I  -  1

INHALTSVERZEICHNIS

INHALTSVERZEICHNIS   

Abbildungsverzeichnis   I

Tabellenverzeichnis   V

Verwendete  Formelzeichen  VI

Abk  ürzungen und Indizes  VIII

VA  - Modellsignale und Bezeichnungen  XI

Einleitende  Worte  1

1  Einführung  2

1.1  Die Mobilität  2

1.2  Negative Auswirkungen des Verkehrs  3

1.3  Die Vorteile eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs  5

1.3.1  Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission  6

1.3.2  Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und CO 2 - Emission  6

1.3.3  Kraftstoffverbrauch als bedeutender Kostenfaktor  7

1.4  Maßnehmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs  9

1.5  Motivation für einen Verbrauchsassistenten als Fahrerassistenzsystem  10

2  Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs  11

2.1  Motorische Grundlagen und effektive Motorbetriebsdaten  11

2.1.1  Das Prinzip eines Hubkolben - Verbrennungsmotors  11

2.1.2  Verluste und Wirkungsgrade  12

2.1.3  Der indizierte Mitteldruck und effektive Mitteldruck  13

2.1.4  Die effektive Leistung und das Drehmoment  14

2.1.5  Der spezifische Kraftstoffverbrauch  15

2.1.6  Zusammenfassung der effektiven Motorbetriebsdaten  16

2.2  Das Betriebsverhalten eines Motors  17

2.2.1  Einfluss der Motordrehzahl und der Motorlast auf die Wirkungsgrade  18

I  -  2

INHALTSVERZEICHNIS

2.2.2  Einfluss der Motorlast auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch  19

2.2.3  Einfluss der Motordrehzahl auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch  20

2.2.4  Einfluss der Motordrehzahl auf das Drehmoment und die Nutzleistung  21

2.2.5  Das Verbrauchskennfeld  23

2.3  Einfluss des Fahrerverhaltens auf den Kraftstoffverbrauch  24

2.4  Verbrauchsoptimales Fahrerverhalten anhand motorischer Grundlagen  27

3  Fahrzeugdynamische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs  28

3.1  Die Fahrzeuglängsdynamik  28

3.2  Die Zugkraft in Abhängigkeit der Getriebeübersetzung  

und  der effektiven Motorkenngrößen  30

3.3  Zugkrafthyperbeln und Fahrzustandsschaubilder  32

3.4  Interpretation des Zugkrafteinflusses auf den Kraftstoffverbrauch  33

3.5  Optimierbarkeit der Zugkraftanteile über die Fahrweise  34

3.6  Zusammenfassung zu Regeln für eine verbrauchsgünstige Fahrweise  40

4  Ein Verbrauchsassistent als Fahrerassistenzsystem  41

4.1  Formulierung allgemeiner Aufgaben eines Verbrauchsassistenten  41

4.2  Stand der Technik in Bezug auf Verbrauchsassistenten  43

4.3  Allgemeines zu Fahrerassistenzsystemen  45

4.3.1  Einteilung der Fahrerassistenzsysteme  45

4.3.2  Das System Fahrer - Fahrzeug - Umwelt und mögliche Ausführungen von  

Fahrerassistenzsystemen   46

4.3.3  Informationsdarstellung  47

4.4  Diskussion sinnvoller Ausführungen des Verbrauchsassistenten  48

4.4.1  Elementare Aufgaben und Belastungen des Fahrers im täglichen Straßenverkehr.  48

4.4.2  Sinnvolle Realisierung  49

4.4.3  Sinnvolle Informationsdarstellung  49

I  -  3

INHALTSVERZEICHNIS

5  Verhaltenstypologien im Straßenverkehr  52

5.1  Unterscheidung von Fahrertypen  52

5.2  Elementare Fahrzustände  54

5.3  Beschreibung typischer Verkehrssituationen und Verkehrszustände  54

5.3.1  Der Bremsvorgang als Verkehrssituation  55

5.3.2  Das Halten als Verkehrssituation  55

5.3.3  Der Abbiegevorgang als Verkehrssituation  56

5.3.4  Der Überholvorgang als Verkehrssituation  56

5.3.5  Die Kurvenfahrt als Verkehrssituation  57

5.3.6  Innerortsverkehr als Verkehrszustand (stabil)  58

5.3.7  Überlandverkehr als Verkehrszustand (stabil)  59

5.3.8  Autobahnverkehr als Verkehrszustand (stabil)  60

5.3.9  Stop Go als Verkehrszustand (instabil)  61

5.4  Resultierende sinnvolle Einschränkungen und Berücksichtigungen des  

Verbrauchsassistenten   62

6  Funktionsweise des Verbrauchsassistenten  

und  Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung  64

6.1  Das Konzept zur Funktionsweise des Verbrauchsassistenten  64

6.1.1  Die Beschleunigungsfunktion (BFKT)  64

6.1.2  Die Konstantfahrtfunktion (KFFKT)  67

6.1.3  Ergänzende allgemeine Funktionen des Verbrauchsassistenten  72

6.2  Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung  73

6.2.1  Integrationsmöglichkeiten visueller Komponenten  73

6.2.2  Konstruktive Möglichkeiten eines aktiven Fahrpedals  77

7  Versuchsträger als Bezugsfahrzeug  82

7.1  Fahrzeugdimensionen  82

7.2  Getriebe  83

7.3  Motor  84

I  -  4

INHALTSVERZEICHNIS

