Einer für alle - MTU

An Einzylinder-Prüfständen in Magdeburg
und Friedrichshafen wird der Verbrennungsprozess
von MTU-Diesel- und
Gasmotoren optimal weiterentwickelt.
18 I MTU Report 03/11
Die Motoren­Entwickler bei MTU setzen verstärkt auf Einzylinder­Prüfstände
Einer für alle
Die Verbrennung des Kraftstoffs ist das,
was den Dieselmotor im Innersten antreibt.
Jetzt und in Zukunft ist sie Quelle und Ausgangspunkt
vieler wichtiger technologischer
Potenziale im gesamten Triebwerk. Dazu
gehört alles, was die Betreiber besonders
interessiert: günstiger Verbrauch, geringer
Verschleiß, eine hohe Lebensdauer, und
nicht zuletzt ein möglichst niedriger Geräuschpegel.
Deshalb wird der Verbrennungsprozess
auf den Einzylinder-Prüfständen
der MTU besonders intensiv unter die
Lupe genommen. Und dies mit deutlich steigendem
Aufwand: Seit Mitte 2011 erweitern
vier neue Einzylinder-Prüfstände am Standort
Magdeburg die bestehenden Anlagen in
Friedrichshafen.
„Sehen Sie den Unterschied?“ – Prüfstandsfahrer
Ivica Tolic hält zwei Kolbenböden ins Neonlicht
vom Einzylinder­Prüfstand 112 in Friedrichshafen.
Die Frage ist rein rhetorisch, denn mit bloßem
Auge sind beide Varianten nicht zu unterscheiden.
Derartig kleine Unterschiede bei Kolben,
Kolben böden, Zylinderlaufbuchsen, Injektoren
und anderen Zylinder­Bauteilen sind auf den
neun Einzylinder­Prüfständen an den Tognum­
Standorten Friedrichshafen und Magdeburg das
tägliche Brot der Techniker und Ingenieure. Hier
werden Zylinder­Konzepte, Verbrennungsverfahren
und Werkstoffe messtechnisch bis ins letzte
Detail untersucht. Unzählige Varianten von Zylinderbauteilen
werden erprobt, die Messdaten teilweise
in Echtzeit analysiert und an Bildschirmen
dargestellt – ein Hightech­Labor für Diesel­ und
Gasmotoren.
Wortwörtlich werden auf Einzylinder­Prüfständen
Motoren getestet, die mit einem einzigen Zylinder
ausgestattet sind. Dies sind reine Versuchsmotoren,
wogegen im MTU­Produktportfolio
ausschließlich Vollversionen der entsprechenden
Motorbaureihen mit sechs und mehr Zylindern
angeboten werden. Die Einzylinder­Motoren liefern
sowohl Ergebnisse für Grundlagenuntersuchungen
im Bereich Vorserienentwicklung als
auch die Brennverfahren für konkrete Serienprojekte.
Sie stellen damit einen wichtigen Beitrag
bei der Entwicklung von Motoren dar. Anschließend
werden die Motoren dann im Bereich Serien ­
entwicklung auf Vollmotor­Prüfständen bis zur
Serienreife weiterentwickelt.
Warum spielen gerade der einzelne Zylinder und
seine Bauteile eine so gewichtige Rolle bei der
Motorenentwicklung? „Im Zylinder findet die Verbrennung
statt, die wiederum eine Schlüsselrolle
für Leistung, Verbrauch und Emissionen spielt“,
erläutert Alexander Wasgindt, Teamleiter Verbrennungsentwicklung
bei MTU. Generell geht es
Technologie
«Die Verbrennung ist ein
wichtiger Baustein, um den
gesamten Motor optimal zu
gestalten.»
