Fitness-Check: Volumenstrom-Messung

Kühlmittel : Volumenstrommessung

ATEX Compressors: Volumenstrommessung
im Kühlkreislauf mit Prüfzertifikat

Die hochsommerlichen Temperaturen zeigen, ob die Kühlkreisläufe im Motor den Belastungen gewachsen sind und diesen ohne Leistungsbegrenzungen oder gefährliches Klopfen durch einen heißen Sommer bringen. Neben leistungsfähigen Wärmetauschern spielt das Kühlmittel eine entscheidende Rolle. Neben dem Kühlmitteldruck, der vor Dampfblasenbildung schützt, steht heute aber die Volumenstrom-Messung im Fokus. Wer sich über die übrigen Faktoren zur Fitness des Kühlkreislaufes informieren möchte, wird in diesem Beitrag fündig.

Kühlmittel-Temperaturen oder -Drücke werden von der Motorsteuerung im Regelfall angezeigt, der Volumenstrom dagegen eher selten. Da man nicht in den Kühlkreislauf hineinschauen kann, ohne die Verrohrung aufwändig zu öffnen, bleibt eine schleichende Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels oft unbemerkt.

Kühlmittel fließt zu langsam – Überhitzung droht

Dies hat zur Folge, dass sich

  • das Kühlmittel stärker erhitzt,
  • saure Abbauprodukte bilden können, die z.B: Kompensatoren schädigen und
  • Bauteile geschädigt werden wie z.B. der Abgaswärmetauscher sowie
  • Kavitation an temperaturbelasteten Teilen des Motorblocks entstehen kann.

Die Verringerung des Kühlmittel-Volumenstroms hat ihre Ursache in der Bildung von Ablagerungen im Kühlkreislauf und in Umbaumaßnahmen der Verrohrung, die den Durchflußwiederstand erhöhen, sowie in zunehmendem Verschleiß der Kühlmittelpumpe. Kann diese den Mindestvolumenstrom für die notwendige Kühlleistung nicht erbringen, droht das Risiko teurer Motorschäden. Neben den oben erwähnten Auswirkungen steigen die Temperaturen im Motor- und Gemischkühlkreislauf, sodass der Motor seine Klopfgrenze erreicht oder gar überschreitet.

Abhilfe durch Volumenstrom-Messung

Eine berührungslose Volumenstrom-Messung des Kühlmittels kommt ohne Öffnen einer Kühlmittelleitung aus. Voraussetzung ist der Einsatz passender Messtechnik, wie sie beispielsweise die ATEX Compressors GmbH vornimmt. Die bei laufendem Motor gemessene Zustandsgröße vom Kühlmittel hilft, auch zugesetzte Wasserfilter und verkalkte Plattenwärmetauscher zu entdecken.

Ist der Volumenstrom des Kühlmittels zu gering, droht dieses zu heiß zu werden. Bei Überschreiten einer zulässigen Maximaltemperatur zersetzt sich das Kühlmittel chemisch. Seine Abbauprodukte (starke Säuren) gefährden die Kompensatoren, die glycolfest sind, aber sich unter saurem Einfluss einfach zersetzen. Schwere Folgeschäden sind oft die Folge.

Die Kühlkreisläufe stehen bei hohen Außentemperaturen unter Leistungsdruck, damit der Motor bei Vollast keinen Schaden erleidet. Die im Regelfall knapp dimensionierten Wärmetauscher der BHKWs erfordern dann, dass alle übrigen Komponenten fit sind, dazu gehört auch ein ausreichend großer Kühlmittelstrom.

 

Ölnebel: der heimliche Motoren-Killer

Defekter Kolben nach Überhitzung

Die in Blockheizkraftwerken eingesetzten Gasmotoren sind Hightech-Triebwerke, die mit hohem Wirkungsgrad aus Bio- oder Erdgas Strom- und Wärme produzieren. Dabei wird das eingesetzte Material bis zur Belastungsgrenze ausgereizt. Wenn dann noch Ölnebel in den Brennraum gelangt, ist der Gasmotor häufig thermisch überfordert und quittiert dies leider oftmals mit einem kapitalen Motorschaden.

Ölnebel wirken im Brennraum der Gasmotoren wie ein zusätzlicher Brandbeschleuniger zum vorhandenen Gemisch aus Gas und Luft. Dadurch steigt die Brennraum-Temperatur sehr stark an, auch der Druckanstieg ist sehr steil. Dies führt schnell zur Überlastung der Lager. Im Brennraum wird insbesondere der Kolben und der Zylinderkopf von den hohen Temperaturen in Mitleidenschaft gezogen. Zuerst schmilzt im Regelfall der Kolben, dieser frisst in der Laufbuchse und das Ergebnis ist dann ein teurer Kolbenfresser.

Die steilen Druckanstiege machen sich auch akustisch bemerkbar, der Gasmotor kommt ins “Klopfen”. Dies ist dann der laute Vorbote eines Motorschadens.

Intelligente Motorsteuerungen mit einer Antiklopfregelung können den Motor schützen, in dem mehrstufig die Leistung sofort zurückgenommen wird und es im Brennraum nicht zu solch hohen Drücken und Temperaturen kommt. Je nach Menge des Ölnebels im Brennraum kann dies bis zur Notabstellung des Motors führen.

Woher der Ölnebel kommt

Verbrennungsgase aus dem Brennraum streichen auch am Kolben und den Kolbenringen vorbei ins Kurbelgehäuse und erhitzen dies. Dabei bilden sich Ölnebeldämpfe, die aus der Kurbelgehäuse-Entlüftung entweichen und dem Ansaugtrakt wieder zugeführt werden. Eine Entlassung in die Umwelt ist nicht zulässig, um diese zu schonen. Damit der Ölnebel nicht verbrannt wird, wird das Schmieröl in einem zwischengeschalteten Ölnebeldampf-Abscheider herausgefiltert und der Ölwanne wieder zugeführt. Der so gereinigte Nebel kann dann problemlos verbrannt werden.

