Luftanlassventil erklärt

Was ist ein Luftanlasssystem auf Schiffen?

Ein Luftanlasssystem bei einem marinen Verbrennungsmotor wird verwendet, um den Motor zu starten, stoppen (im Notfall) oder umzukehren. Langsam laufende Zweitakt-Schiffsmotoren arbeiten bei niedrigen Drehzahlen (<300 U/min) und haben eine sehr große Masse, was es schwierig macht, die für die Verbrennung erforderlichen Drücke und Temperaturen beim Anlassen des Motors zu erreichen. Das Luftanlasssystem löst dieses Problem, indem es komprimierte Luft mit ca. 30 bar (435 psi) Druck direkt in die Zylinder des Motors einführt. Die komprimierte Luft drückt den zugehörigen Kolben nach unten in Richtung unterer Totpunkt (UTP) und gibt dem Motor den anfänglichen Impuls, den er benötigt, um das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder (Verbrennungsraum) zu komprimieren und zu zünden. Sobald der Motor eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht, erfolgen die regulären Einspritz- und Verbrennungsprozesse, und der Motor läuft mit eigener Kraft weiter.

Hinweis – dieser Artikel konzentriert sich auf große langsam laufende marine Dieselmotorsysteme.

Warum benötigen wir Motorluftanlasssysteme?

Große Schiffsmotoren benötigen viel Drehmoment, um die Masse des Motors in Bewegung zu setzen, weit mehr als ein typischer elektrischer Anlasser liefern könnte. Automotoren verwenden elektrische Anlasser, um den Motor und entsprechend den Verbrennungsprozess zu starten, aber dies würde bei einem großen Zweitakt-Schiffsmotor nicht funktionieren, da der Motor zu groß ist und die erforderlichen Motorampere zu hoch wären. Komprimierte Luft stellt gespeicherte Energie dar, und es ist diese Energie, die verwendet wird, um den Motor in Bewegung zu setzen.

Was sind die Hauptkomponenten eines Schiffs-Luftanlasssystems?

Ein Schiffs-Luftanlasssystem hat mehrere Hauptkomponenten:

1.     Luftkompressor – die Quelle der komprimierten Luft. Es wird fast immer mehr als einen Luftkompressor geben, um eine gewisse Systemredundanz zu gewährleisten. Schiffe verwenden typischerweise Kolbenluftkompressoren, obwohl auch andere Kompressortypen verfügbar sind (Schrauben-, Zentrifugalkompressoren usw.).

2.     Luftbehälter – speichert die vom Kompressor erzeugte komprimierte Luft. Ein Luftbehälter oder mehrere Luftbehälter sind typischerweise so dimensioniert, dass sie mehrere Starts des Motors ermöglichen. Ein Motor benötigt viel Luft zum Starten, daher muss Luft gespeichert und nicht auf Abruf produziert werden.

Gut zu wissen - ein Luftbehälter wird auch als Luftgefäß oder Luftflasche bezeichnet.

3.     Pilotventil – verteilt Luft an das automatische Luftanlassventil, wenn es geöffnet ist; das automatische Luftanlassventil ist geschlossen, wenn Luft vom Pilotventil zugeführt wird. Das Ablassen der Luft aus der Pilotventilleitung führt dazu, dass sich das automatische Luftanlassventil öffnet (abgelassene Luft wird als 'Entlüftungsluft' bezeichnet).

4.     Steuerradverriegelung – ermöglicht den Fluss von komprimierter Luft zum automatischen Luftanlassventil nur, wenn das Steuerrad ausgekuppelt ist. Das Steuerrad besteht aus einem Elektromotor, der mit dem Schwungrad des Motors verbunden werden kann, um den Motor vor dem Starten bei niedriger Geschwindigkeit zu drehen.

5.     Automatisches Luftanlassventil – öffnet sich, sobald die Pilotventilleitung entleert und das Steuerrad ausgekuppelt ist.

