Entwicklung von Großmotoren für alternative Kraftstoffe

Motorenbauteile und Prüfstandsinfrastruktur entwickeln und anpassen

Manchmal scheint es, als ob Elektromotoren den Verbrennungsmotor in naher Zukunft komplett verdrängen. Dem ist jedoch nicht so, gerade im Großmotorenbereich gibt es oft keine Alternative zum Kolben-Verbrennungsmotor. Doch der muss nicht umweltschädlich sein, WTZ Roßlau entwickelt Motoren, die mit alternativen Kraftstoffen wie Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak betrieben werden können. Auf eigenen Motorenprüfständen werden die neuen Brennverfahren entwickelt und optimiert. Dazu werden mit PTC Creo Motorenbauteile wie die Zylinderköpfe und Kolben sowie die peripheren Motorbauteile und die Prüfstandsinfrastruktur von den WTZ Konstrukteuren entwickelt und angepasst. Das Ellwangener Systemhaus INNEO betreut die CAD-Installation bei dem Unternehmen.

Vorläufer des heutigen WTZ Roßlau war das 1950 von ehemaligen Junkers-Ingenieuren gegründete Konstruktions- und Entwicklungsbüro Dieselmotoren Roßlau. Das WTZ Roßlau gliedert sich heute in die gemeinnützige Forschungseinrichtung WTZ gGmbH und das Tochterunternehmen WTZ Motorentechnik GmbH. In der WTZ Motorentechnik GmbH werden die Forschungsergebnisse des eigenen Forschungsbereichs kommerziell verwertet und so der Industrie zugänglich gemacht. 90 Mitarbeiter erwirtschaften einen Industrieumsatz von etwa 6,5 Mio. Euro, hinzu kommen etwa 4,5 Mio. Euro aus öffentlich geförderten Vorhaben.

Das WTZ Roßlau hat sich auf die Bearbeitung wissenschaftlicher und technischer Aufgabenstellungen im Bereich der Energieumwandlung spezialisiert. Dazu zählen Motorentechnik, Einspritzsysteme, Elektrolyse, Brennstoffzellen und andere Energiesysteme. Zu en Kunden zählen Motorenhersteller und Systemlieferanten für Motorentechnik, die Schienenfahrzeugindustrie, Einrichtungen der öffentlichen Hand sowie Hochschulen und Forschungseinrichtungen.

Innovation steht also im Vordergrund beim WTZ. Das Unternehmen betreibt vier Motorenprüfstände mit selbstentwickelten Einzylindermotoren aus der WTZ-Motorenfamilie, bei denen die sogenannte Power Unit, bestehend aus Laufbuchse, Kolben, Pleuel und Zylinderkopf mit Anbauteilen, austauschbar gestaltet ist. So lassen sich kundenspezifische oder Versuchsaufbauten effizient auf der immer gleichen Basis aus Kurbeltrieb, Bremse und Messinstrumenten testen. Drei Motorengrößen decken Zylinderdurchmesser von 160 bis 350 mm ab, auf dem größten Motor lassen sich mit einem Umbau sogar Kolben mit 450 mm testen. Die mögliche Leistung der Motoren reicht bis 4 MW.

Typische Aufgabenstellungen aus der Industrie ist die Anpassung des Verbrennungsmotors, insbesondere des Brennverfahrens an die alternativen Kraftstoffe. Wirkungsgradoptimierungen zählen ebenso zu den Versuchsumfängen wie die Erprobung und Vermessung motorspezifischer Versuchsbauteile. Die Versuchsprogramme und Messkampagnen erfolgen in enger Abstimmung mit den Kunden, welcher üblicherweise die motorspezifischen Primärbauteile, insbesondere die Power Unit, zur Verfügung stellt. Die Entwicklungsarbeiten an den Motorenprüfständen erfolgt dann meist eigenständig auf Basis der Zielvorgaben des Kunden oder Projektpartners.

Inzwischen liegt der Schwerpunkt in der Motorenforschung auf den sogenannten „Future Fuels“, also den emissionsarmen oder -freien Kraftstoffen wie Wasserstoff, Ammoniak und Methanol. Diese Kraftstoffe erfordern intensive Entwicklungsarbeit, denn jeder Kraftstoff hat seine eigenen Herausforderungen. So fehlt den klimaneutralen Kraftstoffen oft die Schmierfähigkeit, welche insbesondere die Komponenten des Einblase- oder Einspritzsystem vor enorme Herausforderungen stellt. Aber auch die unterschiedliche Zündwilligkeit der Kraftstoffe sowie die Gemisch-Homogenisierung muss im Verlauf der Brennverfahrensentwicklung optimiert werden.

