Antriebstechnik. Dieselmotoren

Transkript

1 Antriebstechnik Dieselmotoren

2 Einzylinder - Dieselmotor Wolfgang Kösling 2

3 20 Zylinder - Dieselmotor Wolfgang Kösling 3

4 Inhalt Aufgaben AntrbsT Gast Viertaktdieselmotoren, Begriffsbestimmungen, Ablauf eines Arbeitsspiels Kühlung von Dieselmotoren, Betriebsüberwachung Kraftstoffeinspritzanlage Schmierölsystem Anlasseinrichtung Abgasturboaufladung Überwachungs-, Warn- und Sicherheitseinrichtungen Betriebsüberwachung,Abstellkriterien Seeklarmachen, Betrieb und Außerbetriebnahme von Dieselmotoren Wolfgang Kösling 4

5 Arten von Schiffsdieselmotoren Bauart: Reihenmotor V Motor Drehzahl: Langsamläufer Mittelschnellläufer Schnellläufer U/min U/min U/min Wolfgang Kösling 5

6 Motorenantriebsanlagen der Marine Die am häufigsten eingesetzte Kraftmaschine ist der Schnelllaufende Viertakt Dieselmotor Ausnahme: - Brennstoffzelle - Dieselelektrischer Antrieb - Gasturbine Wolfgang Kösling 6

7 Bauformen von Dieselmotoren Wolfgang Kösling 7

8 Bezeichnungen am Reihenmotor links KS KGS Drehrichtung links rechts KS = Kupplungsseite KGS = Kupplungsgegenseite Wolfgang Kösling 8

9 Bezeichnungen am V-Motor links / A-Reihe KGS KS rechts / B-Reihe Wolfgang Kösling 9

10 Drehrichtung Motor Der Beobachter steht vor der Kupplungsseite (kraftabgebende Seite ) des Motors mit Blickrichtung auf den Kupplungsflansch. Wolfgang Kösling 10

11 Drehrichtung Generator oder Pumpe linkslaufender Motor rechtsdrehende Arbeitsmaschine Wolfgang Kösling 11

12 Drehrichtung Propeller Motordrehrichtung = Propellerdrehrichtung Wolfgang Kösling 12

13 Schematischer Querschnitt durch einen Hubkolbenmotor Wolfgang Kösling 13

14 Begriffsbestimmungen EV AV Zylinderkopf UT Zylinder Totpunkte (UT / OT): Sind die Umkehrpunkte des Kolbens Kolben unterer Totpunkt (UT) Wolfgang Kösling 14

15 Begriffsbestimmungen EV AV Zylinderkopf OT Zylinder Kolben oberer Totpunkt (OT) Wolfgang Kösling 15

16 Begriffsbestimmungen EV AV Zylinderkopf OT s UT Zylinder Hub (s): Ist der Kolbenweg zwischen den Totpunkten Kolben Wolfgang Kösling 16

17 Begriffsbestimmungen EV AV Zylinderkopf V h OT UT Zylinder Hubraum (V h ): Ist dasjenige Volumen, welches der Kolben durchläuft, wenn er sich von einem Totpunkt zum anderen bewegt. Kolben Wolfgang Kösling 17

18 Begriffsbestimmungen EV AV Zylinderkopf V c OT UT Verdichtungsraum (V c ): Der Raum der sich oberhalb des Kolbens befindet, wenn dieser im OT steht. Zylinder Kolben Wolfgang Kösling 18

19 Begriffsbestimmungen EV AV Brennraum OT UT Brennraum: Ist der veränderliche Raum oberhalb des Kolbens. Zylinder Kolben Wolfgang Kösling 19

20 Begriffsbestimmungen OT 0º / 360º Takt: Ist die Kolbenbewegung von Totpunkt zu Totpunkt. Arbeitsspiel: 4 Takte (2 Umdrehungen der Kurbelwelle) 180 UT Wolfgang Kösling 20

21 Ablauf des Arbeitsspiels Zu einem Arbeitsspiel gehören vier Takte. Diese 4 Takte sind: 1. Takt = Einströmtakt 2. Takt = Verdichtungstakt 3. Takt = Arbeitstakt 4. Takt = Ausschubtakt Während dieser 4 Takte macht die Kurbelwelle Zwei Umdrehungen (720 KW ). Wolfgang Kösling 21

