Forschungsthemen

In der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau zielen wir mit unserer wissenschaftlichen Ausrichtung darauf ab, die Effizienz des Gesamtsystems "Schiff" zu steigern. Im Fokus stehen hierbei die Antriebsanlage sowie die üblichen Hilfsanlagen. Unsere wissenschaftliche Arbeit lässt sich in die folgenden Bereiche unterteilen:


Aktuelle Forschungsprojekte

FVV Projekt 1327: Schmierungskonzept Großmotor I

Dieses Forschungsvorhaben beinhaltet Phase I eines zweiphasig geplanten Projektpakets. In diesem Projektpaket soll der Schmierölverbrauch von Großmotoren untersucht werden, mit dem langfristigen Ziel, diesen dem um etwa eine Größenordnung geringeren Verbrauch von kleineren Motoren, wie sie in Heavy-duty LKW-Motoren eingesetzt werden, anzunähern.
Ziel der Phase I ist zunächst das Wissen um die Vorgänge und Zusammenhänge des tribologischen Systems in der Kolbengruppe (Kolben, Kolbenringe, Laufbuchse) zu erweitern. Dafür soll mit der Schmierfilmdickenmessung auf Basis der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) eine Messtechnik entwickelt und eingesetzt werden, die im Großmotorenbereich noch keine Anwendung gefunden hat. Weitere Messtechnik betrifft die Schmierölemission über das Abgas. Eingesetzt werden hierfür ein Massenspektrometer, sowie ein optisches Partikelmesssystem.
In der ersten Hälfte der Phase I wird die Messtechnik an zwei mittelschnell laufenden Viertakt-Großmotoren mittlerer Größe zur Einsatzreife gebracht. In der zweiten Hälfte werden im Rahmen von Messfahrten und anschließender Auswertung erste Ergebnisse generiert. Die Messfahrten werden an den beiden Motoren in der aktuell vorhandenen Konfiguration der Komponenten der Kolbengruppe durchgeführt. In Hamburg wird dabei ein Augenmerk auf die Schmierfilmdicke bei verschiedenen Betriebsparametern gelegt. In Flensburg wird die Auswirkung des Einlaufverhaltens der Komponenten auf die Schmierölemission in einem Dauerlaufversuch untersucht. Durch den Einsatz von zwei Versuchsmotoren wird zudem die Wirkung von Brennverfahren, Kraftstoffwahl und dem Prinzip der Kolbenschmierung auf den Schmierölverbrauch betrachtet.
Abschließend werden in Phase I, in Hinblick auf das im Anschluss geplante Folgeprojekt (Phase II), Maßnahmen aus den gewonnenen Erkenntnissen erarbeitet, mit denen sich der Schmierölverbrauch der beiden Motoren nachhaltig verringern lässt.
Kontakt: Baptiste Wallin, M.Sc.

FVV Projekt 1280: Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoff-Motoren II

