MAN Engines
Mit dem MAN D2676-Marinemotor hat MAN Engines auf Basis des zu hunderttausenden im Lkw-Betrieb bewährten D26-Motors einen für den Einsatz in Schiffen optimierten, kompakten, verbrauchsgünstigen Motor mit geringem Leistungsgewicht entwickelt. Er erfüllt nicht nur aktuelle Abgasnormen, sondern ist auch für künftige Abgasgesetzgebungen gerüstet. Im Folgenden werden die motorischen Lösungen für die verschiedenen Anwendungen in den unterschiedlichen Schiffstypen vorgestellt. Es wird aufgezeigt, wie durch den gezielten Einsatz von Unterschieds- und Gleichteilen zum Fahrzeugmotor mit wirtschaftlichem Aufwand ein umfassend validierter Motor entwickelt werden konnte.
Die Zielsetzung der Entwicklung eines neuen Sechszylinderreihenmotors für Marineanwendungen war es, den seit den 90er Jahren in Serie befindlichen D28-Motor abzulösen und damit auch das komplette untere Leistungssegment in allen Marine-Anwendungen auf eine zukunftssichere Basis zu stellen. Entwickelt werden sollte dabei eine Motorbaureihe, die die Anforderungen zweier Anwendungsbereiche abdeckt: Zum einen Einsätze in Arbeitsbooten in klassifizierter und nicht-klassifizierter Ausführung mit hohen Volllastanteilen und jährlichen Laufzeiten. Zum anderen sollten aber auch angepasste Lösungen für Yachten mit hohen spezifischen Leistungen dargestellt werden. Während insbesondere für den Einsatz in der Berufsschifffahrt bei der Auslegung und Konstruktion hoher Wert auf Lebenszykluskosten zu legen ist, sollte für Yachten ein Motor mit hoher Dynamik und ansprechendem Design entwickelt werden.
Die Basis des vorgestellten Motors wurde bereits mit der Serieneinführung des D20 im Jahr 2003 und des D26 im Jahr 2006 im Fahrzeug TGA gesetzt. Seitdem ist insbesondere der hubraumstärkere D26 in nahezu allen Geschäftsfeldern von MAN Truck & Bus eingeführt worden. Dies beinhaltet nicht nur den Einsatz in Lkws und Bussen, sondern auch nahezu im gesamten externen Motorengeschäft mit Industrie-, Bahn- und Agraranwendungen sowie Gas- und Diesel-Gensets mit einem Leistungsspektrum von 147 bis 440 kW (200 bis 600 PS).
Wie bei MAN üblich, deckt auch der hier vorgestellte Marinemotor alle Betriebsarten vom leichten (light-duty), mittleren (medium-duty) bis hin zum schweren Betrieb (heavy-duty) ab und erfüllt damit die vielfältigen Kundenwünsche von der leichten Anwendung in Yachten bis hin zum schweren Betrieb in Arbeitsbooten (siehe Tab. 1).
Tab. 1: Variantenübersicht D2676 Marinemotor
Aufgrund des weitgefächerten Einsatzgebietes des D26-Grundmotors in den vielfältigen Anwendungen konnte für die unteren Marine-Leistungen größtenteils auf sehr gut erprobte und im Serieneinsatz erfolgreiche Komponenten zurückgegriffen werden. Zur Realisierung der höheren Leistungen wurden die verbrennungsrelevanten Komponenten gezielt optimiert. Die Dauererprobungen hierfür wurden sowohl am Prüfstand als auch in Feldversuchen überwiegend mit der höchsten Motorleistung durchgeführt. Durch das im Folgenden beschriebene Gleichteilekonzept sind diese Erkenntnisse so auch auf die marinespezifischen Komponenten der unteren Leistungen übertragbar.
Neben den eben beschriebenen Vorteilen in der Validierung sprechen auch kommerzielle Gründe für die Verfolgung einer Gleichteilestrategie. Um bei den vergleichsweise geringen Stückzahlen qualitativ hochwertige Produkte zu attraktiven Preisen anbieten zu können, wurde – wie bereits schon bei der aktuellen V-Motorengeneration [1] – bei der Entwicklung des D26-Marinemotors konsequent auf den Einsatz von Gleichteilen geachtet. Dabei wurden drei Strategien verfolgt: Übernahme von Bauteilen aus der D26-Fahrzeugmotorenbaureihe, aus anderen D26-Industrieanwendungen, sowie aus weiteren Marinemotoren.
