12V280船用柴油機(jī)空氣起動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王飛 ，羅天園

(1.四川中車玉柴發(fā)動機(jī)股份有限公司，四川資陽 641301；2.中車資陽機(jī)車有限公司，四川資陽 641301)

0 引言

要使柴油機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，必須先用外力驅(qū)動柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，使活塞作往復(fù)運(yùn)動，將可燃混合氣壓縮到一定程度后，使之著火燃燒，燃燒后的高溫高壓氣體推動活塞使曲軸旋轉(zhuǎn)，柴油機(jī)才能自行運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，柴油機(jī)借助于外力由靜止?fàn)顟B(tài)過渡到能自行運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，稱為柴油機(jī)起動。完成柴油機(jī)起動過程所需的裝置，稱為起動裝置。

目前船舶柴油機(jī)的起動方式主要有2種：電起動和空氣起動。電起動系統(tǒng)具有設(shè)備緊湊、操作方便、且可遠(yuǎn)距離操作等優(yōu)點(diǎn)；但是，起動時(shí)要求供給的電流較大，每次起動持續(xù)時(shí)間不能較長，否則會引起電機(jī)燒壞。另外，當(dāng)蓄電池充電不足或環(huán)境溫度下降時(shí)，蓄電池的電容量會降低，造成起動困難。而空氣起動系統(tǒng)較電馬達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，不受環(huán)境溫度的影響，沒有發(fā)生電火花和燒毀設(shè)備的隱患。特別是在低溫、潮濕、具有可燃?xì)怏w的環(huán)境下，更能顯示出其安全、可靠的優(yōu)越性。故近些年來，空氣起動方式越來越受到青睞。但空氣起動系統(tǒng)要有一套起動空氣設(shè)備，系統(tǒng)較復(fù)雜。本文就以四川中車玉柴發(fā)動機(jī)股份有限公司12V280船用柴油機(jī)為例，對船舶柴油機(jī)空氣起動系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)，還就如何計(jì)算儲氣罐的容量進(jìn)行了詳細(xì)論述，為以后柴油機(jī)空氣起動系統(tǒng)所需配備儲氣罐容量計(jì)算提供了一些參考。

1 船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)主要要求

船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)主要要求如下：(1)應(yīng)有足夠的起動轉(zhuǎn)速。最低起動轉(zhuǎn)速是保證柴油機(jī)可靠起動的首要條件。不同類型的柴油機(jī)，起動轉(zhuǎn)速有所不同。(2)起動必須迅速、可靠。

采用電起動系統(tǒng)時(shí)，每次起動時(shí)間不能超過5 s，而且能連續(xù)起動數(shù)次。采用空氣起動時(shí)，為迅速可靠地起動，空氣貯存與空氣瓶內(nèi)的空氣壓力和容量必須滿足中國船級社《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范—2018》的要求。目前實(shí)際使用的空氣壓力一般為2.5～3.0 MPa。

2 12V280船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)簡介

氣動馬達(dá)有預(yù)嚙合和非預(yù)嚙合2種結(jié)構(gòu)。如采用預(yù)嚙合氣動馬達(dá)，則起動前壓縮空氣將馬達(dá)起動齒輪預(yù)先推出，使其與柴油機(jī)飛輪齒圈嚙合，然后壓縮空氣進(jìn)入定子，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪齒圈轉(zhuǎn)動柴油機(jī)。有關(guān)柴油機(jī)試驗(yàn)資料表明，與非預(yù)嚙合式氣動馬達(dá)相比，預(yù)嚙合式氣動馬達(dá)耗氣量可減少38%，還可以避免起動過程中起動齒輪與飛輪齒圈的撞齒現(xiàn)象，保證起動迅速而可靠。因此12V280柴油機(jī)氣動馬達(dá)選用預(yù)嚙合式氣動馬達(dá)。

2.1 起動系統(tǒng)組成

12V280船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)(一般為用戶設(shè)計(jì)并提供)、儲氣罐(一般為用戶設(shè)計(jì)并提供)、安全閥(一般為用戶設(shè)計(jì)并提供)、球閥(一般為用戶設(shè)計(jì)并提供)、過濾器、減壓閥、主起動閥、電磁閥及壓力表組成。12V280船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)組成及原理詳見圖1。

