Projekte
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Der Forschungsbericht des IMS bietet einen guten Überblick über im laufenden Jahr bearbeiteten Projekte.
Der Forschungsbericht 2020 hier als Download (pdf)
Exemplarisch einige interessante Projekte:
Simulation des Kaltstartverhaltens von Abgasnachbehandlungssystemen für Erdgasmotoren
Förderer: BMWi/AiF - Bundesministerium für Wirtschaft und Energie / Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
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Ziel dieses Projektes ist die Erarbeitung und Validierung eines 1D-Katalysatormodells, welches fähig ist die Vorgänge in realen Katalysatoren für die CNG-Anwendung darzustellen. Um die Validierung zu ermöglichen, werden unsererseits Kaltstartversuche mit einem Drei-Wege-Katalysator und einem Methan-Oxidations-Katalysator durchgeführt. Der monovalenten CNG-Motor durchfährt die ersten 300s des WLTPs unter verschiedenen Anfangsbedingungen (-7; 0; 8 und 20 Grad Celsius). Nach der Validierung des 1D-Models soll eine optimale Strategie zum Heizen des Katalysators simulativ für den Fahrzyklus ermittelt und anschließend am Prüfstand am realen Motor überprüft werden.
Projektbearbeiter: Johannes Oder, M.Sc. johannes.Oder@ovgu.de.de |
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Wasserstoffanwendungen
Wasserstoffkreislaufmotor
| In diesem Projekt wird eine Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung in einer Inertgas-Atmosphäre analysiert. Die Verbrennung erfolgt in einem Kreislaufverbrennungsmotor. Dabei wird eine Sauerstoff-Inertgas-Mischung in den Brennraum eingebracht und dort mit direkteingeblasenem Wasserstoff zur Selbstzündung gebracht. Das aus dieser Verbrennung resultierende Wasser wird anschließend aus dem Inertgas, was als Trägergas fungiert, abgeschieden. Das Inertgas wird anschließend erneut mit Sauerstoff angereichert und dem Brennraum erneut zugeführt. Ziel dieses Projektes ist eine Potentialanalyse dieses Wasserstoff-Kreislaufmotors hinsichtlich Effizienz und Leistungsvermögen. Diese Potentialanalyse erfolgt simulativ mit 1D und 3D-CFD Berechnungsmodellen. Analysiert werden sollen verschiedene Inertgase sowie Sauerstoffkonzentrationen. |  |
Projektbearbeiter: Klepatz, Kevin kevin.klepatz@ovgu.de u.a.
TRAINS – Studien zu Dieselersatzlösungen für Bestandszüge
Im Rahmen dieses Projekts wird ein Konzept zur Umrüstung eines dieselmotorischen Triebzug-antriebs auf ein Wasserstoff-Methan-Verbrennungsmotors erstellt. Dazu werden Einsatzmöglichkeiten verschiedener innovativer Technologien mit dem Fokus auf Gemischbildung, Zündung sowie Verbrennung von Wasserstoff-Methan-Gemischen untersucht. Ziel ist es ein innovatives Brennverfahren in Abhängigkeit vom H2NG-Mischungsverhältnis zu entwickeln, um den spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Die Auslegung des Brennverfahrens erfolgt simulativ mit 1D und 3D-CFD Berechnungsmodellen. Darauf aufbauend wird im Folgeprojekt ein Versuchsträger auf dem H2NG-Betrieb umgestellt, der zukünftig zum Antrieb eines Triebwagens eingesetzt werden soll.
Projektbearbeiter: Tempelhagen, Robin robin.tempelhagen@ovgu.de u.a.
