Großdieselmotoren

Wirkungsgrad und Umweltverträglichkeit - ein Widerspruch?

Vor etwa 100 Jahren startete Rudolf Diesel in Augsburg seinen ersten Versuchsmotor, der mit einem thermischen Wirkungsgrad von rund 25% die damals üblichen Werte der Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen mehr als verdoppelte. Aufgrund der günstigen thermodynamischen Voraussetzungen, der hohen Zuverlässigkeit und steigender Leistungen erreichte der Großdieselmotor in diesem Jahrhundert eine herausragende Bedeutung beim Antrieb von Schiffen und Generatoren.

Insbesondere seit den Ölpreiskrisen der 70er Jahre honorieren die Motorenanwender aufwendige Entwicklungsarbeiten zur Senkung der spezifischen Kraftstoffverbräuche. Die Großdieselmotoren stellen mit Wirkungsgraden von 40 bis 50 % die effizientesten Wärmekraftmaschinen dar. In einem weiten Leistungsbereich wird fast die Hälfte der im Kraftstoff chemisch gespeicherten Energie, die letztlich auch von der Sonne stammt, in mechanische Leistung umgewandelt. Zum Vergleich ist auf Pkw-Ottomotoren zu verweisen, die es unter günstigen Umständen auf ein knappes Drittel bringen.

Die Leistungen der Großmotoren wurden vor allem durch die Aufladung erheblich gesteigert. Mit diesem Verfahren ist es durch Vorverdichtung der Luft in einem Abgasturbolader möglich, mehr Luftmasse in den Zylinder zu pressen, um dort die verbrennbare Kraftstoffmenge und damit die Leistung zu erhöhen. Die Aufladung, die bei allen Großmotoren angewendet wird, kann bei fast gleichem Bauraum die Motorleistung auf das Drei- bis Vierfache steigern.

Die höchsten Leistungen werden mit fast 70 000 kW (95 000 PS) von den langsamlaufenden Zweitaktmotoren erreicht, deren Kurbelwellen sich mit etwa 100 Umdrehungen pro Minute  drehen. Es ist bemerkenswert, daß sich das Zweitaktprinzip nur bei sehr kleinen Motoren (Moped, Rasenmäher) und bei extrem großen Schiffsmotoren durchgesetzt hat. Diese Zweitaktmotoren, hinter denen man leicht ein Einfamilienhaus verstecken könnte, beeindrucken u.a. wegen ihrer Größe mit fast 15 m Höhe und maximal 2000 t Gewicht. Bei der Bewertung dieser Verbrennungskraftmaschinen lenken die ungewöhnlichen Abmessungen gelegentlich von der Tatsache ab, daß es sich hierbei um Spitzentechnologie mit Zukunft handelt. Diese Langsamläufer treiben mit höchsten Wirkungsgraden etwa 75 % aller größeren Handelsschiffe an.

In Motorkraftwerken oder Schiffen, die kompakte Motoren erfordern, werden vornehmlich Viertaktmotoren installiert, die heute Leistungen bis zu 30 000 kW erzeugen. Bei diesem Motortyp halten die deutschen Hersteller mit über 30 % Anteil die Spitzenposition im international hart umkämpften Markt.

Um den modernen Konstruktionsstand der Großmotoren richtig einschätzen zu können, ist ferner zu berücksichtigen, daß trotz der Verbrennung minderwertiger Raffinerierückstände eine Lebens-dauer von 15 bis 20 Jahren üblich ist. Wenn ein Pkw-Ottomotor nach etwa 3 000 Betriebsstunden das Ende der Lebensdauer erreicht, dann hat ein Großmotor nach knapp halbjähriger Betriebszeit gerade den Einlaufvorgang abgeschlossen.

Emissionen
Der niedrige Kraftstoffverbrauch der Großmotoren resultiert vornehmlich aus den hohen Gastemperaturen während der periodischen Verbrennung im Zylinder. Sie senken den Kraftstoffverbrauch und somit den CO2-Ausstoß, allerdings steigern sie leider die Stickoxidbildung erheblich.

