YENİ NESİL 4 ADET AĞIR DEVİRLİ DİZEL MOTORU ve BU DİZEL MOTORLARIN KONSTRÜKTİF DEĞİŞİKLİK VE SİSTEMLER BAKIMINDAN KARŞILAŞTIRILMASI 1.Yeni Nesil Ağır Devirli Dizel Motorlar Endüstride amaç, mal ve hizmet üretimini ve yapılan işleri kısa zamanda, daha ucuza ve emniyetle yapmaktır. Bu nedenle teknolojinin de gelişmesiyle buhar makinesinin yerini dizel motorlar almıştır. Dizel motorları kullanımının artması ise ekonominin gelişmesine olanak sağlamıştır. Örneğin, ülkemizin limanlarına giren ve çıkan gemi sayısı 1954 yılında 3726 iken, bu sayı 2001 yılında 20431’e ulaşmıştır. Ülkemizde kamyon sayısı 1933 yılında 2.561 iken bu sayı 2004 yılında 647.296’e çıkmıştır. Bu sayılar dizel motorlarının endüstri için ne kadar önemli olduğunu göstermektedir. Günümüzde endüstrinin birçok dalında dizel motorları kullanılmaktadır. Bu dalların başlıcalarını ve kullanma nedenlerini şöyle sıralayabiliriz: -Yakıtının ucuzluğu, yakıt tüketiminin azlığı ve benzin motorlarına göre daha güçlü olmaları nedeniyle; kamyon, otobüs, traktör, yol ve yapı makinelerinde, -50.000 kW güce kadar üretilebilmeleri nedeniyle yolcu ve yük gemilerinde buz kırıcı gemilerde ve denizaltılarda, - Buhar makinesine göre üstünlükleri nedeniyle lokomotif ve mototrenlerde, -Ekonomik olmaları nedeniyle sabit güç gereksinmesi olan yerlerde örneğin;jeneratörlerde, yağhanelerde, su pompalarında, maden işleri ve kereste üretiminde kullanılmaktadır.
Dizel motorları; sıkıştırılarak basınç ve sıcaklığı yükseltilen hava içerisine püskürtülen yakıtın kendiliğinden tutuşma ilkesine göre çalışırlar.Buna göre ısının işe dönüşümü şöyle olmaktadır.Önce temiz hava motor silindirleri içerisine emilir veya doldurulur.Piston tarafından sıkıştırılan havanın basıncı ve dolayısıyla sıcaklığı yükseltilir.Kompresyon oranına bağlı olarak sıkıştırılan havanın basıncı 30-40 kg/cm2 ve sıcaklığı ise 400-600° civarındadır.Böylece , tutuşmayı yanma izler ve 40-80 kg/cm basınç ve 400-600 ° sıcaklığında gazlar oluşur.Bu yüksek basınçlı kızgın gazlar piston, biyel(piston kolu) yardımıyla işi krank miline aktarır.Bu olay sırasında, yakıtın yanmasıyla oluşan ısı enerjisinin büyük bir bölümü, krank milinin dönmesini sağlayan mekanik enerjiye dönüştürülür.Krank mili kendisine iletilen devir hareketini alternatörün rotorunu çevirerek elektrik enerjisinin üretilmesini sağlamaktadır.İş kursu sonunda basınç ve sıcaklıkları azalan gazlar atmosfere atılır ve silindirlerin yeni bir çevrim için, temiz hava ile doldurulması tekrarlanır.
Resim 1. İlk dizaynı araştırma için İsviçre’de gerçekleştirilen ağır devirli Wärtsilä RTX4 gemi motoru
3.Ağır Devirli Dizel Motor Seçimi Günümüzde gemilerde kullanılmak amacıyla üretim yapan gemi dizel motoru şirketlerinden başlıcaları şunlardır: -MAN B&W -Wärtsilä -CAT -Mitsubishi -Sulzer -Daewoo -Hyundai -MTU Bu firmalardan ise özellikle MAN B&W ile Wärtsilä ağır devirli dizel motor teknolojileri bakımından diğerlerinden oldukça gelişmişlerdir.Bu yüzden piyasada
tercih edilme oranları yüksektir.Mitsubishi ve Sulzer firmaları ise genel itibariyle bu iki firmanın hemen arkasından gelir. Ürünlerinde yeni nesil teknolojileri içerisinde barındırması ve piyasadaki yaygın kullanım alanı nedeniyle dizel motor seçiminde bu 4 farklı marka (MAN B&W, Wärtsilä,Mitsubishi,Sulzer) ile karşılaştırma yapacağız .
