auto motion 02/13 Prüf- und Versuchstechnik

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1 auto motion IAV-Kundenmagazin Jahre IAV 02/13 Prüf- und Versuchstechnik Themen dieser Ausgabe unter anderem: Dieselkonzeptfahrzeug erfüllt SULEV30 Der neue IAV Injection Analyzer LNG auch für schwere Nutzfahrzeuge Crash ohne Beulen

2 IAV setzt beim Fußgängerschutz bereits den neuen Beinimpaktor FlexPLI ein, der der menschlichen Anatomie am nächsten kommt.

3 automotion Editorial 3 Liebe Leserin, lieber Leser, unsere Computer werden immer schneller und unsere Simulationen zunehmend besser. Brauchen wir dann überhaupt noch modernste Messtechnik für die Fahrzeugentwicklung? Unsere Antwort lautet eindeutig: ja! Der aktuelle automotion-schwerpunkt zeigt Ihnen, warum Prüfstände auf dem letzten Stand der Technik nach wie vor unverzichtbar sind etwa im Bereich der passiven Sicherheit, wo Gesetzgeber und Verbraucherschützer immer höhere Anforderungen stellen. IAV hat auf diesen Trend reagiert und in den Aufbau seiner Prüftechnik investiert. In dieser Ausgabe stellen wir Ihnen zum Beispiel unsere neue Schlittenanlage vor, mit der unsere Spezialisten moderne Sitzsysteme entwickeln, die bei einem Crash das gefürchtete Halswirbelsyndrom verhindern können. Unsere neue Kraftmesswand liefert detaillierte Informationen über die Kompatibilität von Fahrzeugen und mit dem neuen Prüfkörper FlexPLI sind wir ein weiteres Mal Vorreiter in unserer Branche. Aber auch innovative Leichtbaukonzepte lassen sich ohne aktuelle Messtechnik nicht realisieren: Die Simulationen für Verbundwerkstoffe wie CFK oder Basaltfasern stecken an vielen Stellen noch in den Kinderschuhen, sodass die Entwickler noch lange auf Messungen angewiesen sind. mit Jaguar Land Rover und Johnson Matthey ein aktuelles Dieselfahrzeug so umgerüstet, dass es bereits heute die strenge Norm SU- LEV30 erfüllt. Alle Einzelheiten dazu und viele weitere Einblicke in den aktuellen Stand der Automobilentwicklung finden Sie in dieser Ausgabe der automotion. Wir wünschen Ihnen eine interessante Lektüre! Natürlich arbeitet IAV auch auf anderen Gebieten an innovativen Lösungen für die Fahrzeuge von morgen. Unsere Experten für Abgasnachbehandlung haben beispielsweise gemeinsam Dr. Rüdiger Goyk Geschäftsführer IAV GmbH Kurt Blumenröder Sprecher der Geschäftsführung IAV GmbH Michael Schubert Geschäftsführer IAV GmbH

4 4 Inhalt automotion 6 Fokusthema: Prüf- und Versuchstechnik IAV hat seine Messeinrichtungen im Bereich Fahrzeugsicherheit und Karosserieentwicklung ausgebaut, denn der Versuch spielt nach wie vor eine wesentliche Rolle im Fahrzeugentwicklungsprozess. Editorial Fokusthema: Prüf- und Versuchstechnik Prüf- und Versuchstechnik bleiben ein wesentlicher Erfolgsfaktor im Fahrzeugentwicklungsprozess Halswirbel im Härtetest Gegen die Wand Beinarbeit mit Highspeed Mehr als nur die Außenhaut Impulse 32 Das Beste aus zwei Welten IAV und Professoren der TU Darmstadt gründen gemeinsames Unternehmen Industrial Science. Präzise Einspritzanalyse Fast am Limit E-Crossbike von IAV ausgezeichnet Wir mussten Grundlagenarbeit leisten. 22 Endoskopisches LIF für die Serienentwicklung Schnelle Bedatung durch IAV EasyDoE. 25

5 automotion Inhalt 5 18 Präzise Einspritzanalyse Der neue IAV Injection Analyzer bietet eine höhere Messgenauigkeit und Auflösung, die Option zum Parallelbetrieb und mehr Messkanäle. 20 Fast am Limit IAV hat mit Partnern ein Dieselkonzeptfahrzeug vorgestellt, das SULEV30 erfüllt. Trends LNG auch für schwere Nutzfahrzeuge Relaxter ohne Reflexionen Projekte Crash ohne Beulen Über IAV Das Beste aus zwei Welten Brasilien boomt! Unser Leistungsspektrum IAV-Termine: Hier treffen Sie uns! Impressum LNG auch für schwere Nutzfahrzeuge Gaszündstrahlmotoren bieten sich als Alternative zum klassischen Dieselmotor an. Crash ohne Beulen IAV stellt seinen Crashausleger vor.

6 6 Fokusthema automotion Fokusthema: Prüfund Versuchstechnik Anschnallen nicht vergessen: Die neue Beschleunigungsschlittenanlage von IAV untersucht, wie gut ein Passagier bei einem Aufprall von hinten geschützt ist.

7 automotion Fokusthema 7

8 8 Fokusthema automotion Prüf- und Versuchstechnik bleiben Fahrzeugentwicklungsprozess IAV hat in Gifhorn neue Prüfstände und modernste Versuchstechnik in Betrieb genommen Thomas Papenheim ist Leiter des Bereichs Sicherheit und Exterieur und Geschäftsführer der IAV-Fahrzeugsicherheit

