Energie und Mobilität
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Differenzierte Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszuständen
(2014)
Die für Dieselfahrzeuge gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte bezüglich der Schadstoffkomponenten Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid können nur durch den Einsatz eines Diesel-Oxidationskatalysators erfüllt werden. Um erhöhte Emissionen infolge eines geschädigten Katalysators zu vermeiden, gilt es, dieses abgasrelevante Bauteil auch während des Betriebes zu überwachen. Die zukünftigen gesetzlichen Anforderungen an die Überwachung erfordern ein Verfahren das eine zuverlässige und hochgenaue Diagnose zulässt. Deshalb entwickelt eine Forschungsgemeinschaft aus Industrieunternehmen und Hochschulen einen neuartigen Kohlenwasserstoffsensor zur hochgenauen Analyse von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang. Hierfür ist die Kohlenwasserstoffzusammensetzung des Dieselabgases bei verschiedenen Motorbetriebszuständen zu ermitteln. Zur differenzierten Untersuchung der Kohlenwasserstoffkomponenten wurde in der Arbeit ein Massenspektrometer eingesetzt, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Anhand eines Abgasscreenings konnte eine Reihe von Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Alkadiene und aromatische Kohlenwasserstoffe) identifiziert werden, die typisch für das Dieselabgas stehen. Die Moleküle Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Hälfte der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration ergeben. Ein weiterer Punkt der Untersuchungen war die Diesel-Partikelfilter-Regeneration. Wie erwartet, lassen sich Kohlenwasserstoffmoleküle mit höheren Massen feststellen, die auf unverbrannten Dieselkraftstoff zurückzuführen sind. Anhand der Ergebnisse zeigte sich.dass sich das mit chemischer Ionisation arbeitende Massenspektrometer hervorragend für ein Abgasscreening eignet. Zahlreiche Kohlenwasserstoffe konnten identifiziert werden, die repräsentativ für das Dieselabgas stehen. Es sollten Moleküle bei verschiedenen Motorbetriebsbedingungen untersucht werden, die einen möglichst großen Anteil an der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration besitzen. Die Auswahl fiel aufgrund der gemessenen Massenspektren, vor und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, auf die Komponenten Ethin, Ethen und Propen. Zudem kann bei diesen Molekülen eine Masseninterferenz mit anderen Abgaskomponenten ausgeschlossen werden. Im unteren Teillastbereich und kaltem Motor machen diese Kohlenwasserstoffe bis zu 50%, gemittelt über alle Messstellen vor, im und nach dem Diesel-Oxidationskatalysator, der Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration aus. Bei betriebswarmem Motor reduziert sich ihr Anteil auf ein Drittel Die höchste Konzentration unter den drei Komponenten besitzt dabei Propen. Mit steigendem Drehmoment nimmt der Anteil dieser drei Komponenten fortlaufend ab,was dafür spricht, dass Moleküle mit höheren Massen einen höheren Anteil einnehmen. Die Kohlenwasserstoff-Emissionen bewegen sich bei diesen Motorbetriebspunkten mit betriebswarmem Katalysator jedoch bereits bei sehr niedrigen Werten. Während der untersuchten Diesel-Partikelfilter-Regeneration mit späten Nacheinspritzungen zur Abgastemperaturerhöhung lassen sich Moleküle mit höheren Massen nachweisen. Diese sind typisch für die Reinkomponente Dieselkraftstoff. Der Anteil von Ethin, Ethen und Propen an der THC-Konzentration beträgt dann ca. 40%.
Solar energy represents a clean, natural and sustainable source of energy. Solar photovoltaic panels can be installed on roofs of structures or in the ground. This contribution focusses on ground-mounted systems, which are presently widely implemented. At present limited guidelines on the design of solar ground-mounted structures are available. Usually standards for the design of normal buildings are applied. However, the design of ground-mounted structures significantly differs from common structural design by: (1) a lower design lifetime (20-25 years) is accepted; (2) failure is not associated with the loss of human life; (3) resistance uncertainties need due attention; (4) uplift wind forces dominating structural reliability are associated with a large scatter. That is why the reliability analysis and optimal design of ground-mounted solar systems is investigated herein. The failure costs and especially their ratio to the initial costs are analyzed considering the data provided from the industry. Probabilistic reliability analyses are carried out and optimum design levels are computed for representative cost ratios. The optimal target reliability depends on the ratio between failure and initial costs; reliability index of 3.5 corresponds to a reasonable cost ratio of 10.
