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. 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.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Zielsetzung
2. Der Europäische Fahrzyklus
2.1. Allgemeines
2.2. Entwicklung von Fahrkurven
2.2.1. Entwicklung von Fahrkurven aus realen Fahrten
2.2.2. Entwicklung von synthetischen Fahrkurven
2.3. Beurteilungs- und Vergleichskriterien
2.4. Abgas- und Verbrauchsprüfung
2.4.1. Fahrleistungsprüfstand und Prüfablauf
2.4.2. Testfahrer
2.4.3. CVS-Verdünnungsverfahren
2.4.4. Nichtdispersiver Infrarot-Absorptionsanalysator für CO und CO2 (NDIR)
2.4.5. Chemilumineszenz-Analysator für NOX (CLA)
2.4.6. Nichtdispersiver Ultraviolett-Resonanz-Absorptionsanalysator für NOX (NDUVR)
2.4.7. Flammenionisationsdetektor für HC (FID)
2.4.8. Berechnung des Kraftstoffverbrauches
3. Programmdokumentation
3.1. Grundlegende Formeln zur Ermittlung des Motorbetriebspunktes
3.1.1. Luftwiderstand
3.1.2. Rollwiderstand
3.1.3. Beschleunigungswiderstand
3.1.4. Ermittlung des Motorbetriebspunktes
3.2. Übertragungswirkungsgrad
3.3. Programmbeschreibung
3.3.1. OTTOMAIN-Subroutine
3.3.2. NEFZMAIN
3.3.3. TRAPZD-Subroutine
3.3.4. FUNC-Subroutine
3.3.5. Ceta-Subroutine
3.3.6. Ccw- und Cmred-Funktion
3.3.7. NEFZDATA
3.4. Nachweis der formalen Lauffähigkeit
4. Anwendungsrechnungen
4.1. Magermotor
4.2. Vollvariable Ventilsteuerung (Valvetronic)
4.3. Variation des Motorhubraums
4.4. Variation des Verdichtungsverhältnisses
4.5. Variation der Fahrzeugmasse
4.6. Variation des cw-Widerstandsbeiwerts
4.7. Variation der Achsübersetzung
4.8. Variation der Zylinderzahl
5. Zusammenfassung
6. Literatur
Anhang A : Auszug aus der Richtlinie 91/441/EWG
Anhang B : Auszug aus der Richtlinie 98/69/EWG
Anhang C : Fahrzeugdaten
Anhang D : Diagramme (Anwendungsrechnungen)
D1 : Einfluss des Motorhubraums
D2 : Einfluss des Verdichtungsverhältnisses
D3 : Einfluss der Fahrzeugmasse
D4 : Einfluss des cw-Widerstandsbeiwerts
D5 : Einfluss der Achsübersetzung
D6 : Einfluss der Zylinderzahl
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Computerprogramms, das in der Lage ist, den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen von Personenkraftwagen basierend auf verschiedenen Fahrzeugparametern (wie Motorhubraum, Stirnfläche und Luftwiderstand) innerhalb des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zu berechnen. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie ein Fortran-basiertes Prozessprogramm zur Ermittlung von Verbrauchs- und Emissionsdaten in ein übergeordnetes Simulationsmodell integriert werden kann, um eine präzise Auswertung unter Variation technischer Daten zu ermöglichen.
- Entwicklung und Implementierung eines Simulationsprogramms für den NEFZ
- Methodik zur Ermittlung von Motorbetriebspunkten basierend auf Fahrwiderständen
- Analyse des Einflusses technischer Fahrzeugvariationen (z.B. Hubraum, Verdichtung, Masse) auf Verbrauch und Emissionen
- Validierung der Programmberechnungen durch Vergleiche mit realen Fahrzeugdaten
- Untersuchung von speziellen Motorkonzepten wie dem Magermotor und der variablen Ventilsteuerung
Auszug aus dem Buch
2.4.4. Nichtdispersiver Infrarot-Absorptionsanalysator für CO und CO2 (NDIR)
Das Prinzip dieser Messung beruht auf der Tatsache, dass jedes Gas in einem für ihn charakteristischen Wellenlängenbereich (Absorptionsbande) elektromagnetische Strahlung absorbiert (aufnimmt). Je größer die Konzentration des bestimmten Gases in einem Gasgemisch, desto mehr Strahlung wird absorbiert.
Um die Konzentration von heteroatomigen Gasen zu bestimmen, wie z.B. CO und CO2, wird Infrarotstrahlung verwendet, deren Wellenlänge zwischen 0,78 µm und 340 µm liegt. Diese Gase absorbieren nämlich nur diese und keine andere Strahlung [2,5,7,8,9,12,17,18]. Beispielsweise liegt bei CO die Absorptionsbande bei einer Wellenlänge von ca. 4,5 bis 4,9 µm (s. Abb. 2.17) [12].
