1. KVALITETA PALJENJA BRODSKIH GORIVAGORIVA

E. TIRELI

Gorivo u dizelskim motorima izgara u tri iste faze ili perioda izgaranja, koje ovise o viskoznosti goriva, gustoći i strukturi ugljikovodika u gorivu.Pri izgaranju dizelskih i teških goriva u motorima s unutarnjim izgaranjem, razlikuju se tri značajna perioda izgaranja:• period zakašnjenja paljenja goriva dio je vremena od početka ubrizgavanja goriva u cilindar sa stlačenim zrakom do početka paljenja goriva• period nekontroliranog izgaranja dio je vremena u kojem gorivo izgara nakon što je zapaljeno u cilindru• period kontroliranog izgaranja dio je vremena u kojem gorivo izgara, a istodobno se još ubrizgava u cilindar.

Kvaliteta paljenja brodskih goriva (Ignition Quality) značajna je karakteristika za rad dizelskih motora, a definirana je s vremenom zakašnjenja paljenja goriva (Ignition Delay Fuels) nakon ubrizgavanja u cilindar te s indeksima CCAI (računski karbonatni aromatski indeks), CII (cetanski indeks zapaljivosti), CB (cetanski broj).CII je prilagodljiv samo za dizelska goriva i ne odnosi se na teška brodska goriva. Za teška brodska goriva, a i za dizelska goriva, upotrebljava se CCAI-indeks ili broj.Što je bolja zapaljivost goriva, kašnjenje je paljenja manje, a cetanski broj veći. Zakašnjenje paljenja mjeri se u milisekundama ili u stupnjevima osnoga koljena. Ovisi o mnogim čimbenicima, npr. o zagrijavanju goriva, temperaturi na kraju kompresije, o brzini reakcije goriva sa zrakom, o strukturi i tipu goriva.

2. CETANSKI BROJGORIVA

E. TIRELI

Umjesto zakašnjenja paljenja, za određivanje kvalitete dizelskih i teških goriva upotrebljava cetanski broj (CB).Značenje cetanskog broja očituje se u sposobnosti goriva da se ubrizgavanjem u komprimirani zrak u cilindru zapali bez pojave detonacije. Kod dizelskih motora gorivo se uštrcava u komprimirani zrak u cilindru. Dizelska se goriva (DMX, DMA, DMB i DMC i njima slična) prije ubrizgavanja ne predgrijavaju, dok se teška brodska goriva moraju predgrijavati radi postizavanja pogodne viskoznosti (od 13 do 15 cSt).Kao idealno gorivo, za usporedbu uzima se cetan (C16H34) koji ima najbolju zapaljivost i kojemu je dodijeljena brojčana oznaka “100” (jedna stotina). Najnepovoljniju zapaljivost ima alfametil-naftalin (C11H10) kojemu je dodijeljena brojčana oznaka “0”(nula). Miješanjem volumskih udjela tih dvaju goriva, može se dobiti bilo koji cetanski broj brojčane oznake od “0” do “100”. Takva je mješavina referentno gorivo.

Utvrđivanje cetanskog broja nekoga goriva obvalja se usporedbom izgaranja s referentnim gorivom pri istim uvjetima (kompresijski omjer, temperature motora, opterećenje). Brodski dizelski motori zahtijevaju sljedeće cetanske brojeve goriva:

sporohodni motori od 25 do 35brzohodni motori od 30 do 50

Proizvođači brodskih dizelskih motora smatraju da se s cetanskim brojem iznad 32 omogućuje stabilan rad motora.Za rad dizelskih motora povoljniji je visoki cetanski broj. Cetanski broj dizelskoga goriva može se povećati dodatkom spojeva koji su lako zapaljivi, npr. tetralin, etilnitrat, amilnitrat.

