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Großmotoren

Die neue Generation der MTU-Motorbaureihe 4000 Verschärfte Emissionsgrenzwerte und steigende Leistungsanforderungen waren treibende Faktoren für die Weiterentwicklung der Dieselmotoren-Baureihe 4000 der MTU Friedrichshafen. Die schnelllaufenden Off-Highway-Motoren sind spezifiziert für die Anwendungen Baumaschinen, Stromerzeugung, Bahn und Schiff. Neu im Programm ist der Marinemotor 20V 4000 mit einer Leistung von 4300 kW. Trotz gesteigerter Leistungen verbrauchen die Motoren bei Einhaltung der verschärften Emissionsgrenzwerte gleich viel oder weniger Kraftstoff. 356

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1 Motorkonzept Seit über zehn Jahren produziert die MTU Friedrichshafen die Baureihe 4000 (BR 4000) mit den Zylinderzahlen 8V, 12V, 16V und 20V in Serie und konnte bei der Entwicklung der neuen Motorengeneration auf viele bewährte Bauteile zurückgreifen. Verändert hat sich in allen Anwendungen die Bohrung: Sie wurde um 5 mm vergrößert. Zusätzlich wurde der Hub bei den Anwendungen Bahn, Stromerzeugung und Baumaschinen von 190 auf 210 mm verlängert. Sowohl die Lang- als auch die Normalhubmotoren bestehen aus demselben bewährten Kurbelgehäuse aus Sondergusseisen, Bild 1. Das einteilige Kurbelgehäuse besteht aus Sondergusseisen. Integriert sind der Hauptölkanal und die Kühlwasserleitungen. Die Kurbelwelle ist allseitig bearbeitet mit angeschraubten Gegengewichten versehen. Die verschleißresistenten Gleitlager wurden neu entwickelt. Für das Triebwerk kommen wahlweise die Langhub- beziehungsweise Normalhubkurbelwelle mit angeschraubten Gegengewichten zum Einsatz. Die Kolben bestehen aus einem Aluminiumunterteil und einem angeschraubtem Stahloberteil, während die Zylinderlaufbuchse aus Schleuderguss mit einer zweistufigen Plateau-Honung hergestellt sind. Das Design des Zylinderkopfes mit zentral angeordnetem Injektor und jeweils zwei Einlass- und zwei Auslassventilen wurde ebenso übernommen. Um das breite Spektrum von Anwendungen mit den unterschiedlichen Anforderungen wirtschaftlich bedienen zu können, arbeitet die MTU mit einem einheit-

lichen Grundmotor. Anwendungsspezifische Eigenschaften werden über die Anpassung von Brennverfahren, Auf ladung, Kühlkreislauf und Elektronik erschlossen. In den Anwendungen Bahn und Stromerzeugung kommen ungekühlte Abgasleitungen zum Einsatz, während für den Schiffs- und Baumaschineneinsatz wassergekühlte dreiwandige Abgasleitungen verwendet werden. Das Kühlsystem der Anwendungen Bahn, Stromerzeugung und Baumaschinen besteht aus einem Hochtemperatur- und einem Niedertemperaturkreislauf. Das Einkreiskühlsystem der Anwen dung Schiff ist äußerst wartungsfreundlich und zeichnet sich durch hervorragende Eigenschaften im Niedriglastbetrieb aus.

Die Autoren

Dr. Martin Kurreck ist Entwicklungsleiter der Baureihe 4000 bei der MTU Friedrichshafen GmbH.

Dipl.-Ing. Werner Remmels ist Fachreferent in der Entwicklung der Baureihe 4000 bei der MTU Friedrichshafen GmbH und Projektleiter für die Entwicklung des C&I- und Genset-Motors.

