

460

6L

245

400

18.07

NIIGATA

L26HLX MG26HLX M26A(E,F,G) TE

8.40-8.75 8.75 6.13

1323 1103-1471 1471 735-882

147

11

PIELSTICK

255

270

5,6,6L;12,16,18V

210

1000

19.2

9.0

280

350

6,8,9L;12,16,18,20V

295

750

21.9

8.75

1770-5880

400

500

630

530

22.6

8.83

3780-11340

PC30-425

425

600

PC4.2-570

570

620

PC4.2B-570

570

660

PC40-570

570

750

5,6,7,8,9,10V

LH39LA

390

760

6LF50A

500

800

6LF58A

580

1050

PA5-225 PA6-280CL PC2.6B-400

6,7,8,9L;10,12,14,16, 18,20V 6,7,8,9L

1100-3960

736

450

23.1

9.0

4415-6625

1215

429

21.5

8.85

7290-21870

1325

429

22.0

9.4

13250-23850

1325

375

22.2

9.4

6625-13250

6L

368

235

21.09

5.95

2207

6L

552

240

17.90

6.40

3310

6L

772

190

17.93

6.65

4634

6,7,8,9L;10,12,14,16, 18V 10,12,14,16,18V

HANSHIN

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 p i/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 ηe = 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 b e na 156 k/kWh), a ηe 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 ___________________________________________________________________ __

2.1. Teorijski kružni procesi

14

___________________________________________________________________ __ 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: q1 = cv (T3 − T2)

(2.1.)

p 2V2 = mRT2 p3V2 = mRT3

T3 = T2 +

q1 cv

(2.2.)

V 2 = V3

15

p3 =

mR  q T2 + 1  V2  cv 

(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 p 3, na stap djeluje sila: F = p3

d 2Π 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: p3V3n = p4V4n

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: V  p4 = p3 3  V 4 

n

V  p4 = p3 2  V 5 

n

ili (2.4.)

Za vrijeme ekspanzije 3-4 obavlja se rad: V5

W = ∫ pdV

(2.5.)

V2

Termički stupanj iskoristivosti Lenoirova procesa računa se iz odnosa iskorištene i utrošene topline: η=

(

)

Q1 − Q21 + Q211 Q1

(2.6.)

Lenoirov stroj radio je s koeficijentom iskoristivosti η = 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: q1 = T1( S2 − S1)

(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: q2 = T3( S3 − S4)

(2.8.)

Od 4 - 1 obavlja se adijabatska kompresija radnog medija uz dq = 0. Rad tog kružnog procesa je: W = Q1 − Q2

(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: ηc =

L Q1 − Q2 T = = 1− 3 Q1 Q1 T1

(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: V  p2 = p1  1   V2 

k

(2.11.)

V  T2 = T1 1  V 2 

k −1

(2.12.)

Od 2 - 3 dovodi se toplina q, po izobari (p2 = konst.), koju možemo napisati u slijedećem obliku: q1 = cp (T3 − T2)

(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: V  p4 = p1 = p2 3  V 4  V  T 4 = T3 3  V 4 

κ

(2.14.)

κ −1

(2.15.)

Od 4 - 1 odvodi se toplina pri p1 = konst., pa je q2 = c p (T 4 − T1)

(2.16.)

Termički stupanj iskoristivosti Juleova procesa može se izračunati kako slijedi: η=

c (T − T ) L Q1 − Q2 = = 1− p 4 1 Q1 Q1 c p (T3 − T2)

Ako se usvoje oznake u ovom procesu: ε=

V1 V2

- stupanj kompresije

ρ=

V 3 T3 = V 2 T2

- koeficijent obujma kad se dovodi toplina

δ=

V4 V3

- koeficijent ekspanzije

Ako se upotrijebe dane zamjene i izrazi (2.11.) i (2.12.), dobiva se: p2 = p1ε κ T2 = T1ε

κ −1

T3 = T2 ⋅ ρ = T1 ⋅ ρ ⋅ ε κ −1

(2.17.) (2.18.) (2.19.)

Iz adijabatske ekspanzije 3 - 4 dobiva se odnos tlakova p3 i p4, koji su jednaki tlakovima p2 i p1: p2 = p1δ K

(2.20.)

Također se može napisati i odnos temperatura: T4 =

T3 δ κ −1

(2.21.)

18

Ako se usporede izrazi za tlak p2, u izrazima (2.17.) i (2.20.), vidi se da je ε = δ. Koristeći se tom jednakošću izraz (2.19.) izlazi: T4 =

T1 ⋅ ρ ⋅ εκ −1 = T1 ⋅ ρ εκ −1

(2.22.)

Uvrste li se izrazi (2.18.), (2.19.) i (2.22.) u izraz za termički stupanj iskoristivosti, dobiva se: η = 1−

T1 ⋅ ρ − T1 1 = 1− κ −1 κ −1 κ −1 T1ρ ⋅ ε − T1 ⋅ ε ε

(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: T2  V1  =  T1 V 2 

κ −1

= ε κ −1

(2.24.)

19

2 - 3 dovodi se toplina q1 pri izohoričnoj promjeni stanja: q1 = cv (T3 − T2)

3 - 4 adijabatska ekspanzija u kojoj je: T 4 V 2  =  T3  V1 

κ −1

=

1

ε

κ −1

(2.25.)

4 - 1 odvodi se toplina q2 pri izohori: q2 = cv (T4 − T1)

Termički stupanj iskoristivosti Ottova procesa izračunava se na ovakav način:

η=

c (T − T ) L q1 − q 2 = = 1− v 4 1 q1 q1 cv ( T3 − T2 )

 T  T41− 1   T4  η = 1−  T  T31− 2   T3 

(2.26.)

Koristeći se izrazima (2.24.) i (2.25.) može se dokazati da je: T1 T2 = T 4 T3 T4 1 = T3 ε κ −1

(2.27.) (2.28.)

Ako se te vrijednosti uvrste u izraz (2.26.), dobiva se izraz za termički stupanj iskoristivosti Ottova procesa: η = 1−

1

ε

κ −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. w = q1 − q 2

(2.30.)

q1 = cp (T3 − T2) q2 = cv (T4 − T1)

Termički stupanj iskoristivosti Dieselova procesa izračunava se iz omjera dobivenog rada i utrošene topline: η=

c (T − T ) l q −q = 1 2 = 1− v 4 1 q1 q1 c p (T3 − T2)

(2.31.)

Koristeći se poznatim termodinamičkim izrazima za adijabatu, izobaru i izohoru, dolazi do zavisnosti: Iz adijabatske kompresije 1 - 2: T2 = T1ε κ −1

Iz izobare 2 - 3: ρ=

T3 V 3 = T2 V 2

-

koeficijent povećanja obujma

T3 = T2 ⋅ ρ = T1 ⋅ ρ ⋅ ε κ −1

Iz adijabatske ekspanzije 3 - 4: T 4 = T1ρκ

Ako se uvrste vrijednosti T1, T3 i T4 u (2.31.), dobiva se izraz za termički stupanj iskoristivosti:

η =1 −

1

εκ−1

ρκ −1 κ( ρ −1)

(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 ( ∆q = 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: w = q1I + q1II − q2

(2.33.)

q1I = cv (T3 − T2) q1II = c p (T 4 − T3) q2 = cv (T5 − T1)

Termički stupanj iskoristivosti Sabatheova procesa je:

η=

cv ( T5 − T1 ) w = 1 − cv ( T3 − T2 ) + c p (T4 − T3 ) q1I + q1II

(2.34.)

