第九章 柴油机的起动、换向和操纵系统

第九章启动、换向和操纵系统第一节柴油机的启动船舶经常在各种复杂的条件下航行，在进出港口和靠离码头时船舶需要多次改变航速及航向；在海洋中正常航行时船舶定速前进；在大风浪中航行时应限制主机的负荷及转速以防主机超负荷或超速；在紧急情况下船舶为了避碰而要求紧急刹车。为了满足船舶机动操作的要求，船舶主机应当具有起动、停车、调速、限速、限制负荷、正车运转和倒车运转的能力。作为船舶主机的柴油机必须设计起动、换向和调速装置以及控制上述各种装置的操纵系统。第一节柴油机的启动一、概述柴油机本身没有自行起动能力。欲使静止的柴油机转动起来必须借助于外力，以便使柴油机获得第一个工作循环的条件，即在外力作用下进行进气、压缩、喷油，直至燃油燃烧膨胀作功而自行运转。这一过程称柴油机起动。在起动过程中还必须使柴油机达到一定转速，才能保证在压缩终点缸内达到燃油自燃发火的温度。柴油机起动所要求的最低转速称起动转速。起动转速的高低与柴油机的结构类型（开式燃烧室、缸径大起动转速低）、环境温度（缸内温度、柴油机温度、冷却水温、外界气温）、柴油机技术状态（雾化质量、气缸密封状况）、燃油品质等有关。它也是鉴别柴油机起动性能的重要标志。起动转速的一般范围是：高速柴油机80～150r/min；中速柴油机60～70r/min；低速柴油机10～30r/min。根据所采用的外来能源形式，柴油机的起动方式可分为：（1）借助于加在曲轴上的外力矩使曲轴转动起来。如人力手摇起动、电动机起动及气力或液压马达起动等；（救生艇发动机、驱动应急空压机的柴油机等）不需空气分配器与气缸启动阀（2）借助于加在活塞上的外力推动活塞运动使曲轴运转起来。如压缩空气起动。通常，船用柴油机（主、副机）大多采用压缩空气起动。柴油机的启动性能除和柴油机结构特点和工作条件有关外，与启动装置也有关。柴油机起动装置要求：1）保证迅速可靠起动；2）起动耗能少；3）易于实现机舱自动化和遥控；4）对船舶主柴油机,还要求当曲轴处于任何位置和机舱温度不低于5～8℃不需暖机就能迅速和可靠地起动二.压缩空气起动装置的组成和工作原理1、起动装置简介1-气缸起动阀；2-空气分配器；3-主起动阀；4-起动控制阀；5-截止止回阀；6-出气阀；7-空气瓶压缩空气起动将具有一定压力（2.5－3.0MPa）的压缩空气按柴油机的发火顺序在膨胀行程之初引入气缸，代替燃气推动活塞，使柴油机达到起动转速，完成自行发火。压缩空气起动装置1）作用：起动、制动（刹车）2）组成:空气压缩机、起动空气瓶、起动控制阀、主起动阀、空气分配器、气缸起动阀3）我国要求：起动空气瓶的容量必须保证在不补气的情况下能冷车倒顺车交替起动各6次（不可换向主柴油机6次）。供主机起动的空气瓶至少有两个，起动空气压力应保持2.5～3.0MPa3）我国规范要求：（1）至少要有2台充气设备,其中一台应由主柴油机以外的动力驱动.充气设备的排量应在1h内将空气瓶的压力升到连续启动要求压力.(2)安全阀开启压力不大于工作压力的1.1倍.(3)启动空气管路上应有截止止回阀.(4)起动空气瓶至少有2个,(5)空气瓶的容量必须保证在不补气的情况下能冷车倒顺车交替起动各6次（不可换向主柴油机6次）。(6)起动空气压力应保持2.5～3.0MPa4）工作原理起动控制阀控制主起动阀；起动凸轮控制空气分配器；空气分配器控制气缸起动阀3、气缸起动阀和空气分配器的结构原理2、保证起动的条件(1)压缩空气必须具有一定的压力和一定的储量按我国有关规定供主机起动用空气瓶（至少有两个）的压力应保持在2.5～3MPa，中、低速柴油机的起动空气压力一般为1.5~3.0MPa，新型柴油机起动空气压力一般为1.0MPa左右。