ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Ι ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 9 Δίχρονοι Πετρελαιοκινητήρες
ΑΣΚΗΣΗ 9: ΔΙΧΡΟΝΟΣ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΙΝΗΤΗΡΑΣ Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τα τμήματα και (β) Τη λειτουργία Δίχρονων Εμβολοφόρων Πετρελαιοκινητήρων ναυτικών εφαρμογών. Θεωρητικό μέρος 1. Δομή Σήμερα υπάρχουν διάφοροι τύποι 2-χρονου diesel. Μερικοί μοντέρνοι τύποι διαφέρουν από τους δίχρονους βενζινοκι-νητήρες στο ότι έχουν βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής στην κυλινδροκεφαλή όπως ακριβώς έχει ο 4-χρονος. Σε αυτούς τους κινητήρες ο κύκλος λειτουργίας γίνεται σε 2 χρόνους και έχουμε μεγαλύτερο λόγο ισχύος βάρους. Αυτός ο τύπος συνα-ντάται στα φορτηγά αυτοκίνητα και στις ατμομηχανές τρένων. Οι πιο συνήθεις τύποι 2- χρονου diesel συναντώνται σε ναυτικούς κινητήρες για μεγάλα φορτηγά πλοία. Αυτού του τύπου οι κινητήρες χρησιμο-ποιούν την μέθοδο εισαγωγής του καυσίμου όπως ο 2-χρονος βενζινοκι-νητήρας, όμως έχει βαλβίδα εξαγωγής καυσαερίων στην κυλινδροκεφαλή. Σχήμα 1: Σχηματική διάταξη δίχρονου πετρελαιοκινητήρα πλοίων Επίσης οι κινητήρες αυτοί χρησιμοποιούν ένα βάκτρο μετάδοσης κίνησης όπου παρεμβάλλεται ανάμεσα στο έμβολο και στον διωστήρα.
Πρώτα απ όλα πρέπει να ξέρουμε την βασική διαφορά των 2-χρονων απ τους 4-χρονους κινητήρες (βενζίνης και πετρελαίου). Οι 2-χρονοι κινητήρες ΔΕΝ χρησιμοποιούν βαλβίδες εισαγωγής. Για την σωστή λειτουργία τους χρειάζονται κάποια βοηθητική διάταξη η οποία θα στέλνει τον αέρα υπο πίεση. Οι 2-χρονοι κινητήρες diesel για την λειτουργία τους χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον διατάξεις υπερπλήρωσης τύπου Roots. 2. Δίχρονος πετρελαιοκινητήρας ναυτικών εφαρμογών Ο 2-χρονος diesel κινητήρας με βάκτρο μετάδοσης κίνησης λειτουργεί ακριβώς όπως και ένας 2-χρονος diesel με έμβολο-διωστήρα. Τα μειονεκτήματα του δεύτερου είναι ότι παρόλο που έχουν μικρό σχετικά υψος, το λιπαντικό λάδι το οποίο φεύγει από τον στροφαλοθάλαμο για να λιπάνει τον κύλινδρο μπορεί να ξεφύγει και να εισέλθει στο χώρο καύσης με πιθανή συνέπεια την καύση του. Υπάρχει ακόμα πιθανότητα ότι από τον κύλινδρο μπορεί να διαπεράσει αέρας στον στροφαλο-θάλαμο και έτσι μπορεί να δημιουργηθεί υπερπίεση με αποτέλεσμα την δυσκολία περιστροφής του στροφαλοφόρου. Για το λόγο αυτό η λίπανση του στροφαλοφόρου είναι ξεχωριστή. Η πλειοψηφία των 2-χρονων diesel κινητήρων που βρίσκονται στα πλοία είναι με βάκτρο μετάδοσης κίνησης. Σε αυτόν τον τύπο κινητήρα ο χώρος καύσης (που δημιουργείται από τον κύλινδρο, το έμβολο και το κατω μέρος της κυλινδροκεφαλής), πρέπει να είναι ξεχωριστός από τον στροφαλοθάλαμο και αυτό επιτυγχάνεται με το διάφραγμα. Το διάφραγμα στεγανοποιεί τους δύο χώρους, σταματώντας το λάδι του στροφαλοθαλάμου να εισέλθει στον χώρο καύσης και αντίστροφα τον αέρα από τον χώρο καύσης να διαπεράσει στον στροφαλοθάλαμο.. Σχήμα 2: Σχηματική διάταξη κινηματικού μηχανισμού 2-Χ πετρελαιοκινητήρα
