12V280船用柴油机空气起动系统设计

王飞 ，罗天园

(1.四川中车玉柴发动机股份有限公司，四川资阳 641301；2.中车资阳机车有限公司，四川资阳 641301)

0 引言

要使柴油机由静止状态转入工作状态，必须先用外力驱动柴油机曲轴旋转，使活塞作往复运动，将可燃混合气压缩到一定程度后，使之着火燃烧，燃烧后的高温高压气体推动活塞使曲轴旋转，柴油机才能自行运转。因此，柴油机借助于外力由静止状态过渡到能自行运转的过程，称为柴油机起动。完成柴油机起动过程所需的装置，称为起动装置。

目前船舶柴油机的起动方式主要有2种：电起动和空气起动。电起动系统具有设备紧凑、操作方便、且可远距离操作等优点；但是，起动时要求供给的电流较大，每次起动持续时间不能较长，否则会引起电机烧坏。另外，当蓄电池充电不足或环境温度下降时，蓄电池的电容量会降低，造成起动困难。而空气起动系统较电马达系统，经济、结构简单、维护方便，不受环境温度的影响，没有发生电火花和烧毁设备的隐患。特别是在低温、潮湿、具有可燃气体的环境下，更能显示出其安全、可靠的优越性。故近些年来，空气起动方式越来越受到青睐。但空气起动系统要有一套起动空气设备，系统较复杂。本文就以四川中车玉柴发动机股份有限公司12V280船用柴油机为例，对船舶柴油机空气起动系统进行分析、计算与设计，还就如何计算储气罐的容量进行了详细论述，为以后柴油机空气起动系统所需配备储气罐容量计算提供了一些参考。

1 船用柴油机起动系统主要要求

船用柴油机起动系统主要要求如下：(1)应有足够的起动转速。最低起动转速是保证柴油机可靠起动的首要条件。不同类型的柴油机，起动转速有所不同。(2)起动必须迅速、可靠。

采用电起动系统时，每次起动时间不能超过5 s，而且能连续起动数次。采用空气起动时，为迅速可靠地起动，空气贮存与空气瓶内的空气压力和容量必须满足中国船级社《钢质海船入级规范—2018》的要求。目前实际使用的空气压力一般为2.5～3.0 MPa。

2 12V280船用柴油机起动系统简介

气动马达有预啮合和非预啮合2种结构。如采用预啮合气动马达，则起动前压缩空气将马达起动齿轮预先推出，使其与柴油机飞轮齿圈啮合，然后压缩空气进入定子，驱动转子旋转，带动飞轮齿圈转动柴油机。有关柴油机试验资料表明，与非预啮合式气动马达相比，预啮合式气动马达耗气量可减少38%，还可以避免起动过程中起动齿轮与飞轮齿圈的撞齿现象，保证起动迅速而可靠。因此12V280柴油机气动马达选用预啮合式气动马达。

2.1 起动系统组成

12V280船用柴油机起动系统主要由空气压缩机(一般为用户设计并提供)、储气罐(一般为用户设计并提供)、安全阀(一般为用户设计并提供)、球阀(一般为用户设计并提供)、过滤器、减压阀、主起动阀、电磁阀及压力表组成。12V280船用柴油机起动系统组成及原理详见图1。

2.2 系统控制原理

如图1所示，主气源管路上的球阀打开，电磁阀通电，控制管路1通气，压缩空气通过马达的控制口1进入马达，并将马达起动齿轮推出使其与柴油机飞轮齿圈啮合。与此同时，控制管路2被接通，压缩空气从马达控制口2流向主起动阀，迫使主起动阀主气源管路打开，压缩空气经气动马达的主进气口进入马达定子，驱动转子高速旋转，带动飞轮齿圈转动柴油机，从而使柴油机顺利起动。柴油机起动完成后，球阀关闭，电磁阀断电，控制管路1断气，马达起动齿轮在弹簧作用下退回；与此同时，控制管路2自动关断，主起动阀亦自动关断，气动马达停止转动。自此，起动系统完成一次柴油机起动过程。