Das WTZ verfügt über eine Kraftstoffinfrastruktur, die alle drei Kraftstoffe an allen Prüfständen bereitstellt. Ein Anlieferterminal und diverse Lagertanks ergänzen die Kraftstoffinfrastruktur, so dass bei Bedarf auch andere Energieträger wie LOHC oder OME getestet werden können.

„Mit Creo beziehungsweise Pro/Engineer, wie es damals hieß, arbeiten wir schon seit langem“, sagt Enrico Rothe, Abteilungsleiter Konstruktive Entwicklung und Musterbau bei WTZ Motorentechnik. „Grund für die Einführung war damals die weitgehende Verbreitung dieses Systems bei unseren Kunden aus der Motorentechnik. Der Austausch mit den Kunden ist sehr eng und geht in beide Richtungen – Kunden senden uns die Geometrien eines Verbrennungsmotors zur Optimierung, wir liefern die geänderte Geometrie an den Kunden.“

Bei der Anpassung eines WTZ-Einzylinderforschungsmotors an einen neuen Versuchsaufbau mit der Power Unit des Kunden ist einiges an Konstruktionsarbeit notwendig. Unter anderem müssen die Gegenmassen an Kurbelwelle und rotierenden Massenausgleich aufgrund der veränderten Bauteilmassen angepasst werden. „Für die Bauteilberechnung mittels FEM setzen wir Creo Simulate ein, mit dem die Konstrukteure während ihrer Arbeit die strukturmechanischen Anforderungen analysieren können. Wir simulieren unter anderem die Motorenbauteile wie Kurbelwelle und Pleuel, aber auch die Bauteile des Grundmotors wie das Adaptermodul und den rotierenden Massenausgleich. Am Ende der Konstruktion überprüft ein Spezialist die Simulation mit Ansys. Der muss allerdings inzwischen praktisch keine Konstruktion mehr zurückweisen, weil wir eben schon in der Konstruktion darauf achten, dass die Dimensionierungen stimmen.“

Wichtig für den Konstruktionsalltag sind die Startup TOOLS, eine Sammlung von Hilfs- und Zusatzprogrammen für Creo. Rothe möchte die Startup TOOLS nicht mehr missen: „Die Konstruktionsarbeit ist viel intuitiver, da die Startup TOOLS viele Einstellungen abnehmen. Die Bibliotheken, in denen wir viele eigene Komponenten gespeichert haben, beschleunigen das Konstruieren sehr und helfen dabei, immer wiederkehrende Aufgaben zu automatisieren.“

Für die Erstellung von Marketingbildern und Kundenpräsentationen nutzt WTZ das Rendersystem KeyShot, das ebenfalls von INNEO vertrieben wird. Rothe verdeutlicht: „Wenn wir dem Kunden seinen Motor oder sein Produkt schon einmal zeigen können, bevor er real gebaut ist, sorgt das für Erstaunen und Vorfreude auf das spätere Produkt.“

„Die Schulungen von INNEO haben uns sehr geholfen, die Systeme schnell produktiv einzusetzen“, erinnert sich Rothe. „Die INNEO-Spezialisten arbeiten auf Basis von Testdaten, die wir zulieferten, individuelle Schulungen aus, die uns natürlich optimal auf die Arbeit mit den Systemen vorbereiteten. Das war vor allem bei der CFD-Schulung ein großer Vorteil, wir können nun Strömungsanalysen im Brennraum sicher durchführen.“

Wichtig ist Rothe, dass er bei INNEO einen festen Ansprechpartner hat: „Unser INNEO-Kontakt kennt unser Unternehmen ebenso wie unsere Produkte und Prozesse genau. Deshalb kann er uns zielgerichtet unterstützen. Auch in der weiteren Entwicklung unterstützt uns INNEO, beispielsweise wenn es um eine Lösung für das Datenmanagement geht oder Performanceoptimierungen der Konstruktionsumgebung.“

„Wir legen hier den Grundstein für eine grüne Zukunft des Verbrennungsmotors“, verdeutlicht Enrico Rothe das Unternehmensziel der WTZ. „In Schiffsanwendungen und stationären Energieerzeugungsanlagen sowie dort, wo hohe Motorenleistungen benötigt werden, wird er für lange Zeit unersetzlich sein. Aber wir sind auf einem guten Weg hin zu emissionsarmen oder emissionsfreien Verbrennungsmotoren. INNEO hilft uns bei unserer Entwicklungsarbeit. Bei INNEO spürt man, dass es nicht um schnelles Verkaufen, sondern um langfristige Kundenbindung geht, das ist für uns sehr wichtig und der Hauptgrund, warum wir uns von Beginn an in der Partnerschaft wohlfühlen.“