Forbrenningsmotorer. 1 : Grunnlag [1] 8200274047 [PDF]

Zitiervorschau

LEIF LUNDBY

Forbrenningsmotorer I. X,

A *

GRUNNLAG

UNIVERSITETSFORLAG ET

© Universitetsforlaget 1968 2. utgave 1975 3. utgave 1979

ISBN 82-00-27404-7

Etter lov om opphavsrett til åndsverk av 12. mai 1961 er det forbudt å mangfoldiggjøre innholdet i denne bok,

helt eller delvis, uten tillatelse fra forlaget. Forbudet gjelder enhver form for mangfoldiggjøring ved trykking, kopiering, stensilering, båndinnspilling o.l.

Omslag: Stein Davidsen

/zCc

Trykk: Ant. Anderssens Trykkeri A/S, Larvik 1979

>

Forord Denne læreboka om forbrenningsmotorer er først og fremst skrevet for ingeniørhøgskolene i Norge. Boka bør også passe for billinja i teknisk fagskole. Sammenligner man med den plass dette faget har i timeplanen, er bokas omfang sikkert for stort. Når jeg likevel har valgt å skrive en relativt omfattende bok, er det hovedsakelig av følgende to grunner. For det første går den tekniske utvikling i dag så fort på alle felter at det blir vanskeligere og vanskeligere å få plass på timeplanen til et tilstrekkelig antall forelesninger i de enkelte fag. Dette stiller økete krav til lærebøkene. Etter min mening må det i denne situasjon være viktig å disponere lærebøker som er så utfyllende at de gir muligheter for et visst selvstudium i de forskjellige fagene. Jeg har derfor forsøkt å gjøre den foreliggende bok så utfyllende at den - ved siden av å dekke det grunnleggende pensum - også kan gi de av elevene som fatter ekstra interesse for forbrenningsmotorer anledning til å skaffe seg en viss oversikt over hele fagområdet ved hjelp av selvstudier. Blant annet av denne grunn er boka utstyrt med en mengde øvelsesoppgaver med besvarelse. Den andre hovedgrunnen til å lage en relativt omfattende bok skriver seg fra det forhold at det ved de fleste tekniske skoler gis konstruksjonsoppgaver i forbrenningsmotorer. Det må da være en fordel å ha en lærebok som gir det viktigste grunnlag for løsning også av disse konstruksjonsoppgavene, slik at behovet for andre tilleggs-bøker reduseres. Å få med alle mulige konstruksjonsdetaljer i en eneste bok er selvsagt umulig, men i den foreliggende lære­ bok er det mest vesentlige av dette konstruksjonsmaterialet tatt med. Boka er utstyrt med stikkord-register for å gjøre den egnet som oppslagsbok. Under redigeringen er det lagt vekt på å skille ut de viktigste deler av stoffet i naturlige enheter, slik at dette kan foreleses som et avsluttet hele innenfor det timetall som disponeres. På denne måten er det altså forsøkt å gjøre boka egnet som grunnlag for både forelesninger, konstruksjoner og selvstudium. Generelt sett er det viktigste stoffet å finne i hovedkapitlene 2—12, men det er selvsagt opp til faglærerne å velge i detalj det som skal gjennomgås. Ved siden av en oversiktlig disponering, er det forsøkt å gjøre boka «up to date», og nye utviklingstendenser på dette fagområdet er berørt. Jeg vil rette en takk til siv.ing. G. Fiskaa og siv.ing. E. Sundt som har vært behjelpelige med tegning av figurer og løsning av øvelsesoppgaver. De er begge tilknyttet Institutt for Forbrenningsmotorer ved Norges tekniske høgskole, hvor også forfatteren arbeider.

London, 1968

Leif Lundby

Forord til 2. utgave Den 2. utgaven av læreboka i forbrenningsmotorer skiller seg fra den første hovedsakelig på to måter: Sl-enheter er blitt innført, og boka er blitt delt opp i tre bind (bind I: grunnlag, bind II: skipsmotorer og bind III: kjøretøymotorer). Med hensyn til innføringen av Sl-systemet har en, for å redusere problemene i overgangs­ perioden, gjennom hele boka forsøkt å supplere det nye målesystemet med det gamle, tek­ niske systemet. De viktigste tabeller og regneeksempler er derfor laget i begge målesystemer,

og erfaringsverdier i tekst og tallverdier i oppgaver er vanligvis angitt i SI-systemet, med den tilsvarende angivelse i det tekniske systemet satt i parentes. Det er videre forsøkt å la de viktigste figurer få to sett skalaer, én for hvert av de to systemene. På grunn av tidsnød har det dessverre ikke vært mulig å gjennomføre denne parallellkjøringen av de to systemene absolutt konsekvent, men jeg håper at suppleringene med det tekniske systemet stort sett har blitt utfyllende nok til at også de som arbeider utelukkende etter dette systemet, kan ha nytte av boka. Samtidig med overgangen til det nye målesystemet har selvsagt alle erfaringsverdier, motordata osv. blitt brakt «up to date» der det har vært nødvendig med justeringer. Den andre store forandringen i forhold til 1. utgave er oppdelingen i tre bind. Det er flere grunner til at det ble funnet hensiktsmessig med en slik oppsplitting. Utviklingen de siste årene har også på forbrenningsmotorens område resultert i nye erkjennelser. Eksempelvis kan nevnes den meget store oppmerksomhet som etter hvert er blitt rettet mot forbrenningsmotorenes rolle når det gjelder miljøforringelse i form av luftforurensing. En ny utgave burde selvsagt ta med også slikt nytt stoff, noe som sammen med andre tillegg ville gitt et uhensiktsmessig omfang dersom det skulle samles i bare ett bind. Det falt da svært naturlig å dele opp i tre bind, et bind som tar for seg forbrenningsmotorers grunnlag, et spesialbind for skipsmotorer (som for Norge må antås å være en særdeles viktig grein av forbrenningsmotorene) og et spesialbind for kjøretøymotorer (som er særdeles viktig fra et forurensingsmessig synspunkt). Jeg vil få rette en takk til sivilingeniørene K. Andersen, J. Myrbostad, G. Sylte og E. Øxnevad som har vært behjelpelige med overgangen til SI-systemet. G. Sylte har også vært til stor hjelp i forbindelse med den utvidelsen som kapitlet om gassturbiner har fått i forhold til første utgave. Alle de nevnte personer er tilknyttet Institutt for forbrenningsmotorer ved Norges tekniske høgskole. Trondheim, 1975

Leif Lundby

Forord til 3. utgave Det er foretatt noen endringer i forhold til forrige utgave. Figurene 1.1 og 3.21 er nye. I kapitlene 3 og 4 er noen mindre avsnitt omarbeidet. Tabell 4.4 er utvidet med effektiv brennverdi. Oppgavene 4.4 b og 4.5 er noe endret. Nye svar til oppgave 3.21 er utarbeidet. Det er også rettet opp endel trykkfeil. Trondheim, 1979

Leif Lundby

Innhold 0 SYMBOLREGISTER ............................................

11

0.1 Sl-systemet ........................................................ 11 0.2 Sl-systemets anvendelse i forbrenningsmotorteknikken.............................................. 12 0.3 Symbolregister............................................. 13 1 INNLEDNING................................................. 17 1.1 Definisjon av forbrenningsmotorer .................. 17 1.2 Forbrenningsmotorens anvendelsesområde .... 17 1.3 Forbrenningsmotor kontra dampmotor...... 19

2 INNDELING AV STEMPELMOTORENE ... 2.1 Historikk............................................................ 2.2 Klassifisering...................................................... 2.3 Valg av motortype ............................................

23 23 24 27

3 TEORETISK GRUNNLAG ................................ 3.1 Varmeteknisk grunnlag .................................... 3.1.1 Arbeid og effekt ...................................... 3.1.2 Utført arbeid ved ekspansjon av en gass 3.1.3 Energi og varme. Varmelærens første hovedsetning............................................ 3.1.4 Kretsprosesser. Varmelærens andre ho­ vedsetning. Indikert termisk virknings­ grad ......................................................... 3.2 Idealprosesser .................................................... 3.2.1 Otto-prosessen ........................................ 3.2.2 Diesel-prosessen...................................... 3.2.3 Otto-Diesel-prosessen ............................ 3.3 Virkelige prosesser ............................................ 3.4 Virkningsgrader og brenselforbruk .................. 3.4.2 Mekanisk virkningsgrad........................ 3.4.3 Effektiv virkningsgrad............................ 3.4.4 Brenselforbruk ........................................ 3.4.5 Energibalanser ........................................ 3.5 Middeltrykk og efiekt. Dreiemoment og stempelhastighet ....................................................... 3.5.1 Indikert middeltrykk og indikert effekt 3.5.2 Effektivt middeltrykk og akseleffekt ... 3.5.3 Dreiemoment .......................................... 3.5.4 Volumeffekt ............................................ 3.5.5 Midlere stempelhastighet ...................... 3.5.6 Regneeksempel........................................ 3.6 Faktorer som bestemmer en motors akseleffekt 3.6.1 Hovedfaktorer ................... 3.6.2 Ligning for effektivt middeltrykk ........ 3.6.3 Overladning ............................................

31 31 31 31 33

33 35 35 36 37 38 40 41 42 43 44

45 45 46 46 47 47 47 48 48 48 50

3.7 Bestemmelse av en motors hoveddimensjoner .. 55 3.7.1 Bestemmelse av en rotasjonsfrekvens, effektivt middeltrykk og totalt slagvolum 55 3.7.2 Bestemmelse av sylinderdimensjoner og sylindertall................................................ 56 3.7.3 Regneeksempler.................................... 58 4 BRENSLER.............................................................. 4.1 Kjemisk oppbygging ................ 4.1.1 Kjedeformede hydrokarboner .............. 4.1.2 Ringformede hydrokarboner ................ 4.2 Fremstilling ........................................................ 4.2.1 Destillasjon (utskilling).......................... 4.2.2 Kvalitetsforbedring ................................ 4.3 Klassifisering...................................................... 4.3.1 Brenslene for ottomotorene .................. 4.3.2 Brensler for dieselmotorer .................... 4.4 Krav til brenslene ............................................ 4.4.1 Destillasjonskurve .................................. 4.4.2 Veskositet ................................................ 4.4.3 Andre krav .............................................. 4.4.4 Brennverdi, kjemisk sammensetning, letthet........................................................

64 65 65 66 66 67 68 70 70 70 71 71 72 73

5 FORBRENNING.................................................... 5.1 Forbrenningslære................................................ 5.1.1 Teoretisk luftbehov ................................ 5.1.2 Virkelig luftforbruk................................ 5.1.3 Avgasser .................................................. 5.2 Ottomotorens forbrenningsprosess.................... 5.2.1 Normal forbrenning .............................. 5.2.2 Unormal forbrenning ............................ 5.2.3 Motortekniske og driftstekniske faktorers innvirkning på tendensen til detonerende forbrenning .............................. 5.2.4 Brenslets innvirkning på tendensen til detonerende forbrenning. Oktantall ... 5.2.5 Maksimalt forbrenningstrykk .............. 5.3 Dieselmotorens forbrenningsprosess ................ 5.3.1 Normalt forbrenningsforløp.................. 5.3.2 Unormalt forbrenningsforløp................ 5.3.3 Faktorer som innvirker på tenningsforsinkelsen. Cetantall ................................ 5.3.4 Maksimalt forbrenningstrykk .............. 5.4 Forbrenningsrom for ottomotorer .................... 5.4.1 Forbrenningsrommets størrelse, kompresjonsgrad................................................. 5.4.2 Forbrenningsrommets utforming..........

75 75 75 76 76 80 80 82

Innhold

•

73

82

83 84 84 84 86 86 88 88

88 89 9

5.5 Forbrenningsrom for dieselmotorer................ 5.5.1 Forbrenningsrommets størrelse, kompresjonsgrad.................................................. 5.5.2 Forbrenningsrommets utforming.......... 5.5.3 Forbrenningsrom for flerstoffmotorer .

90

6 GASSUTVEKSLING .......................................... 6.1 Gassutveksling i firetaktsmotorer.................... 6.1.1 Styringsvinkler ........................................ 6.1.2 Kamprofiler ............................................ 6.1.3 Ventiltverrsnitt........................................ 6.1.4 Konstruktiv utforming .......................... 6.1.5 Regneeksempel........................................ 6.2 Gassutveksling i totaktsmotorer ...................... 6.3 Luftfyllingsgrad og luftforbruk ........................ 6.4 Kompressorer med arrangementer.................... 6.4.1 Mekanisk drevnekompressorer............. 6.4.2 Turboladere ............................................ 6.5 Annet tilbehør for gassutvekslingen................ 6.5.1 Luftfilter .................................................. 6.5.2 Mellomkjølere ..................................... 6.5.3 Lyddempere ............................................ 6.5.4 Innsugnings- ogavgassrør .....................

98 98 99 101 104 105 110 111 116 117 117 119 122 122 122 122 123

7 BRENSELTILFØRSEL ........................................ 7.1 Brenseltilførsel i dieselmotorer.......................... 7.1.1 Brennoljepumper .................................... 7.1.2 Innsprøytningsdyser................................ 7.2 Brenseltilførsel i ottomotorer............................ 7.2.1 Forgassere................................................ 7.2.2 Bensininnsprøyting ................................

125 125 126 129 132 132 135

91 91 95

8 MASKINDYNAMISK GRUNNLAG .............. 138 8.1 Generelt om veivdrift ........................................ 138 8.2 Massekrefter og utbalansering ........................ 142

10 •

Forbrenningsmotorer

8.3 Svinghjul ........................................................... 8.4 Torsjonssvingninger........................................... 8.4.1 Egensvingetall......................................... 8.4.2 Kraftimpulsenes frekvens. Kritisk rotasjonsfrekvens........................................... 8.4.3 Svingningsdempere ................................

