Der Ölverbrauch in stationären Gasmotoren ist eine normale und notwendige Funktion für einen gesunden Betrieb. Die Hersteller von Gasmotoren berücksichtigen dies bei der Konstruktion ihrer Motoren, da ein bestimmter Ölverbrauch vorgeschrieben ist. Jeder Motorenhersteller hat seine eigene Spanne, was in Bezug auf die Verbrauchsrate akzeptabel ist oder nicht. Die meisten OEMs (Erstausrüster) geben den Wert entweder in g/ kWh, g/ hph oder lbs./ hph an. In modernen Motoren sind Ölverbrauchsraten von 0,05 bis 0,15 g/ kWh typisch, die tendenziell zunehmen, je näher der Motor dem geplanten Überholungsintervall kommt. Der Ölverbrauch bei leicht belasteten Motoren ist in der Regel etwas höher.

Auch die Höhe des Ölverbrauchs kann sich auf die Nutzungsdauer einer Ölfüllung auswirken. Ein niedriger Ölverbrauch kann bedeuten, dass wenig frisches Öl nachgefüllt wird, was die potenzielle Lebensdauer des Öls verkürzt. Ein höherer Motorölverbrauch erhöht den Anteil an Frischöl, was zu einer längeren Lebensdauer des Öls beitragen kann, solange der höhere Ölverbrauch nicht mit einem erhöhten Blow-by einhergeht.

Das vom Motor verbrauchte Öl gelangt in die Verbrennungskammer, wo es verbrannt wird. Einige metallhaltige Zusatzstoffe sind jedoch nicht brennbar und bleiben als Asche zurück. Ein erhöhter Ölverbrauch führt daher zu einem erhöhten Aschedurchsatz durch den Verbrennungsraum und die Abgasanlage des Motors.

Öl, das in die Verbrennungskammer gelangt, wird verbrannt; einige Additive sind jedoch nicht verbrennbar und bleiben als Asche zurück. Die Asche aus stationären Gasmotorenölen besteht häufig aus Kalzium, Magnesium, Zink, Phosphor, Bor und Molybdän, die in der Additivchemie von Detergenzien und Verschleißschutzadditiven verwendet werden.

Der Ölverbrauch in Kombination mit dem Aschegehalt bestimmt den gesamten Aschedurchsatz durch die Brennkammer, den Turbolader, die Abgaskatalysatoren und den Abgaswärmetauscher. Daher werden Schmierstoffe für stationäre Gasmotoren oft nach ihrem Aschegehalt klassifiziert. Es gibt Gasmotorenöle mit einem sogenannten „niedrigen Aschegehalt“ von etwa 0,5–0,6 Gew.-% Asche. Für Motoren, die mehr Schutz benötigen, sind Gasmotorenöle mit „mittlerem Aschegehalt“ erhältlich, mit einem Aschegehalt von bis zu 1,0 Gew.-%.

NÜTZLICHE AUSWIRKUNGEN VON SCHMIERÖLASCHE

Der Hauptgrund dafür, dass ein Schmieröl aschebildende Additive enthält, ist die Rolle, die diese Additive beim allgemeinen Schutz des Motors spielen. Die ascheproduzierenden Zusatzstoffe sind: Der Hauptgrund dafür, dass ein Schmieröl aschebildende Additive enthält, ist die Rolle, die diese Additive beim allgemeinen Schutz des Motors spielen. Die ascheproduzierenden Zusatzstoffe sind:

• Übermäßiger Detergenszusatz. Die basischen Salze in diesem Additiv helfen, Säuren zu neutralisieren, die entweder aus der Verbrennung des Kraftstoffs oder aus dem Alterungsprozess des Öls stammen. Solche Säuren können zu korrosivem Verschleiß von Motorkomponenten führen, wenn sie nicht durch die basischen Salze des Additivs neutralisiert werden. Das Detergens in diesem Additiv wird benötigt, um die (anorganischen) basischen Salze im Schmieröl löslich zu machen. Die andere Aufgabe der Detergenzien besteht darin, den Motor sauber zu halten.
• Anti-Verschleiß-Zusatz. Dieses Additiv auf Zink- und Phosphorbasis bietet Schutz bei Mischreibung/Grenzschmierung oder Metallauf-Metall-Kontakt, der an vielen Stellen im Motor beim Starten, aber auch im normalen Betrieb im Getriebe und Ventiltrieb auftreten kann. Das Zink und der Phosphor bleiben in aktiver Form in der Schmierölasche enthalten.

