Studienabschlussarbeiten

Neue Abgasgesetze beinhalten immer striktere Grenzwerte und Testrandbedingungen der Schadstoffemissionen. Diese Verschärfung der gesetzlichen Anforderungen verlangt neue technische Konzepte in der Abgasnachbehandlung (AGN). Mit der Einführung der geplanten Emissionsgesetzgebungen EU7 in Europa und CN7 in China gewinnt dabei zunehmend die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors an Relevanz. Um die Schadstoffkonzentration im Abgas weiter senken zu können, muss insbesondere der Katalysator schnell auf seine Konvertierungstemperatur gebracht werden. Zu diesem Zweck werden Konzepte zum zusätzlichen Eintrag von thermischer Energie in die Abgasanlage (AGA) untersucht. Eine vielversprechende Technologie stellt in diesem Zusammenhang ein Kraftstoffbrennersystem dar. Die vorliegende Bachelorarbeit verfolgt dabei das Ziel, die Integration eines solchen Brennersystems in den Fahrzeugen der Mercedes-AMG GmbH zu untersuchen. Dazu werden durch eine Systembeschreibung und eine Marktanalyse die Rahmenbedingungen für eine Integrationsstudie geschaffen. Auf dieser Grundlage wird eine technische Umsetzung des Brennersystems im Fahrzeug erarbeitet. Die erstellten Lösungsvarianten werden nach festgelegten Bewertungskriterien bezüglich ihrer Vor- und Nachteile miteinander verglichen, um anschließend die besten Konzepte auszuwählen. Nach simulativen Untersuchungen der erstellten Konzepte folgt eine Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse, um die Risiken der Integration sowie weiterführende Fragestellungen aufzuzeigen. Die Ergebnisse der Marktanalyse zeigen, dass der Brenner von Daimler das derzeit größte Potential für eine Integration im Fahrzeug bietet. Nach Prüfung der Konstruktionsrandbedingungen ist eine Positionierung des Systems nur im Motorbauraum der Fahrzeuge möglich. Durch die konstruktive Erstellung von Konzepten kann gezeigt werden, dass eine Integration des Daimler Brenners sowohl in Baureihen mit M139 Reihenvierzylindermotoren als auch mit M177 Achtzylindermotoren aus bauraum- und fertigungstechnischer Sicht möglich ist. Es besteht außerdem die Option einer Vereinbarkeit des Daimler Brenners mit einer Niederdruckabgasrückführung als weitere emissionsmindernde Maßnahme beim M177-Aggregat. Strömungssimulationen zeigen, dass mit konventionellen Isolationskonzepten hohe Oberflächentemperaturen der Komponenten auftreten, welche Auswirkungen auf umliegende Bauteile haben und somit ein Risiko für die Realisierbarkeit der Integrationskonzepte darstellen. Anhand von Hardwareversuchen muss bewiesen werden, ob der Brenner allein oder in Kombination mit weiteren Maßnahmen in der Lage ist, die EU7 und CN7 Anforderungen zu erfüllen. Aufgedeckte Risikofaktoren zu den Brennereigenemissionen, zur passiven Sicherheit und zum Regelungskonzept des Brenners führen zu der Entscheidung, dass der Einsatz eines Brennersystems zur Bewältigung zukünftiger Emissionsanforderungen derzeit in Fahrzeugen der Mercedes-AMG GmbH nicht weiterverfolgt wird. Um das System für einen potenziellen Einsatz in einem Fahrzeug zu ertüchtigen, bedarf es weiterführender Entwicklungsarbeit in den genannten Risikobereichen.

