Testen und optimieren von Biogas Motoren

Die PowerUP GmbH ist ein energietechnisches Unternehmen mit Kunden in mehr als 40 Ländern, das sich auf High-Tech-Produkte und -Lösungen für Gasmotoren spezialisiert hat. PowerUP  liefert seine eigenen, speziell konstruierten Gasmotorenkomponenten, die zur Verlängerung der Lebensdauer von Ersatzteilen und Steigerung der Motorgesamtleistung beitragen. Der Kunde profitiert dabei von einer Senkung der Wartungskosten und der Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit der Motoren.

Die wichtigsten Produktkomponenten von PowerUP – wie Zylinderköpfe, Pleuel, Vorkammern und Zündkerzenhülsen – werden von PowerUPhergestellt. Durch die Optimierung bestehender Technologien und die Entwicklung neuer Konzepte maximiertPowerUP die Erzeugungsleistung bei gleichzeitiger Erfüllung der Emissionsrichtlinien.

Das Unternehmen bietet auch Beratungsdienste für Gasmotorenlösungen, bei denen alternative und effiziente Technologie- und Engineering-Konzepte zur Anwendung kommen und Lösungen für verschiedene Märkte und Anwendungsanforderungen entwickelt werden, die den jeweiligen spezifischen Kundenanforderungen entsprechen.

Die Ingenieure von PowerUP sind ständig bemüht, die Lebensdauer von Ersatzteilen zu verlängern, um die Wartungsgesamtkosten zu senken, und das qualifizierte Verkaufs- und Produkt-Support-Team kennt alle Aspekte des Gasmotorengeschäfts. Egal, um welche Anwendung es geht: Die Mitarbeiter verfügen über die zur Lösung kommerzieller und technischer Herausforderungen erforderliche Erfahrung. 

Das Problem und die Testanwendung

Gasmotoren werden auf dem zukünftigen Energiemarkt präsent bleiben, da ihnen aufgrund ihrer Flexibilität und Zuverlässigkeit eine entscheidende Rolle in einer ausgewogenen nachhaltigen und stabilen Energiestrategie zukommt. Die Aggregate können zur Stromerzeugung mit Deponie- oder Klärgasen, Biogas oder Erdgas angetrieben werden, also ohne Verbrennung flüssiger Treibstoffe wie Diesel oder Benzin und ohne die damit verbundenen Abgasemissionen. 

In unseren Fallbeispiel geht es um Messungen an einer Jenbacher J312 12-Zylinder-Biogas-Motor-Generator-Einheit, die in der Zentrale von GE INNIO im österreichischen Jenbach gefertigt wurde und in einem landwirtschaftlichen Betrieb zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt wird. Die 4,7 x 1,8 x 2,3 Meter große J312-Einheit ist in der Lage, eine Grundlast von 579 kW/480V/60Hz abzudecken und  90 °C heißes Wasser bei 2454 Mbtu/h (720 kWh) zu liefern.

Jenbacher Gasmotoren decken einen Leistungsbereich von 200 kW bis 10 MW ab und können mit Erdgas und anderen Gasen betrieben werden. Sie erzeugen vor Ort Strom, Wärme und Kälte in unterschiedlichsten gewerblichen, industriellen und kommunalen Anwendungsbereichen – insbesondere erneuerbare Energien, Energieerzeugung aus Abfällen, industrielle Energieerzeugung und Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), sowie Energieversorgung von Ölfeldern. Bis jetzt sind bereits mehr als 52 000 Jenbacher Gasmotoren in über 100 Länder geliefert worden.

Im unserem spezifischen Fall wurde die Standardeinheit der PowerUP GmbH modifiziert. Anstelle des 2-Ventil-Zylinderkopfes in OEM-Qualität wird ein 4-Ventil-Zylinderkopf des Typs EVE von PowerUP verwendet, der den elektrischen Wirkungsgrad um 2,5 % erhöht. In der vorliegenden Ausführung hat die Einheit eine elektrische Leistung von 550 kW. 
Um die Motorausfallzeiten und die damit einhergehenden finanziellen Einbußen zu minimieren, wird beim Kunden vor Ort ein effizientes, schnelles und einfach zu konfigurierendes Messsystem mit direkter Visualisierung benötigt.

Dewesoft-Lösung für die Verbrennungsanalyse

Mit der Dewesoft-Lösung für die Verbrennungsmotoranalyse – einer Kombination der Datenerfassungssoftware DewesoftX mit einem spezifischen Plugin und einem SIRIUS-Datenerfassungsgerät– ist die Datenerfassung und -visualisierung eine Sache von wenigen Minuten.

