ChemCar-Wettbewerb 2015

Das Erfolgsgeheimnis der RWTH Aachen

Auf dem Jahrestreffen der Fachgemeinschaft für Fluidtechnik und Trenntechnik in Bamberg Anfang September der Höhepunkt des mittlerweile traditionsreichen 10. ChemCar-Wettbewerbs statt. Sieben Universitäten aus allen Teilen Deutschlands und ein polnisches Team bildeten ein bunt gemischtes Starterfeld. Beste Voraussetzungen also um das Ziel des Wettbewerbs mit innovativen Konzepten für ein rein chemisch angetriebenes Fahrzeug zu erreichen.

Bild: 4ffk media / JungDas Aachener Team (Bild: 4ffk media / Jung)

Das Aachener Team (Bild: 4ffk media / Jung)

 

Bild: Aixtreme Veloci TeamChem-Car Lisbeth

Chem-Car Lisbeth (Foto: Aixtreme Veloci Team)

Im Rahmen des ChemCar-Wettbewerbs stellen die teilnehmenden Teams ein von ihnen entwickeltes Fahrzeug mit innovativem chemischem Antriebskonzept vor und lassen sie in einem Rennen gegeneinander antreten. Sicherheit, Kreativität und Reproduzierbarkeit stehen dabei im Fokus des Wettbewerbs. Veranstalter des Wettbewerbs sind die kreativen jungen Verfahrensingenieure (kjVI), die VDI-GVC und die DECHEMA. Ziel des Wettbewerbs ist es eine am Wettbewerbstag ausgeloste Strecke zwischen 5 und 20 Metern und ein ausgelostes Zusatzgewicht von 0-30% möglichst genau in von zwei Läufen zu erreichen. Zusätzlich wird das Konzept des Teams und die Sicherheit der Fahrzeuge durch eine Jury aus Sponsoren bewertet. Die diesjährigen Sponsoren setzten sich aus den Unternehmen BASF, Bayer, Evonik, INBUREX, InfraServ-Knapsack, Lanxess und Lonza zusammen.

Bild: Aixtreme Veloci TeamAixtreme-Veloci-Team

Das Team der RWTH Aachen „Aixtreme VelociTeam“ arbeitete seit Januar am Institut der Aachener Verfahrenstechnik an der Ausarbeitung und Umsetzung des Konzepts. Dies erfolgte interdisziplinär unter der Mitwirkung von 8 Studierenden der Fachrichtungen Verfahrenstechnik und Konstruktionstechnik des Studiengangs Maschinenbau. Der größte Anreiz des Teams bestand darin ein Getriebekonzept zu entwickeln, dass ein bekanntes Problem der vergangenen ChemCar-Wettbewerbe löst. Da viele Teams in den letzten Jahren am hohen Anfahrmoment, sei es durch Unebenheiten oder veränderte Bedingungen des Bodens, scheiterten und somit keine Punkte in den Läufen holen konnten, setzte das Aachener Team auf ein stufenlos veränderliches Getriebe (CVT), das beim Losfahren die hohen Drehzahlen in ein hohes Moment übersetzt. Betreut wurde das Team von         Dipl.-Ing. John Linkhorst und Jonas Lölsberg, M.Sc..

Das Aachener ChemCar setzt sich aus den Modulen: Reaktion, Pelton-Turbine und Getriebe zusammen. Dazu wurden in der Konzept- und der Umsetzungsphase Arbeitsgruppen gebildet, die sich intensiv mit jeweils einem Thema beschäftigten und die Einzelteile konstruierten und fertigten. Vor allem kamen dabei die institutseigenen 3D-Drucker zum Einsatz. Das ChemCar, das auf den Spitznamen Lisbeth hört, wird durch eine katalytische Zerlegung von Wasserstoffperoxid angetrieben. Hierbei wird durch den bei der Zerlegung entstehenden Sauerstoff Druck aufgebaut, der Wasser aus einem Wassertank verdrängt. Dieses Wasser wird dann über Düsen auf eine Pelton-Turbine geleitet, die den Wasserdruck in rotatorische Energie umsetzt und an das Getriebe und letztendlich die Reifen weiterleitet.

