Messung der Fahrzeug-internen Leistungsflüsse und der diese beeinflussenden Größen im real- life Fahrbetrieb

Transkript

1 Quelle: VDI-Tagung VDI Tagung: Innovative Fahrzeugantriebe, Dresden, 21" Messung der Fahrzeug-internen Leistungsflüsse und der diese beeinflussenden Größen im real- life Fahrbetrieb Dipl.-Ing. Dipl. Wirtsch. Ing. Philip Rumbolz Universität Stuttgart Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Stuttgart; Dr.-Ing. Anne Piegsa, Universität Stuttgart Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Stuttgart; Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian Reuss, Forschungsinstitut für Kraftfahrzeuge und Fahrzeugmotoren, Stuttgart; Kurzfassung In diesem Beitrag wird eine ganzheitliche Messung der Energieflüsse und der diese beeinflussenden Größen in einem Fahrzeug beschrieben. Mithilfe eines Serienfahrzeugs, das mit Messtechnik zur Erfassung von Fahrwiderständen und Leistungsflüssen in Antriebsstrang, Verbrennungsmotor, Bordnetz, Nebenaggregaten, Abgasstrang und Kühlkreislauf ausgerüstet ist, wurd hierzu eine Probandenstudie auf einem statistisch repräsentativen Rundkurs im realen Straßenbetrieb durchgeführt. Das Probandenkollektiv und die Fahrstrecke wurden so gewählt, dass die sozio- und fahrdemografischen Ausprägungen den deutschen Autofahrern entsprechen. Dabei lässt sich zeigen, dass der mittlere Verbrauchseinfluss des Fahrers 6,5 % bei einer Spannweite von 32 % bezogen auf den durchschnittlichen Streckenverbrauch beträgt. Eine Verlustteilung über das Fahrzeug zeigt, dass im Mittel 67 % der Kraftstoffenergie bei der Energieumwandlung im Verbrennungsmotor in Wärme umgewandelt werden. Die Nebenaggregate verbrauchen 8 %, durch die Reibungen im Antriebstrang gehen 2 % verloren. An den Rädern verbleiben im Durchschnitt 23 %, die zu 8 % für die Überwindung des Luftwiderstandes, zu 6 % für den Rollwiderstand und zu 9 % für die Bremsbetätigung verwendet werden. Im Rahmen einer Standardsituation ergeben sich durch fahrweisenbedingte Verbrauchsschwankungen Unterschiede von bis zu 65 %. In weiteren Untersuchungen soll die Nutzbarkeit dieser Potentiale im Rahmen von Assistenzsystemen zur Kraftstoffreduzierung untersucht werden. 1. Einleitung Im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts wird eine neue Forschungsplattform für zukünftige Kraftfahrzeugtechnik an der Universität Stuttgart aufgebaut. Diese Plattform ermöglicht eine qualitative und quantitative

2 Bewertung verschiedener elektronischer Kraftfahrzeugsysteme in einer teilweise oder vollständig virtuellen Umgebung. Der Fokus liegt dabei auf Systemen und Strategien im Kraftfahrzeug, die den Energieverbrauch und damit die CO 2 -Emissionen von Kraftfahrzeugen beeinflussen. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Messfahrzeug zur Leistungsflusserfassung aufgebaut. Ziel dieser Studie ist die Darstellung der Leistungsflüsse im Fahrzeug im kundenrelevanten Realbetrieb und das Aufzeigen der dabei entstehenden Verbrauchsschwankungen in Abhängigkeit vom Fahrer. Aufbauend sollen die Potentiale für Assistenzsysteme zur Reduktion des Energiebedarfs im Fahrzeug ermittelt werden. 