Schiffsdieselmotor

Ein Schiffsdieselmotor ist in der Regel ein großer Dieselmotor der namentlich als Haupt- oder Hilfsmaschine auf einem Schiff dient. Praktisch baugleiche Motoren werden darüberhinaus 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. Für kleine Schiffe bzw. Boote kommen auch entsprechend kleine Dieselmotoren zum Einsatz, die in ihren Charakterisika heute aber eher den Motoren von Landfahrzeugen wie LKW entsprechen.

Neunzylinder-Zweitaktreihenmaschine

Einzylinder-Schiffsdiesel

Schiffsdieselmotor 40 DM (weiteres Bild)

Schiffsdiesel können mit Dieselkraftstoff, Gasöl oder Schweröl betrieben werden. Die Bezeichnung bezieht sich auf den Arbeitsprozess, der per Definition durch die Ansaugung von Luft und die Selbstzündung nach der Einspritzung des Kraftstoffes gekennzeichnet ist.

Anforderungen

• Schiffsdiesel sollen meistens Langsamläufer sein. Zum einen verringern sich bei niedrigen Drehzahlen die Schwingungen. Zum anderen können höhere Verbrennungstemperaturen und -dauern erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad erhöht werden kann. Langsamläufer können direkt auf den Propeller arbeiten, ein Getriebe zur Drehzahlreduktion ist nicht erforderlich.
• Die Anforderung an die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit sind deutlich höher als bei stationär oder in Fahrzeugen genutzten Dieselmotoren. Sobald das Ruder eines Schiffes nicht mehr vom Propeller angeströmt wird, ist es praktisch wirkungslos. 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 und/oder der Bordwand. Dies führt wiederum zu langen Dockzeiten während der 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 steigenden Rohölpreise auch die Preise für Schweröl deutlich steigen lassen. Heutige Schiffsdiesel erreichen Verbräuche von weniger als 180 g/kWh.
• Niedriger Preis.
• Ein hoher Automationsgrad ist heute Stand der Technik. Schiffsmaschinen 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 Gefahrenfalle 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“). Außerdem sind Schiffsmaschinen-Anlagen meist blackstart-fähig, wobei zumindest ein Dieselgenerator im Notfall auch komplett manuell gestartet werden kann, so dass dann auch wieder Hilfs-Energie zum Betrieb der Hauptmaschine verfügbar ist.
• Zunehmend wird eine geringe Abgasbelastung gefordert. Durch die von der Internationalen Seeschifffahrts-Organisation (IMO, International Maritime Organisation, eine Organisation der UNO) erlassenen neuen Richtlinien müssen in Zukunft strengere Grenzwerte für die Emission bestimmter Schadstoffe eingehalten werden (darunter insbesondere Stickoxide, die bei langsamer hochtemperaturiger Verbrennung zunehmend entstehen.)

Bauweisen

Die Motoren werden nach ihrem Arbeitsprinzip und nach der Anordnung ihrer Zylinder unterschieden. Während Zweitakter immer als Reihenmaschine gebaut werden (außer als Gegenkolbenmotor z. B. von Napier Deltic), gibt es Viertaktmaschinen als Reihen- und als V-Motoren sowie in einigen exotischen Anordnungen, wie z. B. Sternmotoren (7 Sterne mit je 5 Zylinder hintereinander) für Schnellboote. Bei großen Schiffsdieseln handelt es sich in der Regel um Zweitakter, die als Reihenmotoren mit 5-14 Zylindern gebaut werden. Schiffsdiesel werden in der Regel als Langsamläufer konzipiert. Die Drehzahl liegt bei Zweitaktmotoren in einem Bereich von 61 bis 130 min^-1 und ermöglicht es, die Motoren direkt mit Schweröl (HFO, von engl. heavy fuel oil) zu betreiben. Langsamläufer arbeiten üblicherweise direkt auf die Propellerwelle. Die Drehrichtung der Maschine lässt sich umsteuern.

