FG Fahrzeugtechnik und -antriebe
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Multifunktionale Kraft-Wärme-Kopplung in einer Fahrzeuganwendung (ACG) am Beispiel eines Traktors
(2008)
Wie holt man den Berg in die Ebene? Bremsanhänger dienen zur Erzeugen definierter Bremskräfte an Kraftfahrzeugen, wodurch Fahrversuche mit hoher Last bei geringen Geschwindigkeiten möglich werden. TU Cottbus und Westfalia Trailer Systems haben den Bremsanhänger BA 10 k zur Entwicklung, Applikation und Verifizierung aller Komponenten des Antriebsstrangs moderner Kraftfahrzeuge konzipiert, der mit wassergekühltem 250-kW-Synchrongenerator Anhängelasten oder Bremskräfte bis 10kN erlaubt.
Fahrzeugmesstechnik
(2020)
Dem Fahrzeugtechniker wird ein Übersichts- und Nachschlagewerk zu den angegebenen Messtechniken an die Hand gegeben. Dabei wird neben den physikalischen Aspekten auf die praxisrelevanten Eigenschaften und Besonderheiten eingegangen. Größen- und Rechenbeispiele veranschaulichen das Thema. Ergänzend werden grundlegende statistische Methoden zur Fehlerbetrachtung und Bewertung von Messergebnissen dargestellt.
Abstract:Zur Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben und der Kundenwünsche hinsichtlich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Funktionalität, Fahrleistungen und Komfort sind zunehmend komplexere Entwicklungsaufgaben zu lösen. Diese bestehen oft aus mehreren einzelnen Maßnahmen, deren jeweilige Vor- und Nachteile zur Abstimmung eines Gesamtpaketes bekannt sein müssen.Insbesondere bei der Beurteilung der CO2-Effekte von Wärmemanagementmaß-nahmen sind sehr genaue Auflösungen der Bilanzierungen im doppelt instationären Betrieb und die Identifizierung von Wechselwirkungen einzelner Maßnahmen wichtige Bausteine für das Erreichen der Entwicklungsziele.Für die grundsätzliche und schnelle Beurteilung des Wärmemanagementverhaltens von Motoren und Antriebssträngen wird ein Basismeßprogramm vorgestellt, daß ei-nen breiten Bereich des späteren Einsatzes im Fahrzeug abdeckt und Optimie-rungspotentiale aufdeckt. Die dabei zu beachtenden Besonderheiten im doppelt instationären Motorbetrieb bei verschiedenen Umgebungsbedingungen bzgl. Meßtechnik und Beurteilung der Me-ßergebnisse werden für Untersuchungen auf Motorenprüfständen, Rollenprüfstand und auf der Straße gegenübergestellt. Dabei stehen insbesondere die erreichbaren Genauigkeiten bzw. die Reproduzierbarkeit im Fokus und somit auch in gewisser Hinsicht die mögliche Aussagekraft von Simulationen zu Wärme- und Energiemanagementmaßnahmen.
Die durch Abwärmenutzung erzeilbaren Kraftstoffverbrauchsverringerungen sind im sehr niedrigen einstelligen Prozentbereich angesiedelt und außerdem stark betriebspunktabhängig. Für den Gesetzgeber sind die Zulassungszyklen relevant, in Europa und weiten Teilen der Schwellenländer der NEFZ, in den USA der FTP75. Diese sind für den Fahrzeughersteller ebenfalls hinsichtlich der Inverkehrbringung eines Fahrzeuges verbindlich, allerdings auch hinsichtlich aller offiziellen Verbrauchs- und Emissionsangaben. Diese weichen teilweise erheblich von dem ab, was der kunde im alltag feststellt. In diesem Beitrag werden NEFZ und FTP75 mit dem realen Kundenverhalten aus eigenen Feldversuchen und aus Recherchen verglichen. Insbesondere die Generierung von Abwärme, deren Temperaturniveaus und die sich daraus ergebenden Nutzungsaspekte werden näher betratchtet.
In diesem Beitrag wird die Kühlsystemregung um eine vorausschauende, das Fahrerverhalten und die Fahrzeugumgebung berücksichtigende Komponente erweitert. Grundgedanke ist die Ausnutzung der thermischen Trägheiten von Bauteilen und Fluiden, um die mittleren Bauteiltemperaturen anzuheben, ohne die serienmäßigen Spitzentemperaturen zu überschreiten. Mit dem vorausschauenden Regeler konnten sigifikante Verbrauchsverringerungen nachgewiesen werden, di ohne zusätzliche Sensoren/Aktoreb realisiert werden können. Verwendet wurde dafür ein Ottomotor mit Saugrohreinspritzung.
