Universität Stuttgart
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Item Open Access Dynamisches und risikobasiertes Fahrwerksverbund-Testverfahren(2014) Kiefner, Dominique Xavier; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.)Die verstärkte Automatisierung bei der Absicherung der Fahrerassistenzfunktionen durch Tests führt dazu, dass das richtige Testen immer wichtiger wird. Nur wenn der Test Fehler findet, ist dieser erfolgreich. Die Qualitätsaussage eines nicht erfolgreichen Tests ist aufgrund des Testraums sehr gering. Erst das Verwenden einer Teststrategie, die eine große Anzahl an Testfällen umfasst, führt zu einer belastbaren Qualitätsaussage. Ein wichtiger Aspekt einer guten Teststrategie ist eine Priorisierung der Fehler, insbesondere im Automobil, wo die Bandbreite der Auswirkungen einer fehlerhaften Funktion von einem störenden Innengeräusch bis hin zu einer fehlerhaften Regelung, die zu schweren Personenschäden führt, reicht. Deswegen sollte der Test zuerst in den Bereichen durchgeführt werden, die ein hohes Risiko bzgl. Personenschäden haben. Solche Bereiche werden durch eine Risiko- und Gefährdungsanalyse des Autos gefunden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob sich die automatisierte Absicherung mit Ergebnissen einer Risiko- und Gefährdungsanalyse verbessern lässt. Der Fahrer wird im heutigen Automobil bei gefährlichen Fahrsituationen durch eine Vielzahl von Fahrerassistenzfunktionen unterstützt. Natürlich ist ein Fehler in diesen Funktionen sehr gefährlich, deswegen müssen diese Funktionen intensiv getestet werden. Die Funktionen verteilen sich auf die Lenkung, die Bremse und das aktive Fahrwerk. Die endgültige Absicherung der verteilten Funktionen kann erst nach der Integration der drei Systeme im Fahrwerksverbund erfolgen. Zur Absicherung stehen unterschiedliche Testplattformen zur Verfügung. Die Arbeit geht auf die folgenden drei Testplattformen ein: den Fahrzeugprototyp, den Fahrsimulator und den Verbunds-HiL. Der modellbasierte Test wird zur automatisierten Absicherung der Funktionen verwendet. Die verschiedenen Verfahren des modellbasierten Tests werden daraufhin untersucht, ob sie erweiterbar sind bzgl. des Einsatzes von Kontextwissen in Form der Ergebnisse der Risiko- und Gefährdungsanalyse. Für das ausgewählte syntaxbasierte Testverfahren wird eine Strategie entwickelt, um das Kontextwissen zu nutzen. Das Testmodell wird durch UML-Zustandsautomaten grafisch modelliert, damit diese Informationen zur Reportdarstellung wiederverwendet werden können. Es stellt sich heraus, dass zwei Modelle übersichtlicher sind und die Testfallerstellung vereinfachen. Das eine Testmodell erzeugt die Testfälle, während das andere Testmodell die Testfälle bewertet und zur Reportdarstellung verwendet wird. Diese Aufteilung ermöglicht auch eine Anwendbarkeit des zweiten Modells auf alle drei Testplattformen.Item Open Access Modellbasierter Entwurf virtueller Sensoren zur Regelung von PKW-Dieselmotoren(2012) Fick, Matthias; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit beschreibt einen modellbasierten Entwurf virtueller Sensoren zur Schätzung von Messgrößen, deren sensitive Erfassung nicht erwünscht, bzw. unter den gegebenen Randbedingungen nicht möglich ist. Das Verfahren wird anhand von Beispielen diskutiert. Ein nulldimensionales Modell der innermotorischen Vorgänge stellt die Basis für den anschließenden Entwurf der virtuellen Sensoren dar. Es werden die thermodynamischen Grundlagen zur Berechnung der Vorgänge im Zylinder, den Ein- und Auslasskanälen sowie im Abgaskrümmer behandelt. Das für den Wärmeübergangsansatz nach Bargende benötigte Turbulenzmodell wird um einen Produktionsterm erweitert. Unter Berücksichtigung der zu- und abgeführten Wärmeströme wird auf Basis der energetisch mittleren Gastemperatur eine Gleichung zur Berechnung der Sensortemperatur eines Thermoelements