Cos'è un sistema di avviamento ad aria sulle navi?
Un sistema di avviamento ad aria su un motore a combustione interna marino viene utilizzato per avviare, arrestare (in caso di emergenza) o invertire il motore. I motori marini a due tempi a bassa velocità operano a basse velocità di rotazione (<300 giri/min) e hanno una massa considerevole, il che rende difficile raggiungere le pressioni e le temperature necessarie per la combustione all'avvio. Il sistema di avviamento ad aria risolve questo problema introducendo aria compressa a circa 30 bar (435 psi) di pressione direttamente nei cilindri del motore. L'aria compressa spinge il pistone associato verso il punto morto inferiore (PMI) e fornisce al motore l'impulso iniziale necessario per comprimere e accendere la miscela aria-carburante all'interno del cilindro (camera di combustione). Una volta che il motore raggiunge una certa velocità, i normali processi di iniezione e combustione del carburante si verificano, e il motore continuerà a funzionare autonomamente.
Nota – questo articolo è focalizzato sui sistemi di avviamento ad aria per grandi motori diesel marini a bassa velocità.
Perché abbiamo bisogno dei sistemi di avviamento ad aria per motori?
I grandi motori marini richiedono molta coppia per mettere in movimento la massa del motore, molto più di quanto un tipico avviatore elettrico potrebbe fornire. I motori delle auto utilizzano motorini di avviamento elettrici per avviare il motore e avviare il processo di combustione, ma questo non funzionerebbe con un grande motore marino a due tempi perché il motore è troppo grande e la corrente richiesta sarebbe troppo elevata. L'aria compressa rappresenta energia immagazzinata, ed è questa energia che viene utilizzata per mettere in movimento il motore.
Quali sono le parti principali di un sistema di avviamento ad aria di una nave?
Un sistema di avviamento ad aria di una nave ha diversi componenti principali:
1. Compressore d'aria – la fonte di aria compressa. Ci sarà quasi sempre più di un compressore d'aria per garantire la ridondanza del sistema. Le navi utilizzano tipicamente compressori d'aria a pistone, sebbene siano disponibili altri tipi di compressori (a vite, centrifughi ecc.).
2. Ricevitore d'aria – immagazzina l'aria compressa prodotta dal compressore. Un ricevitore d'aria, o ricevitori d'aria, sono tipicamente dimensionati per consentire diversi avviamenti del motore. Un motore richiede molta aria per avviarsi, quindi l'aria deve essere immagazzinata piuttosto che prodotta su richiesta.
Buono a sapersi - un ricevitore d'aria è anche noto come vaso d'aria o bottiglia d'aria.
3. Valvola pilota – distribuisce l'aria alla valvola automatica di avviamento ad aria quando aperta; la valvola automatica di avviamento ad aria è chiusa quando l'aria dalla valvola pilota è fornita. Scaricare l'aria dalla linea della valvola pilota causa l'apertura della valvola automatica di avviamento ad aria (l'aria scaricata è indicata come 'aria di spurgo').
4. Interblocco del timone – consente all'aria compressa di fluire verso la valvola automatica di avviamento ad aria solo se il timone è disinserito. Il timone consiste in un motore elettrico che può innestarsi con il volano del motore per ruotare il motore a bassa velocità prima dell'avviamento del motore.
5. Valvola automatica di avviamento ad aria – si apre una volta che la linea della valvola pilota è stata scaricata e il timone disinserito.
6. Distributore d'aria – regola il flusso di aria compressa a ciascuna valvola di avviamento ad aria. Il distributore assicura che l'aria compressa raggiunga i cilindri designati al momento designato (l'aria è distribuita ai cilindri in base all'ordine di accensione).
7. Valvola di avviamento ad aria – l'ultimo componente del sistema di avviamento ad aria prima che l'aria venga ammessa nel cilindro. La valvola di avviamento ad aria fornisce aria compressa nel rispettivo cilindro quando è aperta. Le valvole di avviamento ad aria sono montate direttamente sulla testata di ciascun cilindro.
Quali sono le parti principali di una valvola di avviamento ad aria?
Le parti principali di una valvola di avviamento ad aria sono:
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Corpo della valvola – l'involucro esterno che ospita tutti i componenti interni della valvola.
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Coperchio superiore – si attacca al corpo della valvola.
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Ingresso pilota – l'aria compressa entra attraverso questo porto.
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Molla – assicura che la valvola ritorni alla sua posizione chiusa predefinita dopo l'operazione.
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Pistone di apertura – l'aria compressa agisce sul pistone causando l'apertura della valvola.
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Pistone di bilanciamento – utilizzato per guidare il mandrino della valvola e assicurarsi che non si disallinei.
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Porta di uscita – quando la valvola è in posizione aperta, l'aria compressa fluisce nel cilindro attraverso questa porta.
Parti della Valvola di Avviamento ad Aria del Motore
Come funzionano i sistemi di avviamento ad aria delle navi?
L'aria compressa viene prelevata dai ricevitori d'aria, scaricata attraverso una valvola pilota e anche verso l'interblocco del timone. L'interblocco del timone impedisce all'aria di raggiungere la valvola automatica di avviamento ad aria fino a quando il timone non è stato disinserito. Quando la valvola pilota è aperta, l'aria viene fornita alla valvola automatica di avviamento ad aria, che causa il mantenimento della valvola in posizione chiusa; la rimozione della pressione dell'aria pilota causa l'apertura della valvola automatica di avviamento ad aria.
