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HANSA 09-2021

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SCHIFFSTECHNIK | SHIP

SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY Leistungsbemessung an 5-Zylinder-Gensets An der Hochschule Stralsund wurden die speziellen Anforderungen an die Steuerzeitengestaltung, Laderanpassung und Leistungsbemessung von mittelschnellen, HFO-tauglichen 5-Zylinder-Gensets untersucht Geringe Bordstrombedarfe bei speziellen Schiffstypen sowie der betreiberseitige Wunsch nach geringen Zylinderzahlen führten zu großen Populationen kleiner mittelschneller 5L-Gensets. Die häufige Notwendigkeit einer Leistungsreduzierung im Vergleich zu höheren Zylinderzahlen ist dabei immer wieder Gegenstand von Diskussionen zwischen Anbietern und Kunden. Mit diesem Beitrag soll das Vorgehen bei der thermodynamischen Auslegung eines 5L-Genset-Motors in Bezug auf Steuerzeiten und realisierbare Leistungen nachvollziehbar dargestellt werden. Auf artverwandte Betriebsproblematiken und Abhilfemaßnahmen wird hingewiesen. Ökonomisch ist es, gegebenenfalls beim Entwurf einer Baureihe zunächst die Brennverfahrensentwicklung an einem Einzylinder zu beginnen. Bei diesem Auslegungsbeispiel wird hierzu der Einzylinder-Forschungsmotor FM16/24 verwendet, der über die brennraumbegrenzenden Bauteile der kleinsten HFO-tauglichen Baureihe VD24/16 verfügt. Rechenmodell eines 9L-Vollmotors Auslegung 5L-Motor mit Standard-Steuerwelle Auf Basis erster experimenteller Ergebnisse wurde zunächst das Rechenmodell eines 9L-Vollmotors mit Abgasturbolader entwickelt. Der Wirkungsgradverlauf des Laders wurde dabei Motormessungen entnommen. Die Volumina des Ladeluftsowie des Abgassammlers wurden mit entsprechenden Zeichnungen von Vollmotoren abgeschätzt. Mit dem Abgasgegendruck von 30 mbar nach Turbine wurde der höchstzulässige Strömungswiderstand des Schalldämpfers berücksichtigt. Die Antriebsleistungen der drei angehängten Pumpen wurden mit 2 % der Motornennleistung angesetzt. Mit diesem Rechenmodell wurde die Auslegung des 9L-Motors, inklusive der Lader-Anpassung begonnen. Bei Volllast waren als Randbedingungen einzuhalten: der zulässige Zünddruck von 170 bar, eine HFO-konforme Abgastemperatur von 530° C vor Turbine, ein Verbrennungsluftverhältnis > 2,0 zur thermischen Entlastung der Brennräume sowie eine Zyklus-Emission von weniger als 8 g/kWh NOx. Wie für kleinere Maschinen ohne Indizierhähne üblich, war ein Drucksprung infolge der Verbrennung zum Zylinderabgleich nicht vorgesehen und damit die Gleichdruckverbrennung zulässig. In der anschließenden Nachmessung wurden die errechneten Drücke vor Zylinder und vor Turbine dem Einzylinder- Forschungsmotor aufgeprägt. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Auslegung und Nachmessung für den Leistungsbereich zwischen 100 und 25 % wurde dabei nachgewiesen. Spezifischer Luftdurchsatz, Zünddruck und NOx-Emission werden vom Rechenmodell gut prognostiziert. Der um 2 g/kWh zu gering vorhergesagte, spezifische Verbrauch bedingt eine Überschreitung der höchstzulässigen Abgastemperatur um 12 K. Angesichts des Anwendungsziels (Genset = wenig Volllast) soll diese Überschreitung toleriert werden, sodass eine gültige und zumindest am Einzylinder nachgewiesene Auslegung für den 9L-Motor vorliegt. 5L-Auslegung Daraufhin wurde eine 5L-Auslegung zunächst mit Standard-Nocken versucht. Diese basierte auf einer Verringerung der Zylinderzahl von neun auf fünf bei weiterhin symmetrischem Zündabstand von nunmehr 144° KW unter Beibehaltung aller Steuerzeiten sowie der Skalierung der Volumina von Ladeluft-/Abgassammler und des Strömungswiderstandes nach Turbine entsprechend der verringerten Zylinderzahl. Dabei wurden der Strömungsquerschnitt des Ladeluftkühlers beibehalten (Teilegleichheit), der Stufensprung in der Laderbaugröße mit Wirkungsgradabzügen berücksichtigt und der zulässige Zünddruck durch den Turbinen-Ersatzquerschnitt eingestellt. Die Abbildung oben zeigt die Ergebnisse für Volllast und Zyklus. Vorteilhaft für 42 HANSA – International Maritime Journal 09 | 2021

