Forschung

Spitzenforscherinnen und -forscher, internationale Vernetzung, Multidisziplinarität und eine einzigartige Prüfstandsinfrastruktur für Großmotoren sichern Forschung auf höchstem Niveau. Unsere Forschungsarbeit an nachhaltigen Großmotoren gliedert sich in die fünf großen Forschungsbereiche Combustion & Fuels, Robust Engine Solutions, Digital Engine, Integrated Systems und Simulation & Validation, wobei letztere domänenübergreifend agiert. Mit dem COMET Modul LEC HybTec wird der Forschungsschwerpunkt noch intensiver auf die Einbindung von Big Data Methoden gelegt, um bislang nicht modellierbare Phänomene abzubilden.

Combustion & Fuels (Area A)

Die Area Combustion & Fuels betreibt angewandte Forschung und Methodikentwicklung am Einzylinder-Forschungsmotor als auch am Mehrzylindermotor und gestaltet so maßgeblich den Großmotor der Zukunft mit.

  • Emissionsarme und effiziente Brennverfahren
  • Motorkonzepte für sehr hohe Leistungen
  • Systemanforderungen und Bewertung neuer Technologiebausteine
  • Brennverfahrensauslegung für zukünftige Kraftstoffe und Abfallverwertung

Die Anforderungen an zukünftige Energie- und Transportsysteme sind hoch: CO2-neutrale Kraftstoffe, hoher Motorwirkungsgrad bei hoher Leistungsdichte in Kombination mit möglichst geringen Emissionen, um unser Klima, unsere Natur zu schützen. Die Entwicklung effizienter und umweltgerechter Großmotoren, der Kern der Energie- und Transportsysteme, ist notwendig.

Der Forschungsbereich umfasst alle grundlegenden Motorkonzepte – von Diesel über Dual Fuel bis Gas – sowie neue, progressive Ansätze. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung emissionsarmer und hocheffizienter Brennverfahren, insbesondere alternativer Konzepte für die nächste Generation von Großmotoren. Verschiedene Kombinationen unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten, zylinderzustandsabhängige Regelung und verschiedene Aktuatoren (z.B. Einspritztechnologien, variable Ventilsteuerung oder variables Verdichtungsverhältnis) sind dabei die Schlüsselfaktoren.

Area Manager: Dr. Nicole Wermuth

Robust Engine Solutions (Area C)

Die Area Robust Engine Solution widmet sich ganz der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Motorsystemen und entwickelt neben robusten Motorkomponenten auch höchst innovative Monitoring-Tools.

  • Verschleiß- und ablagerungsoptimierte Einzelkomponenten und Systeme
  • Untersuchung und Bewertung von hochbelasteten Motorkomponenten
  • Entwicklung von Sensoren und CBM-Anwendungen
  • Schmierungsoptimierung für einen effektiven Motorbetrieb

Großmotoren müssen zuverlässig und langlebig und sein und das bei geringen Wartungskosten.
Die heutigen Herausforderungen sind steigende Motorleistung, daraus resultierende sehr hohe Zylinderspitzendrücke und hohe Belastungen einzelner Motorkomponenten. Auch die Komplexität der Systeme und der zunehmende Einsatz alternativer Kraftstoffe fordert eine Weiterentwicklung und Optimierung bestehender Komponenten.

Durch unsere Forschungsarbeit erhalten wir Einblick in die Schadensmechanismen der am stärksten beanspruchten Motorkomponenten und ermöglichen eine genauere Vorhersage der Lebensdauer von Bauteilen. Integrale Bestandteile unserer Area sind sowohl die Entwicklung geeigneter Werkzeuge für CBM*-Anwendungen (Ausfalls- und Zustandsüberwachung) als auch die Simulation (Generierung einer Datenbasis als Voraussetzung für die Validierung und Kalibrierung von Simulationsmodellen). Unser in-house entwickeltes LEC Telemetriesystem sowie innovative Sensoren, die z.T. ebenfalls von uns entwickelt werden, finden im F&E-Bereich wie auch im Feld Einsatz.

Area Manager: Dr. Michael Engelmayer

Digital Engine (Area D)

Die Area Digital Engine befasst sich mit allen Aspekten digitaler Technologien, die zur Steigerung von Leistungsfähigkeit und Robustheit von Großmotoren beitragen können.