3 气动马达的选型、计算与设计

为了达到起动柴油机的目的，气动马达的配置设计首先是气动马达的选型与计算，即气动马达工作能力必须满足以下2个方面的条件：(1)气动马达必须具备足够的扭矩，以克服柴油机起动扭矩，带动曲轴旋转；(2)气动马达必须达到足够的转速，以驱动曲轴达到柴油机的发火转速。其次是气动马达的安装位置设计，其必须保证起动时使气动马达的起动齿轮与柴油机飞轮齿圈能够可靠地啮合。

国内自主研制的大扭矩气动齿轮马达，虽然已解决了设备结构复杂、不宜铸造、功率消耗大、出口小、消声效果差等缺点，但是其采用的齿轮仍是用于齿轮传动的标准齿轮，故马达无论是在噪声上还是在性能上与进口气动马达相比，还有明显的差距。因此，12V280船用柴油机气动马达选用英格索兰公司的产品。英格索兰公司部分马达型号及参数(选自英格索兰公司产品说明书)见表1。

表1 英格索兰公司部分马达型号及参数

3.1 气动马达计算与选型

12V280船用柴油机起动相关参数见表2。

表2 12V280船用柴油机起动相关参数

气动马达齿轮齿数Z1=16，由表2可得传动比为16.875(Z2/Z1)，Nm，气动马达扭矩(T2/(Z2/Z1))>226.43 Nm，起动马达转速(n2/(Z2/Z1))>1 856.25 r/min。

根据上述分析和表1可得出，12V280船用柴油机马达型号应选ST999C型起动马达。

3.2 气动马达的安装位置设计

设计气动马达的安装位置，必须保证起动时气动马达的起动齿轮与柴油机飞轮齿圈啮合可靠。为此，安装设计必须符合起动齿轮与柴油机飞轮之间端面距离a应在3～5 mm要求。12V280船用柴油机起动系统气动马达安装示意见图2。

4 起动系统储气罐的容量计算与推荐选型

根据船规要求，柴油机起动用的储气罐的容量，应在不补充气体的情况下，能连续起动冷机状态柴油机不少于6次。虽然船用柴油机起动系统中的储气瓶一般不会由发动机厂家设计及供货，但是发动机厂家需根据其柴油机特性及配置的马达型号，计算出柴油机起动系统中的储气瓶容量，并提出储气瓶的推荐选型。

4.1 储气罐的容量计算

储气瓶容量计算需确定3个主要参数：气动马达耗气量、1次起动持续时间和最低起动压力，即能满足柴油机顺利起机时的储气罐最低压力。

4.1.1 气动马达耗气量

尽管气动马达的使用已经非常普遍，但由于气体的体积流量是压力和温度的函数[1]，理论研究比较困难。目前还没有气动马达流量-转速特性理论模型和准确的关系式，但大量研究已发现，流量与转速大致成线性关系，即随着转速增加，流量大致成线性增加。一般气动马达特性曲线图见图3。

4.1.2 1次起动持续时间

由于柴油机起动持续时间与周围环境温度、柴油机机内机油温度、机内冷却液温度等有关，所以柴油机每次起动持续时间不是一个确定值，故每次起动所需时间都有所不同。统计四川中车玉柴发动机股份有限公司的柴油机大量起动时间的数据，分析得出，柴油机1次起动持续时间一般为3～5 s。

4.1.3 最低起动压力

虽然气动马达的工作压力为620 kPa，但需注意，此值并不是柴油机最低起动压力。12V280船用柴油机台位起动试验数据表明，在减压阀前压力(可视为储气罐压力)为1.28 MPa时，柴油机已经不能顺利起动了。原因是，虽然压力满足马达的工作压力要求，但由于气动马达工作时需要大量的压缩气体，此时的压力已满足不了马达对压缩气体流量的要求。

4.1.4 储气罐的容量计算与建议选型

储气罐最大压力p0为3.0 MPa，标准状态下的起动马达平均耗气量Q为0.401 m3/s。该气动马达最大耗气量为0.802 m3/s。根据气动马达特性曲线，气动马达耗气量与其转速基本成正比的线性关系，实际使用时，运用的是曲线的左半部分，故其平均耗气量为其最大耗气量的一半。