Die zweite nützliche Rolle der Schmierölasche ist der Schutz der Auslassventile. Ein geringer Ölfluss ist für die ordnungsgemäße Schmierung der Einlass- und Auslassventilschäfte und -führungen erforderlich. Auf der Ansaugseite wird das Öl, das zwischen Ventil und Führung austritt, vom Luftstrom zur Ventilsitzfläche getragen und schmiert diese. Auf der Auslassseite wird das Öl jedoch verbrannt, bevor es den Ventilsitz erreicht. Daher wird die Sitzfläche des Auslassventils mit trockener Ölasche geschmiert, die aus dem in der Verbrennungskammer verbrannten Schmieröl stammt. Die zurückbleibende Asche kann sich auf den Ventilsitzen und -flächen ablagern oder versintern, um sie vor Abnutzung und Verschleiß zu schützen. Abbildung 1 zeigt ein ungeschütztes versenktes Auslassventil. Abbildung 2 zeigt ein Ventil mit kleinen Ascheperlen oder -sprenkeln auf der Sitzfläche. Dies ist der Beweis für eine ausreichende Trockenschmierung der Sitzfläche, die ein Zurückweichen des Ventils verhindert.

SCHÄDLICHE AUSWIRKUNGEN VON SCHMIERÖLASCHE

Asche aus verbranntem Schmieröl entweicht größtenteils mit den Abgasen; ein Teil setzt sich jedoch auf den Komponenten der Verbrennungskammer ab (Abbildungen 3 und 4). Ablagerungen auf dem Kolbenboden und der Zündplatte können das Verdichtungsverhältnis eines Motors erhöhen, was die Wahrscheinlichkeit des Klopfens (Detonation) beeinflussen kann. Klopfen kann den Motor schwer beschädigen. Deshalb werden Sensoren installiert, um sie zu erkennen. Wenn Klopfen auftritt, verzögert die Motorsteuerung zunächst den Zündzeitpunkt (was sich negativ auf die Effizienz des Motors auswirkt) und reduziert schließlich die Last oder schaltet den Motor ganz ab (was sich negativ auf die Produktion auswirkt).

Ablagerungen, die sich auf den Kolbenböden und den oberen Stegen bilden, können wie ein Isolator wirken, so dass nicht genügend Wärme übertragen werden kann. Die Temperatur im Brennraum steigt an, was ebenfalls zum Klopfen beitragen kann.

Überschüssige Ablagerungen auf den Elektroden der Zündkerze können den Zündkerzenspalt überbrücken und einen schlechten oder gar keinen Zündfunken verursachen (Zündkerzenverschmutzung).

Während ein gewisses Maß an Asche für die Trockenschmierung der Ventilsitze erforderlich ist, kann eine zu starke Ablagerung von Asche auf den Sitzflächen des Auslassventils ein vollständiges Schließen des Ventils verhindern und zu einem Abfackeln des Ventils führen.