Temperature u karakterističnim točkama izrazit će se preko temperature T1 i koeficijenata: ε=

V1 V2

- stupanj kompresije

22

ρ= ϕ=

V4 T4 = - koeficijent povećanja obujma V3 T3

p3 T3 = p2 T2

- koeficijent porasta tlaka

Vodeći računa o odgovarajućim promjenama stanja dobiva se: T2 = T1ε κ −1 T3 = T2ϕ = T1 ⋅ ϕ ⋅ ε κ −1 T 4 = ρT3 = T1ρϕε κ −1 V  T5 = T 4 4  V5 

κ −1

= T1ϕρκ

Ako se te vrijednosti uvrste u izraz (2.34), dolazi se do: η = 1−

T1ϕρκ − T1

(

)

T1ϕε κ −1 − T1ε κ −1 + κ T1ρϕε κ −1 − T1ϕε κ −1

η = 1−

 1  ϕρκ − 1   κ −1 ε  ( ϕ − 1) + κϕ ( ρ − 1) 

(2.35.)

Iz izraza za termički stupanj iskoristivosti Sabatheova procesa vidi se da na njega utječu stupanj ε, koeficijent povećanja obujma ρ, koeficijent porasta tlaka ϕ i eksponent adijabatske promjene stanja κ, i to: −

termički stupanj iskoristivosti procesa povećava se s porastom ε i ϕ i smanjenjem ρ

−

pri ρ = 1 izraz (2.35.) prelazi u izraz za termički stupanj iskoristivosti Ottova kružnog procesa;

pri ϕ = 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 ε i jednake dovedene količine topline q1.

Sl. 2.7. Usporedba Ottova, Dieselova i Sabatheova procesa pri ε = 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 ε. 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 ispušnih plinova

proces

s

nabijanjem

uz

iskorištavanje

kinetičke

energije

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 q2I ; 3 - 4 adijabatska kompresija zraka u cilindru motora; 4 - 5 dovođenje topline q1I po izohori (v = konst.); 5 - 6 dovođenje topline q1II uz p = konst.; 6 - 7 adijabatska ekspanzija plinova u cilindru motora; 7 - 8 proces odvođenja topline q2II pri V 7−8 =konst. iz cilindra motora; 8 - 9 dovođenje topline q1III uz p8−9 = pT = konst. plinskoj turbini; 9 - 10 adijabatska ekspanzija plinova u plinskoj turbini; 10 - 1 odvođenje topline q 2III s produktima izgaranja u atmosferu pri p0I = konst. Na dijelu dijagrama 7 - 8 - 9 obavlja se prijelaz radnog medija iz cilindra motora u plinsku turbinu. Pri tomu se toplina q2II , odvedena iz cilindra na dijelu 7 - 8, u potpunosti odvodi turbini na dijelu 8 - 9 kao toplina q1III , što je rezultat pretvorbe kinetičke energije plina u toplinsku energiju u kolektoru, tj. q1III = q2II . Termički stupanj iskoristivosti motora s kombiniranim procesom je: η = 1−

q2I + q2III q1I + q1II

(2.36.)

Kao i u prethodnim procesima vrijede ovi koeficijenti: V1 V2

ε1 =

ε 0 = ε ⋅ ε1 ω=

V2 V3

- stupanj kompresije turbopuhala - ukupni stupanj kompresije - koeficijent smanjenja obujma pri hlađenju, ako nema hladnjaka V 2 = V 3 , ω = 1

ϕ1 =

V3 V8

- koeficijent promjene obujma plina u cilindru motora

27

(za 4T motor ϕ1 = 1, za 2T motor ϕ1 = 0,8-0,9) τ=

p3 p8

- koeficijent smanjenja tlaka u ispušnoj cijevi do turbine

θ=

p2 p1

- koeficijent porasta tlaka u turbopuhalu

z=

θ τ

- koeficijent smanjenja tlaka u turbini

Iz dijagrama se vidi da je p8 = p9 , p2 = p3 i p1 = p10 . 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: κε1κ −1 ( ω − 1) + η =1 −

τ

k −1 k

ϕ1κ −1

[

κ −1 κ   k ϕ ⋅ ρ + τ ϕ1  − κω  

ε 0κ −1 ( ϕ − 1) + κϕ ( ρ − 1)

(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: η hl 〈η

Pri tomu se razlika vrijednosti: ∆η = η − η hl

povećava s porastom koeficijenta povećanja tlaka u kompresoru: θ = p2 / p1

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 θ 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 ( ε) od 12 do 13, a koeficijent povećanja tlaka u turbopuhalu (θ) od 2 do 3, vrijednost toplinskog stupnja iskoristivosti kombiniranog procesa (η) je od 0,70 do 0,72. p

3 4. Ako raste odnos tlakova τ = p od 1,0 do 1,4, toplinski se stupanj iskoristivosti 8 smanjuje od 4 do 5%.

28

5. Kad se povećava koeficijent promjene obujma plina u cilindru ϕ od 0,8 do 1,2, toplinski stupanj iskoristivosti procesa povećava se od 5 do 6%. 6. Povećavajući dovođenje topline q1I pri v=konst. i smanjujući dio topline q1II 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: F =

d 2π ⋅ p,N 4

(2.38.)

Rad za vrijeme jednog stapaja (s) je: W = F ⋅s =

d 2π ⋅ p ⋅ s, J 4

(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. P=

W d 2π ⋅ p ⋅ s ⋅ n ⋅ i ⋅ z = ,W t 4 ⋅ 60

(2.40.)

ili P= t=

60 2π = n ω

d 2π ω ⋅ p⋅ s⋅ i ⋅ z ⋅ 4 2π

,W

(2.41.)

, 1/s

d - promjer cilindra

ω - 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

Vs =

P =Vs ⋅ p ⋅ i ⋅ z ⋅

p=

d 2π ⋅s , 4

m3

ω ,W 2π

(2.42.)

w Vs

w =∫ pdv

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: m s = V s ⋅ λ p ⋅ ρ s , kg

(2.43.)

ρ s - gustoća smjese, kg/m3 pri tlaku i temperaturi ispred ulaza u cilindar

λ 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 λ ⋅ Z 0 , kg zraka, što znači da smjesa u kojoj se nalazi 1 kg goriva ima masu 1 + λ ⋅ Z0, kg. λ - pretičak zraka Z0

- teorijski potrebna količina zraka Masa goriva (mg) koja može izgorjeti u cilindru motora je: Vs ⋅ λ p ⋅ ρ s ms mg = = , kg 1 + λ ⋅ Z0 1 + λ ⋅ Z0

(2.44.)

Prema tom izrazu izračuna se količina topline, odnosno mehanički rad koji se može dobiti iz te topline po jednom stapaju:

30

Q s = Ws =

Vs ⋅ λ p ⋅ ρ s 1+ λ ⋅ Z0

ηH d , J

(2.45.)

η - 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 (ω), odnosno broju okretaja (n) u minuti, bit će: P=

Vs ⋅ λ p ⋅ ρ s ⋅ H d ⋅ η 1 + λ ⋅ Z0

⋅i ⋅ z ⋅

ω ,W 2π

(2.46.)

Prema tome koja se snaga želi izračunati, u izrazu (2.46.) uvrštava se ηt, ηi ili ηe. 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: mz = V s ⋅ λ p ⋅ ρ z =

d 2π ⋅ s⋅ λ p ⋅ ρz , 4

kg

(2.47.)

