Formelzeichen ........................................ xiii
1. Einleitung ................................................... 1
1.1. Motivation .............................................. 1
1.2. Ziel und Aufbau der Arbeit .............................. 2
2. Der Freikolbenlineargenerator ................................ 5
2.1. Zur Geschichte des Freikolbenmotors ..................... 5
2.1.1. Bauweisen von Freikolbenmotoren .................. 5
2.1.2. Energiewandlung in pneumatische Energie .......... 7
2.1.3. Energiewandlung in hydraulische Energie .......... 9
2.1.4. Energiewandlung in elektrische Energie .......... 12
2.1.5. Zusammenfassung ................................. 17
2.2. Funktionsprinzip des Freikolbenlineargenerators ........ 19
2.2.1. Potenziale durch variable Verdichtung ........... 22
2.2.2. Potenziale durch variablen Hub .................. 24
2.3. Zusammenfassung und Diskussion ......................... 26
3. Objektorientierte Modellierung .............................. 29
3.1. Objektorientiertes Modellieren mit Modelica ............ 31
3.1.1. Grundlagen ...................................... 31
3.1.2. Vorhandene Modellbibliotheken ................... 33
3.1.3. Entwicklungsumgebung ............................ 34
3.1.4. Zusammenfassung ................................. 35
3.2. Die Modellbibliothek ................................... 35
3.2.1. Architektur der Modellierung .................... 35
3.2.2. Schnittstellendefinitionen: Fluidkonnektor ...... 36
3.2.3. Kontrollvolumen ................................. 37
3.2.4. Durchflussgleichung ............................. 39
3.2.5. Wandwärmemodelle ................................ 40
3.2.6. Verbrennungsmodell .............................. 42
3.2.7. Einspritzmodell ................................. 44
3.2.8. Kraftstoffmodell ................................ 45
3.2.9. Kolbenmodelle ................................... 45
3.2.10. Kolbenreibungsmodell ........................... 46
3.2.11. Volumenfunktion ................................ 47
3.3. Stoffmodelle ........................................... 48
3.3.1. Ideales Gasmodell ............................... 48
3.3.2. Perfektes Gasmodell ............................. 49
3.3.3. Reales Gasmodell nach Zacharias ................. 50
3.3.4. Direkter Vergleich der Stoffmodelle ............. 50
3.3.5. Stoffmodellvergleich in der Gasfeder ............ 52
3.4. Komponentenmodelle ..................................... 55
3.4.1. Komponentenmodell des Gasfederzylinders ......... 55
3.4.2. Komponentenmodell des Verbrennungszylinders ..... 57
3.4.3. Komponentenmodell des Lineargenerators .......... 57
3.5. Simulationsmodelle ..................................... 59
3.5.1. Gasfederzylinder auf einem Motorenprüfstand ..... 60
3.5.2. Verbrennungszylinder auf einem
Motorenprüfstand ................................ 65
4. Simulation des Freikolbenlineargenerators ................... 71
4.1. Strategien zur Systemregelung - Entwicklung einer
Betriebsstrategie ...................................... 71
4.1.1. Regelung der Kolbenbewegung ..................... 73
4.1.2. Kraftregelung des Lineargenerators .............. 75
4.1.3. Verbrennungsregelung ............................ 77
4.1.4. Druckregelung des Gasfederzylinders ............. 79
4.1.5. Überwachungsregelung und Betriebskennfeld ....... 81
4.2. Simulationsmodell des Freikolbenlineargenerators ....... 83
4.3. Durchführung der Simulation ............................ 85
4.4. Simulation stationдrer Zustände ........................ 86
4.4.1. Variation der Last .............................. 87
4.4.2. Variation der Kolbenmasse ....................... 91
4.4.3. Variation des Gasfederdurchmessers .............. 94
4.4.4. Variation der Gasfedermasse ..................... 98
4.4.5. Variation des Zündzeitpunktes .................. 101
4.4.6. Variation der Kraftverteilung .................. 104
4.4.7. Variation des Kraftprofils ..................... 107
4.5. Simulation instationärer Zustände ..................... 108
4.6. Wirkungsgradprognosen ................................. 112
