Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil erklärt

Was sind Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventile?

Ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil (CERV) ist ein Sicherheitsgerät, das in mittelgroßen bis großen Verbrennungsmotoren installiert wird. Typischerweise wird ein CERV für jeden Zylinder eines Motors eingebaut, dies hängt jedoch von der Größe des Motors ab. Ein CERV hat drei Hauptfunktionen:

• Druckentlastung im Falle einer Überdrucksituation im Kurbelgehäuse.
• Flammenarretierung, um zu verhindern, dass Flammen aus dem Kurbelgehäuse austreten.
• Wiederverschließen des Kurbelgehäuses nach einem Überdruckereignis, um zu verhindern, dass Luft in das Kurbelgehäuse eindringt. Das Wiederverschließen des Kurbelgehäuses muss nach einer Kurbelgehäuseexplosion (Druckstoß durch Verbrennung) erfolgen, da sonst Luft in das Kurbelgehäuse eindringen und eine sekundäre Explosion verursachen könnte.

Gut zu wissen - ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil wird auch als 'Kurbelgehäuse-Explosionsklappe' oder 'Kurbelgehäuse-Entlastungsklappe' bezeichnet, aber alle Begriffe bedeuten dasselbe.

Marine-Zweitakt-Dieselmotor-Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventile

Was ist eine Kurbelgehäuseexplosion?

Eine Kurbelgehäuseexplosion ist ein plötzliches und heftiges Verbrennungsereignis, das im Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors auftritt. Für die Verbrennung sind Kraftstoff, Sauerstoff und Hitze erforderlich, die unter bestimmten Bedingungen im Kurbelgehäuse vorhanden sein können.

• Schmieröl wird in großen Mengen im Kurbelgehäuse verwendet und dient als Kraftstoff.
• Sauerstoff ist in der Luft vorhanden, die sich immer im Kurbelgehäuse befindet.
• Hitze kann aus verschiedenen Quellen stammen, wie z. B. Abgasen oder Reibung (Reibung von Motorkomponenten usw.).

Kurbelgehäuseexplosionen sind eine seltene, aber ernsthafte Gefahr, die in allen Verbrennungsmotoren auftreten kann, insbesondere in älteren Motoren, schlecht gewarteten Motoren oder Motoren, die unter extremen Bedingungen betrieben werden. Die Folgen einer Kurbelgehäuseexplosion können katastrophal sein und zu erheblichen Sachschäden, Betriebsunterbrechungen und/oder Verlust von Menschenleben führen.

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Montiertes Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil (CERV)

Was verursacht eine Kurbelgehäuseexplosion?

Mehrere Szenarien könnten zu einer Kurbelgehäuseexplosion führen. Dazu gehören:

• Abgenutzte oder beschädigte Kolbenringe – verhindern eine ausreichende Abdichtung des Kolbens innerhalb der Zylinderbuchse. Dies könnte es dem Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder ermöglichen, aus dem Verbrennungsraum in das Kurbelgehäuse zu gelangen; das Kraftstoff-Luft-Gemisch könnte dann verbrennen, wenn es auf einen heißen Punkt im Kurbelgehäuse trifft. Bei großen Marine-Zweitakt-Dieselmotoren müssen Gase an den Kolbenringen und der Stopfbuchse vorbeiströmen, bevor sie in das Kurbelgehäuse gelangen.
• Heißer Punkt im Kurbelgehäuse – verursacht, dass das Schmieröl im Kurbelgehäuse verdampft (von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht); das verdampfte Öl kondensiert dann in einem kühleren Bereich des Kurbelgehäuses und hinterlässt nur einen feinen weißen Ölnebel. Der zuvor erwähnte heiße Punkt kann dann als Zündquelle für den Ölnebel dienen (sobald die Ölnebelwolke groß genug ist). Heiße Punkte im Kurbelgehäuse eines Motors werden häufig durch abgenutzte Kurbelwellen Lager aufgrund von mangelnder Schmierung oder Unregelmäßigkeiten der Lageroberfläche verursacht. Große langsame Marine-Zweitakt-Dieselmotoren sind mit Ölnebel-Detektoren ausgestattet, um das Vorhandensein von Ölnebel im Kurbelgehäuse zu erkennen. Sollte Ölnebel im Kurbelgehäuse erkannt werden, aktiviert der Ölnebel-Detektor einen Alarm im Maschinenkontrollraum.
• Blow-by im Kurbelgehäuse – Blow-by tritt auf, wenn Verbrennungsgase an den Kolbenringen und der Stopfbuchse (falls installiert) vorbeiströmen und dann in das Kurbelgehäuse gelangen. Dies kann passieren, wenn die Kolbenringe abgenutzt sind und eine ordnungsgemäße Abdichtung des Zylinders innerhalb der Zylinderbuchse verhindern. Dies kann auch auftreten, wenn die Zylinderbuchsenwände beschädigt sind, was ebenfalls eine ordnungsgemäße Abdichtung verhindert. Blow-by tritt typischerweise bei hohen Motordrehzahlen oder bei stark belasteten Motoren auf. 