2. Leistungsflüsse im Fahrzeug Die Gesamteffizienz eines Fahrzeugs ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Größen Fahrzeugeigenschaften und -technik, Fahrerverhalten, verkehrliches Umfeld und der Fahrstrecke [1]. Hierbei spielen eine Reihe von Einflussgrößen eine Rolle, die sich allerdings noch weiter herunter brechen lassen (vgl. Bild 1). So kann beispielsweise die Kategorie Fahrzeug als Sammelgröße für geometrische aber auch systemtechnische Parameter des betrachteten Fahrzeugs dienen. Im Gegensatz zu Simulationsstudien, in denen jegliche Parameter frei definiert werden können, reduziert sich die Anzahl dieser Parameter bei Studien im realen Straßenverkehr. So können Größen wie der Verkehr, die Wetterbedingungen und auch die Signalanlagen nur mitgemessen, nicht aber beeinflusst oder gar konstant gehalten werden. Bild 1: Einflussfaktoren auf die Energieflüsse im Fahrzeug [1] Die Untersuchung der Leistungsflüsse ist Gegenstand diverser Betrachtungen. So zeigt [11] eine grobe Aufteilung der Leistungssenken relativ zur Kraftstoffenergie im Fahrbetrieb. Eine detaillierte Unterteilung der einzelnen Verlustanteile auf Basis von Mess- und Simulationswerten zeigt [12]. In [2] werden auf Basis von Fahrprofilen, die aus Datenloggern in Kundenfahrzeugen ermittelt wurden, Fahrzyklen definiert. Anhand dieser Zyklen wird mit

3 einer Gesamtfahrzeugsimulation eine grobe Verlustaufteilung durchgeführt. In [3] wird eine Verlustteilung mit dem Fokus auf hybridisierte Antriebsstränge vorgestellt. Eine sehr detaillierte Aufteilung wird zudem von [13] gemacht. Bei diesen Untersuchungen teilen sich die Verluste an der Kraftstoffenergie wie folgt auf: Motorverluste zwischen 62 % und 78 %, Nebenaggregate zwischen 2 % und 7,5 % und Fahrwiderstände zwischen 13 % und 26 %. Alle diese Studien haben gemeinsam, dass sie auf größtenteils simulativen Untersuchungen in Normzyklen basieren und/oder keine Aussagen über die fahrerindividuellen Schwankungen einer solchen Verlustteilung machen. Diese Schwankungen werden in Untersuchungen meist in Form von Verbrauchsunterschieden betrachtet. Die Verbrauchsschwankungen reichen dabei von 2 bis 5 % [1,1], wobei die Versuchsbedingungen und das Probandenkollektiv nicht oder nur bedingt statistisch abgesichert sind. Um generelle Aussagen zu den fahrerindividuellen Schwankungen und Verbrauchsanteilen im Fahrzeug machen zu können, kommen in dieser Studie ein statistisch abgesichertes Untersuchungslayout und eine vollständige messtechnische Erfassung zum Einsatz, die im Folgenden beschrieben werden. 3. Untersuchungslayout Das in der Studie verwendete Serienfahrzeug wird mit Messtechnik zur Erfassung von Leistungsflüssen, Fahrer-Fahrzeuginteraktion und Fahrzeugumfeld ausgerüstet. Bei der Fahrzeugauswahl spielen neben messtechnischen Rahmenbedingungen wie Zuladung, Raumangebot und Zugang zu technischen Unterlagen und Fahrzeugsystemen vor allem statistische Kennwerte eine Rolle. Die Fahrzeugauswahl orientiert sich an Durchschnittswerten aus für Deutschland repräsentativen Erhebungen [4]. So stellt die Gruppe der Mittelklassefahrzeuge mit 62,1 % die größte Fahrzeugklasse dar. Zudem erbringen Fahrzeuge dieser Klasse durchschnittlich 62 % der Jahresfahrleistungen in Deutschland. Dabei wird die Mehrheit (75,2 %) der Fahrzeuge mit einem Ottomotor angetrieben. Bei der Kraftübertragung zeigt sich, dass 88 % der genutzten Fahrzeuge in deutschen Haushalten mit einem Schaltgetriebe ausgerüstet sind. Im Bezug auf die Energieeffizienz lässt sich als Normdurchschnittsverbrauch der Fahrzeuge in Deutschland ein Wert von 7,9 l/1 km bei den Fahrzeugen mit Ottomotor ermitteln. Als Fahrzeug wird basierend auf diesen Daten eine aktuelle C-Klasse von Mercedes Benz (Typ S24) gewählt. Als Antrieb dient die Basismotorisierung mit einem 1796 ccm Ottomotor in Kombination mit einem Schaltgetriebe. Das Fahrzeug verbraucht damit im NEFZ 7,4 7,6 l Benzin pro 1 km. Zudem wird das Fahrzeuggewicht so angepasst, dass für alle Probandenfahrten das