1.1 Einspritzung Herzstück der BR 4000 ist das weiterentwickelte Common-Rail-System mit einer Hochdruck-Reihenpumpe und „Lead“-Injektoren mit Kraftstoff-Einzelspeichern. Im gesamten Einspritzsystem herrscht ein nahezu konstanter Druck von 1800 bar. Durch Zusammenspiel der neuen Motorelektronik ADEC mit einer noch kraftvolleren Aufladung konnten die Verbrennungsprozesse optimiert werden. Hierzu trägt auch die Dreifacheinspritzung bei. So werden die um rund 30 % gesenkten Grenzwerte für Abgasemissionen rein innermotorisch und bei niedrigen Kraftstoffverbräuchen eingehalten. Eine Abgasnachbehandlung ist nicht erforderlich. Das Hochdrucksystem kann wahlweise einwandig und doppelwandig ausgeführt werden. Bei der doppelwandigen Ausfüh-

Dr. rer. nat. Michael Eckstein ist Teamleiter in der Entwicklung der Baureihe 4000 bei der MTU Friedrichshafen GmbH und Projektleiter für die Entwicklung des Bahnmotors.

Dipl.-Ing. Otto Bücheler ist Fachreferent in der Entwicklung der Baureihe 4000 bei der MTU Friedrichshafen GmbH und Projektleiter für die Entwicklung des Marinemotors.

Dipl.-Ing. (FH) Volker Wachter ist Fachreferent für die Konstruktion von Einspritzsystemen bei der MTU Friedrichshafen GmbH.

Bild 1: Einteiliges Kurbelgehäuse der MTU-Baureihe 4000 Figure 1: One-piece crankcase of the MTU series 4000 MTZ 05I2007 Jahrgang 68

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Großmotoren

Bild 2: Gesamtaufbau des Einspritzsystems Figure 2: Overall layout of fuel injection system

Bild 3: Modularer Aufbau des Lead-Common-RailInjektors Figure 3: Modular design of the Lead common-rail fuel injector

ausschließlich die Funktion einer Leitung. Der hydraulische Widerstand vor jedem Injektor ist durch eine Drosselbohrung im Adapter dargestellt. Das bereits bei der BR 4000.01 beziehungsweise BR 4000.02 im Common-RailSystem zwischen Rail und Injektorleitung integrierte Mengenbegrenzungsventil (MBV) wurde bei der BR 4000.03 in das Speichervolumen des Injektors integriert. Das MBV schließt beispielsweise bei einem Klemmen der Düsennadel innerhalb eines Arbeitsspiels und verhindert dadurch Dauereinspritzung. Der Injektor für die BR 4000.03 wurde entsprechenden den Anforderung – integriertes Speichervolumen, Systemdruck 1800 bar und Mehrfacheinspritzung – von L´Orange neu entwickelt. Um zum einen den Bauraum für den Einzelspeicher zu schaffen und zum anderen die geforderte Mehrfacheinspritzung darstellen zu können, musste das Steuerventil möglichst nah an die Düse gelegt werden. Dadurch konnten die bewegten Massen im Vergleich zum vorigen Injektor der BR 4000 deutlich reduziert werden. Mit dieser Ausführung lassen sich sehr geringe Verzugszeiten zwischen Bestromungsbeginn und tatsächlichem Spritzbeginn darstellen. Der grundsätzliche modulare Aufbau des Injektors mit integriertem Einzelspeicher, Magnet, Steuerventil, Drosselplatte und Düsenmodul ist in Bild 3 dargestellt. Der Injektor wird durch ein 2/2-Wege-Ventil betätigt, welches durch die Motorelektronik angesteuert wird.

1.2 Motorelektronik

rung – Standard für Marine und Bahn – können auftretende Undichtheiten an Hochdruck-Dichtstellen nicht nach außen austreten, sondern werden im Leckkraftstoffraum aufgefangen und zentral über einen Sensor detektiert. Somit bietet diese Ausführung ein Höchstmaß an Sicherheit. Das bestehende Common-Rail-System wurde durch Simulationsrechnungen hydraulisch optimiert und neu ausgelegt, um die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. So entstand ein modulares Einspritzsystem mit Einzelspeichern in den Injektoren, das eine optimale Kontrolle von Einspritzzeitpunkt, -menge und -druck ermöglicht. Bild 2 zeigt das Gesamtsystem, Bild 3 stellt den Aufbau eines Injektors mit integriertem Hochdruckspeicher dar. Dieser ermöglicht Einspritzmengen bis 1000 mm3 bei 1800 bar Systemdruck und verfügt über ein integriertes Mengen358