Das Kernziel des Vorhabens besteht darin, die Gesamtsystemeffizienz von Schiffen mit Verstellpropeller und mittelschnell laufenden Dual-Fuel-Viertaktmotoren durch Verschiebung des Betriebspunktes im Motorkennfeld signifikant zu erhöhen. Hierzu müssen die realisierbaren Nutzmitteldrücke insbesondere bei geringen Drehzahlen im Gasbetrieb dahingehend gesteigert werden, dass sie mit denen konventioneller Dieselmotoren vergleichbar sind oder diese gar übersteigen. Ein Erreichen dieses Ziels hat zur Folge, dass der Verstellpropeller in einem aus Sicht der Propulsionseffizienz deutlich günstigeren Arbeitspunkt betrieben werden kann, wodurch sich die erforderliche Antriebsleistung erheblich reduziert.
Das Vorhaben trägt somit dazu bei, dass durch die mögliche Absenkung der Antriebsleistung insgesamt weniger Kraftstoff verbraucht wird, was die Emissionen absolut reduziert. Durch die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff in Kombination mit einem ottomotorischen Brennverfahren werden zusätzlich die spezifischen Emissionen der direkten Treibhausgase Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie indirekten und zusätzlich gesundheitsschädlichen Treibhausgase wie Stickoxide (NOx) reduziert. Weiterhin lassen sich die Schwefeloxidemissionen (SOx) insbesondere im direkten Vergleich mit schwerölverbrennenden Motoren auch ohne Einsatz einer Abgasnachbehandlug auf nahezu Null reduzieren.
In der Konsequenz können bei Erreichen des Ziels sowohl aktuelle als auch zukünftige Emissionsgrenzwerte der IMO (International Maritime Organization) ohne Abgasnachbehandlung eingehalten werden, was die Konkurrenzfähigkeit der sauberen Dual-Fuel-Technologie erhöht und deren Verbreitung im Markt unterstützt. Neben einem wertvollen Beitrag zum Erreichen der Klimaschutzziele des Bundes kann aus einer Verbreitung der Technologie ein erheblicher Vorteil für die deutsche Zulieferindustrie resultieren.
Kontakt: Maximilian Schröder, M.Sc.

Hybride Antriebsanlagen mit Verstellpropellern

Der Begriff hybrider Antriebskonzepte wird in diesem Vorhaben interpretiert als gleichzeitiger Einsatz elektrischer Maschinen in einem dieselmechanischen Antriebsstrang. Der am häufigsten an Bord von Schiffen vorhandene Anwendungsfall sieht den Betrieb dieser elektrischen Maschinen bei konstanter Drehzahl vor, welcher insbesondere in Teillast eine erhebliche Verschlechterung des Propellerfreifahrtwirkungsgrades mit sich zieht. Es wird daher der Einsatz von Frequenzumrichtern vorgesehen, um einen drehzahlvariablen Betrieb von Haupt- und elektrischer Maschine am Bordnetz zu ermöglichen. Die zusätzlichen Investitionskosten sowie die Einsparungen in Bezug auf Betriebs- und Wartungskosten werden quantifiziert und mithilfe des erwarteten Einsatzprofiles des Schiffes ist es bereits in der frühen Projektphase möglich, die Amortisationszeit zu prognostizieren und eine Entscheidungshilfe für oder wider hybride Antriebskonzepte zu geben.
Kontakt: Leif Jannsen, M.Sc.

FVV Projekt 1254: Gasmotorenperformance

Getrieben durch die zunehmende Debatte um umweltfreundliche Schiffsantriebe wird zurzeit der Einsatz von Erdgas anstelle des üblichen Schweröls favorisiert. Gasmotoren werden seit langer Zeit erfolgreich in stationären Anlagen zur Stromerzeugung eingesetzt. Der Betrieb auf Schiffen ist verhältnismäßig neu und wesentlich dynamischer. Die Herausforderung hierbei ist es, ein dem Dieselmotor vergleichbares Dynamikverhalten zu erzielen. Begrenzend wirken hier die Klopf- und Aussetzergrenze von Gasmotoren.
In diesem Projekt sollen Maßnahmen untersucht werden, die dazu führen, dass ein dem Dieselmotor gleichwertiges dynamisches Verhalten erreicht wird. Einflussgrößen sind dabei natürlich die Luftversorgung der Motoren und seine Regelungsstrategie, aber auch die Laststeuerung durch den Verstellpropeller, sowie eine mögliche elektrische Unterstützung durch die Hilfsmaschinen und/oder eine Batterie. Die zu untersuchenden Lastfälle sollen typische Manöverzustände von Schiffen repräsentieren. Zu unterscheiden sind hier normale Anwendungen (Containerschiffe, Bulker, Tanker,…) sowie hochtransiente Anlagen (Offshore Supplier, Schlepper,…). In diesem Vorhaben soll ein Simulationstool (Fast Running Modell oder Real Time) geschaffen werden, das eine Parameteroptimierung zulässt und grundsätzliche Aussagen zur Anlagenauslegung gestattet.
Kontakt: Leif Jannsen, M.Sc.