7.3.1  Motorkennfelder  84

7.3.2  Linien minimalen Verbrauchs (Ansätze und Ermittlung)  86

7.3.2.1  Ansatz für „MinLinie 1“  89

7.3.2.2  Ansatz für „MinLinie 2“  90

7.3.2.3  Ansatz für „MinLinie 3“  90

7.3.2.4  Ansatz für „MinLinie 4“  91

7.3.3  Prüfung und Glättung der Linien minimalen Verbrauchs  91

8  Modellierung und Regelung des Verbrauchsassistenten  94

8.1  Allgemeines zum Modell  94

8.2  Vorbereitung und Anpassung des Fahrzeugmodells  94

8.3  Das Modell des Verbrauchsassistenten  95

8.3.1  Grundaufbau und Struktur  95

8.3.2  Verbrauchsberechnung  96

8.3.3  Beschleunigungsfunktion  97

8.3.4  Konstantfahrtfunktion  98

8.3.5  VA - Control (VA)C  103

8.3.6  Die Regelung und das Subsystem „Regelung“  108

8.3.7  Visualisierung  113

9  Simulationsergebnisse  114

9.1  Allgemeines zur Durchführung  114

9.2  Beschleunigungsvorgänge und Linien minimalen Verbrauchs  115

9.3  Simulationsergebnisse der Referenzfahrten mit und ohne VA  121

9.3.1  Ungedrosselte Basisreferenzfahrt auf ebener Fahrbahn  122

9.3.2  Gedrosselte Basisreferenzfahrt auf ebener Fahrbahn  126

9.3.3  Ungedrosselte Referenzfahrt bei Steigung p F 0,035  129

9.3.4  Gegenüberstellung der sportlichen und normalen Fahrweise  132

9.4  Diskussion der Simulationsergebnisse  133

I  -  5

INHALTSVERZEICHNIS

10  Ausblicke, Zusammenfassung und Schlussfolgerung  136

10.1  Der Verbrauchsassistent in einem Fahrzeug  136

10.2  Verbesserungen und Ausblicke  137

10.3  Zusammenfassung und Schlussfolgerung  138

ANHANG   140

A  -1 Fußraumeinschränkungen bei oben auf das Fahrpedal angreifenden Feder  140

A  -2 Linien minimalen Verbrauchs MinLinie 1 - MinLinie 4  141

A  -3 Modelldokumentation  146

A  -3.1 Grundaufbau und Struktur  146

A  -3.2 Subsystem „Verbrauchsberechnung“  148

A  -3.3 Beschleunigungsfunktion (BFKT)  149

A  -3.4 Konstantfahrtfunktion  153

A  -3.5 VA - Control (VA)C  163

A  -3.6 Die Regelung und das Subsystem „Regelung“  170

A  -3.7 Visualisierung  180

A  -4 Beschleunigungs - Testreihen zur Effizienzbestimmung der Linien minimalen  

Verbrauchs  MinLinie 1 - MinLinie 4  181

A  -4.1 Beschleunigungstests in der Ebene  181

A  -4.2 Beschleunigungstests bei 10 -iger Fahrbahnsteigung (p F 0,1)  185

A  -5 Vereinfachte Herleitung des Bezugs zwischen der Fußkraft des Fahrers, der  

Drosselklappen  - und der Fahrpedalstellung  187

A  -6 Die SSS - Funktion (speicherbare Standardstrecken)  189

LITERATURHINWEISE   192

I ABBILDUNGSVERZEICHNIS

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

II ABBILDUNGSVERZEICHNIS

III ABBILDUNGSVERZEICHNIS

IV ABBILDUNGSVERZEICHNIS

V TABELLENVERZEICHNIS

TABELLENVERZEICHNIS

VI FORMELZEICHEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

VERWENDETE FORMELZEICHEN

VII FORMELZEICHEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

VIII FORMELZEICHEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

IX FORMELZEICHEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

X FORMELZEICHEN, ABKÜRZUNGEN UND INDIZES

XI VA - MODELLSIGNALE UND BEZEICHNUNGEN

VA - MODELLSIGNALE UND BEZEICHNUNGEN

1 Einleitende Worte

Einleitende Worte

Welcher Autofahrer kennt es in der heutigen Zeit nicht, den Anblick der an Straßenrändern emporragenden Preistafeln von Tankstellen, die uns nahezu Tag täglich neue Spitzenrekorde aufzeigen? Auf dem Weg unaufhörlich steigender Kraftstoffpreise befinden wir uns in einer Zeit, in der es gerade in Deutschland bereits vielen aus finanzieller Sicht schwer fällt, ihr Fahrzeug zu benutzen bzw. zu bewegen, und doch werden sie sich auch in Zukunft nicht ohne weiteres von der Abhängigkeit dessen befreien können.

Nicht nur aus diesem Grund, sondern auch aus umweltrelevanter Dringlichkeit ist die Automobilindustrie bemüht und dazu verpflichtet, durch Innovationen im Bereich der Motor- sowie Fahrzeugtechnik die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen durch Lösungen zur Verbrauchsreduzierung zu verbessern. Aus vielen Quellen erfährt man aber auch, dass der Fahrer selbst durch entsprechendes Verhalten und seine Fahrweise entscheidend zur Verbrauchssenkung seines Fahrzeugs beitragen kann.

Da die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen unter anderem durch die in den letzten Jahren erfahrene Zunahme und Akzeptanz von Fahrerassistenzsystemen (FAS) profitiert, wird in dieser Arbeit ein Verbrauchsassistent (VA) entworfen, der den Fahrer dabei unterstützen soll, sein Fahrzeug verbrauchsoptimal zu führen.

