Schiffsdieselmotor


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 – in der Regel großen – Dieselmotor, der als Haupt- oder Hilfsmotor auf einem Schiff dient. Baugleiche oder -ähnliche Motoren werden zudem stationär in Kraftwerken, insbesondere in der Dritten Welt bzw. auf Inseln und an anderen abgelegenen Orten, eingesetzt sowie auch als Notstromaggregate z. B. in Krankenhäusern, Großbanken, Rechenzentren und Kernkraftwerken verbaut.

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

Schiffsdieselmotoren können mit Dieselkraftstoff, Gasöl, Schweröl ("HFO") oder seit einiger Zeit auch mit Gas betrieben werden. Bis Ende 2006 wurde auch Orimulsion als Brennstoff verwendet. Die Bezeichnung „Diesel“ bezieht sich auf den Arbeitsprozess, der laut Definition durch die Ansaugung von Luft, deren Komprimierung mit einher gehender Erhitzung und die Selbstzündung nach der Einspritzung des Kraftstoffes gekennzeichnet ist.

Inhaltsverzeichnis

Anforderungen

  • Die Anforderung an die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit sind deutlich höher als bei stationär oder in Fahrzeugen genutzten Dieselmotoren. Wenn der Antrieb eines Schiffes ausfällt, wird das Ruder nicht mehr angeströmt und das Schiff wird insgesamt kaum mehr manövrierfähig. Bei schwerer See kann sich das Schiff quer in die See legen und gerät unter Umständen in Seenot. Mindestens fallen hohe Kosten für Bergung und verdorbene/verspätete 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. Darüber hinaus sind Reparaturen oder gar der Austausch der Maschine mit erheblichem Aufwand verbunden, wie der Demontage von Aufbauten, Öffnen von darüberliegenden Decks oder der Bordwand. Dies führt wiederum zu langen Dockzeiten, während derer das Schiff nicht zur Verfügung steht.
  • Ein Seeschiff muss eine hohe Dauerleistung erbringen können, das heißt, auch lange Strecken bei voller Fahrt überstehen können.
  • Ein geringer Kraftstoffverbrauch ist wichtig, da die gestiegenen Rohölpreise auch die Preise für Schweröl deutlich haben steigen lassen. Heutige Schiffsdiesel erreichen spezifische Verbräuche 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 übermittelt werden müssen. Im Gefahrenfall stellt die Maschine automatisch ab bzw. reduziert die Last. Allerdings können Alarme und Stopps auch ignoriert werden, wenn die Situation es erfordert (Schiff vor Maschine/Override).[1] Außerdem sind Schiffsmotoren-Anlagen meist schwarzstartfähig, wobei zumindest ein Dieselgenerator im Notfall auch komplett manuell gestartet werden kann, so dass dann auch wieder Hilfsenergie zum Betrieb des Hauptmotors verfügbar 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 müssen in Zukunft strengere Grenzwerte für die Emission bestimmter Schadstoffe eingehalten werden (darunter insbesondere Stickoxide, die bei langsamer hochtemperaturiger Verbrennung vermehrt entstehen.)
    • Außerdem erfolgt eine indirekte Begrenzung der Schwefeldioxidemissionen durch die neuen Begrenzungen des Schwefelgehalts im Brennstoff.
    • Die EU-Kommission veröffentlichte am 15. Juli 2011 einen "Vorschlag für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur Änderung 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 großen Frachtschiffen wie Tankern, Bulkcarriern und Containerschiffen kommen Langsamläufer 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 Ausführungen von 4 bis 14 Zylindern mit bis zu 100 MW. Die Schwingungen bei niedrigen Drehzahlen sind geringer als bei anderen Typen.
  • Mittelschnellläufer-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 Größe 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 für einen dieselelektrischen Antrieb an, der auf Kreuzfahrtschiffen auch als Podantrieb ausgeführt wird, häufig 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).
  • Schnellläufer mit bis zu über 2000 Umdrehungen pro Minute findet man im Bereich der Binnenschiffe und in der Sport- und Freizeitschifffahrt.
Schnitt durch einen Abgasturbolader für einen Hilfsdiesel

