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Universelles Unikat

10.12.2014 | Text: Lucie Maluck | Bilder: MTU, Mosaik: Wagner Medien

Baureihe 4000

DIE Baureihe 4000. Jeder kennt sie. Jeder verbindet seine Geschichte mit ihr. Sie ist leistungsstark, zuverlässig, erfüllt geltende Emissionsanforderungen und verbraucht wenig Kraftstoff. Sie treibt Schiffe genauso an wie Muldenkipper oder Stromaggregate. Mehr als 32.000 Motoren der 4000er-Baureihe hat MTU schon verkauft, seit der Motor vor 17 Jahren in den Markt eingeführt wurde. Und fast alle waren unterschiedlich. Denn von DEM 4000er-Motor kann man nicht sprechen. Stattdessen gleicht kaum ein Motor dieser Baureihe dem anderen – jeder Motor ist genau auf die Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten. Und so ist die Baureihe 4000 ein universelles Unikat. Doch was unterscheidet den Universalmotor vom kundenspezifischen Unikat?

Mein 4000er-Motor hat 880 Kilowatt Leistung – sagt der Kapitän eines Binnenschiffes. Meiner hat 3.000 Kilowatt – sagt der Besitzer eines Muldenkippers. Meiner hat 16 Zylinder, meiner nur 8. Meiner hat 2.500 Bar Einspritzdruck, meiner 1.800. Meiner hat einen Dieselpartikelfilter, meiner braucht den nicht … Diese Aufzählung konnte man
beliebig fortsetzen. Alle sprechen von einem Motor der Baureihe 4000 und alle haben recht. Denn die Idee, einen Motor zu bauen, der für alle Anwendungen perfekt ist, ist zwar schön, aber reine Utopie. Eigentlich sind bei den MTU-4000ern nur die großen Teile wie Kurbelgehäuse, Kurbelwelle oder die Schwungradgehäuse identisch, oder sagen wir sehr ähnlich, denn schon da gibt es Unterschiede. 4000er-Motoren haben noch etwas gemeinsam: Bei der Markteinführung im Jahr 1997 hatten sie einen Hubraum von etwas über vier Litern pro Zylinder – daher die Baureihenbezeichnung 4000. Heute liegt dieser mit 4,77 Litern höher. Doch schon dann muss man anfangen, die Motoren zu unterscheiden.

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Charakteristisch für den 16-Zylinder-Bahnmotor des Typs 4000
R84 ist die zweistufige Aufladung mit Zwischenkühlung. Auch der
AGR-Kühler rechts oben am Motor ist besonders bei MTUMotoren
der aktuellen Generation zu sehen.

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.

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Der Motor 16V 4000 P83 wird in der Öl- und Gasindustrie
zum Antrieb von Pumpenanlagen eingesetzt.
Er ähnelt dem Motor für Bergbaufahrzeuge und Lokomotiven.

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.

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Die vor allem in Bergbaufahrzeugen eingesetzte 16-Zylinder-Variante
des Typs 4000 C23 ist dem Bahnmotor R43 sehr ähnlich.
Dieses Bild zeigt die derzeit aktuelle Variante, die die Emissionsstufe
Tier 2 erfüllt. Sie ist noch ohne eine zweistufige Aufladung
und einen AGR-Kühler ausgestattet, da der Motor weniger strenge
Emissionsgrenzwerte einhalten muss.

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.

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Der 16-Zylinder-Motor des Typs 4000 G63 wird in Stromaggregaten
eingesetzt. Anders als mobile Motoren sind die Motoren
nicht elastisch, sondern starr gelagert und besitzen eine für
Lastaufschaltung angepasste Aufladung.

> 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.

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Marinemotoren (im Bild oben ein 20V 4000 M93, unten ein 16V
4000 M63) haben ein Einkreiskühlsystem mit angebautem
Wärmetauscher und nutzen das Wasser, in dem die Schiffe fahren,
um die Motoren zu kühlen. Außerdem sieht man die doppelwandigen
Heißteile, damit die Oberflächentemperatur nicht
höher als 220 Grad Celsius wird.

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 ?beispielsweise der erste MTU-Motor, der serienmäßig mit einem Dieselpartikelfilter ausgestattet wird. Die Filtereinheit wird anstelle des Schalldampfers in die Lok eingebaut und übernimmt dessen Funktion – das spart Platz. Der MTU-Bahnmotor für den amerikanischen Markt kommt dagegen noch ohne einen Dieselpartikelfilter aus, weil hier die Partikelgrenzwerte für die Stufe EPA Tier III noch höher sind. Auch MTU-4000er-Motoren für Muldenkipper erreichen die Partikelgrenzwerte ohne den Einsatz eines Dieselpartikelfilters. Schon seit dem Jahr 2011 startet MTU die 4000er, die in Aggregaten Strom erzeugen, mit einer SCR-Anlage aus, um die Stickoxide unschädlich zu machen. Ab dem Jahr 2016 werden auch die 4000er für Arbeitsschiffmotoren die Emissionsstufe IMO III nur noch mit einer SCR-Anlage erreichen.

Kundenanforderungen führen zum wahren Unikat
Doch damit hört die Arbeit nicht auf. Denn jetzt gibt es zwar einen Motor, der perfekt für Züge, Muldenkipper oder Schiffe geeignet ist – doch jetzt kommen die Anforderungen der Kunden ins Spiel. Jede Lokomotive, jedes Schiff oder jeder Muldenkipper, in denen ein 4000er-Motor eingebaut werden soll, ist anders. Hier beginnt die Arbeit der MTU-Anwendungsingenieure. Sie müssen nun den mit den Technologiebausteinen der Baureihe 4000 zusammengesetzten Motor genau auf die Anforderungen des Kunden zuschneiden. Welche Traktionsart wünscht der Kunde? Handelt es sich um einen dieselelektrischen Antrieb, bei dem der Dieselmotor einen Elektromotor antreibt? Oder treibt der Dieselmotor direkt an? Welche Zurüstteile sind notwendig? Welcher Bauraum steht zur Verfügung? Welche Anschlüsse sind notwendig? Fragen über Fragen, die in monatelanger, teils jahrelanger Arbeit geklärt werden müssen.

Erst wenn diese Fragen beantwortet sind, ist aus dem Universalmotor ein kundenspezifisches Unikat geworden.


 

 

Der Inhalt der Beiträge entspricht dem Stand zum jeweiligen Erscheinungsdatum. Sie werden nicht aktualisiert. Weitergehende Entwicklungen sind deshalb nicht berücksichtigt.

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