4 Leistungsgewicht des Fahrzeugs dem deutschen Durchschnittswert von.64 kw/kg [14, 15] entspricht. Um ein realistisches Nutzerprofil im Rahmen der Messfahrtenstudie umzusetzen, muss die Stichprobe von ihren Ausprägungen möglichst in den, für die Studie relevanten Bereichen der Grundgesamtheit entsprechen. Die Grundgesamtheit dieser Studie stellt der Anteil der deutschen Bevölkerung dar, der Personenkraftwagen zur Fortbewegung nutzt. Um mit minimaler Stichprobengröße eine maximale Überdeckung zu erzielen, wird anhand unterschiedlicher Kriterien eine Vorsortierung vorgenommen. Als im Vorfeld der Studie bestimmbare Größen werden hierzu die Jahresfahrleistung, das Alter und das Geschlecht ausgewählt. Bild 2: Kontrollierbare Probandendemografie (ohne keine Angaben ) [4] Bild 2 stellt die Verteilung dieser Größen in Deutschland dar, die wiederum als Zielwerte für die Probandenakquise verwendet werden. Dabei werden pro Kriterium drei bzw. zwei Gruppen gebildet. Neben der Aufteilung der Probanden spielt die Stichprobengröße eine entscheidende Rolle für die Aussagekraft und die Genauigkeit der Studie. Berücksichtigt man die Permutation [5] der im Rahmen der Probandenauswahl kontrollierbaren Probandendemografie entsprechend Bild 2, so ergibt sich eine Mindestanzahl von 18 Probanden. Um auch den Grad der zu erwartenden Genauigkeit der Studienergebnisse abzusichern, muss die notwendige Stichprobengröße a priori anhand der zu erwarteten Effektgrößen bestimmt werden [6]. Dabei wird für Gl. 1 die Gleichverteilungshypothese 1 angenommen. 2 4 z S np N 2 Gl. 1 2 S np 1 1 Gleichverteilungshypothese: Es wird davon ausgegangen, dass ab einer Stichprobengröße größer 3 sich die Mittelwerte der Mittelwerte der Messgrößen gemäß einer Normalverteilung verteilen [5].

5 In Gl.1 stellt ΔS die gewünschte Genauigkeit dar, mit der die Zielgröße S ermittelt werden soll. N p ist die Stichprobengröße einer Vorstudie und z α/2 der zweiseitige z-wert zum gewählten Signifikanzniveau. Die Abschätzung der Genauigkeit wird auf Basis einer mit 19 Probanden durchgeführten Vorstudie vorgenommen. Wenn man die Energieflussschwankungen mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 5 % und einer Genauigkeit von +/- 2,5 % bestimmen will, so ergibt sich eine notwendige Stichprobengröße von 4 Probanden. Eine weitere Größe des Untersuchungsdesigns ist ein Rundkurs, der anhand der Streckenarten und ihrer Anteile an der Gesamtstrecke dem Fahrprofil des durchschnittlichen Autofahrers in Deutschland entspricht. Grundlage für die Anteile der einzelnen Streckenarten sind statistische Daten zur Streckennutzungen in Deutschland [7,8]. Auf Basis dieser Daten ergeben sich die in Bild 3 dargestellten Anteile für Stadt-, Überland-, Bundesstrassen- und Bundesautobahnstrecken. Für die Autobahnanteile mit unbeschränkter Geschwindigkeit wurde die Streckenverteilung im Umkreis von 2 km (78 % aller Pendler) in den 18 Metropolregionen in Deutschland untersucht. Autobahn unbeschränkt 7 % Autobahn beschränkt 24 % Bundesstraße 18% Innerort 33 % Außerort 18 % Bild 3: Streckenanteile der Fahrleistungen in Deutschland [7,8] Der für die Studie verwendete und als Stuttgart-Rundkurs bezeichnete Kurs kam bereits bei zahlreichen energetischen und akzeptanzorientierten Studien erfolgreich zum Einsatz [4,9]. Die Streckenanteile des ca. 6 km langen Kurses teilen sich in 29,7 % Stadtanteil, 19,6 % Überlandanteil, 21 % Bundesstrassenanteil, 7,9 % Bundesautobahnanteil ohne und 21,8 % mit Geschwindigkeitsbeschränkung auf. Verglichen mit der Streckenaufteilung der durchschnittlichen Fahrleistungen in Deutschland zeigt sich damit eine gute Übereinstimmung, wodurch ein repräsentatives Fahrprofil gesichert ist. Die Untersuchung wurde im Zeitraum von Juli September 21 durchgeführt. Um vergleichbare Verkehrsbedingungen zu erhalten, starteten die Messfahrten jeweils im Zeitfenster von 9: bis 9:3 Uhr. Um Gewöhnungseffekte bei den Fahrern und

