Motore marino a quattro tempi: funzionamento delle testate e delle parti di ricambio

Un peschereccio si avvicina con una perdita di compressione su un cilindro del motore ausiliario. La testata del cilindro si rompe nel giro di un giorno e l'ingegnere capo si trova di fronte a una scelta familiare: riparare la fusione o sostituirla. Su un motore marino a quattro tempi, la decisione dipende solitamente da tre fattori: la condizione delle sedi delle valvole, la planarità del piano antincendio e il risultato di un test di pressione sui passaggi di raffreddamento. Tutto ciò che segue è un problema di approvvigionamento piuttosto che di ingegneria.

I motori marini a quattro tempi coprono una gamma molto ampia di impieghi, dai piccoli gruppi elettrogeni sulle imbarcazioni costiere ai motori principali a media velocità su traghetti, rimorchiatori e pescherecci. Ciò che condividono è un ciclo di accensione che richiede due giri dell'albero motore per essere completato, e una testata che deve sigillare la combustione, guidare le valvole, trasportare l'iniettore e far passare il liquido di raffreddamento allo stesso tempo. Questo articolo spiega come funziona il ciclo, dove si trova la testata all'interno del ciclo e come acquistare pezzi di ricambio senza creare un secondo guasto.

Cosa succede realmente durante i quattro colpi

Il nome deriva dal numero di movimenti del pistone necessari per completare un ciclo di alimentazione. Aspirazione, compressione, potenza e scarico; quattro corse del pistone, due giri dell'albero motore, un evento di iniezione per cilindro.

• Corsa di induzione. La valvola di aspirazione si apre e il pistone si abbassa, aspirando l'aria che di solito è già passata attraverso un turbocompressore e un postrefrigeratore.
• Corsa di compressione. Entrambe le valvole sono chiuse e il pistone si sposta verso l'alto, comprimendo la carica a circa 30-55 bar e riscaldandola ben al di sopra della temperatura di accensione del carburante diesel.
• Colpo di potenza. Il carburante viene iniettato poco prima del punto morto superiore, brucia e il gas in espansione spinge il pistone verso il basso. Questo è l'unico tratto che produce lavoro utile.
• Corsa di scarico. La valvola di scarico si apre e il pistone ascendente spinge i gas combusti nel collettore e nel turbocompressore.

A causa di questa sequenza, una testata a quattro tempi deve portare almeno una valvola di aspirazione e una valvola di scarico, spesso due di ciascuna, più l'iniettore, le guide delle valvole, gli inserti delle sedi delle valvole e i passaggi di raffreddamento che li separano. L'albero a camme e le aste o i bilancieri che azionano tali valvole sono sincronizzati con l'albero motore in modo che ogni evento avvenga con l'angolazione corretta.

Un motore a due tempi si accende invece ad ogni giro dell'albero motore, utilizzando le porte di recupero e una valvola o porta di scarico. Questa unica differenza spiega perché i due tipi di motore finirono per svolgere lavori diversi a bordo.

Perché le navi utilizzano ancora motori a quattro tempi

Un motore a due tempi produce un colpo di potenza ad ogni giro, che è esattamente il motivo per cui le più grandi navi d'alto mare utilizzano motori a due tempi a bassa velocità come propulsione principale: meno parti, tolleranza per l'olio combustibile pesante e consumo di carburante per kilowattora molto basso. I motori a quattro tempi vincono su altri punti importanti per proprietari e operatori: peso più leggero a parità di potenza, ingombro ridotto, migliore controllo delle emissioni e velocità più elevate che consentono a un generatore accoppiato direttamente di produrre potenza a 50 Hz o 60 Hz senza cambio.

In pratica, la maggior parte dei motori marini a quattro tempi sono motori ausiliari o motori principali su imbarcazioni più piccole. Il funzionamento del generatore di solito è di 750, 1000, 1200, 1500 o 1800 giri al minuto a seconda del numero di poli e della frequenza della rete, mentre le unità di propulsione a velocità media funzionano tipicamente tra 400 e 1000 giri al minuto.

Perché le testate dei cilindri a quattro tempi si guastano

Una testata a quattro tempi è un'unica fusione che deve contenere il piano antincendio, due o quattro porte delle valvole, il foro dell'iniettore e una rete di passaggi di raffreddamento. Per uno sguardo generale alla parte e alle superfici che contano durante l'ispezione, questa spiegazione di cos'è una testata copre le nozioni di base.

In servizio, il metallo sul lato del ponte antincendio può raggiungere i tre o quattrocento gradi Celsius mentre il lato dell'acqua rimane vicino ai novanta gradi. Ogni cambiamento di carico spinge la fusione attraverso quel gradiente e dopo diverse migliaia di ore di funzionamento le conseguenze si manifestano in luoghi prevedibili:

• Le sedi delle valvole affondano nella testa, quindi la valvola si trova più in profondità e il gioco della punteria si chiude.
• Compaiono delle crepe tra due sedi o tra una sede e il manicotto dell'iniettore.
• I passaggi di raffreddamento si bucano e si corrodono, molto spesso accanto alla valvola di scarico.
• Le guarnizioni degli iniettori si guastano, lasciando entrare il carburante nell'acqua di raffreddamento o l'acqua nel cilindro.
• Il piano antincendio si deforma, causando la rottura della guarnizione.
• Le filettature dei bulloni della testa si allungano o si strappano nel blocco.

Nessuno di questi problemi si annuncia silenziosamente. I primi segnali sono solitamente un calo del valore di compressione, un aumento della temperatura di scarico su un cilindro, bolle nel serbatoio di espansione o un piccolo calo del livello del liquido di raffreddamento.

