V²-DoRR

Variable Venturi-Düse zur präzisen Dosierung von Reaktanten bei Wasserstoffantrieben für hohe Regelgüte unter hochdynamischen Betriebsbedingungen

Sowohl bei Brennstoffzellenantrieben oder H₂-Motoren als auch allgemein in thermochemischen Reaktionen besteht ein großes Bestreben den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Eine der essenziellen Aufgaben in diesen Maschinen und Prozessen ist es, die Reaktionsgase hochpräzise, dynamisch und möglichst verlustfrei in die Reaktionsvolumina zu dosieren. Bisher eingesetzte Technologien sind hierfür meist bei stationären Punkten kalibriert und weisen deshalb im transienten Betrieb teilweise unbekanntes Verhalten auf. Durch hochdynamische strömungstechnische Effekte können die physikalischen Gegebenheiten nur schwer linearisiert dargestellt werden – was jedoch die Grundlage der gängigen System-Kalibrierungen bildet.

Ein bereits über BayPAT zum europäischen Patent angemeldetes Dosierungssystem basiert auf dem Prinzip einer variablen Venturi-Düse und beinhaltet eine Vorrichtung zur schnellen Veränderung des effektiven Strömungsquerschnitts. Dieses Dosierungssystem soll hierbei:

Einen höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Technologien bieten. Dies soll mithilfe der Diffusortechnologie realisiert werden, die eine teilweise Rückgewinnung der Druckverluste ermöglicht. Zusätzlich bietet eine strömungstechnisch optimierte Formgebung von vornherein geringere Verluste.
Eine deutlich höhere Dynamik bieten und damit die Möglichkeit auch transiente Betriebsbedingungen präzise steuern zu können. Die Umsetzung mittels einer variablen Venturi-Düse verspricht gleichzeitig hohe Dynamik und Präzision welche Grundvoraussetzung für den Einsatz im transienten Bereich vieler Anwendungen bildet.
Durch eine anwendungsspezifische Auslegung und Dimensionierung eine Last- bzw. Massenstromanforderung bieten und – mittels einer Übertragungsfunktion – einem effektiven Strömungsquerschnitt zugeordnet werden. Es wird angestrebt ein lineares Aktuatorverhalten zu erzielen, wodurch eine simultane Nutzung des Aktuators als Rückmeldesensor des Massenstromwertes möglich sein kann.
Durch die Entwicklung vereinfachter parametrierbaren Gleichungsstrukturen und den Einsatz von echtzeitfähigen Parameterschätzmethoden, zur Bestimmung unbekannter Parameter, werden physikalisch interpretierbare Echtzeitmodelle (digitale Zwillinge) entwickelt. Diese sind in der Lage, ihre Parameter stets während des Betriebes anzupassen, wodurch die Regelgüte erhöht wird. (Stichworte: Alterungsverhalten, Komponentenspiel, Umgebungsbedingungen)

Im Rahmen der Validierungsförderung der Bayern Innovativ GmbH und gefördert durch das Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie wird dem Team um Prof. Bikas ermöglicht, das Dosierungssystem auf seine Dynamik, Präzision und Wirkungsgrad zu untersuchen. Der Hauptfokus liegt hierbei auf dem Nachweis der Vorteile gegenüber Konkurrenzprodukten in den Bereichen Dynamik, Strömungsverluste, Regelgüte und Robustheit der Kalibrierung.

Projektleiterin: Prof. Dr.-Ing. Georgios Bikas

Bearbeitung: Thomas Untheim, B. Eng., Peter Weigand, M. Sc.

Projektpartner: Bayerische Patentallianz GmbH, Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, UltraZohm, Vectoflow GmbH

Gefördert durch: Bayern Innovativ

Zeitraum: 01/2023 - 06/2024