Ein Chefingenieur, der ein Viertakt-Nebenaggregat mit 6.000 kW betreibt, hat zwei Zahlen vor sich. Der Benzinpreis beträgt auf seiner Strecke etwa zwei Drittel des sehr schwefelarmen Heizöls, und der Zylinderkopf, den er gerade außer Betrieb genommen hat, hat 12.000 Betriebsstunden hinter sich und weist verschlissene Auslassventilsitze auf. Diese beiden Zahlen erklären fast alles über den Dual-Fuel-Motor.
Die kurze Antwort ist einfach. Ein Dual-Fuel-Motor ist ein Dieselmotor, der mit Gas als Hauptkraftstoff betrieben werden kann, eine kleine Menge flüssigen Kraftstoffs als Zündquelle verwendet und bei Bedarf wieder auf flüssigen Kraftstoff umschalten kann. Der Zylinderkopf ist so wichtig, weil der Gasmodus den Druck, die Wärmeabgabe und die Ventilbelastung in der Brennkammer verändert, und im Kopf kommen alle drei Faktoren an. Im Folgenden werden die beiden Verbrennungswege, die tatsächlichen Kosten des Zündbrennstoffs, die Art und Weise, wie die Austauschrate mit der Last abnimmt, und die Teiledetails behandelt, die darüber entscheiden, ob ein Ersatzkopf den Gasmodus übersteht.
Was ein Dual-Fuel-Motor anders macht
Ein Dual-Fuel-Motor beginnt sein Leben als Dieselmotor. Der Block, die Kurbelwelle, die Pleuel und die Nennleistung bleiben in der gleichen Klasse, und der Motor behält das Selbstzündungsprinzip bei, das den Diesel überhaupt erst zuverlässig gemacht hat. Was sich ändert, ist das Gasversorgungssystem, das Brennkammerdesign, die Steuerungssoftware und bei den meisten Viertaktumbauten auch der Zylinderkopf selbst.
Im Gasbetrieb verbrennt der Motor Erdgas und in einigen Anlagen Flüssiggas oder Methanol als Hauptenergiequelle. Eine kleine Menge Diesel oder Marinegasöl wird als Zündbrennstoff eingespritzt und sorgt für die Zündenergie. Da die Zündflamme die Gas- und Luftladung zündet und nicht umgekehrt, hält der Motor das gleiche Effizienzband wie der Dieselbetrieb und erzeugt dabei nahezu keine Schwefeloxide. Wenn die Gasversorgung unterbrochen wird oder das Schiff manövriert und der Bediener eine sofortige Reaktion wünscht, kehrt der Motor innerhalb weniger Verbrennungszyklen in den Dieselmodus zurück.
Betreiber entscheiden sich aus drei praktischen Gründen für Dual-Fuel. Der erste Punkt ist die Einhaltung der Vorschriften: Der Gasmodus reduziert die Stickoxide um etwa 85 Prozent, was den IMO-Tier-III-Grenzwerten entspricht, ohne dass eine Einheit zur selektiven katalytischen Reduktion erforderlich ist. Der zweite Faktor sind die Kosten: Auf vielen Strecken deckt der Preisunterschied zwischen Flüssigerdgas und sehr schwefelarmem Heizöl die höheren Kapitalkosten für den Motor und den Gastank innerhalb weniger Jahre ab. Der dritte Punkt ist die Optionalität: Derselbe Motor kann jeden Kraftstoff verbrennen, der auf dem Markt und den Vorschriften in diesem Monat am günstigsten ist.
Bei großen Zweitakt-Hauptmotoren wird bei einem weit verbreiteten Ansatz das Gas spät im Kompressionstakt unter hohem Druck eingespritzt, wodurch der ursprüngliche Dieselverbrennungszyklus intakt bleibt und der Verlust von unverbranntem Methan an die Abgase vermieden wird.
