Vanne de Démarrage à Air Expliquée

Qu'est-ce qu'un système de démarrage à air sur les navires ?

Un système de démarrage à air sur un moteur à combustion interne marin est utilisé pour démarrer, arrêter (en cas d'urgence) ou inverser le moteur. Les moteurs marins lents à deux temps fonctionnent à des vitesses de rotation faibles (<300 tr/min) et ont une masse très importante, ce qui rend difficile d'atteindre les pressions et températures nécessaires à la combustion lors du démarrage initial du moteur. Le système de démarrage à air résout ce problème en introduisant de l'air comprimé à environ 30 bars (435 psi) de pression directement dans les cylindres du moteur. L'air comprimé pousse le piston associé vers le point mort bas (PMB) et donne au moteur l'impulsion initiale nécessaire pour comprimer et enflammer le mélange air-carburant dans le cylindre (chambre de combustion). Une fois que le moteur atteint une certaine vitesse, les processus d'injection de carburant et de combustion réguliers se produisent, et le moteur continue de fonctionner par sa propre puissance.

Note – cet article se concentre sur les grands systèmes de démarrage à air des moteurs diesel marins lents.

Pourquoi avons-nous besoin de systèmes de démarrage à air pour moteurs ?

Les grands moteurs marins nécessitent beaucoup de couple pour mettre en mouvement la masse du moteur, bien plus qu'un démarreur électrique typique ne pourrait fournir. Les moteurs de voiture utilisent des démarreurs électriques pour démarrer le moteur et, par conséquent, le processus de combustion, mais cela ne fonctionnerait pas avec un grand moteur marin à deux temps car le moteur est trop grand, et l'intensité requise serait trop élevée. L'air comprimé représente de l'énergie stockée, et c'est cette énergie qui est utilisée pour mettre le moteur en mouvement.

Quels sont les principaux composants d'un système de démarrage à air d'un navire ?

Un système de démarrage à air d'un navire comporte plusieurs composants principaux :

1.     Compresseur d'air – la source d'air comprimé. Il y aura presque toujours plus d'un compresseur d'air pour assurer une certaine redondance du système. Les navires utilisent généralement des compresseurs à piston, bien que d'autres types de compresseurs soient disponibles (à vis, centrifuge, etc.).

2.     Réservoir d'air – stocke l'air comprimé produit par le compresseur. Un réservoir d'air, ou des réservoirs d'air, sont généralement dimensionnés pour permettre plusieurs démarrages du moteur. Un moteur nécessite beaucoup d'air pour démarrer, donc l'air doit être stocké plutôt que produit à la demande.

Bon à savoir - un réservoir d'air est également connu sous le nom de vaisseau d'air ou bouteille d'air.

3.     Vanne pilote – distribue l'air à la vanne de démarrage automatique lorsqu'elle est ouverte ; la vanne de démarrage automatique est fermée lorsque l'air de la vanne pilote est fourni. La vidange de l'air de la ligne de la vanne pilote provoque l'ouverture de la vanne de démarrage automatique (l'air drainé est appelé 'air de purge').

4.     Verrouillage de l'engrenage de direction – permet à l'air comprimé de circuler vers la vanne de démarrage automatique uniquement si l'engrenage de direction est désengagé. L'engrenage de direction se compose d'un moteur électrique qui peut s'engager avec le volant moteur pour faire tourner le moteur à basse vitesse avant le démarrage du moteur.

5.     Vanne de démarrage automatique – s'ouvre une fois que la ligne de la vanne pilote a été vidée et que l'engrenage de direction est désengagé.

6.     Distributeur d'air – régule le flux d'air comprimé vers chaque vanne de démarrage à air. Le distributeur garantit que l'air comprimé atteint les cylindres désignés au moment désigné (l'air est distribué aux cylindres en fonction de l'ordre d'allumage).

7.     Vanne de démarrage à air – le dernier composant du système de démarrage à air avant que l'air ne soit admis dans le cylindre. La vanne de démarrage à air délivre de l'air comprimé dans son cylindre respectif lorsqu'elle est ouverte. Les vannes de démarrage à air sont montées directement sur la culasse de chaque cylindre.

Quels sont les principaux composants d'une vanne de démarrage à air ?

Les principaux composants d'une vanne de démarrage à air sont :

1. Corps de la vanne – le boîtier externe qui abrite tous les composants internes de la vanne.

2. Couvercle supérieur – se fixe au corps de la vanne.

3. Entrée pilote – l'air comprimé entre par ce port.

3. Ressort – assure que la vanne revient à sa position fermée par défaut après l'opération.

4. Piston d'ouverture – l'air comprimé agit sur le piston provoquant l'ouverture de la vanne.

5. Piston d'équilibrage – utilisé pour guider la tige de la vanne et s'assurer qu'elle ne se désaligne pas.

6. Port de sortie – lorsque la vanne est en position ouverte, l'air comprimé s'écoule dans le cylindre par ce port.

Pièces de la Vanne de Démarrage à Air du Moteur

Comment fonctionnent les systèmes de démarrage à air des navires ?

L'air comprimé est prélevé des réservoirs d'air, déchargé à travers une vanne pilote, et également vers le verrouillage de l'engrenage de rotation. Le verrouillage de l'engrenage de rotation empêche l'air d'atteindre la vanne de démarrage automatique jusqu'à ce que l'engrenage de rotation soit désengagé. Lorsque la vanne pilote est ouverte, l'air est délivré à la vanne de démarrage automatique, ce qui provoque le maintien de la vanne en position fermée ; la suppression de la pression d'air pilote provoque l'ouverture de la vanne de démarrage automatique.

