Studentische Arbeiten und Assistenten

In der Entwicklung von Radialventilatoren der ebm-papst Landshut GmbH werden Luftleistungs-Kennlinien vermessen. Im Zuge dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Drehzahlregelung eines Radialventilators an einem Luftleistungsprüfstand erarbeitet. Ein Konzept basiert auf der Linearisierung des Systems in mehreren Arbeitspunkten, sodass der Regler je nach Lage im Kennfeld parametriert wird. Das andere Konzept betrachtet die Möglichkeiten einer robusten, auf das Störverhalten ausgelegten, Regelung. Es werden Regelkreisstrukturen untersucht, die sich zum Einsatz der Drehzahlregelung des Radialventilators eignen. Um das Regelverhalten des Systems, bestehend aus Prüfstand und Ventilator, einstellen zu können, ist Kenntnis über die Dynamik des Systems erforderlich. Im Zuge dessen wird in der Arbeit eine experimentelle und eine theoretische Analyse durchgeführt. Neben der Modellierung der Druckerhöhung durch den Ventilator ist das dynamische Verhalten des Prüfstands ein Schwerpunkt. Dieser besteht aus zwei Kammern, einer Drossel und einer Messstrecke. Der Einfluss der Einzelkomponenten auf das dynamische Verhalten wird untersucht. Das zugrunde liegende theoretische Modell basiert auf dem Greitzer-Modell. Der Prüfstand wird zum einen als Helmholtzresonator modelliert, zum anderen als stationär durchströmtes System. Die Druckverluste durch Einbauten werden experimentell am Prüfstand bestimmt. Über Motormoment-Sprünge des Ventilators werden Übergangsfunktionen zu Kammerdruck, Drosselvolumenstrom und Drehzahl an verschiedenen Punkten im Kennfeld ermittelt und anschließend analysiert. Ausgehend davon werden Übertragungsfunktionen der Drehzahl ermittelt. Die Ergebnisse der theoretischen Modellierung werden mit experimentellen Daten abgeglichen. Mit dem Ventilatormodell und dem stationären Prüfstandmodell wird eine gute Übereinstimmung zu den experimentellen Daten erzielt. Die bestimmenden Mechanismen des Systems sind in dem Teilbereich des Kennfelds mit niedriger Androsselung abgebildet. Bei einer Störung durch eine abrupte Änderung des Anlagenwiderstands überlagert sich zu den stationären Effekten instationäres Verhalten des Prüfstands. Ebenso gewinnt der Einfluss des Kammervolumens bei höheren Anlagenwiderständen an Bedeutung. Dieses instationäre Verhalten kann über den Helmholtzresonator für ein durchströmtes System erklärt werden. Ein Helmholtzresonator bildet, aufgrund der Komprimierbarkeit der Kammern, eine instationäre Strömung durch den Ventilator aufgrund ab. Es zeigt sich, dass über die Drossel die Dämpfung des Systems eingestellt werden kann. Durch die Modellierung als Helmholtzresonator wird ein Zusammenhang zwischen den Regelstreckenparametern nachgewiesen.

Für eine Akzeptanzsteigerung der Elektromobilität in der Bevölkerung soll der Ladevorgang der für den Antrieb verantwortlichen Traktionsbatterie mittels eines berührungslosen induktiven Ladevorgangs erleichtert werden. Um die erfolgreiche Umsetzung im Automobil zu gewährleisten, wird eine möglichst kompakte und robuste Ladeeinheit benötigt. Für die konstante Übertragung einer hohen Ladeleistung ist ein Überhitzen der beteiligten Komponenten zu verhindern, weswegen eine aktive Kühlung integriert wird. Diese muss für eine ausreichende Kühlung aller verlustbehafteten Bauteile der Baugruppe unter Berücksichtigung einer möglichst geringen Beeinflussung des elektromagnetischen Energieübertragungsverhaltens ausgelegt werden. In dieser Arbeit werden geometrische, stoffspezifische und thermische Einflussgrößen in Simulationen variiert und daraus relevante Größen, wie zum Beispiel Kontaktwiderstände und die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Schichten, der konvektive Wärmeübergangskoeffizient des Kühlkanals oder dem Volumenstrom, in der Baugruppe bestimmt. Dabei werden zwei Berechnungsmodelle genutzt. Eines dieser Berechnungsmodelle beruht auf der analytischen Betrachtung eines aufgestellten thermischen Ersatzschaltbildes, das zweite ist eine in dem MAHLE-eigenen Simulationstool BISS aufgebaute Topologie, welche auf der finiten Volumenmethode beruht.

In der vorliegenden Arbeit steht die Entwicklung, der Aufbau und der Test einer 2-Komponentenwaage für den Windkanal des Fachgebietes für Technische Thermodynamik im Vordergrund. Ausgehend von strömungsmechanischen Grundlagen einer Tragflügelströmung und in der Industrie angewandten Lösungen, werden aus den funktionellen Anforderungen an die zu entwickelnde 2-Komponentenwaage Arbeitsprinzipien erarbeit, erläutert und bewertet. Aus den favorisierten Lösungen gehen zwei Konstruktionen hervor, von denen nach Voruntersuchungen nur eine vollständig mit Elektronikperipherie umgesetzt wurde. Auf Grundlage dieser Konstruktionslösung wird die Umsetzung dieser Elektronikperipherie und die Entwicklung eines LabVIEW-Anwenderprogramms zur Ansteuerung dieses Gerätes und des Windkanals ausgiebig erläutert. Nach der Durchführung von Kalibriermessungen und deren Auswertung wird ein Tragflügelmodell im Windkanal mit Hilfe des entwickelten Aufbaus untersucht. Aus den Versuchsergebnissen wird zur Charakterisierung ein Polarenplot ermittelt und dieser mit ähnlichen Profilen aus der Literatur verglichen sowie auf Fehlereinflüsse untersucht. Abschließend wird ein Resümee gezogen und auf mögliche Verbesserungen des entwickelten Aufbaus und des Anwenderprogrammes eingegangen.