ρz - gustoća zraka pri tlaku i temperaturi ispred ulaznih organa u cilindar Za izgaranje 1 kg goriva u cilindru motora potrebno je λ ⋅ Z0, kg zraka, pa će prema tomu u cilindru po jednom stapaju izgarati količina goriva: Vs ⋅ λ p ⋅ ρ z mz mg = = , kg (2.48.) λ ⋅ Z0 λ ⋅ Z0 Kad izgara masa goriva mg, oslobađa se toplina: Vs ⋅ λ p ⋅ ρz Qs = Hd , J λ ⋅ Z0

(2.49.)

Toplina koja se pretvara u mehanički rad ovisi o stupnju iskoristivosti η: Ws =

Vs ⋅ λ p ⋅ ρ z ⋅ H d

λ ⋅ Z0

⋅η , J

Snaga motora sa "z" cilindara i "i" radnih taktova po okretaju je: W ⋅ i ⋅ z Vs ⋅ λ p ⋅ ρ z ⋅ H d ⋅ η ⋅ i ⋅ z ω P= s = ⋅ t λ ⋅ Z0 2π

(2.50.)

(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 (ω), broj cilindata (z), broj radnih taktova po jednom okretaju (i), koeficijent punjenja cilindra (λp), gustoća zraka (ρz), toplinska

31

moć goriva (Hd), stupanj iskoristivosti (η), pretičak zraka (λ) i minimalna potrebna količina zraka (Z0). 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 : v =

2sn sn sω = = 60 30 π

, 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 p dizelskih motora može se izračunati ako se izjednače izrazi za snagu motora (2.42.) i (2.51.) kako slijedi: ω Vs ⋅ λ p ⋅ ρ z ⋅ H d ⋅ η ⋅ i ⋅ z ω Vs ⋅ p ⋅ i ⋅ z ⋅ = ⋅ 2π λ ⋅ Z0 2π

32

p=

λ p ⋅ ρz ⋅ Hd ⋅ η λ ⋅ Z0

, Pa

(2.53.)

Prosječni tlak za Otto-motore dobiva se izjednačavajući izraze (2.42.) i (2.46.) pa izlazi: ω Vs ⋅ λ p ⋅ ρ s ⋅ H d ⋅ η ω Vs ⋅ p ⋅ i ⋅ z ⋅ = ⋅i ⋅ z ⋅ 2π (1 + λ ⋅ Z 0 ) 2π p=

λ p ⋅ ρ s ⋅ Hd ⋅ η

(2.54.)

1 + λ ⋅ Z0

Ako se u izraze (2.53.) i (2.54.) umjesto općeg stupnja iskoristivosti uvrste indicirani stupanj ηi ili efektivni stupanj iskoristivosti ηe, dobiva se prosječni indicirani tlak pi ili prosječni efektivni tlak pe . Iz izraza (2.53.) vidi se da srednji tlak dizelskih motora ovisi o koeficijentu punjenja cilindra λp, gustoći zraka ρz, donjoj ogrjevnoj moći goriva Hd, stupnju iskoristivosti η, pretičku zraka λ i minimalno potrebnoj količini zraka Z0. 2.2.3.4. Broj okretaja Snaga motora, pri jednakim vrijednostima proporcionalna broju okretaja vratila n, tj.:

efektivnih

tlakova,

upravo

je

P1: P2 = n1: n2

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 ω=

πn

30

proporcionalna je broju okretaja n.

2.2.3.5. Broj cilindara

33

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 višecilindričnih motora to će i efektivna snaga motoru biti nešto veća od umnoška broja cilindara i efektivne snage jednog cilindra. Pe 〉Z ⋅ Pecil . .

2.2.3.6. Koeficijent punjenja Koeficijent punjenja λp 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): λp =

mzu Ve = mz 0 V s

(2.55.)

λp - 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: mzu = λ p ⋅V s ⋅ ρ z

ρz - gustoća ispred ulaza u cilindar, kg/m ρz =

(2.56.)

3

p0 Rz ⋅T0

Koeficijent punjena može se izračunati po ovoj formuli: λp =

ε p1 T0 1 ⋅ ⋅ ⋅ ε − 1 p0 T1 1+ γ r

(2.57.)

Za 2T-motore koeficijent punjenja je:

λp =

ε ' p1 T0 1 ⋅ ⋅ ⋅ ε '−1 p0 T1 1 + γ r

(2.58.)

ε - stupanj kompresije (geometrijski) ε’ - stvarni stupanj kompresije p0 - tlak ispred ulaznih organa u cilindar p1 - tlak na početku kompresije T0 - temperatura na početku kompresije γr - koeficijent zaostalih plinova

34

Stupanj kompresije ε jednak je omjeru maksimalnog obujma cilindra V i kompresijskog obujma Vc: ε=

V V s +Vc = Vc Vc

(2.59.)

Stvarna kompresija počinje nakon zatvaranja usisnih ventila kod 4 T M ili prekrivanjem ispušnih raspora kod 2 T M. Stvarni stupanj kompresije je: ε=

V s − ϕ ⋅V s +Vc V s ( 1− ϕ ) +Vc = Vc Vc

(2.60.)

ϕ - 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: γr = mzp

mzp mzu

(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 γr za različite dizelske motora nalazi se u granicama: četverotaktni 0,01 - 0,04 dvotaktni s istosmjernim ispiranjem 0,04 - 0,09 dvotaktni 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.

35

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 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 CO 2 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: Z0 =

1 C H S O  + −   + 0,21 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 λ .

Tablica 2.1. Jednadžbe izgaranja Reakcija

Jednadžba

maseni udjeli

ugljik izgara u ugljični dioksid

C + O2 = CO2

12kgC + 32kgO = 44kgCO2

ugljik izgara 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

u

ugljični

2.2.3.8. Pretičak zraka

36

Pretičkom zraka naziva se omjer stvarne i teorijski potrebne količine zraka: λ=

Z Z0

(2.63.)

Stvarna količina zraka utrošena za izgaranje je: Z = λZ 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: λ= b1 =

mz1 28,9 ⋅ Z0 ⋅ b1

be ⋅ Pe Gh = 60 ⋅ i ⋅ z ⋅ n 60 ⋅ i ⋅ z ⋅ n

(2.65.) (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 λ 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: λ=

1 1 − 376 ,

O2 N2

=

1 79 O2 1− 21 N2

(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

38

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. 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.

39

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 Ovaj takt odgovara hodu stapa od GMT do DMT. Prije GMT od 5 do 15 o 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;∆Vs 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 ∆Vs, 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. 40

osnovica pravokutnika, kojeg površina predstavlja indicirani rad, podignuta je od apscise. Sporookretni motori imaju posebni mehanizam za snimanje indikatorskog dijagrama. 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: W pi = i (2.68.) Vs 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: pi =

A⋅Cp ⋅ M p

(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: pi =

1 z

z

∑p

i

(2.70.)

i =1

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 ηi, 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: Wic = A ⋅ s ⋅ pi

(2.71.)

41

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 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: Wi = Vs ⋅ p i

(2.72.)

Vs - radni obujam cilindra, m3 pi - prosječni indicirani tlak, kPa Vs =

d 2π ⋅s 4

(2.73.)

d - promjer cilindra, m s - stapaj, m Ako se uvrsti vrijednost za stapajni obujam u izraz (2.68.), dobiva se: d 2π Wi = ⋅ s ⋅ pi 4

(2.74.)

Indicirana snaga cilindra, kW, određuje se uzimajući u obzir broj radnih stapaja po okretaju i broj okretaja vratila: Pci =

d 2 πs ⋅ pi ⋅ n ⋅ i 4 ⋅ 60

(2.75.)

n - broj okretaja vratila, o/min i - koeficijent taktnosti d 2π ⋅ s ⋅ pi ⋅ n ⋅ i ⋅ z 4 ⋅ 60

Pi = z ⋅ Pci =

(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: Pic = k ⋅ pi ⋅ n (2.77.) k=

π ⋅ d2 ⋅ s ⋅ i 4 ⋅ 60

(2.78.)

k - konstanta za određeni motor Indicirana snaga motora s više cilindara dobiva se kao zbroj indiciranih snaga pojedinih cilindara: z

Pi =

∑P

ic

(2.79.)

