Beitrag 14

Stand und neue Erkenntnisse zur technischen Diagnostik

Dr.-Ing. Karsten Wehner
EUB Hohen Luckow

  1. Analyse der Drehungleichförmigkeit
  2. Zylinder- und Einspritzdruckanalyse
  3. Schusskanal-Detektion
  4. Leistungsmessanlage
  5. Motorkennfeld-Überwachung
  6. Analyse Kolben Zylinder Komplex


Seit 1991 beschäftigt sich der gemeinnützige eingetragene Verein EUB e.V. in seinem INSTITUT unter anderem mit der Forschung und Entwicklung von Mess- und Diagnosesystemen zum effizienten Betrieb von Schiffsmaschinenanlagen. Zur schnellen Überleitung der Ergebnisse in die Praxis wurde 1992 die eus GmbH gegründet. Enge Kontakte zu dem Motorhersteller (DMR) und zu den Werften in MV ermöglichten die Praxiseinführung der entwickelten Module. Über einen international tätigen Vertriebspartner (JOWA Gruppe) erfolgt heute der weltweite Vertrieb. Auf den verschiedensten See- und Prüfstands-Erprobungen weltweit wurde festgestellt, dass der Wissenstand der Besatzung und somit die effektive Nutzung der modernen Mess- und Diagnosetechnik große Unterschiede aufweist. Daher wurde vor 4 Jahren begonnen, ein maritimes Beratungsnetzwerk aufzubauen, welches die Reeder und die Besatzung bei der Bewertung des Zustandes der Hauptantriebsanlage unterstützt. Dies umfasst neben der kontinuierlichen Analyse der über SATCOM eingehenden Mess- und Diagnosedaten auch die Unterstützung bei Motorabnahmen, Probefahrten Service-Messungen an Bord und vieles andere mehr.

Abb. 1: 7K80MC-C auf dem Prüfstand in Poznan

Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeiten des EUB -INSTITUT ist der Hauptantrieb des Schiffes, und dabei die Überwachung vor allem der Komponenten des Motors, deren Gefährdungspotential am höchsten ist. Dies betrifft in erster Linie die brennraumumschliessenden Bauteile sowie den Innenprozess. Aber auch die Optimierung des Maschinenbetrieb ist ein Arbeitsgebiet des EUB.

Innerhalb der letzten Jahre wurden folgende Module entwickelt und auf dem Markt eingeführt:

CPA/IPAZylinder- und Einspritzdruckanalyse
RUNAnalyse der Drehungleichförmigkeit
PRAAnalyse Kolben Zylinder Komplex
LMSSchusskanal-Detektion
PMMotorkennfeld-Überwachung
TMSLeistungsmessanlage


1. Analyse der Drehungleichförmigkeit

Um eine permanente Überwachung des Innenprozess und damit der Leistungsverteilung zu gewährleisten, ist es nicht mehr notwendig, den Zylinderinnendruckverlauf an jeder Station über permanent installierte Sensoren, die den heißen und aggressiven Gasen ausgesetzt sind, zu messen.
Ein am freien Ende der Welle angebrachter Imkrementalgeber, welcher nur geringsten mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, liefert die Kurbelwinkelimpulse. Die Analyse des zeitlichen Verlaufes der Drehungleichförmigkeit (Abb. 3) in der komplexen Ebene(Abb. 4) gestattet eine Aussage über die Leistungsverteilung der Maschine. Im Fall einer Leistungsreduzierung an einer Station auf Grund einer Störung würde diese Station identifiziert. Die Ursache für die Störung ist jedoch nicht zu sehen, dazu muss eine Tiefendiagnose mit Hilfe des Moduls Zylinder- und Einspritzdruckanalyse durchgeführt werden.

