Neuheiten bei Schiffsantrieben

In den Motorenmarkt ist mit Neu- und Weiterentwicklungen von Diesel- und Gasmotoren Bewegung gekommen, berichtet Hans-Jürgen Reuß

Auf dem Schiffsmotorenmarkt wird sich der Wettbewerb in den nächsten Jahren besonders mit schnell- und mittelschnelllaufenden Motoren im Leistungsbereich bis[ds_preview] 5.000 kW erheblich verstärken. Aber auch neue langsamlaufende Zweitaktmotoren stoßen in diesen Leistungsbereich. Neue und weiterentwickelte Dieselmotoren, die teilweise auch gleich für den Gasbetrieb vorbereitet wurden, weisen gegenüber bislang verfügbaren Antriebs­maschinen erhebliche Verbesserungen auf, die sich in den Lebensdauerkosten und im Umweltschutz zeigen. Man darf gespannt sein, welche Technik sich im genannten Leistungsbereich durchsetzen wird. Auf Getriebe zur Übertragung der Leistung auf einen Propeller sind beide Arten angewiesen, schnelllaufende wie mittelschnelllaufende Motoren. Vorteile bieten die Schnellläufer bei diesel-elek­trischen Anlagen, weil die Generatoren mit vergleichsweise höheren Drehzahlen laufen können und daher wesentlich leichter werden. Hier nun die Neuheiten im Detail:

Anglo Belgian Corporation

Rechtzeitig zum hundertjährigen Bestehen des Unternehmens präsentierte die Anglo Belgian Corporation, kurz ABC genannt, eine neue Motorenbaureihe, mit der sie ihr Programm in der Leis­tung deutlich nach oben ausweitet. Bislang stellt das Unternehmen mittelschnelllaufende Dieselmotoren für Schiffsantriebe im Leis­tungsbereich von 276 bis 3.732 kW her. Mit den Motoren der neuen Baureihe DL 36 können Leistungen bis zu 5.200 kW angeboten werden.

ABC wurde 1912 von George Carels, der mit Rudolf Diesel befreundet war, und einigen Partnern in Gent gegründet und lieferte 1913 den ersten Dieselmotor aus. Dieser konnte eine Leistung von 14 PS (10,3 kW) abgeben. Ab 1920 kamen Zweitaktmotoren für stationäre Anwendungen hinzu. Abgesehen von eigenen Entwicklungen konnte das Programm mit Lizenznahmen von Paxman (1935) und SEMT Pielstick (1973) erweitert werden. Die Motoren der bekannten Baureihen DX und DZ kamen 1969 bzw. 1980 ins Programm. Seit 1985 befindet sich die Gesellschaft im Besitz der

in Luxemburg ansässigen Ogepar-Gruppe, zu der seit 1999 auch der deutsche Hersteller von Abgasturboladern KBB Kompressorenbau Bannewitz in Dresden gehört.

Die Motoren der neuen Baureihe DL 36 haben eine Bohrung von 365 und einen Hub von 420 mm und damit ein recht konventionelles Verhältnis von Hub zu Bohrung. In der Standardausführung erhalten sie ein Common-Rail-Einspritzsystem, können jedoch auch mit mechanisch-hydraulischer Direkteinspritzung geliefert werden, dann jeweils mit einer Einzeleinspritzpumpe für jeden Zylinder. Zur Reduzierung schädlicher Emissionen arbeiten sie mit dem Miller-Verfahren und zweistufiger Aufladung sowie Abgasrückführung. Der Mitteldruck beträgt 23,9 bar und die mittlere Kolbengeschwindigkeit nur 10,5 m/s.

Die Mittelschnellläufer können optimal mit Drehzahlen zwischen 600 und 750 min-1 eingesetzt werden und bieten dann in den Ausführungen als Sechs- und Achtzylinder-Reihenmotoren Leistungen zwischen 3.120 und 5.200 kW. Das entspricht Zylinderleis­tungen von 520 bis 650 kW. Die Motoren sind für den Betrieb mit Schweröl bis zu 700 cSt geeignet und für den Wechselbetrieb mit Erdgas unter Verwendung des Zündstrahlverfahrens. Mit den bereits angekündigten V-Motoren mit zwölf und 16 Zylindern wird ABC das Programm auf über 10.000 kW ausdehnen.

Baudouin

Zur SMM stellte der französische Motorenhersteller Moteurs Baudouin seinen ersten Dieselmotor mit Common-Rail-Einspritztechnik vor. Zunächst ist nur ein Sechszylindermotor mit der Baureihenbezeichnung M 19.3 verfügbar, weitere Motoren dürften bald folgen, zumal das Unternehmen damit alle Voraussetzungen zur Erfüllung der heutigen und zu erwartenden Emissionsvorschriften geschaffen hat.

