Schiffsdieselmotor

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Schiffsdieselmotor
Zylinderkopf eines 7-Zylinder-Zweitaktmotors von MAN B&W (VLCC Algarve)
Kurbelgehäuse eines 7-Zylinder-Zweitaktmotors von MAN B&W (VLCC Algarve)

Als Schiffsdieselmotor bezeichnet man einen ‚Äď in der Regel gro√üen ‚Äď Dieselmotor, der als Haupt- oder Hilfsmotor auf einem Schiff dient. Baugleiche oder -√§hnliche Motoren werden zudem station√§r in Kraftwerken, insbesondere in der Dritten Welt bzw. auf Inseln und an anderen abgelegenen Orten, eingesetzt sowie auch als Notstromaggregate z. B. in Krankenh√§usern, Gro√übanken, Rechenzentren und Kernkraftwerken verbaut.

F√ľr kleine Schiffe bzw. Boote kommen auch kleine Dieselmotoren zum Einsatz; ihre Charakteristika entsprechen heute eher den Motoren von Nutzfahrzeugen auf dem Land.

Schiffsdieselmotoren k√∂nnen mit Dieselkraftstoff, Gas√∂l, Schwer√∂l ("HFO") oder seit einiger Zeit auch mit Gas betrieben werden. Bis Ende 2006 wurde auch Orimulsion als Brennstoff verwendet. Die Bezeichnung ‚ÄěDiesel‚Äú bezieht sich auf den Arbeitsprozess, der laut Definition durch die Ansaugung von Luft, deren Komprimierung mit einher gehender Erhitzung und die Selbstz√ľndung nach der Einspritzung des Kraftstoffes gekennzeichnet ist.

Inhaltsverzeichnis

Anforderungen

  • Die Anforderung an die Betriebssicherheit und die Zuverl√§ssigkeit sind deutlich h√∂her als bei station√§r oder in Fahrzeugen genutzten Dieselmotoren. Wenn der Antrieb eines Schiffes ausf√§llt, wird das Ruder nicht mehr angestr√∂mt und das Schiff wird insgesamt kaum mehr man√∂vrierf√§hig. Bei schwerer See kann sich das Schiff quer in die See legen und ger√§t unter Umst√§nden in Seenot. Mindestens fallen hohe Kosten f√ľr Bergung und verdorbene/versp√§tete Ladung an, bis hin zum Totalverlust des Schiffes.
  • Es wird ein hoher Wert auf eine lange Lebensdauer gelegt, um langfristig die Betriebskosten (engl. Total Cost of Ownership) zu minimieren. Dar√ľber hinaus sind Reparaturen oder gar der Austausch der Maschine mit erheblichem Aufwand verbunden, wie der Demontage von Aufbauten, √Ėffnen von dar√ľberliegenden Decks oder der Bordwand. Dies f√ľhrt wiederum zu langen Dockzeiten, w√§hrend derer das Schiff nicht zur Verf√ľgung steht.
  • Ein Seeschiff muss eine hohe Dauerleistung erbringen k√∂nnen, das hei√üt, auch lange Strecken bei voller Fahrt √ľberstehen k√∂nnen.
  • Ein geringer Kraftstoffverbrauch ist wichtig, da die gestiegenen Roh√∂lpreise auch die Preise f√ľr Schwer√∂l deutlich haben steigen lassen. Heutige Schiffsdiesel erreichen spezifische Verbr√§uche von weniger als 180 g/kWh.
  • Niedriger Preis
  • Ein hoher Automationsgrad ist heute Stand der Technik. Schiffsmotoren werden zunehmend im wachfreien Betrieb gefahren, so dass Alarme und andere Ereignisse elektronisch verarbeitet und dem wachhabenden Offizier bzw. Maschinisten in geeigneter Weise √ľbermittelt werden m√ľssen. Im Gefahrenfall stellt die Maschine automatisch ab bzw. reduziert die Last. Allerdings k√∂nnen Alarme und Stopps auch ignoriert werden, wenn die Situation es erfordert (Schiff vor Maschine/Override).[1] Au√üerdem sind Schiffsmotoren-Anlagen meist schwarzstartf√§hig, wobei zumindest ein Dieselgenerator im Notfall auch komplett manuell gestartet werden kann, so dass dann auch wieder Hilfsenergie zum Betrieb des Hauptmotors verf√ľgbar ist.
  • Zunehmend wird eine geringe Abgasemission gefordert.[2]
    • Durch die von der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO, International Maritime Organisation, eine Organisation der Vereinten Nationen) erlassenen neuen Richtlinien m√ľssen in Zukunft strengere Grenzwerte f√ľr die Emission bestimmter Schadstoffe eingehalten werden (darunter insbesondere Stickoxide, die bei langsamer hochtemperaturiger Verbrennung vermehrt entstehen.)
    • Au√üerdem erfolgt eine indirekte Begrenzung der Schwefeldioxidemissionen durch die neuen Begrenzungen des Schwefelgehalts im Brennstoff.
    • Die EU-Kommission ver√∂ffentlichte am 15. Juli 2011 einen "Vorschlag f√ľr eine Richtlinie des Europ√§ischen Parlaments und des Rates zur √Ąnderung der Richtlinie 1999/32/EG hinsichtlich des Schwefelgehalts von Schiffskraftstoffen".[3]

Typen

Kurbelwelle eines langsamlaufenden Zweitaktmotors

Je nach Schiffsgröße und Antriebsart werden Dieselmotoren verschiedener Bauarten eingesetzt, sie sind in der Regel mit Abgasturbolader ausgestattet.

