Het viel te begrijpen dat de nieuwe tweetakt motoren met langsspoeling- de grote voor de V.N.S. en de kleinere voor de K.N.S.M.- veel belangstelling zou trekken.

Vorige week Vrijdag is hier een grote groep bezoekers geweest van de Vereniging van Technici op Scheep-vaartgebied en deze week Donderdag was er een grote groep van het Koninklijk Instituut van Ingenieurs. Beide groepen bevatten tal van prominente figuren uit het Nederlandse bedrijfsleven en zij hebben de gelegenheid gekregen, uitvoerig van de nieuwe motoren kennis te nemen. en tevens iets van de fabriek in zijn geheel te zien.

Het kan voor allen, die op enigerlei wijze aan de bouw van het nieuwe motortype hebben meegewerkt een voldoening zijn, te vernemen, dat er algemeen een groot respect voor de prestaties van ons bedrijf werd getoond.

Fabrieksbode 27-02-1954

 In dit verband is het interessant te vermelden, dat in het boek “Scavenging of two-stroke cycle Diesel engines" van de Amerikaanse professor Schweitzer, geschreven in 1949, de volgende zinsnede voorkomt over tweetakt-motoren met turboblowers: “During starting or at low load operation, the turboblower will not provide the necessary charging pressure; therefore the machine is unable to start", Hoewel Professor Schweitzer een erkende autoriteit is op het gebied van tweetaktmotoren, hebben wij het gewaagd onze proeven met drukvulling te beginnen met geheel buiten werking gestelde spoelpomp. Sinds 1949 is er namelijk een zeer snelle ontwikkeling gaande op dit gebied.

De verwachting, dat de motor met de drukvulgroepen wel zou willen starten, werd bewaarheid.

Een grote motor

Ir. E.A. van der Molen

Ontwikkelingen

Fundatieplaat 

kolommen, zie fig links niet door de gaskrachten belast. Het cilinderblok is vervaardigd van gietijzer en bestaat uit delen, welke elk twee cilinders bevatten. De delen zijn door middel van zware flenzen met ruimbouten aan elkaar verbonden, zodat zij een stevig geheel vormen De cilindervoeringen zijn chroomgehard volgens het procedé Van der Horst, om de slijtage te reduceren.

Tussen cilinderblok en krukkast is een volledige afscheiding; de zuigerstang doorvoering wordt afgedicht door een pakkingbus. Dientengevolge kan de smeerolie niet worden veontreinigd door verbrandingsresten, hetgeen als noodzakelijk kan worden beschouwd voor het gebruik van zware brand-stofolie. De krukas is van het geheel opgebouwde type en bevat geen doorboringen voor de smeerolie. De drijfstang is van het normale gevorkte type en heeft één krukpen- en twee kruishoofdmetalen.

Op het gesmeed stalen kruishoofd is een rechthoekige leislof bevestigd, die op een gekoelde leibaan loopt. Op de leibaan bevestigde strippen doen dienst voor opsluiting van de leislof.

De hoofdlagers worden afzonderlijk gesmeerd. De smeerolie voor de bewegende delen wordt door scharnierpijpen toegevoerd naar elk kruishoofd, en wordt dan gevoerd naar het krukpenmetaal, naar de hogedruk-kruishoofdpomp en naar de leibaan.  De hogedruk-kruishoofdpomp, die gelijk is aan die van de tot dusver vervaardigde Stork Hesselman enkel  werkende tweetaktmotoren, is bevestigd aan het kruishoofd en bestaat uit 2 plungerpompen, welke hun beweging ontlenen aan de schommeling van de drijfstang. Het grootste gedeelte van de olie die door de scharnierpijp wordt toegevoerd, dient voor de koeling van de zuiger. Zij gaat naar de onderzijde van de holle zuigerstang en vandaar door een, in de zuigerstang aangebrachte, pijp omhoog naar de zuigerkop en stroomt vervolgens door de ruimte tussen deze pijp en de doorboring in de zuigerstang weer naar beneden. Een aan het kruishoofd bevestigde pijp met spuitstuk brengt deze olie in de koelolie-af looppijp. In deze pijp zijn buiten de motor kijkglazen en een thermometer geplaatst.