1台12V280船用柴油机配备2个气动马达，柴油机1次起动时间t为4 s，则标准状态下，该柴油机起动1次所需要的压缩空气体积V1计算如下：

V1=2Qt=2×0.401 m3/s×4s=3.208 m3

(1)

假设需要6次连续起动，则标准状态下，该柴油机起动需要的压缩空气体积为6V1，即19.248 m3；

根据理想状态气体方程：

p0V0=p1V1+p2V2+…+pnVn[2]

(2)

p0V0=p1V1+p2V2

(3)

式中，p0为储气罐最大压力，Pa；p1为标准状态压力，Pa；p2为最低起动压力，Pa；V0为储气罐容积，m3。

储气罐最大压力p0为3.0 MPa，标准状态压力p1为1.0 MPa，标准状态下需要的压缩空气体积V1为19.248 m3，最低工作压力p2为1.4 MPa，则根据公式(3)可得到储气罐容积V0为1.203 m3。

选型时一般考虑留有20%的富余量，故建议选用储气罐容量为1.5 m3左右。船厂为12V280柴油机配备2个储气罐，每个气动马达配备1个储气罐，故选用的储气罐容量为0.75 m3。

表3 12V280船用柴油机起动试验记录

4.2 柴油机起动试验

12V280船用柴油机起动试验在发动机试验台架上进行。试验操作过程如下：在柴油机冷机状态下，首先，调整试验台架用储气罐(容积为2 000 L)压力至2.847 MPa，起动柴油机，连续成功起动6次，每次间隔≥2 min；然后，在柴油机冷机状态下，放掉储气罐部分空气，使储气罐的压力降至1.283 MPa，起动柴油机，起动成功，再次起动，起动失败。试验结果记录见表3。

由表3中试验数据，可计算出12V280船用柴油机每次起动空气的耗气量，见表4。

表4 12V280船用柴油机每次起动耗气量

注：(1)7次平均耗气量：3 423.71 g；

(2)如换算成体积，则为2.954 m3(标准状态下)。

4.3 理论数据与试验数据分析

由理论计算得出的12V280柴油机每起动一次气动马达的耗气量为3.208 m3(标准状态下)，而试验得出的耗气量数据为2.954 m3(标准状态下)。两者有差异，主要原因如下：(1)环境差异。理论计算是把柴油机的工作环境视为基准大气状况(压力为0.1 MPa，温度为293 K，相对湿度为75%)下，但12V280柴油机起动试验环境不是基准大气状况环境；(2)起机时柴油机自身的状态。起动时柴油机自身的状态，比如机油温度、冷却液温度及柴油机自身温度都会对起动阻力有影响，进而影响气动马达耗气量。理论计算时是忽略了这部分影响，均按冷机状态考虑。而从上文中可以看出，12V280柴油机起动试验在冷机状态、热机状态都有，糅合在了一起。(3)储气罐压力不完全一致。

总之，柴油机每起动一次的气动马达耗气量与很多因素有关，是个复杂的过程，难以有精确的计算关系式或者模型来得出一个非常准确的数值。理论数值与试验数值的差异在9%以内，是可以接受的。可以认为，用该公式理论计算出的耗气量与实际测量值是相符的。

5 起动系统空气管路设计

起动系统空气管路的设计要注意以下几点：(1)空气瓶与气动马达之间的连接管路应尽量短，拐弯处应采用圆弧过渡，以减少管路损失；(2)管路通径不能小于气动马达的进气口尺寸，以免出现气体流量不够，导致起动不成功；(3)最好采用焊接钢管并需适当的支撑和固定，以免管路受振动而损坏。

6 结论

本文以12V280船用柴油机起动系统为例，提出了空气起动系统中气动马达用储气罐容量的计算与选型方法，通过发动机台架起动试验验证了储气罐理论计算的客观性和正确性。这对其他发动机机型空气起动系统设计有一定的参考价值。