Studentische Abschlussarbeiten

Heutige Verbrennungsmotoren sowie technische Systeme aller Art stehen unter besonders hohen Regularien. Um diese zu erfüllen, werden immer neuere Methoden und Funktionen in der Motorsteuerung benötigt, die entwickelt werden müssen. Dadurch steigt die Anzahl an möglichen Variablen und Kennfeldern immer weiter und die Kalibrierung dieser nimmt sehr viel Zeit in Anspruch. Ein Ansatz, diesen Aufwand zu senken ist das Verwenden von maschinellen Lernens und künstlichen neuronalen Netzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein transienter digitaler Zwilling eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie mithilfe einer neu aufgebauten Trainingspipeline für neuronale Netze entwickelt. Des Weiteren wurden bestärkende Lernalgorithmen verwendet, die die Regelung am entwickelten digitalen Zwilling lernen sollen und untersucht, inwieweit sich die Regelgüte bei der Änderung der Rahmenbedingungen verbessern lässt. Zusätzlich wurde der Ansatz des maschinellen Lernens mit einem konventionellen Regelalgorithmus gegenübergestellt und zum Schluss Maßnahmen zur Verbesserung des Failsafe-Verhaltens unternommen und eine weitere Methode vorgeschlagen.

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Funktionsentwicklung einer Katalysatordiagnose für die Verwendung in zukünftigen BMW Ottomotoren. Nach geltenden Gesetzgebungen müssen Drei-Wege-Katalysatoren (TWC, aus dem Englischen: Three-Way-Catalyst) während des Fahrzeugbetriebs im Rahmen der On-Board-Diagnose überwacht werden um Defekte, Verschleiß und Manipulationen zu erkennen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein alternatives Diagnoseverfahren für die Erkennung von beschädigten bzw. verschlissenen Drei-Wege-Katalysatoren zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk der Masterarbeit liegt dabei auf der Entwicklung und Prüfung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Diagnose, um weltweit aktuelle und zukünftig geltende Forderungen aus Diagnose- und Abgasgesetzgebungen zu erfüllen. Im ersten Schritt wurde ein MATLAB Simulink-Modell zum Abbilden einer potentiellen zukünftigen Diagnose erstellt. Anschließend wurde das Modell mit Daten von bestehenden Motorprojekten getestet, um mögliche Worst-Case-Einsatzszenarien zu identifizieren und die Diagnose zu optimieren. Anhand dieser Worst-Case-Szenarien, einem weiten Spektrum an Einsatzszenarien und der daraus abgeleiteten Optimierung der Diagnose, wurde eine Umsetzbarkeit dieser Diagnose in Serienfahrzeuge geprüft. Schlüsselwörter: Drei-Wege-Katalysator, Funktionsentwicklung, On-Board-Diagnose, Steuergeräte-Appli-kation, MATLAB/Simulink

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung verbessert, sodass der ausfallsichere Betreib einer Simulations- und Prüfstandsumgebung sichergestellt werden kann. Um diese Aufgabe zu erledigen, wird eine Methode zuerst vorgestellt, mit der die relevanten Übertragungsfehler (z.B Datenverlust, Übermittlung falscher Datenwerte usw.) automatisch erkannt werden können. Gegen diese Fehler werden die Abhilfemaßnahmen entworfen, dadurch die Simulationsarbeit im sicheren Zustand funktioniert kann. Außerdem wird ein Tester zur Fehlerinduktion entwickelt, um die Wirksamkeit der oben vorgestellten Methoden zu bewerten. Zum Schluss werden die Auswirkungen der Übertragungsfehler auf die Qualität der Datenübertragung diskutiert.

