Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart – serie

Eugen Sworowski befasst sich mit ansteuerungsbedingten Störungen im Regelkreis permanenterregter Synchronmaschinen. Er gibt eine Methodik zur einheitlichen Beschreibung solcher Störungen an. Seine Schwerpunkte liegen dabei auf der Berücksichtigung der Feldschwächung und des Stromregelkreises. Anhand dieser Methodik erfolgt die Entwicklung von Kompensationen für relevante Störungen in dieser Forschungsarbeit. Hierzu zählen die Offset- und Verstärkungsstörungen der Strommessung, Ordnungsstörungen des Rotorlagewinkels und Störungen durch Schutzzeiten des Wechselrichters.

Michael Temmler zeigt, dass eine steuergerätetaugliche Verbrennungsoptimierung funktioniert. Dabei dienen physikalische Modellansätze zur Abbildung des Motorverhaltens. Die Kombination aus Verbrennungs-, Emissions- und Ladungswechselmodellen sowie nichtlinearen Optimierungsverfahren ermöglicht eine Individualisierung der Motorsteuerung am jeweiligen Verbrennungsmotor während seiner Laufzeit. Eine neue Steuergerätearchitektur unterstützt ein Ersetzen der zentralen Motorsteuerung durch ein System dezentraler gekapselter Einheiten, in denen die Verbrennungsoptimierung enthalten ist.

Felix Wittmeier gibt einen detaillierten Überblick, welche geometrischen Parameter des Reifens die Aerodynamik eines Fahrzeugs beeinflussen und wie ein aerodynamisch optimierter Reifen gestaltet werden kann. Dies ist wichtig, da neben den klassischen Eigenschaften des Reifens, wie zum Beispiel dem Rollwiderstand oder dem Verschleiß, auch die aerodynamischen Reifeneigenschaften zunehmend wichtiger werden. Die Räder eines Fahrzeugs sind für ca. 25% des gesamten Luftwiderstands verantwortlich. Dies führt dazu, dass bereits durch geringe geometrische Änderungen am Reifen der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs beeinflusst werden kann.

Marc Stephan Krützfeldt zeigt einen hard- und softwareseitigen Ansatz, um die Kommunikation zwischen Fahrzeugschnittstelle und Diagnosewerkzeug zu analysieren, darzustellen und zu testen. Eingeführt werden eine Systematik und ein ganzheitlicher Ansatz in Verbindung mit Werkzeugen zur Signallenkung, Simulation, Stimulation und Auswertung. Dies ermöglicht, Fehler einzugrenzen und Abläufe sowie Tests gegen eine Referenz (z. B. Norm/Normkonformität) zu begleiten. Somit ist es mit geringer Systemkenntnis möglich, das Gesamtsystem – bestehend aus Fahrzeug, externem Diagnosewerkzeug und Anwender – tiefgreifend zu analysieren und Schwachstellen aufzuzeigen.

Johannes Ernst erklärt durch eine Validierung der Strahlimpulsmesstechnik anhand von Parameterstudien, Vergleichen mit alternativen Messtechniken und Simulationen die auftretenden Phänomene und formuliert geeignete Maßnahmen zur Eliminierung bzw. Kompensation der Effekte, die eine Messung beeinflussen. Obwohl das Messprinzip zur Strahlimpulsanalyse trivial erscheint, zeigen sich bei früheren Auswertungen von Messwerten unerwartete Phänomene, die die Interpretation der Daten erschweren. Die Optimierungsansätze ermöglichen nun in der Anwendung eine deutliche Verbesserung der Qualität der Strahlimpulsmesswerte.