Insbesondere beim sogenannten Grundmotor konnte auf die Großserientechnik des Fahrzeugmotors zurückgegriffen werden. Komponenten wie Kurbelgehäuse, Kurbelwelle, Pleuel, Zylinderkopf, Öl- und Kühlmittelpumpen, Ölfilter, Schwungradgehäuse, Rädertrieb, etc. konnten ohne Änderung übernommen werden. Teilweise haben geringe Modifikationen die Übernahme komplexer Komponenten möglich gemacht. So wurde für die höheren Motorleistungen lediglich die Übersetzung der Hochdruckeinspritzpumpe gegenüber dem Fahrzeugmotor geändert, so dass dieselbe Pumpe für die komplette Marinemotorenbaureihe eingesetzt werden kann. Für die Marinemotoren mit kleineren Leistungen konnten, wie erwähnt, weitere verbrennungsrelevante Bauteile wie Kolben und Injektor vom Fahrzeugmotor eingesetzt werden.
Gezielt verlassen wurde die Gleichteilstrategie im Grundmotor durch eigene Nockenwellen und eigens entwickelte Turbolader. Bei den gebauten Nockenwellen konnte auf vorhandene Halbzeuge zurückgegriffen werden. Zur Realisierung höherer Motorleistungen und Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs kommen veränderte Kolben, Ventile und Injektoren zum Einsatz (siehe Abb. 1).
Aus dem breiten Portfolio der Marinemotoren konnten weitere, im Serieneinsatz bewährte Komponenten, zum Teil mit geringen Modifikationen auch für diese Motorbaureihe eingesetzt werden. Im Bereich der Motorkühlung wurden der Ladeluftkühler, die Seewasserpumpe, die Platten des Motorwärmetauschers, Kühlmittelkrümmer, sowie Thermostate von anderen Motoren übernommen. Neben der kompletten Motorsteuerung, dem Alarmsystem mit verschiedenen Displays und vielen weiteren E/E-Komponenten haben Anbauteile wie Motorlager, Luftfilter, Schwungräder sowie klassifizierte Filterelemente wieder Anwendung gefunden (siehe Abb. 2).
Abb. 1: Unterschiedsteile zwischen 440 PS heavy-duty und 800 PS light-duty Motor
Abb. 2: Gleichteile (Arbeitsbootsmotor)
Hinsichtlich Thermodynamik und Verbrennung sollten die sechs Leistungsvarianten mit grundsätzlich zwei unterschiedlichen Bauteilständen (A und B) dargestellt werden. Die maßgeblichen Unterschiede ergeben sich durch Nockenwelle und Turbolader sowie Kolben und Injektor. Die unterschiedlichen Emissionseinstellung nach den (Stand 2016) jeweils strengsten Regularien EPA Tier3/EU-Sportboot (5,8 bzw. 5,6 g/kWh NOx+HC) ab 2016 bzw. IMO Tier II / EU-Binnen (7,2 g/kWh NOx+HC) wurden lediglich durch Anpassungen am Datensatz erreicht. Die Auswahl der Steuerzeiten erfolgte wie schon beim V-Motor [2] durch Simulation und nachfolgende Versuche am Motorenprüfstand.
Abb. 3: Effektives Verdichtungsverhältnis bei Miller- und Atkinson-Verfahren
Im Leistungsbereich bis 412 kW konnte mit der Kombination von Turbolader und Nockenwelle das Atkinson-Verfahren für die Heavy-duty-Motoren und das Miller-Verfahren für den Medium-duty-Motor zum Einsatz gebracht werden. Beide Verfahren reduzieren das effektive Verdichtungsverhältnis im Zylinder. Während sich mit steigender Drehzahl das Zeitintervall für die Zylinderfüllung stark verkürzt, bleibt die Gasgeschwindigkeit im Vergleich relativ konstant. Dadurch wird das maximale effektive Verdichtungsverhältnis unter Berücksichtigung der Gasdynamik mit immer späteren „Einlass schließt“-Zeitpunkten erreicht, die ein weiteres Nachströmen der Verbrennungsluft ermöglichen. Hieraus ergibt sich ein gegenläufiges Wirkverhalten von Miller- und Atkinson-Verfahren über der Drehzahl. Im unteren Drehzahlbereich senken die Atkinson-Steuerzeiten das effektive Verdichtungsverhältnis mehr ab als bei hohen Drehzahlen. Die Miller-Steuerzeiten wirken genau entgegengesetzt (siehe Abb. 3). Bei extremen Miller-Steuerzeiten müssten außerdem immer stärkere Drosselverluste hingenommen werden [3], die durch kurze Ventilhübe verursacht werden.
