Gasmotoren machen Schiffe umweltfreundlicher

Weniger CO2, weniger Stickoxide und weniger Schwefel durch umweltfreundlichen Kraftstoff und intelligente Motorregelung

Zylinderdruckgeführtes Motormanagement verbessert die Effizienz von Gasmotoren auf Schiffen, ohne zu Nachteilen bei den Stickoxidemissionen zu führen. Untersuchungen von IAV und Großmotorenherstellern zeigen: Durch diesen Ansatz lässt sich der Motor mit hohem Wirkungsgrad nahe an seiner mechanischen Belastungsgrenze betreiben. Für die Performance ist es zudem empfehlenswert, alle Zylinder gleichgestellt zu betreiben.

Auch in der Schifffahrt gibt es so etwas wie die Umweltzonen in Städten: In den „Emission Control Areas“ (ECAs) – etwa in der Nähe von Küsten oder der Nord- und Ostsee – dürfen die Motoren nur sehr wenig Stickoxid, Schwefel und Kohlendioxid ausstoßen. Der Schwefel stammt aus dem auf Schiffen verwendeten Schweröl (dort liegt sein Anteil bei bis zu 3,5 Prozent), und wenn ein Kapitän eine Zone mit verschärften Emissionsgrenzwerten ansteuern möchte, muss er auf normalen Diesel umschalten oder sich auf eine aufwendige Abgasnachbehandlungsanlage verlassen. Damit und durch angepasste Brennverfahren lassen sich auch die Stickoxidemissionen in den Griff bekommen – allerdings zu recht hohen Kosten.

Erdgas: sauber und kostengünstig

Zum Glück gibt es dazu eine Alternative: „Gas ist eine wunderbare Lösung, um die Emissionen ohne allzu großen Aufwand unter den erlaubten Grenzwerten zu halten. Denn moderne Gasmotoren, die als Magermotorkonzepte ausgeführt sind, erzielen unter Einhaltung der Emissionsvorschriften hohe Leistungsdichten und hohe Wirkungsgrade“, sagt Dr. Andreas Broda, Teamleiter für Motorversuch und Applikation Abgasnachbehandlung von Nutzfahrzeug-Gasmotoren bei IAV. „Weltweit wird darum intensiv an der Entwicklung von maritimen Gas- oder Dual- Fuel-Motoren gearbeitet.“ Neben den geringeren Emissionen hat Erdgas (in Form von LNG) noch weitere Vorteile: Das Angebot ist groß und die Preise sind entsprechend niedrig – woran sich auch in Zukunft wenig ändern dürfte. Zudem hat Methan ein günstigeres Verhältnis von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen, wodurch seine Verbrennung weniger CO2 erzeugt.

Während in stationären Gasmotoren für große Leistung Vorkammern mit Zündkerzen zum Einsatz kommen, bietet sich bei Schiffsmotoren auch die Zugabe von Diesel (1 bis 5 Prozent) als „chemische Zündkerze“ an. Entscheidend ist in jedem Fall ein intelligentes Motormanagement, um die gleiche Effizienz wie bei Dieselmotoren zu erreichen und zugleich sicher innerhalb der zulässigen Betriebsgrenzen zu bleiben. „Die Motoren laufen in einem sehr engen Betriebsbereich zwischen Motorklopfen und Aussetzern“, erklärt Benjamin Tilch, Teamleiter P-&-E-Konzepte und -Funktionen im IAV-Fachbereich Nutzfahrzeug- Powertrain. „Wenn wir unter variierenden Umgebungsbedingungen und bei schwankenden Gasqualitäten immer in einem sicheren Betriebsbereich bleiben wollen, müssen wir einen Sicherheitsabstand zum mechanisch tolerierbaren Spitzendruck einhalten – den wir unter idealen Bedingungen sogar in einen weiteren Wirkungsgradvorteil umwandeln könnten.“

Regelung auf Basis des Zylinderdrucks

Um den Motor so nahe wie möglich an seinen mechanischen Grenzen betreiben zu können, bietet sich eine geschlossene Regelung auf Basis von Zylinderdrucksignalen an. Sie stellt sicher, dass die Verbrennung nahe am zulässigen Spitzendruck und damit mit maximalem Wirkungsgrad stattfindet. IAV hat gemeinsam mit Herstellern eine solche zylinderdruckgeführte Motorregelung eines mittelschnell laufenden Gasmotors mit zylinderindividueller Gaseinblasung untersucht. Für die Untersuchungen kamen ein echtzeitfähiges, winkelbasiertes Motormodell (Software-in-the-Loop) und ein detailliertes Motormodell (Model-in-the-Loop) zum Einsatz. Anschließend haben die IAV-Experten sowohl die Regelungskonzepte als auch die Analysefunktionen in eine Rapid- Prototyping-Steuergeräteumgebung (IAV RPECU) implementiert und im Bypass an das Motorsteuergerät angeschlossen.

Der Zylinderdruck gelangte zunächst in das echtzeitfähige Indiziersystem IAV Indicar, wo er gefiltert, korrigiert und zur Berechnung der freigesetzten Wärme verwendet wurde. Alle relevanten Daten wie Verbrennungsbeginn, Verbrennungsschwerpunktlage sowie maximaler Zylinderdruck und Hinweise auf Klopfen und Zündaussetzer ließen sich daraus online berechnen und als Eingangsgrößen an das Steuergerät weiterleiten. Um verschiedene Kontrollstrategien miteinander vergleichen zu können, untersuchte das Team verschiedene Referenzvariablen: das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die Verbrennungsdauer, den mittleren indizierten Zylinderdruck und den Zündzeitpunkt.

Effizient wie ein Dieselmotor

Die Untersuchung zeigte, dass die zylinderdruckgeführte Motorsteuerung tatsächlich in der Lage war, den Sicherheitsabstand zu den mechanischen Belastungsgrenzen zu minimieren und so die ohnehin schon hohe Effizienz des Gasmotors weiter zu steigern – ohne dabei die vorgegebenen Stickoxidgrenzwerte zu überschreiten. Zudem stellte sich heraus, dass alle Zylinder ausbalanciert sein sollten – es ist also nicht sinnvoll, sie auf unterschiedlichen Druckniveaus zu betreiben, um die NOx-Emissionen zu verringern. „Die Steuerung aufgrund des maximalen Zylinderdrucks erwies sich als besonders vielversprechend“, fasst Broda zusammen. „Mit ihr können wir den Motor je nach Last sehr schnell und genau regeln – trotz seiner hohen thermischen Masse.“