Kern der Studie von Johannes Dawidziak ist zum einen die methodische Entwicklung eines Systems zur Abgasenergierückgewinnung und zum anderen die detaillierte thermodynamische Untersuchung des Gesamtantriebs. Die Evaluation der verschiedenen Konzepte führt den Autor zu dem Ergebnis, dass das elektrische Turbocompound-Verfahren das höchste Potential zur Effizienzsteigerung aufweist. Unter den möglichen Systemanordnungen zeigt sich die direkte Kopplung des Turboladers mit einer elektrischen Motor-/Generatoreinheit als zielführend. Neben dem Betriebsmodus der Abgasenergierekuperation ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, den Turbolader elektrisch zu unterstützen. Dieser Modus führt zu einer weiteren Verbesserung des dynamischen Motorbetriebs und der Effizienz, da der Motor schneller im Auslegungspunkt betrieben werden kann.

Fabian Köpple stellt einen durchgängigen Ansatz zur 3D-Berechnung der innermotorischen Vorgänge in Ottomotoren mit Direkteinspritzung vor. Dabei konnte er zeigen, dass unter Verwendung des erarbeiteten Modellierungskonzeptes die Auswirkungen verschiedener, die Gemischbildung und Verbrennung beeinflussender Parameter auf die Rußemissionen bewertet werden können. Da die verzögerte Verdunstung des an der Wand abgelagerten Kraftstoffs eine wesentliche Quelle der Rußemissionen ist, war die besondere Berücksichtigung der Modellierung der Spray-Wand-Interaktion ein wichtiger Aspekt dieser Dissertation. Insbesondere die Oberflächentemperatur des Kolbens hat dabei einen wichtigen Einfluss auf die Spray-Wand-Interaktion, weshalb der Autor Oberflächentemperaturmessungen auf dem Kolben eines Einzylinderaggregats durchführte. Insgesamt konnte durch den hier vorgestellten Ansatz die Prognose der Partikelemissionen mittels der numerischen Simulation deutlich verbessert werden.

Matthias Zimmer befasst sich mit dem Ziel eines durchgängigen Simulationsprozesses zur Steigerung des Reifegrades von Konzeptbewertungen in der Frühen Phase der Produktentwicklung. Er stellt außerdem praxisnah vor, in welchem Kontext die Methode und der Prozess in der Entwicklung bei einem Automobilhersteller durchgeführt und prototypisch eingesetzt werden. Bereits in den frühen Phasen der Produktentstehung ist es notwendig, der steigenden Variantenvielfalt und wachsenden Komplexität in der Automobilentwicklung mit effektiven Methoden und Prozessen zu begegnen. Eine schnelle und effiziente Bewertung von Fahrzeugkonzeptvarianten unterstützt die Entscheidungsfindung und ermöglicht eine effektivere Nutzung des vorhandenen Zeitfensters für Machbarkeitsuntersuchungen und trägt damit zur Umsetzung des Frontloading bei.

Jin Gong entwickelt eine Strategie zur aktiven Beeinflussungder abgelösten Strömung hinter den Grundkörpern. Die experimentellenUntersuchungen wurden durch die Autorin im Windkanal durchgeführt und die Beeinflussbarkeitder Ablösung numerisch mithilfe des Hochleistungscomputers untersucht. Die zugrundeliegendenMechanismen der Strömungsbeeinflussung können mit der strömungsmechanischenInstabilitätstheorie erklärt werden. Der Basisdruck der Grundkörper wurde durchdie aktive Beeinflussung mit den optimalen Parametern erhöht und dadurch derLuftwiderstand reduziert. Auf Basis der Untersuchungsergebnisse fasst dieAutorin die Kriterien zur aktiven Beeinflussung der abgelösten Strömung zusammen,um die Anregungsparameter einer unbekannten Konfiguration vorher einschätzen zukönnen.

Mario Dischbeschreibt die numerische Simulation von instationären Fahrmanövern zurthermischen Absicherung von Fahrzeugbauteilen. Exemplarisch wird mit einerinstationären gekoppelten Bauteiltemperaturberechnung die synthetischekundenmäßige Bergfahrt auf den Mont Ventoux aufgezeigt. Die Methodenentwicklungund Validierung beginnt mit einer numerischen Grundlagenuntersuchung zurthermischen Beschreibung eines Motorraums und setzt sich fort bis zurdetaillierten Modellierung der Kühlungs- und Abgasumfänge innerhalb einer 3D-Gesamtfahrzeuggeometrie.Die Arbeit gliedert sich in den Kontext der digitalen Prototypenentwicklung inder Automobilindustrie ein – einer Strategie, die dazu dient, Funktionsumfängeder thermischen Absicherung und anderer Gewerke in den digitalenEntwicklungsprozess vorzuverlegen und Erprobungsumfänge am realen Prototyp zuminimieren.