6.     Luftverteiler – reguliert den Fluss von komprimierter Luft zu jedem Luftanlassventil. Der Verteiler stellt sicher, dass komprimierte Luft die vorgesehenen Zylinder zur vorgesehenen Zeit erreicht (die Luft wird den Zylindern basierend auf der Zündreihenfolge zugeführt).

7.     Luftanlassventil – die letzte Komponente des Anlassluftsystems, bevor Luft in den Zylinder eingelassen wird. Das Luftanlassventil liefert komprimierte Luft in seinen jeweiligen Zylinder, wenn es geöffnet ist. Luftanlassventile sind direkt am Zylinderkopf jedes Zylinders montiert.

Was sind die Hauptteile eines Luftanlassventils?

Die Hauptteile eines Luftanlassventils sind:

1. Ventilkörper – das äußere Gehäuse, das alle internen Komponenten des Ventils beherbergt.

2. Deckel – befestigt am Ventilkörper.

3. Pilot-Einlass – komprimierte Luft tritt durch diesen Anschluss ein.

3. Feder – stellt sicher, dass das Ventil nach dem Betrieb in seine Standard-geschlossene Position zurückkehrt.

4. Öffnungskolben – komprimierte Luft wirkt auf den Kolben, wodurch sich das Ventil öffnet.

5. Ausgleichskolben – wird verwendet, um die Ventilspindel zu führen und sicherzustellen, dass sie nicht falsch ausgerichtet wird.

6. Auslassanschluss – wenn das Ventil in der offenen Position ist, strömt komprimierte Luft durch diesen Anschluss in den Zylinder.

Teile des Motorluftanlassventils

Wie funktionieren Schiffs-Luftanlasssysteme?

Komprimierte Luft wird aus Luftbehältern entnommen, durch ein Pilotventil und auch zur Steuerradverriegelung geleitet. Die Steuerradverriegelung verhindert, dass Luft das automatische Luftanlassventil erreicht, bis das Steuerrad ausgekuppelt ist. Wenn das Pilotventil geöffnet ist, wird Luft zum automatischen Luftanlassventil geleitet, was dazu führt, dass das Ventil in der geschlossenen Position bleibt; das Entfernen des Pilotluftdrucks führt dazu, dass sich das automatische Luftanlassventil öffnet.

Sobald das Steuerrad ausgekuppelt ist, strömt komprimierte Luft zum automatischen Luftanlassventil. Luft wird durch den Federdruck des Ventils und die vom Pilotventil zugeführte komprimierte Luft im automatischen Luftanlassventil gehalten. In diesem Stadium befindet sich das automatische Luftanlassventil in der geschlossenen Position. Sobald ein Startbefehl gegeben wird, wird komprimierte Luft aus der Pilotventilleitung abgelassen und der Federdruck des automatischen Luftanlassventils wird durch den Hauptanlasssystemdruck überschritten; dies führt dazu, dass das Ventil von der geschlossenen Position in die offene Position wechselt.

Komprimierte Luft strömt nun zu jedem Zylinderluftanlassventil und dem Luftverteiler. Der Verteiler verteilt die Luft basierend auf der Zündreihenfolge des Motors; er verwendet ein Ventil, das an einem Nockenfolger und einer Nockenwelle befestigt ist, um dies zu erreichen. Wenn sich die Nockenwelle dreht, bewegt sich der Nockenfolger auf oder ab, was dazu führt, dass das Verteilerventil seine Position ändert (öffnet oder schließt). Wenn das Verteilerventil seine Position ändert, entlädt oder stoppt es die Entladung von Luft zu jedem Luftanlassventil.

·       Wenn Luft vom Verteiler zu einem Luftanlassventil entladen wird, öffnet sich das Luftanlassventil und komprimierte Luft wird in den jeweiligen Zylinder eingelassen.

·       Wenn Luft nicht vom Verteiler zu einem Luftanlassventil entladen wird, bleibt das Luftanlassventil geschlossen und keine komprimierte Luft wird in den jeweiligen Zylinder eingelassen.

