Antriebsstrangsysteme in Kraftfahrzeugen E-Book

Behrooz Mashadi

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2014

Seitenzahl: 643

Beschreibung

Energieverbrauch minimieren, globale Emissionen senken - das sind die Herausforderungen, vor denen die Automobilindustrie im 21. Jahrhundert steht. Da das Interesse an Fahrkomfort ungebrochen ist, hängt der kommerzielle Erfolg eines Fahrzeugs davon ab, dass die Balance zwischen diesen Gegensätzen gelingt. Entscheidend dabei ist das Antriebsstrangsystem, das Herzstück jedes Kraftfahrzeugs. Hier wird die Antriebskraft erzeugt, die Beschleunigung und Geschwindigkeit ebenso bestimmt wie Energieverbrauch und -effizienz. Gut nachvollziehbar stellt diese Einführung die Prinzipien des Antriebsstrangs vor. Studenten gewinnen für den konventionellen Antriebsstrang ein umfassendes Verständnis, das für die Fahrzeugentwicklung unerlässlich ist. Praktiker finden die notwendigen Voraussetzungen für die Weiterentwicklung spezieller Konzepte wie dem Antriebsstrang in Hybridfahrzeugen und fortgeschrittenen Getriebearten. An zahlreichen durchgerechneten Beispielen sowie Aufgaben kann im Selbsttest das erlernte Wissen vertieft werden, kommentierter MATLAB®-Code erlaubt konkrete, numerische Berechnungen mit unterschiedlichen Parametern. Der systematische Ansatz der Autoren stellt Integration und Interaktionen zwischen sämtlichen Komponenten des Antriebsstrangs - vom Verbrennungsmotor über Getriebe und Achsantrieb bis hin zu Rädern und Reifen - in den Fokus. Mit Zusatzmaterial für Dozenten unter: www.wiley-vch.de

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Die Autoren

Vorwort

Abkürzungen

1 Fahrzeugantriebskonzepte

1.1 Antriebskonzepte

1.2 Antriebskomponenten

1.3 Fahrzeugleistung

1.4 Verhalten des Fahrers

1.5 Die Bedeutung der Modellierung

1.6 Ziel dieses Buches

1.7 Allgemeines zu den Literaturhinweisen

2 Merkmale der Leistungserzeugung bei Verbrennungsmotoren

2.1 Einleitung

2.2 Grundprinzipien der Leistungserzeugung beim Verbrennungsmotor

2.3 Modellierung von Verbrennungsmotoren

2.4 Mehrzylindermotoren

2.5 Drehmomentkennfelder

2.6 Zauberformel des Motordrehmoments

2.7 Motormanagementsystem

2.8 Ausgangsleistung

2.9 Fazit

2.10 Wiederholungsfragen

2.11 Aufgaben

2.12 Weiterführende Literatur

3 Dynamik der longitudinalen Bewegung von Fahrzeugen

3.1 Einleitung

3.2 Drehmomenterzeuger

3.3 Traktionskraft

3.4 Widerstandskräfte

3.5 Fahrzeug-Performance bei konstanter Leistung (CPP)

3.6 Performance bei konstantem Drehmoment (CTP)

3.7 Performance mit fest vorgegebener Last (FTP, Fixed Throttle Performance)

3.8 Gaspedalzyklusleistung (PCP, Pedal Cycle Performance)

3.9 Wirkung rotierender Massen

3.10 Reifenschlupf

3.11 Performance an Steigungen

3.12 Ausrollversuche

3.13 Verluste im Antriebsstrang

3.14 Fazit

3.15 Wiederholungsfragen

3.16 Aufgaben

3.17 Weiterführende Literatur

4 Kraftübertragung

4.1 Einleitung

4.2 Notwendigkeit eines Getriebes

4.3 Auslegung der Getriebeübersetzungen

4.4 Getriebekinematik und Zähnezahlen

4.5 Manuelle Schaltgetriebe

4.6 Automatische Getriebe

4.7 Stufenlose Getriebe

4.8 Fazit

4.9 Wiederholungsfragen

4.10 Aufgaben

4.11 Weiterführende Literatur

5 Kraftstoffverbrauch

5.1 Einleitung

5.2 Energieverbrauch des Verbrennungsmotors

5.3 Fahrzyklen

5.4 Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs

5.5 Effekte der Schaltvorgänge

5.6 Software

5.7 Automatisierte Schaltvorgänge

5.8 Andere Lösungen zur Kraftstoffeffizienz

5.9 Fazit

5.10 Wiederholungsfragen

5.11 Aufgaben

5.12 Weiterführende Literatur

6 Dynamik des Antriebsstrangs

6.1 Einleitung

6.2 Modellierung der Antriebsdynamik

6.3 Bondgraph-Modelle von Antriebskomponenten

6.4 Modelle des Antriebsstrangs

6.5 Analyse

6.6 Fazit

6.7 Wiederholungsfragen

6.8 Aufgaben

6.9 Weiterführende Literatur

7 Hybridelektrische Fahrzeuge

7.1 Einleitung

7.2 Arten von hybridelektrischen Fahrzeugen

7.3 Power-split-Vorrichtungen

7.4 HEV-Komponenteneigenschaften

7.5 HEV-Leistungsanalyse

7.6 Dimensionierung von HEV-Komponenten

7.7 Leistungsmanagement

7.8 Fazit

7.9 Wiederholungsfragen

7.10 Aufgaben

7.11 Weiterführende Literatur

Anhang: Einführung in die Modellierung mit Bondgraphen

A.1 Grundlegendes Konzept

A.2 Standardelemente

A.3 Erstellen von Bondgraphen

A.4 Bewegungsgleichungen

Stichwortverzeichnis

Titel der Originalausgabe: Crolla/Mashadi „Vehicle Powertrain System“ (Print ISBN 978-0-470-66602-9)

© All Rights Reserved. Authorised translation from the English language edition published by John Wiley & Sons Limited. Responsibility for the accuracy of the translation rests solely with Wiley-VCH Verlag GmbH. & Co. KGaA and is not the responsibility of John Wiley & Sons Limited. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyright holder, John Wiley & Sons Limited.

MATLAB® ist ein eingetragenes Warenzeichen von The MathWorks, Inc. und wird im Text mit freundlicher Genehmigung von The MathWorks, Inc. verwendet.

Autoren

Behrooz MashadiIran University of Science and TechnologyIran

David Crolla†University of SunderlandUnited Kingdom

Übersetzung

Kurt WenerTranslation Knowledge Work(s)Bleicherstr. 1131137 Hildesheim

Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung.

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Print ISBN 978-3-527-33661-6ePDF ISBN 978-3-527-67803-7ePub ISBN 978-3-527-67805-1Mobi ISBN 978-3-527-67804-4

Dieses Buch ist Professor David Crolla gewidmet, der unerwartet früh, während dieses Buch in der Fertigstellung war, verstorben ist. David Crolla führte ein ungewöhnlich erfülltes und produktives Leben, sowohl bei der Arbeit als auch im Privaten, er war sehr erfolgreich und beliebt. David Crolla war ein führender Forscher, ein inspirierender Lehrer, ein exzellenter Doktorvater und ein Freund für viele. Seine Energie, sein Enthusiasmus und unbändiger Humor haben mich und jeden, der ihn kannte, sehr beeindruckt. Er wird uns fehlen und sein wichtiger Beitrag zur Veröffentlichung dieses Buches wird uns immer in Erinnerung bleiben.

Die Autoren

Behrooz Mashadi ist Associate Professor am Department of Automotive Engineering der Iran University of Science and Technology (IUST) in Teheran, Iran. Er legte sein Bachelor of Science (BSc) und Master of Science (MSc) in Mechanical Engineering an der Isfahan University of Technology (IUT) in Isfahan, Iran, ab und und erhielt seinen Doktorgrad – PhD degree in Vehicle Dynamics Engineering – an der University of Leeds 1996 bei Professor D. A. Crolla. Danach war Mashadi an verschiedenen Forschungsprojekten in der Automobilindustrie beteiligt und wurde 2002 akademischer Mitarbeiter am IUST.