其储量应保证在不补充空气的情况下，对可换向主机能从冷机正倒车交替起动不少于12次；对不可换向主机能从冷机连续起动6次。(2)压缩空气要有一定的供气定时，即供气要适时并有一定的供气延续时间①活塞处于膨胀行程之初某一时刻向气缸供气并持续一段时间后结束②起动定时主要与柴油机的类型有关a.船用大型低速二冲程机气缸起动阀通常在上止点前5°CA向气缸供气，上止点后100°CA结束，进气延续角一般不超过120°CAb.中高速四冲程机气缸起动阀通常在上止点前5－10°CA开启，进气延续角一般不超过140°CA实际上，启动空气进入气缸的时刻要延后些，这时因为气缸启动阀不是瞬时开大的，存在节流作用。9.1.3二冲程柴油机某缸气缸起动阀卡死不能开启而使曲轴停在某一位置不能起动时，查看飞轮刻度可以确定发生故障的起动阀，下列说法正确的是：A.飞轮指示在下止点前0~120°的缸为故障缸B.飞轮指示在上止点的缸为故障缸C.飞轮指示在上止点前0~120°的缸为故障缸D.飞轮指示在上止点后0~120°的缸为故障缸(3)必须保证最少气缸数二冲程柴油机不少于4缸（i=360°/100°）四冲程柴油机不少于6缸（i=720°/140°）若缸数少于上述限值，则起动前应盘车至起动位置。发电副机采用加在曲轴自由端的气力马达起动就不必保证有最少气缸数。3.气缸启动阀和空气分配器的机构原理a.单气路控制式气缸起动阀b.柱塞式空气分配器三.压缩空气起动装置的主要设备1.气缸起动阀1）要求（1）起动要求：速开速关并减少节流损失减少起动空气消耗量，为了减轻阀盘与阀座间的撞击落座速度要慢，缸内发火时阀不应开启，以防燃气倒冲危险（2）制动要求：当缸内压力稍高于起动空气压力时阀仍能保持开启起动安全、制动性能好两方面对气缸起动阀的要求是矛盾的。在起动安全方面，要求气缸起动阀在缸内发火后，即使有控制空气作用在其上方空间，它也应保持关闭状态，防止燃气倒流入起动空气管；在制动性能好方面，要求在制动过程中，即使缸内压力稍高于起动空气压力时，气缸起动阀仍然保持开启以完成减压制动和强制制动。2）类型（1）单向阀式　　用于中小型柴油机单向阀式为一个简单的单向阀，其起动空气就是控制空气，由空气分配器直接控制。（2）气压控制式　　用于大型柴油机空气分配器尺寸小，空气节流损失少，起动迅速据启阀气路的不同分为：单气路控制式；双气路控制式两种①单气路控制式a.特点：属平衡式起动阀，启阀活塞为单级平面式，面积大；b.优点：开关迅速，起动空气消耗少，结构简单；缺点：阀盘落座时速度快,阀盘与阀面撞击严重，易磨损，易发生燃气倒冲，不能兼顾起动和制动两方面要求；c.用于MAN、B&W、MAN　B&W型柴油机②双气路控制式a.特点：属平衡式起动阀，启阀活塞为分级活塞式；b.优点：兼顾柴油机的起动和制动要求（启动时气缸内压力超过启动空气压力能自动关闭）；速开、速关；但落座速度缓慢。撞击小。缺点：结构复杂；c.仅用于SULZER柴油机。2.空气分配器1）作用：按发火顺序及起动定时控制气缸起动阀开关2）类型　　按结构分为回转（分配盘)式和柱塞式（1）回转式　　多用于中高速机，六缸机有一个控制气口和六个出气口，拆装后重新装配时应使与分配盘上的椭圆孔所连通的气缸正处于膨胀行程（2）柱塞式　　多用于大中型机①按排列结构分为单体式和组合式。a.分配器按各缸分开布置，分别由相应的起动凸轮控制；b.组合式空气分配器按其柱塞的排列分为：圆周排列式和并列排列式。