Ölasche und Kohlenstoffablagerungen können sich auf der Kolbenoberseite absetzen. Wenn die Ablagerungen auf der Kolbenoberseite so groß werden, dass sie die Wand der Laufbuchse berühren, stören die Ablagerungen den Schmierölfilm auf der Laufbuchse und können die Kreuzschraffur der Laufbuchse abreiben und abnutzen, wodurch Oberflächenspiegelung entsteht. Die Dicke des Ölfilms im hydrodynamischen Modus ist eine Funktion von Geschwindigkeit x Viskosität /Belastung x Oberflächenrauhigkeit. Wenn die Oberflächenrauhigkeit abnimmt (d. h. wenn die Kreuzschraffur abgenutzt wird), ermöglicht diese glattere Oberfläche die Bildung eines dickeren Ölfilms. Dadurch wird mehr Öl durch das Ringpaket in den Brennraum transportiert, während gleichzeitig der dickere Ölfilm dem Verbrennungsdruck nicht standhalten kann, was zu erhöhtem Blow-by führt. Wenn dieser Verschleißmechanismus fortschreitet, kommt es zu einer verstärkten Ablagerungsbildung, die zu erhöhtem Verschleiß, mehr Blow-by und höherem Ölverbrauch führt. Um das schädliche bore polishing (Oberflächenspiegelbildung) zu reduzieren, können die Hersteller moderner Gasmotoren einen Antipolierring verwenden. Ein Antipolierring ist ein Ring, der oben auf dem Liner sitzt und eine etwas kleinere Innenabmessung hat als der Liner. Dieser Ring reinigt den oberen Kolbenboden kontinuierlich von schädlichen Ablagerungen, indem er verhindert, dass diese Ablagerungen auf die Laufbuchsenwand übergreifen und bore polishing verursachen. Dies hat zur Folge, dass der Ölverbrauch nicht steigt.

Gelöste Ascheablagerungen und Rußpartikel aus dem oxidierten Grundöl können über Blowby in das Kurbelgehäuse zurückgeführt werden. Die größeren Partikel werden in der Regel in den Hauptölfiltern gefiltert und kleinere Partikel werden durch den Ölzentrifugalfilter entfernt, wenn der Motor damit ausgestattet ist.

Bei Anwendungen mit Kraft-Wärme-Kopplung kann es zu Kesselverschmutzung kommen, da der Kessel kühler ist als die Abgase, was die Kondensation von Öldämpfen fördert, die die Ölasche auffangen. Ein erhöhter Ölverbrauch führt zu einer stärkeren Verschmutzung des Kessels, so dass weniger Wärme zurückgewonnen werden kann und der Kessel häufiger gereinigt werden muss.

Viele Gasmotoren sind mit Abgasreinigungssystemen in Form von Katalysatoren ausgestattet, um die CO- und NOx-Emissionen zu reduzieren. Ölasche-Ablagerungen können die reaktive Oberfläche des Katalysators verdecken. Eine chemische Deaktivierung kann auch durch eine Reaktion zwischen dem Katalysator und verschiedenen in der Schmierölasche enthaltenen Elementen wie Phosphor und Schwefel auftreten. Dies führt zu einer weniger effizienten Umwandlung von Schadstoffen in Abgaskatalysatoren. Ein erhöhter Ölverbrauch führt oft zu einer verkürzten Lebensdauer des Katalysators. Die Maskierung durch Asche kann auch zum Ausfall von Emissionssensoren führen.

Dies erklärt, dass der Aschedurchsatz kontrolliert werden muss, indem das richtige Gleichgewicht zwischen Ölverbrauch und Ölaschegehalt gefunden wird. Ziel ist es, einen ausreichenden Aschedurchsatz zu gewährleisten und die Lebensdauer der Zylinderköpfe sicherzustellen. Gleichzeitig soll der Aschedurchsatz niedrig genug sein, um eine übermäßige Verschmutzung der Brennkammer, des Wärmerückgewinnungskessels und des Abgaskatalysators zu verhindern, die zu einem Motorstillstand führen könnte und deren Behebung erhebliche Kosten verursachen würde.

Mehrere Mechanismen können den Ölverbrauch in einem stationären Gasmotor beeinflussen.

ÖLVERBRAUCH ÜBER DAS KOLBENRINGPAKET

Bei modernen Motoren mit geringem Ölverbrauch ist dieser Mechanismus die Hauptursache für den Ölverbrauch.

Eine natürliche Folge eines Ölfilms auf der Laufbuchsenwand ist, dass etwas Öl durch den Ölabwurf aus dem Ringpaket nahe dem oberen Totpunkt in den Brennraum gelangt.

Je dicker der Ölfilm ist, desto mehr Öl wird vom Ringpaket nach oben transportiert. Alles Öl, das oberhalb des oberen Totpunkts transportiert wird, geht durch Trägheitsabwurf in den Brennraum verloren und wird verbrannt. Das bedeutet, dass für eine gute Verbrennungsabdichtung und einen niedrigen Ölverbrauch ein dünner Ölfilm erwünscht ist.

