Studentische Abschlussarbeiten

Das hochautomatisierte und autonome Fahren ist derzeit ein sehr beliebtes Forschungsgebiet. Autonome Fahrzeuge werden sowohl im individuellen als auch im öffentlichen Straßenverkehr stark nachgefragt. Im individuellen Straßenverkehr kann der Einsatz von hochautomatisierten Fahrtechniken die Ermüdung des Fahrers nach langen Fahrzeiten verringern. Sie gewährleistet die Sicherheit von Fahrern und Fahrgästen. Im öffentlichen Straßenverkehr kann der Verkehrsfluss optimiert werden. Die Entwicklung der Fahrzeuglängsführung ist eine der Schlüsseltechnologien für das autonome Fahren. Sie bildet die Grundlage für die Einführung anderer Technologien. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer adaptiven Fahrzeuglängsführung zur Nutzung in hochautomatisierten Fahrzeugen. Die Entwicklungsarbeit ist in zwei Teile gegliedert, die Entwicklung des Geschwindigkeitsplaners und die Entwicklung des Reglers. Verschiedene Geschwindigkeitsplanungen können den Komfort und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs beeinflussen. Sicherheit ist jedoch eine Voraussetzung. Um die Sicherheit zu gewährleisten, muss die Geschwindigkeitsplanung adaptiv und vorausschauend sein. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Fahrertypen entworfen: „normal“, „sportlich“, „Langsam+Eco“. Durch die Verwendung des regelbasierten Algorithmus wurde der Geschwindigkeitsplaner entworfen. Der Regler verwendet eine schichtweise Struktur. High Level Regler ist ein PI-Regler. Er rechnet die gewünschte Beschleunigung und die gewünschte Verzögerung aus. Der Low Level Regler wird auf der Grundlage der Eigenschaften des Antriebsstrangs und des Bremssystems des Fahrzeugs entwickelt. Die Gaspedalstellung und die Bremspedalstellung werden auf der Grundlage der gewünschten Beschleunigung und der gewünschten Verzögerung ausgerechnet. Die Simulation wird dann auf einem Stadtverkehr- und einem Rennstrecken-Szenario durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden zum Schluss bewertet.

Der aktuelle Strukturwandel der Automobilindustrie bewirkt eine zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Die Ursachen für diese Entwicklung sind unter anderem die veränderten Umweltschutzinteressen der Gesellschaft, sowie die verschärften Emissionsrichtlinien. Ein großer Vorteil des elektrifizierten Antriebsstrangs ist es, die kinetische Energie beim Bremsvorgang per Rekuperation zurückzugewinnen. Dabei wird die Radbremse des Fahrzeugs entlastet, was sich auch auf den Einlaufprozess der Bremse auswirkt. In der vorliegenden Arbeit soll dieser Einlaufprozess, auch Bedding genannt, für den Anwendungsfall der rekuperativen Betriebsweise untersucht werden. Dafür wird am Schwungmassenprüfstand der TU Ilmenau die rekuperative Betriebsweise simuliert. Als Kompromiss zwischen Abbildung der Realität und möglichst geringem Zeitaufwand wurde ein typisches Fahrszenario auf Basis des WLTP-Zyklus als Belastungskollektiv gewählt. In den Versuchen werden unterschiedliche Reibbelagtypen und Betriebsweisen der Radbremse berücksichtigt. Mit Hilfe der verbauten Messstechnik lassen sich Aussagen über die Partikelemission, das Reibwertverhalten und die umgesetzte Reibarbeit treffen. Damit zudem die Oberflächenkenngrößen, Materialzusammensetzung und der Traganteil der Reibpartner beschrieben werden können, werden ex-situ Untersuchungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Prüfzyklus vorgenommen. Aus den ermittelten Messdaten lässt sich ableiten, dass die rekuperative Betriebsweise der Radbremse ein vom herkömmlichen Verbrennungsfahrzeug abweichendes Einlaufverhalten verursacht. Der verminderte Einsatz der Radbremse spiegelt sich in einer reduzierten Partikelemission und geringerem Verschleiß wieder. Das Reibwertniveau des Vebrennungsfahrzeugs wird nicht erreicht. Es deutet sich an, dass eine lange Distanz nötig ist um dieses Referenzniveau zu erreichen. Resultierend aus den gewonnenen Erkenntnissen sind Ansätze für neue Einlaufstrategien für rekuperative Bremssysteme.