  • Bei mittleren und gro√üen Frachtschiffen wie Tankern, Bulkcarriern und Containerschiffen kommen Langsaml√§ufer zum Einsatz. Der Drehzahlbereich dieser Motoren liegt zwischen 60 und 250 Umdrehungen pro Minute. Sie arbeiten im Zweitaktbetrieb mit Aufladung bei vergleichsweiser niedriger Verdichtung, sie sind umsteuerbar und wirken direkt auf den Propeller. Ein Getriebe zur Drehzahlreduktion ist nicht erforderlich. Es gibt Ausf√ľhrungen von 4 bis 14 Zylindern mit bis zu 100 MW. Die Schwingungen bei niedrigen Drehzahlen sind geringer als bei anderen Typen.
  • Mittelschnelll√§ufer-4-Takt-Dieselmotoren mit einem Drehzahlbereich bis 1200 Umdrehungen pro Minute werden vorrangig auf kleineren bis mittleren Frachtschiffen, Passagierschiffen sowie auf Kriegsschiffen eingebaut. Je nach Gr√∂√üe als Reihen- oder V-Motor mit bis zu 20 Zylindern. Bohrung bis zu 640 mm, Kolbengeschwindigkeit bis 11 m/s und einer Zylinderleistung zwischen 100 und 2150 kW . Diese Motoren erfordern eine Getriebeuntersetzung oder treiben Generatoren f√ľr einen dieselelektrischen Antrieb an, der auf Kreuzfahrtschiffen auch als Podantrieb ausgef√ľhrt wird, h√§ufig auch in Verbindung mit Verstellpropellern oder Wasserstrahlantrieb. Ein weiterer wichtiger Einsatz von aufgeladenen Dieselmotoren dieser Bauart ist die Stromerzeugung an Bord. Hierzu treiben sogenannte Hilfsdiesel bei konstanter Drehzahl einen Generator an. (Bsp.: 1800 Umdrehungen pro Minute Motordrehzahl bei einem vierpoligen Generator produzieren 60-Hz-Wechselstrom).
  • Schnelll√§ufer mit bis zu √ľber 2000 Umdrehungen pro Minute findet man im Bereich der Binnenschiffe und in der Sport- und Freizeitschifffahrt.
Schnitt durch einen Abgasturbolader f√ľr einen Hilfsdiesel

Andere Quellen nennen andere Drehzahlbereiche (bis 400/min; 400 - 1000/min; √ľber 1000/min).[1]

Bauweisen

Einzylinder-Schiffsdiesel
  • Die Motoren werden nach ihrem Arbeitsprinzip und nach der Anordnung ihrer Zylinder unterschieden. Zweitakter werden immer als Reihenmaschine gebaut (au√üer als Gegenkolbenmotor z.B. von Napier Deltic).
  • Bei gro√üen Schiffsantriebsdieseln handelt es sich in der Regel um langsamlaufende 2-Takt-Kreuzkopfmotoren, die als Reihenmotoren mit 5 bis 14 Zylindern gebaut werden. Gro√üe 2-Takt-Kreuzkopfmotoren besitzen beheizte Brennstoffleitungen und entsprechend ausger√ľstete Einspritzventile und -Pumpen und werden mit Schwer√∂l (HFO, von engl. heavy fuel oil) betrieben. √Ąltere Motoren wurden mit Dieselkraftstoff angefahren und erst auf offener See auf Schwer√∂l umgeschaltet. Langsaml√§ufer arbeiten √ľblicherweise direkt auf die Propellerwelle. Die Drehrichtung der Maschine l√§sst sich umsteuern, wozu der Motor gestoppt werden muss. Um den Motor r√ľckw√§rts anzulassen wird entweder die Nockenwelle hydraulisch oder pneumatisch verschoben, oder aber die St√∂√üelrollen auf die andere Flanke der Einspritzpumpennocke gesetzt und der Motor neu gestartet. Modernste Gro√üdiesel werden teilweise ohne Nockenwelle ausgef√ľhrt, so dass der Umsteuervorgang in dieser Form entf√§llt.
  • Als Hauptmaschine in gro√üen Containerschiffen, Erzfrachtern und √Ėltankern werden Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern eingesetzt, mit Bohrungen bis zu 1,08 m und H√ľben bis zu 3,10 m, deren Dauerleistung bisweilen bis zu 100 MW betr√§gt (MAN Diesel 14K108ME-C). Solch ein Motor ist 32,65 m lang, 13,80 m hoch und hat ein Gewicht von 2828 Tonnen. Die √Ėlf√ľllung betr√§gt mehrere 10.000 Liter. Diese Schiffsdieselmotoren sind mit Turboaufladung zur Erh√∂hung des Wirkungsgrades und der spezifischen Leistung ausger√ľstet. Sie k√∂nnen so eine Lebensdauer von √ľber 20 Jahren, also etwa 150.000 Betriebsstunden erreichen.
  • Viertaktmotoren k√∂nnen seit geraumer Zeit ebenfalls mit Schwer√∂l betrieben werden, erfordern dann jedoch ein Getriebe im Antriebsstrang, da der Propeller eine deutlich niedrigere Drehzahl ben√∂tigt. Es gibt Viertaktmaschinen als Reihen- und als V-Motoren sowie in einigen exotischen Anordnungen, wie z.B. Sternmotoren (sechs Sterne mit je sieben Zylindern hintereinander) f√ľr Schnellboote.

F√ľr station√§re Anwendungen und auch f√ľr LNG-Tanker sind gasbetriebene Viertakter interessant. Seit geraumer Zeit bieten mehrere Motorenhersteller sogenannte DF-Motoren (Double Fuel) an. Bisher noch als Viertaktmotoren, jedoch wird in absehbarer Zeit auch ein Zweitaktmotor auf den Markt kommen. Das Gas wird mittels einer Piloteinspritzung mit Dieselkraftstoff gez√ľndet. Der Anteil des Dieselkraftstoffes am Verbrennungsprozess betr√§gt nur etwa 1 %, die restliche Energie wird aus Gas gewonnen. Au√üerdem ist der Motor in der Lage, auch Dieselkraftstoff als Hauptkraftstoff zu verbrennen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Gastanker w√§hrend der Ladungsreise mit dem ‚ÄěBoiled Off Gas‚Äú betrieben werden kann und w√§hrend der Ballastreise mit Dieselkraftstoff. Triple-Fuel-Motoren sind in der Entwicklung; diese Motoren sind dar√ľber hinaus auch in der Lage, Schwer√∂l zu verbrennen.