Dieser Zielkonflikt - Wirkungsgrad gegen Umweltverträglichkeit - trat in den letzten zehn Jahren deutlich in den Vordergrund. Vor allem durch die strengen Auflagen für Kraftwerke (TA-Luft) und Straßenfahrzeuge (Euro I u. II) verringerten sich die landseitigen Emissionen erheblich, sodaß der relative Anteil der Schiffsantriebe an der globalen oder regionalen Luftverschmutzung sich erhöhte. Nach Untersuchungen des Germanischen Lloyd stieg der Beitrag schiffsseitiger Emissionen im Hamburger Hafenbereich von 4,4 % (1982) auf 8,3 % (1992).

Obwohl die kritischen Abgaskomponenten, nämlich NOx , SO2 und Partikel, weit weniger als 1 % des Dieselabgases ausmachen, schätzt man den Anteil der ca. 35 000 Handelsschiffe an der globalen Emission dieser Komponenten auf 8 bis 10 %. Es lohnt sich daher, auch die Schadstoffemissionen der Schiffsmotoren zu verringern, vor allem in Regionen mit hohem Verkehrsaufkommen, wie z.B. Nord- und Ostsee. Insbesondere die skandinavischen Länder haben sich in den letzten zehn Jahren für eine Beschränkung der schiffsseitigen Emissionen engagiert. Dieses jahrelange Ringen auf internationaler Bühne führte schließlich 1997 zu einer Vereinbarung in der International Maritime Organization (IMO), die nach dem 1.1.2000 drehzahlabhängige Emissionsgrenzwerte für alle Neubauten festlegt. Diese Vorschrift, die noch ratifiziert werden muß, sieht eine Reduzierung der NOx-Emissionen um 30 % vor, die durch motorinterne Maßnahmen erreichbar ist.

Forschungsarbeiten an der TUHH
Im Arbeitsbereich „Wärmekraftanlagen und Schiffsmaschinen" der TUHH werden gemeinsam mit der Motoren- und Zulieferindustrie überwiegend experimentelle Untersuchungen zur Gemischbildung und NOx-Reduzierung bei Großdieselmotoren durchgeführt. Einige Ergebnisse dieser dreijährigen Forschungsprojekte werden im folgenden kurz dargestellt.

Kavitation in Hochdruck-Einspritzpumpen
Moderne Dieselmotoren haben Probleme, den Kraftstoff unter Teillastbedingungen sauber zu verbrennen. Die Auswirkungen ungünstiger Verbrennungsbedingungen bei Schiffsmotoren im Manöverbetrieb können aufmerksame Beobachter am Elbufer an der zeitweiligen Trübung der Abgasfahne leicht erkennen.

Man versucht, dieses Problem durch Anpassung der Abgasturboaufladung und durch Anhebung des Einspritzdruckniveaus (max. 1 600 bar) zu verringern. Damit steigt aber das Risiko von Kavitationsschäden in den Einspritzpumpen, sodaß in einigen Fällen dieses Bauteil bereits nach einem Drittel der üblichen Laufzeit ausgetauscht werden mußte.

Bei diesen Kavitationsvorgängen bilden sich im Kraftstoff u.a. durch hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten kleinste Bläschen, die anschließend bei der Implosion auf den Bauteiloberflächen Dauerschäden verursachen. Da es sich um extrem kurzzeitige Vorgänge handelt, ist die eindeutige Identifikation der Kavitationsblasen sehr schwierig. Dazu wurde eine Einspritzpumpe mit neuentwickelten Optiksystemen ausgerüstet, sodaß es möglich ist, die Kavitationsblasen aus drei Blickrichtungen mit CCD-Kameras zu filmen (Bild 1). Die empfindlichen Endoskope (Durchmesser 4,3 mm) werden durch einen lichtdurchlässigen Ring bzw. Fenster aus Saphir vor Druckstößen von fast 100 bar geschützt. Die Kavitationsblasen mit Durchmessern weit unter 0,1 mm ballen sich zu Wolken zusammen und schießen mit Geschwindigkeiten über 200 m/s aus der Absteuerbohrung und an den Endoskopen vorbei. Nach umfangreichen Entwicklungsarbeiten gelang es erstmals, Kavitationswolken in einer laufenden Einspritzpumpe zu filmen. Die Zeitlupen-Aufnahmen zeigten, daß die bisherigen Modellvorstellungen über das alte Problem der Pumpenkavitation wesentlich korrigiert werden müssen. Diese Erkenntnisse und die daraus abzuleitenden Abhilfemaßnahmen werden dazu beitragen, die Kavitationsschäden an Hochdruck-Einspritzpumpen für moderne Dieselmotoren zu verringern.