Seit etwas mehr als zehn Jahren fokussiert sich die Motorenentwicklung bei Ottomotoren auf Downsizing. Treibende Kraft ist dabei die Verringerung des Kraftstoff-verbrauches bzw. der CO2-Emissionen in den gesetzlich relevanten Zyklen.
Im vorliegenden Beitrag werden zwei unterschiedliche Ottomotorenkonzepte hinsichtlich ihrer Effizienz betrachtet. Zum einen ist das ein aktuelles Downsizing-Konzept mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung, zum anderen ein Saugmotor mit Saugrohreinspritzung. Beide Motoren besitzen identische Maximalleistungen.
Nach einer kurzen Darstellung der thermodynamischen Grundlagen und der Berechnungsschritte werden charakteristische Kennfelder verglichen.
Abschließend wird eine Beurteilung der Effizienz in gesetzlichen Zyklen und im realen Betrieb gegeben. Dabei werden auch die Betriebspunkthäufigkeiten zwischen Zyklen und realer Fahrt verglichen.
Nach wie vor ist die Verringerung der Abgasemissionen, insbesondere der CO2-Emissionen, eines der Kernthemen in der Fahrzeugentwicklung. Im vorliegenden Beitrag wird auf die globalen CO2-Emissionen und die Ressourcen fossiler Treib-stoffe sowie auf die gesetzlichen Regelungen als treibende Kräfte für die Emissi-onsverringerung eingegangen. Anschließend werden die Lebenszyklus-Emissionen für herkömmlich angetriebene und E-Fahrzeuge betrachtet.
Den Abschluß des Beitrages bildet die kurze Vorstellung von Wärmemanagement-Maßnahmen zur Effizienzverbesserung von Verbrennungsmotoren.
The paper looks at the key issues in terms of what thermoelectrics (TE) can and must do for the automotive industry through to 2020+.
A brief introduction to the topic of waste heat recuperation and thermoelectric generators (TEG) is followed in the first section of the paper by an illustration of the potential offered by a fictive TEG ideally rated for use in the exhaust system
of a passenger car with conventional powertrain, with an estimate of possible
benefits and costs. This begins by asking which minimum contribution a new
technology has to provide for it to be included by the automotive industry in the
package of measures needed to achieve future CO2 targets. A proposal is presented
as the basis for the subsequent observations. The paper then looks at the
necessary material/module efficiency and the required mean ZT value as well as
availability.
This is followed by a brief description of the objective, consortium, job split,
contents and scope together with a summary of selected results obtained with the
consortium project TEG2020 funded by the BMBF (German Federal Ministry of
Education and Research).
The very general theoretical observations in the first section are then compared
in the second section with selected results obtained in test bench and
vehicle measurements using the laboratory generator developed in the project.
The focus here is not on the generator itself but on the impact of the conventional
generator, the additional mass of the TEG and its exhaust gas backpressure,
auxiliary power consumption and the necessary recooling.
The project results show that it is possible to realize the fictive TEG featured
in the estimate of potential using the existing possibilities.
Um den Kraftstoffverbrauch zu senken, hält seit vielen Jahren eine zunehmende Integration elektrischer Aktuatoren in den Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen Einzug. Auch das Kühlsystem des Verbrennungsmotors ist hiervon betroffen. Um die Einsparungen zu verwirklichen, muss eine intelligente Algorithmik - in diesem Zusammenhang als Wärmemanagement bezeichnet - die bedarfsgerechte Ansteuerung der Kühlsystem-Aktuatoren sicherstellen. Auf Grund der erforderlichen Flexibilität der Regellogik und der anwachsenden Diversifizierung des Fahrzeugportfolios nehmen die Freiheitsgrade in Form von Steuergeräteparametern stetig zu, wodurch auch deren Kalibrieraufwand kontinuierlich ansteigt. Infolgedessen ist die Applikation der Parameter mit dem herkömmlichen, empirisch geprägten Vorgehen kaum noch zu bewältigen.
In der vorliegenden Arbeit werden Werkzeuge, Methoden und Prozesse vorgestellt, mit deren Hilfe die Themenfelder des Wärmemanagements zeitsparend und kostengünstig kalibrierbar sind. Dabei wird gegenüber dem herkömmlichen Vorgehen die hochwertige Applikationsgüte nochmals verbessert.