Andere Quellen nennen andere Drehzahlbereiche (bis 400/min; 400 - 1000/min; über 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 (außer als Gegenkolbenmotor z.B. von Napier Deltic).
  • Bei großen Schiffsantriebsdieseln handelt es sich in der Regel um langsamlaufende 2-Takt-Kreuzkopfmotoren, die als Reihenmotoren mit 5 bis 14 Zylindern gebaut werden. Große 2-Takt-Kreuzkopfmotoren besitzen beheizte Brennstoffleitungen und entsprechend ausgerüstete Einspritzventile und -Pumpen und werden mit Schweröl (HFO, von engl. heavy fuel oil) betrieben. Ältere Motoren wurden mit Dieselkraftstoff angefahren und erst auf offener See auf Schweröl umgeschaltet. Langsamläufer arbeiten üblicherweise direkt auf die Propellerwelle. Die Drehrichtung der Maschine lässt sich umsteuern, wozu der Motor gestoppt werden muss. Um den Motor rückwärts anzulassen wird entweder die Nockenwelle hydraulisch oder pneumatisch verschoben, oder aber die Stößelrollen auf die andere Flanke der Einspritzpumpennocke gesetzt und der Motor neu gestartet. Modernste Großdiesel werden teilweise ohne Nockenwelle ausgeführt, so dass der Umsteuervorgang in dieser Form entfällt.
  • Als Hauptmaschine in großen Containerschiffen, Erzfrachtern und Öltankern werden Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern eingesetzt, mit Bohrungen bis zu 1,08 m und Hüben bis zu 3,10 m, deren Dauerleistung bisweilen bis zu 100 MW beträgt (MAN Diesel 14K108ME-C). Solch ein Motor ist 32,65 m lang, 13,80 m hoch und hat ein Gewicht von 2828 Tonnen. Die Ölfüllung beträgt mehrere 10.000 Liter. Diese Schiffsdieselmotoren sind mit Turboaufladung zur Erhöhung des Wirkungsgrades und der spezifischen Leistung ausgerüstet. Sie können so eine Lebensdauer von über 20 Jahren, also etwa 150.000 Betriebsstunden erreichen.
  • Viertaktmotoren können seit geraumer Zeit ebenfalls mit Schweröl betrieben werden, erfordern dann jedoch ein Getriebe im Antriebsstrang, da der Propeller eine deutlich niedrigere Drehzahl benötigt. 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) für Schnellboote.

Für stationäre Anwendungen und auch für 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 gezündet. Der Anteil des Dieselkraftstoffes am Verbrennungsprozess beträgt nur etwa 1 %, die restliche Energie wird aus Gas gewonnen. Außerdem ist der Motor in der Lage, auch Dieselkraftstoff als Hauptkraftstoff zu verbrennen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Gastanker während der Ladungsreise mit dem „Boiled Off Gas“ betrieben werden kann und während der Ballastreise mit Dieselkraftstoff. Triple-Fuel-Motoren sind in der Entwicklung; diese Motoren sind darüber hinaus auch in der Lage, Schweröl zu verbrennen.

Reihenmotor

Reihenmotor ist die Bezeichnung für Motoren, deren Zylinder in Reihe (hintereinander) angeordnet sind. Die Zählweise (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 Zylinderbänke sind beim V-Motor um Winkel zwischen 15° und 180°, üblicherweise aber 40−90° zueinander geneigt (je nach Zylinderzahl) und – wenn beide Pleuel direkt auf denselben Hubzapfen arbeiten – etwas versetzt angeordnet.