1

z - broj cilindara motora

42

Ako je u određenom motoru pi jednak za sve cilindre, tad se indicirana snaga motora izračunava prema izrazu: Pi = z ⋅ Pic =

d 2π ⋅ s ⋅ i ⋅ pi ⋅ z ⋅ n 4 ⋅ 60

Pi = 0,0131d 2 ⋅ s ⋅ i ⋅ pi ⋅ z ⋅ n

(2.80.) (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 =

s⋅n 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 ηi. Indicirani stupanj iskoristivosti jednak je odnosu topline pretvorene u indicirani rad u cilindru motora i topline koja se gorivom dovodi u cilindar: W ηi = i (2.82.) Qd Qd - dovedena količina topline, kJ/h

43

Qd = Gh ⋅ H d

(2.83.)

Gh - potrošak goriva na sat, kg/h Hd - donja ogrjevna vrijednost goriva, kJ/kg Količina topline koja odgovara indiciranom radu Li,, kJ/h može se izračunati po izrazu: Wi = 3600 ⋅ Pi

(2.84.)

Uvrštavanjem izraza (2.83.) i (2.84) u izraz (2.82.) dobiva se: ηi =

3600 ⋅ Pi 3600 = G h ⋅ Hd bi ⋅ Hd

(2.85.)

bi - specifični indicirani potrošak goriva, kg/kWh bi =

Gh Pi

(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 ηi 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 ηi ovisi o više konstrukcijskih i eksploatacijskih čimbenika. Najjači utjecaj ima stupanj kompresije ε, konstrukcija komore izgaranja, koeficijent viška zraka, kut uštrcavanja goriva i broj okretaja motora. Indicirani stupanj iskoristivosti ηi 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: Gzh = 2897 , ⋅ λ ⋅ Z 0 ⋅ Gh (2.87.) Osim toga, može se on izračunati s pomoću dimenzija cilindra, gustoće zraka ρ1 i koeficijenta punjenja λp: Gzh =

60 ⋅ d2 ⋅ π ⋅ s ⋅ i ⋅ n ⋅ z ⋅ ρz ⋅ λ p 4

(2.88.)

Gustoća zraka je: ρz =

pz RzTz

(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 m⋅Rs = 28,97×0,287, dobiva se: 44

Gh =

60 ⋅ π ⋅ d2 ⋅ s ⋅ i ⋅ n ⋅ z ⋅ pz ⋅ λp 4 ⋅ 8,315 ⋅ λ ⋅ Z0 ⋅ Tz

(2.90.)

Ako se uvrste izrazi (2.80.) i (2.90.) u jednadžbu (2.86.), nastaje izraz za specifični potrošak goriva bi u obliku: bi = 433

pz ⋅ λp

λ ⋅ Z0 ⋅ Tz ⋅ pi

(2.91.)

Uvrštavanje izraza za indicirani specifični potrošak goriva (2.91.) u (2.85.) rezultat je izraz za izračunavanje indiciranog stupnja iskoristivosti: ηi = 8,315

Z0 ⋅ Tz ⋅ pi Hd ⋅ pz

(2.92.)

Taj se izraz upotrebljava za procjenu ηi.

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: Pe = Pi − Pm (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: Pe =

Mz ⋅ n ⋅ π 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: Mz = F ⋅r (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: Pe =

π ⋅F ⋅r⋅n 30

(2.96)

Snaga motora koji pogoni generator struje određuje se prema električnom opterećenju generatora:

45

Pe =

U ⋅I , kW 100 ⋅ ηG

(2.97.)

U - napon, V I - jakost struje, A

ηG - 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: ϕ=

M z ⋅l G ⋅I p

(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: Mz =

G ⋅ I p ⋅ϕ l

(2.99.)

Kut uvijanja vratila može se naći s pomoću izraza: ϕ=

∆l r

(2.100.)

∆l - 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: Pe =

π ⋅G ⋅ I p ⋅ ∆l ⋅ n 30⋅ l ⋅ r

(2.101.)

U izrazu (2.101) dvije su promjenljive veličine: luk uvijanja ∆l l i broj okretaja n. Za mjerenje luka uvijanja ∆l upotrebljava se više metoda. Najčešća je s pomoću torziometra, pri tome se za mjerenje ∆l, 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 ηm. Mehanički stupanj iskoristivosti jednak je omjeru efektivne i indicirane snage motora: ηm =

Pe Pi

(2.102.)

46

Mehanički stupanj iskoristivosti obuhvaća sve mehaničke gubitke koji nastaju za vrijeme rada dizelskih motora. Polazeći od izraza može se napisati stupanj iskoristivosti u obliku: ηm =

Pi − Pm P Pe = 1− m = Pi Pi Pe + Pm

(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 - 0,85 Pe = Pi ⋅ η m (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: p e = We / Vs

(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: 60 ⋅ Pe We = (2.106) n ⋅i ⋅ z 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: pe =

4 ⋅ 60 ⋅ Pe 2

π ⋅d ⋅s⋅ z⋅ n⋅i

=

Pe

0,0131 ⋅ d2 ⋅ s ⋅ z ⋅ n ⋅ i

(2.107.)

Iz nje se dobiva izraz za efektivnu snagu motora: Pe = 0,0131d2 ⋅ s ⋅ z ⋅ n ⋅ i ⋅ pe

(2.108.)

47

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 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.): pe = pi − pm

(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: η m = pe / pi

a iz njega se dobiva jednadžba za pe: pe = pi ⋅ η m

(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: ηe = We / Qd

(2.111.)

Količina topline koja se u jednom satu pretvori u efektivni rad izračunava se na osnovi izraza: We = 3600 Pe

(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: ηe =

3600Pe 3600 = GhHd beHd

(2.113.)

Specifični efektivni potrošak goriva be, kg/kWh, jest potrošak goriva na sat po efektivnoj snazi motora: be = Gh / Pe

(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:

48

ηe =

3600Pi ⋅ ηm = ηiηm GhHd

(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. Odnos između efektivnog i indiciranog stupnja iskoristivosti naći će se iz izraza (2.85.) i (2.113) koji su obrnuto proporcionalni specifičnim potrošcima goriva: ηe / ηi = bi / be

(2.116.)

Iz (2.115.) dobiva se: ηm = ηe / ηi

(2.117.)

S pomoću (2.116.) i (2.117) nastaje izraz za mehanički stupanj iskoristivosti: η m = bi / be

Iz njega se dalje izvodi izraz za efektivni specifični potrošak goriva: be = bi / η m

(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

η e, %

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.

49

Sl. 2.15. Dijagram efektivne snage i specifičnog potroška goriva u 2TDM prema vijčanoj karakteristici 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.

50

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.

Sl. 2.16. Razvodni dijagram za 4TDM 1-2 - kut otvorenosti usisnog ventila 1-6 - kut prekrivanja ventila

5-6i - kut otvorenosti ispušnog 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: pk = pt / βv

(2.119.)