  • Entwicklung fortschrittlicher Sensorik
  • Zustandsüberwachung & zustandsbasierte Wartung
  • Intelligente Regelstrategien
  • Sichere Datenübertragungs- und Datenspeicherarchitekturen

Ein Fokus liegt dabei auf „intelligenten Komponenten“, die mit Hilfe neuer, integrierter Sensorik und integrierter digitaler Systeme die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) der Komponente selbst sowie des gesamten Motors ermöglichen bzw. verbessern. Verschleiß oder Schäden kann durch entsprechende Regelstrategien vorgebeugt bzw. entgegengewirkt werden, um die Leistungsfähigkeit des Motors über die gesamte Lebensdauer hinweg auf höchstmöglichem Niveau zu halten. Eine essenzielle Bedeutung kommt auch der Messdatenbasis zu, die mit Hilfe neuer Sensorikkonzepte während des Motorbetriebs generiert wird. Auf dieser setzen datengetriebene Modelle auf, die eine zustandsbasierte Wartung (Condition-Based Maintenance) des Motors und somit eine Minimierung der Stillstandszeiten ermöglichen.

Area Manager: Dr. Constantin Kiesling

Integrated Systems (Area S)

Umweltfreundliche Systemlösungen für den Energie- und Transportsektor durch optimale Integration aller Teilsysteme sind das Forschungsziel der Area S.

  • Effektive und langlebige Katalysatortechnologie
  • Abgasnachbehandlungssystemintegration
  • Energieeffiziente Systemlösungen
  • CO2-neutrale Stromerzeugung und Transportsysteme

Die Etablierung von Großmotoren als Teil einer ökologisch nachhaltigen Energiewende erfordert innovative Maßnahmen zur Minimierung der Schadstoff- und Treibhausgasemissionen. Fortschrittliche Abgasnachbehandlungssysteme und deren optimale Integration in das Gesamtsystem sind dabei der Schlüssel zur Erfüllung strengster Emissionsvorschriften. Die Hybridisierung des Antriebsstranges sowie Technologien zur Abwärmenutzung ermöglichen, den Gesamtwirkungsgrad der Anlagen zu optimieren. Durch Nutzung CO2-neutraler Kraftstoffe können klimarelevante Einflüsse der Motoren schlussendlich gänzlich vermieden werden.

Area Manager: Dr. Christoph Redtenbacher

Simulation & Validation (Area X)

Die Area Simulation & Validation ist für die Grundlagenforschung am LEC zuständig und stellt domänenübergreifend geeignete Werkzeuge für die Forschungsarbeit in den anderen Bereichen zur Verfügung.

  • Simulation von Zündung, Verbrennung und Emissionsbildung unter stationären und instationären Bedingungen
  • Kombination von physikalisch-basierten und datengetriebenen Modellierungsansätzen
  • Modelle und Methoden zur Analyse und Plausibilitätsprüfung von Messdaten
  • Umfassende Modellierung von Energie- und Transportsystemen mittels multidisziplinärer Simulationsmethoden

Die aus der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse fließen in die LEC-Simulationsmethodik ein. Zu diesem Zweck werden detaillierte Modelle und Methoden zur Simulation aller Subsysteme und ihrer Interaktion innerhalb des Gesamtsystems erarbeitet. Relevante physikalische Phänomene werden erforscht und durch vertiefte Grundlagenexperimente unterstützt. Stochastische Prozesse werden durch datengetriebene Ansätze modelliert. Im Einklang mit der Strategie, den Gesamtanteil der Simulationsaufgaben an den Entwicklungsprozessen zu erhöhen, liegt der Schwerpunkt des Bereichs Simulation & Validation auf der Etablierung einer Simulationsumgebung, die eine virtuelle Entwicklung aller für Großmotorenanwendungen relevanten Prozesse ermöglicht.

Area Manager: Dr. Gerhard Pirker

COMET Modul LEC HybTec

Das COMET Modul LEC HybTec verknüpft komplementäre Technologien zu hybriden Ansätzen, um daraus völlig neue Konzepte zur Optimierung von Energie- und Transportsystemen abzuleiten, die den Herausforderungen der Zukunft gerecht werden.

