Wprowadzenie
Zawór wydechowy silnika dwusuwowego morskiego umożliwia wydostanie się gazów spalinowych z komory spalania i jest uruchamiany przez wałek rozrządu silnika za pomocą układów hydraulicznych lub mechanicznych w starszych silnikach (w formie zespołu dźwigni). Zawór gazów wydechowych jest zazwyczaj sterowany elektronicznie w nowoczesnych silnikach, przy czym wałek rozrządu zapewnia czas i siłę napędową potrzebną do uruchomienia zaworu. Zawory wydechowe występują tylko w silnikach dwusuwowych z przepłukiwaniem jednokierunkowym i znajdują się na górze cylindra silnika. Silniki dwusuwowe wykorzystujące przepłukiwanie pętlowe lub krzyżowe nie wymagają zaworów wydechowych, ponieważ gazy spalinowe są odprowadzane przez porty z boku cylindra, a nie przez zawory na górze cylindra.
Silnik dwusuwowy morski o niskiej prędkości (zaznaczony zawór gazów wydechowych)
Zawór wydechowy musi być w stanie wytrzymać wysokie temperatury i ciśnienia, w których działa, i musi być w stanie szybko się otwierać i zamykać; to pozwoli na efektywne działanie silnika przy jednoczesnym zapewnieniu maksymalnej niezawodności.
Pozycja zaworu gazów wydechowych silnika dwusuwowego morskiego
Główne komponenty i konstrukcja
Główne komponenty zaworów wydechowych silnika dwusuwowego morskiego są wymienione poniżej.
Korpus zaworu
Korpus zaworu jest zazwyczaj wykonany ze stali nierdzewnej lub innych stopów stali. Korpus zaworu działa jako główna obudowa; ma wewnętrzny kanał umożliwiający przepływ gazów spalinowych z komory spalania do kolektora wydechowego, gdy zawór jest otwarty. Korpus zaworu ma również wbudowane dodatkowe kanały umożliwiające przepływ wody chłodzącej.
Przekrój zaworu gazów wydechowych silnika dwusuwowego morskiego
Przewodnik zaworu
Przewodnik zaworu jest zamontowany wewnątrz korpusu zaworu. Przewodnik zaworu uszczelnia komorę gazów wydechowych od mechanizmu uruchamiania zaworu i utrzymuje trzpień zaworu w pionowej orientacji. Zazwyczaj wykonany z żeliwa perlitycznego, powietrze dostarczane do sprężyny powietrznej zawiera niewielką ilość smarowania, które przechodzi przez przewodnik wydechowy, aby wspomóc chłodzenie i smarowanie, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się gazów wydechowych przez przewodnik.
Siedzenie zaworu lub dolna część
Siedzenie zaworu (dolne siedzenie) znajduje się u podstawy korpusu zaworu. Siedzenie zaworu naciska na korpus zaworu i zapewnia powierzchnię, na której dysk zaworu może się uszczelnić. Ma ono stożkowy kształt, który został zoptymalizowany pod kątem uszczelnienia i transferu ciepła. Zazwyczaj ma powłokę 'Stellite' (stop kobaltu i chromu) ze względu na podatność siedzenia na korozję i erozję.
Sprężyna powietrzna i tłok
Powietrze sterujące, zazwyczaj pod ciśnieniem 7 bar, jest dostarczane do tłoka powietrznego przez zawór zwrotny. Powietrze sterujące jest używane do stworzenia 'sprężyny powietrznej'. Gdy ciśnienie hydrauliczne spada/zmniejsza się z powodu profilu krzywki wchodzącej w 'okres postoju', ciśnienie sprężonego powietrza pokonuje ciśnienie hydrauliczne, powodując powrót zaworu wydechowego do pozycji zamkniętej. Nadmiar oleju smarującego, który zbiera się na dnie cylindra sprężyny powietrznej, jest odprowadzany do zbiornika zbiorczego. Konstrukcja sprężyny powietrznej zastąpiła użycie mechanicznej sprężyny w dużych silnikach diesla dwusuwowych morskich; zapewnia również efekt amortyzacji, gdy zawór wydechowy jest uruchamiany.
Silnik diesla o niskiej prędkości
Siłownik olejowy i tłok
Pompa oleju hydraulicznego, która jest obsługiwana przez wałek rozrządu lub elektroniczny system sterowania, dostarcza ciśnienie hydrauliczne do tłoka na górze trzpienia zaworu. Pompa kontroluje otwieranie i zamykanie zaworu, co z kolei spręża powietrze w sprężynie powietrznej.