DONGFANG Zylinderkopf | Ersatz-Ersatzteile, kompatibel mit MAN-Marinedieselmotoren Kompatible Modelle: L16/24, L23/30, L23/30H, L28/32A, S26MC, L31, L35MC, S35MC, L50MC-C I. Produktübersicht DONGFANG-Zylinderköpfe sind kompatible Ersatzteile von Drittanbietern... Produkt anzeigen → Der Kompromiss liegt auf der Wartungsseite. Dual-Fuel-Motoren verlangen mehr von der Oberklasse: präzisere Einspritzdüsen- und Ventilsteuerung, engere Toleranzen bei den Dichtflächen und ein Zylinderkopf, der mit zwei verschiedenen Wärmeabgabemustern statt mit einem zurechtkommen muss.
Zwei Verbrennungswege, zwei Lastsätze
Bei den meisten Dual-Fuel-Diskussionen geht es darum, welchen Zyklus der Motor im Gasmodus verwendet, da diese Wahl den Gasdruck, die Zündkraftstoffmenge, den Methanschlupfgrad und die Lasten festlegt, die den Zylinderkopf erreichen.
| Parameter | Niederdruck-Gasmodus | Hochdruck-Gasmodus |
|---|---|---|
| Verbrennungszyklus | Otto, vorgemischte Ladung | Diesel, Diffusionsflamme |
| Gasversorgungsdruck | Etwa 5 bis 6 bar | Etwa 300 bis 350 bar |
| Gaseinlassstelle | Ansaughub, gemischt mit Luft | Späte Kompression, direkt in den Zylinder |
| Pilotbrennstoffanteil bei Volllast | Ungefähr 1 Prozent | Ungefähr 3 bis 5 Prozent |
| Methanschlupf | Messbar, höher bei geringer Belastung | Vernachlässigbar |
| Kompressionsverhältnis | Es gilt die Klopfgrenze | Standard-Dieselniveau |
| Typischer Dienst | Viertakt-Hilfs- und mittelschnelllaufende Hauptmotoren | Große Zweitakt-Hauptmotoren |
| Zu überprüfende Kopfmerkmale | Gaseinlassöffnungen, gehärtete Sitze, Kühlkanäle | Gasinjektorbohrung, Hülsenpassung, Härte des Feuerdecks |
In absoluten Zahlen ist keine der Routen besser. Der Niederdruckweg dominiert bei Viertakt-Hilfsmotoren und Mittelgeschwindigkeitsmotoren, bei denen das Gassystem einfacher ist und der Maschinenraum Platz dafür bietet. Der Hochdruckweg wird bei großen Zweitakt-Hauptmotoren verwendet, bei denen ein Methanschlupf nicht akzeptabel ist und ein Gaskompressor bereits Teil der Installation ist.
DONGFANG Zylinderkopf | Ersatzteile kompatibel mit Wartsila Marine Diesel En Kompatible Modelle: R20, L20, R22, R25, R32 I. Produktübersicht DONGFANG-Zylinderköpfe sind hochwertige Aftermarket-Ersatzteile, die unabhängig entwickelt und hergestellt werden... Produkt anzeigen → Warum der Zylinderkopf im Gasbetrieb mehr Last trägt
Der Gasmodus erhöht den Spitzenzylinderdruck und verändert die Form der Wärmefreisetzungskurve, sodass das Feuerdeck, die Ventilsitze und die Ventilkäfige einem härteren Zyklus ausgesetzt sind als im reinen Dieselbetrieb. Bei Port-Injection-Umbauten trägt der Kopf auch Gaseinlassventile, was zusätzliche Bohrungen, zusätzliche Dichtflächen und einen zweiten Weg für Leckagen bedeutet. Jeder, der die Hintergründe zum Teil selbst erfahren möchte, kann es lesen wie ein Zylinderkopf aufgebaut ist und was jede Oberfläche bewirkt .
- Ventilsitzhärte und Sitzwinkel, da im Gasbetrieb bei Teillast heißere Auslassventile betrieben werden.
- Ventilkäfig und Führung passen, da verschlissene Führungen zu einer Fehlausrichtung des Ventils führen und den Sitz zerstören.
- Die Sauberkeit des Kühlgangs wird beeinträchtigt, da ein teilweise verstopfter Durchgang in ein rissiges Feuerdeck übergeht.
- Gaseinlassventilbohrungen bei umgebauten Motoren, die der Spezifikation des Umrüstsatzes entsprechen müssen.
