Introduction
Une soupape d'échappement pour moteur marin à deux temps permet l'évacuation des gaz d'échappement de la chambre de combustion et est actionnée par l'arbre à cames du moteur via des systèmes hydrauliques, ou mécaniquement dans les moteurs plus anciens (sous la forme d'un ensemble basculeur). Dans les moteurs modernes, la soupape d'échappement est généralement contrôlée électroniquement, l'arbre à cames fournissant le calage et la force motrice nécessaires pour actionner la soupape. Les soupapes d'échappement sont présentes uniquement dans les moteurs à deux temps à balayage uniflow et sont situées au sommet de leur cylindre moteur associé. Les moteurs à deux temps utilisant le balayage en boucle ou en croix n'ont pas besoin de soupapes d'échappement car les gaz d'échappement sont évacués par des orifices sur le côté du cylindre, plutôt que par des soupapes au sommet du cylindre.
Moteur marin à deux temps à faible vitesse (soupape de gaz d'échappement mise en évidence)
La soupape d'échappement doit résister aux hautes températures et pressions auxquelles elle est soumise, et elle doit pouvoir s'ouvrir et se fermer rapidement; cela permet des opérations moteur efficaces tout en assurant une fiabilité maximale.
Position de la soupape de gaz d'échappement du moteur marin à deux temps
Principaux composants et construction
Les principaux composants des soupapes d'échappement pour moteurs marins à deux temps sont listés ci-dessous.
Corps de soupape
Le corps de la soupape est généralement fabriqué en acier inoxydable ou en d'autres alliages d'acier. Il agit comme le boîtier principal; il possède un canal interne pour permettre aux gaz d'échappement de s'écouler de la chambre de combustion vers le collecteur d'échappement lorsque la soupape est ouverte. Le corps de la soupape comporte également des canaux supplémentaires intégrés pour permettre l'écoulement de l'eau de refroidissement.
Section transversale de la soupape de gaz d'échappement du moteur marin à deux temps
Guide de soupape
Le guide de soupape est monté à l'intérieur du corps de la soupape. Il isole la chambre de gaz d'échappement du mécanisme d'actionnement de la soupape et maintient la tige de la soupape orientée verticalement. Typiquement fabriqué en fonte perlée, l'air fourni au ressort pneumatique contient une petite quantité de lubrification, qui descend à travers le guide d'échappement pour aider au refroidissement et à la lubrification, tout en empêchant les gaz d'échappement de remonter à travers le guide.
Siège de soupape ou pièce inférieure
Le siège de soupape (siège inférieur) est situé à la base du corps de la soupape. Il presse contre le corps de la soupape et fournit une surface pour que le disque de soupape puisse se sceller. Il a une forme conique usinée optimisée pour l'étanchéité et le transfert de chaleur. Typiquement, il est revêtu de 'Stellite' (alliage cobalt-chrome) en raison de sa propension à la corrosion et à l'érosion.
Ressort pneumatique et piston
L'air de commande, généralement à une pression de 7 bars, est fourni à un piston pneumatique via une soupape anti-retour. L'air de commande est utilisé pour créer un 'ressort pneumatique'. Lorsque la pression hydraulique diminue en raison du profil de la came entrant dans la 'période de repos', la pression de l'air comprimé surmonte la pression hydraulique, provoquant le retour de la soupape d'échappement à une position fermée. Tout excès d'huile lubrifiante qui s'accumule au fond du cylindre du ressort pneumatique est drainé vers un réservoir de collecte. La conception du ressort pneumatique a remplacé l'utilisation d'une conception de ressort mécanique dans les grands moteurs diesel marins à deux temps; elle fournit également un effet amortissant lorsque la soupape d'échappement est actionnée.
Moteur diesel marin à faible vitesse
Actionneur d'huile et piston
Une pompe à huile hydraulique, actionnée soit par un arbre à cames, soit par un système de contrôle électronique, fournit la pression hydraulique à un piston au sommet de la tige de soupape. La pompe contrôle l'ouverture et la fermeture de la soupape, ce qui comprime à son tour l'air à l'intérieur du ressort pneumatique.