147 147 148

9 GASSTURBINER ................................................ 9.1 Teoretisk grunnlag ............................................ 9.1.1 Arbeidsprosesser .................................... 9.1.2 Virkningsgrader og brenselforbruk .... 9.1.3 Effekt....................................................... 9.1.4 Arrangementer for bedring av brensel­ forbruk ogeffekt ........................... 9.1.5 Eksempler på tilnærmet gjennomregning av en gassturbin...................................... 9.2 Hoveddeler......................................................... 9.2.1 Kompressorer.......................................... 9.2.2 Brennkammer.......................................... 9.2.3 Turbinhjul............................................... 9.3 Anvendelser ....................................................... 9.3.1 Drift av fly (turboprop) ........................ 9.3.2 Generatordrift ........................................ 9.3.3 Bildrift..................................................... 9.3.4 Skipsdrift.................................................

153 153 153 154 156

10 REAKSJONSMOTORER ................................ 10.1 Jetmotorer ..................................................... 10.1.1 Teoretisk grunnlag............................ 10.1.2 Konstruktiv utforming .................... 10.1.3 Jet kontra turboprop og stempelmotorer ............................................. 10.2 Rakettmotorer...............................................

169 169 169 171

148 149

156 157 159 159 160 160 161 161 162 163 164

172 172

Svar på oppgaver ....................................................... 176 Stikkordregister ........................................................... 181

Som kjent definerer man i teknikken en størrelse slik: størrelse = måltall • enhet

Symbol* register

Det er besluttet at man i undervisningen i størst mulig utstrekning nå skal nytte enheter i overensstemmelse med det såkalte SI-systemet. Dette er et internasjonalt enhetssystem (Systéme Internationale d‘ Unites) som er meget rasjonelt oppbygd. Systemet har nemlig ko­ herente (samstemte) enheter, noe som medfører den vesentlige fordelen at alle ligninger kan skrives som rene størrelsesligninger uten bruk av omregningsfak­ torer eller dimensjonskonstanter. Denne egenskapen kommer bare fram dersom man nytter Sl-enhetene konsekvent i alle ligninger. Det tidligere nyttede systemet betegnes i det etter­ følgende som «det tekniske målesystemet». Måle­ enhetene i dette systemet er ikke koherente, og i nesten alle ligninger finnes det da dimensjonskonstan­ ter som man må holde greie på. Ulempen med dette skulle fremgå klart av kap. 3.5.6 hvor et beregnings­ eksempel er gjennomført både i SI- og det tekniske målesystemet. I dette eksemplet forekom bare noen få ligninger, men i den foreliggende boka kan det henvises til ytterligere 100 ligninger hvor tilsvarende forhold gjelder, og fordelene med et koherent måle­ system skulle bli innlysende.

0.1 SI-systemet De viktigste grunnstørrelser og grunnenheter er vist i tabell 0.1. Tabell 0.1.

SI-enhet

Størrelse lengde masse tid elektrisk strøm temperatur

Navn

Symbol

meter kilogram sekund ampere Kelvin

m kg s A K

Av disse grunnenhetene får man avledede enheter, som vist i tabell 0.2. Tabell 0.2.

Uttrykt i avledede Navn Symbol enheter

SI-enhet

Størrelse

frekvens kraft trykk, spenning energi, arbeid, varme effekt

Uttrykt i grunn­ enheter

hertz newton pascal

Hz N Pa

N/m2

s-1 m • kg • s-2 m-1 • kg • s-2

joule watt

J W

N•m J/s

m2 ■ kg • s~2 m2 ■ kg • s-3

Symbolregister •

Dersom beregninger resulterer i upraktisk små eller store tallverdier, kan sluttresultatet angis med multippel-enheter, dvs. enheter dannet ved bruk av prefikser som vist i tabell 0.3. Tabell 0.3.

Tallverdi

Prefiks

Forkortet betegnelse

IO12 = 1 billion 109 = 1 milliard 106 = 1 million

tera giga mega

T G M

103 = 1000 102 =100 101 =10

kilo hekto deka

k h da

10-1 =0)i

10-3 =0,001

deci centi milli

d c m

10-6 = 1 milliondel 10~9 = 1 milliarddel 10-12= 1 billiondel

mikro nano pico

p. (uttales «my») n P

W-2 = o,oi

Det anbefales brukt prefikser som resulterer i at mål­ tallet blir mellom 0,1 og 1000. Prefiksene hekto, deka, deci og centi bør forsøkes unngått.

Rotasjonsfrekvens. Tradisjonelt har en forbrenningsmotors omdreiningstall eller turtall vært angitt i o/min. I SI-systemet er grunnenheten for tid sekund, og en følge av dette er at man må angi antall rotasjoner pr. sekund istedenfor pr. minutt. For denne angivelse foretrekker man uttrykket rotasjonsfrekvens isteden­ for det tradisjonelle uttrykket turtall. Enheten for ro­ tasjonsfrekvens skal skrives som s-1 (og ikke 0/5). Å få gjennomført en erstatning av det tradisjonsrike tur­ tallet i o/min med rotasjonsfrekvens i s-1 er muligens en av de vanskeligste konsekvenser av SI-systemet. Man regner derfor med at turtall (i o/min) i en lengre overgangsperiode vil måtte nyttes i tabeller, diagram­ mer osv., men i beregninger skal heretter rotasjonsfrekveiis (i s-1) nyttes konsekvent. Trykk skal i SI-systemet måles i den avledede enheten Pa (1 Pa = 1 N/m2). Dette er en svært liten enhet, og det anbefales isteden (som ellers) brukt kPa eller MPa for angivelse av praktiske trykk (mens man i beregninger selvsagt må nytte Pa). Innføring av trykk i Pa, kPa eller MPa istedenfor f.eks. det tekniske systemets enhet kp/cm2 (at) vil i praksis kanskje bli like vanskelig som erstatning av turtall med rota­ sjonsfrekvens. Sammenhengen er gitt ved

Eksempler:

95 500 W skal helstskrives som 95,5 0,03 s skal helstskrives som 30 10,5 cm skal helstskrives som 105 0,105

kW ms mm eller m

Dersom størrelsene inngår i ligninger, skal imidlertid beregningene utføres med grunnenheter og avledede enheter (W, s og m) og ikke med multippelenhetene. Flere detaljer om SI-systemet kan finnes i Norsk Standard NS 1020.

0.2 Sl-systemets anvendelse i forbrenningsmotorteknikken Forbrenningsmotorer representerer på mange måter en tradisjonell teknikk. Mange enheter er derfor i tidens løp blitt svært fast innarbeidet både blant pro­ dusenter og brukere, og innføring av enkelte av de nye SI-enhetene vil sannsynligvis komme til å falle svært vanskelig i en overgangsperiode. Nedenfor er gitt en liten oversikt over de størrelser som det mu­ ligens vil virke ekstra unaturlig og fremmed å angi med SI-enheter istedenfor med det gamle tekniske systemets enheter.

12 •

Forbrenningsmotorer

1 kp/cm2 = 98,07 kPa Effekt skal måles i den avledede enheten watt (1 W = 1 J/s = 1 Nm/s). Anbefalte multippelenheter er kW og MW. Som kjent ble tidligere (i det tek­ niske systemet) forbrenningsmotorers effekt nesten utelukkende angitt i hk, men overgang til f.eks. kW skulle ikke by på store problemer da de fleste er godt kjent med at 1 hk = 0,7355 kW. Videre kan nevnes at uttrykket ytelse nå skal forlates til fordel for ut­ trykket effekt.

Varme. I SI-systemet skal all form for energi angis i joule (1 J = 1 Nm). En følge av dette er at også arbeid og varme må måles i joule istedenfor i henholdsvis kpm og kcal som var de mest nyttede enheter i det tekniske systemet. Derfor må f.eks. et brensels brennverdi måles i J/kg istedenfor kcal/kg (med anbefalt multippelenhet MJ/kg). Man har at 1 kcal = 4187 J og 1 kpm = 9,807 J.

Spesifikt brenselforbruk. En mye brukt størrelse i motorteknikken er det såkalte spesifikke brenselforbruk, som forteller hvor mye brensel en motor bruker pr. avgitt effektenhet og pr. tidsenhet. I det tekniske systemet ble dette forbruket målt i enheten gram pr.

hk og pr. time (g/hkh). I SI-systemet må en tilsvarende enhet bli kg/Ws, dvs. kg/J. Da dette er en svært stor enhet, anbefales multippelenheten g/MJ brukt for praktisk angivelse av en motors brenselforbruk. Man har sammenhengen 1 g/hkh = 0,378 g/MJ. Mange antar at også denne SI-enheten vil falle svært vanske­ lig å innarbeide i praksis, og har foreslått å erstatte g/hkh med g/kWh ved overgang til det nye systemet. Denne sistnevnte enheten virker kanskje ikke så frem­ med som g/MJ, men fordi time inngår istedenfor sekund, bryter den med SI-systemets hovedidé at en­

hetene skal være koherente (samstemte) eller skal kunne overføres til de koherente enhetene ved hjelp av faktorer som utelukkende er tierpotenser.

0.3 Symbolregister I etterfølgende tabell 0.4 er gitt en oversikt over symbolbruken i boka, samt hvilke SI-enheter som skal nyttes for de forskjellige størrelser. Tabellen gir også de vanligste av de tilsvarende tekniske måleenhetene og deres omregningsfaktorer.

Tabell 0.4. Symbolregister Symbol

A A A/B a BIL

Viktigste betydning

SI-enhet for bruk Anbefalte i ligninger multipler

Vanlige enheter i det tekniske system

m2 m2s kg/kg m/s2

m2, cm2, mm2 m2s, cm2s kg/kg m/s2

Merknader

J/(kgK)

kJ/(kgK)

kcal/(kgK)

c ms—2Sn 1 kcal/(kgK)=4187 J/(kgK)

D d E

Areal Tidstverrsnitt for gassutveksling Avgassmasse pr. kg brensel Akselerasjon Brensel-luft-forhold (kg brensel pr. kg forbrukt luft) Bredde Spesifikt brenselforbruk generelt, Effektivt spesifikt brenselforbruk (henregnet til akselarbeid) Indikert spesifikt brenselforbruk (henregnet til arbeid i sylinder) Hastighet generelt Midlere stempelhastighet Spesifikk varmekapasitet generelt Spesifikk varmekapasitet ved konstant trykk Spesifikk varmekapasitet ved konstant volum Sylinderdiameter Diameter generelt Tøyningsmodul

m m N/m2

mm mm GN/m2

cm, mm m, cm, mm kp/cm2

1 kp/cm2=9,807 104 N/m2

F f f G

Kraft Sammentrykking av ventilfjær Frekvens Skjærmodul

N m Hz N/m2

G g h

Tyngde Tyngdens akselerasjon Brennverdi generelt Øvre brennverdi (også kalt kalorimetrisk brennverdi) Nedre brennverdi (også kalt effektiv brennverdi) Høyde generelt Løftehøyde på kamprofil Løftehøyde av ventil Sylinderantall Flatetreghetsmoment generelt Polart flatetreghetsmoment Treghetsmoment

b b

be bi

c Cms

c Cp Cv

hn

h h hv i I lp

J

kg/kg m kg/J

mm g/MJ

kg/kg m, cm, mm g/hkh, g/kWh

AIB=mAlmB

BIL—mBlrriL 1 g/hkh=0,378-10~9 kg/J

be = rnBlWe = mBlPe bi=wb/ Wi = iriBlPi

m/s

m/s

1 kp=9,807 N

GN/m2

kp cm, mm Hz kp/cm2

N m/s2 J/kg

1 kp=9,807 N, G=m-g

MJ/kg

kp m/s2 kcal/kg

m

mm

m, cm, mm

mm

m4

cm4

kgm2

kgm2, kgcm2

1 kp/cm2=9,807 T04 N/m2

1 kcal/kg=4187 J/kg

7x=/y2dA 7P=/r2dA 7=/r2dm Symbolregister

• 13

Symbol

kf

L/B L/B (L/B)f

(L/B)r

L l le

M m m mA mb

ntL ntLf

rriLk rriLt må ITlsl

Til

mA riiB.

mL n na

n P

Akseleffekt

Pf Pi

Framdriftseffekt Indikert effekt Flatetrykk Gasstrykk generelt Trykk i sylinderen når kompresjonen begynner Trykk i sylinderen ved kompresjo­ nens slutt

Pst Pk

Pf

Pm P me

Pmi

Sl-enhet for bruk Anbefalte i ligninger multipler

N/m Fjærkonstant Luft-brensel-forhold generelt (kg luft pr. kg brensel) kg/kg Luft-brensel-forhold, henregnet til motorens totale luftforbruk Luft-brensel-forhold, henregnet til luftfyllingen i sylindrene Luft-brensel-forhold, henregnet til teoretisk reaksjonsligning (også kalt reaksjonsekvivalent blandings­ forhold, støkiometrisk blandings­ forhold eller teoretisk luftforbruk) m Lengde Spesifikt luftforbruk generelt kg/J Spesifikt luftforbruk henregnet til akselarbeid Nnj Bøyningsmoment på motordeler Masse av motordeler generelt kg Gassmasse pr. prosess (dermed også pr. sylinder), generelt kg Avgassmengde Brenselmengde Luftmengde, henregnet til motorens totale forbruk Luftfylling Kortslutningstap Teoretisk luftfylling Restgassmengde Sylinderladning Motorens masseomsetning pr. kg/s tidsenhet, generelt Avgassproduksjon Brenselforbruk Luftforbruk Rotasjonsfrekvens (turtall) på s-1 veivaksel Antall arbeidsprosesser pr. sek og pr. sylinder Polytropeksponent Motoreffekt generelt W

Pe

p p

Q

Viktigste betydning

Maksimalt trykk i sylinderen (forbrenningstrykk) Middeltrykk, generelt Effektivt middeltrykk Indikert middeltrykk I stempelmotorer generelt: varme pr. prosess

