Den Geheimnissen von Wasserstoffverbrennungsmotoren auf der Spur: Eine faszinierende Betrachtung von Methoden zur Systemsimulation
Der Einfluss von Treibhausgasen auf unsere Umwelt ist in den vergangenen Jahrzehnten zu einem zunehmenden Anliegen geworden. Die fortschreitende Industrialisierung und die intensivere Nutzung fossiler Brennstoffe haben zu einem Anwachsen der Treibhausgaskonzentration in unserer Atmosphäre beigetragen. Diese Gase wie Kohlendioxid (CO2), Methan und Distickstoffmonoxid binden Wärme in der Atmosphäre und tragen zur globalen Erwärmung bei, die verheerende Auswirkungen auf unseren Planeten hat.
Einer der größten Verursacher von Treibhausgasemissionen ist der Verkehrssektor. Laut der Internationalen Energieagentur entfallen rund 24 % der weltweiten energiebedingten Treibhausgasemissionen auf den Verkehrssektor. Dazu gehören die Emissionen von Pkw, Lkw, Bussen, Flugzeugen und Schiffen. Angesichts des anhaltenden Wachstums der Weltbevölkerung und der steigenden Nachfrage nach Transportmitteln ist es unerlässlich, dass wir uns mit den Umweltauswirkungen des Verkehrssektors befassen, wenn wir die Auswirkungen des Klimawandels abmildern wollen.
In diesem Blog wird erläutert, warum Wasserstoff-(H 2)-Verbrennungsmotoren zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen beitragen können und wie deren Konstruktion durch Simcenter Amesim 2304 unterstützt wird.
Warum Wasserstoffverbrennung?
Weltweit gibt es ehrgeizige Ziele, um die CO2 - Emissionen im Straßenverkehrssektor zu reduzieren. Diese Ziele sind in der Regel lösungsneutral; Das bedeutet, dass sie entweder durch Elektrofahrzeuge oder Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor erreicht werden können, die E-Fuels oder kohlenstofffreie Kraftstoffe (Ammoniak oder Wasserstoff) verwenden.
Die Verbrennung kohlenstofffreier Kraftstoffe ist vielversprechend in Sektoren, in denen die Verkehrsinfrastruktur am einfachsten anzupassen ist und in denen der Energie- und Strombedarf hoch ist, z. B. bei schwerem Gerät und Langstrecken-Lkw.
In diesem Kontext investieren verschiedene Akteure der Branche Forschungs- und Entwicklungsressourcen in die Technologie der Wasserstoff-Verbrennungsmotoren.
Kritische Auslegungskriterien für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren
Der H2-Verbrennungsmotor erfordert einen erheblichen technischen Aufwand, um die Anforderungen an Leistung, Effizienz, Steuerbarkeit und Sicherheit zu erfüllen.
Die meisten dieser ingenieurtechnischen Aktivitäten beziehen sich auf die thermodynamischen Eigenschaften von Wasserstoff. Tatsächlich weist der gasförmige Brennstoff eine geringe Dichte, hohe Entzündbarkeit und einen hohen unteren Heizwert auf. Das bedeutet zum Beispiel, dass das Kraftstoffeinspritzsystem anfällig für H2-Lecks ist und dass der eingespritzte Kraftstoff einen großen Teil des Verbrennungsraums einnimmt, was viel Luft und ein effizientes Turboladersystem erfordert. Die Klopfempfindlichkeit und die NOx-Emissionen stellen ebenfalls bedeutende Herausforderungen dar, die sich auf unterschiedliche Weise bewältigen lassen (z. B. durch Wassereinspritzung oder Abgasrückführung -AGR- ...). Die meisten dieser Herausforderungen lassen sich in der Simcenter Amesim-Motorenlösung mithilfe eines Hochfrequenz-Modellierungsansatzes bewältigen.
Eine ordnungsgemäße Motorkalibrierung ist ebenfalls wichtig, um einen Missbrauch der konstruierten Motorkomponenten zu vermeiden. Parameter wie Einspritzbeginn, Lambda- und Zündzeitpunkt haben einen erheblichen Einfluss auf NOx-Emissionen, Klopfen und H2-Verbrauch, unabhängig von der gewählten Konstruktion unter stationären Bedingungen. Diese Kalibrierparameter werden üblicherweise auf dem Motorprüfstand festgelegt, jedoch bietet die virtuelle (Vor-)Kalibrierung eine kostengünstige Alternative zur Reduzierung der Prüfstandsnutzung. Diese virtuelle Kalibrierung erfolgt meist mithilfe von Software-In-the-Loop- oder Hardware-In-the-Loop-Methoden, die in Simcenter Amesim am besten durch einen Ansatz der Mittelwertmodellierung unterstützt werden.
