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 / entwickelt, der den Fahrer dabei unterstützen soll, sein Fahrzeug verbrauchsoptimal zu führen.
Einführend wird hierzu der dringende Handlungsbedarf hinsichtlich der Verbrauchsreduzierung verdeutlicht. Eingriffsmöglichkeiten werden anhand motorischer sowie fahrzeugdynamischer Grundlagen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen erläutert. Nach dem umrissenen
Stand der Technik zu Verbrauchsassistenten wird dargestellt, welche Arten der Realisierung eines Verbrauchsassistenten als FAS prinzipiell möglich sind.
Anhand der Diskussion von Verhaltenstypologien im Straßenverkehr wird der Entwurf des Verbrauchsassistenten konzeptioniert.
Dessen Funktionen bzw. Funktionsweisen sowie mögliche konstruktive Umsetzungen in einem Fahrzeug werden konkretisiert und erläutert.
Im 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 (MatLab) als Grundlage verwendet werden. Der Effizienznachweis des VA wird schließlich an Simulationsergebnissen gezeigt und diskutiert.
Zukünftige Verbesserungen, Erweiterungen sowie Ausblicke schließen die Ausarbeitung ab.
Inhaltsverzeichnis
Einleitende Worte
1 Einführung
1.1 Die Mobilität
1.2 Negative Auswirkungen des Verkehrs
1.3 Die Vorteile eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs
1.3.1 Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission
1.3.2 Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und CO2 - Emission
1.3.3 Kraftstoffverbrauch als bedeutender Kostenfaktor
1.4 Maßnehmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
1.5 Motivation für einen Verbrauchsassistenten als Fahrerassistenzsystem
2 Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs
2.1 Motorische Grundlagen und effektive Motorbetriebsdaten
2.1.1 Das Prinzip eines Hubkolben – Verbrennungsmotors
2.1.2 Verluste und Wirkungsgrade
2.1.3 Der indizierte Mitteldruck und effektive Mitteldruck
2.1.4 Die effektive Leistung und das Drehmoment
2.1.5 Der spezifische Kraftstoffverbrauch
2.1.6 Zusammenfassung der effektiven Motorbetriebsdaten
2.2 Das Betriebsverhalten eines Motors
2.2.1 Einfluss der Motordrehzahl und der Motorlast auf die Wirkungsgrade
2.2.2 Einfluss der Motorlast auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch
2.2.3 Einfluss der Motordrehzahl auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch
2.2.4 Einfluss der Motordrehzahl auf das Drehmoment und die Nutzleistung
2.2.5 Das Verbrauchskennfeld
2.3 Einfluss des Fahrerverhaltens auf den Kraftstoffverbrauch
2.4 Verbrauchsoptimales Fahrerverhalten anhand motorischer Grundlagen
3 Fahrzeugdynamische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs
3.1 Die Fahrzeuglängsdynamik
3.2 Die Zugkraft in Abhängigkeit der Getriebeübersetzung und der effektiven Motorkenngrößen
3.3 Zugkrafthyperbeln und Fahrzustandsschaubilder
3.4 Interpretation des Zugkrafteinflusses auf den Kraftstoffverbrauch
3.5 Optimierbarkeit der Zugkraftanteile über die Fahrweise
3.6 Zusammenfassung zu Regeln für eine verbrauchsgünstige Fahrweise
4 Ein Verbrauchsassistent als Fahrerassistenzsystem
4.1 Formulierung allgemeiner Aufgaben eines Verbrauchsassistenten
4.2 Stand der Technik in Bezug auf Verbrauchsassistenten
4.3 Allgemeines zu Fahrerassistenzsystemen
4.3.1 Einteilung der Fahrerassistenzsysteme
4.3.2 Das System Fahrer – Fahrzeug – Umwelt und mögliche Ausführungen von Fahrerassistenzsystemen
4.3.3 Informationsdarstellung
4.4 Diskussion sinnvoller Ausführungen des Verbrauchsassistenten
4.4.1 Elementare Aufgaben und Belastungen des Fahrers im täglichen Straßenverkehr
4.4.2 Sinnvolle Realisierung
4.4.3 Sinnvolle Informationsdarstellung
5 Verhaltenstypologien im Straßenverkehr
5.1 Unterscheidung von Fahrertypen
5.2 Elementare Fahrzustände
5.3 Beschreibung typischer Verkehrssituationen und Verkehrszustände
5.3.1 Der Bremsvorgang als Verkehrssituation
5.3.2 Das Halten als Verkehrssituation
5.3.3 Der Abbiegevorgang als Verkehrssituation
5.3.4 Der Überholvorgang als Verkehrssituation
5.3.5 Die Kurvenfahrt als Verkehrssituation
5.3.6 Innerortsverkehr als Verkehrszustand (stabil)
5.3.7 Überlandverkehr als Verkehrszustand (stabil)