Abb. 2: Imkrementalgeber montiert

Abb. 3.: Zeitverlauf über 1 ArbeitsspielAbb. 4: Analyse in der komplexen Ebene


2. Zylinder- und Einspritzdruckanalyse

Im Falle einer Störung, welche über das Modul RUN registriert wurde oder zur Kontrolle der Grundeinstellung des Motors wird das Modul CPA/IPA-Zylinder- und Einspritzdruckanalyse eingesetzt.
Dabei wird ein Zylinderdrucksensor von Station zu Station umgesetzt und über ein Handsystem werden die Arbeitsspiele gemessen. Es ist somit gewährt, dass jede Station mit dem gleichen Sensor gemessen wurde und die Stationen somit untereinander vergleichbar sind. Ein wichtiger Punkt ist die Korrektur des dynamischen oberen Totpunktes, welcher sich in Abhängigkeit von der Laststufe während des Betriebes um bis zu 1°KW aufgrund der Torsionsschwingungen verschieben kann. Dies würde bei Nichtbeachtung einen Fehler in der Leistungsberechnung von ca. 8 % ausmachen. Um dies zu vermeiden korrigiert die Software bei jedem Arbeitszyklus den dynamischen OT auf Basis des Modells des theoretischen Kompressionsdruckverlaufs.
Es ist auch möglich, zeitgleich zum Zylinderdruckverlauf den Einspritzdruckverlauf mit zu messen. Dazu ist für jede Station ein Einspritzdrucksensor im Einspritzsystem integriert. Der Wechsel des Sensors von Station zu Station und der Anschluss über ein Hochdruckventil ist aus Sicherheitsgründen nicht angebracht.
Innerhalb der Software auf dem PC stehen dem Ingenieur dann Balkendarstellung und statistische Auswertungen zur Verfügung.

Abb. 5: Handsystem zur Tiefendiagnose

Abb. 6: Kurvenverlauf mit Datenauswertung

Abb. 7: Balkendarstellung


3. Schusskanal-Detektion

Alle den Brennraum umschließenden Bauteile sind hohen thermischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt. Für die Auslassventile kommen noch mechanische Belastungen hinzu, wobei die Dichtigkeit der Ventilsitze besonders wichtig ist. Aufgrund der hohen Preise für Ventileinheiten ist es Ziel der Betreiber, die immer wieder auftretenden Leckagen an Ventilen in dem Stadium festzustellen, wenn eine Reparatur noch möglich ist. Wird ein undichtes Ventil erst über die Erhöhung der Abgastemperatur oder über das Absinken des Kompressionsdruckes erkannt, ist meist eine Reparatur nicht mehr möglich.
Wenn im Brennraum eines Motors kleinste Undichtigkeiten auftreten, dann kommt es aufgrund der hohen Temperatur- und Druckunterschiede beim Durchströmen des Abgases zu einer hochfrequenten Schwingung, die im Ultraschallbereich liegt. Die meisten anderen Schallemissionen am Motor liegen in wesentlich niedrigeren Frequenzbereichen, so dass bei einer sauberen Zuordnung des Signals zum Kurbelwinkel kleinste Undichtigkeiten am Motor gut zu diagnostizieren sind.
Ein großes Problem stellt die aufwendige hochfrequente Digitalisierung des Messsignals dar. Da für den praktischen Einsatz solch teuere und aufwendige Technik nicht einsetzbar ist, wurde eine neue Methode zur Analyse hochfrequenter Signale entwickelt. Auch die einfache, schnell umsetzbare Ankopplung des Sensors auf dem Zylinderkopf, der als Schallübertragungsmedium dient, war Schwerpunkt der Entwicklung. In Abb. 9 ist im Bereich vor und nach OT (0° KW) kein Signalpegel im Ultraschallbereich zu erkennen. Dies zeigt eindeutig, dass im Bereich der Kompression und der Dekompression keine Undichtigkeiten zu verzeichnen sind.

Abb. 8: Zylinderdruck- und Leckagesensor
am Handsystem
Abb. 9: Signalverlauf zur Leckage Detektion


4. Leistungsmessanlage

Für die Beurteilung des Zustandes der Hauptmaschine ist die genaue Kenntnis der abgegebenen Leistung von besonderem Interesse.
Zur Zeit werden direkte Verfahren, wie z.B. das Messen der Torsion mit Hilfe von aufgeklebten Dehnmessstrreifen auf die Welle, bevorzugt. Problematisch ist hierbei die nicht genau bekannte Alterungsauswirkung der Klebstoffe auf die Messung. Auch ist die Übertragung der Stromversorgung auf die Welle und der Abgriff des Messsignals von der Welle relativ kostenintensiv. Indirekt messende Verfahren wie Tachogeneratoren oder Lichtleitkabel haben das Problem, dass sich der Schiffskörper und die Wellenleitung elastisch zueinander bewegen. Gleichzeitig sind Drehungleichförmigkeiten innerhalb der einzelnen Umdrehungen zu beachten.
All diese Probleme wurden bei der Entwicklung des TMS beachtet. Für den Ausgleich der Relativbewegung der beiden Koordinatensysteme zueinander wurden pro Messebene 2 MR-Sensoren angebracht, Änderungen in horizontaler und vertikaler Richtung werden über mathematische Algorithmen ausgeglichen.
Über einen Vergleich des Signalversatzes zwischen den 2 Ebenen kann der Torsionswinkel bestimmt und über die Messung der aktuellen Drehzahl die Leistung berechnet werden.