Einführend wird hierzu in Kapitel 1 der dringende Handlungsbedarf hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung verdeutlicht. Die Kapitel 2 und 3 werden anschließend die Eingriffsmöglichkeiten anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen erläutern. Nach dem umrissenen Stand der Technik zu Verbrauchsassistenten wird Kapitel 4 darstellen, welche Arten der Realisierung eines Verbrauchsassistenten als FAS prinzipiell möglich sind. Anhand der Diskussion von Verhaltenstypologien im Straßenverkehr wird Kapitel 5 mit einem Konzept für den Entwurf des Verbrauchsassistenten abschließen, dessen Funktionen bzw. Funktionsweisen sowie mögliche konstruktive Umsetzungen in einem Fahrzeug in Kapitel 6 konkretisiert und erläutert werden. Im anschließenden Kapitel 7 wird ein als Bezugsfahrzeug gewählter BMW 528 i in seinen technischen Daten vorgestellt, für den die verbrauchsoptimalen Betriebszustände nach eigenen Ansätzen hergeleitet und für die Modellierung des Verbrauchsassistenten in Kapitel 8 als Grundlage verwendet werden. Der Effizienznachweis des entworfenen Systems erfolgt schließlich in Kapitel 9, in dem Simulationsergebnisse dargelegt und diskutiert werden. Das letzte Kapitel 10 stellt zukünftige Verbesserungen, Erweiterungen sowie Ausblicke vor und schließt mit einer schlussfolgernden Zusammenfassung ab.

2 Kapitel 1 : Einführung

1 Einführung

1.1 Die Mobilität

Die Mobilität hat sich über die Jahre zum wichtigsten, selbstverständlichen und unverzichtbaren Luxus der Menschheit entwickelt. Tag täglich ist die Gesellschaft auf die Mobilität angewiesen und von ihr abhängig, bedenkt man zum Beispiel nur den Transport von Lebensmitteln und anderen lebensnotwendigen Gütern. Daneben spielt aber die Mobilität der einzelnen Menschen (motorisierter Individualverkehr) mittlerweile eine übergeordnete Rolle, sei es beim Erreichen von Arbeits- und Freizeitstätten oder beim Einkaufen, Reisen oder Besuchen entfernt wohnender Familienangehörigen.

Einen Überblick über die Entwicklung der Mobilität von 1950 - 2003 in Deutschland zeigt das Diagramm in Bild 1.1.1. Die Aufteilung des deutschen Personenverkehrs im Jahr 2002 geht aus der Darstellung in Bild 1.1.2 hervor. In den Diagrammen sichtbar ist der mit Abstand am stärksten vertretene Verkehrszweig des motorisierten Individualverkehrs.

Fahrzeuge

3 in 10

50000

40000

30000

20000

10000

0

1950

Bild 1.1.1.: Mobilitätsentwicklung 1950 - 2003 anhand zulassungspflichtiger Fahrzeuge

in Deutschland nach [4, 5]

3 Kapitel 1 : Einführung

Bild 1.1.2.: Deutschlands Personenverkehr im Jahr 2002 (außer Luftverkehr), nach [4]

Für das Verkehrswachstum sind unter anderem verantwortlich [6] :

- die EU - Osterweiterung

- Produktionsstrukturen, Unternehmensstrukturen

- der Trend zur Individualisierung

- die Zunahme des Freizeitverkehrs

- wachsende Distanzen (Aktionsradien)

- die Funktionstrennung von Wohnen, Freizeit, Einkauf

- das Wirtschaftswachstum

1.2 Negative Auswirkungen des Verkehrs

Neben gesellschaftlichen und infrastrukturellen Vorteilen zeigt der Verkehr nennenswerte negative Auswirkungen auf die Umwelt, die hauptsächlich durch die Abgasemission konventionell angetriebener Kraftfahrzeuge mittels Otto- und Dieselmotoren verursacht werden. Im Vordergrund der Betrachtungen stehen hier hauptsächlich die gesetzlich limitierten Abgasschadstoffe Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC), Stickoxide (NO X ) und Ruß sowie die klimarelevante Emission von Kohlenstoffdioxid (CO 2 ). Verstärkt durch den Verkehrswachstum sind diese für die unaufhörlich steigende Umweltbelastung und Klimaerwärmung mitverantwortlich [7, 8].

4 Kapitel 1 : Einführung

Die kritische Entwicklung der globalen Umweltsituation erfordert daher nicht nur aus aktuellen Anlässen wie z. B. den Klimakatastrophen in den USA einerseits immer strenger werdende gesetzliche Abgasverordnungen. Neben den Bemühungen zur Schadstoffabsenkung schenkt man in den letzten Jahren andererseits der Limitierung des CO 2 - Ausstoßes vermehrte Aufmerksamkeit. So unterzeichneten bisher mehr als 180 Länder bzw. Staaten das 1997 verabschiedete und 2005 in Kraft getretene Abkommen zur Verminderung von Treibhausgasen auf der Weltklimakonferenz in Kyoto (Kyoto - Protokoll) [10]. Vor allem der Anteil des Kohlendioxids von etwa 84 % an den durch menschliche Aktivitäten verursachten Treibhausgasen ist dabei vordergründig zu behandeln. So hat sich beispielsweise die Bundesrepublik Deutschland dazu verpflichtet bzw. zum Ziel gesetzt, die CO 2 -Emission um 21 % gegenüber dem Niveau von 1990 zu senken [10]. Aufgrund der Tatsache, dass ein relevanter Anteil der CO 2 - Emission durch den Bereich „Verkehr“ verursacht wird, verpflichten sich unter anderem europäische Automobilhersteller zu einer deutlichen Absenkung des Kohlendioxidausstoßes [11].