Hinsichtlich Bohrung und Hub entspricht der neue Motor dem alten Sechszylindermotor W 126 M mit 126 bzw. 155 mm. Doch die Unterschiede zwischen den Modellen sind beträchtlich. Sie betreffen vor allem die spezifische Leistung. Die zeitlich uneingeschränkte Dauerleistung des neuen Motors von 331 kW entspricht bereits bei einer Drehzahl von 1.800 min-1 der Spitzenleistung des alten bei 2.200 min-1 und das bei deutlich geringerem spezifischen Kraftstoffverbrauch. Bezogen auf dieselbe Leistung verbraucht der neue Motor nur 199 g/kWh und somit 11 g oder gut 5 % weniger. Entsprechend argumentiert Baudouin, mit dem Motor M 19.3 für die Zukunft gerüstet zu sein. Der Vertrieb der Baudouin-Motoren liegt für Deutschland bei ScanDiesel in Bremen.

Cummins

Auch Cummins präsentierte auf der SMM 2012 einen neuen Motor, dessen Eigenschaften, dem Druck des Marktes entsprechend, weit in die Zukunft reichen. Als ersten Schritt will das Unternehmen einen 16-Zylindermotor auf den Markt bringen, dem ein 20- und vielleicht auch ein Zwölfzylindermotor folgen sollen. Damit dehnt Cummins sein Angebot von rund 2.000 auf etwa 3.500 kW aus und stellt die Weichen für die Überprüfung des gesamten Programms.

Obwohl Schiffsantriebe nicht gerade im Vordergrund der Entwicklungsarbeiten von Cummins stehen, sind die neuen Motoren schon allein aufgrund des hohen Arbeitsdruckes ihres Common-Rail-Systems von größtem Interesse. Bei einem Einspritzdruck von 2.200 bar werden die Unterschiede der Motoren für die verschiedenen Einsatzgebiete zunehmend geringer, als dies in der Vergangenheit der Fall war.

An technischen Daten steht zurzeit noch recht wenig zur Verfügung. Der Hubraum pro Zylinder wird etwa 6 l betragen. Das ist aus der Typbezeichnung abzuleiten, für die Cummins das jeweilige Hubvolumen in Litern mit einer Buchstabengruppe verbindet. Aus QSK 95 – so heißt der neue 16-Zylindermotor – ergibt sich folglich der genannte Wert. Für diesen Motor werden gegenwärtig je nach Drehzahl und Einsatzfall 2.400 bis 3.000 kW genannt. Dazu gehören Drehzahlen zwischen 1.200 und 1.800 min-1. Wie es offiziell heißt, wird das Unternehmen frühestens gegen Ende 2013 weitere technische Daten veröffentlichen. Auch im Rahmen der Präsentation an den AVL-Großmotorentagen in Graz in diesem Jahr wurden von dem betreffenden Referenten keine weiteren Einblicke in die Entwicklung dieser Motoren gegeben.

Hyundai Heavy Industries

Für die Reduzierung einzelner Emissionen aus dem Abgas von mittelschnelllaufenden Dieselmotoren war bislang davon auszu­gehen, dass selbst Kombinationen einzelner Maßnahmen wie zum Beispiel Miller-Effekt mit zweistufiger Aufladung und Abgasrückführung nicht ausreichen, um die Grenzwerte von IMO Stufe 3 einzuhalten. Hyundai Heavy Industries hat auf der AVL-Tagung dieses Jahres nun die Kombination von Abgasrückführung und Anfeuchtung der Ladeluft mit ersten Ergebnissen vorgestellt, nach denen die NOx-Werte in einer experimentellen Untersuchung um 73 % reduziert werden konnten. Danach geht Hyundai davon aus, dass die beschriebene Kombination nach weiterer Entwicklung in der Lage sein wird, die geforderten Grenzwerte von IMO Stufe 3 einzuhalten.

MAN Diesel & Turbo

Eine ähnliche Situation wie bei Cummins gibt es bei MAN Diesel & Turbo. Am letzten Tag der Hamburger SMM kündigte das Unternehmen schriftlich eine neue Baureihe schnelllaufender Dieselmotoren an, mit denen die Lücke zwischen den bislang kleinsten mittelschnelllaufenden Viertaktmotoren aus Augsburg und den größten schnelllaufenden aus dem Programm von MAN Truck & Bus in Nürnberg geschlossen werden soll. Vom Leistungsbereich her gesehen decken sich die angekündigten MAN-Motoren mit den neuen Schnellläufern von Cummins.