Bernhardt Lüddecke bietet einen umfassenden Einblick in Kennfeldvermessung und Berechnung von Abgasturboladern. Mit experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Aero-Thermodynamik sowie zu Reibungsverlusten und Wärmeströmen verdeutlicht er die Eigenschaften dieser kompakten Maschinen. Mithilfe einer neuartigen Drehmoment-Messtechnik konnte der Autor erstmals kurbelwinkelaufgelöst das momentane Drehmoment einer Abgasturboladerturbine geringer Baugröße unter realen motorischen Bedingungen ermitteln. Die vorliegende Studie erlaubt es, auf ein quasi-stationäres Turbinenverhalten auch unter pulsierender Beaufschlagung zu schließen, was für aussagekräftige Simulationen aufgeladener Motoren von wesentlicher Bedeutung ist.

Durch dieKombination verschiedener Messtechnikkonzepte im Bereich derKörperschallmessung und der Verwendung detaillierter Signalanalyseverfahrenkann Daniel Hrdina ein gesamtheitliches Verständnis der Körperschallleitungüber den Kurbeltrieb eines Verbrennungsmotors darstellen. Dabei untersucht erdie Sensitivität auf verschiedene Parameter im inneren Leitweg und in denAnregungsbedingungen. Als einflussreichsten Faktor identifiziert der Autor dieDruckanstiegsrate – und damit die Einspritzparameter. Darauf aufbauend führt erden Begriff des betriebspunktabhängigen Brennraumdruckgradienten ein, der Potenzialezur Optimierung unter NVH-Gesichtspunkten an einem PKW-Dieselmotor mitCommon-Rail-Einspritzung aufzeigt.

Iwo Sprußgibt einen Überblick über die Interaktion eines Kraftfahrzeugs mit einer nassenFahrbahn sowie der hieraus resultierenden Fahrzeugeigen- und -fremdverschmutzung.Er zeigt, dass ein Verständnis dieser Prozesse notwendig ist, um neben denklassischen, aerodynamischen Optimierungsgrößen im Fahrzeugentwicklungsprozess durchVermeidung der Fahrzeugverschmutzung einen Beitrag zur Sicherheit imStraßenverkehr zu leisten. Die Erkenntnisse aus den vorgestelltenUntersuchungen an einem Grundkörper als auch an einer Vollfahrzeuggeometriedienen dem Autor als Grundlage für die Weiterentwicklung und Validierung einesWerkzeugs zur numerischen Strömungssimulation. Somit ergibt sich dieMöglichkeit, in einer früheren Phase des Fahrzeugentwicklungsprozesses bereitserste Aussagen über die Fahrzeugverschmutzung treffen zu können.

Markus Auerdiskutiert Maßnahmen, die den bereits sehr guten Wirkungsgradbatterieelektrischer Fahrzeuge weiter steigern. Dabei untersucht der Autornicht nur konventionelle Thermomanagementmaßnahmen sowie Vorkonditionierungen,sondern stattet das Thermomanagement zudem mit einer vorausschauendenKomponente aus. Darüber hinaus entwickelt er eine Notfallfunktion, die dasFahrziel auch dann erreichbar macht, wenn sich dieses außerhalb der momentanenRestreichweite befindet. Zur Analyse der Energiebilanz wird eine Kennzahlhergeleitet, mit der die optimale Durchschnittsgeschwindigkeit für eine maximaleReichweite bestimmt werden kann.