Simulationsgestützte Auslegung von PEM-Brennstoffzellen-Fahrzeugen
| Brennstoffzellen-Fahrzeuge („Fuel cell electric vehicle“ - FCEV) vereinbaren die Vorteile von batterieelektrischen sowie verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeugen. Diese weisen unter anderem eine lokale Emissionsfreiheit bei kurzen Betankungszeiten auf. Für die Auslegung eines FCEV ist es notwendig, die verschiedenen Ebenen des Fahrzeuges simulativ abzubilden und die Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit des Systems zu detektieren. Daher erfolgt zum einen eine Betrachtung der Zell-Ebene, die die physikalischen und elektrochemischen Wirkzusammenhänge einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle abbildet. Dafür wurde ein Open-Source-Modell in Form einer Matlab-Function entwickelt. Darauf aufbauend werden die Komponenten des Medienmanagements einer PEM-Brennstoffzelle, bestehend aus dem Luft-, Wasserstoff- und Wassermanagement, untersucht. Insbesondere das energieaufwändige Luftmanagement (E-Verdichter) sowie das Wassermanagement haben enormen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems. Für die ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems und Antriebsstranges dient ein Fahrzeug-Modell in der Simulationsumgebung Matlab / Simulink. Mit Hilfe des Gesamtfahrzeuges werden Potentiale im Bereich des Energiemanagements identifiziert, auf Basis dessen das Betriebsmanagement ausgelegt wird. Zur Effizienzerhöhung werden dabei verschiedene Varianten des Antriebsstranges, wie beispielsweise Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge oder Energiespeicher-Kombinationen (Batterie, Supercap, etc.) betrachtet. Das Ziel dieser ganzheitlichen Simulation ist die optimale simulationsgestützte Auslegung eines FCEV, skalierbar für Fahrzeuge verschiedener Ausführungen. |  |
Bearbeiterin: Konradt, Swantje swantje.konradt@ovgu.de
PHOTONISCHE PROZESSKETTEN
Prozessüberwachung der Fertigung von verbrennungsmotorisch optimal designten Aluminiumzylinderköpfen mittels In-Line-Computertomographie mit dem Ziel der Verbrauchs- und Schadstoffreduzierung
| Die Entwicklung zukünftiger Fahrzeuge wird wesentlich von Umweltaspekten geprägt. Auf Grund der internationalen Umweltgesetzgebung steht heute die Nutzungsphase im Fokus, in der 80% der Gesamtemissionen entstehen. Neue Ziele der CO2-Reduktion sorgen für stetig steigende Anforderungen im Motorenbau. Dies äußert sich u.a. in den aktuellen Herausforderungen an die Entwicklung und Gestaltung von Zylinderköpfen hoch-aufgeladener Ottomotoren, wie den des EA888. So führt eine weitere Funktionsintegration, wie bspw. die des Abgaskrümmers in den Zylinderkopf, zu mechanischen und thermischen Belastungen in verschiedenen Bereichen des Motors. Das Ziel zukünftiger Zylinderkopfkonzepte ist es, eine optimale Lösung der einzelnen Funktionsbereiche zu finden und das volle Potential hinsichtlich Festigkeit, Reibung und Gewicht auszuschöpfen. Entscheidend für die Realisierung dieser Ziele ist die Umsetzung der Produktidee in eine kosten- und qualitätsoptimierte Serienfertigung in der Gießerei und im Motorenwerk. Besonders die Gießer moderner Zylinderköpfe sind gefragt, neue Werkstoffe und Fertigungsverfahren zu etablieren, um so neue Zylinderkopfkonzepte darstellen zu können. Durch den Einsatz der Computertomographie in der Serienprüfung von Gussteilen können bereits heute unzulässige Ungänzen (Poren und Lunker) in Bau-teilen detektiert und anschließend nach definierten Qualitätskriterien eingestuft werden. Ungelöst sind im Zusammenhang mit dem Einsatz eines In-Line-Computertomographen insbesondere die vielfältigen messtechnischen Aufgabenstellungen bei der Serienprüfung. Gesamtziel des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von CT-basierten Messkonzepten und Messstrategien zur Bestimmung: - der Lage- und Formabweichung der Einlasskanäle, - der Messung des Brennraumvolumens und - der Wandstärkenverteilungen im Rahmen der vorgegebenen Toleranzen im Wasserraum. |
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Computertomographie in der Serienfertigung
Der Einsatz der Computertomographie ist zur Ermittlung von Ungänzen und Lunkern in vielen Bereichen der Serienprüfung bereits integriert. Diese neue Technologie soll auf Anwendungen erweitert werden, welche quantitative als auch ökologische Vorteile in der Gießerei von in Großserie gefertigten Produkten ermöglicht. Bekannte Verfahren zur Ermittlung der qualitativen Eigenschaften eines Werkstückes erlauben eine binäre Kategorisierung in „Produkt ist in Ordnung (IO)“ oder „Ausschuss/nicht in Ordnung (NIO)“. In der Serienproduktion von Zylinderköpfen existiert eine Vielzahl von Merkmalen, die deren qualitative Eigenschaften definieren. Die Überprüfung der Werkstücke mittels eines In-Line-CT können die relevanten Kenngrößen erfassen und über die bisher eingesetzte Bewertungs-methode hinaus analysieren und kategorisieren. So wird ein Konzept entwickelt, welches die Großserien-gießerei durch die Schaffung von Einsparpotentialen (Verringerung von Ausschuss bzw. Rohstoffen) bezüglich des Energieaufwandes sowie der Einsatzmittel (Verringerung von Lösungsmitteln) umwelt-freundlicher und letztendlich das Endprodukt, den Motor, effizienter gestaltet. So können Energie-aufwand und Emissionen sowohl im Motor als auch in der Produktion reduziert werden können