9 automotion Fokusthema 9 ein wesentlicher Erfolgsfaktor im Eine neue Beschleunigungsschlittenanlage, die Erweiterung der Karosserieprüftechnik, eine Kraftmesswand für den Frontalcrash mit fünf Achsen und zukunftsweisende Prüfkörper für den Fußgängerschutz: IAV hat seine Messeinrichtungen im Bereich Fahrzeugsicherheit und Karosserieentwicklung ausgebaut. Thomas Papenheim, IAV-Bereichsleiter Sicherheit und Exterieur und Geschäftsführer der IAV- Fahrzeugsicherheit erklärt, warum Prüfstände trotz aller Simulationen auf absehbare Zeit unverzichtbar bleiben werden. Simulationen nehmen bei der Fahrzeugentwicklung zunehmend mehr Raum ein. Werden Messungen dadurch nicht immer unwichtiger? Papenheim: Ganz und gar nicht! Nehmen wir beispielsweise die passive Fahrzeugsicherheit, welche nach wie vor richtigerweise im Entwicklungsprozess eine wesentliche Rolle spielt. Hier wurde inzwischen ein sehr hoher Reifegrad erreicht und dabei ist auch die Simulationstechnik einen wesentlichen Schritt nach vorne gekommen sie hat massiv an Bedeutung gewonnen. Die Herausforderung ist es nun, dieses hohe Sicherheitsniveau bei Fahrzeugen zu halten und auch weitere Optimierungspotenziale zu finden. Weiterhin entstehen aber durch Gesetzgeber und Verbraucherschutzorganisationen wie Euro NCAP oder IIHS zusätzliche Anforderungen, woraus sich neue Tests und ergänzende Entwicklungsschwerpunkte ergeben. Und schließlich halten neue Technologien wie E-Antriebe, Leichtbau sowie neue Fahrzeugkonzepte Einzug in die Fahrzeugentwicklung. Unter diesen Gesichtspunkten ist es unerlässlich, den Versuch und damit einhergehend hochwertige Prüftechnik als einen wesentlichen Baustein und damit Erfolgsfaktor im Fahrzeugentwicklungsprozess einzuordnen. Am Ende des Tages entscheidet schließlich der Crash, ob das Fahrzeug alle relevanten Anforderungen erfüllt. Über welche neuen Messeinrichtungen verfügt IAV in diesem Bereich? Papenheim: Für die Sitzentwicklung haben wir in eine neue Beschleunigungsschlittenanlage investiert, mit der wir vor allem das Entstehen des Halswirbelsyndroms (HWS) untersuchen und daher sogenannte Whiplash-Versuche durchführen können. Ziel ist es dabei, im Sitz Maßnahmen zu entwickeln, um diesem bei einem Heckcrash auftretenden Effekt entgegenzuwirken. Mit dieser Prüftechnik sind wir in der Untersuchung von Sitzsicherheit und Komponenten im Wettbewerb ganz vorne. Unsere neue Kraftmesswand liefert detaillierte Informationen über die Belastungen, denen die Karosserie beispielsweise bei einem Frontalcrash mit teilweiser Überdeckung ausgesetzt ist. Damit können wir Untersuchungen zur Kompatibilität von Fahrzeugen durchführen es geht um die Frage, wie gut ein kleines Fahrzeug den Zusammenstoß mit einem größeren Fahrzeug übersteht. Unsere neue Kraftmesswand ist fünfachsig ausgelegt und damit ein Highlight in der Crashtechnik. Gibt es neben der passiven Sicherheit weitere Bereiche, für die moderne Messtechnik besonders wichtig ist? Papenheim: Die Karosserieentwicklung ist ein weiteres Feld, das ohne moderne Prüfstände nicht auskommt. Hier halten zunehmend Leichtbaumaterialien wie Aluminium, CFK und Basaltfasern Einzug, die durch Gewichtsreduktion die Reichweite von E-Fahrzeugen vergrößern sollen. Simulationen für alternative Werkstoffe stecken derzeit aber an vielen Stellen noch in den Kinderschuhen wenn wir also Karosserien aus Leichtbaumaterialien oder in Mischbauweise auslegen wollen, müssen wir auf den Prüfstand. Nur dort können wir überprüfen, ob etwa die Steifigkeit oder das Biegeverhalten den Vorgaben entsprechen. Die Versuchsergebnisse liefern dann auch die Grundlage dafür, die Simulationstechnik für alternative Materialien zu validieren wir brauchen hier also für die Gesamtbetrachtung aussagefähige Messergebnisse. Und genau darum haben wir in Gifhorn unseren Karosserieprüfstand technisch aufgewertet, um alle auftretenden Kräfte und Momente qualitativ hochwertig erfassen zu können. Ein weiteres aktuelles Thema ist der Fußgängerschutz. Spielen Prüfstände auch hier eine zentrale Rolle? Papenheim: Ja, selbstverständlich. Hier beschäftigen wir uns mit Frontpartien und Stoßfängern, die so nachgiebig gestaltet werden müssen, dass Fußgänger bei einem Zusammenprall so wenig wie möglich verletzt werden. Außerdem hat IAV eine aktive Motorhaube aus CFK entwickelt, die bei einem Crash nach oben schnellt und dadurch die Gefahr von Kopfverletzungen verringert. Neben dem Kopf sind auch die Beine bei einem Unfall gefährdet und vor allem den Knien drohen schwere Verletzungen. Wie gut die Knautschzonen in den Fahrzeugen die Fußgänger tatsächlich schützen, können wir in erster Linie mit Messungen feststellen darum hat IAV den neuen FlexPLI-Prüfkörper angeschafft, der das bisher für Tests genutzte EEVC-Bein zeitnah bei der Verbraucherschutzorganisation Euro NCAP, aber auch demnächst beim Gesetzgeber ersetzen wird. Er liefert uns zum Beispiel genaue Informationen über die Kräfte und Drehmomente im Knie, sodass wir den Fußgängerschutz weiter vorantreiben können. FlexPLI ist für die Tests zwar noch nicht vorgeschrieben, aber wir haben uns ganz bewusst schon heute dafür entschieden. Denn IAV will auch hier bei der Messtechnik Vorreiter sein. Welche Pläne haben Sie für die Zukunft? Papenheim: Wir werden unsere Messeinrichtungen immer auf dem modernsten Stand halten und weiter in neue Dummy-Technologien und die Karosserieprüftechnik inves - tier en. Denn auf den Gebieten der Fahrzeugsicherheit und Karosserieentwicklung wollen wir uns in Zukunft noch stärker als Partner der ersten Wahl für unsere Kunden positionieren. Kontakt: thomas.papenheim@iav.de

10 10 Fokusthema automotion Halswirbel im Härtetest Die neue Beschleunigungsschlittenanlage von IAV trägt dazu bei, Auffahrunfällen ihren Schrecken zu nehmen

