Dieselmotoren

[FAUN]

In den diversen Threads wird die Frage nach dem richtigen Dieselmotor gestellt. Hierbei spielen Baugrößen, Gewichte und Verbräuche eine wichtige Rolle, gelegentlich auch der Vergleich zu (Dampf-)Turbinenanlagen. Sicherlich ist fast alles dabei gefragt und auch beantwortet worden, teilweise gehen die Threads ja 10 Jahre zurück. Dennoch möchte ich versuchen, die Probleme bei der Auswahl einer Dieselantriebsanlage einmal zusammenzufassen. Also beginne ich die Eulen nach Athen zutragen.
1.   Arbeitsverfahren                  
Bei den Dieselmotoren stehen uns generell 2 Verfahren zur Verfügung, das 2- und das 4-Takt-Verfahren. Hierbei liegt der wesentliche Unterschied darin, daß das 2-Taktverfahren bei jeder Kurbelwellenumdrehung einen Arbeitstakt hat, der 4-Takter nur bei jeder 2. Für die Leistung der Motoren bedeutet dies, der 2-Takter erbringt die doppelte Leistung eines 4-Takters (Hubraum und Hub/Zylinderdurchmesser gleich). Soweit die Theorie. Allerdings gibt es technische und bauliche Einschränkungen, so hat der 4-Takter durch seine Ein- und Auslaßventile eine bessere Steuerung der einzelnen Hübe, insbesondere des Arbeitshubes. So können die Öffnungszeiten der Ventile besser angepaßt werden, der Frischluftverlust ist geringer und die Einspritzsteuerung erfolgt genauer. Dieses alle führt zu einem Verlust des 2-Takters, so daß wir von dem 1,6 – 1,8-fachen der Leistung ausgehen können.
Beim 2-Takter gibt es verschiedene Sonderformen, neben dem einfachwirkenden gibt es den doppeltwirkenden Motor, darüber hinaus baute man auch den Gegenkolbenmotor. Letzteren klammern wir einmal aus. Der doppeltwirkende Motor, hier wird die Kolbenunterseite mit einbezogen, hat 2 Arbeitstakte/Umdrehung. Diese würde dann theoretisch zu einer doppelten Leistung gegenüber dem einfachwirkenden 2-Takter führen, aber auch hier kämpfen wir mit Einschränkungen. Der untere Hubraum ist größenmäßig durch die Kolbenstange beeinträchtigt, auch wird hier mit einer verringerten Einspritzmenge gearbeitet, dadurch hält man die thermische Belastung der Kolbenstange (sie läuft ja mitten im Verbrennungsraum) geringer, dazu kommt noch der etwa schlechtere Luftaustausch in diesem Raum. Diese Einschränkungen führen durch Abstriche zum 1,6 – 1,8-fachen des einfachwirkenden Motors. Faßt man beides zusammen, so kommt man im Mittel auf die 3-fache Leistung (~1,7*~1,7) eines doppeltwirkenden 2-Takters zu einem vergleichbaren 4-Takter.
Es wurde auch mit doppeltwirkenden 4-Taktern experimentiert und sie wurden auch gebaut, letztendlich zeigte sich aber, daß die Ventilanordnung und Steuerung zu aufwendig und zu störanfällig war. Gleichfalls versuchte man die Motoren neben dem Diesel auch mit anderen Stoffen zu betreiben, sogar Kohlenstaub war Versuche wert, aber eigentlich haben sich die Diesel- und Gasmotoren durchgesetzt.
2.   Bauweisen
Hier unterscheiden wir Tauchkolben- und Kreuzkopfmotoren. Diese wurden in beiden Arbeitsverfahren verwirklicht. Allerdings zeigte sich recht bald, daß die 4-Takter als Tauchkolbenmotor ,,besser" arbeiten, die 2-Takter als Kreuzkopfmotoren. Ein Tauchkolbenmotor ist jedem bekannt, in fast allen Autos sind sie verbaut (Exoten wie den Wankelmotor u.ä. lassen wir einmal außen vor). Der Kolben ist über den Kolbenbolzen mit dem Pleuel und dieses mit der Kurbelwelle verbunden.
Der Kreuzkopfmotor ist etwas aufwendiger gebaut. Hier Ist der Kolben durch die Kolbenstange mit dem Kreuzkopf verbunden. Diese 3 Bauteile führen eine geradlinige Bewegung aus, der Kreuzkopf ist mit Schienen (Bahnen) geführt. Am Kreuzkopf greift das Pleuel an und stellt so die Verbindung zur Kurbelwelle her. Oberhalb des oberen Totpunktes des Kreuzkopfes ist der Triebwerksraum nach oben durch den Zwischenboden begrenzt, die Kolbenstange wird mit einer Stopfbuchse hier durchgeführt und abgedichtet. Beim einfachwirkenden 2-Takter dient der Raum über dem Zwischenboden bei einigen Motoren als Speicherraum für die Spülluft, die Kolbenunterseite erzeugt dabei eine Pump- und Verdichterwirkung. Die Stopfbuchse ist bei doppeltwirkende 2-Takter aufwendiger ausgeführt, hier wird auch der Zwischenboden durch den unteren Zylinderdeckel ersetzt.
Beide Motoren, Tauchkolben und Kreuzkopf, sind im Schiffsbetrieb (Hauptmaschine) als Trockensumpfmotoren ausgelegt. D.h., das Schmieröl wird über die Schmierölpumpe dem Motor zugeführt, läuft dann aber aus dem Triebwerksraum wieder ab zu einem Sammeltank. Man peilt also den Ölstand nicht im Motor sondern in dem Tank.
Der doppeltwirkende 2-Takter ist nur als Kreuzkopfmotor möglich. Durch die Verwendung der Kolbenunterseite als Arbeitskolben benötigt dieser Motor neben der Einspritzdüse im oberen Raum auch 2 im unteren. 2 Düsen deshalb, weil eine alleine keine saubere Zerstäubung erzielen konnte, die Kolbenstange ist im Wege. Diese wird, je nach Hersteller, verschiedenartig geschützt. Damit soll ein direkter Flammenschlag auf die Stange verhindert werden. Alle Hersteller (MAN (D), Sulzer (CH), FIAT (I), Werkspoor (NL)) bauten die einfach- bzw. doppeltwirkenden 2-Takter in einer schlitzgesteuerten Ausführung. Solche Regeln haben natürlich eine Ausnahme, hier ist es Burmeister&Wain (B&W) in Kopenhagen, sie setzten und setzen bis heute auf ein Auslaßventil. Diese Bauweise ist heute Standard, MAN-B&W sowie Wärtsilä-Sulzer bzw. deren weltweiten Lizenznehmer, bauen so.
3.   Spülverfahren und Spülluftwechsel
Schlitzgesteuert heißt in diesem Fall, daß in der Zylinderlaufbuchse Öffnungen (Schlitze) eingebracht sind, die durch das Überfahren durch den Kolben geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Anordnung der Schlitze beschreibt auch das Spülverfahren, d.h. den Austausch der Verbrennungsgase durch Spülluft (Frischluft). Sind die Schlitze gegenüber angeordnet, so spricht man von der Querstromspülung, sind sie übereinander, so ist es die Umkehrspülung, im Falle des Auslaßventils haben wir die Längsstromspülung.
Im Gegensatz zum 4-Takter, der ja einen direkten Ansaugtakt hat, ist der 2-Takter nicht selbstansaugend. Die Spülluft muß ihm als zugeführt werden. Was passiert also während einer Kurbelwellenumdrehung? Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt nach oben, verschließt die Einlaßschlitze (ich gehe von der Umkehrspülung, also Auslaßschlitze über den Einlaßschlitzen auf der gleichen Seite (MAN-Bauweise) aus), drückt noch Restgase durch die Auslaßschlitze aus, verschließt auch diese Schlitze, komprimiert bei weiteren Hochfahren die Luft, kurz vor dem oberen Totpunkt erfolgt die Dieseleinspritzung (vor oT um die Zündverzögerung auszugleichen), die Verbrennung treibt den Kolben wieder nach unten, die Auslaßschlitze werden frei, die Abgase beginnen auszuströmen, die Einlaßschlitze werden frei, die Spülluft strömt in den Zylinder. Die Spülluft strömt gegen die gegenüberliegende Zylinderwand, steigt nach oben, wird durch den Zylinderdeckel umgelenkt fällt auf der Einströmseite nach unten, treibt die Restabgase vor sich her und tritt zum Teil durch die Auslaßschlitze aus.
Soweit der Ablauf. Dadurch daß die Auslaßschlitze sich als erstes geöffnet haben, ist ein Teil des Abgasdruckes abgebaut und in den Abgaskanal entwichen, dennoch braucht die Spülluft einen gewissen Druck um den Luftaustausch durchzuführen. Insbesondere braucht sie einen Druck um überhaupt in den Zylinder einströmen zu können.
Wie wir bei der Beschreibung des Arbeitstaktes gesehen haben, strömt auch bei der Frischluftzufuhr durch die Auslaßschlitze in den Abgaskanal. Um dieses zu verhindern, arbeiteten die Motorenhersteller mit Drehschiebern, die, abhängig von der Kolbenstellung, die Verbindung zum Abgaskanal verschlossen. Da hierdurch ein Frischluftverlust vermieden wurde, es gleichzeitig zu einer Rückströmung kam, wurden sie auch als Nachladeschieber bezeichnet. Sie haben aber nichts mit evtl. vermuteten Aufladungen zu tun. Trotzdem muß der Dieselmotor mit einem Luftüberschuß arbeiten, dieser kann sich auf das 1,6 -1,8fache der zur Verbrennung erforderliche Luft  belaufen. Selbst bei Vollast liegt ein λ-Verhältnis von ˃1,2 vor. λ (Lambda) ist das stöchiometrische Verhältnis der Verbrennungsluft zum Brennstoff, bei λ=1 ist genausoviel Luft vorhanden wie zur Verbrennung erforderlich ist.
Nur am Rande, durch diesen Luftüberschuß kommt es bei Dieselmotoren zu den erhöhten NOX-Werten.