hergeleitet. Die Berechnung der Zusammensetzung des Verbrennungsgases im chemischen Gleichgewicht erfolgt unter Berücksichtigung feuchter Luft. Die Stoffeigenschaften werden über eine Mischung der als ideales Gas betrachteten Einzelkomponenten des Verbrennungsgases beschrieben. Die thermodynamischen Eigenschaften sowie die Transportkoeffizienten Viskosität und Wärmeleitfähigkeit werden mit Hilfe eines Komponentenansatzes bestimmt und für die Transportkoeffzienten Näherungsgleichungen in Abhängigkeit von Temperatur und Luftgehalt vorgeschlagen. Das Konzept des virtuellen Sensors wird vorgestellt. Es wird vorgeschlagen, das Ein-/Ausgangsverhalten zunächst anhand physikalischer Zusammenhänge abzubilden und anschließend in eine mathematische Beschreibungsform zu bringen. Im Weiteren werden die notwendigen Grundlagen zur Schätzung der Modellparameter mittels Regressionsanalyse diskutiert. Zur Lösung des Problems wird der Levenberg-Marquardt Algorithmus vorgeschlagen und das Problem der Korrelation der erklärenden Variablen diskutiert. Exemplarisch wird der Entwurf eines virtuellen Sensors zur Schätzung der Abgastemperatur auf Basis der kalorischen Zustandsgleichung idealer Gase und dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik vorgestellt. Die für das Problem relevanten Wärme- und Energieströme werden durch echtzeitfähige Mittelwertmodelle beschrieben. Dabei wird auf die Schätzung der technischen Arbeit, der zugeführten Enthalpieströme sowie des Wandwärmestroms über die Brennraumwand, den Auslasskanal und den Abgaskrümmer hinweg eingegangen. Die Modellparameter werden mittels Regressionsanalyse ermittelt. Im Weiteren wird das Konzept auf die Brennraumwandtemperatur im Bereich des Steges zwischen den Ein- und Auslassventilen angewendet. Analog dem virtuellen Abgastemperatursensor werden die integralen Wärmeströme anhand eines stark vereinfachten Ansatzes ermittelt. Sowohl die energetisch mittlere Massenmitteltemperatur als auch der energetisch mittlere Wärmeübergangskoeffizient werden dabei durch empirische Modelle beschrieben. Sämtliche Ergebnisse werden anhand stationärer sowie instationärer Messungen diskutiert und die Sensitivität der erklärenden Variablen untersucht.Item Open Access Ein Injektorkonzept zur Darstellung eines ottomotorischen Brennverfahrens mit Erdgas-Direkteinblasung(2011) Bohatsch, Stefan; Bargende, Michael (Prof. Dr-Ing.)Mitte der 70er Jahre wurde von Forschern eine steigende Erwärmung der Erdtemperatur seit Beginn des 19. Jahrhunderts festgestellt und die Suche nach den Ursachen begann. Dabei stellte sich heraus, dass im Vergleich zu früheren Wärmeperioden auf der Erde die Geschwindigkeit des aktuellen Temperaturanstiegs deutlich höher ist als in früheren Zeiten. Eine menschliche Einwirkung auf diesen Prozess ist durch den Umstand der zu diesem Zeitpunkt einsetzenden Industrialisierung sehr wahrscheinlich, denn ein nennenswerter Faktor dieses so genannten Treibhauseffektes ist der Anstieg der CO2-Konzentration in der Erdatmosphäre. Als Konsequenz dieser Diskussionen sowie die Frage nach der Reichweite heutiger Rohöl-ressourcen müssen Alternativen zu den heute vorherrschend eingesetzten Kraftstoffen auf Rohölbasis entwickelt werden. Neben Wasserstoff als potenziell CO2-neutraler Energieträger, elektrischen Antriebskonzepten und Kraftstoffen aus Biomasse ist auch Erdgas eine interessante Alternative. Aufgrund seines günstigen Kohlenstoff- / Wasserstoff-Verhältnisses von 1:4 können schon allein durch die Verwendung von Erdgas als Kraftstoff die CO2- Emissionen eines Fahrzeuges um rund 25 % gesenkt werden. Zudem enthält neben Erdgas auch Biogas Methan als Hauptbestandteil. Eine weitere Reduktion des CO2-Niveaus erfordert erdgasspezifische Brennverfahren. Dabei sind Diesel- und HCCI-Brennverfahren nur in Verbindung mit Hilfszündquellen wie etwa permanent betriebenen Glühstiften oder in Kombination mit