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Freiformbarer DLR-Wabentank
Aufbau, Eigenschaften und Charakteristika des CNG-Tanks
Matthias Konzelmann
Diego Schierle
Prof. Dr. Horst E. Friedrich
Institut für Fahrzeugkonzepte
Leichtbau und Hybridbauweisen
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 1
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> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 2
Gliederung
• Überblick
• DLR-Wabentank
• Prinzip
• Validierungsprojekt
• Teilsystembetrachtung
• Simulation
• Ausblick
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DLR – Überblick
• Nationales Forschungszentrum
• Luftfahrt
• Raumfahrt
• Verkehr
• Energie
7.700 Mitarbeiter in 33 Instituten an 16 Standorten
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 3
n Köln
n Oberpfaffenhofen
Braunschweig n
n Göttingen
Berlin n
n Bonn
n Neustrelitz
Weilheim n
Bremen n n Trauen
Lampoldshausen n
n Hamburg
Stuttgart n
Stade n
Augsburg n
Jülich n
Luftfahrt Mobilität Energie Raumfahrt
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Die Forschungsthemen im Institut für Fahrzeugkonzepte
Fahrzeug-Leichtbau
• Leichtbau-Konzepte und neue
technische Lösungen
• Werkstoffe und Prozesse
• Methoden und Simulation
Schienenfahrzeugkonzepte
• Anforderungsanalyse, Entwicklung und Bewertung von Konzepten
• Fahrzeugenergiekonzepte, Antriebs- und Bremskonzepte
• Triebkopf- und Wagenstrukturen
• Analyse der Lebenszykluskosten und Gesamtfahrzeugsimulation
Alternative Antriebe
• Effizienzsteigerung zukünftiger Antriebe
• Neuartige Energiewandlungskonzepte
• Range-Extender – Technologien
• Modulare Brennstoffzellen-Fzg.-Systeme
Straßenfahrzeugkonzepte
• Entwicklung und Bewertung von Konzepten
• Fahrzeugtechnik-Szenarien, Ökologiebilanzierung, Technologiebewertung und Life-Cycle-Costing
• Entwicklung und Modellierung von Fahrzeugarchitekturen
• Entwicklung von Modularisierungs- und Plattformstrategien
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 4
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Forschungs- und
Entwicklungskette
z.B. Catia
Konzeption Konstruktion
Demonstratoren:
Darstellung
und Aufbau
Simulation
und
Optimierung
Verifizierung
und
Validation
z.B. Concept-Lab z.B. Berechnungs-/
Optimierungscluster z.B. Fügelabor
z.B. Crashanlage,
Spannfeld
Fachkompetenzen
Ausstattung
Bewertungs- und Entwicklungsmethoden
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 5
Kompetenzen und Ausstattung
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ECE R 110
CNG1 CNG2 CNG3 CNG4
Wicklung Keine Umfangswicklung Vollumwickelt Vollumwickelt
Gewichtseffizienz 0,95-1,15 kg/l 0,75-0,85 kg/l 0,38-0,68 kg/l Ca. 0,36 kg/l
Stand der Technik CNG-Tanksysteme
• Kraftstoff wird in rotationssymmetrischen Behältern gespeichert
• Leichtbaustrategie: Werkstoffleichtbau
Quelle: Erdgas Mobil, Mercedes Benz
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 6
• Einbausituation: Fahrzeugstruktur aus Diesel und Benzinentwicklung
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Prinzip: Patentiertes DLR Grundkonzept basierend auf der Nutzung von rechteckigen Zellen (Kraftausgleich)
Mehrwert: Bauraum-variabilität im Hochdruckbereich
Konzept des DLR-Wabentanks
+38%
Roving
• keine Aufnahme radialer Last
• Aufnahme axialer Last
• Aufnahme radialer und axialer Last
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 7
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Geschichte des DLR-Wabentank
• Die Grundidee besteht seit 2003
• Unterschiedliche Entwicklungsstufen seit Patentierung
• Konzept als Stahl-Steckverbindung [Kö03]
• Ausführung als FVK-Konzept mit
Thermoplastmatrix [LLBT09]
• „Proof-of-Concept“ [Str11]
DLR.de • Folie 8 > VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014
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Aktuelles Projekt und Ziele
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 9
- Vorprojekt „Proof-of-Concept“
- Prototypische Herstellung
- T1: Lasergesinterter Stahl (0,6mm),
Flechtschläuche VARI (axiale Last)
- T2: Verrohrung außen
- T3: Handgewickelt (radiale Last)
Aktuelles Projekt
- Automatisierte Fertigung
- T1: Aluminium (0,5mm),
Vollumwicklung nicht
rotationssymmetrischer Zellen (axiale
Last)
- T2: Verrohrung innen
- T3: Robotergeführte Wicklung
(radiale Last)
Vorprojekte
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Fertigungskonzept DLR-Wabentank
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 10