(Fortsetzung soll folgen)

[FAUN]

4.   Spülluftzuführung
Die Spülluftzufuhr muß also bei 2-Takter, ob einfach- oder doppelwirkend, von außen erfolgen. Hierzu dachte man sich angehängte, also von Motor direktangetriebene Pumpen oder Gebläse, bzw. externe Einrichtungen aus. Wird ein angehängtes Gebläse oder eine angehängte Pumpe verwendet, so geht ein Teil der Motorenleistung hierdurch weg. Der Verlust bewegt sich so um die 16 %. Zum Tragen kamen hier Gebläse (z.B. Rootsgebläse) oder Pumpen. Letztere konnten seitlich im Motorgestell integriert sein, dann erfolgte der Antrieb über ein Hebelgestänge vom Kreuzkopf aus, oder am Kopfende des Motors durch den Zugriff auf eine Kurbelwellenverlängerung. Die Pumpen sind doppeltwirkend, beim Betrieb ist auf die Temperatur zu achten, diese können im Gehäuse schon um die 80 °C betragen. Das Problem der angehängten Pumpen, insbesondere die seitlichen, ist die Trägheit bei höheren Drehzahlen. Im Gegensatz zur Handelsschiffahrt, hier wurden die Zylinderabmessungen immer größer und die Drehzahlen niedriger (~250 U/min), waren die Marinediesel Mittelschnelläufer zwischen 450-600 U/min. Separate Hilfsdiesel schafften hier Abhilfe. Diese konnten auch mit Turbogebläse ausgestattet werden, da sie nicht umgesteuert werden mußten. MAN setzte auch direktangetriebene Turbogebläse statt der Rootsgebläse ein, allerdings nahm man hierzu in Kauf, daß beim Umsteuern des Motors der Wirkungsgrad rapide absank (Umsteuern = Motordrehrichtungsänderung für die Rückwärtsfahrt)
Die Hilfsmotoren versorgten jeweils 2 Hauptmotoren mit Spülluft, dabei stellten die Verbindungsleitungen die Konstrukteure und später wohl das Maschinenpersonal vor nicht geringe Herausforderungen.

Fortsetzung soll folgen

[Peter K.]

... seeehr vielversprechender Thread! 
... hoffe auf Fortsetzung ...

[Smutje Peter]

 

dem kann ich mir nur anschließen

freue mich auf weitere Beiträge

[olpe]

Hallo,
ein sehr interessanter thread ... nicht nur für Techniker ... auch gesehen unter dem Blickwinkel, dass in heutiger Zeit bezogen auf den Marineschiffbau wieder eine gewisse Rückbesinnung auf den Dieselmotor bei den Hauptantrieben zu erkennen ist ... und eine Abkehr von reinen Hochleistungs-Gasturbinensystemen ... Stellvertretend für diesen Gedanken nenne ich hier die Korvetten Typ K-130 (dt.), die STEREGUSHCHIY-Klasse (russ.) sowie die Fregatten der IVER-HUITFELD-Klase (dän.). Ich freue mich auf die Fortsetzung(en) ... 
Grüsse
OLPE

[FAUN]

hier die nächste Fortsetzung. Danke für die Ermunterungen.

5.   Unterschiede und Gemeinsamkeiten von einfach- und doppeltwirkenden Dieselmotoren
Einfachwirkende 2-Taktmotoren können auch als Tauchkolbenmotore ausgeführt werden. Diese wurden als Otto-(Benzin-)Motoren noch bis Ende der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts in der DDR für den Warburg und den Trabant gefertigt. Eine Parallelentwicklung des 3-zylindrigen Wartburg-Motors kam auch im Westen Deutschlands zum Einsatz. So baute DKW, die Firma war Bestandteil der Autounion und ging dann in Audi auf, in den 50er Jahren den 3=6. Diese Bezeichnung wies auf die 3 Zylinder hin, denen aber die Kraft eines 6-zylinders zugesprochen wurde. Bei diesen Motoren wurde der Kurbelraum als ,,Vorratsraum" für die angesaugte Luft benutzt, ein Drehschieber verhinderte hier das Zurückströmen der Luft wenn der Kolben während der Abwärtsbewegung die Luft in den Verbrennungsraum drückte. Da ein solcher Motor keine Ölschmierung wie ein Tauchkolbenmotor nach dem 4-Takt-Prinzip haben konnte, mußte ihm das nötige Schmieröl mit dem Benzin zugeführt werden. Daraus entstanden dann die unterschiedlichsten Mischungsverhältnisse. 1:50 und 1:33 waren z.B. zwei der gängigen Mischungen.
Tauchkolben 2-Takt-Dieselmotoren wurden und werden auch noch gebaut. Wer sich bei der Bundeswehr (noch) auskennt, erinnert sich evtl. an den MTW M113, dieser lief anfangs mit einem Otto-Motor und wurde bei der BW Ende der 60er/Anfang der 70er Jahre auf einen 6-Zylinder-2-Takter von General Motors (die Abt. wurde dann ausgegliedert und hieß dann Detroit Diesel Corporation DDC) umgerüstet. Dieser Motorentyp hat ein Rootsgebläse, dessen Leistung so hoch angesetzt wurde, daß es quasi als Verdichter arbeitet. Dieses ist technisch nicht ganz richtig, da im Gebläse nur eine Transportfunktion ausgeübt wird, die Verdichterarbeit entsteht durch den Staudruck im Spülluftkanal. Soweit der kleine Ausflug in die Landhistorie.