Er entwickelte eine Vielzahl von Vorlesungen und Kursen für Studierende und Doktoranden im Bereich der Automobiltechnik. Er arbeitete als Deputy for Education im Department of Automotive Engineering und ist derzeit Deputy of the Automotive Research Centre beim IUST, dem führenden Forschungszentrum für Automobiltechnik im Iran.

Zu seinen aktuellen Forschungsgebieten gehören Antriebsstrangsysteme, Hybrid-Antriebskonzepte, Fahrzeugdynamik, Fahrzeugmodellierung, Simulation und Steuerung. Er schrieb über 100 Fachartikel für Zeitschriften und Konferenzen. Er ist zudem Redaktionsmitglied in verschiedenen internationalen Fachzeitschriften.

David Crolla, FREng, war Visiting Professor of Automotive Engineering an den Universitäten von Leeds, Sunderland und Cranfield. Nach Abschluss des Studiums an der Loughborough University arbeitete er zunächst als Entwicklungsingenieur in der Offroad-Fahrzeugtechnik und ging anschließend an die University of Leeds (1979–2001), wo er das Mechanical Engineering Department leitete. Zu seinen Forschungsgebieten zählen Fahrzeugdynamik, Fahrwerksregelsysteme, Antriebsstrangsysteme, Radaufhängungssysteme und Terramechanik. Er veröffentlichte über 250 Artikel für Fachzeitschriften und Konferenzen.

Zu seinen Aktivitäten zählen die Forschung an Low Carbon Vehicles, Schnellkurse über Fahrzeugdynamik und Fahrgestellregelsysteme für die Industrie sowie beispielsweise die technische Beratertätigkeit für den 1000mph Geschwindigkeitsrekord-Versuch von BLOODHOUND SSC.

Er war Chefredakteur der weltweit ersten Encyclopedia of Automotive Engineering, die 2015 erscheinen soll.

Vorwort

Mit dem Verfassen dieses Buches haben wir versucht, uns gleichermaßen an den Anforderungen von Studierenden der Fachrichtung Automobiltechnik und an den Anforderungen der Ingenieure in der Automobilindustrie zu orientieren. Für Studierende der Ingenieurwissenschaften hoffen wir, nachvollziehbare Erläuterungen zu den Hintergründen von Entwurf und Auslegung von Fahrzeug-Antriebssystemen gegeben zu haben. Für Ingenieure aus der Automobilindustrie haben wir versucht, eine umfassende Einführung in den Themenkomplex zu geben, mit dem sich künftige Fachbücher, beispielsweise über Verbrennungsmotoren, Kraftübertragungen oder Hybrid-elektrische Komponenten befassen werden.

Das Buch ist aus unserer jeweiligen Lehrtätigkeit an einer Reihe von Universitäten, darunter Iran University of Science and Technology (IUST), Teheran, sowie an den Universitäten von Leeds, Sunderland und Cranfield entstanden. Im Unterschied zu anderen Lehrbüchern haben wir versucht, zwei wichtige Themen in unseren Texten einzubeziehen:

1. die Aufnahme zahlreicher Arbeitsbeispiele und die Bereitstellung von MATLAB®-Code-Beispielen für viele der Probleme.

2. Eine systematische Vorgehensweise für die konstruktive Bestimmung des Antriebsstrangs – wobei wir die Integration und Interaktionen zwischen allen Komponenten, beispielsweise von Verbrennungsmotor, Getriebe, Achsantrieb, Rädern und Reifen bei der Analyse der Gesamt-Performance des Fahrzeugs in den Fokus gestellt haben.

Unsere Erfahrung in der Lehrtätigkeit mit Studierenden sagt uns, dass eine der besten Methoden, die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen zu erlernen, darin besteht, Probleme selbst praktisch zu erarbeiten. Daher haben wir versucht, eine große Zahl von Übungen mit ausgearbeiteten Lösungen, oft mit dem zugehörigen MATLAB-Code, bereitzustellen. Wir hoffen, dass die Leser diese Programme interessant finden und selbst modifizieren, um Performance-Probleme zu untersuchen.

Der Begriff „systemischer“ oder „systematischer“ Ansatz wird in den Ingenieurwissenschaften weitläufig verwendet, bleibt aber oft in dem jeweiligen Kontext im Unklaren. Hier meinen wir, dass es für das Verständnis der Fahrzeug-Performance notwendig ist, alle Komponenten des Triebstranges zusammen zu analysieren und zu prüfen, wie sie interagieren und wie der Konstrukteur sie in koordinierter Art und Weise integrieren kann. Unsere Erfahrung hat uns gelehrt, dass es relativ wenige Nachschlagewerke gibt, die diesen kritischen Integrationsgedanken umfassend abhandeln.

Derzeit steht die Automobilindustrie unter beachtlichem Druck, den Energieverbrauch zu minimieren und die globalen Emissionen zu senken. Das hat zu einer sprunghaften Zunahme des Interesses an alternativen Antriebskonzepten geführt – und zur Entwicklung einer breiten Palette von elektrisch angetriebenen und Hybrid-elektrischen Fahrzeugen. Dennoch scheinen die Verbraucher nicht gewillt, auf einige der traditionellen Aspekte der Fahrzeug-Performance, wie beispielsweise Beschleunigung, Geschwindigkeit etc. im Interesse des Gesamtenergieverbrauchs zu verzichten. Fahrkomfort bleibt ein entscheidender Punkt für den kommerziellen Erfolg eines Fahrzeugs und es gibt ein Verlangen nach „Fahrspaß“. Daher bleibt es eine große Herausforderung bei der Fahrzeugentwicklung, den richtigen Kompromiss zwischen Performance und Energieeffizienz des Fahrzeugs zu finden. Wir haben versucht, mit diesem Buch diese oft widersprüchlichen Aspekte des Fahrzeugverhaltens umfassend abzuhandeln.

Antriebsstrangsysteme wird parallel auf einer Webseite1) angeboten. Hier findet der Leser eine Anleitung zu Lösungen mit detaillierten Erläuterungen zu den Lösungsmethoden für mehr als hundert Übungen, die in diesem Buch enthalten sind. Die Mehrzahl der Probleme können in einer MATLAB-Arbeitsumgebung gelöst werden und die Programm-Listings werden ebenfalls bereitgestellt. Über die Arbeitsbeispiele des Buches selbst hinaus bietet die Webseite wertvolle Anleitungen und Erklärungen für Studierende.

Schließlich möchten wir allen unseren Kollegen und Freunden danken, die auf die eine oder andere Weise zu diesem Buch beigetragen und uns beim Schreiben dieses Textes beeinflusst haben.

1)www.wiley.com/go/mashadi.

Abkürzungen

2WD

2-Wheel Drive, Zweiradantrieb

4WD

4-Wheel Drive, Vierradantrieb

AC

Alternating Current, Wechselstrom

AFR

Air-Fuel Ratio, Verhältnis Luft zu Kraftstoff

Ah

Amp-hour, Amperestunde

AMT

Automated Manual Transmission, automatisiertes Schaltgetriebe

AT

Automatic Transmission, Automatikgetriebe

BAS

Belted Alternator Starter, riemenbetriebener Startergenerator

BD

Block-Diagramm

BDC

Bottom Dead Centre, unterer Totpunkt

BLDC

Brushless-DC, bürstenloser Gleichstrommotor

BMEP

Brake Mean Effective Pressure, effektiver Mitteldruck

BMS

Battery Management System, Batteriemanagementsystem

BSFC

Brake Specific Fuel Consumption, spezifischer Kraftstoffverbrauch

CAFE

Corporate Average Fuel Economy, spezifischer Flottenausstoß eines Herstellers

CI

Compression Ignition, Zündung durch Verdichtung

CO

2

Kohlendioxid

COP

Conformity of Production, Nachweis der Fähigkeit zur Serienfertigung von Produkten

CPP

Constant Power Performance, Performance mit konstanter Leistungsabgabe

CSM

Charge Sustaining Mode, CS-Modus, Ladungserhaltungsmodus

CTP

Constant Torque Performance, Performance bei konstanter Drehmomentabgabe

CVT

Continuously Variable Transmission, CV-Getriebe, stufenloses Getriebe

DC

Direct Current, Gleichstrom

DCT

Dual Clutch Transmission, Doppelkupplungsgetriebe

deg.

