Studentische Abschlussarbeiten

Das System der Radbremse im Kraftfahrzeug unterliegt aufgrund stetig wechselnder Marktanforderungen einem kontinuierlichen Wandel. Im Zuge der Elektromobilität erhält die Trommelbremse gegenwärtig wieder Einzug in den Pkw, da der Einsatz eines rekuperativen Bremssystems die Betätigungsphasen der Reibungsbremse minimiert und so an der Hinterachse ohne Beeinträchtigung der Fahrleistungen Korrosion verhindert bzw. die Lebensdauer verlängert werden kann. Im bisherigen Stand der Forschung besteht ausschließlich ein tribologisches Modell zur Beschreibung von axial zugespannten Radbremsen. Die Vorgänge in der Reibzone sind jedoch essenziell für das Verständnis der bremsenbedingten Emissionen, weshalb in dieser Arbeit die Versuche auf das System der Trommelbremse übertragen werden. Dazu ist zunächst ein Konzept zu erarbeiten, welches die Visualisierung der Reibzone radial zugespannter Reibungsbremsen ermöglicht. Anschließend erfolgt die Analyse der Patchdynamik unter variierenden Betriebsparametern. Mit Hilfe des Schwungmassenprüfstands wird das Bremssystem konditioniert, wodurch verschiedene Verschleißzustände untersucht werden können. Zudem wird anhand der Emissionsfaktoren ein Vergleich zwischen zwei verschiedenen Belagqualitäten vorgenommen, wobei die Auswirkungen der Lastkollektive im Transfer zum tribologischen Verhalten zu betrachten sind. Abschließend wird der Einfluss von Rekuperation auf die bremsenbedingten Non-Exhaust-Emissions untersucht, um die Entwicklung der Feinstaubemissionen durch den steigenden Anteil an batterieelektrischen Fahrzeugen abschätzen zu können. Im Zuge der Untersuchungen konnte das grundlegende Verhalten der Trommelbremse beschrieben werden, welches sich aufgrund der besonderen Kinematik im dynamischen Verhalten deutlich von der Scheibenbremse unterscheidet. Unterdessen hat der Vergleich beider Belagqualitäten für die geringen Belastungen am Tribologieprüfstand keine signifikanten Unterschiede ergeben. Dennoch verhalten sich die Beläge bei Belastung unterschiedlich, was auf Besonderheiten in der Werkstoffzusammensetzung und dem damit einhergehenden Eingriff in das Verschleißverhalten zurückzuführen ist. Hingegen reduzieren sich die Emissionen unter Berücksichtigung der regeneratorischen Betriebsweise des Bremssystems auf ein Minimum, maßgeblich bedingt durch Offbrake-Phasen in denen Partikel aus der Trommel hinausgeschleudert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine virtuelle Simulationsumgebung geschaffen werden, um verschiedene Prüfstände kooperativ zu verknüpfen. Mit der entworfenen Umgebung wurde dabei ein reales Fahrzeug mit einem dynamischen Fahrsimulator verbunden. Das reale Fahrzeug wird dabei über ein Positionssignal in die Umgebung eingeladen und kann so mit anderen Teilnehmern interagieren. So ist es möglich, Fahrassistenzsysteme schon frühzeitig im Entwicklungsprozess zu entwickeln und auf diese Weise Entwicklungskosten zu senken. Diese Umgebung dient als Basis für eine Vehicle-in-the-Loop Strategie. Mit einer Kopplung von Fahrzeug und Fahrsimulator ist es so möglich, Fahrassistenzsysteme zu