Wyjaśnienie zaworu startowego powietrza

Co to jest system startu powietrznego na statkach?

System startu powietrznego w morskim silniku spalinowym jest używany do rozruchu, zatrzymania (w sytuacjach awaryjnych) lub zmiany kierunku pracy silnika. Wolnoobrotowe dwusuwowe silniki morskie działają przy niskich prędkościach obrotowych (<300 obr./min) i mają dużą masę, co utrudnia osiągnięcie ciśnień i temperatur wymaganych do spalania przy początkowym uruchomieniu. System startu powietrznego rozwiązuje ten problem, wprowadzając sprężone powietrze o ciśnieniu około 30 bar (435 psi) bezpośrednio do cylindrów silnika. Sprężone powietrze zmusza tłok do ruchu w dół w kierunku dolnego martwego punktu (BDC) i daje silnikowi początkowy impuls potrzebny do sprężenia i zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze (komorze spalania). Gdy silnik osiągnie określoną prędkość, zachodzą regularne procesy wtrysku paliwa i spalania, a silnik kontynuuje pracę z własną mocą.

Uwaga – ten artykuł koncentruje się na dużych wolnoobrotowych morskich systemach startu powietrznego.

Dlaczego potrzebujemy systemów startu powietrznego silnika?

Duże silniki morskie wymagają dużego momentu obrotowego, aby wprawić masę silnika w ruch, znacznie więcej niż typowy elektryczny rozrusznik mógłby dostarczyć. Silniki samochodowe używają elektrycznych rozruszników do uruchamiania silnika i odpowiednio procesu spalania, ale to nie zadziałałoby w przypadku dużego dwusuwowego silnika morskiego, ponieważ silnik jest zbyt duży, a wymagane natężenie prądu byłoby zbyt duże. Sprężone powietrze reprezentuje zmagazynowaną energię, i to właśnie ta energia jest używana do wprawienia silnika w ruch.

Jakie są główne części systemu startu powietrznego na statku?

System startu powietrznego na statku składa się z kilku kluczowych komponentów:

1.     Kompresor powietrza – źródło sprężonego powietrza. Zazwyczaj jest więcej niż jeden kompresor powietrza, aby zapewnić redundancję systemu. Statki zazwyczaj używają tłokowych kompresorów powietrza, chociaż dostępne są inne typy kompresorów (śrubowe, odśrodkowe itp.).

2.     Zbiornik powietrza – przechowuje sprężone powietrze wytworzone przez kompresor. Zbiornik powietrza, lub zbiorniki powietrza, są zazwyczaj dostosowane do umożliwienia kilku uruchomień silnika. Silnik wymaga dużo powietrza do uruchomienia, dlatego powietrze musi być przechowywane, a nie produkowane na żądanie.

Warto wiedzieć - zbiornik powietrza jest również znany jako naczynie powietrzne lub butla powietrzna.

3.     Zawór pilotowy – rozprowadza powietrze do automatycznego zaworu startowego powietrza, gdy jest otwarty; automatyczny zawór startowy powietrza jest zamknięty, gdy powietrze z zaworu pilotowego jest dostarczane. Opróżnienie powietrza z linii zaworu pilotowego powoduje otwarcie automatycznego zaworu startowego powietrza (opróżnione powietrze nazywane jest 'powietrzem upustowym').

4.     Blokada przekładni sterującej – pozwala na przepływ sprężonego powietrza do automatycznego zaworu startowego powietrza tylko wtedy, gdy przekładnia sterująca jest wyłączona. Przekładnia sterująca składa się z silnika elektrycznego, który może się łączyć z kołem zamachowym silnika, aby obracać silnik z małą prędkością przed jego uruchomieniem.

5.     Automatyczny zawór startowy powietrza – otwiera się po opróżnieniu linii zaworu pilotowego i wyłączeniu przekładni sterującej.