• Forbrenningsmotorer

Vanlige enheter i det tekniske system

kp/cm

Merknader

1 kp/cm=980,7 N/m

kg/kg LIB=mLlrriB (L'lB)f=mLfltnB

mm kg/MJ

m, cm, mm kg/hkh

1 kg/hkh=0,378-10-6 kg/J le=mLlWe = miJPe

g

kpm, kpcm kg, g

1 kpm=9,807 Nm

kg, g mA=mL+niB

niL=mLf-\-mLk

mLt— Vh Pi

msi=mLf+niR

g/s, kg/h

rh=im-na mA=ihL+riiB

o/min

1 o/min=1/60 s-1 for totaktsmotor, na=n/2 for firetaktsmotor na=n

kW, MW hk, kpm/s

1 hk=735,5 W, 1 hk=75 kpm/s Pe = i WeHa = Z VhP meHa = iVhPmeH eller iVhPme n/2 Pf=Fsv

N/m2 Pa

kp/cm2 N/mm2 MPa, kPa kp/cm2

1 kp/cm2=9,807-104 N/m2 1 kp/cm2=9,807-104 Pa 1 kp/cm2=1 at

1 atm=1,033 kp/cm2 1 bar=105 Pa

Pa

MPa, kPa kp/cm2

1 atm=760 mm Hg 1 kp/cm2=9,807-104 Pa Pme= We/Vft Pmi^WilVh

J

kJ, MJ

kcal

1 kcal=4187 J

Symbol

Viktigste betydning

Sl-enhet for bruk Anbefalte i ligninger multipler

Vanlige enheter i det tekniske system

Q

Varme pr. tidsenhet

W

kW, MW kcal/h, kcal/s

R S

m

mm

m, cm, mm

m Nm

mm

T

Veivradius Stempels slaglengde (avstand mellom dødpunkter) Dreiningsmoment på motoraksel

m, cm, mm kpm

T t

Temperatur Celsiustemperatur

K

t u V

Tid Indre energi pr. kg gass Volum pr. sylinder Slagvolum Kompresjonsvolum (også symbolisert med V2) Volum pr. tidsenhet Spesifikt volum Gassvolum pr. kg brensel Hastighet I stempelmotorer generelt: Arbeid pr. prosess (dermed også pr. sylinder) Idealarbeid, utført av sylinderladningen i løpet av en idealprosess Akselarbeid, effektivt arbeid, arbeid utført av utgående aksel

s J/kg. m3

Vn vk V

v v

v Hz W, we

K °C

MJ/kg dm3, cm3

s, h kcal/kg m3, dm3, cm3

Merknader

1 kcal/s=4187 W 1 kcal/h = 1,163 W R=S/2

S=2R 1 kpm=9,807 Nm T=iWel(2-K) for totaktsmotor T=/+273 I Sl-systemet kan Celciustemperaturer brukes som differenser 1 kcal/kg=4187 J/kg

Ea=kZ)25/4 m3/s m3/kg m3/kg m/s

J

m3/s, m3/h m3/kg m3/kg m/s, km/h

kj, MJ

kpm, kWh, hkh

v=l/p

1 kpm=9,807 J

1 kWh=3,6-10® J 1 hkh=2,648-10® J We=Wi- Wm

fVi

wm Vp

a £ 7f 7fv

Vk

7L 7oi

7R E Se Sn

*7

»?0 T]a

??e Va

Vi 'TJK

'S]m V*

7]T

W

Indikert arbeid, utført av sylinderladningen i løpet av en virkelig prosess Mekaniske tap i motor Propellarbeid, arbeid utført av propell Veivvinkel Kamvinkel Luftfyllingsgrad Volumetrisk fyllingsgrad Kortsl utningsgrad Luftforbruksgrad Overladningsgrad Renspylingsgrad Korrtpresjonsgrad generelt Effektiv kompresjonsgrad Nominell kompresjonsgrad Virkningsgrad generelt Ideell termisk virkningsgrad Propellaksels mekaniske virkningsgrad Effektiv termisk virkningsgrad Godhetsgrad Indikert termisk virkningsgrad Indre (adiabatisk) virkningsgrad for kompressor Motors mekaniske virkningsgrad Støtvirkningsgrad (nyttevirkningsgrad) for avgassrør Indre (adiabatisk) virkningsgrad for turbin Totalvirkningsgrad for turbin

rad rad

rad, ° rad, °

360°=2tt rad 360°=2tt rad Yf=mLf!mLt

yk=rriLkjmL

'yL=mLlmu

Defineres v. hj. a. effektive middeltrykk 7 r=mLfl(mLf+mR)

sn=(Vh+Vk)/Vk

r]0=W0/Qt=P0lQt r]a=WplWe=PplPe IJe— Wel Qt—PelQt = ViVm r]g=WilWo^PiIPo T]i— Wi/ Qt=PilQt = Vorlg T)K= Wko/Wkv

rjm=WelWi = PelPi

T]T=WtvlWt0

Inkluderer også mekanisk tap Symbolregister

• 15

Symbol

Viktigste betydning

SI-enhet for bruk Anbefalte i ligninger multipler

Vanlige enheter i det tekniske system

Forhold mellom spesifikk varme­ kapasiteter (adiabateksponent) Luftfaktor henregnet til luftforbruk Luftfaktor henregnet til luftfylling

Merknader

K. — CplCy

Å=(L/B)/(L/B)r Åf=(L/B)f/(L/B)r =XmLf/mL=^(l— y>k)

3 3

Tetthet Normalspenning Skjærspenning Vinkelhastighet Vinkelakselerasjon

•

Forbrenningsmotorer

kg/m3 N/m2 N/m2 rad/s rad/s2

kg/dm3 N/mm2 N/mm2

kg/m3, kg/dm3 kp/cm2 kp/cm2 rad/s rad/s2

O=Ee T = Gy

1.1 Definisjon av forbrennings­ motor

Innledning

En forbrenningsmotor har til oppgave å omdanne til mekanisk arbeid den energien som er kjemisk bundet i et brensel. Forbrenningsmotoren kjennetegnes ved at denne omdanningen foregår ved en forbrenning av brenselet innen selve motoren. Dampmaskinen og dampturbinen derimot kjennetegnes ved at forbren­ ningen foregår utenfor selve motoren, nemlig i en dampkjel. Ved forbrenningen av brenselet dannes det gasser med et visst trykk og en viss temperatur. Alt etter hvilke metoder man nytter for å la disse gassene ut­ føre et mekanisk arbeid, kan man inndele forbrenningsmotorene i tre hovedtyper: stempelmotorer, gassturbiner og reaksjonsmotorer. I stempelmotoren driver gassene et stempel, i gassturbinen et turbinhjul, og i reaksjonsmotoren nyttiggjør man seg reaksjonen som oppstår når gassene strømmer ut av motoren. Det finnes også motorer som er kombinasjoner av disse hovedtypene. Slike motorer kalles compoundmotorer. Den inndeling som hittil er foretatt, er sammenstilt på fig. 1.1. I denne boka vil hovedvekten bli lagt på stempelmotorene, mens gassturbiner, reaksjonsmoto­ rer og compoundmotorer bare vil bli kort omtalt. Varmemotorer

Forbren nings m ot ore r (motor med indre forbr Stempel­ motorer

Fram- og titbakeg. stempel

Strjmnings motorer

Rote­ rende stempel

Gassturbiner

Dampmotorer" (motor med ytre forbrj Damp maskiner

Damp tarbiner

Reaksjonsturbiner

Fig. 1.1 Hovedinndeling av varmemotorer. Før vi behandler stempelmotoiene i detalj, er det naturlig å komme litt inn på forbrenningsmotorenes anvendelsesområde, og hvordan de stiller seg sam­ menlignet med dampmotorene.

1.2 Forbrenningsmotorenes anvendelsesområde

1.1

Definisjon av forbrenningsmotor

1.2 Forbrenningsmotorenes anvendelsesområde 1.3 Forbrenningsmotor kontra dampmotor

2

Av de tre hovedtypene av forbrenningsmotorer er det uten sammenligning stempelmotoren som hittil har fått den største anvendelse. Dens anvendelsesområde er uhyre vidstrakt. Eksempelvis kan følgende felter nevnes: Innledning

• 17

1. Til lands, som fremdriftsmotor for alle sorter kjøre­ tøyer fra mopeder til lokomotiver. 2. Til sjøs, som fremdriftsmotor for båter og skip av alle typer, fra de minste lystbåter til skip over 250 000 tonn DW. 3. I lufta, som fremdriftsmotor for fly. Her er imid­ lertid stempelmotorene blitt mer og mer fortrengt av gassturbiner og reaksjonsmotorer, slik at anvendelsesfeltet er begrenset til sportsfly og andre småfly. 4. Drift av elektriske generatorer både til lands og til sjøs. I enkelte land spiller forbrenningsmotoren en ikke ubetydelig rolle i landets totale elektrisitetsfor­ syning, men den har på dette feltet størst betydning for drift av mindre generatorenheter (for kraft­ levering på avsidesliggende steder, om bord i båter og skip osv.). 5. Industrielt bruk. Drift av anleggsmaskiner,pum­ per, landbruksmaskiner, gravemaskiner osv.

Akseleffekt a) b) c) d) e) f) g) •

Stempelmotorens uhyre sterke stilling, spesielt innen alle felter som angår samferdsel, har flere årsaker. Det er mulig å bygge den med relativt liten masse pr. effektenhet, den er billig i drift, har stor driftssikkerhet og enkle startforberedelser. Fig. 1.2 viser hvordan motormassen pr. hk i dag ligger for forskjellige stempelmotorer. Gassturbinen har hittil funnet sin største anvendelse som fremdriftsmotor for fly (turboprop), men nyttes også som fremdriftsmotor for båter og skip. På land finnes det gassturbiner for lokomotivdrift, og det ar­ beides stadig med å tilpasse gassturbinen også til bil­ drift. Andre anvendelsesfelter er drift av elektriske generatorer og industriell bruk i enkelte spesialtilfelle. Gassturbinens fordeler ligger hovedsakelig i liten masse pr.hk (se fig. 1.2), enkel konstruksjon (få deler), rolig gang osv. Den er dessuten ikke så kresen når det gjelder brenselkvaliteten som de fleste stempelmotorer er.

(kW, hk)

Fig. 1.2 Motormasse i forhold til effekt. Langsomtgående dieselmotorer for drift av båter og skip. Dampturbiner for drift av skip (inklusiv kjel). Middels hurtiggående dieselmotorer for drift av skip (gir ikke medregnet). Hurtiggående dieselmotorer for drift av 1) lokomotiver og 2) lastebiler og busser. Ottomotorer for drift av personbiler. Ottomotorer for drift av fly. Gassturbiner for drift av fly.

Forbrenningsmotorer

Den tredje hovedtypen av forbrenningsmotorene, reaksjonsmotoren, har utelukkende fått anvendelse som fremdriftsmotor for fly (jetmotorer) og for raket­ ter (rakettmotorer). De samme fordeler som er nevnt i forbindelse med gassturbiner, gjelder også for reaksjonsmotorene. Da jetmotorene istedenfor propell nytter reaksjonen av de utstrømmende gasser til fremdriftskraft, blir disse spesielt gunstige ved store flyhastigheter, da virkningsgraden for en propell synker med økende flyhastighet. Rakettmotoren har dessuten den egenskap framfor alle andre forbrenningsmotorer at den fører med seg oksydasjonsmiddel til forbren­ ningen. Den kan derfor arbeide i lufttomt rom, og er således den motor som har gjort det mulig for men­ nesket å begynne erobringen av verdensrommet.

Fig. 1.3 Maskinerieffekt og lasteevne for dieselmotorskip over 2000 dødvekttonn, med kurver for bestemmelse av omtrentlig fart.

1.3 Forbrenningsmotor kontra dampmotor Av den oversikten over forbrenningsmotorers anven­ delsesområde som er satt opp i forrige kapittel, ser man straks at det er få felter hvor det virkelig kan herske noe konkurranseforhold mellom dampmotorer og forbrenningsmotorer. For de aller fleste formål er det innlysende at ulempene ved et dampanlegg vil være altfor store. Men kommer man opp i anlegg av en viss størrelse, er disse ulempene ikke lenger mar­ kante. Dette vil altså si at konkurransen særlig foregår der det gjelder fremdrift av store skip. For skipsdrift er det av dampmotorene selvsagt dampturbinen som er enerådende i dag, og av for­ brenningsmotorene er det hovedsakelig den langsomtgående, totakts dieselmotoren (med direkte kobling til propellen) som er i bruk til dette formål. De etter­ følgende synspunkter gjelder altså for langsomtgående dieselmotor kontra dampturbin. På fig. 1.3 og fig. 1.4 er det plottet inn alle dieselmotorskip og turbinskip som var under bygging i 1972 i hele verden (til sivilt formål). Spredningen av punktene skyldes hovedsakelig de forskjellige krav som settes til skipenes fart. I figurene er det tegnet inn linjer for enkelte hastigheter i knop. Da skrogets form selvsagt har innvirkning på farten, kan disse linjene bare nyttes til overslagsberegning. Det fremgår klart at dieselmotorskipene er over­ legne i antall når det gjelder nybygginger hvor det er tilstrekkelig med akseleffekter mindre enn ca. 30 000 hk. For effekter over ca. 40 000 hk er det på den annen side turbinskipene som er enerådende.