Zur Verdeutlichung der immer strenger werdenden Abgasvorschriften für PKWs mit Otto- und Dieselmotoren in Europa dienen die Diagramme in Bild 1.2.1 und Bild 1.2.2. Die Verteilung der CO 2 - Emission Deutschlands im Jahre 2002 zeigt das Diagramm in Bild 1.2.3.

Dieselmotor

5 Kapitel 1 : Einführung

Bild 1.2.3.: Verteilung der CO 2 - Emission in Deutschland 2002, nach [11]

1.3 Die Vorteile eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs

Zur Erfüllung der Abgasvorschriften wurden in den letzten Jahren verschiedene Maßnahmen entwickelt, die sich prinzipiell unterschiedlich orientieren und grob unterteilt werden können in

a. Maßnahmen zur Verbesserung der Abgasqualität

b. Maßnahmen zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs

Aus Relevanzgründen wird an dieser Stelle lediglich auf die den Kraftstoffverbrauch senkenden Maßnahmen eingegangen, die einerseits zur Absenkung der Schadstoffemission beitragen und ohne die andererseits eine Reduktion des CO 2 - Ausstoßes überhaupt nicht möglich wäre.

6 Kapitel 1 : Einführung

1.3.1 Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission

Der Zusammenhang zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffemission eines Fahrzeugs wird am Beispiel des Ottomotors verdeutlicht. In Bild 1.3.1.1 ist hierzu die typische Aufteilung der Abgaskomponenten eines Ottomotors dargestellt.

Bild 1.3.1.1.: Typische Rohabgaszusammensetzung eines Ottomotors (λ = 1), nach [8]

Betrachtet man die relativen Angaben der Schadstoffanteile im Motorabgas [%] und die absoluten Angaben der vorgeschriebenen Schadstoffgrenzwerte [g/km] (Bild 1.2.2 und Bild 1.3.1.1), so kann ein allgemeiner Zusammenhang zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffemission eines Fahrzeugs formuliert werden :

1.3.2 Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und CO 2 - Emission

Während die Schadstoffemission durch weitere Maßnahmen (wie z.B. AGR oder katalytische Abgasnachbehandlung) zusätzlich reduziert werden kann, verhält es sich beim CO 2 anders. Kohlendioxid entsteht bei vollständiger Verbrennung durch den im Kraftstoff enthaltenen chemisch gebundenen Kohlenstoff. Dabei ist die Menge des freigesetzten Kohlendioxids direkt proportional zum Kraftstoffverbrauch und kann daher lediglich über diesen reduziert werden [8].

7 Kapitel 1 : Einführung

Zwischen dem Kraftstoffverbrauch und der Kohlenstoffdioxidemission besteht somit der Zusammenhang :

1.3.3 Der Kraftstoffverbrauch als bedeutender Kostenfaktor

Eine weitere überaus wichtige Bedeutung des Kraftstoffverbrauchs kann aus der Entwicklung der Kraftstoff- bzw. Rohölpreise der letzten Jahre interpretiert werden. Hierzu sind in Bild 1.3.3.1 und Bild 1.3.3.2 die Entwicklungen der Rohölpreise sowie der Kraftstoff - Endverbraucherpreise in Deutschland jeweils für den Zeitraum von 2001 bis 2005 dargestellt.

Bild 1.3.3.1.: Rohölpreise Jan2001 - Sep2005, nach [14]

8 Kapitel 1 : Einführung

Bild 1.3.3.2.: Kraftstoff - Endverbraucherpreise in Deutschland Jan2001 - Sep2005, nach [14]

Die in den Diagrammen dargestellte Entwicklung verdeutlicht die ansteigende finanzielle Belastung der Konsumenten. Zu beobachten ist außerdem die in den letzten zwei Jahren kleiner werdende Preislücke zwischen dem Diesel- und dem Ottokraftstoff.

Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs können somit einerseits den Effekt der ansteigenden Kraftstoffpreise dämpfen oder gar kompensieren und vermindern andererseits in jedem Fall, d.h. kraftstoffpreisunabhängig die finanzielle Beanspruchung der Endverbraucher. Damit ergibt sich eine weitere Bedeutung des Kraftstoffverbrauchs durch den Zusammenhang :

9 Kapitel 1 : Einführung

1.4 Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs

Bezüglich der erwähnten Umwelt- und Marktsituation verdeutlichen die genannten Gründe (1) - (3) aus Abschnitt 1.3 die Notwendigkeit der Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung.

Bei Betrachtung der verschiedenen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch im folgenden Bild 1.4.1 wird ersichtlich, dass prinzipiell verschiedene Ansatzpunkte zu dessen Absenkung möglich sind.

Die meisten entwickelten Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs konzentrieren sich überwiegend auf die Ansatzpunkte der Fahrzeug- und Motortechnik (links in Bild 1.4.1). So sind dies zum Beispiel Leichtbau, Verbesserung der Aerodynamik, innovative Reifentechnologie, AGR, Nockenwellenverstellung, variable Ventilsteuerung, Ottodirekteinspritzung und andere.