Reihenmotor

Reihenmotor ist die Bezeichnung f√ľr Motoren, deren Zylinder in Reihe (hintereinander) angeordnet sind. Die Z√§hlweise (Bezeichnung) der Zylinder beginnt bei Schiffsdieselmotoren, anders als bei Landanlagen und Kfz-Motoren, an der kraftabgebenden (Schwungrad)seite.

12-Zylinder-V-Motor in einem Binnenschiff

V-Motor

Die Zylinder oder auch Zylinderb√§nke sind beim V-Motor um Winkel zwischen 15¬į und 180¬į, √ľblicherweise aber 40‚ąí90¬į zueinander geneigt (je nach Zylinderzahl) und ‚Äď wenn beide Pleuel direkt auf denselben Hubzapfen arbeiten ‚Äď etwas versetzt angeordnet.

Bei V-Motoren k√∂nnen die Pleuel der zusammengeh√∂renden Zylinderpaare an derselben Kurbelwellenkr√∂pfung oder an um die Kurbelwellenmitte gegeneinander gedrehten unterschiedlichen Kr√∂pfungen angelenkt sein. Gelegentlich greift nur eine Treibstange des Zylinderpaares direkt am Hubzapfen an, die etwas k√ľrzere Treibstange des zweiten Zylinders ist an der anderen angelenkt (Anlenkpleuel).

Zur Bezeichnung der Zylinder wird die von Kupplungsseite gesehen linke Zylinderreihe als A-Seite, die andere entsprechend als B-Seite bezeichnet. Die Nummerierung der Zylinder beginnt bei deutschen Schiffsdieselmotoren an der kraftabgebenden (Schwungrad-)Seite.

Technische Daten ausgewählter Schiffsdieselmotoren

Hersteller Typ Bauart, Bauform Bohrung (mm) Hub (mm) Hubraum/Zyl. (Liter) Leistung/Zyl. (kW) Drehzahl (1/min) Einsatzbeispiele
MAN B&W K98ME/MC6[4] 2-Takt mit Turbolader
langsam laufend
R6 - R12, R14
980 2.660 2006,4 5.720 94 Containerschiffe
Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C[5] 2-Takt mit Turbolader
langsam laufend
R6 - R12, R14
960 2.500 1.809,6 5.720 102 Containerschiffe
(z.B. Emma-Mærsk-Klasse)
Wärtsilä-Sulzer RTA84T[5] 2-Takt mit Turbolader
langsam laufend
R5 - R9
840 3.150 1.745,7 4.200 76 Tank- und Frachtschiffe
Wärtsilä 64[6] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell laufend
R6, R8, R9, V12, V16
640 900 289,5 2.010 333 Fracht- und Kreuzfahrtschiffe
MAN B&W 58/64[7] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell laufend
R6 - R9
580 640 169,1 1.400 428 Fracht- und Kreuzfahrtschiffe
(z.B. Pacific Jewel, Queen Elizabeth 2)
Wärtsilä 46[6] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell laufend
R6, R8, R9, V12, V16
460 580 96,4 1.050 514 Fracht- und Kreuzfahrtschiffe
(z.B. Oasis of the Seas, Queen Mary 2)
MaK M43C[8] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell laufend
R6, R7, V12, V16
430 610 88,6 1.000 500 Fracht- und Kreuzfahrtschiffe
(z.B. AIDAdiva)
Sulzer ZA40S[9] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell laufend
R6, R8, R9, V12, V16
400 560 70,4 720 510 Fracht- und Kreuzfahrtschiffe
(z.B. Carnival Destiny, Queen Victoria)
Caterpillar C280[8] 4-Takt mit Turbolader
schnelllaufend
R8, V12, V16
280 300 18,5 339 1.000 Fracht- und Passagierschiffe
MTU Serie 8000[10] 4-Takt mit Turbolader
schnelllaufend
V20
265 315 17,4 455 1.150 Passagierschiffe, Schlepper
A.B.C. DZC[11][12] 4-Takt mit Turbolader
mittelschnell / schnelllaufend
R6, R8, V12, V16
256 310 16 221 1.000 K√ľsten- und Binnenschiffe, Schlepper

Kraft√ľbertragung

Es gibt vor allem drei verschiedene M√∂glichkeiten der Kraft√ľbertragung vom Motor zum Propeller.

Direkt

Welle im Wellentunnel (von der Hauptmaschine zum Propeller)

Es wird eine starr mit Motor und Propeller verbundene Welle angetrieben. Die Drehrichtung des Propellers kann, z.B. f√ľr die R√ľckw√§rtsfahrt, hier nur durch die Umsteuerung des Motors ver√§ndert werden. Der Motor muss dann aus der Vorausfahrt gestoppt, durch Verschieben der Nockenwelle umgesteuert, und f√ľr die R√ľckw√§rtsfahrt neu angelassen werden. Diese Weise wird in allen F√§llen mit starrer Verbindung von Propeller und Motor angewendet.

Eine weitere M√∂glichkeit ist der Verstellpropeller. Zur Ver√§nderung der Schiffsgeschwindigkeit sowie f√ľr die Voraus- bzw. Zur√ľckrichtung werden die einzelnen Propellerfl√ľgel in einen anderen Winkel (Steigung, engl. pitch) gedreht (angestellt). Der Motor dreht dabei mit konstanter Drehzahl. Diese Drehzahl kann h√∂her sein als die f√ľr den Propeller passende. Daher muss die Drehzahl in einem solchen Fall √ľber ein Getriebe reduziert werden. F√ľr die Drehzahl des Propellers spielt neben Durchmesser und Steigung auch die Kavitation eine entscheidende Rolle. Unter Kavitation versteht man das Zusammenbrechen (Implodieren) von Gasbl√§schen, was zu Sch√§den an den Oberfl√§chen der Propellerfl√ľgel f√ľhren kann.

