Einführung
Ein Abgasventil für Zweitakt-Schiffsmotoren ermöglicht das Ausstoßen der Abgase aus der Brennkammer und wird durch die Nockenwelle des Motors hydraulisch oder bei älteren Motoren mechanisch (in Form eines Kipphebels) betätigt. In modernen Motoren wird das Abgasventil normalerweise elektronisch gesteuert, wobei die Nockenwelle den erforderlichen Zeitpunkt und die Antriebskraft für die Betätigung des Ventils liefert. Abgasventile sind nur in Zweitaktmotoren mit Uniflow-Spülung zu finden und befinden sich oben auf dem zugehörigen Zylinder. Zweitaktmotoren, die Loop- oder Querstromspülung verwenden, benötigen keine Abgasventile, da die Abgase über seitliche Öffnungen im Zylinder abgeführt werden, anstatt über Ventile an der Oberseite des Zylinders.
Langsamlaufender Zweitakt-Schiffsmotor (Abgasventil hervorgehoben)
Das Abgasventil muss den hohen Temperaturen und Drücken standhalten, unter denen es arbeitet, und es muss sich schnell öffnen und schließen können; dies ermöglicht einen effizienten Motorbetrieb und gewährleistet maximale Zuverlässigkeit.
Position des Abgasventils für Zweitakt-Schiffsmotoren
Hauptkomponenten und Konstruktion
Die Hauptkomponenten von Abgasventilen für Zweitakt-Schiffsmotoren sind unten aufgeführt.
Ventilkörper
Der Ventilkörper besteht typischerweise aus Edelstahl oder anderen Stahllegierungen. Der Ventilkörper dient als Hauptgehäuse; er hat einen inneren Kanal, der es den Abgasen ermöglicht, von der Brennkammer zum Abgaskrümmer zu strömen, wenn das Ventil geöffnet ist. Der Ventilkörper enthält auch zusätzliche Kanäle, die den Durchfluss von Kühlwasser ermöglichen.
Querschnitt des Abgasventils für Zweitakt-Schiffsmotoren
Ventilführung
Die Ventilführung ist im Ventilkörper montiert. Die Ventilführung dichtet die Abgaskammer vom Ventilbetätigungsmechanismus ab und hält den Ventilschaft vertikal ausgerichtet. Typischerweise aus 'Perlit'-Gusseisen gefertigt, enthält die der Luftfeder zugeführte Luft eine kleine Menge Schmierung, die durch die Abgasführung nach unten gelangt, um Kühlung und Schmierung zu unterstützen und gleichzeitig zu verhindern, dass Abgase durch die Führung aufsteigen.
Ventilsitz oder Bodenstück
Der Ventilsitz (Bodensitz) befindet sich am unteren Ende des Ventilkörpers. Der Ventilsitz drückt gegen den Ventilkörper und bietet eine Oberfläche, gegen die die Ventilscheibe abdichtet. Er hat eine bearbeitete konische Form, die für Abdichtung und Wärmeübertragung optimiert wurde. Typischerweise ist er mit einer 'Stellite'-Beschichtung (Kobalt-Chrom-Legierung) versehen, da der Sitz anfällig für Korrosion und Erosion ist.
Luftfeder und Kolben
Steuerluft, typischerweise mit einem Druck von 7 bar, wird über ein Rückschlagventil einem Luftkolben zugeführt. Die Steuerluft wird verwendet, um eine 'Luftfeder' zu erzeugen. Wenn der hydraulische Druck aufgrund des Profils der Nocke, die in die 'Stillstandsperiode' eintritt, zusammenbricht/verringert wird, überwindet der Druck der komprimierten Luft den hydraulischen Druck und führt dazu, dass das Abgasventil in die geschlossene Position zurückkehrt. Überschüssiges Schmieröl, das sich am Boden des Luftfederzylinders ansammelt, wird in einen Sammelbehälter abgeleitet. Das Design der Luftfeder hat das mechanische Federdesign in großen Zweitakt-Schiffsdieselmotoren ersetzt; es bietet auch einen Dämpfungseffekt, wenn das Abgasventil betätigt wird.
Langsamlaufender Schiffsdieselmotor
Ölaktuator und Kolben
Eine Hydraulikölpumpe, die entweder von einer Nockenwelle oder einem elektronischen Steuerungssystem betrieben wird, liefert den hydraulischen Druck an einen Kolben am oberen Ende des Ventilschafts. Die Pumpe steuert das Öffnen und Schließen des Ventils, was wiederum die Luft innerhalb der Luftfeder komprimiert.