De zuiger, zie fig links, bestaat uit een molybdeen gietstalen kop en een gietijzeren geleidingsring van iets grotere diameter, welke door middel van lange elastische tapeinden op de flens van de zuigerstang worden geklemd. De cilindervoeringen worden elk door een afzonderlijk smeertoestel met zichtbare smering gesmeerd. De cilinderdeksels, zijn van molybdeen gietstaal. Ze zijn door middel van lange tapeinden op de cilinderblokken bevestigd. In het deksel bevinden zich de vier uitlaatkleppen, een centraal gelegen brandstofklep, en verder nog een aanzetklep, een veiligheidsklep en een indicateurkraan. Het cilinderdeksel heeft een doorgediepte vorm, waardoor het bovengedeelte van de cilindervoering uit de verbrandingsruimte is weggenomen. Aan de vormgeving der uitlaatkanalen is bijzondere zorg besteed, teneinde de stromingsweerstand hierin zo gering mogelijk te doen zijn.

De uitlaatkleppen hebben afzonderlijke watergekoelde huizen en kunnen gemakkelijk gedemonteerd worden. De vier uitlaatkleppen van elke cilinder worden door middel van twee stootstangen bewogen door nokken, welke zijn aangebracht op de langs de bovenzijde van de motor aangebrachte nokkenas.

De brandstofpompen zijn boven de hoog geplaatste nokkenas aangebracht, waardoor korte brandstofdrukleidingen worden verkregen, welke voor alle cilinders dezelfde lengte hebben. Kleine aanzetluchtschuiven, welke de aanzetkleppen pneumatisch commanderen, worden eveneens door de nokkenas aangedreven.

De manoeuvreerbeweging, zíe figuur rechts, is geplaatst in het midden van de motor en omvat een omkeerhandel, een manoeuvreer-handwiel, een brandstofhandel en een handwiel voor de toeren-verstelling van de regulateur. De regulateur is van het fabrikaat Woodward en bestaat uit een kleine centrifugaalregulateur met oliedruk servomotor.

Met de nieuwe motor werden eerst proeven gedaan zonder drukvulling. Hiermede werden gunstige resultaten verkregen. Het brandstof verbruik bleek lager te zijn dan dat van de dubbelwerkende motoren, nl. bij  vollast slechts ca. 155 gr/epkh, Dank zij het feit, dat bij de constructie van de motor rekening was gehouden met de eisen, die voor de drukvulling worden gesteld, was de spoeldruk van de motor zonder drukvulling opmerkelijk laag, nl. slechts 0,08 kg/cm2. Dit verklaart dan ook het lage brandstofverbruik.

Toen de proefnemingen met de motor zonder drukvulling beëindigd waren, werden de drukvulgroepen aangebouwd. In het constructiestadium hadden wij rekening gehouden met verschillende mogelijkheden van samenwerking van de drukvulgroepen met de zuigerspoelpomp. De motor is zó gebouwd, dat de drukvulgroepen in serie zouden kunnen werken met de spoelpomp

van normale afmetingen of met een spoelpomp van kleinere afmetingen. Het was namelijk van te voren niet met zekerheid te bepalen, of de motor met de drukvulgroepen alleen zou kunnen starten en met kleine belasting zou kunnen lopen. Dit laatste was bij de ééncilinder proefmotor niet mogelijk gebleken.

Wat het langzaam draaien betreft, werden deze zelfs ruimschoots overtroffen. Het bleek namelijk mogelijk te zijn de motor onbelast te laten draaien met slechts 18 omw./ min. Hierbij is de uitlaat van de motor kleurloos. Daar de proeven met drukvulling, waarbij de spoellucht uitsluitend werd geleverd door de drukvulgroepen, zo gunstig zijn verlopen, zijn de voorgenomen proeven met in serie geschakelde zuigerspoelpomp achterwege gebleven.