Motordynamik durch Abgasturboaufladung

Die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau der Technischen Universität Hamburg-Harburg beschäftigt sich im Rahmen eines Forschungsvorhabens mit der ganzheitlichen Simulation von Schiffsmanövern. Während die Hydrodynamik durch unterschiedliche Rechenmethoden des Instituts für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit bereits treffend abgebildet wird, ist die Modellgüte im Bereich des Antriebsstranges noch ausbaufähig. Bei der weiteren Entwicklung liegt der Fokus insbesondere auf dem dynamischen Verhalten der Maschinenanlage, welches zum Beispiel in der Manöverfahrt maßgeblich durch das Verhalten des Abgasturboladers geprägt wird. Hierbei ist es besonders wichtig, dass unter Angabe weniger Parameter, welche im Rahmen einer Vorauslegung zur Verfügung stehen, qualitativ gute Ergebnisse in kurzer Zeit erzielt werden können. Mit dieser Zielsetzung wurde bereits eine thermodynamische Modellvorstellung für die Berechnung von einer Radialturbine mit leitschaufellosem Spiralgehäuse umgesetzt, so dass ein zeitdiskretes Berechnungsprogramm zur Verfügung steht, welches einer Plausibilitätsprüfung unterzogen wurde. Der physikalische Modellansatz wird aktuell dahingehend weiterentwickelt, dass zukünftig auch der Verdichter abgebildet werden kann.
Das übergeordnete Ziel ist es, auf Basis der Turboladergeometrie sowie der thermischen Randbedingungen zukünftig alle relevanten Turboladerkenngrößen berechnen zu können und somit eine Vorhersage des Maschinendynamik zu ermöglichen.
Kontakt: Thilo Panten, M.Sc.

Entwicklung alternativer Antriebskonzepte für Schiffe

Die Konzentration auf das Erreichen einer Nenngeschwindigkeit führt bei der Auslegung von Antriebsanlagen auf Schiffen zu einer Überdimensionierung der Maschinenanlage. Gerade vor dem Hintergrund realer Fahrprofile hat dieses etablierte Auslegungskonzept eine Steigerung der der Erst- und Betriebskosten der Schiffe zur Folge. Mit dem Ziel, das Gesamtsystem „Schiff“ effizienter zu machen, entwickelt die Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau Antriebskonzepte, die basierend auf den realen Fahrprofilen von Schiffen die Potenziale der Antriebsanlage optimal ausnutzen und es somit ermöglichen, das Maß der Überdimensionierung zu reduzieren. Ein Ansatz zur Effizienzsteigerung, der hierbei verfolgt wird, besteht in der Erweiterung des Motorkennfeldes im Teillastbereich. Zu diesem Zwecke werden Beispielrechnungen durchgeführt, die unter anderem von einer Modifikation der Turboladerregelung ausgehen. Darüber hinaus werden Antriebskonzepte entwickelt, die das Ziel verfolgen, elektrischer Maschinen (PTIs/PTOs) umfassender in die Antriebsanlage zu integrieren und somit die Effizienz des Gesamtsystems zu steigern.
Kontakt: Thilo Panten, M.Sc.


