Válvula de Arranque de Aire Explicada

¿Qué es un sistema de arranque de aire en los barcos?

Un sistema de arranque de aire en un motor de combustión interna marino se utiliza para arrancar, detener (en una emergencia) o revertir el motor. Los motores marinos de dos tiempos de baja velocidad operan a bajas velocidades de rotación (<300 rpm) y tienen una masa muy grande, lo que dificulta alcanzar las presiones y temperaturas necesarias para la combustión cuando el motor se arranca inicialmente. El sistema de arranque de aire aborda este problema introduciendo aire comprimido a aproximadamente 30 bar (435 psi) de presión directamente en los cilindros del motor. El aire comprimido fuerza al pistón asociado hacia abajo hacia el punto muerto inferior (PMI) y le da al motor el impulso inicial que necesita para comprimir e inflamar la mezcla de aire-combustible dentro del cilindro (cámara de combustión). Una vez que el motor alcanza cierta velocidad, ocurren los procesos regulares de inyección de combustible y combustión, y el motor continuará operando por su propia potencia.

Nota – este artículo se centra en grandes sistemas de arranque de aire de motores diésel marinos de baja velocidad.

¿Por qué necesitamos sistemas de arranque de aire para motores?

Los motores marinos grandes necesitan mucho torque para poner en movimiento la masa del motor, mucho más de lo que un arrancador eléctrico típico podría proporcionar. Los motores de automóviles utilizan motores de arranque eléctricos para arrancar el motor y, correspondientemente, el proceso de combustión, pero esto no funcionaría con un gran motor marino de dos tiempos porque el motor es demasiado grande y los amperios del motor requeridos serían demasiado altos. El aire comprimido representa energía almacenada, y es esta energía la que se utiliza para poner en movimiento el motor.

¿Cuáles son las partes principales de un sistema de arranque de aire de un barco?

Un sistema de arranque de aire de un barco tiene varios componentes principales:

1.     Compresor de aire – la fuente de aire comprimido. Casi siempre habrá más de un compresor de aire para que haya cierta redundancia en el sistema. Los barcos suelen utilizar compresores de aire de pistón, aunque hay disponibles otros tipos de compresores (de tornillo, centrífugos, etc.).

2.     Recipiente de aire – almacena el aire comprimido producido por el compresor. Un recipiente de aire, o recipientes de aire, suelen estar dimensionados para permitir varios arranques del motor. Un motor requiere mucho aire para arrancar, por lo que el aire debe almacenarse en lugar de producirse bajo demanda.

Bueno saber - un recipiente de aire también se conoce como un vaso de aire o botella de aire.

3.     Válvula piloto – distribuye aire a la válvula automática de arranque de aire cuando está abierta; la válvula automática de arranque de aire está cerrada cuando se suministra aire desde la válvula piloto. Drenar el aire de la línea de la válvula piloto hace que la válvula automática de arranque de aire se abra (el aire drenado se refiere como 'aire de purga').

4.     Interbloqueo del engranaje de dirección – permite que el aire comprimido fluya hacia la válvula automática de arranque de aire solo si el engranaje de dirección está desacoplado. El engranaje de dirección consta de un motor eléctrico que puede acoplarse con el volante del motor para girar el motor a baja velocidad antes de que arranque.

5.     Válvula automática de arranque de aire – se abre una vez que la línea de la válvula piloto ha sido drenada y el engranaje de dirección desacoplado.

6.     Distribuidor de aire – regula el flujo de aire comprimido a cada válvula de arranque de aire. El distribuidor asegura que el aire comprimido llegue a los cilindros designados en el momento designado (el aire se distribuye a los cilindros según el orden de encendido).

7.     Válvula de arranque de aire – el componente final del sistema de arranque de aire antes de que el aire sea admitido en el cilindro. La válvula de arranque de aire entrega aire comprimido a su respectivo cilindro cuando está abierta. Las válvulas de arranque de aire están montadas directamente en la culata de cada cilindro.

¿Cuáles son las partes principales de una válvula de arranque de aire?

Las partes principales de una válvula de arranque de aire son:

1. Cuerpo de la válvula – la carcasa externa que alberga todos los componentes internos de la válvula.

2. Tapa superior – se fija al cuerpo de la válvula.

3. Entrada piloto – el aire comprimido entra a través de este puerto.

3. Resorte – asegura que la válvula regrese a su posición cerrada predeterminada después de la operación.

4. Pistón de apertura – el aire comprimido actúa sobre el pistón causando que la válvula se abra.

5. Pistón de equilibrio – se utiliza para guiar el husillo de la válvula y asegurar que no se desaline.

6. Puerto de salida – cuando la válvula está en posición abierta, el aire comprimido fluye hacia el cilindro a través de este puerto.

Partes de la Válvula de Arranque de Aire del Motor

¿Cómo funcionan los sistemas de arranque de aire de los barcos?

El aire comprimido se extrae de los recipientes de aire, se descarga a través de una válvula piloto y también al interbloqueo del engranaje de giro. El interbloqueo del engranaje de giro impide que el aire llegue a la válvula automática de arranque de aire hasta que el engranaje de giro haya sido desacoplado. Cuando la válvula piloto está abierta, el aire se entrega a la válvula automática de arranque de aire, lo que hace que la válvula permanezca en la posición cerrada; la eliminación de la presión de aire piloto hace que la válvula automática de arranque de aire se abra.

