Der Forschungsbereich „Combustion & Fuels“ schafft die wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung von Brennverfahren für erneuerbare Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und Biokraftstoffe. Wichtige Ziele in diesem Kontext sind die Erreichung hoher Wirkungsgrade und Leistungsdichten sowie Emissionen ohne messbare nachteilige Auswirkungen („zero-impact emissions“).

• Untersuchungen an technisch hochentwickelten Einzylinder-Forschungsmotoren zur Entwicklung von funken- und kompressionsgezündeten Brennverfahren für erneuerbare Kraftstoffe, wobei ein spezifischer Fokus auf neue Kraftstoffeinspritztechnologien gesetzt wird
• Integration von Erkenntnissen aus fundamentalen experimentellen Untersuchungen (z. B. optisch zugängliche Einspritzkammer) in die Brennverfahrensentwicklung
• Synergetische Anwendung von Simulationswerkzeugen und experimentellen Untersuchungen
• Grundsatzüberlegungen zur Anwendbarkeit von Brennverfahren in Vollmotoren, inklusive der Aspekte der Kraftstoffflexibilität und des Nachrüstpotenzials bei bestehenden Motoren

Zur weltweiten Dekarbonisierung der Energiesektoren ist im Bereich der Großmotoren eine Umstellung von fossilen Kraftstoffen hin zu Kraftstoffen, die keinen Nettoausstoß von Kohlenstoff produzieren, von Nöten. Sowohl bestehende als auch neu zu produzierende Motoren stehen vor der Herausforderung, hohe Leistungsdichten und hohe Wirkungsgrade zu erzielen, während die Emissionen in Bezug auf Treibhauseffekt und Luftgüte keinerlei negative Einflüsse mit sich bringen dürfen.

Die Area A fokussiert sich auf Untersuchungen an Einzylinder-Forschungsmotoren, um das Potenzial und die Grenzen von Brennverfahren für erneuerbare Kraftstoffe im Hinblick auf Emissionen, Leistungsdichte und Wirkungsgrad zu bewerten. Dabei werden Ergebnisse aus fundamentalen experimentellen Untersuchungen wie etwa an Einspritzkammern und Einhubtriebwerken mit einbezogen, um ein detailliertes Verständnis spezifischer Verbrennungsphänomene zu erlangen und um nachfolgende Untersuchungen an Forschungsmotoren zielgerichtet durchführen zu können. Eine enge Verzahnung mit simulationsbasierten Untersuchungen gewährleistet sowohl ein tiefgreifendes Verständnis als auch eine Bewertung der praktischen Anwendbarkeit der Versuchsergebnisse.

Area Manager: Dr. Maximilian Malin

Die Area Engine Components and Sensorics widmet sich ganz der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit von Motoren, insbesondere im Hinblick auf zukünftige Kraftstoffe, und entwickelt hochinnovative Monitoringsysteme für Motorkomponenten und Schmierstoffe.

• Monitoring und Befundung von hochbelasteten Motorkomponenten
• Entwicklung spezifischer Sensorlösungen und zustandsorientierter Wartungsanwendungen
• Experimentelle und simulationsbasierte Untersuchungen zum tribologischen Verhalten des Triebwerks
• Expertise im Bereich der Schmierstoffverbrauchsmessung und der chemischen Analyse der Wechselwirkung zwischen Öl, Motorkomponenten, Kraftstoffen und Verbrennungskonzepten
  

Moderne Hochleistungs-Großmotorensysteme für verschiedene Anwendungen müssen eine sehr hohe Leistungsdichte aufweisen und unterschiedliche Kraftstoffe verarbeiten können. Diese Anforderungen bringen jedoch Herausforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit, Haltbarkeit und Wartungsintervalle (TBO) mit sich. Die steigende Leistungsabgabe, die zu sehr hohen Spitzendrücken in den Zylindern und hohen Belastungen der einzelnen Komponenten führt, erhöht die Komplexität zusätzlich.

Darüber hinaus kann die Verwendung neuer Kraftstoffe eine Optimierung bestehender Komponenten erfordern. Unser interdisziplinäres Team trägt zur Lösung dieser Herausforderungen bei, indem es neuartige, in individuell angepasste Telemetriesysteme eingebettete Sensorlösungen entwickelt, tribologische Simulationen und Experimente verbessert und die Schmierungssituation für die Herausforderungen beim Einsatz zukünftiger Kraftstoffe optimiert.

Area Manager: Dr. Michael Engelmayer

Der Forschungsbereich „Implementation“ überträgt vielversprechende zukünftige Brennverfahren für Großmotoren aus der Forschung in die Serienanwendung. Er baut auf den Erkenntnissen aus Area A auf, um praktische und anwendungsorientierte Lösungen für den realen Einsatz zu entwickeln.