11 automotion Fokusthema 11 Es ist ebenso gefürchtet wie mysteriös: das Halswirbelsyndrom (HWS), unter dem viele Menschen nach einem Auffahrunfall leiden und das jedes Jahr hohe Schäden verursacht. Mit verbesserten Sitzen und Kopfstützen wollen Fahrzeughersteller die Diagnose HWS zum Auslaufmodell machen. Wie gut ein Passagier bei einem Aufprall von hinten geschützt ist, verrät die neue Beschleunigungsschlittenanlage von IAV. IAV betreibt bereits eine Verzögerungsschlittenanlage für Crashtests, die auf besonders große Verzögerungen ausgelegt ist. Die Dummys rasen in einer Karosserie auf eine Bremsvorrichtung zu und werden bei der Kollision in Richtung Windschutzscheibe geschleudert. Die Verzögerungen für die Untersuchung des HWS-Schutzes müssen sehr präzise simuliert werden. Dazu benötigt man nicht die großen Verzögerungen, sondern eine hohe Genauigkeit. Diese Genauigkeit kann mit der neuen Anlage erreicht werden: Der Sitz mit dem Dummy wird nach vorne beschleunigt, sodass der Kopf nach hinten kippt und auf die Kopfstütze trifft. Für solche Versuche verfügt IAV seit Dezember 2012 in Gifhorn über eine neue Beschleunigungsschlittenanlage. Dank eines hydraulisch betriebenen Stempels mit einer Kraft von bis zu 500 Kilonewton kann sie die Dummys auf ihren Sitzen in rund 100 Millisekunden auf maximal 60 Stundenkilometer beschleunigen. Wegen der dabei auftretenden Trägheitskräfte werden ihre Köpfe stark nach hinten geschleudert, erklärt Joachim Schreiber, als Abteilungsleiter verantwortlich für die Schlittenanlagen bei IAV. Dabei treten Belastungen auf, die auch bei einem Auffahrunfall vorkommen und HWS verursachen können. Optimal ausgelegt für filigrane Belastungspulse Mit 19 Metern Länge und 2 Metern Breite ist die Schlittenanlage eher klein, und auch der Schlitten selbst misst nur 1,2 x 1 Meter eine wichtige Voraussetzung für genaue Messungen: Da die meisten Auffahrunfälle bei niedrigen Geschwindigkeiten von 16 bis 24 Stundenkilometern passieren, sind die auftretenden Belastungspulse sehr filigran, sagt Schreiber. Auf unserer kleinen Anlage können wir solche realistischen Szenarien genau nachfahren und mit hoher Auflösung untersuchen. Die beste Versuchsperson für solche Tests ist der BioRID-Dummy (Biofidelic Rear Impact Dummy): Er hat eine spezielle Wirbelsäule mit zahlreichen Sensoren für Kraft, Beschleunigung und Dehnungen und liefert darum sehr genaue Daten über die Belastungen, denen die einzelnen Wirbel ausgesetzt sind. Wir setzen diesen Dummy zum Beispiel für die Tests nach Euro NCAP ein, so Schreiber. Er ist am besten geeignet, um Untersuchungen zu HWS durchzuführen. Teilweise sind aber auch andere Modelle vorgeschrieben so verlangt das US-Gesetz FMVSS 202a (Federal Motor Vehicle Safety Standard) Tests mit dem H3-50-Prozent-Dummy, der eigentlich für den Frontalaufprall konzipiert ist. Auf der Suche nach dem perfekten Sitz In der neuen Schlittenanlage stehen alle gängigen Dummy-Typen für Tests zur Verfügung. Sie helfen den Fahrzeugherstellern dabei, noch bessere Sitze und Kopfstützen zu entwickeln. Schon in den letzten Jahren hat sich hier viel getan und die Entwicklung wird kontinuierlich vorangetrieben, berichtet Schreiber. Es gibt beispielsweise Kopfstützen, die sich bei einem Crash nach vorne verlagern, damit der Kopf weniger Bewegungsfreiheit hat und nicht nach hinten geschleudert wird. Fahrer und Beifahrer können aber auch selbst etwas tun, um sich vor HWS zu schützen: Ein möglichst aufrechter Sitz verringert die Belastung bei einem Auffahrunfall, und im Winter sollten die Passagiere während der Fahrt ihre dicken Daunenjacken ausziehen dann greift der Gurt besser und fixiert den Körper sicher am Sitz. Auf der neuen Beschleunigungsschlittenanlage können die IAV-Experten aber nicht nur Sitze untersuchen: Sie zeigt zum Beispiel auch, wie sicher die Türschlösser verriegeln. Dazu wird die Karosserie quer auf dem Schlitten befestigt und stark beschleunigt dabei treten in den Türen ähnliche Kräfte auf wie bei der schnellen Fahrt um eine Kurve. Außerdem testen wir auch die Batterien für E-Fahrzeuge, so Schreiber. Bei hohen Beschleunigungen zeigt sich, ob die einzelnen Zellen sich verschieben und eventuell Kurzschlüsse auftreten. Neues Gebäude mit moderner LED-Lichttechnik Die Beschleunigungsschlittenanlage steht in einem neuen Gebäude, das auch über einen großzügigen Werkstattbereich verfügt. Für ausreichend Licht bei den Crashtests sorgen 20 LED-Scheinwerfer mit je 1 Kilowatt Lichtleistung. Sie sind nach dem Einschalten sofort hell, während herkömmliche Leuchten erst nach fünf Minuten die maximale Lichtstärke erreichen, erklärt Schreiber. Das verkürzt die Zeit für die Vorbereitung der Versuche. Außerdem wird es in der Halle nicht mehr heiß. Hochgeschwindigkeitskameras halten alle Details der Tests fest und liefern und mehr Bilder pro Sekunde damit HWS möglichst bald kein Thema mehr ist. Kontakt: joachim.schreiber@iav.de Beschleunigungsschlittenanlage Typ: CIS Hersteller: Messring Systembau GmbH Einsatzbereich: Heckaufprall, Komponententest, Schutz vor Ladung Größe Schlittenbahn: 19 Meter lang, 2 Meter breit Größe Schlitten: 1,2 Meter lang, 1 Meter breit Maximale Kraft für Beschleunigung: 500 Kilonewton Maximalgeschwindigkeit: 60 Stundenkilometer Verwendete Dummys: BioRID, H3 50 % Licht: 20 x 1-Kilowatt-LED Kamera: 4 Highspeed-Kameras mit Bildern pro Sekunde

12 12 Fokusthema automotion Gegen die Wand Ob NCAP oder IIHS: Die neue Kraftmesswand von IAV ist für alle Testverfahren gerüstet

13 automotion Fokusthema 13 Welche Kräfte wirken bei einem Crash? An welcher Stelle geben die Komponenten der Karosserie nach? Wo treten die maximalen Kräfte auf? Solche Fragen sind wichtig, um die Sicherheit eines Fahrzeugs zu bewerten. Präzise Antworten darauf liefert die neue Kraftmesswand von IAV. Sie ist fünfachsig ausgelegt und kann zusätzlich zu Kräften in drei Richtungen auch Momente messen darum ist IAV selbst auf künftige Messvorschriften bestens vorbereitet. Ohne eine positive Bewertung von Verbraucherschutzverbänden wie NCAP (New Car Assessment Programme) oder IIHS (Insurance Ins titute for Highway Safety) lassen sich neue Fahrzeuge kaum noch verkaufen die Sterne von Euro NCAP sind hierzulande wohl das bekannteste Gütesiegel für die Fahrzeugsicherheit. Um sie zu bekommen, müssen sich neue Modelle in Crashtests bewähren und zeigen, wie sehr sich ihre Karosserien bei einem Aufprall deformieren. Aluminiumwaben vertreten den Unfallpartner Dafür gibt es klare Vorgaben der Verbände: Beim Test nach Euro NCAP prallt das Fahrzeug beispielsweise mit 64 Stundenkilometern und 40-prozentiger Überdeckung auf ein genormtes Deformationselement aus Aluminium, das vor einem massiven Betonblock positioniert wird. Die Aluminiumwaben repräsentieren das zweite am Unfall beteiligte Fahrzeug und absorbieren einen Teil der Kollisionsenergie, erklärt Joachim Schreiber, der als Abteilungsleiter bei IAV für die Crashanlage verantwortlich ist. Der Rest der Energie trifft das Testfahrzeug. Die Daten, die die Kraftmesswand hinter dem Wabenelement liefert, helfen dabei zu ermitteln, wie sich der Testkandidat bei einem Unfall verhalten würde. Genau dafür brauchen Schreiber und seine Kollegen die neue Kraftmesswand: Sie wird am Betonblock angeschraubt und misst mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, welche Kräfte nach dem Crash auf den Testkandidaten wirken. Der Zeitverlauf verrät uns, zu welcher Zeit und bei welcher Kraft zum Beispiel ein Längsträger nachgibt, sagt Schreiber. Denn bei einem Knick bricht die gemessene Kraft schlagartig ein. Für die Messungen sind einzelne Messzellen, komplizierte Gebilde aus Stahl, zuständig, die die Wand wie Kacheln bedecken. Diese Gebilde enthalten Dehnungsmessstreifen, die zur Kraftermittlung dienen. Maximal 128 Zellen kommen bei den Versuchen zum Einsatz, die jeweils bis zu Messwerte pro Sekunde bei einer Auflösung von 16 Bit liefern. Pro Zelle werden bis zu fünf Messkanäle aufgezeichnet, die die Kräfte in x-, y- und z-richtung sowie die Momente um die y- und z-achse repräsentieren. Die Messung der Drehmomente ist für die Entwicklung zukünftiger Messvorschriften wichtig: Sie lässt noch genauere Rückschlüsse auf die Belastungen zu und steigert die Auflösung jeder Zelle. Mit ihren fünf Achsen ist die neue Kraftmesswand derzeit einmalig in Deutschland, freut sich Schreiber. Präzise Aussagen über alle Kräfte beim Crash Für den Test nach Euro NCAP genügen schon 48 Zellen in der Konfiguration 8 x 6 (horizontal x vertikal). Die Kräfte bei einem Crash wirken nicht exakt auf die Mitte jeder Zelle, sondern können auch an ihrem Rand auftreffen, so Schreiber. Darum treten neben Belastungen in x-richtung auch Kräfte in y- und z-richtung und auch Momente um y- und z-achse auf. Mit der neuen Kraftmesswand können wir alles sehr präzise messen und feststellen, an welcher Komponente der Karosserie welche Kräfte wirken. Das gilt auch für den Null-Grad-Test, bei dem das Fahrzeug ohne Deformationselement senkrecht gegen die Kraftmesswand prallt. Für ihn sind alle 128 Messzellen erforderlich (in der Konfiguration 16 x 8) und hier erweist sich ihre hohe Auflösung als besonders wichtig. Die Zellen sagen uns, wo die maximalen Kräfte auftreten, wie sich die Belastungen über die Karosserie verteilen und ob die energieaufnehmenden Zonen korrekt arbeiten, so Schreiber. Bis jetzt konnten wir nicht genau sehen, wo zu viel oder zu wenig Energie absorbiert wird. Kraftmesswand: Typ: fünfachsige Kraftmesswand Hersteller: Messring Größe: (B x H x T): 2 Meter x 1 Meter x 1 Meter Gewicht: 1,3 Tonnen Messzellen: maximal 128 (8 x 16), bei Bedarf weniger Größe der Messzellen: 125 Millimeter x 125 Millimeter Maximale Kraft: 400 Kilonewton (in x-richtung), 150 Kilonewton (in y- und z-richtung) Maximales Drehmoment: 20 Kilonewtonmeter (um die y- und z-achse) Messfrequenz: maximal Hertz Auflösung: 16 Bit Erfolgreich in Kundenprojekten im Einsatz Seit März 2012 ist die neue Kraftmesswand im Einsatz. Seitdem hat sie sich schon in vielen Kundenprojekten bewährt, berichtet Schreiber. Sie gibt ihre Messwerte nach dem Crash über eine Ethernet-Verbindung aus und wir übermitteln die Daten dann an unsere Kunden. Dort werten Berechner die Messungen aus und nutzen sie, um die Karosserien neuer Fahrzeuge noch sicherer zu machen. In Zukunft will IAV neben den reinen Crashtests auch die Auswertung der Daten in Projekten nutzen entsprechende Master- und Bachelor-Arbeiten sind bereits geplant. Kontakt: joachim.schreiber@iav.de