Broche de soupape
La broche de soupape est généralement fabriquée en acier allié résistant à la chaleur et à haute résistance (tel qu'un alliage de chrome-molybdène), et est équipée d'un rotateur de soupape. Faire tourner la soupape aide à répartir la chaleur uniformément et à empêcher l'accumulation de dépôts sur le siège de la soupape. Le rotateur de soupape utilise l'énergie cinétique des gaz d'échappement pour faire tourner la broche et le disque de la soupape, c'est-à-dire que lorsque le gaz s'écoule sur le rotateur, une force est exercée sur le rotateur, ce qui provoque la rotation de la broche et du disque.
Rotateur de soupape de gaz d'échappement
Fonctionnement
Le fonctionnement d'une soupape de gaz d'échappement est décrit ci-dessous.
Augmentation de la pression hydraulique
La pompe hydraulique augmente la pression d'huile vers le piston d'exploitation; cela est réalisé grâce au profil de la came pressant contre le suiveur de la pompe à mesure que l'arbre à cames tourne.
Système de contrôle de la soupape de gaz d'échappement à deux temps marin
Ouverture de la soupape
L'augmentation de la pression hydraulique entraîne l'ouverture de la soupape d'échappement. En même temps, le ressort pneumatique est comprimé grâce à l'utilisation d'une soupape anti-retour sur l'alimentation en air de commande. L'ouverture de la soupape de gaz d'échappement permet aux gaz d'échappement à haute pression d'être évacués de l'espace de combustion vers le canal à l'intérieur du corps de la soupape. L'évacuation des gaz d'échappement se produit au début de la phase d'échappement, ou, environ 110o après le point mort haut (selon la conception du moteur).
Fermeture de la soupape
Pour fermer la soupape, la pression hydraulique est réduite, ce qui conduit à ce que la pression soit exercée par le ressort pneumatique à la place. La pression du ressort pneumatique entraîne la fermeture de la soupape de gaz d'échappement (le disque presse contre le siège), ce qui referme la chambre de combustion et assure une étanchéité aux gaz. La fermeture de la soupape est assistée par la pression dans le cylindre du moteur à mesure que le piston se déplace vers le point mort haut (PMH); cela se produit à la fin de la phase de balayage et au début de la phase de compression, c'est-à-dire environ 110o avant le point mort haut (selon la conception du moteur). Une fermeture rapide empêche la charge d'air frais de s'échapper du cylindre pendant la phase de compression.
Maintenance et pannes
L'objectif de la maintenance des soupapes d'échappement est de prévenir l'accumulation de dépôts et d'assurer le bon fonctionnement de la soupape lorsqu'elle est en service. Une mauvaise maintenance de la soupape de gaz d'échappement peut entraîner plusieurs problèmes, notamment:
- Perturber le flux des gaz d'échappement quittant le cylindre, réduisant ainsi l'air disponible pour la combustion lors de la course suivante, ce qui réduit la puissance du moteur.
- Perturber le transfert de chaleur dans le corps de la soupape, créant ainsi des points chauds.
- Augmenter l'accumulation de matières particulaires, ce qui peut accroître la corrosion et empêcher la fermeture et/ou la rotation de la soupape.
Un mode de défaillance typique de la soupape est la fissuration de la zone conique plus fine de la tête de la soupape. Pour éviter ce genre de problèmes, une maintenance programmée et l'élimination des dépôts doivent avoir lieu.
Prévention
Les mesures suivantes peuvent être entreprises pour réduire la probabilité de défaillances des soupapes de gaz d'échappement:
- Effectuer des vérifications et une maintenance régulières à faible intervalle du moteur.
- Vérifier régulièrement l'indicateur de niveau d'huile de scellement.
- Vérifier régulièrement l'indicateur de levée et de rotation de la soupape.
- Inspecter régulièrement les trous témoins.
- Écouter les sons/bruits anormaux.
- Vérifier toute vibration excessive.
- Analyser les tendances de température des gaz d'échappement pour identifier les anomalies.
Ressources supplémentaires:
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/