Institu

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konz

epte

Der FreikolbenlineargeneratorEinsatz von Modelica zur dynamischen Simulation

Sven-Erik PohlInstitut für Fahrzeugkonzepte

Esslingen 29. November 2004

2Institu

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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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epte

Modellierung Gasfeder

Komponenten der Gasfeder

Stoffmodell

Kontrollvolumen

Volumenberechnung

Wandwärmeübergang (optional)

Massenverlust, Blowby (optinal)

12Institu

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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

18Institu

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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

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

24Institu

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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– ...

25Institu

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Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit !