Introducción
Una válvula de escape de motor marino de dos tiempos permite la expulsión de los gases de escape desde la cámara de combustión y es accionada por el árbol de levas del motor mediante sistemas hidráulicos, o mecánicos en motores más antiguos (a través de un conjunto de balancines). En motores modernos, la válvula de escape se controla electrónicamente, con el árbol de levas proporcionando el tiempo y la fuerza necesarios para su operación. Las válvulas de escape solo se encuentran en motores de dos tiempos con barrido uniflujo y están ubicadas en la parte superior del cilindro correspondiente. Los motores de dos tiempos que utilizan barrido en bucle o flujo cruzado no requieren válvulas de escape, ya que los gases de escape se descargan a través de puertos laterales en el cilindro, en lugar de válvulas en la parte superior.
Motor Marino de Dos Tiempos de Baja Velocidad (válvula de gases de escape destacada)
La válvula de escape debe soportar altas temperaturas y presiones operativas, y debe abrirse y cerrarse rápidamente para asegurar un funcionamiento eficiente del motor y máxima fiabilidad.
Posición de la Válvula de Gases de Escape de Motor Marino de Dos Tiempos
Componentes principales y Construcción
Los componentes principales de las válvulas de escape de motor marino de dos tiempos se enumeran a continuación.
Cuerpo de la Válvula
El cuerpo de la válvula está típicamente fabricado de acero inoxidable u otras aleaciones de acero. Actúa como la carcasa principal y contiene un canal interno que permite el flujo de gases de escape desde la cámara de combustión al colector de escape cuando la válvula está abierta. También incorpora canales adicionales para el flujo de agua de enfriamiento.
Sección Transversal de la Válvula de Gases de Escape de Motor Marino de Dos Tiempos
Guía de la Válvula
La guía de la válvula está montada dentro del cuerpo de la válvula. Sella la cámara de gases de escape del mecanismo de accionamiento de la válvula y mantiene el vástago de la válvula orientado verticalmente. Típicamente hecha de hierro fundido perlítico, el aire suministrado al resorte de aire contiene una pequeña cantidad de lubricante, que pasa a través de la guía de escape para ayudar con el enfriamiento y la lubricación, mientras también previene que los gases de escape asciendan a través de la guía.
Asiento de la Válvula o Pieza Inferior
El asiento de la válvula se encuentra en la base del cuerpo de la válvula. Presiona contra el cuerpo de la válvula y proporciona una superficie para que el disco de la válvula selle. Tiene una forma cónica mecanizada optimizada para el sellado y la transferencia de calor. Típicamente, está recubierto de 'Stellite' (aleación de cobalto-cromo) debido a su propensión a la corrosión y erosión.
Resorte de Aire y Pistón
El aire de control, generalmente a una presión de 7 bar, se suministra a un pistón de aire a través de una válvula de no retorno. El aire de control se utiliza para crear un 'resorte de aire'. Cuando la presión hidráulica disminuye debido al perfil de la leva entrando en el 'período de reposo', la presión del aire comprimido supera la presión hidráulica, causando el retorno de la válvula de escape a una posición cerrada. Cualquier exceso de aceite lubricante que se acumule en el fondo del cilindro del resorte de aire se drena a un tanque de recolección. El diseño del resorte de aire ha reemplazado el uso de un diseño de resorte mecánico en grandes motores diésel marinos de dos tiempos; también proporciona un efecto amortiguador cuando se acciona la válvula de escape.
Motor Diésel Marino de Baja Velocidad
Actuador de Aceite y Pistón
Una bomba de aceite hidráulico, operada por un árbol de levas o un sistema de control electrónico, proporciona la presión hidráulica a un pistón en la parte superior del vástago de la válvula. La bomba controla la apertura y cierre de la válvula, lo que a su vez comprime el aire dentro del resorte de aire.