Fig. 1.4 Maskinerieffekt og lasteevne for turbinskip, med kurver for bestemmelse av omtrentlig fart. Ca. 25% av de bestilte maskininstallasjoner i 1972 var dampturbiner, resten var dieselmotorer (regnet på effektbasis). Det er riktignok i dag mulig å bygge dieselmotorer med akseleffekter på ca. 48 000 hk (såkalte «super large bore»-motorer, som har sylinderdiametre på ca. 1000 mm, 4000 hk pr. sylinder og 12 sylindre), men fig. 1.3 viser altså at det i 1972 ikke var noen dieselmotorer med akseleffekter over 40 000 hk i bestilling. En kan dermed si at effektområdet hvor både dieselmotorer og dampturbiner forekommer, er 30000-40000 hk. Dette er en klar forskyvning av konkurranseom­ rådet sammenlignet med tidligere. I 1963 var det for eksempel særlig i effektområdet 10 000-30 000 hk at det forekom både dieselmotorer og dampturbiner. Selv om nyinstallerte dampturbiner riktignok stort sett har akseleffekter større enn 30000 hk, er det fra tidligere i bruk rundt om i handelsflåtene en del dampturbiner med effekter ned til ca. 10 000 hk. Innledning

• 19

Hva er så fordelene og manglene ved disse to typer av fremdriftsmaskineri? For å svare på det må man vurdere så vel tekniske som økonomiske faktorer, og man kan stille opp følgende liste over disse faktorene: Maskineriets driftssikkerhet, brennolje- og smøreoljeutgifter, vedlikeholdsutgifter, størrelse, manøvreringsdyktighet, anskaffelsespris. Rekkefølgen av faktorene angir den relative betydning de fleste rederier tillegger dem.

dette automatisk medfører en øking i motorenes di­ mensjoner. Når det gjelder smøreoljeforbruk, er dampturbinen klart den beste, med ca. 0,05 g/hkh, mens dieselmo­ toren på grunn av sine flere smørepunkter har et forbruk på ca. 0,75 g/hkh. Alt tatt i betraktning vil likevel dieselmotoren være betydelig mer økonomisk når det gjelder totale ut­ gifter til brennolje og smøreolje enn dampturbinen.

c) Vedlikeholdsutgifter.

a) Driftssikkerhet. Statistikker viser at det her ikke er noen marker forskjell mellom de to typene når det gjelder hyppig heten av alvorlige maskinskader. Med hensyn ti andre maskinskader er imidlertid dieselmotoren noe ugunstigere. [1.3] angir således at varigheten av stopp i sjøen er ca. 3 timer pr. år for et dieselskip mot ca. 1 time for et turbinskip. Dette er gjennomsnittlige tall da maskineriets alder også har betydning.

Når det gjelder ettersyn og reparasjon, er diesel­ motoren den ugunstigste, fordi den er mer komplisert. Undersøkelser har vist at utgifter til reparasjon oe vedlikehold utført ved verksteder i 1970 var gjennom­ snittlig ca. 250 000 kr pr. år for en 10 000 hk dampturbin, stigende til ca. kr. 350 000 for en 30 000 hk turbin. For dieselmotorer med samme effekter var de tilsvarende tallene 450 000 og 1 000 000 kr pr. år [1-3].

b) Brennolje- og smøreoljeutgifter.

d) Masse og plassbehov for maskininstallasjoner.

Når det gjelder brennoljeforbruk, er dieselmotoren klart den beste, se fig. 1.5. De her oppførte brennolje­ forbruk i gram pr. time og pr. hk er typiske verdier som er utjevnet på alt maskineri om bord (både frem­ drifts- og hjelpemaskineri). Grunnen til at et dampanlegg har høyere brennoljeforbruk, er blant annet at dampkjelen og damptilførselen til turbinen gir ekstra varmetap som dieselmotoren med sin indre forbren­ ning ikke er beheftet med.

Massen av maskineriet er selvsagt en viktig faktor fordi den har innvirkning på et skips effektive laste­ evne. Av fig. 1.2 fremgår det at dampturbiner over en viss effekt tydelig har mindre masse enn diesel­ motorer med tilsvarende effekter. Fig. 1.6 viser at tilsvarende forhold gjelder også når man inkluderer hele maskinrominstallasjonen (med dampkjeler, pum­ per, propell osv.) i fremstillingen. Et dampturbinanlegg med dagens aktuelle effekter er klart gunstigere enn dieselmotorer når det gjelder masser av installa­ sjonene. Også når det gjelder dimensjoner på maskinrom­ met, er turbinanlegg gunstigere. [1.3] angir at maskin-

i.-, 220"o -c g * 200---------

10000 20000 30000 hk Akseleffekt (hk. kW)

Fig. 1.5 Brennoljeforbruk for dampturbiner og dieselmotorer.

Man må imidlertid være oppmerksom på at denne forskjellen i brennoljeforbruk i dieselmotorens favør bør reduseres noe fordi et dampturbinskip vil kunne oppnå en bedre propellvirkningsgrad enn et dieselmotorskip. Propellvirkningsgraden vil nemlig bli bedre jo lavere turtall propellen har. Å oppnå et slikt passende turtall på propellen er lett i et turbinanlegg (som jo må ha gir mellom turbin og propell i alle fall). For de direkte koblede dieselmotorene derimot kan man ikke senke propellturtallet tilsvarende uten at

20 •

Forbrenningsmotorer

Fig. 1.6 Masser av komplette maskinanlegg. Fra [1.3]. Large bore: dieselmotor med boring D = 840-900 mm. Super large bore: dieselmotor med D > 980 mm.

rom kan forkortes med 6-8% i turbinskip sammen­ lignet med dieselmotorskip, noe som tilsvarer 2-3% øking i skipets volumkapasitet. Man skal imidlertid være oppmerksom på at diesel­ motorens lavere brennoljeforbruk vil redusere den besparelse som en dampturbin gir både med hensyn til maskineriets masse og plassbehov. Tar man i regne­ stykket også hensyn til massen av den brennoljen skipet må føre med, blir forholdet ikke lenger så ugunstig for dieselmotoren. Jo lenger skipet må gå mellom hver bunkring, jo mer får dieselmotorens lavere brennoljeforbruk dessuten å si. Disse forhol­ dene er analysert mer detaljert i oppgave 1.4.

e) Anskaffelsespris.

Normalt er et dieselmotoranlegg noe billigere enn et turbinanlegg med samme effekt, men det viser seg at dette oppveies nokså nøyaktig av at turbinskipet, som tidligere nevnt, har en bedre propellvirkningsgrad. For en gitt fart på et skip antas det derfor å være liten forskjell i anskaffelsespris for de to alterna­ tivene [1.3]. Som en tommelfingerregel kan nevnes at prisen på et komplett fremdriftsmaskineri (med aksel og propell) ligger på ca. 500 kr/hk.

f) Manøvreringsdyktighet.

Når man snakker om manøvreringsdyktighet, tenker man særlig på evnen til hurtig forandring av skipets fart. Dette har betydning når skipet skal gå ut og inn av havnene, og dessuten betydning for kollisjonsfaren. Her stiller nok dieselmotoren seg gunstigst. Den kan nemlig relativt hurtig reverseres, og yter da nesten like stor effekt akterover. Et dampturbinanlegg må der­ imot ha en ekstra turbin som settes i virksomhet ved fart akterover, og videre kan hovedturbinen ikke stoppes så fort, fordi det i så fall kan bli for store temperaturdifferenser over turbinhjulet. At turbinskip har større stopplengde enn dieselmotorskip, gjelder bare under forutsetning av at turbinskipet har fast propell (ikke vridbare propellblad).

g) Konklusjon.

Å gi en sikker konklusjon på grunnlag av de foran-

gående betraktninger viser seg å være meget vanskelig. Dieselmotoren og dampturbinen har begge sine klare fordeler og ulemper som fremdriftsmaskineri for skip. Men det hersker ikke enighet om hvor stor vekt man bør legge på de forskjellige fordeler og ulemper, og dermed blir det umulig å gi en allmenngyldig kon­ klusjon. Ofte blir derfor valget mellom dieselmotor og dampturbin i effektområdet 30000 hk til 40000 hk bestemt av andre ting enn de forannevnte faktorer, f.eks. av mulighetene til å skaffe kvalifisert maskinpersonell. Dette er en meget viktig faktor. Det hjelper lite med et godt maskineri hvis det ikke behandles riktig. Når det gjelder dette forholdet, har utviklingen gått forskjellig i de enkelte land. I f.eks. England og USA har de motoroverhalinger som et dieselanlegg alltid må gjennomgå med regelmessige mellomrom, etter hvert blitt betraktet av maskinistene som et mer «dirty work» enn tilsvarende arbeid om bord i turbin­ skip. Dette har i disse land trukket maskinistene vekk fra dieselskipene. I Norge derimot har rederiene lenge foretrukket dieselmotorer, og dette har medført at vi har mange dieselmaskinister. Mange mener at det er dette og lignende forhold (og altså ikke de forannevnte tekniske og økonomiske faktorer) som har vært en viktig årsak til at rederiene i Norge i dag foretrekker dieselskip hvis det foreligger et reelt valg. Som oftest er imidlertid maskineritypen som nevnt gitt av skipets størrelse.

[1.1] E. A. Bridle: British Steam Turbines of Advanced Design for World Markets. Artikkel i «The Motor Ship», British Shipbuilding today, May 1966, London. [1.2] A. Vedeler: Valg av fremdriftsmaskineri for store skip. Skipsteknisk Selskap, okt. 1968, Oslo. [1.3] L. Mehlum og K. Eriksmoen: Dampturbin kontra dieselmotor. Skipsteknisk Forskningsinstitutt, med­ delelse nr. M103, april 1970, Trondheim. [1.4] The Motor Ship. A Survey of Ships on Order. Dec. 1972. London.

Oppgaver

1.1. Hva er en forbrenningsmotor? Hvilke tre hovedtyper kan forbrenningsmotorene inn­ deles i? 1.2. Beregn driftsutgiftene pr. år til brennolje og smøreolje for to tankskip, det ene utstyrt med dampturbin og det andre med dieselmotor. Akseleffekt er for dieselskipet 10 000 hk, mens turbinskipet p.g.a. bedre propellvirkningsgrad oppnår samme fart med 9500 hk tilført propellen. Prisen på brennolje settes til kr 0,10 pr. kg og på smøreolje kr 1,70 Innledning

• 21

pr. kg. Det antas at begge skip er i sjøen 330 døgn pr. år. Benytt erfaringsverdier for brennoljeforbruk og smøreoljeforbruk som er angitt i kap. 1.3. 1.3. I fig. 1.5 er spesifikt brennoljeforbruk oppgitt i g/hkh på venstre siden av ordinaten. Lag på høyre side av ordinaten ved hjelp av en spiss blyant en tilhørende skala i g/kWh og på høyre side av figuren en ny ordinat med tilhørende skalaer i kg/J og g/MJ. Hvilke av disse to siste skalaene er mest praktisk å bruke ? 1.4. Det skal foretas en sammenligning mellom turbinskip og dieselmotorskip med hensyn til samlet masse av maskinrominstallasjoner og medført brennolje. a) Beregn for skip med akseleffekt 12300 kW (16700 hk) den tid i døgn mellom hver bunkring som gir lik samlet masse av maskinrominstallasjoner og medført brennolje. Maskinrominstallasjonenes totale masse bestemmes ved hjelp av fig. 1.6 og brennoljeforbruket ved hjelp av fig. 1.5. b) Gjennomfør de samme beregninger for skip med akseleffekt på 22 000 kW (29 900 hk). c) Skipene med de nevnte effekter har lasteevner på henholdsvis 56 000 og 212 000 dødvekttonn. Bruk fig. 1.3 til bestemmelse av skipenes omtrentlige fart og beregn bunkringsradiene fra a) og b) i nautiske mil istedenfor i døgn, 1 nautisk mil = 1852 m. d) Vurder f.eks. ved hjelp av et verdenskart om bunkringsradiene bestemt under c) noen gang kan bli aktuelle for et skip. e) I spørsmålene ovenfor er forutsatt at turbinskip og motorskip er identiske for de gitte akseleffekter. Hvorfor er turbinskipet i virkeligheten noe gunstigere stilt enn beregningene ovenfor tilsier? 1.5. Det skal foretas en økonomisk sammenligning mellom et dampturbinskip og et diesel­ motorskip. Begge skipene er tankskip med en lasteevne på 56100 dødvekttonn. Motor­ skipet har en akseleffekt på 12,55 MW (17100 hk), mens turbinskipet på grunn av bedre propellvirkningsgrad har 12,25 MW (16700 hk) og likevel oppnår samme fart. a) Spesifikt brennoljeforbruk er for dampturbinen 80,5 g/MJ (213 g/hkh) og for diesel­ motoren 62,6 g/MJ (166 g/hkh). Pris for brennolje settes i begge tilfelle lik 74 kr/tonn. Av smøreolje bruker turbinen 0,0212 g/MJ (0,060 g/hkh) og dieselmotoren 0,19 g/MJ (0,50 g/hkh) til en pris av 1,65 kr/kg. Dieselmotoren bruker i tillegg (for smøring av sylinderløpebanene) 0,125 g/MJ (0,33 g/hkh) smøreolje av en spesiell kvalitet til en pris av 2,40 kr/kg. Skipene går i en rute som resulterer i 342 døgn i sjøen pr. år. Hvor store er utgiftene til brennolje og smøreolje for de to skipene pr. år ? b) For disse skipenes effekter er det realistisk å regne at dieselskipet har utgifter til maskinelt vedlikehold på 650000 kr/år rnot 285000 kr/år for turbinskipets vedkom­ mende. Hva blir differensen i driftsutgifter til brennolje, smøreolje og vedlikehold for de to skipene i kr/år og i prosent ?

