Пуск в работу судового двигателя в ход

К режимам работы судового двигателя относятся: пуск двигателя в ход, работа на малых оборотах, работа на швартовах, работа в ходу судна, рабо­та в ходу на мелководье и в штормовую погоду. Пуск двигателя в ход заключается в сообщении его коленчатому валу такого числа оборотов в минуту, при котором могло бы произойти самовоспламенение топлива, поданного в цилиндр в этот период. Пуско­вой механизм, который приводит во вращение коленчатый вал двигателя в период пуска его в ход, должен преодолеть работу сил сопротивления.

К силам сопротивления, возникающим в двигателе при раскручивании коленчатого вала, относятся: силы трения движущихся деталей, силы со­противления газового потока при впуске и выпуске, силы сопротивления, создаваемые навешенными механизмами. Если не учитывать утечку сжимае­мого воздуха в цилиндре двигателя, то работа, затрачиваемая на сжатие воздуха, примерно равна возвращаемой работе расширения его.

Таким образом, работа сжатия мало влияет на суммарную работу сил сопротивления двигателя. Работу сил сопротивления принято оценивать величиной среднего давления p_мех.

Опытные данные показывают, что с уменьшением температуры стенок двигателя и увеличением пусковых чисел оборотов р_мех резко возрастает. Минимальное пусковое число оборотов двигателя зависит от: теплового состояния двигателя, величины отношения поверхности камеры сжатия к ее объему, угла опережения подачи топлива, количества подаваемого топ­лива за цикл, сорта топлива и масла, степени сжатия, состояния износа поршневых колец и рабочей втулки цилиндра, типа и состояния топливной аппаратуры.

Чем выше температура стенок цилиндра и чем меньше отношение по­верхности камеры сжатия к ее объему, тем меньше требуется минимальное пусковое число оборотов. Оптимальное значение угла опережения подачи жидкого топлива с точки зрения пусковых качеств двигателя главным обра­зом зависит от способа смесеобразования и от сорта топлива.

С увеличением количества подаваемого топлива за одну подачу, в пре­делах до 3/4 от подачи при номинальной мощности двигателя, пусковое чис­ло оборотов уменьшается. Чем выше степень сжатия и чем меньше пропусков воздуха через зазор в замке поршневых колец, тем больше будет температура воздуха в конце сжатия и, следовательно, тем меньше требуется пусковое число оборотов.

В двигателях с большим отношением поверхности камеры сжатия к ее объему (разделенные камеры сжатия) для обеспечения надежного пуска двигателя в ход приходится значительно повышать степень сжатия. Чем ниже минимальная температура самовоспламенения топлива, тем меньше может быть пусковое число оборотов двигателя.

Опытные данные показывают, что самовоспламенение топлива в ци­линдре холодного дизеля (температура окружающей среды не ниже + 8° С) наступает при достижении средней скорости поршня 0,5—1,2м/сек. Чем меньше габариты двигателя, тем больше надо иметь пусковую среднюю скорость поршня. При более низкой температуре окружающей среды не­обходимо перед пуском подогревать двигатель.

Имея опытные данные минимальной средней скорости поршня с_{m min}, можно определить минимальное число оборотов, до которого следует раз­гонять двигатель в период пуска:

В практике получили применение следующие способы пуска двигателей в ход: ручной, ручной с помощью инерционного стартера, инерционным стар­тером с раскручиванием его массы от электромотора, электростартером, сжатым воздухом и специальным карбюраторным двигателем. Для пуска судовых дизелей применяются: ручной способ для двигателей мощностью 10—30 э. л. с. (вспомогательные двигатели), электростартерный для быстро­ходных малогабаритных двигателей и главным образом пуск сжатым воз­духом.

Крутящий момент, необходимый для разгона двигателя от ? = 0 до ? = ?_min, определяется из равенства работы инерционных сил приращению кинетической энергии механизма двигателя:

Крутящий момент сил сопротивления воды вращению гребного винта равен

Среднее значение крутящего момента, необходимого для разгона дви­гателя до числа оборотов вала его п_min, будет равно

Среднее индикаторное давление двигателя за период его работы на сжатом пусковом воздухе определяется:

Как указывалось ранее, пуск в ход быстроходных малогабаритных двигателей осуществляется с помощью электростартера.

