Riesen sauber machen

CAD CAM Anwender

GroßMotorenbau – Ein Dieselmotor mit 100.000 PS ist notwendig, um die Frachter von heute über die Meere zu schicken. Wärtsilä entwickelt solche Motoren mit LMS-Software.

02. November 2011

Der größte Motor, den Wärtsilä baut, misst 26x13x9 Meter und wiegt 2.300 Tonnen. Aber selbst die Durchschnittsmotoren von Wärtsilä mit 20.000 PS erreichen die Größe eines typischen Wohnzimmers. Im Gegensatz zu Viertaktmotoren, die mit höheren Umdrehungszahlen und einem Getriebe arbeiten, erreichen Zweitaktmotoren ihre Spitzenleistung bei niedrigen Geschwindigkeiten von etwa 100 U/min und sind direkt mit der Schiffsschraube verbunden. Dadurch bieten Zweitaktmotoren einen Kostenvorteil.

Da nur ein Motor die – meist einzige – Schiffsschraube antreibt, müssen die Motoren extrem zuverlässig sein. Anderenfalls gehen Umsätze in Millionenhöhe verloren, ganz zu schweigen von den Zusatzkosten einer Havarie auf See. Die Motoren müssen auch dann das Schiff weiter antreiben, wenn Probleme wie Beschädigungen der Zylinderwand oder der Kolbenringe auftreten. Prototypenbau und -tests sind bei diesen riesigen Motoren nahezu unbezahlbar. Deshalb müssen die Konstruktionen stimmen und der Motor auf Anhieb richtig funktionieren.

Wie in anderen Branchen bekommt auch im Schiffsverkehr der Umweltschutz eine immer höhere Priorität. Stickoxidemissionen müssen bis 2016 wesentlich reduziert werden. Deshalb wird in den Unternehmen unter Hochdruck an neuen Verfahren zur Senkung von Emissionen gearbeitet.

Wärtsilä, ein finnischer Anbieter von Antriebssystemen für den Schiffsverkehr, setzt einen innovativen Ansatz ein, um die Anforderungen seiner Kunden zu erfüllen. Zweitaktmotoren werden im unternehmenseigenen Kompetenzzentrum für Zweitaktmotoren in Winterthur in der Schweiz entwickelt. Hier arbeiten hoch spezialisierte Entwicklungsteams an Konzepten für neue Motoren sowie an der Umgestaltung und der Nachrüstung von vorhandenen Modellen. Früher entwickelten die Ingenieure die Hydraulik, die Kraftstoffeinspritzung und die Schmiersysteme mit Hilfe von zehn speziellen Fortran-Programmen. Jedes Programm berechnete nur einen Variablentyp, beispielsweise den Einspritzstrom; außerdem waren die Programme nicht verknüpft, sodass die Ergebnisse manuell zusammengeführt werden mussten, um das Gesamtverhalten des Hydraulikkreislaufs zu ermitteln. Berechnungsmodelle ließen sich nur sehr zeitaufwendig erstellen. Durch den oft knappen Zeitrahmen konnten in der Regel nur wenige Konstruktionsalternativen analysiert werden.

All diese Hindernisse entfielen mit der Umstellung auf LMS Imagine.Lab. Mit diesem Tool konnte das Team ein integriertes realistisches Modell erstellen, welches Hydraulik, Mechanik und Elektrik des gesamten Systems mitsamt den zwischen diesen Bereichen geltenden Beziehungen darstellte.

»Statt zahlreicher separater Berechnungsprogramme, die einzelne Näherungsangaben liefern, stehen uns nun sämtliche Auswirkungen in einer grafischen Lösung exakt dargestellt zur Verfügung«, erläutert Dr. Frank Wrona, Teamleiter Kraftstoffeinspritzung und Hydraulikanalyse. »Dieser einheitliche multidisziplinäre Ansatz ist nicht nur bequemer und einfacher, sondern auch weitaus schneller und genauer.«

Statt verschiedener Programme verwen-den die Entwickler eine einheitliche grafische Oberfläche, um Symbole für Ventile, Federn, Leitungen und andere Bauteile auszuwählen und miteinander zu verbinden. Die daraus resultierende Darstellung zeigt, wie die Systeme realistisch zusammenwirken. Über Plots werden Berechnungen veranschaulicht, darunter Einspritzstrom, Einspritzdruck für verschiedene Lasten, erzeugte Leistung und Druckverluste an Schlüsselstellen des Hydraulikkreislaufs.

