Schiffsmotoren der Zukunft von ABB Turbo Systems AG: sauber & effizient

>> In der Schifffahrt stellen strenge Vorschriften zur Emissionsreduktion die Motorenbauer vor neue Herausforderungen. Die weltweit führende ABB Turbocharging in Baden unterstützt Hersteller von Grossmotoren dank einem neu entwickelten Turboladersystem, diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen. Der globale Marktführer bei Turboladern für Motoren mit Leistungen ab 500 kW bis über 80 MW festigt damit die technologische Führungsrolle, die bereits das Vorgängerunternehmen Brown Boveri (BBC) innehatte.

Anbieter zum Thema

Schneider Electric GmbH

FAULHABER SA

technotrans SE

ABB Turbo Systems AG

joe. Das Unternehmen ABB Turbo Systems Ltd. mit Hauptsitz in Baden zählt zu den wichtigsten Geschäftsbereichen des ABB Konzerns. Der Bereich ist auf Turbolader für grosse Diesel- und Gasmotoren spezialisiert. Mit einem Leistungsbereich von 500 kW bis deutlich über 80 MW sind die Motoren zu finden in der Schifffahrt, bei der Erzeugung von Strom an Land und auf See sowie beim Antrieb von Schienenfahrzeugen, grossen LKW im Bergbauwesen und bei der Gasverdichtung in Erdgaspipelines.

ABB Turbo Systems Ltd., auch ABB Turbocharging genannt, ist mit rund 200 000 installierten Turboladern für Grossmotoren deutlicher Marktführer und in einem sehr internationalen Business mit Werken in der Schweiz, Indien und China sowie mit über 100 Servicestationen in mehr als 50 Ländern tätig. Darüber hinaus zeichnet sich ABB Turbocharging als Vorreiterin bei technischen Innovationen aus. Sie ist zu Recht stolz darauf, nie die technologische Führungsrolle des Vorgängerunternehmens Brown Boveri (BBC) verloren zu haben, die auf die fruchtbare und wegweisende Zusammenarbeit mit dem Schweizer Erfinder des Turboladers, Dr. h.c. Alfred Büchi (1879–1959), während der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zurückzuführen ist.

Schlüsselkomponente Turbolader

«Ein grosser Motor ohne Turbolader ist seit vielen Jahren unvorstellbar – schon viel länger als beim Personenauto», erläutert Dr. Christian Roduner, Leiter der Abteilung Engineering and Technology bei ABB Turbocharging. «Ohne Turbolader könnten Grossmotoren nur etwa ein Viertel der heute möglichen Leistung erzeugen. Gleichzeitig würden sie rund 10 % mehr Kraftstoff verbrauchen und erheblich mehr Schadstoffemissionen verursachen.»

Die Rolle der Turbolader bei diesen Verbesserungen ist leicht erklärt. «Mit der überschüssigen Abgasenergie des Motors wird ein Verdichter angetrieben. Auf diese Weise steigern Turbolader deutlich die Menge an Luft, die in die Zylinder des Motors einströmen kann. Turbolader greifen auf eine Energiequelle zurück, die andernfalls ungenutzt bliebe», erläutert Roduner. «So kann nicht nur mehr Kraftstoff verbrannt werden, um die Leistung zu steigern – durch das Einströmen von reichlich Luft in die Brennkammern von Diesel- und Gasmotoren wird auch die Effizienz der Verbrennung gesteigert. Dies führt zu optimiertem Kraftstoffverbrauch und sauberen Abgasen. Die Senkung des Kraftstoffverbrauchs ist natürlich doppelt vorteilhaft, da dadurch sowohl fossile Brennstoffressourcen geschont als auch die Emissionen des Treibhausgases Kohlendioxid (CO₂) gesenkt werden.»

Emissionen als Ansporn

Angespornt durch die Gesetzgebung hat der Aspekt der Emissionsreduktion bei der Entwicklung neuer Grossmotoren in den letzten 20 Jahren an Priorität gewonnen. In der Tat wurde im Januar 2011 ein weiterer Prozess zur dramatischen Senkung der Schadstoffmenge in den Abgasen von Schiffsmotoren gestartet. Dabei spielt auch ABB Turbocharging eine entscheidende Rolle, da die zweite Stufe der Emissionsbegrenzung der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation, die IMO Tier II, unter anderem eine erhebliche Senkung der Stickoxidemissionen (NOx) vorschreibt.