Dieselmechanisch

Anwendung besonders bei schnell und mittelschnell laufenden Motoren, bei denen eine Reduktion der Motordrehzahl auf Propellerdrehzahl erforderlich ist. Die verwendeten Getriebe sind zum Teil mit schaltbaren Kupplungen und Nebenabtrieben f√ľr Wellengeneratoren ausgestattet. Wendegetriebe dienen zur Drehrichtungsumkehr des Propellers bei nicht umsteuerbaren Motoren. Au√üerdem gibt es Kombinationen von Getriebe und Verstellpropeller. Oft werden die Schiffsmotoren √ľber Kupplungen (z.B. der Bauart Vulkan "Rato") oder Laschengelenkscheiben an das Getriebe angeflanscht. So werden die bei √ľblichen Metallverbindungen entstehenden Vibrationen vermieden. Der Antrieb wird sozusagen ‚Äěentkoppelt‚Äú.

Dieselelektrisch

Beim dieselelektrischen Antrieb wird vom Motor, meist ein 4-Takt-Motor, lediglich ein Generator angetrieben, der den Strom f√ľr den Fahrmotor bereitstellt, der wiederum den Propeller antreibt. Diese Variante ist insbesondere als Mehrmotorenanlage auf Fahrgastschiffen √ľblich. Die einzelnen Generator-Einheiten k√∂nnen an beliebiger Stelle im Schiff installiert werden. Sie erzeugen auch Energie f√ľr den Hotelbetrieb, der bei Passagierschiffen einen erheblichen Anteil am Gesamtenergiebedarf ausmacht. Einzelne Generatoren k√∂nnen abgestellt und zugeschaltet werden, Wartung und Reparatur einer Maschine bei laufendem Schiffsbetrieb auf See ist m√∂glich. Propellerdrehrichtung und -drehzahl sind von der Drehzahl der Verbrennungsmotoren unabh√§ngig, so dass die Verbrennungsmotoren in den Arbeitsbereichen des h√∂chsten Wirkungsgrades betrieben werden k√∂nnen. Wegen der Verluste bei der Erzeugung und Umwandlung der elektrischen Energie ist der Gesamtwirkungsgrad etwas schlechter als bei einem Direktantrieb.

Beispiel Queen Elizabeth 2 (Cunard Line): in den 1980er Jahren von Dampfturbinenantrieb umgebaut auf Dieselbetrieb. Neun Maschinen MAN 9L58/64 (9-Zylinder-Reihe [Line] 580 mm Bohrung, 640 mm Hub) mit etwa 1200 kW pro Zylinder arbeiten √ľber Generatoren auf zwei 44 MW leistende GEC-Fahrmotoren mit zwei Propellern. Neben den weitverbreiteten Verstellpropelleranlagen ist eine besondere Form dieses Antriebes der neuentwickelte Pod-Antrieb.

Klarmachen und Absetzen

Historischer Zweitakt-Schiffsdieselmotor 40 DM mit Verstellpropelleranlage und einer Leistung von 1620 kW (2200 PS)

Dieser Abschnitt beschreibt die Arbeiten, die notwendig sind, um einen großen 2-Takt-Schiffsmotor anzulassen und wieder abzustellen.

  • Beim Stillstand der Maschine wird diese meist weiterhin durch das Hochtemperatur(HT)-K√ľhlwassersystem und eine Vorheizpumpe konstant auf unterer Betriebstemperatur gehalten.

Vor dem Starten m√ľssen die Schwer√∂l-Temperaturen in den Tagestanks √ľberpr√ľft werden. W√§hrend des Stillstands der Hauptmaschine wird das Thermal√∂l oder der Dampf, der durch Zirkulation in Rohren in den Tanks das Schwer√∂l auf Temperatur h√§lt, durch einen mit Diesel√∂l betriebenen Boiler erw√§rmt und nicht wie w√§hrend des Betriebes durch die Abgastemperatur im Schornstein (Exhaust Gas Boiler).

Schiffsdiesel werden mittels Druckluft gestartet. Ein Elektromotor könnte die erforderliche Kraft bei vertretbarem Größenverhältnis nicht aufbringen.

Die Druckluftflaschen und das Startluftsystem werden entw√§ssert, die Dr√ľcke kontrolliert.

Ebenso wie die Vorheizpumpe arbeitet auch das Kraftstoffsystem durchgehend, um die Temperatur des Schwer√∂ls auch in den zu- und abf√ľhrenden Leitungen (Ringleitung) zur Maschine aufrechtzuerhalten. Ein Abk√ľhlen des Schwer√∂ls in diesen Bereichen w√ľrde zu Verklumpungen f√ľhren. Die Rohrleitungen m√ľssten aufw√§ndig gereinigt werden. Unter Umst√§nden wird es notwendig, die Maschine eine gewisse Zeit mit Gas√∂l zu betreiben.

Kleinere Motoren k√∂nnen mit einer an den Motor gekuppelten (angeh√§ngten) Schmier√∂lpumpe ausger√ľstet sein, die w√§hrend des Betriebes mitl√§uft und so die Lager der Hauptmaschine mit Schmier√∂l versorgt. Bei stehendem Hauptmotor muss der √Ėldruck dann √ľber eine externe elektrisch betriebene Pumpe aufrechterhalten werden, auch um eine entsprechende Nachschmierung der Maschine nach dem Absetzen zu gew√§hrleisten. Auch k√∂nnen K√ľhlwasserpumpen angeh√§ngt sein. Vor dem Starten ist das System einer Sichtkontrolle zu unterziehen und der anliegende Schmier√∂ldruck zu √ľberpr√ľfen.