Messanordnung

Das Datenerfassungssystem und die Testanordnung, die bei der PowerUP GmbH zum Einsatz kommen, umfassen:

• 1 x Messinstrument SIRIUSi-8xSTG+

• 3x DSI-CHG-50 DSI Adapter

• 3 x AVL-Zylinderdrucksensor GH14D mit M5-Schraube

• 1 x Spannungsteiler für die Erfassung der Zündspannung

• 1 x Kurbelwellenwinkel-Sensor (schon im Motor verbaut) mit 164 Pulsen und einem Nullpuls; verbunden mit dem SIRIUS SuperCounter®-Eingang

• Datenerfassungs- und Analysesoftware Dewesoft X3

• Verbrennungsmotoranalyse-Modul (Basis + Erweiterung)
  Druck
  Online-Berechnung
  Einstellbare Zylinder
  Wärmeabgabe
  Klopfen
  Filter
  Zusätzliche analoge Eingänge

• Modbus Master TCP/IP-Plugin

• Remote-Netzwerk-Verbindung per VNC-Client

Das SIRIUSi-Analysesystem für Verbrennungsmotoren kommt bei der Forschung, Entwicklung und Optimierung von Motoren und sogar bei der Entwicklung und Erprobung von Komponenten (wie z. B. Zündsystemen, Abgassystemen und Ventilsteuerungen) zum Einsatz. Es umfasst isolierte SIRIUSi-DAQ-Hardware nd das Datenerfassungs-Softwarepaket Dewesoft X für Messung und Analyse mit einem speziell entwickelten Plugin für die Verbrennungsmotoranalyse.

Das System unterstützt winkel- und zeitbezogene Messergebnisse und verwendet höchst anspruchsvolle Algorithmen für Online- oder Offline-Mathematik- und -Statistikfunktionen, d. h. zur Berechnung der Wärmeabgabe und anderer thermodynamischer Parameter. Die Verbrennungsmotoranalyse kann vollständig in einen Prüfstand integriert werden und unterstützt auch Daten aus anderen Quellen, wie Video, CAN und CAN FD-Bus, XCP, Ethernet usw. Darüber hinaus können die Daten können in verschiedene Formate exportiert werden.

Das System kann über die Verbrennungsanalyse hinaus auch für andere Messanwendungen erweitert werden, wie z. B. Prüfungen des Antriebsstrangs bei Hybridfahrzeugen oder Geräusch- und Schwingungsmessungen mit synchronisierten Video- oder GPS-Daten.  

Drucksensoren werden zur Messung des Zylinderdrucks des Motors verwendet. Abhängig vom Sensortyp können diese wie jeder andere Eingangskanal direkt oder aber über externe Signalaufbereitungsverstärker mit dem SIRIUSi-Verstärker verbunden werden. Zusätzlich wird ein Winkelsensor benötigt, um winkelbezogene Messergebnisse zu erhalten. 

Messungen

Im konkreten Fall wurde die Messung mit einer Abtastrate von 200 kS/s durchgeführt. Drei der 12 Zylinder wurden mit Zylinderdrucksensoren ausgestattet. In den zusätzlichen Kanälen wurde die Zündspannung verwendet, um das Signal im Winkelbereich zu erhalten und über die Kompressionskurve zu legen. Der Kunde war von der hohen Winkelauflösung von bis zu 0,025 Grad und der einfachen Integration der Modbus-TCP-Schnittstelle der PowerUP-Motorsteuerung beeindruckt. 

Da die Biogas-Motor-Generator-Einheit außer Strom auch Wärme und Lärm in erheblichem Umfang erzeugt, wurde der Kunde per Netzwerk und VNC-Client von seinem Kontrollraum aus zugeschaltet.

Analyseergebnisse

Das Dewesoft-Gerät ist für das Serviceunternehmen PowerUP GmbH ein hilfreiches Werkzeug, um nach einem Motor-Upgrade die Motorparameter im kompletten Arbeitsbereich anzupassen und zu optimieren.

Fazit 

In Bezug auf die Flexibilität, die bei der täglichen Arbeit des Kunden im Zusammenhang mit der Anpassung an die verschiedenen Maschinentypen erforderlich ist, gewährleisten das universelle SIRIUS STG-Eingangsmodul und die Möglichkeit zukünftiger Erweiterungen mit intelligenten DSI-Sensoradaptern und anderen Software-Plugins für Dewesoft X (Siemens S7, OPC UA, ...) ein Optimum an Interkonnektivität.

Die galvanische Trennung der Kanäle bietet Sicherheit und eine bessere Signalqualität in den unterschiedlichen Umgebungen.

Die Flexibilität der Dewesoft-Datenerfassungsgeräte und -software hilft PowerUP, die tägliche Arbeit effektiver zu gestalten und sich auf ihr wesentliches Know-how, die Parameteroptimierung, zu konzentrieren.

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