Degree, Grad

DOF

Degree of Freedom, Freiheitsgrad

DOH

Degree of Hybridization, Hybridisierungsgrad

EC

Eddy Current, Wirbelstrom

ECU

Engine Control Unit, Motorsteuergerät

EFCC

Efficient Fuel Consumption Curve, EFCC-Kurve

EGR

Exhaust Gas Recirculation

EM

Electric Motor, Elektromotor

EMS

Engine Management System, Motormanagementsystem (MMS)

EOP

Engine Operating Point, Motorbetriebspunkt Verbrennungsmotor

EPA

Environmental Protection Agency, US-Umweltschutzbehörde

EREV

Extended Range Electric Vehicle, Elektrofahrzeug mit Reichweiten-Extender

EUDC

Extra-Urban European Driving Cycle, EU-Überlandfahrzyklus

EV

Electric Vehicle, Elektrofahrzeug

FBD

Free Body Diagram, Freikörperbild

FC

Fuel Consumption, Kraftstoffverbrauch

FCVs

Fuel Cell Vehicles, Brennstoffzellenfahrzeuge

FEAD

Front Engine Accessory Drive, Aggregatetrieb auf der Vorderseite des Verbrennungsmotors

FEM

Finite-Elemente-Methode

FTP

Federal Test Procedure, US-Testverfahren

FTP

Fixed Throttle Performance, Performance mit feststehender Drosselklappe

FWD

Front-Wheel Drive, Vorderradantrieb

GDI

Gasoline Direct Injection, Benzindirekteinspritzung

HC

Hydrocarbons, Kohlenwasserstoffe

HCCI

Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI-Verbrennung

HEV

Hybrid Electric Vehicle, hybridelektrisches Fahrzeug

IC

Internal Combustion, innere Verbrennung

hp

hp „horse power“, englische Kurzform für „brake horse power“ (bhp), Pferdestärke, nicht identisch mit der Pferdestärke nach DIN 70020

ICE

Internal Combustion Engine, Verbrennungskraftmaschine

IMEP

Indicated Mean Effective Pressure, effektiver Mitteldruck

I/O

Input/Output, Eingang/Ausgang (E/A)

ISG

Integrated Starter-Generator, Integrierter Starter-Generator

ISO

International Standard Organization

IVT

Infinitely Variable Transmission

kg/J

Kilogramm pro Joule

kWh

kW-hour, Kilowattstunde

l

Liter

lbs/(hp h)

Pfund pro Perdestärke (s. auch „hp“) und Stunde

LCV

Low Carbon Vehicle, „kohlenstoffarmes“ Fahrzeug

LS

Low Speed, geringe Geschwindigkeit

MAP

Manifold Absolute Pressure, Absolutdruck im Saugrohr

MC

Motor Controller, Motorsteuergerät (E-Motor)

MCU

Motor Control Unit, Motorsteuergerät (E-Motor)

MG

Motor/Generator, Motor-Generator

MPa

Megapascal

MPD

mechanische Leistungsaufteilung

MPI

Multi-point Injection, Mehrpunkteinspritzung

MT

Magic Torque (Formel), Drehmoment-„Zauberformel“

MT

Manual Transmission, Handschaltgetriebe, manuelles Schaltgetriebe

NEDC

New European Driving Cycle, Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ)

NOx

Oxides of Nitrogen, Stickoxide

NRF

No Resistive Force, NRF-Modell, Modell ohne Fahrwiderstandskraft

NVH

Noise, Vibration and Harshness, von Geräuschen, Schwingungen und Stößen verursachte Phänomene

OOL

Optimal Operating Line, optimale Betriebslinie

PCP

Pedal Cycle Performance, Gaspedalzyklus-Performance

PGS

Planetary Gear Set, Planetenradsatz, Planetengetriebe

PHEV

Plug-in Hybrid Electric Vehicle, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug, Steckdosenhybrid

PID

Proportional Integral Derivative, Proportional-Integral-Differenzial

PSD

Power Split Device, Power-Split-Vorrichtung, Leistungsteilungsvorrichtung, Leistungsweiche

RMS

Root Mean Square, Quadratmittel

rpm

Revs Per Minute, Umdrehungen pro Minute (1/min)

RWD

Rear-Wheel Drive, Hinterradantrieb

SCU

Supervisory Control Unit, übergeordnete Steuereinheit

SFG

Single Flow Graph

SI

Spark-Ignition, Fremdzündung

SOC

State of Charge, Ladezustand

SPH

Series-Parallel Hybrid, SP-Hybrid

TA

Type Approval, Typ-Genehmigung

TAD

Torque Amplification Device, Drehmomentverstärkungsvorrichtung

TBI

Throttle Body Injection, Saugrohreinspritzung

TC

Torque Converter, Drehmomentwandler

TDC

Top Dead Centre, OT, oberer Totpunkt

THS

Toyota Hybrid System

TPS

Throttle Position Sensor, Drosselklappen-Positionssensor

VVT

Variable Valve Timing, variable Ventilsteuerung

Wh

Watt hour, Wattstunde

WOT

Wide-Open Throttle, vollständig geöffnete Drosselklappe

1

Fahrzeugantriebskonzepte

1.1 Antriebskonzepte

In den letzten 100 Jahren haben Kraftfahrzeuge unser Leben verändert. Sie haben uns die Mobilität verliehen, die wir bei all unseren Geschäftsaktivitäten rund um den Globus nutzen. Zudem haben sie Millionen von uns neue Möglichkeiten gegeben, die erst mit dem Individualverkehr möglich wurden. Das Herzstück jedes Fahrzeugs ist das Antriebssystem. Die Technik des Antriebssystems stellt die die treibende Kraft für die Mobilität bereit.

Der Kraftquellenabtrieb – bis heute meist eine Verbrennungskraftmaschine – wird über ein System zur Kraftübertragung und den Antriebsstrang kontrolliert und wird als Zugkraft an die Räder abgegeben. Alle diese Komponenten, die zusammen auch als Antriebssystem oder kurz Antrieb bezeichnet werden, werden vom Fahrer kontrolliert. Anspruchsvolle Fahrer nehmen, so glaubt die Automobilindustrie, eine Reihe von Performance-Kriterien wahr. Beispielsweise sind Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit, Kraftstoffverbrauch, Steigfähigkeit oder Anhängelast einige der augenscheinlicheren quantitativen Merkmale. Aber subjektive Kriterien wie Fahrverhalten, Fahrspaß, technische Ausgereiftheit und Fahrvergnügen spielen eine wichtige Rolle beim wirtschaftlichen Erfolg von Fahrzeugen. Andererseits fordert die Gesellschaft verschiedene Leistungsanforderungen ein – wovon in jüngerer Zeit Emissionswerte und CO2-Ausstoß von Fahrzeugen im Vordergrund stehen. Die Regierungen gehen so weit, Herstellern sogar Gesamtemissionswerte für ihre Fahrzeugflotten vorzugeben.

Um all diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllen zu können, müssen die Ingenieure das gesamte Antriebssystem beherrschen. Wenn es ein durchgehendes Thema in diesem Buch gibt, dann ist dies, dass das Gesamtsystem analysiert werden muss, bevor Fahrzeugmobilität wirklich verstanden werden kann – inklusive Fahrer, Motor, Kraftübertragung, Fahrzyklen usw. Ziel dieses Kapitels ist es, dieses Hintergrundwissen bereitzustellen.