Husillo de la Válvula
El husillo de la válvula generalmente está hecho de acero de aleación resistente al calor y de alta resistencia (como aleación de cromo-molibdeno), y está equipado con un rotador de válvula. Girar la válvula ayuda a distribuir el calor de manera uniforme y prevenir la acumulación de depósitos en el asiento de la válvula. El rotador de la válvula utiliza la energía cinética de los gases de escape para rotar el husillo y el disco de la válvula, es decir, a medida que el gas fluye sobre el rotador, se imparte una fuerza sobre el rotador, lo que hace que el husillo y el disco giren.
Rotador de Válvula de Gases de Escape
Operación
La operación de una válvula de gases de escape se describe a continuación.
Aumento de la Presión Hidráulica
La bomba hidráulica incrementa la presión del aceite al pistón de operación; esto se logra debido al perfil de la leva presionando contra el seguidor de la bomba a medida que el árbol de levas gira.
Sistema de Control de Válvula de Gases de Escape de Dos Tiempos Marino
Apertura de la Válvula
El aumento de la presión hidráulica resulta en la apertura de la válvula de escape. Al mismo tiempo, el resorte de aire se comprime debido al uso de una válvula de no retorno en el suministro de aire de control. La apertura de la válvula de gases de escape permite que los gases de escape de alta presión sean descargados del espacio de combustión al canal dentro del cuerpo de la válvula. La descarga de gases de escape ocurre al inicio de la etapa de escape, o, aproximadamente 110o después del punto muerto superior (dependiendo del diseño del motor).
Cierre de la Válvula
Para cerrar la válvula, se reduce la presión hidráulica, lo que lleva a que la presión sea ejercida por el resorte de aire en su lugar. La presión del resorte de aire resulta en el cierre de la válvula de gases de escape (el disco presiona contra el asiento), lo que vuelve a sellar la cámara de combustión y proporciona un sello hermético. El cierre de la válvula es asistido por la presión en el cilindro del motor a medida que el pistón se desplaza hacia el punto muerto superior (TDC); esto ocurre al final de la etapa de barrido y al inicio de la etapa de compresión, es decir, aproximadamente 110o antes del punto muerto superior (dependiendo del diseño del motor). El cierre rápido previene que la carga de aire fresco escape del cilindro durante la etapa de compresión.
Mantenimiento y Fallos
El objetivo del mantenimiento de la válvula de escape es prevenir la acumulación de depósitos y asegurar el correcto funcionamiento de la válvula cuando está en servicio. Un mal mantenimiento de la válvula de gases de escape puede llevar a varios problemas, incluyendo:
- Interrumpir el flujo de gases de escape que salen del cilindro, reduciendo así el aire disponible para la combustión en el siguiente ciclo, lo que reduce la potencia del motor.
- Interrumpir la transferencia de calor en el cuerpo de la válvula, creando así puntos calientes.
- Aumentar la acumulación de materia particulada, lo que puede aumentar la corrosión y prevenir el cierre y/o rotación de la válvula.
Un modo típico de fallo de la válvula es el agrietamiento del área cónica más delgada de la cabeza de la válvula. Para evitar este tipo de problemas, se debe realizar un mantenimiento programado y la eliminación de depósitos.
Prevención
Se pueden tomar las siguientes medidas para reducir la probabilidad de fallos en la válvula de gases de escape:
- Realizar comprobaciones y mantenimiento del motor a intervalos bajos y de manera regular.
- Revisar regularmente el indicador de nivel de aceite de sellado.
- Revisar regularmente el indicador de elevación y rotación de la válvula.
- Inspeccionar regularmente los orificios de aviso.
- Escuchar sonidos/ruidos anormales.
- Comprobar cualquier vibración excesiva.
- Analizar las tendencias de temperatura de los gases de escape para identificar anomalías.
Recursos Adicionales:
https://www.marinesite.info/2021/06/exhaust-valve-in-marine-diesel-engine.html
https://www.marineinsight.com/videos/watch-ships-main-engine-exhaust-valve-working/