»Zu den Hauptvorzügen der Software gehört, dass die Modelle so schnell erstellt werden können und dass die Ergebnisse klar und eindeutig dargestellt werden. So können sich die Ingenieure auf die wichtige Aufgabe konzentrieren, das Verhalten des Hydrauliksystems zu analysieren, statt viel Zeit mit der Ausführung von Programmen zu verschwenden«, so Dr. Wrona. »Zudem lassen sich Modelle zwischen den Teammitgliedern einfacher austauschen, weil die grafische Darstellung und die Oberfläche intuitiv bedienbar und verständlich sind.«

Wenn die Modelle durch einen Vergleich der Berechnungen mit Versuchsdaten validiert sind, führen die Entwickler parametrische Analysen durch, bei denen eine Optimierungsroutine automatisch einzelne Parameter wie Ventil- und Pumpengrößen, die Form der Einspritznocke und die Leitungsdurchmesser variiert. Das Programm testet zahlreiche Werte, bis die Performancevorgaben für das Einspritzsystem und den zugehörigen Hydraulikkreislauf erreicht werden.

Optimierung spart erheblich Zeit

»Mit LMS Imagine.Lab lässt sich ein Einspritzsystem in wenigen Tagen neu modellieren. Vorher mussten erfahrene Ingenieure mehrere Monate lang arbeiten, um all die erforderlichen Berechnungsdetails zu berücksichtigen. Überdies vergleicht die Optimierungsroutine hunderte verschiedener Bauteilgrößen. Mit den bisherigen Programmen waren dies nur etwa ein Dutzend. Eine optimale Konstruktion lässt sich so viel schneller erreichen.«

Die Optimierung ist besonders nützlich, wenn das Hydrauliksystem verbessert werden soll, um die strengen Anforderungen an die Steuerzeiten der Einspritzung und die Steuerung der Kraftstoffmenge zu erfüllen. Letztere sind Schlüsselparameter, die Emissionen und Effizienz des Dieselmotors entscheidend beeinflussen. Im Rahmen eines Projekts wurden mit Hilfe dieses Ansatzes Abgasqualität und Motorleistung optimiert, indem ein System für einen variablen Einspritzstrom im Einspritzzyklus entwickelt wurde – eine deutliche Verbesserung gegenüber einem herkömmlichen Einspritzprofil.

Der neue Simulationsprozess war zudem wesentlich an der Verbesserung der Bauteil- und Subsystemzuverlässigkeit betei-ligt. Da der Prozess das mechanische Verhalten sowie die hydraulische Performance umfasst, können die Entwickler Eigenfrequenzen, Torsionsschwingungen und die Lebensdauer von Bauteilen wie der Nockenwelle der Kraftstoffpumpe berechnen.

»Natürlich lässt sich ein Schiffsmotor auch ohne die heute erhältliche Simulationstechnologie entwickeln. Aber Simulationstools sind unverzichtbar, wenn man Probleme zu einem frühen Entwicklungszeitpunkt lösen, zahlreiche Alternativen vergleichen und die optimale Konstruktion schneller finden möchte«, so Anders Hulqvist, Leiter der Abteilung Forschung und Allgemeine Technologien. »Als Anbieter für Antriebslösungen für den Schiffsbau und die Energiewirtschaft setzt Wärtsilä auf Simulationen für die Produktentwicklung als zentrales Element unseres kontinuierlichen Zielvorhabens, unsere Führungsposition in der Entwicklung der effizientesten und modernsten Schiffsmotoren zu stärken.«

Erschienen in Ausgabe: 08/2011