Direkteinspritzung von Reduktionsmitteln
Bei der selektiven katalytischen Stickoxid-Reduktion (SCR-Verfahren) wird üblicherweise ein Reduktionsmittel in den Abgasstrom gesprüht, sodaß anschließend im Katalysator die Stickoxide reduziert werden können. Dieses Verfahren aus der Kraftwerkstechnik wurde für Schiffsantriebsanlagen in einigen Fällen bereits angewendet.  Aufgrund der hohen Kosten und des großen Raumbedarfs für den Katalysator sucht man allerdings nach günstigeren Alternativen. In einem EU-Forschungsprojekt wird ein Verfahren untersucht, bei dem man das Reduktionsmittel (Harnstoff- oder Ammoniaklösung) direkt in den Brennraum des Motors spritzt. Der Motorzylinder wird nach der Verbrennung während des Expansionstaktes bei Gastemperaturen von etwa 1 000 °C als Reaktionsraum für Reduktionsmittel und Stickoxid „mißbraucht".

Die Direkteinspritzung dieser aggressiven Mittel in den Zylinder verursacht erhebliche Verschleißprobleme durch Korrosion, Adhäsion und Erosion an Einspritzanlage, Zylinder und Kolben. Für die Einspritzung des Reduktionsmittels mit ca. 1 000 bar wurden neue Einspritzsysteme entwickelt und deren Charakteristik optimiert. Ferner galt es, Düsen aus hochfesten und möglichst korrosionsunempfindlichen Werkstoffen zu erproben.

Die Untersuchungen, die gemeinsam mit französischen, italienischen und deutschen Industriefirmen durchgeführt wurden, wiesen nach, daß man durch Direkteinspritzung von Reduktionsmitteln eine NOx-Senkung von 40 - 50 % erreichen kann. Berechnungen mit einem an der TUHH entwickelten Simulationsmodell dämpfen allerdings die zu optimistischen Erwartungen hinsichtlich wesentlich höherer Reduktionsraten.

Einzylinder-Forschungsmotor
Kürzlich wurde nach fast zweijähriger Bauzeit einer der weltweit modernsten Motorenprüfstände an der TUHH in Betrieb genommen. Es handelt sich um einen Einzylinder-Forschungsmotor mit einer Leistung von 440 kW, die noch erheblich gesteigert werden kann. Die teuere Einzylinder-Sonderanfertigung wurde gewählt, um die Umweltbelastung und Betriebsprobleme auf ein Minimum zu senken. Die Kosten für den 5 m langen und 35 t schweren Prüfstand betrugen etwa 2 Millionen DM, die im Wesentlichen von der deutschen Motorenindustrie finanziert wurden.

Dieser Motor ( Typ 1L 32/40 ) wird über eine zweistufige Abgasturboaufladung oder Fremdaufladung mit Verbrennungsluft versorgt, die einen Druck von maximal 5 bar aufweist (Vergleich: Autoreifen mit 2 bar). Somit bietet dieser vielseitige Prüfstandsmotor mit Zylinderdrücken bis 250 bar gute Voraussetzungen zur Durchführung des ersten Forschungsprojektes, in dem neuartige Einspritzsysteme und konstruktive Motorvarianten untersucht werden. Das Ziel dieses dreijährigen Forschungsvorhabens ist es, ohne wesentliche Wirkungsgradverschlechterung die Schadstoffemissionen der Schiffsmotoren weiter zu senken, damit u.a. in Hafenstädten wie Hamburg die Umweltbelastungen auf ein Minimum reduziert werden können. Ein lohnendes Ziel, für das an der TUHH auch in der Zukunft mit großem Engagement geforscht wird.

Prof. Dr.-Ing. Horst Rulfs
Wärmekraftanlagen und Schiffsmaschinen