Letztendlich spielt die Einbindung des H2-Verbrennungsmotors in das endgültige Produktumfeld eine wesentliche Rolle bei der Bewertung der Leistungsdaten, die später vermarktet und zertifiziert werden. Zu den üblicherweise betrachteten Metriken gehören Reichweite, Kraftstoffverbrauch, NOx-Ausstoß und Leistungswerte. Um diese Metriken zu bewerten, empfiehlt sich der Übergang zu einem kartenbasierten quasi-statischen Modellierungsansatz.
Betrachten wir die einzelnen Modellierungsmethoden in der Simcenter Amesim Version 2304.
Modelle mit Hochfrequenzmotoren
Die Hochfrequenz-Motormodelle von Simcenter Amesim sind mit der H2-Verbrennung kompatibel und verfügen über eine validierte Korrelation der laminaren Flammendrehzahl, der Flüssigkeitseigenschaften und der Verzögerungstabelle für die Klopfselbstzündung. Das neu veröffentlichte "Long-Tail"-Wiebe-Triebwerksmodell enthält einen NOx-Beobachter ohne Motor, der entweder auf einem Zeldovich-Mechanismus oder einem Arrhenius-Gesetz-Ansatz basiert.
Das Wiebe-Modell wurde mit Testdaten validiert und wird im Standard-Demoportal Simcenter Amesim zur Verfügung gestellt, vor allem dank der langjährigen Partnerschaft mit dem Forschungszentrum IFPEN. Dieses Demo-Szenario befasst sich mit einem 13,5-Liter-H2-Motor mit Turboaufladung und Direkteinspritzung, einer Turbine mit verstellbaren Leitschaufeln und einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem (LP-AGR).
Dieses Modell ermöglicht zahlreiche unterschiedliche Untersuchungen:
- Was ist die maximale Leistung und das maximale Drehmoment, das ich ohne Klopfen erreichen kann?
- Bei welchem AGR-Satz wird der beste Ausgleich zwischen den spezifischen NOx-Rohemissionen und dem spezifischen H2-Verbrauch erreicht?
- Wie niedrig darf das Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis (FAER) sein und welche Auswirkungen hat das auf den Kraftstoffverbrauch und das Drehmoment?
- Ist mein Turbolader richtig dimensioniert, um ein niedriges Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnis zu erreichen?
Die Variation des Kraftstoff-Luft-Äquivalenzverhältnisses zeigt, dass ein Wert von mindestens 0,3 (also ein Lambda-Wert von höchstens 3,3) erforderlich ist, um bei 1400 Umdrehungen pro Minute einen indizierten mittleren effektiven Druck (IMEP) von 15 bar zu erzielen. Die Ursache hierfür liegt in den Konstruktionsbeschränkungen des Turboladers, insbesondere im Bereich des Verdichterrades. Wir brauchen mehr Luft. Zur Beurteilung alternativer Verdichterkonstruktionen bietet Simcenter Amesim 2304 eine integrierte App zur Erstellung von Verdichtertabellen. Mit diesem Verfahren lässt sich ein repräsentatives Verdichterkennfeld aus Motorbetriebspunkten (üblicherweise einer Volllastkurve) konstruieren, wofür nur sehr wenige Daten erforderlich sind.
Die Anwendung zum Erstellen von Verdichtertabellen wurde für Verbrennungsmotor-Verdichter aus zahlreichen Turbolader-Einsatzbereichen wie Automobil-, Nutzfahrzeug- und Schiffsindustrie validiert. Darüber hinaus kann sie Kennlinien für Brennstoffzellenkompressoren generieren, die für eine erste Optimierung der Kathodenseite relevant sein können.
Sobald die Motorarchitektur festgelegt ist und die Verbrennungsvorgaben erfüllt, lässt sich das Hochfrequenzmodell auf ein effizienteres Mittelwert-Motormodell (MVEM) reduzieren. Dieses erlaubt eine Vorkalibrierung der Steuerparameter und eine virtuelle Validierung der Motorsteuereinheit.
Mittelwertmodelle für Motoren
Der MVEM-Modellierungsansatz beruht auf einem physikalischen Modell des Luftpfadsystems sowie einer globalen Energiebilanz, welche das „durchschnittliche“ Verhalten des Prozesses im Zylinder beschreibt. Es greift auf Effizienzdaten und Korrelationen zurück, um die Abläufe im Motorblock während eines kompletten Arbeitszyklus darzustellen.
Die Umwandlung von einem Hochfrequenz-Motormodell oder Ergebnissen eines Motorprüfstands in ein Mittelwert-Motormodell lässt sich durch das sogenannte MVEM-Werkzeug realisieren, das die im MVEM eingesetzten Kennfelder für Liefergrad, indizierten Wirkungsgrad und Abgaseffizienz ermittelt. Dieses Tool wurde in Simcenter Amesim 2304 aktualisiert, um eine Umrüstungsvorlage für H2-Motoren anzubieten.
