Combustion & Fuels

Area A

Die Area Combustion & Fuels betreibt angewandte Forschung zur Entwicklung von Verbrennungsprozessen und Systemen für grüne Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak und Methanol bei gleichzeitiger Darstellung von hohen Gesamtwirkungsgraden undLeistungsdichten so wie geringsten Emissionen.

 

  • Motorkonzepte für erneuerbare, strombasierte Kraftstoffe (E-Fuels)
  • Niedrigstemissions-Brennverfahren
  • Kraftstoffflexible Verbrennungskonzepte für neue Motoren und Nachrüstlösungen
  • Systemanforderungen und Bewertung neuer Technologiebausteine

 

Die Dekarbonisierung der weltweiten Energiesektoren erfordert auch eine Kraftstofftransformation für Großmotoren in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte. Die motorische Nutzung von erneuerbaren und kohlenstofffreien Kraftstoffen, bei gleichzeitiger Darstellung von hohen Gesamtwirkungsgraden und hohen Leistungsdichten, sowie Emissionen, die keine Auswirkungen auf den Klimawandel und die Luftqualität haben, stellt eine große Herausforderung für neue und bereits bestehende Energie- und Verkehrssysteme dar.

Dieser Forschungsbereich zielt darauf ab, die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung von Verbrennungsprozessen für grüne Kraftstoffe wie Wasserstoff, Ammoniak und Methanol zu schaffen und Verbrennungssysteme für fremd- und selbstzündende Motorkonzepte zu entwickeln. Die experimentelle Validierung neuer Konzepte, Einspritztechnologien und neuer Aktuatoren an Einzylinder-Forschungsmotoren und die Übertragung dieser Konzepte auf Mehrzylindermotoren stehen im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten.

 

Area Manager: Dr. Maximilian Malin

Engine Components and Sensorics

Area C

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

Integrated Systems

Area S

Die Area Integrated Systems befasst sich mit umweltfreundlichen Systemlösungen für den Energie- und Transportsektor basierend auf der optimalen Integration aller Teilsysteme in die jeweiligen Gesamtsysteme mit Schwerpunkten in den folgenden Bereichen:

 

  • Katalysatortechnologie und Abgasnachbehandlungssysteme
  • Technologien zur Abscheidung, Speicherung und Verwertung von Kohlenstoff
  • Techno-ökonomische Evaluierung und Optimierung von Gesamtsystemen
  • Demonstration von Teil- und Gesamtsystemen am Vollmotorsystemprüfstand

 

Die Etablierung von Großmotoren als Teil einer ökologisch nachhaltigen Energiewende erfordert innovative Maßnahmen zur Minimierung der Schadstoff- und Treibhausgasemissionen. Zur Erfüllung strengster Emissionsvorschriften werden Systeme zur Abgasnachbehandlung spezifisch für konventionelle und alternative Kraftstoffe optimiert und in die jeweiligen Gesamtsysteme integriert. Nachdem kohlenstoffhaltige Kraftstoffe noch auf lange Sicht unverzichtbar sein werden, kommt Technologien zur Abscheidung von Kohlenstoff sowie dessen Speicherung oder Verwertung zukünftig eine entscheidende Rolle zu. Die Evaluierung neuester Abscheidetechnologien abhängig vom Anwendungsfall und die Auswahl der aus techno-ökonomischer Sicht jeweils optimalen Technologien erfolgt auf Basis systemsimulationsbasierter Untersuchungen. Die Analyse und Optimierung von gesamten Energie- und Transportsystemen (z.B. Kraftwerke, Schiffe) unter Berücksichtigung der neuesten Technologieentwicklungen bilden die Grundlage bei der Wahl der für die spezifischen Anwendungen jeweils optimalen zukünftigen Technologiepfade. Die Erprobung der entwickelten Teil- und Gesamtsystemen sowie die Demonstration der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Systeme erfolgt schließlich am neuen LEC Vollmotorsystemprüfstand.

 

Area Manager: Dr. Christoph Redtenbacher

 

Data Analytics and Controls

Area D

Die Area Data Analytics and Controls befasst sich mit digitalen Technologien, die zur Leistungsfähigkeit, Langlebigkeit und Robustheit von Großmotoren beitragen. Im Vordergrund steht dabei die zielgerichtete Anwendung von Methoden der Artificial Intelligence und deren Teilgebiet Machine Learning in der Motorenentwicklung sowie für Serienanwendungen in den Bereichen

 

  • Zustandsüberwachung
  • Zustandsbasierte (prädiktive) Wartung und
  • Regelungstechnik

 

Bei Großmotoren in Serienanwendungen wird mehr und mehr Sensorik integriert, wodurch auch die Verfügbarkeit an Daten zunimmt. Diese können wiederum zielgerichtet zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring), zustandsbasierten Wartung (Condition-based Maintenance) und Regelung von Komponenten, Motoren oder Gesamtsystemen herangezogen werden kann. Datengetriebene Modelle spielen dabei eine wesentliche Rolle, da die rein physikalisch basierte Modellierung komplexer Systeme oftmals an ihre Grenzen hinsichtlich Genauigkeit und Geschwindigkeit stößt. Die Verlässlichkeit und Aussagekraft von Modellansätzen aus dem Machine-Learning-Bereich hängt dabei insbesondere auch von der Qualität der zugrunde liegenden Messdatenbanken ab, mit deren Hilfe die Modelle trainiert werden. Der Forschungsbereich Area D verfolgt daher einen ganzheitlichen Ansatz von der Messdatengenerierung über die datengetriebene Modellierung bis hin zur späteren Serienanwendung, wobei besonderes Augenmerk auf ein solides Zusammenspiel aller relevanten Disziplinen wie Mechanik, Thermodynamik, Elektronik und Data Science gelegt wird.

 

Area Manager: Dr. Constantin Kiesling

 

Simulation-based Development

Area X

Die Area Simulation-based Development ist als Enabling Area für die Grundlagenforschung am LEC zuständig und stellt domänenübergreifend geeignete Werkzeuge und Methoden 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
  • Umfassende Modellierung und Optimierung von komplexen Energie- und Transportsystemen mittels multidisziplinärer Simulationsmethoden 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. 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. Die aus der umfassenden Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse fließen in die LEC-Simulationsmethodik ein. Im Einklang mit der Strategie, den Gesamtanteil der Simulationsaufgaben an den Entwicklungsprozessen zu erhöhen, liegt der Schwerpunkt des Bereichs Simulation-based Development auf der Etablierung einer Simulationsumgebung, die eine zuverlässige virtuelle Entwicklung aller für Großmotorenanwendungen relevanten Prozesse ermöglicht.

 

Area Manager: Dr. Gerhard Pirker

 

LEC HybTec - Hybrid Technologies for Enhanced Reliability of Ultra High-performance Engines

COMET Modul (Laufzeit 2020-2023)

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

 

LEC FFF - Future Fuel Fundamentals

COMET Modul (Laufzeit 2024-2027)

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