«Stickoxide sind an der Entstehung von saurem Regen und bodennahem Ozon beteiligt», sagt Roduner. «IMO Tier II schreibt deshalb eine Reduktion der NOx-Emissionen von Hochseeschiffen um 20 % vor. Im Januar 2016 wird diese Stufe dann durch IMO Tier III ergänzt, die eine drastische Senkung der NOx-Emissionen um 80 % vorsieht, wenn Schiffe so genannte Emissionskontrollzonen (Emission Control Areas, ECA) befahren. Hierbei handelt es sich um dicht besiedelte oder ökologisch empfindliche Küstengebiete. Dazu zählen jetzt bereits die Ost- und die Nordsee, der Ärmelkanal sowie die Ost- und Westküsten der USA und Kanadas.»

Im Visier: «IMO Tier III»

ABB Turbocharging hat bereits neue Turbolader vorgestellt – insbesondere die einstufigen Hochdruckturbolader der Reihe A100, die der Motorenindustrie helfen, die NOx-Vorschriften der IMO Tier II bei optimiertem Kraftstoffverbrauch einzuhalten. IMO Tier III ist dagegen eine Herausforderung ganz anderer Grössenordnung. ABB Turbocharging reagiert darauf nicht nur mit ausgefeilteren Turboladerlösungen, sondern auch mit interagierenden Produkten, die den Aufbruch in neue technologische Dimensionen bedeuten. Durch das Zusammenspiel dieser ABB-Produkte sollen Verbesserungen in allen wichtigen Bereichen der Motorleistung erzielt werden: NOx-Emissionen, Kraftstoffverbrauch, CO₂-Emissionen und Leistungsdichte (kW-Leistung pro Liter Zylindervolumen).

Der «Miller-Zyklus»

«Unsere Kunden fangen an, ein raffiniertes Prinzip – den sogenannten Miller-Zyklus – zu nutzen, um die NOx-Emissionen ihrer Diesel-Viertaktmotoren deutlich zu senken», sagt Roduner. «Und wir entwickeln zwei der entscheidenden Technologien. Beide werden – einzeln wie auch in Kombinationen – einen Paradigmenwechsel bei ABB Turbocharging bewirken. Bisher lieferten wir Turbolader als Einzelkomponenten, die von den Motorenherstellern eingebaut wurden. Jetzt werden wir zu einem Lieferanten vollständiger, einbaufertiger und – besonders zu betonen – interagierender Systeme.»

Bei den beiden Technologien handelt es sich um das zweistufige Hochdruckturboaufladesystem Power 2 und um das VCM-System für Ventilsteuerungs-Management (Valve Control Management). Letzteres wird in enger Zusammenarbeit mit dem deutschen Hersteller von Motorenbauteilen, Schaeffler Technologies, entwickelt.

Innovative Power-2-Technologie

Das zweistufige Aufladesystem Power 2 umfasst zwei Turbolader verschiedener, feinabgestimmter Grössen, die in Serie angeordnet sind. Damit kann die Verbrennungsluft doppelt komprimiert werden, um einen höheren Druck zu erzeugen. «Selbst in den ersten Ausführungen erzeugt Power 2 eine sehr hohe Effizienz und einen Druck von 8 bar und höher», schwärmt Roduner. «Unsere einstufigen Turbolader der Baureihe A100 dagegen erreichen etwas weniger als 6 bar.» Diese hohen Druckwerte ermöglichen die Nutzung äusserst intensiver Miller-Zyklen auf Diesel-Viertaktmotoren, um eines der grössten Hindernisse für niedrigere NOx-Emissionen zu überwinden: den unausweichlichen Kompromiss zwischen NOx-Emissionen und spezifischem Kraftstoffverbrauch (Specific Fuel Consumption, SFC). Dieser sogenannte «NOx-SFC-Tradeoff» spiegelt die Tatsache wider, dass bei geringeren Verbrennungstemperaturen weniger Stickoxide gebildet werden, während die Effizienz der Kraftstoffverbrennung bei zunehmenden Temperaturen ansteigt. Mit anderen Worten: Geringere Stickoxid-Werte gehen in der Regel mit einem höheren Kraftstoffverbrauch und damit auch mit höheren CO₂-Emissionen einher. «Der Tradeoff wird immer bestehen», erklärt Roduner. «Werden jedoch Technologien kombiniert, bei der die zweistufige Turboauf- ladung Power 2 eine führende Rolle spielt, kann dieser Kompromiss in eine viel kleinere Grössenordnung gebracht werden.»

