FEV entwickelt neue Großmotorenfamilie

Im Verlauf der letzten Jahrzehnte war FEV an der Entwicklung vieler Großmotoren beteiligt, von Schnellläufern über Mittelschnellläufer bis hin zu Langsamläufern (Zweitaktmotoren). Basierend auf diesem Erfahrungsspektrum hat FEV eine vollkommen neue Mittelschnellläufer-Motorenfamilie entwickelt, die Reihen-6- und 8-Zylinder sowie V12-, V16- und V20-Konfigurationen umfasst. Damit deckt sie ein Leistungsspektrum von 2 MW bis 9,5 MW ab. Maximale Verbrennungsdrücke von 250 bar und mehr als 70 Prozent identischer Bauteile unter den Motorenvarianten ermöglichen einen umweltschonenden und wirtschaftlichen Schiffsbetrieb.

Mittelschnellläufer stehen aus mehreren Gründen vor vielen neuen Herausforderungen. Einerseits sind dies drastisch verschärfte Emissionsstandards, insbesondere für Stickoxide – aber in Zukunft auch für Feinstaub. Gleichzeitig muss auch der Kraftstoffverbrauch sinken, um die Kohlendioxidziele des Energy Efficiency Design Index (EEDI) einzuhalten. Hierfür sind fortschrittliche Motorenkonzepte notwendig. Aus wirtschaftlicher Sicht müssen neu entwickelte Motoren Kraftstoffflexibilität berücksichtigen, um unabhängiger von schwankenden Kraftstoffpreisen und der Verfügbarkeit verschiedener Kraftstoffarten zu sein. Von all dem dürfen die Zuverlässigkeit, die Wartungsfreundlichkeit und natürlich die Herstellungskosten des Motors nicht beeinträchtigt werden.

Modulares Design

Das Hub-Bohrungs-Verhältnis von ca. 1,25 und der Zylinderbankwinkel von 45° für die V-Motoren der Mittelschnellläufer Familie bieten den besten Kompromiss zwischen angestrebtem Leistungsspektrum, Effizienz, kompakten Motor-Außenabmessungen und Gewicht. Dies ermöglicht den Einsatz der Motoren in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen wie Antriebsmotoren für Schiffe der Küstenwache und Wasserschutzpolizei, in Feuerlöschschiffen, Schleppern, Handelsschiffen, Notstromaggregaten, Onshore- und Offshore-Kraftwerken, Lokomotiven und anderen.

Der 45°-Zylinderbankwinkel ermöglicht eine geringe Motorenbreite, die für viele Anwendungen unverzichtbar ist; insbesondere bei Lokomotiven, aber auch bei der parallelen Installation mehrerer Motoren in einer Anwendung. Die gleichzeitige Entwicklung der gesamten Motorenfamilie stellt die höchstmögliche Modularität sicher.

Für den Dauerbetrieb in Genset- oder Hauptantriebsanwendungen sind die Motoren mit einem einstufigen Aufladungssystem ausgestattet, wobei die Sechszylinder-Reihen und V12-Motoren sowie die Achtzylinder-Reihen- und V16-Motorenversionen jeweils identische Turbolader verwenden. Die Reihenmotoren nutzen dabei einen Turbolader, während die V-Motoren mit zwei baugleichen Ladern ausgestattet sind. Ein baugleiches Ladeluftkühlergehäuse für alle V-Motoren und eines für die Reihenmotoren dient jeweils als Träger für die Turbolader-Installation. Dieses komplette Auflade Modul kann, abhängig von den Installationsanforderungen, entweder an der freien Seite oder an der Schwungradseite installiert werden. Für hohen Dauerleistungs- und kurzzeitigen Spitzenleistungsbedarf wurden sequentielle und zweistufige Turboaufladungssysteme konzipiert, um eine hohe Beschleunigungsleistung bei niedriger Motordrehzahl sicherzustellen. Die Ansaug- und Abgaskrümmer sind einseitig am Zylinderkopf montiert, für die V-Motoren innerhalb des V-Raumes. Dies ermöglicht bei den V-Motoren die Anordnung der Nockenwellen mit Ventiltrieb und Kraftstoffeinspritzung an den Außenseiten des Motors. Diese Anordnung gewährleistet bestmöglichen Zugang für Wartungsarbeiten.