6 Aufwärmprozesse im Fahrzeug als Einflussgröße auszuschließen, befuhren die Fahrer nach einer kurzen Einweisung den oben beschriebenen Rundkurs zweimal, wobei die zweite Fahrt für die energetischen Untersuchungen verwendet wird. Nach der Fahrt wurde ein Fragebogen ausgefüllt, mit dem demografische Daten, der Fahrertyp sowie Kenntnisse der Fahrer im Bezug auf eine kraftstoffsparende Fahrweise ermittelt wurde. Bei allen Fahrten wurde das Fahrzeuggesamtgewicht inklusive Fahrer und Begleitperson durch Zusatzgewichte konstant auf dem durchschnittlichen Leistungsgewicht gehalten. 4. Messtechnische Ausrüstung Das beschriebene Fahrzeug ist mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. Diese ermöglicht die synchrone Messung und Aufzeichnung der thermischen, elektrischen und mechanischen Leistungsflüsse, der Fahrwiderstände, der Fahrzeugposition, sowie von Daten aus Fahrzeugumfeld und zur Fahrer-Fahrzeuginteraktion. Das Messsystem des Fahrzeugs besteht dabei aus zwei Messdatenerfassungssystemen, die im Master-Slave- Verbund ca. 26 analoge und 13 digitale Messgrößen aufzeichnen. Die Sensorik reicht dabei von einfachen Beschleunigungsaufnehmern über Fahrzeugbusgrößen bis hin zur mobilen Motorindizierung und einem Blickrichtungserfassungssystem. 5. Leistungsfluss- und Fahrwiderstandsmessung Die Leistungsflüsse über das Gesamtfahrzeug lassen sich entsprechend Gl.2 beginnend bei der Energiewandlung der chemischen Kraftstoffenergie in mechanische Energie im Verbrennungsmotor bis zur Übertragung der mechanischen Energie auf die Strasse bilanzieren und messen. Dabei kommen unterschiedliche Drehmoment-, Durchfluss-, Temperatur-, Druck- und Drehzahlmessglieder im Fahrzeug zum Einsatz. P P P P P P P P P Gl. 2 Kraftstoff Luft Effektiv Kühler Abgas Nebenaggre gate Getriebeve rluste Antriebstrangverlust e Radnabe Die Aufteilung der von den Nebenaggregaten aufgenommenen Motorleistung ergibt sich entsprechend Gl. 3 und wird über gemessene Drehmomente und Drehzahlen an den relevanten Komponenten ermittelt. P P P P P Gl. 3 Riementrie b Klimakompressor Lenkhilfep umpe Generator Restliche_Nebenaggre gate Durch Strom- und Spannungsmessstellen wird der elektrische Leistungsfluss an den Verbrauchern, dem Generator sowie der Batterie ermittelt. Hierdurch entsteht die in Gl. 4 dargestellte Leistungsbilanz im elektrischen Bordnetz. P P P P P P Gl. 4 Generator Batterie Klemme 3 Motorlüfter Klimalüfter Generatorv erluste

7 Die für die Untersuchung relevanten Fahrwiderstände und die an der Bremse entstehende Verlustleistung werden entsprechend Gl. 5 bilanziert und der Nabenleistung des Fahrzeugs gegenübergestellt. P P P P P P P Gl. 5 Radnabe Luft Steig Beschleunigung Roll Schlupf Beim Luftwiderstand wird die Luftdichte über die gemessene Außentemperatur und den Umgebungsdruck korrigiert und für die Anströmgeschwindigkeit als Näherung die Geschwindigkeit über Grund verwendet. Der Steigungswiderstand wird über die Nickdrehraten einer Intertialmessplattform erfasst. Dieser Wert wird um den Karosserienickwinkel korrigiert und der Drift über einen Kalmanfilter anhand eines