1.1.1 Systemansatz

Das Kernthema dieses Buches besteht in der Vorgabe eines systematischen Lösungsansatzes für das Antriebskonzept eines Fahrzeugs. Einfach ausgedrückt geht es darum, alle Einzelkomponenten des Antriebsstrangs zu betrachten und zu analysieren, wie sie zusammen funktionieren und interagieren. Letztlich ist die Zielsetzung natürlich, das Gesamtverhalten des Fahrzeugs hinsichtlich Geschwindigkeit, Beschleunigung, Steigfähigkeit, Kraftstoffverbrauch usw. vorausberechnen zu können.

Zunächst wird das Verhalten der Triebstrangkomponenten analysiert – danach werden sie als Komplettsystem zusammen betrachtet, um den gesamten Triebstrang des Fahrzeugs zu erfassen, also von der Antriebsmaschine, die zumeist auch heute noch ein Verbrennungsmotor ist, über die Kraftübertragung – Kupplung, Getriebe, Differenzial usw. – bis hin zum Achsantrieb der Räder. Das Wichtige daran ist, dass der Fahrzeugkonstrukteur nur dann die gewünschten Leistungsmerkmale erreichen kann, wenn er den Antriebsstrang aus der Systemebene betrachtet. Beim Systemansatz für beliebige Systeme ist die Festlegung der Systemgrenzen die eigentlich problematische Aufgabe. Betrachtet man beispielsweise den Gesamtenergieverbrauch eines Pkw, sieht das System wie in Abb. 1.1 aus – wobei hier die Energie von der Primärenergiequelle bis zur Nutzung für den Vortrieb des Fahrzeugs bilanziert wird. Bei der Planung eines Antriebssystems ist dieser Zusammenhang von Bedeutung. Dieser wird häufig als Well-to-Wheel-Analyse des Energieverbrauchs bezeichnet.

Abb. 1.1 Gesamtenergiewandlungsprozess im Kraftverkehr – Well-to-Wheel-Analyse (W2W-Analyse); (a) Bohrung bis Tank, (b) Tank bis Rad.

1.1.2 Geschichtliches

Es gibt Hunderte faszinierender Bücher, die sich mit der Entwicklungsgeschichte des Automobils befassen. Es ist nicht Ziel dieses Buches, über die Geschichte der Automobiltechnik nachzusinnen. Allerdings gibt es einige interessante Beobachtungen, die den Rahmen für unsere Analyse von Antriebssystemen stecken.

1997 veröffentlichte die SAE (Society of Automotive Engineers) anlässlich ihres hundertjährigen Bestehens ein informatives Buch [1] über die Geschichte des Automobils. Jedes Kapitel wurde von einem ausgewählten US-Experten geschrieben und alle Komponenten des Antriebs – Triebwerk (Motor), Kraftübertragung, Reifen usw. – wurden behandelt. Aus dem Blickwinkel der technischen Innovationen ist unzweifelhaft, dass Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts eine Fülle von innovativen Konstruktionen veröffentlicht wurden. Allerdings wurden sie erst viele Jahrzehnte später durch verbesserte Werkstoffeigenschaften und Massenfertigungsverfahren praktisch nutzbar. Beispielsweise gab es jede Menge ziemlich komplexer Konstruktionen, etwa Automatikgetriebe und stufenlose Automatikgetriebe, die in dieser Zeit patentiert wurden, aber erst einige Jahrzehnte später kommerziell genutzt werden konnten. Die historische Entwicklung der Fertigung, die Massenproduktion und das wirtschaftliche Umfeld der Automobiltechnik werden in einem exzellenten Buch von Eckman [2] beschrieben.

Die beiden wichtigsten Komponenten von Antriebssystemen – der Verbrennungsmotor und das Getriebe – wurden aus historischer Perspektive beleuchtet. Der Titel des Buches von Daniels „Driving Force“ [3] (Anm. d. Übersetzers: etwa „Treibende Kraft“) erklärt die Rolle des Verbrennungsmotors als dominante Kraftquelle für Kraftfahrzeuge im 20. Jahrhundert. Daniels gibt einen umfassenden Überblick über die detaillierte technische Entwicklung von Motorenkonstruktionen – von den ersten Anfängen 1876 mit dem stationären Ottomotor bis zu den modernen Motoren, die sich ebenso durch intelligente Steuerungssysteme wie durch mechanische Konstruktionen auszeichnen.

Aus der Sicht der Ingenieure waren die Entwicklungen des 20. Jahrhunderts im Bereich der Kraftübertragung ebenso wichtig. Aus Systemsicht muss man dem Argument zustimmen, denn der Verbrennungsmotor gibt nur über einen begrenzten Drehzahlbereich Leistung ab. Somit kommt dem Getriebe eine entscheidende Rolle bei der Leistungswandlung in eine an den Rädern nutzbare Form zu. Gott [4] verfolgt die Geschichte technischer Entwicklungen anhand der Getriebe – wenn auch mit einer Vorliebe für die in den USA bevorzugten Automatikgetriebe. Das stärkt allerdings den systematischen Ansatz, denn die Steuerung des Getriebes muss vollständig in der Motormanagementsteuerung integriert sein.

Dieser ganzheitliche Ansatz, bei dem alle beteiligten Komponenten des Antriebsstrangs in ihrem Zusammenwirken betrachtet werden, führt zu der Idee der Systemoptimierung. Beispielsweise ist es sehr wichtig, die Einzelkomponenten schon beim Entwurf optimal zu gestalten. Andererseits ist ebenso klar, dass das Ziel immer sein muss, alle Komponenten als Gesamtsystem optimal aufeinander abzustimmen.

1.1.3 Herkömmliche Antriebe

Dieses Buch beschreibt hauptsächlich sogenannte konventionelle Antriebe. Dabei treibt ein Verbrennungsmotor die Räder eines Fahrzeugs über eine Kraftübertragungseinheit an, zu der Getriebe und Achsantrieb gehören. In Abb. 1.2 ist ein typisches Fahrzeug mit Frontmotor und Heckantrieb dargestellt. Dazu sind die entsprechenden Buchkapitel aufgeführt. Die am häufigsten anzutreffende Pkw-Konstruktion ist die Variante mit Frontmotor und Vorderradantrieb (FWD, Front-Wheel Drive). Die Prinzipien, die bei der Analyse des Antriebs angewendet werden, sind aber dieselben wie beim Heckantrieb.

2009 wurde die Zahl der Pkw und leichten Nutzfahrzeuge auf ca. 900 Millionen geschätzt, wobei in dem Jahr rund 61 Millionen neue Pkw/leichte Nutzfahrzeuge produziert wurden. Der überwiegende Teil dieser Fahrzeuge – über 99% – nutzen die oben beschriebenen konventionellen Antriebssysteme. Daher ist klar, dass die Prinzipien zu Analyse und Verständnis der herkömmlichen Antriebssysteme, die in diesem Buch beschrieben werden, sicher noch mehrere Jahrzehnte von Interesse sein werden, trotz des seit ca. 2000 enorm gestiegenen Interesses an alternativen Antriebssystemen. Diese werden allgemein als „kohlenstoffarme Fahrzeuge“ (LCVs, Low Carbon Vehicles) bezeichnet.

1.1.4 Hybridantriebe

Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts begeisterten sich die Ingenieure an dem durch das Kraftfahrzeug möglich gewordenen Individualverkehr. Es waren drei Technologien, die als Triebwerke konkurrierten – Dampf, Elektrizität und Benzin. Jede hatte eigene Vor- und Nachteile, darum war damals keineswegs klar, welche Technik sich langfristig durchsetzen würde. Tatsächlich ergab eine Zählung im Jahr 1900 in den Oststaaten der USA [5], dass jede Technologie zu rund einem Drittel vertreten war. Allerdings führten die Pferdekutschen zu der Zeit hinsichtlich der Gesamtzahl noch deutlich!