Электростартер представляет собой электромотор, предназначенный для приведения во вращение коленчатого вала двигателя в период пуска его в ход. Электростартер питается током от аккумуляторной батареи с на­пряжением 12—24 в. Передача вращения от вала якоря электростартера к валу двигателя осуществляется с помощью зубчатой шестерни, закреплен­ной на валу якоря, и зубчатого венца, насаженного на обод маховика дви­гателя.

Шестерня якоря электростартера при включении его в электрическую цепь автоматически, под действием магнитного потока, входит в зацепление с зубчатым венцом маховика. Вслед за первыми вспышками топлива в ци­линдрах двигателя шестерня якоря электростартера автоматически выходит из зацепления.

Передаточное число между шестерней стартера и зубчатым венцом маховика определяется из условия достижения пускового числа оборотов вала двигателя.

Если принять среднее давление механических потерь двигателя в кг на 1 см² площади поршня, основываясь на опытных данных, то мощность стартера может быть определена

Из полученной формулы (251) следует, что литровая мощность зависит от p_мех и п_тiп. По опытным данным, она колеблется в пределах 0,4— 2 л. с./л.

Пуск судовых дизелей сжатым воздухом получил наибольшее примене­ние, как имеющий ряд преимуществ перед другими способами пуска. Ос­новное преимущество этого способа — возможность быстрого, безотказного пуска в ход как быстроходных малогабаритных двигателей, так и тихоход­ных крупных двигателей. Электростартерный пуск тихоходных двигателей с большими габаритами не может быть применим, так как электростартер в этом случае должен иметь большую мощность и соответственно аккумуля­торы должны иметь большую емкость.

Запас сжатого воздуха под начальным давлением 30—50 кГ/cм² (чаще 30 кГ/см²) находится в баллонах. Нагнетание сжатого воздуха в баллоны производится компрессором с приводом от главного двигателя или от элект­ромотора.

При открытом клапане баллона сжатый воздух по трубопроводу под­водится к воздухораспределителю и к пусковым клапанам цилиндров. Из распределителя воздух поочередно подводится к пусковым клапанам ци­линдров, открывая их в соответствии с порядком работы.

Сжатый воздух, подведенный к пусковому клапану, в период открытия его поступает в цилиндр двигателя. Поступив в цилиндр, сжатый воздух давит на поршни и тем самым сообщает коленчатому валу двигателя крутя­щий момент, необходимый для разгона его до пусковых оборотов п_min. Пусковой клапан многоцилиндровых судовых двигателей открывается при положении поршня обычно за 5° до ВМТ, и впуск воздуха происходит в период последующего такта расширения.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя в пусковой период состоит из: такта наполнения цилиндра воздухом, такта сжатия, такта поступления пускового воздуха, его расширения, подачи небольшого количества топлива, (если подача в этот период автоматически не выключается) и такта выпуска

В двухтактном двигателе поступление пускового воздуха происходит за тактом сжатия.

Продолжительность открытия пускового клапана определена из усло­вия непрерывного поступления пускового воздуха в цилиндры двигателя; отсюда следует, что прежде чем закроется пусковой клапан одного цилиндра, должен открыться пусковой клапан другого цилиндра. Таким образом для возможности пуска двигателя при любом положении коленчатого вала не­обходимо иметь не менее шести цилиндров для четырехтактного двигателя с мотылями под углом 120° и не менее четырех цилиндров для двухтактного с мотылями под углом 90°. В первом случае пусковой клапан должен быть открыт в течение поворота мотыля на угол, несколько больший 120°, а во втором — несколько больший 90°.

В период поступления в цилиндры двигателя пускового воздуха подача топлива выключается или производится в небольшом количестве. В против­ном случае в цилиндре двигателя может возникнуть недопустимо высокое давление. По достижении двигателем пускового числа оборотов подача пус­кового воздуха прекращается и включается подача топлива. Если же в пе­риод работы двигателя на пусковом воздухе происходила небольшая подача топлива, то при появлении первых вспышек топлива впуска воздуха не происходит, а увеличивается подача топлива, с тем чтобы двигатель смог работать с устойчивым числом оборотов.

Пусковые клапаны современных двигателей имеют только пневмати­ческий привод. С помощью распределителя пускового воздуха достигается автоматическое открытие и закрытие пусковых клапанов.

Емкость пусковых баллонов, согласно требованиям Регистра СССР, должна обеспечить двенадцать последовательных пусков двигателя, начи­ная с холодного состояния его, без подкачки воздуха. Отсюда объем пуско­вых баллонов должен быть равен

где t — время в мин, необходимое для пополнения израсходованного воз­духа на 12 пусков.