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begrenzungsventil sowie Mehrfacheinspritzfähigkeit. Eine von der Hochdruckpumpe (HDPumpe) angetriebene Niederdruckpumpe (ND-Pumpe) saugt den Kraftstoff aus dem Tank an und führt den verdichteten Kraftstoff zur Hochdruckpumpe. Aufgrund des gestiegenen Systemdrucks und der benötigten Fördermengen hat der Einspritzspezialist L’Orange diese mehrzylindrige, ölgeschmierte Rollenstößel-Pumpe in Reihenausführung neu entwickelt. Eine Hochdruckleitung führt den Kraftstoff aus dem im Anschlußstück der HDPumpe integriertem Speichervolumen in das Verteilerstück, in dem Hochdrucksensor, Temperatursensor und Überdruckventil integriert sind. Vom Verteilerstück führt jeweils eine Leitung zum Verteilerrail auf jeder Motorseite. Das Verteilerrail hat keine Speicherfunktion, sondern übernimmt

Eine weitere wesentliche Neuerung der neuen Baureihe 4000 ist die neue Generation des MTU-eigenen elektronischen Motormanagementsystems ADEC (Advanced Diesel Engine Control), Bild 4. Die ADEC-Einheit bietet unter anderem eine dreifacheinspritzfähige Elektronik (mit Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung), die den Kraftstoffeinspritzprozess im Hinblick auf eine schadstoffarme und leistungseffiziente Verbrennung optimal steuert. Das Motormanagement ist drehmomentgeregelt. Dadurch wird eine hohe Genauigkeit des Reglerverhaltens erreicht. Die Anwendungsgruppe und die Abstimmung eines ausgelieferten Motors ist durch die in der ADEC hinterlegten Datensätze definiert. Außerdem lassen sich mit ADEC Motordaten wie etwa die Zahl der Betriebsstunden per Fernabfrage auslesen oder im Servicefall auf einen neuen Motorregler kopieren.

1.3 Aufladung Die Anwendungen Schiff, Bahn und Baumaschinen verfügen über Hochleistungs-

Bild 4: Die ADEC ermöglicht eine hochpräzise Kraftstoffzuteilung Figure 4: The ADEC enables ultra-precise fuel delivery

turbolader der MTU. Sie zeichnen sich durch hohe Ladedrücke und Aufladungswirkungsgrade aus. Die Baumaschinen-Motoren können beispielsweise in Höhen bis 3700 m eingesetzt werden, während die Wasserkühlung die Oberflächentemperatur der CI- und Marine-ATLs niedrig hält. Der Turbolader ZR 195 mit einem 205mm-Verdichterrad, Bild 5, dreht mit bis zu 54.000/min bei maximal 4,7 bar Ladedruck und 2,2 m3 Luftförderung. Die Motoren der Baureihe 4000 haben eine Stufenaufladung mit bis zu vier Turboladern.

Bild 5: Turbolader ZR 195 Figure 5: Turbocharger ZR 195

2 C&I-Motor Die 4000er-Motoren für „Construction and Industrial“ (C&I) kommen in den weltgrößten Muldenkippern, Baggern oder Radladern zum Einsatz. Mit den Zylindervarianten 12V, 16V, Bild 6, und 20V deckt der Motor ein Leistungsspektrum von 1193 bis 2800 kW bei 1800/min ab. Dies ist eine Steigerung von rund 12 %. Hauptanforderungen an die C&I-Motoren sind hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, niedrige Oberflächentemperaturen und größere