Doppeltwirkende 2-Takt-Dieselmotoren sind dagegen immer Kreuzkopfmotoren. Großmotoren haben keinen gemeinsamen Zylinderblock, hier werden die einzelnen Zylinder untereinander verschraubt. Die Grundwanne, quasi als Fundament, wird über das Gestell mit dem Zylinderblock verbunden. Gleichzeitig trägt das Gestell die Leisten für die Gleitbahn des Kreuzkopfes.  Die drei Bauteile, Grundwanne, Gestelle und Zylinderblöcke, werden durch Zuganker verbunden. Hierbei sollte man bordseitig auf ein Lösen und Anziehen verzichten oder nur nach genauer Anweisung des Herstellers arbeiten.
Desweiteren haben wir als weitere Bauteile die Kurbelwelle mit ihren Lagern, die Pleuelstangen, die Kreuzköpfe, die Kolbenstangen, die Kolben selber und die Zylinderdeckel. Im weiteren werde ich versuchen die einzelnen Teile sowie den Betrieb der Anlage zu beschreiben, hierbei ist eine gewisse Sprunghaftigkeit nicht auszuschließen, sollte aber die Freude an diesem Thema nicht beeinträchtigen.
Generell ist der Aufbau für den oberen Teil des Motors und im Kurbelraum ähnlich dem einfachwirkenden. Durch den unteren Verbrennungsraum treten aber signifikante Abweichungen auf. So ist hier der Zwischenboden als eine Art Zylinderdeckel ausgeführt. In diesem Deckel befinden sich die beiden Einspritzdüsen und die Stopfbuchse für die Kolbenstange. Weiterhin ist ein Schutz für die Kolbenstange gegen die direkte Feuerfront eingebaut. Allerdings fehlt dem unteren Zylinderdeckel das Anlaßluftventil, es werden nur die oberen Zylinderräume zum Anlassen benutzt.
Bei der weiteren Betrachtung dieser Motoren und ihrer Bauteile sollten wir uns aber die unterschiedlichen Belastungsarten vor Augen halten. Der einfachwirkende Zweitakter hat die Verbrennungsdrücke im Verbrennungsraum, diese bewirken ein Abwärtsgleiten des Kolbens. Dieses zeigt sich als Druckspannung in der Kolbenstange, bei der Auslegung der Kolbenstange ist aber eine Kontrolle auf Knickung nach der Tetmajerschen Formel  vorzunehmen. Diese Kräfte nimmt dann der Kreuzkopf auf, wobei das Pleuel in seinem Kreuzkopflager nur eine geringe seitliche Auslenkung erfährt. Die Krafteinwirkung an der Kurbelwelle ist ebenfalls ,,nach unten", in den Lagern werden hauptsächlich die unteren Lagerschalen beansprucht. Selbst bei der Aufwärtsbewegung bleibt die Druckkraft durch die Verdichtungsarbeit teilweise erhalten. Beim doppeltwirkenden 2-Takter ist dies anders, hier zieht der Kolben im Arbeitstakt des unteren Zylinders an der Kolbenstange. Alle Bauteile, die bisher auf eine Druckbelastung ausgelegt waren, erfahren nun im Wechsel fast eine gleichgroße Zugbeanspruchung. Diese bleibt für die weitere Auslegung dieser Teile nicht ohne Folgen.
6.   Zylinderbuchsen
Die Zylinderbuchse der doppeltwirkenden Motoren war (bei MAN) 3-geteilt. Es gab jeweils einen Teil für den oberen und unteren Feuerraum sowie für den Bereich der Ein- und Auslaßschlitze. Die Fuge zwischen den Ringen war wellenförmig ausgeführt, hierdurch ist ein sicheres Übergleiten der Nut durch die Kolbenringe gesichert. Durch die Materialausdehnung bei der Erwärmung dichteten sie kraftschlüssig ab.
Einfachwirkende 2-Takter besitzen zum Teil ebenfalls (zwei-)geteilte Laufbuchsen, die Gründe hierfür liegen gleichfalls in der leichteren Montage. Wie schon beschrieben sind diese Laufbuchsen mit den Ein- und Auslaßschlitzen versehen. Wie viele Schlitze ausgeführt werden sowie ihre Abmessungen ist zum einen aus dem Luftbedarf zu ermitteln und zum anderen ein konstruktives Merkmal. Die Zylinderbuchse ist von außen wassergekühlt, das Zylinderkühlwasser ist das wichtigste Kühlwasser im Motor. Jetzt ist aber die thermische Belastung in den Stegen zwischen den Auslaßschlitzen am höchsten. Anfangs waren diese Stege nicht gekühlt, was zu Verformungen bzw. Ausbeulungen nach außen führte. Die Folge war ein Spalt zwischen den Stegen und den Kolbenringen. Diese mechanische Be- und Entlastung der Ringe brachte einen erhöhten Verschleiß. Letztendlich löste man das Problem durch Bohrungen in den Stegen für das Kühlwasser.

Fortsetzungen sollen folgen.

[FAUN]

