Sven-Erik Pohl Institut für FahrzeugkonzepteFreikolben-Lineargenerator Regelung der Kolbenbewegung...

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Institu

t für Fahrzeug

Der FreikolbenlineargeneratorEinsatz von Modelica zur dynamischen Simulation

Sven-Erik PohlInstitut für Fahrzeugkonzepte

Esslingen 29. November 2004

2Institu

t für Fahrzeug

Feuermaschine von Leonardo da Vinci (1508)

3Institu

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Agenda

Der Freikolbenlinearmotor – Eine Einführung

Modellierung

Simulation

Zusammenfassung

4Institu

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Der Freikolbenlineargenerator

Ein Freikolbenmotor ist

ein Hubkolbenmotor

der vom Zwanglauf der Kurbelwelle befreit ist.

In Verbindung mit einem Lineargenerator

der die Bewegungsenergie direkt,

mit einem hohen Wirkungsgrad,

in elektrischen Strom umwandelt,

ergibt sich eine kompakte Stromerzeugungseinheit.

5Institu

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Der Freikolbenlineargenerator Funktionsprinzip

Brennraum RückfederraumStator LäuferLadungswechsel Ventile Steuerventil

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Vollkommene Entdrosselungreduzierter Wandwärmeverlustweniger Kolbenreibung in der Teillast

Der Freikolbenlineargenerator Eigenschaften

Variable VerdichtungHomogene Raumzündung (HCCI)Anpassbar an verschiedene Kraftstoffe

Variabler Hub

Variable Kolbengeschwindigkeit Beeinflussung der Abgasemissionen

7Institu

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Wirkungsgradoptimierung

des Systems

Der Freikolbenlineargenerator Eigenschaften

Variable Verdichtung

Variabler Hub

Variable Kolbengeschwindigkeit

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Der Freikolbenlineargenerator Herausforderungen

Durch die fehlende Synchronisation des Kurbeltriebs entsteht erhöhter Bedarf für die System-Regelung– elektronische Kurbelwelle – elektronische Nockenwelle

Gestaltung der Verbrennung– Realisierung 2-Takt-Prozess mit Kopfspülung– Wahl und Gestaltung des optimalen Verbrennungsprozesses

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Modellierung Anforderungen

Multiphysikalische Systemstruktur (Thermodynamik, Elektrotechnik, Regelungstechnik)

Komponenten-Bibliothek (hohe Wiederverwendbarkeit)

Ermöglichung mehrerer Abstraktionsebenen

Zeitkontinuierliche Betrachtungen (Dynamische Simulation)

Ziele der Simulation:– Abbildung des FKLG mit möglichst hoher Realitätsnähe– Erforschen des Systemverhaltens– Entwicklung und Erprobung von Regelstrategien– Auslegungsrechnungen für Teilkomponenten

Dymola/Modelica

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Modellierung Struktur

LineargeneratorVerbrennung Rückfeder

Aufteilung in 3 Teilsysteme

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Modellierung Gasfeder

Komponenten der Gasfeder

Stoffmodell

Kontrollvolumen

Volumenberechnung

Wandwärmeübergang (optional)

Massenverlust, Blowby (optinal)

12Institu

t für Fahrzeug

Modellierung Gasfeder

Anpassung an Messergebnisse

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t für Fahrzeug

Modellierung Verbrennungszylinder

Komponenten des Verbrennungszylinders

Stoffmodell

Kontrollvolumen

Volumenberechnung

Verbrennungsmodell (sin², Vibe)

Wandwärmeübergang (optional)

Massenverlust, Blowby (optional)

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Modellierung Verbrennungszylinder

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1.6E7Pressure [Pa]

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-1.4E6

-1.2E6

-1.0E6

-8.0E5

-6.0E5

-4.0E5

-2.0E5

2.0E5Q

Simulation des Verbrennungszylinders

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Modellierung Lineargenerator

Eigenschaften des Lineargenerators

Hoher Wirkungsgrad

Einfache Produktion

Kostengünstig

Kompakt

Umsetzung

Regelung bestimmt Soll-Kraft

Ist-Kraft: Leistungselektronik stellt die Ströme in der Maschine entsprechend ein.

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Kraftsignal

Sensor Signale Aktuator Signale

Bewegungs-Sollwerte

Timer-SollwerteBewegungsdaten

Thermodynamische Daten

Modellierung Regelung

Freikolben-Lineargenerator

Regelung der Kolbenbewegung

Ventil und Injektor Regelung

Überwachungsregelung und Optimierung

Prediktor

Berechnung der

Kolben-bewegung

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Simulation Dynamische Systemsimulation

Ventil- und Injektorregelung

Regelung der Kolbenbewegung

LineargeneratorVerbrennung Rückfeder

18Institu

t für Fahrzeug

Simulation mit 1100 Gleichungen

3D-Visualisierung (MultiBody-Library)

0.6s Rechenzeit für 1s Simulationszeit

Beispiel: dynamische Zustandsänderung

Rückfeder

Lineargenerator

Verbrennung

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0.40 0.44 0.48 0.52 0.56 0.60 0.640.00

Absolute position of piston [m] Cylinder length [m]

Kolbenposition

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t für Fahrzeug

0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.650E0

7E4Power Output Linear Generator [W]

Energieauskopplung

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Zusammenfassung

Dymola/Modelica ermöglicht die Umsetzung des komplexen Freikolbenlineargenerators zur dynamischen Simulation

Es ist möglich Regelungskonzepte im Simulationsstadium zu entwickeln, erproben und verbessern.

Ausgehend von der Basissimulation können Teilsysteme detailliert modelliert und untersucht werden.

Weiteres Detaillierungsstufen sind möglich.– Wirklichkeitsnahe Regelung– Detailierte Verbrennung– Leistungselektronik

22Institu

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Das Institut für Fahrzeugkonzepte

InnovativeTechniksystemeSynergie Straßen-/SchienenfahrzeugeKraftstoff- &

Energiespeicher

Alternative Antriebe &Energiewandlung

Leichtbau & Hybridbauweisen

Innovative Fahrzeugkonzeptein einem nachhaltigen

Verkehrssystem

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Forschungsfeld - Alternative Antriebe

Stromerzeugung im Fahrzeug für Antrieb und Bordnetz– Brennstoffzelle– Hybridantrieb– Akkumulator/SuperCap

Speicherung alternativer Kraftstoffe

Leistungselektronik

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Modellierung multidisziplinärer Systeme mit Modelica

Simulation von Hybrid- und Brennstoffzellensysteme

Geplante Erweiterungen– Integrales Energiemanagement

(elektrische, mechanische, thermische Energie)– Generierung von

echtzeitfähigem Code– Optimierung

Anwendungen im DLR: – Getriebesimulation– Fahrzeugdynamik– Flugdynamik– Roboter– Kraftwerkstechnik– ...

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit !

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