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Klopfende Verbrennung : Biogasmotoren erleiden Schäden

16. April 2018 by Michael Wentzke

Klopfende Verbrennung durch heiße Ablagerungen

Moderne Biogasmotoren sind Hochleistungsaggregate, die empfindlich auf Störungen im Verbrennungsablauf reagieren. Entzündet sich das Biogas-Luft-Gemisch zum falschen Zeitpunkt, steigen Druck und Temperatur im Brennraum stark an. Der Motor macht starke Geräusche. Dieser Zustand heißt daher klopfende Verbrennung.

Das Schadenpotenzial ist groß: zu hohe Brennraumdrücke überlasten die Lager des Biogasmotors. Gleichzeitig zu hohe Brennraumtemperaturen lassen den Kolbenboden anschmelzen und führen aus diesem Grund oft zum gefürchteten Kolbenfresser.

Motorsteuerung kann gegen klopfende Verbrennung schützen

Klopfsensoren können klopfende Verbrennung erkennen und den Zündzeitpunkt und die Leistung des Biogasmotors so verändern, dass unter Inkaufnahme von Leistungsreduktion und Verbrauchserhöhung der Motor keinen Schaden nimmt. Leider sind nicht alle Biogasmotoren mit dieser Schutzeinrichtung ausgestattet.

Die Ursachen für klopfende Verbrennung sind sehr vielfältig. Wir werden hierzu in Kürze ein Technik-Spezial publizieren, um Betreibern von Biogas-BHKWs die Möglichkeiten aufzuzeigen, wie Klopfschäden verhindert werden können.

Heiße Ablagerungen als Ursache des Klopfens

Mit einer besonderen Ursache der klopfenden Verbrennung wurden wir kürzlich konfrontiert: trotz Klopfsensorik zeigte die Motorsteuerung anhaltendes Klopfen an. Die Veränderung des Zündzeitpunktes führte nicht zu einem verträglichen Verbrennungsablauf. Ein Blick in den Brennraumes zeigte die Ursache: es hatten sich starke Ablagerungen am Zylinderkopf und an den Ventilen gebildet. Diese Ablagerungen wurden im Betrieb so heiß, dass sie für Glühzündungen im Brennraum sorgten. Damit stand die Ursache für die klopfende Verbrennung fest, nachdem alle anderen Risikofaktoren hierfür ausschieden.

Bildung von Ablagerungen durch das eingesetzte Schmieröl

Die hellen Ablagerungen waren auf das Schmieröl zurückzuführen. Dieses war zwar für diesen Biogasmotor zugelassen, repräsentierte aber einen älteren Entwicklungsstand. In den letzten zwei bis drei Jahrzehnten hat es bei Gasmotoren eine beträchtliche Leistungssteigerung gegeben. Damit werden auch die eingesetzten Schmieröle vor höhere, insbesondere thermische Anforderungen gestellt.

Mit gutem Service klopfende Verbrennung vermeiden

Der Servicepartner sollte gemeinsam mit dem Betreiber die Hand am Puls des Biogasmotors halten. Das bedeutet einerseits, dass der Betreiber die Betriebsdaten des Biogasmotors ausreichend dokumentiert. Andererseits trägt der Servicepartner die Verantwortung für eine genaue Eingrenzung der Ursache für das Klopfen. Dann erst passen nachfolgende Instandsetzungsarbeiten.

Hohe Betriebstemperaturen und unerwünschte Brandlasten in Form von Ölnebeldämpfen sind weitere Ursachenfelder für klopfende Verbrennung.

3 wertvolle und kaum genutzte Hinweise aus der Motorsteuerung

22. Oktober 2015 by Michael Wentzke

Die Motorsteuerung im Biogas-BHKW ist für viele Betreiber ein Buch mit sieben Siegeln. Im Alltag werden die Grundfunktionen zum Starten und Stoppen des Biogasmotors genutzt. Die Verarbeitung der Motorensignale dient nicht nur der Bewältigung kritischer Motorenzustände, wie z.B. Öl- und Kühlwassermangel, und dem sicheren Umgang mit Biogas. Die laufenden Betriebsdaten spiegeln auch den aktuellen Stand der Motorengesundheit wider.