Für das Messen von schädlichen Substanzen im Abgas von PKW wird die sogenannte nicht-dispersive Infrarot-Absorptionsanalyse (NDIR) durchgeführt (keine Zerlegung der Strahlung in ihr Spektrum). Abb. 2.18 zeigt das Schema eines nicht-dispersiven Infrarot-Absorptionsanalysators [18].
Das Gerät funktioniert folgendermaßen :
Infrarotstrahler durchstrahlen die Analysenkammer, in die das zu untersuchende Gas eingepumpt wird, und die Vergleichskammer, die ein Inertgas beinhaltet, das in diesem Wellenlängenbereich keine Strahlung absorbiert (z.B. Stickstoff). Die Küvetten und der Empfänger sind in Strahlrichtung mit Infrarotdurchlässigen Fenstern versehen. Durch das sich drehende Blendenrad wird erreicht, dass die Küvetten pulsierend durchstrahlt werden, sodass beim Empfänger lediglich Strahlungsimpulse ankommen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung und Zielsetzung: Diese Einführung erläutert die Relevanz von Abgasemissionen im Automobilbau und definiert das Ziel der Programmierung eines Tools zur Berechnung von Verbrauch und Emissionen im NEFZ.
2. Der Europäische Fahrzyklus: Dieses Kapitel beschreibt die historischen Hintergründe und die technischen Details des Europäischen Fahrzyklus, einschließlich der Prüfverfahren und Messmethodiken.
3. Programmdokumentation: Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte technische Dokumentation der verwendeten Formeln, der Subroutinen und des Quellcodes für die Berechnungslogik.
4. Anwendungsrechnungen: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der durchgeführten Rechenläufe zur Variation von Fahrzeug- und Motordaten (wie Hubraum, Verdichtung, Masse) vorgestellt und analysiert.
5. Zusammenfassung: Hier werden die Ergebnisse der Arbeit reflektiert und die Leistungsfähigkeit sowie Erweiterbarkeit des entwickelten Berechnungsprogramms resümiert.
Schlüsselwörter
Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemission, NEFZ, Europäischer Fahrzyklus, Fahrwiderstand, Motorbetriebspunkt, Simulationsrechnung, Verbrennungsmotor, Abgasgesetzgebung, Magermotor, Valvetronic, Programmdokumentation, Fortran, Emissionen, Automobiltechnik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit primär?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Berechnungsprogramms, das Verbrauchs- und Emissionswerte für Pkw unter Anwendung des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) ermittelt.
Welche Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Themen umfassen die Grundlagen des Europäischen Fahrzyklus, messtechnische Verfahren der Abgas- und Verbrauchsprüfung, die mathematische Modellierung von Fahrwiderständen sowie die softwaretechnische Umsetzung der Berechnungen.
Was ist das zentrale Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist die Erstellung einer flexiblen Softwarelösung, die basierend auf technischen Fahrzeugparametern den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffausstöße simuliert, um verschiedene Konfigurationen vergleichen zu können.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine numerische Simulation angewandt, die auf physikalischen Grundformeln zur Fahrwiderstandsberechnung sowie Daten aus dem NEFZ basiert und in der Programmiersprache Fortran umgesetzt wurde.
Was umfasst der inhaltliche Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische fundierte Programmplanung, eine detaillierte Dokumentation der Routinen und eine praktische Anwendungsphase, in der verschiedene Fahrzeug- und Motordaten variiert werden.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit am besten charakterisieren?
Wichtige Begriffe sind Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemissionen, NEFZ, Fahrwiderstand, Motordatenvariation, Simulation, CO2-Reduktion und Abgastechnik.
Inwiefern ist das Programm für unterschiedliche Motoren geeignet?
Das Programm ist modular aufgebaut und kann durch Schnittstellen an unterschiedliche Motorkonfigurationen (wie etwa einen Magermotor oder Motoren mit variabler Ventilsteuerung) angepasst werden, wie in den Anwendungsbeispielen gezeigt wird.
Warum spielt die Fahrzeugmasse eine solch wichtige Rolle für die Ergebnisse?
Die Fahrzeugmasse beeinflusst direkt den Beschleunigungswiderstand. Da dieser proportional zur Masse wächst, hat eine Gewichtsreduktion laut den Simulationen signifikante Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch, insbesondere im Stadtverkehr.
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- Dipl.-Ing. Thomas Gora (Author), 2004, Berechnung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission von PKW im Europaeischen Fahrzyklus, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/37432
