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 pмех.
Опытные данные показывают, что с уменьшением температуры стенок двигателя и увеличением пусковых чисел оборотов рмех 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 сm 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 пmin, 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 pмех и птiп. 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 пmin. 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 пmin 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 пmin. При очень малом угле опережения также необходимо более высокое число оборотов пmin.
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 пmin 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.
|