Una vez que el engranaje de giro está desacoplado, el aire comprimido fluye hacia la válvula automática de arranque de aire. El aire se mantiene dentro de la válvula automática de arranque de aire por la presión del resorte de la válvula y el aire comprimido aplicado desde la válvula piloto. En esta etapa, la válvula automática de arranque de aire está en posición cerrada. Una vez que se da una orden de arranque, el aire comprimido se drenará de la línea de la válvula piloto y la presión del resorte de la válvula automática de arranque de aire será superada por la presión del sistema principal de arranque de aire; esto hace que la válvula cambie de la posición cerrada a la posición abierta.

El aire comprimido ahora fluye a cada válvula de arranque de aire del cilindro y al distribuidor de aire. El distribuidor distribuirá el aire según el orden de encendido del motor; utiliza una válvula unida a un seguidor de leva y un árbol de levas para lograr esto. A medida que el árbol de levas gira, el seguidor de leva se mueve hacia arriba o hacia abajo, lo que hace que la válvula del distribuidor cambie de posición (abrir o cerrar). A medida que la válvula del distribuidor cambia de posición, descarga o deja de descargar aire a cada válvula de arranque de aire.

·       Si el aire se descarga del distribuidor a una válvula de arranque de aire, la válvula de arranque de aire se abre y el aire comprimido se admite en el cilindro respectivo.

·       Si el aire no se descarga del distribuidor a una válvula de arranque de aire, la válvula de arranque de aire permanece cerrada y no se admite aire comprimido en el cilindro respectivo.

El aire comprimido se admite en cada cilindro en un orden especificado, esto se conoce como el orden de encendido (el orden en el que ocurre la ignición dentro de cada cilindro). A medida que el aire comprimido entra en cada cilindro, fuerza al pistón asociado hacia abajo hacia el PMI, pero debido a que varios pistones están siendo forzados hacia abajo simultáneamente, hay suficiente impulso para forzar un pistón de regreso hacia arriba hacia el punto muerto superior (PMS); el combustible puede entonces ser admitido y ocurre la ignición. Una vez que ocurre la ignición, el motor puede continuar operando por su propia potencia.

Bueno saber - hay características de seguridad integradas en los sistemas de arranque de aire para prevenir daños al sistema y al personal. Estos incluyen:

• Válvulas de control – para regular, iniciar o detener el flujo de aire dentro del sistema de arranque de aire.

• Válvulas de alivio – para aliviar cualquier sobrepresión que pueda acumularse dentro del sistema.

• Atrapa llamas – instalados antes de cada válvula de arranque de aire para detener cualquier proceso de combustión que pueda ocurrir en las líneas de aire de alta presión. El material de combustión dentro de las líneas de aire proviene del arrastre de aceite de los compresores de aire; esto puede encenderse si una válvula de arranque de aire está pasando/goteando y los gases de escape calientes del espacio de combustión se permiten escapar hacia las líneas de aire.

¿Cómo funcionan las válvulas de arranque de aire de los barcos?

El aire comprimido se alimenta a la parte inferior de la válvula desde la válvula automática de arranque de aire. Un tubo de gran diámetro conecta el sistema de arranque de aire a la válvula, lo que asegura que un gran volumen de aire pueda ser admitido en el cilindro rápidamente. El distribuidor de aire descargará aire comprimido a la entrada de aire piloto a medida que se mueve a través de su secuencia (orden de encendido), esto hace que el pistón de apertura se mueva hacia abajo y, en consecuencia, la válvula de arranque de aire se abra. En este punto, el aire comprimido se admite en el cilindro. Cuando el distribuidor de aire cambia de posición, el aire ya no se suministrará a la línea de entrada piloto, sino que se drenará. El drenaje de la línea piloto hace que el resorte se expanda, lo que hace que la válvula se cierre (la presión de aire en la línea principal ya no es suficiente para superar la presión residual del resorte, por lo que la válvula de arranque de aire se cierra).

El principio de funcionamiento de la válvula de arranque de aire se puede ver en el video a continuación.

¿Cuáles son los principales diseños de sistemas de arranque de aire comprimido?

Hay dos diseños principales de sistemas de arranque de aire para motores diésel.

1. Arranque directo – el aire comprimido se inyecta directamente en cada cilindro. Esto empuja el pistón respectivo hacia abajo, lo que hace que el cigüeñal gire. Este diseño de arranque de aire es simple y es utilizado por grandes motores diésel marinos de dos tiempos.

2. Arranque con motor de aire – el aire comprimido se utiliza para accionar un motor de aire, que está conectado al volante del motor. El aire comprimido fluye a través del motor, haciendo que el eje del motor gire, lo que a su vez impulsa el volante y, en consecuencia, el cigüeñal del motor. Este diseño se utiliza para motores de tamaño mediano.

En ambos diseños, una vez que el motor está en funcionamiento, el flujo de aire comprimido se detiene y el motor continúa operando utilizando su propia potencia (energía química generalmente de diésel o fuelóleo pesado). Una vez que los compresores han rellenado los cilindros de arranque de aire (se consume algo de aire comprimido durante el arranque), el sistema de arranque de aire puede ser utilizado nuevamente para el próximo arranque.