2.2 系統(tǒng)控制原理

如圖1所示，主氣源管路上的球閥打開，電磁閥通電，控制管路1通氣，壓縮空氣通過馬達(dá)的控制口1進(jìn)入馬達(dá)，并將馬達(dá)起動齒輪推出使其與柴油機(jī)飛輪齒圈嚙合。與此同時(shí)，控制管路2被接通，壓縮空氣從馬達(dá)控制口2流向主起動閥，迫使主起動閥主氣源管路打開，壓縮空氣經(jīng)氣動馬達(dá)的主進(jìn)氣口進(jìn)入馬達(dá)定子，驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，帶動飛輪齒圈轉(zhuǎn)動柴油機(jī)，從而使柴油機(jī)順利起動。柴油機(jī)起動完成后，球閥關(guān)閉，電磁閥斷電，控制管路1斷氣，馬達(dá)起動齒輪在彈簧作用下退回；與此同時(shí)，控制管路2自動關(guān)斷，主起動閥亦自動關(guān)斷，氣動馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。自此，起動系統(tǒng)完成一次柴油機(jī)起動過程。

3 氣動馬達(dá)的選型、計(jì)算與設(shè)計(jì)

為了達(dá)到起動柴油機(jī)的目的，氣動馬達(dá)的配置設(shè)計(jì)首先是氣動馬達(dá)的選型與計(jì)算，即氣動馬達(dá)工作能力必須滿足以下2個(gè)方面的條件：(1)氣動馬達(dá)必須具備足夠的扭矩，以克服柴油機(jī)起動扭矩，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)；(2)氣動馬達(dá)必須達(dá)到足夠的轉(zhuǎn)速，以驅(qū)動曲軸達(dá)到柴油機(jī)的發(fā)火轉(zhuǎn)速。其次是氣動馬達(dá)的安裝位置設(shè)計(jì)，其必須保證起動時(shí)使氣動馬達(dá)的起動齒輪與柴油機(jī)飛輪齒圈能夠可靠地嚙合。

國內(nèi)自主研制的大扭矩氣動齒輪馬達(dá)，雖然已解決了設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不宜鑄造、功率消耗大、出口小、消聲效果差等缺點(diǎn)，但是其采用的齒輪仍是用于齒輪傳動的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，故馬達(dá)無論是在噪聲上還是在性能上與進(jìn)口氣動馬達(dá)相比，還有明顯的差距。因此，12V280船用柴油機(jī)氣動馬達(dá)選用英格索蘭公司的產(chǎn)品。英格索蘭公司部分馬達(dá)型號及參數(shù)(選自英格索蘭公司產(chǎn)品說明書)見表1。

表1 英格索蘭公司部分馬達(dá)型號及參數(shù)

3.1 氣動馬達(dá)計(jì)算與選型

12V280船用柴油機(jī)起動相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 12V280船用柴油機(jī)起動相關(guān)參數(shù)

氣動馬達(dá)齒輪齒數(shù)Z1=16，由表2可得傳動比為16.875(Z2/Z1)，Nm，氣動馬達(dá)扭矩(T2/(Z2/Z1))>226.43 Nm，起動馬達(dá)轉(zhuǎn)速(n2/(Z2/Z1))>1 856.25 r/min。

根據(jù)上述分析和表1可得出，12V280船用柴油機(jī)馬達(dá)型號應(yīng)選ST999C型起動馬達(dá)。

3.2 氣動馬達(dá)的安裝位置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)氣動馬達(dá)的安裝位置，必須保證起動時(shí)氣動馬達(dá)的起動齒輪與柴油機(jī)飛輪齒圈嚙合可靠。為此，安裝設(shè)計(jì)必須符合起動齒輪與柴油機(jī)飛輪之間端面距離a應(yīng)在3～5 mm要求。12V280船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)氣動馬達(dá)安裝示意見圖2。