anderen, leichter entflammbaren Kraftstoffen, z. B. Wasserstoff oder einer Pilotmenge Dieselkraftstoff möglich. Die aktuell verfügbaren Pkw mit Erdgasantrieben arbeiten deshalb mit ottomotorischen Brennverfahren. Die Motoren entsprechen weitgehend dem Benzin-Serienstand. Zunehmend spielt die Aufladung der Motoren zur Leistungssteigerung eine Rolle. Um die Effizienz der Motoren weiter zu steigern, ist eine Optimierung auf den Kraftstoff Erdgas notwendig. Eine Möglichkeit hierzu ist die hier untersuchte Direkteinblasung. Damit lässt sich analog zur Benzin-Direkteinspritzung ein geschichteter Motorbetrieb darstellen und die konzept-bedingten Verluste durch den Ladungswechsel deutlich verringern. Hierzu wurde ein Injektorkonzept erarbeitet, das den Anforderungen eines solchen Brenn-verfahrens gerecht wird. Vor allem die notwendige kompakte Bauform und die hohen benötigten Durchflüsse aufgrund des niedrigen volumenbezogenen Heizwertes von Erdgas wurden dabei berücksichtigt. Zur Realisierung des benötigten Durchsatzes wurde eine nach außen öffnende Düsengeometrie gewählt. Entsprechend dem heutigen Stand der Technik wird der Injektor direkt magnetisch betätigt. Der Injektor ist so konzipiert, dass ein uneingeschränkter Motorbetrieb bis an die Spitzen-druckgrenze des Versuchsaggregates (ein Einzylinder-Forschungsaggregat auf Basis des Mercedes M271 mit zentraler Injektorlage) möglich ist. Das Konzept wurde dabei so ausgelegt, dass ein Einblasedruck von 20 bar ausreicht, um sowohl einen geschichteten als auch einen homogenen Motorbetrieb darzustellen. Der maximale Einblasedruck beträgt 50 bar, danach führt die integrierte Fail-Safe Funktion dazu, dass der Injektor nicht mehr öffnet. Der Berstdruck wurde auf 200 bar ausgelegt, was dem heutigen Stand der Speicherung von Erdgas in Fahrzeuganwendungen entspricht. Zur Überwachung der Funktionalität verfügt der Injektor über einen Nadelhubsensor. Des weiteren ist der Nadelhub über Distanzscheiben auf einen Hub bis zu 0,5 mm einstellbar. Bei 20 bar Einblasedruck ist ein Nadelhub von 0,25 mm ausreichend, um die volle Motorleistung zu gewährleisten. Ein Unterdrücken des Prellens der Injektornadel ist durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Endstufe möglich. Weiter zeigte sich, dass vor allem im Homogenbetrieb ein sehr stabiler ballistischer Betrieb mit reduziertem Nadelhub möglich ist. Im Vergleich zu berechneten Homogenkennfeldern zeigt sich im am Prüfstand untersuchten Schichtbetrieb ein Verbrauchsvorteil von 25 % im Bestpunkt mit einem spezifischen indizierten Verbrauch von 198 g/kWh bei 2000 1/min und 3 bar indiziertem Mitteldruck. Die durchgeführten Fahrdynamikberechnungen auf Basis des Neuen Europäischen Fahrzyklus ergaben ein Verbrauchssenkungspotenzial von 23 % bei der Kombination von Schichtbetrieb und Abgasturboaufladung im Vergleich zum Serienstand mit Homogenbetrieb und Kompressoraufladung. Die Kombination Kompressoraufladung mit Schichtbetrieb ermöglicht eine Verbrauchsreduktion von ca. 8 %. Für das Referenzfahrzeug Mercedes E200 können damit die CO2-Emissionen auf 133 g/km gesenkt werden, was im Vergleich zur Benzin- variante (215 g/km) einer Minderung von 38 % entspricht.Item Open Access 3D CFD Simulation von Turboladern innerhalb einer Motorumgebung(2014) Boose, Benjamin; Bargende, Michael (Prof. Dr.)Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird das Verhalten mehrflutiger Abgasturbolader innerhalb einer Motorumgebung mit pulsierenden Randbedingungen in verschiedenen Motorbetriebspunkten mittels eines CFD Ansatzes untersucht. Dazu wird ein vollständiges dreidimensionales Strömungsmodell eines asymmetrischen Zwillingsstromturboladers aufgebaut, beginnend bei den Abgaskrümmern über die Turbinen- und Verdichtergehäuse inklusive der kompletten Laufräder bis hin zum Vorkatalysator. Die Eintrittsrandbedingungen für die Abgaskrümmer bestehend aus zeitabhängigem Massenfluss und Temperatur für zwei Motorbetriebspunkte bei hoher und niedriger Drehzahl werden von einem eindimensionalen Strömungsmodell des gesamten Motors generiert. Die Turbinen- und Verdichterseite des Modells sind durch ein Momentengleichgewicht gekoppelt und die aktuelle Turboladerdrehzahl wird für jeden Zeitschritt berechnet. Aus diesem Grund werden für die Analyse des Turboladers weder Turbinen- noch Verdichterkennfelder benötigt. Um die Rotation der Laufräder zu modellieren, wird ein Ansatz mit explizit bewegten Gittern verwendet und die Laufradgitter werden vor jedem Zeitschritt mittels eines Gitterinterfaces an die stationären Gehäuse gekoppelt. Als Ergebnisse des Modells werden verschiedene zeitaufgelöste physikalische Größen sowie Wellenleistung und Laderdrehzahl ausgewiesen. Auf Grund der pulsierenden Druckrandbedingung ist es ebenfalls möglich, die instationären Effekte wie Befüllen und Entleeren der Turbine zu untersuchen. Darüberhinaus ist das Modell dieser Forschungsarbeit in der Lage sowohl den instationären Wirkungsgrad unter Druckpulsationen als auch die Überströmverluste, welche durch die unterschiedlichen Druckniveaus der Fluten bei pulsierender Beaufschlagung entstehen, zu analysieren. Um diese Verluste zu quantifizieren, werden neue Kennzahlen eingeführt. Auf Basis der asymmetrischen Zwillingsstromturbine wird eine Doppelstromturbine und eine symmetrische Zwillingsstromturbine mit dem selben Volumen konstruiert. Es werden identische Randbedingungen und die gleichen Laufräder für die Analyse der beiden neuen Varianten verwendet. Diese Turbinenlayouts werden mit dem Ausgangsmodell bezüglich Laderdrehzahl, Wellenleistung und instationärem Wirkungsgrad verglichen. Mit Hilfe neu eingeführter Kennzahlen ist ein Vergleich der Überströmverluste innerhalb der Turbine und des daraus folgenden Rückströmens in den Abgaskrümmer möglich. Das Rückströmen führt zu einem erhöhten Abgasgegendruck und beeinflusst den Ladungswechsel des Zylinders.Item Open Access Numerische und experimentelle Analyse der Wärmeübertragung einer Abgasanlage im Gesamtfahrzeug(2015) Enriquez-Geppert, Joshua; Wiedemann, Jochen (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Weiterentwicklung der numerischen Berechnungsmethoden, die als Entwicklungswerkzeug im Fahrzeugentstehungsprozess Anwendung finden. Der Beitrag bezieht sich im Speziellen auf die thermische Absicherung im Gesamtfahrzeug. Modelle, die für die thermische Absicherung verwendet werden bilden die Durchströmung des Motorraums ab und lassen unter Berücksichtigung von Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung Aussagen über erwartete Temperaturen zu. Wichtig für die Aussagefähigkeit der Simulationsergebnisse dabei ist die Berücksichtigung der im Fahrbetrieb anfallenden Verlustenergie bzw. Wärmequellen. Die Abgasanlage stellt eine wichtige Wärmequelle für die Betrachtung von Luft- und Bauteiltemperaturen im Gesamtfahrzeug dar. Gegenwärtig wird der Wärmeeintrag der Abgasanlage in der CFD- und thermischen Simulation durch die Vorgabe fester Temperaturwerten auf der Geometrieoberfläche berücksichtigt. Dies erlaubt jedoch nur eine bedingte Vorhersagefähigkeit. Desweiteren müssen diese Werte Messungen entnommen werden. Das Potenzial der numerischen Simulation wird dadurch beschränkt, da diese schon vor der ersten Hardware eingesetzt werden soll. Weiterhin sollen zukünftig auch für die thermische Absicherung wichtige instationäre Lastfälle in der Gesamtfahrzeugauslegung betrachten werden. Dies macht die Einbindung der thermischen Simulation der Abgasanlage zwingend notwendig, denn insbesondere für den sogenannten instationären Nachheizlastfall muss die Abgassystem gespeicherte Wärme und Temperaturverteilung berücksichtigt werden. Um einen Ansatz zur Lösung der zuvor geschilderten Problematik zu liefern, wird erstmalig ein Berechnungsverfahren entwickelt und