Die praktische Konsequenz ist, dass ein Ersatzkopf für einen Dual-Fuel-Motor nicht allein aufgrund der Bohrungsgröße gekauft werden kann. Je nach Motorversion, Gasbetrieb und Umrüstsatz ändert sich die Zeichnung, zu der der Kopf passen muss.
Pilottreibstoffanteil: Wie viel Diesel noch benötigt wird
Zündbrennstoff ist der Teil der Treibstoffrechnung, den die Betreiber vergessen, und es handelt sich nicht um eine feste Zahl. Die folgende Tabelle zeigt typische Pilotanteile für fünf Konfigurationen.
Die Grafik zeigt, wie viel der Gesamtenergie in fünf gängigen Konfigurationen noch aus flüssigem Brennstoff stammen muss. Ein Niederdruck-Viertaktmotor benötigt bei Volllast nur etwa ein Prozent Zündkraftstoff, weshalb Betreiber den Gasmodus als fast vollständig gasbefeuert betrachten. Fährt man den gleichen Motor auf eine Viertellast herunter, steigt der Pilotanteil auf etwa acht Prozent, weil das Gemisch zu mager wird, um ohne mehr Dieselenergie zuverlässig zu zünden. Hochdruck-Zweitaktmotoren laufen bei Volllast mit etwa drei Prozent, und Diesel-auf-Gas-Nachrüstungen liegen bei etwa fünf Prozent, da ihre Gaseinlass- und Steuersysteme weniger präzise sind als die eines speziell gebauten Motors. Bei geringer Auslastung kann der Nachrüstungsanteil bis zu fünfzehn Prozent betragen, was ausreicht, um die Berechnung der Treibstoffkosten für ein Schiff zu ändern, das längere Zeit im Hafen manövriert.
Die Substitutionsrate sinkt, bevor der Motor erschöpft ist
Die Substitutionsrate ist der Anteil des flüssigen Kraftstoffs, der tatsächlich durch Gas ersetzt wird, und ist über den gesamten Lastbereich nicht konstant.
Die rote Kurve zeigt einen speziell gebauten Niederdruck-Dual-Fuel-Motor, der bei Viertellast etwa 40 Prozent Substitution schafft und bei Volllast etwa 95 Prozent erreicht. Die blaue Kurve zeigt einen auf Gasbetrieb umgestellten Dieselmotor, der bei Viertellast bei etwa 25 Prozent startet und bei Volllast auf etwa 90 Prozent ansteigt. Der Abstand zwischen den beiden Kurven ist bei Teillast am größten, also genau dort, wo Fähren, Hafenfahrzeuge und Offshore-Versorgungsschiffe die meiste Zeit ihrer Betriebszeit verbringen. Eine Flotte, die die Einsparungen anhand der Typenschildwerte bei Volllast berechnet, wird diese überschätzen, wenn der Arbeitszyklus von Teillast dominiert wird. Aus diesem Grund sollte das Lastprofil und nicht die Motorleistung die Entscheidung zwischen einem serienmäßigen Dual-Fuel-Motor und einem Umbau bestimmen.
Was der Gasmodus mit den Emissionen macht
Im Gasbetrieb werden alle regulierten Schadstoffe im Vergleich zum Flüssigbrennstoffbetrieb gesenkt, jedoch nicht im gleichen Maße.
Schwefeloxide sinken um rund 99 Prozent, da Erdgas fast keinen Schwefel enthält, was allein die globale Obergrenze von 0,50 Prozent und die Grenzwerte von 0,10 Prozent innerhalb von Emissionskontrollgebieten erfüllt. Der Feinstaub sinkt um etwa 95 Prozent und die Stickoxide sinken um etwa 85 Prozent, was ausreicht, um ohne Nachbehandlungsgerät die Stufe III zu erreichen. Kohlendioxid sinkt nur um etwa 22 Prozent, da diese Einsparungen eher auf das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Kraftstoffs als auf die Verbrennungstechnologie zurückzuführen sind. Die Grafik zeigt auch, warum der Gasbetrieb oft als Compliance-Instrument und nicht als Klimalösung beschrieben wird: Die Stickoxid- und Schwefelzuwächse sind groß und unmittelbar, während die Kohlenstoffzuwächse moderat sind. Da sich die Vorschriften zur CO2-Intensität verschärfen, trägt der Dual-Fuel-Betrieb dazu bei, dass eine Flotte die Vorschriften einhält, sorgt aber allein nicht für eine tiefgreifende Dekarbonisierung.