Viertaktmotoren können seit geraumer Zeit ebenfalls mit Schweröl betrieben werden und erreichen Drehzahlen zwischen 300-900 min^-1, erfordern dann jedoch ein Getriebe im Antriebsstrang, da der Schiffspropeller eine deutlich niedrigere Drehzahl benötigt. Als Hauptmaschine in Großcontainerschiffen, 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 97.300 kW beträgt (MAN B&W 14K108ME-C). Hierbei handelt es sich ausschließlich um Zweitakt-Kreuzkopfmotoren. Sie können so eine Lebensdauer von über 20 Jahren, d. h. ca. 150.000 Betriebsstunden erreichen.

Ausnahmslos alle heutigen Schiffsdieselmotoren besitzen Turboaufladung zu Erhöhung des Wirkungsgrades und der spezifischen Leistung.

Für stationäre Anwendungen und auch für LNG-Tanker sind Gas-betriebene Viertakter interessant.

Reihenmotor

Reihenmotor ist die Bezeichnung für einen Motor, dessen Zylinder in Reihe stehen. Die Zählung der Zylinder beginnt in Deutschland immer gegenüber der kraftabgebenden (Kupplungs-)Seite des Motors.

V-Motor

Die Zylinder oder auch Zylinderbänke sind bei dem V-Motor um Winkel zwischen 15 ° und 120 °, 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.

Kraftübertragung

Es gibt vor allem drei verschiedene Möglichkeiten der Kraftübertragung vom Motor zum Propeller.

Direkt

Welle im Wellentunnel (von der HM bis zum Propeller)

Es wird eine starr mit dem Motor und Propeller verbundene Welle angetrieben. Die Drehrichtung des Propellers, für z.B. eine Rückwärtsfahrt, kann somit 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 Bauweise wird insbesondere für Zweitakt Dieselmotoren mit einer Leistung über 5.000 kW bei Motordrehzahlen zwischen 76 bis 130 min^-1 angewendet.

Eine weitere Möglichkeit einer Verbindung ist der sogenannte Pitch-Propeller. Zur Veränderung der Schiffsgeschwindigkeit und -fahrtrichtung werden die einzelnen Propellerflügel in einen anderen Winkel zueinander gedreht (angestellt). Der Motor an sich dreht dabei mit konstanter / idealer Drehzahl (bester Wirkungsgrad) für den Verbrennungsvorgang. Diese Drehzahl ist in der Regel wesentlich höher als die für einen Propeller mögliche. Daher muss die Drehzahl oftmals über ein Getriebe reduziert werden. Für die Drehzahl der Schraube spielt u.a. die Kavitation eine entscheidende Rolle.

Getriebe

Anwendung besonders bei kleineren mittelschnell (250...800 min^-1) laufenden Motoren, bei denen eine Reduktion der Motor-Drehzahl auf Propeller-Drehzahl erforderlich ist. Die Getriebe besitzen teilweise schaltbare Kupplungen und Nebenabtriebe für Wellengeneratoren. Wendegetriebe dienen zur Drehrichtungsumkehr des Propellers bei nicht umsteuerbaren Motoren. Außerdem gibt es Kombinationen von Getriebe und Verstellpropeller. Oft werden diese Schiffsmotoren, wie auch Verbrennermotoren von LKWs oder Nutzfahrzeugen mit Laschengelenkkupplungen (SGF) an das Getriebe angeflanscht. So verringert man die Vibrationen, die bei üblichen Metallverbindungen entstehen. Der Antrieb wird sozusagen "entkoppelt".

Dieselelektrisch

Dabei wird vom Motor, meistens 4-Takt Motoren, 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 Viertakt-Gen-Sets erzeugen dabei Energie auch für den Hotel-Betrieb, der einen erheblichen Anteil am Gesamtenergiebedarf ausmacht. Einzelne Motoren können abgestellt und zugeschaltet werden, Wartung und Reparatur einer Maschine bei laufendem Schiffsbetrieb auf See ist möglich. Motor- und Propellerdrehrichtung und -drehzahl sind voneinander unabhängig. Beispiel Queen Elizabeth 2 (Cunard Line): in den 80er Jahren von Dampfturbinenantrieb umgebaut auf Dieselbetrieb. 9 Maschinen MAN 9L58/64 (9-Zylinder-Reihe [Line] 580 mm Bohrung, 640mm Hub) mit ca 1.200 kW pro Zylinder arbeiten über Generatoren auf zwei 44 MW GEC-Fahrmotoren, zwei Propeller. Neben den weitverbreiteten Verstellpropelleranlagen ist eine besondere Form dieses Antriebes der neu entwickelte Pod-Antrieb.