22 Ablauf eines Arbeitsspiels Einströmtakt Verdichtungstakt Arbeitstakt Ausschubtakt Wolfgang Kösling 22

23 Ablauf eines Arbeitsspiels 1. Takt Einströmtakt Der Einströmtakt Der Kolben bewegt sich von OT Nach UT. Dabei wird über das Einlassventil Luft angesaugt. Wolfgang Kösling 23

24 Ablauf eines Arbeitsspiels 2. Takt Verdichtungstakt Der Verdichtungstakt Der Kolben bewegt sich von UT Nach OT. Dabei wird die angesaugte Luft komprimiert. Die Luft erreicht dabei eine Temperatur von Celsius. Die Kompressionsdrücke liegen dabei zwischen bar. Wolfgang Kösling 24

25 Ablauf eines Arbeitsspiels Der Arbeitstakt 3. Takt Arbeitstakt Durch einspritzen von Kraftstoff in die komprimierte Luft, entzündet sich diese schlagartig. Der Druck und die Temperatur im Zylinder steigt schlagartig an. Der Kolben wird von OT nach UT gedrückt und verrichtet Arbeit. Wolfgang Kösling 25

26 Ablauf eines Arbeitsspiels 4. Takt Ausschubtakt Der Ausschubtakt Der Kolben bewegt sich von UT Nach OT. Dabei werden die Abgase durch das geöffnete Auslassventil ausgeschoben. Wolfgang Kösling 26

27 Zünd - OT Zünd OT (Z OT) Ist die Stellung des Kolbens zwischen dem Verdichtungstakt und dem Arbeitstakt. Merke: - EV und AV sind geschlossen! - Kraftstoff wird eingespritzt! - Entsprechender Kolben ist im OT! Wolfgang Kösling 27

28 Ladungswechsel - OT Ladungswechsel OT (L OT) Ist die Stellung des Kolbens zwischen dem Ausschubtakt und dem Einströmtakt. Merke: - EV und AV sind geöffnet! - Kein Kraftstoff wird eingespritzt! - Entsprechender Kolben ist im OT! Wolfgang Kösling 28

29 Nachladung Die Nachladung Das EV bleibt über UT hinaus geöffnet (2. Takt). Die Bewegungsenergie der einströmenden Luft wird ausgenutzt um zusätzlich Luft in den Brennraum einzubringen. Dadurch verbessert sich die Luftfüllung des Zylinders. Wolfgang Kösling 29

30 Vorausströmung Die Vorausströmung Gegen Ende des Arbeitstaktes (3. Takt) wird das AV geöffnet, der Restdruck von ca. 3 5 bar wird zum entfernen der Abgase aus dem Brennraum verwendet. Wolfgang Kösling 30

31 Antriebstechnik Dieselmotoren

32 Überblick über den Unterrichtsablauf Aufgaben des AntrbTGasten Viertakt Dieselmotoren Kühlung von Dieselmotoren Kraftstoffeinspritzanlage und Gemischbildung Schmierung von Dieselmotoren Luft- und Abgaswege Prinzip der Abgasturboaufladung E - Versorgung Seeklarmachen; Vorschriftenkunde Wolfgang Kösling 32

33 Aufgaben des Schmieröls Auszulaufen Den Gasten beim Peilen zu verwirren Eigentliche Aufgaben des Schmieröls Verbrennen Den Mot-Raum zu verschmutzen Im Winter bei -5 C mit Faßpumpe übernommen zu werden Wolfgang Kösling 33

34 Aufgaben des Schmieröls Wärme abführen Schmutz aufnehmen Korrosion verhindern Aufgaben des SCHMIERÖLS Spalte abdichten Reibung verringern Verschleiß mindern Wolfgang Kösling 34

35 Schmierölsysteme Bei Schiffs-Dieselmotoren werden die Schmierstellen durch eine Druckumlaufschmierung mit Motorenschmieröl (kurz: Motorenöl) versorgt. Üblich ist die sogenannte Nasssumpfschmierung, dabei befindet sich das Motorenöl in der Kurbelwellenwanne (Motorenölwanne), das Öl wird durch eine Motorenölpumpe entnommen und den Schmierstellen zugeführt. Wolfgang Kösling 35

36 Schmierölbetriebsüberwachung Während des Betriebes ist Öldruck Ölstand Öltemperatur zu kontrollieren. Wolfgang Kösling 36

37 Schmierölbetriebsüberwachung Bei der routinemäßigen Untersuchung ist die Ölbeschaffenheit zu überprüfen. Wolfgang Kösling 37

38 Kühlung Schiffsdieselmotoren werden meistens durch Frischwasser gekühlt. Das Kühlmittel wird dann Frischkühlwasser -> genannt. Die den Brennraum begrenzenden Bauteile, d.h. Laufbuchsen und Zylinderköpfe des Motors werden daher gezielt gekühlt. Wolfgang Kösling 38

39 Aufgaben der Kühlung Die Wärmespannungen in den Bauteilen begrenzen Die Verringerung der Abnahme der temperaturbedingten Festigkeitswerte der Werkstoffe Die Schmierfähigkeit des Motorenöles zu erhalten Die Wärmeausdehnungen beschränken Wolfgang Kösling 39

40 Kühlung Man unterscheidet zwei Arten der Kühlung Durchflusskühlung kein geschlossener Kreislauf Kühlmedium wird ständig erneuert z.b. Ladeluftkühler Motorenölkühler -> Seewasser -> Seewasser Wolfgang Kösling 40

41 Kühlung Man unterscheidet zwei Arten der Kühlung Umlaufkühlung geschlossener Kreislauf Kühlmedium wird durch ein anderes Kühlmedium zurückgekühlt z.b. Zylinderkopf Zylinderlaufbuchse -> FKW -> FKW Wolfgang Kösling 41

42 Prinzip einer Frischkühlwasserumlaufkühlung Ausgleichsbehälter Thermostat Frischkühlwasser - rückkühler Zylinderköpfe Frischkühlwasser -pumpe Motorenölkühler Frischkühlwasser- Umwälzpumpe Frischkühlwasser- Vorwärmgerät Zylinderbuchsen Wolfgang Kösling 42

43 KühlungZiele der VORWÄRMUNG von Dieselmotoren Sicheres Zünden des Kraftstoffes Verbesserung der Schmierfähigkeit des Öles Verringerung von Wärmespannungen Wolfgang Kösling 43

44 Anlasseinrichtungen Dieselmotoren müssen beim Anlassen mit einer fremden Energiequelle solange gedreht werden, bis die Zündungen einsetzen und der Motor durch die Energie des verbrannten Kraftstoffes seine Drehzahl von selbst auf Leerlaufdrehzahl erhöht. Wolfgang Kösling 44

45 Anlasseinrichtungen Man unterscheidet zwei Anlassarten: mit Druckluft Elektrische Anlasser Wolfgang Kösling 45

46 Anlasseinrichtungen Wird Druckluft verwendet, so sind die Zylinderköpfe mit mechanischen oder pneumatischen Anlassluftventilen ausgerüstet. Die Druckluft wirkt direkt auf den Kolben im Arbeitstakt. Dieses geschieht über den Anlassluftverteiler gemäss Zündfolge. Wolfgang Kösling 46

47 Anlasseinrichtungen Wolfgang Kösling 47

48 Antriebstechnik Aufladung

49 Überblick über den Unterrichtsablauf Prinzip der Abgasturboaufladung Vorteile eines DM mit Abgasturbolader Vergleich Saugmotor / Turbomotor NR/S Turbolader MAN B&W Rotor eines NR/S Turboladers Ladeluftkühler Wolfgang Kösling 49

50 Prinzip der Abgasturboaufladung 1 Getrennte Abgasleitung 2 Abgasaustritt 3 Turbine 4 Druckölzulauf 5 Verdichter 6 Ansaugluft 7 Ölablauf 8 Ladeluftleitung 9 Ladeluftkühler Schematische Darstellung einer Abgasturboaufladung Wolfgang Kösling 50

51 Prinzip der Abgasturboaufladung Wolfgang Kösling 51

52 Aufladeeinrichtung Vorteile eines Dieselmotors mit Abgasturboaufladung Größere Luftmasse im Zylinder Es kann mehr Kraftstoff verbrannt werden Die Motorleistung steigt Dadurch ergibt sich eine Gewichtsersparnis, eine Raumersparnis (kleiner Motorbauweise) sowie kleinere Fundamente Wolfgang Kösling 52

53 Vergleich Saugmotor / Turbomotor Betriebsdaten eines Arbeitsspiels Saugmotor Turbomotor Verdichtungstemperatur 600 C 600 C Verdichtungsdruck bar bar Zündtemperatur 1800 C 1800 C Zünddruck bar bar Wolfgang Kösling 53

54 Vergleich Saugmotor / Turbomotor Betriebsdaten Motor Gewicht Leistung (kw) Leistungsgewicht D Kg ,55 Kg / kw TD Kg ,00 Kg / kw Wolfgang Kösling 54