Für die neue MAN-Baureihe mit der Bezeichnung D 7 wird ein Leistungsband von 1,5 bis 5 MW bei Drehzahlen zwischen 1.000 und 2.000 min-1 genannt. Nachdem die MAN sich vor einigen Jahren erfolglos an dem Milliardenpoker um die MTU Friedrichshafen beteiligt hatte, an der sie ursprünglich genau die Hälfte der Geschäftsanteile hielt, war dieser Schritt lange erwartet worden. Allerdings werden – wie bei Cummins – noch ein paar Jahre vergehen, bis die ersten Motoren ausgeliefert werden können, denn Bestellungen für die neuen Motoren nimmt das Unternehmen, wie es offiziell heißt, erst ab 2014 an.

Das Zweitaktmotorenprogramm rundet MAN Diesel & Turbo nun mit der Baureihe S 30 ME-B 9 nach unten ab und bietet somit für denselben Leistungsbereich wie den der oben beschriebenen Schnellläufer auch Langsamläufer an. Mit fünf, sechs, sieben und acht Zylindern stehen die Motoren S 30 für Antriebsleistungen von 2.175 bis 5.120 kW bei Drehzahlen zwischen 166 und 195 min-1

zur Verfügung. Bei einer Bohrung von 300 und einem Hub von 1.328 mm handelt es sich um ausgesprochen langhubige Motoren, für die ein spezifischer Kraftstoffverbrauch von 172 bis 176 g/kWh angegeben wird.

Eine Erweiterung hat auch das Wechselmotorenprogramm von MAN erfahren. Zur schon seit einigen Jahren verfügbaren Baureihe 51/60 DF kam mit der SMM die Baureihe 35/44 DF hinzu. Basis dieser Entwicklung ist die Baureihe der Common-Rail-Motoren 32/44 CR, die nachträglich auf den Wechselbetrieb mit Erdgas umgebaut werden können. Zur Verfügung stehen zunächst Reihenmotoren mit sechs bis zehn Zylindern für den Leistungsbereich von 3.060 bis 5.300 kW bei Drehzahlen von 720 bzw. 750 min-1. Der spezifische Kraftstoffverbrauch liegt bei 7.530 kJ/kWh. Im Gasbetrieb halten die Motoren die Grenzwerte gemäß IMO Stufe 3 ein.

MAN Truck & Bus

Aus dem Nutzfahrzeugbereich der MAN-Gruppe sind seit langem schnelllaufende Dieselmotoren erfolgreich als Schiffsantriebe auf dem Markt. Ihr Einsatz beschränkte sich jedoch bislang überwiegend auf den leichten und mittelschweren Betrieb. Auf der SMM stellte das Unternehmen nun den ersten voll klassifizierten Achtzylindermotor für den schweren Betrieb mit einer zeitlich uneingeschränkten Dauerleistung von 441 kW bei einer Drehzahl von 1.800 min-1 vor. Der Motor entspricht hinsichtlich seiner Einspritzanlage dem neuesten Stand der Technik bei Common-Rail-Anlagen und erfüllt damit alle einschlägigen Emissionsschutzregeln. Der Serienanlauf steht unmittelbar bevor, sodass die ersten Motoren im Anfangsquartal 2013 ausgeliefert werden können.

Für den mittelschweren Betrieb (3.000 Betriebsstunden/Jahr bei 30 % Volllastzeit) hat das Unternehmen eine Leistung von 588 kW bei einer Drehzahl von 2.100 min-1 freigegeben. Auch diese Variante des Achtzylindermotors ist voll klassifiziert verfügbar und ab dem ersten Quartal 2013 lieferbar.

Niigata Power Systems

Das aus mittelschnell- und schnelllaufenden Dieselmotoren bestehende Schiffsmotorenprogramm von Niigata umfasst den Leis­tungsbereich von rund 500 bis 6.800 kW. Zur SMM wurde dieses Programm um die Langhub-Baureihe 17 AHX erweitert, deren Motoren aufgrund ihrer Drehzahlen zum Übergangsbereich von Mittelschnell- zu Schnellläufern gehören. Die Bohrung der Motoren beträgt 165 und der Hub 265 mm. Angeboten werden Reihenmotoren mit fünf bis neun Zylindern für den Leistungsbereich von 500 bis 1.125 kW und Nenndrehzahlen von 900 bis 1.200 min-1. Das entspricht Zylinderleistungen von 100 bis 625 kW und Kolben­geschwindigkeiten zwischen knapp 8,0 und 10,6 m/s.