Komprimierte Luft wird in jeden Zylinder in einer bestimmten Reihenfolge eingelassen, dies wird als Zündreihenfolge bezeichnet (die Reihenfolge, in der die Zündung in jedem Zylinder erfolgt). Wenn komprimierte Luft in jeden Zylinder eintritt, drückt sie den zugehörigen Kolben nach unten in Richtung UTP, aber da mehrere Kolben gleichzeitig nach unten gedrückt werden, gibt es genug Schwung, um einen Kolben wieder nach oben in Richtung oberer Totpunkt (OTP) zu drücken; Kraftstoff kann dann zugeführt werden und die Zündung erfolgt. Sobald die Zündung erfolgt, kann der Motor mit eigener Kraft weiterlaufen.

Gut zu wissen - es gibt Sicherheitsfunktionen in Luftanlasssystemen, um Schäden am System und an Personen zu verhindern. Diese umfassen:

• Steuerventile – zur Regulierung, zum Starten oder Stoppen des Luftstroms im Luftanlasssystem.

• Überdruckventile – um jeden Überdruck abzubauen, der sich im System ansammeln könnte.

• Flammenfallen – vor jedem Luftanlassventil installiert, um jeden Verbrennungsprozess zu stoppen, der in den Hochdruckluftleitungen auftreten könnte. Verbrennungsmaterial in den Luftleitungen stammt von Ölübertragungen aus den Luftkompressoren; dies kann sich entzünden, wenn ein Luftanlassventil undicht ist und heiße Abgase aus dem Verbrennungsraum in die Luftleitungen entweichen.

Wie funktionieren Schiffs-Luftanlassventile?

Komprimierte Luft wird vom automatischen Luftanlassventil in den unteren Teil des Ventils geleitet. Ein Rohr mit großem Durchmesser verbindet das Luftanlasssystem mit dem Ventil, was sicherstellt, dass ein großes Luftvolumen schnell in den Zylinder eingelassen werden kann. Der Luftverteiler entlädt komprimierte Luft zum Pilotlufteinlass, während er seine Sequenz (Zündreihenfolge) durchläuft, was dazu führt, dass sich der Öffnungskolben nach unten bewegt und folglich das Luftanlassventil öffnet. An diesem Punkt wird komprimierte Luft in den Zylinder eingelassen. Wenn der Luftverteiler seine Position ändert, wird keine Luft mehr zur Pilot-Einlassleitung zugeführt, sondern stattdessen abgelassen. Das Ablassen der Pilotleitung führt dazu, dass sich die Feder ausdehnt, was dazu führt, dass sich das Ventil schließt (der Luftdruck in der Hauptleitung reicht nicht mehr aus, um den Restdruck der Feder zu überwinden, sodass sich das Luftanlassventil schließt).

Das Arbeitsprinzip des Luftanlassventils kann im folgenden Video gesehen werden.

Was sind die Hauptdesigns von komprimierten Luftanlasssystemen?

Es gibt zwei Hauptdesigns von Luftanlasssystemen für Dieselmotoren.

1. Direktanlass – komprimierte Luft wird direkt in jeden Zylinder eingespritzt. Dies drückt den jeweiligen Kolben nach unten, was dazu führt, dass sich die Kurbelwelle dreht. Dieses Luftanlassdesign ist einfach und wird von großen marinen Zweitakt-Dieselmotoren verwendet.

2. Luftmotoranlass – komprimierte Luft wird verwendet, um einen Luftmotor anzutreiben, der mit dem Schwungrad des Motors verbunden ist. Komprimierte Luft strömt durch den Motor, wodurch sich die Motorwelle dreht, die wiederum das Schwungrad und folglich die Kurbelwelle des Motors antreibt. Dieses Design wird für mittelgroße Motoren verwendet.

In beiden Designs wird der Fluss der komprimierten Luft gestoppt, sobald der Motor läuft, und der Motor läuft mit eigener Kraft weiter (chemische Energie, normalerweise aus Diesel oder Schweröl). Sobald die Kompressoren die Luftanlasszylinder wieder aufgefüllt haben (einige komprimierte Luft wird beim Start verbraucht), kann das Luftanlasssystem erneut für den nächsten Start verwendet werden.