4 起動系統(tǒng)儲氣罐的容量計(jì)算與推薦選型

根據(jù)船規(guī)要求，柴油機(jī)起動用的儲氣罐的容量，應(yīng)在不補(bǔ)充氣體的情況下，能連續(xù)起動冷機(jī)狀態(tài)柴油機(jī)不少于6次。雖然船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)中的儲氣瓶一般不會由發(fā)動機(jī)廠家設(shè)計(jì)及供貨，但是發(fā)動機(jī)廠家需根據(jù)其柴油機(jī)特性及配置的馬達(dá)型號，計(jì)算出柴油機(jī)起動系統(tǒng)中的儲氣瓶容量，并提出儲氣瓶的推薦選型。

4.1 儲氣罐的容量計(jì)算

儲氣瓶容量計(jì)算需確定3個(gè)主要參數(shù)：氣動馬達(dá)耗氣量、1次起動持續(xù)時(shí)間和最低起動壓力，即能滿足柴油機(jī)順利起機(jī)時(shí)的儲氣罐最低壓力。

4.1.1 氣動馬達(dá)耗氣量

盡管氣動馬達(dá)的使用已經(jīng)非常普遍，但由于氣體的體積流量是壓力和溫度的函數(shù)[1]，理論研究比較困難。目前還沒有氣動馬達(dá)流量-轉(zhuǎn)速特性理論模型和準(zhǔn)確的關(guān)系式，但大量研究已發(fā)現(xiàn)，流量與轉(zhuǎn)速大致成線性關(guān)系，即隨著轉(zhuǎn)速增加，流量大致成線性增加。一般氣動馬達(dá)特性曲線圖見圖3。

4.1.2 1次起動持續(xù)時(shí)間

由于柴油機(jī)起動持續(xù)時(shí)間與周圍環(huán)境溫度、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)機(jī)油溫度、機(jī)內(nèi)冷卻液溫度等有關(guān)，所以柴油機(jī)每次起動持續(xù)時(shí)間不是一個(gè)確定值，故每次起動所需時(shí)間都有所不同。統(tǒng)計(jì)四川中車玉柴發(fā)動機(jī)股份有限公司的柴油機(jī)大量起動時(shí)間的數(shù)據(jù)，分析得出，柴油機(jī)1次起動持續(xù)時(shí)間一般為3～5 s。

4.1.3 最低起動壓力

雖然氣動馬達(dá)的工作壓力為620 kPa，但需注意，此值并不是柴油機(jī)最低起動壓力。12V280船用柴油機(jī)臺位起動試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在減壓閥前壓力(可視為儲氣罐壓力)為1.28 MPa時(shí)，柴油機(jī)已經(jīng)不能順利起動了。原因是，雖然壓力滿足馬達(dá)的工作壓力要求，但由于氣動馬達(dá)工作時(shí)需要大量的壓縮氣體，此時(shí)的壓力已滿足不了馬達(dá)對壓縮氣體流量的要求。

4.1.4 儲氣罐的容量計(jì)算與建議選型

儲氣罐最大壓力p0為3.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的起動馬達(dá)平均耗氣量Q為0.401 m3/s。該氣動馬達(dá)最大耗氣量為0.802 m3/s。根據(jù)氣動馬達(dá)特性曲線，氣動馬達(dá)耗氣量與其轉(zhuǎn)速基本成正比的線性關(guān)系，實(shí)際使用時(shí)，運(yùn)用的是曲線的左半部分，故其平均耗氣量為其最大耗氣量的一半。

1臺12V280船用柴油機(jī)配備2個(gè)氣動馬達(dá)，柴油機(jī)1次起動時(shí)間t為4 s，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，該柴油機(jī)起動1次所需要的壓縮空氣體積V1計(jì)算如下：

V1=2Qt=2×0.401 m3/s×4s=3.208 m3

(1)

假設(shè)需要6次連續(xù)起動，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，該柴油機(jī)起動需要的壓縮空氣體積為6V1，即19.248 m3；

根據(jù)理想狀態(tài)氣體方程：

p0V0=p1V1+p2V2+…+pnVn[2]

(2)

p0V0=p1V1+p2V2

(3)

式中，p0為儲氣罐最大壓力，Pa；p1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力，Pa；p2為最低起動壓力，Pa；V0為儲氣罐容積，m3。

儲氣罐最大壓力p0為3.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力p1為1.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下需要的壓縮空氣體積V1為19.248 m3，最低工作壓力p2為1.4 MPa，則根據(jù)公式(3)可得到儲氣罐容積V0為1.203 m3。