Tognum

Tognum hatte schon vor der SMM angekündigt, dass sie die überarbeiteten langhubigen Varianten der MTU-Motoren aus der Baureihe 4000, die unter der Produktbezeichnung »Ironmen« laufen, auf der Workboat Show in New Orleans präsentieren wolle. Mit acht, zwölf und 16 Zylindern bieten diese Motoren künftig Leistungen zwischen 560 und 2.000 kW. Dazu gehören Drehzahlen bis zu 1.800 min-1. Die Leistungen beziehen sich ausdrücklich auf einen Einsatz unter Einhaltung der US-amerikanischen Emissionsgrenzwerte nach EPA Stufe 3. Da innermotorische Maßnahmen zur Senkung der Schadstoffemissionen offenbar ausreichten, ist laut Tognum keine Abgasnachbehandlung erforderlich. Selbstverständlich erfüllen die Motoren daher auch die Forderungen nach IMO und ZKR der jeweiligen Stufe 2. Hierbei darf nicht übersehen werden, dass mit der 2016 in Kraft tretenden EPA Stufe 4 die Partikelemission derart drastisch gesenkt werden soll, dass aus heutiger Sicht ein Motorenbetrieb ohne Partikelfilter wohl kaum möglich sein wird.

Die Entwicklungen auf dem Gasmotorenmarkt

Die Frage nach alternativen Antrieben zum Dieselmotor wurde an dieser Stelle schon mehrfach gestellt, aufgrund einzelner Entwicklungen, besonders in der jüngsten Zeit in den Niederlanden, blieb und bleibt sie unverändert aktuell. Das gilt nicht nur für die Seeschifffahrt, sondern besonders für die Binnenschifffahrt. Werden die schädlichen Emissionen der Binnenschifffahrt nicht weiter gesenkt, dann sammelt das Nutzfahrzeug Pluspunkte.

Betrachtet man den Motorenmarkt, so ist der Eindruck nicht zu vermeiden, dass die Motorenhersteller sich nur zögernd dem Thema Gasmotoren für die Schifffahrt genähert haben. Ein Blick in die alljährlich von den Zeitschriften HANSA und »Binnenschifffahrt« veröffentlichten Marktübersichten zeigt, dass bislang nur wenige Gasmotoren für Schiffsantriebe zur Verfügung stehen. Wie die Präsentationen auf dem CIMAC-Kongress von 2010 erkennen ließen, waren asiatische Motorenhersteller viel stärker an Gasmotoren interessiert als die traditionsreichen europäischen. Auf der SMM und bei den AVL TechDays in Graz bot sich in diesem Jahr ein ähnliches Bild.

Kawasaki Heavy Industries

In Hamburg kündigte Kawasaki Heavy Industries an, seine seit Jahren im stationären Bereich erprobten Gasmotoren künftig auch als Schiffsantriebe zu liefern. Bereits 2007 stellte das Unternehmen neue Gasmotoren vor, für die Kawasaki unverändert beansprucht, sie seien weltweit die Gas-Ottomotoren mit den besten Wirkungsgraden. Das Programm umfasst derzeit Ausführungen mit fünf bis 18 Zylindern und Leistungen zwischen 2.125 bis 8.010 kW.

Dies entspricht Zylinderleistungen von 425 bis 445 kW. Wie auf der SMM zu hören war, laufen zurzeit die Vorbereitungen für die Klassifizierung dieser mittelschnelllaufenden Gasmotoren. Sie sollen im Laufe des kommenden Jahres für den Einsatz an Bord von Schiffen zur Verfügung stehen.

Für Ausführungen mit variabler Turbinengeometrie der Abgasturbolader nennt das Unternehmen einen besten Wirkungsgrad von 50,3 %. Selbst für halbe Last wird noch ein Wirkungsgrad von 45 % genannt. Die Motoren haben eine Bohrung von 300 und einen Hub von 480 mm. Bei der maximalen Drehzahl von 750 min-1 beträgt die Kolbengeschwindigkeit 12,0 m/s. Reihenmotoren stehen mit fünf bis neun Zylindern und V-Motoren mit zwölf und 18 Zylindern zur Verfügung. Auf dem CIMAC-Kongress von 2010 hatte das Unternehmen noch 14- und 16-Zylindermotoren angekündigt, die jetzt nicht im Programm stehen. Wie es heißt, sollen die Motoren flexibel über einen

breiten Leistungsbereich zwischen 30 und 100 % Last einsetzbar sein. Das spricht für eine Eignung als direkter mechanischer Schiffsantrieb.