Einsatzhöhen. Bei einem Kraftstoffverbrauch von 207 g/kWh hält der Motor die verschärften Emissionsgrenzwerte nach EPA Tier II (laut 40 CFR 89) ein: – NOX + HC ≤ 6,4 g/kWh – CO ≤ 3,5 g/kWh – Partikel ≤ 0,2 g/kWh. Das Aufladekonzept der C&I-Motoren wurde weiterentwickelt. Je Motor verdichten zwei effiziente MTU-Lader die Ladeluft auf bis zu 3,5 bar. Die Einsatzhöhe der Motoren ohne Leistungsreduktion beträgt 3700 m. Konkurrenzlos in der Anwendung C&I ist

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Bild 6: C&I-Motor 16V 4000 C23 Figure 6: 16V 4000 C23 C&I engine

die wassergekühlte dreiwandige Abgasleitung. Sie hält die Oberflächentemperatur des Motors unter 200 °C und verhindert bei Lecks am Hydrauliksystem der Fahrzeuge, dass Öl am Motor entzündet werden kann. Somit sinkt die Brandgefahr für Mining-Trucks deutlich und bringt den Betreibern ein großes Plus an Einsatzbereitschaft. Die C&I-Motoren stehen mit gesteigerter Leistung sowie mit einer abgas- oder verbrauchsoptimierten Version zur Verfügung, Tabelle.

3 Genset-Motor Die Genset-Motoren der BR 4000, Bild 7, werden für Notstrom-, mobile und stationäre Dauerstrom- und Spitzenstromversorgung eingesetzt. Generell zeichnen sich die Genset-Motoren der BR 4000 durch ein hohes Lastaufschaltverhalten, hohe Leistungsdichte und hohe Wirtschaftlichkeit aus. In der 50 Hertz-Variante decken sie den Leistungsbereich von 1420 bis 2850 kW bei 1500/min ab. Für den USamerikanischen Markt wird eine 60 Hertz-Variante mit 1520 bis 3490 kW Leistung bei 1800/min angeboten. Die neuen Generator-Motoren erfüllen für die 60-Hz-Anwendung die wesentlich verschärfte Emissionsstufe EPA II (siehe C&I). Neben der Erfüllung der amerikanischen Gesetzgebung werden die 50-Hz-Motoren weiterhin die Vorgaben der TA-Luft einhalten. Die Stickoxidwerte sinken durch die neue Verbrennungsabstimmung der Motoren unter 1700 mg/m3 und die emittierten Staub-Werten sinken unter 50 mg/m3 – und dies in einer Bandbreite von 50 bis 100 % der Nennleistung. Das neue ESCM (Engine Site Condition Management System), das im ADEC-Motormanagement enthalten ist, schützt den Motor automatisch bei Abweichungen von den StandardRandbedingungen. Um die thermische Überlastung des Motors zu vermeiden, passt sich das Motorbetriebsverhalten unter anderem an Umgebungstemperatur und Einsatzhöhe an. Die Motoren stehen in allen Zylinderzahlen (12V, 16V und 20V) mit gesteigerter Leistung für eine noch kompaktere Bauweise sowie abgas- oder verbrauchsoptimiert zur Verfügung, Tabelle.

Bild 7: Genset-Motor 16V 4000 G63/83 Figure 7: 16V 4000 G63/83 genset engine

Bild 8: Bahn-Motor 16V 4000 R43 Figure 8: 16V 4000 R43 rail engine

4 Bahn-Motor Die neuen Bahn-Motoren, Bild 8, treiben Lokomotiven, Rangierloks und Hochgeschwindigkeitstriebköpfe an. Die Anforderungen in diesem Anwendungssegment sind in erster Linie kompakte Bauweise, niedriges Leistungsgewicht und hohe Wirtschaftlichkeit. Mit den Zylindervarianten

8V, 12V, 16V und 20V deckt der Motor ein Leistungsspektrum von 1000 bis 3000 kW bei 1800/min ab. Dies ist eine Steigerung von rund 10 %. Bei einem Kraftstoffverbrauch unter 200 g/kWh hält der Motor die Emissionsgrenzwerte der EU-Emissionsstufe IIIA ein. Sie schreiben für Motoren dieser Leistungsklasse ab 2009 vor allem eine deutliche Reduktion der Stickoxid-Werte

von derzeit höchstens 9,5 g/kWh auf künftig maximal 6,0 g/kWh vor. Diesen NOXGrenzwert unterschreiten die MTU-Bahnantriebe rein innermotorisch mit dem so genannten Miller-Verfahren, also ohne Abgasnachbehandlung. Dabei werden die Einlassventile früher als sonst üblich im Verbrennungsprozess geschlossen, was zu niedrigeren Verbrennungstemperaturen