Zweckmäßig gebauter Dual-Fuel-Motor oder Umbau
Beide Optionen werden mit Gas betrieben, verhalten sich aber unterschiedlich und werden im folgenden Radarvergleich anhand der sechs Kriterien bewertet, die von den Betreibern am häufigsten berücksichtigt werden.
Die beiden Formen werden nach sechs Kriterien von null bis einhundert bewertet, wobei eine größere Form besser ist. Der speziell entwickelte Motor bietet Vorteile bei der Kraftstoffflexibilität, der Stickoxid-Kopffreiheit und dem Kohlendioxidvorteil, da seine Brennkammer, Ventilsteuerung und Steuerkennfelder von Anfang an für Gas ausgelegt waren. Der Umbau schneidet bei der Nachrüstfreundlichkeit besser ab, da ein vorhandener Motor im Einsatz bleibt, anstatt ihn zu ersetzen, und er bleibt hinsichtlich der Kraftstoffkosteneinsparungen wettbewerbsfähig. Der schwächste Bereich für beide ist die Lebensdauer der Komponenten am oberen Ende, da der Gasmodus den Spitzendruck erhöht und die Wärmeabgabe verändert, sodass Ventilsitze, Ventilkäfige und das Feuerdeck des Zylinderkopfs härter arbeiten als im reinen Dieselbetrieb. Durch einen Umbau schrumpft dieser Spielraum noch weiter, weshalb Ersatzköpfe für umgebaute Motoren immer anhand der Spezifikationen für den Gasmodus und nicht anhand der Originalzeichnung für Dieselmotoren überprüft werden sollten.
Beschaffung von Zylinderköpfen für eine Dual-Fuel-Flotte
Die Beschaffung von Dual-Fuel-Motoren ist meist ein Matching-Problem. Dieselbe Motorenfamilie kann in Diesel-, Niederdruckgas- und Hochdruckgasversionen existieren, und der Zylinderkopf unterscheidet sich in kleinen, aber entscheidenden Punkten: Einspritzhülsendurchmesser, Ventilsitzmaterial, Gaseinlassöffnungen und Anordnung der Kühlkanäle. Ein Zylinderkopf, der auf die Dieselversion eines Motors passt, kann physisch auf die Gasversion geschraubt werden und dennoch vorzeitig ausfallen, da das Material und die Sitzhärte nie für den höheren Spitzendruck spezifiziert wurden.
Die Checkliste vor der Bestellung ist kurz. Bestätigen Sie das Motormodell und die Bauversion, nicht nur die Bohrung. Bestätigen Sie, ob der Motor im Niederdruck- oder Hochdruck-Gasmodus läuft. Bestätigen Sie, ob der Kopf Gaseinlassventilbohrungen benötigt. Bestätigen Sie den Ventilsitzwinkel und die Härteanforderung. Bestätigen Sie dann die Durchlaufzeit und den Lagerbestand, denn ein Schiff, das auf dem Kopf wartet, ist ein Schiff, das keine Einnahmen erzielt.
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Das gesamte Sortiment, einschließlich der Einheiten für Haushaltsdieselmotoren, ist im aufgeführt Ersatzteilkatalog für Zylinderköpfe , wobei auf jeder Seite die Motorfamilie angegeben ist, mit der der Kopf kompatibel ist.
Die Zahl, die letztendlich darüber entscheidet, ob sich Dual Fuel lohnt, ist nicht die Kraftstoffspreizung allein, sondern das dahinterliegende obere Wartungsintervall. Ein Motor, der 6.000 Stunden pro Jahr im Gasmodus läuft, durchläuft seinen Zylinderkopf mehr thermische Zyklen als ein Dieselmotor mit derselben Leistung, und der Zylinderkopf ist in dieser Rechnung ein Verbrauchsmaterial. Wenn Sie den Austausch entsprechend der Motorversion, der Gasmodusspezifikation und dem realen Lastprofil planen, bleibt eine Dual-Fuel-Flotte konform und verfügbar, ohne dass eine Kraftstoffeinsparung zu einer Wartungsüberraschung wird.