entwickeln. Dafür wurden die erforderlichen Signale bestimmt und in eine Regelstruktur eingebunden. Als Vehicle-in-the-Loop Strategie wurde ein Notbremsassistent entworfen, welcher eine kritische Fahrsituation erkennt und eine entsprechende Vollbremsung einleitet. Durch eine detaillierte Beschreibung von Umrechnungsalgorithmen zur Positionsbestimmung von realen Objekten in einer virtuellen Umgebung konnte aus einem realen Fahrzeug ein digitaler Zwilling erstellt werden. Die Lage des realen Fahrzeugs kann dabei über eine Datenfusion mit Hilfe eines Kalman-Filters dargestellt werden. Für den in dieser Arbeit umgesetzten Notbremsassistenten ist die Lage des digitalen Zwillings jedoch nicht erforderlich. Daher wurde der Kalman-Filter hier lediglich theoretisch beschrieben. Weiter konnte ein Lenkroboter in dem Versuchsfahrzeug verbaut werden. Mit diesem ist es nun möglich, Fahrzeugtrajektorien wiederholgenau nachzufahren und digitale Lenkbefehle am realen Fahrzeug umzusetzen. Über ein DGPS-System ist es möglich, ein Fahrzeug präzise durch einen Hindernisparcours zu steuern. Mit den oben genannten Erkenntnissen ist es gelungen, ein reales Fahrzeug in eine virtuelle Simulationsumgebung einzubinden und damit Fahrversuche durchzuführen. Auf diese Weise können die Vorteile aus der virtuellen Welt mit der realen Welt verbunden werden. Gerade von der Reproduzierbarkeit von Messsignalen und Eingangsparameter für ein reales Fahrzeug kann die Entwicklung von Fahrassistenzsystemen profitieren. Die Einbindung eines Lenkroboters in ein Versuchsfahrzeug kann dabei als Basis für weitere Untersuchungen und komplexere Vehicle-in-the-Loop Strategien dienen.

Durch die immer komplexere Technik in Kraftfahrzeugen findet immer mehr eine Derivatisierung von Simulationswerkzeugen, wie auch von Prüfständen statt. Durch die Kopplung solcher Werkzeuge können Synergien zwischen verschiedenen Fachgebieten geschaffen werden und somit neue innovative Lösungen entwickelt werden. Dabei ist insbesondere die X-in-the-Loop-Methodik herauszuheben, welche verschiedene Entwicklungsmethoden bündelt. Da die XiL-Methode auch vorsieht verschiedene Systeme miteinander zu verknüpfen und diese Systeme oft Echtzeitanforderungen stellen, ist es notwendig diese Forderungen zu erfüllen. Dazu wird in den meisten Fällen eine Latenzzeitkompensation benötigt um Sicherzustellen, dass das Systemverhalten nicht beeinflusst wird. Hierzu wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt die das Ziel verfolgt, die Latenzzeit durch Prädiktion des Signals zu kompensieren. Diese Methode beruht auf dem LMS-Algorithmus, welcher mittels früherer Daten und einem geschätzten Signal eine Prädiktion vorgibt. Dazu wurde virtuell eine Fahrzeugsimulation erstellt, welche mit einem virtuellen Bremsenprüfstand gekoppelt ist und wobei das Bremsmoment das latenzzeitbehaftete Signal darstellt. Zum Schluss dieser Arbeit wird das Ergebnis zwischen latenzfreier Kopplung und Kopplung mittels Prädiktion verglichen. Dabei wurde die Qualität der Prädiktion mittels des quadratischen Gütekriteriums bewertet. Daraus folgt eine Steigerung der Güte um ca. 85 %.