Um im Notfall, bzw. bei einem Ausfall der Fernbedienung von der Br√ľcke, die Maschine aus dem Maschinenkontrollraum (MKR) fahren zu k√∂nnen, m√ľssen alle Kommunikationseinrichtungen wie Maschinentelegraf und Telefon (Verbindung Br√ľcke zu MKR und Br√ľcke zum Rudermaschinenraum) funktionsf√§hig sein. Die Maschine verf√ľgt √ľber einen Notfahrstand direkt am Motor. Sollte bei einem Schiff mit Verstellpropeller die Fl√ľgelverstelleinrichtung des Propellers versagen, k√∂nnte diese manuell in 100-Prozent-Stellung gefahren werden und die Fahrt des Schiffes √ľber die Drehzahl der Maschine reguliert werden. Aus dem MKR wird, falls noch nicht in Betrieb, ein zweiter Hilfsdiesel gestartet und mit dem Netz synchronisiert, um nach dem automatischen Einschalten der zahlreichen Pumpen (Verbraucher mit hohem Energiebedarf) ein Abwerfen des ersten und dann einzigen Hilfsdiesels zu vermeiden (Stromausfall).

Über die Schalttafeln im Maschinenkontrollraum werden entsprechend notwendige Pumpen gestartet bzw. auf Automatik umgestellt. Dazu gehören im Wesentlichen:

  • Seek√ľhlwasserpumpe
  • HT-K√ľhlwasserpumpe (Hochtemperatur)
  • LT-K√ľhlwasserpumpe (Low-Temperature, Niedrigtemperatur. Seewasser k√ľhlt den LT-Kreislauf, LT k√ľhlt HT, HT k√ľhlt Maschine. Diese gestaffelten K√ľhlkreisl√§ufe sollen den Motor durch geringere Temperaturunterschiede vor Spannungsrissen sch√ľtzen)
  • Getriebe√∂lpumpe
  • Schmier√∂lpumpe
  • Bei Zweitakt-Motoren: Sp√ľlluftpumpen
  • Bei Schiffen mit Verstellpropeller: Steuer√∂lpumpe

Es folgt das Aktivieren der im Hafenbetrieb unterdr√ľckten Alarme wie √Ėldruck und Temperatur, HT- und LT-K√ľhlwassertemperatur.

Am Notfahrtstand der Maschine wird das Absperrventil f√ľr Startluft manuell ge√∂ffnet und das F√ľllungsgest√§nge (Kraftstoffmenge) f√ľr den Automatikbetrieb freigegeben. Die Steuerung wird dann vom Notfahrstand zum Kontrollraum geschaltet.

Nach dem √Ėffnen der ‚ÄěIndikatorventile‚Äú (Dekompressionsventile) wird der Motor mit Anlassluft durchgeblasen. Dabei wird evtl. im Kolbenraum vorhandenes Wasser bzw. √Ėl oder Brennstoff aus den Ventilen ausgesto√üen. Wird eine Maschine mit Wasser im Kolbenraum gestartet, kann das zu schweren Sch√§den am Motor f√ľhren. Die Indikatorventile werden danach geschlossen.

Kontrolle der Hauptmaschine auf K√ľhlwasser- und √Ėlleckagen.

  • An den Indikatorventilen sind Schraubanschl√ľsse angebracht, um mit einem Schreibger√§t den Druckverlauf pro Arbeitstakt aufzeichnen zu k√∂nnen. Damit k√∂nnen w√§hrend des Betriebes Aufschl√ľsse √ľber den Verbrennungsablauf des betreffenden Zylinders gewonnen werden.

Startvorgang

Anlasskompressor eines Dieselmotors

Aus dem MKR wird der automatisierte Startvorgang der Hauptmaschine eingeleitet.

Um einen Gro√üdiesel anzulassen, m√ľssen zun√§chst die gro√üen Bauteilmassen in Bewegung gesetzt und die kraftverbrauchenden Arbeitsschritte innerhalb des Motors √ľberwunden werden (ansaugen, verdichten, aussto√üen). F√ľr gro√üe Schiffsmaschinen kann diese Arbeit kein Elektro- beziehungsweise Luftmotor mehr leisten.

Schiffsdieselmotoren werden daher ausnahmslos mit Druckluft gestartet. Bei kleineren Einheiten unter 10 MW kommen dazu noch gelegentlich Druckluftanlasser zum Einsatz, die am Schwungrad angreifen und auf diese Weise die Maschine durchdrehen. Gro√üe Viertaktmotoren und praktisch alle Zweitaktmotoren werden ‚Äědirekt‚Äú angelassen. Dabei wird jeder Zylinder entsprechend seiner Position und der Z√ľndreihenfolge mit Anlassluft beaufschlagt. Die entsprechenden Kolben werden nacheinander heruntergedr√ľckt und die Motordrehzahl auf Z√ľnddrehzahl angehoben. Der Regler stellt die Einspritzpumpen auf ‚ÄěF√ľllung‚Äú, Kraftstoff wird eingespritzt und es kommt zur ersten Selbstz√ľndung. Hierzu ist ein starkes Anlass-Druckluftsystem (√ľblicherweise 30 bar Nenndruck) notwendig.

Um in gro√üen, langsam laufenden Zweitakt-Dieselmotoren die Verbrennungsgase auszuschieben und Frischluft zuzuf√ľhren, werden im niedrigen Lastbereich elektrisch betriebene Sp√ľlluftgebl√§se eingesetzt. In h√∂heren Lastbereichen √ľbernehmen abgasbetriebene Turbolader die Aufgabe.

Um die Betriebssicherheit zu gew√§hrleisten, k√∂nnen Schiffsdiesel, insbesondere die Hilfsmaschine zur Stromerzeugung, auch nach Ausfall der gesamten elektrischen Energieversorgung an Bord (Blackout) durch manuell zu bet√§tigende Startventile und ohne Nebenaggregate gestartet werden, solange ausreichend Druckluft im Anlassluft-Druckkessel und Kraftstoff in den Tagestanks zur Verf√ľgung steht.