Im Zuge des Klimawandels und der zunehmenden Urbanisierung der Städte rücken batterieelektrische Stadtbusse verstärkt in den Fokus der Entwicklung. Bei diesen ist die Batterie der einzige Energiespeicher und muss die Energie sowohl für die Fahrleistung, die Klimatisierung und sämtlicher sonstiger Verbraucher bereitstellen. Die in der Batterie speicherbare Energie ist jedoch begrenzt. Zusätzlich sind die zumeist verwendeten Batterien sehr temperatursensibel. Um eine hohe Reichweite ohne Einbußen in der Betriebssicherheit zu erhalten, ist es daher notwendig die Temperatur der Batterie durch gezielte Wärmezu- oder -abfuhr konstant zu halten. Dies muss bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen und Lastprofilen sichergestellt werden. Für das Thermomanagement ist daher die Kenntnis der Einflüsse auf die Batterietemperatur von größter Wichtigkeit. Das Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung des thermischen Verhaltens von prismatischen Lithium-Ionen-Zellen in Abhängigkeit standardisierter Fahrprofile elektrischer Stadtbusse. Dazu wird ein 3D-CFD-Modell benutzt um das thermische Verhalten eines kühlmittelgekühlten Batteriemoduls aus zwölf NMC-Zellen zu untersuchen. Aus den Simulationen wird mittels Sprungantwortmethode eine Übertragungsfunktion mit PT1-Verhalten und Totzeit gebildet. Diese Funktion verbindet den Wärmeeintrag in das Batteriemodul mit der Kühlmittelauslasstemperatur. Diese Übertragungsfunktion wird bei verschiedenen Materialwerten, Umgebungstemperaturen und C-Raten getestet. Ebenfalls wird diese Übertragungsfunktion genutzt, um die Kühlmitteltemperatur während eines kompletten Fahrtzyklus vorherzusagen. Die Ergebnisse liefern wichtige Informationen für die Auslegung von Batteriekühlsystemen im Hinblick auf die Kühllast und die Regelstrategie.

Das gezielte Einbringen des Kraftstoffs in den Brennraum stellt einen großen Optimierungsansatz hinsichtlich effizienterer, sauberer und leiserer Verbrennung dar. Aus diesem Grund wurde in der Thermodynamik-Entwicklung der Dieselmotoren in den letzten Jahren die eingespritzte Kraftstoffmenge auf einzelne Teileinspritzungen (Vor-, Haupt-, Nacheinspritzungen) aufgeteilt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt diesbezüglich auf der Weiterentwicklung eines Dieselbrennverfahrens mit Mehrfacheinspritzung. Unter Einsatz eines neuartigen Einspritzsystems ist es möglich, sehr kurze Pausen zwischen den Einspritzungen eines Arbeitstaktes zu realisieren. Dabei können Kleinstmengen an Kraftstoff unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt werden. Als Folge davon findet eine schnelle Verbrennung mit verringertem Kraftstoffverbrauch statt. Diese Einspritzstrategie wird als Digital Rate Shaping (DRS) bezeichnet. Als Kernthema dieser Arbeit wird eine DRS Light Einspritzvariante, auf einem Vollmotorenprüfstand untersucht und mit einer bereits bestehenden konventionellen Einspritzvariante verglichen. Dabei sollen die Einspritzparameter (Einspritzdruck, -teilmengen und -abstände) und die Verbrennungslage, bezogen auf den Kurbelwinkel, mit DRS Light in Hinblick auf Reduzierung des Kraftstoffverbrauches optimiert werden. Gleichzeitig sollen das Verbrennungsgeräusch und die Abgasemissionen aus der konventionellen Strategie als Randbedingungen mit dem optimierten DRS Light eingehalten werden. Zusätzlich gilt es, das neue Einspritzsystem auf die Mengenabweichung zwischen Soll- und Ist-Menge des eingespritzten Kraftstoffs mit den Einspritzvarianten zu untersuchen und zu bewerten. Als Ergebnis der Optimierung von DRS Light lassen sich Verbrauchsvorteile, je nach Betriebspunkt, von bis zu 2,9 %, gegenüber der konventionellen Einspritzstrategie im Teillastbereich erzielen. Dabei werden die definierten Randbedingungen bezüglich Verbrennungsgeräusch und Abgasemission eingehalten und mitunter sogar verbessert. Die ergänzenden kritischen Betrachtungen der Mengenabweichungen mit den Einspritzvarianten sind in beiden Fällen als akzeptabel zu bewerten. Auf Basis der optimierten DRS Light Applikation wird ein Datensatz erstellt, welcher als Grundlage für die weiteren Untersuchungen zur Verfügung steht.