Ein wesentlicher Teil der Zeit- und Kosteneinsparungen wird durch die Verlagerung des Applikationsumfangs von der Straße auf den Prüfstand erzielt, wodurch ein automatisierter Messprozess ermöglicht wird. Für die Automatisierung werden die aus der Steuergeräteapplikation bekannten Elemente der Prüfablaufplanung auf die Besonderheit am Klimawindkanal erweitert. Dies betrifft insbesondere die Bausteine Messpunktesortierung, Systemstabilisierung sowie Verstell- und Limitstrategie.
Eine weitere Effizienz- und Qualitätssteigerung wird realisiert, indem bei der Bearbeitung der Applikationsaufgaben auslegungsrelevante Betriebspunkte in Verbindung mit einem methodischen Applikationsansatz gewählt werden. Hierbei kommen die Werkzeuge der modellbasierten Offline-Optimierung bzw. der virtuellen Applikationsstrategie zum Einsatz.
Eine umfassende Bewertung des erarbeiteten Applikationsprozesses belegt, dass sich die hohe Güte der Kalibrierung auch im breit gefächerten realen Fahrzeugbetrieb nachweisen lässt.
Im Beitrag wird diskutiert, welchen Einfluss der konventionelle Generator, die Zusatzmasse des thermoelektrischen Generators (TEG), der TEG-Abgasgegendruck und die TEG-Rückkühlung auf die gewonnene TEG-Netto-Leistung und die mögliche Kraft-stoffeinsparung haben. Zu Beginn wird beschrieben, welches Potential ein TEG in der Abgasanlage eines konventionell angetriebenen PKW hat. Auf der Basis einfacher numerischer Abschätzungen werden die dem TEG theoretisch zur Verfügung stehenden thermischen Energiemengen an verschiedenen Stellen in der Abgasanlage betrachtet. Dabei wird auch auf die vom TEG generierbare elektri-sche Leistung eingegangen. Des Weiteren wird aufgeführt, in welcher Größenordnung der TEG durch seine Nettostromlieferung ins Fahrzeugbordnetz den konven-tionellen, vom Verbrennungsmotor angetriebenen Generator entlastet und was dies für die CO2-Reduktion bedeutet.
Der Hauptteil beschäftigt sich mit wichtigen Aspekten der Auslegung. Grundlage sind im Projekt durchgeführte Untersuchungen und Messungen, sowohl für das seriennahe als auch für das mit einem TEG ausgerüstete Projektfahrzeug. Im Fokus standen dabei für die TEG-Leistung wichtige Systemgrößen. Die Vermessung des Projektfahrzeugs fand auf der Abgasrolle für definierte, realitätsnahe Betriebszustände (Konstant- und Zyklusfahrten) statt. Die Erprobung von TEG-Komponenten sowie verschiedener TEG-Varianten erfolgte vorher auf Motor- und Heißgasprüf-ständen, wodurch auch die Tragfähigkeit und Funktionalität der Konzepte bestätigt wurde.
In der Notwendigkeit einer weiteren Verbrauchssenkung in den vorgeschriebenen Fahrzyklen ist die Ottomotorenentwicklung aktuell auf eine zunehmende Steigerung der spezifischen Leistung durch Direkteinspritzung und Aufladung gerichtet. Trotz der resultierenden erheblichen Zunahme der mechanischen und thermischen Belastung des Kolbens, muss dessen Dauerhaltbarkeit durch intelligente Kühlkonzepte auch zukünftig sichergestellt werden. Darüber hinaus sind in Teillastbereichen durch eine reduzierte Kolbenkühlung noch zusätzliche Wirkungsgradpotentiale zu erschließen. Entscheidend dafür ist die genaue Kenntnis der thermischen Randbedingungen am Kolben zur Bestimmung der Bauteiltemperaturen.
Während auf der Verbrennungsseite schon gut validierte Methoden zur Simulation des Wärmeeintrags existieren, ist die Modellierung der Wärmeabfuhr noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Ursache liegt in den bisher nur unzureichend analysierten Wärmeübergangsverhältnissen an der Kolbeninnenkontur und Lauffläche, die sich bisher sowohl infolge des komplexen Charakters der Zweiphasenströmung der Spritzölkühlung, als auch aufgrund der starken Ringdynamik im Motorbetrieb einer detaillierten Analyse entzogen haben. Durch Einsatz der numerischen Strömungsmechanik zur Berechnung der Ölspritzkühlung und eines Matlab basierten Programms zur Bestimmung der Wärmeübergangsverhältnisse an der Kolbenseite, werden im Rahmen dieser Arbeit die thermischen Randbedingungen präzisiert und führen damit zu genaueren Kenntnissen des instationären und mittleren Wärmeflusses durch den Kolben und in die Zylinderbuchse. Diese Randbedingungen erlauben es nun, lastpunktabhängig Kolben- und Buchsentemperaturverteilungen simulativ zu bestimmen und schaffen die Grundlage zur präzisen mechanischen und thermischen Auslegung des Grundmotors.
