Universelles Unikat

Anforderungen machen den Unterschied

Motoren, die Schiffe antreiben, brauchen beispielsweise ein ganz anderes Kühlsystem als Motoren, die Muldenkippern ihre Kraft geben. Schiffe haben ein sogenanntes   Zweikreiskühlsystem und nutzen das Wasser, in dem die Schiffe fahren, um die Motoren zu kühlen. Motoren für Muldenkipper oder Lokomotiven dagegen führen die Abwärme an die Umgebungsluft ab und benötigen daher entsprechend große Kühlanlagen. Auch die Sicherheitstechnik der Motoren ist eine andere. Die Oberflächentemperatur von Schiffsmotoren darf nicht höher sein als 220 Grad Celsius, das schreiben die Zertifizierungsbehörden vor. Und Schiffe fahren – bis auf einige Ausnahmen – meistens auf Meereshöhe, ganz anders als Muldenkipper. Die Minen, in denen sie ihre Arbeit verrichten, liegen häufig in einigen Tausend Metern Höhe. Damit sie trotzdem genug Luft für die Verbrennung bekommen, haben die mtu-Entwickler bei diesen Motoren die Abgasturboaufladung speziell auf diese Einsatzbedingungen angepasst. Außerdem müssen die Motoren viel robuster gegen Umwelteinflüsse sein, denn in den Minen kann es extrem kalt, warm oder staubig sein. Bei einem Motor, der Stromaggregate antreibt, kommt es dagegen vor allem darauf an, schnell auf Touren zu kommen. Notstromaggregate in Kernkraftwerken haben nur einige Sekunden Zeit, um ihre volle Leistung zu erreichen. Und noch etwas bestimmt ganz entscheidend die Abstimmung eines Motors: die Zeit, die zwischen zwei Grundüberholungen vergehen darf. Bei einem Yachtmotor liegt diese bei nur 9.000 Stunden. Ein Bahnmotor für Rangierlokomotiven muss dagegen 30.000 Stunden durchhalten, bis er überholt wird.

Weiteres Unterscheidungsmerkmal: Emissionsgrenzwerte

In den vergangenen zehn Jahren ist aber noch ein weiteres Unterscheidungsmerkmal hinzugekommen: Die Emissionsgrenzwerte, die der Motor erfüllen muss. Um den Schadstoffausstoß von Dieselmotoren zu minimieren, haben die Europäische Union und die US-amerikanische Umweltbehörde EPA Emissionsgrenzwerte vorgegeben. Und diese sind nicht überall einheitlich, sondern je nach Anwendung und nach Region sehr unterschiedlich. Teilweise gibt es sogar noch einzelne Länder oder Städte, die diese Grenzwerte noch einmal anders auslegen. Und spätestens hier ist der Traum vom Universalmotor ausgeträumt.

Technologiebaukasten für die Baureihe 4000

mtu-Ingenieure haben einen Technologiebaukasten entwickelt. Dieser besteht aus einem ganzen Bündel von Technologien, mit denen man schon verhindern kann, dass Schadstoffemissionen entstehen, bzw. in die Atmosphäre gelangen. Dieser Baukasten besteht aus folgenden Elementen:

> Erhöhter Einspritzdruck von bis zu 2.500 Bar: Je höher der Druck ist, mit dem der Kraftstoff in den Brennraum schießt, desto feiner wird er zerstäubt. Da feiner zerstäubter Kraftstoff besser verbrennt, entstehen so weniger Rußpartikel. Ein wichtiger Baustein ist auch die Mehrfacheinspritzung: Der Kraftstoff wird jetzt nicht mehr nur beim Zündvorgang, sondern auch kurz davor und kurz danach in den Brennraum eingespritzt. Dadurch entstehen bei der Verbrennung weniger Rußpartikel.

> Miller-Verfahren: Um die Stickoxidemissionen zu reduzieren, werden die Einlassventile eines jeden Zylinders schon vor dem unteren Totpunkt des Kolbens geschlossen, sodass die Luft im Zylinder expandiert und abkühlt. Mit diesem Verfahren können die Stickoxidemissionen um bis zu 30 Prozent verringert werden.