Abgeschlossene Forschungsprojekte

FVV-Projekt 1293: Schmierungskonzept Großmotor – Vorstudie

Der Schmierölverbrauch von Großmotoren liegt nach derzeitigem Stand der Technik mit etwa 0,6 g/kWh bis zu einer Größenordnung über dem Schmierölverbrauch von kleineren hochbelasteten Motoren, die beispielsweise im LKW-Bereich eingesetzt werden. Der Schmierölverbrauch von Großmotoren liegt nach derzeitigem Stand der Technik mit etwa 0,6 g/kWh bis zu einer Größenordnung über dem Schmierölverbrauch von kleineren hochbelasteten Motoren, die beispielsweise im LKW-Bereich eingesetzt werden. Der Großteil des Schmierölverbrauchs von Verbrennungsmotoren entsteht an der Kolbenring-Laufbuchsen-Paarung. Es wird angenommen, dass ein erhebliches Potential besteht, den Schmierölverbrauch von Großmotoren zu reduzieren. Um dieses zu heben, bedarf es der genauen Kenntnis der Phänomene und Zusammenhänge bezüglich der Tribologie und der Ölverbrauchsprozesse in der Kolbengruppe.
Im Rahmen der an der Arbeitsgruppe Schiffsmaschinenbau durch Eigenmittel der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen finanzierten Studie „Schmierölkonzept Großmotor – Vorstudie“ werden Unterschiede zwischen Viertakt-Großmotoren und Motoren aus dem LKW-Bereich analysiert sowie die Stellgrößen und mögliche Maßnahmen zur Beeinflussung des Schmierölverbrauchs identifiziert und hinsichtlich ihres Einflusses bewertet. Außerdem wird in Hinblick auf ein geplantes Anschlussvorhaben eine Versuchsmatrix erstellt, der Materialeinsatz abgeschätzt und geeignete Messtechnik ermittelt.

FVV-Projekt 1190: Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren I

Im Rahmen des an der Technischen Universität Hamburg-Harburg durch Eigenmittel der FVV finanzierten Umbauprojektes „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren“ wurde die Ertüchtigung eines mittelschnell laufenden Einzylinder-Großdieselmotorprüfstandes für den Dual-Fuel-Betrieb vorgenommen. Bei der Ertüchtigung wurde Wert darauf gelegt, weitestgehend die aktuell gültigen Vorschriften für Schiffsanwendungen umzusetzen, um im Rahmen der anschließend durchzuführenden wissenschaftlichen Arbeiten repräsentative und vergleichbare Ergebnisse generieren zu können, die von der Branche akzeptiert werden.
Das Umbauvorhaben beinhaltete die Durchführung einer Machbarkeitsstudie, die Entwicklung und Umsetzung eines Sicherheitskonzeptes, die Konzeption und Ausführung der motor-seitigen Hardwareanpassungen sowie die Konzeption, Beschaffung und Montage einer auf-wendigen Flüssigerdgasversorgungsanlage nach Marinestandard.
Durch die Ertüchtigung dieser an einer öffentlichen Forschungsstelle einzigartigen Anlage wurde die Technische Universität Hamburg-Harburg in die Lage versetzt, anspruchsvolle Forschungsvorhaben im Bereich der Dual-Fuel-Technologie zu bearbeiten. Anders als bei Motorversuchsanlagen, die das Erdgas aus der Stadtgasleitung beziehen, können an der Technischen Universität mit Hilfe des neuen Flüssiggassystems alle Aspekte, vom Brennverfahren bis hin zum Gesamtanlagenverhalten, untersucht werden.
Die wissenschaftliche Arbeit mit der Anlage wurde im September 2017 im Rahmen des Folgevorhabens „Propellerbetrieb mit Viertakt-Zweistoffmotoren II“ aufgenommen.


Kooperationen

Institut für Entwerfen von Schiffen und Schiffssicherheit

Technische Universität Hamburg www.tuhh.de/ssi/

Institut für Elektrische Energiesysteme und Automation

Technische Universität Hamburg www.tuhh.de/ha/

Institut für Energietechnik

Technische Universität Hamburg www.tuhh.de/iet/

Institut für Analytische Messtechnik Hamburg e.V.

iamhamburg.de

Maritimes Zentrum - Institut für Nautik und Maritime Technologien

Hochschule Flensburg www.maritimes-zentrum.de

Institut für Verbrennungskraftmaschinen

Technische Universität Braunschweig www.tu-braunschweig.de/ivb

Wissenschaftlich-Technisches Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau gGmbH

www.wtz.de

Maritime LNG Plattform e. V.

www.lng-info.de/

AVL List GmbH

AVL List GmbH is providing AVL Software via the AVL AST University Partnership Program for Research and Development. www.avl.com/