Alexander Wasgindt, Teamleiter Verbrennungsentwicklung
dabei heute darum, die Motoren noch sauberer
und sparsamer zu machen. Die gesamte Klavia tur
von Einspritz­ und Verbrennungsverfahren, von
der Voreinspritzung bis zur Abgasrückführung,
wird dabei durchgespielt. Nicht nur alle Bauteile,
sondern auch alle Randbedingungen und Einstellungen
werden beliebig variiert, sei es die Kühlung,
die Aufladung oder die Ölschmierung. „Die
Verbrennung,“ so Wasgindt, „ist ein wichtiger
Baustein, um den gesamten Motor optimal zu
gestalten.“
Modernste Prüfstandstechnik erlaubt höchst präzise Steuerungs- und Messabläufe beim Testen
von Verbrennungskonzepten.
MTU Report 03/11 I 19

Auf den MTU-Einzylinder-Prüfständen werden verschiedene Bauteil-Varianten, wie Kolben,
die sich oft nur durch mikroskopische Unterschiede auszeichnen, erprobt.
Warum dann Einzylinder­Prüfstände? Wäre es
letztlich nicht doch besser und vor allem messtechnisch
verlässlicher, den kompletten 8­, 12­
oder 20­Zylinder­Motor zu testen, der beim
Kunden zum Einsatz kommt? „Das ist bei der
großen Zahl von Versuchsreihen bei der Verbrennungsentwicklung
schlicht unwirtschaftlich, nicht
ökologisch und nicht effizient“, so Wasgindt. Denn
ob Einzylinder oder Vollmotor – in den Zylindern
spielt sich dasselbe ab. Einzylinder­Messdaten
sind somit weitgehend repräsentativ für den Verbrennungsvorgang
in allen Zylindern eines Motors.
Die abgespeckte Motorversion bietet dabei mehrere
Vorteile: So liegt es auf der Hand, dass sie
erheblich weniger Kraftstoff bei den Versuchsläufen
verbraucht und damit die Umwelt schont. Ein
weiterer Vorteil besteht in dem weit geringeren
Zeit­, Material­ und Kostenaufwand beim Durchtesten
verschiedener Bauteilvarianten.
Einzylinderprüfstände werden wichtiger
Die Bedeutung von Einzylinder­Prüfständen hat
in den vergangenen Jahren beträchtlich zugenommen.
Treibende Kraft sind dabei die immer
schärfer werdenden gesetzlich vorgeschriebenen
Emissionsgrenzwerte. Dabei ist man vor allem
bei der Emissionsmessung in immer kleinere
Größen ordnungen bei immer größerer Genauigkeit
vorgestoßen. Bis vor zehn Jahren durfte
ein Motor über zehn Gramm Stickoxide pro Kilowattstunde
ausstoßen, mittlerweile ist es weniger
als ein Gramm pro Kilowatt stunde. „Noch
vor fünf Jahren hätte man das gar nicht messen
können“, betont Dr. Michael Thoma vom Bereich
Messtechnik.
Mit Blick auf die rein innermotorische Brennraumgestaltung
und die Gestaltung der Einspritztechnologie
kann man die strengen Grenzwerte
«Früher mussten wir diese
Daten für die Berechnung
sehr aufwändig dokumentieren
und aufbereiten. Jetzt
haben wir das Ergebnis in
Echtzeit auf dem Bildschirm
und können so den Verbrennungsprozess
schneller
bewerten.»
Alexander Wasgindt, Teamleiter Verbrennungsentwicklung
nur unterschreiten, indem alle technischen Möglichkeiten
ausgeschöpft und mit höchster Präzision
umgesetzt werden. Das Zusammenspiel
der Konstruktion des Brennraums mit weiteren
Technologien, wie Einspritzung, Elektronik, Abgasrückführung
bis hin zu außermotorischen
Maßnahmen hat die Zahl der Variablen bei Versuchsreihen
enorm vergrößert. Auf Einzylinder­Prüfständen
müssen alle diese Faktoren
berücksichtigt werden. „Praktisch bedeutet das:
Wir müssen viel mehr Messreihen fahren als früher“,
betont Alexander Wasgindt.
