Universität Siegen

Berechnung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission von PKW im Europäischen Fahrzyklus

Am Institut für Energietechnik

als Diplomarbeit

angefertigt von

Thomas Alexander Gora

April 2004

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Zielsetzung ... 3

2. Der Europäische Fahrzyklus ... 5
2.1. Allgemeines ... 5
2.2. Entwicklung von Fahrkurven ... 7
2.2.1. Entwicklung von Fahrkurven aus realen Fahrten ... 7
2.2.2. Entwicklung von synthetischen Fahrkurven 8
2.3. Beurteilungs- und Vergleichskriterien ... 13
2.4. Abgas- und Verbrauchsprüfung ... 17
2.4.1. Fahrleistungsprüfstand und Prüfablauf ... 17
2.4.2. Testfahrer ... 20
2.4.3. CVS-Verdünnungsverfahren ... 23
2.4.4. Nichtdispersiver Infrarot-Absorptionsanalysator für CO und CO2 (NDIR) ... 27
2.4.5. Chemilumineszenz-Analysator für NOX (CLA) ... 30
2.4.6. Nichtdispersiver Ultraviolett-Resonanz-Absorptionsanalysator für NOX (NDUVR) ... 32
2.4.7. Flammenionisationsdetektor für HC (FID) ... 33
2.4.8. Berechnung des Kraftstoffverbrauches ... 35

3. Programmdokumentation ... 36
3.1. Grundlegende Formeln zur Ermittlung des Motorbetriebspunktes ... 36
3.1.1. Luftwiderstand ... 36
3.1.2. Rollwiderstand ... 37
3.1.3. Beschleunigungswiderstand ... 38
3.1.4. Ermittlung des Motorbetriebspunktes ... 39
3.2. Übertragungswirkungsgrad ... 41
3.3. Programmbeschreibung ... 46
3.3.1. OTTOMAIN-Subroutine ... 47
3.3.2. NEFZMAIN ... 48
3.3.3. TRAPZD-Subroutine ... 65
3.3.4. FUNC-Subroutine ... 69
3.3.5. Ceta-Subroutine ... 80
3.3.6. Ccw- und Cmred-Funktion ... 82
3.3.7. NEFZDATA ... 83
3.4. Nachweis der formalen Lauffähigkeit ... 85

4. Anwendungsrechnungen ... 90
4.1. Magermotor 9... 0
4.2. Vollvariable Ventilsteuerung (Valvetronic) ... 94
4.3. Variation des Motorhubraums ... 98
4.4. Variation des Verdichtungsverhältnisses ... 101
4.5. Variation der Fahrzeugmasse ... 105
4.6. Variation des cw-Widerstandsbeiwerts ... 108
4.7. Variation der Achsübersetzung ... 111
4.8. Variation der Zylinderzahl ... 114

5. Zusammenfassung ... 117

6. Literatur ... 118

Anhang A : Auszug aus der Richtlinie 91/441/EWG ... 120
Anhang B : Auszug aus der Richtlinie 98/69/EWG ... 180
Anhang C : Fahrzeugdaten ... 182
Anhang D : Diagramme (Anwendungsrechnungen) ... 204
D1 : Einfluss des Motorhubraums ... 204
D2 : Einfluss des Verdichtungsverhältnisses ... 205
D3 : Einfluss der Fahrzeugmasse ... 207
D4 : Einfluss des cw-Widerstandsbeiwerts ... 208
D5 : Einfluss der Achsübersetzung ... 210
D6 : Einfluss der Zylinderzahl ... 211