Klarmachen- und Absetzen

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, welches durch Zirkulation in Rohren in den Tanks das Schweröl auf Temperatur hält, durch einen mit Dieselöl betriebenen Boiler erwärmt und nicht wie während des Betriebs durch die Abgastemperatur im Schornstein (exhaust boiler).

Schiffsdiesel werden mittels Druckluft gestartet. Kein Elektromotor könnte die erforderliche Kraft bei vertretbarem Größenverhältnis 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 aufrecht zu erhalten. Ein Abkühlen des Schweröls in diesen Bereichen würde zu Verklumpungen führen. Die Rohrleitungen müssten aufwendig gereinigt werden. Unter Umständen wird es notwendig, die Maschine eine gewisse Zeit mit Gasöl zu betreiben.

Die Hauptmaschine hat in den meisten Fällen eine angehängte Schmierölpumpe, die während des Betriebes mitläuft und so die Lager der Hauptmaschine mit Öl versorgt. Bei stehender HM muss der Öldruck so über eine externe Pumpe aufrecht erhalten werden, auch um eine entsprechende Nachschmierung der Maschine nach dem Absetzen zu gewährleisten. Vor dem Starten ist das System einer Sichtkontrolle zu unterziehen und der anliegende Schmieröldruck zu überprüfen.

Um im Notfall, bzw. bei einem Ausfall der Remote-Kontrolle von der Brücke, die Maschine aus dem Maschinenkontrollraum fahren zu können, müssen alle Kommunikationseinrichtungen wie Maschinentelegraph 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%-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 in Reserve gestartet, um nach dem automatischen Einschalten der zahlreichen Pumpen (große Verbraucher) 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 Groben:

• HT-Kühlwasserpumpe
• LT-Kühlwasserpumpe (Seewasser kühlt LT, LT kühlt HT, HT kühlt Maschine. Mehrere Kühlkreisläufe schützen den Motor durch geringere Temperaturunterschiede vor Spannungsrissen)
• Getriebeölförderpumpe
• Schmierölförderpumpe
• Bei Schiffen mit Verstellpropeller: Steuerölpumpe Pitch-Propeller

Es folgt das Scharfmachen 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 Kontrolle 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 Kühlwasserleckagen und schließen der Dekompressionsventile.

Startvorgang

Anlasskompressor eines Dieselmotors

Aus dem MKR wird der automatisierte Startvorgang der Hauptmaschine eingeleitet. Um einen Großdiesel anzulassen, müssen zunächst die kraftverbrauchenden Arbeitsschritte innerhalb des Motors überwunden werden (Ansaugen, Verdichten, Ausstoßen). Für große Schiffsmaschinen kann diese Arbeit kein Elektro- beziehungsweise Luftmotor zum Anlassen mehr schaffen.

Schiffsdieselmotoren werden daher ausnahmslos mit Druckluft gestartet. Bei kleineren Einheiten kommen dazu noch gelegentlich Druckluftanlasser zum Einsatz, die am Schwungrad eingreifen und auf diese Weise die Maschine durchdrehen. Große Viertakter und praktisch alle Zweitakter 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 zieht die Einspritzpumpen auf „Füllung“, Kraftstoff wird eingespritzt und es kommt zur ersten Selbstzündung. Hierzu ist eine starkes Anlass-Druckluftsystem (üblicherweise 30 bar Nenndruck) notwendig.

Da Zweitakter nicht selbst ansaugen, sondern auf Überdruck im Spülluftkanal angewiesen sind, müssen zum Startvorgang die Spülluftgebläse laufen, bis die Turbolader ausreichend Ladedruck erzeugen.

