Print Friendly, PDF & Email

Verschärfte Emissionsvorschriften der letzten Jahre haben Motorenhersteller vor große Herausforderungen gestellt. Zusammen mit den Wirtschaftlichkeitsanforderungen der Reeder hat dies zu neuen Wegen bei Motoren und ihren Systemen geführt. Ein aktueller Überblick
B]Mehrstufige Aufladung bei Großmotoren, extreme »Miller-Steuerzeiten«, möglicherweise auch die Abgasrückführung (AGR) sowie die Wassereinspritzung bieten bedeutende[ds_preview] Möglichkeiten. Neue Steuerungssysteme in Kombination mit Dual-Fuel-Brennverfahren ermöglichen eine flexible Umschaltung im Betrieb von Schweröl auf leichte Brennstoffe und Gase. Für die Abgasnachbehandlung werden »Selektive katalytische Reduktion« (SCR), Dieselpartikelfilter und Abgaswäscher geplant und installiert. Dabei werden mechanische und thermodynamische Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen an Einzylindermotoren im Labor verwendet, um verschiedene Technologien zu verbessern und zu bewerten. Intelligente Einspritzsysteme, CFD-Verfahren (Computational Fluid Dynamics) zur numerischen Simulation und Optimierung des Verbrennungsvorgangs oder integrierte Systembetrachtung bei der Überwachung und Steuerung der gesamten Antriebsanlage sind heute in der Entwicklung oder im Einsatz. Der Entwicklungsstand wurde jetzt bei der 4. Rostocker Großmotorentagung diskutiert.

Einspritzsysteme

Die drastisch verschärften Emissionsvorschriften zwingen die Entwurfsingenieure von langsam und mittelschnell laufenden Antriebsmotoren neue Technologien auch bei der Einspritzung einzusetzen. Hersteller der Einspritzsysteme verwenden in der Entwicklung neuer Systeme neben ausführlichen experimentellen Untersuchungen auch zunehmend numerische Verfahren (CFD). Elektronische Steuerungen und vernetzte intelligente Systeme finden ebenfalls Eingang.

CFD-Verfahren, die ursprünglich für die Berechnungen von Strömungsvorgängen entwickelt wurden, finden heute auch für Berechnungen von Einspritzvorgängen, Ladeluftströmungen oder Verbrennungsvorgängen Verwendung. Solche Berechnungen oder Simulationen im Zeitbereich, gar mit mehreren Brennstoffen, sind extrem umfangreich und sind erst mit leistungsfähigen modernen Rechnern möglich.

Die volle Ausnutzung des Potenzials von Dual-Fuel-Motoren bedingt eine genaue Kenntnis der Vorgänge bei der Einbringung der Kraftstoffe in den Brennraum, die Durchmischung mit der Luft bzw. dem Luft-Gas-Gemisch, der Zündung und der Verbrennung. Experimentelle Ergebnisse von einer Einzylinderanlage des FVTR sollen Ergebnissen aus einem numerischen Simulationsmodell des Verbrennungsprozesses gegenüber gestellt werden. Ziel ist die Vorausberechnungen des Verbrennungsprozesses und des Emissionsverhaltens.

Die neue Generation der Dual-Fuel-Motoren (DF-Motoren) stellt wohl die am weitesten entwickelten Serien von Mittelschnell laufenden Motoren dar. Mit ihrer Flexibilität bieten diese dem Kunden neue Optionen und einen stark gestiegenen Nutzwert. Moderne DF-Motoren können eine Vielzahl unterschiedlicher Kraftstoffe verbrennen. Diese Kraftstoffe können im Motor in variablen Mischungsverhältnissen verwendet werden. Flüssige Kraftstoffe decken dabei den Bereich des ultra-schwefelarmen Diesels bis zum schwefelhaltigen Schweröl ab. Die gasförmigen Kraftstoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-basierten Gasen.

DF-Motoren werden heute mit hochmodernen Steuergeräten überwacht und geregelt. Dabei übernimmt das Steuergerät Funktionen, die früher auf mehrere Subsysteme oder einfache Schaltkreise aufgeteilt waren. Erst diese Integration von Funktionen erlaubt eine Beherrschung der korrespondierenden Regelkreise, der Variantenvielfalt und der resultierenden Komplexität. Die Regelungstechnik erlaubt es, dem Kunden eine so genannte »Plug and Play«-Lösung zur Verfügung zu stellen. Hierbei kann die Anlage ihre Betriebsparameter entsprechend vorgegebener Optimierungskriterien eigenständig optimieren. Die Auslegung geht von einer Systembetrachtung der gesamten Antriebsanlage mit umfassender Steuerung und intelligenter Vernetzung der Komponenten (Internet of Things) aus. Laut Frank Stark von Caterpillar ist »die neue Generation der Computerspieler von klein auf im Kommen«. Sie würden andere Interfaces als die Generationen vor ihnen erwarten. Die Steuersysteme müssten anwenderfreundlich und auch für komplexe Prozesse möglichst einfach und logisch sein.

Ein moderner DF-Motor verfügt heute beispielsweise über drei Kraftstoffsysteme: ein Gaseinspritzsystem, ein Piloteinspritzsystem und ein Hauptkraftstoffsystem. Die Ladeluftsysteme können mit Hilfe von Waste-Gates, Zylinder-Bypass-Ventilen oder Blow-Off-Ventilen gesteuert werden. Zur realen Umsetzung des Kundennutzens gehört zunehmend auch die Integration der Motoren in die Kontroll- und Regelsysteme der Schiffe. Was hier für mittelschnell laufende Motoren beschrieben wurde gilt sinngemäß auch für große Langsamläufer.

Particulate Emission PM and BC

»Particulate Emission PM« (Particulate Matter) and »BC« (Black Carbon) ist heute noch ein Thema für die Zukunft. Studien der Auswirkungen von Kleinpartikeln (PM) und allgemeine internationale Bestrebungen, die Emissionen in die Luft zu reduzieren, haben zu einem erhöhten Interesse an möglichen Gesundheitsgefährdungen durch PM und ihre Rolle bei Klimaveränderungen geführt. Der Gesamtbeitrag der Schifffahrt zu PM ist vermutlich begrenzt, aber es kann etwa in arktischen Regionen, wo die Selbstreinigung der Natur langsam geschieht, von Bedeutung werden, vor allem wenn der Schiffsverkehr dorthin zunimmt.

PM hat unterschiedliche Auswirkungen auf das Klima, es kann sowohl zu erhöhter Absorption des Lichtes führen als auch die Licht Streuung verstärken. BC ist der Hauptanteil von PM, der durch Absorption zur globalen Erwärmung beitragt. Andererseits unterstützt PM die Wolkenbildung und verlängert deren Lebensdauer. Dies kann die globale Erwärmung wiederum verringern; Wolken haben einen kühlenden Effekt