AndreasSchmidt zeigt neue Möglichkeiten zur Entwicklung, Erprobung und Modellierungvon Fahrzeugantriebssträngen auf. Durch die Verbindung von Fahrsimulator undAntriebsstrangprüfstand werden die jeweiligen Vorteile der beiden Werkzeugekombiniert und gleichzeitig deren Einschränkungen umgangen. Zu den Vorzügen zähleninsbesondere die bessere Messtechnik am Prüfstand, das Fehlen äußererStörgrößen, keine Gefährdung von Verkehrsteilnehmern und die Reduzierung derZahl benötigter Fahrzeugprototypen. Die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischenFahrer und Antriebsstrang können im Koppelbetrieb in neuartiger Qualitätuntersucht werden, da beide Komponenten real vorhanden sind.

AndreasFreuer leitet eine Methode her, die Fahrzeuglängsführung über einen weitenAnwendungsbereich und über eine Vielzahl von Fahrsituationen in einerenergetisch optimierten Form zu automatisieren. Hierzu entwickelt er einganzheitliches Optimierungs- und Regelungskonzept, in dem Informationen ausUmfeldsensoren und digitalen Straßenkarten verarbeitet und die spezifischenEigenschaften eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs berücksichtigtwerden. Der Autor bestimmt das Verbrauchspotential der Fahrzeuglängsführung ineiner Probandenstudie unter realistischen Bedingungen im öffentlichenStraßenverkehr. Hierdurch liefert er aussagekräftige Kennwerte zur Abschätzungdes Verbrauchspotentials einer energetisch optimierten Fahrzeuglängsführung.

Benjamin Stegmann untersucht und validiert ein eindimensionales Simulationsmodell, mit dessen Hilfe das thermische Verhalten von verbrennungsmotorisch betriebenen Kraftfahrzeugen hauptsächlich in der Warmlaufphase untersucht wurde. Die wichtigsten Parameter bei der Bestimmung des Fahrwiderstands und Motorbetriebspunkts werden einer Sensitivitätsanalyse unterzogen, um so deren Einfluss zu kategorisieren und zu priorisieren. Das Modell wird mithilfe von Messungen zweier Fahrzeuge im Thermowindkanal und in einer Klimakammer validiert. Neben der Basiskonfiguration werden an beiden Fahrzeugen Thermomanagement-Maßnahmen in Messung und Simulation umgesetzt, um deren Auswirkungen auf Fluid- und Bauteiltemperaturen sowie den Kraftstoffverbrauch zu untersuchen. Der Autor schließt mit einem Ausblick auf Parameter, die bei alternativen Antriebskonzepten Einfluss auf den Energiehaushalt von Kraftfahrzeugen haben können.

Gernot Becker zeigt, dass eine automatisierte Fahrzeuglängsführung das Potenzial besitzt, die Reichweite eines Elektrofahrzeugs zu vergrößern. Die dafür notwendigen energetischen Optimierungen schafft der Autor in seiner Studie mithilfe von Vorausschauinformationen und modellprädiktiven Berechnungen. Bei der Quantifizierung mittels Versuchsträger im kundenrelevanten Fahrbetrieb ermittelt der Autor eine signifikante Verringerung des Energiebedarfs durch die energieeffiziente, automatisierte Fahrzeuglängsführung. Ein derartiges Fahrerassistenzsystem stellt damit einen wirkungsvollen Ansatz dar, der Reichweitenproblematik heutiger batterieelektrischer Fahrzeuge zu begegnen.

Daniel Görke befasst sich mit der wirkungsgradoptimalen Lastpunktverschiebung und den Betriebsbereichen einer effizienten elektrischen Fahrt von Parallelhybridfahrzeugen. Die Untersuchungen führen den Autor zu Zusammenhängen, anhand derer sich die Lastpunktverschiebung und die Grenze der elektrischen Fahrt im kraftstoffoptimalen Fall beschreiben lassen. Mit den hergeleiteten Zusammenhängen können regelbasierte Betriebsstrategien so ausgelegt werden, dass die Entscheidungen stets optimal hinsichtlich des Gesamtkraftstoffverbrauchs getroffen werden. Hierdurch werden mit dem vorgestellten Ansatz zur Auslegung regelbasierter Betriebsstrategien Ergebnisse erzielt, die bisher nur mit optimierungsbasierten Betriebsstrategien möglich waren.