Für den Verschleißschutz ist jedoch eine bestimmte Ölfilmdicke erforderlich. Daher muss eine Lösung gefunden werden, bei der der Ölfilm so dünn wie möglich ist, aber dick genug, um Verschleiß zu verhindern.

Die Ölfilmdicke variiert über die Länge des Kolbenhubs. In der Mitte des Hubs ist die Kolbengeschwindigkeit hoch und die Ringe bewegen sich vollständig hydrodynamisch auf der Laufbahnoberfläche. Wenn der Kolben langsamer wird und in eine der beiden Umkehrzonen eintritt, lässt der hydrodynamische Effekt nach und die Kolbenringe beginnen, sich durch den Ölfilm zu drücken. Der Puffereffekt verhindert, dass die Ringe die Laufbuchse erreichen, bevor sich der Kolben wieder in Bewegung setzt und die Ringe wieder in den hydrodynamischen Bereich gelangen. Die minimal erforderliche Ölfilmdicke wird durch die benötigte Pufferung bestimmt. In der Praxis bietet eine teilweise geflutete Schmierung eine ausreichende Pufferwirkung, um den Verschleiß des oberen Totpunktrings / Liners zu vermeiden, und trägt dazu bei, die Brennraumabdichtung zu verbessern und den Trägheitsabwurf zu verringern (d. h. den Ölverbrauch zu reduzieren).

Bei einer bestimmten Ölviskosität und einer bestimmten Öl- und Laufbuchsentemperatur bestimmt der Ölkontrollring zusammen mit der Oberflächenbeschaffenheit der Laufbuchse die Ölfilmdicke auf der Laufbuchse und damit den Ölverbrauch des Motors durch Trägheitsabwurf. Der Ölkontrollring sorgt also für einen gut definierten Ölfilm, auf dem die anderen Ringe laufen können. Bei einer bestimmten Ölfilmdicke bestimmen die Profile der Kompressionsringe (asymmetrischer Zylinder, Trapez), die Steifigkeit und Biegsamkeit der Kolbenringe, die Radialspannung der Ringe und der Druck der Verbrennungsgase in der Ringnut, wie viel Öl nach oben in den Brennraum abgeschabt wird und durch Trägheitsabwurf verloren geht. Das Honmuster der Zylinderwände trägt dazu bei, den Ölfilm dünn zu halten und reduziert den Trägheitsabwurf. Bei einer gegebenen mechanischen Konstruktion trägt eine Flüssigkeit mit höherer Viskosität zu einem dickeren Ölfilm bei und führt zu einem höheren Ölverbrauch. Öle mit niedriger Viskosität und Öle mit guter Viskositätskontrolle im Betrieb können dazu beitragen, den Ölverbrauch durch Trägheitsabwurf niedrig zu halten.

ÖLDURCHSATZ ÜBER VENTILSCHÄFTE UND TURBOLADERDICHTUNGEN

Ein weiterer Faktor, der zum Ölverbrauch beiträgt, ist der Ölverlust, zum Beispiel zwischen Ventilschaft und -führung oder über die Dichtungen des Turboladers. Dies wird auch von der Viskosität beeinflusst, allerdings in umgekehrter Weise: Ein Öl mit niedriger Viskosität läuft leichter aus und kann zu einem erhöhten Ölverbrauch führen.

Moderne Motoren sind mit Ventilschaftdichtungen ausgestattet, die dabei helfen, die erforderliche Ölmenge in den Spalt zwischen Schaft und Führung zu dosieren. Dies hilft, einen übermäßigen Ölverbrauch über die Ventilschäfte zu verhindern. Wenn Ventilschaftdichtungen und -führungen verschlissen sind, kann der Ölverlust durch Leckagen über die Ventilschäfte größer sein. Auch bei älteren Konstruktionen ohne Dosierdichtungen kann der Ölverbrauch über die Ventilschäfte erheblich sein. Bei geringerer Motorlast kann die Ölverschleppung über die Ventilschäfte aufgrund des geringeren Ladeluft- oder Ansaugkrümmerdrucks ausgeprägter sein; dieser geringere Gegendruck ermöglicht es dem Öl, leichter über die Führung/Schaft zu fließen. Damit die Turbolader-Öldichtungen gut funktionieren, ist es notwendig, dass das Axialspiel klein bleibt. Dies sollte bei der regelmäßigen Wartung überwacht werden.