3. BROJČANE VRIJEDNOSTI CETANSKOG BROJAGORIVA

E. TIRELI

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

DM

X

DM

A

DM

B

DM

C

RM

A 1

0

RM

B 1

0

RM

C 1

0

RM

D 1

5

RM

E 2

5

RM

F 25

RM

G 3

5

RM

H 3

5

RM

K 3

5

RM

L 35

RM

H 4

5

RM

K 4

5

RM

L 45

RM

H 5

5

RM

L 55

vrsta brodskog goriva

CB

-cet

ansk

i bro

jUvjeti koji pospješuju pojavu

detonacije kod dizelskih motora uglavnom su:

• manji kompresijski omjer (uglavnom su potrebni preko 19:1 radi postizavanja temperature zapaljenja dizelskog i teškoga

goriva)• manje opterećenje dizelskog motora

(tada opada teperatura na krajukompresije, a može pasti ispod temperature

zapaljenja goriva)• manja temperatura usisanog zraka

(tada opada temperatura na kraju kompresije, a može pasti ispod temperature zapaljenja

goriva)• manji početni usisni tlak (tada opada

teperatura na kraju kompresije, a može pasti ispod temperature zapaljenja goriva)

• upotreba goriva s nižim cetanskim brojem od preporučenog.

4. CALCULATED CARBON AROMATICITY INDEX (CCAI) –

izračunati karbonatni aromatski indeksGORIVA

E. TIRELI

Izračunati karbonatni aromatski indeks (CCAI) određuje se prema jednadžbi:

CCAI = ρ – 140,7 log [log (100 ν + 0,85)]gdje je: ρ kg/m3 gustoća brodskoga goriva pri 15°C

ν cSt pri T °C kinematska viskoznost

Primjer Brodsko gorivo ima sljedeće značajke: ρ = 876 kg/dm3 gustoća dizelskoga goriva pri 15 0Cν= 3,2 cSt pri 40 0C kinematska viskoznostTako očitamo za poznate uvjete:ν= 2,5 cSt pri 50 0C kinematska viskoznost

ν= 1,24 cSt pri 100 0C kinematska viskoznostUvrštenjem vrijednosti u jednadžbu:CCAI = ρ –140,7 log[log (100ν + 0,85)] = 876 - 140,7 log[log (100 x 3,2 + 0,85)]= 820

Tako izračunata vrijednost je za oko 2% manja od vrijednosti CCAI-a koje se dobivaju upotrebom računalnih programa proizvođača goriva (CCAI=834)

Mnogi proizvođači goriva prihvatili su sljedeću jednadžbu za izračunavanje CCAI-a, koja je unutar zanemarivih odstupanja vrijednosti:CCAI= ρ – 81 – 141 log[log (ν + 0,85)]gdje je: ρ kg/m3 gustoća brodskoga goriva pri 15 °C

ν cSt kinematska viskoznost pri 50 °C

Za isti prethodni primjer:CCAI = 876 – 81 – 141 log[log (2,5 + 0,85)] = 834

Smatra se da su goriva s CCAI-vrijednostima manjima od 830 najbolje kvalitete (DMX, DMA, DMB, DMC), a miješana i ostatna goriva moraju imati CCAI-vrijednosti od 830 do 850.

740

760

780

800

820

840

860

DM

X

DM

A

DM

B

DM

C

RM

A 1

0

RM

B 1

0

RM

C 1

0

RM

D 1

5

RM

E 2

5

RM

F 25

RM

G 3

5

RM

H 3

5

RM

K 3

5

RM

L 35

RM

H 4

5

RM

K 4

5

RM

L 45

RM

H 5

5

RM

L 55

vrsta brodskog goriva

CC

AI (

Izraču

nati

karb

onat

ni a

rom

atsk

i ind

ex)

Za točno određivanje ostalih značajki goriva moraju se koristiti dijagrami i podaci proizvođača goriva ili njihovi programi (Fuel Calculation Program) koji su dostupni i na internetskim stranicama (naprimjer www.steamesteam.com.)