Bild: Aixtreme Veloci TeamReaktionsbehälter

Reaktionsbehälter mit angedeuteter Kühlung

Die Reaktion findet in einem Reaktor statt, der über ein Nadelventil an den Eduktbehälter angeschlossen ist. Im Eduktbehälter befindet sich eine im Voraus auf die zu fahrende Strecke abgestimmte Menge 30%iger Wasserstoffperoxidlösung. Der Reaktor beinhaltet anfangs nur 10g Eisen-III-Chlorid, das in 100ml destilliertem Wasser gelöst wurde. Das Eisen-III-Chlorid ist der Katalysator der Wasserstoffperoxidzerlegung und regeneriert sich während der Reaktion immer wieder, sodass die Reaktionsgeschwindigkeit konstant bleibt. Um die Reaktion zu starten, kann das Nadelventil mittels eines Stellrades manuell geöffnet werden. Durch Variation der Ventilstellung wird somit die Zutropfgeschwindigkeit der Wasserstoffperoxidlösung direkt eingestellt. Somit kann festlegt werden, wie schnell sich der Druck aufbaut. Zur Kühlung der stark exothermen Reaktion wird das Wasser aus der Turbine als Kühlmedium auf den Reaktor geleitet. Ein Überlaufbecken um den Reaktor sorgt für eine kontinuierliche Zirkulation des Wassers. Dadurch kann eine niedrige Betriebstemperatur des Reaktors gewährleistet werden.
Da vermieden werden sollte, dass Wasser aus dem Wassertank schon bei geringen Drücken auf die Turbine schießt, wurde ein spezieller Berstfolienmechanismus konstruiert. Über die Anzahl der Folien kann der Öffnungsdruck mit hoher Genauigkeit eingestellt werden.

Um das Problem des Anfahrmoments zu überwinden, wurde ein stufenloses Getriebe konstruiert. Vor allem im Falle des Aachener ChemCars ist das Anfahrmoment beachtlich, da Lisbeth immerhin 15 kg Leergewicht auf die Waage bringt. Das Getriebe hat anfangs eine geringe Übersetzung um das Anfahrmoment zu überwinden. Wenn das Auto dann Fahrt aufnimmt, schaltet ein an die Turbine gekoppelter, geschwindigkeitsgesteuerter Fliehkraftregler durch Verschieben eines Riemens auf eine höhere Übersetzung. Das stufenlose Getriebe hat zusätzlich den Vorteil, dass das Auto durch das Hochschalten höhere Geschwindigkeiten erreichen kann. Gleichzeitig kommt es aber auch schneller zum Stehen, wenn es langsamer wird. Aus diesem Grund können vorgegebene Strecken mit hoher Genauigkeit angefahren werden.
Im direkten Vergleich der ChemCars traten die Teams der TU Łódź (Polen), TU Braunschweig, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), HAW Hamburg, TU Dortmund, TU Clausthal, RWTH Aachen und FH Münster gegeneinander an. Ausgelost wurde eine Strecke von 8,50 m, die mit einem Zusatzgewicht von 15 % zurückgelegt werden sollte. Bei beiden Teilen des Wettbewerbs wurden etwa gleichviele Punkte verteilt und somit war ein Kopf-an-Kopf-Rennen vorprogrammiert. Es zählte von den beiden Versuchen der jeweils kleinste Abstand zur Zielmarke. Direkt im ersten Anlauf fuhr das ChemCar der RWTH Aachen mit 8,18 m genau an die vorgegebene Distanz heran und übernahm zunächst die Führung. Im zweiten Durchlauf steigerte sich das mit einem Peltier-Element betriebene ChemCar der FH Münster und fuhr noch näher an die Ziellinie heran. Es lag somit im zweiten Versuch an erster Stelle. Allerdings konnte das Aachener Team durch ihr innovativeres Verfahren, Umweltfreundlichkeit sowie dem Sicherheitskonzept überzeugen und auf diesem Wege die entscheidenden Punkte ergattern. Das Team vom Dreiländereck überholte die FH Münster auf der Punkteliste knapp, den dritten Platz mit einer gefahren Strecke von 7,07 m gewann das Team vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Das ist der offizielle Film von 4ffk-Media zum ChemCar-Wettbewerb 2015:

Bild: RWTH Aachen UniversityLinkhorstAutor: John Linkhorst
Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der RWTH Aachen University, AVT.CVT – Aachener Verfahrenstechnik –  Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik

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