UMGEKEHRTER BLOW-BY

Umgekehrter Blow-by kann auftreten, wenn der Druck in den Taschen zwischen den Kolbenringen höher ist als der Druck im Verbrennungsraum, z. B. in der Mitte des Hubs oder gegen Ende des Kraft-/Expansionstakts. Der Druck in der Brennkammer ist durch die Expansion gesunken, und der Druck in den Zwischenringtaschen hinkt hinterher. Dies kann vorkommen, wenn solche Taschen relativ groß sind oder wenn der Motor im Teillastbereich betrieben wird.

In einem solchen Fall kann der Druck zwischen den Ringen das Öl am Ringpaket vorbei in den Brennraum treiben und so zum Ölverbrauch beitragen. Eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen kann dazu beitragen, den umgekehrten Blow-by zu vermeiden. Zum Beispiel die Reduzierung der Anzahl der Kompressionsringe auf zwei, die Verringerung der Höhe der Stege zwischen den Kolbenringen, die richtige Größe des Ringschlitzes, usw.

ENTLÜFTUNG DES KURBELGEHÄUSES

Die Kurbelgehäuseentlüftung kann eine Hauptursache für den Ölverbrauch sein. Die Abgase des Kurbelgehäuses enthalten Ölnebel und Dämpfe. Daher sind die Entlüftungssysteme für Kurbelgehäuse mit Koaleszenzfiltern ausgestattet, die den Ölnebel aus den Abgasen des Kurbelgehäuses entfernen. Wenn ein solcher Filter gesättigt oder überlastet ist, können Kurbelgehäusegase ungefiltert austreten, was den gefühlten Ölverbrauch des Motors erheblich erhöht. Das Gleiche kann passieren, wenn die Ablassleitung des Filters verstopft ist, wodurch der Rückfluss des abgeschiedenen Öls in die Ölwanne unterbrochen wird.

SCHMIERÖLVOLATILITÄT

Was das Öl betrifft, so haben Öle verschiedener Qualitäten, Grundöltypen und Viskositäten ein unterschiedliches Maß an Flüchtigkeit, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Öle mit höherer Flüchtigkeit verlieren einen höheren Anteil durch Verdunstung, was zu einem höheren Ölverbrauch führt. Ein Gasmotorenöl, das mit einem reinen Grundstoff formuliert ist, hat einen Vorteil gegenüber Ölen, die eine Mischung aus schwereren und leichteren Grundstoffen enthalten, da die leichteren Fraktionen leichter verdampfen.

Der natürliche Ölverbrauch eines Motors kann ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl des richtigen Schmieröls für den Motor sein. Das liegt daran, dass der Ölverbrauch den Aschedurchsatz bestimmt. Nehmen wir zum Beispiel einen Motor, der 5 Liter Öl pro Tag verbraucht (4,4 kg/Tag). Angenommen, es handelt sich um ein aschearmes Öl mit einem Aschegehalt von 0,5 Gew.-%, dann werden täglich etwa 22 g Asche durch die Brennkammern geleitet.

Wenn derselbe Motor 9 Liter pro Tag verbraucht, würde dies bedeuten, dass jeden Tag etwa 39 g Asche durch den Motor geleitet werden.

Dieser erhöhte Aschedurchsatz könnte auch auf andere Weise erreicht werden, z. B. wenn der Motor, der 5 Liter Öl pro Tag verbraucht, mit einem Öl mit mittlerem Aschegehalt (0,9 Gew.-%) geschmiert würde. Dies entspricht auch einem Aschedurchsatz von 39 g pro Tag.