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 in der Anlass-Luftflasche 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 Leerlaufdrehzahl 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 Kontrolle der Maschine an die Brücke übergeben (Remote Control) und von dort per Knopfdruck akzeptiert und angenommen. Die Stromversorgung übernimmt auf See, nach erfolgter Synchronisation, der Wellengenerator. Die Hafendiesel werden abgesetzt.

Absetzen

Die Hilfsdiesel werden nach dem Ende der Seereise gestartet und nach Synchronisation mit dem Wellengenerator zugeschaltet um die Stromversorgung zu übernehmen. Nach dem Ende der Revierfahrt, bzw. des Festmachen des Schiffes übergibt die Brücke die Kontrolle der Maschine zurück in den MKR, welches von hier 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 sich langsam abzukühlen und Spannungsrisse zu vermeiden. Die Maschinenkontrolle wird auf den Notstand weitergestellt. Von dort wird das Füllungsgestänge auf Stop gestellt, das Ventil für die Startluftzufuhr geschlossen und die Dekompressionsventile 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 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 die reibenden Oberflächen innerhalb der Maschine nicht zu starkem Verschleiß zu überlassen müssen diese Teile, wie auch bei anderen Verbrennungsmotoren, gut geschmiert werden.

Das Schmieröl übernimmt im wesentlichen 4 Aufgaben:

• schmieren, durch die Bildung eines Schmierfilms werden bewegende Teile geschützt
• reinigen, Verunreinigungen werden von den Reibungsstellen wegtransportiert und landen in Filtern
• kühlen, durch den ständigen Nachschub an Schmieröl werden Verbrennungs- und Reibungswärme abgeführt
• abdichten, das dickflüssige Öl dient auch der Abdichtung zwischen Zylinderwand und Kolbenring

Nachdem das Öl aus der Ölwanne 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 verwendet für die Schmierung von Nockenwelle, Kipphebeln und Ventilen. Das Öl läuft wieder in die Ölwanne. Gefährlich kann es bei zu starker Schlagseite werden. Dann kann unter Umständen das Öl nicht mehr aus der Wanne abgepumpt werden und die Maschine wird nicht mehr ausreichend geschmiert.

Kraftstoffaufbereitung

Auf Seeschiffen wird i. d. R. minderwertiges Schweröl ((engl. Heavy Fuel Oil (HFO)), welches bei der Erdöldestillation als Rückstand anfällt, als Maschinentreibstoff genutzt. Dieser Brennstoff muss auf mindestens 60°C aufgeheizt werden, damit er fließfähig bleibt. In so genannten Setztanks setzt sich bereits ein Teil Wasser vom Treibstoff ab. Es wird danach durch Separatoren weiter aufbereitet. Der separierte Kraftstoff wird in sog. Tagestanks für jede Maschine bereitgestellt. In gesonderten Modulen wird der HFO-Kraftstoff auf Einspritzviskosität (ca. 12 cSt bei ca. 130° C) Viskositäts-geregelt vorgewärmt, der Druck wird auf rund 7 - 10 bar angehoben. Da insbesondere im Teillastbereich ein Teil des Brennstoffes im System zirkuliert und dabei durch das beständige Pumpen zusätzlich erwärmt wird, ist für Diesel/Gasöl/MDO-Betrieb auch ein Kraftstoffkühler vorgesehen, da bei zu hoher Brennstoff-Temperatur die Schmierung der Pumpenstempel der Einspritzpumpen nicht mehr garantiert ist.

Kühlkreislauf

Die Wärme, die bei der Verbrennung in der Maschine entsteht, muss nach außen abgeführt werden. Das Kühlwasser sollte eine Temperatur von 80 bis 90° C haben, damit Spannungsrisse, die durch zu große Temperaturunterschiede entstehen können, vermieden werden. Schiffsmaschinen haben zwei Kühlwasserkreisläufe. Zum ersten einen Kreislauf der Frischwasser führt, welches im unteren Bereich der Maschine eintritt, bis zu den Zylinderköpfen gepumpt wird und dort aus der Maschine austritt. Dieses Frischwasser wird über einen Seewasserkühlkreislauf gekühlt. So wird verhindert, dass Seewasser, welches die Korrosion im Motor stärker ermöglicht, direkt mit der Maschine in Verbindung tritt.