Beitrag und Praesentationsmaterial eines Vortrags ueber differenzierende Kohlenwasserstoffanalytik im Dieselabgas bei verschiedenen Motorbetriebszustaenden. Mit einem neu entwickelten, hochgenauen HC-Sensor werden unverbrannte HC im Abgas untersucht. Die differenzierende Untersuchung erfolgt an einem Massenspektrometer, das mit chemischer Ionisation arbeitet. Die Molekuele Ethin, Ethen und Propen wurden gezielt betrachtet. Es zeigt sich, dass bei kalten Betriebsbedingungen diese drei Komponenten etwa die Haelfte der gesamten HC Konzentration ergeben. Ein weiterer Punkt ist die Regeneration des Dieselpartikelfilters.
Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung besteht beim Kaltstart, den Warmlaufphasen und auch durch den Einfluss anderer Parameter wie z. B. des Einspritzzeitpunkts oder des Einspritzdrucks die Problematik, dass Kraftstoff an die Zylinderlaufbahn aufgetragen wird und sich mit dem Motoröl vermischen kann. Eine Verstärkung dieses Kraftstoffauftrags ist unter anderem der Verschiebung der Motorbetriebspunkte zu höheren Mitteldrücken und damit einem Wirkungsgrad optimaleren Betrieb geschuldet. Eine Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Motoröls durch die Verdünnung mit Kraftstoff ist die Folge. Durch die Verringerung der Viskosität des Motoröls kann es zu einer verminderten Schmierwirkung des Öls kommen, die im schlimmsten Fall zur Schädigung des Motors führt. Existierende Offline-Analysemethoden die zeitintensive Laboranalysen nach sich ziehen, als auch Online-Messverfahren die nicht den technischen Anforderungen hinsichtlich Genauigkeit und einer kurzen Messdauer entsprechen, stellen aktuell die einzigen Messmethoden zur Bestimmung der Schmierölverdünnung dar. Durch neue Entwicklungstrends bei Ottomotoren ist es jedoch unbedingt notwendig, die Mechanismen des Kraftstoffein- und -austrags in das und aus dem Motoröl genauer zu untersuchen. Mit der an der OTH Regensburg neu entwickelten Messtechnik wurde eine Vorgehensweise erarbeitet, mit der die zeitlichen Verläufe des Kraftstoffein- und -austragsverhaltens bei Ottomotoren quantitativ in kurzer Zeit bestimmt und optimiert werden können.
Especially at cold start and the warm-up operation GDI engines have an issue with oil dilution. Parameters such as injection timing and injection pressure impact the entry of fuel in the engine oil as well. With the adjustment of engine operating points to higher mean effective pressures resulting in downsizing concepts also an additional increase of fuel entry occurs. Fuel gets into the oil pan and is mixed with the engine oil so that the physical and chemical properties of the engine oil are changed. With the reduction of engine oil viscosity due to fuel entry a reduced lubricating effect can be caused. In the worst case damage to the engine occurs, To determine oil dilution online and offline measurement methods exist. A rather long analysis time in the laboratory is a disadvantage of the offline methods. Online methods are not correlating with technical requirements in terms of accuracy and a short measurement time. New trends in the development of gasoline engines require investigations of fuel in oil sorption and desorption processes. A new measurement technique which is developed at the OTH Regensburg enables to determine quantitative fuel in oil sorption and desorption processes. With this technique a procedure was generated to measure the oil dilution at gasoline engines and optimize them in a short time.