S√§mtliche von der Br√ľcke kommenden Fahrbefehle werden vom Maschinenkontrollraum ausgef√ľhrt. Dazu geh√∂ren vor allem das Umsteuern der Maschine bei Man√∂vern (um ein Schiff achteraus fahren zu lassen, muss die Hauptmaschine gestoppt und in anderer Richtung komplett neu angelassen werden).

Bei einem Schiff mit Verstellpropeller wird die Maschine langsam auf Nenndrehzahl hochgefahren. In diesem Zustand wird die Maschine einige Minuten im Leerlauf belassen, um Temperaturen und Dr√ľcke zu stabilisieren. Nach dem Erh√∂hen auf Konstantdrehzahl wird die Steuerung der Maschine an die Br√ľcke √ľbergeben (Remote Control) und von dort per Knopfdruck akzeptiert und angenommen.

Die Stromversorgung kann auf See, dank der konstant bleibenden Drehzahl, ein von der Hauptmaschine angetriebener Wellengenerator anstelle gesonderter Hafen- bzw. Hilfsdieselgeneratoren √ľbernehmen.

Schiffe ohne Verstellpropeller werden nur sehr langsam beschleunigt. Der Grund ist der Anstellwinkel des Propellers, der nur f√ľr eine Fahrgeschwindigkeit optimiert ist. Wird der Propeller mit zu hoher Drehzahl bei zu langsamer Fahrt betrieben, kann es zu √ľberm√§√üiger Kavitation kommen, was den Propellerwirkungsgrad erheblich verschlechtert.

Absetzen

Die Hilfsdiesel werden am Ende der Seereise gestartet und nach Synchronisation mit dem Wellengenerator zugeschaltet, um die Stromversorgung zu √ľbernehmen.

Nach dem Ende der Revierfahrt bzw. dem Festmachen des Schiffes √ľbergibt die Br√ľcke die Kontrolle der Maschine zur√ľck in den MKR, was von dort wiederum quittiert werden muss.

Bei Schiffen mit Verstellpropeller wird die Maschine danach von der Konstantdrehzahl auf die Leerlaufdrehzahl zur√ľckgefahren. Die Maschine l√§uft in diesem Zustand einige Minuten nach, um langsam abzuk√ľhlen und Spannungsrisse zu vermeiden. Die Maschinenkontrolle wird auf den Notfahrstand weitergestellt. Von dort wird das F√ľllungsgest√§nge auf Stopp gestellt, das Ventil f√ľr die Startluftzufuhr geschlossen und die Indikatorventile ge√∂ffnet.

Nach einigen Minuten Nachschmierung wird die elektrische Vorschmierpumpe abgestellt.

Die K√ľhlwasserkreisl√§ufe werden auf Hafenbetrieb gestellt und die elektrische Vorheizpumpe in Betrieb genommen. Die f√ľr den Hafenbetrieb nicht ben√∂tigten Alarme wie √Ėldruck, HT- und LT-K√ľhlwassertemperatur werden ab jetzt unterdr√ľckt.

Betrieb

F√ľr den Betrieb und das Anlassen eines Schiffsdiesels sind eine Reihe von speziellen zus√§tzlichen Systemen notwendig. F√§llt eines dieser Systeme aus, muss auch der Betrieb der Hauptmaschine gestoppt werden. Daher sind etliche Hilfsaggregate doppelt vorhanden: Schmier√∂lpumpen, Kraftstoff-Booster-Pumpen, K√ľhlwasserpumpen, Schmier√∂l-Separatoren, Kompressoren, Kraftstoff- und Schmier√∂lfilter.

Schmierölsystem

Um den Verschleiß an reibenden Oberflächen innerhalb der Maschine zu minimieren, werden diese Teile, wie auch bei anderen Verbrennungsmotoren, gut geschmiert.

Das Schmier√∂l √ľbernimmt im Wesentlichen vier Aufgaben:

  • Schmieren; durch die Bildung eines Schmierfilms werden bewegende Teile gesch√ľtzt
  • Reinigen; Verunreinigungen werden von den Reibungsstellen wegtransportiert und in √Ėlfiltern zur√ľckgehalten
  • K√ľhlen; das √Ėl f√ľhrt W√§rme ab und wird in W√§rmetauschern r√ľckgek√ľhlt.
  • Abdichten; das dickfl√ľssige √Ėl dient auch der Abdichtung zwischen Zylinderwand und Kolbenring

Nachdem das √Ėl aus der √Ėlwanne bzw. dem Umlauftank herausgepumpt und durch einen Filter gereinigt wurde, durchl√§uft es einen √Ėlk√ľhler. Hiernach zweigen die verschiedenen Schmier√∂lleitungen ab zur Kurbelwelle, Pleuellager und in die √Ėlwanne. Ein weiterer kleiner Teil wird f√ľr die Schmierung von Nockenwelle, Kipphebeln, Ventilen und zur K√ľhlung der Kolben verwendet. Das √Ėl l√§uft wieder in die √Ėlwanne bzw. den Umlauftank. Die Kolben werden von einem separaten √Ėlsystem geschmiert.

Im Falle einer zu geringen √Ėlmenge im Umlauftank kann es bei starker Schlagseite dazu kommen, dass der Saugstutzen der Schmier√∂lpumpe den √Ėlspiegel nicht mehr erreicht, so dass die Schmierung unterbrochen wird. Zur Aufbereitung und zur Anw√§rmung des Umlauf-Schmier√∂ls werden Separatoren eingesetzt.

Kraftstoffaufbereitung

Auf Seeschiffen wird f√ľr den Betrieb des Hauptmotors i.d.R. minderwertiges Schwer√∂l (engl. Heavy Fuel Oil (HFO)) als Kraftstoff genutzt, das bei der Erd√∂lraffinierung als R√ľckstands√∂l (engl. Residual Fuel) anf√§llt. In den meist in den Doppelb√∂den der Schiffe angeordneten Vorratstanks wird der Kraftstoff auf mindestens 40 ¬įC erw√§rmt, damit er pumpf√§hig bleibt, um dann in die Motorenraumtanks bef√∂rdert zu werden. In sogenannten Setztanks, die auf ca. 70 ¬įC beheizt sind, setzt sich bereits ein Teil Wasser und Schlamm vom Kraftstoff ab. Wasser und Schlamm werden regelm√§√üig in Schlammtanks abgeleitet. Der Kraftstoff wird danach durch Separieren und Filtern weiter aufbereitet.