Durch das Absenken des effektiven Verdichtungsverhältnisses und der Auslagerung der Verdichtungsarbeit auf den Turbolader kann die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden, wenn der Ladeluftkühler ausreichend dimensioniert ist [4] und die resultierenden höheren Verdichterendtemperaturen abkühlen kann. Durch den einheitlichen, für 588 kW ausgelegten Ladeluftkühler, wird trotz Miller- und Atkinson-Verfahren eine Ladelufttemperatur von ca. 38°C selbst bei 32°C Seewassertemperatur erreicht. Die Absenkung der Brennraumtemperatur bewirkt wiederum eine Reduktion der thermisch gebildeten Stickoxide. Hierdurch konnten in Verbindung mit einer intelligenten Einspritzstrategie die Verbrauchswerte signifikant reduziert werden.
Injektor und Stahlkolben stammen bei diesen Leistungen, wie erwähnt, aus dem Fahrzeugmotor. Beim Injektor konnte so auf eine bereits erprobte und abgestimmte Einspritzdüsengeometrie zurückgegriffen werden. Der robuste Stahlkolben ist ideal geeignet den hohen Laufzeit- und Lastkollektivanforderungen im schweren Marinebetrieb zu entsprechen.
Ab 478 kW Motorleistung wird eine füllungsoptimierte Nockenwelle verwendet, die zusammen mit dem Turbolader den hohen Luftumsatz gewährleistet. Zur Vermeidung von langen Einspritzdauern und hohen Abgastemperaturen wurde der Nenndurchfluss des Injektors für die hohen Leistungen um ca. 30% angehoben. Die Anpassung der Kolben an die höheren thermischen Anforderungen umfasste das Schliffbild und die Muldengeometrie (siehe Abb. 1).
Zur Optimierung der Verbrennung wurden die Turbolader beider Ausstattungsvarianten speziell für den D26-Marinemotor neu entwickelt und umfassend validiert.
Eine der Forderungen der SOLAS (International Convention for the Saftey of Life at Sea) ist eine maximale Oberflächentemperatur für alle Motorbauteile von 220°C, so dass sich potentiell austretender Kraftstoff nicht entzündet [5]. Dadurch ist es notwendig, abgasführende Bereiche des Motors nach außen hin abzuschirmen. Um den Kunden hier eine robuste, auf Lebensdauer ausgelegte Lösung anbieten zu können, ist beim D26 der abgasführende Bereich vollständig mit kühlmittelführenden Schalen gekapselt. Neben der isolierenden Wirkung führen die Schalen das komplette Motorkühlmittel strömungsoptimiert zum Motorwärmetauscher. Durch die Luftspaltisolierung zwischen der Turbine bzw. den abgasführenden zylinderkopffesten Abgasrohren und den Kühlschalen ergibt sich ein nur geringer Wärmeverlust im Abgassystem, sodass nahezu die gesamte Abgasenergie dem Turbolader zur Verfügung steht. Darüber hinaus werden gegenüber direkt gekühlten Systemen Spannungsrisse in den Bauteilen durch hohe Temperaturgradienten von vornherein vermieden.
Abb. 4: klassifizierter Arbeitsbootmotor MAN D2676
Insbesondere im Arbeitsbootsbereich ist es notwendig, Motoren klassifiziert anzubieten. Hierbei gilt es Vorschriften diverser Schiffsklassifikationsgesellschaften (z.B. DNV-GL) zu erfüllen, so dass die Motoren in klassifizierten Schiffen eingesetzt werden können. Neben Redundanzen in den E/E-Systemen und der Sensorik gehören dazu u.a. umschaltbare Filtereinheiten für Kraftstoff und Öl, doppelwandige Einspritzleitungen sowie ein gekapseltes Rail. Insbesondere im Kraftstoffbereich muss auf Kunststoff- und Aluminiumwerkstoffe verzichtet werden. Durch die Berücksichtigung dieser Anforderungen von Beginn an konnte die Bauteilvarianz minimiert und die erforderlichen Maßnahmen mit wenigen Neuteilen motorfest realisiert werden (siehe Abb. 4).
In einigen Schiffstypen ist eine Kühlanlage im Schiffsrumpf integriert, die auch für die Motorkühlung genutzt wird. Diese Variante, die sog. Außenhautkühlung, bei der der motorfeste Wärmetauscher entfällt, ist für alle Leistungsvarianten vorgesehen. Auch die Ladeluftkühlung erfolgt dabei mit der Schiffskühlanlage in einem geschlossenen Kreislauf, für den die sonst im offenen Kreislauf eingesetzte Seewasserpumpe genutzt wird.
