Studentische Abschlussarbeiten

Der Betrieb eines jeden Fahrzeuges setzt das Vorhandensein einer Bremse zur Verringerung und Begrenzung der gewünschten Fahrgeschwindigkeit voraus. In modernen Kraftfahrzeugen wird diese Funktion durch eine Reibungsbremse, konstruktiv weitestgehend durch Scheibenbremsen umgesetzt, realisiert. Resultierend aus der durch verschiedene tribologische Wirkmechanismen bestimmten Umwandlung von kinetischer in thermische Energie emittiert diese Bremsanlage einen partikelförmigen Bremsstaub. Diese - im Bereich der Feinstäube angesiedelten Emissionen - gelangen nahezu ungehindert in die Umwelt. Dort stellen sie aufgrund ihres hohen gesundheitlichen Gefährdungspotentials ein großes Risiko für Mensch und Umwelt dar. Für die Umsetzung zukünftiger gesetzlicher Vorgaben muss eine Erfassung und Auswertung dieser Emissionen erfolgen. Neben Aussagen über die emittierte Partikelanzahl ist dabei die größenfraktionierte Erfassung der freiwerdenden Partikelmasse von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die mittels Schwungmassenprüfstand erzeugten Bremsstaubpartikel hinsichtlich ihrer Partikelmasse untersucht werden. Basierend auf den bisherigen Forschungsergebnissen erfolgt die Untersuchung der Bremsstaubemissionen anhand eines - in Abhängigkeit von den am Schwungmassenprüfstand gewählten Parametern - charakteristischen Bremsstaubes. Die Untersuchung des emittierten Bremsstaubes erfolgt unter Betrachtung der typischen Größenfraktionen: PM10, PM2,5 und PM0,1 Durch eine Gegenüberstellung der Ergebnisse verschiedener Messaufbauten wird die Anwendbarkeit der jeweiligen Messsysteme, physikalischen Funktionsprinzipien und Probenahmestrategien auf die Bestimmung der emittierten Partikelmasse untersucht. Die Probenahme der Bremsstaubemission erfolgt dabei vorrangig durch eine geschwindigkeitsgleiche Teilstromentnahme (in-situ) an einem Schwungmassenprüfstand mit integriertem Konstantvolumenprobenahmesystem. Anhand des während der Messung evakuierten Volumens wird eine für die jeweiligen Parameter charakteristische Massenkonzentration bestimmt. Ergänzend dazu liefert die Untersuchung des Einflusses verschiedener Messparameter, Messpositionen und Probenahmestrategien einen Interpretationsansatz für die ermittelten Massenkonzentrationen. Die Arbeit umfasst unter anderem die Erstellung eines Versuchsplanes zur Untersuchung eines charakteristischen Bremsstaubes nach definierten Parametern. Letztere Parameter zeichnen sich dabei besonders durch die Ausprägung eines vergleichbaren Emissionsniveaus aus. Anhand der gewählten Parameter erfolgt die Untersuchung verschiedener Messaufbauten zur Messung der emittierten Partikelmasse sowie Partikelmassenkonzentration im Rahmen einer gesonderten Versuchsreihe. Aus den Ergebnissen dieser Versuchsreihe wird die Definition einer Messvorgehensweise für die Bestimmung der Partikelmassenkonzentration anhand der verfügbaren Messsysteme abgeleitet. In den Versuchen finden elektrisch, photoakustisch und gravimetrisch auswertbare Partikelmesssysteme Anwendung. Dabei erfolgt eine gesonderte Betrachtung der gravimetrischen Partikelmessung über in der Teilstromentnahme integrierte sowie über den total evakuierten Volumenstrom abscheidende Filterstufen. Auf Basis der definierten Messvorgehensweisen wird eine Partikelmassenkonzentration für die beschriebene Bremsstaubemission bestimmt. Anhand der ermittelten Ergebnisse erfolgt die Definition einer Messstrategie zur Bestimmung einer größenfraktionierten Partikelmassenkonzentration.

Während der Bremsung eines mit einem Scheibenbremssystem ausgestatteten Fahrzeugs kommt es zur Entwicklung der tribologischen Mechanismen: Reibung, Schmierung und Verschleiß. Neben der Umwandlung von kinetischer Energie in Wärmeenergie werden beim Bremsen aus Scheibe und Belag Verschleißpartikel herausgelöst, die den Größenordnungen des Feinstaubs zuzuordnen sind. Aufgrund dessen stehen Bremspartikel im Mittelpunkt intensiver Forschung, die zum Ziel hat, deren Gefahr auf den menschlichen Organismus zu beurteilen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen einflussreiche Partikeleigenschaften, die das Gefährdungspotential bestimmen, definiert werden. Dazu wird in einer Literaturrecherche zu gesundheitlichen Wirkungen von Feinstaub im Allgemeinen und Brems- und Dieselpartikel im Speziellen, ein Überblick über Wirkmechanismen und Wirkungen gegeben. Mittels eigener Untersuchungen werden zum einen quantitative Aussagen zu Partikelanzahl und Größenverteilungsdichte getroffen und zum anderen Bremspartikel für weitere chemische Analysen gesammelt und entnommen. Das Ziel der Arbeit besteht darin, eine Abschätzung über das Gefährdungspotential partikelförmiger Bremsstäube auf den menschlichen Organismus zu treffen. Die Arbeit umfasst neben der Recherche der durch Feinstaub hervorgerufenen Beschwerden und der Nennung häufig belasteter Organe, die Darstellung von Planung und Aufbau der unternommenen Messungen. In der Auswertung erfolgt die Vorstellung der physikalischen Messgrößen und die Berechnung eines Faktors zum Vergleich emittierter Partikelanzahlen sowie die chemische Analyse größenfraktioniert entnommener Partikelproben. Dazu werden die Verfahren "energiedispersive Röntgenspektroskopie" (EDX) und "Röntgenphotoelektronenspektroskopie" (XPS) zur Detektion enthaltener Elemente bzw. chemischer Verbindungen angewendet.

