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Labor Fahrzeugantrieb

Das Labor Fahrzeugantrieb (LFA) deckt ein weites Spektrum der Antriebsstrangtechnik ab, was den verbrennungsmotorischen, den elektrischen und auch den Hybrid-Antrieb mit allen Teilgebieten einschließt.

Standort: Campus Esslingen Stadtmitte, Gebäude 2

Zündfunken für Wasserstoffverbrennungsmotoren

Das Labor Fahrzeugantriebe von der Fakultät Mobilität und Technik erforscht derzeit Zündfunken für den Einsatz in Wasserstoffverbrennungsmotoren.

Video 1 zeigt einen Funken unter dem Einfluss von Strömung.

Video 2 zeigt eine Simulation des Geschwindigkeitsfelds an der Zündkerze bei beschleunigter Anströmung. Die Simulation wurde mit AVL FIRE durchgeführt.

Das Labor Fahrzeugantriebe bedankt sich bei der Firma AVL für die Bereitstellung der Software zu Lehr- und Forschungszwecken.


Aktuelle Themen

Optische Analyse mit Laser und Hochgeschwindigkeitskamera

  • Sprays und Gas-Jets in einer Druckkammer (bis 50 bar).
  • Zündfunken in einem Druck- und Temperatur Strömungsprüfstand. (bis 40 bar)
  • Im optischen Motor

Simulation 1D, 3D
Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen werden Ladungswechsel, Ladungsbewegung und Verbrennung vor allem mit Stoßrichtung Wasserstoffmotor mithilfe AVL BOOST/CRUISE und FIRE simuliert.  

Kühlkreislauf
Dieser Prüfstand dient der Analyse und Entwicklung von Thermomanagementsystemen für elektrische und elektrifizierte Antriebe.
Aufgaben hierbei sind:

  • Aufbau von Kühler, Schläuchen, Rohren aber auch Aktuatorik und Sensorik sind wie im Fahrzeug.
  • Antriebskomponenten durch Heizelemente ersetzt, so dass hohe Kosten vermieden werden.
  • Simulation der Komponententemperaturen und Berechnung der Wärmeströme synchron zum physischen Versuch.
  • Aufprägen der errechneten Wärmeströme durch Heizelemente.
  • Einsatz von Micro-Controllern für die Regelung.
  • Erstellung von Echtzeit-Betriebsstrategien durch Interaktion von Messtechnik und Simulation.

ELEBAMA

Aufbau eines Elektro/Hybridboots
Öffentlich gefördertes Forschungsprojekt

Rennstall

Verbrennungsentwicklung mit Vorkammerzündung
Hybrider Antriebsstrang für ein FS-Fahrzeug

Wasserstoffmotor

Aufbau eines Wasserstoffmotors

Laborübungen und Projekte

Laborübungen in den Bachelorstudiengängen:

  • Emissionen beim Ottomotor: Kaltstart und Lambda-Variation – Rohemissionen und Abgasnachbehandlung
  • Wirkungsgrad/Verluste: Drehzahl-, Last- und Zündzeitpunktvariation
  • Ladungswechsel beim Ottomotor: Scavenging und interne Restgasvariation
  • Emissionen und Geräusch beim Dieselmotor: Variation von Einspritzzeitpunkt, Abgasrückführrate und Piloteinspritzung

Laborübungen im Masterstudiengang Fahrzeugtechnik:

  • Validierung von hybriden Antriebsmodellen am Motorenprüfstand

Studierendenprojekte und Abschlussarbeiten:

  • H2-Projekte
  • Kühlkreislauf In-the-Loop
  • Motorsimulation: 3D-CFD von Ladungswechsel und Einspritzvorgängen
  • Projekte in Zusammenarbeit mit dem Rennstall Esslingen
  • Konzeptstrategien für Wasserstoff-Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen
  • Energiekonzept für den Standort Stadtmitte (s. Weststadt)
  • Hybridkonzept für Sormula Student
  • Visualisierung der H2 Einblasung am direkteinblasenden Ottomotor mit der Hochgeschwindigkeitskamera (Einspritzkammer)
  • Wasserstoffmotor

Arbeitsgebiete

Arbeitsgebiete

Das Labor Fahrzeugantrieb (LFA) deckt ein weites Spektrum der Antriebsstrangtechnik ab, was den verbrennungsmotorischen, den elektrischen und auch den Hybrid-Antrieb mit allen Teilgebieten einschließt.