選型時(shí)一般考慮留有20%的富余量，故建議選用儲氣罐容量為1.5 m3左右。船廠為12V280柴油機(jī)配備2個(gè)儲氣罐，每個(gè)氣動馬達(dá)配備1個(gè)儲氣罐，故選用的儲氣罐容量為0.75 m3。

表3 12V280船用柴油機(jī)起動試驗(yàn)記錄

4.2 柴油機(jī)起動試驗(yàn)

12V280船用柴油機(jī)起動試驗(yàn)在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架上進(jìn)行。試驗(yàn)操作過程如下：在柴油機(jī)冷機(jī)狀態(tài)下，首先，調(diào)整試驗(yàn)臺架用儲氣罐(容積為2 000 L)壓力至2.847 MPa，起動柴油機(jī)，連續(xù)成功起動6次，每次間隔≥2 min；然后，在柴油機(jī)冷機(jī)狀態(tài)下，放掉儲氣罐部分空氣，使儲氣罐的壓力降至1.283 MPa，起動柴油機(jī)，起動成功，再次起動，起動失敗。試驗(yàn)結(jié)果記錄見表3。

由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出12V280船用柴油機(jī)每次起動空氣的耗氣量，見表4。

表4 12V280船用柴油機(jī)每次起動耗氣量

注：(1)7次平均耗氣量：3 423.71 g；

(2)如換算成體積，則為2.954 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。

4.3 理論數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由理論計(jì)算得出的12V280柴油機(jī)每起動一次氣動馬達(dá)的耗氣量為3.208 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，而試驗(yàn)得出的耗氣量數(shù)據(jù)為2.954 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)。兩者有差異，主要原因如下：(1)環(huán)境差異。理論計(jì)算是把柴油機(jī)的工作環(huán)境視為基準(zhǔn)大氣狀況(壓力為0.1 MPa，溫度為293 K，相對濕度為75%)下，但12V280柴油機(jī)起動試驗(yàn)環(huán)境不是基準(zhǔn)大氣狀況環(huán)境；(2)起機(jī)時(shí)柴油機(jī)自身的狀態(tài)。起動時(shí)柴油機(jī)自身的狀態(tài)，比如機(jī)油溫度、冷卻液溫度及柴油機(jī)自身溫度都會對起動阻力有影響，進(jìn)而影響氣動馬達(dá)耗氣量。理論計(jì)算時(shí)是忽略了這部分影響，均按冷機(jī)狀態(tài)考慮。而從上文中可以看出，12V280柴油機(jī)起動試驗(yàn)在冷機(jī)狀態(tài)、熱機(jī)狀態(tài)都有，糅合在了一起。(3)儲氣罐壓力不完全一致。

總之，柴油機(jī)每起動一次的氣動馬達(dá)耗氣量與很多因素有關(guān)，是個(gè)復(fù)雜的過程，難以有精確的計(jì)算關(guān)系式或者模型來得出一個(gè)非常準(zhǔn)確的數(shù)值。理論數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值的差異在9%以內(nèi)，是可以接受的?？梢哉J(rèn)為，用該公式理論計(jì)算出的耗氣量與實(shí)際測量值是相符的。

5 起動系統(tǒng)空氣管路設(shè)計(jì)

起動系統(tǒng)空氣管路的設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：(1)空氣瓶與氣動馬達(dá)之間的連接管路應(yīng)盡量短，拐彎處應(yīng)采用圓弧過渡，以減少管路損失；(2)管路通徑不能小于氣動馬達(dá)的進(jìn)氣口尺寸，以免出現(xiàn)氣體流量不夠，導(dǎo)致起動不成功；(3)最好采用焊接鋼管并需適當(dāng)?shù)闹魏凸潭?，以免管路受振動而損壞。

6 結(jié)論

本文以12V280船用柴油機(jī)起動系統(tǒng)為例，提出了空氣起動系統(tǒng)中氣動馬達(dá)用儲氣罐容量的計(jì)算與選型方法，通過發(fā)動機(jī)臺架起動試驗(yàn)驗(yàn)證了儲氣罐理論計(jì)算的客觀性和正確性。這對其他發(fā)動機(jī)機(jī)型空氣起動系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。