Angesichts der enorm gestiegenen Zahl von
Messreihen bringen die neuen Einzylinder­Prüfstände,
die Mitte des Jahres 2011 am Tognum­
Standort Magdeburg eingerichtet wurden, eine
deutliche Entlastung. Zusätzlich zu einem Einzylinder­Prüfstand
für die Baureihe 8000 wurden
hier vier weitere Einzylinder­Prüfstände eingerichtet,
von denen einer als Gasmotorprüfstand
ausgelegt ist. Durch eine variable Mischung von
Erdgas, Kohlendioxid und Propan können verschiedenste
Gasqualitäten von kohlendioxidreichem
Biogas bis zu hochwertigem Erdgas
nachgebildet und die Verbrennung so für ein
weites Feld möglicher Anwendungen optimiert
werden. „Gerade die gasmotorischen Brennverfahren
werden wir hier in Magdeburg in Zukunft
noch intensiver untersuchen und weiterentwickeln“,
betont Dr. Jan Piatek, Leiter der Einzylinder­Prüfstände.
Da es um die Entwicklung
umweltfreundlicher Zukunftstechnologien geht,
unterstützt das Land Sachsen­Anhalt die neuen
Prüfstände.
Simulation am Computer
Eine wichtige Rolle bei der Verbrennungsentwicklung
spielt zunehmend die Berechnung des
Verbrennungsvorgangs am Computer. Prüfstands­
versuch und Berechnung – auch Simulation genannt
– bilden das klassische Geschwisterpaar
der modernen, wissenschaftlichen Methodik in
der Motorenentwicklung. Zusammen geben sie
schneller und genauer Einblicke in die Verbrennung.
Der Versuch liefert hierbei reale Messdaten.
Die Simulation erlaubt zusätzlich einen rechnerischen
Blick in die Tiefen der Verbrennung, um
besser zu verstehen, welche physikalischen Zusammenhänge
zwischen dem messtechnisch
unzugänglichen Geschehen im Motor und den
messbaren Motordaten bestehen. „So wissen
die Verbrennungsentwickler genau, wo sie an­
Technologie
die Geometrie des Verbrennungsraums sowie die
Eigenschaften des Kraftstoff/Luft­Gemisches.
So hochentwickelt die Verbrennungssimulation
mittlerweile ist, so werden die Messdaten der
Einzylinder­Prüfstände doch häufig genutzt, um
die Rechenergebnisse zu prüfen. Wie eng Entwicklungsprüfstände
und Simulation mittlerweile
zusammenarbeiten, zeigt wieder ein Blick auf
den Steuer­ und Überwachungsstand von Prüfstand
112: Auf zwei der Bildschirme wird der
aktuelle Brenn­ und Temperaturverlauf berechnet
und dargestellt. Die Software dafür wurde von
Die Berechnung am Computer erschließt ein tieferes Verständnis von Verbrennungsvorgängen.
setzen müssen, um die Verbrennung gemäß den
Entwicklungszielen zu verbessern“, erläutert Ralf
Speetzen, Teamleiter für Hydraulik und Verbrennungsanalyse.
Bei diesen Berechnungsaufgaben geht es um komplexe
physikalisch­mathematische Modelle, die nur
durch eine hohe Rechnerleistung zu bewältigen
sind. Bei der Eingabe der Startwerte am Computer
wird eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigt, um
Druck, Wärme und Emissionen innerhalb des Verbrennungsvorgangs
zu berechnen. Dazu gehören
alle physikalischen Eckwerte, wie Zusammensetzung,
Dichte, Viskosität und andere Eigenschaften
des Kraftstoffs, der Ablauf des Einspritzvorgangs,
der Rechenabteilung entwickelt und zur Verfügung
gestellt. „Früher mussten wir diese Daten
für die Berechnung sehr aufwändig dokumentieren
und aufbereiten, jetzt haben wir das Ergebnis
in Echtzeit auf dem Bildschirm und können so
den Verbrennungsprozess schneller bewerten“,
so Wasgindt.
Text: Wolfgang Stolba
Bilder: Foto Fuchs, Robert Hack
Ihre Fragen beantwortet:
Alexander Wasgindt
alexander.wasgindt@mtu­online.com
Tel. +49 7541 90­3157
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