Effectief vermogen /
5.0 Luchtvoorziening 5.1 Inleiding
Een motor heeft lucht nodig om de brandstof volledig te verbranden en lucht om te spoelen en te koelen.
Bij zuigvulling zuigt de motor tijdens de inlaatslag lucht aan van atmosferische conditie. Het bezwaar hiervan is dat de luchtdruk in de cilinder bij begin compressie nog lager is dan de atmosferische druk. Er is enkel meer lucht in de cilinder te krijgen indien er lucht onder een verhoogde druk voor het spoelen en het vullen van de cilinder wordt gebruikt.
De hoeveelheid arbeid die door de motor per cilinder kan worden geleverd is, uitgaande van een gelijk blijvend rendement, evenredig aan de hoeveelheid brandstof die in de cilinder kan worden verbrand. Als we nu meer brandstof willen verbranden, dan zullen we in eerste instantie moeten zorgen dat er meer lucht in de cilinder komt. Dit laatste is mogelijk door de lucht, voordat deze de cilinder in stroomt, op een hogere druk te brengen. Eigenlijk wordt door deze
drukverhoging de dichtheid van de lucht verhoogd. Deze vorm van voorcompressie noemt men drukvulling.
Drukvulling De toepassing van drukvulling heeft enkel zin wanneer het rendement van de motor gelijk blijft of nagenoeg gelijk blijft. Verder zal er door drukvulling een hogere temperatuur en druk in de cilinder optreden. De materialen van de motor moeten hier dan ook op berekend zijn. Verder is het thermisch rendement van de motor sterk afhankelijk van de grootte van de compressieverhouding en van de verhouding maximale verbrandingsdruk / compressiedruk.
Een hoge compressieverhouding is noodzakelijk om tijdens aanzetten van de motor een voldoende hoge eindcompressie temperatuur te verkrijgen om de brandstof tot zelfontbranding te brengen. Bij moderne motoren wordt deze lucht geleverd door een
uitlaatgassenturbine. De uitlaatgassenturbine wordt door de motor geproduceerde uitlaatgassen aangedreven. De turbine drijft op zijn beurt een direct gekoppelde compressor aan. Deze compressor, vaak blower genoemd, zuigt lucht van atmosferische conditie aan en
comprimeert deze tot een hogere druk. Bij moderne motoren kan deze druk oplopen tot 4 bar absoluut. Voor de duidelijkheid, atmosferische conditie wil zeggen dat de buitenluchtdruk 1 bar absoluut bedraagt. Het proces van luchtlevering met behulp van een uitlaatgassenturbine en een compressor, kortweg turboblower genoemd, is schematisch weergegeven op afbeelding 1.
Afbeelding 1. Motor met uitlaatgassenturbine.
Afbeelding 2. Motor met opgebouwde turbines. Wärtsilä 38.
Op afbeelding 2 is een V-motor weergegeven met twee opgebouwde turbines, de twee blauwe gedeeltes, rechts op de afbeelding, zijn de luchtfilters van de compressoren. De lucht wordt via de blauwe filters aangezogen en komt dan in een verzamelleiding van waaruit het door de watergekoelde luchtkoeler geperst wordt. Tijdens het samenpersen van de lucht tot circa 3 barg (overdruk), wordt de lucht erg heet. Voordat de lucht de cilinder instroomt wordt deze gekoeld naar circa 60 – 70 graden Celsius. De lucht mag overigens niet veel kouder worden, de lucht kan de cilinder te veel afkoelen en een tweede reden is, hoe lager de temperatuur bij begin compressie is, des te lager is hij bij het einde van de compressie.
MOTOR Uitlaatzijde (Rookgas) Inlaatzijde (Lucht) Turbine Compressor Koeler Naar uitlaat Lucht aanzuig
Bij de vierslag motor is bekend dat de in en uitlaatklep gedurende een bepaald moment gelijktijdig open staan, de zogenaamde klepoverlap. De tijd dat de kleppen gelijktijdig open staan zal met drukvulling groter moeten worden. De verbrandingsruimte moet nu namelijk intensiever gespoeld en gekoeld worden, de mate van overlap is sterk afhankelijk van de manier van drukvulling.