βv - kritični odnos tlakova pt - tlak plinova u ispušnom kolektoru

51

Kritički odnos tlakova ovisi o sastavu i fizikalnim obilježjima plinova, a određuje se po formuli: k

 2  k −1 βv = pt / pk =    k + 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: ωk = 2

k RT 103 k +1

R - plinska konstanta, kJ/kgK 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

52

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: ω = 2RT

k −1  k  3 1− ( pt / p) k  ⋅10 k −1 

(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. 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: ϕ a = mz / 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 pzpt, 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>pp>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

58

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. Oscilacije tlaka očituju se i u resiveru zraka, čemu je posljedica pojava područja sniženog i povišenog tlaka ispred ispirnih otvora pojedinih cilindara. Rezultat plinskodinamičnih 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 γr 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, GÖ TAVERKEN, 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 s ispušnim ventilom: 1 - ispušni ventil; 2 - ispirni raspori; 3 - resiver ispirnog zraka

Sl. 2.23. Shema istosmjernog ispiranja s rasporima za ispiranje i ispuh: 1- ispušni raspori; 2 - resiver ispirnog zraka; 3 - ispirni 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 95 o 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 20 o iza zatvaranja ispirnih raspora poradi smanjenja gubitaka punjenja. Oni se zatvaraju od 47 do 57 o 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 ϕuš - kut uštrcavanja goriva ϕp - kut ispiranja ϕi - kut ispuha

Sl. 2.25. Shema poprečnog ispiranja

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

61

lamelasti ventili. Pri gibanju stapa prema DMT on otkriva prvo ispirne, a zatim 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 RD-motora: 1 - ispirni raspori; 2 ispušni raspori; 3 - okretna klapna

Sl.2.28. Shema ispiranja SULZER RND-motora: 1 - turbopuhalo; 2 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 ispiranja MAN-motora 1 - ispušni raspori 2 - Ispirni raspori 3 - 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: pV k = konst. (2.125.) k p V

- koeficijent adijabatske kompresije - tlak - 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: n1 n1 pV a a = pV c c

(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

V  pc = pa  a  Vc 

n1

= pa ⋅ ε n1 (2.127)

ε - 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: V  Tc = Ta  a  Vc 

n1 −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 α i duljinom l. Kut rasplinjavanja β 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: ω = ϕi 2

pu − p 3 10 ρ

(2.129.)

ω

- brzina istjecanja goriva, m/s

ϕi pu

- koeficijent istjecanja

p

- tlak plinova u cilindru, kPa - gustoća goriva, kg/m3

ρ

- tlak uštrcavanja, kPa

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. II. III. IV.

- glavni dio kompresijskog prostora je u čelu stapa; - glavni dio kompresijskog prostora je u poklopcu cilindra; - kompresijski prostor smješten je dijelom u poklopcu cilindra, a dijelom u stapu; - 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 (α) = 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 (α) = 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 ε 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 ε 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 ϕi, koji odgovara periodu kašnjenja τi, povećava se prema odnosu ϕi = 6nτi.

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 Qiz = Qef + Qis + Qhl + Qos

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: Q1 = Q3 + Q13 + Q14 + Q18 + Q19 Q1 = GhH d Q3 = 3600Pe Q13 = Gucu (T2u − T1u ) Q14 = G pc pT2p − GzT1cz Q19 = Gvcv (T2v − T1v )

Q18 Gh

- u neobuhvaćene toplinske gubitke ubraja se toplina koja se predaje okolini, gubici zbog nepotpunog izgaranja goriva itd. - potrošak goriva za sat, kg/h

Hd Pe

- toplinska vrijednost goriva, J/kg

Gu cu

- masa ulja za hlađenje, kg - toplinski kapacitet ulja, J/kg

T2u, T1u

- efektivna snaga motora, W

- 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 2v ,T1v − 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. K1 =

τd τt

K1 =

τ d ⋅ λ st βt E ⋅ δ st ⋅ q

q=

λ st ⋅ ∆t δ st

Taj je kriterij uvjetni koeficijent pričuve čvrstoće, koji karakterizira sigurnost konstrukcije stapa. On obuhvaća fizikalno-mehaničke odlike materijala stijenka i veličinu toplinskog toka. βt - konstrukcijski faktor debljina stijenke

δst

E - modul elastičnosti materijala naprezanje

τt

λst - veličina toplinskog tijeka naprezanje

τd

-

- uvjetno termičko -

dopušteno

za dani materijal Na 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), K2 =

Tlak >1 Tk 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): K3 =

Tko >1 Tr .H 2O

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: K4=

Tkr >1 Tko

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: q=

Qcil , W/m2 A

A = A1 + A2 + A3 Qcil- toplina odvedena po cilindru rashladnom vodom u jedinici vremena

A1

- površina preko koje se odvodi toplina, m2 - površina poklopca cilindra, m2

A2

- površina stapa

A3

- površina stijenke cilindra; uzima se samo pola površine jer izgarni plinovi ne

A

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 radnog procesa, neprestano se događa mijenjanje brzine stapa i tlaka plinova koji djeluju na čelo stapa.

80

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: px = pxi − po

(3.1.)

pxi - trenutni indicirani tlak, Pa po - tlak okolne atmosfere ili tlak prednabijanja, Pa Trenutna sila koja djeluje na stap je: F =

d 2π px , 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: Foj =

F cosβ

Fn = F tanβ

(3.3.) (3.4.)

β - 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: Ft = Foj sin(α + β ) = F

sin(α + β ) cosβ

(3.5.)

koja djeluje u tangencionalno smjeru na kružnicu polumjera r; α - kut osnog koljena prema osi cilindra, - radijalnu: Fr = Foj cos( α + β ) = F

cos( α + β ) cosβ

(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): M z = Ft ⋅ r = F

sin( α + β) cosβ

⋅r

(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, λ =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 ×tanβ = 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: Fc = mr ⋅ rω 2

(3.8.)

r - polumjer osnog koljena ω=

π ⋅n - kutna brzina osnog koljena 30

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 ρ od središta osnaca, onda se masa mo tog dijela, kod redukcije na ρ središte osnaca, mora multiplicirati s . Prema tomu je reducirana masa ramena

r ρ mr ,o = mo ⋅ , a budući da su dva ramena, to se za jedno osno koljeno mora uzeti r 2mr ,o . Rotirajuća masa donje glave ojnice s donjim dijelom ojnice m r .oj izračunava

se iz formule: mr .oj = moj ⋅

a l

(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

mr = mr .os + 2mr .o + mr .oj

(3.10.)

mr.os - reducirana masa osnaca 

b

Za ostatak mase ojnice  moj l  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 moj

b a ≈ moj ≈ 0,5moj . l l

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, moj

b l

za koji se računa da također izvodi linearno

oscilacijsko gibanje: 84

ms = mosc + moj

b l

(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 (α).

Sl. 3.4. Shema stapnih mehanizama dizelskih motora

Prema slici 3.4. može se uspostaviti veza između puta (x) i kuta (α) kako slijedi: x = r + l − r ⋅ cosα − l ⋅ cosβ

Sl. 3.5. Utjecaj parametra

λ

(3.12.)

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 λ , manja je komponenta F n okomita na kliznu površinu klipa ili klizne stope. Dakle, može se zaključiti, vrijednost parametra λ 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: λ=

r l

(3.13.)

onda je:

85

sinβ =

r sinα = λ sinα l

cos2 β = 1− sin2 β

(

cosβ = 1− sin2 β

1 2

) (

= 1− λ2 sin2α

)

1 2

Taj izraz razvijen u binomni red daje: 1 1 4 4 cosβ = 1− λ2 sin2α − λ sin α −... 2 2⋅ 4

Vrijednost λ za brodske dizelske motore je u granicama od 0,2 do 0,28, pa je za praktične proračune dostatno uzeti prva dva člana reda: 1 cosβ = 1− λ2 sin2α 2

(3.14.)