5. Calculated Ignition Index (CII) Izračunati indeks zapaljivosti

GORIVA

E. TIRELI

Izračunati indeks zapaljivosti (CII) za nekoliko je brojeva (2 do 4) manji od cetanskog broja (CB). Zbog te sigurnosti u primjeni, dizelska goriva često u svojim značajkama umjesto CB imaju vrijednosti CII.Smatra se da su goriva s CII-vrijednostima većim od 30 bolje kvalitete, a tu spadaju dizelska goriva (DMX, DMA, DMB, DMC).Izračunati index zapaljivosti određuje se prema jednadžbi:

CII = 276 –0,255· ρ + 23,71· log[log (ν + 0,7)]

gdje je: ρ kg/m3 gustoća u pri 15 °C ν cSt pri 50 °C kinematska viskoznost goriva

Shell je dodatno razvio metodu usporedbe brodskih goriva prema CII-indeksu zapaljivosti. Razvili su metodu izračuna CII-1 i CII-2.CII-1 uzimaju u obzir gustoću i viskoznost brodskoga goriva, a izračunava se prema jednadžbi:

CII – 1 = 294,26 – 277,3 · ρ + 13,263 · log[log (ν + 0,7)]

CII – 2 = (64,024/ ρ2) + 0,00122 · A2 – 46,36

gdje je: ρ kg/m3 gustoća u pri 15 °C ν cSt pri 100 °C kinematska viskoznost gorivaA 0C anilinska temperatura ili točka

“A” je anilinska temperatura ili točka (Aniline Point) (0F). To je najniža temperatura pri kojoj bi promatrano gorivo poprimilo jedinični volumen (1/ ρ ) sličan anilinu. S obzirom na poteškoće u određivanju “A” točke, ova se usporedba ne upotrebljava u praksi. Po smislu i vrijednosti, CII-2 predstavlja tzv. dizelski indeks (DI).

Primjer

Brodsko dizelsko gorivo (DMX) ima sljedeće značajke: ρ = 876 kg/dm3 gustoća dizelskoga goriva pri 15 0Cν= 3,2 cSt pri 40 0C kinematska viskoznost

očitano za poznate uvjete:ν= 2,5 cSt pri 50 0C kinematska viskoznostν= 1,24 cSt pri 100 0C kinematska viskoznost

CII = 276 – 0,255 · 876 + 23,71 · log[log (2,5 + 0,7)]=276 – 223 –7 = 46

CII - 1= 294,26 – 277,3 · 0,876 + 13,263 ·log[log (1,2 + 0,7)] = 44

6. Dijaram izgaranja goriva u brodskom dizelskom motoru

GORIVA

E. TIRELI

Zakašnjenje paljenja može se izraziti zakretanjem u stupnjevima koljeničaste osovine od početka ubrizgavanja goriva u cilindar do početka paljenja goriva u cilindru motora.

Zakašnjenje paljenja ovisi o kvaliteti goriva, odnosno povezano je s cetanskim brojem goriva i s gustoćom goriva. Brodska dizelska goriva kojima je cetanski broj iznad 30, imaju manje zakašnjenje paljenja od teških brodskih goriva kojima je cetanski broj do 30.Kod brzohodnih motora (naprimjer, s brzinom vrtnje od 2.000 min-1) ubrizgavanje goriva započinje oko 150 prije gornje mrtve točke klipa (GMT) i završava na oko 50 nakon GMT, dok zapaljenje započinje na 80 prije (GMT). Zakašnjenje paljenja iznosi za teška goriva kod sporohodnih motora i do 70 pomaka koljeničaste osovine, a kod dizelskih goriva za brzohodne motore do 30 pomaka koljeničaste osovine. Poteškoću pri izgaranju teškoga goriva čini produženo izgaranje nakon gornje mrtve točke, a može iznositi i do 100 pomaka koljeničaste osovine. Kod dizelskih goriva i brzohodnih motora iznosi do 30 pomaka koljeničaste osovine.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0

-10

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80

GM

T(90

)