Bij drukvulling kennen we onder andere de volgende systemen: - Het gelijke druk systeem
- Het stootsysteem, ook wel Buchi systeem genoemd - Het SPEX systeem (Single Pulse Exhaust System) 5.1.1 Het gelijke druk systeem
Bij het gelijke druk systeem worden de uitlaatgassen van alle cilinders naar een gemeenschappelijke uitlaatgassenleiding gevoerd. Omdat de uitlaatgassenleiding een grote inhoud heeft, worden eventuele
optredende drukgolven afgevlakt. De uitlaatgassen drijven de turbine aan. De compressor comprimeert de lucht waarna deze door de luchtkoeler stroomt en vervolgens naar de spoelluchtleiding op de motor, dit systeem is identiek aan het systeem op afbeelding 3. Bij het gelijke druk systeem heeft de motor over het algemeen een hoger rendement dan bij een ander systeem, dit omdat er nagenoeg geen drukstoten zijn en de compressor een constante luchtlevering heeft. Het gelijke druk systeem is vooral geschikt voor motoren die veel vollast draaien. Afbeelding 3 is hetzelfde als afbeelding 1.
Afbeelding 3. Het gelijke druk systeem. 5.1.2 Het stootsysteem, Buchi systeem
De diverse cilinders worden nu aangesloten op relatief korte en nauwe uitlaatgassenleidingen. In deze leidingen ontstaat direct na het openen van een uitlaatklep een drukgolf. Deze drukgolf wordt vervolgens weer gevolgd door een drukdal. Door nu de juiste keuze te maken van klepopeningstijden laten we het drukdal samenvallen met de
gelijktijdige opening van en in en uitlaatkleppen van een cilinder, ofwel met de spoelperiode. Bij dit systeem kunnen niet meer dan drie cilinders op een uitlaatgassenleiding, waarin de turbine is opgenomen, worden aangesloten. Dit is om te voorkomen dat de druk in de
uitlaatgassenleiding te groot wordt en hierdoor uitlaatgassen kunnen terugstromen in een cilinder waarvan de uitlaat wordt geopend. Op afbeeldingen 4 tot en met 10 zijn diverse systemen weergegeven. Het stootsysteem is complex qua leidingen maar vooral geschikt voor motoren die regelmatig in deellast draaien.
1 2 3 4 5 6 7 8
T C
Afbeelding 4. Een 6 cilinder vierslag motor.
Op afbeelding 4 is een 6 cilinder vierslag motor weergegeven. De verbrandingsvolgorde, ontstekingsvolgorde, is 1-2-4-6-5-3. De motor is met twee uitlaatgasseleidingen aangesloten op de drukvulgroep. Op alle volgende afbeeldingen is voor de eenvoud enkel nog de aansluiting op de turbine getekend. De luchtleiding vanaf de
compressor gaat in alle gevallen via een koeler en komt dan op een gemeenschappelijke luchtleiding, de spoelluchtleiding uit.
Afbeelding 5. 8 cilinder 4 slag motor met vier cilindergroepen op een leiding.
De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 5 is: 1-7-6-4-8-2-3-5. 1 2 3 4 5 6 T C Koeler 1 2 3 4 5 6 7 8 T C
Afbeelding 6. 8 cilinder 4 slag motor met twee cilindergroepen op een leiding.
Het systeem op afbeelding 6 blijft voorbehouden aan langzaamlopers en middelsnel lopende dieselmotoren. Dit systeem kan worden toegepast bij motoren met 4, 8 en 16 cilinders. De onderlinge ontstekingsvolgorde moet echter minimaal 180º (krukgraden) bedragen.
De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 6 is: 1-4-7-6-8-5-2-3.
Op afbeelding 7 is een bijzondere toepassing van het stootsysteem weergegeven, het zogenaamde Pulse Convertor systeem. Hier zijn vier cilinders op een uitlaatgassenleiding aangesloten. Een voorwaarde is wel dat de beide op dezelfde aangesloten cilinders een
ontstekingsvolgorde moeten hebben met afstanden van 360º. Het Pulse Convertor systeem is uitermate geschikt voor snellopende motoren.