Fortsetzung

7.   Kolben
Die Kolben von Kreuzkopfmotoren werden mehrteilig ausgeführt. So haben wir die Kolbenkrone mit dem sich anschließenden Kolbenhemd. Bei den einfachwirkenden 2-Taktern übernimmt dieses ein Teil der Kolbenführung. Obwohl der Kreuzkopf die bei Tauchkolbenmotoren auftretenden Gleitbahndrücke gegenüber der Laufbuchse aufnimmt, kommt es auch beim 2-Takter zu einem Anlaufen der Kolben in der Zylinderlaufbuchse. Die Führung der Kolben sollte deshalb durch gut gleitende Werkstoffe erfolgen. Für eine ausreichende Schmierung muß gesorgt werden. Wie bereits vorstehend angesprochen, kann die Schmierung der Kolben problematisch werden.Da bei den Kreuzkopfmotoren eine Trennung durch den Zwischenboden oder dem unteren Zylinderdeckel erfolgt, kann nicht wie beim kleineren 4-Takt-Tauchkolbenmotor mit einer Plantschschmierung für die Kolben gearbeitet werden. Größere bis große 4-Takter haben deshalb Schmierölanstiche im Zylindermantel. Diese Lösung setzt man auch bei den Kreuzkopfmotoren ein. So weist der Zylindermantel auf seinem Umfang eine Reihe von Bohrungen auf, durch diese Anstiche wird über separate DruckschmierapparateZylinderöl eingedrückt.
Dieses Zylinderöl ist nicht mit dem Umlaufschmieröl zu verwechseln. Es wurden in der Zeit nach dem 2. Weltkrieg immer höhere Anforderungen an diese Öle durch den vermehrten Einsatz von Schweröltreibstoffen gestellt. Schweröle haben einen erhöhten Aschegehalt, außerdem ist der Schwefelanteil auch heute noch bei einigen Sorten erheblich. Zwar läßt sich der Aschegehalt durch das Separieren senken, die mechanische und korrosive Beanspruchung bleibt. Während des Studiums prägte einer der Professoren für einen der abrasiven Stoffe den Begriff Vanadiumvanadylvanadat (Salze der Vanadium-Säure), dieses führt unter anderem zum vorzeitigen Verschleiß der Kolbenringe. Dem Schwefel und seiner korrosiven Wirkung wird durch alkalische Anteile begegnet, deshalb nannte man die Zylinderöle früher auch vereinfacht ,,Alkalische (Zylinder-)Schmieröle". Für 4-Takter wählt man gleich legierte HD-Öle, in denen werden die Verbrennungsrückstände durch Detergents in der Schwebe gehalten. Dieses Öl wirkt auch der Verkokung der Kolben entgegen.
Die richtige Dosierung der Zylinderölmenge ist sehr wichtig. Es gibt zur Berechnung Formeln, die die Menge in g/kWh zur Leistung und der Dichte in Bezug setzten. Die 2-Takter haben einen höheren Zylinderölverbrauch als ein vergleichbarer 4-Takter hätte, dieses ist in den Verlusten an den Ein- und Auslaßschlitzen begründet. Eine Folge davon ist das Eindringen von Schmieröl in den Spülluftkanal. Dieses kann bei Durchschlägen der Abgase während des Ladungswechsels durch die Einlaßschlitz zu Bränden in dem Kanal führen. Auch findet sich hier die Ursache für die Verkokung der Einlaßschlitze, mit dem dadurch bedingten Querschnittsverlust. Letzterer hat dann eine verminderte Spülluftzufuhr zur Folge. Diese Verkokung tritt auch an den Kolbenringen auf, sie sitzen dadurch fest beziehungsweise haben eine eingeschränkte Dichtwirkung.
Neben der Führungsfunktion übernimmt das Kolbenhemd auch die Steuerung, sprich: das Öffnen und Verschließen der Ein und Auslaßschlitze bei der Hubbewegung des Kolbens. Ansonsten würden diese Schlitze nach Überfahren durch die Kolbenkrone im unteren Teil komplett offen bleiben. Für die Einlaßschlitze ist zwar eine Öffnungszeit gewünscht, Frischluft soll aus dem Spülluftkanal in den Raum unter dem Kolben strömen, die Auslaßschlitze müssen jedoch dicht sein. Das Kolbenhemd ist zum besseren Gleiten mit einem oder mehreren Führungsringen versehen. Diese sind aus Grauguß mit, je nach Belastung, ein oder zwei eingelegten Bleibronzegleitringen ausgestattet. Gleiches ist an der Kolbenkrone anzutreffen. Diese ist erhöhten Belastungen ausgesetzt, neben der Gasdruckbelastung kommt die thermische Belastung hinzu. Bei größeren Kolbendurchmesser kann das Verhältnis bei 1:3 (Gasdruck zu thermisch) liegen. Die Belastung setzt sich bis in den Flansch der Kolbenstange fort und kann dort zum Reißen der Befestigungsschraubenführen. Sie sind als Dehnschrauben ausgeführt. Wenn aber bei ihnen der Dehnanteil zu kurz gewählt wurde, so kommt es zum Abriß durch die Formänderungsarbeit in der Kolbenkrone.
Die 2-Motoren sind generell als Langhuber ausgelegt, d.h., der Kolbenhub steht zum Kolbendurchmesser in einem Verhältnis von > 1:1. Motoren mit einem Verhältnis von <1:1 heißen Kurzhuber, stehen sie direkt im Verhältnis von 1:1 so sind sie quadratisch.
Um die thermische Belastung zu reduzieren sind die Kolben gekühlt. Bei einfachwirkenden 2-Taktern wurde hierzu Kühlwasser oder Öl benutzt, die doppeltewirkenden hatten überwirkend eine Ölkühlung. Früher war die Kolbenstange hohlgebohrt, über den Kreuzkopf bzw. am Kreuzkopf wurde das Öl über Gelenkrohre, Wasser über Posaunenrohre, die in Windkessel eintauchen, zu- und abgeführt. Die Ölkühlung hatte den Vorteil, daß bei Leckagen kein Wasser im Triebwerksraum austrat. Nachteilig ist jedoch die geringere Wärmekapazität des Öls zum Wasser (~50%) und der hierdurch bedingte höhere Kühlmittelumlauf. Als Vergleich hier die ungefähren Durchflußmengen im Kolben in l/PSeh für Wasser 9-12 und Öl 18-25. Das Kühlöl entstammt dem Umlaufölkreislauf, da diese Öle nicht so leicht verkoken.Bei den späteren einfachwirkenden Motoren erfolgt die Kühlwasserzuführung über separate Posaunenrohren. Hierbei fährt je ein Rohr für den Zu- bzw. Abfluß und am Kolbenbefestigt (zug-)posaunenartig in zwei stehende, am Zwischenboden festgeschraubte Rohre ein und aus. Die stehenden Rohre ragen dabei in den Triebwerksraum. Die Abdichtung zwischen den festen und den beweglichen Rohren übernehmen Posaunenrohrstopfbuchsen.
Die Kolbenkrone nimmt als Abdichtung des Verbrennungsraumes die Kolbenringe auf. Diese können aber auch in einem separaten Trägerkörper eingebracht werden. Die Anzahl beträgt zwischen 5 und 7, sie können ein- oder mehrteilig sein. Die Kolbenringe sind in Nute eingepaßt, hierbei haben sie Höhen- und Radialspiel (Höhenspiel 0,2-0,4 mm). Dieses Spiel bewirkt, daß der Gasdruck hinter den Ring gelangt und somit den Ring verstärkt an die Laufbuchse drückt. Dieser Druck ist beim 1. Ring am stärksten und schwächt sich zu den anderen Ringen hin ab. Gleichzeitig bewirkt der höhere Andruck, daß der Verschleiß beim obersten Ring am höchsten ist. Geringere Ringhöhen vermindern den Andruck und den Drosseleffekt zu den anderen Ringen, höhere Ringe verstärken beides. Hier ist also die Ringhöhenauswahl mitentscheidend für die Lebensdauer des obersten Ringes. An den Stößen sollte im kalten Zustand beim Einbau ein Stoßspiel vorhanden sein, je nach Durchmesser zwischen 2 und 5 mm. Früher war es üblich die oberen Ringe zu arretieren, dadurch wollte man ein Wandern der Stoßstelle in den Bereich der Ein- und Auslaßschlitze verhindern. Sollte dieses dennoch geschehen, kam es zu einem Aufspringen der Stöße und damit zum Brechen der Ringe.
Kolbenringe müssen an ihren Anlageflächen gebrochene Kantenhaben, scharfe Kanten führen zum Abstreifen des Schmierölfilmes, deshalb ist bei einem Kolbenringaustausch auch unbedingt die Vorgabe des Herstellers zum Einfahren der Maschine zu beachten. Die Ölabstreifringe sitzen gewöhnlich tiefer im Kolbenhemd.
Doppeltwirkende 2-Takter haben im Gegensatz zu den einfachwirkenden oben und unten jeweils eine Kolbenkrone, das Zwischenstück ist dementsprechend kurz ausgeführt. Auch hier soll das Kolbenhemd die Schlitzsteuerung übernehmen. Da die thermische Belastung hier noch höher ist, kommt der Kühlung eine wichtige Rolle zu. Das Kühlmittel wird hierbei durch die Kolbenstange zuerst in den oberen Kolbenteil geleitet, fließt von hier über ein Verbindungsrohr in den unter Kolbenteil und durchströmt diesen, anschließend steigt es wieder in die obere Krone auf, durchströmt ebenfalls diese und wird über die Kolbenstange nach unten abgeleitet. Neben Öl wurde auch hier Wasser als Kühlmittel eingesetzt. Zeitlich bewegen wir uns auch in einer Zeit, da Seewasser direkt zur Kühlung benutzt wurde. Bei Seewasserkühlung war zu beachten, daß das Wasser nicht über 45°C aufgewärmt wurde, da ansonsten bereits Salzablagerungen zu verzeichnen sind.