55 NR/S MAN B&W NR/S Turbolader MAN B&W 1 Turbinenrad 2 Verdichterrad 3 Lagergehäuse 4 Lagerbuchsen 5 Eintrittsgehäuse 6 Düsenring 7 Abgas-Diffusor 8 Verdichtergehäuse 9 Nachleitapparat 10 Schalldämpfer Wolfgang Kösling 55

56 Ladeluftkühler Luft Seewasser Wolfgang Kösling 56

57 Kraftstoffeinspritzanlage und Gemischbildung Bei Schiffsdieselmotoren sind zwei Gemischbildungsverfahren üblich: Direkteinspritzung (DE) Indirekteinspritzung (IDE) Wolfgang Kösling 57

58 Kraftstoffeinspritzanlage und Gemischbildung Direkteinspritzung: Kraftstoff wird mit einer Mehrlochdüse in den ungeteilten Brennraum eingespritzt. Wolfgang Kösling 58

59 Kraftstoffeinspritzanlage und Gemischbildung Indirekteinspritzung : Kraftstoff wird mit einer Einlochdüse in den geteilten Brennraum eingespritzt. Bei der Marine wird bei der Indirekten- Einspritzung das Vorkammerverfahren verwendet. Wolfgang Kösling 59

60 Prinzip der direkten Einspritzung Wolfgang Kösling 60

61 Kennzeichnende Merkmale der direkten Einspritzung - Geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch - Relativ gleichmäßige und niedrige thermische Belastung der Brennraumwände - Günstiges Startverhalten bei niedrigen Temperaturen (bis ca. 15 C keine Starthilfe) - Hohe mechanische Belastung des Triebwerkes - Erhöhte Empfindlichkeit bei Kraftstoffen mit großem Zündverzug Wolfgang Kösling 61

62 Kennzeichnende Merkmale der indirekten Einspritzung - Relativ gleichmäßige mechanische Belastung des Triebwerkes - Relativ leiser Motorlauf da weiche Verbrennung - Günstigere Verbrennung bei Teillast und Leerlauf - Größere nutzbarer Drehzahlbereich als bei direkter Einspritzung - Relativ hohe thermische Belastung des Kolbenbodens - Höherer spezifischer Kraftstoffverbrauch als bei direkter Einspritzung Wolfgang Kösling 62

63 Prinzip der Kraftstoffeinspritzanlage Stabfilter im Einspritzventil Brennraum Tagesverbrauchsbehälter Kraftstoffvorfilter Kraftstoffzubringerpumpe Kraftstoffdoppelfilter Kraftstoffeinspritzpumpe Kraftstoffeinspritzventil Wolfgang Kösling 63

64 Prinzip der Kraftstoffeinspritzanlage Spritzversteller 2 Einspritzpumpe 3 Zubringerpumpe 4 Handpumpe 5 Doppelfilter 6 Einfüllschraube 7 Entlüftungsschraube 8 Überstromventil 9 Anschlussleitung 10 Stabfilter 11 Düsenhalter 12 Düse 13 Entlüftungsschraube 14 Überstromleitung 15 Fliehkraftregler 16 Spaltfilter 17 Kst.-Verbrauchsbehälter (Hochbehälter) Wolfgang Kösling 64

65 Einspritzventil Aufbau: Düsenhalter Einspritzdüse 1 Düsenhalter 2 Einstellscheibe 3 Druckfeder 4 Druckbolzen 5 Zwischenstück 6 Überwurfmutter 7 Einspritzdüse 8 Kennummer an Düsennadel 9 Düsenkörper Wolfgang Kösling 65

66 Vorschriftenkunde Seeklarmachen Maßnahmen vor Inbetriebnahme Überwachung des Betriebes Betriebswerte Abstellkriterien Wolfgang Kösling 66

67 Klarmachen zum Betrieb nach Wolke Wasser, Oel, Luft, Kraftstoff, Elektrik Wasser: Oel: - Seekühlwasserkreislauf klarmachen - Frischkühlwasserstand kontrollieren - Vorwärmung kontrollieren - Ölstände von Motor, Getriebe und Regler der Einspritzpumpe peilen Wolfgang Kösling 67

