 | Schierle D. Entwicklung und Fertigung eines modularen und bauraumadaptiven CNG-Hochdrucktanks in hybrider, faserverstarkter Leichtbauweise: Diss. ... Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt, Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart. - Köln: DLR, 2016. - XXVI,155 S.: Ill. - (Forschungsbericht; 2016-38). - Res. auch engl. - Bibliogr.: p.121-131. - ISSN 1434-8454
Шифр: (Pr 1120/2016-38) 02
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Danksagung ...................................................... v
Kurzfassung ................................................... xxi
Abstract .................................................... xxiii
Tabellenverzeichnis ............................................ xi
Abbildungsverzeichnis ........................................ xiii
Abkürzungsverzeichnis ................................... xvii
Formelzeichenverzeichnis ...................................... xix
1 Einleitung ................................................. 1
1.1 Erdgas als alternativer Kraftstoff ......................... 2
1.2 Problemstellung von CNG-Tanks in der Fahrzeugindustrie ..... 4
2 Grundlagen der Technologie von CNG Speichersystemen im
Fahrzeug ................................................... 7
2.1 CNG-Fahrzeuge .............................................. 7
2.2 Bauweisen von CNG-Tanks .................................... 8
2.2.1 Grundlagen Linermaterial unter Betrachtung der
Funktion der Gasdichtigkeit ........................ 10
2.2.2 Konventionelle Linerherstellungsverfahren .......... 11
2.2.3 Grundlagen Wickeltechnik ........................... 13
2.2.4 Grundlagen Gasversorgung von Behältern ............. 15
2.3 Bauraumausnutzende Ansätze ................................ 17
2.4 Eignung eines Wabentanks als volumeneffizienter Gastank ... 19
2.5 Vorentwicklung des Wabentanks ............................. 24
2.5.1 Voruntersuchung zur Anfertigung eines
formvariablen Hochdruckspeichers ................... 24
2.5.2 Entwicklung eines kurzfaserverstärkten
Thermoplast-Spritzgusswabentanks ................... 24
2.5.3 Entwicklung eines prototypischen duromeren
Wabentanks ......................................... 25
2.6 Grundlagen generativer Faserablage ........................ 26
3 Zielsetzung und Systematik der Arbeit ..................... 29
3.1 Zielsetzung der Arbeit .................................... 29
3.2 Hybrider Leichtbau als Grundstein für einen Wabentank ..... 29
3.3 Systematik und methodisches Vorgehen ...................... 30
4 Lösungsansatz und Anforderungen des Wabentanks ............ 33
4.1 Automatisierter Lösungsansatz ............................. 33
4.2 Hauptanforderungen des Wabentanks ......................... 35
4.2.1 Nichtrotationssymmetrische gasdichte Zellen ........ 35
4.2.2 Aufnahme der axialen Last der Zellen ............... 36
4.2.3 Gasversorgung zwischen den Zellen .................. 36
4.2.4 Aufnahme der radialen Last des Wabentanks .......... 37
5 Entwicklung der Teilsysteme ............................... 39
5.1 Wabentankzellen als Grundmodul des Wabentanks ............. 39
5.1.1 Bewertung und Vorentscheidung des Linermaterials ... 39
5.1.2 Varianten zu Herstellungsverfahren nicht
rotationssymmetrischer Zellen ...................... 40
5.1.3 Fazit: Bewertung und Vorauswahl des
Linerherstellungsverfahrens ........................ 45
5.2 FVK-Verfahren zur Aufnahme der axialen Last ............... 46
5.2.1 Verfahren zur Aufnahme der axialen Last mit
Faserverbunden bei Behältern ....................... 46
5.2.2 Vorauswahl des FVK-Fertigungsverfahrens zur
Aufnahme der axialen Last .......................... 47
5.2.3 Geometrische Folgen der Vorauswahl des axialen
FVK-Fertigungsverfahrens ........................... 48
5.2.4 Grundlagen isotensoider Wicklung
rotationssymmetrischer Tanks ....................... 49
5.2.5 Ansatz der Kappengeometrie nicht
rotationssymmetrischer Zellen ...................... 50
5.3 Verbindung und Gasversorgung der Wabentankzellen .......... 52
5.3.1 Variantenbildung Gasversorgung des
Mehrzellverbunds ................................... 52
5.3.2 Bewertung der Varianten der Gasversorgung des
Mehrzellverbunds ................................... 55
5.4 3D-Endloswicklung ......................................... 57
5.4.1 Variantenbildung der 3D-Endloswicklung ............. 58
5.4.2 Bewertung und Vorauswahl der 3D-Endloswicklung ..... 61
5.5 Zusammenfassung: Hybrider Leichtbau im Lösungsansatz