This paper introduces an innovative approach, named synergetic 1D-3D-Coupling, by using synergy effects of 1D and 3D simulation in order to bring down modeling and simulation efforts. At the same time the methodology sustains the spatial resolution of a 3D model. This goal is reached by reducing the 3D fluid side with its time consuming continuity, momentum, energy and turbulence equations to a simple but precise 1D model. Because of the solid structure staying three dimensional, heat flux direction and spatial resolution have 3D accuracy but short calculation times due to the simple heat diffusion equation to be solved. The 1D model is represented by an automatically generated equation system which is capable of considering transient effects. The energy transfer between 1D fluid model and 3D structure model is realized through a neutral 1D-3D-coupling program and the application of the fluid element specific Nusselt correlations.
The following approach is not only applicable for engine development but for any field where fast transient CHT simulations of internal flows are needed.
The theretical background and the newly developed approach are presented in this paper. For this purpose an abstract pipe system is used to generate a hydraulic and thermal network. This network is coupled with a 3D structure in order to show the potential velocity benefit and the possible loss in accuray compared to the conventional full 3D modeling approach.
Der Verbrennungsmotor als Fahrzeugantrieb ist aktuell und auch weiterhin in naher Zukunft der lieferant für die mechanische Antriebsenergie. Trotz Fortschritten auf dem Gebiet des Wärmemanagements wird immer noch, besonders in Teillast, ein nicht unerheblicher Teil der zugeführten Energie in Wärme umgewandelt, die ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. In diesem Beitrag wird gezeigt, welche Randbedingungen an aktuellen Verbrennungsmotoren speziell Ottomotoren für eine mögliche Wärmenutzung durch Thermoelektrische Generatoren vorherrschen. Besonders die unterschiedlichen Betriebszustände mit ihren daraus resultierenden stark differierenden Temperatur- und Energieniveaus werden aufgzeigt. Diese sind wesentliche Grundlage für die Auslegung von Thermogeneratoren.
Kraftstoffverbrauch
(2002)
Kraftstoffverbrauch
(2005)
Kraftstoffverbrauch
(2007)
Kraftstoffverbrauch
(2012)
Kraftstoffverbrauch
(2014)
Bremsanhänger dienen dem Test von Kühlsystemen, deren Komponenten, Klimaanlagen oder auch zur Applikation verschiedener Anforderungen aus Motor-, Getriebe- oder Fahrzeugsteuerungen. Dieser Beitrag zeigt ein neues Konzept, mit dem der Komfort bei Versuchsfahrten deutlich gesteigert werden kann. Gleichzeitig kann die Einsatzdauer auch bei hohen Umgebungstemperaturen sichergestellt werden. Im Folgenden wird gezeigt, wie dies umgesetzt wurde und wie sich der BA6500.1 somit von der Konkurrenz abgrenzt.
CO2-Bilanzierungen - Keynote
(2014)
Wärme- und Energiemanagement im Kraftfahrzeugstellen einen Hebel zur Effizienzsteigerung bei der Energiewandlung der eingesetzten Energieträger dar. Neben der Verringerung und Vermeidung von CO2-Emissionen gehört dazu auch die Beachtung von Fahrbarkeits- und Komfortansprüchen und teilweise von sicherheitsrelevanten Themen. In dieser Keynote werden einführend aktuelle Zahlen zu globalen CO2-Emissionen und deren Verursachern sowie zur Entwicklung der Verkehrsleistungen und des Verbrauchs fossiler Energieträger in den letzten Jahren dargestellt.Damit können Effizienzsteigerungen am Kraftfahrzeug ins Verhältnis zum Energieumsatz in volkswirtschaftlichem Maßstab gesetzt und die Auswirkungen auf die gesamten CO2-Emissionen betrachtet werden.