• Implementierung von Verfahren zur Verbrennung erneuerbarer Kraftstoffe in Demonstrator- und Serienmotoren
• Übertragung von Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung (z. B. Untersuchungen an Einzylinder-Forschungsmotoren) in die anwendungsorientierte Entwicklung
• Einsatz von Simulationswerkzeugen sowohl auf Motor- als auch auf Gesamtsystemebene
• Umfassende Berücksichtigung aller relevanten Anforderungen an neu zu bauende und nachzurüstende Großmotoren sowie an die zugehörigen Gesamtsysteme
  

Großmotoren spielen eine Schlüsselrolle in den Bereichen Transportwesen und Stromerzeugung. Die Verwendung von erneuerbaren, CO2-neutralen Kraftstoffen eröffnet die Möglichkeit, Verbrennungsmotoren als bewährte Energiewandler vollständig zu dekarbonisieren. Um hohe Leistungsdichten, hohe Gesamtwirkungsgrade und Emissionen ohne messbare negative Umwelteinflüsse sowohl mit bestehenden als auch mit neu gebauten Großmotoren zu erreichen, sind jedoch umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich.

Area I baut auf den Ergebnissen der grundlegenden Forschungsarbeiten aus der Area A auf und überträgt diese auf reale Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung spezifischer, vielversprechender Brennverfahren an Einzylinder-Forschungsmotoren und der Anwendung der Ergebnisse in Vollmotoren, um so den Weg für die Serienanwendung zu ebnen – sowohl für neu gebaute Aggregate als auch für Nachrüstlösungen. Eine enge Verzahnung von experimentellen und simulationsbasierten Untersuchungen ist entscheidend, um die angestrebten Leistungscharakteristika sowohl auf Motor- als auch auf Gesamtsystemebene zu erreichen. Neben erneuerbaren Kraftstoffen arbeitet Area I auch an der Reduzierung der Treibhausgasemissionen aus der Verbrennung konventioneller Kraftstoffe.

Area Manager: Dr. Constantin Kiesling

Die Area Energy Systems umfasst die ganzheitliche Betrachtung von Energiesystemen – von nachhaltigen und resilienten Kraftwerks- bis hin zu Antriebskonzepten. Technologie- und Systemkonzepte werden hinsichtlich ihrer techno-ökonomischen und nachhaltigen Performance entwickelt, optimiert und analysiert.

• Simulation und Optimierung von Energie- und Gesamtsystemen mithilfe multidisziplinärer Simulations- und Analysewerkzeuge
• Entwicklung der Inhouse-Simulationssoftware LEC ENERsim unter Einbeziehung aktueller Forschungs- und Entwicklungsergebnisse
• Techno-ökonomische und ökologische Analyse moderner Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energien und Kraftstoffe
• Betriebsoptimierung von Energiesystemen mittels modellprädiktiver Regelung im Zusammenspiel mit datenbasierten Algorithmen, Optimierung und Energiemanagement
• Resilienzanalyse und Optimierung von Energiesystemen kritischer Infrastrukturen

Um die zukünftige Rolle sowie die Integration von Großmotoren und anderen Technologien im Energiesystem zu verstehen und zu optimieren, ist eine ganzheitliche Betrachtung essenziell. Kraftstoffproduktion, Transportsysteme, öffentliche und industrielle Kraftwerkskonzepte, Carbon-Capture-Anwendungen sowie Makroenergiesysteme müssen eingebettet in zukünftige, nachhaltige Energiemärkte gedacht werden.

Hierfür werden Szenario-basierte Analysen mithilfe geeigneter Simulationswerkzeuge durchgeführt sowie reale Anwendungsfälle von Zukunftstechnologien untersucht. Ziel ist es, für die jeweilige Anwendung das optimale Technologie- und Systemsetup zu identifizieren und zugleich die Einhaltung relevanter Regularien – beispielsweise hinsichtlich Emissionsgrenzwerten oder Zielpfaden im Schiffssektor – sicherzustellen. Die hierfür eingesetzten mathematisch komplexen Modelle und Algorithmen können in Kombination mit datenbasierten Methoden auch zur prädiktiv optimierten Regelung realer Systeme eingesetzt werden.

Area Manager: Dr. Bernhard Thaler

Die Area Simulation-based Development ist als Enabling Area für die Modelle und Methoden am LEC zuständig und stellt domänenübergreifend geeignete Werkzeuge und Modelle für die Forschungsarbeit in den technologieorientierten Areas zur Verfügung.