1   x = r ⋅ 1− cosα + λ sin2α    2

(3.15.)

Ako se put stapa derivira po vremenu, dobiva se brzina stapa (v). v=

dx dx dα dx = ⋅ = ⋅ω dt dα dt dα

λ   v = rω sinα + sin2α   2

(3.16.)

ω - kutna brzina osnog koljena Ubrzanje stapa izračunava se deriviranjem brzine po vremenu: a=

dv dv dα dv = ⋅ = ⋅ω dt dα dt dα a = rω 2( cosα + λ cos2α )

(3.17.)

Sila inercije oscilirajućih masa Fa je: Fa = -m's ×a Fa = −ms ⋅ rω 2( cosα + λ cos2α )

(3.18.)

Fa = −msrω 2 cosα − msrω 2λ cos2α

Označi li se: FI = − msrω 2

(3.19.)

FII = − msrω 2λ

(3.20.)

Fa = FI cosα + FII cos2α

(3.21.)

Silu Fa može se napisati kako slijedi: FI cosα

- sila inercije prvog reda FII cos2α - 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 (α = 0o ); Fa = −msω2r(1 + λ)

DMT (α =180o ); Fa = msω2r (1 − λ)

djeluje prema gore; djeluje prema dolje.

Sila inercije oscilirajućih masa periodički raste i pada ovisno o kutu α 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 cosα) FII je vektor sile inercije drugog reda (FII cos2α) 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 ×ω2cosα; - horizontalnu komponentu Fc.h. = mr ×r ×ω2sinα.

87

Sl. 3.7. Centrifugalna sila i njezine komponente

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 cosα oscilacijskih masa. Ako se zbroje vertikalne komponente I. i II. reda, dobiva se: FI .v = FI cosα + Fc cosα (3.22.) FII .v = FII cos2α

(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..=mr×r×ω2 sinα nastoji motor periodički pomicati desno-lijevo. Fa = FI cosα+FII cos2α oscilirajućih masa može se rastaviti u iste komponente kao i sila koja potječe od tlaka plinova izgaranja tj. Foj .a = Foj .a

Fa cos β

- inercijska sila oscilirajućih masa u smjeru ojnice Fn.a = Fa tan β

Fn.a

- komponenta sile inercije okomita na os cilindra Fr .a =

Fr .a

(3.24.)

Fa cos( α + β) cos β

(3.25.)

- komponenta sile inercije u smjeru osnog koljena Ft.a = Fa

sin( α + β) cos β

(3.26.)

 - komponenta sile inercije u smjeru tangente Mz .a = FA

M z .a

r sin( α + β) cos β

- okretni moment uzrokovan djelovanjem inercijske sile M pr .a = −Mz .a

M pr .a

(3.27.)

(3.28.)

- 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 Alslitina 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 cosα i FII cos2α 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

89

⋅

Fc’ FI cosα i FII ⋅ cos2α uzrokuju momente Mz, MI i MII, koji nastoje kućište motora prevrnuti i pomaknuti ili uzrokovati vibracije. Sile Fc1, Fc2 itd., odnosno njihove vertikalne komponente Fccosα, uzrokuju momente oko ravnine S - S na slici 3.10. u kojoj se nalazi težište stroja, pa se dobiva: Mc1 = Fc1 ⋅ cos α1 ⋅ h1

Mc2 = Fc2 ⋅ cos α2 ⋅ h2

itd.

Momenti horizontalnih komponenata Fc1sinα1h1, Fc2sinα2h2 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 I1 = FI cos α1h1 M I2 = FI cos α 2 h2

itd.

M II1 = FII cos 2α1h1 MII2 = FII cos 2α2h2

itd.

Radi izjednačivanja sila mogu se vektori sila pojedinih cilindara Fc, FI i FII grafički zbrajati vodeći računa o pripadnim kutovima α. 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 ⋅ ru ⋅ ω 2 = mr ⋅ r ⋅ ω 2

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 ω=

n , a mijenja se po sinusoidi, dok se Fa osim od sile prvog reda s frekvencijom 30

ω sastoji i od sile drugog reda frekvencije 2ω, koja se ne može izjednačiti sa silom prvog reda. Zbog toga se izjednačuje samo sila FIcosα, a FIIcos2α preuzima konstrukcija. Sila Fu što je daje protuuteg ima vertikalnu komponentu koja izjednačuje FIcosα i horizontalnu komponentu Fusinα koja ostaje neuravnotežena. Da se izbjegne prejako djelovanje horizontalnih komponenata protuutega, uzima se za izjednačivanje komponenata FIcosα 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: muω 2ru = mr ⋅ ω 2 ⋅ r +

1 msω 2 ⋅ r 2

ms - oscilirajuća masa

91

Protuutezi moraju biti smješteni tako da glavna osovina bude, s obzirom na djelovanje centrifugalnih sila, statički i dinamički uravnotežena. 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 s četiri 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. 92

Umjesto promjenljivog okretnog momenta Mz = Ft × r obično se promatra promjena tangencijalnih sila: Ft = Fr .osc

sin(α + β ) cosβ

Fr .osc = F ± Fa

Fr.osc F pix Fa

(3.29.) (3.30.)

- rezultirajuća oscilirajuća sila sastavljena je od sile na stap (F) i sile inercije (Fa) oscilirajućih masa - iz indikatorskog dijagrama - trenutni indicirani tlak - 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 δ, koji je jednak omjeru razlike maksimalne i minimalne kutne brzine i prosječne kutne brzine: δ= δ=

V maks −V min v

(3.31.)

ω maks − ω min nmaks − nmin = ω n

ω =

ω maks + ω min , (rad/s) 2

Stupanj nejednolikosti δ 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. 93

Pogon brodskih generatora ako rade paralelno 0,004 do 0,003. Prosječni okretni moment i prosječna tangencijalna sila mogu se odrediti iz indicirane snage motora pomoću slijedećih formula: Pi = Ft ⋅ 2rπ

n = Mz ⋅ ω , W 60 Mz =

Pi ω

, Nm

(3.32.)

Ovisnost prosječne tangencijalne sile o prosječnom tlaku u cilindru daje se slijedećim formulama: Pi =

D2π ω ⋅ S ⋅ pi ⋅ i ⋅ ⋅ z = Ft ⋅ r ⋅ ω 4 2π

Ft =

D2 pi ⋅ i ⋅ z , N 4

(3.33.)

S = 2r i - broj radnih stapaja po okretaju z - broj cilindara motora Mz =

Pz ω

- 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: E =θ

ω2 2

,J

(3.34.)

ω 2min ω 2maks E2 = θ E1 = θ 2 2 θ - moment tromosti masa koje rotiraju Višak rada koji je proizvelo povećanje kinetičke energije rotirajućih masa je:  ω2 ω2  ω + ω min ∆L = θ  maks − min  = θ maks ( ω maks − ω min) 2 2 2  

∆L = θω 2

ω maks + ω min = θω −2 ⋅ δ , J ω

(3.35.)

δ - stupanj nejednolikosti Ako se ∆L odredi planimetrijski iz dijagrama, a δ je zadano, može se izračunati ukupni moment tromosti rotirajućih masa potreban da se ostvari zadani stupanj nejednolikosti, tj: θ=

∆L 900∆ L = 2 δ ⋅ϖ δ ⋅ π 2 ⋅ n2

(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:

94

θ = ∫ r 2dm = m

D2 4

(3.37.)

m - masa rotirajućih dijelova D - promjer tromosti U praksi se često rabi zamašni moment GD2 umjesto momenta tromosti rotirajućih masa: GD 2 = 4gθ =

4g∆L

δ ⋅ω

=

2

3600g∆L

δ ⋅ π 2 ⋅ n2

, Nm2

(3.38.)