validiert, das es ermöglicht Oberflächentemperaturen der Abgasanlage im Gesamtfahrzeugmodell ausgehend vom Abgasmassenstrom und der Abgastemperatur sowie dem lokalen geometrie- und materialabhängigen Wärmedurchgang zu berechnen. Die Interaktion mit der Fahrzeugumgebung muss berücksichtigt werden, was eine direkte Koppelung aller Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich macht. Die Bilanzierung aller Wärmeübertragungsmechanismen stellt gegenwärtig eine Herausforderung in der Gesamtfahrzeugbetrachtung dar, da komplexe Einflüsse zu sehr großen und für den Entwicklungseinsatz ungeeigneten Berechnungsmodellen führen. Das in dieser Arbeit entwickelte Berechnungsverfahren befasst sich mit dieser Herausforderung und bietet eine Lösung, um dennoch die Interaktion zwischen Abgasanlage und Fahrzeugumgebung zu ermöglichen. Eine weitere Zielsetzung besteht in der Analyse thermisch kritischer Lastfälle unter dem Regelungseingriff der Dieselpartikelfilterregeneration. Da während der Regeneration sehr hohe Abgastemperaturen entstehen, werden hierdurch thermisch kritische Lastfälle zusätzlich verschärft. Zusammenhänge und Einflussfaktoren, die zu einem Worst Case führen werden experimentell auf dem Motorenprüfstand untersucht und kategorisiert. Es kann ein stationärer Ersatzlastfall abgeleitet werden, der die thermische Bewertung der Regeneration im Gesamtfahrzeug unter Anwendung des zuvor entwickelten Berechnungsverfahrens ermöglicht.Item Open Access Präzise Fahrzeugpositionierung durch Entzerrung der gepulsten magnetischen Flussdichteverteilung einer Ladespule(2017) Martinovic, Dean; Reuss, Hans-Christian (Prof. Dr.-Ing.)Elektrofahrzeuge werden in Zukunft nicht mehr per Kabel, sondern mittels induktiver Ladesysteme mit Strom versorgt. Um eine hohe Ladeleistung sicher übertragen zu können, müssen die Spulen hinreichend genau übereinander positioniert werden, was für den Fahrer eine kaum lösbare Aufgabe darstellt. Das allgemeine Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, eine neue Methode zu untersuchen, die ein gepulstes Magnetfeld der Ladespule zu dessen Ortung nutzt. Hierbei wird das magnetische Pulssignal durch den ferromagnetischen Unterboden des Elektrofahrzeugs verzerrt. Dieser verändert die Pulsamplitude entsprechend einer unbekannten Abbildung, ohne deren Kenntnis eine präzise und eindeutige Positionierung nicht möglich ist. Die Herausforderung der vorliegenden Arbeit ist daher die Bestimmung dieser Abbildung samt ihrer Eigenschaften und Abhängigkeiten. Theoretische Untersuchungen zeigen, dass die Abbildung allgemein vom nicht-deterministischen magnetischen Zustand des Unterbodenmaterials abhängt und dessen messtechnische Erfassung kaum möglich ist. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wird jedoch hergeleitet, dass die Ladespule, das Elektrofahrzeug und die umgebende Atmosphäre zusammen einen magnetischen Kreis bilden, der aufgrund der sehr hohen Reluktanz der Atmosphäre linear ist. Änderungen des magnetischen Zustands haben folglich keinen Einfluss auf die Abbildung. Diese ist somit reproduzierbar und kann messtechnisch einfach erfasst werden. Die These wird für unterschiedliche magnetische Zustände experimentell nachgewiesen. Basierend auf den Forschungsergebnissen wird ein vollständiger Prototyp entwickelt und in ein Versuchsfahrzeug integriert. Das Gesamtsystem wird anschließend erfolgreich getestet. Die gefundenen Ergebnisse zeigen, dass mittels gepulster magnetischer Felder eine universelle, kostengünstige, sichere und präzise Positionierung von Elektrofahrzeugen möglich ist. Dies unterstreicht das Potential des neuen, komfortablen Positionierungsverfahrens eine Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität zu werden.Item Open Access Fundamentals of thermodynamic for pressure-based low-temperature premixed diesel combustion control(2013) Rebecchi, Patrick; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)This