Introduzione
Una valvola di scarico per motore marino a due tempi permette l'espulsione dei gas di scarico dalla camera di combustione ed è azionata dall'albero a camme del motore tramite sistemi idraulici, o meccanici nei motori più datati (come un gruppo bilanciere). Nei motori moderni, la valvola dei gas di scarico è solitamente controllata elettronicamente, con l'albero a camme che fornisce il tempo e la forza necessaria per l'azionamento. Le valvole di scarico sono presenti solo nei motori a due tempi con lavaggio uniflow e sono posizionate sulla parte superiore del cilindro del motore. I motori a due tempi che utilizzano il lavaggio a loop o a flusso incrociato non necessitano di valvole di scarico poiché i gas vengono espulsi attraverso porti laterali nel cilindro, piuttosto che tramite valvole sulla parte superiore.
Motore Marino a Due Tempi a Bassa Velocità (valvola dei gas di scarico evidenziata)
La valvola di scarico deve resistere a elevate temperature e pressioni operative, e deve aprirsi e chiudersi rapidamente per garantire un funzionamento efficiente del motore e massima affidabilità.
Posizione della Valvola dei Gas di Scarico del Motore Marino a Due Tempi
Componenti principali e Costruzione
I componenti principali delle valvole di scarico per motore marino a due tempi sono elencati di seguito.
Corpo della Valvola
Il corpo della valvola è solitamente realizzato in acciaio inossidabile o altre leghe d'acciaio. Funziona come alloggiamento principale e contiene un canale interno per il flusso dei gas di scarico dalla camera di combustione al collettore di scarico quando la valvola è aperta. Include anche canali aggiuntivi per il passaggio dell'acqua di raffreddamento.
Sezione Trasversale della Valvola dei Gas di Scarico del Motore Marino a Due Tempi
Guida della Valvola
La guida della valvola è montata all'interno del corpo della valvola. Sigilla la camera dei gas di scarico dal meccanismo di azionamento e mantiene lo stelo della valvola allineato verticalmente. Tipicamente realizzata in ghisa 'perlitica', l'aria fornita alla molla pneumatica contiene una piccola quantità di lubrificante, che passa attraverso la guida per aiutare con il raffreddamento e la lubrificazione, prevenendo al contempo il passaggio dei gas di scarico attraverso la guida.
Sede della Valvola o Pezzo Inferiore
La sede della valvola si trova alla base del corpo della valvola. Fornisce una superficie su cui il disco della valvola può sigillare. Ha una forma conica ottimizzata per la sigillatura e il trasferimento di calore, spesso rivestita in 'Stellite' (lega di cobalto-cromo) per resistere a corrosione ed erosione.
Molla Pneumatica e Pistone
L'aria di controllo, solitamente a 7 bar, viene fornita a un pistone pneumatico tramite una valvola di non ritorno, creando una 'molla pneumatica'. Quando la pressione idraulica si riduce a causa del profilo della camma, la pressione dell'aria compressa supera quella idraulica, chiudendo la valvola di scarico. L'olio lubrificante in eccesso viene drenato in un serbatoio di raccolta. Questo design ha sostituito le molle meccaniche nei grandi motori diesel marini a due tempi, fornendo anche un effetto ammortizzante durante l'azionamento della valvola.
Motore Diesel Marino a Bassa Velocità
Attuatore dell'Olio e Pistone
Una pompa idraulica, azionata da un albero a camme o da un sistema di controllo elettronico, fornisce pressione idraulica a un pistone sulla parte superiore dello stelo della valvola, controllando l'apertura e la chiusura della valvola e comprimendo l'aria nella molla pneumatica.
Mandrino della Valvola
Il mandrino della valvola è realizzato in acciaio legato resistente al calore e ad alta resistenza, dotato di un rotatore per valvole. La rotazione aiuta a distribuire uniformemente il calore e a prevenire l'accumulo di depositi sulla sede. Il rotatore utilizza l'energia cinetica dei gas di scarico per ruotare il mandrino e il disco della valvola.
Rotatore della Valvola dei Gas di Scarico
Funzionamento
Il funzionamento di una valvola dei gas di scarico è descritto di seguito.
Aumento della Pressione Idraulica
La pompa idraulica aumenta la pressione dell'olio al pistone operante, grazie al profilo della camma che preme contro il seguace della pompa mentre l'albero a camme ruota.
Sistema di Controllo della Valvola dei Gas di Scarico del Motore Marino a Due Tempi
Apertura della Valvola
L'aumento della pressione idraulica porta all'apertura della valvola di scarico. Contemporaneamente, la molla pneumatica viene compressa tramite una valvola di non ritorno sull'alimentazione dell'aria di controllo. L'apertura della valvola consente ai gas di scarico ad alta pressione di essere espulsi dalla camera di combustione al canale interno del corpo della valvola, avvenendo all'inizio della fase di scarico, circa 110o dopo il punto morto superiore (a seconda del design del motore).
Chiusura della Valvola
Per chiudere la valvola, la pressione idraulica viene ridotta, permettendo alla pressione della molla pneumatica di prevalere. Questo porta alla chiusura della valvola dei gas di scarico (il disco preme contro la sede), risigillando la camera di combustione e fornendo una tenuta a gas. La chiusura è assistita dalla pressione nel cilindro mentre il pistone si muove verso il punto morto superiore (TDC), avvenendo alla fine della fase di lavaggio e all'inizio della fase di compressione, circa 110o prima del punto morto superiore (a seconda del design del motore). La chiusura rapida impedisce la fuoriuscita della carica d'aria fresca durante la compressione.
Manutenzione e Guasti
L'obiettivo della manutenzione della valvola di scarico è prevenire l'accumulo di depositi e garantire il corretto funzionamento della valvola in servizio. Una scarsa manutenzione può causare problemi come:
- Interruzione del flusso dei gas di scarico, riducendo l'aria disponibile per la combustione nel colpo successivo e diminuendo la potenza del motore.
- Interruzione del trasferimento di calore nel corpo della valvola, creando punti caldi.
- Aumento dell'accumulo di particolato, che può aumentare la corrosione e impedire la chiusura e/o la rotazione della valvola.
Una modalità di guasto tipica è la rottura della zona più sottile e conica della testa della valvola. Per evitare questi problemi, devono essere effettuate manutenzioni programmate e la rimozione dei depositi.
Prevenzione
Le seguenti misure possono essere intraprese per ridurre la probabilità di guasti alla valvola dei gas di scarico:
- Eseguire controlli e manutenzioni regolari a intervalli brevi del motore.
- Controllare regolarmente l'indicatore del livello dell'olio di tenuta.
- Controllare regolarmente l'indicatore di sollevamento e rotazione della valvola.
- Ispezionare regolarmente i fori di spia.
- Ascoltare suoni/rumori anomali.
- Controllare eventuali vibrazioni eccessive.
- Analizzare le tendenze della temperatura dei gas di scarico per identificare anomalie.
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Risorse Aggiuntive:
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/