Hannes Hopp erläutert die Notwendigkeit zur Kühlung von Lithium-Ionen-Batterien im Fahrzeug und stellt eine simulative Methode zur Prognose von Batterietemperaturen und der Wechselwirkung mit dem Kühlsystem im Fahrzeugverbund vor. Im Simulationsverbund bildet das Batteriemodell die zentrale Komponente. Aufbauend auf bestehenden Modellierungsansätzen untersucht der Autor die Abwärmecharakteristik der Batterie aus Einzelzellmessungen und überführt sie in ein modulares Simulationsmodell. Die Ergebnisse seiner Studie unterstreichen die Notwendigkeit zur engen Verzahnung von simulativen und experimentellen Werkzeugen in der Fahrzeugentwicklung. Die gekoppelte Simulation stellt eine zielführende Methode zur Bewertung der thermischen und elektrischen Interaktion in einem elektrifizierten Fahrzeug dar.

Andreas Hazir is investigating the door seal contribution to the interior noise level of production vehicles. These investigations contain experimental contribution analyses of real production vehicles and of academic test cases as well as the development of a simulation methodology for noise transmission through sealing systems and side windows. The simulations are realized by coupling transient computational aeroacoustics of the exterior flow to nonlinear finite element simulations of the structural transmission. By introducing a linear transmission model, the setup and computational costs of the seal noise transmission are significantly reduced, resulting in the feasibility of numerical contribution analyses of real production vehicles.

Durch die Kombination innovativer Messtechnikkonzepte im Bereich der Abstands- und Kontaktmessung und durch die Verwendung detaillierter Analysemethoden kann Maik Lazzara ein gesamtheitliches Verständnis der Bewegungsmechanismen und des tribologischen Verhaltens der Kolbenbolzenlagerung eines Verbrennungsmotors darstellen. Dabei untersucht der Autor die Relativbewegungen der Lagerkomponenten und deren Mischreibungszustände bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors und identifiziert eine sensible und komplexe Wechselwirkung zwischen belastungsbedingten Lagerkonturen, Festkörperreibwert und insbesondere der Schmierstofffüllung und -versorgung.

Mahir Tim Keskin beschreibt die Entwicklung eines schnellen, vorhersagefähigen Brennverlaufmodells für das Brennverfahren der kontrollierten Benzinselbstzündung. Ausgehend von einer detaillierten Messdatenanalyse zeigt der Autor, dass zur Beschreibung der Verbrennung neben der eigentlichen Selbstzündung auch eine laminar-turbulente Flammenausbreitung modelliert werden muss. Die Kombination beider Mechanismen erlaubt es dem Modell, eine breite Palette von Steuergrößenvariationen bis hin zum Betriebsartenwechsel bei sehr geringem Rechenzeitbedarf korrekt wiederzugeben. Es ist damit bestens geeignet für Simulationen zur Motorauslegung und die Entwicklung von Regelstrategien in einer frühen Phase der Motorentwicklung.

Andreas Wiesebrock zeigt wesentliche Erweiterungsansätze bei der Modellierung der Fahrbahn für den Einsatz in unterschiedlich komplexen fahrdynamischen Anwendungsfällen. Durch Verwendung einer verallgemeinerten Interpolationsmethodik kann der Autor nahezu jede beliebige Fahrbahnoberfläche mit geringem Rechenaufwand und Speicherbedarf darstellen. Er zeigt diese und weitere Vorteile des universellen Fahrbahnmodells in mehreren Anwendungsfällen auf.