differentialen GPS-Systems korrigiert. Der Roll- und Beschleunigungswiderstand wird anhand der experimentell bestimmten Parameter des Fahrzeugs und den gemessenen Fahrdynamikgrößen bestimmt. Der Schlupfwiderstand wird über den aus den Raddrehzahlen bestimmten Reifenschlupf in Kombination mit den in den Radnaben gemessenen Drehmomenten bestimmt. Die Bremsverluste werden durch eine Messung der Bremsmomente und Raddrehzahlen erfasst. Bremse 6. Umgebungserfassung und Fahrerinteraktionen Neben den Leistungsflüssen sollen auch die Umgebung und die Fahrer-Fahrzeuginteraktion erfasst werden. Hierzu wird durch eine Kamera an der Frontscheibe und einen Langbereich - Radarsensor an der Fahrzeugfront das Fahrzeugumfeld aufgezeichnet. Dadurch können zum einen bestimmte Ereignisse in den Messdaten genauer analysiert und zum anderen Kenngrößen wie durchschnittliches Verkehrsaufkommen oder Fahrzeugabstände für weiterführende Auswertungen erfasst werden. Zur Aufzeichnung der Interaktionen des Fahrers mit dem Fahrzeug werden unterschiedliche Größen vom Fahrzeugbus und ergänzten Sensoren aufgezeichnet. Fahrereingriffe wie Pedalbetätigung, Schaltung und Lenkbewegung können hierdurch synchron zu den Leistungsflussdaten aufgezeichnet werden. 7. Fahrer- und streckenabhängige Verbrauchsschwankungen Je nach Fahrweise benötigen die Fahrer für die identische Strecke eine unterschiedlich hohe Energiemenge, was zu einer Schwankung des auf die Strecke bezogenen Kraftstoffverbrauchs führt. In Bild 4 werden diese Schwankungen in Form der Standardabweichung und der Spannweite bezogen auf den durchschnittlichen Verbrauchswert für die einzelnen Streckenarten dargestellt.

8 rel. Verbrauch /1km [%] 6 5 Gesamtverbrauchsschwankungen Gesamt Innerort Ausserort Bundestrasse Autobahn Bild 4: Durchschnittliche fahrerindividuelle Verbrauchsschwankung Dabei zeigt sich ein je nach Streckenabschnitt zwischen 5,6 und 9,8 % variierender Verbrauch. Die größten Schwankungen zwischen den Probanden entstehen dabei im Stadtverkehr, die geringsten auf den Bundesstrassen. Die Spannweiten der Verbrauchsschwankungen variieren zwischen 27 % und 5 %. Auch hier treten im Stadtverkehr Spitzenwerte auf. Der durchschnittliche, fahrerindividuelle Anteil am Kraftstoffverbrauch beträgt somit 6,5 % bei einer Spannweite von 32 %. Mit dem beschriebenen Probandenkollektiv ergibt sich für die gewählte Stichprobengröße eine Genauigkeit dieser Verbrauchsschwankung von 1,7 %. Zwischen den Streckentypen ergibt sich ein Kraftstoffverbrauch, der im Durchschnitt innerorts 19 % höher, außerorts 19,5 % niedriger, auf Bundesstrassen 9,8 % niedriger und auf den Autobahnen 5,4 % höher als der durchschnittliche Verbrauch auf allen Streckenanteilen Ist. 8. Leistungsverteilung und Verbrauchsschwankungen durch Fahrzeugteilsysteme und Fahrwiderstände Die aufgezeigten Verbrauchsunterschiede lassen sich anhand einer Analyse der gemessenen Teilverluste und deren Schwankungen den einzelnen Systemen, Bauteilen und Fahrwiderständen zuordnen. Für diese Analyse werden im Folgenden die relativen Verbrauchsanteile pro 1 km für die Fahrwiderstände, den Antrieb, die Nebenaggregate und das Bordnetz analysiert. Die Verbrauchseinflüsse der Fahrwiderstände und deren Schwankungen zwischen den Probanden sind in Bild 5 in Form der Standardabweichung und der Spannweite bezogen auf den durchschnittlichen Verbrauch dargestellt. Im Mittel liegt der Verbrauchseinfluss des Luftwiderstands bei 8 %, der der Bremsen bei 9 %, der des Rollwiderstands bei 6 % und der des Schlupfwiderstand unter 1 %.