Die Nockenwellengruppe besteht aus baugleichen Nockenscheibensegmenten für alle Motorenvarianten, mit unterschiedlichen Schrauben-Lochpositionen zu den Lagersegmenten, um die korrekten Ventilsteuerzeiten aller Zylinder sicherzustellen. Auf Exzenterwellen montierte Kipphebel ermöglichen eine variable Steuerung für Einlass- und Auslass-Ventile. Zur Reduzierung der NOx-Emissionen kann das Einlassventil für Diesel-/HFO- und Gasmotoren bei hoher Last früher schließen (Miller Timing), während ein späteres Schließen die Startfähigkeit sowie die Leistung bei niedriger Drehzahl verbessert. Bei Dual-Fuel-Motoren ermöglicht die variable Steuerung von Abgas- und Einlassventilen eine reduzierte Ventilüberschneidung und somit eine optimierte Gas-Einspritzung in die Zylinder. Die hohlen Nockenwellen dienen als Ölgalerien. Dieses Design vermeidet zusätzliche Leitungen und erhöht die Verwindungssteifigkeit der Nockenwelle, was die Installation eines konventionellen Kraftstoffeinspritzungssystems, mit nockengetriebenen Steckpumpen für jeden Zylinder, ermöglicht. Die Dual-Fuel-Varianten verfügen über zusätzliche, elektronisch gesteuerte Common-Rail-Injektoren für geringe Voreinspritzmengen zur Gas-Entzündung im Gas-Betrieb. Die Diesel- und HFO-Motorenvarianten sind mit Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen ausgestattet.

Ein baugleiches Frontend-Modul für alle V-Motoren und eines für die Reihenmotoren dient als Gehäuse für den Torsionsschwingungsdämpfer und als Träger der leitungslosen, integrierten Ölpumpen, der Hoch- und Niedertemperatur-Wasserpumpen, der Ölkühler und -filter sowie der Wasser- und Ölthermostate. Weiterhin ermöglicht das Modul die Installation eines Stützlagers für hundertprozentige Leistungsabnahme am freien Ende des Motors. Der hydraulisch verpresste Kurbeltriebflansch ist bei allen Zylindervarianten (Reihen und V-Motoren) und für Schwungrad- und Frontabtrieb identisch. Dies gilt auch für die Antriebszahnräder der Öl- und Wasserpumpen. Der Antrieb der Common-Rail-Hochdruck-Kraftstoffpumpe ist am Abtriebsende des Kurbelgehäuses in den Rädertrieb der Nockenwelle integriert. Aufgrund des modularen Designs wurde der Rädertrieb des Reihenmotors als eine Hälfte des entsprechenden V-Motor-Rädertriebs realisiert.

Gemeinsame Zylindereinheiten

Alle Motorenvarianten nutzen die gleiche Zylindereinheit. Der Zylinderkopf aus Vermicular- oder Sphäro-Gusseisen verfügt über vier Ventile, die über zwei Stößel und geführte Ventilbrücken gesteuert werden. Die Gasmotorenvariante mit einem fremdgezündeten (Zündkerze) Vorkammer-Verbrennungssystem verwendet das gleiche Zylindergussmodell wie der Diesel-/HFO-Motor. Selbst bei der Dual-Fuel-Motorenversion kann der Guss des Zylinderkopfes unverändert beibehalten werden. Hier ist nur eine abweichende Bearbeitung für den zusätzlich erforderlichen Common Rail-Injektor notwendig.

