طبقه بندی موتورهای دیزل با توجه به نوع زمینه بکارگیری و نیازهای مصرف‌کننده در این زمینه، از اهمیتی اساسی برخوردار است. این موضوع بویژه در مورد کاربرد دریایی موتورهای دیزل که طیف وسیعی از محدوده حضور این موتورها را شامل می‌شود، بیشتر نمایـان اسـت. بـدیهی اسـت در بخش دریا و صنایع مرتبط با آن، محدوده توان و کارکرد مورد نیاز صاحبان این بخش از گستره بسیار زیادی برخوردار است به نحوی‌که، به جرأت می‌توان گفت وسیع‌ترین گستره عملکردی در میان کاربردهای رایج برای موتورهای دیزل، در بخش صنایع دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه از قایقهای کوچک تفریحی تا کشتیهای ULCC به عنوان بازارهای هدف موتورهای دیزل‌دریایی شناخته می‌شوند. بر همین اسـاس، ضـرورت شناسایی، تفکیک و طبقه بندی موتورهای مورد استفاده در این مجموعه بیش از پیش آشکار می شود

قطعات موتورهای دریایی

طبقه بندی موتور دیزل دریایی

موتورهای دیزل با کاربرد دریایی بخش وسیعی را شامل می‌شوند. موتورهای مورد استفاده در صنایع دریایی غالباً به عنوان موتور اصلی بـرای راه اندازی شناورها به کار می‌روند. این موتور بر اساس اندازه شناور و مقدار قدرتی که برای حرکت شناور نیاز است، انتخاب می‌شود. همچنین مـی‌توان از یک یا چندین موتور دیزل به صورت موازی، برای راه‌اندازی شناورهای دریایی استفاده نمود. در عین حال با توجه به نیاز روزافـزون بـازار همواره شاهد سیر صعودی برخی شاخصهای مرتبط با توان موتور در این عرصه بوده‌ایم.

روند طبقه‌بندی و ملاحظات مربوط به آن طبقه‌بندی موتورهای دیزل از جنبه‌های مختلف قابل بررسی و تحلیل می‌باشد. از نقطه‌نظر تجاری، کشتی‌ها، معمولاً بر اساس نوع بارشان و اغلب، نحوه بارگیری و یا تخلیه بار به رده‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. اما آنچه که در این میان مطرح است، ارزیابی موتورهای دریایی بر اساس شاخصهای عملکردی مانند توان خروجی و فشار متوسط مؤثر می‌باشد. به عنوان یک قاعده کلی در میان شرکتهای تولید کننده موتور، طبقه‌بندی موتورهای تولیدی و مقایسه جایگاه آنها با سایر شرکتهای فعـال بـه عنـوان یک ضرورت شناخته می‌شود. علاوه بر آن به منظور دستیابی به راه حلی بهینه برای طراحی، انتخاب و تطبیق پروانه با موتور دیزل دریایی‌لازم است تا اطلاعات کلی در اختیار داشت تا به این صورت، شاخصه‌های اصلی کشتی و موتور دیزل که بر ساختار رانش کشتی اثرگذار هستند، تعیین شود.

 شاخص مهمی که برای موتورهای دیزل با کاربرد دریایی مورد توجه قرار می‌گیرد، نحوه بهره برداری این موتورهـا اسـت کـه معمـولاً در یـک دور معین، بر حسب bhp و یا کیلو وات بر هر سیلندر، بیان می‌شود. علیرغم اینکـه سـازندگان موتـور همـواره از بهـره بـرداری پیوسـته CSR و بیشترین قدرت کاری MSR و همچنین بارگذاری بیشتر از حد مجاز، صحبت می‌کنند.

 تقسیم بندی که صاحبان کشتی بـه دنبـال آن هسـتند، بیشترین قدرت خروجی تضمین شده توسط سازنده می‌باشد که طی آن موتور می‌تواند در طول یک روز کاری بطور پیوسته به فعالیت خود ادامه دهد.

