При проектировании аварийных генераторных установок (генераторов) для морских аварийных ситуаций, горнодобывающей промышленности, нефтегазовой отрасли и взрывоопасных зон, критически важная надежность всегда стоит на первом месте. Однако многие инженеры часто сталкиваются с досадной проблемой во время системной интеграции или реализации международных проектов: в критический момент дизельный двигатель не запускается должным образом.
На первый взгляд, это может показаться недостаточно мощным стартером. Однако, исходя из фундаментальных принципов механики, основная причина заключается в том, что энергия, вырабатываемая пусковой системой, не соответствует минимальному пусковому крутящему моменту, требуемому для данного дизельного двигателя в его конкретных условиях эксплуатации.
В этой статье мы представим подробный анализ основных физических характеристик пускового момента дизельного двигателя , критически важных факторов, влияющих на него, и сравнение кривых высвобождения крутящего момента при использовании различных технологий запуска. Цель статьи — помочь вам выбрать наиболее надежное решение для «черного запуска» уже на начальном этапе проектирования.
Различия: Отрывной момент vs Момент затяжки рукоятки
Для точной оценки работоспособности системы запуска пусковой момент нельзя рассматривать как статическое среднее значение. В течение полного цикла запуска дизельный двигатель должен преодолеть два совершенно разных типа сопротивления:
Отрывной момент
Речь идёт о мгновенном, сверхвысоком крутящем моменте, необходимом для того, чтобы вывести двигатель из полностью неподвижного состояния на первое же вращение. В этот момент поверхность контакта между стенками цилиндра и поршневыми кольцами находится в состоянии сухого трения или граничной смазки.
В отсутствие гидродинамической масляной пленки статическое механическое сопротивление достигает своего пика. Стартер должен обладать исключительной «мгновенной взрывной мощностью», чтобы преодолеть этот барьер.
Момент затяжки рукоятки
Как только двигатель начинает вращаться, сопротивление немного снижается. Необходимый здесь крутящий момент в основном используется для преодоления переменного сопротивления такта сжатия в отдельных цилиндрах, а также вязкого сопротивления сдвига моторного масла при более высоких скоростях вращения.
Система запуска должна поддерживать этот крутящий момент до тех пор, пока двигатель не достигнет минимальной частоты автоматического включения зажигания (обычно 100–150 об/мин).
Основной вывод: Запуск дизельного двигателя — это не постепенный и плавный процесс, а «критическая битва», в которой необходимо преодолеть статическое трение и максимальное сопротивление сжатию в течение первых нескольких оборотов. Если стартер не сможет обеспечить достаточный крутящий момент в течение первых 500 миллисекунд, двигатель заклинит в верхней мертвой точке (ВМТ).
4 ключевых фактора, обуславливающих более высокую потребность в пусковом крутящем моменте
В практических промышленных условиях требуемый пусковой момент для дизельного двигателя не является фиксированным значением. Следующие четыре фактора могут привести к экспоненциальному росту потребности в крутящем моменте:
Фактор 1. Рабочий объём двигателя и степень сжатия:
Дизельные двигатели работают на основе воспламенения от сжатия под высоким давлением, при этом степень сжатия обычно достигает 15:1 или даже 22:1. Чем больше рабочий объём и диаметр цилиндра, тем больший крутящий момент требуется для преодоления сжатия воздуха при ходе поршня. Для дизельных двигателей среднего и большого объёма (например, более 6 цилиндров, рабочий объём более 10 л) требуемый пусковой момент часто достигает нескольких тысяч ньютон-метров (Нм). С точки зрения теоретической формулы, момент сопротивления при прокручивании пропорционален максимальному давлению в цилиндре и общему рабочему объёму:
Температура окружающей среды и вязкость масла:
Это наиболее распространенная причина отказов при запуске аварийного оборудования, используемого на открытом воздухе. Когда температура окружающей среды падает ниже 0°C или даже до -20°C, кинематическая вязкость моторного масла резко возрастает. Густое, плотное масло действует как клей, склеивая коленчатый вал и втулки подшипников, что приводит к увеличению требуемого момента срабатывания системы в 2-3 раза.
Внешние паразитные нагрузки:
В промышленных сценариях B2B дизельные двигатели часто напрямую соединяются с редукторами, крупными гидравлическими насосами или мощными системами возбуждения генераторов посредством муфт. Эти внешние устройства также создают статическое сопротивление во время запуска, и эти «паразитные нагрузки» напрямую накладываются на требуемый пусковой момент самого блока двигателя.
Длительное хранение и трение в сухом состоянии:
Аварийные генераторы или двигатели спасательных шлюпок могут простаивать месяцами. Со временем сила тяжести затягивает масло с поверхностей коленчатого вала обратно в масляный поддон, оставляя критически важные поверхности трения практически в состоянии сухого трения. Это резко увеличивает момент отрыва, необходимый для первоначального запуска.
Характеристики крутящего момента дизельного двигателя и согласование сценариев работы различных систем запуска
Для удовлетворения высоких требований к пусковому моменту на рынке в настоящее время предлагаются три основных решения: традиционные электрические стартеры с батарейным питанием, пневматические стартеры с большими инвестициями и чисто механические пружинные стартеры. Их характеристики высвобождения крутящего момента принципиально различаются:
Электростартерные двигатели
Электрический стартер использует электрический ток для привода двигателя постоянного тока. Его крутящий момент в значительной степени зависит от мгновенной способности батареи к разряду.