Une fois que l'engrenage de rotation est désengagé, l'air comprimé s'écoule vers la vanne de démarrage automatique. L'air est maintenu dans la vanne de démarrage automatique par la pression du ressort de la vanne, et l'air comprimé appliqué par la vanne pilote. À ce stade, la vanne de démarrage automatique est en position fermée. Une fois qu'une commande de démarrage est donnée, l'air comprimé sera drainé de la ligne de la vanne pilote et la pression du ressort de la vanne de démarrage automatique sera dépassée par la pression du système de démarrage à air principal ; cela provoque le passage de la vanne de la position fermée à la position ouverte.

L'air comprimé s'écoule maintenant vers chaque vanne de démarrage à air du cylindre et le distributeur d'air. Le distributeur distribuera l'air en fonction de l'ordre d'allumage du moteur ; il utilise une vanne attachée à un suiveur de came, et un arbre à cames, pour y parvenir. À mesure que l'arbre à cames tourne, le suiveur de came monte ou descend, ce qui provoque le changement de position de la vanne du distributeur (ouverture ou fermeture). À mesure que la vanne du distributeur change de position, elle décharge, ou arrête de décharger, l'air vers chaque vanne de démarrage à air.

·       Si l'air est déchargé du distributeur vers une vanne de démarrage à air, la vanne de démarrage à air s'ouvre, et l'air comprimé est admis dans le cylindre respectif.

·       Si l'air n'est pas déchargé du distributeur vers une vanne de démarrage à air, la vanne de démarrage à air reste fermée, et aucun air comprimé n'est admis dans le cylindre respectif.

L'air comprimé est admis dans chaque cylindre dans un ordre spécifié, cela est connu sous le nom d'ordre d'allumage (l'ordre dans lequel l'allumage se produit dans chaque cylindre). À mesure que l'air comprimé entre dans chaque cylindre, il pousse le piston associé vers le PMB, mais comme plusieurs pistons sont poussés vers le bas simultanément, il y a suffisamment de momentum pour forcer un piston à remonter vers le point mort haut (PMH) ; le carburant peut alors être admis, et l'allumage se produit. Une fois l'allumage effectué, le moteur peut continuer à fonctionner par sa propre puissance.

Bon à savoir - il existe des dispositifs de sécurité intégrés dans les systèmes de démarrage à air pour éviter d'endommager le système et le personnel. Ceux-ci incluent :

• Vannes de contrôle – pour réguler, démarrer ou arrêter le flux d'air dans le système de démarrage à air.

• Soupapes de décharge – pour soulager toute surpression qui pourrait s'accumuler dans le système.

• Pièges à flammes – installés avant chaque vanne de démarrage à air pour arrêter tout processus de combustion qui pourrait se produire dans les conduites d'air haute pression. Les matériaux de combustion dans les conduites d'air proviennent du transport d'huile par les compresseurs d'air ; cela peut s'enflammer si une vanne de démarrage à air fuit et que les gaz d'échappement chauds de l'espace de combustion sont autorisés à s'échapper dans les conduites d'air.

Comment fonctionnent les vannes de démarrage à air des navires ?

L'air comprimé est alimenté à la partie inférieure de la vanne depuis la vanne de démarrage automatique. Un tuyau de grand diamètre relie le système de démarrage à air à la vanne, ce qui garantit qu'un grand volume d'air peut être admis rapidement dans le cylindre. Le distributeur d'air déchargera l'air comprimé vers l'entrée d'air pilote à mesure qu'il avance dans sa séquence (ordre d'allumage), cela provoque le déplacement vers le bas du piston d'ouverture, et par conséquent, la vanne de démarrage à air s'ouvre. À ce stade, l'air comprimé est admis dans le cylindre. Lorsque le distributeur d'air change de position, l'air ne sera plus fourni à la ligne d'entrée pilote, il sera plutôt drainé. Le drainage de la ligne pilote provoque l'expansion du ressort, ce qui provoque la fermeture de la vanne (la pression d'air dans la ligne principale n'est plus suffisante pour surmonter la pression résiduelle du ressort, ainsi la vanne de démarrage à air se ferme).

Le principe de fonctionnement de la vanne de démarrage à air peut être vu dans la vidéo ci-dessous.

Quels sont les principaux designs des systèmes de démarrage à air comprimé ?

Il existe deux principaux designs de systèmes de démarrage à air pour les moteurs diesel.

1. Démarrage direct – l'air comprimé est injecté directement dans chaque cylindre. Cela pousse le piston respectif vers le bas, ce qui provoque la rotation du vilebrequin. Ce design de démarrage à air est simple et est utilisé par les grands moteurs diesel marins à deux temps.

2. Démarrage par moteur à air – l'air comprimé est utilisé pour entraîner un moteur à air, qui est connecté au volant moteur. L'air comprimé traverse le moteur, provoquant la rotation de l'arbre moteur, qui à son tour entraîne le volant moteur et par conséquent le vilebrequin du moteur. Ce design est utilisé pour les moteurs de taille moyenne.

Dans les deux designs, une fois que le moteur fonctionne, le flux d'air comprimé est arrêté et le moteur continue de fonctionner en utilisant sa propre puissance (énergie chimique généralement provenant de diesel ou de fioul lourd). Une fois que les compresseurs ont rechargé les cylindres de démarrage à air (une partie de l'air comprimé est consommée lors du démarrage), le système de démarrage à air peut être utilisé à nouveau pour le prochain démarrage.