1. Einleitung und Zielsetzung

Durch den immer größeren Energieverbrauch, der vorwiegend durch fossile Brennstoffe gedeckt wird, ist die Luftverschmutzung durch die bei der Verbrennung entstehenden Abgasemissionen zu einem großen Problem geworden. Es sind nicht nur die Emissionen von Industrie, Haushalten und Kraftwerken, die dieses Problem aufkommen lassen, sondern auch in großem Maße der Straßenverkehr.
Deswegen wurde der Umweltschutz auch für den Automobilbau immer mehr ein zentrales Thema, was dazu geführt hat, dass es Ende der 50er Jahre in den USA zu ersten Gesetzgebungsmaßnahmen kam, die die Emissionen der wichtigsten giftigen Abgaskomponenten begrenzten. Dies war unbedingt notwendig, da der motorisierte Individualverkehr praktisch kontinuierlich zunahm, und auch zukünftig zunehmen wird, was folglich mit einer Emissionszunahme verbunden ist.
Mittlerweile haben alle Industriestaaten Abgasgesetze eingeführt, die die zulässigen Grenzwerte der toxischen Abgaskomponenten für Verbrennungsmotoren festlegen ^1,3. Grenzwerte haben allerdings nur dann einen Sinn, wenn deren Einhaltung überwacht werden kann.
Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der gemessenen Abgasemissionen zu gewährleisten, wurde in der EU 1971 der Europäische Fahrzyklus eingeführt, der in guter Näherung den Fahrbetrieb des europäischen Durchschnittsfahrers nachbilden sollte. Auf dessen Basis ließen sich die Schadstoffemissionen aller Fahrzeugtypen reproduzierbar erfassen und miteinander vergleichen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es ein Programm zu entwickeln, das den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission von PKW in Abhängigkeit verschiedener Fahrzeugdaten (Motorhubraum, Fahrzeugstirnfläche, Luftwiderstandsbeiwert u.a.) aus den durch Simulationsrechnungen ermittelten Verbrauchs- und Emissionsdaten des Antriebsmotors im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) berechnet. Dabei soll ein Fortran-Prozeßprogramm verwendet werden, das die Daten für die unterschiedlichen Betriebspunkte des Motors ermittelt. Dieses soll in geeigneter Weise in das zu entwickelnde übergeordnete Programm eingebunden werden.
Im Anschluss an den Nachweis der formalen Lauffähigkeit wird das erstellte Programm zu Rechenläufen unter Variation von ausgewählten Fahrzeug- und Motordaten eines PKW mit Ottomotor eingesetzt.

2. Der Europäische Fahrzyklus

2.1. Allgemeines

Mit einem Rollenprüfstandtest will man die beim Betrieb eines Fahrzeugs auf der Straße emittierten Schadstoffe bzw. den Kraftstoffverbrauch quantitativ erfassen, ohne dabei mit dem Fahrzeug Messungen im Straßenverkehr durchzuführen. Dabei wird versucht, den Betrieb im Straßenverkehr möglichst genau nachzubilden, davon ausgehend, dass die Ergebnisse auf dem Prüfstand und auf der Straße im Mittel gleich sind. Die Kräfte und die Geschwindigkeiten, die während des Tests herrschen, müssen also im Mittel denen im Straßenverkehr entsprechen.
Unter dieser Voraussetzung wird für die Verbrauchsermittlung bzw. für den Abgastest eine Fahrkurve (auch Fahrzyklus genannt) ermittelt, deren Verlauf der Geschwindigkeit und Beschleunigung die Fahrweise des Durchschnittsfahrers im Straßenverkehr so gut wie möglich nachbildet ^1,2,3. Bei der Entwicklung von Fahrkurven handelt es sich um eine komplexe Angelegenheit die noch später erläutert wird.

Es gibt weltweit verschiedene Fahrkurven. So wurde in Europa im Jahr 1971 mit der Richtlinie 70/220/EWG der Europäische Fahrzyklus, auch ECE-Zyklus (Economic Commission of Europe) genannt, eingeführt, welcher die Fahrten in europäischen Großstädten in guter Näherung simulierte (s. Abb. 2.1, Teil 1) ⁷. Um sie dem Stand der Technik sowie den steigenden Anforderungen des Gesundheits- und Umweltschutzes anzupassen, wurde die angesprochene Richtlinie über Jahre hinweg in regelmäßigen Abständen modifiziert ¹⁰.

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1 Robert Bosch GmbH, Autorenkollektiv : Abgastechnik für Ottomotoren, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, 2002

2 H. Kingenberg : Automobil-Meßtechnik (Band C : Abgasmeßtechnik), Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 1995

3 F. Schäfer, R. van Basshuysen : Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von PKW-Verbrennungsmotoren, Springer-Verlag, Wien New York, 1993

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7 Robert Bosch GmbH, Autorenkollektiv : Ottomotor-Management, Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 2003

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10 H. G. Hirschberger : Das schadstoffarme Automobil, Verlag TÜV Rheinland, Köln, 1986