Einen weiteren, sehr großen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat das Verhalten des Fahrers. An verschiedenen Literaturstellen [8, 15] wird hierzu betont, durch angepasstes Fahrerverhalten den Kraftstoffverbrauch um bis zu 20 % und mehr senken zu können. Durch gezielte Fahrerschulungen (z.B. Eco-Training) sind in Einzelfällen Kraftstoffersparnisse von bis zu 42 % erzielbar [15].

10 Kapitel 1 : Einführung

Der hauptsächliche Grund hierfür ist, dass der Fahrer die physikalischen und technischen Gegebenheiten sowie die unterschiedlichen Betriebszustände des Fahrzeugs während einer Fahrt nicht ohne weiteres überblicken kann und sein Fahrzeug daher kaum oder gar nicht wirkungsgradoptimal nutzt. In den meisten Fällen bedient er sein Fahrzeug intuitiv und schöpft dessen Potential entsprechend seiner Wünsche bzw. Anforderungen nicht aus.

1.5 Motivation für einen Verbrauchsassistenten als Fahrerassistenzsystem

In der Wertschöpfung des Automobils nimmt der Anteil an Fahrerassistenzsystemen (FAS) in den letzten Jahren deutlich zu, die unter anderem die Wirtschaftlichkeit von Fahrzeugen unterstützen. Durch sowohl aktive als auch passive Beeinflussung des Fahrzeugs oder des Fahrers tragen einige FAS (z.B. Gangassistenten, AGS etc.) bereits direkt oder auch indirekt zur Verbrauchsreduzierung bei [1]. Dennoch besteht großer Handlungsbedarf am Ansatzpunkt „Fahrerverhalten“, da dieser in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch bisher nur wenig und nur indirekt bei der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen behandelt und berücksichtigt wurde.

Diese Lücke und Problematik motiviert zu dem Thema dieser Diplomarbeit, in der ein Konzept zum Entwurf und zur Regelung eines Verbrauchsassistenten erarbeitet und diskutiert wird.

Als geeignete Schnittstelle soll der Verbrauchsassistent das Ziel verfolgen, dem Fahrer entsprechend seiner Wünsche bzw. Anforderungen durch geeignete Rückmeldung die verbrauchsoptimale Gaspedalstellung zu signalisieren sowie ggf. Schaltvorgänge oder sonstiges verbrauchsoptimales Verhalten zu empfehlen.

Bevor jedoch die Aufgaben und Funktionen des Verbrauchsassistenten formuliert werden, ist es sinnvoll, in den folgenden Kapiteln die wichtigen Zusammenhänge des Kraftstoffverbrauchs anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen zu behandeln.

11 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

2 Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Die für einen Verbrauchsassistenten wichtigen Zusammenhänge zwischen dem Fahrerverhalten und dem Kraftstoffverbrauch bzw. Einflüsse des Fahrerverhaltens auf den Kraftstoffverbrauch können zu einem großen Teil auf motorische Grundlagen zurückgeführt werden, die in diesem Kapitel behandelt werden. Dabei werden nur die relevanten Begriffe und Zusammenhänge aufgezeigt und erläutert.

2.1 Motorische Grundlagen und effektive Motorbetriebsdaten

2.1.1 Das Prinzip eines Hubkolben - Verbrennungsmotors

Hubkolben - Verbrennungsmotoren haben das Ziel, die mit dem Kraftstoff zugeführte chemische Energie in Rotationsenergie umzusetzen. Das Prinzip eines Motors ist im folgenden Bild 2.1.1.1 dargestellt.

Hierbei wird der durch das Zünden der angesaugten und verdichteten Zylinderladung (Kraftstoff - Luft - Gemisch) verursachte auf den Kolben wirkende Druck über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen und steht dort als Rotationsenergie in Form des Motordrehmoments und der Motordrehzahl zur Verfügung.

12 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

2.1.2 Verluste und Wirkungsgrade

Die Umsetzung der Kraftstoffenergie in Bewegungsenergie im motorischen Prozess ist stets mit erheblichen Verlusten behaftet, so dass lediglich ein kleiner Teil der zugeführten chemischen Energie in nutzbare Energie umgewandelt werden kann [8].

Zu Beurteilung der Effizienz eines Motors werden Wirkungsgrade herangezogen, die allgemein das Verhältnis aus nutzbarer (Output) und zugeführter (Input) Energie oder Leistung darstellen und somit eine Aussage über die entstehenden Verluste machen. Bei Behandlung von Verbrennungsmotoren werden die Verlustarten in jeweils unterschiedlichen Wirkungsgraden ausgedrückt.

Die thermodynamischen und prozessbedingten Verluste werden im Wirkungsgrad η berücksichtigt [17]. des vollkommenen Motors v

Wärmeverluste im Zylinder durch die nicht ideale Verbrennung, Verluste durch λ = 1 (Otto) sowie Ladungswechsel- und Strömungsverluste werden im so genannten Gütegrad betrachtet, der sich aus den einzelnen Gütegraden der Verbrennung, des Brennverlaufs, des Heizverlaufs und des Ladungswechsels zusammensetzt und definiert ist als [17] :

η η η η η = ⋅ ⋅ ⋅ Gl. 2.1 [17]

g gVB gBV gHV gLW

Zusammengesetzt aus dem Wirkungsgrad des vollkommenen Motors und dem Gütegrad wird der innere Wirkungsgrad eines Motors, der beim Ottomotor zusätzlich durch den Wirkungsgrad der Kraftstoffzufuhr ergänzt wird, in dem das Entweichen der Frischgase in den Auspuff während des Ladungswechsels beachtet wird [17].