Abb. 1.2 Übersicht Antriebssystem und zugehörige Kapitel des Buches.

Die Dampfmaschine hatte damals eine längere technische Entwicklung hinter sich. Daher war sie hinsichtlich der installierten Leistung im Vorteil. Aber die Kraftstoffausbeute war gering. Zudem musste der Kessel vor der Fahrt auf Temperatur gebracht werden. Sowohl die Wasserbevorratung als auch der Gebrauch waren problematisch. Elektrische Fahrzeuge waren sehr vielversprechend – sie waren leise, sauber und erstaunlich einfach zu bedienen. Die limitierte Reichweite durch die geringe Speicherkapazität der Batterie war damals das Hauptproblem – es ist bis heute nicht gelöst. Benzinfahrzeuge waren in der damaligen Zeit noch nicht sehr weit entwickelt und schienen extrem störanfällig. Sie ließen sich zudem schwer anlassen. Wenn sie liefen, waren sie laut, schmutzig und recht unzuverlässig. Allerdings war ihr fundamentaler Vorteil – das wissen wir heute – die Energiedichte von Benzin. Sie war um den Faktor 300 höher als die der Blei-Säure-Batterie. Damit war es lohnenswert, in Ingenieursleistungen für benzingetriebene Antriebe zu investieren – und dieser Ansatz der unaufhaltsamen Weiterentwicklung und Verfeinerung dieses Konzepts hält bis heute an.

Angesichts der damaligen Diskussionen über das optimale automobile Triebwerk ist es nicht überraschend, dass verschiedene zukunftsorientierte Ingenieure die Kombination zweier verschiedener Kraftquellen vorschlugen, um die Vorteile beider Quellen zu nutzen – daher war bereits um die Jahrhundertwende zum 20. Jahrhundert die Idee eines Hybridfahrzeugs geboren. Damals sprach man noch nicht von einem „Hybridauto“, allerdings ist es schon bemerkenswert, dass beispielsweise der 1902 von Woods realisierte „gaselektrische“ Wagen [5] den heutigen seriellen Hybridfahrzeugen konstruktiv sehr ähnlich ist. Das Fahrzeug wurde von einem Elektromotor angetrieben, der auch als Generator diente. Der Wagen konnte bei geringer Geschwindigkeit nur von der Batterie angetrieben werden. Zum Laden der Batterie konnte der wegen des Elektromotors kleinere Benzinmotor genutzt werden. Zudem verfügte auch dieses Fahrzeug schon über eine regenerative Bremsanlage.

Obschon es eine beachtliche Zahl verschiedenster Antriebskonzepte für Hybridfahrzeuge gibt, sind heutzutage drei Architekturen von besonderem Interesse, alle direkt verknüpft mit kommerziell erhältlichen Modellen. Die drei Arten werden in Abb. 1.3 dargestellt und sind:

1. Plug-in-elektrisches Fahrzeug (EV), z. B. Nissan Leaf,

2. EV mit Range-Extender, z. B. Chevrolet Volt,

3. hybridelektrisches Fahrzeug (HEV), z. B. Toyota Prius.

Kapitel 7 stellt die hochaktuellen Hybridantriebe vor. Es ist nicht beabsichtigt, eine umfassende Behandlung der sich rasant entwickelnden Hybridfahrzeugtechnologie zu liefern – zu diesem Thema gibt es bereits viele exzellente Bücher, die am Ende von Kapitel 7 auch aufgeführt sind. Das Kapitel soll vielmehr zeigen, wie die gleichen Analysemethoden für Antriebe, die das zentrale Thema dieses Fachbuches darstellen, auch auf unterschiedliche Technologien angewendet werden können. Hier soll gezeigt werden, dass der Systemansatz zur Analyse von sogenannten herkömmlichen Antriebskomponenten unverändert auf Antriebe anwendbar ist, die aus verschiedenen Komponenten bestehen, etwa Batterien, Motor-Generator-Kombinationen, Brennstoffzellen, Superkondensatoren.

Abb. 1.3 Drei Arten typischer 2011 verfügbarer Hybrid-/Elektrofahrzeugarchitekturen: (a) Plug-in-Elektrofahrzeug, (b) Elektrofahrzeug mit Range-Extender und Plug-in-Vorrichtung, (c) HEV (hybridelektrisches Fahrzeug) – Antriebsleistung von Verbrennungsmotor, E-Motor oder einer Kombination beider.

1.2 Antriebskomponenten

Die Komponenten im Antriebsstrang werden detailliert in allen folgenden Kapiteln des Buches beschrieben, mit Querverweisen zu weiterführenden Büchern zum Thema. Es versteht sich von selbst, dass alle diese Komponenten ständig und unermüdlich weiterentwickelt werden und ihre Performance verbessert wird – Wirkungsgrad, Emissionssteuerung, Verfeinerung –, ebenso wie die Kosteneffizienz insgesamt. Im Folgenden werden die neuesten Entwicklungen der Antriebskomponententechnik zusammengefasst.

1.2.1 Verbrennungsmotor

Schichtladeverfahren;

Magerverbrennung;

HCCI-Verbrennung (HCCI, Homogeneous Charge Compression Ignition);

variable Ventilsteuerung;

Aufladung oder Doppelaufladung (in Verbindung mit einem Downsizing-Motor);

aufgeladene Dieselmotoren mit Direkteinspritzung;

Benzinmotoren mit Direkteinspritzung;

Common-Rail-Dieselmotoren;

Turboladung mit variabler Geometrie.

1.2.2 Kraftübertragung

Reibungsmindernde Schmierstoffe (Motoröl, Getriebeöl, Achsöl);

Drehmomentwandler mit Überbrückung in Automatikgetrieben zur Verringerung von Schlupf und Leistungsverlusten im Wandler;

stufenlose CVT-Getriebe (CVT, Continuously Variable Transmission);

automatisierte Schaltgetriebe;

Doppelkupplungsgetriebe;

Zunahme der Zahl der Gangstufen in Schalt- und Automatikgetrieben.

1.2.3 Fahrzeugaufbau

Gewichtsreduktion durch Verwendung von Werkstoffen wie Aluminium, Fiberglas, Kunststoff, hochfestem Stahl und Kohlefaser statt Schmiedestahl und Gusseisen;

Einsatz von leichteren Werkstoffen für bewegte Teile wie Kolben, Kurbelwelle, Zahnräder und Leichtmetallräder;

Tausch von Reifen gegen Modelle mit geringerem Rollwiderstand.

1.2.4 Systemfunktionen

Automatische Abschaltung (Start-Stopp-Funktion) bei stehendem Fahrzeug;

Rückgewinnung verbrauchter Energie beim Bremsen (regenerative Bremsanlage);

Unterstützung des Downsizing-(Verbrennungs-)Motors mit einem elektrischen Antriebssystem und Batterie (Mild-Hybrid-Fahrzeuge);

verbesserte Regelung von wasserbasierten Kühlsystemen, um die effizienteste Betriebstemperatur früher zu erreichen.

1.3 Fahrzeugleistung

Seit die ersten gebrauchsfähigen Straßenfahrzeuge auf den Straßen erschienen – wie sie beispielsweise in den 1890er- und 1900er-Jahren von Daimler, Benz, Peugeot oder Panhard & Levassor gebaut wurden – wurden Leistungsangaben gemacht, um die Fahrzeuge vergleichen zu können. An erster Stelle standen natürlich Höchstgeschwindigkeit und Reichweite. Danach kamen mit den stärker werdenden Motoren andere Performance-Werte – etwa Beschleunigung, Steigfähigkeit und Zugkraft. Die Leistung ließ sich anhand der sehr einfachen Modelle des zweiten Newton’schen Gesetzes der Bewegung voraussagen. So wurde beispielsweise im Buch von Kerr Thomas aus dem Jahr 1932 [6] mit dem Titel Mechanics of a Moving Vehicle gezeigt, wie Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnet werden konnten, wenn Werte wie Motordrehmoment und Drehzahlverlauf, Übersetzungsverhältnisse sowie Schätzwerte für Rollwiderstand und Luftwiderstand bekannt waren.