14 14 Fokusthema Impulse automotion Beinarbeit mit Highspeed Ein neuer Prüfkörper und Hochgeschwindigkeitskameras liefern bessere Einsichten für den Fußgängerschutz Nach der Sicherheit der Fahrzeuginsassen rückt immer mehr der Schutz von Fußgängern in den Mittelpunkt. Aber wie wirkungsvoll sind die Knautschzonen an den Fahrzeugen tatsächlich? IAV setzt für Tests modernste Prüfkörper ein seit Kurzem auch das künstliche Bein FlexPLI, das in Zukunft ein Standardimpaktor für den Fußgängerschutz sein wird. Vor allem drei Bereiche des Körpers sind bei der Kollision von Fußgängern mit Fahrzeugen betroffen: Dem Knie drohen Verletzungen vom Stoßfänger des Autos, während der Kopf im Bereich von Motorhaube und Frontscheibe auftrifft. Die Hüfte kann Schäden davontragen, wenn die vordere Haubenkante zu hart gestaltet ist. Um die Folgen solcher Unfälle abzumildern, arbeiten die Fahrzeugentwickler an Konzepten und Komponenten, die die Folgen des Aufpralls verringern beispielsweise an adaptiven Motorhauben, die sich bei einer Kollision anheben und dadurch die Gefahr einer schweren Kopfverletzung deutlich reduzieren. Wie gut solche aktiven Systeme und die Deformationszonen (auch Knautschzonen genannt) an den Fahrzeugen tatsächlich arbeiten, können die Ingenieure durch Tests mit speziellen Impaktoren feststellen. Das sind Prüfkörper für den Kopf, das Bein und die Hüfte, die die anatomischen Gegebenheiten möglichst gut nachbilden und mit diversen Sensoren ausgestattet sind, erklärt Jürgen Stein, Fachreferent für Fußgängerschutz bei IAV. Der künstliche Kopf besteht zum Beispiel aus einem harten Metallkörper, der mit einer Haut aus Silikon überzogen ist und drei Beschleunigungssensoren zur Ermittlung der Unfallschwere enthält. Fußgängerschutzversuche mit dem EEVC-Bein Um den Schutz des Beins zu untersuchen, setzen OEMs, Zulieferer und Engineeringpartner bisher das EEVC-Bein ein. Es wurde vom European Enhanced Vehicle-safety Committee (EEVC) definiert und besteht aus zwei Stahlrohren, die mit einem biegsamen Gelenk verbunden sind. Als Ersatz für Haut und Muskeln dient ein künstliches Gewebe aus Neopren und Schaum. Das EEVC-Bein simuliert den Ober- und den Unterschenkel, so Stein. Es enthält Sensoren für die Beschleunigung des Unterschenkels sowie für den Biegewinkel und die Scherverschiebung zwischen Ober- und Unterschenkel. Scherung und Winkel beschreiben die Relativbewegung zwischen beiden Knochen ein wichtiges Maß für die Folgen eines seitlichen Aufpralls. Das EEVC-Bein ist seit Jahren im Einsatz und hat sich trotz seiner relativ einfachen Konstruktion gut bewährt. Die Unfallstatistiken zeigen, dass die Schwere der Verletzungen in den letzten Jahren tatsächlich zurückgegangen ist, was zu einem großen Teil an den Maßnahmen zum Fußgängerschutz liegt, berichtet Stein. Wenn wir diesen Weg weitergehen wollen, brauchen wir in Zukunft aber einen Impaktor, der der menschlichen Anatomie noch näher kommt. FlexPLI kommt dem menschlichen Bein noch näher Dafür haben japanische Wissenschaftler in den vergangenen Jahren FlexPLI vorangetrieben, was für Flexible Pedestrian Legform Impactor steht (flexibler Fußgängerbeinimpaktor). Eine erste Version wurde im Jahr 2002 vorgestellt, die heute eingesetzte Variante folgte vier Jahre später. FlexPLI kommt dem menschlichen Bein näher, weil die künstlichen Unter- und Oberschenkel nicht mehr

15 automotion Fokusthema Impulse 15 starr sind wie beim EEVC-Bein, sondern aus nachgiebigen Segmenten bestehen. Sie sind aus einer speziellen Glasfiber aufgebaut, sagt Stein. Biegesensoren messen an vier Stellen im Unterschenkel die Belastungen beim Aufprall. Daneben gibt es das zweiteilige Knieelement, das zur Messung von Biegung und Scherung mit künstlichen Kreuz- und Innenbändern ausgestattet ist. Durch den Einsatz von FlexPLI liefern die Versuche für den Beinschutz wesentlich detailliertere Ergebnisse darum wird der Prüfkörper in einigen Jahren das EEVC-Bein ablösen. In Japan wird FlexPLI bereits für Verbraucherschutztests durch JNCAP eingesetzt, in Europa steht der Einsatz durch Euro NCAP kurz bevor. Bis 2018 wird es wohl auch der Standardimpaktor für Tests gemäß der Global Technical Regulation (GTR No. 9) sein, erklärt Stein. Mittelfristig werden alle neuen Fahrzeuge mit dem neuen Prüfkörper getestet. IAV nutzt FlexPLI und einen eigenen Launcher So lange müssen IAV-Kunden aber nicht warten: Stein und seine Kollegen haben FlexPLI schon heute im Einsatz Voruntersuchungen für den japanischen oder europäischen Markt sind darum problemlos möglich. Dadurch können die Hersteller frühzeitig testen, wie gut ihre Fahrzeuge sind, so Stein. Damit sind sie nicht nur auf die neuen Gesetze vorbereitet: Auch Euro NCAP wird FlexPLI nutzen und zwar schon bevor die neuen Gesetze in Kraft treten. Für ihre Versuche nutzen die IAV-Experten eine Abschussanlage der Marke BIA, für die sie eine eigene FlexPLI-Hardware entwickelt haben. Mit der Abschussanlage wird das Bein auf bis zu 44 Stundenkilometer beschleunigt und ist dabei an der von IAV entwickelten Beinaufnahme (Launcher) befestigt, erklärt Stein. Die Hardware ist klein und leicht. Und sie ist so mobil, dass wir damit auf Wunsch auch Versuche mit Abschussanlagen eines Kunden durchführen könnten. Was genau dem künstlichen Bein und dem Fahrzeug bei der Kollision widerfährt, zeichnen bei IAV moderne Hochgeschwindigkeitskameras auf: Sie liefern pro Sekunde Bilder in hoher Auflösung. In Kombination mit FlexPLI werden sie den Fußgängerschutz ein weiteres Stück voranbringen. Kontakt:

16 16 Fokusthema automotion Mehr als nur die Außenhaut Steifigkeit, Verschleiß, Geräuschentwicklung und Wetterfestigkeit: IAV hat Prüfstände für alle Eigenschaften der Karosserie

17 automotion Fokusthema 17 Sie ist so etwas wie die Visitenkarte eines Fahrzeugs und hat großen Einfluss auf die Kaufentscheidung: die Karosserie. Der Türgriff ist meist das erste Bauteil, mit dem ein Kunde im Autohaus in Kontakt kommt, und schon er lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Fahrzeugs zu. Die Karosserie ist mit ihrer Struktur ein wichtiger Bestandteil für die Insassensicherheit. Während eine sehr steife Karosserie für eine gute Fahrdynamik sorgt, muss bei einem Aufprall Energie abgebaut werden. Das erfolgt am besten über Materialverformung. Im Gegensatz dazu muss die Karosserie immer leichter werden, um den CO 2 - Ausstoß der Fahrzeuge zu reduzieren. Neue Karosserien und ihre Komponenten werden im Lauf des Entwicklungsprozesses intensiv getestet. IAV verfügt für solche Versuche über eine ganze Reihe von Prüfständen, auf denen die Ingenieure erste Prototypen bis hin zu seriennahen Fahrzeugen untersuchen können. Der jüngste Neuzugang ist ein Messsystem für die Karosseriesteifigkeit, das seit April in Betrieb ist: Das Messsystem mit bis zu 56 Kanälen erfasst die eingeleitete Kraft und die Reaktion der Karosserie gemessen von digitalen Wegsensoren, die besonders robust gegenüber Störeinflüssen sind. Das System ist besonders flexibel und kann dank seiner Hybridtechnik neben digitalen auch analoge Signale von Sensoren für Wege, Beschleunigungen und Zeit verarbeiten. Mit dem neuen System lassen sich zum Beispiel Versuche zur Torsionssteifigkeit durchführen: Während die Hinterachse an den Achszapfen fixiert ist, bringt die Anlage über einen Hebelarm an den beiden Federdomen der Vorderachse ein von der maximalen Achslast abhängiges Drehmoment ein. Mithilfe der Wegsensoren können wir feststellen, wie stark sich die Karosserie entlang der Längsachse verdreht bzw. sich die Karosserieöffnungen verformen, erklärt Detlef Zottmann, Teamleiter Karosserieversuch. Zuvor entfernen wir Komponenten wie Türen und Heckklappen. Einige wenige Anbauteile wie die Frontscheibe oder das Schiebedach haben Einfluss auf die Steifigkeit und werden deshalb nicht ausgebaut. Auch die Biegesteifigkeit können die IAV- Experten mit ihrem neuen Messsystem untersuchen. Dazu fixieren sie die Vorder- und Hinterachse des Fahrzeugs und belasten die Karosseriestruktur in den Bereichen Motor, Innenraum und Gepäckraum entweder mit Gewichten oder über einen Stempel, der eine Belastung von über 2 Tonnen erzeugen kann. Ebenso wie bei der Messung der Torsionssteifigkeit liefern auch hier die Wegsensoren Informationen darüber, wie sehr sich die Karosserie unter dem Einfluss der Kräfte verändert. Steifigkeit entscheidend für den Komfort Beide Messungen sind wichtig, um die Fahrdynamik zu bewerten vor allem von sportlichen Fahrzeugen erwarten die Kunden eine möglichst steife Karosserie. Darüber hinaus spielt die Steifigkeit auch für den Komfort eine wichtige Rolle: Wenn die Karosserie nicht steif genug ist, können Anbauteile störende Geräusche wie Knistern oder Knarzen erzeugen, sagt Versuchsingenieur Manfred Reuss aus Zottmanns Team. Vor allem auf schlechten Straßen kann es zu Relativbewegungen kommen, sodass sich Komponenten wie zum Beispiel die Türen oder die Instrumententafel relativ zur Karosserie bewegen und Störgeräusche erzeugen. Zeigen die Messungen auf dem Prüfstand Probleme auf, können die Entwickler mit konstruktiven Maßnahmen wie zusätzlichen Knotenblechen oder Material mit höherer Festigkeit gegensteuern. Wichtig ist dabei aber immer, den Spagat zwischen hoher Steifigkeit und dem Wunsch nach Leichtbau einzuhalten denn jedes zusätzliche Gramm Gewicht führt zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Darum setzen immer mehr Hersteller Verbundmaterialien wie CFK ein, deren Verhalten im Versagensfall sich derzeit aber nur bedingt berechnen lässt. Gerade in solchen Fällen sind Prüfstände unverzichtbar und auf absehbare Zeit nicht durch Simulationen zu ersetzen. Sie liefern vielmehr wichtige Informationen zur Validierung der Berechnungsmodelle. Neben kompletten Karosserien können die IAV-Experten auch Komponenten wie Türen und Klappen untersuchen. Bei Untersuchungen zur Komponentensteifigkeit geht es zum Beispiel darum, wie sich eine Tür verhält, wenn sie bei starkem Wind über den Anschlag hinaus aufgerissen wird, so Zottmann. Wir können auf dem Prüfstand feststellen, ob es dabei zu einer elastischen oder einer plastischen Verformung der Aufhängung kommt. Auf einem anderen Prüfstand müssen Komponenten wie Türen, Klappen und Deckel beweisen, dass sie den tausendfachen Lastwechseln im Lauf eines Fahrzeuglebens gewachsen sind: Die meisten Prüfungen werden auch unter Klimabedingungen durchgeführt. Die Zuverlässigkeit wird im Temperaturbereich zwischen -40 Grad Celsius und +100 Grad Celsius geprüft. Dazu wird noch eine hohe Luftfeuchtigkeit in der Klimakammer erzeugt, die Prüfteile, insbesondere Kunststoffbauteile, zusätzlich belastet. Tests in der Akustikkammer Auch das Geräusch beim Schließen der Tür ist ein Kaufargument, weshalb die Hersteller viel Wert auf einen satten und hochwertigen Klang legen. Ihn untersucht Zottmanns Team gemeinsam mit den IAV-Akustikern in einer Akustikkammer: Mikrofone messen das Spektrum des Türgeräuschs, berichtet Reuss. Die Kunden empfinden vor allem hohe Frequenzen als störend, die darum vermieden werden müssen. Später folgt dann noch ein subjektiver Test gemeinsam mit dem Auftraggeber Ziel ist es, den bereits optimierten Klang möglichst perfekt an das typische Geräusch der Marke anzupassen. Neben den Türen erzeugen auch Fensterheber, Außenspiegel und die Zentralverriegelung Geräusche, die sich vor allem in den leisen Elektrofahrzeugen bemerkbar machen. Auch ihnen kommt das Team mit seinen Mikrofonen in der Akustikkammer auf die Spur. Bei E-Autos ist es besonders wichtig, dass alle Komponenten so lautlos wie möglich arbeiten, sagt Zottmann. Denn wegen des fehlenden Verbrennungsmotors nehmen die Passagiere selbst kleinste Geräusche noch wahr. Künstlicher Hagel aus der Kanone Wie sich eine Karosserie bei schlechtem Wetter verhält, zeigt der Test auf dem Hagelschlagprüfstand: Eine pneumatische Schusseinrichtung feuert Kugeln aus Polyamid mit maximal 20 Metern pro Sekunde durch ein Rohr, das auf der Karosserie aufsitzt. Die Anlage wurde vor 15 Jahren von IAV entwickelt und ist heute bei Herstellern und Zulieferern weitverbreitet. Kontakt: detlef.zottmann@iav.de manfred.reuss@iav.de