Christoph Liedecke demonstriert mit zwei Anwendungskonzepten, wie haptische Signale – übertragen durch den Fahrerfuß – in Fahrerassistenzsystemen eingesetzt werden können. Hierbei geht der Autor insbesondere auf die Anwendung von Pulssignalen am rechten Fahrerfuß zur Fahrerinformation beim automatisierten Fahren ein. Des Weiteren zeigt er auf, dass die Haptik ebenfalls ein geeigneter Sinneskanal zur Fahrzeugsteuerung sein kann, und erläutert das notwendige Grundlagenwissen der Physiologie und Psychophysik. Anhand eines Anwendungsbeispiels demonstriert Liedecke, wie in automatisierten Fahrsituationen der Zielkonflikt, die Hände zur Ausführung einer Nebenaufgabe einzusetzen und trotzdem gleichzeitig eine kontinuierliche Fahrer-Fahrzeug-Kommunikation aufrechtzuerhalten, gelöst werden kann.

Adalbert Wolany untersucht verschiedene Aspekte der impulsgetrennten Aufladung und stellt hierfür neue Methoden vor. Der Autor erarbeitet für den spülenden Ladungswechsel am einflutigen Abgasturbolader geeignete Auslassöffnungsdauern und optimiert im Nennleistungsbereich hinsichtlich des Verbrauchs den Ladungswechsel durch eine partielle Flutentrennung. Er stellt eine neue Methode zur Beurteilung der Stromungsgute von Abgaskrummern in der CFD-Simulation vor, welche den gesamten nutzbaren Energieinhalt des Fluids am Krummeraustritt berucksichtigt. Um das durch Abgasdruckpulse angeregte Schwingverhalten von Wastegate-Klappen in der 1D-Strömungssimulation erfassbar zu machen, erörtert Wolany einen neuen Modellierungsansatz, bei dem das Wastegate sowohl strömungstechnische als auch mechanische Eigenschaften besitzt.

Dan Keilhoff stellt ein Konzept vor, mit dem Betriebsstrategien für Hybridfahrzeuge entwickelt werden können. Der Autor konzentriert sich dabei auf Anwendungsfälle in einer sehr frühen Phase der Produktentwicklung, in der viele Daten natürlicherweise noch unsicher oder unbekannt sind. Am Beispiel der Erstellung von Auslegungskollektiven zeigt Keilhoff, dass mit dem regelbasierten Ansatz aussagekräftige Ergebnisse bzgl. Verweildauer, Überrollungs- und Wechsellastschädigung für verschiedene Parallelhybride erzielt werden können. Der Ansatz steht in Form eines lauffähigen Simulink-Modells zur Verfügung, dessen strukturierter Aufbau bei Bedarf die Erweiterung des Ansatzes auf andere Topologien ermöglicht.

Mark Krausz stellt eine Methode vor, mit der die Genauigkeit von Simulationsergebnissen in der Gesamtfahrzeugsimulation abgeschätzt werden kann. Dazu werden in drei Schritten die verwendeten Teilmodelle systematisch untersucht und bewertet. Durch diese Schritte wird die Qualität der Teilmodelle sichergestellt sowie die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verbessert. Im abschließenden vierten Schritt werden die Untersuchungsergebnisse der Teilmodelle genutzt, um die Abschätzung der Ergebnisqualität des Gesamtfahrzeugsimulationsmodells optimiert durchführen zu können. Das Ergebnis der Methode ist die Angabe eines Simulationsergebnisintervalls in Abhängigkeit von einer gewünschten Eintrittswahrscheinlichkeit.

Phan-Lam Huynh stellt eine universelle Methode zur Bewertung von Traktionsbatterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen ohne externe Sensorik vor. Basierend auf ausführlichen Grundlagenuntersuchungen am Batterieprüfstand identifiziert er einen Indikator für die Bewertung von Traktionsbatterien in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Der Autor realisiert die Erfassung der Werte im Fahrzeug über ein geführtes Diagnoseverfahren. Die Bewertung der Traktionsbatterie erfolgt durch einen lernenden Algorithmus. Den praktischen Nachweis der auf weitere Fahrzeugmodelle übertragbaren Methode führt Huynh an zwei Fahrzeugmodellen mit über 350 Testobjekten durch.