3.Ağır Devirli Dizel Motor Örnekleri 3.1.MAN B&W , S80ME-C Başlıca Özellikler:
-Uygun yakıt enjeksiyon basıncı ve hızın her motor devrinde ayarlanabilmesi -Düşük NOx ve dumansız çalışma ile esnek emisyon karakteristikleri -Silindirler arasında eşitlenmiş ısı yükü ile mükemmel motor dengesi -Önde ve arkada operasyon ve çökmeyi durdurma durumlarında daha iyi hızlanma kuvveti -Hızın ve gücün yanma açısından daha geniş işletim marjları -Uzun süreli manevralarda ve operasyonlar için çok düşük hız -Operasyon sırasında kişiye özel çalışma modları -Düşük silindir yağı tüketimi ile tam entegre Alpha Silindir yağlama, -ME motor tasarımı, mekanik olarak daha hafif bir tasarım
Motor Performans Özellikleri: S80ME-C motoru ağır devirde yüksek basınç miktarlarına ulaşabilen ve yaklaşık 40 MW a kadar güç üretebilen bir dizel motordur.Silindir sayısı 6 ile 9 arasında değişmekle beraber 9 silindirli durumda max. güce ulaşabilir.Bu durumda yaklaşık
40,6 MW a kadar güç değeri sağlanabilir.6 silindirli durumda ise bu değer min. değerdedir ve yaklaşık 27,1 MW değerine tekabül eder.Silindir başına üretilen güç miktarı ise 4510 KW kadardır. Dizel motorun ulaşabileceği max. basınç oranı ise yaklaşık 160 bar civarındadır.Bu yüksek basınç beraberinde yüksek bi itme oluşturur ve bu sayede çıkış güç değerinde artış sağlanır. Dizel motorun devir sayısı ort. Olarak 78 dev/dak olmakla beraber basınç değişimiyle beraber devir sayısında da buna bağlı olarak artış ya da azalış meydana gelir.Dizel motorun efektif basıncı ise 20 bar civarındadır.
MAN B&W S80ME-C Motor Tasarım Özellikleri Tüm MC serisi motor modelleri aynı tasarım prensipleri ve amaca dayanmaktadır.Bunlar basitlik ve güvenilirlik, anahtar elemanlar aşağıdaki aşamaları kapsar Tespit levhası:Çapı büyük motorlar için sert levhanın boyuna kadar inşa edilmiştir;yan kiriş ve çelik döküm rulman destekleriyle kaynaklı krosgirderlere sahiptir.Küçük delik motor tipleri için, taban plakası dökme demir malzemeden üretilmiştir. Tasarımı ise kabaca şu şekildedir.Uzun, elastik tutma cıvataları tek sıra halinde aşağı düzenlenmiş ve sıkılmış hidrolik araçlardır.Ana yataklar beyaz metal ile kaplıdır ve buna rulman levhasının arka uca dahil edilir.Bu nedenle gelen değişken itmeyi iletmek için yeterli sertlik dayanımına sahip olarak tasarlanmıştır Dişli kutusu: Bu, geniş bir çap model için tek bir kaynak ve döküm olduğundan dolayı küçük türleri için demir ünitesi ile; çok sert dayanımlara sahip motor bloğu katkısıyla tasarımda strüktür dişli kutusu ve bir emniyet valfi ile egzoz tarafında donatılmıştır.Her bir silindir kutusu erişim sağlayan büyük bir kapı ile eksantrik tarafından karter bileşenleri içerir.