Mitsubishi Heavy Industries

Die europäische Niederlassung von Mitsubishi Heavy Industries, die MHI Equipment Europe BV (MEE), aus dem niederländischen Almere, legte erstmals Daten und Fakten zu den Gasmotoren von Mitsubishi vor. Bislang waren diese Motoren nur über einen norwegischen Importeur und den Einsatz der ersten Fähre von Fjord1 mit Gasmotorenantrieb bekannt geworden. Obwohl MEE in den Unterlagen das Miller-Verfahren stark betont, handelt es sich dennoch um Gas-Ottomotoren, die mit Magergemischaufladung arbeiten, was üblicherweise mit Lambda = 1 (Gas-Luft-Verhältnis) erfolgt.

Zur Verfügung stehen die von den Dieselmotorenbaureihen SR und SR-2 abgeleiteten Ottomotoren mit den Bezeichnungen G x SR und G x SR-2. Das sind schnelllaufende Motoren mit einer Bohrung von 170 und Hüben von 180 bzw. 220 mm. Bei Drehzahlen zwischen 1.200 und 1.500 min-1 bieten sie Leistungen von 316 bis 959 bzw. von 394 bis 1.031 kW. Da MEE diese Leistun­gen nur im Zusammenhang mit gas-elek­trischen Antrieben nennt, muss davon ausgegangen werden, dass ein direkter Antrieb der Propeller mit diesen Motoren nicht möglich ist.

Zu beachten ist bei den Mitsubishi-Gasmotoren auch, dass es sich bei den angegebenen Leistungen nicht um Leistungen für den zeitlich uneingeschränkten Dauerbetrieb handelt. MEE nennt für den üblichen Einsatz 3.000 bis 6.000 Stunden pro Jahr mit 60 bis 80 % der Nennleistung. Eine zehnprozentige Überlastleistung ist in Notfällen für maximal 25 Stunden pro Jahr zugelassen. Die Nennleistung der Motoren steht lediglich für drei Stunden innerhalb von jeweils zwölf Stunden zur Verfügung.

Niigata Gasmotoren

Die früher bei Ottomotoren zu beobach­tete unangenehme Eigenschaft, unter bestimmten Bedingungen zum »Klopfen« zu neigen – sei es, weil statt Superbenzin nur Normalbenzin getankt wurde oder weil die Zündanlage schlecht eingestellt war –, ist nach Darstellung von Niigata Power Systems heute noch ein bei Großgasmotoren zu lösendes Problem. Auf der AVL Groß­motorentagung dieses Jahres trug das Unternehmen, ohne auf sein Gasmotoren­programm im Detail einzugehen, wich­tige Gesichtspunkte zur Verminderung der Klopfneigung vor. Die Klopfneigung der Gasmotoren tritt, abgesehen vom Betrieb bei niedriger Last, vor allem bei Beschleunigungsvorgängen auf. Aus diesem Grund lassen bislang nur wenige Hersteller ihre Motoren für den direkten Antrieb zu.

An dieser Stelle muss auf das Mager­gemischverfahren, mit dem die Gas-Ottomotoren arbeiten, eingegangen werden. Angestrebt wird ein möglichst »armes« Kraftstoff-Luft-Gemisch, bei dem Gas und Luft in den jeweiligen Mengen so eingestellt werden, dass von keinem ein Überschuss bei der Verbrennung vorhanden ist. Die Fachleute sprechen von Gas-Luft-Verhältnis Lambda = 1 (gemeint ist das stöchio­metrische Verhältnis). Um das unter allen Betriebsbedingungen zu erreichen, werden Regelsysteme höchster Güte benötigt, mit denen dann auch das Klopfen von vorn­herein vermieden werden kann.

Sandfirden

Auch das holländische Unternehmen Sandfirden ist in das Geschäft mit Antrieben, die Erdgas als Kraftstoff verwenden, eingestiegen. Wie auf der SMM zu hören war, beabsichtigt Sandfirden Container-Stromerzeugungsaggregate auf Basis von Gasmotoren mit Stanford-Generatoren zu liefern. Im Programm stehen gegenwärtig vier Aggregate mit elektrischer Dauerleis­tung von 50 bis 285 kW. Als Antrieb werden auf den Gasbetrieb umgebaute Dieselmotoren von Sisu (Vertrieb in Deutschland über AGCO) und Scania verwendet. Das Unternehmen hat dafür den Magergemischbetrieb und das Ottoverfahren gewählt. Die Aggregate werden betriebsbereit einschließlich der jeweils erforderlichen Gasstrecke geliefert.