Gute Wartung schützt vor Schäden

Ölnebeldampf-Abscheider haben Filterelemente, die wartungsbedürftig sind. Es werden unterschiedliche Technologien eingesetzt, die auch zu unterschiedlichen Filterergebnissen führen. Wer viel Schmieröl herausfiltert, schützt den Motor wirksam vor Schäden. Wer dem Thema als Motorenhersteller keine Aufmerksamkeit schenkt, nimmt für seine Kunden billigend in Kauf, dass sie möglicherweise vorzeitig Motorenschäden erleiden. Die Abscheideraten unterscheiden sich bei den im Markt eingesetzten Ölnebeldampf-Abscheidern stark. Daher lohnt es sich, auf Qualität zu achten.

Ölnebeldämpfe im Brennraum sind nicht nur wegen der „klopfenden“ Verbrennung ein Problem. Diese führen auch zur Bildung von Ablagerungen im Brennraum und im Abgasturbolader sowie im Katalysator und im Abgaswärmetauscher.

Schutzeinrichtungen des BHKWs helfen ebenfalls

Vor den Folgen ungewollter Verbrennung von Ölnebeldämpfen schützen eine Antiklopfregelung und eine Ölnebeldampf-Abscheidung hoher Qualität. Im laufenden Betrieb ist der Filtereinsatz zur Ölabscheidung zu warten und ein Blick auf diejenigen Motorenkomponenten zu werfen, die ebenfalls Ursache ungewollter Schmierölverbrennung sein können.

Wer sich hierfür interessiert und sich im Mitgliederbereich der IG Biogasmotoren umsehen möchte, dem sei die kostenfreie Club-Mitgliedschaft mit diesem Link empfohlen. Viele nützliche Betreiber-Informationen dienen dem Ziel, ungeplante Stillstände zu vermeiden und Reparaturkosten des Biogas-BHKWs zu senken.

Motorklopfen wird teuer

Klopfschaden an einem Gasmotor-Zündkerze

Verbrannte Zündkerze durch
Ölnebeldämpfe

Bedingt durch Motorklopfen treten leider häufig bei  Biogasmotoren schwere Motorschäden mit zum Teil mehreren Kolbenfressern, abgerissenen Pleuelstangen oder durchgeschlagenen Kurbelgehäusen auf. Für betroffenen Betreiber war dies nicht selten mit einer kostspieligen Instandsetzung und einem kräftigen Betriebsunterbrechungs-Schaden verbunden.

Was ist Motorklopfen? Das Gas-Luftgemisch verbrennt mit einem zu großen Druckanstieg und einem zu hohen Spitzendruck zu einem zu frühen Zeitpunkt. Dies sorgt nämlich für das sehr harte Verbrennungsgeräusch, da die Druckwellen im Brennraum mit sehr großer Geschwindigkeit auf den – sich noch zum oberen Totpunkt bewegenden – Kolben treffen.

Manche Betreiber kamen mit einem blauen Auge davon, wenn der “klopfende” Motor instandgesetzt werden konnte. Doch ereilte häufig diesen wenig später erneut das gefürchtete Motorklopfen, weil eine weitere Ursache unentdeckt blieb. Und davon gibt es in der Praxis zumeist mehrere. Servicebetriebe stehen vor der Herausforderung, im Schadensfall alle vorhandene Ursachen für das Motorklopfen aufzudecken. Aber auch Betreiber können wichtige Vorboten erkennen und frühzeitig schlimme Schäden verhindern.

Ursachen für Motorklopfen

Es gibt mehr als ein dutzend Ursachen, die dieses gefährliche Phänomen auslösen. Manche sind relativ leicht auch vom Betreiber zu entdecken, andere stellen selbst erfahrenes Servicepersonal auf die Probe. Es gibt hierzu im Mitgliederbereich der IG Biogasmotoren ein Technik-Spezial, das kostenfrei zugänglich ist, und detaillierte Hinweise hierzu gibt.

Die Ursachen für Motorklopfen lassen sich jedoch nach einer klaren Systematik ordnen:

  1. Das Gemisch aus Gas und Luft ist zu heiß oder zu kalt,
  2. das Gemisch enthält zuviel Gas (entweder zu fett eingestellt oder um Ölnebeldämpfe angereichert),
  3. es ist zuviel Gemisch im Brennraum (Ladedruck zu hoch),
  4. die Kühlkreisläufe für den Motor und das Gemisch stellen keine ausreichende Kühlleistung bereit,
  5. der Zündzeitpunkt erfolgt zu früh und / oder es gibt weitere Zündquellen durch heiße Ablagerungen im Brennraum.

Mit Blick auf die Kühlkreisläufe kann der Betreiber schon klären, ist ausreichender Kühlmitteldruck vorhanden, sind die Wärmetauscher und Notkühler  “fit” und nicht verschmutzt und wann wurde das Kühlmittel auf seine chemische Zusammensetzung (z.B. wegen aggressiver Abbauprodukte durch Überhitzung) zuletzt geprüft.

Klopfschäden sind daher tückisch, da sich manche Ursache gut versteckt und nach einer Reparatur des Symptoms wieder wirksam wird und so zum wiederholten Mal zuschlägt. Damit dies nicht passiert, empfehlen wir einen Blick ins Technik Spezial Motorklopfen unseres Mitgliederbereiches, das auch den Club-Mitgliedern kostenfrei zum Kennenlernen zur Verfügung steht.