Entwicklung eines Experimentalsystems zur Validierung adaptiver Regelungen mit einem OEM-Steuergerät
(2014)
Im Rahmen des Kooperationsprojektes "ACES" (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) ist ein Prüfstand zur Validierung adaptiver Regelungen entwickelt und aufgebaut worden, der das dynamische Verhalten eines Kfz-Antriebstrangs aufweist. Ziel ist es, verschiedene Adaptionsverfahren auf ihre Einsetzbarkeit in OEM-Steuergeräten, die im Automotive-Bereich auf breiter Basis verwendet werden, kostengünstig testen zu können. Das Problem der aktiven Schwingungsdämpfung in Kfz-Antriebssträngen mit unbekannten und veränderlichen mechanischen Parametern stellt eine Pilotanwendung dar. Ein leicht anpassbarer mechanischer Prüfstand dient hierbei als vereinfachtes Modell eines Antriebstrangs. Dieser ist Bestandteil eitles Experimentalsystems mit einer informationstechnischen Architektur, die einen Betrieb engebetteter Regelungssysteme auf verschiedenen Plattformen gestattet. Das flexible mechanische und informationstechnische Design des Experimentalsystems gestattet die Variation von Parametern der zu regelnden Applikation durch leicht austauschbare mechanische Komponenten und gezielte Einbringung von Störgrößen. Zudem kann die Berechnung der Regelungsarchitektur auf einem Industrie-PC oder einem Steuergerät erfolgen. Weitere Vorteile des entwickelten Experimentalsystems sind die Berücksichtigung von Effekten, die aus dem Verhalten realer Sensoren und der CAN-basierten Signalübertragung entstehen. Insbesondere der Einfluss von Wortbreite und Latenz übertragener Signale auf die Adaption von Regelungen kann mit Hilfe des vorgestellten Experimentalsystems eingehend untersucht werden.
A Practical Thermal Model for the Estimation of Permanent Magnet and Stator Winding Temperatures
(2014)
A thermal model for the determination of the temperatures of interior permanent magnets and stator windings is presented in this paper. The innovation of the model relies on one temperature sensor being located in the stator core of the machine. Such sensor is simple to implement in many applications such as traction or EV, where reliability is critical. The estimated stator winding and permanent magnet temperatures are determined by a simplified thermal lumped element network model with only two time constants. It is shown that the proposed thermal model is very robust due to the structure of the model and the measured stator core temperature. The distortion of the temperature estimates caused by the cooling circuit is inherently accounted for such that the model can be used for robust online prediction of temperatures. Experimental results based on a forced water-cooled interior permanent magnet synchronous machine setup are presented to validate the effectiveness of the presented model.
Abstract Electric machine theory and electric machine simulations models are often limited to three phases. Up to the Modelica Standard Libray (MSL) version 3.2 the provided machine models were limited to three phases. Particularly for large industrial drives and for redundancy reasons in electric vehicles and aircrafts multi phase electric machines are demanded. In the MSL 3.2.1 an extension of the existing FundamentalWave library has been performed to cope with phase numbers greater than or equal to three. The developed machine models are fully incorporating the multi phase electric; magnetic; rotational and thermal domain. In this publication the theoretical background of the machines models; Modelica implementation details; the parametrization of the models and simulation examples are presented.
Wie groß ist der Speicherbedarf in Deutschland in der weiteren Umsetzung der Energiewende? Welche Rolle spielen Batteriespeicher, Pumpspeicher, Power-to-Gas etc. im Kontext anderer Flexibilitätsoptionen auf den verschiedenen Netzebenen? Wie entwickelt sich der Markt für Batterien und Wasserstoff? In unserer Agora-Speicherstudie haben wir auch erstmalig den Begriff Power-to-X definiert und damit die bis dato entstandenen Begriffe Power-to-Gas, Power-to-Liquids, Power-to-Products, Power-to-Chemicals etc. zusammengefasst.