Es ist { }

η η η η = ⋅ ⋅ Gl. 2.2 [17]

, i v g Kzu Otto

Mechanische Verluste werden schließlich auf den inneren Wirkungsgrad bezogen η zusammengefasst [17]. und im mechanischen Wirkungsgrad m

Das Zusammenfassen der einzelnen Wirkungs- und Gütegrade ergibt den effektiven Wirkungsgrad (Nutzwirkungsgrad) eines Motors [20]. { }

η η η η η η η = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ Gl. 2.3 [17]

, eff v g kzu Otto m i m

13 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Im Grunde genommen entspricht η eff somit dem Verhältnis aus nutzbarer Leistung (am Schwungrad der Kurbelwelle) und der dem Motor mit dem Kraftstoff zugeführter chemischer Leistung. Da in ihm alle motorseitig entstehenden Verluste berücksichtigt werden, stellt der effektive Wirkungsgrad eine wichtige Kenngröße der effektiven Motorbetriebsdaten dar und ist daher für die Betrachtungen des Kraftstoffverbrauchs ausschlaggebend.

2.1.3 Der indizierte Mitteldruck und effektive Mitteldruck

Betrachtet man den (Zylinder-) Druckverlauf eines motorischen Prozesses über dem Hubvolumen, so erkennt man, dass die Drücke über der Zeit bzw. über der Volumenänderung nicht konstant sind. In der Motorentechnik ist daher die Definition von Mitteldrücken gebräuchlich, die in Bild 2.1.3.1 erläutert ist.

Der Mitteldruck ist jener konstante Überdruck p m , der mit dem Hubvolumen im p - V - Diagramm eine rechteckige Fläche bildet, die der Arbeit des motorischen Prozesses entspricht. Der Mitteldruck entspricht somit der hubraumspezifischen Nutzarbeit [17].

Entscheidend bei der Untersuchung motorischer Prozesse sind die Definitionen

- des indizierten Mitteldrucks p i (oder auch p mi )

- des effektiven Mitteldrucks p e (oder auch p me ).

14 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Der indizierte Mitteldruck p i ist jener Mitteldruck, der aus der Druckindizierung eines Zylinders gewonnen wird, d.h. es ist der im Zylinder gemessene Mitteldruck, der entsprechend Bild 2.1.1.1 während des motorischen Prozesses auf den Kolben wirkt und über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen wird [20].

Der indizierte Mitteldruck ist abhängig vom Gemischheizwert des Kraftstoffs H u g , vom Liefergrad λ L sowie vom inneren Wirkungsgrad η i und wird definiert durch :

η η λ η λ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ p H H Gl. 2.4 [17, 20]

i u g v g L u g i L

Die durch den indizierten Mitteldruck p i erzeugte Arbeit bzw. das erzeugte Drehmoment kann an der Kurbelwelle allerdings wegen der entstehenden mechanischen Verluste (s.o.) nicht vollständig abgegriffen werden, was zu der Definition des effektiven Mitteldrucks p e führt.

η = ⋅ p p m Gl. 2.5 [17, 20]

e i

Die durch den effektiven Mitteldruck erzeugte Arbeit ist dann jene Arbeit, die an der Kurbelwelle für den Antrieb des Fahrzeugs effektiv genutzt werden kann.

Als nutzbarer Mitteldruck stellt p e neben dem effektiven Wirkungsgrad eine weitere wichtige Kenngröße der effektiven Motorbetriebsdaten dar und spielt daher für die Betrachtungen und Untersuchungen des Kraftstoffverbrauchs in motorischer Hinsicht eine bedeutende Rolle.

2.1.4 Die effektive Leistung und das Drehmoment

Neben dem effektiven Wirkungsgrad η eff und dem effektiven Mitteldruck p e gehören das Drehmoment und die effektive Leistung zu den effektiven Motorbetriebsdaten.

Die effektive Leistung eines Motors ist definiert durch

und kann damit aus dem effektiven Mitteldruck p e , dem Zylinderhubvolumen V H , der Zylinderzahl z, der Motordrehzahl n M sowie der Kurbelwellenumdrehungen pro Arbeitsspiel i M (i M = 2 für Viertaktmotoren) bestimmt werden.

15 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Das (effektiv) nutzbare Drehmoment als wichtigste Anforderung des Fahrers folgt schließlich aus dem Zusammenhang

2.1.5 Der spezifische Kraftstoffverbrauch

Der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs oder Motors kann allgemein sowohl auf die Zeit als auch auf die Fahrstrecke bezogen werden. Üblich sind hierbei die Angaben des stündlichen Verbrauchs in g/h sowie des Streckenverbrauchs in kg/km. Um Verwechslungen zwischen den verschieden bezogenen Angaben zu vermeiden, sei an dieser Stelle definiert :

Automobilhersteller geben den Kraftstoffverbrauch in der Regel als Durchschnittswert in der Dimension l/100km an, der zusammen mit der Kraftstoffdichte aus dem Streckenverbrauch berechnet werden kann zu

In der Motorentechnik ist die Angabe des spezifischen Kraftstoffverbrauchs gebräuchlich, der als wichtige Kenngröße zu den effektiven Motorbetriebsdaten gehört und aus dem sich die Angaben des Verbrauchs aus Gl. 2.8 a - Gl. 2.8 c ableiten lassen.