18 18 Impulse automotion Präzise Einspritzanalyse Der neue IAV Injection Analyzer bietet eine höhere Messgenauigkeit und Auflösung, die Option zum Parallelbetrieb und mehr Messkanäle IAV hat seinen bewährten IAV Injection Analyzer weiterentwickelt: Zukünftig können bis zu acht Geräte parallel betrieben werden, um Einspritzsysteme noch genauer zu analysieren. Dank einer verbesserten Messgenauigkeit und zusätzlicher Messkanäle liefert der Injection Analyzer detaillierte Informationen, mit denen sich Kraftstoffverbrauch, Emissionen und Motorleistung weiter optimieren lassen. Wie hoch sind die Einspritzrate und die Einspritzmasse pro Hub? Welcher Strom oder welche Spannung liegen am Injektor an? Welche Randbedingungen wie Temperatur, Systemdruck und Drehzahl sind momentan gegeben? Der IAV Injection Analyzer liefert die Antworten auf diese Fragen: Der Injektor spritzt in einen mit Kraftstoff gefüllten Messkanal, in dem ein Sensor die dynamische Druckerhöhung misst. Die Elektronikeinheit verarbeitet das Signal und leitet die Daten an die Bediensoftware weiter. Weltweit bei OEMs und Zulieferern im Einsatz Seit 2005 steht das von IAV entwickelte Messsystem zur Verfügung und ist heute weltweit bei fast allen OEMs und Tier-1-Zulieferern im Einsatz. Die ersten Versionen für Pkw und Nutzfahrzeuge waren ausgelegt für 150 bzw. 400 Milligramm Kraftstoff pro Hub. Zwei Jahre später folgte eine Version für Einspritzsysteme großer Dieselmotoren, die Einspritzmengen von maximal Milligramm pro Hub erlaubt steigerten die Entwickler diesen Wert erneut und präsentierten eine Version für bis zu Milligramm. Im vergangenen Jahr passten sie den IAV Injection Analyzer an die hohen Frequenzen und kleinen Einspritzmengen an, die in SCR-Systemen auftreten jetzt lassen sich damit auch SCR-Doser untersuchen startete die grundlegende Weiterentwicklung des IAV Injection Analyzers beginnend mit den Hydraulikeinheiten für Pkw und Nutzfahrzeuge, gefolgt von den Systemen für Großdieselanwendungen. Seit diesem Jahr bewähren sich auch eine neue Elektronikeinheit und eine neue Software in Feldtests. Das Programm gestattet, bis zu acht IAV Injection Analyzer parallel zu betreiben und die Daten gemeinsam zu analysieren, sagt Sören Böge, Projektleiter für Kraftstoff- und Einspritzsysteme bei IAV. Damit können wir

19 automotion Impulse 19 neben dem Einzelinjektor jetzt auch ganze Common-Rail-Systeme untersuchen und den Einfluss der Komponente im Systemverbund beurteilen. Mit bis zu acht parallel geschalteten IAV Injection Analyzern lassen sich selbst Achtzylinder-Systeme aus dem Lkw-Bereich vermessen ein echtes Alleinstellungsmerkmal. Optimierte Applikation dank präziserer Signale Die neue Elektronikeinheit gestattet eine verdoppelte Abtastrate von 200 Kilohertz pro Kanal. Zusammen mit dem ebenfalls verbesserten Berechnungsalgorithmus führt das zu einer genaueren Detektion des Ratensignals, sodass Anfang und Ende des Einspritzvorgangs besser erkannt werden. Dadurch sehen wir jetzt noch präziser Details wie etwa Öffnungsund Schließverhalten der Injektoren und erhöhen die Stabilität der Messwerte, so Ingo Wendelken, Teamleiter für Mengenmesstechnik. Das ist das Wissen, das die Applikateure brauchen, um die Bedatung zu optimieren was den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und die Motor leistung verbessert. Die neue Version des IAV Injection Analyzers misst nicht nur die Einspritzrate und -masse sowie Strom oder Spannung am Injektor: Drei weitere frei parametrierbare Eingangskanäle stehen für zusätzliche Messgrößen wie Raildruck, Nadelhub oder den Druck am Injektor zur Verfügung bisher war es nur ein Kanal. Das sind wichtige Zusatzinformationen, mit denen sich die Ursachen von Ungenauigkeiten des Einspritzsystems auffinden lassen. Mit der neuen Version ist die Entwicklung des IAV Injection Analyzers aber noch nicht abgeschlossen: IAV plant Hydraulikeinheiten für bis zu Kubikmillimeter pro Hub, die beispielsweise für Untersuchungen an Großdieseln für Schiffe zum Einsatz kommen können. Künftige Versionen sollen auch alternative Kraftstoffe wie Gas berücksichtigen. Zudem ist das Messsystem nicht mehr auf den Einsatz in Forschung und Entwicklung beschränkt, sondern wird auch vermehrt im Bereich Serienprüfung für End-of-Line-Tests eingesetzt. Kontakt:

20 20 Impulse automotion Fast am Limit Viel sauberer geht es kaum: IAV stellte in Wien mit Partnern ein Dieselkonzeptfahrzeug vor, das SULEV30 erfüllt Kann man ausgehend von einem aktuellen Serienfahrzeug die niedrigen Emissionswerte eines Super-Ultra- Low-Emission-Vehicles (SULEV) erreichen? Man kann! Gemeinsam mit Jaguar Land Rover und Johnson Matthey hat IAV ein Dieselfahrzeug mit einem Abgasnachbehandlungssystem ausgestattet, das die strengen LEV-III-Grenzwerte für Stickoxide und Kohlenwasserstoffe einhält. Es wurde im April auf dem Wiener Motorensymposium vorgestellt. Derzeit spielen Dieselfahrzeuge mit einem Marktanteil von unter vier Prozent in den USA nur eine Nebenrolle. Das könnte sich aber bald ändern, denn sie verbrauchen bis zu 20 Prozent weniger Kraftstoff als vergleichbare Fahrzeuge mit einem Ottomotor mit ihnen können die Hersteller also die künftigen Flottengrenzwerte der National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) erfüllen (CAFE, Corporate Average Fuel Efficiency): Während ein Durchschnitts-Fahrzeug aus dem E-Segment beispielsweise heute pro Gallone etwa 31 Meilen weit kommen muss, steigt dieser Wert bis 2020 auf 41,5 Meilen. Studien sagen voraus, dass der Marktanteil von sparsamen Dieselfahrzeugen darum in den nächsten fünf bis zehn Jahren auf bis zu zehn Prozent steigen könnte. LEV III ist eine enorme Herausforderung Zudem müssen die Fahrzeuge künftig auch die strengen Emissionsgrenzwerte für Stickoxid (NO x ) und Kohlenwasserstoffe (NMOG) einhalten. Vor allem die Norm LEV III des California Air Ressources Board (CARB) ist eine enorme Herausforderung sowohl technisch als auch mit Blick auf die Kosten: LEV III legt bis 2025 einen durchschnittlichen Flottengrenzwert von 30 Milligramm NO x und NMOG pro Meile im FTP75-Testzyklus fest und entsprechende Fahrzeuge werden darum als SU- LEV30 bezeichnet. Für heutige ULEV-Fahrzeuge gilt noch die Norm LEV II: Sie erreichen aktuell ein Emissionsniveau NO x + NMOG von 125 Milligramm pro Meile (Summe aus den ULEV-Einzelgrenzwerten im FTP75 für Meilen) meist mithilfe aktiver MinNO x - Systeme (Minimierung von NO x ) wie etwa der Selektiven Katalytischen Reaktion (SCR). In einem gemeinsamen Projekt haben IAV, Jaguar Land Rover und der Katalysatorhersteller Johnson Matthey untersucht, ob ein weiterentwickeltes Serienfahrzeug die LEV-III-Grenzwerte schon heute einhalten kann. Basis ist ein Jaguar XF mit einem Vierzylinder-Dieselmotor (2,2 Liter Hubraum, 140 Kilowatt), der ab Werk die europäische Abgasnorm Euro 5 erfüllt. Das Abgasnachbehandlungssystem wurde komplett neu entwickelt, damit die US-Gesetze eingehalten werden können, berichtet Dr. Lutz Krämer, Abteilungsleiter Abgasnachbehandlung Dieselmotoren bei IAV. Außerdem haben wir die Motor- und Getriebesteuerung modifiziert: Der Motor wird im Kaltlauf beispielsweise bei höheren Drehzahlen und mit veränderter Einspritzstrategie betrieben, um die Abgasnachbehandlung schneller aufzuheizen.