6.     Dystrybutor powietrza – reguluje przepływ sprężonego powietrza do każdego zaworu startowego powietrza. Dystrybutor zapewnia, że sprężone powietrze dociera do wyznaczonych cylindrów w wyznaczonym czasie (powietrze jest rozprowadzane do cylindrów zgodnie z kolejnością zapłonu).

7.     Zawór startowy powietrza – ostatni element systemu startowego powietrza przed wprowadzeniem powietrza do cylindra. Zawór startowy powietrza dostarcza sprężone powietrze do odpowiedniego cylindra, gdy jest otwarty. Zawory startowe powietrza są montowane bezpośrednio na głowicy cylindra każdego cylindra.

Jakie są główne części zaworu startowego powietrza?

Główne części zaworu startowego powietrza to:

1. Korpus zaworu – zewnętrzna obudowa, która mieści wszystkie wewnętrzne komponenty zaworu.

2. Górna pokrywa – przymocowana do korpusu zaworu.

3. Wlot pilotowy – sprężone powietrze wchodzi przez ten port.

3. Sprężyna – zapewnia powrót zaworu do domyślnej zamkniętej pozycji po operacji.

4. Tłok otwierający – sprężone powietrze działa na tłok, powodując otwarcie zaworu.

5. Tłok równoważący – używany do prowadzenia wrzeciona zaworu i zapewnienia, że nie zostanie źle ustawiony.

6. Port wylotowy – gdy zawór jest w pozycji otwartej, sprężone powietrze przepływa do cylindra przez ten port.

Części zaworu startowego powietrza silnika

Jak działają systemy startu powietrznego na statkach?

Sprężone powietrze jest pobierane ze zbiorników powietrza, wyładowywane przez zawór pilotowy oraz do blokady przekładni obrotowej. Blokada przekładni obrotowej zapobiega dotarciu powietrza do automatycznego zaworu startowego powietrza do momentu wyłączenia przekładni obrotowej. Gdy zawór pilotowy jest otwarty, powietrze jest dostarczane do automatycznego zaworu startowego powietrza, co powoduje, że zawór pozostaje w pozycji zamkniętej; usunięcie ciśnienia powietrza pilotowego powoduje otwarcie automatycznego zaworu startowego powietrza.

Po wyłączeniu przekładni obrotowej, sprężone powietrze przepływa do automatycznego zaworu startowego powietrza. Powietrze jest utrzymywane w automatycznym zaworze startowym powietrza przez ciśnienie sprężyny zaworu oraz sprężone powietrze dostarczane z zaworu pilotowego. Na tym etapie automatyczny zawór startowy powietrza jest w pozycji zamkniętej. Po wydaniu polecenia startu, sprężone powietrze zostanie opróżnione z linii zaworu pilotowego, a ciśnienie sprężyny automatycznego zaworu startowego powietrza zostanie przekroczone przez ciśnienie głównego systemu startowego powietrza; to powoduje, że zawór zmienia się z pozycji zamkniętej na otwartą.

Sprężone powietrze teraz przepływa do każdego zaworu startowego powietrza cylindra i dystrybutora powietrza. Dystrybutor rozprowadza powietrze na podstawie kolejności zapłonu silnika; używa zaworu przymocowanego do krzywki oraz wałka rozrządu, aby to osiągnąć. Gdy wałek rozrządu się obraca, krzywka porusza się w górę lub w dół, co powoduje zmianę pozycji (otwarcie lub zamknięcie) zaworu dystrybutora. Gdy zawór dystrybutora zmienia pozycję, wyładowuje lub przestaje wyładowywać powietrze do każdego zaworu startowego powietrza.

·       Jeśli powietrze jest wyładowywane z dystrybutora do zaworu startowego powietrza, zawór startowy powietrza otwiera się, a sprężone powietrze jest wprowadzane do odpowiedniego cylindra.

·       Jeśli powietrze nie jest wyładowywane z dystrybutora do zaworu startowego powietrza, zawór startowy powietrza pozostaje zamknięty, a żadne sprężone powietrze nie jest wprowadzane do odpowiedniego cylindra.