Ventilspindel
Die Ventilspindel besteht normalerweise aus hitzebeständigem, hochfestem legiertem Stahl (wie Molybdän-Chrom-Legierung) und ist mit einem Ventilrotator ausgestattet. Das Drehen des Ventils hilft, die Wärme gleichmäßig zu verteilen und Ablagerungen auf dem Ventilsitz zu verhindern. Der Ventilrotator nutzt die kinetische Energie der Abgase, um die Ventilspindel und -scheibe zu drehen, d.h. wenn das Gas über den Rotator strömt, wird eine Kraft auf den Rotator ausgeübt, die dazu führt, dass sich die Spindel und die Scheibe drehen.
Abgasventilrotator
Betrieb
Der Betrieb eines Abgasventils wird unten beschrieben.
Hydraulischer Druckanstieg
Die Hydraulikpumpe erhöht den Öldruck zum Betriebskolben; dies wird erreicht, indem das Profil der Nocke gegen den Mitnehmer der Pumpe drückt, während sich die Nockenwelle dreht.
Steuerungssystem für Zweitakt-Abgasventile
Ventilöffnung
Der steigende hydraulische Druck führt zur Öffnung des Abgasventils. Gleichzeitig wird die Luftfeder aufgrund der Verwendung eines Rückschlagventils in der Steuerluftzufuhr komprimiert. Die Öffnung des Abgasventils ermöglicht das Entladen der Hochdruckabgase aus dem Brennraum in den Kanal innerhalb des Ventilkörpers. Das Entladen der Abgase erfolgt zu Beginn der Auspuffphase oder etwa 110o nach dem oberen Totpunkt (je nach Motorkonstruktion).
Ventilschließung
Um das Ventil zu schließen, wird der hydraulische Druck reduziert, was stattdessen dazu führt, dass Druck von der Luftfeder ausgeübt wird. Der Druck der Luftfeder führt dazu, dass das Abgasventil schließt (die Scheibe drückt gegen den Sitz), was die Brennkammer wieder abdichtet und eine gasdichte Abdichtung bietet. Das Schließen des Ventils wird durch den Druck im Motorzylinder unterstützt, während der Kolben sich dem oberen Totpunkt (OT) nähert; dies geschieht am Ende der Spülphase und zu Beginn der Verdichtungsphase, d.h. etwa 110o vor dem oberen Totpunkt (je nach Motorkonstruktion). Schnelles Schließen verhindert, dass die Frischluftladung während der Verdichtungsphase aus dem Zylinder entweicht.
Wartung und Ausfälle
Ziel der Wartung des Abgasventils ist es, die Bildung von Ablagerungen zu verhindern und den korrekten Betrieb des Ventils im Einsatz sicherzustellen. Schlechte Wartung des Abgasventils kann zu mehreren Problemen führen, darunter:
- Störung des Abgasstroms, der den Zylinder verlässt, wodurch die für die Verbrennung im nächsten Takt verfügbare Luftmenge reduziert wird, was die Motorleistung verringert.
- Störung der Wärmeübertragung im Ventilkörper, wodurch Hotspots entstehen.
- Erhöhung der Partikelansammlung, die die Korrosion erhöhen und das Schließen und/oder Drehen des Ventils verhindern kann.
Ein typischer Ventilausfallmodus ist das Reißen des dünneren konischen Bereichs des Ventilkopfes. Um solche Probleme zu vermeiden, sollten geplante Wartungen und die Entfernung von Ablagerungen erfolgen.
Prävention
Die folgenden Maßnahmen können ergriffen werden, um die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen des Abgasventils zu verringern:
- Durchführen von laufenden und regelmäßigen Wartungs- und Inspektionsintervallen des Motors.
- Regelmäßige Überprüfung des Dichtölstandanzeigers.
- Regelmäßige Überprüfung des Ventilhub- und Drehanzeigers.
- Regelmäßige Inspektion der Kontrolllöcher.
- Auf abnormale Geräusche achten.
- Überprüfung auf übermäßige Vibrationen.
- Analyse der Abgastemperaturtrends zur Identifizierung von Anomalien.
Zusätzliche Ressourcen:
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/