Der erhöhte Aschedurchsatz ist aus den oben genannten Gründen unerwünscht, es sei denn, er ist zum Schutz der Auslassventile erforderlich. Der erhöhte Schutz der Auslassventile (und damit die längere Lebensdauer der Zylinderköpfe) wird gegen die nachteiligen Auswirkungen eines höheren Aschedurchsatzes abgewogen. Wie bereits erwähnt, muss man eine höhere Verschmutzungsrate in der Brennkammer und damit eine häufigere Reinigung, das Risiko eines höheren Verschleißes der Laufbuchsen, eine höhere Verschmutzungsrate des Abgasrückgewinnungskessels und eine kürzere Lebensdauer des Katalysators berücksichtigen.

Der Aschegehalt des Schmieröls ist daher eine wichtige Eigenschaft, die bei der Auswahl des Schmieröls für einen Gasmotor berücksichtigt werden muss.

Der Ölverbrauch ist ein hervorragender Indikator für den Zustand eines Motors, insbesondere für den des Kolbenringpakets und der Laufbuchse. Erstens signalisiert er, dass sich die Rillen des oberen Rings mit Kohlenstoff füllen, was die Funktion des oberen Rings stört und unweigerlich zu Blowby und erhöhtem Ölverbrauch führt. Zweitens signalisiert es die Politur des Liners: Wenn das Honmuster durch Kohlenstoffablagerungen auf dem Feuersteg abgenutzt ist, nimmt die Dicke des Ölfilms zu und der Ölverbrauch steigt (Abbildung 7). Drittens kann es helfen, Anomalien wie z. B. einen gebrochenen Kolbenring zu erkennen.

Ein erhöhter Ölverbrauch bedeutet nicht nur höhere Ausgaben für frisches Öl, sondern auch einen erhöhten Aschedurchsatz, der den Zustand des Motors verschlechtert und andere nachteilige Auswirkungen hat, wie oben beschrieben.

Es ist daher wichtig, den Ölverbrauch zu überwachen. Ideal ist der Einsatz eines Low-Flow-Ölmessgeräts zur Überwachung der Schmierstoff-NachfüllFlussmenge, das in der Regel nach den FrischölNachfülltanks und vor dem Ölstandsregler des Motors montiert wird. Dieser Zähler sollte in regelmäßigen Abständen abgelesen und aufgezeichnet werden, um den Ölverbrauch zu dokumentieren.

Es ist gute Praxis, Nachfüllmengen anzugeben, wenn Sie eine Ölprobe zur Analyse einreichen. Wenn die Ölproben in regelmäßigen Abständen genommen werden, sollten die Nachfüllmengen gleich bleiben. Ein erhöhter Ölverbrauch lässt sich auf diese Weise leicht feststellen und eine Untersuchung, z. B. durch eine Boroskopie, einleiten.

In diesem Beitrag wurden die Mechanismen des Ölverbrauchs in Gasmotoren untersucht, einschließlich der Wege durch das Kolbenringpaket über Trägheitsabwurf und umgekehrten Blow-by, Ventilschaft- und Turboladerdichtungen, Kurbelgehäuseentlüftung und Schmierölflüchtigkeit. Wir haben gezeigt, welchen Einfluss die Dicke des Schmierölfilms hat: Ein dickerer Ölfilm trägt dazu bei, dass mehr Öl am Ringpaket vorbeigeführt wird, und ein dünnerer Ölfilm ermöglicht es, dass mehr Öl durch die Schnittstelle zwischen Ventilschaft / Führung sowie die Turboladerdichtungen gelangt.

Für einen stationären Gasmotor ist die Wahl eines Schmierstoffs mit dem richtigen Aschegehalt äußerst wichtig, um den Motor ausreichend zu schützen und gleichzeitig übermäßige Ascheablagerungen zu vermeiden. Die Gesamtmenge der Asche, die einen Motor durchläuft, hängt nicht nur vom Aschegehalt des Öls ab, sondern auch stark vom Ölverbrauch. Das Verstehen und Überwachen des täglichen Ölverbrauchs gibt einen entscheidenden Einblick in die Zuverlässigkeit des Motors und hilft bei der Identifizierung von Bedingungen, die zu vorzeitigem Verschleiß beitragen können. Es ist ein notwendiges Hilfsmittel, das die Altölanalyse, die Filteranalyse und die visuelle Inspektion ergänzt.