07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Driving profiles of light commercial vehicles of craftsmen and the potential of battery electric vehicles when charging on company premises(2024) Heilmann, Oliver; Bocho, Britta; Frieß, Alexander; Cortès, Sven; Schrade, Ulrich; Casal Kulzer, André; Schlick, MichaelThis paper examines the extent to which it is possible to replace conventional light commercial vehicles in the heating, ventilation and air conditioning and plumbing trade with battery electric vehicles with an unchanged usage profile. GPS trackers are used to record the position data of 22 craft vehicles with combustion engines from eleven companies over the duration of one working week. Within this paper, various assumptions (battery capacity and average consumption) are made for battery electric vehicles and the charging power on the company premises. The potential of battery electric vehicles is evaluated based on the assumption that they are charged only on company premises. Using the collected data and the assumptions made, theoretical state of charge curves are calculated for the vehicles. The driving profiles of the individual vehicles differ greatly, and the suitability of battery electric vehicles should be considered individually. Battery capacity, vehicle energy consumption and charging power at the company have a substantial influence on the suitability of battery electric vehicles. Furthermore, there are differences between vehicles that can charge on the company premises at night and those that cannot or can only do so on some days.Item Open Access Neuronale Netzwerke für transiente Vorgänge im Antriebsstrang(2023) Cimniak, Valerian; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Zukünftige Antriebssysteme werden immer komplexer. Beispielsweise ergeben sich durch die Hybridisierung von Verbrennungsmotoren umfangreiche Möglichkeiten für die Leistungsaufteilung im Triebstrang, welche in Kombination mit der Auslegung eines darauf angepassten Brennverfahrens zahlreiche Abstimmparameter enthält. Zudem sind alternative Kraftstoffe für das Erreichen einer CO2-Neutralität im Mobilitätsbereich unerlässlich, was weitere Herausforderungen mit sich bringt, da sich die Verbrennungseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Benzin- oder Dieselkraftstoffen unterscheiden. Computermodelle können zum einen dabei helfen die Kosten während der Vorentwicklung zu reduzieren, indem sie notwendige Messkampagnen am Prüfstand eingrenzen, zum anderen lassen sich damit Serienprodukte überwachen und auf korrekte Funktionsweise überprüfen. In dieser Arbeit werden Methoden für die Generierung und Zusammenstellung großer Datenmengen von unterschiedlichen Antriebssystemen und -komponenten untersucht, sowie datenbasierte und echtzeitfähige Modelle, basierend auf künstlichen neuronalen Netzwerken, für die genannten Einsatzzwecke aufgebaut und analysiert.Item Open Access Simulative investigation on pre-turbine exhaust gas aftertreatment systems of diesel engines with dynamic compensation(2021) Angerbauer, Martin; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit werden verschiedene Konfigurationen einer Abgasnachbehandlung vor der Turbine betrachtet. Die untersuchten Systeme unterscheiden sich in der Art, Anzahl und Reihenfolge der Komponenten, die vor der Turbine platziert werden. Ohne weitere Anpassungen werden die Serienkatalysatoren des Referenzsystems in ihrer neuen Position vor der Turbine platziert. Das Referenz-Abgasnachbehandlungssystem besteht aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), einem katalytischen Dieselpartikelfilter (cDPF) und einem selektiven katalytischen Reaktionssystem (SCR). Die Untersuchungen werden mittels 0d/1d-Simulation an einem repräsentativen Vierzylinder-Dieselmotor durchgeführt. Hierfür wird das Simulationsmodell anhand von Prüfstandsdaten für das Referenzsystem kalibriert und validiert. Die 0d/1d-Simulation bietet die Möglichkeit, in kurzer Zeit mehrere Konfigurationen unter exakt den gleichen Bedingungen zu vergleichen. Darüber hinaus können Komponenten untersucht werden, ohne dass sie in physischer Form vorliegen müssen, was die Analyse einer Vielzahl von Maßnahmen zur Steigerung des dynamischen Ansprechverhaltens erleichtert. Für die Emissionsvorhersage wird ein neuronales Netz mit sieben Eingangsparametern auf Basis von Messergebnissen trainiert. Durch die hohe Anzahl an Eingangsparametern des empirischen Modellansatzes, werden auch transiente Einflüsse auf die Emissionsentstehung berücksichtigt, wie etwa ein verzögerter Ladedruckaufbau. Dies ist erforderlich, da die zusätzlichen Komponenten vor der Turbine den Ladedruck und die interne Abgasrückführungs-Rate beeinflussen. Für die Gesamtbewertung der Konfigurationen ist neben der Reduktion der Emissionen durch die Katalysatoren auch die Veränderung der Emissionsbildung ein Faktor.Item Open Access Design of zonal E/E architectures in