Das Mid-Stop-Zylinderbuchsenkonzept stellt eine optimierte Kühlung am oberen Umkehrpunkt des oberen Kolbenrings sicher und ermöglicht in Kombination mit einem Kohle-Abstreifring lange Wartungsintervalle. Durch die Verwendung von separaten Zylinderbuchsengehäusen für die Kühlmittelversorgung der einzelnen Zylinder bleibt das gesamte Kurbelgehäuse kühlmittelfrei. Dadurch wird eine potenzielle Kurbelgehäuse-Korrosion durch ungenügende Kühlwasseraufbereitung vermieden. Der Kolben besteht aus einem Sphäroguss-Unterteil und einer verschraubten Stahl-Kolbenkrone. Der konventionelle Pleuel mit einer schrägen Trennebene zwischen Pleuelstange und Pleuellagerdeckel ermöglicht ein kompakteres Design bezüglich Motorhöhe und -breite im Vergleich zur Verwendung eines Marinepleuels mit zweiteiligem Lagergehäuse.

Gasvariante

Der Einsatz von Gas als Kraftstoff für Schiffsmotoren ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu guter Kraftstoffeffizienz und gleichzeitig geringen Abgasemissionen. Für die Gasmotorvarianten wird der Diesel-Kraftstoffinjektor durch eine Vorkammer ersetzt. Der obere Teil der Vorkammer dient der Gaszufuhr und zur Installation eines Rückschlagventils sowie der Zündkerze zur Zündung der Kraftstoffmenge in der Vorkammer. Die Vorkammer selbst befindet sich im unteren Teil des Aufbaus. Zur Optimierung des Vorkammerdesigns wurde eine neue 3D-CFD-Simulations Methode –„Charge Motion Design“-Prozess (CMD-Prozess) – mit Unterstützung durch experimentelle Untersuchungen an einem Einzylindermotor angewendet. Die endgültigen Ergebnisse der Motoren-Versuche zeigen selbst unter mageren Verbrennungsbedingungen eine hohe Verbrennungsstabilität und ermöglichten effektive Mitteldruckniveaus von mehr als 30bar, und liegen damit weit über dem aktuellen Stand der Technik. Außerdem wurden selbst für Gas-Spezifikationen mit geringem Methangehalt Wirkungsgrade von über 45% erzielt. Gleichzeitig lassen sich geringe Kohlenwasserstoffemissionen und insbesondere Stickstoffemissionen unter den TA-Luft-Grenzwerten erzielen.

Kurze Entwicklungsdauer

Die intensive Nutzung modernster Simulationstechniken sowie die Verwendung von Einzylinder-Versuchen ermöglichten einen sehr effizienten Entwicklungsprozess. Ein Zeitraum von ca. zwei Jahren von Projektbeginn bis zu der Validierung der Verbrennungsentwicklung für drei verschiedene Anwendungen und Emissionsstandards, der Funktions- und Mechanik-Erprobung der Zylindereinheit durch Versuche mit dem FEV-Einzylinder-Motor sowie der Beschaffung und dem Bau der ersten Prototyp-Motoren (Reihen- und V-Motor) setzt neue Maßstäbe.

Zukunftssicheres Emissionskonzept

Die Diesel-/HFO-Motorenfamilie erfüllt mit rein innermotorischen Maßnahmen die Abgasnormen Stufe IIIA der EU und Tier 3 der EPA für Genset-Anwendungen, IMO II für Schiffsmotoren und Stufe IIIA der EU und Tier 3 der EPA für Lokomotiven-Anwendungen. Zudem weist sie mit 183 g/kWh einen sehr wettbewerbsfähigen Kraftstoffverbrauch für Motoren dieses Drehzahlbereichs auf. Abhängig von Kraftstoffverfügbarkeit und -kosten wird die Erfüllung strengerer zukünftiger Abgasgrenzwerte mit einem zusätzlichen SCR-System für die Diesel-/HFO-Motorenvarianten oder durch Wechsel auf Dual-Fuel- oder Gasmotoren-Varianten ohne zusätzliche Abgasnachbehandlungssysteme sichergestellt.