  • Hybride Simulationsmethoden zur Vorhersage stochastischer Phänomene in Verbrennungsmotoren
  • Optimierung von Gesamtsystemen, die regenerative Energiequellen, Energiewandler, neuartige Energieträger und Energiespeicher kombinieren
  • Tribologische Simulation des Systems Kolben/Ring/Laufbuchse, um Reibung, Verschleiß und Schmierölverbrauch vorherzusagen
  • Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Zündkerzenelektroden durch Beschichtung mit neuartigen Hybrid-Metall-Keramik-Werkstoffen

Zur Ermöglichung nachhaltiger Lösungen für hochflexible Energieerzeugungs- und Transportsysteme muss die Großmotorentechnologie reduzierte Emissionen bei gleichzeitig optimalen Leistungspara­metern und erhöhter Robustheit erreichen. Darüberhinaus müssen alle erforderlichen Komponenten des Gesamtsys­tems sowie die Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten optimiert werden.

Die im Forschungsprogramm betrachteten hybriden Ansätze konzentrieren sich auf die Kombination von physikalischen und datengetriebenen Modellen, um stochastische Phänomene wie Zyklus-zu-Zyklus-Variationen oder Klopfen in Motoren zu verstehen, die Vorhersagequalität der Simulation zu verbessern und die Qualität der Motor- und Verbrennungsregelung sowie die Gesamtsystemleistung vor allem im Hinblick auf den Betrieb mit CO2-neutralen Kraftstoffen zu erhöhen. Der Einsatz von Keramik-Metall-Materialkombinationen bei der Konstruktion von hochbelasteten Motorkomponenten wie Zündkerzen erweitert den hybriden Ansatz.

Link zur Modul LEC HybTec Seite

Modul Manager: Dr. Gerhard Pirker

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Zu unseren Publikationen

LEC InfrastrukturSeit Mitte der 1990er Jahre forscht das LEC daran, Großmotoren effizienter, robuster, flexibler und damit nachhaltiger zu machen – es geht um eine drastische Emissionsreduktion. Dabei spielen Wasserstoff und E-Fuels eine wesentliche Rolle. Welchen Anteil hat dabei die weltweit einzigartige Forschungsinfrastruktur des LEC? Was macht diese so einzigartig?

Die Infrastruktur

LEC Data Challenge 2021

Large Engines – Big Data: Can you handle the pressure at the second LEC Data Challenge?

With the LEC Data Challenge, we would like to encourage data-enthusiastic students and practitioners from various disciplines to develop a model that determines the in-cylinder pressure trace based on a corresponding signal from an acceleration sensor incorporated in the engine’s cylinder head.

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Stories

RECAP-HYMETHSHIP FINAL STAKEHOLDER EVENT

Around 100 participants took the opportunity to get to know the results of the HyMethShip project. The event was announced by the project partners to their business contacts and was conducted online.
Registrations came from 18 countries and 4 continents, which shows how far the project has spread.

The business sector from which the audience came was also broad: The majority were researchers, with shipping companies, builders and operators accounting for the next largest share. Engine manufacturers and other industries were also well represented, as were consultants and engineering firms, classification societies and administrations.

Four expert presentations gave authentic and detailed information about all involved technologies, how these are working in combination to ensure an efficient propulsion system and driving the carbon capture and storage components with the waste heat of the engine (Dr. Nicole Wermuth, LEC). The HyMethShip concept was evaluated to be particularly suitable for Passenger and cruise ships on travels up to 600 nautical miles and for bigger ships (tankers and Ro-Ro cargo ships on high sea voyages (Dr. Joannes Ellis, SSPA). Promising are also the results of the environmental and the cost assessments by means of a LCA- and a LCC-study (Dr. Selma Brynolf, CTH) as well as the safety assessment (Dr. Alex Pedgrift, Dr. Abhijit Aul, Lloyds Register).

The tenor of the discussion was that the HyMethShip system could prove its feasibility and represents an attractive way to achieve far-reaching decarbonization of the shipping sector. The elegance of the system is especially reflected in the closing of the carbon cycle which is achieved by incorporating a pre-combustion carbon capture process.

The interest of the participants was high, and was also demonstrated by the fact that all stayed until the end of the event.

 

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HyMethShip und Wege zur klimaneutralen Schifffahrt

Prof. Andreas Wimmer im Ö1 Interview über Konzepte für nachhaltige Schifffahrt und zur Erreichung der Klimaziele.

 

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#LEC #HyMethShip #zeroemissions #greenshipping #climategoals

 

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