FORSCHUNGS- UND

TRANSFERSCHWERPUNKT

AUTOMOTIVE

1.    Beschreibung

Der PowerPack-Prüfstand (Wasserstoff-Motorprüfstand) eröffnet die Möglichkeit CO2-neutrale Nutzfahrzeugantriebe an der OvGU zu betreiben. Wasserstoffverbrennungsmotoren stellen neben Brennstoffzellenantrieben die einzige realistische Möglichkeit dar den Schwerlastverkehr CO2-neutral darzustellen. Der geplante Prüfstand soll durch seine flexible Ausgestaltung vor allem für die Methodenentwicklung am System H2 - Verbrennungsmotor und einem optionalen hybriden Antriebstrang für Nkw und PKW - Anwendungen dienen. Dauerlaufversuche sollten aber ebenso realisierbar sein.

2.    Ziele und Beispiele

Über Versuche am Motorprüfstand wird ein Motormodell zu Brennverlaufsvorausbestimmung unterschiedlicher (Wasserstoff-)Motor-Bauarten erarbeitet. Daraus werden Methoden entwickelt um die Aufladung und Gemischbildung automatisiert zu optimieren.

Die Bedeutung von Motorsteuerungen für Verbrennungsmotoren und deren Anpassung an ein Fahrzeug ist eine komplexe Aufgabenstellung die ein hohes Maß an Expertenwissen erfordert. Mit dem Wasserstoff-Motorenprüfstand kann die Basis für intelligente Steuerungsfunktionen mit integrierter Applikationslogik zur selbständigen Ermittlung optimaler Applikationsparameter durch KI und Machine-Learning Methoden gelegt und verifiziert werden.

Beispiele:

Modellierung der Verbrennungsparameter mager-betriebener Wasserstoff-Luft-Gemische

Um gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte und schadstofffreie, effiziente Verbrennung darstellen zu können, ist die Modellierung des Verbrennungsprozesses und des Ladungswechsels zwingend erforderlich. Am geplanten Prüfstand ist es möglich am IMS der OvGU entwickelte Modelle zu verifizieren und damit die thermodynamische und mechanische Auslegung von Wasserstoffmotoren zu optimieren. Ebenso können mit den Erkenntnissen eine modelbasierte und automatische Auslegung des Abgasturboladers und die Kalibration von Hybridantrieben methodisch vorangetrieben werden.

3.    Bremse (Belastungsmaschine):

optional

4.    Prüflinge:

• PKW & NFZ-Verbrennungsmotoren
• R4-, R6-Zylinder oder V8-Zylinder
• Hyprid- und Elektromotor (mit Getriebe)

5.    Schnittstelle TGA (Versorgung):

• Spannung: 400V AC, 3-phasig
• Leistung: 650 kW
• Prozesswasser: Kühlleistung: 1300 kW
• Druckluft: 15 bar (Basisversorgung)
• Explosionsschutz: nach Explosionsschutzdokument (z.B. Gaswarnanlage + entsprechend hohe Luftwechselzahl)
• Sicherheitskonzept nach Sicherheitskonzeptdokument
• Kraftstoffversorgung muss technisch dicht sein bis hin zum Prüfling
• Schnittstelle mit Batteriesimulator für das Betreiben von Elektromotoren innerhalb des Prüfstands (Hybrid und Einzelelektromotor)
• Schnittstellen für übergeordnetes Gesamtsystem, welches alle Prüfstände verbindet; gewonnen Daten zusammenführt; Interaktion mit anderen Prüfständen ermöglicht
• Versorgung mit (Massenstromerfasssung im Prüfstand für Kraftstoffe und Ladeluft) von:
  • Flüssigkraftstoff (zwei Versorgungslinien: Dieselähnliche Biokraftstoffe/E-Fuels mit 200 kg/h (0,21 kg/kwh); Ethanol und Methanol mit 300 kg/h (0,5 kg/kwh)
  • Betankungskonzept: Mobiles Tanksystem für die verschieden Versorgungslinien
  • Wasserstoff bzw. Biomethan mit zwei getrennten Systemen (200 bar; 40 bar)
  • Unterschiedliche Druckniveaus der Versorgungslinien für Wasserstoff und Biomethan für 200 bar und 40 bar 210 kg/h (0,25 kg/kwh)
  • Beide Druckniveau-Systeme sollen mit Wasserstoff, Biomethan und Erdgas funktionieren
  • 200 bar System: -gefahren wird aus 300 bar Trailerstation (Druckflaschen) mit Übergabesystem auf 200 bar Versorgungssystem
  • 40 bar System: -gefahren wird aus einer weiteren 300 bar Trailerstation (Druckflaschen) mit Übergabesystem auf 40 bar Versorgungssystem
  • Kryogener Wasserstoff wird nicht geplant (bei späterem Bedarf ist ein mobiler Zusatztank möglich)

6.    Schnittstelle übergeordnetes Steuersystem (Automatisierung):

• Bus Kommunikation: CAN, CAN FD, Automotive Ethernet (evtl. Flex Ray)
• Digital I/O:
  • Not-Aus Schalter
    • Eingänge: mind. 30

7.    Prüfstandsteuerung

• Passend zur Belastungsmaschine
• Regelfrequenz: Bis zu 20 kHz
• Drehmomentanregelung: < 1ms im Stillstand
• Rückspeisefähig
• Drehzahl- und Drehmomentregelung
• Fahrprofil vorgeben, gemäß gesetzlicher gültiger Nutzfahrzeuge EU, USA
  • Übergeordnete Simulation: Straßentest, Fahrer-, Fahrzeug- und Schaltsimulation
  • Auch, M/n-Vorgabe möglich sein
  • Auch Höhenprofile sollten bei Bedarf möglich sein (Ansteuerung eines mobiles Gerätes, welches die spezifische Ansaugluft bereitstellt und auch im R2R-Prüfstand zum Einsatz kommen kann -siehe auch Prüfstandslastenheft für P1 „R2R-Prüfstand“)

8.    Sicherheitssysteme

• Gaswarnsystem (Abgassensorik, Rauchmelder)
• Flammenmelder
• SPS-basierende Not-Aus

9.    Messtechnik:

• Abgasmessung (2-Linien FTIR) limitierter Komponenten plus NH3, H2, CH4, Aldehyde & tbd.
• Messung des H₂-Gehalts im Abgas (2-linig mit System H₂-Sense der Fa. V&F oder gleichwertig)
• Erdgas Analyse (Gas-Chromatograph)

10.          Raumanforderungen

Kontakt

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Fakultät für Maschinenbau (FMB)
Institut für Mobile Systeme (IMS)

Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber
Universitätsplatz 2
39106 Magdeburg

Tel.: 0391 67-58721
Fax: 0391 67-42832

Stand: 05.08.2021