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Teilsysteme und deren Funktion
T1 Zelle:
1. Liner Gasdichtigkeit
2. Umwicklung Axiale Belastung
T2 Zellenverbindung: Gasversorgung
T3 3D-Wicklung: Radiale Belastung
DLR-Demonstrator Stand 2011
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 11
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Tragfähigkeitsuntersuchung mittels Monozellertests
Zielwert 470bar
Dru
ck in
bar
Datum
500
400
300
200
März 2013 Juni 2013 August 2013 Oktober2013
*
Gen.1 Gen. 2
350-370bar
230-250bar
November2013
410bar
Wandstärke
530bar Geometrie
Wandstärke Fertigung
*Undicht u. Kappen-versagen ** Laminatversagen im Schaftbereich bei dichtem Liner
**
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 12
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Teilsystem Zelle - 0,5mm Aluminum Liner
- Nichtrotationssymetrischer Liner voll Umwickelt
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Teilsystem Verbindungskonzept
Nachweise:
• Maximaldruck (500 bar & 700 bar)
• Druckzyklen
(10 bar-250 bar500 000 Zyklen)
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Teilsystem 3D-Umfangswicklung Werkzeug
Schwerthälfte 1
Schwerthälfte 2
Anbindung an den Roboterarm
Roving
Roving
Rovingeinlass
Harz
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Teilsystem 3D-Umfangswicklung
• Eigens entwickeltes Werkzeug, 2 mm Breite und 500 mm Länge
• Erste Versuche Erfolgversprechend
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Simulation des Multizellers Herausforderungen
• Darstellung des Lagenaufbaus
• Abbildung der Faserorientierung
Kuppelbereich
• Auswertung nach VDI2014
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Simulation des Multizellers CFK-Liner-Wicklung
• Aufbau der Liner-Wicklung
• +7°-Wicklung (gelb)
• -7°-Wicklung (blau)
• 90°-Wicklung (rosa)
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Simulation des Multizellers 3D-Umfangswicklung
• Harzfüllungen zur Abstützung
• Elementdopplung beider Orientierungen im Kreuzbereich
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Simulation des Multizellers fertigungsbedingte Faserorientierung
• Abbildung der Faserorientierung im
Kuppelbereich:
• Fertigungssimulation
• CAD: Erstellung von
„Orientierungslinien“
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Simulation des Multizellers Auswertung nach VDI2014
• Unterscheidung nach
Versagensmodus
• Faserbruch σll / σ1
• Zwischenfaserbruch σ⊥ / σ2
Quelle: Schuermann „Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden“
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 21
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Simulation des Multizellers Verschiebung / Plausibilität
• Gleichmäßige Verschiebung
• Symmetrisches Verformungsbild
• Versteifung im Kuppel-/ Mittelbereich
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 22
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Simulation des Multizellers Verschiebung / Plausibilität
• Gleichmäßige Verschiebung
• Symmetrisches Verformungsbild
• Versteifung im Kuppel-/ Mittelbereich
Verschiebungsüberhöhung x50
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 23
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Berechnungsergebnisse
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 24
Faserbruchkriterium
• Homogen
• Rückgang in der
Kuppel
• Rückgang im
Verbindungsbereich
Zwischenfaserbruch
• Homogen
• Rückgang in der
Kuppel
• Rückgang im
Verbindungsbereich
• Spitzenbereich im
Übergang
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Zusammenfassung
Herstellung dichter Liner
Berstdruck Monozeller
Drucknachweis Verbindungskonzept
Wickeln Rotationsunsymmetrischer Liner
3D-Wicklung durchgeführt
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Simulation Gesamtsystem
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Zusammenfassung
> VDI-Wissensforum Tank- und Kraftstoffführende Systeme > Freiformbarer DLR-Wabentank > Matthias Konzelmann > 3. Juli 2014 DLR.de • Folie 26
Fertigung aktuell in Arbeit
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Potential des DLR-Wabentanks
• Der bauraumadaptive, freiformbare und modulare DLR-Wabentank kann ein
Enabler für CNG-Fahrzeuge werden
• Kundenvorteil durch die Reichweitenerhöhung
• Volumengewinn des Modells +18%; m/V=0,46kg/l
Dabei ist die Bauraumadaptivität noch nicht beachtet!
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit [email protected]
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