Bei V-Motoren können die Pleuel der zusammengehörenden Zylinderpaare an derselben Kurbelwellenkröpfung oder an um die Kurbelwellenmitte gegeneinander gedrehten unterschiedlichen Kröpfungen angelenkt sein. Gelegentlich greift nur eine Treibstange des Zylinderpaares direkt am Hubzapfen an, die etwas kürzere 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 Küsten- und Binnenschiffe, Schlepper

Kraftübertragung

Es gibt vor allem drei verschiedene Möglichkeiten der Kraftübertragung 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. für die Rückwärtsfahrt, hier nur durch die Umsteuerung des Motors verändert werden. Der Motor muss dann aus der Vorausfahrt gestoppt, durch Verschieben der Nockenwelle umgesteuert, und für die Rückwärtsfahrt neu angelassen werden. Diese Weise wird in allen Fällen mit starrer Verbindung von Propeller und Motor angewendet.

Eine weitere Möglichkeit ist der Verstellpropeller. Zur Veränderung der Schiffsgeschwindigkeit sowie für die Voraus- bzw. Zurückrichtung werden die einzelnen Propellerflügel in einen anderen Winkel (Steigung, engl. pitch) gedreht (angestellt). Der Motor dreht dabei mit konstanter Drehzahl. Diese Drehzahl kann höher sein als die für den Propeller passende. Daher muss die Drehzahl in einem solchen Fall über ein Getriebe reduziert werden. Für die Drehzahl des Propellers spielt neben Durchmesser und Steigung auch die Kavitation eine entscheidende Rolle. Unter Kavitation versteht man das Zusammenbrechen (Implodieren) von Gasbläschen, was zu Schäden an den Oberflächen der Propellerflügel führen 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 für Wellengeneratoren ausgestattet. Wendegetriebe dienen zur Drehrichtungsumkehr des Propellers bei nicht umsteuerbaren Motoren. Außerdem gibt es Kombinationen von Getriebe und Verstellpropeller. Oft werden die Schiffsmotoren über Kupplungen (z.B. der Bauart Vulkan "Rato") oder Laschengelenkscheiben an das Getriebe angeflanscht. So werden die bei üblichen Metallverbindungen entstehenden Vibrationen vermieden. Der Antrieb wird sozusagen „entkoppelt“.

Dieselelektrisch

Beim dieselelektrischen Antrieb wird vom Motor, meist ein 4-Takt-Motor, lediglich ein Generator angetrieben, der den Strom für den Fahrmotor bereitstellt, der wiederum den Propeller antreibt. Diese Variante ist insbesondere als Mehrmotorenanlage auf Fahrgastschiffen üblich. Die einzelnen Generator-Einheiten können an beliebiger Stelle im Schiff installiert werden. Sie erzeugen auch Energie für den Hotelbetrieb, der bei Passagierschiffen einen erheblichen Anteil am Gesamtenergiebedarf ausmacht. Einzelne Generatoren können abgestellt und zugeschaltet werden, Wartung und Reparatur einer Maschine bei laufendem Schiffsbetrieb auf See ist möglich. Propellerdrehrichtung und -drehzahl sind von der Drehzahl der Verbrennungsmotoren unabhängig, so dass die Verbrennungsmotoren in den Arbeitsbereichen des höchsten Wirkungsgrades betrieben werden können. 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 über 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)-Kühlwassersystem und eine Vorheizpumpe konstant auf unterer Betriebstemperatur gehalten.

Vor dem Starten müssen die Schweröl-Temperaturen in den Tagestanks überprüft werden. Während des Stillstands der Hauptmaschine wird das Thermalöl oder der Dampf, der durch Zirkulation in Rohren in den Tanks das Schweröl auf Temperatur hält, durch einen mit Dieselöl betriebenen Boiler erwärmt und nicht wie während 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 entwässert, die Drücke kontrolliert.