Mineral√∂l-Separatoren sind Zentrifugen, bei denen eine Zahnradpumpe das √Ėl mit hohem Druck durch einen mit hoher Drehzahl (12.000/min) rotierenden Edelstahl-Tellerstapel dr√ľckt. Die konisch geformten Teller sind mit Steigekan√§len ausger√ľstet, durch die das reine und damit leichtere √Ėl steigt, w√§hrend infolge der Zentrifugalkraft schwere Bestandteile wie Wasser und Schmutz nach au√üen abgeleitet werden und in der Trommel gesammelt werden (Stofftrennung). Die Trennlinie zwischen leichter und schwerer Phase soll im ersten Drittel der Steigekan√§le verlaufen. Man unterscheidet zwischen Klarifikatoren, die nur Schmutz separieren, und Purifikatoren, die im Wesentlichen Wasser und Schlamm separieren. Ein wesentliches Erkennungsmerkmal dieser beiden Bauarten ist der geschlossene Abschlussteller im Steigkanal im Falle des Klarifikators bzw. die einstellbare sog. Wasserscheibe im Falle des Purifikators.

Vor die Separatoren sind gesonderte Kraftstoff-W√§rmetauscher geschaltet. Als Separiertemperaturen m√ľssen je nach Kraftstoffdichte zwischen 70 und 99 ¬įC eingehalten werden. Im Falle von Schwer√∂len mit hohen Verschmutzungsanteilen werden die Separatorentypen auch in Serie geschaltet. Die Entleerung der Schlammtrommel erfolgt dadurch, dass der Kolbenschieber mit Wasserdruck beaufschlagt wird, wodurch die Entleerungs√∂ffnungen in der Trommel freigegeben werden, so dass die schweren Verunreinigungen herausgeschleudert und im Schlammtank gesammelt werden k√∂nnen. Die regelm√§√üige Entleerung der Separatoren kann automatisch zeitgesteuert oder auch manuell erfolgen. Bei den Schwer√∂lseparatoren handelt es sich um sensible und f√ľr den sicheren Motorbetrieb wichtige Komponenten, die regelm√§√üig auf ihre Funktion √ľberpr√ľft werden m√ľssen.

Bei den Kraftstoff-Filtern handelt es sich meist um sogenannte R√ľcksp√ľlfilter. Dabei wird bei einem bestimmten Verschmutzungsgrad der Sieboberfl√§chen ‚Äď wodurch ein Differenzdruck gemessen wird ‚Äď durch Umleitung des Kraftstoffstromes frisches √Ėl von r√ľckw√§rts durch die Sieboberfl√§chen gedr√ľckt und so der Schmutz in einen Schmutztank gesp√ľlt. Der separierte und gefilterte Kraftstoff wird in so genannte Tagestanks f√ľr die Motoren bereitgestellt. Die Tagestanks sind mit einem Kraftstoff-√úberlauf zu den Setztanks ausger√ľstet, so dass bei st√§ndigem Betrieb der Separatoren eine kontinuierliche Reinigung und Aufheizung erfolgen kann.

In gesonderten Modulen wird der HFO-Kraftstoff auf Einspritzviskosit√§t (ca. 12 cSt bei ca. 130 ¬įC) viskosit√§tsgeregelt vorgew√§rmt, der Druck wird auf rund 7 bis 10 Bar angehoben. Vor dem Eintritt in die Kraftstoffeinspritzpumpen des Motors wird der Kraftstoff √ľber einen Endfeinfilter geleitet. Da insbesondere im Teillastbereich ein Teil des Kraftstoffes im System zirkuliert und dabei durch das best√§ndige Pumpen zus√§tzlich erw√§rmt wird, ist f√ľr Diesel-, Gas√∂l- und MDO-Betrieb auch ein Kraftstoffk√ľhler vorgesehen, da bei zu hoher Kraftstofftemperatur die Schmierung der Pumpenstempel der Einspritzpumpen nicht mehr garantiert ist.

Zur Versorgung der Kraftstoffeinspritzpumpen beim Betrieb mit Schwer√∂l hoher Viscosit√§tsklassen wird der Kraftstoff zun√§chst mittels F√∂rderpumpen bei einem Druck um etwa 6 bis 8 Bar in ein Sammelgef√§√ü gepumpt. Aus diesem Sammelgef√§√ü f√∂rdern sogenannte Boosterpumpen bei einer Druckerh√∂hung auf etwa 15 bis 18 Bar den Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzpumpen. Die Druckerh√∂hung ist notwendig, um das sch√§dliche teilweise Verdampfen des auf ungef√§hr 130 bis 140 ¬įC erw√§rmten Kraftstoffes in den Kraftstoffeinspritzpumpen w√§hrend des Absteuerns zu verhindern. Durch das Pumpengeh√§use und durch die Stempelf√ľhrung der Kraftstoffeinspritzpumpen werden der Kraftstoff-Zu- und Ablauf gef√ľhrt. Das Prinzip der Kraftstoffpumpen-Steuerung basiert auf der von der Firma Bosch entwickelten Schr√§gkanten-Regelung. Der Pumpenstempel (engl. plunger) wird vom Kraftstoffnocken der Nockenwelle vertikal in der Stempelf√ľhrung (engl. barrel) bewegt und √ľberschneidet dabei die Kraftstoffzu- und Ablaufbohrungen. In den Stempelk√∂rper ist dazu vertikal eine Aussparung mit schr√§ger, scharfer Kante gefr√§st. Der Pumpenstempel kann last- bzw. drehzahlbezogen um seine Achse verdreht werden. Dabei erlaubt die Schr√§gkante (Steuerkante) die Steuerung des Kraftstoff-R√ľcklaufs in die Ablaufbohrung und damit des Volumens des in den Verbrennungsraum einzuspritzenden Kraftstoffs. Um die bei Teillastbetrieb einsetzende Sp√§tz√ľndung zu vermeiden, werden in diesem Fall die Stempelf√ľhrungen selbstt√§tig, pneumatisch/hydraulisch verstellt (engl. variable injection timing, VIT). Von den Kraftstoffeinspritzpumpen wird der Kraftstoff unter hohem Druck (ca. 900 bis 1600 Bar) zu den Kraftstoffeinspritzventilen gef√∂rdert. In den Einspritzventilk√∂rpern ist eine starke, verstellbare Feder eingebaut. √úber eine Spindel dr√ľckt diese Feder den Sitz der Ventilnadel auf die Einlassbohrung der D√ľse. In die D√ľse sind mehrere feine, scharfkantige Bohrungen eingearbeitet. Der Kraftstoff wird durch einen in den Ventilk√∂rper eingearbeiteten Kanal bis unter den Nadelsitz gef√ľhrt. Der Pumpendruck hebt zun√§chst den Nadelsitz gegen den Federdruck vom D√ľseneintritt ab, so dass der Kraftstoff in den Verbrennungsraum gelangt. Danach √ľberwiegt wieder der Federdruck, der den Nadelsitz den D√ľseneintritt verschlie√üen l√§sst. Dieser Vorgang wiederholt sich w√§hrend des Einspritzprozesses mehrmals in rascher Folge, wodurch der Kraftstoff fein zerst√§ubt in den Verbrennungsraum gelangt.