Silindir bloğu: Dişli kutusununu üst döküm silindir çerçeveleri, genel motor yapı sertliğine ek olarak anlamlı ve faydalı bir katkı yapmaktadır. Çerçeveleri sağlamak için boyutlandırılmıştır scavenge kutuları vardır ve bu scavengeler hava silindirlere eşit boyda kabul edilir. Staybolts hidrolik taban plakası ucuna sıkılır bu sayede dişli kutusu ve silindir çerçeveleri bağlamak için çok sert bir birim oluşturur. Krank Mili: Krank mili konvansiyonel yarı-yerleşik, shrink-fitted tip şeklindedir.İtme yanma ile sağlanır. Camshaft, zinciri yolculuğu için dişli jantta gerilmeyi azaltmak üzere eksenel bileziğin en dış çeper çevresi üzerinde sarılır. Bu tiplerde bir yağ haznesi veya makina temeli, muhafazanın tamamlanması için gereklidir. Diğer tiplerde krankkeys ayrı bir parçadır ve silindir bloğuna bağlanır. Motor; toplam uzunluğu boyunca yüksek sayıda silindir ile 800-mm durumundaki zincir tahrik mekanizmasıyla iki silindir arasında yer alır ve bir eksenel titreşim damperi üzerine entegre edilmiştir Biyel kolu: Nispeten motorların yüksekliği, sınırlama amacıyla birkaç ana bölümden oluştuğundan dolayı bağlantı kolu kısa tutulmuştur.Çoğu eski kroshed motoru ile gerekli uyum içinde çalışmaları için pistonlar ortadan kaldırılabilir. Tüm motor modelleri için krankpin ile rulmanince beyaz metal kabukları ile kaplıdır. Silindir gömleği: Basit simetrik tasarımdan ötürü düşük yağlama yağı tüketimi ile düşük aşınma oranları elde edilebilir. Yalıtım olan veya olmayan soğutma suyu püskürtme borularının içinde soğutma suyu ile yakından etkileşim içinde bulunmaktadır. Farklı motor derecelendirmesi için: Astar ve kapak arasında kalan boşluk oranı normale göre nispeten düşüktür. Bu düzenleme, daha büyük bir kısmının ısıya maruz kaldığı anlamına gelir.Yanma esnasında demir silindir gömleği yerine nazaran çelik silindir kapağı tercih edilmiştir.Erime noktaları karşılaştırıldığında çeliğin demire göre büyük bir avantajı vardır.Silindir bloğu üzerindeki kalan boşluk kısımları titreşim genliğinin fazla olması durumunda çabuk yıpranabileceği gibi bu sorunun önüne geçilmesi de oldukça kolaydır.Buralara ufak boyutlarda titreşime dayanıklı destek çubukları eklenerek bu gelgit olayından ana makinenin en az hasar alması sağlanmış olunur. Bedpleyt: Eski büyük makinelerde ana yataklar için destek, bir bedpleyt yardımıyla verilirdi. Bedpleyt krankkeyse bağlanır ve bir yağ haznesi de bedpleyte bağlanırdı. Modern büyük makinelerde ana yataklar için destek sağlayan parçaya makine temeli denir.Burada bedpleyt ve yağ haznesi entegredir Bu temel bir silindir bloğu ile birlikte ana yataklar için freymi tamamlar.
Sistematik Özellikler: 1.ÇALIŞMA PRENSİPLERİNE GÖRE - İki zamanlı dizel motoru 2-SİLİNDİR TERTİP ŞEKİLLERİNE GÖRE - Sıra tipi 3-PİSTON BAĞLANTILARINA GÖRE -Kroshed vasıtası ile(indirekt bağlama) 4-PİSTON HAREKETLERİNE GÖRE - Çift (İki) taraflı çalışan motor
5-YAKIT PÜSKÜRTME SİSTEMLERİNE GÖRE -Hava ile püskürtme
S80ME-C Makine Ölçeklendirmeleri
3.2 Wärtsilä x40 Başlıca Özellikler:
Wärtsilä X40 Handy dökme yük gemileri ve ürün tankerleri, genel kargo gemileri, Reefers, besleyici konteyner gemileri, LPG gemileri ve küçük olarak gemi tipleri gibi geniş bir yelpazede mükemmel güç,hız ve güvenilirlik sağlar. 8 silindirli yapılandırmadan 5 silindirliye kadar mevcuttur. Wärtsilä X40 düşük hız motoru 4550 124-146 rpm'de 9080 kW güç aralığını kapsar. Wärtsilä X40 motoru MARPOL 73/78 kuralını Ek VI'da IMO Tier II emisyon düzenlemelerine tam uyumludur. -Rekabetçi ilk maliyet -Tüm çalışma aralığında mümkünse en düşük yakıt tüketimi sağlamaktadır. -Düşük silindir yağı ile ilerleme hızı Güvenilirliği ve dayanıklılığı ile düşük bakım maliyeti
-Wärtsilä RT-flex40 common-rail motor ekstra faydaları vardır -Çalışan tüm hızlarda dumansız operasyon -Kısmi yük aralığında daha iyi yakıt ekonomisi -Basit motor ayarı -Azaltılmış bakım gereksinimleri
MOTOR YAPISI Wärtsilä x40 motoru gondol tipi taban plakası çok sert örtülmüştür. Aşeklindeki çift duvarlı sütunlar ve silindir blokları ile tüm ön-gergili dikey kravat çubuklar yardımıyla bloklar güvence altına alınmışlardır.