80 70 60 50 40 30 20 10 0

kut koljeničaste osovine

tlak

u ci

lindr

u (b

ar)

zrak u cinindru

smjesa goriva i zraka te plinovi izgaranja

srednji efektivni tlak

početak ubrizgavanja goriva

početak zapaljenja goriva

period izgaranja goriva

period ubrizgavanja goriva

zakašnjenje paljenja goriva

Primjer za teško brodsko gorivo RMK55 u motoru Sulzer RTA 84T-D

7. Promjena tlaka zraka i plinova u cilindru motora te tlaka ubrizgavanja goriva (simulator Pomorskog fakulteta)

GORIVA

E. TIRELI

8. Promjena tlaka zraka i plinova u cilindru motora te tlaka ubrizgavanja goriva (simulator Pomorskog fakulteta)

GORIVA

E. TIRELI

Na slici 7. (Slide 7.) prikazan je dijagram tlaka (P) za različite početke (stupnjevi koljeničaste osovine u odnosu na GMT) ubrizgavanja goriva.

Za navedeni slučaj rabi se miješano gorivo IF 100, a brzina vrtnje dizelskog motora iznosi 74 min-1.

Na tri promatrana cilindra (1, 2, 3), od ukupno 5 cilindara, s pomoću VIT-uređaja (vremenski varijabilno ubrizgavanje) na svakom se cilindru uspostavilo različito vrijeme ubrizgavanja, da bi se mogao zorno prikazati utjecaj zakašnjenja paljenja goriva na snagu po svakom cilindru.

Tako se primjećuje (manji dijagram koji se odnosi na pumpu za ubrizgavanje goriva u cilindar) da se u cilindru broj 1 započelo s ubrizgavanjem goriva 6,40 prije GMT-a s tlakom od 420 bara, a zvršilo nakon 16,20, tj. punih 9,80 stupnjeva s tlakom na kraju ubrizgavanja od 725,7 bara. U tom slučaju paljenje goriva nastupilo je na 1,40 prije GMT-a i izazvalo maksimalni tlak u cilindru od 133,8 bara, a izgaranje je trajalo do 9,50 iza GMT-a. U cilindru se za taj slučaj razvija 4.451 kW uz srednji indicirani tlak (MIP) od 20 bara.

Promatramo li sada, naprimjer, cilindar broj 3, kod kojeg je ubrizgavanje započelo kasnije (1,90 prije GMT-a) i paljenje je započelo kasnije (3,10 nakon GMT), vidimo da se razvija manja snaga (3.909 kW) uz manji maksimalni tlak (126 bara) i manji srednje indicirani tlak (MIP=17,6 bara). Na ovom se primjeru želi pokazati da početak paljenja goriva iza GMT-a (u ovom slučaju na 3,10 iza GMT-a) izaziva gubitak snage.

9. TLAKOVI UBRIZGAVANJA GORIVA GORIVA

E. TIRELI

Tlak ubrizgavanja goriva u cilindar dizelskog motora svakako mora biti nekoliko puta veći od zraka koji se prije toga stlačio, a iznosi redovito od 200 bara do 900 bara. Kod novog načina ubrizgavanja s Comom Rail sustavom tlakovi iznose od 1000 do 2000 bara. Maksimalni tlak plinova izgaranja nakon izgaranja iznosi do 250 bara.

Kompresijski omjeridizelskih motora iznose prosječno od 15:1 do 37:1.

Kod plinskih turbina tlak ubrizgavanja goriva u komoru izgaranja iznosi od 20 do 90 bara a kompresijski omjer iznosi od 15:1 do 60:1. Maksimalni tlak plinova izgaranja je zbog kontinuiranog izgaranja u komori izgaranja plinske turbine samo nekoliko bara veći od tlaka zraka nakon kompresije.