Nach der Erstellung dieser Karten besteht die Möglichkeit, sie direkt in das MVEM-Modell zu integrieren oder sie mithilfe eines neuronalen Netzwerkansatzes (unter Verwendung des Simcenter Reduced Order Modeling-Tools) zu kombinieren. Dadurch kann die Anzahl der Modell-Inputs und -Outputs erweitert werden, zum Beispiel um Parameter wie die AGR-Rate und NOx-Emissionen.
Ein derart kombinierter Ansatz zeichnet sich durch hohe Genauigkeit sowie einer daraus resultierenden höheren Präzision der Simulationsergebnisse aus, während gleichzeitig eine geringe CPU-Auslastung und Echtzeitfähigkeit erhalten bleiben – ideale Voraussetzungen für die Anwendung einer Hardware-In-the-Loop-Methodik.
In diesem Abschnitt wird die Validierung des neuronalen Netzwerkmodells zur Berechnung der NOx-Emissionen bei Motorstillstand vorgestellt, welches im MVEM für alle Motorvarianten implementiert wurde. Das Modell beinhaltet Abhängigkeiten von AGR-Rate, Lambda, Motordrehzahl und Zündvorverstellung, wodurch es sich sowohl für virtuelle Kalibrierungen als auch für Hardware-in-the-Loop-Tests eignet.
Weitere Informationen zum Simcenter Reduced Order Modeling erhalten Sie hier.
würden an diesem Modellierungsansatz festhalten, um ihre Simulationsaufgaben abzuschließen, da sie ein schnelles, robustes und präzises H2-Motormodell zur Verfügung haben. Was ist aber mit Abteilungen, die nicht über genügend Daten verfügen, um ein solches Modell zu erstellen? Wie sieht es mit Getriebeherstellern aus, die den Einfluss ihrer Technologien auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch sehen möchten? Für solche Anwender empfiehlt sich ein auf Kennfeldern basierendes quasi-statisches Motorenmodell.
Kennfeldbasierte quasi-statische Motormodelle
Das quasi-statische Motormodell der IFP-Drive-Bibliothek basiert auf einer variablen Zusammenstellung von Kennfeldern (u. a. für Kraftstoffverbrauch und maximales Drehmoment) und diversen Korrekturfaktoren, die entsprechend der jeweiligen Simulationsziele angewendet werden. Dieses Verfahren wird häufig eingesetzt, wenn das Simulationsziel die Einschätzung des Kraftstoffverbrauchs und der Fahrzeugleistung über längere Missionsprofile (Fahrzyklen) ist und die hochfrequenten Dynamiken des Motors von untergeordneter Bedeutung sind.
Dieses Motormodell ist in der Lage, beliebige Kraftstoffarten zu berücksichtigen, vorausgesetzt der Anwender verfügt über einen Mindestsatz an Kennfeldern und kann auch mit Dual-Fuel-Anwendungen umgehen.
Die größte Herausforderung besteht darin, dass für H2-Verbrennungsmotoren die Verbrauchs- und Drehmomentkarten normalerweise nicht frei verfügbar und oft vertraulich behandelt werden. Folglich ist es auf Anhieb nicht einfach, diesen Modellierungsansatz zu nutzen.
Daher wurde die Engine Table Creator-App aktualisiert, um verifizierte Datensätze für Wasserstoffmotoren einzubeziehen. Sie ermöglicht es Anwendern der IFP-Drive-Motorensoftware, anhand sehr begrenzter übergeordneter Daten wie Motorarchitektur, maximaler Drehmoment- und Leistungskurven sowie geschätzter Verbrennungsparameter eine Kraftstoffverbrauchskarte zu generieren.
Mithilfe dieser Tabellen lässt sich die Reichweite eines Fahrzeugs für einen bestimmten Tank in einem bestimmten Fahrzyklus beurteilen. In diesem Beispiel wird ein 26-Tonnen-Regional-Lkw über den transienten GEM-Zyklus simuliert. Laut den erstellten Tabellen beträgt der H2-Verbrauch 15 kg/100 km, und die Reichweite liegt bei ungefähr 335 km mit einem 50 kg Wasserstofftank (bei einer Speicherung unter ca. 700 bar Druck).
Abschließend kann festgehalten werden, dass die Version Simcenter Amesim 2304 für Anwendungen mit H2-Verbrennungsmotoren umfassend validiert wurde. Sie bietet einen robusten und kontinuierlichen Workflow von hochdetaillierten bis hin zu schnellen und einfachen Motorenmodellen und stellt Apps zur Verfügung, die fehlende Daten generieren, um eine zeitraubende „Datensuche“ zu vermeiden. Wenn Sie mehr über weitere Neuerungen in Simcenter Amesim 2304 erfahren möchten, lesen Sie diesen Blogbeitrag oder sehen Sie sich das folgende Video an.