Nach einem von dem amerikanischen Kraftfahrzeug-Pionier Olley [7] verfassten Prüfbericht wog der typische amerikanische Wagen dieser Zeit rund 2t (2000 kg) und verfügte über eine Motorleistung von rund 75 kW (100 PS). Damit wurden normalerweise eine Beschleunigung von ~ 3 m/s2 (10 ft/s2), eine Steigfähigkeit von 11% und eine Höchstgeschwindigkeit von 38 m/s oder 140 km/h (85 mph) erreicht. Die Genauigkeit dieser Leistungsberechnungen besserte sich ab den 1930er-Jahren, als die Messmethoden für Motorleistung [8], Reifenrollwiderstandseigenschaften [9] und Luftwiderstandswerte [10] besser wurden. Abbildung 1.4 zeigt für eine typische Stadt- und Autobahnfahrt, wo die Energie für die Longitudinalbewegung eines Fahrzeugs im Einzelnen verbraucht wird.

In den 1970er-Jahren kam es zu einer massiven Verlagerung des Interesses von der Fahrzeug-Performance hin zu Berechnungen der Krafteffizienz. In den USA reagierte man darauf mit den CAFE-Verordnungen (CAFE, Corporate Average Fuel Economy), die der Kongress erstmalig 1975 erließ. Diese Verordnungen der US-Regierung waren die Folge der Ölkrise 1973 und sollten dazu beitragen, die durchschnittliche Kraftstoffeffizienz von Personenwagen und leichten Nutzfahrzeugen zu verbessern. Im Grunde handelte es sich um Vorgaben für die verkaufsbereinigte Kraftstoffeffizienz aller Modelle an Pkw und leichten Nfz eines Herstellers, die für den Verkauf in den Vereinigten Staaten gefertigt wurden. Damit begann weltweit das unglaubliche Interesse an der Kraftstoffeffizienz und dem damit verknüpften Thema, den Emissionen. Zugleich wurden Regierungen sehr aktiv, Gesetze zur Messung und Kontrolle dieser beiden Aspekte der Fahrzeug-Performance zu erlassen.

Abb. 1.4 Beispiel eines Energieflussdiagramms während eines Stadt- (a) und Autobahn-/ Überland-Fahrzyklus (b).

In den vergangenen Jahrzehnten glaubten Fahrzeugverkäufer im gewerblichen Umfeld, dass Verbraucher Daten und Vergleichszahlen brauchen, um verschiedene Modelle der Hersteller zu vergleichen. Longitudinale Performance-Werte, wie Höchstgeschwindigkeit, Beschleunigung, Steigfähigkeit, Anhängelast usw., sind recht einfach zu messende und wenig kontroverse Werte. Dagegen haben sich die Kraftstoffeffizienz- und erst recht Emissionswerte als äußerst kontrovers herausgestellt.

Das gängige Verfahren zur Ermittlung der verbrauchten Kraftstoffmenge für einen Standardfahrzyklus wird am Fahrzeug auf einem Prüfstand vorgenommen. Der Fahrzyklus besteht schlicht aus einer Reihe von Datenpunkten, die vorgeben, wie ein Streckenprofil mit bestimmten Geschwindigkeiten abgefahren wird. Es wurden verschiedene Fahrzyklen entwickelt, um bestimmte Fahrzeugbetriebsarten zu simulieren, beispielsweise Überlandfahrt, Stadtfahrt, Autobahnfahrt und eine Kombination von Stadt- und Autobahnfahrt.

Obwohl dieser Ansatz international anerkannt ist, sind wesentliche Unterschiede im Detail in verschiedenen Ländern und Regionen der Welt entstanden. Weltweite Vergleiche der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen anzustellen, ist sehr schwierig! Grob gesagt haben sich die derzeitigen Standard-Fahrzyklen aus den drei großen Automobilabsatzmärkten entwickelt – Europa, USA und Asien – und die Unterschiede geben auf gewisse Weise die verschiedenen Fahrmuster in diesen Regionen wieder. Eine exzellente Übersicht zum Vergleich der verschiedenen Fahrzyklen wird in [11] gegeben. Die Situation verkompliziert sich weiter durch die Tatsache, dass verschiedene Länder oder Regionen verschiedene Grenzwerte für Kraftstoffeffizienz und Emissionen festgelegt haben – das macht es den Automobilherstellern weltweit nicht gerade einfacher, die Vorgaben in den verschiedenen Ländern zu erreichen.

Aufgrund dieser regionalen Differenzen kam es in der Branche verschiedentlich zu Meinungsstreitigkeiten über die Prüfbedingungen für Fahrzyklen. Aber die Sache stellt sich auch aus Verbrauchersicht extrem kontrovers dar, denn es hat sich herausgestellt, dass es quasi unmöglich ist, die unter Normbedingungen ermittelten idealen Zahlenwerte in der Praxis zu erzielen. Für die Ingenieure ist dieses Ergebnis eher normal und vorhersehbar – die Tests und Messungen werden schließlich unter Laborbedingungen mit verschiedenen reproduzierbaren Fahrzyklen durchgeführt, wobei die Fahrzyklen lediglich ein „typisiertes Bild“ von Millionen von verschiedenen realen Fahrsituationen sein können. Der wesentliche Vorteil ist natürlich, dass Fahrzeuge zumindest unter fairen und reproduzierbaren Bedingungen miteinander verglichen werden. Allerdings argumentieren Verbraucherorganisationen und Autozeitschriften, dass die Zahlenangaben – die mittlerweile auch am Fahrzeug im Verkaufsraum sichtbar sein müssen – auch in der Praxis erreichbar sein müssten.

In der Europäischen Union wird die Kraftstoffeffizienz in zwei Fahrzyklen ermittelt, Stadtverkehr und Überlandfahrt. Der Stadtzyklus (ECE-15) wurde 1999 vorgestellt. Er simuliert eine 4 km lange Strecke mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 18,7 km/h und einer Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h. Der Überlandzyklus (NEFZ, Neuer Europäischer Fahrzyklus) simuliert eine Mischung von Stadt- und Autobahnfahrt. Er dauert 400 s und gibt eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 62,6 km/h sowie eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h vor. In den USA werden die Prüfverfahren von der US-Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) verwaltet und wurden 2008 aktualisiert. Damit wurden fünf separate Tests aufgenommen, die dann zusammen gewichtet werden, um daraus die Angaben für den EPA-City- und EPA-Highway-Fahrzyklus zu ermitteln. Diese Werte müssen auch beim Fahrzeugverkauf ausgewiesen werden. Es kann gesagt werden, dass diese Angaben den realen Kraftstoffverbrauch besser wiedergeben als die EU-Angaben.

Dennoch stimmen die meisten Fahrzeuganalytiker darin überein, dass alle Fahrzyklen insgesamt weniger aggressiv sind als typische reale Fahrbedingungen. Praktisch bedeutet dies, dass bei diesen Fahrzyklen geringere Beschleunigungs- und Verzögerungswerte abgefahren werden als unter normalen Fahrbedingungen. Mit dem stark steigenden Interesse an Hybridantrieben in den ersten beiden Jahrzehnten nach 2000 war unvermeidlich, dass der Fokus insbesondere auf die Herausstellung des Kraftstoffeinsparpotenzials gegenüber konventionellen Antrieben gelegt wurde. Damit wurde eine fortlaufende Debatte darüber ausgelöst, ob die Fahrzyklen die HEV-Antriebe tendenziell begünstigen gegenüber konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotor. Prinzipiell bieten HEVs das größte Verbesserungspotenzial im Start-Stopp-Betrieb, beispielsweise beim Fahren im dichten Stadtverkehr. Da die meisten Fahrzyklen den Stadtbetrieb und die Einbeziehung von Leerlaufperioden tendenziell bevorzugen, wird argumentiert, dass sie die potenziellen Vorteile, die mit Hybridantrieben zur Verfügung stehen, verzerrt wiedergeben.