10

100

1000

0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

kinematska viskoznost goriva cSt

tlak

ubriz

gava

nja

goriv

a (b

ar)

brodski dizelski motori

brodski kotlovi i plinske turbine

10. TEMPERATURE DIJELOVA MOTORA U PROCESU IZGARANJAGORIVA

E. TIRELI

čelo ventila od 450 do 550 0Csjedište ventila od 250 do 350 0Cčelo klipa od 350 do 400 0Cunutrašnjost čela klipa od 200 do 250 0Cstjenka cilindra u GMT-u (TDC) od 200 do 300 0CIzvor: Sulzer Rewiev za motor RTA 84 T-D

11. TREND POVEĆANJA BRZINA GIBANJA KLIPOVA BRODSKIH MOTORA ZA RAZLIČITA GORIVA

GORIVA

E. TIRELI

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

1960 1970 1980 1990 2000 2010

godina

brzi

na k

lipa

mot

ora

u m

/s

brodska dizelska goriva

brodska teška goriva

Izvor: Sulzer Review 2003.

12. TLAKOVI UBRIZGAVANJA GORIVA I POTROŠNJA GORIVA ZA DIZELSKE MOTORE

GORIVA

E. TIRELI

Povećanjem kompresijskog omjera i visokih tlakova ubrizgavanja goriva u cilindar dizelskih motora, uz prednabijanje, postižu se veći maksimalni tlakovi u cilindru dizelskih motora (danas do 250 bara), pa su i srednji efektivni pritisci u cilindru od 19 do 24 bara, a specifična potrošnja goriva smanjuje se do 170 g/kWh.

150

160

170

180

190

200

120 130 140 150 160 170 180 190 200 210

maksimalni tlak plinov a izgaranja u cilindru (bar)

spec

ifičn

a po

trošn

ja g

oriv

a (g

/kW

h)prognozirana promjena ostvarena promjena očekivana promjena

Sulzer RTA84T-D4.100 kW/cil.

Sulzer RTA 68T2.940 kW/cil.

Sulzer RTA 96 C5.720 kW/cil.

Prije desetak godina proizvođači brodskih dizelskih motora prognozirali su da će specifična potrošnja goriva (kg/kWh) sporije padati nego što se stvarno dogodilo. Današnje izvedbe brodskih dizelskih motora postižu specifičnu potrošnju goriva od 168 kg/kWh. Sadašnje prognoze daljnjeg smanjenja specifične potrošnje goriva upućuju na to da se potrošnja neće bitno smanjivati ispod 168 kg/kWh.

13. IZRAČUN POTROŠNJE GORIVA ZA DIZELSKE MOTOREGORIVA

E. TIRELI

Za izračunavanje snage motora (W) upotrebljava se srednji efektivni tlak (MEP) koji uz promjenu volumena (Vs) po cilindru i brzinu vrtnje motora (n) daje izračunatu (efektivnu) snagu u cilindrima motora (Pe).

Pe = MEP x Vs x n [W/cilindru]

PrimjerSulzer brodski dvotaktni dizelski motor RTA 84T-D

Maksimalni tlak u cilindru: pmax=144 bara (14,4 MPa)Srednji efektivni tlak: MEP=18,5 bara (1,85 MPa)Stapni volumena po cilindru: Vs=(0,8402x3,14/4) x3,150=1,74477 m3

Brzina vrtnje motora: n=76 min-1=1,2666667 s-1

Izlazna snaga po cilindru: 4.100 kWSpecifična potrošnja goriva: SPG=168 g/kWh Gorivo: teško RMK 55 sa Hd=40,7 MJ/kgBroj cilindara: od 5 do 9

Pe=1.850.000(N/m2)x1,74477(m3)x1,2666667(s-1)=4.088.500 (W/cilindru)=Pe=4.088,5 kW/cilindru

U instrukcijskoj knjizi (tehnički podaci) za taj brodski motor navedeno je da je izlazna snaga 4.100 kW/cilindru, što uz toleranciju podatka za srednji efektivni tlak odgovara dobivenoj vrijednosti.Iz podataka proizlazi da je potrošnja toplinske energije iz goriva: 3,6/0,168=21,428 MJ/kg, pa je ukupni stupanj djelovanja motora:21,428/40,7=0,526 ili 52,6%.