Ebenso wie die Vorheizpumpe arbeitet auch das Kraftstoffsystem durchgehend, um die Temperatur des Schweröls auch in den zu- und abführenden Leitungen (Ringleitung) zur Maschine aufrechtzuerhalten. Ein Abkühlen des Schweröls in diesen Bereichen würde zu Verklumpungen führen. Die Rohrleitungen müssten aufwändig gereinigt werden. Unter Umständen wird es notwendig, die Maschine eine gewisse Zeit mit Gasöl zu betreiben.

Kleinere Motoren können mit einer an den Motor gekuppelten (angehängten) Schmierölpumpe ausgerüstet sein, die während des Betriebes mitläuft und so die Lager der Hauptmaschine mit Schmieröl versorgt. Bei stehendem Hauptmotor muss der Öldruck dann über eine externe elektrisch betriebene Pumpe aufrechterhalten werden, auch um eine entsprechende Nachschmierung der Maschine nach dem Absetzen zu gewährleisten. Auch können Kühlwasserpumpen angehängt sein. Vor dem Starten ist das System einer Sichtkontrolle zu unterziehen und der anliegende Schmieröldruck zu überprüfen.

Um im Notfall, bzw. bei einem Ausfall der Fernbedienung von der Brücke, die Maschine aus dem Maschinenkontrollraum (MKR) fahren zu können, müssen alle Kommunikationseinrichtungen wie Maschinentelegraf und Telefon (Verbindung Brücke zu MKR und Brücke zum Rudermaschinenraum) funktionsfähig sein. Die Maschine verfügt über einen Notfahrstand direkt am Motor. Sollte bei einem Schiff mit Verstellpropeller die Flügelverstelleinrichtung des Propellers versagen, könnte diese manuell in 100-Prozent-Stellung gefahren werden und die Fahrt des Schiffes über 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:

  • Seekühlwasserpumpe
  • HT-Kühlwasserpumpe (Hochtemperatur)
  • LT-Kühlwasserpumpe (Low-Temperature, Niedrigtemperatur. Seewasser kühlt den LT-Kreislauf, LT kühlt HT, HT kühlt Maschine. Diese gestaffelten Kühlkreisläufe sollen den Motor durch geringere Temperaturunterschiede vor Spannungsrissen schützen)
  • Getriebeölpumpe
  • Schmierölpumpe
  • Bei Zweitakt-Motoren: Spülluftpumpen
  • Bei Schiffen mit Verstellpropeller: Steuerölpumpe

Es folgt das Aktivieren der im Hafenbetrieb unterdrückten Alarme wie Öldruck und Temperatur, HT- und LT-Kühlwassertemperatur.

Am Notfahrtstand der Maschine wird das Absperrventil für Startluft manuell geöffnet und das Füllungsgestänge (Kraftstoffmenge) für den Automatikbetrieb freigegeben. Die Steuerung wird dann vom Notfahrstand zum Kontrollraum geschaltet.

Nach dem Öffnen der „Indikatorventile“ (Dekompressionsventile) wird der Motor mit Anlassluft durchgeblasen. Dabei wird evtl. im Kolbenraum vorhandenes Wasser bzw. Öl oder Brennstoff aus den Ventilen ausgestoßen. Wird eine Maschine mit Wasser im Kolbenraum gestartet, kann das zu schweren Schäden am Motor führen. Die Indikatorventile werden danach geschlossen.

Kontrolle der Hauptmaschine auf Kühlwasser- und Ölleckagen.

  • An den Indikatorventilen sind Schraubanschlüsse angebracht, um mit einem Schreibgerät den Druckverlauf pro Arbeitstakt aufzeichnen zu können. Damit können während des Betriebes Aufschlüsse über den Verbrennungsablauf des betreffenden Zylinders gewonnen werden.

Startvorgang

Anlasskompressor eines Dieselmotors

Aus dem MKR wird der automatisierte Startvorgang der Hauptmaschine eingeleitet.