vehicles using a coupled approach of k-means clustering and Dijkstra’s algorithm(2023) Maier, Jonas; Reuss, Hans-ChristianElectromobility and autonomous driving has started a transformation in the automotive industry, resulting in new requirements for vehicle systems. Due to its functions, the electrical/electronic (E/E) architecture is one of the essential systems. Zonal E/E architecture is a promising approach to tackle this issue. The research presented in this paper describes a methodology for determining the optimal number of zones, the position of the zone control units (ZCU), and the assignment of electric components to these zones and ZCUs. Therefore, the design of the power supply and the wiring harness is essential. This approach aims to identify the most suitable system architecture for a given vehicle geometry and a set of electric components. For this purpose, the assignment of electric components is accomplished by k-means clustering, and Dijkstra’s algorithm is used to optimize the cable routing. As ZCUs will be the hubs for the in-vehicle data and information transport in zonal architectures, their position and their number are crucial for the architecture and wiring harness development. Simulations show a suitable zonal architecture reduces wiring harness length as well as weight and brings functional benefits. However, the number of zones must be chosen with care, as there may also be functional limitations.Item Open Access Investigation on synthetic oxygenate fuels in future SI-engines using 0D/1D-simulation(2023) Wagner, Martin Cornelius; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing)In dieser Arbeit werden der Kraftstoff C65F35 und ein Benzin-Mischkraftstoff G85F15 untersucht. C65F35 (ein Gemisch aus 65 % Dimethylcarbonat und 35 % Methylformiat, das sich hauptsächlich durch das Fehlen von C-C-Bindungen und einen hohen Sauerstoffgehalt auszeichnet) bietet Vorteile hinsichtlich hoher Verdampfungsenthalpie und damit einhergehendem Kühleffekt, geringerem Sauerstoffbedarf und hoher Klopffestigkeit. Außerdem ist die Verbrennung nahezu partikelfrei. G85F15 (ein Gemisch aus 85 % Benzin und 15 % MeFo) bietet aufgrund seines MeFo-Gehalts Vorteile beim Klopfverhalten.Item Open Access Comparison of driver models for powertrain test benches using a digital twin(2023) Schilling, Jannes; Wilmsen, Jan-Michael; Nitschke, Paul; Reuss, Hans-ChristianItem Open Access Simulative Betrachtung der Kolbenbolzenlagerung(2023) Liebmann, Dennis; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Aufgrund fallender Zahlen an Versuchsträgern des heutigen Verbrennungsmotors gewinnt die digitale Bewertung dynamisch belasteter Gleitlager wie der Kolbenbolzenlagerung zunehmend an Bedeutung. Notwendig sind Berechnungsmodelle, die hinsichtlich des Verhaltens bei hohen Lasten, geringen Schmierfilmdicken, unterschiedlicher Ölzufuhr, hohen Temperaturen, etc. aussagefähig sind. Ein Komponenten-Prüfstand zur Reibungsmessung der Kolbenbolzenlagerung wird eingesetzt, um eine Validierung der Berechnungsergebnisse zu gewährleisten. Dies geschieht durch Extraktion der in Verbindung stehenden Bauteile (Kolben, Kolbenbolzen und Pleuelstange). Eine neuartig entwickelte hydrostatische Lagerung am Prüfstand ermöglicht eine größere elastische Deformation des Kolbens und damit eine brennraumnahe Verformung der Bauteile. Es werden Messungen mit Bauteilen eines Otto- und eines Dieselmotors, welche sich durch verschiedene Materialpaarung und Geometrien der Bauteile unterscheiden. Für die Berechnung wird eine Mehrkörpersimulation mit Schmierfilmkopplung eingesetzt, welche nichtlineare Effekte dynamisch hochbelasteter Gleitlager abbilden kann. Mithilfe der Simulation können die Haupteffekte einer Parameterstudie und ein zeitkontinuierlicher Drehmomentverlauf der Messungen der Diesel-Motorteile nachvollzogen werden. Die Otto-Motorteile zeigen unter Verwendung des Kavitationsalgorithmus nach Kumar und Booker eine bevorzugte Beölungsrichtung der Lagerung. Durch geeignete Schmierstoffzufuhr an den Rändern der Lagerung können früh eintretende Fressereignisse während der Messungen vermieden werden. Auf dem Prüfstand entstandene Laufspuren innerhalb der Kolbennabe und des kleinen Pleuelauges korrelieren örtlich mit den berechneten Druckmaxima der Simulation. Es werden verschiedene Nabenformen innerhalb der Kolbennabe der Otto-Motorteile auf dem Prüfstand getestet. Austrocknungsversuche zeigen die Reibung der Kolbenbolzenlagerung bei sich stetig reduzierender zugeführter Beölungsmenge. Durch die Simulation kann das ermittelte Verhalten auf dem Prüfstand nachgestellt werden. Zudem werden mit dem entstandenen validierten Berechnungsmodell weiterführende Untersuchungen durchgeführt. Somit kann die Kolbenbolzenrotation innerhalb zweier Betriebspunkte eines Einzylinderaggregates mit Saphirglas-Fenster optisch analysiert und rechnerisch korreliert werden. Abschließend bestätigt die Simulation