نکته حائز اهمیت این است که موتور با توجه به عملکرد مورد انتظار از آن بر روی کشتی نصب شود تا بتواند همـواره در محـدوده قـدرت واقعی خود عمل کند. در غیر این صورت، کشتی به ناچار در اکثر زمان فعالیت خود بایستی در محدوده‌های حداکثری خود عمـل کنـد.

معمـولاً کشتی برای رسیدن به سرعت‌های از پیش تعیین شده و همچنین بارگذاری پیوستهای که مد نظر سازنده اسـت، در دریـا و در شـرایط واقعـی مورد آزمایش قرار می‌گیرد.

 بعد از آن صاحبان کشتی با توجه به انجام آزمایشات دریا و اطلاعات داده شده توسط سازندگان، حد بـالای سـطح قدرت موتورهای در حال کار را، بین 85 تا 100 درصد سرعت خروجی تعیین می‌کنند.

توان خروجی موتوردریایی

توان خروجی موتور دیزل دریایی نیز غالباً بارزترین شاخص، هم از نظـر طراح و هم از نظر مشتری، است. به هر حال موتور با هر ویژگی مثبت باید توان مورد نیاز کاربرد را تأمین نماید.

تقسیم‌بندی موتورهای دیزلی دریایی

تقسیم‌بندی سنگین و نیمه سنگین

 مشخصه اصلی این گروه از موتورها تأمین توان زیاد در دور پایین است. بر همین اساس این موتورها برای شناورهایی کـه در شـرایط کـارکرد سنگین قرار داشته و نیاز به توان زیادی دارند، مناسب می‌باشند. در این دسته از موتورها به‌منظور دستیابی به نیروی محرکه موردنیاز، گشتاور بیشتری در دورهای پایین طلب می‌شود.

ازنظر شرایط بهره‌برداری (بارگذاری)، این موتورها قادرنـد در شـرایط بارگـذاری پیوسـته و زیـاد ماننـد شناورهایی که مسیرهای طولانی را طی می‌کنند و لنج های بزرگ ماهیگیری، شرایط بارگذاری کم و پیوسته مانند شناورهای جنگی و همچنین شرایط بارگذاری با توان زیاد و ناپیوسته، فعالیت کنند. درواقع ازنظر نیروی محرکه موردنیاز دریکی از زیرمجموعه‌های گروه A (بار زیاد) و گروه B (بارکم) قرار می‌گیرند.

تقسیم‌بندی نیمه سنگین – سبک

حضور اصلی این دسته از موتورها برای شناورهایی که نیازمند سرعت و شتاب زیاد هستند است. به همین دلیل در سرعت‌های بـالاتر و به‌منظور فراهم آوردن شرایط مانور مناسب، نیازمند گشتاور زیاد هستند. به‌بیان‌دیگر این دسته از موتورها قادرند توان محرکه و شتاب لازم را برای شناور تأمین کنند. ازنظر شـرایط بهره‌برداری نیـز ایـن دسـته از موتورها در هر دو گروه عملکرد ناپیوسته با توان زیاد و عملکرد ناپیوسته با توان کم قرار می‌گیرند (بر اساس پیشنهاد تولیدکننده و نیاز مشتری).

تقسیم‌بندی سبک و خیلی سبک

 در این طبقه‌بندی نیز اگرچه موتورهایی قرار می‌گیرند که برای شناورهای با سرعت و شتاب زیاد انتخاب می‌شوند، اما توان محرکه در این گـروه زیاد نیست. به‌عبارت‌دیگر این دسته از موتورها برای شناورهای کوچک پرسرعت مفید است. ازنظر شرایط بهره‌برداری نیز در مجموعه شرایط بارگذاری توان کم ناپیوسته قرار می‌گیرند.

تقسیم‌بندی خیلی سبک Power‐ Duty Light

 این دسته از موتورها عموماً در شناورهای پرسرعت بکار گرفته می‌شوند. برای تأمین توانایی مانور مناسـب در محـدوده سـرعت شـناور، نیـاز بـه گشتاور متوسط است. این موتورها اکثراً جزو موتورهای دیزل پر دور (با سرعتی بیشتر از 3000 دور بر دقیقه) هستند و جزء گروه موتورهـای با توان کم و عملکرد ناپیوسته بهره‌برداری می‌شوند.