Sprężone powietrze jest wprowadzane do każdego cylindra w określonej kolejności, co jest znane jako kolejność zapłonu (kolejność, w której następuje zapłon w każdym cylindrze). Gdy sprężone powietrze wchodzi do każdego cylindra, zmusza odpowiedni tłok do ruchu w dół w kierunku BDC, ale ponieważ kilka tłoków jest jednocześnie zmuszanych do ruchu w dół, istnieje wystarczający moment, aby zmusić jeden tłok do ruchu w górę w kierunku górnego martwego punktu (TDC); paliwo może wtedy zostać wprowadzone, a zapłon następuje. Po zapłonie silnik może kontynuować pracę z własną mocą.

Warto wiedzieć - w systemach startu powietrznego wbudowane są funkcje bezpieczeństwa, aby zapobiec uszkodzeniom systemu i personelu. Obejmują one:

• Zawory kontrolne – do regulacji, uruchamiania lub zatrzymywania przepływu powietrza w systemie startowym powietrza.

• Zawory bezpieczeństwa – do uwalniania nadmiernego ciśnienia, które może się gromadzić w systemie.

• Pułapki płomieni – zainstalowane przed każdym zaworem startowym powietrza, aby zatrzymać każdy proces spalania, który może wystąpić w liniach wysokociśnieniowych powietrza. Materiał spalania w liniach powietrza pochodzi z przenoszenia oleju z kompresorów powietrza; może się zapalić, jeśli zawór startowy powietrza przecieka i gorące gazy spalinowe z przestrzeni spalania są dopuszczane do linii powietrza.

Jak działają zawory startowe powietrza na statkach?

Sprężone powietrze jest dostarczane do dolnej części zaworu z automatycznego zaworu startowego powietrza. Duża średnica rury łączy system startowy powietrza z zaworem, co zapewnia szybkie wprowadzenie dużej ilości powietrza do cylindra. Dystrybutor powietrza wyładowuje sprężone powietrze do wlotu powietrza pilotowego, gdy przechodzi przez swoją sekwencję (kolejność zapłonu), co powoduje ruch tłoka otwierającego w dół, a w konsekwencji otwarcie zaworu startowego powietrza. W tym momencie sprężone powietrze jest wprowadzane do cylindra. Gdy dystrybutor powietrza zmienia pozycję, powietrze nie będzie już dostarczane do linii wlotu pilotowego, zamiast tego zostanie opróżnione. Opróżnienie linii pilotowej powoduje rozszerzenie sprężyny, co powoduje zamknięcie zaworu (ciśnienie powietrza w głównej linii nie jest już wystarczające, aby pokonać resztkowe ciśnienie sprężyny, więc zawór startowy powietrza się zamyka).

Zasada działania zaworu startowego powietrza może być zobaczona w poniższym filmie.

Jakie są główne projekty systemów startu sprężonego powietrza?

Istnieją dwa główne projekty systemów startu powietrza dla silników diesla.

1. Bezpośredni start – sprężone powietrze jest wstrzykiwane bezpośrednio do każdego cylindra. To popycha odpowiedni tłok w dół, co powoduje obrót wału korbowego. Ten projekt startu powietrza jest prosty i jest używany przez duże morskie dwusuwowe silniki diesla.

2. Start silnika powietrznego – sprężone powietrze jest używane do napędzania silnika powietrznego, który jest połączony z kołem zamachowym silnika. Sprężone powietrze przepływa przez silnik, powodując obrót wału silnika, co z kolei napędza koło zamachowe, a w konsekwencji wał korbowy silnika. Ten projekt jest używany dla silników średniej wielkości.

W obu projektach, gdy silnik działa, przepływ sprężonego powietrza jest zatrzymywany, a silnik kontynuuje pracę z własną mocą (energia chemiczna zwykle z diesla lub ciężkiego oleju opałowego). Gdy kompresory ponownie napełnią cylindry startowe powietrza (część sprężonego powietrza jest zużywana podczas rozruchu), system startu powietrza może być ponownie użyty do następnego uruchomienia.