Investigation of running ductile fracture in gas transmission pipelines and the derivation of reliable crack arrest prediction methods belong to major topics in pipeline research. The yet available crack arrest criterion, known as the Battelle Two-Curve Method (BTCM), leads to reliable predictions up to grade X70 line pipe steels for which it has been validated. This includes specific limits in terms of mechanical properties, pressure and geometry. The application of this criterion to modern pipeline steels, i.e. especially grades X80 and beyond in combination with larger diameters and high pressure, has led to mispredictions of the BTCM. Hence, in order to ensure safe design of pipelines, new methods are required based on in depth knowledge and appropriate characterization of material resistance. This paper presents a procedure for the assessment of dynamic ductile fracture resistance based on combined experimental and numerical investigations. The procedure involves quasi-static and dynamic drop- weight tear testing (DWTT) on modified specimens with pre-fatigued crack for grades X65, X80 and X100 materials, and the application of cohesive zone (CZ) and Gurson-Tveergard-Needleman (GTN) models to describe ductile material damage. The damage model parameters are calibrated on basis of DWTT results and subsequently used to simulate dynamic crack propagation in a pipeline. The influence of material properties (strain hardening, toughness), pipe geometry, usage factor and decompression behaviour on ductile fracture propagation behaviour is studied and evaluated. The results will contribute to an enhanced understanding of major parameters controlling ductile fracture propagation and will help to establish a reliable procedure for safe design of new high-capacity pipelines with regard to crack arrest.
Im Kontext der Energiewende sind Energiespeicher ein zentrales technisches, wirtschaftliches und energiepolitisches Thema.Die Autoren dieses kompakten Werkes geben einen umfassenden Uberblick Uber die verschiedenen Aspekte der Energiespeicherung. Sie beschreiben zunachst die Bedeutung von Energiespeichern in der Energieversorgung und definieren ihre Rolle darin. Dann gehen sie auf den Speicherbedarf in der Strom-, Warme- und Kraftstoffversorgung im Kontext der Energiewende ein. Im Hauptteil werden die verschiedenen Speichertechnologien ausfUhrlich vorgestellt sowie ihre Vor- und Nachteile diskutiert. Praktische Anwendungsbeispiele und die Integration von Speichern Uber alle Energiesektoren hinweg runden das Buch ab. Zahlreiche Grafiken und Beispiele veranschaulichen das gesamte Feld der Energiespeicher und sind als Erganzung samt Animationen online in Farbe verfUgbar.Die ZielgruppenDas Lehr- und Fachbuch wendet sich an Ingenieure, Wissenschaftler, Energieplaner und Energiewirtschaftler in Forschung und Industrie sowie an Studierende an Hochschulen und Universitaten in den Bereichen Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Elektrotechnik und Energietechnik.
In future energy systems with high shares of fluctuating renewable energy generation, electricity storage will become increasingly important for the utilization of surplus energy. The Power-to-Gas (PtG) technology is one promising option for solving the challenge of long-term electricity storage and is theoretically able to ease situations of grid congestion at the same time. This article presents the perspectives of PtG in an 85% renewable energy scenario for Germany, quantifying an economic optimum for the PtG capacity as well as an optimized spatial PtG deployment.
Kostenminimaler Netzanschluss einer 8-MW-PV-Anlage mithilfe regelbarer Ortsnetztransformatoren
(2014)
Die steigende Anzahl der Erzeugungsanlagen (EZA) in den Verteilnetzen zwingt viele Verteilnetzbetreiber zum kostenintensiven Netzausbau. Dabei sind die EZA gemäß EEG am technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt anzuschließen. Zur Bestimmung dieses Punktes ist ein Vergleich sinnvoller Netzanschlussvarianten durchzuführen. Regelbare Ortsnetztransformatoren (RONT) erweitern seit Kurzem die Netzanschlussmöglichkeiten, auch auf Mittelspannungsebene. Das Beispiel eines Anschlusses für eine 8-MW-PV-Anlage zeigt, dass der optimale Netzanschluss eine Kombination zwischen RONT, Spannungsblindleistungsregelung, Trennstellenverlagerung und Leitungsverstärkung sein kann. In diesem Fall bemerkenswert ist, dass der RONT-Einsatz die Netzanschlusskosten um rd. 60 % gegenüber einer separaten Anbindung am Umspannwerk reduziert. Die Autoren beschreiben eingangs die Problematik hoher Netzausbaukosten beim Anschluss von Photovoltaik-Flächenanlagen. Das Vorgehen der durchgeführten Netzanalyse im konkreten Fall (Abb.: Grafische Darstellung des südlichen MS-Netzes der Stadtwerke Kehlheim mit angedeuteter Einspeiseleistung) und die 6 analysierten Netzanschlussvarianten werden beschrieben und diskutiert (Abb.: Gegenüberstellung der Investitionen der verschiedenen Netzausbauszenarien). Die oben genannte günstigste Anschlussvariante besteht aus folgender Kombination: Verlegung der vorhandenen Netztrennstelle zwischen zwei 20-kV-Stränge; Verstärkung einer bestehenden Freileitungsstrecke über 1 km; Einsatz von maximal 15RONT sowie Spannungsblindleistungsregelung durch die PV-Flächenanlage.