تقسیم‌بندی خیلی سبک Sail‐ Duty Light

قطعات موتورهای دریایی

سوخت دیزل گازوئیلی از نام موتورهای دیزلی مشخص است. موتورهای دیزلی به سادگی موتورهای جرقه زنی هستند و بسته به پیکربندی و موقعیت مکانی می توانند با انواع سوخت های مختلف کار کنند.

در جایی که اتصال شبکه گاز وجود داشته باشد ، اغلب از دیزل ژنراتور گازسوز استفاده می شود. زیرا شبکه گاز در طول قطع برق ، فشار آن تقریباً ثابت می ماند. تبدیل موتور دیزلی به گازی با ترکیب گاز با هوای ورودی و استفاده از مقدار کمی سوخت دیزل برای احتراق انجام می شود. و تبدیل مجدد سوخت آن به 100٪ کارکرد دیزلی می تواند در یک لحظه انجام شود.

بیشتر در شرایط روستایی یا برای کارخانه با بار کم ، سوخت دیزل حاصل از نفت خام یک سوخت معمول است. کمتر از روغنهای سنگین احتمال یخ زدگی دارند. پایداری آن به اندازه مخزن سوخت محدود خواهد شد. موتورهای دیزلی می توانند با طیف کاملی از تقطیرات نفت خام کار کنند ، از گاز طبیعی ، الکل ، بنزین ، بنزین چوبی گرفته تا روغنهای سوختی از روغن دیزل گرفته تا سوختهای باقیمانده ارزانتر که در دمای اتاق هستند و باید مانند روغن جامد ، گرم شوند تا بتواند از خط سوخت پایین بیاید.

موتورهای بزرگتر (از حدود 3 مگاوات تا 30 مگاوات) گاهی اوقات از روغنهای سنگین ، اساساً قیرها استفاده می كنند كه از انتهای فرآیند پالایش گرفته می شوند. پیچیدگی اضافه شده در گرم نگه داشتن سوخت برای جاری کردن آن ، ضمن کاهش خطرات آتش سوزی ناشی از سوخت  ، باعث می شود این سوخت ها برای ایستگاه های کوچکتر غیرقابل استفاده باشد.

سایر سوختهای احتمالی عبارتند از: بیودیزل ، روغن نباتی مستقیم ، چربی های حیوانی و پیه ، گلیسیرین و دوغاب زغال سنگ. اینها باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرند و به دلیل ترکیب بودن ، به طور معمول تأثیری مضر بر عمر موتور دارند.

به متصل کردن موتور و ژنراتور به یکدیگر و قرار دادن آنها بر روی شاسی ، کوپله کاری دیزل ژنراتور گویند.

وظیفه اصلی دیزل ژنراتور تبدیل سوخت دیزل ژنراتور به انرژی الکتریکی است.

موتور دیزل ژنراتور وظیفه تبدیل انرژی حاصل از فرایند سوختن سوخت دیزل ژنراتور به انرژی جنبشی (دوار) را بر عهده دارد.

و در فواصل زماني معين مورد تعميرات اساسي قرار گيرند. انتظار مي رود كه اين موتورها به مدت طولاني و بدون تاثيرات منفي كار كنند و با دارا بودن بازده ي حرارتي بالا در برابر سوخت هاي بي كيفيت ، مقاوم باشند. جهت دستيابي به اين اهداف و طراحي و توليد ، به طرح هاي گسترده اي نياز است و نسل هاي جديد مدل هاي موتور بر اساس فوايد اين تحقيقات و تجارب طراحي شده اند.