Tüm yapı, çok sağlam gerilmelere ve yüksek sertlik dayanımına sahiptir. Taban plakası iki sütun boyunca uzanır. Bunlar imalat esnasında belirli noktalardan motor bloğuna kaynatılmıştır ve bu asgari düzeyde tutulmuştur. Bir yüksek yapısal sağlamlığın önemi bugünün iki zamanlı motorları için önemi daha iyi anlaşılır. Uzun stroklu yapı nedeniyle tasarım , yoğun yük ve deformasyon hesapları eşliğinde tam üç boyutlu yapı kullanılarak yürütülmüştür.Sütun tasarımları optimum çerçeve boyutunda tasarlanmıştır ve buna göre konfigürasyonu yapılmıştır. Silindir ceket monte edilişi esnasında dökme demirden yapılmış cıvatalı silindir blokları birbiri arasında katı bir bütün oluşturmaktadır. Kaynak ünitesi, eski motorlardaki yakıt pompası blokları gibi motor üzerinde destek elemanı oluşturacak şekilde tasarlanmıştır. Normalde besleme ünitesi tarafından, fakat aynı zamanda motorunun alıcı tarafından da mümkün olabilmektedir.Piston kolu bezi ve segmanların bakımı için emniyet mesafesi bırakılmıştır. Mafsal, devrilir-pad levhasının içinde entegre edilir.Dişli kullanılması sayesinde itme için tekerlekler yatak, çok kısa ve çok sert olabilir. Sürücü kaynağı, kapalı bir katı gövde içinde gerçekleştirilmiştir.
Wärtsilä X40 Cylinder bore Piston stroke Speed Mean effective pressure at R1
IMO Tier II 400 mm Fuel specification: 1770 mm Fuel oil 700 cSt/50oC 124-146 rpm ISO-F 8217:2005 21.0 bar category ISO-RMK700
Piston speed Dimensions mm
8.6 m/s B
C
D
E
F*
G
2 590
950
6 335
1 660
7 700
1 425
X40 Makine ölçeklendirmeleri
Sistematik Özellikler: 1-SİLİNDİR TERTİP ŞEKİLLERİNE GÖRE - X tipi 2-PİSTON BAĞLANTILARINA GÖRE * Kroshed vasıtası ile(indirekt bağlama) 3-PİSTON HAREKETLERİNE GÖRE
* Karşı(opposit) pistonlu motor 4-YAKIT PÜSKÜRTME SİSTEMLERİNE GÖRE * Hava ile püskürtme
3.3 Mitsubishi UEC37LSII Başlıca Özellikler Man B&W ve Wärtsilä nın ağır devirli dizel motorlardaki uzun süreli hegemonyasının ardından 90’ların sonundan itibaren bu üstünlüğü bozmak amacıyla Mitsubishi tarafından tasarlanmış ağır devirli bir dizel motorudur. Mitsubishi bu motorunda normale göre hızlı sayılabilecek bir devir sayısı amaçlamıştır.Bununla beraber elde edilen güç diğer türlerine oranla daha az gözükebilir fakat perfonmans kriterleri göz önüne alındığında yeterli güçlerde diğer makine örneklerine oranla daha verimli bir dizayn olduğu kabul edilmektedir. Aşağıda UEC37LSII dizel motorunun perfonmans bilgileri verilmiştir.