Die multispektrale Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in gasförmigen Medien profitiert von der Präzision eines optischen Messverfahrens. Das australische Unternehmen Marab Pty. Ltd. hat anhand eines ersten technischen Funktionsprinzips die Anwendbarkeit einer solchen optischen Messmethode nachgewiesen. Für eine Umsetzung dieses Funktionsprinzips muss eine vollständige Auslegung der benötigten optronischen Komponenten erfolgen. In der vorliegenden Masterarbeit wird das wesentliche Prinzip einer optischen Messung der relativen Luftfeuchtigkeit dargestellt. Auf Grundlage des technischen Funktionsprinzips wird eine Konkretisierung der benötigten Anforderungen des Messgeräts für den Einsatz in industriellen Umgebungen vorgenommen. Eine Strahlformung durch verschiedene optische Bauelemente, um einen ausreichenden optischen Weg zu erzeugen, sowie eine anschließende Faltung des erzeugten Strahlengangs für eine Volumenreduktion sind Hauptbestandteile der Arbeit. Anhand dieser Anforderungen werden verschiedene Methoden vorgestellt, um eine Einhaltung der Funktion im optischen Teil des Messsystems zu ermöglichen. Die ausgewählten Funktionsprinzipien dieser Baugruppen werden anschließend numerisch simuliert. Anhand der Simulation wird ein vollständiger mechanischer Aufbau des gesamten optischen Sensors erstellt. Ein technischer Entwurf sowie nötige Justierunterlagen, die eine vollständige Fertigung des Sensors ermöglichen, wurden angefertigt. Über einen Labordemonstrator werden die kritischen Hauptfunktionselemente hinsichtlich der erreichten Strahlqualität und Einsatzfähigkeit der Justierstellen überprüft. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass das erstellte Sensorsystem seine volle Funktionsfähigkeit hinsichtlich der geforderten Volumenreduktion und der Strahlführung im Zusammenspiel der optischen und mechanischen Bauelemente erreicht. Zusätzlich wird eine Abschätzung der Fertigungskosten vorgenommen, wobei ersichtlich wird, dass der Sensor durch die Verwendung von optischen und hochpräzisen mechanischen Bauteilen deutlich über den Kosten eines möglichen Konkurrenzproduktes liegt. Zusammenfassend wird das erstellte Sensorsystem hinsichtlich der erreichten Ergebnisse eingeschätzt und ein Ausblick in den weiteren Projektverlauf zur Fertigstellung des gesamten Sensors gegeben.

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Aufbaus zur synchronen Aufnahme eines Objektfeldes durch die Kombination einer Kamera für den sichtbaren Bereich des Lichtes und einer Kamera für den kurzwelligen Infrarotbereich. Dabei werden die Materialeigenschaften des Silizium CCD oder CMOS Sensors und des Indium-Gallium-Arsenid CMOS Sensors jeweils für den sichtbaren und den infraroten Bereich zunächst in der Theorie vorbereitet. Daraufhin werden diese in einer neuen Anordnung in Verbindung mit anderen passiven optischen Bauelementen zur Anwendung gebracht. Die Anordnung dient dazu den visuellen und den infraroten Kanal voneinander zu trennen, um die Kanäle dann auf die entsprechenden Sensoren zu fokussieren. Zusätzlich wird für diese Anordnung eine breitbandige Beleuchtung entwickelt, welche dazu dient, das Objektfeld mit dem Testobjekt zu beleuchten. Der Aufbau soll im Kontext eines Bilderfassungssystems für komplexe Sortieraufgaben zum Einsatz kommen. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung dieses Aufbaus unter Zuhilfenahme der wissenschaftlichen Fachliteratur und verfolgt verschiedene Lösungsansätze. Ziel des Projektes ist es in der Lage zu sein visuelle und infrarote Bilddateien am Ausgang des Bildaufnahmesystems einer digitalen Bildverarbeitung bereit zu stellen.