22 •

Forbrenningsmotorer

2.1 Historikk

Inndeling av stempelmotorene

2.1 Historikk 2.2 Klassifisering

2.3 Valg av motortype

Allerede omkring 1680 eksperimenterte hollenderen Huyghens med en stempelmotor med indre forbren­ ning, men med krutt som brensel. Historiens første brukbare stempelmotor kom først i 1860, konstruert av franskmannen Lenoir. Den var en dobbeltvirkende, totakts, sleidestyrt motor med en liggende sylinder, se fig. 2.1. Under første halvpart av slaget sugde stempelet inn en blanding av gass og luft. Innsugningen ble styrt av sleiden a. Mot midten av slaget ble blandingen antent av elektriske gnister. For­ brenningen gav en trykkstigning som drev stempelet gjennom resten av slaget. Tilbakeveien ble nyttet til utstøting av avgassene. Utstøtingen ble styrt av avgassleiden b. Motoren ble nyttet til enkelte industri­ elle formål. Driftssikkerheten var imidlertid dårlig, vesentlig på grunn av avgassleiden, som ble for sterkt oppvarmet. Lenoirs motor hadde dessuten et meget høyt bren­ selforbruk, blant annet fordi den arbeidet uten noen komprimering av gass-luft-blandingen før denne ble antent. Det var derfor et enorrnt fremskritt da tyskeren

Fig. 2.1 Historiens første brukbare stempelmotor. Opp til 12 hk effekt ved et turtall på 180 o/min. Sylinderdiameter 108 mm, slaglengde 166 mm. Inndeling av stempelmotorene

• 23

Otto i 1876 laget en motor med kompresjon av lad­ ningen, og med tenning når stempelet stod i øvre død­ punkt. Ottos motor var enkeltvirkende og arbeidet etter firetaktsprinsippet. Innsugningen av gass-luftblandingen var sleidestyrt, men når det gjaldt ut­ strømningen av avgassene nyttet Otto en tallerkenventil, noe som viste seg å være bedre enn Lenoirs avgassleide. Tenningen av ladningen foregikk ved at en utvendig, stadig brennende flamme i det rette øye­ blikk ble satt i forbindelse med sylinderen. Ottomotorene fikk ganske fort stor utbredelse til industrielle formål, og det var fra nå av at stempelmotorene begynte sin seiersgang i verden. Tyskeren Daimler konstruerte et bedre tenningssystemog kunne av denne grunn øke rotasjonsfrekvensen betraktelig. Dermed ble motorene mer lettbygde (massen gikk ned fra 300 kg/hk til 80 kg/hk). Dette fikk Daimler til å innse at Ottos motor ville få betydning også for drift av kjøretøyer og båter, spesielt hvis man kunne klare å nytte et flytende brensel istedenfor lysgassen som motorene hittil hadde gått på. Daimler konstruerte derfor en slags forgasser for bensin, og den første bensinmotor stod ferdig i 1833. Fire år seinere instal­ lerte så Daimler motoren i sin første bil. Når det gjaldt brenselet, begynte man etter hvert å tenke på også andre muligheter enn bensin og lysgass. I 1892 ble det bygd en motor som gikk på petroleum, etter engelskmannen Akroyd’s patenter. Motoren var på toppen forsynt med en glødekule som før starten ble varmet opp med en blåselampe og under driften ble holdt glødende på grunn av for­ brenningen. Brenselet ble sprøytet mot dette glødelegemet og antent. Denne motoren må regnes som forløperen for de såkalte semi- dieselmotorer, og var den første motor som verken nyttet elektrisk gnist eller åpen flamme til tenningen. Neste skritt i utviklingen kom i 1893 da tyskeren Diesel utgav et patentskrift hvor han foreslo å drive kompresjonen av sylinderladningen så langt at tem­ peraturen her ble høy nok til at-et brensel kunne selvtenne når det ble tilført sylinderen omkring øvre død­ punkt for stempelet. Andre hadde nok tidligere vært inne på lignende tanker, men Diesel var den første som fikk gjennomført disse idéer i praksis. I de fire følgende år ble det nemlig i samarbeid med Maschinenfabrik Augsburg og firma Fried. Krupp bygd flere forsøksmotorer, og man kunne måle brenselforbruk på 238 gram petroleum pr. hestekrafttime. Dette var bare halvparten av det forbruk som forbrenningsmotorene hittil hadde hatt. Dieselmotorene vakte derfor meget stor interesse, og snart var flere fabrikker i gang med produksjon.

24 •

Forbrenningsmotorer

Opprinnelig hadde Diesel tenkt seg å nytte direkte innsprøyting av brenselet inn i sylinderen. Dette måtte han oppgi, og brenselet ble isteden blåst inn ved hjelp av luft under høyt trykk, noe som langtfra var noen god løsning. For det første fordyret det motoren at den måtte utstyres med en slik høytrykkskompressor, og for det andre ble dette en kilde til ekstra driftsvanskeligheter. Det var først i 1920-årene at finmekanikkindustrien var kommet så langt at det ble mulig å produsere pumper til innsprøyting av bren­ selet. Motorene som nyttet en slik brennoljepumpe, ble til å begynne med kalt kompressorløse diesel­ motorer, fordi de ikke trengte noen kompressor til brenseltilførselen. En slik betegnelse brukes ikke lenger, da dette i dag anses som selvsagt. Med utgangspunkt i de motorer som pionerene Lenoir, Otto, Daimler, Akroyd og Diesel konstruerte og laget, har det etter hvert utviklet seg en mengde forskjellige typer av stempelmotorer. I det følgende kapitlet blir det gitt en oversikt over og inndeling av de motortypene som man i dag kan treffe på når det gjelder stempelmotorer.

2.2 Klassifisering Man kan inndele stempelmotorene etter følgende fun­ damentale kjennetegn:

a) Etter hvilken måte tenningen av brensel-luftblandingen foregår.

Her kan man skille mellom følgende hovedtyper: ottomotorer, dieselmotorer og semidieselmotorer. I ottomotorene skjer tenningen av brensel-luft-blandingen ved hjelp av en elektrisk gnist. Disse motorene nytter som brensel de letteste destillatene av jordoljen, for det aller meste bensin, men i noen få tilfelle også petroleum. Alkohol kan også nyttes som brensel i en ottomotor. Bensinen eller de andre brenslene kan ved hjelp av en forgasser tilføres lufta før denne kommer inn i sylindrene (forgassermotor), eller ben­ sinen kan ved hjelp av en pumpe sprøytes inn i lufta (bensinmotor med innsprøyting). Det finnes også ottomotorer som nytter gass til brensel (gassmotorer). Dieselmotorene tilføres alltid rein luft til sylindrene og gir denne ladningen en større kompresjon enn ottomotorene gjør. Brenselet sprøytes inn omtrent når stempelet står i øvre dødpunkt, og på grunn av den høye kompresjonsendetemperaturen selvtenner det. Det er unødvendig med noen som helst tennings-

anordning. Enkelte dieselmotorer er utstyrt med elekt­ riske glødespiraler, men dette er utelukkende for å lette startingen. Til brensel nytter dieselmotorene tyngre destillater av jordoljen enn bensin og petro­ leum, men det finnes også dieselmotorer som kan gå på både lette og tyngre destillater. Slike motorer kalles flerstoffmotorer. Semidieselmotorene ligner dieselmotorene, men nyt­ ter en mindre kompresjon av ladningen. Temperatu­ ren blir ikke høy nok til at brenselet kan selvtenne. Tenningen skjer ved hjelp av et ukjølt, og dermed glødende legeme som er plassert inne i forbrenningsrommet. Fordi semidieselmotorene arbeider med lavere trykk enn dieselmotorene, kalles de også for lavtrykksmotorer. Også semidieselmotorene nytter tyngre destillater av jordoljene til brensel.

b) Etter motorens rotasjonsfrekvens.

I denne boka vil det stort sett bli nyttet ordet rota­ sjonsfrekvens (som måles i s-1) istedenfor turtall (som blir gitt i o/min). Det vil bli forsøkt å skille mellom følgende tre typer motorer (selv om grenseverdiene er vanskelige å fastlegge eksakt): Langsomtgående motorer er motorer med en rota­ sjonsfrekvens under 6 s-1 (360 o/min). Middels hurtiggående motorer har rotasjonsfre­ kvens mellom 6 s-1 (360 o/min) og 10 s-1 (600 o/min). Hurtiggående motorer har rotasjonsfrekvenser over 10 s~x (600 o/min). Det vil seinere, i kap. 3.7.2, bli påpekt at den såkalte midlere stempelhastighet kanskje er en naturligere størrelse å nytte i definisjoner av langsomtgående, middels hurtiggående og hurtiggående motorer. c) Etter antall takter pr. forbrenning.

Her skiller man mellom firetaktsmotorer og totaktsmotorer. Firetaktsmotorer tilføres rein luft eller en brenselluft-blanding i den første takten, og komprimerer i den andre takten. Tenning og forbrenning foregår rundt øvre dødpunkt. I den tredje takten kommer arbeidsslaget (ekspansjonen). Den fjerde takten nyttes til utstøting av forbrenningsgassene. Fire takter, altså to omdreininger på veivakselen pr. arbeidsslag. Gassvekselen blir i firetaktsmotorene styrt av ventiler. Totaktsmotorer både tilføres og komprimerer lad­ ningen i løpet av den første takten. Etter tenning og forbrenning rundt øvre dødpunkt får man så arbeids­ slag (ekspansjon), og også utstrømning av avgassene i den andre takten. To takter, altså én omdreining på veivakselen pr. arbeidsslag. Totaktsmotorene har på

sylinderomfanget kanaler som åpnes og lukkes av stempelet.

d) Etter måten sylindrene fylles med ny ladning. Man kan her skille mellom normalladde og overladde motorer. Normalladd motor kjennetegnes ved at sylinderladningen ved kompresjonens begynnelse har et trykk som er tilnærmet lik atmosfæretrykket. I en normal­ ladd firetaktsmotor er det stemplene selv som suger denne ladningen direkte inn i sylindrene. Totaktsmotorer har ikke noe separat sugeslag og må derfor ha en eller annen form for pumpe som leverer luft til utspyling av forbrenningsgassene og til fylling av sylindrene med ny ladning. Noen totakts­ motorer bruker utelukkende undersiden av stemplene i forbindelse med veivkassen til en slik spylepumpe. Man har da en veivkassespylt totaktsmotor. Andre normalladde totaktsmotorer har en egen pumpeenhet med mekanisk drift fra veivakselen. Disse kalles ofte for fullspylte totaktsmotorer. Overladd motor får sin sylinderladning tilført fra én eller flere pumper under et høyere trykk enn nor­ malt, og ladningen har ved kompresjonens begynnelse et trykk som er høyere enn atmosfæretrykket. Dermed får den overladde motor en større ladningsmasse i sylindrene enn en tilsvarende normalladd motor. Som en følge av dette kan man også tilføre mer brensel, og effekten blir større.

e) Etter den konstruktive utforming. Her vil det bli foretatt en inndeling som tar hensyn til hvilket sylinderarrangement og stempelarrangement motoren er bygd opp etter, om den er enkeltvirkende eller dobbeltvirkende (forbrenning på bare én side eller på begge sider av stempelet), og om den er utstyrt med trunkstempler eller med krysshoder (med trunkstempel menes at veivstanga er festet til en kryssbolt som ligger i stempelet). Fig. 2.2 viser skjematisk de motortyper som nyttes i dag. De forskjellige typer kan gis følgende beteg­ nelser : Krysshodemotor (A) er en enkeltvirkende motor med krysshoder. Sylindrene er bygd opp i en rekke. Dobbeltvirkende motor (B). En dobbeltvirkende motor må nødvendigvis være en krysshodemotor (på grunn av tetningen rundt stempelstanga). Sylindrene er alltid bygd opp i en rekke. Krysshodemotor med motgående stempler (K). En­ keltvirkende motor med sylindrene bygd opp i rekke. Kraftoverføringen fra øverste stempel til veivakselen Inndeling av stempelmotorene

•

Fig. 2.2 Sylinder- og stempelarrangementer som er i bruk i dag.

•

Forbrenningsmotorer

foregår ved hjelp av to ekstra krysshoder med veivstenger. Rekkemotor (C). Denne betegnelsen dekker en trunkmotor med sylindrene plassert i rekke.

V-motor (D). Trunkmotor med to sylinderrekker plassert i en viss vinkel i forhold til hverandre. Boxermotor (E). Trunkmotor med to liggende sylinderrekker og veivaksel i midten. W-motor (F). Trunkmotor med tre sylinderrekker. H-motor. (G) Trunkmotor med fire sylinderrekker og to veivaksler som via tannhjul overfører kraften til en utgående aksel.

X-motor (H). Trunkmotor med fire sylinderrekker og én veivaksel.

Stjernemotor. Trunkmotor med sylindrene plassert i stjerneform. Kan utføres med én sylinderkrans (I) eller med to sylinderkranser (J). Deltamotor (L). Trunkmotor med tre sylinder­ rekker plassert i en trekant og tre veivaksler som via tannhjul overfører kraften til en utgående aksel. Motgående stempler i hver sylinder.

Rekkemotor med motgående stempler. Kan utføres med stående sylindre (M) eller med liggende syhndre (N). I begge tilfeller er det to veivaksler som via tannhjul overfører kraften til en utgående aksel. Motor med roterende stempel (O). Istedenfor den typiske fram- og tilbakegående stempelbevegelse har disse motorene stempler som roterer i spesielt ut­ formede sylindre. f) Etter kjølingens utforming.

Her skiller man mellom vannkjølte motorer og luftkjølte motorer. Vil man i korte ordelag beskrive en motor, kan man f.eks. spesifisere hvilken av disse inndelingsgruppene den hører til, og så i tillegg angi antall sylindre og effekt.

2.3 Valg av motortype I tilknytning til kapitlet foran kan det være naturlig allerede nå å gi en kort oversikt over hvilke fordeler og ulemper de forskjellige stempelmotortypene har. Mange av vurderingene i denne forbindelse må nød­ vendigvis bli svært skjematiske så tidlig i boka. De vil bli mer inngående behandlet og forklart i seinere kapitler.

a) Ottomotor, dieselmotor eller semidieselmotor ?

Dieselmotorens hovedfordel ligger i dens brensel­ forbruk, som er vesentlig lavere enn for alle andre typer varmemotorer. Enkelte dieselmotorer kan ut­ nytte til effektivt arbeid opptil 45% av energien som tilføres med brenselet. Da dieselmotoren dessuten nytter brensel som er billigere enn bensin, vil den bli meget økonomisk i drift sammenlignet med en otto­ motor. Ottomotoren kan på sin side gjøres mer lettbygd enn en dieselmotor (se fig. 1.2.), fordi den arbeider med lavere trykk i sylindrene og kan utføres mer hurtiggående.

Man velger altså en ottomotor hvor det stilles ekstra strenge krav om liten og lettbygd motor (f.eks. i personbiler og fly), mens dieselmotoren etter hvert har overtatt på nesten alle de andre av stempelmotorens bruksområder.