Um einen Großdiesel anzulassen, müssen zunächst die großen Bauteilmassen in Bewegung gesetzt und die kraftverbrauchenden Arbeitsschritte innerhalb des Motors überwunden werden (ansaugen, verdichten, ausstoßen). Für große 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. Große Viertaktmotoren und praktisch alle Zweitaktmotoren werden „direkt“ angelassen. Dabei wird jeder Zylinder entsprechend seiner Position und der Zündreihenfolge mit Anlassluft beaufschlagt. Die entsprechenden Kolben werden nacheinander heruntergedrückt und die Motordrehzahl auf Zünddrehzahl angehoben. Der Regler stellt die Einspritzpumpen auf „Füllung“, Kraftstoff wird eingespritzt und es kommt zur ersten Selbstzündung. Hierzu ist ein starkes Anlass-Druckluftsystem (üblicherweise 30 bar Nenndruck) notwendig.

Um in großen, langsam laufenden Zweitakt-Dieselmotoren die Verbrennungsgase auszuschieben und Frischluft zuzuführen, werden im niedrigen Lastbereich elektrisch betriebene Spülluftgebläse eingesetzt. In höheren Lastbereichen übernehmen abgasbetriebene Turbolader die Aufgabe.

Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, können Schiffsdiesel, insbesondere die Hilfsmaschine zur Stromerzeugung, auch nach Ausfall der gesamten elektrischen Energieversorgung an Bord (Blackout) durch manuell zu betätigende Startventile und ohne Nebenaggregate gestartet werden, solange ausreichend Druckluft im Anlassluft-Druckkessel und Kraftstoff in den Tagestanks zur Verfügung steht.

Sämtliche von der Brücke kommenden Fahrbefehle werden vom Maschinenkontrollraum ausgeführt. Dazu gehören vor allem das Umsteuern der Maschine bei Manövern (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 Drücke zu stabilisieren. Nach dem Erhöhen auf Konstantdrehzahl wird die Steuerung der Maschine an die Brücke übergeben (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 übernehmen.

Schiffe ohne Verstellpropeller werden nur sehr langsam beschleunigt. Der Grund ist der Anstellwinkel des Propellers, der nur für eine Fahrgeschwindigkeit optimiert ist. Wird der Propeller mit zu hoher Drehzahl bei zu langsamer Fahrt betrieben, kann es zu übermäßiger 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 übernehmen.

Nach dem Ende der Revierfahrt bzw. dem Festmachen des Schiffes übergibt die Brücke die Kontrolle der Maschine zurück in den MKR, was von dort wiederum quittiert werden muss.

Bei Schiffen mit Verstellpropeller wird die Maschine danach von der Konstantdrehzahl auf die Leerlaufdrehzahl zurückgefahren. Die Maschine läuft in diesem Zustand einige Minuten nach, um langsam abzukühlen und Spannungsrisse zu vermeiden. Die Maschinenkontrolle wird auf den Notfahrstand weitergestellt. Von dort wird das Füllungsgestänge auf Stopp gestellt, das Ventil für die Startluftzufuhr geschlossen und die Indikatorventile geöffnet.

Nach einigen Minuten Nachschmierung wird die elektrische Vorschmierpumpe abgestellt.

Die Kühlwasserkreisläufe werden auf Hafenbetrieb gestellt und die elektrische Vorheizpumpe in Betrieb genommen. Die für den Hafenbetrieb nicht benötigten Alarme wie Öldruck, HT- und LT-Kühlwassertemperatur werden ab jetzt unterdrückt.

Betrieb

Für den Betrieb und das Anlassen eines Schiffsdiesels sind eine Reihe von speziellen zusätzlichen Systemen notwendig. Fällt eines dieser Systeme aus, muss auch der Betrieb der Hauptmaschine gestoppt werden. Daher sind etliche Hilfsaggregate doppelt vorhanden: Schmierölpumpen, Kraftstoff-Booster-Pumpen, Kühlwasserpumpen, Schmieröl-Separatoren, Kompressoren, Kraftstoff- und Schmierölfilter.