Mit dem Beschluss der Strategie zur Reduktion der Treibhausgasemissionen in der internationalen Seeschifffahrt hat sich die Internationale Maritime Organisation im Jahr 2018 zu einer nachhaltigeren Schifffahrt bekannt. Das ambitionierte Ziel ist, die jährlichen Treibhausgasemissionen der internationalen Schifffahrt bis zum Jahr 2050 um mindestens die Hälfte zu reduzieren. Dies lässt sich nur mit einer drastischen Reduktion des CO2-Ausstoßes durch die Verbrennung fossiler Energieträger in den Haupt- und Nebenmaschinen durch einen Umstieg von fossilen auf nachhaltige Kraftstoffe erreichen. Ammoniak hat sich diesbezüglich in den vergangenen Jahren als einer der vielversprechendsten Kandidaten herausgestellt. Zum aktuellen Zeitpunkt ist aber wenig darüber bekannt, wie ein mit Ammoniakmotoren angetriebenes Schiff aussehen könnte und welche Maßnahmen notwendig sind, um bestehende Motorenfamilien um ein Ammoniakderivat zu erweitern. In diesem Kontext ist diese Arbeit mit dem Ziel, die motorisch relevanten Eigenschaften von Ammoniak zusammenzutragen, den Stand der Technik festzuhalten, die Anforderungen an die Handhabung von Ammoniak an Bord von Schiffen herauszuarbeiten und das Synergiepotential mit bestehenden schnell- und mittelschnelllaufenden Motorenkonzepten zu analysieren, entstanden. Auf Basis des erlangten Wissens werden im Anschluss verschiedene Konzepte für die Nachrüstung einer bestehenden Motorenplattform auf Ammoniak als neuartigen Kraftstoff entwickelt und verglichen. Während Ammoniak insbesondere aufgrund des hohen Zündenergiebedarfs, der hohen Selbstzündungstemperatur und der geringen laminaren Flammenfrontgeschwindigkeit, große Herausforderungen an die Umsetzung eines motorisches Brennverfahren stellt, zeichnet es sich mit einer hohen Selbstzündungsfestigkeit und einer hohen Verdampfungsenthalpie als idealer Hochleistungskraftstoff aus. Aufgrund der speziellen Anforderungen an und Rahmenbedingungen von schnell- und mittelschnelllaufenden Motoren in maritimen Anwendungen kann kaum vergangene Forschungsarbeiten aufgebaut werden. Es existiert jedoch ein großes Potential, von Technologieüberträgen aus bestehenden Motorenkonzepten von Kraftstoffen mit einem niedrigen Flammpunkt wie Biogas, Erdgas oder Autogas, zu profitieren. Ammoniak kann in einem Verbrennungsmotor grundsätzlich in elektrisch fremdgezündeten Mono-Fuel, elektrisch und chemisch fremdgezündeten Dual-Fuel-Ottobrennverfahren sowie doppelt-diffusive Dieselbrennverfahren umgesetzt werden. Während elektrisch fremdgezündete Mono- und Dual-Fuel-Brennverfahren dabei nur als langfristige Lösungsansätze in Betracht gezogen werden können, birgen chemisch fremdgezündete Dual-Fuel- und doppelt-diffusive Brennverfahren das Potential, die Treibhausgasemissionen der internationalen Schifffahrt durch eine Implementierung von Ammoniak als Kraftstoff bereits mittelfristig zu reduzieren. Diese Thesis wird zu dem Entschluss kommen, dass die zentralen Motorkomponenten und Brennverfahrensparameter, die im Rahmen eines Retrofits Beachtung erfordern, das Kraftstoffversorgungs- und Einspritzsystem, das Zündsystem, die Ladungsbewegung und der Ventiltrieb, das Verdichtungsverhältnis, das Thermomanagement, die Abgasnachbehandlung und die Abgasturboaufladung sowie die Resistenz sämtlicher potentiell mit Ammoniak in Kontakt stehender Motorkomponenten gegen Korrosion sind.

Die zunehmende Anzahl von Aktuatoren im Fahrwerk moderner Autos eröffnet das Potenzial für die Entwicklung neuer Systeme für Komfort und Fahrsicherheit. Das Vorhandensein einer großen Anzahl aktiver Systeme in einem Fahrzeug kann zu deren uneinheitlichem Betrieb führen. Eine integrierte Fahrwerksregelung ermöglicht den koordinierten Einsatz der vorhandenen Aktoren. Dadurch können die individuellen Grenzen der Komponenten erweitert werden, indem die Last auf die Systeme verteilt wird. Konflikte werden auf diese Weise vermieden. Dies erhöht die Sicherheit und den Komfort.