SCHIFFSTECHNIK | SHIP TECHNOLOGY den 5L wirkt die Verringerung des Druckverlustes im Ladeluftkühler aufgrund des geringeren Luftdurchsatzes. Damit werden zur Erzielung des erforderlichen Ladeluftdruckes (gleicher Zünddruck) geringere Verdichterdruckverhältnisse notwendig. Der Wirkungsgradnachteil des kleineren Laders am 5L wird bei Volllast nahezu kompensiert. Aufgrund der Phasenlage der Druckamplituden im Abgassammler, bedingt durch die Ausschubtätigkeit der einzelnen Zylinder, wachsen Spüldruckgefälle und Arbeitsgewinn aus dem Ladungswechsel. Es folgt ein leicht verbesserter Brennstoffverbrauch. Insbesondere konnte die volle Leistung bei nahezu gleicher thermischer Belastung auch mit dem kleineren Lader auf dem 5L-Motor beibehalten werden. Analyse des Ladungswechsels Berechnete Betriebswerte 5L mit Sonder-Steuerwelle und 9L-Motor Diese positiven Ergebnisse werden in der Analyse des Ladungswechsels bei 25 % Leistung getrübt. Hier ergibt sich eine Überschreitung des Ladedruckes durch Abgas- und Zylinderdruck im Bereich der Ventilüberschneidung. Negative Spülgefälle bei gleichzeitig geöffneten Einlassventilen bedingen eine Rückspülung von Schweröl-Abgasen in den Einlasskanal verbunden mit entsprechenden Ablagerungen. Daraus ergeben sich Reduzierungen der Strömungsquerschnitte mit höheren thermischen Belastungen aufgrund des geringeren Luftdurchsatzes sowie die Gefahr von teilgeöffnet blockierten Ventilen. Mögliche Sekundärschäden durch Ventilabrisse wären die Folge, sodass diese Auslegung verworfen wird. Als Konsequenz aus diesen Erkenntnissen wird nun schrittweise die aufsteigende Einlassflanke nach spät verschoben. Fallende Einlassflanke und Einlassschluss bleiben dabei unverändert. Mit diesen neuen Einlasssteuerzeiten werden jeweils Volllastauslegungen durchgeführt. Aufgrund der nun verringerten Überschneidungsquerschnitte sinkt der Luftdurchsatz, der aufgrund des begrenzten Zünddruckes und der Gleichdruckverbrennung nicht durch einen erhöhten Ladeluftdruck zu kompensieren ist. Als Folge ist die Zylinderleistung zu reduzieren, um die Abgastemperaturen zu begrenzen. Damit steigen jedoch die spezifischen NOx-Emissionen an, denen durch spätere Förderbeginne zu begegnen ist. Dieses wiederum erhöht die Abgastemperaturen weiter. Mit Rechnungen zur Teillast wird jeweils der Erfolg der Maßnahme in Bezug auf die Rückspülung geprüft. Erst mit einer vollständigen Entfernung der Einlassnockenrast bei gleichzeitig reduzierter Einlasserhebung gelingen die Vermeidung der Strömungsumkehr bei unterer Teillast und damit der gesicherte HFO-Betrieb. Dazu war die Nennleistung der Zylinder unter identischen Bedingungen um 10 % zu reduzieren. Die Abbildung oben zeigt Betriebswerte von 5L und 9L im Vergleich. Mit diesem Beispiel wurde die spezielle Abstract: Performance dimensioning on 5-cylinder gensets Auslegung von HFO-tauglichen mittelschnellen 5-Zylinder-Gensets insbesondere in Bezug auf die Rückström-Problematik von Abgas in den Einlass sowie die hieraus resultierende Leistungsreduzierung gezeigt. Wirkungsgradnachteilige Lader, Ablagerungen in den ladeluft- und abgasführenden Baugruppen, sinkende Brennstoffqualitäten sowie dauerhafter Betrieb mit Niedriglasten verschärfen die Rückström-Problematik zusätzlich und erweitern sie zudem auf alle anderen Zylinderzahlen. Beim Auftreten derartiger Probleme bei Maschinen im Feldeinsatz kann eine Überarbeitung von Steuerzeiten und Ladern (Engine- Upgrade/Re-Matching) Abhilfe schaffen. Autor: Leander Marquardt Hochschule Stralsund, Fakultät für Maschinenbau With this article, special layout of valve timing, T/C-matching and engine rating of medium-speed 5L- gensets in HFO-operation are shown. This knowledge of relevant technical aspects enables engine operators to early reactions to possible problems regarding backflow of HFO-exhaust gases and deposits in the inlet ports of their gensets. © HOST HANSA – International Maritime Journal 09 | 2021 43

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