De goede resultaten moeten worden toegeschreven aan verschillende gunstige omstandigheden:

le. Het stootsysteem van de drukvulling dat bij deze motor in de perfectie is toegepast.

2e. Het snelle openen der kleppen, verkregen door de 4 uitlaatkleppen.

3e. De toepassing van 4 drukvulgroepen, waardoor de uitlaatleidingen tussen de motor en de turbine kort zijn en een kleine inhoud krijgen.

Zowel bij de drukvulling van viertaktmotoren als van tweetaktmotoren kan worden gewerkt volgens twee verschillende systemen, nl. het gelijkdruksysteem en het stootsysteem. Bij het gelijkdruk-systeem is tussen de motor en de turbine een receiver aangebracht, waarin een min of meer gelijk-matige druk heerst. Bij het stootsysteem wordt er daarentegen naar gestreefd de uitlaatleidingen tussen motor en turbine een kleine inhoud te geven, zodat hierin grote drukschommelingen optreden.

Wij hebben de toepassing van het stootsysteem gekozen, omdat daarbij behalve de statische energie, welke in de vorm van druk en temperatuur vóór de turbine ter beschikking komt, ook nog een deel van de aan het eind der expansieslag in de uitstromende uitlaatgassen aanwezige kinetische energie in de vorm van drukgolven aan de turbine wordt toegevoerd. Om deze kinetische energie zo groot mogelijk te doen zijn, moeten de uitlaatkleppen snel openen en moeten de leidingen tussen de

motor en de turbine een uit stromingsoogpunt zo gunstig mogelijke vorm hebben. Aan al deze punten is bij het ontwerp van het nieuwe motortype bijzondere aandacht geschonken.

Dat met het stootsysteem inderdaad een zeer aanzienlijke winst wordt verkregen, is gebleken uit metingen, welke aan onze motor zijn verricht. Op de uitlaatgassenleiding werd een kwikmanometer aangebracht. Deze was vanzelfsprekend te traag om de drukvariaties te volgen, welke in de leiding optraden. Men mocht aannemen, dat de meter een gemiddelde zou aangeven van de in de uitlaatgassenleiding heersende druk. Verder wees een in deze uitlaatgassenleiding aangebrachte thermometer de gemiddelde temperatuur der uitlaatgassen vóór de turbine aan.

Op de uitlaatgassenleiding na de turbine was eveneens een kwikmanometer aangebracht, die een gemiddelde aanwees van de in dit gedeelte van de leiding heersende druk. Uit de aanwijzingen der manometers vóór en na de turbine en de thermometer vóór de turbine kon worden afgeleid hoeveel calorieën het gas per kg in de turbines afstond bij adiabatische expansie. Op dezelfde wijze kon uit de aflezing van de manometers vóór en na de compressor en de thermometer vóór de compressor worden bepaalde hoeveel calorieën in de compressor voor adiabatische compressie per kg lucht nodig waren. Daar de gewichtshoeveelheden lucht en uituitlaatgassen op enkele procenten na gelijk zijn, gaf de verhouding tussen de op bovengenoemdde wijze bepaalde hoeveelheden calorieën het

schijnbaar adiabatische rendement van de turbine en de compressor, inclusief lekverliezen en wrijvingsverliezen. Er werden bij de metingen rendementen gevonden welke veel hoger waren dan de werkingsgraden, welke de drukvulgroep in werkelijkheid heeft. Dit is te danken aan de uit de uitlaatstoot afkomstige kinetische energie. De winst door toepassing van het stootsysteem kon op deze wijze proefondervindelijk worden aangetoond. Het feit dat de drukvulgroepen bij alle belastingstoestanden van de motor ook bij onbelast draaien voldoende lucht leveren voor de motor, moet worden toegeschreven aan de toepassing van het stootsysteem. Wij komen op dit onbelast draaien verder in dit artikel nader terug.

