Inleiding
Een uitlaatklep voor maritieme tweetaktmotor zorgt voor de afvoer van uitlaatgassen uit de verbrandingskamer en wordt geactiveerd door de nokkenas van de motor via hydraulische systemen, of via mechanische systemen in oudere motoren (zoals een tuimelaar). In moderne motoren wordt de uitlaatklep meestal elektronisch aangestuurd, waarbij de nokkenas de timing en benodigde aandrijfkracht levert om de klep te bedienen. Uitlaatkleppen zijn alleen te vinden in uniflow scavenging tweetaktmotoren en bevinden zich bovenop de bijbehorende motorcilinder. Tweetaktmotoren die gebruikmaken van loop- of crossflow scavenging hebben geen uitlaatkleppen nodig, omdat de uitlaatgassen via poorten aan de zijkant van de cilinder worden afgevoerd, in plaats van via kleppen aan de bovenkant van de cilinder.
Langzame Snelheid Maritieme Tweetaktmotor (uitlaatgasventiel gemarkeerd)
De uitlaatklep moet bestand zijn tegen de hoge temperaturen en drukken waaronder deze werkt, en moet snel kunnen openen en sluiten; dit zorgt voor efficiënte motorwerking en maximale betrouwbaarheid.
Positie van de Uitlaatgasventiel van Maritieme Tweetaktmotor
Hoofdcomponenten en Constructie
De hoofdcomponenten van uitlaatkleppen voor maritieme tweetaktmotoren zijn hieronder opgesomd.
Klephuis
Het klephuis is meestal gemaakt van roestvrij staal of andere staallegeringen. Het fungeert als de belangrijkste behuizing en heeft een intern kanaal om uitlaatgassen van de verbrandingskamer naar het uitlaatspruitstuk te laten stromen wanneer de klep open is. Het klephuis heeft ook geïntegreerde kanalen voor de doorstroming van koelwater.
Dwarsdoorsnede van Uitlaatgasventiel van Maritieme Tweetaktmotor
Klephuls
De klephuls is gemonteerd in het klephuis. Het sluit de uitlaatgaskamer af van het klepbedieningsmechanisme en houdt de klepsteel verticaal georiënteerd. Meestal gemaakt van 'perliet' gietijzer, bevat de lucht die aan de luchtveer wordt toegevoerd een kleine hoeveelheid smeermiddel, die door de uitlaathuls naar beneden stroomt om te helpen bij koeling en smering, terwijl het ook voorkomt dat uitlaatgassen door de huls omhoog komen.
Klepzitting
De klepzitting bevindt zich aan de basis van het klephuis. Het biedt een oppervlak waartegen de klepschijf afdicht. Het heeft een machinaal bewerkte conische vorm die is geoptimaliseerd voor afdichting en warmteoverdracht. Meestal heeft het een 'Stellite'-coating (kobalt-chroomlegering) vanwege de gevoeligheid van de zitting voor corrosie en erosie.
Luchtveer en Zuiger
Regellucht, meestal op een druk van 7 bar, wordt via een terugslagklep aan een luchtzuiger geleverd. De regellucht wordt gebruikt om een 'luchtveer' te creëren. Wanneer de hydraulische druk vermindert door het profiel van de nok die de 'rustperiode' ingaat, overwint de druk van de samengeperste lucht de hydraulische druk, waardoor de uitlaatklep weer in gesloten positie komt. Overtollige smeerolie die zich onderaan de luchtveercilinder verzamelt, wordt afgevoerd naar een opvangtank. Het ontwerp van de luchtveer heeft het gebruik van een mechanisch veerontwerp in grote tweetakt maritieme dieselmotoren vervangen; het biedt ook een dempend effect wanneer de uitlaatklep wordt geactiveerd.
Langzame Snelheid Maritieme Dieselmotor
Olieactuator en Zuiger
Een hydraulische oliepomp, die wordt bediend door een nokkenas of een elektronisch regelsysteem, levert de hydraulische druk aan een zuiger bovenop de klepsteel. De pomp regelt het openen en sluiten van de klep, wat op zijn beurt de lucht in de luchtveer comprimeert.