Το βάκτρο του εμβόλου περνάει μέσα από το διάφραγμα και καταλήγει σε ένα εξάρτημα που ονομάζεται σταυρός. Ο σταυρός εκτός από την σύνδεσή του, από επάνω,με το βάκτρο, είναι συνδεδεμένος από την κάτω πλευρά του με τον διωστήρα, ο οποίος και αυτός συνδέεται με τον στροφαλοφόρο. Για να εξασφαλίσουμε ότι ο σταυρός ανταποκρίνεται στην ευθυγράμμη κίνηση με το έμβολο μέσα στον κύλινδρο, σε κάθε πλευρά του σταυρού είναι εγκατεστημένοι δύο οδηγοί (ποδιές). Έτσι κρατάνε τον σταυρό σε μια ευθύγραμμη παλινδρομική κίνηση. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον τύπο 2-χρονου κινητήρα diesel, μπορούμε να έχουμε μακράς διάρκειας εκτονώσεις, που αυτό σημαίνει ότι ο κινητήρας μπορεί να κάψει μεγάλη ποσότητα μίγματος και συνεπώς να αποδόσει μεγαλύτερη ισχύ και ροπή στρέψης. Το καύσιμο που θα χρησιμοποιηθεί μπορεί να είναι χαμηλής ποιότητας, από ότι στους κινητήρες χωρίς βάκτρο, με υψυλότερα ποσοστά θείου, ενώ υψηλής αλκαλικότητας λιπαντικά κυλίνδρου( κυλινδρέλαια) με διαφορετικά κατα-σκευαστικά χαρακτηριστικά από το λιπαντικό λάδι που χρησιμοποιείται στον στροφαλοθάλαμο, χρησιμοποιούνται για να λιπαίνουν τον κύλινδρο και το έμβολο. Επίσης αντιμετωπίζουν τις παρενέργειες που φέρουν τα διάφορα οξέα.είναι γνωστό ότι οι πιο ισχυρές μηχανές diesel στον κόσμο είναι οι 2-χρονες με βάκτρο μετάδοσης κίνησης. Παρακάτω γίνεται μια περιγραφή ενός τέτοιου κινητήρα Ο υπερτροφοδοτούμενος 2-χρονος diesel κινητήρας WARTSILA SULZER RTA96-C είναι ο ισχυρότερος και πιο αποδοτικός κινητήρας σήμερα. Η Aioi Works Of Japan s Diesel United LTD, έφτιαξε αυτόν τον κινητήρα όπου εμφανίζεται παρακάτω. Ο κινητήρας είναι διαθέσιμος σε εκδόσεις με 6 έως 14 κυλίνδρους. Η χρήση αυτών των κινητήρων γίνεται από μεγάλα φοτηγά πλοία. Η διάμετρος του κυλίνδρου είναι 38 και η διαδρομή του εμβόλου φτάνει τις 98. Κάθε κύλινδρος έχει χωρητικότητα 111.143 κυβικές ιντσες (1820 λίτρα) και παράγει 7780 ίππους. Για την έκδοση των 14 κυλίνδρων η μέγιστη χωρητικότητα του κινητήρα είναι 25480 λίτρα. Τεχνικά χαρακτηριστικά 14-κύλινδρου κινητήρα. * Συνολικό βάρος κινητήρα. 2300 τόνοι ( ο στροφαλοφόρος μόνος του ζυγίζει 300 τόνους). * Μήκος 89 πόδια * Ύψος 44 πόδια * Μέγιστη ισχύς 108920 hp στις 102 στρ/min. * Μέγιστη ροπή 5608312 lb/ft στις 102 στρ/ min. Πρέπει να πούμε ότι στην μέγιστη οικονομική λειτουργία ο κινητήρας έχει θερμική απόδοση 50%. Αυτό σημαίνει ότι πάνω από 50% της ενέργειας του καυσίμου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Ακόμα και στην λειτουργία με την maximum απόδοση ο κινητήρας κατανα-λώνει 1660 γαλόνια ανα ώρα. Η παρακάτω φωτογραφία μας δείχνει την εγκατάσταση των κουζινέτων στον στροφαλοθάλαμο. Η κατανάλωση καυσίμου στην μέγιστη ισχύ είναι 0,278 lbr ανα ίππο ανα ώρα. Στην μέγιστη οικονομική λειτουργία η κατανάλωση φτάνει στις 0,260lb/hp/hour.