Die Liberalisierung der Blindleistung und Schaffung von regionalen nicht ausschreibungspflichtigen Q-Beschaffungsprozessen ermöglicht vor allem künftig erhebliche Kostenreduktionspotenziale. Allerdings ist die Etablierung mit umfangreichen Eingriffen in den heutigen Normen- und Gesetzesrahmen verbunden. Damit diese Potenziale gehoben werden können, bedarf es einerseits der Möglichkeit der Kostenanrechnung im Rahmen der Netznutzungsentgelte, andererseits eines Anreizsystems, sinnvoll und sorgsam mit Q umzugehen. Grundsätzlich ist vorher gründlich zu untersuchen, ob und ab welchem Zeitpunkt die Liberalisierung der Blindleistung zielführend ist und wie im Detail die Liberalisierung der Blindleistung auszugestalten wäre.
Verteilungsnetzbetreibern stehen mittlerweile viele Maßnahmen zur Behebung des Spannungsbandproblems zur Verfügung. Innovative Konzepte wie der regelbare Ortsnetztransformator werden in vielen Pilotprojekten erprobt. Unklar ist jedoch noch, welche Maßnahmen beziehungsweise Kombinationen langfristig wirtschaftlich am günstigsten sind. Die Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg untersucht daher in einem Forschungsprojekt verschiedene Maßnahmen, um sie unter wirtschaftlichen, technischen und energetischen Gesichtspunkten bewerten zu können. Der Beitrag untersucht am Beispiel des Netzmodells eines Dorfnetzes mit zahlreichen Photovoltaikanlagen unterschiedliche Szenarien für die Spannungshaltung, wobei u. a. Maßnahmen wie die Parallelverkabelung, das Einspeisemanagement durch Spitzenlastkappung, die Spannungs-Blindleistungsregelung durch die Erzeugungsanlagen sowie ein RONT (regelbarer Ortsnetztransformator) betrachtet werden. Dabei zeigt sich, dass es keine Maßnahme gibt, die in allen Belangen die günstigste Lösung ist. Es zeichnet sich jedoch ab, dass der RONT in vielen Fällen (abhängig vom Durchdringungsgrad) die günstigste oder zumeist eine günstige Lösung zur Erhöhung der Netzanschlusskapazität darstellt.
The worldwide growing energy demand with the exploration of new gas fields has promoted the development of high toughness seamless pipeline steels which should sustain the increasing demands resulting from the complex loading situations. One of the most important prerequisites for safe installation and operation of long distance gas transmission pipelines is the detailed knowledge and characterization of their fracture performance for specific applications. However, recent industry experience has revealed concerns related to the limitations and reliability of current test methods for brittle-to-ductile transition evaluation. Regarding the transition temperature evaluation, the critical issues involve Drop-Weight Tear Testing (DWTT) and full-scale West-Jefferson (WJ) test applied to the smaller pipes with diameter less than 500mm. The DWTT leads frequently to invalid results in terms of abnormal fracture appearance and inverse fracture occurrence. It is still not clear if this behavior is only owed to a testing effect, which material characteristics cause it and how far it reflects the full-scale behavior. Similar observations were made for the West-Jefferson tests, which could not be assessed in the standard manner either. Again, the question was towards testing effects and the behavior of the pipeline transporting gaseous media remains unanswered. Therefore, this paper aims at identifying open questions on basis of a literature study and own experimental results and showing possible ways forward in demonstrating safety in design against propagating fracture.