При пуске холодного дизеля в ход и при низкой температуре наружного воздуха самовоспламенение топлива з период пуска может произойти только после подачи в цилиндр нескольких порций (подача за цикл) топли­ва. Такое же явление наблюдается и при пуске в ход двигателя, имеющего значительный износ поршневых колец и стенок цилиндра.

Рабочий цикл при первом самовоспламенении топлива, при пуске ди­зеля с указанными условиями, протекает с высокими максимальным дав­лением и скоростью нарастания давления. Объясняется это следующим. При малом числе оборотов вала двигателя в период пуска, вследствие уве­личившейся утечки топлива в насосе, давление нагнетания топлива резко снижается, а потому тонкость распыла топлива ухудшается. Одновременно давление топлива в нагнетательном трубопроводе при малом числе оборотов имеет значительные колебания, и поэтому в период нагнетания происходят неоднократные посадки и подъемы иглы форсунки. При такой прерывистой подаче топлива процесс распыливания и смесеобразования значительно ухудшается.

Кроме ухудшения процесса смесеобразования в период пуска холодного двигателя, или имеющего значительный износ поршневых колец, или стенок цилиндра, происходит значительный теплоотвод в процессе сжатия воздуха в рабочем цилиндре, а потому температура и давление воздуха в конце сжа­тия имеют низкие значения.

Все это приводит к такому увеличению периода задержки самовоспла­менения, при котором начало процесса сгорания переносится далеко на ли­нию расширения, а следовательно, при низких р и Т не могут возникнуть очаги горения рабочей смеси (произойдут пропуски вспышек в цилиндре). При дальнейшем вращении вала двигателя к впрыскиваемой порции топ­лива прибавляются пары капель топлива, осевших на стенках цилиндра от предыдущих порций, и благодаря этому происходит самовоспламенение и сгорание увеличенного количества топлива (за счет предыдущей подачи).

Протекание указанного процесса сгорания сопровождается скоростью нарастания давления, достигающей значения 15 кГ/см²/1° п. к. в., что под­тверждается сильными стуками в цилиндре. На развитие необходимого ми­нимального числа оборотов вала двигателя в период пуска п_min влияет также величина угла опережения подачи топлива.

Как показывают опытные данные, для пуска двигателя при более ран­нем опережении подачи топлива требуется разгон его до более высокого числа оборотов п_min. При очень малом угле опережения также необходимо более высокое число оборотов п_min.

Пусковые качества дизеля также зависят от цетанового числа и испа­ряемости топлива. Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения топлива, а следовательно, тем меньше требуется п_min и меньше время пуска двигателя в ход (период раскручивания двигателя).

Состояние изношенности рабочей втулки цилиндра и поршневых колец влияет на процесс пуска дизеля в ход, и в связи с этим следует сказать, что сама скорость изнашивания названных деталей достигает наибольшей вели­чины в пусковой период работы двигателя.

Опытами установлено, что величина износа стенок рабочей втулки ци­линдра дизеля после каждого пуска его в холодном состоянии равна вели­чине износа в плоскости оси вала после 3—5 ч его работы при установившем­ся тепловом режиме с номинальной нагрузкой, а в плоскости, перпендику­лярной оси вала, — после 7—8 ч работы. При этом износ имеет тот же ха­рактер, что и при работе дизеля. Такой весьма значительный износ указан­ных деталей в пусковой период двигателя происходит по причине корроди­рующего воздействия продуктов сгорания и усиленного абразивного воздей­ствия на поршневые кольца при неустановившемся режиме смазки.

Наличие в продуктах сгорания сернистых соединений SO₂ и SO₃ уси­ливает газовую коррозию непосредственным воздействием этих соединений на стенки цилиндра, однако наибольшее воздействие имеет кислотная кор­розия. При работе холодного двигателя пары воды, имеющиеся в продуктах сгорания топлива, конденсируются на стенках цилиндра и выпускного тракта и, соединяясь с сернистыми соединениями, образуют сернистую и серную кислоты.

Углекислота, имеющаяся в продуктах сгорания, растворяясь в воде, образует угольную кислоту. В целом образовавшиеся кислоты и производят усиленный коррозионный износ стенок цилиндра.

Высокое максимальное давление цикла, которое имеет место в пусковой период работы холодного дизеля, увеличивает удельное давление поршне­вых колец (особенно верхнего кольца) на стенки цилиндра и тем самым уси­ливает износ их, особенно при недостаточной подаче смазки на малых обо­ротах.