Funktelemetrie für Motoren der Zukunft

Besondere Herausforderungen bei der Funkübertragung gelöst

Bereits seit 1950 ist WTZ Roßlau ein wichtiger Technologieführer im Bereich der Forschung und Entwicklung von Motoren. Im Forschungsprojekt INKOMAR wurden hier im Zeitraum 2019 bis 2022 Spritzölkühlungen für Großkolbenmotoren entwickelt. Diese Entwicklung dient dazu, die Motoren zu verbessern und mit alternativen Treibstoffen betreiben zu können.

IK Elektronik entwickelte dafür ein Funktelemetrie-System. Das System überwacht in Echtzeit die mechanischen und thermischen Kennwerte direkt im Kolben des Motors. Besondere Herausforderungen, die es bei der Entwicklung durch IK Elektronik zu lösen galt waren die hohe Temperatur sowie die hohe mechanische Beanspruchung im Motor, die für die Funkübertragung ungünstige metallische Umgebung sowie die Echtzeit-Erfassung und -übertragung der anfallenden hohen Datenmenge.

(Text und Bilder: WTZ gGmbH)

Projektbeschreibung

Das Verbundprojekt „InKoMar – Innovative kosten- und emissionsoptimierte Leichtbau­kolbenentwicklung für den Gasbetrieb maritimer Dual-Fuel-Großmotoren“ bestehend aus der WTZ Roßlau gGmbH, MET Motoren- und Energietechnik GmbH und der Seco GmbH hat das Projektziel der Entwicklung eines neuen Designkonzepts für zukünftige Großmotorenkolben im Gasbetrieb von Dual-Fuel-Motoren im maritimen Bereich. Die komplizierte und kostenaufwändige Schmier- und Kühlölzufuhr über Kurbelwelle und Pleuel soll durch eine einfache Spritzölzufuhr über eine Düse ersetzt werden, wodurch deren Fertigungsaufwand wesentlich reduziert werden kann. Zudem kann das Gewicht der Kurbelwelle und des Pleuels verringert werden, was die bewegten Massen reduziert und damit die Effizienz des Motors erhöht. Bisher gibt es diese einfache Spritzdüsenölzufuhr bei Großmotorenkolben nicht. Die neue Spritzölzuführung soll mit einer reibgeschweißten Verbindung zwischen Kolbenober- und Kolbenunterteil kombiniert, die Brennraumform des Kolbens an den Dual-Fuel-Gasbetrieb angepasst und die gesamte Baugruppe in extremer Leichtbauweise ausgeführt werden.

Dazu wurde im WTZ ein 1-Zylinder-Forschungsmotor mit der neuen Spritzölkühlung ausgerüstet und dessen Tauglichkeit in experimentellen Untersuchungen evaluiert. Basis der Untersuchungen ist ein dezidiert für dieses Projekt von IK Elektronik entwickeltes Messsystem zur kontinuierlichen Erfassung eines 3D-Temperatur- und Dehnungsmessfeldes am bewegten Kolben. Zudem werden die betriebstechnische Eignung und Fertigungsqualität des Versuchskolbens mit Spritzölkühlung experimentell überprüft.

Die im Teilprojekt des WTZ Roßlaus gewonnen Erkenntnisse bilden nun die eminent wichtige Grundlage für die gemeinsam mit den Projektpartnern durchgeführte technische und wirtschaftliche Bewertung des neuartigen Kolbenkühlsystems. Der Lösungsansatz einer neuen Spritzölzufuhr soll den Anforderungen künftiger Schiffsmotorengenerationen sowie den aktuellen und zukünftigen IMO TIER III/IV-Regularien zur Emissionsreduzierung gerecht werden.

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz.

Das Telemetriesystem

Das in Zusammenarbeit von WTZ und IK Elektronik neu entwickelte Kolben-Telemetriesystem ermöglicht es den Ingenieuren, Temperaturen und mechanische Beanspruchungen von großen Motorkolben im laufenden Motor zu messen. Diese Daten helfen den Konstruktionsteams bei der Lösung von Problemen, die durch neue nachhaltige Kraftstoffe entstehen, um die sauberen Motoren der Zukunft zu bauen.

Das Telemetriesystem wird direkt in den Kolben des Motors montiert und überträgt seine Daten per Funk über einen außerhalb stehenden Empfänger an eine Auswerteeinheit / PC. Damit entfallen sämtliche verschleißanfälligen Kabelverbindungen zu den Sensoren.

Eigenschaften im Detail

• 24 Thermosensoren, max. 6 ksps
• 12 Dehnungsmesstreifen, max. 60 ksps
• Beschleunigungssensor, 1 ksps
• Funkübertragung über IEEE 802.1x, keine Kabelverbindungen
• Schnittstelle zum PC für Steuerung der Funkstrecke und Datenverarbeitung
• Echtzeit-Datenverarbeitung
• Sehr kleine Antennen
• System für hohe thermische, chemische und mechanische Beanspruchungen optimiert, max. 125°C
• Anwendungsspezifisches Gehäuse