تغييرات حاصله در تجارت جهاني به ايجاد انواع كشتي هاي مختلف و در نتيجه سيستم هاي قدرتي متفاوت انجاميده است. توليدكنندگان در هر مدل يك سري سيلندرهاي با اندازه اي خاص توليد مي كنند ، تا در برابر قدرت ها و ديگر متغيرهاي متفاوت كاربرد داشته باشند. اندازه هاي ديگر نيز بر اساس تفاوت در تقاضاي بازار ارائه و توليد مي شوند. تمامي كشتي هاي فعلي مجهز به موتورهاي ديزلي اند و برخي كشتي هاي بخار بزرگ موجود ، مجدداً به موتورهاي ديزل مجهز شده اند تا اقتصاد آ ن ها توسعه يافته و طول عمر مفيد آن ها افزايش يابد.

به طور كلي موتورهاي دريايي ديزلي به دو دسته ي اصلي تقسيم مي شوند:

1-         موتورهاي داراي سرعت اندك يا زياد با تعداد سيلندرهاي محدود

2-         موتورهاي داراي سرعت متوسط و بالا با چرخ دنده ي كاهنده

اندازه ي سيلندر در اين دو نوع موتور با هم متفاوت نيست. موتورهاي كم سرعت با قطر سيلندر كمتر از mm350 نيز موجود مي باشد. در حاليكه قطر سيلندر در موتورهاي داراي سرعت متوسط بيش از mm620 است.

الف – موتورهاي كم سرعت:

اين موتورها در سرعت هاي بين rpm 150-55 عمل مي كنند. موتورهاي بزرگ و كم سرعت بر اساس چرخه اي دو زمانه كار مي كنند و داراي ساختار ٭(Crosshead) هستند كه باعث جدايي كامل محفظه ي ميل لنگ و سيلندر مي گردد. اين موتورها قادرند به خوبي سوخت هاي بي كيفيت را حمل كرده و آن ها را به خوبي مي سوزانند و بيشترين بازده ي حرارتي را ارائه مي دهند. سرعت پيستون ها اندك و بخش هاي متشكله ي آن ها را به ندرت اقتصادي تر مي سازند.

اگرچه در حال حاضر توليد اين نوع موتورها اندك است ، اما هنوز در حيطه ي كشتي هاي اقيانوس پيما بازار داغي دارند. سيلندرها در اندازه و تعداد متفاوتي موجود مي باشند تا با تمام ميزان قدرت ها سازگاري يابند. علاوه بر مدل هاي استاندارد ، آن ها در مدل هاي چندزمانه و با نسبت ضربه به قطر سيلندر كه به صورت 8:1/3 است و در سرعت هاي پايين تر از rpm55 توليد شده اند. مدل هاي (short stroke  ) مناسب كشتي هاي با بار محدود ، اندازه ي پروانه ي كوچك و ارتفاع اتاق كم است. در تمامي مدل ها ، قسمت هاي تشكيل دهنده ي موتور مشابه مي باشند.

در اين بخش به معرفي و بررسي موتورهاي دوزمانه و برخي از موتورهاي قديمي كه هنوز از آن ها استفاده مي شود ، مي پردازيم:

الف-1 موتورهاي SULZER RTA:

 اين موتورها شامل انواع مختلف موتورها با اندازه هاي سيلندر متفاوت است. اين موتورها تحت عنوان Super long stroke داراي ميزان ضربه ي كوتاه تر و بيشتري هستند. موتورهاي ديگر داراي سيستم هاي خنك كننده و قسمت هاي متحرك متفاوت مي باشند. (شكل1 – پيوست) RTA58-84 را نشان مي دهد. اين موتورها با برگرداننده ي تك جريان كار كرده و از دريچه هاي خروجي(Valve) استفاده مي كنند. توربوشارژهاي خنك  نشده با سيستم خروجي فشار ثابت عمل مي كنند. اين مدل از ٭(Bore) براي خنك كردن تمامي بخش هاي احتراق از جمله پيستون ، سيلندر ، درپوش و دريچه ي خروجي استفاده مي كنند. (تمامي اين بخش ها با آب خنك مي شوند)

پيستون با استفاده از لوله هاي تلسكوپي آب لازم جهت خنك سازي را فراهم مي كند. در حالي كه تمامي لوله ها و آب بند ها از محفظه ي ميل لنگ به طور كامل جداست و اين سيستم نيز از خنك كننده ي درپوش پيستون مجزا است. درپوش سيلندر آهني داراي 3 انژكتور سوخت خنك نشده است كه به صورت متقارن دراطراف دريچه هاي خروجي مركزي قرار دارند.

