Förderprojekt HyInnoICE

 

Entwicklung und Aufbau eines Demonstratorfahrzeugs mit hocheffizientem Wasserstoff-Verbrennungsmotor

 

Motivation

Die Mobilität stellt ein Grundbedürfnis unserer Gesellschaft dar und nimmt damit eine tragende Rolle in der Vision einer dekarbonisierten Zukunft ein. Um dem Klimawandel entgegen zu wirken, muss der Verkehrssektor schnellst möglich CO2-Neutralität erreichen. Einen wesentlichen Beitrag dazu können Antriebssysteme auf Basis von regenerativem Wasserstoff (H2) leisten. Dabei bilden die Brennstoffzelle und der Wasserstoff-Verbrennungsmotor die Speerspitze der erfolgversprechendsten Technologien. Gegenüber der Brennstoffzelle bietet der Verbrennungsmotor eine kompaktere und leichtere Bauweise des Gesamtsystems, hochdynamische Betriebsmöglichkeiten ohne Leistungseinbußen und die Weiterverwendung bestehender Produktions- und Wartungskapazitäten sowie Kostenvorteile. Jedoch sind auch im Falle des Verbrennungsmotors die neuesten Technologiebausteine nicht auf den Wasserstoffbetrieb angepasst und müssen zwingend grundlegend erforscht werden.
Das Projekt HyInnoICE ist Bestandteil des Zukunftscluster Wasserstoff, in dem Wasserstofftechnologien aus allen Bereichen der Wertschöpfungskette nachhaltig in die Anwendung überführt werden sollen.

 

Projektziele und Methoden

Das vorgestellte Projekt soll die Anwendung des H2-Brennverfahrens im Automobil untersuchen und seine Grenzen aufzeigen. Mit den Erkenntnissen sollen Informationen zu Konstruktionsparametern und Kosten bereitgestellt sowie eine Regelungsstrategie entwickelt werden. Sämtliche Informationen sind von essenzieller Bedeutung für spätere Einführungsstrategien von H2-Verbrennungsmotoren.

Im Rahmen dieses Forschungsprojekts, ist das erste Ziel des Instituts für Regelungstechnik die Generierung von reduzierten Modellen, welche für einen Einsatz in einem modellbasierten Regelungskonzept geeignet sind. Basis für die Modellsynthese bilden thermodynamische Grundlagenuntersuchungen an einem Einzylinder-Versuchsmotor. Dabei spielt die genaue Beschreibung der physikalischen und thermodynamischen Prozesse nur eine untergeordnete Rolle. Die Herausforderung in der regelungsorientierten Modellierung liegt im Finden einer Kompromisslösung aus Berechnungsaufwand und Modellgenauigkeit, die alle relevanten Systemdynamiken abdeckt. Dazu sollen physikalisch motivierte mit datengetriebenen Ansätzen verknüpft werden, um ein echtzeitfähiges und ausreichend genaues Modell zu erhalten.

Die zweite Zielsetzung ist die Entwicklung der Regelungsstrategie, die einen sicheren, robusten und dynamischen Betrieb des Wasserstoff-Verbrennungsmotors gewährleistet. Aufgrund der Vielzahl von Aktuatoren, mit denen der Prozess durch gezielte Stelleingriffe beeinflusst werden kann, sowie der Sensoren, die einen Einblick in den Verbrennungsprozess erlauben, sind modellbasierte Regelungsansätze zu bevorzugen. Diese ermöglichen die systematische Berücksichtigung von Mehrgrößensystemen mit Kreuzkopplungen zwischen den Stell- und Regelgrößen, Totzeiten und Betriebsbeschränkungen. Für einen Betrieb des Motors im gesamten Kennfeldbereich von Teillast bis Volllast werden verschiedene Konzepte verfolgt. Während der Motor im Teillastbereich mit magerem Luftverhältnis betrieben werden soll, wird im Volllastbereich ein stöchiometrischer Betrieb angestrebt. Für die transiente Umschaltung zwischen den beiden Modi unter Berücksichtigung der Luftpfaddynamik, der Lambdaregelung und des Komponentenschutzes werden zusätzliche Funktionen und Regelungsalgorithmen benötigt, die ebenfalls modellbasiert umgesetzt werden sollen, um dem Mehrgrößensystem gerecht zu werden. Zur Parametrierung der Modelle sowie Kalibrierung der Funktionen sind stationäre sowie dynamische Messungen am Motorenprüfstand nötig. Ein weiterer Schwerpunkt dieses Arbeitspakets ist die effiziente Implementierung der Regelungsalgorithmen, sodass sie auf der Rapid-Control-Prototyping (RCP) Hardware echtzeitfähig laufen. Hierzu werden zu den Modellen und dem Optimierungsproblem passende Formulierungen entwickelt.

 

Innovationen und Perspektiven

Mit der Umsetzung des Projekts HyInnoICE ist ein deutlicher Schub des Technologiereifegrads verbunden. Somit werden die Voraussetzungen geschaffen, die entwickelten Technologiebausteine in einem überschaubaren Zeitraum nach Projektabschluss in erste Serienanwendungen bei den beteiligten Unternehmen zu überführen. Dieses Ziel wird unterstützt durch ein kalibriertes und echtzeitfähiges RCP System, welches in der Lage ist die H2-Verbrennung sowie alle Komponenten des Luft- und Abgaspfads effizient und sicher zu regeln.

 

Projektpartner	Assoziierte Partner
RWTH Aachen, TME - Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme RWTH Aachen, ITV - Institut für Technische Verbrennung Fraunhofer IPT - Institut für Produktionstechnologie Ford-Werke GmbH FEV Europe GmbH	Robert Bosch GmbH