Schmierölsystem

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

Das Schmieröl übernimmt im Wesentlichen vier Aufgaben:

  • Schmieren; durch die Bildung eines Schmierfilms werden bewegende Teile geschützt
  • Reinigen; Verunreinigungen werden von den Reibungsstellen wegtransportiert und in Ölfiltern zurückgehalten
  • Kühlen; das Öl führt Wärme ab und wird in Wärmetauschern rückgekühlt.
  • Abdichten; das dickflüssige Öl dient auch der Abdichtung zwischen Zylinderwand und Kolbenring

Nachdem das Öl aus der Ölwanne bzw. dem Umlauftank herausgepumpt und durch einen Filter gereinigt wurde, durchläuft es einen Ölkühler. Hiernach zweigen die verschiedenen Schmierölleitungen ab zur Kurbelwelle, Pleuellager und in die Ölwanne. Ein weiterer kleiner Teil wird für die Schmierung von Nockenwelle, Kipphebeln, Ventilen und zur Kühlung der Kolben verwendet. Das Öl läuft wieder in die Ölwanne bzw. den Umlauftank. Die Kolben werden von einem separaten Ölsystem geschmiert.

Im Falle einer zu geringen Ölmenge im Umlauftank kann es bei starker Schlagseite dazu kommen, dass der Saugstutzen der Schmierölpumpe den Ölspiegel nicht mehr erreicht, so dass die Schmierung unterbrochen wird. Zur Aufbereitung und zur Anwärmung des Umlauf-Schmieröls werden Separatoren eingesetzt.

Kraftstoffaufbereitung

Auf Seeschiffen wird für den Betrieb des Hauptmotors i.d.R. minderwertiges Schweröl (engl. Heavy Fuel Oil (HFO)) als Kraftstoff genutzt, das bei der Erdölraffinierung als Rückstandsöl (engl. Residual Fuel) anfällt. In den meist in den Doppelböden der Schiffe angeordneten Vorratstanks wird der Kraftstoff auf mindestens 40 °C erwärmt, damit er pumpfähig bleibt, um dann in die Motorenraumtanks befördert zu werden. In sogenannten Setztanks, die auf ca. 70 °C beheizt sind, setzt sich bereits ein Teil Wasser und Schlamm vom Kraftstoff ab. Wasser und Schlamm werden regelmäßig in Schlammtanks abgeleitet. Der Kraftstoff wird danach durch Separieren und Filtern weiter aufbereitet.

Mineralöl-Separatoren sind Zentrifugen, bei denen eine Zahnradpumpe das Öl mit hohem Druck durch einen mit hoher Drehzahl (12.000/min) rotierenden Edelstahl-Tellerstapel drückt. Die konisch geformten Teller sind mit Steigekanälen ausgerüstet, durch die das reine und damit leichtere Öl steigt, während infolge der Zentrifugalkraft schwere Bestandteile wie Wasser und Schmutz nach außen abgeleitet werden und in der Trommel gesammelt werden (Stofftrennung). Die Trennlinie zwischen leichter und schwerer Phase soll im ersten Drittel der Steigekanäle 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-Wärmetauscher geschaltet. Als Separiertemperaturen müssen je nach Kraftstoffdichte zwischen 70 und 99 °C eingehalten werden. Im Falle von Schwerölen 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 Entleerungsöffnungen in der Trommel freigegeben werden, so dass die schweren Verunreinigungen herausgeschleudert und im Schlammtank gesammelt werden können. Die regelmäßige Entleerung der Separatoren kann automatisch zeitgesteuert oder auch manuell erfolgen. Bei den Schwerölseparatoren handelt es sich um sensible und für den sicheren Motorbetrieb wichtige Komponenten, die regelmäßig auf ihre Funktion überprüft werden müssen.