Недостатки:
Крутящий момент электрического стартера нарастает постепенно. Что еще более важно, батареи очень уязвимы к низким температурам. В условиях низких температур химическая активность батареи резко падает, и выходной ток может уменьшиться вдвое, а это значит, что двигатель не сможет обеспечить мощность, необходимую для поддержания пускового момента. Кроме того, саморазряд батареи при длительном хранении и старение проводки являются основными причинами отказов в критические моменты.
Механические пружинные пусковые системы
Механический пружинный стартер предварительно сжимает высокоэффективные дисковые или спиральные пружины внутри устройства, вручную или механически, накапливая энергию в чисто механической форме. При активации эта энергия мгновенно высвобождается через однонаправленную муфту.
Преимущества:
Характерной чертой пружинного стартера является «пиковый крутящий момент при нулевой скорости» (мгновенное высвобождение максимального пикового крутящего момента в момент вращения). В долю секунды после срабатывания он генерирует огромную взрывную силу, значительно превосходящую силу электродвигателя эквивалентной мощности, с силой приводя двигатель в движение за пределы его максимального момента сопротивления и верхней мертвой точки (ВМТ). Поскольку он не зависит от электроэнергии или источника воздуха, его крутящий момент остается совершенно неизменным при сильном холоде, влажности или длительном хранении.
Сравнение технологий запуска
| Начальный метод | Характеристики выходного крутящего момента | Адаптивность к окружающей среде | Техническое обслуживание и надежность | Лучшие сценарии применения |
| Электрический старт | Накопление происходит постепенно; емкость батареи уменьшается по мере снижения емкости. | Плохие характеристики в холодных условиях (способность к разряду при низких температурах резко снижается). | Требует частого обслуживания батареи; высок риск отказа. | Обычное гражданское использование, автомобильная техника, лёгкое оборудование. |
| Воздушный старт | Высокий и стабильный крутящий момент; длительная продолжительность работы. | Вполне справедливо, но трубопроводы подвержены замерзанию. | Сложная структура; в значительной степени зависит от внешнего источника воздуха. | Крупные судовые главные двигатели, производственные мощности с централизованной подачей воздуха. |
| Механический пружинный запуск | Мгновенно обеспечивает максимальный пиковый крутящий момент. | Исключительно надежный (стабильная работа в диапазоне температур от -20°C до +50°C). | Полностью механический, не требующий технического обслуживания, взрывозащищенный. | Нефтегазовая промышленность, горнодобывающая промышленность, аварийные вспомогательные двигатели для судостроения, спасательные шлюпки, действия в случае полной остановки двигателя. |
Как точно выбрать пружинный стартер в зависимости от требуемого крутящего момента?
При выборе оборудования для аварийных систем или проектов международного экспорта нельзя ограничиваться лишь номинальной мощностью двигателя (л.с.). Необходимо проводить строгий расчет, основанный на крутящем моменте и энергоемкости. Вот стандартные принципы промышленного выбора:
Определите условия эксплуатации и устойчивость к экстремальным нагрузкам:
Оцените вязкость моторного масла при минимальной целевой рабочей температуре и проверьте наличие каких-либо паразитных нагрузок, которые невозможно устранить.
Предусмотрите запас прочности для момента затяжки при запуске:
Условия аварийного запуска в промышленных условиях крайне изменчивы. Настоятельно рекомендуется закладывать в номинальный минимальный пусковой момент двигателя запас прочности в 1.2–1.5 раза.
Точно подберите модель двигателя:
Производители пружинных стартеров обычно ведут обширные базы данных стандартов. Например, для различных объемов двигателя (от 1 до 19 литров) таких популярных марок, как Cummins, Perkins, Deutz и Caterpillar, уже существуют проверенные, прошедшие лабораторные испытания стандартные модели стартеров.
Заключение
Понимание физической сущности пускового момента дизельного двигателя является основополагающим шагом для обеспечения бесперебойной работы промышленной системы в экстремальных условиях. Хотя аккумуляторные батареи и внешние источники воздуха хорошо работают в повседневной эксплуатации, чисто механические, мощные, независимые от погодных условий пружинные пусковые устройства выделяются как идеальное решение с замкнутым контуром для защиты от огромного сопротивления при запуске. Они незаменимы в условиях повышенной опасности, таких как аварийно-спасательные операции, работа с вспомогательным оборудованием на судах и взрывозащищенные промышленные объекты, требующие абсолютного «черного запуска».
Компания Cqstart, являясь мировым профессиональным производителем механических пружинных стартеров, понимает принципы работы крутящего момента каждого промышленного дизельного двигателя. Мы поддерживаем обширную базу данных по подбору пускового момента и экспортируем файлы с примерами использования, охватывающие весь спектр дизельных двигателей, от менее 2 л до 50 л.
Если вы в данный момент выбираете стартовую систему для нового проекта, вы можете в любое время связаться с компанией Cqstart.