Reibungsbremssysteme sind in Kraftfahrzeugen unerlässliche Funktionsgruppen, um die Sicherheit im Straßenverkehr zu gewährleisten. Durch die immer weiter steigende Stückzahl von Fahrzeugen mit Elektromotoren als Antriebsform sinkt der Anteil, den Reibungsbremsen zur Verzögerung beitragen. Neben einigen positiven Aspekten, wie der Energierückgewinnung und der Emissionssenkung, bringt dies allerdings auch Schwierigkeiten mit sich. Denn durch die verringerte Nutzung der traditionellen Bremse findet die Selbstreinigung dieser kaum noch statt. Ohne diesen Prozess schreitet die Bildung von Korrosionsprodukten immer weiter voran, welche die Bremse in ihrer Funktion und Sicherheit einschränken. Da Reibungsbremsen aber einen essenziellen Aspekt für Fahrzeuge darstellen und deshalb weder komplett durch Alternativen ersetzt werden können, noch in einem beschädigten Zustand sein dürfen, bleibt im letzten Schritt nur das Ersetzen geschädigter Teile. Dadurch kann die Reibpaarung wieder in einen optimalen Zustand gebracht werden. Auch in der Automobil- und Zulieferindustrie wurde dieses Problem erkannt, wodurch beispielsweise schon erste Entwicklungen zu korrosionsarmen oder -freien Bremsscheiben in der Praxis Anwendung finden. Solche Alternativen sind jedoch meist auch mit einem erhöhten Kostenaufwand verbunden, was dazu führt, dass sie derzeit noch keinen Einzug in die breite Masse finden. Aus diesem Grund soll das Korrosionsverhalten von herkömmlichen Reibpaarungen in PKWs in dieser Arbeit untersucht werden. Problematisch ist hierbei, dass über beschleunigte Korrosionsprozeduren für die Bremssysteme nur eine Aussage über den Worst Case möglich ist. Deshalb werden alle in dieser Arbeit durchgeführten Versuche an Bremsenteilen eines Kraftfahrzeuges durchgeführt, welches sich in realer Nutzung befindet. Dabei kann durch die Ausstattung des Fahrzeuges sowohl auf die weit verbreitete Scheibenbremse als auch auf die in den letzten Jahren stark verdrängte Trommelbremse eingegangen werden. Durch die Untersuchungen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass sich Scheiben- und Trommelbremsen in ihrer Korrosionsbildung deutlich unterscheiden. Außerdem wurde festgestellt, wie sich verschiedene Einflussfaktoren auf das Ergebnis auswirken. Es stellte sich heraus, dass Korrosion, welche künstlich erzeugt wurde, sich nicht mit jener aus typischen Alltagsszenarien vergleichen ließ.

Die heutigen Fahrzeuge werden zunehmend mit unterschiedlichsten Fahrerassistenzsystemen ausgestattet. Diese unterstützen den Fahrer sowohl bei längsdynamischen als auch bei querdynamischen Manövern. Bei der Entwicklung dieser Systeme sollte das individuelle Fahrverhalten der Fahrer und der vorherrschende Automatisierungsgrad berücksichtigt werden. Aufgrund der Rahmenbedingungen, die die reale Fahrzeugerprobung mit sich bringt, und dem daraus entstehenden hohen Aufwand werden Tests zunehmend in die digitale Welt übertragen und in simulierten Fahrmanövern wiedergegeben. Aus dieser Notwendigkeit heraus wurde in dieser Arbeit ein Konzept auf Basis von Probandenversuchen mit einem dynamischen Fahrsimulator entwickelt, womit das Fahrverhalten klassifiziert und entsprechend in längs- und querdynamische Führung umgesetzt wurde. Es wurde eine Simulationsumgebung geschaffen, wobei das oberste Ziel darin bestand, für die Probanden eine realitätsnahe Simulationsumgebung zu entwickeln. Mittels einer Fahrsimulationssoftware wurden verschiedene Szenarien modelliert, die das Fahrverhalten der Probanden aufzeigten. Hierbei wurden Auffälligkeiten sowohl im Fahrverhalten der Probanden als auch zwischen den Szenarien identifiziert und dies anhand von längs- und querdynamischen Parametern auf-gezeigt. Die Unterschiede wurden in Bezug auf die Szenarien Stadt, Land und Autobahn und in Bezug auf die Dynamik in 5 Fahrverhaltensklassen eingeteilt. Dazu zählten die Längs- und Querbeschleunigung, die Pedalerie, die Pedalbetätigungsgeschwindigkeit, die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie das Lenkverhalten. Auf Basis eines regelbasierten Ansatzes sind die Parameter in ein Künstliches Neuronales Netz zum Trainieren eingeflossen. Im Wesentlichen entstand so ein echtzeitfähiges Modell, welches das aktuelle Fahrverhalten situationsabhängig klassifiziert. Aufbauend darauf wurden die zuvor identifizierten Parameter Fahrzeugbeschleunigung, Pedalerie, Fahrzeuggeschwindigkeit sowie Reaktionszeiten und Pedalwechselzeiten zur Umsetzung des realen Fahrverhaltens als notwendige Parameter ausgewählt und in ein Fahrermodell für die längs- und querdynamische Regelung eingebunden. Die gewählte Längsregelung basiert auf einer Geschwindigkeitsregelung mit Erweiterung einer Beschleunigungsregelung mit PI-Regelung sowie die Querregelung auf einer Stanley-Regelung basiert. Das so entstandene Modell konnte dadurch verschiedene Dynamiken eines realen Fahrverhaltens je Szenario Stadt, Land und Autobahn und für eine Gefahrenbremsung umsetzen. Fahrerabhängige Reaktions- und Betätigungszeiten wurden erfolgreich in das Modell integriert.