thesis shows the results of investigations about the combustion mechanisms of low-temperature premixed processes, in particular those in which only a partial homogenization of the fuel mixture is achieved, since they represent a realistic solution for commercial engine applications. Measurements has been carried out on a modern 6-cylinder diesel engine equipped with a rapid-prototyping ECU and in-cylinder pressure sensors. The engine has been operated on a dynamic test bench. On the base of thorough combustion analysis a new closedloop combustion control strategy has been defined. This has been completed by a procedure for allowing to switch the combustion mode to conventional diffusive combustion extending the drivability range up to engine full-load.Item Open Access Kosten-Effektivitäts-Analyse von Maßnahmen zur Reduzierung der SO2- und NOx-Emissionen in Ballungsräumen am Beispiel der Stadt Stuttgart(1987) Voß, Alfred; Friedrich, Rainer; Boysen, Barbara; Mattis, Marcus; Bach, Heinz; Claus, Guenther; Bäßler, Rudolf; Essers, Ulf; Greiner, Rolf; Besser, PeterKosten und Effektivität verschiedener Maßnahmen zur Reduzierung von SO2- und NOx-Emissionen in großen Städten werden am Beispiel der Stadt Stuttgart untersucht. Dazu werden SO2- und NOx-Emissionen bis zum Jahr 2000 in Stuttgart in allen Sektoren stadtteilweise berechnet. Anschließend werden Maßnahmen zur Minderung von SO2- und NOx- Emissionen für die verschiedenen Emittentengruppen (Kraftwerke, sonstige genehmigungsbedürftige Anlagen, nicht genehmigungsbedürftige Anlagen, Verkehr) identifiziert und analysiert. Ihre Anwendung wird simuliert und die dabei entstehenden Kosten und Emissionsminderungen ermittelt. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für eine möglichst effiziente Umweltpolitik abgeleitet.Item Open Access Turbulenzmodellierung für quasidimensionale Motorprozessrechnung(2017) Bossung, Christoph; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird ein quasidimensionales Ladungsbewegungs- und Turbulenzmodell für ottomotorische Motorprozessrechnung präsentiert. Die Grundlage bildet ein k-epsilon-Turbulenzmodell. Eine Beschreibung von spezifischer turbulenter kinetischer Energie und Dissipation im Zylinder erfolgt nulldimensional. Als Quellterme für Turbulenzproduktion werden die Einflüsse von einströmender kinetischer Energie, Tumble, Kolbenbewegung und Kompression berücksichtigt. Es wird ein Tumble-Modell mit quasidimensionaler Modellierung der Turbulenzproduktion innerhalb des Tumble-Wirbels vorgestellt. Dissipation wird auf Basis eines Turbulenz-Längenmaßes, in Abhängigkeit von Zylindergeometrie und Einlass-Ventilhub bestimmt. Zusätzlich wird die inhomogene Verteilung spezifischer kinetischer Energie während der Einströmphase berücksichtigt. Es wird eine Verbindung des präsentierten Turbulenzmodells mit einem Brennverlaufsmodell für homogene ottomotorische Verbrennung – Entrainmentmodell – gezeigt. Die Ergebnisse werden in Form von vorhergesagten und mittels Druckverlaufsanalyse ermittelten Brennverläufen auf Basis von Messdaten diskutiert.Item Open Access Ventiltriebkonzepte zur Verbrauchsreduzierung bei Motorradmotoren(2013) Mincione, Giovanni; Bargende, Michael (Prof. Dr.-Ing.)In der vorliegenden Arbeit wird das Verbrauchspotential bei Motorradmotoren von zwei variablen Ventiltrieben, dem mechanischen vollvariablen Ventiltrieb (VVT) und dem Schaltnockensystem (SN) verglichen. Im für den Abgastest relevanten TL-Bereich werden zwei Betriebspunkte mit niedriger und höher Last für die stationären Untersuchungen definiert. Für die Darstellung des entdrosselten Betriebs wird die Ventilhubstrategie mit frühem Einlass Schließen (FES) gewählt. Die zu untersuchenden Ventilhubprofile werden durch Verkürzung der Öffnungsdauer (OD) der Basisnocke unter Beibehaltung der maximalen Ventilbeschleunigung generiert. Die