21 automotion Impulse 21 Detaillierte Simulationen für die Vorauswahl Mithilfe der IAV-Längsdynamiksimulation VeLoDyn (Vehicle Longitudinal Dynamics Simulation) mit integrierter Abgasnachbehandlungssimulation axisuite untersuchte das Team zunächst verschiedene Varianten der aktiven Abgasnachbehandlung. Die Wahl fiel auf einen motornahen, elektrisch beheizten Katalysator (EHC), gefolgt von einer integrierten Kombination aus Dieselpartikelfilter (DPF) und SCR sowie einem zusätzlichen SCR-Katalysator im Unterboden. Diese Kombination garantiert eine deutliche Reduktion der NO x - und NMOG-Emissionen. Die Beschichtung des EHC wurde mit Unterstützung von Johnson Matthey auf schnelles Ansprechverhalten sowie eine hohe Kohlenwasserstoffkonvertierung und NO 2 -Ausbeute optimiert. Das Siliziumkarbidsubstrat des SCR/DPF-Systems besitzt eine optimierte, schmale Porenradienverteilung und erreicht damit ein niedriges Gegendruckniveau bei gleichzeitig erhöhter Washcoat-Beladung. Mit Blick auf ein besonders gutes Anspringverhalten der NO x -Reduktion haben wir eine Kupfer-Zeolith-Beschichtung ausgewählt, sagt Frank Bunar, Senior-Fachreferent für Abgasnachbehandlung bei IAV. Powertrain entwickeln, fasst Bunar zusammen. Das Ergebnis unseres Projektes zeigt, dass man SULEV30 (LEV III) konzeptionell schon heute für ein Diesel-Fahrzeug erfüllen kann. Ein Diesel, der so sauber wie die saubersten Ottomotoren ist Das belegen die Messwerte des umgerüsteten Jaguar XF: Die Abgasnachbehandlung erreicht bei NO x, Kohlenwasserstoffen und den Partikeln einen Wirkungsgrad zwischen 90 und 99 Prozent das Dieselfahrzeug ist dadurch so sauber wie ein Auto mit dem saubersten Ottomotor. Besonders positiv ist dabei, dass der Kraftstoffverbrauch nicht signifikant ansteigt: Zwar erhöht das zusätzliche Heizen des EHC den Verbrauch leicht im Motorwarmlauf von circa drei Minuten. Andererseits kann der Motor danach dank der effizienten DeNO x - Anlage in thermodynamisch optimalen Bereichen betrieben werden, was den Verbrauch im Dauerbetrieb wieder senkt. Wir haben damit gezeigt, was bereits möglich ist und wo künftige Entwicklungsschwerpunkte liegen müssen, so Krämer. Wir wissen heute zum Beispiel noch nicht, wie robust das System ist. Außerdem brauchen wir neue Sensoren für die OBD, die Werte extrem nahe bei null messen können. Noch sind auch die Kosten der Abgasnachbehandlungsanlage um circa 26 Prozent höher als bei einem Euro-6-Fahrzeug. Steuererleichterungen, Skaleneffekte der Massenproduktion und eine herstellerübergreifende Beschaffung dürften an dieser Stelle aber künftig für Entlastung sorgen. Kontakt: lutz.kraemer@iav.de frank.bunar@iav.de Eine besondere Herausforderung war auch die Dosierung des SCR-Reduktionsmittels. Die Dosierstelle befindet sich kurz hinter dem EHC und wegen der motornahen Position des SCR/DPF-Systems ist die Mischstrecke nur halb so lang wie üblich. Aufgrund der großen Hitze des Motors haben wir uns für ein wassergekühltes Dosiersystem von Delphi entschieden, dessen Spraycharakteristik von Delphi für diese Anwendung optimiert worden ist, berichtet Krämer. Die Mischstrecke haben wir auf Basis des von Delphi bereit - gestellten AdBlue-Dosers entwickelt. Sie erreicht je nach Betriebspunkt des Motors eine sehr gute Ammoniakgleichverteilung von etwa 96 Prozent. Zu den Aufgaben von IAV gehörte auch die Integration und Optimierung des Gesamtsystems aus Abgasnachbehandlungshardware, elektrischer Ansteuerung des EHC, Motorsteuerung, Steuerung der Reduktionsmitteldosierung bis hin zum aktiven Thermomanagement der Abgasanlage. Hierbei kam die neu erweiterte IAV-Prototypen-Dosiersoftware zum Einsatz. Die strengen Grenzwerte der Zukunft können wir nur erfüllen, wenn wir gemeinsam mit anderen Fachbereichen ein übergreifendes Konzept für den gesamten E-Crossbike von IAV ausgezeichnet Auf dem diesjährigen SAE World Congress wurde das E-Crossbike von IAV mit dem AEI Tech Award der Zeitschrift Automotive Engineering International ausgezeichnet prämiert werden damit Technologien, die sich beispielsweise durch ihr Design oder ihr innovatives Engineering auszeichnen und großen Nutzen für Unternehmen und Endkunden versprechen. Hinter dem E-Crossbike verbirgt sich eine umgebaute Motocross- Maschine vom Typ Husqvarna TC250, die ein IAV-Team mit Unterstützung von TR Engineering, Freudenberg und HERMS mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet hat. Das Motorrad ist mit einem Akkupack aus 30 Lithium-Ionen Zellen mit insgesamt 2,5Kilowattstunden Kapazität und einem IAV eigenen Batteriemanagementsystem ausgestattet. Der eigens entwickelte Elektromotor liefert eine Dauerleistung von 15 Kilowatt, kann zehn Sekunden lang aber auch bis zu 25 Kilowatt leisten. Die Verkleidung des E-Crossbikes besteht aus GFK, CFK und ABS- Kunststoff und wurde von den ersten Skizzen über Vormodelle bis hin zum endgültigen Design komplett bei IAV entworfen.