Es sind Bestrebungen in Gange, diese Einspritztechnik durch die Common-Rail-Technik abzulösen. Die Common-Rail-Technik hat bei vielen Schiffsdieselmotorenherstellern Serienreife erreicht.

K√ľhlkreislauf

Die W√§rme, die bei der Verbrennung in der Maschine entsteht, muss nach au√üen abgef√ľhrt werden. Das K√ľhlwasser sollte am Austritt eine Temperatur von 80 bis 90 ¬įC haben, damit Spannungsrisse vermieden werden, die durch zu gro√üe Temperaturunterschiede zwischen Bauteilen sowie die gro√üen Abmessungen eines Schiffsdieselmotors entstehen k√∂nnen. K√ľhlwasser mit einer Eintrittstemperatur von etwa 70 ¬įC wird von unten nach oben durch die zu k√ľhlenden Bauteile geleitet. Dabei wird das K√ľhlwasser vom Wasserleitmantel der Laufbuchsenk√ľhlung ausgehend durch die Zylinderk√∂pfe, die Auslassventile und die Turbolader geleitet.

Schiffsmaschinen haben mindestens zwei K√ľhlwasserkreisl√§ufe:

  • Einen Kreislauf, der Frischwasser f√ľhrt, das im unteren Bereich der Maschine eintritt, bis zu den Zylinderk√∂pfen gepumpt wird und dort aus der Maschine austritt. Dieses Frischwasser wird gek√ľhlt
    • entweder √ľber einen Frischwasser-Niedertemperatur-K√ľhlwasserkreislauf, der unter anderem auch die √Ėl- und Ladeluftk√ľhler k√ľhlt, oder
    • einen K√ľhlkreislauf, der Seewasser nutzt. So wird verhindert, dass das Seewasser direkt mit der Maschine in Kontakt kommt, was zu einer erheblichen Korrosion f√ľhren w√ľrde. Wenn das Schiff einen Niedertemperatur-K√ľhlkreislauf hat, wird dieser vom Seek√ľhlwasser gek√ľhlt.

Bekannte Hersteller

sind unter anderem:

Siehe auch

Literatur

  • Wolfgang Kalide: Kolben- und Str√∂mungsmaschinen. 1. Auflage, Carl-Hanser-Verlag, M√ľnchen Wien 1974, ISBN 3-446-11752-0
  • Richard van Basshuysen, Fred Sch√§fer: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6
  • Hans-J√ľrgen Reu√ü: Zweitakt-Motorenprogramm ganz auf Gas eingestellt. MAN Diesel & Turbo f√ľhrt in Kopenhagen neuen Motor mit Wechselbetrieb von Diesel auf Gas vor. In: Hansa, Heft 7/2011, S. 43‚Äď44, Schiffahrts-Verlag Hansa, Hamburg 2011, ISSN 0017-7504

Einzelnachweise

  1. ‚ÜĎ a b http://www.triple-x-marine.com: Erkl√§rungen zur √úberdrehzahl bei Schiffsdieselmotoren
  2. ‚ÜĎ siehe auch Cleanest Ship
  3. ‚ÜĎ http://ec.europa.eu: [1]
  4. ‚ÜĎ MAN Low Speed Engines, aufgerufen am 19. M√§rz 2010
  5. ‚ÜĎ a b W√§rtsil√§ Low Speed Engines, aufgerufen am 19. M√§rz 2010
  6. ‚ÜĎ a b W√§rtsil√§ Medium Speed Engines, aufgerufen am 19. M√§rz 2010
  7. ‚ÜĎ MAN Medium Speed Engines, aufgerufen am 19. M√§rz 2010
  8. ‚ÜĎ a b Cat and MaK Propulsion Engines, aufgerufen am 19. M√§rz 2010
  9. ‚ÜĎ The Medium Speed 4 Stroke Trunk Piston Engine, aufgerufen am 17. Oktober 2010
  10. ‚ÜĎ MTU - Dieselmotoren f√ľr Passagierschiffe und F√§hren, aufgerufen am 11. M√§rz 2011
  11. ‚ÜĎ Datenblatt f√ľr ABC-Dieselmotor V-DZC, aufgerufen am 24. Februar 2011
  12. ‚ÜĎ Datenblatt f√ľr ABC-Dieselmotor DZ, aufgerufen am 24. Februar 2011

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