Eine detaillierte Betrachtung der tatsächlichen Lifecycle-CO2-Emissionen verschie-dener Antriebskonzepte und der Vergleich der im Fahrbetrieb auftretenden Emissio-nen mit Werten aus gesetzlichen Zyklen läßt Rückschlüsse auf Potentiale zur Emissionsverringerung zu und zeigt die tatsächliche Umweltfreundlichkeit der unterschiedlichen Konzepte auf. Hier werden sowohl für den Verbrennungsmotor als auch für elektrisch angetriebene Fahrzeuge verschiedene Energieträger betrachtet.
Das Wärme- und Energiemanagement nimmt eine zentrale Rolle bei der intelligenten Organisation des steigenden Energiebedarfes bei gleichzeitig sinkendem Energieangebot im Fahrzeug ein. In diesem Band stellen Experten aus Industrie und Forschung neue Methoden und aktuelle Entwicklungen vor und ermöglichen dadurch einen interessanten Einblick in Lösungsansätze des Wärmemanagements. Dabei wird sowohl über verbesserte und neuartige Komponenten als auch über Optimierungsstrategien berichtet. Die Vorstellung von Berechnungsverfahren und -anwendungen rundet diese Themenpalette ab.
Der Zielkonflikt zwischen steigenden Ansprüchen des Kunden an Fahrleistungen, Komfort, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit einerseits und sich verschärfenden gesetzlichen Abgasemissions- und Kraftstoffverbrauchsregelungen andererseits stellt den Fahrzeugentwickler vor große Herausforderungen.
Das Zusammenführen der teils widersprüchlichen Anforderungen bedingt zunehmende Komplexität und Integrationsdichte sowohl bei den im Entwicklungsprozess eingesetzten Werkzeugen als auch bei den technischen Lösungen.
Das Wärme- und Energiemanagement nimmt eine zentrale Rolle bei der intelligenten Organisation des steigenden Energiebedarfs bei gleichzeitig sinkendem Energieangebot im Fahrzeug ein.
In diesem Band stellen Experten aus Entwicklung und Forschung neue Methoden und aktuelle Entwicklungen vor und ermöglichen dadurch einen interessanten Einblick in Lösungsansätze des Wärmemanagements. Dabei wird sowohl über verbesserte und neuartige Komponenten als auch über Optimierungsstrategien berichtet. Die Vorstellung von Berechnungsverfahren und -anwendungen rundet diese Themenpalette ab.
Inhalt:
• Motorinterne Maßnahmen
• Systeme und Komponenten
• Abwärmenutzung
• Aufheizstrategien, Klimatisierungen
• Kühl- und Schmiersystem, Reibungsoptimierung (Motor, Antriebsstrang, Fahrzeug)
• Alternative Fluide
• Bedarfsgerechte Energieflüsse
• Simulation, Co-Simulation
• Messtechnik für Prüfstand und Fahrzeug, Bilanzierung
• CO2-Emissionen in gesetzl. Zyklen und im realen Kundenverhalten
• Thermomanagement bei Hybriden, E-Fahrzeugen und alternativen Antrieben
Der Band enthält 21 Beiträge von Fahrzeugherstellern, Zulieferern, Dienstleistern, Universitäten und Hochschulen.
Die Interessenten:
– Führungs- und Fachkräfte aus Entwicklung, Forschung und Produktion von Automobilen und Nutzfahrzeugen sowie der Automobil-Zuliefererindustrie
– Software-Entwickler und Anwender
– Wissenschaftler in Forschungseinrichtungen und Hochschulen
– Studenten der Konstruktions- und Fahrzeugtechnik sowie der angewandten Thermodynamik
Der Zielkonflikt zwischen steigenden Ansprüchen des Kunden an Fahrleistungen, Komfort, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit einerseits und sich verschärfenden gesetzlichen Abgasemissions- und Kraftstoffverbrauchs -
regelungen andererseits stellt den Fahrzeugentwickler vor große Herausforderungen.
Das Wärme- und Energiemanagement nimmt eine zentrale Rolle bei der intelligenten Organisation des steigenden Energiebedarfs bei gleichzeitig sinkendem Energieangebot im Fahrzeug ein. In diesem Band stellen Experten aus Entwicklung und Forschung neue Methoden
und aktuelle Entwicklungen vor und ermöglichen dadurch einen interessanten Einblick in Lösungsansätze des Wärmemanagements. Dabei wird sowohl über verbesserte und neuartige Komponenten als auch über Optimierungsstrategien berichtet. Die Vorstellung von Berechnungsverfahren
und -anwendungen rundet diese Themenpalette ab.