Hinsichtlich der Emissionen gibt es zwei Aspekte zu vermerken. Beide werden meist als „Tailpipe-Emissionen“ bezeichnet – schließlich treten sie aus dem Auspuffrohr (engl. „tailpipe“) als Produkte des Verbrennungsvorgangs aus. Das erste Problem sind die Schadstoffemissionen: Dazu gehören Kohlenmonoxid (CO), nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx). In Europa wurden Abgasnormen in den frühen 1990er-Jahren eingeführt, um all diese von Fahrzeugen ausgestoßenen Schadstoffe zu reduzieren. Das führte zu signifikanten Verbesserungen bei den schädlichen Emissionen von Personenwagen. 2011 trat die Euro-5-Norm für Pkw in Kraft. Mit der Euro-6-Norm ist eine weitere Verschärfung der Verordnungen für Nutzfahrzeuge und Personenwagen schon geplant.

Das zweite Problem sind die Kohlendioxid-Emissionsmengen (CO2) von Fahrzeugen. Sie haben zu Beginn des 21. Jahrhunderts angesichts der wachsenden globalen Besorgnis über die Umwelt steigende Aufmerksamkeit erlangt. Sie sind Teil der Berechnungen des Carbon-Footprint. Ab 2001 wurde in Großbritannien die Kfz-Steuer für Neufahrzeuge an die CO2-Emissionen gebunden, sodass für Fahrzeuge mit weniger als 100 g/km tatsächlich keine Kfz-Steuer erhoben wird. Im Jahr 2008 wurde eine ehrgeizige Rechtsvorschrift erlassen, die die europäischen Fahrzeughersteller verpflichtet, die durchschnittlichen CO2-Emissionen von Neufahrzeugen bis 2015 auf 130 g/km zu senken.

1.4 Verhalten des Fahrers

Auch wenn dieses Fachbuch sich ganz dem Fahrzeug und der Technik des Antriebssystems von Fahrzeugen widmet, muss beachtet werden, dass das System Fahrzeug, also ein auf der Straße bewegtes Fahrzeug, Fahrzeug und Fahrer umfasst. Das in Abb. 1.5 dargestellte komplette System zeigt auch den Fahrer, der als Feedback-Regler fungiert – indem er die Fahrzeug-Performance überwacht und diese Information zurückgibt, um sie mit seinen Anforderungssignalen an Gaspedal, Bremse, Gangwahl usw. zu vergleichen. Aus dem Blickwinkel der Dynamik betrachtet haben wir es praktisch mit einem Regelsystem zu tun. Darum müssen wir uns beim Entwurf des automobiltechnischen Systems die Fahrerpräferenzen als einen Regler bewusst machen.

Subjektiv gesprochen bevorzugen Fahrer tendenziell Systeme, die folgende Eigenschaften besitzen:

Reaktionsfreudigkeit;

Kontrollierbarkeit;

Reproduzierbarkeit;

Stabilität;

minimale Zeitverzögerung;

Linearität;

Ruckfreiheit.

Die Untersuchungen, die sich mit der Einschätzung der longitudinalen Kontrolle des Fahrzeugs durch den Fahrer befassen, nennt man Fahrbarkeitsstudien. Es hat sich herausgestellt, dass Fahrbahrkeit ein entscheidendes Merkmal der Verbesserung der Kundenakzeptanz von neuen Antriebskomponenten ist. Beispielsweise wurde die Fahrbarkeit ab 2000 in der Automobilbranche zur Beurteilung der Ruckfreiheit von Schaltvorgängen bei der Neuentwicklung von Getrieben genutzt, etwa bei Doppelkupplungsgetrieben und stufenlosen CVT-Getrieben (CVT, Continuously Variable Transmission). Tatsächlich wurden Prozeduren zur Beurteilung der äußerst subjektiven Fahrerwahrnehmung in spezielle Softwarepakete wie AVL-DRIVE integriert [12]. Hierbei soll ein objektives Maß gefunden werden, das auf subjektiven Einschätzungen der Fahrer basiert. Dazu wird ein vorgegebenes Vokabular verwendet, wobei einige Begriffe leichter zu interpretieren sind als andere, also etwa: Rucken, Tip-in und Tip-out (plötzliches Gasgeben und Loslassen), Gaspedal durchtreten, Ansprechverzögerung, Schwingungen, Welligkeit, Spiel usw.

Abb. 1.5 Überblick über das System Fahrer–Fahrzeug, das die longitudinale Fahrzeugleistung regelt.

Es gibt Fälle, wo bei der Berechnung und Simulation der Fahrzeug-Performance ein mathematisches Modell für den Fahrer in das Komplettsystem eingebunden werden muss, wie in Abb. 1.5 gezeigt. Im folgenden Abschnitt wird die sogenannte „Forward-facing Simulation“ oder Vorwärtssimulation erläutert. Bei der Vorwärtssimulation wird ein Fahrermodell benötigt, das mit an den Signaleingängen aus Gaspedal und Bremse versucht, einen vorgegebenen Fahrzyklus abzufahren. Oft ist der hier verwendete Ansatz ein einfaches PID-Modell (PID, Proportional-Integral-Differenzial). Es eignet sich gut zur Nachführung des Geschwindigkeitsprofils, ist aber nicht notwendigerweise repräsentativ für das tatsächliche Verhalten des Fahrers, denn beispielsweise wird dieses wahrscheinlich ein vorausschauendes Element enthalten.

1.5 Die Bedeutung der Modellierung

Die Idee dieses Buches basiert auf dem Ansatz, mithilfe der Modellierung ein Antriebssystem zu analysieren und zu verstehen. Dahinter steckt das Ziel, zunächst zu erklären, wie Komponenten funktionieren. Anhand der physikalischen Eigenschaften simuliert man dann das Betriebsverhalten der Komponenten mithilfe der mathematischen Modelle. Nun lassen sich die Komponenten zu einem kompletten Antriebssystem kombinieren. Das resultierende Modell ist ein Werkzeug, das einen wichtigen Beitrag bei der Entstehung des Fahrzeugdesigns liefert. Trotz dieses analytischen Ansatzes, der dem grundsätzlichen Verständnis des Verhaltens dient, sind die Ergebnisse immer darauf ausgerichtet, den Fahrzeugingenieuren einen praktischen Nutzen zu bringen.

Die im gesamten Buch verwendeten Modelle sind relativ einfach. Es werden auch Übungen aufgeführt, in denen die Modelle in der MATLAB®/Simulink®-Umgebung ausgedrückt bzw. gelöst werden. Damit ist der komplette Prozess nachvollziehbar, von der Herleitung der Bestimmungsgleichungen über deren Codierung in MATLAB/Simulink bis hin zu ihrer Auflösung und der Darstellung der Ergebnisse. Da das Buch auf grundsätzlichen Fragen aufgebaut ist, erscheint es wichtig, dass der Leser – ob Student oder Ingenieur – das gesamte Verfahren versteht und selbst erproben kann.

Bei Berechnungen der Fahrzeug-Performance für einen gegebenen Fahrzyklus gibt es zwei fundamental unterschiedliche Ansätze, die zunächst schwer verständlich erscheinen. Die zumeist verwendete Berechnungsmethode ist die „Backwards-facing Simulation“ oder Rückwärtssimulation. Bei der Rückwärtssimulation sind die Momentanwerte für Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeugs von allen Punkten des Geschwindigkeits-/Streckenprofils bekannt. Mit diesen Werten ist es möglich, das Antriebssystem von den Rädern zur Antriebsquelle hin „rückwärts“ abzuarbeiten und damit die Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Drehmomente und Leistungen aller Komponenten zu berechnen. Der Prozess wird einfach für alle Fahrzykluspunkte wiederholt, und die Resultate werden am Ende aufsummiert. Dies ist die einfachste und am häufigsten eingesetzte Methode zur Voraussage der Fahrzeug-Performance für einen Fahrzyklus.