5.3.8 Autobahnverkehr als Verkehrszustand (stabil)
5.3.9 Stop & Go als Verkehrszustand (instabil)
5.4 Resultierende sinnvolle Einschränkungen und Berücksichtigungen des Verbrauchsassistenten
6 Funktionsweise des Verbrauchsassistenten und Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung
6.1 Das Konzept zur Funktionsweise des Verbrauchsassistenten
6.1.1 Die Beschleunigungsfunktion (BFKT)
6.1.2 Die Konstantfahrtfunktion (KFFKT)
6.1.3 Ergänzende allgemeine Funktionen des Verbrauchsassistenten
6.2 Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung
6.2.1 Integrationsmöglichkeiten visueller Komponenten
6.2.2 Konstruktive Möglichkeiten eines aktiven Fahrpedals
7 Versuchsträger als Bezugsfahrzeug
7.1 Fahrzeugdimensionen
7.2 Getriebe
7.3 Motor
7.3.1 Motorkennfelder
7.3.2 Linien minimalen Verbrauchs (Ansätze und Ermittlung)
7.3.2.1 Ansatz für „MinLinie 1“
7.3.2.2 Ansatz für „MinLinie 2“
7.3.2.3 Ansatz für „MinLinie 3“
7.3.2.4 Ansatz für „MinLinie 4“
7.3.3 Prüfung und Glättung der Linien minimalen Verbrauchs
8 Modellierung und Regelung des Verbrauchsassistenten
8.1 Allgemeines zum Modell
8.2 Vorbereitung und Anpassung des Fahrzeugmodells
8.3 Das Modell des Verbrauchsassistenten
8.3.1 Grundaufbau und Struktur
8.3.2 Verbrauchsberechnung
8.3.3 Beschleunigungsfunktion
8.3.4 Konstantfahrtfunktion
8.3.5 VA – Control (VAC)
8.3.6 Die Regelung und das Subsystem „Regelung“
8.3.7 Visualisierung
9 Simulationsergebnisse
9.1 Allgemeines zur Durchführung
9.2 Beschleunigungsvorgänge und Linien minimalen Verbrauchs
9.3 Simulationsergebnisse der Referenzfahrten mit und ohne VA
9.3.1 Ungedrosselte Basisreferenzfahrt auf ebener Fahrbahn
9.3.2 Gedrosselte Basisreferenzfahrt auf ebener Fahrbahn
9.3.3 Ungedrosselte Referenzfahrt bei Steigung pF=0,035
9.3.4 Gegenüberstellung der sportlichen und normalen Fahrweise
9.4 Diskussion der Simulationsergebnisse
10 Ausblicke, Zusammenfassung und Schlussfolgerung
10.1 Der Verbrauchsassistent in einem Fahrzeug
10.2 Verbesserungen und Ausblicke
10.3 Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Zielsetzung und Themen
Ziel dieser Arbeit ist der Entwurf eines Verbrauchsassistenten (VA) als Fahrerassistenzsystem, der den Fahrer dabei unterstützt, sein Fahrzeug im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimal zu führen. Die Forschungsarbeit untersucht die motorischen und fahrzeugdynamischen Grundlagen des Verbrauchs, entwickelt ein Konzept für einen Assistenzalgorithmus und validiert diesen mittels Simulationsmodellen in MATLAB-SIMULINK, um den Kraftstoffverbrauch durch gezielte Fahrpedalempfehlungen und Gangwechselhinweise zu senken.
- Motorische Grundlagen des Verbrauchs und Betriebsverhalten von Verbrennungsmotoren
- Fahrzeugdynamische Modellierung und Einflussfaktoren auf den Streckenverbrauch
- Konzeption und Regelungsstrategien eines Verbrauchsassistenten
- Verhaltenstypologien und Interaktion im System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt
- Simulation und Effizienznachweis anhand definierter Fahrprofile
Auszug aus dem Buch
2.4 Verbrauchsoptimales Fahrerverhalten anhand motorischer Grundlagen
Die Senkung des für jeden Fahrer relevanten Streckenverbrauchs Bs erfordert in bestimmten Fällen einen möglichst geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch be, worauf im weiteren Verlauf der Arbeit genauer eingegangen werden wird.
Am Verbrauchskennfeld erkennt man, dass eine erste Minimierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs zunächst drehzahlunabhängig durch höhere Motorlasten erzielt werden kann.
Bei Volllastbetrieb sowie bei vorgeschriebenem konstantem Drehmoment ist für eine weitere Absenkung des Kraftstoffverbrauchs zusätzlich ein bestimmter (mittlerer) Drehzahlbereich anzustreben, in dem der spezifische Kraftstoffverbrauch dem Drehmoment zugeordnet minimale Werte annimmt.
Die damit verbundene mögliche Senkung des Streckenverbrauchs wurde am Kennfeld des Streckenverbrauchs in Bild 2.3.3 gezeigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung begründet die Notwendigkeit zur Verbrauchsreduzierung aufgrund wirtschaftlicher und ökologischer Dringlichkeit und motiviert den Einsatz eines Fahrerassistenzsystems.