> Abgasrückführung: Je nach Anwendung werden bis zur Hälfte der Abgase zunächst gekühlt und dann noch einmal dem Motor zugeführt. Dadurch ist die Verbrennungstemperatur niedriger und es entstehen weniger Stickoxide.

> Abgasnachbehandlung mit einer SCR-Anlage: Um den Ausstoß von Stickoxiden weiter zu reduzieren, setzt mtu bei einigen Motoren auf den Einsatz einer SCR-Anlage. Bei dieser wird eine wässrige Harnstofflösung dem Abgasstrom beigefügt. Der Harnstoff wird zu Ammoniak umgewandelt, das dann im Katalysator Stickoxide zu den nicht schädlichen Stoffen Wasser und Stickstoff umwandelt. Diese chemische Reaktion ist selektiv, das heißt, es werden nur die Stickoxide reduziert, unerwünschte Nebenreaktionen werden weitgehend unterdrückt.

> Abgasnachbehandlung mit einem Dieselpartikelfilter: Um zu verhindern, dass die Rußpartikel aus dem Motor austreten, wird ein Dieselpartikelfilter (DPF) eingesetzt: Die Abgase werden durch Kanäle mit porösen Wänden geleitet, die die Abgase durchlassen, Ruß- und Partikelanteile aber herausfiltern. Somit können die Partikelemissionen um bis zu 99 Prozent reduziert werden.

> Zweistufige Aufladung: Erstmals kommt für Motoren, die Muldenkipper, Züge oder Ölpumpen antreiben, eine zweistufig geregelte Abgasturboaufladung mit Zwischen-kühlung zum Einsatz. Denn sowohl das Miller-Brennverfahren als auch die Abgasrückführung führen zu einem erhöhten Ladedruckbedarf. Bei einem zweistufigen Aufladesystem mit zwei Turboladerstufen wird in der ersten Stufe die Luft durch einen Niederdruckturbolader vorverdichtet, dann zwischengekühlt und in der zweiten Stufe in einem Hochdruckturbolader nachverdichtet. Somit kann der erhöhte Ladedruckbedarf bei sehr guten Aufladewirkungsgraden gedeckt werden. Die Folge: Die Dieselpartikelfilter können kompakter ausgelegt werden.

> Egal, welche Bausteine aus dem Technologiebaukasten die mtu-Entwickler verwenden, sie alle müssen vom Motormanagementsystem geregelt werden. Während frühere Motormanagementsysteme lediglich die Motordrehzahl und den Einspritzdruck regelten, sind es jetzt fünf Parameter. Über zusätzliche Sensoren im Abgaspfad errechnet die Software beispielsweise, wie viel Abgas der Frischluft zugeführt werden muss, damit die Verbrennungstemperatur so weit sinkt, dass der Stickoxidanteil im Abgas des Motors unter den geforderten Werten liegt. Gleichzeitig muss der Sauerstoffgehalt passend zum Lastpunkt eingeregelt werden. Kommt eine Abgasnachbehandlung hinzu, erhöht sich die Komplexität weiter. Dann muss die Motorelektronik auch die Regeneration des Dieselpartikelfilters steuern. Über verschiedene Parameter, wie zum Beispiel die Abgastemperatur, die Anzahl der Betriebsstunden seit der letzten Regeneration oder den Differenzdruck über den Filter errechnet sie, wann der Filter regeneriert werden muss.

Eigenes Motorkonzept für jede Anwendung

Aus diesen Bausteinen, gepaart mit denen, die sich durch die Anforderungen der einzelnen Anwendungen ergeben, entwickeln mtu-Ingenieure nun viele verschiedene 4000er- Motoren: für Fahren, Arbeitsschiffe, U-Boote, Fregatten, Stromaggregate, Muldenkipper, Zuge oder Bohrpumpen. Der Bahnmotor, den mtu im Jahr 2010 auf der Innotrans vorgestellt hat, war