Echtzeitfähige Motorprozessmodelle für Schiffsmaschinen-Simulatoren

Abstract

Ein ökologisch sinnvoller und ökonomisch effizienter Schiffsbetrieb ist eine zwingende Grundanforderung der (nationalen und internationalen) Schifffahrt und kann durch vielfältige Maßnahmen erreicht werden. Viele dieser Maßnahmen sind technologische Ansätze, wie z.B. die Veränderung von Motorparametern oder Steuerungssystemen, Nutzung von alternativen Kraftstoffen, Anwendung von Abgasreinigungssystemen oder innermotorische Maßnahmen um Motorprozesse effizienter zu gestalten. Bei der Umsetzung dieser Maßnahmen wird oft außer Acht gelassen, dass immer noch Menschen an Bord sind, die für Betrieb und Wartung des Schiffes verantwortlich sind. Dieses Personal muss seine Aufgaben im Spannungsfeld von Umweltschutz und Effizienz unter allen auftretenden äußeren Bedingungen erfüllen. Die Ausbildung von technischen und nautischen Offizieren an Bord von seegehenden Schiffen beinhaltet neben der theoretischen Ausbildung an Land und der praktischen Seefahrtzeit auch Trainingseinheiten in Full-Mission Simulatoren. Diese Simulatoren, müssen auf die sich ändernden Ausbildungsanforderungen durch gezielte Verbesserung der integrierten Prozessmodelle weiterentwickelt werden. In diesem Beitrag wird ein Ansatz zur echtzeitfähigen Integration von „Zwei-Zonen-Modellen“ zur Bestimmung von Stickoxiden im Abgas vorgestellt. Durch die zusätzliche Integration von Rußmodellen wird darüber hinaus auch die Darstellung von Rußemissionen z.B. im Hafen ermöglicht. Es wird demonstriert, wie durch den Einsatz von Assistenzsystemen der Verbrauch von Kraftstoff reduziert und eine Emissionsminderung im Hafen realisiert werden kann. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt durch vergleichende Betrachtungen von realen Messdaten eines Prüfstandsmotor MAN 6L/2330 mit den neu entwickelten und testweise integrierten Simulationsmodulen im Schiffsmaschinensimulator. Mit den FuE-Arbeiten wird ein Beitrag zum besseren Systemverständnis des nautischen und technischen Schiffsführungspersonals erbracht und die aktive Beeinflussung von Emissionen durch ökologisch sinnvolle und ökonomisch effiziente Steuereingriffe gefördert. Einleitung Technische und nautische Schiffsoffiziere unterliegen in ihren Ausbildungsanforderungen unterschiedlichen Standards. Die Mindeststandards werden in der International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers (nachfolgend STCW-Abkommen) geregelt. Dieses Abkommen legt fest, welchen Kenntnisstand Mannschaftsdienstgrade und Offiziere in Ihren jeweiligen Positionen vorweisen müssen. Neben rein theoretischem Wissen wird dabei auch praktische Erfahrung bei Anwendung bestimmter Verfahren und Methoden eingefordert. Eine Ausbildung findet dazu im Regelfall nicht nur an Bord von Schiffen statt, sondern in speziellen Simulatoren wie z.B. den am Bereich Seefahrt, Anlagentechnik und Logistik installierten Simulatoren für Schiffsführung (Ship Handling Simulator – SHS) und Schiffsmaschinenbetrieb (Ship Engine Simulator – SES). Beide Simulatoren sind vom DNV-GL als sogenannte Full-Mission Simulatoren zertifiziert und stellen bereits in Teilen eine detaillierte realistische Schiffsumgebung nach. So wird z.B. im SHS mit Hilfe von realen Konsolen in Verbindung mit einer 360° Sichtumgebung ein komplexes Seegebiet dargestellt und Trainees mit dem Verhalten eines Schiffes bei verschiedenen Umweltbedingungen vertraut gemacht [16]. Dabei wurde bisher der Fokus auf native Bewegungsmodelle gelegt. Eine Berücksichtigung des realen Verhaltens von Großmotoren findet in der nautischen Ausbildung bisher nur sehr oberflächlich statt. Bessere Möglichkeiten bietet ein Schiffsmaschinensimulator der alle an Bord von Schiffen vorhanden Versorgungsund Antriebssysteme nachbilden kann. Allerdings liegt der Schwerpunkt auf dem reinen Betrieb von Großmotoren. Die dabei entstehenden Emissionen ließen sich bisher nicht zufriedenstellend darstellen. Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung von Prozessmodellen zur Emissionsbildung und von Kraftstoffverbräuchen sowie deren Anwendung in Simulatoren und Assistenzsystemen. ARGESIM Report 59 (ISBN 978-3-901608-93-3), p 185-192, DOI: 10.11128/arep.59.a59025