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23 automotion Impulse 23 Wir mussten Grundlagenarbeit leisten Ein IAV-Expertenteam hat erstmals ein Modell für ein integriertes SCR/DPF- System entwickelt Für ihre Arbeit Physico-Chemical Modeling of an Integrated SCR on DPF (SCR/DPF) System wurden die IAV-Mitarbeiter Friedemann Schrade, Miles Brammer, Jochen Schäffner, Kay Langeheinecke und Lutz Krämer von der SAE mit dem John Johnson Award 2013 für herausragende Forschung an Dieselmotoren ausgezeichnet. Hauptautor Friedemann Schrade, Entwicklungsingenieur bei IAV, erläutert die Bedeutung des Vorhabens und seine wichtigsten Ergebnisse. Was haben Sie in Ihrer prämierten Arbeit untersucht? Schrade: Bisher gab es nur Teilmodelle für den SCR und den Dieselpartikelfilter (DPF), die virtuell zu einem SCR/DPF-Modell ohne experimentelle Validierung zusammengesetzt wurden. Außerdem wurden keine detaillierten experimentellen Untersuchungen beispielsweise zum genauen Einfluss von Ruß auf die SCR-Reaktion und die NH 3 -Speicherung durchgeführt. Dies betrachten wir aber als Grundvoraussetzung für ein neues physikochemisches SCR/DPF-Modell, wie wir es in der Entwicklung einsetzen wollen. Wir mussten also Grundlagenarbeit leisten. Der Artikel beschreibt, wie wir das SCR/DPF-System vermessen und das Modell entwickelt haben von der Modellbildung über die Bedatung bis zum Abgleich mit den Messwerten. Welches sind die wichtigsten Einsichten, die Ihr Modell geliefert hat? Schrade: Man wusste bereits, dass die SCR-Reaktion in Anwesenheit von Stickstoffdioxid (NO 2 ) im Abgas schneller abläuft. Zudem reagiert NO 2 mit dem Ruß im DPF in der sogenannten passiven Regeneration und verzögert so die Filterbeladung. Dadurch steht aber weniger NO 2 für die SCR- Reaktion zur Verfügung. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die passive Regeneration auf die Performance des integrierten Systems nicht zwangsläufig einen negativen Einfluss haben muss vielmehr ist das lokale NO 2 -zu-no x -Verhältnis entscheidend. Die NO x -Konvertierung wurde sogar besser, wenn auch Ruß vorhanden war und das resultierende NO 2 -zu-no x -Verhältnis am SCR-Washcoat bei etwa 0,5 lag. Bislang wurde davon ausgegangen, dass Ruß die aktiven Zentren des SCR-Katalysators bedeckt und so die Reaktion stören würde. Unsere Experimente zeigen aber, dass dieser Effekt nicht für alle SCR/DPF-Systeme auftritt. Was bedeuten Ihre Erkenntnisse für die Fahrzeugentwicklung? Schrade: Mit unserem Modell können Entwickler beispielsweise verschiedene Konzepte für die Abgasnachbehandlung hinsichtlich NO x -Konvertierung und CO 2 - Emissionen vergleichen etwa ein System aus DPF/SCR plus SCR mit einer Kombination aus Lean NO x Trap (LNT), DPF und SCR. Wir können damit auch einen virtuellen Prüfstand aufbauen, um dort Dosierstrategien und neue Funktionen für die SCR/DPF-Regelung zu entwickeln. Das Modell liefert uns zudem die lokalen Verhältnisse von NO 2 zu NO x sowie die SCR-Raten im SCR/DPF-System, die sich beide experimentell nicht feststellen lassen ebenso wie die Verteilung von Ammoniak auf der Oberfläche: Mit dieser Information können wir die Einspritzmenge präziser berechnen und den Ammoniakschlupf verringern. Kontakt: friedemann.schrade@iav.de

24 24 Impulse automotion Endoskopisches LIF für die Serienentwicklung Die endoskopische Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) macht die Gemischqualität im Zylinder sichtbar und das am realen Motor Ohne Glasmotor oder Glasring in den Brennraum sehen? Das ist nur mithilfe der endoskopischen LIF möglich. Sie liefert neben der lokalen Auflösung von Restgas und Temperatur vor allem ein äußerst realistisches Bild von der Verteilung der Luftzahl λ im Zylinder und ist damit die Grundlage für eine optimierte Gemischbildung, die den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen verringert. IAV ist der einzige Engineeringpartner, der die endoskopische LIF kommerziell einsetzt. Hinter der laserinduzierten Fluoreszenz steckt eine einfache Idee: Ein Laser mit 266 Nanometern Wellenlänge regt spezielle Tracer - Moleküle (zum Beispiel Triethylamin, TEA) an, die einem genormten Ersatzkraftstoff beigemischt werden. Daraufhin senden sie Fluoreszenzlicht mit einer anderen Wellenlänge aus, das eine Kamera einfängt. Je höher die Lichtintensität in einem bestimmten Bereich ist, desto höher ist dort auch die Konzentration des Kraftstoffs und aus dieser Information lässt sich die räumliche Verteilung von λ im Zylinder bestimmen. Aber wie kann man im laufenden Betrieb in den Zylinder sehen? Hier kommen ein teurer Glasmotor oder ein Glasring im Zylinder infrage beide liefern allerdings keine allzu realistischen Ergebnisse, weil ihr Betriebsbereich, die Messdauer und die Übertragbarkeit auf den Vollmotor stark eingeschränkt sind. Mit der endoskopischen LiF können wir hingegen direkt am Vollmotor messen, erklärt Michael Günther, Abteilungsleiter Ottomotoren-Vorentwicklung und -Thermodynamik bei IAV. Dazu bohren wir zwei kleine Löcher im Winkel von 90 Grad in das Brennraumdach: eines für das Laserendoskop und eines für ein CCD-Kamerobjektiv. Der Laser leuchtet große Bereiche des Zylinders aus Eine Speziallinse am Ende des Endoskops fächert den Laserstrahl in einen dreieckigen Schnitt auf und lenkt ihn unter einem festen Winkel in den Zylinder mit mehreren solcher Schnitte lässt sich ein beachtlicher Teil des Brennraums ausleuchten und ein quasi dreidimensionales Bild aus seinem Inneren erzeugen. Das Bild der Kamera stellt die Verteilung von λ mithilfe eines Farbspektrums dar: Blau steht für ein besonders mageres (λ > 1), rot für ein besonders fettes (λ < 1) Gemisch. Damit können die IAV-Entwickler künftige Ottomotoren noch sparsamer und emissionsärmer machen das ist wichtig, um die Normen Euro 5 und Euro 6 zu erfüllen, die unter anderem erstmals Grenzwerte für Partikel festlegen. Partikel entstehen in Regionen mit einem besonders fetten Gemisch mit λ < 0,65, erklärt Günther. Und schon bei λ < 1 ist die Verbrennung unvollständig, was zu Emissionen von Kohlenwasserstoffen führt. Diese treten auch dann auf, wenn das Gemisch im Bereich der Zündkerze für die Zündung zu mager ist die daraus resultierenden zyklischen Schwankungen führen darüber hinaus zu erheblichen Wirkungsgradverlusten mit der Folge erhöhten Kraftstoffverbrauchs. Neue Einblicke für die Entwickler An Vollmotoren mussten sich die Entwickler auf Simulationen verlassen. Diese lokal aufgelösten und sehr zuverlässigen Informationen standen bis dahin nicht zur Verfügung und können nur mit der endoskopischen LIF gemessen werden, so Günther. Wir waren anfangs über das Ausmaß an Inhomogenitäten im Zylinder sehr überrascht, das wir erstmals direkt und unter realistischen Bedingungen beobachten konnten. Es wurde schnell deutlich, wie groß die Potenziale am Ottomotor noch sind. Die endoskopische LIF ist damit die Grundlage für bessere Gemischbildungs- und Brennverfahren, die dank eines optimierten Spraybilds weniger Kraftstoff verbrauchen und geringere Emissionen aufweisen. Das aktuell einzigartige LIF-Verfahren ist bei IAV seit 2011 erfolgreich bei zahlreichen Kundenprojekten im Einsatz. Kontakt: michael.guenther@iav.de Aufbau des Gesamt systems am Vollmotor