9 rel. Verbrauch /1km [%] rel. Verbrauch /1km [%] 3 2 Fahrwiderstände Verbrauchsschwankung Gesamt Innerorts Außerorts Bundesstrasse Autobahn 1 2 Luftwiderstand Bremsen Rollwiderstand Schlupfwiderstand Fahrwiderstände Verbrauchsaufteilung 1 Luftwiderstand Bremsen Rollwiderstand Schlupfwiderstand Bild 5: Durchschnittliche Verbrauchsaufteilung und -schwankung der Fahrwiderstände Dabei zeigen sich zwischen den Streckenarten vor allem beim Luftwiderstand und beim Bremsen große Verschiebungen dieser Verbrauchsanteile. Beim Luftwiderstand können diese Verschiebungen auf die unterschiedlich hohen Durchschnittsgeschwindigkeiten auf den einzelnen Streckentypen und den quadratischen Einfluss des Luftwiderstands zurückgeführt werden. Die Bremsverluste, die im Außerort- und Stadtbereich hohe Werte annehmen, lassen sich über die Zeitanteile in denen die Bremse betätigt wird und die Differenzgeschwindigkeiten, die durch die Abbremsungen erreicht werden, erklären. Im Stadtbereich hat dabei die Bremshäufigkeit, die doppelt so hoch ist wie im Durchschnitt, den Haupteinfluss. Auf den Außerortstrecken führen hingegen große Differenzgeschwindigkeiten an Kreuzungen, Kreisverkehren und Ortseingängen zu hohen Bremsverlusten. Die Schwankung des relativen Verbrauchsanteils des Luftwiderstands zeigt aufgrund der Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit einen ansteigenden Wert hin zu Streckenanteilen, die höhere Geschwindigkeiten zulassen. Da die Probanden auf diesen Strecken in größeren Bereichen ihre Geschwindigkeit variieren können, treten hier größere Schwankungen bei den Verbrauchsanteilen auf als in den Stadtbereichen, die aufgrund von Signalanlagen und dichterem Verkehr nur eine geringe Variation der Fahrdynamik ermöglichen. Beim Bremsen zeigen sich gerade im außerstädtischen Bereich größere Unterschiede zwischen den Fahrern, während trotz der hohen Bremshäufigkeit im innerstädtischen Bereich nur geringe Schwankungen auftreten. Zurückführen lässt sich dies auf die geringeren Verkehrs- und

10 rel. Verbrauch /1km [%] rel. Verbrauch /1km [%] Signalanlagendichten und die bessere Vorausschau in den außerstädtischen Bereichen. Diese Bedingungen ermöglichen eine größere Variation der Reaktion und einen größeren Vorlauf auf beispielsweise ein Stoppereignis, der von den Fahrern unterschiedlich genutzt wird. Die im Verbrennungsmotor bei der Energieumwandlung anfallenden Gesamtverluste, welche über Kühlsystem und Abgas abgeführt werden, machen entsprechend Bild 6 durchschnittliche 67 % der gesamten Kraftstoffarbeit aus. 3 2 Antrieb Verbrauchsschwankung Gesamt Innerorts Außerorts Bundesstrasse Autobahn 1 Abgas Kühler Riementrieb Antriebsstrang Getriebe 6 Antrieb Verbrauchsaufteilung 4 2 Abgas Kühler Riementrieb Antriebsstrang Getriebe Bild 6: Durchschnittliche Verbrauchsaufteilung und -schwankung im Antrieb Der Riementrieb nimmt 8 % der Kraftstoffenergie auf, die Reibung in Antriebsstrang und Getriebe 2 %. Die größten Energieschwankungen zwischen den Probanden treten beim Abgas und im Kühlsystem auf. Die schwankende Wärmeabfuhr ist zum einen die Folge der unterschiedlichen Wirkungsgrade, welche durch die Betriebspunkte des Motors entstehen und zum anderen von der Gesamtenergie, die vom Fahrer zum Überwinden der einzelnen Streckenabschnitte aufgewandt wird, und damit von seiner Fahrweise. Die Verbrauchsschwankungen durch unterschiedliche Reibverluste im Antriebsstrang und Getriebe sind minimal, da die Wirkungsgrade dieser Bauteile in großen Betriebsbereichen relativ konstant sind. Der Riementrieb zeigt Schwankungen von 2 %. Zur genaueren Ermittlung der Ursachen dieser Schwankungen sind in Bild 7 die Energieaufteilung und - schwankung der verbrauchsrelevanten Nebenaggregate dargestellt. Dabei zeigt sich, dass