组合圆列式各缸统一由一个启动凸轮控制，滑阀需要按发火顺序排列；直列式由一套起动凸轮控制。②按控制气路分为：a.单气路式：与单气路气缸起动阀相配，滑阀套上有4个气孔；不启动时在弹簧作用下滑阀和滚轮脱离，避免在柴油机运转中滑阀磨损。b.双气路式：与双气路气缸起动阀相配，不启动时在弹簧作用下滑阀和滚轮脱离3.主起动阀1）位于起动控制阀与空气分配器之间，作用：压缩空气起动系统的总开关2）要求（1）满足起动所需要的压缩空气量（2）使供气迅速可靠并减少压缩空气的节流损失（3）起动完毕后能迅速切断进入起动总管的压缩空气，并使总管中残余空气经主起动阀放入大气。3）类型（1）均衡式　　靠气压开阀（2）非均衡式　靠泄放气压开阀，大型低速机多用①带慢转阀的柴油机慢转转速通常5－10转/分钟②如柴油机停车超过30分钟，应利用慢转阀使主机至少慢转一圈（3）MANB&W的MC系列柴油机中采用的一种球阀式主起动阀四.压缩空气起动系统的管理、常见故障与排除1.压缩空气起动系统的维护保养1)经常检查系统中的有关部件2)压缩空气瓶应定期放残3)检修阀件时应关闭气源，以免发生事故4)应特别注意对气缸起动阀的维护保养5)有关部件拆装、检修后应校对或调整相关间隙2.压缩空气起动装置常见故障及排除1)柴油机不能起动（虽供气但曲轴未动），原因及排除：（1）盘车机未脱开，盘车机连锁阀尚在关闭位置，起动控制阀无控制空气，此时脱开盘车机即可（2）压缩空气瓶出口阀或主停气阀未开足，检查有关空气阀并开足（3）压缩空气瓶压力不足，应予以补气（4）起动空气管系脏污，清洁管系内壁排放残水（5）主起动阀卡死，“自动”改为“手动”或专用工具将阀撬起或拆检（6）起动控制阀咬死或磨损过度，应予以清洗或换新（7）起动空气分配器柱塞咬死或磨损漏气，或起动定时错误(拆装后)，应查明原因予以排除。在紧急情况下可紧急换向，并反向起动即停，然后再换向起动(个别柱塞咬死)（8）气缸起动阀动作不灵活或严重漏气，可用专用工具压动阀杆或阀芯换新2)起动时曲轴虽然转动，但未达起动转速，原因及排除：（1）起动空气压力太低，应予以补气（2）柴油机暖缸不足，应予以充分暖缸（3）个别气缸起动阀或空气分配器咬死或动作呆滞，应拆检清洗（4）起动操纵过快，应重新起动3)某段起动空气管发热。原因是该气缸起动阀漏泄，应拆检研磨该气缸起动阀换向装置一、换向原理和（不经调整可否倒转）直接换向变距桨换向（要求正到车时，定时相同）改变起动正时、喷油正时和配气正时（二、四冲程，直、弯）换向时间不大于15s二、双凸轮换向原理及换向装置1．换向原理空气分配器凸轮，其正、倒车凸轮的布置原则与喷油泵凸轮相同多缸柴油机正、倒车发火顺序相反2．换向装置三、单凸轮换向原理及装置(轮廓对称换向差动)1．一般线型单凸轮换向原理无法同轴差动同轴差动，必须满足下列三个条件：（1）两组凸轮差动方向相同；（2）两组凸轮差动角相等；（3）差动前后同名凸轮的正倒车正时相同或基本相同。2．鸡心凸轮的换向原理3．单凸轮换向装置1）RND液压差动换向装置2）MAN气动机械差动换向装置四、换向装置的常见故障机构故障：(1)换向装置中有关阀件咬死；(2)换向伺服器故障：堵塞、漏油、转板在极端位置咬死或不能达到另一极端位置；(3)空气分配器故障。操作不当：(1)操作动作过快，凸轮轴尚未到位就急于起动使换向失败；(2)换向手柄虽已到位，但由于水流作用使螺旋桨仍按原转向以较高转速转动，此时急于起动而使换向失败；(3)在紧急刹车时，过于性急，强制制动的时机不当，使换向失败。