Met het oog op de toepassing van het stootsysteem bij de drukvulling is de krukas van de motor zo uitgevoerd, dat de naast elkaar liggende krukken in vier groepen van twee, onder 180o ten opzichte van elkaar staan. Door deze plaatsing onder 180o t.o.v. elkaar van de krukken der beide cilinders welke op één drukvulgroep werken, wordt bereikt, dat de drukstoten der uitlaatgassen met gelijke tussenpozen elkaar opvolgen.

Wij zijn er in geslaagd van de vele krukvolgorden welke hierbij mogelijk zijn er één te kiezen, welke zowel voor de balancering ale voor de kritische toerentallen voor torsietrillingen gunstig is. De opvolging van de drukstoten met gelijke tussenpozen is uiteraard bij andere  cilinderaantallen dan 8 niet steeds mogelijk.

Het Laboratorium voor Verbrandingsmotoren aan de T.H. te Delft heeft met dezelfde apparaten, die ook zijn gebruikt bij de proefmotor, diagrammen genomen van het druk- en temperatuurverloop in de uitlaatleiding tussen motor en turbine zie fig.18, 19 en 20. Hieruit is gebleken, dat het mogelijk is, het interval tussen twee opeenvolgende cilinders kleiner te nemen dan 180o, zonder dat de spoeling van de ene cilinder verstoord wordt door de drukstoot van de volgende cilinder. Als minimum afstand kan gerekend worden met 120o, zoals kan voorkomen bij een 6-cilinder krukas.

Bij de keuze van vier drukvulgroepen voor een 8-cilinder motor hebben wij ons laten leiden door verschillende overwegingen, waarvan hier enkele mogen volgen. Bij toepassing van vier drukvulgroepen per motor en aansluiting van elke drukvulgroep op twee naast elkaar liggende cilinders, worden de uitlaatgassenleidingen tussen de cilinders en de drukvulgroepen zeer kort, waardoor een zo groot mogelijk profijt wordt getrokken van de stootenergie der uitlaatgassen. Verder bleek dat bij gebruik van vier drukvulgroepen voor dit motortype in aanmerking kwam het type V.T.R.500 van Brown Boveri, het grootste type, dat Brown Boveri tot dusver volledig in seriefabricage vervaardigt. Voor viertakt-motoren zijn deze zelfde drukvullinggroepen in grote aantallen geleverd, zodat hiermede een grote ervaring is opgedaan. Indien onverhoopt één der drukvulgroepen buiten bedrijf gesteld moet worden, gaat de overcapaciteit bij toepassing van 4 drukvulgroepen slechts 25% achteruit, in plaats van 50 % zoals bij toepassing van twee drukvulgroepen. Er zijn proeven genomen met de motor waarbij één der drukvulgroepen buiten bedrijf was gesteld doordat de rotoras door middel van een door Brown Boveri medegeleverde blokkeerinrichting werd vastgezet. Hierbij is gebleken, dat de motor ook met drie van de vier drukvulgroepen goed manoeuvreerbaar is. Het starten van de motor ging zonder bezwaar en ook het langzaam onbelast draaien leverde geen moeilijkheden op. Het spreekt vanzelf dat de motor onder deze omstandigheden tengevolge van de geringere luchtlevering, niet meer vol belast kon worden. Doch bij 85% van het maximum toerental en belasting volgens de schroefwet, bleken de uitlaatgastemperaturen lager te zijn dan bij de normale vollast met drukvulling. Het enige bezwaar, dat bij deze proef aan het licht trad was, dat de blokkeerinrichting, waarmede de as vastgeklemd werd, niet geheel aan het gestelde doel beantwoordde. Het bleek namelijk, dat de rotoras tengevolge van de optredende uitlaatstoten iets beschadigd was. Een betere oplossing voor het buiten bedrijf stellen van een drukvulgroep is daarom, haar weg te nemen en te vervangen door een pijpstuk met dezelfde aansluitmaten of het aanbrengen van een omloopleiding en het plaatsen van blinde flenzen in de aansluitingen naar en van de turbine.