4.7. Zusammenfassung und Diskussion ........................ 115
4.8. Ausblick .............................................. 120
5. Theoretische Betrachtungen zur Gasfeder .................... 123
5.1. Gasfedervarianten ..................................... 124
5.1.1. Das Prinzip der massenvariablen Gasfeder ....... 124
5.1.2. Das Prinzip der volumenvariablen Gasfeder ...... 125
5.2. Theoretischer Vergleich der Gasfedervarianten ......... 125
5.2.1. Grundlagen ..................................... 126
5.2.2. Die Federsteifigkeit einer Gasfeder ............ 127
5.2.3. Die mittlere Federsteifigkeit einer Gasfeder ... 129
5.2.4. Variantenvergleich von massen- und
volumenvariabler Gasfeder ...................... 130
5.2.5. Zusammenfassung ................................ 134
5.3. Charakterisierung von Gasfedern ....................... 135
5.3.1. Der Wirkungsgrad einer Gasfeder ................ 135
5.3.2. Pecletzahl für oszillierende Medien ............ 135
5.3.3. Betrachtung des Wandwärmeübergangs in
Gasfedern ...................................... 136
5.4. Zusammenfassung ....................................... 140
6. Untersuchungen an einer massenvariablen Gasfeder ........... 141
6.1. Versuchsaufbau und Versuchsplanung .................... 141
6.2. Auswertung der Messdaten .............................. 143
6.3. Diskussion der Messergebnisse ......................... 144
6.3.1. Ergebnisse der Druck- und Drehzahlvariation .... 144
6.3.2. Systemdynamik bei Druckänderung am
Rückschlagventil ............................... 149
6.3.3. Erfahrungen bei der Massensteuerung ............ 150
6.3.4. Betrachtungen zum Wandwärmeverlust ............. 150
6.4. Zusammenfassung ....................................... 152
7. Untersuchungen an einer volumenvariablen Gasfeder .......... 155
7.1. Die volumenvariable Gasfeder .......................... 155
7.2. Der Gasfederprüfstand ................................. 157
7.2.1. Der Versuchsaufbau ............................. 157
7.2.2. Die Prüfstandssteuerung ........................ 160
7.3. Versuchsplanung ....................................... 163
7.4. Durchführung der Messungen ............................ 164
7.5. Auswertung der Messergebnisse ......................... 166
7.5.1. Systematische Messfehler und
Fehlerfortpflanzung ............................ 167
7.6. Diskussion der Messergebnisse ......................... 169
7.6.1. Bestimmung der Kolbenreibung ................... 169
7.6.2. Untersuchung der Gasdichtheit .................. 170
7.6.3. Bestimmung der Volumenfunktion ................. 171
7.6.4. Dynamische Messung und Simulation .............. 175
7.6.5. Wirkungsgrad der volumenvariablen Gasfeder ..... 180
7.6.6. Betrachtungen zum Wandwärmeverlust ............. 184
7.6.7. Experimenteller Vergleich von massenvariabler
und volumenvariabler Gasfeder .................. 187
7.7. Zusammenfassung und Diskussion ........................ 192
8. Zusammenfassung und Ausblick ............................... 197
A. Stoffdaten ................................................. 201
A.1. Verbrennungsgasmodell nach Zacharias [96] ............. 201
A.2. Vergleich der Stoffmodelle ............................ 203
B. Gesamtsystemsimulation ..................................... 205
B.1. Simulationsparameter .................................. 205
B.2. Steuerung der Verbrennung ............................. 206
B.3. Motordaten ............................................ 207
C. Massenvariable Gasfeder .................................... 209
D. Volumenvariable Gasfeder ................................... 211
D.1. Fehlerbetrachtungen ................................... 211
D.2. Technische Daten ...................................... 212
D.3. Konstruktionszeichnung der volumenvariablen
Gasfeder .............................................. 216
D.4. Gasfederprüfstand ..................................... 217
Literatur ..................................................... 226
Lebenslauf .................................................... 228
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