Önceden de söylediğimiz gibi max. 100 dev/dak gibi bir değere alışık olduğumuz devir sayısı bu motor örneğinde max. 186 dev/dak değerine kadar ulaşabilmektedir. Daha hızlı bir örnek olarak karşımızda bulunan UEC37LSII motoru, ağır devirli dizel motor türlerine göre daha düşük bir güç üretimine sahiptir.Silindir başına yaklaşık olarak 772 KW lık bir güç üretimi söz konusudur.Bu rakam bize max silindir sayısı baz alındığında yaklaşık 6180 KW lık bir güç üretimi sağlar. Silindir sayısı 5-8 arasındadır.Bu silindir sayısına göre max. veya min. güçler elde edilebilir. Efektif basınç yaklaşık olarak 18 bar, max. silindir basıncı ise 147 bara kadar ulaşabilmektedir.
MOTOR TASARIM ÖZELLİKLERİ Motorlardaki pistonlar uzunluklarının çaplarından büyük olduğu trunk tipdedirler. Trunk pistonun kafası yanma odasının bir parçası vazifesini görür. Böylece yanma basıncı sadece pistonun kafasına etki edebilir. Diesel motorlarının büyük bir çoğunluğu tek etkilidir. Yanma silindirin her iki tarafında cereyan ettiği için silindir tecrit edilmeli ve pistonların her iki nihayetinde kapalı olmalıdır. Pistonun alt ucuna bağlanmış piston çubuğu gaz sızdırmaz bir kutudan geçtikten sonra bir kroshed’e bağlanır. Kroshed bir pinle biyel’e bağlanır. Makine çalıştığında kroshedin düz yatağı kroshed kılavuzunda yukarı-aşağı hareket eder. Bu mekanizma pistonu ve piston çubuğunu silindir içinde herzaman aynı doğrultuda tutar. Zincir veya dişli donanımı ile birbirlerine bağlanabilirler. Karşıt pistonlu makinelerin silindirlerinde üst kısım da konumlandırılmış süpürme portları bulunur. Bu portlar üst piston tarafından açılıp kapanır. Egzost portları silindirin alt kısmındadır ve alt piston tarafından açılır ve kapanırlar. Motorun ana parçaları yapısal parçalar ve hareketli parçalar olarak alt gruplara bölünebilir. Yapısal parçalar, motorun hareket etmeyen parçalarıdır. Hareketli parçalar silindir içindeki yanma dolayısıyla üretilen gücü mekanik enerjiye çeviren parçalardır Sistemler, yanmanın gerçekleşmesini mümkün kılar, yanma ve sürtünme neticesinde oluşan ısıyı en aza indirir ve dağıtılmasını sağlarlar.
Trunk tip piston, tek etkili makinede yan itme kuvveti Silindir gömlekleri ve silindir kafalarını destekleyen makine freymine silindir bloğu denir.Bu makinede çoğunluğunda silindir blokları kaynaklı konstrüksiyon tipindedir. Krank mili için muhafaza görevini yapan makine freymi bölümüne krankkeys denir. Bu makinelerde krankkeys silindir bloğunun bir parçasıdır. Bedpleyt ve yağ haznesi entegredir Bu temel bir silindir bloğu ile birlikte ana yataklar için freymi tamamlar.
Dimensions B C D E F* G mm 4 300 1 520 10 400 4 700 12 545 2 340
Mitsubishi UEC37LSII Makine Ölçeklendirmesi
Son levhaları: Bunlar silindir bloğunun katılığını arttırır ve dişliler, hava üfleyicileri, pompa ve jeneratörlerin bağlanmasına imkan verirler . Silindir donanımı makinenin yapısal bütünlüğünü tamamlayan son parçadır ve silindir kafası, silindir gömleği, cıvatalar ve contadan oluşur. Silindir gömlekleri yanma odalarını oluşturmak üzere gaz sızdırmaz hale getirilmelidir. Silindirin yanma oluşan sonundaki hacim silindir kafası tarafından oluşturulur ve sızdırmaz hale getirilmiştir.
Trunk Tip Piston
3.4 Doxford 58J4 Motor Performans Özellikleri: Doxford 58J4 yeni nesil ağır devirli dizel motorlardan biri olmakla beraber piyasada kullanım alanı bakımından diğer rakiplerine göre oldukça geri kalmaktadır. Silindir sayısı diğer dizel motorlar gibi çok çeşitli olmayıp tek tiptir.Bu dizel motor da 4 silindire sahiptir.Bu piston sayısında %90 verimlilik oranıyla yaklaşık 6750 K W değerine kadar güç elde edilebilir. Teorik verim olarak adlandırdığımız,teorikte elde edilebilen fakat gerçek hayatta bu değerlere ulaşılması imkansız olan noktada ana makiemizin 7500 KW Güç değerine ulaştığı görülmektedir.