[t-geronimo]

Wäre das, aufgepeppt vielleicht mit einigen Zeichnungen oder Fotos, nicht auch was für einen schönen Artikel im  HMA? 

[Peter K.]

... unbedingt! 

[FAUN]

Fortsetzung:

8.   Zylinderdeckel
Bei der Konstruktion ist besonders Wert auf die Materialauswahl zu legen. Es tritt in den Deckeln eine Kombination von Wärme- und Druckspannungen auf, hier ähneln die Verhältnisse denen in den Kolbenkronen. Mit steigenden Zylinderdurchmessern wachsen die Druckbelastungen quadratisch und die Wärmebelastungen überproportional. So werden Lösungen mit zweiteiligen Deckeln gesucht, bei denen der untere Teil aus Stahlguß als Zylinderraumabschluß die thermische Belastung aufnimmt, der aufgeschraubte obere Teil die Druckbelastung. Lezterer kann deshalb aus Grauguß ausgeführt werden. MAN ging in diese Richtung. Die Kühlwasserüberleitungen vom Zylinder zum unteren Teil des Deckels werden hierbei durch seitlich angebrachte Rohrkrümmer erreicht. Der obere Teil blieb ungekühlt. FIAT ging einen anderen Weg und verbaute z.B. einteilige Stahlgußdeckel deren Kühlwasserzufuhr direkt vom Zylindermantel über Bohrungen erfolgte. Letzterer Deckel wird mit 24 Stiftschrauben (Stehbolzen) bei einem Zylinderdurchmesser von 750 mm gehalten. Das MAN-Beispiel hat bei 780 mm Durchmesser 12 Schrauben zur Verbindung mit dem Zylinder. Um diese Schrauben bzw. die Muttern zu lösen gab und gibt es verschiedene Methoden. Eine ist die der hydraulischen Längung. Hierbei wird auf das oben überstehende Stiftgewinde eine weitere Mutter aufgesetzt. Sie stützt sich über einen Hydraulikzylinder in Rohrform (dieser wird über die Befestigungsschraube gestülpt) auf dem Zylinderdeckelrand ab. Wird jetzt der Hydraulikzylinder aufgepumpt, drückt er die zweite Mutter nach oben und längt dabei den Stehbolzen. Diese Streckung reich aus, daß die Befestigungsmutter mit einem Dorn, die Mutter hat in jeder ihrer 6 Seitenfläche eine Bohrung, gelöst und dann von Hand abgeschraubt werden kann. Bei der Montage geht man genauso vor. Damit das richtige Anzugmoment erreicht wird, zieht man die Mutter handfest an und markiert die Stellung einer Schraubenseite mit Kreide auf dem Deckel, auf der Mutter wird eine zweite Markierung, um z.B. ¾ des Mutterumfangs zurück,aufgebracht. Wird der Stehbolzen jetzt hydraulisch gelängt, kann die Mutter so weit gedreht werden, daß beide Markierungen übereinanderstehen. Mit dem Lösen der Hydraulik sitzt die Mutter jetzt mit dem vorgegeben Drehmoment fest. Ähnlich verfährt man bei einem anderen Verfahren, jedoch längt man die Bolzen hier durch das Einschieben von Heizstäben in Bohrungen in den Bolzen direkt. Durch die Wärmedehnung sind die Muttern dann von Hand zu lösen. Die Montage wie oben beschrieben.
Wie bereits erwähnt, befinden sich in den Zylinderdeckeln die Einspritzdüsen, die Anlaßventile, die Sicherheitsventile und die Indikatorhähne, bei den doppeltwirkenden Motoren sind im unteren Deckel nur die Einspritzdüsen und die Sicherheitsventile. Die Sicherheitsventile sollen einen Überdruck im Zylinder verhindern, im engeren Sinne kann dieser Fall nur beim Anlassen auftreten. Hier kann es durch Fehlmanöver zu einer Ansammlung von Treibstoff führen, der dann explosionsartig verbrennt. Die Indikatorhähne sind zum Indizieren notwendig, durch Aufschrauben des Indikators können Leistungsbilder, sog. Bananen, gezogen werden. Um saubere ,,Bananen" zu erhalten, kann der Indikator an das Indiziergestänge angehängt werden, dadurch stimmt der zeitliche Ablauf mit der Kolbenbewegung überein
Hier vielleicht ein kleiner Ausflug in die Leistungskontrolle. Um die Motorenleistung und die einzelnen Zylinderleistungen zu ermitteln, steht als ,,Meßgerät" der Indikator zur Verfügung. Bei diesem wird ein Millimeterpapier auf eine Trommel gewickelt, ein Zeiger, der über eine federbelasteten Feder in senkrechter Richtung bewegt wird, zeichnet den Druckverlauf im Zylinder auf. Dreht sich die Trommel dabei im Sinne der Kolbenbewegung nach links bzw. rechts, so entsteht ein Bild, das an eine liegende Banane erinnert. Wird nun die Fläche in der Banane bestimmt, mathematisch integriert man die beiden Kurven und zieht die untere Fläche von der oberen ab. In der Praxis benutzt man dazu ein Planimeter. Berücksichtigt man nun die Diagrammlänge und die Federkonstante des Indikators, so kann man mit
P_i = mA_i/l     p_i als mittlerer innerer Druck, m Federkonstante, A_i indizierte Fläche, l Diagrammlänge
F_G,m = p_iA_K  mit F_G,m als mittlere Gaskraft, und A_K als Kolbenfläche
W_i = F_G,ms  mit W_i als innere Arbeit, s als Kolbenweg
P_i = A_K s p_i n z / 102* 60  mit P_i als Innenleistung, n als Drehzahl und z als Zylinderzahl
die Innenleistung des Motors bestimmen.
Wichtig sind hierbei weniger die Gesamtwerte, sondern eher die Werte der einzelnen Zylinder untereinander. Daneben gibt es heute natürlich ständige Überwachungsanlagen, früher nahm man dazu die sog. Abgasmittelwertanlage, diese konnte bei  größerer Abweichung die Maschine automatisch reduzieren. Heute ist sie in den Hintergrund gedrängt.
9.   Einspritzdüse und Brennstoffversorgung
Zu den wichtigsten Bauteilen eines Dieselmotors gehören die Einspritzdüsen. Ihre Aufgabe besteht darin, den unter hohen Druck zugeführten Brennstoff in feinste, nebelartige Tröpfchen zu zerstäuben. Gleichzeitig soll dieser Nebel möglichst gleichmäßig auf den komprimierten Luftinhalt im Brennraum verteilt werden. Hierzu ist es notwendig, daß der Einspritzvorgang nicht schleichend, sondern schlagartig ein-und aussetzt.Jedes langsame Beenden oder gar Nachtropfen verschlechtert die Verbrennung entscheidend, bewirkt eine Verschlechterung des Schmierölfilms an den Zylinderwänden und trägt zu einer verstärkten Abnutzung bei. Unverbrannter Brennstoff ruft auch Verkokungen, insbesondere an den Kolbenringen hervor. Tropfende Düsen sind auch von außen sichtbar, der Schornstein sondert eine starke Rauchwolke ab.Deshalb ging man von den offenen Düsen, hier erfolgte die Einspritzung durch Druckluft, zu den federbelasten Nadelventilen über. Hierbei wird die Nadel durch den Brennstoff erst bei Überschreitung eines bestimmten Druckes geöffnet, sinkt der Brennstoffdruck unter diesen Mindestdruck, so schließt die Nadel wieder.Im Laufe der Zeit steigerten sich die Einspritzdrücke von unter 100 bar bis heute von über 1.000 bar. Bei größeren Dieselmotoren ist, um die Verkokung der Düsenbohrungen zu verhindern, eine Kühlung unumgänglich. Zur Düsenkühlung kann Wasser, Umlauföl oder Brennstoff genutzt werden. Wie schon oben beschrieben, hat Wasser die höchste Wärmekapazität, Umlauföle können durch Leckagen verschmutzen und somit schleichend unbrauchbar werden. Bei der Brennstoffkühlung ist eine separate Umlaufpumpe notwendig, allerdings wird diese Lösung mit dem Einsatz von Schweröl unmöglich. Die abzuführende Wärmemenge liegt bei 2 – 6 kcal/PSeh, aufgeladene Motoren führen prozentual weniger Wärme ab, hier kann der Wert auf 1 kcal/PSeh sinken.
Man konnte die Düsenlochquerschnitte zwar annähernd berechnen, aber die empirische Ermittlung stand damals im Vordergrund. So wurden und werden Düsen mit 6 -10 Bohrungen mit Durchmesser < 1mm gewählt. Der Nadelhub bewegt sich um 1 -1,4 mm. Heutige Großdiesel besitzen, da sie mit Auslaßventilen versehen sind, asymmetrischeDüsenköpfe. Unter den Einspritzsystemen hatte in den 20er/30er- Jahren  das 1918 zum Patent angemeldete Archaouloff-Verfahren (Krupp-Germaniawerft) eine gewisse Bedeutung. Hierbei wird in der Einspritzpumpe der Gasdruck aus dem Zylinder zur Brennstofförderung benutzt. Um bei niedrigen Drehzahlen, hier reichte der Zylinderdruck nicht zur Förderung aus, trotzdem den Brennstoff einspritzen zu können, hatten die Archaouloff-Düsen einen oberhalb angebrachten Entlastungszylinder. Dieser wurde vom Bedienungsstand beim Legen des Anlaßhebels zwangsläufig mitbetätigt. Da dieser Hebel unabhängig von der Füllungssteuerung war, konnte z.B. durch eine Betätigung bei schlechten Brennstoffen der Einspritzzeitpunkt nach vorne verlegt werden.
Bereits zu Beginn der 20er Jahre versuchte man sich an einem sog. Akkumulierungsverfahren. Hier wurde der Brennstoff durch eine oder mehrere Pumpen in einen ,,Aufnehmer" gefördert. Dieser ,,Aufnehmer" besaß ein Überström- und Sicherheitsventil sowieSteuerorgane, welche die notwendige Brennstoffmenge den Einspritzdüsen zuleitete. Der Vorteil lag darin, daß die Pumpen mit ihrer hohen Kraftaufnahme in der Nähe der Kurbelwelle sitzen konnten, das Steuerorgan aber mit kurzer Förderleitung nahe der Einspritzdüse. Heute bezeichnet man so etwas als Commonrail-Verfahren und baut es in fast jedes Auto, aber auch Großdiesel, ein.