Moment tromosti rotirajućih masa dobiva se pomoću zamašnog momenta θ=

GD 2 4g

(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 ) ) , može se izračunati potreban

GD2 = GD2

2

mot

2

vijka

os

Ako su poznati (GD ) mot , (GD )vijka , (GD os GD 2 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: 2

2

2

Gv .z ⋅ Dv2.sr = Gv .z =

4g∆L Dv2.sr

⋅δ ⋅ω

2

=

4g∆L 3600 ⋅ g ⋅ ∆L = δ ⋅ ω2 δπ 2n2 3600 ⋅ g ⋅ ∆L Dv2.sr ⋅ δ ⋅ π 2 ⋅ n2

,N

(3.40.)

Težina cijelog zamašnjaka (Gz) približno se uzima (skupa s glavinom): Gz =11 , Gv .z

(3.41.)

Gv .z . - 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: θ = θ1 + θ2 + θ3 =

G1 2 G2 2 G3 2 i1 + i2 + i3 g g g

Izračunavanje polumjera tromosti pojedinih dijelova obavlja se prema slijedećim formulama:

(

)

- polumjer tromosti vijenca

(

)

- polumjer tromosti srednjeg prstena

(

)

- polumjer tromosti glavine

i1 =

1 2 d1 + d22 8

i2 =

1 2 d2 + d32 8

i3 =

1 2 d3 + d42 8

Prema formuli 3.38. može se izračunati promjer tromosti zamašnjaka kako slijedi:

(GD ) 2

z

= 4gθz = G1D12 +G2D22 +G3D32

D=

4gθ z Gz

(3.42.)

Težina zamašnjaka približno se određuje na osnovi empirijske formule:

( GD ) 2

z

=

CPe  237 ,  ⋅  δ  n 

3

, 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

δ - stupanj nejednolikosti Tablica 3.1. Vrijednosti čimbenika zamašnog momenta

96

C Broj cilindara 1 2 3 4 6 8

Otto - motori 4TOM 17,5 7,2 3,5 - 4,5 1,1 - 1,75 0,72 0,33

2TOM 14,5 2-4 1,5 0,72 -

Dizelski motori srednjeokretni sporookretni 4TDM 35 14,5 7-9 2,2 - 3,5 1,5 0,7

2TDM 22 3,6 2,2 1,1 -

4TDM 40 - 70 20 - 30 8 - 18 3-7 1,5 - 3 0,8 - 1,5

2TDM 25 - 60 5 - 15 4-6 2-3 -

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 δ 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 ___________________________________________________________________ __

4. Dijelovi dizelskih motora 98

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 3 - turbo-puhalo 5 - sabirnik ispirnog zraka 7 - razvodna osovina 9 - koljenasta osovina

2 - ispušne cijevi 4 - usisni ventil 6 - kotačić za regulaciju faze uštrcavanja 8 - ojnica 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

101

blazinicu obično imaju malu trajnu titrajnu čvrstoću, koja se povećava ako je sloj 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

1 - zatik 2 - blaznica 3,4 - zatici 5 - pločice za blaznice 6 - vijci za pritezanje 7 - poklopac ležaja 8 - osovina 9 - donji dio kućišta 10 - okvir

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.

103

Sl. 4.6. Podizanje koljenaste osovine hidrauličnom dizalicom za demontiranje donje 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.

104

4.7. a) Odvajanje bijelog metala poradi defleksije koljenaste osovine

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 "α" 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 "α", 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 "β" i "γ" na stranama s propisanim promjerom ležaja. Ako to nije tako, ta se dimenzija mora postići poprečnim "tuširanjem", bez "tuširanja" plohe nalijeganja "α", 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 "γ" 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 cm 2 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

111

Sl. 4.14. Kućište motora 1 - stalak 4 - plašt cilindra 7 - vrata 10 - zaštitini poklopac 13 - vodilica kotvenih vijaka 16 - klizna stopa za krmom

2 - stezne ploče 5 - temeljna ploča 8 - sigurnosni ventili 11 - vijci osnovnih ležajeva 14 - vijci ukrućivanja temeljnih vijaka 17 - podložak za regulaciju zračnosti

3 - kotveni vijak 6 - priključci za CO2 9 - poklopac 12 - blazinica osnovnog ležaja 15 - klizna stopa za naprijed 18 - koljenasto vratilo

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; 2 - usisni ventil; 3 - vodilica ventilarashladnog prostora 4 - ispušni ventil

5 - kućište ventila; 6 - poklopac otvora 7 - košuljica cilindra

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 - prsten 5 - 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 - prsten 3 - matica 4 - vijak 5 - gumena prstenasta brtva 6 - kućište ventila 7 - opruga 8 - podloška opruge 9 - 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.

124

Cirkulacijsko hlađenje ostvaruje se pri povećanoj brzini strujanja ulja koje se dovodi u prstenasti ili spiralni prostor, u uporabi je u brzookretnim i srednjookretnim 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 gornje glave ojnice

Sl. 4.36. Spoj stapajice i križne glave 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.

133

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 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 4 - vijci za osiguranje 5 - temeljni ležaj

6 - zubčasto kolo 7 - temeljna ploča 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)

134

b)

c)

d)

Sl. 4.43. Koljenasto vratilo: a -opći oblik; b -izrađeno od jednog komada; c -polusastavljeno; d -sastavljeno

Kut između koljena susjednih prema redoslijedu paljenja α izračunava se prema formuli: α=

360⋅ i z

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

135

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

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 razvodne osovine na ventil

Sl.4.45. Ventil s provrtom za 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

137

lakšeg punjenja cilindara zrakom. Pladanj ventila nasjeda na sjedište ventila pod 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

________________________________________________________________ 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 ________________________________________________________________ 5.1.1.

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 10 oC 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 2 - taložni tank teškog goriva 3 - dnevni tank teškog goriva 4 - dnevni tank diesel goriva 5 - troputni ventil 6 - filtar 7 - napojna sisaljka nižeg tlaka 9 - napojna sisaljka višeg tlaka

10 - parni zagrijač 11 - filtar goriva 12 - visokotlačna sisaljka 13 - prekotlačni ventil 14 - preljev visokotlačne sisaljke 15 - preljev pri provjeri usisa visokotlačnih sisaljki 16 - prekotlačni ventil 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 µm, 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 stapom koji 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 GÖ taverken 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 50 oC, 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 100 oC. 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 50 oC, 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 Kingstonventila, 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 90 oC na izlazu iz motora, a temperatura je ulazne vode od 50 do 70oC. Temperaturni pad relativno je malen i iznosi ∆t=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 o 85 C. 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 55 oC. 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 80 oC. 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 80 oC 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 podmazivanja ležajeva "mokri" karter

Sl.

5.26.

Shema

sustava

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 - 80 oC). 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

-

4

-

5

-

6

-

usisni filteri sisaljka ulja hladnjak termoregulacijski ventil 7 - filter 8 - ulaz ulja za podmazivanje osnovnih ležajeva i hlađenje stapova 9

-

10

-

sisaljka ulja za križnu glavu 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 filmom 2. Brtvljenje između prstenova i košuljice, te spriječavanje propuštanja prstenova 3. 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 istrošenja 5. 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 ulje 2-skladišni spremnik cilindarskog ulja 6-dnevni tank ulja 3-usisni filter transfer sisaljke cilindarskog ulja 7- lubrifikator 4-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 polozaj U 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 polozaj U 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 polozaj U 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 - čep Sl.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 upući190

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 regulatora 6.2. Regulatori neizravnog djelovanja bez povratne veze 6.3. Regulator neizravnog djelovanja s povratnom vezom

199

6.4. Granično-sverežimni regulatori man-ova motora 6.5. Woodward-regulatori 6.6. 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 Iregulatora. 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:

Ft = ±µN µ

- koeficijent trenja

N

- sila okomita na površinu trenja

Ft

- sila trenja

(6.1.)