• Erarbeitung von numerischen Methoden zur Analyse und Simulation von komplexen Prozessen wie Zündung, Verbrennung und Emissionsbildung unter Berücksichtigung der Eigenschaften von regenerativen Kraftstoffen
• Kombination von physikalisch-basierten und datengetriebenen Modellierungsansätzen zur Erhöhung der Effizienz und Genauigkeit von Simulations- und Analysemethoden
• Datengetriebene Methoden zur Zustandsüberwachung und zustandsbasierten Wartung von Großmotoren
• Umfassende Modellierung und Optimierung von komplexen Energie- und Transportsystemen mittels multidisziplinärer Simulations- und Analysemethoden mit Fokus auf die Integration von regenerativen Energiequellen
• Bereitstellung von maßgeschneiderten Simulationswerkzeugen zur Automatisierung und Beschleunigung des Entwicklungsprozesses sowie zur Gewährleistung der Übertragbarkeit von Ergebnissen

Die Bereitstellung von wissenschaftlich fundierten Grundlagen sowie die zuverlässige Simulation von hochkomplexen Prozessen sind heutzutage der Schlüssel für erfolgreiche technologische Entwicklungen insbesondere im Hinblick auf die Transformation zu erneuerbaren Kraftstoffen. Detaillierte Modelle und Methoden zur Simulation aller Subsysteme und ihrer Interaktion innerhalb des Gesamtsystems werden erarbeitet. Relevante physikalische Phänomene werden erforscht und durch detaillierte experimentelle Arbeit unterstützt, stochastische Prozesse werden durch datengetriebene Ansätze modelliert. Die durch die verstärkte Integration von Sensorik in Großmotoren verfügbaren Daten werden mit Hilfe moderner datengetriebener Methoden genutzt, um eine zielgerichtete Zustandsüberwachung, zustandsbasierte Wartung und Regelung von Komponenten, Motoren oder Gesamtsystemen zu ermöglichen. Die aus der umfassenden Methodenentwicklung gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Simulations- und Analyseprozesse am LEC ein. Im Einklang mit der Strategie, den Gesamtanteil der Simulationsaufgaben an den Entwicklungsprozessen zu erhöhen, liegt der Schwerpunkt des der Area Simulation-based Development auf der Etablierung einer Simulationsumgebung, die eine zuverlässige Analyse und eine virtuelle Entwicklung aller für Großmotorenanwendungen relevanten Prozesse ermöglicht.

Area Manager: Dr. Gerhard Pirker

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.

COMET Modul Manager: Dr. Gerhard Pirker

Das COMET Modul LEC FFF erarbeitet die wissenschaftlichen Grundlagen für neue Entwicklungsmethoden und Entwicklungswerkzeuge, um den Einsatz von Ammoniak als Kraftstoff in CO₂-neutralen Energie- und Transportsystemen zu unterstützen.

• Grundlegende Experimente und Analysen zur Bildung von Ammoniaksprays, zur Ammoniak-Verbrennung und zu den Emissionen
• Detaillierte Modellierung des Ammoniaksprays sowie der Verbrennung von Ammoniak/Wasserstoff-Mischungen und deren Emissionen
• Langzeitstabilität von Schmierstoffen und Bauteilen beim Einsatz mit Ammoniakverbrennung

Im Gegensatz zu Wasserstoff kann Ammoniak in flüssiger Form bei Umgebungstemperatur und nur leicht erhöhtem Druck transportiert und gelagert werden, was ihn für mobile Anwendungen wie Lokomotiven, Schiffe und Minenfahrzeuge sowie für die saisonale Energiespeicherung besonders attraktiv macht. Die Unterschiede zu herkömmlichen Kraftstoffen besonders hinsichtlich der Verbrennungseigenschaften, Emissionen, und der Auswirkungen auf das tribologische System, erfordern eine signifikante Überarbeitung von bestehenden Modellen und Entwicklungsmethoden.

Das COMET-Modul LEC FFF umfasst Forschungsarbeiten zur Charakterisierung von Ammoniakflammen und zum Verständnis aller relevanten Prozesse, die im Ammoniak-Einspritzstrahl und innerhalb der Flammenfront ablaufen. Die detaillierte Modellierung dieser Phänomene ist ein wesentlicher Baustein für eine prädiktive Simulationsmethodik, da derzeit davon ausgegangen wird, dass bestehende Simulationsmodelle nicht ohne erhebliche Anpassungen oder Neuentwicklungen auf die Ammoniakverbrennung angewendet werden können. Im Rahmen der Forschungsarbeiten werden die Umsetzungsprozesse von Ammoniak in Einspritzkammern und Brennkammern experimentell untersucht, grundlegende Labor-Tests zu den Auswirkungen des Kraftstoffs und der Verbrennungsprodukte auf Schmieröl und Werkstoffe von Motorkomponenten durchgeführt, und mit den daraus resultierenden Messdaten Simulationsmodelle verbessert und validiert.

COMET Modul Manager: Dr. Gerhard Pirker