Om semidieselmotoren er å bemerke at den får mindre effekt pr. dm3 sylindervolum enn dieselmoto­ ren. Den vil derfor få større dimensjoner og bli mer tungbygd. Samtidig har den et høyere brennoljefor­ bruk enn dieselmotoren. Som nevnt i forrige kapittel er semidieselmotoren en lavtrykksmotor. Den ble tid­ ligere ansett som mer robust og enklere å betjene enn dieselmotoren, og ble derfor mye brukt på felter hvor slike fordeler hadde stor betydning, f.eks. som fremdriftsmotor for fiskebåter. I dag har imidlertid diesel­ motoren nådd en så høy grad av driftssikkerhet at dette momentet ikke lenger spiller så stor rolle. På grunn av de forannevnte ulemper har derfor semi­ dieselmotoren etter hvert blitt fullstendig utkonkur­ rert av dieselmotoren, og produseres i dag bare i «mikroskopisk» grad. b) Hurtiggående, middels hurtiggående eller langsomtgående motor ?

For en gitt effekt vil en hurtiggående motor få mindre dimensjoner og masse, og bli billigere i anskaffelse, enn en langsomtgående motor. I mange tilfelle (f.eks. ved drift av kjøretøyer) er kravet til liten masse og lite plassbehov så sterkt at valget av en hurtiggående motor er innlysende. Når det gjelder motorer for drift av mindre elektriske generatorer, vil hensynet til den lave anskaffelsesprisen medføre at man også til dette formålet normalt velger hurtiggående motortyper. En høy rotasjonsfrekvens vil nemlig gi både billigere motor og billigere generator. Også motorer til indust­ rielt bruk vil normalt utføres som hurtiggående. Inndeling av stempelmotorene

•

Det eneste feltet hvor den langsomtgående motoren kan by den hurtiggående virkelig konkurranse er så­ ledes når det gjelder drift av skip og større båter, og store elektriske anlegg. Her er nemlig ønsket om liten vekt og lite plassbehov ikke lenger så vesentlig, selv om dette også her må anses som en fordel. En hurtig­ gående motor vil også være enklere å reparere, over­ hale og eventuelt skifte ut, fordi de forskjellige motor­ delene blir lettere å håndtere. Til tross for fordelene ved den hurtiggående motoren velger man likevel i de fleste tilfellene en langsomtgående motor for drift av skip og større båter. Den er ikke så kresen når det gjelder brenselet, og kan nytte brennoljer som er av dårligere kvalitet og dermed billigere. Derfor blir den mer økonomisk i drift enn en hurtiggående motor, og dette er av stor betydning når det dreier seg om store effekter. Den langsomtgående motoren anses dessuten for å ha større levetid og meget stor driftssikkerhet.Når det gjelder fremdrift til sjøs, vil man altså generelt velge en langsomtgående motor, mens den hurtiggående motoren dekker spesialtilfellene hvor kravet f.eks. til liten masse og lite plassbehov blir sterkere igjen, som for lystbåter og andre mindre båter, ferjer, marinebåter osv. Man skal imidlertid være oppmerksom på at den middels hurtiggående motoren i de siste årene har fått mer og mer innpass som fremdriftsmaskineri for skip. Det er nærliggende at årsaken til dette er at den er et brukbart kompromiss mellom den langsomtgående og den hurtiggående. Den kombinerer disse motortypenes fordeler uten å ha de tidligere nevnte ulemper i utpreget grad. I 1967 var ca. 12% av de installerte maskinanlegg middels hurtiggående motorer, og i 1971 hadde denne andelen økt til ca. 20%, regnet på effektbasis. De middels hurtiggående motorene er i de fleste tilfellene firetaktsmotorer. Nøyaktigere valg av rotasjonsfrekvens blir be­ handlet seinere. c) Totaktsmotor eller firetaktsmotor ? Dette spørsmålet har vært diskutert like lenge som det har eksistert stempelmotorer, og også i dag er meningene svært delte. Spørsmålet kan imidlertid neppe besvares eksakt. Totaktsmotorens hovedfordeler framfor firetakts­ motorens er at den får en enklere oppbygging med færre bevegelige deler. Den blir også enklere å frem­ stille. Ved en gitt rotasjonsfrekvens vil dessuten totaktsmotoren kunne oppnå større effekt pr. dm3 sy­ lindervolum enn firetaktsmotoren (fordi den får dob­ belt så mange arbeidsslag). Den får derfor mindre dimensjoner og masse ved en gitt rotasjonsfrekvens. •

Forbrenningsmotorer

Men totaktsmotoren har også diverse ulemper. Fordi den har større effekt pr. dm3 slagvolum, vil den også bli utsatt for en høyere varmebelastning enn firetaktsmotoren. Spesielt gjelder dette stemplene. I en totaktsmotor vil disse få høyere temperaturer, noe som øker faren for driftsvanskeligheter, f.eks. fastkoksing av de øverste stempelringene. Videre vil det være vanskelig å unngå at smøreoljen på sylinderløpebanen trenger inn i totaktsmotorens avgasskanaler. Ved siden av at dette øker smøreoljeforbruket, vil det medføre forkoksing i disse kanalene, og dermed drifts­ forstyrrelser i det lange løp. Disse ulempene gjør seg ikke så sterkt gjeldende for langsomtgående totaktsmotorer. For disse er det nem­ lig lettere å holde smøringen av sylinder løpebanen (og dermed forkoksingen) på et rimelig nivå. Har man (f.eks. for skipsdrift) først valgt en langsomtgående motor, vil man derfor i de fleste tilfelle velge å utføre denne som en totaktsmotor, for å holde dimensjoner og vekt nede på en rimelig verdi (totaktsmotoren har mindre dimensjoner enn firetaktsmotoren for en gitt rotasjonsfrekvens). Dessuten får man altså en motor som er enkel i oppbyggingen. Når det gjelder hurtiggående motorer, stiller saken seg derimot annerledes. Nå begynner totaktsmotorens ulemper å gjøre seg mer gjeldende i forhold til for­ delene. Det er nemlig her vanskeligere å hindre oversmøring av sylinderløpebanen med de ulemper dette medfører i en totaktsmotor. Dessuten øker varmebelastningen med rotasjonsfrekvensen (se kap. 3.5.4). En hurtiggående totaktsmotor vil altså få ekstra høy varmebelastning. Hurtiggående motorer har man der­ for hittil nesten bare utført som firetaktsmotorer. Men med omhyggelig konstruktiv utforming, spesielt når det gjelder stemplene, har det også lykkes å bygge gode hurtiggående totaktsmotorer hvor de nevnte ulempene er sterkt redusert, mens fordelene (enklere motorer med mindre dimensjoner) er beholdt. Generelt må man imidlertid si at totaktsmotoren i dag dominerer som langsomtgående motor, firetakts­ motoren som hurtiggående.

d) Overladd eller normalladd motor? Som nevnt tidligere vil en overladd motor ha større luftmengde til stede i sylindrene enn en normalladd motor. Dermed kan den forbrenne mer brensel, og får altså større effekt ved samme sylindervolum. Av dette følger en mengde fordeler. Selv om det kreves en ekstra kompressor til luftleveringen, vil både masse, dimensjoner og anskaffelsespris bli mindre for en gitt effekt. Normalt blir også brenselforbruket

noe lavere. Varmebelastningen på motoren blir imidlertid økt, men ved passende konstruktive tiltak kan denne ulempen i de fleste tilfelle beherskes. Overladningen har derfor fått en enorm utbredelse i de siste år. Av dieselmotorene er det i dag hovedsakelig bare meget små motorer som bygges uten overladning, fordi det foreløpig ikke har vært mulig å lage små kompressorer med tilstrekkelig god virknings­ grad. Når det gjelder ottomotorene, har derimot overladningen mest vært brukt i flymotorer beregnet på store høyder (som må kunne opprettholde effekten ved minkende ytre lufttrykk). Ellers utføres foreløpig ottomotorene for det aller meste som normalladde motorer. Årsaken til det blir omtalt seinere.

Generelt kan man altså si at normalladning velges for ottomotorene og for de minste dieselmotorene. I de fleste andre tilfelle vil man foretrekke overladning. e) Hva slags sylinderarrangement ?

Valget mellom trunkmotor eller krysshodemotor be­ stemmes i første rekke av sylinderdiameteren. Trunkmotoren blir billigere og trenger mindre byggehøyde, men ved større sylinderdiametre (over ca. 600 mm) får man vanskeligheter med stempelbolten, fordi både de mekaniske og termiske belastningene på denne blir for store. For de tilfelle da det er nødvendig å nytte sylinderdiametre over ca. 600 mm (altså for de store, langsomtgående skipsdieselmotorene), må man der­ for legge krysslageret utenfor stempelet, hvor det er bedre plass. Det vil si at man bygger motoren som en krysshodemotor. Under denne omtrentlige grensen vil man foretrekke trunkstempler på grunn av de fordelene dette medfører. Når det gjelder krysshodemotoren, kan man velge å utføre denne enten som enkeltvirkende eller dobbeltvirkende motor. De dobbeltvirkende motorene får selvsagt mindre dimensjoner enn de enkeltvirkende for en gitt effekt, men de blir mer kompliserte, krever mer tilsyn under driften og mer arbeid under over­ halingen. Derfor foretrekkes i dag enkeltvirkende motorer, selv om de er mer plasskrevende. Krysshodemotoren utføres alltid som rekkemotor. Når det gjelder trunkmotoren, kan man derimot velge mellom rekkemotor eller andre sylinderarrangementer. Rekkemotoren gir en meget enkel oppbygging og er absolutt den vanligste typen. I denne boka vil derfor hovedvekten bli lagt på rekkemotorene. V-motoren får mindre masse og betraktelig mindre byggelengde, men blir noe mer komplisert. Det er videre mulig å bygge den med flere sylindre enn en rekkemotor kan ha. Det finnes V-motorer med 20

sylindre. Et tilsvarende sylinderantall i en rekkemotor er utenkelig, fordi dette ville gi vanskeligheter med en altfor lang veivaksel. Derfor har V-motorene fått spe­ siell stor anvendelse hvor det er behov for relativt store effekter i forbindelse med krav om lite plass­ behov, f.eks. til drift av lokomotiver eller marine­ båter. En annen fordel ved V-motoren er at den egner seg bedre til luftkjøling enn rekkemotoren. W-motoren, Delta-motoren, H-motoren og X-motoren har som hovedfordel at de blir ekstra kompakte for en gitt effekt. Men de blir samtidig meget kompli­ serte, og nyttes derfor bare i noen få spesialtilfelle; W-motoren og Delta-motoren f.eks. i hurtiggående marinebåter, H-motoren og X-motoren i tanks. Boksermotoren særpreges av sin lave byggehøyde, og kan nyttes hvor dette anses som en vesentlig fordel, f.eks. i busser og jernbanemotorvogner. På grunn av den lave byggehøyden, og fordi den egner seg godt til luftkjøling, er den faktisk blitt enerådende i sportfly og andre små fly. Den er også lett å plassere i mindre biler. For store fly med stempelmotorer istedenfor gass­ turbiner var stjernemotoren mye brukt. Denne motortypen ga nemlig en meget kompakt konstruksjon, og egnet seg fortrinnlig til luftkjøling. Når det gjelder arrangementet med to motgående stempler pr. sylinder (K, L, M og N på fig. 2.2) istedenfor ett stempel, er det å merke at dette bare har fått anvendelse i totaktsmotorer. Fordelen ved motgående stempler er nemlig en naturlig og effektiv utforming av totaktsmotorens spylesystem (det ene stempelet styrer luftkanalene, og det andre styrer avgasskanalene). Arrangementet nyttes både i krysshodemotorer og i trunkmotorer. Kraftoverføringen blir imidlertid komplisert, og systemet med mot­ gående stempler har ikke fått noen stor utbredelse. Når det gjelder motorer med roterende stempler, har man ennå ikke så mange erfaringer å bygge på. Hovedfordelen med dette systemet er at det gir motorer med meget lite plassbehov.

/) Luftkjøling eller vannkjøling ? Luftkjøling kan bare brukes for små og middelstore motorer. Ved økende sylinderdiameter vil nemlig nød­ vendig bortført varmemengde vokse med tilnærmet 3. potens av diameteren, mens kjølende overflate øker med bare tilnærmet 2. potens. Over en viss grense for sylinderdiameteren vil derfor luftkjøling by på meget store problemer. Denne grensen ligger i dag på ca. 160 mm. For mindre motorer byr imidlertid luftkjøling på mange fordeler, blant annet enklere oppbygging, inndeling av sterripelmotorene

• 29

Tabell 2.1 Fordeler ved de forskjellige motortypene.

Motortype

Fordeler

Ottomotor Dieselmotor

Lettbygd og lite plassebehov ved en gitt effekt. Billig i anskaffelse. Lavt brenselforbruk.

Liten masse og lite plassbehov ved en gitt effekt. Billig i anskaffelse. Hurtiggående motor Langsomtgående motor Kan nytte brennolje av dårlig og dermed billig kvalitet. Driftssikker.

Totaktsmotor Firetaktsmotor

Enkel oppbygging. Små dimensjoner og liten masse ved en gitt rotasjonsfrekvens. Lav varmebelastning, god gassutveksling, spesielt viktig ved hurtiggående motorer.

Overladd motor Normalladd motor

Liten masse ved en gitt effekt. Billig i anskaffelse og i drift. Lav varmebelastning.

Trunkmotor Krysshodemotor

Lav byggehøyde. Billig i anskaffelse. Liten belastning på krysslageret, spesielt ved motorer med store sylinderdiametre.

Rekkemotor V-motor

Enkel oppbygging. Liten byggelengde. Kan bygges med flere sylindre. Godt egnet til luftkjøling.

Boksermotor

Lav byggehøyde. Bedre egnet til luftkjøling enn rekkemotoren.