[bodrog]

die sog. Posaunen hätte ich mal gern als Bild, da von Problemen davon schon immer während des WK I bei den U-Booten berichtet wird - ich aber keine rechte Vorstellung davon habe....

[FAUN]

die sog. Posaunen hätte ich mal gern als Bild, da von Problemen davon schon immer während des WK I bei den U-Booten berichtet wird - ich aber keine rechte Vorstellung davon habe....

Waren die Motoren nicht 4-Takt-Tauchkolbenmotoren, also ohne Kreuzkopf?

[olpe]

Hallo,
kleiner Blick in eine Dokumentation über Wätsilä- bzw. Sulzer Schiffsdieselmotoren (Fertigung und Einsatz) ... passend zum thread-Thema ... 

Schiffsmotoren – Meeresgiganten im Zweitakt - Dokumentation von NZZ Format (2006)

Auch interessant:
Das Gießen eines Schiffsdieselmotorblockes bei MAN Diesel & Turbo, Augsburg

Beides recht sehenswert ...
Grüsse
OLPE

[FAUN]

Fortsetzung:

Um die notwendigen Einspritzdrücke und die jeweiligen Einspritzmengen in den Düsen zu erzeugen bzw. zu befördern werden Einspritzpumpen benötigt. Dieses sind Kolbenpumpen die seitlich am Motor angebracht sind. Der Antrieb erfolgt über eine Steuer- (Nocken)welle. Je nach Ausführung wird diese Steuerwelle auch für die Steuerung  der Anlaßventile, und bei 2-Taktern mit Auslaßventil sowie bei 4-Taktern für die Ventilsteuerung benutzt.Gleichfalls wurde sie zum Antrieb der Nachladeschieber verwendet. Die Nockenwelle kann über ein Zahnradgetriebe oder eine Steuerkette von der Kurbelwelle aus angetrieben werden. Für die Positionierung dieser Antriebe gibt es keine Vorgaben, aber gewöhnlich werden die Abtriebsseite des Motors oder bei Großdiesel auch eine Mittellage, z.B. bei einem 8 Zylinder-Motor zwischen Zylinder 4 und 5, gewählt. Für die Wahl, ob Getriebe oder Steuerkette, ist der Abstand zur Kurbelwelle maßgebend. Liegt die Nockenwelle relativ niedrig, so wird eher ein Getriebe verwendet.
Die Einspritzpumpen werden einzeln, paarweise oder in Blockform ausgeführt. Im Prinzip arbeitet ein Kolben (Plunger) in einem Zylinder. Der volle Hub entspricht der 2 – 3-fachen Normalbrennstoffmenge, zu bedenken ist allerdings, daß die Einspritzdauer nur etwa 20 – 45° Kurbelwinkel entspricht. Um eine Vorstellung der Zeiten zu erhalten, hier eine Berechnung:
Gegeben sei ein Mittelschnelläufer mit n = 600 U/min und einem Einspritzwinkel α_E = 40° Kurbelwinkel

Einspritzzeit t_E =Einspritzwinkel α_E° /360° * Drehzahl n = 40° min / 360° * 600 = 40° * 60s / 360° * 600 = 0,011s

Die Einspritzdrücke wurden mit der steigenden Motorenleistung ebenfalls laufend erhöht. Der Zusammenhang erklärt sich aus der größeren Brennstoffmenge, Um diese zu einer guten Verbrennung zu führen muß die Vernebelung durch die Düsen gleichgehalten oder verbessert werden. Da auch die Zylinderdurchmesser stiegen, bleibt nur noch eine Druckerhöhung um den Brennstoffstrahl diesem anzupassen. Die geforderte Leistung für diese Pumpleistung läßt sich aus folgender Formel ermitteln:

N_p = 15*d²*p*v /10⁸ in PS.