Afbeelding 7. Het Pulse Convertor systeem.
De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 7 is: 1-4-7-6-8-5-2-3.
1 2 3 4 5 6 7 8
T C
1 2 3 4 5 6 7 8
Afbeelding 8. Het Pulse Convertor systeem.
De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 8 is: 1-3-5-7-8-6-4-2
Verder kennen we het Multi Stootsysteem nog. Dit systeem wordt toegepast bij motoren met zeven cilinders en meer. De pieken (Amplitudes) van de drukgolven worden in de uitlaatgassenleiding afgebouwd. Als er 7 of meer cilinders over vier gescheiden leidingen naar de gemeenschappelijke leiding van de turbine worden gevoerd, worden de gassen onder nagenoeg een constante druk aangevoerd. Op de afbeeldingen 9 en 10 zijn twee uitvoeringen van het Multi Stoot systeem weergegeven.
Afbeelding 9. Een uitvoering van het Multi Stoot systeem. De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 9 is: 1-7-6-4-8-2-3-5.
1 2 3 4 5 6 7 8
T C
1 2 3 4 5 6 7 8
Afbeelding 10. Een uitvoering van het Multi Stoot systeem. De ontstekingsvolgorde van de motor op afbeelding 10 is: 1-4-7-6-8-5-2-3.
5.1.3 Het SPEX systeem
Bij dit systeem worden alle cilinders op een relatief dunne
uitlaatgassenleiding aangesloten die naar de turbine leidt. Om nu te voorkomen dat de drukstoot van de uitlaat van de ene cilinder de spoeling van een andere cilinder beïnvloed, zijn in het
uitlaatgassenkanaal, vlak voor de opening van de uitlaat, schotten aangebracht over circa 25% van de doorlaat. Dit systeem kenmerkt zich door een eenvoudige constructie, vooral bij motoren van zes cilinders of meer biedt dit systeem grote voordelen. Met eenvoudige constructie wordt hier bedoeld dat het veel eenvoudiger is ten opzichte van het stootsysteem en ten opzichte van het gelijke druk systeem is het ruimte besparend, de grote dikke uitlaatgassen receiver komt nu te vervallen.
1 2 3 4 5 6 7 8
5.2 Verbrandingslucht
Verbrandingslucht wordt, zoals de naam al aangeeft, gebruikt voor verbranding.
De hoeveelheid lucht per cilinder is dus gelijk aan:
2 2 3
4 D s m m m
=
D = Diameter van de voering [m]
S = Slag [m]
n = Toerental [omw/sec]
z = Aantal cilinders [dimensieloos]
De hoeveelheid beschikbare verbrandingslucht per seconde bedraagt
voor een vierslag motor:
( )
2 2 31/ sec / sec
4 2
n
D s z m m m
=
We weten nog dat bij de vierslag motor het arbeidsproces 4 slagen duurt.
De hoeveelheid beschikbare verbrandingslucht per seconde bedraagt
voor een tweeslag motor:
( )
2 2 31/ sec / sec
4 D s n z m m m
=
We weten nog dat bij de tweeslag motor het arbeidsproces 2 slagen duurt.
Dit laatste bepaalt tevens hoeveel brandstof per cilinder ingespoten kan worden.
Tijdens de uitlaatslag staan de inlaat- en uitlaatkleppen bij de vierslag motor voor een bepaalde tijd gelijktijdig open. Nu wordt lucht voor spoelen en koelen gebruikt. Dit is dus tijdens klepoverlap.
Samengevat kunnen we stellen:
- De hoeveelheid lucht die bij begin compressie in de cilinder aanwezig is, bepaalt de hoeveelheid brandstof die ingespoten kan worden.
- De hoeveelheid brandstof die ingespoten wordt is een maat voor het vermogen.
- Tijdens klepoverlap wordt, bij de vierslag motor, de verbrandingsruimte gespoeld en gekoeld.