Luftkjølt motor Vannkjølt motor

Lite vedlikehold. Lav varmebelastning, spesielt ved motorer med større sylinderdiametre.

mindre vedlikehold, større uavhengighet av de kli­ matiske forhold, hurtigere oppnåelse av riktig driftstemperatur og noe mindre masse og plassbehov. Vannkjøling gir på den annen side en jevneie kjøling gjennom hele motoren, og tillater at toppbelastningen kan holdes i en lengre periode, spesielt når motoren på forhånd er høyt varmebelastet. Videre vil vannkapper rundt sylindrene virke lyddempende. Det er en selvfølge at man nyttet luftkjøling i de tilfelle hvor fartsvinden alene kan utnyttes til å gi til­ strekkelig kjøling (for fly og motorsykler). Men også når man må bruke en egen vifte til levering av kjølelufta, vil fordelene i enkelte tilfelle være så store at man foretrekker luftkjøling. Enkelte av de nevnte foidelene ved de forskjellige motortyper er satt opp i tabell 2.1. Det skulle fremgå

av betraktningene i dette kapitlet at det i mange til­ felle er umulig å uttale seg definitivt om hvilken mo­ tortype som vil være best egnet for et bestemt formål. Enkelte ganger blir det mer et skjønnsspørsmål hvilken innbyrdes vekt man skal legge på de nevnte fordeler og ulemper. Tabell 2.1 er derfor bare ment å gi en grov oversikt over forholdene.

[2.1] Gedenkheft zum 100. Geburtstag von Rudolf Diesel. Motortechnische Zeitschrift, Nr. 3, 1958, Stuttgart. [2.2] K. Schnauffer: Die ersten Fahrzeugmotoren von Daimler, Maybach und Benz - der Schlussel zur Motorisierung des Verkehrs. Artikkel i «Motor­ technische Zeitschrift», Heft 7, 1961, Stuttgart. [2.3] H. Engja: Installasjon av mellomhastighetsmotorer i store skip - Flermotoranlegg er stadig mer aktuelt. Tidsskriftet Maskin, febr. 1973, Oslo.

Oppgaver

2.1. I oppgave 1.2. er det omtalt et dieselskip. Velg motortype for dette skipet, dvs. velg om dieselmotoren skal utføres som hurtiggående eller langsomtgående, som totaktsmotor eller firetaktsmotor, som overladd eller normalladd motor, som luftkjølt eller vannkjølt, som trunkmotor eller krysshodemotor, som rekkemotor eller med annet sylinderarrangement. 2.2. I Japan ble det i løpet av 1973 lagt planer for et 60 000 dødvekttonn containerskip som skulle ha en fart på 35 knop. Som maskineri ville man nytte 8 stk. middels hurtiggående dieselmotorer, hver med 24 sylindre og akseleffekt pr. sylinder lik 1100 kW. Fire av motorene skulle drive en senterpropell og de resterende motorene to vingpropeller. Benytt erfaringsverdier fra fig. 1.5 til å beregne brennoljeforbruket pr. døgn. Hvor stor blir skipets totale akseleffekt regnet i hk? Bruk fig. 1.2 til å anslå de 8 motorenes sam­ lede masse og besparelse i masse ved å nytte middels hurtiggående motorer istedenfor langsomtgående. Hva slags konstruktiv utforming vil motorene eventuelt få? Hvilket turtall antar du motorene vil få?

30 •

Forbrenningsmotorer

I dette hovedkapitlet vil teorien som ligger bak stempelmotorene, bli nærmere behandlet. Videre vil det bli omtalt en del begreper som er av fundamental betyd­ ning når man skal studere stempelmotorene og be­ regne en stempelmotors hoveddimensjoner (sylinderdiameter og slaglengde). Aller først er det naturlig å gi en kort repetisjon av enkelte termodynamiske lover og begreper som er av spesiell betydning i tilknytning til stempelmotorene.

3

3.1 Varmeteknisk grunnlag 3.1.1 Arbeid og effekt

Teoretisk grunnlag

Arbeid (W) er egentlig transport av mekanisk energi fra et system til et annet, og defineres som det skalare produktet av kraft og forflytning. I Sl-systemet er måleenheten for arbeid (og dermed for energi) joule, J (1 J = 1 N • m). I det tekniske systemet er de mest brukte måleenhetene kpm, kWh og hkh (hestekrafttime). Da 1 kp = 9,807 N, blir tilsvarende 1 kpm = 9,807 J. Ellers er 1 kWh = 3,6 M J og 1 hkh = 2,65 MJ. Effekt (P) er et mål for hvor fort et arbeid blir gjort, altså et utført arbeid dividert med den tid arbeidet tok. I Sl-systemet er måleenheten watt, W (1 W = 1 J/s). I det tekniske system er de vanligste enheter kpm/s, kW og hk. Man har som kjent at 1 hk = 75 kpm/s og 1 hk = 1,36 kW. I England nyttes hestekrefter (hp) som er definert på en annen måte: 1 hp =550 lb ft/sec = 76 kpm/s.

3.1.2

Utført arbeid ved ekspansjon av en gass

Skal en gassmengde som f.eks. er innestengt over et stempel kunne utføre et arbeid, må stempelet bevege seg en viss veilengde, dvs. gassen må utvide seg, ekspandere. Arbeidet som gassen utfører, blir etter fig. 3.1 lik 3.1 Varmeteknisk grunnlag

3.2 Idealprosesser 3.3 Virkelige prosesser

Vb W=$pdV

(3.1)

VA

3.4 Virkningsgrader og brenselforbruk 3.5 Middeltrykk og effekt

Dreiemoment og stempelhastighet

3.6 Faktorer som bestemmer en motors akselefekt

3.7 Bestemmelse av en motors hoveddimensjoner

og vises grafisk som flaten under kurven for trykkets variasjon under ekspansjonen. Derfor kalles et p-Vdiagram ofte for et arbeidsdiagram. Integrasjonen i ligning (3.1) kan utføres analytisk hvis man kjenner sammenhengen mellom p og V. En slik kjent sam­ menheng mellom trykk og volum har man i følgende tilfelle: Teoretisk grunnlag

• 31

Varmetilforsel under stempelbevegelsen

EKSPANSJONSFORLOP P-

Pi

KOMPRESJONSFORLOP

Fig. 3.1 Utført arbeid ved ekspansjon av en gass.

Vb

W — fpAås — fpdV sa

Va

Isotermisk tilstandsforandring (samtidig med eks­ pansjonen tilføres det varme til sylinderen, slik at gassens temperatur holder seg konstant). Da er

pK=konstant

(3.2)

Adiabatisk tilstandsforandring (ingen varmetilførsel eller varmebortførsel under ekspansjonen, «varmetett sylinder»): pVK = konstant k

(3.3)

er gassens adiabateksponent.

Polytropisk tilstandsforandring: p Un = konstant

Varmebortforsel under stempelbevegelsen

Fig. 3.2 a Noen teoretiske forløp av kompresjon og ekspansjon av en gass. i — isoterm (eksponent = 1,0) a = adiabat (eksponent = k) Pr = polytrop med eksponent n < k Pz= polytrop med eksponent n > k

W = kraft • vei sb

Pl a P2

nyttet såkalte indikatorer, og p- V- diagrammet ble derfor ofte kalt indikatordiagram. Det som hittil er omtalt, er forholdene når en inne­ stengt gass ekspanderer og altså utfører et arbeid. Omvendt vil en gass selvsagt måtte tilføres et arbeid hvis den skal komprimeres. Størrelsen av dette tilførte arbeidet kan bestemmes på samme måte som nevnt tidligere. Alle ligninger gjelder uforandret, men i en grafisk fremstilling vil den innbyrdes beliggenhet av de forskjellige kompresjonsforløp bli noe annerledes enn for ekspansjon, se fig. 3.2.

(3.4)

n er polytropeksponenten (et konstant tall forskjellig fra k). For alle disse tilstandsforandringene kan man regne med tilstandsligningen:

pF/T=konstant

(3.5)

Innbyrdes beliggenhet av kurvene for de forskjellige ekspansjonsforløp er vist på fig. 3.2 a. I praksis vil imidlertid ekspansjonen i en motorsylinder ikke foregå på noen av de ovennevnte måter. Ekspansjonsforløpet vil ligne på en polytrop, men polytropeksponenten vil variere. Man kan da ikke benytte analytisk integrasjon av ligning (3.1), men man kan utføre integrasjonen grafisk hvis man har fått opptegnet kurvens forløp. For å kunne bestemme arbeidet som utføres i en sylinder, er det derfor svært viktig i motorteknikken å få registrert trykkforløpene i sylinderen. For opptegning av disse ble tidligere

32 •

Forbrenningsmotorer

Fig. 3.2 b. Avsettes sammenhørende verdier av p og V på et dobbelt logaritmisk papir, antar kurvene ovenfor form av rette linjer dersom eksponenten ikke varierer under tilstandsforandringen. Linjenes helling er et uttrykk for eksponentens størrelse: eksponent = tg a.

3.1.3

Energi og varme

P

Varmelærens første hovedsetning

Energi kan defineres som evne til å utføre arbeid. Energisetningen sier oss at energi aldri kan lages eller ødelegges, bare omdannes fra en form til en annen. Slike forskjellige former for energi er f.eks. kinetisk energi, potensiell energi, elektrisk energi, atomenergi, kjemisk bundet energi og indre energi. Varme er energitransport fra et system til et annet forårsaket av en temperaturforskjell. Den energiform som transporteres på denne måten, kalles indre energi (kinetisk og potensiell energi lagret i systemenes atomer eller molekyler). Varme blir etter denne de­ finisjonen helt analog med begrepet arbeid i forbin­ delse med mekanisk energi. Både varme og arbeid forteller om energioverføring og blir av denne grunn i Sl-systemet målt med samme enhet, J. I det tekniske systemet nyttes derimot kalori (1 cal = 4,19 J) som egen måleenhet for varme, og sambandet mellom varme og arbeid er som kjent gitt ved A = 1/427 kcal/kpm. Andre omregnings­ faktorer som man ofte har behov for i det tekniske system, er at 1 kcal = 1/860 kWh = 1/632 hkh. Tilfører man varme (Q) til f.eks. en gass innestengt over et stempel (ved energioverføring fra et brensel), øker den indre energien i gassen (A U). Hvis samtidig gassen også overfører mekanisk energi til stempelet (altså utfører et arbeid, W), følger av setningen om energiens bevarelse at

Q=&U+W

Energisetningen i denne formen kalles ofte varme­ lærens første hovedsetning. Av dette ser man at det er umulig å bygge en «perpetuum mobile av første grad», dvs. en maskin som utvikler arbeid uten at den forbruker en til­ svarende mengde energi (f.eks. i form av varme eller indre energi).

3.1.4 Kretsprosesser

Varmelærens annen hovedsetning Indikert termisk virkningsgrad

En stempelmotor er en periodisk virkende maskin. Når motoren har antatt stabile driftsforhold, vil man før hver arbeidsprosess alltid ha samme begynnelsestilstand i sylinderen. Fremstiller man i et p- V- diagram hvordan trykket varierer i sylinderen, vil man derfor få en lukket kurve, se fig. 3.3. En slik prosess kalles

3

Fig. 3.3 Vilkårlig kretsprosess. Flate al B2ba = utført arbeid under ekspansjon. Flate alA2ba = tilført arbeid under kompresjon. Netto overskudd av arbeid (HA) i en kretsprosess frem­ kommer som en flate under en lukket kurve med dreieretning lik urviserens. Mellom A og B tilføres en viss varmemengde, Qt. Mellom B og A bortføres en viss varmemengde, Qb. Netto overskudd av arbeid: Wi=Qt— Qb

en Å7-er.sprosess. Skal man få et overskudd av arbeid i løpet av kretsprosessen, må ekspansjonsforløpet ligge høyere enn kompresjonsforløpet, dvs. prosessen må følge urviserens dreining. Varmelærens annen hovedsetning angir hvilke betin­ gelser som må oppfylles for at varme kan omformes til arbeid i en periodisk virkende maskin, slik at det altså fremkommer en lukket kurve med dreining i urviserretningen. Setningen kan formuleres på flere måter. Størst in­ teresse i tilknytning til forbrenningsmotorteknikken har følgende formulering: Det er ikke mulig å om­ forme varme til arbeid uten at man har et temperaturfall til disposisjon. Dette er like naturlig som at man trenger et spenningsfall for å omsette elektrisk energi til arbeid i en elektrisk motor, eller at man må ha en høydeforskjell til disposisjon for å omsette vannets potensielle energi til arbeid i en vannkraftturbin. Av varmelærens annen hovedsetning følger at det er umulig å lage en «perpetuum mobile av annen grad», dvs. en maskin som utnytter f.eks. de enorme mengder indre energi som finnes i havvannet. Dette går ikke, fordi man i så fall måtte ha til disposisjon en tempe­ ratur som var enda lavere. Teoretisk grunnlag

• 33

At man i en motor trenger et temperaturfall, betyr at man må tilføre varmemengden til den innestengte gassen i sylinderen ved en høyere temperatur enn omgivelsestemperaturen. På fig. 3.3 foregår varmetilførselen (Qt) mellom punktene A og B. Skal man der­ etter komme tilbake til punkt A, er det absolutt nød­ vendig å bortføre en viss varme, Qb- (Man må nemlig før eller siden krysse de inntegnede isotermene i ret­ ning av minkende temperatur.) Det er med andre ord ikke mulig i en periodisk virkende maskin å omdanne hele den tilførte varmen til arbeid. Det vil alltid være nødvendig også å bortføre en viss varme i løpet av prosessen. Forholdet mellom utført arbeid (fPi) og tilført varme (Qt) kalles motorens indikerte termiske virk­ ningsgrad : Wl Qt-Qb (3.6) T>i Qt Qt Her er altså Qb alltid større enn 0, og tj, kan aldri bli lik 1,0. r/i er et uttrykk for hvor økonomisk en motor er i drift. Høy rjt betyr nemlig at en relativt stor andel av tilført varme (dvs. tilført brenselmengde) utnyttes til arbeid på stempelet. Disse betraktninger og kon­ klusjoner over varmelærens annen hovedsetning er anskueliggjort på fig. 3.4.