der Teilsysteme ........................................... 62
6 Demonstration der Funktionalität der Teilsysteme
durch Vorversuche ......................................... 65
6.1 Liner ..................................................... 65
6.1.1 Zugversuche des Linermaterials und
Schweißnahtuntersuchung ............................ 65
6.1.2 Vorversuche am rotationssymmetrischen Liner ........ 67
6.2 Monozeller: Demonstration der Funktionsfähigkeit .......... 69
6.2.1 Fertigungsparameter des Monozellers ................ 70
6.2.2 Berstuntersuchung Monozeller ....................... 71
6.2.3 Druckzyklenuntersuchung des Monozellers ............ 73
6.2.4 Erkenntnisse der Vorversuche an den Monozellern .... 75
6.3 Verbindungskanal: Demonstration der Funktionsfähigkeit .... 75
6.3.1 Auswahl des Dichtmittels ........................... 76
6.3.2 Geschraubter und gesteckter Verbindungskanal ....... 76
6.3.3 Berst- und Druckzyklenuntersuchung ................. 77
6.3.4 Erkenntnisgewinn der Verbindungskanaltests ......... 78
6.4 Fazit: Demonstration der Funktionsfähigkeit der
Teilsysteme ............................................... 78
7 Fertigungstechnische Untersuchung der Wabentankteilsysteme .. 79
7.1 Unerherstellung: Aluminium Fließpressteile ........... 79
7.1.1 Kappen ............................................. 79
7.1.2 Schäfte ............................................ 82
7.1.3 Mittelteil und mechanische Bearbeitung der Kappen .. 86
7.1.4 Schweißen der Zellkomponenten ...................... 87
7.1.5 Fazit: Unerherstellung ............................. 88
7.2 FVK-Zelle: Polare Wicklung nicht rotationssymmetrischer
Zellen .................................................... 89
7.2.1 Vom isotensoiden zum quasi-isotensoiden Ansatz ..... 89
7.2.2 Erkenntnisgewinn der Wicklung nicht
rotationssymmetrischer Zellen ...................... 93
7.3 3D-Wicklung ............................................... 95
7.3.1 Prüfumgebung 3D-Wickelvorrichtung .................. 95
7.3.2 Vorversuche an Ureol- und l:l-Holzmodell ........... 96
7.3.3 Erkenntnisgewinn der 3D-Wickelvorrichtung ......... 100
7.4 Fazit: Fertigungstechnische Untersuchung der
Teilsysteme .............................................. 102
8 Validierung der Fertigungstechnik des Wabentanks ......... 103
8.1 Fertigung und Aufbau des Wabentanks ...................... 103
8.1.1 Fertigung der ünerkomponenten ..................... 104
8.1.2 Schweißen der Linerkomponenten .................... 104
8.1.3 Polare Wicklung der Liner zu den Wabentankzellen .. 105
8.1.4 Öffnen und Vorbereitung der Wabentankzellen .. 106
8.1.5 Zusammenbau der Wabentankzellen ................... 107
8.1.6 3D-Wicklung zum Wabentank ......................... 108
8.2 Fazit: Fertigung des Wabentanks .......................... 108
8.3 Leistungsniveau und Berstdruckuntersuchung ............... 110
8.4 Diskussion der Ergebnisse ................................ 113
9 Zusammenfassung .......................................... 117
9.1 Potential der Fertigung des Wabentanks ................... 117
9.2 Weiterführende Arbeiten .................................. 118
Literaturverzeichnis .......................................... 121
Schutzrechtsanmeldungen im Rahmen der Arbeit .................. 133
Anhang ........................................................ 135
A Anforderungen und Bewertung ................................ 135
B Berechnung der Kappenmeridiane ............................. 142
A Materialzusammensetzung der Zugversuche (Liner) ............ 143
D Berst- und Druckzyklendiagramme der
Verbindungskanalversuche ................................... 144
E Berstversuche Monozeller ................................... 146
F Nachbereitung der Wabentankprototypen ...................... 147
G Prototypische Umsetzung im Rahmen der Arbeit ............... 150
H Betreute Studentische Arbeiten ............................. 151
C Materialzusammensetzung der Zugversuche (Liner) ............ 143
D Berst- und Druckzyklendiagramme der
Verbindungskanalversuche ................................... 144
E Berstversuche Monozeller ................................... 146
F Nachbereitung der Wabentankprototypen ...................... 147
G Prototypische Umsetzung im Rahmen der Arbeit ............... 150
H Betreute Studentische Arbeiten ............................. 151
Lebenslauf .................................................... 153
Erklärung ..................................................... 155
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