Gut zu wissen - eine 'Kurbelgehäuseexplosion' wird manchmal als 'Ölnebelexplosion' bezeichnet.

Gut zu wissen - Schmieröl muss auf ca. 200⁰C erhitzt werden, bevor es verdampft, und es erfordert einen heißen Punkt von ca. 850⁰C, um zu entzünden. Die Ölnebeltröpfchen haben eine Größe von weniger als 10 Mikrometer. Gut zu wissen - eine sekundäre Kurbelgehäuseexplosion ist normalerweise von viel größerem Ausmaß als eine primäre Kurbelgehäuseexplosion. Nach einer primären Explosion besteht im Kurbelgehäuse ein Vakuum, das eine erhebliche Menge Luft ansaugen würde, wenn keine CERVs installiert sind.

Was sind die Hauptkomponenten eines CERV?

Ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil besteht aus relativ wenigen Komponenten, darunter:

• Ventilkörper – das Hauptgehäuse des Ventils. Es besteht aus einem starken, langlebigen Material wie Aluminium oder Stahl. Der Ventilkörper ist so konstruiert, dass er den hohen Drücken standhält, die bei einer Explosion auftreten können.
• Ventilplatte (Ventilscheibe) – ein dünnes, kreisförmiges Metallstück, das sich im Ventilkörper befindet. Die Ventilplatte ist mit einer Feder verbunden, die das Ventil unter normalen Betriebsbedingungen geschlossen hält. Wenn der Druck im Kurbelgehäuse steigt, wird die Feder zusammengedrückt, die Ventilplatte bewegt sich vom Ventildeckel weg und öffnet somit das Ventil.
• Ventilsitz – die Ventilplatte drückt gegen den Ventilsitz, um das Ventil zu schließen.
• Flammensperre – die Flammensperre ist ein Gerät, das verhindert, dass Flammen aus dem Kurbelgehäuse entweichen. Sie wird typischerweise als feines Maschensieb oder eine Reihe von perforierten Platten hergestellt. Flammen werden beim Durchgang durch die Flammensperre gekühlt, was dazu führt, dass sie gelöscht werden, bevor sie das Äußere des Motors erreichen. Die Flammensperre ist manchmal ölsättigt aufgrund ihrer Lage im Kurbelgehäuse (abhängig vom CERV-Design); dies fügt einen zusätzlichen Flammenkühleffekt hinzu.
• Dichtung – eine Dichtung oder ein O-Ring, der sich zwischen dem Ventilsitz und der Ventilplatte befindet. Die Dichtung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Luft oder Gas aus dem Kurbelgehäuse austreten oder in das Kurbelgehäuse eindringen.
• Feder – eine Metallspule, die sich im Ventilkörper befindet. Die Feder hält die Ventilplatte unter normalen Betriebsbedingungen gegen den Ventilsitz gedrückt und hält das Ventil somit in einer geschlossenen Position. Wenn der Druck im Kurbelgehäuse steigt, wird die Feder zusammengedrückt und das Ventil öffnet sich.
• Ableiter – leitet jeden Druckimpuls und Flammen nach unten, um nahegelegene Personen zu schützen; die Lücke, durch die der Druckimpuls geleitet wird, beträgt 120 Grad des gesamten Ventilumfangs.

Gut zu wissen - ein CERV ist im Wesentlichen ein Rückschlagventil, d.h. es erlaubt den Fluss nur in eine Richtung.

Gut zu wissen - ein CERV hat keine Ventilspindel.

Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil

Wie funktioniert ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil?

Während des normalen Betriebs des Motors bleiben die Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventile geschlossen, wodurch das Kurbelgehäuse effektiv abgedichtet wird und der Druck im Kurbelgehäuse innerhalb eines akzeptablen Bereichs gehalten wird.

Im Falle einer Kurbelgehäuseexplosion tritt ein schneller Druckanstieg im Kurbelgehäuse auf. Wenn der Druck nicht entlastet wird, können Motorausfall, Komponentenschäden und/oder sogar Kurbelgehäuseruptur auftreten.

Wie ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil funktioniert

Ein Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil ist so konzipiert, dass es auf jeden plötzlichen Druckanstieg im Kurbelgehäuse reagiert. Wenn der Druck im Kurbelgehäuse steigt, wirkt er auf die CERV-Ventilplatte, überwindet die Federkraft, die das Ventil geschlossen hält, und öffnet somit das Ventil.

Das Öffnen des Kurbelgehäuse-Entlastungsventils schafft einen Durchgang für die Hochdruckgase, um aus dem Kurbelgehäuse zu entweichen; diese Druckentlastung verhindert, dass das Kurbelgehäuse überdruckt wird, wodurch die Auswirkungen einer Explosion gemildert werden.