روغن داغ به شكل اتوماتيك بدون تزريق در دريچه هاي خروجي پاشيده مي شود. براي كنترل احتراق كيفيت سوخت ، به زمانبندي تزريق متفاوت نياز مي باشد. دريچه هاي خروجي كه به سبب داشتن عمر طولاني تر آن ها را با آلياژ Nimonic ساخته اند به شكل هيدروليك عمل كرده و داراي فنر هوا مي باشند. ميله ي سوپاپ بر طبق حركت چرخ دنده ، حركت   مي كند و عمل واژگوني توسط ٭(servomotor) صورت مي پذيردكه هر پمپ سوخت را زمانبندي كرده و air cam را آغاز مي سازد.

روان سازهاي سيلندر با انبارهاي فشار متناسب هستند تا زمان ورود روغن به برش سيلندر (liner) را مطمئن سازند. پمپ ها نيز بر اساس تنظيم قدرت موتور تنظيم مي شوند. (شكل2 – پيوست) RTA84Hرا نشان مي دهد كه از ويژگي هاي مشابهي با موتورهاي قبلي برخوردار است. نسبت ضربه به قطر سيلندر بيشتر بوده و سرعت موتور كمتر است. موتور داراي پيستون هاي روغن خنك شده است كه نياز به لوله هاي تلسكوپي و چرخ دنده ها را از بين مي برد. بلبرينگ هاي ميل لنگ نيز تغيير شكل يافته اند.

الف-2 موتورهاي  MAN-B&WMC:

 اين مدل در اندازه هاي بسيار متفاوت با ضربه هاي بسيار طولاني و يا با ضربه هاي بسياركوتاه موجود است. تمامي مدل ها قادرند كه سوخت هاي بي كيفيت را بسوزانند. همانند مدل هاي قبلي ، اين موتورها با برگرداننده ي تك جريان عمل مي كنند و برش سيلندر در آن ها از طراحي ساده اي برخوردار است. دريچه هاي خروجي به شكل هيدروليك بوه و توسط به كار انداختن پيستون ها از ميله ي سوپاپ عمل مي كنند.

سه يا چهار انژكتور سوخت خنك نشده با هر سيلندر متناسب بوده و داراي دريچه هاي خروجي چرخش روغن تك مداري مي باشند تا دما را براي سوخت صحيح و كامل روغن سوخت سنگين تنظيم كند. ميله سوپاپ توسط دو زنجير استوانه اي حركت مي كند ، بنابراين وزن كلي را كاهش داده و باعث مي شود كه ميله سوپاپ درارتفاع بالاتري در موتور قرار گيرد و طول دريچه ي خروجي هيدروليك را و همچنين تاثيرات الاستيسيته را در لوله ها كاهش مي دهد و تنها با تعويض مكان پمپ سوخت حركت معكوس صورت مي گيرد.

Liner  هاي سيلندر و درپوش هاي آن ها توسط آب خنك مي شوند ، در حاليكه پيستون ها توسط هوا خنك مي شوند و نياز به ابزار هاي خنك كننده پيشرفته و يا امكان آلودگي را برطرف مي سازند. توربوشارژهاي خنك نشده از سيستم خروجي فشار ثابت ، نيرو دريافت كرده و توسط كمپرسورهاي الكتريكي محافظت مي شوند. صفحه ي نگهدارنده موتور داراي ساختاري قوي است كه از بخش هاي فولادي تشكيل شده اند.