68 Klarmachen zum Betrieb Luft: Kraftstoff Elektrik: - Druckluftvorrat ergänzen und entwässern - Luftwege klarmachen - Abgas und Frischluftwege öffnen - Kraftstoff peilen - Kraftstoffwege klarmachen - Überwachungs-, Warn- und Sicherheitseinrichtungen einschalten und überprüfen Wolfgang Kösling 68

69 Maßnahmen vor Inbetriebnahme Es ist zu Achten auf : angebrachte Warn- und Hinweisschilder einwandfreien Zustand der Beleuchtungs-,Lüftungsund Feuerlöscheinrichtungen Funktionsfähigkeit der Überwachungs-, Warn- und Sicherheitseinrichtungen Leichtgängigkeit aller Schalt- und Regelelemente Wolfgang Kösling 69

70 Maßnahmen vor Inbetriebnahme Dichtigkeit aller Schau-, Hand-, Mannlochdeckel und sonstiger Verschlüsse Sauberkeit der Bilgen ( frei von Öl und Kraftstoff ) Äußere Sauberkeit der Anlagen Sitz aller Schraubverbindungen und Flansche Funktionsfähigkeit der Fernbedienungen und automatischen Schalteinrichtungen Wolfgang Kösling 70

71 Vorbereitung zu Funktionsproben 1. Der Dieselmotor wird mit geöffneten Dekompressionsventilen durch die Anlassvorrichtung gedreht. 2. Wenn keine Dekompressionsventile vorhanden sind,ist der Motor von Hand zu drehen. 3. Bei gesonderter Motorenölvorwärmung ist die Heizung für die Vorwärmung abzuschalten. 4. Unmittelbar vor dem Anlassen ist eine Reglerprobe durchzuführen. Hierbei muss das Übertragungsgestänge des Reglers leichtgängig auf Nullförderung zurückgehen. 5. Sämtliche Schnellschlüsse und Notabstelleinrichtungen sind auf ihre Funktion und Wirksamkeit zu überprüfen. Wolfgang Kösling 71

72 Durchführung von Funktionsproben Nach der Reglerprobe wird der Motor unter Beachtung der Sicherheitsbestimmungen - Erlaubnis des WO - Warnruf Aus der Maschine zur Funktionsprobe angelassen. Gelingt es nicht den Motor nach DREI Versuchen zu starten, ist vor einem neuen Anlassversuch, die Ursache der Störung zu beseitigen. Wolfgang Kösling 72

73 Kontrollen an einem DM während des Betriebes Drücke: Temperaturen: Füllstände: (Öl-, Kst-, FKW-, SKW ) (Öl-, FKW-, SKW-, Abgas-, Ladeluft ) (Öl-, Kraftstoff-, FKW-, Steuerluft ) Laufgeräusche Dichtigkeit FKW Frischkühlwasser SKW Seekühlwasser Kst - Kraftstoff Wolfgang Kösling 73

74 Abstellen des Motors Abstellen des Motors nach vorheriger Meldung an die Schiffsführung Ein Motor ist bei folgenden Störungen nach Meldung an die Schiffsführung (Brücke) umgehend zu entlasten, in den unteren Leerlaufbetrieb zu nehmen und abzustellen: Wolfgang Kösling 74

75 Abstellen des Motors - mit Meldung Anstieg der Frischkühlwassertemperatur an die zulässige Höchsttemperatur Anstieg der Öltemperatur an die zulässige Höchsttemperatur Abfall des Öldruckes an die Untergrenze des Betriebsdruckbereiches Auftreten betriebsfremder Geräusche Auftreten von Störungen, die bei weiterem Betrieb Folgeschäden verursachen könnte Wolfgang Kösling 75

76 Abstellen des Motors Abstellen des Motors bei sofortiger Meldung an die Schiffsführung Ein Motor ist bei sofortiger Meldung an die Schiffsführung (Brücke) ohne Befehl unverzüglich abzustellen, wenn folgende Störungen vorliegen: Wolfgang Kösling 76

77 Abstellen des Motors - ohne Befehl Anstieg der Frischkühlwassertemperatur über die zulässige Höchsttemperatur Anstieg der Öltemperatur über die zulässige Höchsttemperatur Abfall des Öldruckes unter die Untergrenze des Betriebsdruckbereiches Abfall des Frischkühlwasserdruckes auf Null Überdrehzahl Brüche von Kraftstoffleitungen Ölqualmaustritt aus der Kurbelwannenentlüftung Auftreten von betriebsfremden Klopfgeräuschen oder schweren Erschütterungen im Motor Wolfgang Kösling 77