11 rel. Verbrauch /1km [%] rel. Verbrauch /1km [%] die Klimaanlage die Lenkhilfepumpe und der Generator sowie die restlichen Nebenaggregate 2 durchschnittlich 2 % der Energie aufnehmen. 1 5 Nebenaggregate Verbrauchsschwankung Gesamt Innerorts Außerorts Bundesstrasse Autobahn Klimaanlage Generator Restl. Nebenaggregate Lenkhilfe 4 Nebenaggregate Verbrauchsaufteilung 2 Klimaanlage Generator Restl. Nebenaggregate Lenkhilfe Bild 7: Durchschnittliche Verbrauchsaufteilung und -schwankung in den Nebenaggregaten Die Unterschiede bei der Energieaufnahme des Riementriebs zwischen den Probanden werden hauptsächlich durch die Klimaanlage mit einer relativen Standardabweichung von 1,6 % verursacht, die aus den Schwankung der Außentemperaturen zwischen den Messfahrten erklärt werden kann. Allgemein zeigen die Nebenaggregate ein umgekehrtes Verhalten wie die Fahrwiderstände in Abhängigkeit der Streckenart. Dies resultiert aus dem abnehmenden relativen Anteil an Kraftstoffenergie, der für diese Funktionen verwendet wird, wenn der Gesamtenergiebedarf ansteigt. Im Bordnetz zeigen die Generatorverluste einen Verbrauchseinfluss von,7 %, die Klemme 3 3,9 %. Der elektrische Klimaanlagenlüfter und der Motorlüfter haben einen Verbrauchseinfluss kleiner,1 %. Die Schwankungen zwischen den Fahrern sind dabei sehr gering. 2 Restliche Nebenaggregate: Wasserpumpe, Unterdruckpumpe, Ölpumpe, Kompressor. 3 Klemme 3: Elektrische Kleinverbraucher im Bordnetz

12 kum. Kraftstoffarbeit [J] v [km/h] 9. Situationsspezifische Verbrauchsunterschiede und potentiale und Ausblick Inwieweit die Fahrweise sich auf den Energieverbrauch in Standardsituationen auswirkt, kann beispielhaft in Bild 8 gezeigt werden. Hier ist der Verbrauchsunterschied zwischen den Fahrern vor einer Ampel nach einer Autobahnausfahrt im Mittel und als Maximal- bzw. Minimalwert dargestellt. Vergleicht man zwei von den Rahmenbedingungen 4 identische Fahrten innerhalb des Verbrauchsbandes, zeigt sich eine Differenz bei der kumulierten Kraftstoffarbeit von 65 % Fahrer 1 Fahrer 2 Maximum Mittel 65 % Minimum Weg [m] Bild 8: Kumulierte Kraftstoffarbeit und Geschwindigkeitsverlauf bei einer Standardsituation Während Fahrer 2 nach einer anfänglichen Verzögerungsphase wieder beschleunigt, verzögert Fahrer 1 konstant weiter bis zum Stillstand und minimiert damit die später durch Bremsen umgewandelte Energie und vermeidet zusätzliche Energiewandlungsverluste im Motor. Dieses Beispiel verdeutlicht auch die Relevanz für nicht-konventionelle Antriebe, bei denen die Reichweiten durch dieselben Unterschiede in der Fahrweise beeinflusst werden. Wenn der Fahrer in diesen Standardsituationen durch ein auf energiesparende Betriebsweise optimiertes Fahrassistenzsystem unterstützt oder angeleitet wird, können in Abhängigkeit der individuellen Fahrweise hohe Energieeinsparungen