Tabelle: Technische Daten Table: Technical data Anwendung

C&I

Genset

Zylinderkonfiguration

Rail

Bohrung/ Hub (mm)

12V, 16V, 20V

170 / 210

Zylinderhubvolumen (l) Mitteldruck (bar)

Marine

8V*, 12V, 16V, 20V

170/ 190

4.77 19,6

24,5

4.31 21,0

27,6

Nenndrehzahl (min-1)

1800

1500/1800

1800

2170

Max. kW / Zyl.

140

175

150

215

Max. Motorleistung (kW)

2800

3500

3000

4300

Länge / Höhe / Breite (20V) mm

3680 x 2050 x 1590

3410 x 2050 x 1615

3335 x 1972 x 1562

4190 x 2075 x 1490

Leistungsgewicht (20V) kg/kW

< 3,6

< 2,8

< 3,3

2,8

Kraftstoffverbrauch (g/kWh) (Optimum)

198

189

197

198

Besonderheiten

Miller-Brennverfahren, TF-Kühlkreislauf

* nur Bahn

Emissionen Emissionsstufen NOX (g/kWh) HC (g/kWh)

C&I EPA -Motor

Genset EPA-Motor EPA Tier II 6,4

Rail EU IIIA, > 560 k W

Rail EPA 40 CFR 92

*

**

6,0

7,4

0,5

0,4

Marine EPA-Motor EPA Tier II 7,2

CO (g/kWh)

3,5

3,5

2,0

5

Partikel (g/kWh)

0,2

0,2

0,27

0,2

* ISO-F-Zyklus ** US-Lokomotiv-Zyklus

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Großmotoren

Bild 9: Marine-Motor 20V 4000 M93L Figure 9: 20V 4000 M93L marine engine

und in der Folge zu niedrigeren StickoxidEmissionen des Motors führt. Auch die Partikelemissionen sinken durch die neue Verbrennungsabstimmung der 4000er-Bahnmotoren deutlich. In der 12V- und 16V-Version sind auch Motoren für den US-amerikanischen Markt erhältlich, die den dort geltenden Emissionsgrenzwerten der EPAStufe 2 Rail (40 CFR 92) entsprechen. Da keine Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte notwendig ist, hat sich der Bauraum im Vergleich zum Vorgängermodell nicht vergrößert. Ein Tausch ist also im vorhandenen Lokomotiven-Bauraum leicht möglich. In Kombination mit der Leistungssteigerung der neuen MTU-Motoren führt die kompakte Bauweise zu einem noch besseren Leistungs-GewichtsVerhältnis. So lässt der Motor in bestimmten Zylindervarianten weiterhin eine vierachsige Bauweise der Loks zu. Auch bei der Aufladung hat die MTU technisch optimiert: Die neuen 4000erBahnmotoren sind mit je zwei von der MTU selbst entwickelten und produzierten Abgasturboladern bestückt. Sie ermöglichen höhere Ladedrücke bis 4,5 bar und sorgen für konstante Motorleistungen von Meereshöhe bis 1500 Höhenmeter. Zudem lassen die neuen Abgasturbolader höhere Abgasgegendrücke zu, womit künftig, wenn erforderlich, der Einbau kompakter Rußpartikelfilter möglich ist. Auch den Kühlkreislauf der Bahnmotoren hat die MTU modifiziert: Bei der nun zweistufigen Ladeluftkühlung wird die Ladeluft vom Motorkühlwasser vorgekühlt; in einer zweiten Stufe kühlt der eigentliche Ladeluftkühler die Verbrennungsluft weiter ab. Dadurch wird mehr Wärme auf höherem Tem362

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peraturniveau abgeführt, so dass lokseitig der Einbau einer kleineren Kühlanlage möglich ist: Das führt zu einer Gewichts- beziehungsweise Bauraumeinsparung der Lok.