Daar het gevaarlijk zou zijn, als de turbineschoepen in trilling zouden geraken, heeft Brown Boveri een speciale studie gemaakt van de invloed van de uitlaatstoten op de schoepen. Bij de korte turbineschoepen, welke in de door ons toegepaste drukvulgroepen zijn aangebracht, ligt het eigentrillingsgetal der schoepen echter zo hoog, dat geen resonantie kan optreden door de uitlaatstoten. Verder moet in aanmerking worden genomen, dat de spanning, welke in de turbineschoep optreedt tengevolge van de uitlaatstoot, slechts een fractie is van de hierin wegens de

Wat de temperatuur der uitlaatgassen betreft zijn de drukvulgroepen voor de tweetaktmotoren

er veel gunstiger aan toe dan de drukvulgroepen van de viertaktmotoren. Bij onze tweetaktmotor bedraagt de uitlaatgas temperatuur vóór de turbine slechts ongeveer 340oC terwijl bij viertaktmotoren zelfs temperaturen

tot 600o C voorkomen. Bij vollast van de motor ontwikkelen de 4 uitlaatgasturbines samen een vermogen van bijna 10% van het vermogen van de motor. De turbines maken dan ca. 8500 omw./min. Het maximaal toelaatbare toerental der turbines bedraagt 9700 omw./min. zodat nog een ruime marge aanwezig is. Bij onbelast draaien van de motor maken de turbines ca. 1000 omw./min. Dat dit toerental door de turbines wordt bereikt, ie een gevolg van de toepassing van het stootsysteem, zoals blijkt uit fig. links.

Hierin ziet men dat de gemiddelde druk vóór de turbine praktisch gelijk is aan de atmosferische druk. Het draaien van de turbines wordt dus uitsluitend veroorzaakt door de kinetische energie van de drukgolf in de uitlaatleiding. Vanzelfsprekend is het vermogen dat de compressor bij dit lage toerental vraagt, zeer klein, maar toch kriigt de motor zoveel lucht toegevoerd, dat de uitlaatgassen kleurloos zijn en dat de motor niet afslaat.

De drukvulgroepen lopen op kogellagers en hebben een uitlooptijd van 10 à 15 minuten. Tijdens het manoeuvreren met de motor, blijven de  drukvulgroepen doorlopen, waardoor het aanzetten van de motor natuurlijk wordt vergemakkelijkt. Wanneer de motor met stilstaande drukvulgroepen wordt gestart, krijgen deze tijdens het lopen van de motor op aanzetlucht in korte tijd een snelheid van ca. 2000 omw./min. Dit wordt veroorzaakt door de drukstoten, welke in de uitlaatleiding optreden door de uit de uitlaatkleppen stromende aanzetlucht. Deze aanzetlucht doet dus achtereenvolgens dienst voor het op gang brengen van de motor en van de drukvulgroepen.

Na het eerste proefdraaien bleken de klepveren zelf, evenals de centrale veren welke voor de versnelling van het klephefmechanisme zorgen, te trillen. Het eigentrillingsgetal dezer veren bedroeg ca. 2300 per minuut, dus het 2O-voudige van het normale toerental van de motor zodat alleen resonantie kon optreden tengevolge van de 20ste en hogere harmonischen van de nokvorm. In het algemeen zijn bij uitlaatnokken de 20ste en hogere harmonischen ongevaarlijk. Een trillingsonderzoek aan verschillende soorten veren op de draaiende motor bracht echter aan het licht, dat bij de gekozen nokvorm speciaal de 20ste en 22ste orde nog vrij grote impulsen gaven, zoals uit links blijkt. Hierin is de onderlinge verhouding van de grootte der verschillende harmonischen van de nokvorm weergegeven, zoals dit proefondervindelijk aan de motor werd waargenomen. De oorspronkelijke veren werden vervangen door nieuwe veren, welke een eigen frequentie hebben van ca. 3500 per minuut. Daar nu alleen resonantie kan optreden met de 30ste en hogere harmonischen, zijn deze veren over het gehele toerenbereik van de motor voldoende trillingvrij