Aşağıda Doxford 58J4 dizel motorunun perfonmans parametreleri verilmiştir.
Doxford 58J4
MOTOR YAPISI Tek etkili bu motorlar her silindirde bir piston vardır ve yanma gazlarının basıncı pistonun tek yüzeyine etki eder. Bu motorlardaki pistonlar uzunluklarının çaplarından büyük olduğu trunk tiptedirler. Trunk pistonun kafası yanma odasının bir parçası vazifesini görür. Böylece yanma basıncı sadece pistonun kafasına etki edebilir. Yanma silindirin her iki tarafında cereyan ettiği için silindir tecrit edilmeli ve pistonların her iki nihayetinde kapalı olmalıdır. Pistonun alt ucuna bağlanmış piston çubuğu gaz sızdırmaz bir kutudan geçtikten sonra bir kroshed’e bağlanır. Kroshed bir pinle biyel’e bağlanır. Makine çalıştığında kroshedin düz yatağı kroshed kılavuzunda yukarı-aşağı hareket eder. Bu mekanizma pistonu ve piston çubuğunu silindir içinde herzaman aynı doğrultuda tutar. Karşıt pistonlu bu makinelerde her silindirde iki piston ve bir yanma odası vardır. Pistonlar kafaları birbirlerine bakacak ve arada yanma odası olacak şekilde
yerleştirilirler.Yanma olduğunda gazlar her iki pistonun da kafasına etki ederek ters yönlerde hareketlerine sebep olur. Karşıt piston düzenlemesinde üst ve alt olmak üzere iki krank mili vardır. Her iki krank mili de makinenin güç üretimine katkıda bulunurlar. Zincir veya dişli donanımı ile birbirlerine bağlanabilirler. Karşıt pistonlu makinelerin silindirlerinde üst kısım da konumlandırılmış süpürme portları bulunur. Bu portlar üst piston tarafından açılıp kapanır. Egzost portları silindirin alt kısmındadır ve alt piston tarafından açılır.
Konstrüktif Özellikler Dimensions mm
B 2 264
C 830
D 5 556
E 1 220
F* 6 850
G 1 326
Doxford 58J4 Makine Ölçeklendirmesi
4.Dizel Motorların Konstrüktif Değişimler ve Sistemler Bakımından Karşılaştırılması
Motor Tipi
S80ME-C
x40
Çalışma Prensibi Silindir Tertip Tipi Piston Bağlantısı Piston hareketi Yakıt Püskürtme Sistemi Turboşarjır Filtre tipi
2 Zamanlı
2 Zamanlı
UEC37LSI I 2 Zamanlı
Sıra Tipi
X tipi
V Tipi
Sıra tipi
Doğrudan
Krosshed
Krosshed
Doğrudan
Çift taraflı
Çift taraflı
Tek taraflı
Karşıt
Hava ile
Hava ile
Mekanik
Mekanik
Besleme pompası tipi Enjektör Tipi Ateşleme metodu Soğutma Şekli Subap Mekanizmas ı Ateşleme zamanı
58J4 2 Zamanlı
1 Adet 1Adet 1Adet 2 adet Metal Metal Metal Metal elemanlı elemanlı elemanlı elemanlı Pistonlu tip Diyaframlı Pistonlu tip Pistonlu tip tip KapalıKapalıAçık KapalıMekanik Hidrolik Hidrolik Kıvılcım ile Kıvılcım ile Kıvılcım ile Sıkıştırma ile Su Su Su Su SOHC
DOHC
L
DOHC
Erken
Erken
Orta gecikmeli
Gecikmeli
S80ME-C
x40
UEC37LSII
58J4
Power (kW -per cyl) Speed (Rpm) Bore (mm) Stroke (mm) Number of cyl. Mep (bar)
4510 78 800 3450 6-9 20
2360 124-146 400 1470 5-8 21
772 186 370 1290 5-8 18
1750 155 580 1370 4 10,57