2 Motorische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs: Hier werden die thermodynamischen Grundlagen, Wirkungsgrade und Betriebsverhaltensweisen von Motoren erläutert, die zur Modellierung des Verbrauchs wesentlich sind.
3 Fahrzeugdynamische Grundlagen des Kraftstoffverbrauchs: Dieses Kapitel behandelt die Fahrwiderstände, die Fahrzeuglängsdynamik und die Zusammenhänge zwischen Zugkraftbedarf und Fahrweise.
4 Ein Verbrauchsassistent als Fahrerassistenzsystem: Es werden die Anforderungen, Aufgaben und Integrationsmöglichkeiten eines Verbrauchsassistenten im Fahrzeugkontext definiert und diskutiert.
5 Verhaltenstypologien im Straßenverkehr: Dieses Kapitel analysiert verschiedene Fahrertypen und Verkehrssituationen, um darauf aufbauend sinnvolle Eingriffsstrategien für den Assistenten abzuleiten.
6 Funktionsweise des Verbrauchsassistenten und Möglichkeiten der konstruktiven Umsetzung: Hier wird das konkrete Konzept der Beschleunigungs- und Konstantfahrtfunktionen sowie deren hardwareseitige Implementierung dargelegt.
7 Versuchsträger als Bezugsfahrzeug: Vorstellung des BMW 528i als Referenzfahrzeug sowie Aufbereitung der notwendigen Motorkennfelder für die Modellbildung.
8 Modellierung und Regelung des Verbrauchsassistenten: Erläuterung der Implementierung des Systems in MATLAB-SIMULINK, inklusive der verwendeten PI-Regler und der Entscheidungslogik der Software.
9 Simulationsergebnisse: Darstellung und Diskussion der erzielten Einsparungspotenziale durch den Einsatz des Assistenten bei verschiedenen Fahrbedingungen.
10 Ausblicke, Zusammenfassung und Schlussfolgerung: Abschluss und Reflexion der Arbeit sowie Ausblick auf zukünftige Optimierungsmöglichkeiten und Erweiterungen der Funktionalität.
Schlüsselwörter
Verbrauchsassistent, Kraftstoffverbrauch, Fahrerassistenzsystem, Verbrennungsmotor, Fahrzeuglängsdynamik, Wirkungsgrad, Fahrerverhalten, Motorkennfeld, Modellierung, Regelungstechnik, MATLAB, SIMULINK, Streckenverbrauch, Beschleunigungsfunktion, Konstantfahrtfunktion.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Simulation eines Verbrauchsassistenten, der den Fahrer dabei unterstützen soll, durch eine verbrauchsgünstige Fahrweise Treibstoff zu sparen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die zentralen Felder sind die motorischen Grundlagen (Wirkungsgrade, Verbrauchskennfelder), die Fahrzeugdynamik (Fahrwiderstände) und das menschliche Fahrerverhalten im System Fahrer-Fahrzeug-Umwelt.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, ein Konzept für ein Fahrerassistenzsystem zu entwerfen und durch eine Modellierung in MATLAB-SIMULINK zu zeigen, dass durch haptische und visuelle Rückmeldungen an den Fahrer eine signifikante Verbrauchsreduzierung erzielt werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein systemtheoretischer Ansatz verfolgt, der auf der Analyse technischer Kennfelder, der Aufstellung physikalischer Gleichungen für Fahrwiderstände und der Modellierung von Regelkreisen in einer Simulationsumgebung basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden zunächst die theoretischen Grundlagen des Verbrauchs erarbeitet, dann ein Konzept für den Assistenten erstellt und dieses schließlich anhand eines BMW 528i als Referenzfahrzeug in einer Simulationsumgebung getestet und validiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Verbrauchsassistent, Kraftstoffverbrauch, Fahrerassistenzsystem, Motorkennfeld, Fahrzeuglängsdynamik und Simulationsmodellierung.
Welche Rolle spielt das Fahrpedal bei der haptischen Rückmeldung?
Das Fahrpedal dient als Schnittstelle, um dem Fahrer durch haptische Signale die aktuell verbrauchsoptimale Pedalstellung mitzuteilen, ohne ihn durch visuelle oder akustische Reize zu sehr vom Verkehrsgeschehen abzulenken.
Warum wird zwischen dem "normalen" und "sportlichen" Fahrertyp unterschieden?
Die Unterscheidung ist wichtig, um die Eingriffsschwellen des Assistenten anzupassen; während der "normale" Fahrer eng geführt wird, werden dem "sportlichen" Fahrer nur dann Korrekturvorschläge unterbreitet, wenn diese den Fahrwunsch nicht negativ beeinträchtigen.
Wie geht das System mit Stop & Go Verkehr um?
In instabilen Situationen wie Stop & Go wird von Beschleunigungsempfehlungen abgesehen, da hier die Verkehrslage dominiert und eine Verbrauchsoptimierung durch den Assistenten nur durch eine allgemeine Glättung des Fahrprofils sinnvoll ist.
- Quote paper
- David Gaczek (Author), 2006, Entwurf und Regelung eines Verbrauchsassistenten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/139650