Bei den Kraftstoff-Filtern handelt es sich meist um sogenannte Rückspülfilter. Dabei wird bei einem bestimmten Verschmutzungsgrad der Sieboberflächen – wodurch ein Differenzdruck gemessen wird – durch Umleitung des Kraftstoffstromes frisches Öl von rückwärts durch die Sieboberflächen gedrückt und so der Schmutz in einen Schmutztank gespült. Der separierte und gefilterte Kraftstoff wird in so genannte Tagestanks für die Motoren bereitgestellt. Die Tagestanks sind mit einem Kraftstoff-Überlauf zu den Setztanks ausgerüstet, so dass bei ständigem Betrieb der Separatoren eine kontinuierliche Reinigung und Aufheizung erfolgen kann.

In gesonderten Modulen wird der HFO-Kraftstoff auf Einspritzviskosität (ca. 12 cSt bei ca. 130 °C) viskositätsgeregelt vorgewärmt, der Druck wird auf rund 7 bis 10 Bar angehoben. Vor dem Eintritt in die Kraftstoffeinspritzpumpen des Motors wird der Kraftstoff über einen Endfeinfilter geleitet. Da insbesondere im Teillastbereich ein Teil des Kraftstoffes im System zirkuliert und dabei durch das beständige Pumpen zusätzlich erwärmt wird, ist für Diesel-, Gasöl- und MDO-Betrieb auch ein Kraftstoffkühler vorgesehen, da bei zu hoher Kraftstofftemperatur die Schmierung der Pumpenstempel der Einspritzpumpen nicht mehr garantiert ist.

Zur Versorgung der Kraftstoffeinspritzpumpen beim Betrieb mit Schweröl hoher Viscositätsklassen wird der Kraftstoff zunächst mittels Förderpumpen bei einem Druck um etwa 6 bis 8 Bar in ein Sammelgefäß gepumpt. Aus diesem Sammelgefäß fördern sogenannte Boosterpumpen bei einer Druckerhöhung auf etwa 15 bis 18 Bar den Kraftstoff zu den Kraftstoffeinspritzpumpen. Die Druckerhöhung ist notwendig, um das schädliche teilweise Verdampfen des auf ungefähr 130 bis 140 °C erwärmten Kraftstoffes in den Kraftstoffeinspritzpumpen während des Absteuerns zu verhindern. Durch das Pumpengehäuse und durch die Stempelführung der Kraftstoffeinspritzpumpen werden der Kraftstoff-Zu- und Ablauf geführt. Das Prinzip der Kraftstoffpumpen-Steuerung basiert auf der von der Firma Bosch entwickelten Schrägkanten-Regelung. Der Pumpenstempel (engl. plunger) wird vom Kraftstoffnocken der Nockenwelle vertikal in der Stempelführung (engl. barrel) bewegt und überschneidet dabei die Kraftstoffzu- und Ablaufbohrungen. In den Stempelkörper ist dazu vertikal eine Aussparung mit schräger, scharfer Kante gefräst. Der Pumpenstempel kann last- bzw. drehzahlbezogen um seine Achse verdreht werden. Dabei erlaubt die Schrägkante (Steuerkante) die Steuerung des Kraftstoff-Rücklaufs in die Ablaufbohrung und damit des Volumens des in den Verbrennungsraum einzuspritzenden Kraftstoffs. Um die bei Teillastbetrieb einsetzende Spätzündung zu vermeiden, werden in diesem Fall die Stempelführungen selbsttätig, 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 gefördert. In den Einspritzventilkörpern ist eine starke, verstellbare Feder eingebaut. Über eine Spindel drückt diese Feder den Sitz der Ventilnadel auf die Einlassbohrung der Düse. In die Düse sind mehrere feine, scharfkantige Bohrungen eingearbeitet. Der Kraftstoff wird durch einen in den Ventilkörper eingearbeiteten Kanal bis unter den Nadelsitz geführt. Der Pumpendruck hebt zunächst den Nadelsitz gegen den Federdruck vom Düseneintritt ab, so dass der Kraftstoff in den Verbrennungsraum gelangt. Danach überwiegt wieder der Federdruck, der den Nadelsitz den Düseneintritt verschließen lässt. Dieser Vorgang wiederholt sich während des Einspritzprozesses mehrmals in rascher Folge, wodurch der Kraftstoff fein zerstäubt 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.