Die Verantwortung der Automobilindustrie gegenüber Nachhaltigkeit und Umweltschutz nimmt, u. a. aufgrund der gesetzlichen Grenzwerte für umweltschädliche Verbrennungsprodukte, insbesondere Kohlenstoffdioxid, stetig zu. Durch die Minimierung von mechanischen Verlusten im Verbrennungsmotor ist es möglich den Kraftstoffverbrauch sowie den Kohlenstoffdioxidausstoß zu reduzieren. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswirkungen der Viskositätsabsenkung des Motoröles auf die mechanischen Verluste im Ottomotor anhand von experimentellen Untersuchungen zu ermitteln und zu bewerten. Hierfür wird ein niedrigviskoses Leichtlauföl im Vergleich zum derzeit verwendeten Referenzöl mittels verschiedener Messaufbauten und -programmen analysiert. So wird am befeuerten Motorprüfstand der Einfluss des Leichtlauföls unter realistischen Betriebsbedingungen am Vollmotor untersucht. In dieser Versuchsreihe wird der physikalische Effekt des Öls auf das Reibmoment im Motor anhand von Kennfelder dokumentiert. Weiterhin werden Reibungsdifferenzen innerhalb der Verbrauchzyklen betrachtet. Hierbei wird sowohl der Warmlauf als auch der betriebswarme Motorzustand abgebildet. Die Aufteilung der Reibmomentdifferenz vom Referenzöl zum Leichtlauföl wird mit verschiedenen Medientemperaturen und Motordrehzahlen am geschleppten Aggregateprüfstand untersucht. Zusätzlich erfolgt, aufgrund des Einflusses des Leichtlauföls auf den mechanischen sowie volumetrischen Wirkungsgrad, eine systematische Analyse der Ölpumpe am Komponentenprüfstand. In den meisten Motorbetriebspunkten konnten signifikante Reibungsvorteile nachgewiesen werden. Auf Grundlage der Messungen werden mögliche Optimierungspotentiale des Betriebes mit Leichtlauföl ermittelt.

Durch immer strengere Schadstoffgrenzwerte von Seiten der Gesetzgeber, gewinnt das sogenannte Downsizing, also die Reduzierung der Motorhubräume bei möglichst gleicher abgegebener Motorleistung, immer mehr an Bedeutung. Da dies ohne Aufladung, also einer Steigerung der Luftdichte vor dem Motoreinlass, nur schwer zu erreichen ist, spielen Abgasturbolader (kurz ATL) zu diesem Zweck eine wichtige Rolle. Obwohl der Trend scheinbar zur Elektromobilität geht, werden aufgeladene Verbrennungsmotoren noch über Jahre, gerade im Nutzfahrzeugbereich, weit verbreitet sein. Aus diesen Gründen wird die stetige Weiterentwicklung, z. B. bezüglich Wirkungsgrad und Ansprechverhalten, von Abgasturboladern weiter vorangetrieben. Dafür sind unter Anderem Versuche auf Prüfständen erforderlich, auf denen, einfacher als in einem Fahrzeug, reproduzierbare Ergebnisse möglich sind und damit vergleichbare Kennfelder aufgenommen werden können. Diese Kennfelder werden üblicherweise im statischen Betrieb bei einer bestimmten Abgastemperatur und Abgasgegendruck aufgenommen. Da im realen Motorbetrieb die Abgastemperatur, in Abhängigkeit der Last, stark variiert und auch der Abgasgegendruck durch verschiedene Einflüsse, wie z. B. Wandreibung im Abgaskanal und Komponenten zur Abgasbehandlung, nicht konstant bleibt, gilt es in dieser Arbeit, die Einflüsse von Abgastemperatur und -gegendruck auf die Turbinen- und Verdichterkennfelder zu untersuchen. Dafür werden an einem Heißgasprüfstand mehrere Turbinen- und Verdichterkennfelder aufgenommen, bei denen der Heißgasgegendruck und die Heißgastemperatur variiert werden, und diese anschließend untereinander verglichen um die Einflüsse von Gegendruck und Temperatur auf die Lage der Messpunkte zu erkennen.

Die Einstellung des korrekten Reifenfülldrucks beeinflusst wesentlich das Komfort-, Sicherheits- und Effizienzverhalten eines Kraftfahrzeugreifens. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Durchführung und Analyse von Versuchen mithilfe eines Messmatten-Systems zur Identifizierung der Einflüsse von Radlast, Reifenfülldruck und Fahrbahnkrümmung auf die Ausprägung der Reifenaufstandsfläche. Die aufgenommenen Daten werden mithilfe des Mathematik-Programms MATLAB ausgewertet und entsprechend veranschaulicht. Die Aufnahme der relevanten Daten erfolgt anhand einer zuvor entwickelten Mess- und Auswerteprozedur, wobei Radlast, Reifendruck und Fahrbahnkrümmung gezielt variiert werden, um deren Einfluss auf die Eigenschaften des Reifenlatsches genauer zu verstehen. Infolgedessen werden Zusammenhänge zwischen der Ausprägung der Reifenaufstandsfläche und den realen Reifenkennwerten Umfangsschlupfsteifigkeit und maximaler Reibbeiwert untersucht. Abschließend wird die dynamische Aufnahmefunktion des Messsystems genutzt, um die Entwicklung der Reifenaufstandsfläche während einer Anpassung des Fülldrucks mittels einer Reifenfülldruckregelanlage genauer zu charakterisieren.