Im Folgenden werden die aktuellen und zukünftigen Themen dargestellt:

Thermodynamische und optische Verbrennungsanalyse
Im LFA ist durch moderne Druckindiziersysteme, präzise Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsmesstechnik die Durchführung detaillierter thermodynamischer Analysen möglich. Ein wichtiges Werkzeug ist dabei die Eigenentwicklung „Miraculix“, ein Druckverlaufsanalyse-Tool zur Erstellung von Verlustteilungen. Darüber hinaus werden optische Untersuchungen von Gemischbildung und Verbrennung mittels Highspeed-Endoskopie durchgeführt.
Die optische und elektrische Vermessung von Sprays in einer Druckkammer (bis 50 bar) ergänzt die Untersuchungen an den Motorprüfständen. Ebenso wertvoll ist die Möglichkeit der optischen Analyse von Zündfunken in einer beheizten Strömungskammer.

Simulation 1D, 3D
Ergänzend zu den experimentellen Untersuchungen werden Ladungswechsel, Ladungsbewegung und Verbrennung mithilfe der bekannten Programme GT-Power und STAR CCM+ simuliert.  

Kühlkreislauf
Dieser Prüfstand dient der Analyse und Entwicklung von Thermomanagementsystemen für elektrische und elektrifizierte Antriebe.
Aufgaben hierbei sind:

  • Aufbau von Kühler, Schläuchen, Rohren aber auch Aktuatorik und Sensorik sind wie im Fahrzeug.
  • Antriebskomponenten durch Heizelemente ersetzt, so dass hohe Kosten vermieden werden.
  • Simulation der Komponententemperaturen und Berechnung der Wärmeströme synchron zum physischen Versuch.
  • Aufprägen der errechneten Wärmeströme durch Heizelemente.
  • Einsatz von Micro-Controllern für die Regelung.
  • Erstellung von Echtzeit-Betriebsstrategien durch Interaktion von Messtechnik und Simulation.

Mechanische Werkstatt
Zur Unterstützung der Projekte verfügt das Labor über eine eigene mechanische Werkstatt.

Vorausschau:

  • E-Triebstrang-Prüfstand

Der Prüfstand ist ein kompaktes Allround-Paket, mit welchem Hybrid- und elektrische Antriebsstränge, sowie die dazugehörigen Nebenaggregate, wie zum Beispiel Leistungselektronik und Kühlkreisläufe weiterentwickelt werden können. Dieser Prüfstand ist die Ergänzung zu den bestehenden Verbrennungsmotorenprüfständen und deckt gleichzeitig ein sehr großes Aufgabenspektrum ab.
Zudem wird es möglich sein, Hybrid-Motoren-Emissionen zu simulieren, indem man die Antriebsmaschine (Dyno 1) Digital mit einem der bestehenden VM-Prüfstände koppelt und einen vom E-Triebstrang-Prüfstand gefahrenen Fahrzyklus mit dem Verbrennungsmotor nachfährt.

  • Wasserstoffprüfstand

Ziel ist die Realisierung eines Wasserstoffprüfstands im LFA-Labor. Die Konzeptphase wird von Studierenden erarbeitet und zu einer Realisierung geführt.

 

Forschung

Aktuelle Tagungsbeiträge und Veröffentlichungen, Dissertationen, Master-, Bachelor- und Diplomarbeiten

Tagungsbeiträge und Veröffentlichungen:

Wörner

Wörner M., Rottenkolber G. (2021) Voltage rise anemometry in turbulent flows applied to internal combustion engines, Experiments in Fluids 62(6):1432-1114,

https://doi.org/10.1007/s00348-021-03226-3

Paa A., Wörner M., Spang C., Rottenkolber G. (2017) Homogenous lean burn combustion for gasoline engines: A comparison between high energy spark ignition and high frequency corona ignition systems, in 29. SIA Powertrain Versailles, France

Dissertationen:

M. Wörner (aktuell) Ottomotorische Brennverfahren für hohe Lastpunkte, Dissertation Universität Braunschweig

A. Paa (2019) Ottomotorische Zündung: Ausweitung der Grenzen homogener Brennverfahren, Dissertation Universität Braunschweig

F. Berndt (2015) Ottomotorische Magerbrennverfahren: NOx-und partikelarme Verbrennung durch neue Zünd-und Einspritzkonzepte, Dissertation Universität Braunschweig, Shaker Verlag

Masterarbeiten:

F. Dyrschka (2022) 3D-CFD Motor- Simulation von Ladungswechsel und Kraftstoffspray mit Starr CCM zur Untersuchung der Hochdruckeinspritzung im Kompressionshub