Untersuchung von Fertigungsmerkmalen und deren Auswirkung
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Die Genauigkeit von gegossenen Zylinderköpfen hängt sowohl von der eingesetzten Technologie als auch vom Fertigungsprozess ab. Zur Identifikation der Gießqualität sind die Fertigungsmerkmale Brennraumvolumen, Lage- und Formabweichungen der Einlasskanäle sowie die Ausbildung des Wassermantels entscheidend. Welche quantitativen Einflüsse diese Kriterien auf die Effizienz des Motors haben, gilt es zu untersuchen. Hierfür werden die möglichen Zylinder-kopfkonfigurationen, die im Rahmen derzeitiger Toleranzvorgaben möglich sind, bezüglich ihrer Strömungseigenschaften untersucht. Die Einflüsse der Einströmbedingungen aufgrund des Einlass-kanalversatzes bzw. die Strömungsbedingungen im Brennraum aufgrund ungleicher Brennraumvolumina werden mit stationären Strömungsversuchen sowie 3D-CFD Simulationen ermittelt und am Motoren-prüfstand abgeglichen. Die Form der Fluidführung im brennraumnahen Bereich hat einen wesentlichen Anteil am thermischen Verhalten des Motors. Kanalein-schlüsse, Kanalabschnürungen oder Grate können den Wärmeübergang an kritischen Bereichen innerhalb des Zylinderkopfes derart beeinflussen, dass der Motorwarmlauf beeinträchtig wird bzw. eine Überhitzung von Teilbereichen möglich ist. Eine Sensitivitätsanalyse des Wassermantels soll kritische Bereiche identifizieren und der gießgerechten Zylinderkopfkonstruktion essentielle Informationen für eine effiziente Fluidführung liefern. |
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Motorwärmetausch
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Das Thermomanagement nimmt bei der Verbrauchs- und Emissionsreduzierung von Verbrennungsmotoren eine bedeutende Rolle ein und ist Thema aktueller Forschungsvorhaben. Kalte Motorbetriebszustände in Verbindung mit niedrigen Lasten sind Ursachen für erhöhten Kraftstoffverbrauch (CO2), der mit vermehrter Bildung von HC, CO und Rußpartikeln einhergeht. In dem Projekt „Motorwärmetausch“ sollen die Wärmeströme in der Warmlaufphase eines Verbrennungsmotors mit Hilfe eines thermischen Netzwerkes berechnet werden. Ziel war es ein validierbares Simulations-modell für den Motorwarmlauf zu erstellen, das eine Betrachtung der Potentiale zur Reduzierung der innermotorischen Reibung, sowie der CO2-Emissionen ermöglicht.
Messstellen: Insgesamt wurden 71 Sensoren verbaut.
Temperatursensoren:
Alle Bauteiltemperaturen in einem Bereich von 0 – 600 °C wurden mit Mantel- und Flachfilmwiderstandstemperatursensoren (Pt-100) gemessen. Die Messstellen wurden im Bereich des 3. und 4. Zylinders platziert, um den Wärmefluss entlang einer Zylindereinheit zu betrachten.
Weiter Sensoren befinden sich im Bereich Nockenwellen, Kurbelwelle, Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderkopf und ferner werden diverse Medientemperaturen (Öl, Wasser, Luft) erfasst.
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Durchflusssensoren:
Verwendung von Durchflusssensoren, zur Bestimmung der Kühlwassermedienströme (Heizung, Hauptwasser-Wärme-Übertrager und AGR-Kühlung).
Drucksensoren:
Zylinderdrücke wurden in den Referenzzylindern 3 und 4 mit den piezoelektrischen Miniaturmesssonden aufgenommen. Diese Sensoren wurden mittels Adapterhülse als Glühkerzenersatz eingeschraubt. In den Zylindern 1 und 2 wurden die original verbauten piezoresistive Sensoren genutzt.
1D-Simulation:
Die Modellierung erfolgt mit Hilfe des Simulationsprogramms LMS Imagine.LabAMESim®.
Das Simulationsmodell beinhaltet 20 Punktmassen, sowie Kapazitäten für die Medien Kühlwasser und Öl. Der aus der Verbrennung resultierende Wärmeeintrag wurde durch Kennfelder im Simulationsmodell berücksichtigt und aus realen Zylinderdruckverläufen abgeleitet. Das Verbrennungsverhalten kann über die Zylinderdrücke wiedergegeben werden. Eine besondere Bedeutung in der Warmlaufphase hat die Reibung. Geringe Temperaturen im Schmierstoff führen aufgrund erhöhter Viskosität zu vermehrter Reibung, welche wiederum einen deutlichen Wärmeeintrag in das Medium Öl und die beteiligten Bauteile zur Folge hat. Reibmitteldrücke stellen eine charakteristische Größe für mechanische Verluste dar. Für die Berechnung des Gesamtreibmitteldruckes wird das Modell von Schwarzmeier verwendet. Eine Aufteilung des Gesamtreibmitteldruckes in Einzelanteile erfolgt durch für den Motor ermittelte, temperaturabhängige Reibungskennfelder. Mit dem aktuellen Simulationsmodell ist es möglich das Aufheizverhalten der einzelnen Punktmassen mit einer Genauigkeit von 1-3K zu berechnen.
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