Der effektive spezifische Kraftstoffverbrauch b e ist definiert als das Verhältnis des stündlichen Verbrauchs zur effektiven Motorleistung :

16 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Zwischen dem spezifischen Kraftstoffverbrauch und dem effektiven Wirkungsgrad gilt außerdem der Zusammenhang :

Hieran sieht man, dass bei konstantem Kraftstoffheizwert H u durch die Erhöhung des effektiven Wirkungsgrades der spezifische Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.

2.1.6 Zusammenfassung der effektiven Motorbetriebsdaten

Zum Überblick seien die für die Untersuchung des Kraftstoffverbrauchs bedeutenden effektiven Motorbetriebsdaten zusammengefasst :

- effektiver Mitteldruck p e (Gl. 2.5)

- effektive Leistung P eff (Gl. 2.6)

- Motor - Drehmoment M (Gl. 2.7)

- effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch b e (Gl. 2.9, Gl. 2.10)

- effektiver Wirkungsgrad η eff (Gl. 2.3)

Bevor im weiteren Verlauf die Einflüsse des Fahrerverhaltens auf den Kraftstoffverbrauch untersucht und Ansätze für einen Verbrauchsassistenten hergeleitet werden können, muss noch das Betriebsverhalten eines Motors diskutiert werden, da die entstehenden Verluste und damit auch die effektiven Motorbetriebsdaten vom Betriebspunkt des Motors abhängen.

17 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

2.2 Das Betriebsverhalten eines Motors (Kennlinien und Kennfelder)

Das Betriebsverhalten von Motoren wird anhand von Kennlinien und Kennfeldern beschrieben.

An einem Motorleistungsprüfstand werden hierzu das Drehmoment M M,eff , die Motordrehzahl n M , die Abgastemperatur T A , die Abgasbestandteile und der zeitbezogene Kraftstoffverbrauch BB h gemessen, aus denen anschließend die effektive Leistung P M,eff , der effektive Mitteldruck p e sowie der effektive spezifische Kraftstoffverbrauch b e errechnet wird [20].

Eine Motorkennlinie ist das graphische Darstellen einer gemessenen bzw. errechneten Kenngröße in Abhängigkeit von der Motordrehzahl n M bzw. dem effektiven Mitteldruck p e .

Ein Kennfeld ist das graphische Darstellen von mindestens einer dritten Größe im Diagramm einer Kennlinie. Die dritte und ggf. die weiteren Größen werden hierbei in Abhängigkeit der beiden Größen der Abszisse und Ordinate derart dargestellt, dass zugehörige Isolinien entstehen.

Die folgende Tabelle 2.2.1 fasst die in der Motorentechnik üblichen Kennlinien und Kennfelder zusammen, von denen im Folgenden nur die hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs relevanten betrachtet werden, die in der Tabelle farblich hervorgehoben sind.

Tabelle 2.2.1.: Übliche Darstellungsarten des Motor - Betriebsverhaltens [17, 20]

18 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

2.2.1 Einfluss der Motordrehzahl und der Motorlast auf die Wirkungsgrade

Im folgenden Bild 2.2.1.1 sind die Verläufe der Wirkungsgrade bei Volllast in Abhängigkeit der Motordrehzahl dargestellt. Die Diagramme in Bild 2.2.1.2 zeigen die Wirkungsgradverläufe (Otto- und Dieselmotor) bei Laständerung, mit der stets eine Änderung des effektiven Mitteldrucks p e verbunden ist.

ηx

Bild 2.2.1.2.: Wirkungsgrade bei Laständerung (links Ottomotor, rechts Dieselmotor), aus [17]

Aus den erkennbaren Einflüssen der Motordrehzahl (Bild 2.2.1.1) sowie der Motorlast (Bild 2.2.1.2) und dem Zusammenhang aus Gl. 2.10 kann ein entsprechender Einfluss dieser Betriebsparameter auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch gefolgert werden.

19 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

2.2.2 Einfluss der Motorlast auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch

Das Verhalten des spezifischen Kraftstoffverbrauchs eines Diesel- und eines Ottomotors bei Variation der Motorlast bzw. des effektiven Mitteldrucks p e bei konstanter Drehzahl n M ist im folgenden Bild 2.2.2.1 qualitativ dargestellt.

Bild 2.2.2.1.: Qualitativer Verlauf des spezifischen Kraftstoffverbrauchs

Bemerkbar beim Verlauf b e (p e ) ist in beiden Fällen (Otto und Diesel) ein vorhandenes Minimum, so dass sich die Verläufe in jeweils zwei Bereiche aufteilen lassen.

Links vom b e (p e ) - Minimum nimmt der Gesamtwirkungsgrad mit fallendem Mitteldruck ab und damit verbunden der spezifische Kraftstoffverbrauch zu, da der Gütegrad sowie der mechanische Wirkungsgrad durch die geringer werdende Motorlast abnehmen. Aufgrund der Tatsache, dass beim Ottomotor hinzukommende Drosselverluste und damit erhöhte Ladungswechselarbeiten entstehen, fällt der Gütegrad stärker ab als beim Dieselmotor. Beim Dieselmotor erhöht sich außerdem unterstützend der Wirkungsgrad des vollkommenen Motors wegen des größer werdenden Luftverhältnisses [20], woraus insgesamt der deutliche größere Gradient des Ottomotors in diesem Bereich (links vom Optimum) im Vergleich zum Dieselmotor resultiert.