Hierbei ist N_p = Antriebsleistung der Pumpe, d = Durchmesser des Plungers, p = Druck in der Kraftstoffpumpe in kg/cm² und v = Geschwindigkeit des Plungers in mm/sec.

Werden hier Zahlen eingesetzt, so findet man einen Leistungsbedarf der gesamten Steuerwelle von 3 – 6 % der Motorleistung. Gleichzeitig ergeben sie  nach der folgenden Gleichung für den Durchmesser der Steuerwelle:

d_st = 154* 3. Wurzel aus (N_res/n) in mm.

Hierbei ist N_res die resultierende Leistung der angetriebenen Elemente in ihrer zeitlichen Reihenfolge, bzw. deren Überschneidung. Die max. zulässige Torsionsspannung von τ_max = 100 kg/cm² ist in der Gleichung bereits berücksichtigt.
An dieser Stelle möchte ich eine kurze Betrachtung der Frage Getriebe oder Steuerkette einfügen. Damit verlassen wir zwar etwas den Bereich der Einspritzpumpen, aber es treten dabei allgemeingültige Aussagen auf, die im Zusammenhang mit evtl. Getriebebetrachtungen von Nutzen sein können.
Zahnradgetriebe halten ihre Genauigkeit auch bei längeren Laufzeiten, Ketten längen sich dagegen, Ketten können wiederum größere Abstände überbrücken. Entscheidet man sich für ein Getriebe, so sind in diesem die Zähne auf Biegung und Flächenpressung berechnet werden. Bei Graugußrädern kommt hauptsächlich die Biegung, bei Stahlräder die Flächenpressung in betracht, allerdings sollten sie auch auf Biegung kontrolliert werden. Hierzu wird die sog. Bachsche Formel verwendet:

σ_b = P / α*b*t in kg/cm²

mit σ_b = Biegespannung, P = Umfangskraft, α = Abhängigkeitswert aus Zähnezahl des großen und kleinen Zahnrades 0,07 -0,2, b = Zahnbreite und t = Teilung

durch Umformung erhält man die Gleichung für den Modul m in mm:

m= 2,4*10⁶*N_res / α*b*v*σ_b*ή 

mit N_res = resultierende Normalkraft an der Zahnflanke kg, v = Umfangsgeschwindigkeit in mm/sec und ή = Anzahl der gesamten Eingriffsstellen im gesamten Zahnradtrieb, je Eingriffsstelle = 0,99

Jetzt kann man aus der errechneten Spannung und der Umfangsgeschwindigkeit über Diagramme den zugehörigen Werkstoff ermitteln. Der Modul m gibt uns die Möglichkeit zur Festlegung der fehlenden Zahnradabmessungen.
Für die Flächenpressung gibt es folgende Gleichung:

σ = 18,5 *10⁶* Wurzel aus (N_res*(i+1)/b*n*ή*i)  / d_t in kg/cm²

i = Übersetzungsverhältnis und d_t = Teilkreisdurchmesser

für schrägverzahnte Räder gilt allerdings:

t_s = t / cos β  für die Teilung und b_s = b / cos β mit dem Zahnwinkel β.

Hieraus läßt sich ableiten, daß kleinere, schräge Zähne besser sind als große, gerade. Von der Herstellung sind sie einfacher herzustellen und laufen ruhiger, nachteilig ist aber die axiale auftretende Kraft.
Bei dem Kettentrieb geht man von der zu übertragenden Leistung und der Drehzahl aus, die anderen Daten ergeben sich aus Nomogramme der Hersteller. Wichtiger sind hier fast die konstruktiven ,,Eigenheiten". So ist die Kette vor dem Auflaufen des unteren Ketterads von der Innenseite zwischen den Laschen intensiv zu schmiert. Dieses geschieht durch das Aufspritzen von Drucköl, für jede Laschenseite separat, also bei einer einfach Kette mit zweien, bei einer Doppelkette mit dreien usw. Nach Herstellerangaben ist von 10, 20 oder 30 l/h und  je Zoll Kettenteilung bei den 1-, 2- und 3-fach Ketten auszugehen. Dieses sind aber mindest Mengen, in der Praxis nahm man noch einmal das 3-fache.
Die Kettenräder sollten möglichst groß gewählt werden, 19 Zähne geben scho ein Minimum vor, bei den Teilungen sollten Primzahlräder gewählt werden, dieses vermeidet die Übernahme von Motorschwingungen und bietet keinen Resonanzmasse. Als Umschlingungswinkel galten für das Treibrad 120°, für das getrieben 90° und für Spannrollen 45°. Die Kettenlänge sollte das Mehrfache zweier Kettenteilungen sein, also keine ungerade Anzahl der Glieder. Die Kettenräder müssen fluchten, die Spannrollen müssen so angeordnet sein, das ein phasengleicher Lauf zwischen An- und Abtriebsräder auch bei der noch zulässigen Längung von <zweier Kettengliederlänge erreicht wird.
Soweit die Exkursion in die Getriebefrage und nun zurück zu den Einspritzpumpen. Um dem jeweiligen Lastzustand gerecht zu werden, muß die Fördermenge geregelt werden. Hierzu hatten sich 4 Verfahren herausgebildet. Die, auch heute, allgemein genutzte Regelung ist die Drehstempel- oder Schrägschlitzüberströmregelung. Weiterhin gibt/gab es die Regelung durch Saug- und Überströmventile (auch beide gemeinsam), und in seltenen Fällen die Regelung durch Veränderung des Stempelhubes. Neben der Menge ist bei Drehzahländerungen auch der Einspritzzeitpunkt zu regeln. Wird bei Drehzahlreduzierungen der Zeitpunkt nicht reduziert, so kommt es zur verfrühten Einspritzung und dem entsprechend zu einer ungewünschten Verbrennung. Hierzu gibt es die Möglichkeit bei der Ventilsteuerung die Zeiten zu ändern bzw. bei der Drehstempelregelung die Ausführung der oberen Kante des Pumpenstempels als Kurve.

[FAUN]

Fortsetzung:

1.   Brennstoffe
Leider zeigte sich bei den Brennstoffen in der geschichtlichen Entwicklung keine einheitliche Bezeichnung ab, es ging sogar soweit, daß für verschiedene Brennstoffe im Laufe der Zeit gleiche Namen verwendet wurden. Was heute als Heizöl oder Diesel bezeichnet wird, wurde früher als Gasöl eingesetzt, das damalige Heizöl läuft heute unter Schweröl und das ehemalige Dieselöl ist heute der Marinediesel. So kann man die damaligen Brennstoffe wohl am besten nach Herkunft und unterem Heizwert H_u unterscheiden.