Una volta che il timone è disinserito, l'aria compressa fluisce verso la valvola automatica di avviamento ad aria. L'aria è trattenuta all'interno della valvola automatica di avviamento ad aria dalla pressione della molla della valvola e dall'aria compressa applicata dalla valvola pilota. A questo punto, la valvola automatica di avviamento ad aria è in posizione chiusa. Una volta dato un comando di avviamento, l'aria compressa verrà scaricata dalla linea della valvola pilota e la pressione della molla della valvola automatica di avviamento ad aria sarà superata dalla pressione del sistema di avviamento ad aria principale; ciò causa il cambiamento della valvola dalla posizione chiusa a quella aperta.
L'aria compressa ora fluisce a ciascuna valvola di avviamento ad aria del cilindro e al distributore d'aria. Il distributore distribuirà l'aria in base all'ordine di accensione del motore; utilizza una valvola attaccata a un seguace del camme e un albero a camme per ottenere ciò. Mentre l'albero a camme ruota, il seguace del camme si muove su o giù, il che causa il cambiamento di posizione della valvola del distributore (aperta o chiusa). Mentre la valvola del distributore cambia posizione, scarica o smette di scaricare aria a ciascuna valvola di avviamento ad aria.
· Se l'aria viene scaricata dal distributore a una valvola di avviamento ad aria, la valvola di avviamento ad aria si apre e l'aria compressa viene ammessa nel rispettivo cilindro.
· Se l'aria non viene scaricata dal distributore a una valvola di avviamento ad aria, la valvola di avviamento ad aria rimane chiusa e nessuna aria compressa viene ammessa nel rispettivo cilindro.
L'aria compressa viene ammessa in ciascun cilindro in un ordine specificato, questo è noto come ordine di accensione (l'ordine in cui si verifica l'accensione all'interno di ciascun cilindro). Mentre l'aria compressa entra in ciascun cilindro, forza il pistone associato verso il PMI, ma poiché diversi pistoni vengono forzati verso il basso simultaneamente, c'è abbastanza slancio per forzare un pistone verso l'alto verso il punto morto superiore (PMS); il carburante può quindi essere ammesso e si verifica l'accensione. Una volta che l'accensione si verifica, il motore può continuare a funzionare con la propria potenza.
Buono a sapersi - ci sono caratteristiche di sicurezza integrate nei sistemi di avviamento ad aria per prevenire danni al sistema e al personale. Questi includono:
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Valvole di controllo – per regolare, avviare o arrestare il flusso d'aria all'interno del sistema di avviamento ad aria.
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Valvole di sicurezza – per alleviare qualsiasi sovrapressione che potrebbe accumularsi all'interno del sistema.
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Trappole di fiamma – installate prima di ciascuna valvola di avviamento ad aria per arrestare qualsiasi processo di combustione che potrebbe verificarsi nelle linee d'aria ad alta pressione. Il materiale di combustione all'interno delle linee d'aria proviene dal trasporto di olio dai compressori d'aria; questo potrebbe accendersi se una valvola di avviamento ad aria perde e i gas di scarico caldi dallo spazio di combustione vengono lasciati sfuggire nelle linee d'aria.
Come funzionano le valvole di avviamento ad aria delle navi?
L'aria compressa viene alimentata alla parte inferiore della valvola dalla valvola automatica di avviamento ad aria. Un tubo di grande diametro collega il sistema di avviamento ad aria alla valvola, il che garantisce che un grande volume di aria possa essere ammesso rapidamente nel cilindro. Il distributore d'aria scaricherà l'aria compressa all'ingresso dell'aria pilota mentre si muove attraverso la sua sequenza (ordine di accensione), questo causa il movimento verso il basso del pistone di apertura e di conseguenza l'apertura della valvola di avviamento ad aria. A questo punto, l'aria compressa viene ammessa nel cilindro. Quando il distributore d'aria cambia posizione, l'aria non sarà più fornita alla linea di ingresso del pilota, ma sarà invece scaricata. Lo scarico della linea pilota causa l'espansione della molla, che causa la chiusura della valvola (la pressione dell'aria nella linea principale non è più sufficiente per superare la pressione residua della molla, quindi la valvola di avviamento ad aria si chiude).
Il principio di funzionamento della valvola di avviamento ad aria può essere visto nel video qui sotto.
Quali sono i principali design dei sistemi di avviamento ad aria compressa?
Ci sono due principali design di sistemi di avviamento ad aria per motori diesel.
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Avviamento diretto – l'aria compressa viene iniettata direttamente in ciascun cilindro. Questo spinge il rispettivo pistone verso il basso, il che causa la rotazione dell'albero motore. Questo design di avviamento ad aria è semplice ed è utilizzato dai grandi motori diesel marini a due tempi.
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Avviamento con motore ad aria – l'aria compressa viene utilizzata per azionare un motore ad aria, che è collegato al volano del motore. L'aria compressa fluisce attraverso il motore, causando la rotazione dell'albero del motore, che a sua volta aziona il volano e di conseguenza l'albero motore del motore. Questo design è utilizzato per motori di medie dimensioni.
In entrambi i design, una volta che il motore è in funzione, il flusso di aria compressa viene interrotto e il motore continua a funzionare utilizzando la propria potenza (energia chimica solitamente da diesel o olio combustibile pesante). Una volta che i compressori hanno riempito nuovamente i cilindri di avviamento ad aria (un po' di aria compressa viene consumata durante l'avviamento), il sistema di avviamento ad aria può essere utilizzato di nuovo per il prossimo avviamento.
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