Riparare o sostituire la testata del cilindro

Innanzitutto la conclusione: se una testata marina a quattro tempi presenta crepe tra le sedi delle valvole o necessita di più di due inserti della sede sostituiti con una forte recessione della sede, la sostituzione è solitamente più economica della saldatura e della rilavorazione, e molto meno rischiosa. Se si tratta di una revisione di routine in cui è necessario semplicemente rinnovare valvole, guide e sedi, la riparazione ha comunque senso.

Per una singola testa, queste condizioni normalmente fanno pendere la bilancia verso la sostituzione:

• Planarità del piano antincendio al di fuori del limite del produttore, che spesso viene misurato in frazioni di millimetro.
• Perdita dalla cavità di raffreddamento durante un test di pressione idrostatica.
• Crepe tra i sedili o adiacenti alla valvola di scarico.
• Un foro dell'iniettore non più rotondo o filettature danneggiate.
• Una fusione già riparata due o tre volte.

Il rischio di approvvigionamento rientra nello stesso calcolo. Una testa rielaborata significa tempi di lavorazione aggiuntivi, un secondo set di guarnizioni e un altro sollevamento della gru, e una nave in attesa accanto costa di più al giorno rispetto a una nuova fusione sostitutiva.

Ordinazione di una testata sostitutiva per un motore a quattro tempi

Una testata sostitutiva è una parte compatibile realizzata secondo le dimensioni originali, non una parte dell'attrezzatura originale. In pratica ciò significa che il modello del motore riportato sulla targhetta non è sufficiente. L'ordine necessita di una serie di misurazioni e identificatori prima che qualsiasi cosa venga tagliata o spedita.

• Marca, modello e numero di serie del motore.
• Servizio, generatore o propulsione, poiché la disposizione delle valvole può differire all'interno di una famiglia di motori.
• Numero di valvole, diametro della testa della valvola e diametro dello stelo della valvola.
• Tipo di iniettore e dimensioni del manicotto dell'iniettore.
• Posizione e schema dei fori per l'acqua di raffreddamento.
• Spessore del piano antincendio e altezza complessiva della testata.

La documentazione e i tempi di consegna contano altrettanto. Richiedi un certificato del materiale, un rapporto sul test di pressione e un registro delle ispezioni dimensionali e conferma come è imballato il pezzo, perché un ponte antincendio non protetto non sopravvivrà a un lungo tragitto di trasporto marittimo. Per la gamma di fornitura organizzata per marca di motore, consultare la catalogo ricambi per la sostituzione della testata .

Testate cilindri corrispondenti per marca di motore

Le testate dei cilindri sono raramente intercambiabili tra le marche. Una fusione per un produttore e una fusione per un altro condividono i fori dei bulloni e poco altro, motivo per cui ordinare per marca e modello è la strada più pratica.

I motori MAN a media velocità sono comuni su traghetti e rimorchiatori e le loro teste solitamente portano quattro valvole con passaggi di raffreddamento ravvicinati, quindi la geometria del lato acqua è la parte più difficile da riprodurre correttamente.

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I motori Yanmar compaiono ovunque sui pescherecci e sulle piccole imbarcazioni costiere, da poche decine di kilowatt fino a qualche migliaio, e le loro testate vengono spesso sostituite durante le revisioni di fascia alta piuttosto che durante le ricostruzioni complete.

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Le unità Daihatsu a velocità media sono ampiamente utilizzate per l'alimentazione ausiliaria e una testata non corrispondente si manifesta rapidamente con una temperatura di scarico irregolare tra i cilindri.

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Teste sostitutive simili vengono fornite per altre famiglie di motori marini, tra cui i modelli Akasaka, Kobe, MaK, Makita, Wartsila, Hanshin e Niigata, nonché per i motori diesel cinesi domestici utilizzati nei generatori e nelle attività di pompaggio.

Verifiche di installazione e prove in mare

Il corretto montaggio della testa determina se la sostituzione dura quanto l'originale. Segui questi passaggi in ordine:

1. Confrontare la nuova fusione con la vecchia testa o il disegno prima di pulire qualsiasi cosa, controllando la posizione dei fori dell'acqua, lo spessore del ponte e il foro dell'iniettore.
2. Pulisci le filettature del blocco, controlla l'allungamento dei bulloni della testa e sostituisci eventuali bulloni che hanno ceduto.
3. Montare una nuova guarnizione nel verso giusto, controllando i passaggi dell'olio e dell'acqua ed evitare il sigillante a meno che il produttore non lo specifichi.
4. Stringere i bulloni della testa nella sequenza e nelle fasi indicate, utilizzando una chiave dinamometrica calibrata e, dove specificato, un calibro angolare.
5. Regolare il gioco delle valvole a freddo e annotare i valori in modo da poterli ricontrollare a caldo.
6. Riempire e sfiatare il sistema di raffreddamento, quindi verificare la presenza di perdite sui giunti della testa e attorno ai manicotti degli iniettori.
7. Far funzionare il motore prima senza carico, poi sotto carico, osservando la temperatura di scarico, la temperatura di uscita dell'acqua nella camicia e la pressione del basamento per qualsiasi cilindro che si comporti diversamente dagli altri.

Il riserraggio dopo le prime ore di funzionamento è ancora una pratica standard su molti motori a media velocità, anche quando il manuale non lo richiede. Costa un'ora e previene un guasto molto più costoso in seguito.

Il ciclo a quattro tempi non è cambiato in un secolo e nemmeno le ragioni per cui le testate si guastano non sono cambiate. Ciò che cambia è la facilità con cui è possibile trovare un ricambio che corrisponda alle dimensioni originali, ai passaggi dell'acqua originali e al materiale originale. Metti insieme la marca, il modello e i dati misurati prima di ordinare, dedica il tempo a confermare le dimensioni del ponte antincendio e la geometria di raffreddamento e la nave manterrà il suo programma.