Σχήμα 3: Στροφαλοφόρος άξονα 2-Χ πετρελαιοκινητήρα πλοίου
Στην επόμενη φωτογραφία μπορούμε να δούμε στον στροφαλοφόρο άξονα ενός κινητήρα 10 κυλίνδρων. Σχήμα 4: Εγκατάσταση κουζινέτων σε στροφαλοφόρο άξονα
Παρακάτω παρατηρούμε την συναρμογή του εμβόλου με το βάκτρο. Σχήμα 5: Συναρμογή εμβόλου με βάκτρο
Οι παρακάτω φωτογραφίες μας δείχνουν ξεχωριστά τα έμβολα και τα βάκτρα πριν την ένωσή τους. Τα καρφιά σε κάθε βάκτρο είναι κανονικά κούφιοι σωλήνες οι οποίοι μπαίνουν στις τρύπες των εμβόλων, και ψεκάζουν λάδι στο εσωτερικό τους για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση των εμβόλων. Σχήμα 6: Έμβολα 2-Χ πετρελαιομηχανών πλοίων Σχήμα 7: Βάκτρα 2-Χ πετρελαιομηχανών πλοίων
Σχήμα 8: 2-Χ πετρελαιοκινητήρας πλοίου
Σχήμα 9: 2-Χ πετρελαιοκινητήρας πλοίου κατά την εγκατάσταση του
Σχήμα 10: Διαμήκης τομή 2-Χ πετρελαιοκινητήρα πλοίου
Σχήμα 11: Εγκάρσια τομή 2-Χ πετρελαιοκινητήρα πλοίου
Σχήμα 12: Εγκάρσια τομή 2- Χ πετρελαιοκινητήρα πλοίου
Σχήμα 13: Εγκάρσια τομή 2- Χ πετρελαιοκινητήρα πλοίου
1 ος Χρόνος: Ο στροφαλοφόρος άξονας κινείται με την φορά του ρολογιού και το έμβολο κινείται προς το Α.Ν.Σ. συμπιέζοντας τον αέρα που υπάρχει στον χώρο καύσης. Η ενέργεια που προσδίδεται στον αέρα του ανεβάζει την πίεση και την θερμοκρασία. Μόλις το έμβολο φτάνει στο Α.Ν.Σ η πίεση είναι πάνω από 100 bar και η θερμοκρασία πάνω από 500 ο C (τυπικός δίχρονος πλοίου). Ακριβώς πριν το έμβολο φτάσει στο Α.Ν.Σ. το καύσιμο ψεκάζεται στον θάλαμο καύσης από τους εγχυτήρες. Το εισερχόμενο καύσιμο αμέσως εξατμίζεται και σχηματίζει ένα νέφος πολύ μικρών σταγονιδίων. Λόγω του μικρού μεγέθους τους, τα σταγονίδια αυτά, θερμαίνονται πολύ γρήγορα και καίγονται. Έτσι έχουμε την καύση του μίγματος. Τα καυσαέρια που προέρχονται από την καύση πιέζουν το έμβολο προς τα κάτω, γυρνώντας έτσι τον στροφαλοφόρο άξονα. Σε αυτό το σημείο λέμε ότι έχουμε παραγωγή έργου. 2 ος Χρόνος: Όπως το έμβολο κατεβαίνει προς το Κ.Ν.Σ. η χρήσιμη ενέργεια καταναλώνεται. Στις, περίπου, 110 ο μετά το Α.Ν.Σ. ανοίγει η βαλβίδα εξαγωγής και τα θερμά καυσαέρια αρχίζουν να φεύγουν από τον κύλινδρο. Στις περίπου 140 ο μετά το Α.Ν.Σ το έμβολο αποκαλύπτει έναν οχετό. Ο οχετός αυτός ονομάζεται και οχετός για την απομάκρυνση των κατάλοιπων καύσης (οχετός σάρωσης κυλίνδρου). Συμπιεσμένος αέρας εισρέει στον κύλινδρο από τον οχετό και σπρώχνει τα εναπομείναντα καυσαέρια προς το περιβάλλον. Το έμβολο τώρα περνάει από το Κ.Ν.Σ και αρχίζει να κινείται προς τα πάνω, κλείνοντας του ς οχετούς. Η βαλβίδα εξαγωγής κλείνει και η συμπίεση αρχίζει. Ο κύκλος λειτουργίας ενός 2-χρονου diesel μπορεί να εικονογραφηθεί σε ένα χρονοδιάγραμμα. 1 2 Συμπίεση (110 ο πριν το Α.Ν.Σ) 2 3 Έγχυση καυσίμου (10 ο πριν το Α.Ν.Σ) 3-4 Παραγωγή έργου (12 ο μετα το Α.Ν.Σ) 4-5 Εξαγωγή καυσαερίων (110 ο μετα το Α.Ν.Σ) 5 6 Απόπλυση (140 ο μετά το Α.Ν.Σ) 6 1 Αναρρόφηση. (140 ο πριν το Α.Ν.Σ) Σχήμα 14: Διάγραμμα χρονισμού 2-Χ πετρελαιοκινητήρα Πρακτικό μέρος (α)να γίνει αναφορά στον δίχρονο πετρελαιοκινητήρα, στον τρόπο λειτουργίας του, στον τρόπο λίπανσης. (β) Αναφέρατε τη διαδικασία εκκίνησης δίχρονου πετρελαιοκινητήρα.