Der zweite Ansatz wird „Forward-facing Simulation“ genannt. Die Vorwärtssimulation benötigt zusätzlich zum Fahrzeugmodell noch ein Modell, das den Fahrer simuliert. Der Fahrzyklus besteht hier aus einer vorgegebenen Bahnkurve, der der Fahrer mit Eingangssignalen für das Fahrzeugsystem zu folgen versucht. Die Simulation wird schließlich als eine konventionelle Zeitverlauf-Simulation durch Integration dynamischer Gleichungen durchgeführt. Dieser Ansatz muss für die Entwicklung von Steuerungssystemen für Elemente des Antriebsstrangs gewählt werden, damit das Echtzeitverhalten einer Steuerung im Fahrzeug simuliert werden kann.

Für genauere Analysen von Antriebskomponenten und -systemen sind verschiedene, kommerziell erhältliche Pakete auf dem Markt. Sie werden weltweit intensiv in den Fahrzeug-Konstruktionsbüros genutzt. Obwohl diese Softwarepakete zweifelsohne die beteiligten technischen Systeme besser darstellen, bieten sie weniger Informationen über die zugrunde liegende Mechanik. Einige Beispiele für derartige Pakete:

ADVISOR

®

– Der Simulator (ADVISOR, „ADvanced VehIcle SimulatOR“ – Anm. d. Übersetzers: „Fortschrittlicher Fahrzeugsimulator“) wurde 1994 vom Center for Transportation Technologies and Systems des National Renewable Energy Laboratory des US Department of Energy vorgestellt. Es galt als flexibles Modellierungswerkzeug, mit dem sich Leistung und Energieverbrauch von konventionellen, elektrischen, Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeugen schnell beurteilen ließen. Es wurde 2003 von AVL aufgekauft [12].

AVL CRUISE – Fahrzeug- und Antriebssystemanalyse für konventionelle und künftige Fahrzeugkonzepte [12].

AVL-DRIVE – Bewertung der Fahrbarkeit [12].

CarSim – Simulation der Wechselbeziehungen zwischen Fahrzeug-Performance und den Eingangsparametern aus Bremse, Lenkung und Beschleunigung

1)

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IPG CarMaker – Simulation der Wechselbeziehungen zwischen Fahrzeug-Performance und den Eingangsparametern aus Bremse, Lenkung und Beschleunigung

2)

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Dymola – Mehrkörpersystem-Dynamik-Pakete für automobiltechnische und andere industrielle Anwendungen

3)

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WAVE – eindimensionale Motor- und Gasdynamik-Simulation, verfügt auch über ein Triebstrangmodell, das die komplette Simulation eines Fahrzeugs ermöglicht

4)

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SimDriveline – Blöcke zur Beschreibung der Triebstrangkomponenten zur Integration in einer Simulink-Umgebung

5)

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Easy5 – fachbereichsübergreifende Modellierung und Simulation der Dynamik von physikalischen Systemen

6)

.

1.6 Ziel dieses Buches

Hauptziel dieses Buches ist die Bereitstellung eines umfassenden Überblicks zu Analyse und Planung von Fahrzeugantriebssystemen. Dabei stehen die folgenden Punkte im Vordergrund:

zusammenfassende Darstellung des Systemansatzes beim Entwurf des Fahrzeugantriebs;

Bereitstellung von Informationen zu Analyse und Entwurf von Antriebskomponenten, insbesondere für:

– Verbrennungsmotor

– Kraftübertragungen

– Antriebskomponenten;

Analyse der longitudinalen Fahrzeugdynamik zur Vorausbestimmung der Performance;

Analyse und Erörterung der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen;

Analyse des torsionsdynamischen Verhaltens des Antriebssystems;

Beschreibung der Grundlagen von hybridelektrischen Komponenten und deren Nutzungsstruktur im Hybridfahrzeugantrieb;

Vorstellung von Beispielen und Übungen: einige davon mit im Buch erarbeiteten Lösungen;

Vorstellung von Fallbeispielen der Antriebsstrang-Performance mittels MATLAB als Analysetool.

1.7 Allgemeines zu den Literaturhinweisen

Die als Literaturhinweise [1–5] aufgeführten Bücher bieten ausgezeichnete Hintergrundinformationen über die Entwicklungsgeschichte der Automobiltechnik, des Verbrennungsmotors, der Kraftübertragungstechnik und der Hybridfahrzeuge. Zur Vorbereitung auf die Analyse von Antriebssystemen sind sie allemal lesenswert.

Literatur

1 SAE (1997) The Automobile: A Century of Progress, SAE, ISBN 0-7680-0015-7.

2 Eckermann, E. (2001) World History of the Automobile, SAE, ISBN 0-7680-0800-X.

3 Daniels, J. (2003) Driving Force: The Evolution of the Car Engine, 2. Aufl., Haynes Manuals, ISBN 978-1859608777.

4 Gott, P.G. (1991) Changing Gears: The Development of the Automatic Transmission. SAE, ISBN 1-56091-099-2.

5 Fuhs, A.E. (2009) Hybrid Vehicles and the Future of Personal Transportation. CRC Press, ISBN 978-1-4200-7534-2.

6 Kerr, T.H. (1932) Automobile Engineering, Bd. 1, Sir Isaac Pitman & Sons.

7 Olley, M. (1936) National Influences on American Passenger Car Design. Proc. Inst. Automob. Eng., XXXII, 509–541.

8 Plint, M.J. (2007) Engine Testing, 3. Aufl., SAE International, ISBN: 978-0-7680-1850-9.

9 Clark, S.K. (Hrsg.) (1981) Mechanics of Pneumatic Tyres. DOT HS 805 952, US Dept of Transportation.

10 Hucho, W.-H. (Hrsg.) (1998) Aerodynamics of Road Vehicles, 4. Aufl., SAE International, ISBN 0-7680-0029-7.

11 Samuel, S., Austin, L. und Morrey, D. (2002) Automotive test drive cycles for emission measurement and real-world emission levels: A review. Proc. Inst. Mech. Eng. D: J. Autom. Eng., 216 (7), 555–564.

12www.avl.com, zuletzt besucht im März 2011.

Weiterführende Literatur

www.carsim.com, zuletzt besucht im März 2011.

www.ipg.de, zuletzt besucht im März 2011.

www.dymola.com, zuletzt besucht im März 2011.

www.ricardo.com, zuletzt besucht im März 2011.

www.mathworks.com, zuletzt besucht im März 2011.

www.mscsoftware.com, zuletzt besucht im März 2011.

1)www.carsim.com, zuletzt besucht im März 2011.

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6)www.mscsoftware.com, zuletzt besucht im März 2011.

2

Merkmale der Leistungserzeugung bei Verbrennungsmotoren

2.1 Einleitung

Der Verbrennungsmotor spielt eine wesentliche Rolle bei der Fahrzeug-Performance insgesamt. Es ist daher wichtig, sein Verhalten kennenzulernen, bevor Fahrzeuguntersuchungen vorgenommen werden. Ein Verbrennungsmotor ist ein kompliziertes System. Eine genaue Analyse erfordert fachübergreifendes Wissen aus den Bereichen Physik, Chemie, Thermodynamik, Fluiddynamik, Mechanik, Elektrik, Elektronik und Steuerung. Die Elektronik und Steuerung haben sich zu maßgeblichen Teilen aller modernen Verbrennungsmotoren entwickelt. Motorsteuergeräte oder ECUs (ECUs, Engine Control Units) steuern die Betriebsparameter und versuchen, einen guten Kompromiss zwischen Fahrbarkeit, Kraftstoffverbrauch und Emissionskontrolle herzustellen.