die Reibungsuntersuchungen am Vollmotor aus der Literatur, welche einen Zusammenhang zwischen der Gestaltung der Kolbenbolzenlagerung und dem gemessenen Reibmitteldruck des Motors herstellt.Item Open Access Environmental impact assessment and classification of 48 V plug-in hybrids with real-driving use case simulations(2022) Frambach, Tobias; Kleisch, Ralf; Liedtke, Ralf; Schwarzer, Jochen; Figgemeier, EgbertPlug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) are commonly operated with high-voltage (HV) components due to their higher power availability compared to 48 V-systems. On the contrary, HV-powertrain components are more expensive and require additional safety measures. Additionally, the HV system can only be repaired and maintained with special equipment and protective gear, which is not available in all workshops. PHEVs based on a 48 V-system level can offer a reasonable compromise between the greenhouse gas (GHG) emission-saving potential and cost-effectiveness in small- and medium-sized electrified vehicles. In our study, the lifecycle emissions of the proposed 48 V PHEV system were compared to a conventional vehicle, 48 V HEV, and HV PHEV for individual driving use cases. To ensure a holistic evaluation, the analysis was based on measured real-driving cycles including Global Position System (GPS) map-matched slope profiles for a parallel hybrid. Optimal PHEV battery capacities were derived for the individual driving use cases. The analysis was based on lifecycle emissions for 2020 and 2030 in Europe. The impact analysis revealed that 48 V PHEVs can significantly reduce GHG emissions compared to vehicles with no charging opportunity for all use cases. Furthermore, the findings were verified for two vehicle segments and two energy mix scenarios. The 48 V PHEVs can therefore complement existing powertrain portfolios and contribute to reaching future GHG emission targets.Item Open Access Phenomenological modeling of pre-ignition in gas engines(2023) Wißmann, Lukas; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Beim Betrieb von Zweitakt-Dual-Fuel-Motoren kann es zu ungewollten Vorentflammungen kommen, welche zu hohen Druckanstiegen führen und im schlimmsten Fall Bauteile beschädigen. Dieses Phänomen in den Griff zu bekommen ist ein essentieller Bestandteil in der Entwicklung dieser Motoren. Auch ist die Ursache und der Mechanismus dieser Vorentflammungen nicht mit solchen im PKW-Bereich vergleichbar, weshalb eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse nicht gegeben ist. Umfangreiche Vollmotorversuche sind bei großen Schiffsmotoren sehr teuer und auch 3D-CFD-Simulationen sind bei den geometrischen Gegebenheiten sehr ressourcenintensiv. In dieser Arbeit wird deshalb ein schnelles QD-Modell entwickelt, um Vorentflammungen vorhersagen zu können. Mit umfangreichen reaktionskinetischen Untersuchungen wird gezeigt, dass Vorentflammungen ohne im Brennraum vorhandene Schmieröltropfen bei dem betrachteten Motorkonzept nicht möglich sind. Das in dieser Arbeit entwickelte phänomenologische Vorentflammungsmodell ist eine Kombination aus Schmieröltropfenverdampfung und Reaktionskinetik. Das Modell ist in der Lage, bei unterschiedlichsten motorrelevanten Randbedingungen den Beginn der Vorentflammung korrekt vorherzusagen. Für die Tropfenverdampfung erfolgte die Validierung gegen eine große Auswahl an Messungen aus der Literatur. Das Gesamtmodell ist gegen eine umfangreiche Messkampagne an einem optisch zugänglichen Prüfstand sowie an Messungen eines realen Schiffsmotors validiert.Item Open Access Aerodynamics of high-speed trains with respect to ground simulation(2022) Weidner, Dennis; Stoll, Daniel; Kuthada, Timo; Wagner, AndreasWind tunnel testing is commonly used to assess and optimize the aerodynamic characteristics of high-speed trains. The train model is usually mounted above a static ground plane, but a moving ground is necessary for the correct representation of the relative motion between train and ground. This study focuses on the effect of the applied ground simulation on the aerodynamics of a high-speed train. Wind tunnel tests using a stationary and a moving ground were carried out using a 1:20 scale model of a high-speed train’s first car. Numerical simulations for two moving ground configurations are created, and the simulation setup is validated using surface pressure measurements from the wind tunnel tests. It is shown that the ground simulation has a significant effect on the drag in the considered yaw angle range. Additionally, the change in drag due to bogie fairings is evaluated and an impact of the applied ground simulation on the drag reduction is observed. The drag reduction of front and rear bogie fairings is valued similarly using a static ground, however on a moving ground the drag reduction of front bogie fairings is significantly increased. Good agreement between simulations and experiments is achieved.