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Der FreikolbenlineargeneratorEinsatz von Modelica zur dynamischen Simulation
Sven-Erik PohlInstitut für Fahrzeugkonzepte
Esslingen 29. November 2004
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Feuermaschine von Leonardo da Vinci (1508)
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Agenda
Der Freikolbenlinearmotor – Eine Einführung
Modellierung
Simulation
Zusammenfassung
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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.
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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
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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)
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Modellierung Gasfeder
Anpassung an Messergebnisse
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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
0.0E0
4.0E6
8.0E6
1.2E7
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
0.0E0
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
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Simulation Dynamische Systemsimulation
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
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
Absolute position of piston [m] Cylinder length [m]
Simulation Dynamische Systemsimulation
Kolbenposition
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Simulation Dynamische Systemsimulation
0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.650E0
1E4
2E4
3E4
4E4
5E4
6E4
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
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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 !