الف-3 موتورهاي  MAN-B&

اين مدل از بسياري از ويژگي هاي موتور جديد برخوردار است و از برگرداننده تك جريان و دريچه هاي خروجي (سوپاپ مكش) استفاده مي كنند. اين ها توسط ميله ي فشار و اسبك سوپاپ كار مي كنند و نيازمند ٭(tappet) مي باشند. همچنين از فنرهاي دريچه هاي خروجي فولادي مارپيچي استفاده مي كنند. موتور نشان داده شده داراي توربوشارژهايي است كه با گروهي متشكل از سه يا چهار اگزوز سيلندر متصل به هر شارژر بر روي سيستم پالس كار   مي كند. يك سيستم خنك كننده دريچه ي خروجي سوخت ، در زمان سوخت به سوخت هاي سنگين نياز دارد. عمل برگشت توسط چرخش كل ميله سوپاپ با توجه به ميل لنگ صورت مي پذيرد و براي تغيير زمان بندي پمپ هاي سوخت و دريچه هاي خروجي اگزوز از موتور فرمان يار استفاده مي شود.

الف-4 موتورهاي SULZER RND:

این مدل قديمي اين موتور است ولي هنوز برخي از آن ها بر سر كار هستند. اين شكل وجود خروجي اگزوز را در Liner نشان مي دهدكه نياز به دريچه هاي خروجي اگزوز را برطرف ساخته ، اما موتور را به لوپ يا Cross scavenging محدود مي سازد. در اين موتور از cross-loop استفاده شده. اين موتور از توربوشارژ با فشار ثابت استفاده مي كند و شامل مواردي است كه از شارژ تحت پيستوني بهره مي برد.

اين سيستم به يك دامنه ي پيستون بلند نيازمند است. درپوش سيلندر از دو بخش هم مركز تشكيل شده و يك انژكتور سوخت در مركز آن قرار دارد كه آب را خنك مي سازد. عمل برگرداندن نيازمند يك موتور فرمان يار است تا ميله ي سوپاپ را بچرخاند و پمپ هاي سوخت و دريچه هاي خروجي استارت هوا را تنظيم نمايد. برش مقطعي موتور ، تصوير bed plate اوليه را نشان مي دهد كه دو تيرآهن جعبه اي شكل طوسي در هر طرف آن قرار دارد تا استحكام را افزايش دهند. فضاي محدود ميل لنگ ، جاي كافي را در اختيار آن ها قرار   مي دهد.

الف-5 موتورهاي DOXFORD J:

يكي از قديمي ترين موتورهاي پيستون مخالف توسط اين كمپاني توليد شده  است. بسياري از اين موتور ها هنوز در حال كارند انواع آن ها مورد بررسي قرار گرفته است.(شكل6 – پيوست) به عنوان يك موتور دو زمانه پيستون متقابل (رو در رو) ، در هر سيلندر دو پيستون قرار دارد. پيستون پاييني داراي روغن يا (نفت) خنك شده بوده و به حالت نرمال به ميل لنگ متصل است و بخش هاي Scavenge را در Liner ها بدون درپوش مي كند. پيستون بالايي با آب خنك شده و توسط side rod (ميله هاي جانبي) و لوله هاي انتهايي ميل لنگ و ميله هاي اتصال به ميل لنگ متصل شده است. اين پيستون بخش هاي اگزوز را بدون درپوش مي كند و امكان برگشت تك جريان را بدون نياز به دريچه هاي خروجي اگزوز ممكن مي سازد.

نياز به وجود سر بلبرينگ هاي انتهايي پاييني باري هر واحد ، نيازمند وجود فاصله ي بيشتر بين بلبرينگ هاي اصلي و طرح ميل لنگ پيچيده است. علي رغم تكامل كامل ، افزايش سرعت موتور ، فشار هاي شديدي را به همراه داشته است. در موتورهاي با پيستون متقابل ، به پيچ جفت نيازي نيست و bed plate اين عمل را انجام مي دهد. دريچه هاي خروجي  سيلندر شامل دو دريچه ي خروجي سوخت است كه در انتهاي داخلي حركت هر دو پيستون قرار گرفته اند. سوپاپ ها متقارن بوده و تنها شروع دريچه هاي خروجي نيزمند تنظيم جهت معكوس نمودن موتور است. توربوشارژ پالس با موفقيت استفاده شده است.