F. Seitz (2020) Gasentladungsanemometrie – Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in thermischen Maschinen

M. Fritzler (2019) Experimentelle Untersuchung des Klopfverhaltens bei später homogener Gemischbildung an einem aufgeladenen Ottomotor mit Direkteinspritzung bis 1000 bar

Bachelorarbeiten:

D. Maier (2022) Bewertung optischer Messverfahren an einem transparenten Einzylindermotor zur Emissionsanalyse im Kaltstart

S. Prendergast (2022) Laserinduzierte Fluoreszenz und Background Oriented Schlieren zur Visualisierung von Fluidströmen in einem optischen Einzylindermotor

A. Böhm (2021) Neues ottomotorisches Magerbrennverfahren zur Klopfvermeidung bei hohen Lasten

A. Sauter (2020) Neues Echtzeit-Klopfkriterium zur Applikation von Ottomotoren mit Vorkammerzündung

F. Hohmann (2020) Untersuchung von Zylinderdruckschwingungen bei Vorkammerzündung und ultraspäter homogener Gemischbildung

D. Müller (2019) Optische Untersuchungen der  Hochdruckeinspritzung in der Spraykammer und am Einzylinder-Forschungsaggregat


Alle seit 2008 entstandenen Forschungsarbeiten, Forschungsbeiträge und Veröffentlichungen finden Sie in  der kompletten Liste.

Laborausstattung

3 Motorenprüfstände mit Asynchronmaschinen

Leistungsklassen
- 350kW/800Nm
- 220kW/525Nm
- 150kW/340Nm

Abgasmessung

- 2 HORIBA Mexa 7170DEGR für Abgaskomponenten CO, CO2, NO, NO2, N2O, Total-HC, CH4 und O2 sowie AGR-Rate

Partikelmessung

- AVL Smoke Meter 415S
- MS4 Pegasor Partikel Sensor
- AVL Opacimeter 439
- TSI EEPS zur Messung von Partikelgrößenverteilungen (5,6 bis 560 Nm)

Kraftstoffverbrauchsmessung

- AVL FuelExact
- 2* AVL 733 Kraftstoffwaage

Druckindizierung

- FEV FEVIS (16 Kanäle)
- FEV CAS (8 Kanäle)
- AVL XION (8Kanäle)
- AVL Indimaster (16 Kanäle)
- Sensorik Kistler/AVL

Blow By Messung

- AVL 442

Videoskopie

- Hochgeschwindigkeitskamera Photron SA-X2
- Storz-Endoskope
- Storz Halogenlichtquelle
- gepulste Laserlichtquelle

Optische Einspritzkammer

Drücke bis 50 bar (Kraftstoffeinspritzung bis 1500bar Einspritzdruck; Gaseinblasung bis 200 bar)

Konditioniereinrichtungen

Ansaugluft, Ladeluft, Kühlwasser und Motorenöl

Zünderprüfstand

- Druck und Temperaturströmungskanal
- Windkanal zur Vermessung von Zündfunken unter Strömung sowie bis zu 40 bar und 180 °C
- Erforschung eines Messprinzips anhand der Funkenauslenkung unter Strömung
- Datenerfassungssystem für die Entwicklung und Kalibrierung von Antriebssystemen, Motoren und Komponenten

Kühlkreislauf-Prüfstand

Wasserstoffinfrastruktur

4 Bündel a 12 T50 Flaschen mit 300bar H2 (48kg)  im „Wasserstoffhäusle“)

Prüfstandsversorgung  in 2 Druckstufen mit elektronischer Druckregelung (1- 40bar; 40- 250bar) mit H2 Massenstrommessung, Tornado Automatisierung und 8-Sensor Gaswarnanlage

Thermodynamische Analyse

Im LFA ist durch moderne Druckindiziersysteme, präzise Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsmesstechnik die Durchführung detaillierter thermodynamischer Analysen möglich. Ein wichtiges Werkzeug ist dabei die Eigenentwicklung „Miraculix“, ein Druckverlaufsanalyse-Tool zur Erstellung von Verlustteilungen.

Mechanisches Bearbeitungszentrum

Zur Unterstützung der Projekte verfügt das Labor über eine eigene mechanische Werkstatt.

360°-Rundgang Labor Fahrzeugantrieb

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Studienbeginn im Sommersemester 2023: Direkt einschreiben in unsere zulassungsfreien Studienangeboten bis zum 1.März 2023 noch möglich.
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Gregor Rottenkolber
Prof. Dr.-Ing. Gregor Rottenkolber