Dieser Zusatznutzen, Hinweise aus der Motorsteuerung für die dauerhafte Verbesserung der Motorengesundheit einzusetzen, bleibt für den Betreiber oft unerkannt. Im Biogasmotoren Technik Seminar am 4. November 2015 in Neustrelitz wird dieses Potenzial ausführlich dargestellt. Motorensignale richtig gemessen und interpretiert sind eine wahre Schatztruhe für diese drei Themen:

Wartungsintervalle an die gemessenen Verschleißraten anpassen
Motorenschäden schon in der Frühphase aufspüren
Optimierungspotenzial des BHKWs zur Kostensenkung erkennen

Die Motorsteuerung verarbeitet eine Vielzahl von Messwerten, damit das Biogas-BHKW im sicheren Betrieb Strom und Wärme erzeugen kann. Die gewonnenen Motordaten geben aber auch wertvolle Hinweise, wie Schäden vermieden werden können und sich die Wirtschaftlichkeit im Betrieb deutlich verbessert.

1. Wartungsintervalle an die gemessenen Verschleißraten anpassen

Dass Motoren mechanisch verschleissen, ist unvermeidbar, es kommt nur auf das Maß an. Die gilt auch für Filter, die sich mit der Zeit mit Staub, Schmutz und Feuchtigkeit zusetzen. Durch übermäßige Belastungen – zum Teil jahreszeitlich bedingt – sind die Verschmutzungs- und Verschleißraten nicht gleichmäßig. Deshalb sind angepasste Wartungsintervalle hilfreich, um den Motor vor zu großem Verschleiß zu schützen.

Voraussetzung für diese Anpassung sind die regelmäßig gemessenen Werte und ihre Interpretation. Für einen Luftfilter kann dies ein Differenzdruck sein. Eine Schmierölanalyse ist dagegen schon komplexer. Mit externer Unterstützung kann sich der Betreiber auch hier Rat und Expertise einholen, um den Zustand seines Biogasmotors zu bewerten. Schmierölanalysen geben dann auch Empfehlungen für den Ölwechselzeitpunkt.

2. Motorenschäden schon in der Frühphase aufspüren

Akutes Bauteilversagen z.B. aufgrund von Materialfehlern kommt erfreulicherweise recht selten vor. Die meisten Motorschäden kündigen sich „leise“ an und haben eine „Entwicklungsgeschichte“. Diese werden oft dadurch begünstigt, dass sich mehrere Ursachen in Wechselwirkung verstärken.

Ab einer Schwelle verstärken sich die negativen Folgen von z.B. ölnebelhaltiger Ansaugluft, zu hoher Gemischtemperatur und Motorklopfen. Der plötzlich auftretende Kolbenfresser sorgt für unerwarteten Stillstand und hohe Ausfallkosten.

Wenn alle relevanten Frühindikatoren für Motorschäden gemessen und richtig beurteilt werden, kann der Betreiber den Kolbenfresser vermeiden. Dafür sind regelmäßige Messungen notwendig, die dann im Zeitablauf den Schaden signalisieren. Aus einem Einzelwert lässt sich dies nur bei extremen Messwerten ableiten.

3. Optimierungspotenzial des BHKWs zur Kostensenkung erkennen

Bei Motoren mit einem Dauerproblem (Motor erreicht keine Volllast, verkaufbare Wärmemenge zu gering, Standzeit der Zylinderköpfe und Zündkerzen inakzeptabel gering, etc.) geben Messwerte aus dem laufenden Betrieb Hinweise auf die Schwachpunkte des BHKWs, die zu den Problemen führen.

Biogasmotoren mit ernsten Problemen belasten den Betrieb mit hohen Kosten für zu häufige Reparaturen, Ersatzteilkosten und Ausfallkosten durch Anlagenstillstände. Finanzierer und Versicherer werden dann oft unruhig und erhöhen den ohnehin schon hohen Stresspegel des Betreibers. In vielen Fällen kann nach intensiver Diagnose und Messung aller wichtigen Zustandsgrößen am Biogasmotor für Abhilfe gesorgt werden.

Ob es leitungsfähigere Wärmetauscher, Pumpen, größere Rohrquerschnitte oder andere Bauteile sind: gerade in der Anbindung der Wärmeverbraucher entstanden durch mangelnde technische Planung und Berechnung fehlerhaft ausgelegte Heizkreise, die zur Überhitzung von Biogasmotoren geführt haben. Schwingungsmessungen haben konstruktive Mängel einzelner Biogasmotoren und der Motorengestelle aufgedeckt und zu Verbesserungen seitens der Hersteller und Anlagenbauer geführt.

Es lohnt sich, „die Hand am Puls“ des Biogasmotors zu haben. Wartungs-, Reparatur- und Betriebsunterbrechungs-Kosten sinken. Ein gut gewarteter Biogasmotor hält seinen Wirkungsgrad auf hohem Niveau und spart über die Laufzeit auch sehr viel Brennstoffkosten. Das Biogasmotoren Technik Seminar IV zum Thema Motorsteuerung und Sensorik findet am 4.11.2015 in Neustrelitz in der Akademie des Landeszentrums für erneuerbare Energien (Leea) statt. Teilnehmer erhalten umfangreiche Seminarunterlagen und Checklisten. Hier geht es zur Anmeldung und zum Seminarflyer.