Die Erkenntnisse, die ABB Turbocharging mit Power 2 gewonnen hat, schüren sogar Erwartungen, dass die gemäss IMO Tier III erforderliche Senkung der NOx-Werte um 80 % in greifbare Nähe rücken könnte.

Vermeidung von Temperaturspitzen in der Brennkammer

Der Miller-Zyklus ist eine raffinierte Methode zur Senkung der Temperatur der Verbrennungsluft im Motor und somit der Verbrennung selber. So werden die Temperaturspitzen in der Brennkammer vermieden, die für 90 % der entstehenden Stickoxidmenge verantwortlich sind.

Bei Viertaktmotoren wird die Kühlung durch eine verkürzte Öffnungsdauer des Einlassventils erzielt. Diese frühzeitige Beendigung der Luftansaugung sorgt für eine Ausdehnung und damit eine Abkühlung, da die Luft weiterhin im Zylinder expandiert.

Der kürzere Zeitraum für die Luftansaugung hätte jedoch zur Folge, dass weniger Luft in die Brennkammer einströmt und damit die Motorleistung und das Verhalten bei Lastanstieg beeinträchtigt. Roduner betont: «Der höhere Druck, der bei der Turboaufladung mit Power 2 erzeugt wird, gleicht die kürzere Öffnungsdauer des Einlassventils aus, sodass innerhalb der kürzeren Zeit die gleiche oder sogar eine grössere Luftmenge einströmen kann. Dies und die hohe Effizienz von Power 2 bewirken nicht nur eine Senkung der entstehenden NOx-Menge, sondern auch einen verbesserten Kraftstoffverbrauch und eine höhere Motorleistung.»

Ventilsteuerungs-Management VCM

Solche intensiven Miller-Zyklen sind insbesondere bei Volllastbetrieb des Motors erforderlich. Bei niedrigeren Motorlasten führt die kürzere Öffnungsdauer des Einlassventils jedoch zu einem Mangel an Verbrennungsluft und damit höheren Rauch- und Partikelemissionen, einer höheren Wärmebelastung für den Motor und einer Verschlechterung seines Ansprechverhaltens. Ebenso werden Leerlauf und Starten beeinträchtigt. Nach Aussage von Roduner kann diesen Auswirkungen mit dem VCM-System entgegengewirkt werden, das äusserst variable Ventilsteuerzeiten ermöglicht.

Das Ventilsteuerungs-Management VCM basiert auf dem System «INA UniAir» für Kraftfahrzeugmotoren von Schaeffler Technologies. Die Variierung von Ventilsteuerzeiten und Ventilhub wird hydraulisch durch den Einbau einer Hochdruckölkammer zwischen dem Motorventil und dem mechanischen Antrieb realisiert. Ein Magnetventil steuert die variable Füllung der Kammer mit Motoröl, das durch eine über die Nockenwelle betriebene Pumpe unter Druck gesetzt wird. Dies ermöglicht sowohl variable Öffnungs- und Schliesszeiten des Ventils als auch einen variablen Ventilhub (Höhe der Ventilöffnung).

Abschliessend erklärt Roduner: «VCM eignet sich optimal als Ergänzung zum zweistufigen Aufladesystem Power 2 für Diesel-Viertaktmotoren, denn es ermöglicht eine variable Steuerung des Miller-Zyklus und den Betrieb des Motors mit niedrigen Emissionen bei einer grossen Bandbreite von Lasten.»

Fazit

«Wir haben äusserst zufriedenstellende Ergebnisse mit VCM an Testmotoren erzielt», resümiert Roduner. «Power 2 ist bereits auf dem Markt und wir haben das System schon führenden Motorenherstellern geliefert. In einer Welt immer strengerer Grenzwerte für NOx und CO₂ und steigender Ölpreise sind wir gut gerüstet, die Anforderungen unserer Kunden zu erfüllen. ABB Turbocharging kann somit einen immer grösseren Beitrag zur Schonung der Umwelt leisten.» <<

(ID:28133630)