Mineralische Öle:
1.   Gasöl (Dieselkraftstoff): Destillat aus Erdöl, spez. Gew. = 0,83-0,85, H_u = 10.150 kcal/kg
2.   Dieselöl (Marinediesel): Mischung aus Gasöl und Rückständen, spez. Gew. = 0.86-0,92, H_u = 10.050 kcal/kg
3.   Heizöl (Schweröle bzw. Rückstandsöle): spez. Gew. bis 0,97, H_u < 9.800 kcal/kg

Schieferöle:
Produkte der Ölschieferdestillation, H_u ~ 10.000 kcal/kg
Teeröle:
1.   Braunkohleteeröl, Destillat aus Braunkohleteer, H_u = 9.800 kcal/kg
2.   Steinkohleteeröl, Destillat aus Steinkohlenteer, H_u = 9.000 kcal/kg, nur bedingt in Dieselmotoren einsetzbar

Pflanzenöle

Synthetische Öle:
Sie sind gasölartig, nach Fischer-Tropsch- oder I.G.-Farben-Verfahren hergestellt. Teilweise besser als Gasöle, H_u = 10.500 kcal/kg

Wichtig ist auch die Frage der Viskosität, höher viskose Brennstoffe müssen beheizt werden, dieses geht vom Bunkertank bis zu den Einspritzpumpen und den Einspritzdüsen. Daneben sind korrodierende Wirkungen der Brennstoffe ein wichtiger Faktor, so mußte z.B. bei der (seltenen) Verwendung von Steinkohleteeröl, alle Teile der Einspritzanlage aus korrosionsfestem Werkstoff hergestellt werden.

Das spez. Gewicht bzw die Dichte ρ kann überschlägig in einer Zahlenwertgleichung zur Bestimmung des Heizwertes herangezogen werden. Da wäre in kJ (4,1868 Kilojoule = 1 kcal oder 1 kJ = 0,239 kcal):

H = 27.600 kJ/kg + (12.550 kJ/dm³ / ρ)  in kJ/kg

Eine Beispielrechnung mit ρ = 0,87 kg/dm³ soll den Heizwert H zeigen:

H = 27.600 kJ/kg + (12.550 kJ/dm³ / 0,87 kg/dm³) = 27.600 kJ/kg + 14.280 kJ/kg = 41.880 kJ/kg

Neben der Dicht spielt die Temperatur auch eine Rolle, bei den temperierten Schwerölen eher als bei Dieselöl, aber es ist schon beim Bunkern ein wichtiger Faktor. Die Dichte wird auf 15°C bezogen, ist jetzt das Bunkeröl wärmer oder kälter, so wird pro Grad als Mittelwert 0,0007 kg/dm³  (bzw. t/m³) hinzugezählt oder abgezogen.
Hier ein Beispiel mit folgenden Vorgaben:

Es werden 2.000 m² Brennstoff mit 32°C gebunkert. Die Dichte bei 20°C gibt die Bunkerbarge mit ρ20°C = 0,85 t/m³ an. Wieviel Tonnen werden infolge der höheren Temperatur weniger gebunkert bzw. zuviel bezahlt?

Ρ_32°C = ρ_20°C – ((32°C – 20°C) / °C) * 0,007/ t/m³ = 0,85 t/m³ - 0,0084 t/m³ ≈ 0.841 t/m³

==>   m =  V (ρ_20°C – ρ_32°C) = 2.000 m³ * 0.0084 t/m³ = 16,8 t

Wird jetzt die Tonne Schweröl mit 700 US-$ angesetzt, so bezahlt der Reeder/Charterer 11.760 US-$ zuviel. Das Problem liegt auch darin, daß die Bunkerbarge bzw. die Bunkerstation einem die Abgabemenge in m³ mitteilt, man aber selber durch das Peilen und den Tanktabellen meistens die Werte in t erhält. Den Chief Mate interessieren auch mehr die t als die m³ - Angaben bei der Stabilitätsberechnung.

Vielleicht sollte an dieser Stelle einmal der Brennstoffweg an Bord beschrieben werden? Dieses Thema hat zwar nicht direkt etwas mit den Motoren zu tun, könnte aber trotzdem von Interesse sein.  Die Bunker, jetzt auf Frachtschiffe bezogen, befinden sich in Doppelböden unter den Laderäumen und in Seitentanks im Maschinenraum. Hierbei gibt es eine Regel des GL (Germanischer Lloyd), daß bei seegängigen Schiffen ca. 10 % der Bunkermenge in einer Zulaufhöhe zur Maschine sein muß. Damit soll in Notfällen immer noch ein gewisser Brennstoffvorrat abgesichert sein. Die Doppelbodentanks sind zuerst aufzubrauchen, hiermit versucht man die Gefahren bei Kollisionen oder Grundberührungen zu vermindern. Sollte aus irgendwelchen Gründen hiervon abgewichen werden und auf die Hochtanks zu gegriffen werden, so sind, sobald wie möglich, durch umpumpen letztere wieder aufzufüllen. Für die Tankheizung bei Schweröl setzt man ≈ 0,1 m² Heizfläche / 1 m³ Tankvolumen in den Doppelböden und ≈ 0,07 m² in den Hochbunkern an.

Vom Bunkertank wird der Brennstoff in den Setztank umgepumpt. Hier soll sich, wie der Name schon sagt, der Brennstoff und die darin enthaltenen Verunreinigungen setzen. Insbesondere soll sich hier Wasser ausscheiden. Die Größe des Tanks entspricht in etwa einem Tagesbedarf. Von hier aus geht der Brennstoff über den/die Separatoren in den Tagestank. Gewöhnlich gibt es hiervon zwei, sie werden wechselseitig benutzt. Die Separatoren laufen im Hand- oder Automatikbetrieb. In ihnen läuft der Brennstoff über sich schnell drehende Blechtellerpakete (in Kegelstumpfform) Dabei wird das schwerere Wasser und der Schmutz nach außengeschleudert. Damit sich hier eine Trennung ergibt, ist in einem äußeren Ring ein sog. Wasserschloß, quasi ein Wasserring. Der Brennstoff steigt nach oben und läuft aus dem Separator heraus, das Wasserschloß wird mit dem ausgeschleuderten Wasser aus dem Brennstoff und dem Schmutz in regelmäßigen Abständen seitlich entleert, bzw. der Separator wird ,,abgeschossen". Vorher ist die Brennstoffzufuhr unterbrochen worden, nach dem Abschießen und dem Neuaufbau des Wasserschlosses wird die Brennstoffzufuhr wieder geöffnet. Der Separator übernimmt auch gleichzeitig die Umpumpfunktion zu den Tagestanks. Der Separator kann durchlaufen, ein evtl. Überlauf der Tagestanks geht zurück in den Setztank. Im Schwerölbetrieb sind die Tanks und die Leitungen beheizt, da bei den Schwerölen die Dichte nahe bei 1 oder sogar etwas darüber liegt, gibt es für letztere Fälle Separatoren, deren Wasserschloß aus Salzwasser mit einer höheren Dichte besteht. Vom Tagestank gelangt der Brennstoff, bei Schweröl zusätzlich über einen Viskosimaten und einem Vorwärmer, durch Brennstoffzubringerpumpen (Boosterpumpen) zu den Einspritzpumpen. Hier ist der Druck so zu wählen, daß beim Ansaugen der Einspritzpumpenplunger und den dadurch erzeugten Druckabfall ein genügend hoher Druck vorherrscht, da es insbesondere im Schwerölbetrieb sonst zu Ausgasungen aus dem Brennstoff führen kann.

Fortsetzung soll folgen