Abb. 5: Feldversuchsträger „Constanze“, Katamaran-Reederei Bodensee GmbH & Co. KG
Als Nebenabtriebe stehen ein separater Anschluss für Hydraulikpumpen (z. B. für Strahlruder) und eine Kraftabnahmemöglichkeit über die Kurbelwelle (z. B. für Löschpumpen) zur Verfügung. Darüber hinaus werden dem Kunden weitere Sonderausstattungen angeboten. Hierzu gehören u. a. Fahrhebel und Fahrhebelsteuerung, verschiedene Displays, ein zweiter Generator und eine Ölabsaug- und -befüllpumpe. Zur idealen Anpassung an die Einbauhöhe und die Schräglagenanforderungen verschiedener Schiffe wurden zwei Ölwannenvarianten entwickelt.
Das Zusammenspiel aller Komponenten in der Praxis wurde frühzeitig weltweit an Bord verschiedener Schiffstypen erprobt, um so die unterschiedlichen Einflüsse aus den verschiedensten Betriebsbedingungen (Klima, Kraftstoffqualitäten, Lastprofile, etc.) zu validieren und Kundenerfahrungen in die Entwicklung einfließen zu lassen (siehe Abb. 5).
Das Design des Motors folgt funktionalen Anforderungen. Insbesondere für die Anwendung in Yachten, die durch extrem begrenzte Motorräume gekennzeichnet sind, wurde der Motor so kompakt wie möglich gestaltet. Gleichzeitig wurde dabei besonderer Wert auf einfache Zugänglichkeit der für den Service relevanten Stellen gelegt. Filter, Befüll- und Wartungsöffnungen sind so platziert, dass diese sowohl von oben, als auch seitlich zugänglich sind. Mit den serienmäßig schwenkbaren Krümmern für Abgasaustritt und Seewassereintritt lässt sich der Motor ideal in vorhandene Motorräume integrieren. Auch die Motorfüße wurden so gestaltet, dass unterschiedliche Aufstellbreiten einstellbar sind und sich damit der Motor ideal für Remotorisierungen eignet. Alle elektrischen und elektronischen Komponenten wurden frühzeitig in die Konstruktion einbezogen, wodurch die Kabelbäume optimal am Motor integriert und befestigt werden konnten.
Für Yachtkunden ist der Motor mit einem Designcover erhältlich, das die MAN-typische Gestaltungssprache spricht und ebenfalls höchsten Wert auf Funktionalität legt. Durch einfaches Abnehmen des Mittelteils über Schnappverbindungen sind alle Wartungsstellen schnell zugänglich.
Der D26-Marinemotor wurde konsequent auf Basis der bereits in Serie befindlichen Fahrzeug- und Industriemotoren für den Einsatz in der Schifffahrt konstruiert und entwickelt. Vor dem Hintergrund der hohen Variantenanzahl und marktsegmenttypischen geringen Stückzahlen konnte mit gezielten verbrennungstechnischen Lösungen und geringer Teilevarianz ein breites Leistungs- und Anwendungsspektrum dargestellt werden, welches auf eine umfassende Validierungsbasis zurückgreift und damit höchste Qualitätsansprüche erfüllt.
Literaturhinweise
[1] Stein, Huneke, Reetz: Derivation of engines for various applications from one base engine exemplified by the MAN D2868/D2862 V-engine, 7. Internationale MTZ-Fachtagung, Heavy-Duty-, On- und Off-Highway-Motoren, Nürnberg, 2012
[2] Nagler, Huneke: Gas exchange optimization of marine engines during introduction of EPA Tier 3 emission standard, 9. Internationale MTZ-Fachtagung, Heavy-Duty-, On- und Off-Highway-Motoren, Saarbrücken, 2014
[3] Theißl, Kraxner, Seitz, Kislinger: Miller-Steuerzeiten für zukünftige Nutzfahrzeug-Dieselmotoren, MTZ 11/2015
[4] Schutting, Neureiter, Fuchs, Schatzberger, Klell, Eichsleder, Kammerdiener: Miller- und Atkinson-Zyklus am aufgeladenen Dieselmotor, MTZ 06/2007
[5] SOLAS II-2 Reg. 4.2.2.6.1
Autoren (Stand Juni 2016)
Danksagung
Die Autoren danken Ihrem Kollegen Thomas Malischewski für die Unterstützung bei der Erstellung des Artikels.
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