Um die Ausbreitung von Flammen aus dem Kurbelgehäuse zu verhindern, enthält ein CERV eine Flammensperre. Diese Komponente kühlt die Verbrennungsgase und stört die Flammenfront, wodurch verhindert wird, dass Flammen aus dem Ventil austreten und möglicherweise umliegende brennbare Materialien entzünden.

Sobald der Druck im Kurbelgehäuse unter den Öffnungsdruck des Ventils (Öffnungsdruck) gesunken ist, bewirkt die von der Feder ausgeübte Kraft, dass die Ventilplatte gegen den Ventilsitz drückt, d.h. das Ventil schließt, wodurch das Kurbelgehäuse effektiv abgedichtet wird und verhindert wird, dass externe Luft oder Gas eindringen. Die Abdichtung des Kurbelgehäuses nach einer Explosion ist wichtig, da sonst nach einer primären Explosion frische Luft in das Kurbelgehäuse eindringen könnte, was dann zu einer zusätzlichen größeren sekundären Explosion führen könnte.

Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil

Welche Schäden entstehen ohne ein CERV?

Ein Motor, der eine Kurbelgehäuseexplosion ohne das Vorhandensein eines CERV erlebt, würde höchstwahrscheinlich katastrophale strukturelle Schäden erleiden. Wenn dieses Szenario auf einem Schiff auftreten würde, würde es das Schiff ohne Antrieb und möglicherweise ohne elektrische Energie lassen. Insbesondere können Kurbelgehäuseexplosionen Schäden an den folgenden Motorkomponenten verursachen:

• Kurbelgehäuse – das Kurbelgehäuse ist das Gehäuse, das die Kurbelwelle des Motors und andere bewegliche Teile umschließt. Eine Kurbelgehäuseexplosion könnte das Kurbelgehäuse aufreißen und Öl und Trümmer aus dem Kurbelgehäuse austreten lassen, was möglicherweise nahegelegene Personen verletzt und den umgebenden Bereich beschädigt. Ein solcher Ausfall könnte auch zu einem Maschinenraumbrand führen, der andere Schiffssysteme beschädigen könnte.
• Schubstangenversagen (Pleuel) – eine Schubstange verbindet einen Kolben mit einer Kurbelwelle in fast allen Motoren, jedoch verbindet in einem großen Marine-Zweitaktmotor die Schubstange einen Kreuzkopf, der dann mit einer Kolbenstange verbunden ist. Eine Kurbelgehäuseexplosion könnte eine Schubstange verbiegen oder brechen und den Motor blockieren.
• Kolbenschäden – die Kolben sind die Teile, die sich innerhalb der Zylinder auf und ab bewegen, um Energie zu erzeugen. Eine Kurbelgehäuseexplosion kann die Kolben aufgrund von Fehlstellungen beschädigen, was zu einem Mangel an Abdichtung zwischen den Kolbenringen und dem Zylinder führt.

Wie kann eine Kurbelgehäuseexplosion vermieden werden?

Ein CERV existiert nur, um den Motor zu schützen, falls eine Kurbelgehäuseexplosion auftritt. Kurbelgehäuseexplosionen können vermieden werden, indem sichergestellt wird, dass der Motor ordnungsgemäß gewartet und korrekt betrieben wird. Die Wartung sollte immer den Wartungsrichtlinien des Herstellers folgen.

Wer hat das CERV erfunden?

Kurbelgehäuse-Entlastungsventile wurden in den 1950er Jahren von der British Internal Combustion Engine Relief Association (BICERA) entwickelt. BICERA wurde 1948 als Reaktion auf eine Reihe von Kurbelgehäuseexplosionen gegründet, die an Bord von Schiffen auftraten. Die Organisation führte Forschungen zu den Ursachen dieser Explosionen durch und entwickelte eine Reihe von Sicherheitsvorrichtungen, darunter das Kurbelgehäuse-Entlastungsventil.

Das erste Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventil wurde 1954 von BICERA patentiert. Das Ventil wurde entwickelt, um sich zu öffnen und den Druck zu entlasten, wenn eine Kurbelgehäuseexplosion auftritt, und um zu verhindern, dass Flammen aus dem Kurbelgehäuse austreten. Kurbelgehäuse-Explosionsschutzventile sind heute ein standardmäßiges Sicherheitsmerkmal bei fast allen mittelgroßen und großen Verbrennungsmotoren.

Zusätzliche Ressourcen

https://www.marinetopics.com/articles-desktop-en/crankcase-relief-valve/

http://www.machineryspaces.com/explosion-relief-valve.html

https://man-es.com/docs/default-source/service-letters/sl2009-512.pdf?sfvrsn=6ff9c151_8

https://chiefengineerlog.com/2022/10/19/what-you-need-to-know-about-crankcase-relief-valves/