Klepspindel
De klepspindel is meestal gemaakt van hittebestendig, hoogwaardig legeringsstaal (zoals molybdeen chroomlegering) en is uitgerust met een kleprotator. Het roteren van de klep helpt om warmte gelijkmatig te verdelen en voorkomt dat afzettingen zich ophopen op de klepzitting. De kleprotator maakt gebruik van de kinetische energie van de uitlaatgassen om de klepspindel en schijf te roteren, d.w.z. wanneer het gas over de rotator stroomt, wordt er een kracht uitgeoefend op de rotator, waardoor de spindel en schijf roteren.
Uitlaatgasventiel Rotator
Werking
De werking van een uitlaatgasventiel wordt hieronder beschreven.
Hydraulische Druk Verhoogt
De hydraulische pomp verhoogt de oliedruk naar de bedieningszuiger; dit wordt bereikt door het profiel van de nok die tegen de volger van de pomp drukt terwijl de nokkenas draait.
Bedieningssysteem van Uitlaatgasventiel van Maritieme Tweetaktmotor
Klep Openen
De toenemende hydraulische druk resulteert in het openen van de uitlaatklep. Tegelijkertijd wordt de luchtveer gecomprimeerd door het gebruik van een terugslagklep op de regelluchttoevoer. Het openen van de uitlaatgasventiel maakt het mogelijk dat de hogedruk uitlaatgassen worden afgevoerd van de verbrandingsruimte naar het kanaal binnen het klephuis. De afvoer van uitlaatgassen vindt plaats aan het begin van de uitlaatfase, of ongeveer 110o na het bovenste dode punt (afhankelijk van het motorontwerp).
Klep Sluiten
Om de klep te sluiten, wordt de hydraulische druk verminderd, wat leidt tot druk die in plaats daarvan door de luchtveer wordt uitgeoefend. Druk van de luchtveer resulteert in het sluiten van de uitlaatgasventiel (de schijf drukt tegen de zitting), wat de verbrandingskamer opnieuw afdicht en een gasdichte afdichting biedt. Het sluiten van de klep wordt ondersteund door de druk in de motorcilinder terwijl de zuiger naar het bovenste dode punt (TDC) beweegt; dit gebeurt aan het einde van de scavenging-fase en het begin van de compressiefase, d.w.z. ongeveer 110o voor het bovenste dode punt (afhankelijk van het motorontwerp). Snelle sluiting voorkomt dat de verse luchtlading tijdens de compressiefase uit de cilinder ontsnapt.
Onderhoud en Storingen
Het doel van onderhoud aan de uitlaatklep is om de opbouw van afzettingen te voorkomen en de juiste werking van de klep in bedrijf te waarborgen. Slecht onderhoud van de uitlaatgasventiel kan leiden tot verschillende problemen, waaronder:
- Het verstoren van de stroom van uitlaatgassen die de cilinder verlaten, waardoor de lucht die beschikbaar is voor verbranding bij de volgende slag wordt verminderd, wat het vermogen van de motor vermindert.
- Het verstoren van de warmteoverdracht in het klephuis, waardoor hotspots ontstaan.
- Het verhogen van de opbouw van deeltjes, wat corrosie kan verhogen en het sluiten en/of roteren van de klep kan voorkomen.
Een typisch faalmechanisme van de klep is het barsten van het dunnere taps toelopende gebied van de klepkop. Om dit soort problemen te voorkomen, moeten gepland onderhoud en het verwijderen van afzettingen plaatsvinden.
Preventie
De volgende maatregelen kunnen worden genomen om de kans op uitlaatgasventielstoringen te verminderen:
- Voer lopende en regelmatige laagfrequente motorcontroles en onderhoud uit.
- Controleer regelmatig de oliepeilindicator van de afdichting.
- Controleer regelmatig de klephef- en rotatie-indicator.
- Inspecteer regelmatig de waarschuwingsgaten.
- Luister naar abnormale geluiden/geluiden.
- Controleer op overmatige trillingen.
- Analyseer trends in uitlaatgastemperatuur om afwijkingen te identificeren.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Basisprincipes van de Verbrandingsmotor
Fundamentals van de Dieselmotor (Deel 1)
Fundamentals van de Dieselmotor (Deel 2)
Aanvullende Bronnen:
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/