erreicht werden. Um diese Potentiale untersuchen zu können, wird ein Simulationsmodell des Messfahrzeugs aufgebaut. In Simulationen werden dann die Auswirkungen von unterschiedlich starken Eingriffen von Funktionen zur Optimierung der Betriebsweise untersucht. Hierzu wird für den beschriebenen Rundkurs anhand von durchschnittlichen Werten für die Fahrdynamik, aus den Probandenstudien ein möglichst optimales Fahrprofil entworfen und mit dem Simulationsmodell abgefahren. Im Abgleich mit den erhobenen Messdaten kann damit für unterschiedliche Fahrerkollektive eine Aussage zur Wirksamkeit der einzelnen Bestandteile der Verbrauchsassistenzfunktion gemacht werden. 4 Identischer Fremdverkehreinfluss, gleiche Signalanlagenstellung und identische Start- und Endgeschwindigkeit.

13 [1] Dorrer, C.: Effizienzbestimmung von Fahrweisen und Fahrassistenz zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs unter Nutzung telematischer Informationen, Dissertation, Universität Stuttgart, August 23. [2] Reisser, C.; Zellbeck, H.; Härtle, C.; Kleiß, T.: Kundenfahrverhalten im Fokus der Fahrzeugentwicklung. In: Automobiltechnische Zeitschrift 11 (28), Nr.7-8 S [3] Fried, O.; Bargende, M.; Hötzer, D.: Kraftstoffeinsparpotenziale für elektromechanische Antriebsstränge im realen Fahrbetrieb, 4. Intern. Stuttgarter Symposium Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren, 21. [4] Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung.: Mobilität in Deutschland 22, Tabellenband, Juli 23. [5] Bubb, H.: Wie viele Probanden braucht man für allgemeine Erkenntnisse aus Fahrversuchen?. In VDI- Bericht: Fahrversuche mit Probanden- Nutzwert und Risiko, Nr. 557, S VDI-Verlag, 23. [6] Bortz, J.: Statistik für Human- und Sozialwissenschaftler (6. Auflage), Berlin, 25. [7] Hartlieb, S.: Untersuchung von Fahrversuchsdaten auf demographisch signifikante Merkmale zur Identifikation von Fahrern und Situationen, Studienarbeit am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen, Universität Stuttgart, November 29. [8] Carlsson, A.: Analyse des durchschnittlichen Fahrbetriebs und Herleitung eines kundenrelevanten Fahrzyklus, Interner Forschungsbericht Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart, 25. [9] Wagner, C.: Quantifizierung des Einflusses von ACC auf die CO 2-Emissionen im kundenrelevanten Fahrbetrieb, 1. Intern. Stuttgarter Symposium Kraftfahrwesen und Verbrennungsmotoren, 21. [1] Neunziger, D.; Benmimoun, A.: Potentiale der vorausschauenden Fahrassistenz zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, 11. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 22. [11] Hucho, W-H.: Aerodynamik des Automobils: Strömungsmechanik, Wärmetechnik, Fahrdynamik. Wiesbaden, 25. [12] Pott, E.D.: Verbrauchs-, Emissions- und Heizkomfortoptimierung bei Dieselfahrzeugen durch Energieflussmanagement, Dissertation, Technische Universität Berlin, [13] Kell, T.: BMW Efficient Dynamics ein Gesamtansatz zur CO2 Reduzierung. Cluster Energieregion NRW. Düsseldorf 28. [14] Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung.: Mobilität in Deutschland 28, Tabellenband, Juli 28. [15] Pregger, T.: Ermittlung und Analyse der Emissionen und Potenziale zur Minderung primärer anthropogener Feinstäube in Deutschland, Dissertation, Universität Stuttgart, April 25.