rechnerischen Ergebnisse in der unteren Teillast zeigen, dass sowohl kurze (ca. 40% der Basis-ÖD) als auch mittellange (ca. 70% der Basis-ÖD) Ventilhubprofile zu einem vollentdrosselten Betrieb mit gravierender Absenkung der Ladungswechselverluste führen. Stark unterschiedlich ist aber der sich ergebende Restgasgehalt, der bei mittellangen Hubprofilen auf höherem Niveau liegt. Im oberen Teillastbereich zeigen die Simulationen ebenfalls einen deutlichen Effekt der Entdrosselung auf die Ladungswechselverluste, wobei das allgemein niedrige Restgasgehaltniveau weniger beeinflusst wird. Die Verbrennungsstabilität in der unteren Teillast stellt bei Motorradmotoren, aufgrund ihrer speziellen konstruktiven Eigenschaften, eine große Herausforderung dar. Darüber hinaus führt der FES-Ansatz zu einer Absenkung des Turbulenzniveaus im Brennraum sowie des effektiven Verdichtungsverhältnisses. Mittels dreidimensionaler Strömungssimulation werden verschiedene Maßnahmen analysiert, die für eine Verstärkung der Ladungsbewegung sorgen. Die experimentellen Ergebnisse im unteren TL-Bereich bestätigen, dass Hubprofile mit kurzer ÖD bei Vollentdrosselung zu einer gravierenden Absenkung der Ladungswechselarbeit führen (VVT-Ansatz). Hubprofile mit mittellanger ÖD sind im vollentdrosselten Betrieb nicht zielführend, da die Verbrennungsstabilität aufgrund des hohen Restgasgehalts und des niedrigen Turbulenzniveaus sehr kritisch wird. Diese Hubprofile können aber als SN-Varianten ohne Einsatz eines Einlassphasenstellers mit späterer Einlassspreizung und angestellter Drosselklappe betrieben werden. Dies führt zu einer hervorragenden Verbrennungsstabilität und dadurch erreichen die SN-Hubprofile ebenfalls einen Verbrauchsvorteil gegenüber der Basisnocke. Die geringe Reibleistung, die sich aus dem reduzierten Ventilhub ergibt, wirkt sich in der unteren Teillast zusätzlich auf den Kraftstoffverbrauch aus. In Summe zeigen die SN-Hubprofile eine Verbrauchseinsparung von 6%, während die VVT-Hubprofile durch die Vollentdrosselung die 10% erreichen. Im oberen TL-Bereich gibt es zwischen VVT- und SN-Hubprofilen kaum Unterschiede, da beide hier für den entdrosselten Betrieb ausgelegt sind. Die Verbrennungsstabilität liegt schon bei der Basisnocke auf hohem Niveau. Der Effekt der niedrigen Ladungswechsel- und Reibungsverluste auf den Kraftstoffverbrauch ist aufgrund der höheren Last gering. Insgesamt beträgt hier der erzielbare Verbrauchsvorteil ca. 6%. Eine Potentialabschätzung im ganzen Abgastestbereich ergibt für das Schaltnockensystem ohne Phasensteller eine Verbrauchseinsparung von ca. 7%, die bei dem VVT mit Phasensteller auf fast 10% ansteigen würde. Die ersten Versuche auf dem Motorprüfstand mit einer SN-Variante im transienten Betrieb bestätigen die Prognose aus den stationären Messwerten. Der Einsatz von Ventiltriebvariabilitäten in der Volllast wird ebenfalls evaluiert. Bei dem SN-System werden eine Drehmoment- und eine Leistungsnocke kombiniert. Dadurch ergibt sich ein sehr fülliger Drehmomentverlauf. Durch Verlängerung der Getriebeübersetzung kann somit ein Verbrauchsvorteil von ca. 2% erzielt werden. Beim VVT liegt die große Herausforderung in der Volllast bei der mechanischen Festigkeit. Die Hubprofile sind flacher als bei starren Ventiltrieben und das maximale Drehmoment sinkt. Aufgrund seiner konstruktiven Eigenschaften wird das Schaltnockensystem ohne Einlassphasensteller als ein günstiger Kompromiss bewertet, falls keine weiteren Anforderungen hinsichtlich Drehmoment und Leistung bestehen. Allerdings gilt es noch zu überprüfen, ob eine unauffällige Nockenumschaltung in der Teillast darstellbar ist. Der vollvariable Ventiltrieb bietet eine breitere Möglichkeit der Optimierung, aber die Drehzahlfestigkeit stellt eine große Herausforderung dar. Die Notwendigkeit eines Einlassphasenstellers macht die Komplexität eines derartigen Systems noch höher.