5 Marine-Motor Die Marinemotoren der BR 4000, Bild 9, werden sowohl in kommerziellen als auch in militärischen Schiffen eingesetzt. Yachten, Fähren und Patrouillenboote sind typische Einsatzbeispiele. Neu in der Baureihe ist die 20-Zylinder-Variante mit einer Leistung von 4300 kW bei 2170/min. Damit reicht das Leistungsspektrum der Marinemotoren (12V, 16V, 20V) von 1920 bis 4300 kW. Die Zylinderleistung ist um rund 26 % gestiegen. Der Motor hält die Emissionsgrenzwerte nach EPA Tier II ein, die vor allem eine deutliche Reduktion der Stickoxid-Werte vorschreiben. Der Grenzwert von 7,2 g/kWh für NOX und HC wird von den MTU-Schiffsantrieben unterschritten, wobei dies ausschließlich durch innermotorische Maßnahmen, also ohne Abgasnachbehandlung, erzielt wird. Trotz Emissionsreduzierung konnte der Kraftstoffverbrauch leicht gesenkt werden. Die bei geringen Baumaßen und gesteigerter Leistung sehr kompakt ausgeführten neuen MTU-Motoren weisen ein entsprechend weiter verbessertes Leistungsgewicht auf, wodurch höchste Beschleunigungswerte in ihrer Leistungsklasse erreicht werden. Auch die Aufladung der Marinemotoren hat die MTU optimiert: Die neuen 4000erSchiffsmotoren sind mit zwei (12- und 16Zylinder-Variante) beziehungsweise vier (20Zylinder-Variante) von der MTU entwickel-

ten Turboladern mit hohen ATL-Wirkungsgraden bestückt, die je nach Motordrehzahl einzeln zuschaltbar sind. Die einstufige Registeraufladung sorgt für optimale Leistung über ein sehr breites Motorkennfeld und geringe Kraftstoffverbräuche. Die Motoren verfügen über alle für e inen autarken Motorbetrieb erforderlichen Nebenaggregate und Wärmetauscher. Schiffsseitig sind nur die entsprechenden Schnittstellen für Kraftstoff, Seewasser, Luft und Abgas bereitzustellen. Darüber hinaus kommt erstmals ein neues Sicherheitssystem zur Kurbelgehäuse-Überwachung, das so genannte Crankcase-Monitoring, zum Einsatz. Dieses umfasst neben den Explosionsschutz-Ventilen auch eine vollständige Grundlagertemperatur-Überwachung sowie eine Temperaturüberwachung der großen Pleuellager (Splash-Oil-Sensoren). Die neuen MTU-Schiffsdiesel der Baureihe 4000 entsprechen den Vorschriften der Klassifizierungsgesellschaften für Schiffsanwendungen und zum Beispiel auch der SOLASAnforderung in Bezug auf Bauteil-Oberflächentemperaturen von weniger als 220 °C. Die Motoren sind auch in militärischen Schiffen einsetzbar. Sie erfüllen die dafür höheren Schock- und Akustikanforderungen sowie jene für die elektromagnetische Verträglichkeit und können erhöhte Schräglagen darstellen.

6 Fazit Die weiterentwickelte Baureihe 4000 profitiert von der Erfahrung und den bewährten Bauteilen der seit über zehn Jahren in Serie hergestellten Vorgängermotoren. So konnten insbesondere die Emissions- und Leistungswerte optimiert werden. Das Baureihenkonzept mit einem einheitlichen Grundmotor bietet große Vorteile für die Logistik und Wirtschaftlichkeit. Durch den konsequenten Einsatz modernster Projektmanagement- und Entwicklungsmethoden fand die Auslieferung der ersten Motoren nur drei Jahre nach Projektbeginn statt. Damit setzt die neue BR 4000 Maßstäbe im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit, Leistung und Umweltverträglichkeit. O

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