Erfolgreicher Start der Biogasmotoren Technik Seminarreihe

5. September 2014 by Michael Wentzke

Am 4. September 2014 trafen sich die ersten 18 Teilnehmer zum Biogasmotor Technik Seminar I auf der Biogasanlage in Brokenlande. Dieses Seminar bildete den Auftakt zum Start der Biogasmotoren Technik Seminarreihe, die IG Biogasmotoren e.V. für Betreiber von Biogas BHKW durchführt. Die Teilnehmer kamen zumeist aus Schleswig-Holstein, mehr als die Hälfte waren noch keine Mitglieder und nutzten dieses Seminar auch, um die Arbeit der IG Biogasmotoren besser kennenzulernen.

Ziel ist es, Betreibern mit ihren Anlagenfahrern und -Technikern einen tiefen Einblick in die Biogasmotoren-BHKW-Technik zu geben, um Schäden frühzeitig zu erkennen und mit den Servicepartnern gemeinsam entgegen zu wirken.

Thomas Carstens erläutert Details der Einbausituation — Thomas Carstens im Gespräch mit Seminartelnehmern über die konkrete Einbausituation im Biogas BHKW

Das Biogasmotoren Technik Seminars I beschäftigt sich mit den praktischen Fragestellungen rund um die Gemischbildung des Biogasmotors. Thomas Carstens von der CES zeigte an einem Biogas-BHKW die Einbausituation aller relevanten Bauteile, die an der Gemischbildung beteiligt sind, auf und wies auf die gut gelungenen Lösungen aber auch auf Verbesserungspotenziale der vorgestellten Anlage hin. Die Teilnehmer konnten schon in diesem ersten praktischen Teil des Technik Seminars viele Fragen zu aktuellen Problemen ihrer eigenen Anlagen stellen und nutzten ausgiebig die Expertise von Thomas Carstens.

Seminarraum für das Biogasmotoren Technik Seminar I — Fachvorträge im Biogasmotoren Technik Seminar I

Die für die praktische Einweisung auf dem Biogas-BHKW vorgesehene Zeit verstrich wie im Fluge. Nach einer Mittagspause im nahegelegen Seminarhaus Anette Steinhof wurde das Seminar mit 4 Fachvorträgen fortgesetzt, die sich Thomas Carstens und Michael Wentzke aufgeteilt hatten. Nach einer Einführung in den Verbrennungsprozess von Biogas und der schwierigen Aufgabenstellung für die Zündkerzen stellte Thomas Carstens die einzelnen Bauteile der Ansaugluft- und Biogasversorgung vor. Die für den zuverlässigen Motorenbetrieb notwendigen Betriebsparameter und ihre Abweichungen in der Praxis wurden mit zahlreichen Diagrammen und Bauteilbildern erläutert.

Thomas Carstens erklärt Details zum Nulldruckregler

Die Teilnehmer konnten ihre eigen praktischen Erfahrungen des Biogas-BHKW-Betriebes und ihre Fragen einbringen und sorgten so für eine lebendige Seminar-Atmosphäre. Im letzten Fach-Vortrag von Michael Wentzke ging es um Fragestellungen der schrittweisen Anlagen-Optimierung und Verbesserung, um ein gutes Aufwand-Nutzen-Verhältnis für technische Modifikationen zu erzielen. Die beigefügten 9 Checklisten zu den verschiedenen Themen der Gemischaufbereitung ermöglichen den Teilnehmern eine erste Standortbestimmung für das eigene Biogas-BHKW.

Die Teilnehmer hatten am späten Nachmittag eine Fülle von neuen Informationen aufgenommen und sich mit ihren Kollegen ebenfalls gut austauschen können. Jeder Teilnehmer erhielt zum Schluss die gebundenen Seminarunterunterlagen mit gut 100 Seiten Umfang und gab dem Veranstalter IG Biogasmotoren ein sehr gutes Feedback und weitere Anregungen zu diesem Seminar.

Weitere Biogasmotoren Technik Seminare werden in Hameln am 25.9.September starten, zusätzliche Seminarorte im nördlichen Niedersachsen und in Mecklenburg-Vorpommern sind schon im Gespräch. In Brokenlande geht es im November mit dem Technik Seminar II und III weiter. Die Teilnehmer zeigten hierfür großes Interesse und fragten nach dem Mitgliedsantrag. Die Mitgliedschaft lohnt sich nicht zuletzt auch deshalb, weil Seminarkosten der Technik-Seminare mit dem Mitgliedsbeitrag verrechnet werden.