20 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

In dem Bereich rechts vom Optimum ist der Gradient des Kraftstoffverbrauchs beim Dieselmotor stärker als beim Ottomotor. Gründe hierfür sind, dass sich zum einen λ ≈ konst der Wirkungsgrad des vollkommenen Ottomotors wegen kaum verändert,

wohingegen das bei steigender Motorlast kleiner werdende Luftverhältnis bei der Qualitätsregelung (Diesel) in diesem Bereich dazu führt, dass der Wirkungsgrad des vollkommenen Dieselmotors abnimmt. Außerdem ist der Abfall des Gütegrads beim Ottomotor in diesem Bereich schwächer als beim Dieselmotor, da der Gütegrad des Ladungswechsels wegen abnehmender Ladungswechselarbeit durch die weiter geöffnete Drosselklappe ansteigt [20].

Insgesamt stellt man bei beiden Motoren fest, dass das Optimum des spezifischen Kraftstoffverbrauchs im oberen Teillastbereich bei etwa 70 - 85 % der Volllast liegt [20].

2.2.3 Einfluss der Motordrehzahl auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch

Der Einfluss der Drehzahl auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch lässt sich ebenfalls an Diagrammen verdeutlichen. Hierzu wird der Kraftstoffverbrauch über der Drehzahl bei verschiedenen, über den gesamten Messbereich konstant gehaltenen Motorlasten aufgetragen. Für Otto- und Dieselmotoren ergeben sich dabei qualitativ die im folgenden Bild 2.2.3.1 dargestellten Verläufe.

e spez. Kraftstoffverbrauch b

Bild 2.2.3.1.: Spezifischer Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit der Motordrehzahl bei verschiedenen Motorlasten (links Ottomotor, rechts Dieselmotor), aus [20]

21 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

An dem gezeigten Verhalten bemerkt man in mittleren Drehzahlbereichen nahezu lastunabhängig vorhandene Minima des Kraftstoffverbrauchs, die im Fall sehr niedriger Otto - Motorlasten nur undeutlich ausgeprägt sind.

Die Verläufe können auch bei dieser Betrachtung (b e =f(n)) ausgehend vom Verbrauchsoptimum jeweils in zwei Bereiche unterteilt werden.

Eine Steigerung der Motordrehzahl über den Punkt des optimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs hinaus (rechts vom Minimum) verursacht bei beiden Motoren eine Zunahme des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Gründe hierfür sind die bei Drehzahlerhöhung schlechteren Gütegrade sowie die Zunahme an mechanischen Verlusten und damit ungünstigere effektive Wirkungsgrade η eff . Ottomotoren verzeichnen in diesem Bereich gegenüber Dieselmotoren eine deutlichere Verschlechterung des Verbrauchs [20].

Bei Verringerung der Drehzahl (links vom Minimum) kommt es ebenfalls zu einem erhöhten spezifischen Kraftstoffverbrauch, da der Gütegrad beider Motoren zu niedrigen Drehzahlen hin schlechter wird und daraus kleinere η eff resultieren.

Der positive Einfluss höherer Motorlasten ist bei Ottomotoren stärker ausgeprägt als bei Dieselmotoren.

2.2.4 Einfluss der Motordrehzahl auf das Drehmoment und die Nutzleistung

Die wichtigste Anforderung stellt der Fahrer an das Motordrehmoment, dessen Verhalten in Abhängigkeit der Drehzahl für unterschiedliche (konstante) Motorlasten im folgenden Bild 2.2.4.1 dargestellt ist.

Motordrehmoment M

Bild 2.2.4.1.: Qualitativer Verlauf des Motordrehmoments in Abhängigkeit der Drehzahl bei verschiedenen Motorlasten (links Ottomotor, rechts Dieselmotor), aus [20]

22 Kapitel 2 : Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs

Die in den Abschnitten 2.2.2 und 2.2.3 gemachten Aussagen zur Erklärung des Verhaltens des Kraftstoffverbrauchs können auch für die charakteristischen Verläufe des Drehmoments übernommen werden [20].

Den größten Einfluss auf die dargestellten Drehmomentverläufe hat auch hier das Verhalten des Gütegrads, durch den die effektiven Wirkungsgrade ausgehend vom Drehmomentmaximum sowohl zu höheren als auch zu niedrigen Drehzahlen hin abnehmen und damit verbunden auch das Motordrehmoment [17, 20].

Größere Lasten bewirken bessere, d.h. größere effektive Wirkungsgrade und damit auch größere Drehmomente [17, 20].

Die Tatsache, dass die Drehmomentkurven im Teillastbereich von Ottomotoren nicht mehr bis zur maximal zulässigen Drehzahl reichen, ist auf den erheblichen Einfluss des durch stärkere Drosselung beeinträchtigten Liefergrads zurückzuführen.

Die insgesamt beim Dieselmotor auffallenden flacheren Verläufe ergeben aus dem im Allgemeinen geringeren Drehzahlniveau, das sich sowohl auf den Liefergrad als auch auf den Gütegrad positiv auswirkt [20].

Des Weiteren bewirkt das dieselmotorisch bedingte größere Luftverhältnis einen schlechteren Gemischheizwert und führt damit verglichen mit Ottomotoren zu einem geringeren Drehmomentniveau [17, 20].

Entsprechend der Einflüsse und der resultierenden Drehmomentverläufe ergeben sich nach Gl. 2.6 und Gl. 2.7 die im Folgenden gezeigten qualitativen Verläufe der Nutzleistung über der Motordrehzahl.

eff

effektive Leistung P

Bild 2.2.4.2.: Qualitative Verläufe der effektiven Leistung in Abhängigkeit der Motordrehzahl (links Ottomotor, rechts Dieselmotor), aus [20]