Trzpień zaworu
Trzpień zaworu jest zazwyczaj wykonany z odpornej na ciepło, wysokowytrzymałej stali stopowej (takiej jak stop molibdenowo-chromowy) i jest wyposażony w rotator zaworu. Obracanie zaworu pomaga równomiernie rozprowadzać ciepło i zapobiegać gromadzeniu się osadów na siedzeniu zaworu. Rotator zaworu wykorzystuje energię kinetyczną gazów wydechowych do obracania trzpienia i dysku zaworu, tj. gdy gaz przepływa nad rotatorem, siła jest przekazywana na rotator, co powoduje obrót trzpienia i dysku.
Rotator zaworu gazów wydechowych
Operacja
Operacja zaworu gazów wydechowych jest opisana poniżej.
Wzrost ciśnienia hydraulicznego
Pompa hydrauliczna zwiększa ciśnienie oleju do tłoka operacyjnego; jest to osiągane dzięki profilowi krzywki naciskającej na popychacz pompy, gdy wałek rozrządu się obraca.
System sterowania zaworem gazów wydechowych silnika dwusuwowego morskiego
Otwieranie zaworu
Wzrost ciśnienia hydraulicznego powoduje otwarcie zaworu wydechowego. Jednocześnie sprężyna powietrzna jest sprężana dzięki zastosowaniu zaworu zwrotnego na dopływie powietrza sterującego. Otwarcie zaworu gazów wydechowych pozwala na wydostanie się gazów spalinowych pod wysokim ciśnieniem z przestrzeni spalania do kanału w korpusie zaworu. Wydostanie się gazów spalinowych następuje na początku etapu wydechu lub około 110o po górnym martwym punkcie (w zależności od konstrukcji silnika).
Zamykanie zaworu
Aby zamknąć zawór, ciśnienie hydrauliczne jest zmniejszane, co prowadzi do wywierania nacisku przez sprężynę powietrzną. Ciśnienie z sprężyny powietrznej powoduje zamknięcie zaworu gazów wydechowych (dysk naciska na siedzenie), co ponownie uszczelnia komorę spalania i zapewnia gazoszczelne uszczelnienie. Zamknięcie zaworu jest wspomagane przez ciśnienie w cylindrze silnika, gdy tłok zbliża się do górnego martwego punktu (TDC); dzieje się to na końcu etapu przepłukiwania i na początku etapu sprężania, tj. około 110o przed górnym martwym punktem (w zależności od konstrukcji silnika). Szybkie zamknięcie zapobiega ucieczce świeżego ładunku powietrza z cylindra podczas etapu sprężania.
Konserwacja i awarie
Celem konserwacji zaworu wydechowego jest zapobieganie gromadzeniu się osadów i zapewnienie prawidłowego działania zaworu podczas eksploatacji. Słaba konserwacja zaworu gazów wydechowych może prowadzić do kilku problemów, w tym:
- Zakłócenie przepływu gazów wydechowych opuszczających cylinder, co zmniejsza ilość powietrza dostępnego do spalania w następnym cyklu, co zmniejsza moc silnika.
- Zakłócenie transferu ciepła w korpusie zaworu, co prowadzi do powstawania gorących punktów.
- Zwiększenie gromadzenia się cząstek stałych, co może zwiększać korozję i uniemożliwiać zamknięcie i/lub obrót zaworu.
Typowym trybem awarii zaworu jest pęknięcie cieńszego stożkowego obszaru głowicy zaworu. Aby uniknąć tego rodzaju problemów, należy przeprowadzać planową konserwację i usuwanie osadów.
Zapobieganie
Następujące środki można podjąć, aby zmniejszyć prawdopodobieństwo awarii zaworu gazów wydechowych:
- Przeprowadzaj bieżące i regularne kontrole i konserwacje silnika w krótkich odstępach czasu.
- Regularnie sprawdzaj wskaźnik poziomu oleju uszczelniającego.
- Regularnie sprawdzaj wskaźnik podnoszenia i obrotu zaworu.
- Regularnie sprawdzaj otwory kontrolne.
- Słuchaj nietypowych dźwięków/hałasów.
- Sprawdzaj nadmierne wibracje.
- Analizuj trendy temperatury gazów wydechowych, aby zidentyfikować anomalie.
Dodatkowe zasoby:
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/