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: Fr − A ω 2 ± Ft = 0 Fr

- postavna sila (ovisi o zategnutosti opruge)

A

- koeficijent proporcionalnosti

ω

- kutna brzina utega regulatora

(6.2.)

Ovisno o predznaku Ft mogu se izračunati dvije vrijednosti kutnih brzina utega koje odgovaraju graničnim položajima ravnoteže tuljka:

ω"=

Fr + Ft , ω, = A

Fr − Ft A

(6.3.)

Obje vrijednosti odgovaraju istom položaju tuljka:

ω"

- kutna brzina pri rastu kutne brzine

ω'

- vrijednost pri smanjenju kutne brzine

Zbog postojanja sile trenja u intervalu kutnih brzina ω" - ω' 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:

ε=

ω "−ω , ω sr

(6.4.)

ω "+ω , 2 Područje neosjetljivosti regulatora najbolje se ilustrira površinom u dijagramu ravnotežnih krivulja mjernog elementa. (sl. 14.2.) ω sr =

U ravnotežnom položaju tuljka je zo, a utezi imaju kutnu brzinu ωo. Kad se poveća kutna brzina, tuljak će ostati u položaju zo, sve dok kutna brzina ne dostigne vrijednost:

ω o" =

Fr + Ft A

Tada tuljak svlada silu trenja i pomakne se u novi položaj, npr. koji zauzima kod ωmaks. Kad se smanji broj okretaja, dogodit će se obratno, tuljak će se pomaknuti prema zmin pri kutoj brzini:

ω o, =

Fr − Ft A

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 δ.

δ=

ω maks − ω min ω sr

(6.5.)

ω maks + ω min 2 Stupanj neravnomjernosti iznosi obično od 2 do 6%. ω sr =

Sl. 6.3. Regulacijske karakteristike

Na slici 6.3. prikazane su regulacijske karakteristike motora, i to:

203

a - astatička karakteristika s δ=0; b - statička karakteristika s δ>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 (ρ = 650 - 800 g/cm3) i teško (ρ = 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 ρ . 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 ( ρ Ö pri 20oC)

0,831 - 0, 863

marinsko dizelsko ulje

0,892 - 0,932

teško ulje za loženje

0,920 - 0,950

ÖÖ

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 ϑ mjeri se u mm2/s i određuje se kao odnos dinamičke viskoznosti i gustoće goriva pri istoj temperaturi:

215

ϑ=

β ⋅106 ρ

β

- dinamička viskoznost, Pa ×s

ρ

- gustoća goriva, kg/m3

(7.1.)

Praktička jedinica za mjerenje kinematičke viskoznosti je stupanj Englera ( oE); on se dobiva iz odnosa vremena potrebnoga za protjecanje 200 cm 3 goriva kroz kalibrirani otvor viskozimetra Englera pri temperaturi ispitivanja viskoznosti prema vremenu protjecanja iste količine vode pri 20 oC. Viskoznost u sekundama Redwood I određuje se kao vrijeme istjecanja 50 cm 3 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 1 oE = 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 2 8 mm /s pri 20oC. Viskoznost srednjoviskoznih goriva ne bi smjela biti veća od 36 mm2/s pri 50 oC. Teška dizelska goriva (mazut), najčešća u uporabi za brodske motore, imaju viskoznost do 350 mm 2/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 MartensPenskog. 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 o -10 C 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 40 oC. 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

217

gorivu komplicira eksploataciju filtara i separatora. Da bi se spriječilo stvaranje taloga, preporučuje se 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 (NaVO 3 i Na4V2O7) koji se tale na još nižim temperaturama, tj. pri 630 oC. 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 630 oC 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 SO 3 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 µm 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.

219

7.2.13. Voda u gorivu 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:

220

1. plinsko ulje (Marine Gas Oil-MGD); 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 60 oC, 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 40 oC 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 Gustoća (pri 15oC)

g/ml

MARINE GAS OIL

MARINE DIESEL OIL

IFO

BFO

0,82...0,78

0,85...0,92

0,90...0,991

0,991 do 1,010

2 ... 7

4 ... 17

-

-

-

-

30 ... 420

do 700

-

-

200 ... 4000

7000

-25 ... -7

-18 ... 10

0 ... 20

do 30

Viskozitet * pri 40oC

mm2/s

(cSt)

pri 50oC

mm2/s

(cSt)

pri 100oC

(38oC)

(RWI)

Stinište Sumpor **

oC %

0,2 ... 1,8

1 ... 5

222

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

Voda

%

0 ... 0,1

0 ... 0,25

0,1 ... 1

do 2

50 ... 40

40 ... 20

40 ... 20*

-

Kvaliteta paljenja ***** Cetanski broj/index

*svojstveno lakoj komponenti

oC min. 60 (ili kako je zakonom određeno) Plamište 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

KLASA

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

1,50 5,50

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

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

12,0

14,0

20,0

22,0

22,0

22,0

-

-

-

oC

43,0

60,0

60,0

600

60,0

60,0

60,0

60,0

60,0

60,0

60,0

60,0

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

0,01

0,02

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0,01

0,01

0,05

0,10

0,10

0,10

0,15

0,20

0,20

0,20

0,20

0,20

KINEMATSKI VISKOZITET PRI 40oC, cSt,

min. maks

KARBONSKI OSTATAK, CONRADSON, % maks.

(m/m)

PLAMIŠTE, min. SADRŽAJ VODE, % (v/v),

UKUPNI TALOZI, % maks.

(m/m),

PEPEO, % (m/m) maks.

223

SADRŽAJ SUMPORA % maks.

(m/m)

STINIŠTE, oC (01.12.-31.03.) 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

-

0

24

30

30

30

30

30

30

30

30

30

-

6

24

30

30

30

30

30

30

30

30

30

-

-

100

250

350

500

600

600

600

600

600

600

-

-

30

30

30

30

30

30

30

30

30

30

(01.04.-30.11.) maks, SADRŽAJ VANADIJA, mg/kg,

maks.

SADRŽAJ ALUMINIJA, m/kg,

maks.

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 DESTILIRANO

OZNAKA

NAPOMENA

KLASA

KATEGORIJA

ISO - F -

DMX

Za uporabu izvan strojarnice (generator za nuždu, čamci za spašavanje i sl.)

ISO - F -

DMA

Za opću uporabu; ne smije sadržati ostatke

GORIVO DESTILIRANO GORIVO

DMB DMC

Za opću uporabu; može sadržavati tragove ostataka Za opću uporabu; može sadržati nešto ostataka

RESIDUALNO GORIVO

ISO - F -

RMA 10

Gorivo ograničene gustoće

RMB 10 RMC 10 RMD 15 RME 25 RMF 25 RMG 35 RMH 35 RMH 45 RMH 55

RESIDUALNO GORIVO

ISO - F -

RMK 35

Gorivo neograničene gustoće

RML 35 RMK 45 RML 45 RML 55

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 180 oC, 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.

225

7.5.2. Produkcija i oplemenjivanje ulja 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

226

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. 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 170 oC, 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.

227

Vodu iz ulja se odstranjuje separiranjem uz prethodno zagrijavanje od 70 do 80 oC. 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