Kühlkreislauf

Die Wärme, die bei der Verbrennung in der Maschine entsteht, muss nach außen abgeführt werden. Das Kühlwasser sollte am Austritt eine Temperatur von 80 bis 90 °C haben, damit Spannungsrisse vermieden werden, die durch zu große Temperaturunterschiede zwischen Bauteilen sowie die großen Abmessungen eines Schiffsdieselmotors entstehen können. Kühlwasser mit einer Eintrittstemperatur von etwa 70 °C wird von unten nach oben durch die zu kühlenden Bauteile geleitet. Dabei wird das Kühlwasser vom Wasserleitmantel der Laufbuchsenkühlung ausgehend durch die Zylinderköpfe, die Auslassventile und die Turbolader geleitet.

Schiffsmaschinen haben mindestens zwei Kühlwasserkreisläufe:

  • Einen Kreislauf, der Frischwasser führt, das im unteren Bereich der Maschine eintritt, bis zu den Zylinderköpfen gepumpt wird und dort aus der Maschine austritt. Dieses Frischwasser wird gekühlt
    • entweder über einen Frischwasser-Niedertemperatur-Kühlwasserkreislauf, der unter anderem auch die Öl- und Ladeluftkühler kühlt, oder
    • einen Kühlkreislauf, der Seewasser nutzt. So wird verhindert, dass das Seewasser direkt mit der Maschine in Kontakt kommt, was zu einer erheblichen Korrosion führen würde. Wenn das Schiff einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf hat, wird dieser vom Seekühlwasser gekühlt.

Bekannte Hersteller

sind unter anderem:

Siehe auch

Literatur

  • Wolfgang Kalide: Kolben- und Strömungsmaschinen. 1. Auflage, Carl-Hanser-Verlag, München Wien 1974, ISBN 3-446-11752-0
  • Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6
  • Hans-Jürgen Reuß: Zweitakt-Motorenprogramm ganz auf Gas eingestellt. MAN Diesel & Turbo führt in Kopenhagen neuen Motor mit Wechselbetrieb von Diesel auf Gas vor. In: Hansa, Heft 7/2011, S. 43–44, Schiffahrts-Verlag Hansa, Hamburg 2011, ISSN 0017-7504

Einzelnachweise

  1. a b http://www.triple-x-marine.com: Erklärungen zur Überdrehzahl bei Schiffsdieselmotoren
  2. siehe auch Cleanest Ship
  3. http://ec.europa.eu: [1]
  4. MAN Low Speed Engines, aufgerufen am 19. März 2010
  5. a b Wärtsilä Low Speed Engines, aufgerufen am 19. März 2010
  6. a b Wärtsilä Medium Speed Engines, aufgerufen am 19. März 2010
  7. MAN Medium Speed Engines, aufgerufen am 19. März 2010
  8. a b Cat and MaK Propulsion Engines, aufgerufen am 19. März 2010
  9. The Medium Speed 4 Stroke Trunk Piston Engine, aufgerufen am 17. Oktober 2010
  10. MTU - Dieselmotoren für Passagierschiffe und Fähren, aufgerufen am 11. März 2011
  11. Datenblatt für ABC-Dieselmotor V-DZC, aufgerufen am 24. Februar 2011
  12. Datenblatt für ABC-Dieselmotor DZ, aufgerufen am 24. Februar 2011

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