Om een indruk te krijgen van de warmtebelasting van de motor met en zonder drukvulling heeft men de wandtemperaturen van de cilindervoeringen en de cilinderdeksels gemeten, doch ook werd de warmtehoeveelheid gemeten, welke aan het koelwater en de zuigerkoelolie wordt overgedragen. Deze metingen hebben aangetoond, dat de warmtebelasting van de motor in de toestand met drukvulling bij een pe van 6,5 kg/cm2 zeker niet hoger is, dan in de toestand zonder drukvullingling bij een pe van 5,3 kg/cm2. Hierbij moet in aanmerking worden genomen dat in de toestand zonder drukvulling de motor gewerkt heeft met de voor gelijkstroomspoeling vrij grote spoelluchtovermaat van 1,3 maal het slagvolume van de motor, waardoor ook de warmtebelasting van de motor zonder drukvulling reeds laag ie. Zonder drukvulling wordt bij vollast slechts 17% van de in de brandstof toegevoerde warmte aan het koelwater over-gedragen, en bij drukvulling slechts 14%. Dat de warmtebelasting van de motor met drukvulling zo gunstig is, moet worden toegeschreven aan de grotere dichtheid van de spoellucht en daardoor aan de grotere overmaat aan verbrandingslucht. Door de grote overmaat van verbrandingslucht is het brandstofverbruik per ipk uur laag en zijn tevens de temperaturen van het verbrandingsproces laag. Bovendien neemt de binnenstromende spoellucht tengevolge van de grotere dichtheid meer warmte op van de cilinderwanden. Deze meerdere warmte behoeft dus niet door de cilinderwanden te worden overgedragen aan het koelwater en door de zuigerkop naar de koelolie. Tot de grotere dichtheid van de spoellucht bij een motor met drukvulling dragen niet alleen de compressoren der drukvulgroepen bij, die de druk van de lucht vergroten, doch tevens is dit een gevolg van het feit, dat zich tussen elk der compressoren en de spoelluchtreceiver een luchtkoeler bevindt. Om het grootste effect met deze luchtkoelers te bereiken, moeten deze met zeewater worden gekoeld. De door ons toegepaste luchtkoelers zijn, evenals de drukvulgroepen, geleverd door Brown Boveri. Ze zijn zo bemeten, dat ze in staat zijn de lucht te koelen tot een temperatuur, welke slechts 5o à l0o C boven de koelwatertemperatuur ligt, zonder dat de luchtweerstand groot is. Dat de toepassing van luchtkoeling van zeer grote invloed is op de warmtebelasting van de motor, is ons gebleken uit vergelijkende proeven, welke wij met een viertaktmotor met drukvulling hebben genomen met en zonder luchtkoeler. Wij hebben hierbij geconstateerd, dat de warmte,  welke door het motorkoelwater wordt opgenomen bij toepassing van de luchtkoeler, praktisch evenveel verminderde als de warmte welke in de luchtkoeler aan de lucht werd onttrokken.

Daar enkele der motoren van het nieuwe type welke wij in opdracht hebben, zullen moeten werken op zware brandstofolie, hebben wij op de proefstand verschillende proeven met zware olie genomen. Wij zijn hierbij gegaan tot een viscositeit van ca. 3500 sec. Redwood I. De verbranding van deze olie in de motor was uitstekend, en er werden geen moeilijkheden ondervonden. De proeven hebben uiteraard te kort geduurd om een indruk te krijgen van de slijtage der cilinderdervoeringen.

De motor van het m.s. “0uwerkerk" was oorspronkelljk bedoeld om te worden afgeleverd zonder drukvulling, dus met zuigerspoelluchtpomp. Toen de proeven met de drukvulling een gunstig verloop hadden, bleek de V.N.S. bereid te zijn, de motor, uitgerust met de drukvulgroepen, in het m.s.”Ouwerkerk” te plaatsen. De aangebouwde spoelluchtpomp is medegeleverd. Deze pomp is echter buiten werking gesteld door de zuigers en kleppen te demonteren. De door de compressoren der drukvulgroepen geleverde spoellucht stroomt, nadat deze de luchtkoelers is gepasseerd, door de

Opdrachten