Die stereoskopische Bildverarbeitung zur 3D-Bilddatengewinnung spielt eine zunehmend große Rolle in verschiedenen Anwendungsfeldern. Insbesondere die Kombination mit künstlichen neuronalen Netzen verspricht neuartige Leistungsfähigkeiten. In dieser Arbeit wird ein Überblick zur aktuellen Entwicklung von Stereo Matching Algorithmen basierend auf neuronalen Netzen gegeben und Auswahlkriterien geschildert. Das ausgewählte modulare neuronale Netz AANet (Adaptive Aggregation Network for Efficient Stereo Matching, ein Convolutional Neural Network) und eine verbesserte Variante AANet+ werden mit zwei konventionellen Bildzuordnungsverfahren (Semi-Global Block Matching und DAISY Deskriptor) vorgestellt und verglichen. Die Implementation dieser Software und der Einsatz über eine Nvidia GeForce RTX 2060 SUPER Grafikkarte, sowie verfügbare vortrainierte Modelle und Datensätze werden ausgeführt. Es wird zudem auf eingesetzte und in der Programmiersprache Python geschriebene Vorverarbeitungsschritte eingegangen. Die 3D-Bilddatengewinnung findet über die Korrespondenzpunktsuche und die anschließende Generierung von Disparitätskarten statt. Für die genannten Verfahren wurden Disparitätskarten erzeugt und evaluiert, um die Eignung des AANet zu beurteilen. Dazu stehen sowohl veröffentlichte Datensätze mit rektifizierten Bildpaaren und Grundwahrheiten bereit, als auch ein Datensatz, welcher Szenerien mit unterschiedlicher Messanordnung zeigt, sowie ein selbst erstellter synthetischer Datensatz. Dieser wurde in der Software Blender mit Grundwahrheit erzeugt. In der Arbeit konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von AANet unter bestimmten Rahmenbedingungen gute Ergebnisse liefert. AANet kann abhängig vom vortrainierten Modell sehr gut mit ähnlichen Bildpaaren zum Modell arbeiten und liefert dabei bei hoher Schnelligkeit gute Bildqualitäten ohne weitere Anpassungen zu benötigen. Im Vergleich zu DAISY und SGBM liefert es bessere Ergebnisse unter diesen Voraussetzungen. Die Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass bei größerer Variation des Basisabstands der Kameras dieser Vorteil nicht gegeben ist. SGBM liefert im Vergleich zu AANet mit dem vortrainierten Modell des KITTI Datensatzes bei geringen Basisabständen bessere Ergebnisse, wohingegen der DAISY Deskriptor bei großen Basisabständen bessere Ergebnisse erzielt, wenn diese Algorithmen dementsprechend eingestellt werden. Dabei verhielten sich in den Untersuchungen synthetische und reale Bilder ähnlich.

Die folgende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Aufbaus zur synchronen Aufnahme eines Bildfeldes durch die Kombination einer Kamera für den sichtbaren Bereich des Lichtes und einer Kamera für den kurzwelligen Infrarotbereich. Dabei werden die Eigenschaften des Silizium CCD Sensors und des Indium-Gallium-Arsenit CCD Sensors jeweils für den sichtbaren und den infraroten Bereich zunächst wissenschaftlich diskutiert. Daraufhin werden diese in einer neuen Anordnung in Verbindung mit anderen passiven optischen Bauelementen zur Anwendung gebracht. Die Anordnung dient dazu den visuellen und den infraroten Kanal voneinander zu trennen, um die Kanäle dann auf die entsprechenden Sensoren zu fokussieren. Zusätzlich wird an die Anordnung eine breitbandige Beleuchtung entwickelt, welche dazu dient, das Bildfeld mit dem Testobjekt zu beleuchten. Der Aufbau soll im Kontext eines Bilderfassungssystems für eine komplexe Sortieraufgabe zum Einsatz kommen. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung dieses Aufbaus unter Zuhilfenahme der wissenschaftlichen Fachliteratur und verfolgt verschiedene Lösungsansätze. Ziel des Projektes ist es in der Lage zu sein visuelle und infrarote Bilddateien am Ausgang des Bildaufnahmesystems einer digitalen Bildverarbeitung bereit zu stellen.