Abb. 10: Schiffswelle im Wellentunnel

Abb. 11: Signalverlauf der SensorenAbb. 12: Modul Torque Measurement System


5. Motorkennfeld-Überwachung

Um die vom Modul TMS gemessenen Leistung richtig bewerten zu können, muß diese im Kennfeld des Motors dargestellt werden. Neben dem Drehmoment und der Drehzahl werden über die Automatisierungsanlage via NMEA-Protokoll zusätzlich unter anderem der aktuelle Kraftstoffverbrauch und die Schiffsgeschwindigkeit mit übertragen. Das Kennfeld des Motors wurde über ein neuronales Netz angelernt, die Alarmgrenzen für max. Drehzahl, max. Drehmoment und max. Leistung werden überwacht und der Alarm bei Überschreitung ausgelöst.
Durch die zur Verfügung stehenden Werte kann auch der spezifische Kraftstoffverbrauch sowie der Kraftstoffverbrauch pro Seemeile berechnet werden. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten zur Optimierung des Motorbetriebes und zur Optimierung der Seereise.

Abb.13: Motorkennfeld


6. Analyse Kolben Zylinder Komplex

Wie schon erwähnt sind Hauptaugenmerk der Überwachung die heißen Komponenten, die rennraumumschliessenden Bauteile. Hierzu gehört auch der Kolben mit seinen Kolbenringen. Ohne spezielle Überwachungstechnik ist das Erkennen von festgebrannten oder gebrochenen Kolbenringen während des Betriebes nicht möglich, schwere Folgeschäden wie zerstörte Abgasturbolader oder Kolbenfresser sind möglich.
Aus diesem Grund wurde in jede Laufbuchse oberhalb der Einlassschlitze innenbündig ein MR Sensor eingebaut. Dieser strahlt ein Magnetfeld in den Zylinder, welches bei dem Vorbeilaufen des Kolbens und der Kolbenringe am Sensor abgelenkt wird. Die Stärke der Ablenkung ist vom Abstand und der Masse des ferromagnetischen Kolben / Kolbenringmaterials abhängig. Es entsteht so bei jedem Vorbeilauf ein typischer Signalverlauf (Abb.15). Während einer Diagnosemessung werden immer 5 Arbeitsspiele gemessen und miteinander verglichen.
So ist es möglich, gebrochene, festgebrannte und fehlende Kolbenringe zu erkennen und einen entsprechenden Alarm auszulösen. Auch der radiale Verschleiß der Kolbenringe kann über das Vermessen der Tiefe einer 45° Nut oder der Dicke der Plasmaschicht überwacht werden. Dies ist für die Optimierung der Instandhaltungsintervalle notwendig.
Im Falle thermischer Überlastung einer Station dehnt sich der Kolben aus, das Spiel zwischen Kolben und Laufbuchse wird kleiner. Aufgrund des verringerten Abstandes wird das Signal 'Kolbeneintritt' wesentlich größer und die Signale der Kolbenringe im Vergleich zum Kolbeneintritt kleiner. Über diesen Weg wird im Falle einer thermischen Überlastung Scaving-Alarm ausgelöst. Eine Trendverfolgung unterstützt die Diagnose.

Abb.14: MR Piston Ring Sensor

Abb.15: Signalverlauf des kompletten Kolben

Diese Systeme werden seit mehreren Jahren nicht nur in Europa sondern auch in Asien installiert und in Betrieb genommen. Das EUB-INSTITUT bestimmt mit diesen Modulen den Wissensstand auf dem Weltmarkt mit. Dies zeigt auch die Akzeptanz und die enge Zusammenarbeit mit den Motorenherstellern weltweit. Diese Entwicklung basieren auf der Grundlagenforschung des FB Seefahrt, mit dem eine enge Kooperation besteht. Ebenfalls waren die Kooperationen mit Praxispartnern wie der DMR GmbH in den Anfangsjahren und den Reedern von hoher Wichtigkeit. So wurden z.B. einzelnen Module auf Containerschiffen der Reederei Döhle getestet und weiterentwickelt.
Auch die Zukunft sieht weitere Entwicklungen vor. Schwerpunkt in den nächsten Jahren wird es sein, mit Hilfe der Mess- und Diagnosetechnik den Übergang zum Condition Based Maintenance zu schaffen. Dazu wurden enge Kontakte zu Lloyds Register aufgebaut. Auch hier wird es um die weitgehend montagefreie Vermessung der Kolben-Zylinder-Baugruppe gehen.