Batterieelektrische Fahrzeuge können beim Abbremsen einen Großteil ihrer kinetischen Energie in elektrische Energie umwandeln. Dies ist besonders erstrebenswert, da dadurch die Reichweite deutlich erhöht werden kann. Durch die Verwendung derartiger rekuperativer Bremssysteme wird die Reibungsbremse am Fahrzeug nur in seltenen Fällen eingesetzt. Dies führt im Vergleich zu Fahrzeugen ohne ein generatorisches Bremssystem zu veränderten Beanspruchungen und Belastungen der Reibungsbremse. Das Ziel dieser Arbeit ist die Nachbildung einer derartigen rekuperativen Betriebsweise eines batterieelektrischen Fahrzeugs. Hierfür werden mit dem Audi e-tron des Fachgebiets zunächst reale Versuchsfahrten unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Dabei sind äußere Faktoren wie die Fahrweise, die Streckenführung und Umweltbedingungen zu berücksichtigen. Hinzu kommen fahrzeugspezifische Einflussgrößen wie z.B. die eingestellte Rekuperatiosstufe, die automatisch ausgeführten Putzbremsungen und der Batterieladezustand zu Beginn der Messfahrt. Ein Großteil der Versuchsfahrten erfolgt zudem unter Einhaltung der RDE-Vorgaben. Außerdem werden einzelne Bremsversuche auf einem abgesperrten Gelände durchgeführt. Anhand der bei allen Versuchsfahrten aufgezeichneten Messdaten erfolgt anschließend eine Analyse hinsichtlich der Eingriffszeit der Reibungsbremse. Mit den Fahrversuchen wurde gezeigt, dass die Fahrweise, die Reku-Stufe und die Putzbremsungen ausschlaggebend für die an der Reibungsbremse umgesetzte kinetische Energie sind. Zudem konnten verschieden Fahrszenarien ausgemacht werden, in denen die Rekuperation am Fahrzeug betriebsbedingt oder aus fahrdynamischen Gründen verringert wurde und somit die Eingriffszeit der Reibungsbremse erhöht wurde.

In der vorliegenden Arbeit wird ein Algorithmus entwickelt, mithilfe dessen eine Partikelerkennung und Verfolgung ermöglicht wird. Dazu werden Videos, die mithilfe eines Tribologieprüfstandes aufgenommen wurden ausgewertet. Jedes Frame im Video wird zunächst durch ein Erkennungsprogramm (basierend auf einem Deep-Learning-Algorithmus) berechnet, um die ungefähre Position jedes Partikels zu ermitteln. Die genaue Position und Größe der Partikel wird mit einem Konturerkennungsalgorithmus korrigiert. Die Partikeldynamik wird anhand der Partikelspositionen von allen Framen berechnet. Die zusätzliche Daten, die auf dem Prüfstand gemessen wurden, sowie die Partikeldynamik und die Partikelgröße werden für weitere Analysen verwendet.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Potenzialen zur Dekarbonisierung des Mobilitätssektors durch Einsatz kohlenstoffarmer bzw. kohlenstofffreier Energieträger. Konkret werden nachhaltige methanbasierte Kraftstoffe an einem im Serieneinsatz befindlichen CNG-PKW-Ottomotor experimentell untersucht. Ein hochdynamischer Motorenprüfstand sowie ein freiprogrammierbares Motorsteuergerät stehen am Fachgebiet Fahrzeugtechnik der TU Ilmenau hierfür zur Verfügung. Die Versorgung des Motors mit synthetisch erzeugtem Biogas diverser individuell einstellbarer Qualitäten erfolgt mittels einer spezifisch konzipierter Gasmischanlage. Im Rahmen einer Messkampagne werden verfügbare Biogas-Netzqualitäten an stationären Betriebspunkten im Teillast- und Hochlastbereich untersucht, die für den aktuellen Technologietrend von Downsizing-Ottomotoren repräsentativ sind. Da die Steuerzeiten die dominanten Parameter eines ottomotorischen Arbeitsverfahrens sind, erfolgt eine Variation dieser mittels Einlass- und Auslassnockenwellen-Phasenversteller des Versuchsträgers. Optimierte Steuerzeitenkombinationen bilden so die Basis für die Messkampagne sowie für die Bewertung des Motorbetriebsverhaltens, wobei die Einstellung weiterer Motorparameter wirkungsgradoptimal erfolgt. Theoretisch vorhersehbare Effekte infolge des kraftstoffimmanenten CO2 werden in mehreren Messreihen untersucht. Für den Teillastbereich werden Effekte hinsichtlich des Ladungswechselwirkungsgrads infolge zusätzlicher Entdrosselung bewertet. Für den Hochlastbereich erfolgt die Untersuchung von Auswirkungen auf NOx-Rohemissionen sowie die Bewertung der thermomechanischen Belastung des Motors anhand des maximalen Zylinderdrucks. Die Betrachtung diverser Abbruchkriterien gibt Aufschluss über die Verbrennungsstabilität, anhand derer die Robustheit des Brennverfahrens bewertet wird. Eine für Biogas u.U. abgeschwächte chemische Umsetzung infolge höherer Wärmekapazität der Zylinderfüllung wird anhand ausgewählter Rohemissionswerte bewertet. Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des motorischen Prozesses sowie Veränderungen bezüglich des Entflammungs- und Brennverhaltens werden ebenso untersucht. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen werden anhand definierter Kennwerte und Abbildungen diskutiert und Schlussfolgerungen dargelegt.