3.2 Idealprosesser På fig. 3.5 og fig. 3.6 er det vist skjematisk hvordan en firetaktsmotor og en totaktsmotor arbeider, og hvordan dette gir visse kretsprosesser i p- V- diagram­ mene. De virkelige kretsprosesser som i praksis fore­ går i en motorsylinder, påvirkes av en mengde for­ skjellige faktorer. For å lette forståelsen av et stort problemkompleks er det alltid meget formålstjenlig først å foreta tilnærmelser og forenklinger, og så etterpå korrigere disse tilnærmelsene én for én. 2. takt

1. takt

OD

3. takt

4. takt

ND

Fig. 3.5 Normalladd firetaktsmotors arbeidsprinsipp, og tilhø­ rende kretsprosess i p-F-diagram (skjematisk). 1-2: Innsugning av frisk ladning 2- 3: Kompresjon 3- 4: Forbrenning 4- 5: Ekspansjon (arbeidsslag) 5- 6: Utstøting av forbrenningsgasser

Temperaturområde hvor varme tilfdres Utviklet arbeide inne i motoren Wi=Qt-Qb

Omgivelsenes temperatur

1. takt

2.takt

Fig. 3.4 Varmelærens annen hovedsetning. I en periodisk virkende varmemotor tnå det i løpet av perioden bortføres en viss varmemengde, Qb. Motorens indikerte termiske virkningsgrad: tji = utviklet arbeid/tilført varme

Ligning (3.6) kan også skrives ^i=riiQt

(3-7)

Av dette fremgår det at det arbeid som man kan få utviklet i en motorsylinder, bestemmes av to funda­ mentale faktorer, nemlig motorens indikerte termiske virkningsgrad, rji, og tilført varme under forbren­ ningen, Qt. I det etterfølgende vil vi først analysere de faktorer som er bestemmende for t]t, og deretter de faktorer som er bestemmende for hvor mye varme (dvs. bren­ sel) man kan tilføre til sylinderen i en stempelmotor.

34 •

Forbrenningsmotorer

Fig. 3.6 Normalladd totaktsmotors arbeidsprinsipp, og tilhørende kretsprosess i p-F-diagram (skjematisk). 1- 2: Gassutveksling (utstrømning av forbrenningsgasser, spyling og fylling med frisk ladning) 2- 3: Kompresjon 3- 4: Forbrenning 4- 1: Ekspansjon (arbeidsslag)

De såkalte idealprosesser (Otto-prosessen og Diesel-prosessen) er nettopp slike sterke forenklinger av de prosesser som virkelig foregår i henholdsvis ottomotorer og dieselmotorer. I idealprosessene har man et utmerket hjelpemiddel til å forstå hvilke hovedfaktorer som er bestemmende for en motors indikerte termiske virkningsgrad, f.eks. hvorfor en dieselmotor er mer økonomisk i drift enn en ottomotor. I begge idealprosessene tenker man seg at arbeidsmediet i sylinderen under hele prosessen er rein luft, og at luftas spesifikke varmekapasitet (c?J og cv) og dermed adiabateksponenten (k = cp/cv) ikke varierer med temperaturen (ideell gass). Adiabateksponenten settes til k = 1,4. Både kompresjon og ekspansjon tenkes å forløpe adiabatisk med denne eksponentverdien. For firetaktsmotorenes vedkommende ser man bort fra den ekstra sløyfen i p- V- diagrammet på grunn av gassutvekslingen, og korrigerer for dette seinere. Etter varmelærens annen hovedsetning må det nød­ vendigvis bortføres en viss varmemengde for at man skal komme tilbake til kretsprosessens utgangspunkt. Dette tenkes i begge idealprosessene å foregå ved at den varme gassen ved ekspansjonens slutt momentant (altså under konstant sylindervolum) byttes ut med kald, ny gass. Bortført varme er da lik differansen mellom indre energi i gammel og ny gass. Forskjellen mellom Otto-prosessen og Diesel-pro­ sessen består i at man tenker seg at selve varmetilførselen til ladningen skjer under henholdsvis kon­ stant volum og konstant trykk i sylinderen. Som en tredje hovedtype av idealprosessene kunne man tenke seg en prosess hvor varmetilførselen foregikk under konstant temperatur (den såkalte Carnot-prosessen), men dette er ikke engang tilnærmelsesvis gjennomfør­ bart i praksis, og Carnot-prosessen har ingen betyd­ ning innen forbrenningsmotorteknikken. Da Rudolf Diesel konstruerte sin første motor, hadde han egent­ lig tenkt å la denne arbeide omtrent etter en Carnotprosess, men måtte fort oppgi denne tanken. Det var ikke mulig å regulere brenseltilførselen på en slik måte at temperaturstigningen på grunn av forbren­ ningen kunne oppheves av tilsvarende temperaturfall på grunn av ekspansjonen, og dermed gi en forbren­ ning under konstant temperatur. Den indikerte termiske virkningsgraden til en idealprosess kalles den ideelle termiske virkningsgrad, z/0En motors virkelige, indikerte termiske virkningsgrad, t]i, avviker selvsagt fra den ideelle termiske virknings­ graden fordi motorens virkelige arbeidsprosess av­ viker fra idealprosessen.

3.2.1 Otto-prosessen

Otto-prosessen kjennetegnes ved et forløp som vist på fig. 3.7. Denne prosessen nyttes som idealprosess for ottomotorene, som nesten utelukkende er bensin­ motorer. Disse motorene har nemlig alt brenselet til stede i sylinderen når tenningen inntreffer, i mot­ setning til dieselmotorene, og får derfor en meget hurtig forbrenning slik at stempelet ikke får tid til å forskyve seg vesentlig under forbrenningen. Det er derfor ikke urealistisk å forutsette varmetilførsel under konstant volum for bensinmotorene. Også semidieselmotorer har i praksis arbeidsdiagram som ligner mye på diagrammet til Otto-prosessen. Med. de indekser som er nyttet på fig. 3.7, får vi følgende ideelle termiske virkningsgrad for en Ottoprosess:

Fig. 3.7 Otto prosessen. 1-2: Adiabatisk kompresjon 2- 3: Forbrenning (varmetilførsel) under konstant volum 3- 4: Adiabatisk ekspansjon 4- 1: Gassutveksling (varmebortførsel) under konstant volum / Skravert flate representerer tap på grunn av ufullstendig ekspansjon. wzo _ Qt-Qb _ y _ Q>> _

Qt

Qt

Qt

1

cv(Ti — Ty)rn _ . T^m

— Tx T3 T2

cv = spesifikk varmekapasitet for oppvarming under konstant volum, J/(kgK). m = ladningsmengde i sy­ linder, kg. Begge disse størrelsene (og adiabatekspo­ nenten k) forutsettes konstante rundt hele idealpro­ sessen. Ved kombinasjon med ligningene (3.3) og (3.5) får vi videre Teoretisk grunnlag

• 35

rio = l

1

hvor k er adiabateksponent, og Vx og V2 er sylinder­ volumene over stempelet når dette står i henholdsvis nedre og øvre dødpunkt. Forholdet mellom disse volumene kalles nominell kompresjonsgrad, £n. Gz = K1/F2

(3.8)

Dermed blir den ideelle termiske virkningsgraden Vo = 1------- —r K— 1

(3.9)

Av ligningen ser man at den ideelle termiske virk­ ningsgraden for en Otto-prosess øker med økende kompresjonsgrad. Det samme ser man av fig. 3.10, hvor //0 er beregnet etter ligning (3.9) med k = 1,4, og fremstilt grafisk. I praksis er det flere forhold som setter en grense for hvor høyt man kan gå med kompresjonsgraden i ottomotorer (se kap. 5.2.3). Det har i historiens løp blitt lagt ned et stort arbeid for å kunne øke denne. Ønskeligheten av dette fremgår tydelig av ligning (3.9) eller fig. 3.10. Regelen om at høy kompresjonsgrad gir høy virkningsgrad er altså av så grunnleggende karakter at den er riktig selv når man tar hensyn til alle de faktorer som i praksis gjør at arbeidsprosessen i en sylinder avviker fra idealprosessen. Da høy kompresjonsgrad på mange måter er ugunstig fra et forurensingsmessig synspunkt (se bind III), er man imidlertid i dag ikke lenger så inter­ essert i en ytterligere heving.

3.2.2 Diesel-prosessen

Denne idealprosessen kjennetegnes ved et forløp som vist på fig. 3.8. Diesel-prosessen nyttes som idealprosess for dieselmotorene. Som nevnt skiller disse seg fra ottomotorene ved at bare en viss andel av brenselet er til stede i sylinderen når tenningen inn­ treffer, mens resten sprøytes inn mens forbrenningen pågår. Dermed trekkes forbrenningen i en diesel­ motor ut over et lengre tidsrom enn i en ottomotor, og det blir naturlig å nytte en idealprosess med for­ brenning under konstant trykk. Ved å sette

Qt = Cp • (F3-T2)- m og Qb =cv • (Ti-TJ-m

og kombinere dette med ligningene (3.6), (3.3) og (3.5), kan man utlede følgende ideelle termiske virk­ ningsgrad for Diesel-prosessen:

36 •

Forbrenningsmotorer

1-2: 2- 3: 3- 4: 4- 1:

Fig. 3.8 Diesel-prosessen. Adiabatisk kompresjon Forbrenning (varmetilførsel) under konstant trykk Adiabatisk ekspansjon Gassutveksling (varmebortførsel) under konstant volum

Her er

1 1 p«-l n0 = 1------------- • -------------K-l K(p-l) £n

(3.10)

k =cp/cv=adiabateksponent £« = Fi/F2=nominell kompresjonsgrad p= F3/F2 — volumforhold under forbrenningen

Da det er den tilførte varmemengden, Qt, som bestemmer volumøkingen under forbrenningen, og dermed størrelsen q, vil Diesel-prosessens ideelle termiske virkningsgrad være avhengig av tilført varme, dvs. motorens belastning. Også Dieselprosessens ideelle termiske virkningsgrad vil øke med økende kompresjonsgrad, men den vil for en gitt kompresjonsgrad synke med økende belastning (Qt), fordi brøken (qk — 1)/k(q —1) da øker. Dette er vist i fig. 3.10. Vil man sammenligne Diesel-prosessen med en Otto-prosess, ser man av ligningene (3.10) og (3.9) at Otto-prosessens ideelle termiske virkningsgrad ved en gitt kompresjonsgrad alltid vil være bedre enn Diesel-prosessens. Brøken (qk — 1)/k(q — 1) vil nemlig alltid være større enn 1,0. Generelt kan man si at en forbrenning gir best virkningsgrad når den foregår nær øvre dødpunkt. I en sammenligning mellom Otto-prosessen og Diesel-prosessen er det imidlertid lite realistisk å forutsette samme kompresjonsgrad i begge tilfelle. I ottomotorene, som har fremmedtenning, er det som nevnt en grense for hvor høyt man i praksis kan gå med kompresjonsgraden. Dieselmotorene kan der­ imot gå opp med kompresjonsgraden - de må ha

høy kompresjonstemperatur for å sikre selvtenningen ^0,7- og har i praksis et koinpresjonstrykk som er omtrent like høyt som ottomotorenes maksimale forbrennings0,6~ trykk. Det er derfor mest naturlig å sammenligne de 0,5to prosessene under de forhold som er vist på fig. 3.9, nemlig under forutsetning av at maksimalt trykk i 0,4sylinderen og tilført varme er likedan i begge tilfelle.

0,30,2-

0,1

-1-------- 1—■—i--------- 1---------- 1

2

område for dieselmotorene

område for ottomotorene

4

6

8

10

I

I

I

I

;

i

12

14

16

18

20

22

Fig. 3.10 Ideell termisk virkningsgrad (r;0) for Otto-prosessen og Diesel-prosesser (med forskj. belastninger), som funksjon av kompresjonsgraden, sn.

Fig. 3.9 Sammenligning mellom Otto-prosess og Diesel-prosess under forutsetning av likt maksimaltrykk og lik tilført varmemengde, Qt. Qt — fFo + Qb Lavere sluttemperatur og dermed mindre bortført varme­ mengde ( hk

3.7.2 Bestemmelse av sylinderdimensjoner og sylindertall

Når man skal bestemme dimensjonene pr. sylinder (slaglengden og sylinderdiameteren), er den midlere stempelhastigheten (cms) av stor betydning. Denne vil man, i likhet med rotasjonsfrekvensen, holde på en høyest mulig verdi, men av forskjellige grunner kan den ikke overstige visse grenser. For de direkte koblede skipsmotorene er det som tidligere nevnt i første rekke hensynet til god propellvirkningsgrad • Forbrenningsmotorer

Fig. 3.33 Effektivt middeltrykk (pme),slagforhold (S/D), midlere stempel­ hastighet (cms) og rotasjonsfrek­ vens (w) for hurtiggående fire­ taktsmotorer for drift av biler, busser og lokomotiver. Verdiene gjelder for maksimal effekt, og ikke for delbelastninger som begrenser rotasjonsfrekvensen og dermed den midlere stempelhastigheten. For andre motorer er det i første rekke slitasjemessige forhold som setter visse grenser for stempelhastigheten. Fig. 3.32 viser hvordan man i USA i årene 1957-58 prøvde å øke stempelhastigheten på personbilmotorene, men deretter, øyensynlig på grunn av uheldige erfaringer, gikk tilbake til de opprinnelige verdier. Det har altså i årenes løp utviklet seg gode erfaringsverdier for hvor stor den midlere stempel­ hastigheten kan være uten at det medfører drifts-

LANGSOMTGÅENDE TOTAKTSMOTORER for drift av fartøy

2-6sy^ 4-9

6-12 syl.

5-10

Tnjnkmotorer Krysshodemotorer

72

• Krysshodemotorer

° Trunkmotorer

-— »

_______

0

o

_ °° ”

® a

-CL

8

o0o OOP |>0«0'? 00 °

C g

__

- 8

O 0o

—--------------------------------------- "^overta dd Q *° -^^normalladd ■»—___—,—r-

20-

15-

-10

t, • •

♦

♦

,5------------------- a---------------------- 5------- o—» "o