Assessment of collapse resistance of UOE pipes – comparison of full-scale and ring collapse tests
(2014)
Fracture propagation control in gas transmission gas pipelines belongs to the major design requirements for safe operation at high internal pressures. However, the current tests such as Drop-Weight-Tear Test (DWTT) and full-scale West-Jefferson (WJ) test reach the limits of their applicability with respect to transition temperature evaluation for seamless quenched and tempered small diameter pipes reflecting nowadays alloying concepts related to mechanical properties. Hereby, different geometry and material effects are evident which might lead to misinterpretation and unreliability of testing results. This paper aims to discuss open issues addressed in the literature and in own experimental findings with respect to reliability and transferability of testing methods, fracture parameters and their representativeness of seamless quenched and tempered pipeline behavior. By applying damage mechanics approach, it is possible to quantify the prevailing stress state and thus to understand the mechanisms controlling specific fracture appearance (ductile or brittle). Furthermore, studies were performed with objective to quantify the effect of different parameters (geometry, material and loading) on the fracture performance of the pipeline. The results from these investigations will serve as a basis for a safe pipeline design against propagating fracture.
Simulation is an indispensable tool for the engineering of systems containing electric drives. Depending on the design phase and the engineering task different levels of modeling details are required: proof of concept; investigation of energy and power consumption; design of control; etc. The new EDrives library provides three levels of abstraction for inverters: quasi static (neglecting electrical transients); averaging (neglecting switching effects) and switching – for serving different demands. The inverters can feed the machine models of the Modelica Standard Library: Modelica.Magnetic.FundamentalWave and the new Modelica.Magnetic.QuasiStatic.FundamentalWave. The EDrives library copes with arbitrary phase numbers and can be easily extended to develop new control algorithms. In this publication the structure of the library and the implemented control principles are presented. Furthermore; examples comparing the three different levels of abstraction are included.
Dieses Lehrbuch vermittelt nicht nur Grundlagen, sondern stellt auch die Methoden der Mehrkörpersimulation anschaulich dar und erläutert an einfachen Beispielen die Vor- und Nachteile bei der praktischen Anwendung. In den Text integrierte Matlab-Skripte und -Funktionen verdeutlichen die einzelnen Methoden und ermöglichen es, Aufwand und Problematik bei der Umsetzung der Theorie innerhalb von Simulationsprogrammen einzuschätzen. Die Modellbildung, die mathematische Beschreibung und die numerische Simulation von Systemen starrer Körper bilden dabei die Schwerpunkte. Konkret behandelte Beispiele sind die Eigendynamik eines Traktors mit gefederter Vorderachse, das Rotorblatt eines Hubschraubers sowie die Vorderachse eines Pkws. Die entsprechenden Matlab-Skripte und Lösungen zu den Übungsaufgaben können auf der Springer-Homepage beim Buch heruntergeladen werden. Der Inhalt Dynamik des starren Körpers - Bewegungsgleichungen - Starre Körper mit elastischen und kinematischen Verbindungselementen - Integrationsverfahren - Rekursiver Algorithmus - Differential-Algebraische Gleichungen - Analyse von Mehrkörpersystemen - Anwendungs- und Übungsbeispiele aus der Technik Die Zielgruppen Studenten des Maschinenbaus, der Elektrotechnik und Mechatronik sowie der Biomechanik an Hochschulen und Universitäten Ingenieure in der Praxis, die sich mit Fragestellungen der Mehrkörpersimulation (MKS) befassen Entwickler aus der Kfz-Technik sowie Fachleute aus F+E Die Autoren Dr.-Ing. Georg Rill ist Professor mit den Lehrgebieten Technische Mechanik, Ingenieurinformatik, Fahrdynamik, Mehrkörperdynamik sowie Laborleiter Fahrdynamik. Dr.-Ing. Thomas Schaeffer ist Professor mit den Lehrgebieten Konstruktion, CAD, Maschinenelemente und Getriebetechnik, Mehrkörpersysteme und Bewegungstechnik sowie Laborleiter Mehrkörpersimulation, beide an der Ostbayerischen Technischen Hochschule (OTH) Regensburg.