Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

In dieser Arbeit wurde ein computergestütztes, dynamisches Ein-Spur-Modell eines Pkw mit einem parallelen hybrid-elektrischen Antrieb (P2-Topologie) in Matlab-Simulink entwickelt. Es erlaubt die Skalierung des elektrischen Leistungsanteils und simuliert die Betriebsarten elekt- risches, konventionelles und hybrides Fahren, Bremsenergierückgewinnung und Start-Stopp- Betrieb. Ferner kann durch die Modellierung einer Einscheiben-Trockenkupplung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor die Momentenübertragung bei schlupfender Kupplung wäh- rend des Anfahrens oder beim Start des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor nach- gebildet werden. Die Fahrzeugsimulation kann in drei verschiedenen Fahrzyklen (NEFZ, WLTP, FTP-75) durchgeführt werden. Als Ausgabegrößen stehen u.a. der Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen, die Antriebs- und Rekuperationsarbeit am Verbrennungs- bzw. Elektro- motor und an den Rädern sowie die dafür benötigte bzw. rückgeführte elektrische Energie zur Verfügung. Zusätzlich kann der zeitliche Verlauf zahlreicher relevanter Größen dargestellt wer- den. Die Validierung der Simulation zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Daten eines realen Fahrzeuges in Bezug auf Beschleunigungsverhalten, Maximalgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch. / In the frame of this Master Thesis a dynamic single-track-model of a hybrid electric vehicle was developed. The model comprises basic operation modes such as electric, conventional and hybrid driving, recuperation of braking energy and engine start-stop. It allows to scale the split of the propulsion between the combustion and electric engine. A further fundamental com- ponent is the model of a friction disc clutch, enabling the simulation of torque transmission of a slipping clutch during the vehicle start and the upspeeding of the combustion engine through the electric engine. The program offers three driving cycles for simulation (NEDC, WLTC, FTP- 75). Fuel consumption, CO2-emissions, propulsion and recuperation work of the combustion engine, electric engine and the wheels are provided as output variables as well as the required and recuperated electric energy. Furthermore several relevant variables are displayed in their progress over time. The model was validated against real vehicle data showing a good corre- lation regarding acceleration, maximum speed and fuel consumption.

The use of composite materials in engineering practice and in particular nonmetallic composite materials in the preparation of elastic couplings (clutches) requires modeling of their mechanical behavior. The production of elastic couplings with a elastic element having reinforced polymer materials require studying the behavior of those materials for loads which are typical for their operation. In many modern structures of elastic clutches are used multilayer reinforced composites. This kind of materials are composed of separate layers with different orientation of reinforcing fibers. Several authors have studied the behavior of this type of laminated materials (Yongming L. 2005, Zhang Y.X., 2009). Factors,which determine the stress and deformation state of this type of elastic elements are: — structure and mechanical characteristics — matrix and reinforced material — connection between matrix and reinforced material — orientation of reinforcement. The aim of this paper is to investigate stress and strain state of elastic element of coupling, creating a model for determination of the state of threelayers nonmetallic material for manufacturing of nonmetallic elastic elements.

In dieser Arbeit wurde ein computergestütztes, dynamisches Ein-Spur-Modell eines Pkw mit einem parallelen hybrid-elektrischen Antrieb (P2-Topologie) in Matlab-Simulink entwickelt. Es erlaubt die Skalierung des elektrischen Leistungsanteils und simuliert die Betriebsarten elekt- risches, konventionelles und hybrides Fahren, Bremsenergierückgewinnung und Start-Stopp- Betrieb. Ferner kann durch die Modellierung einer Einscheiben-Trockenkupplung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor die Momentenübertragung bei schlupfender Kupplung wäh- rend des Anfahrens oder beim Start des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor nach- gebildet werden. Die Fahrzeugsimulation kann in drei verschiedenen Fahrzyklen (NEFZ, WLTP, FTP-75) durchgeführt werden. Als Ausgabegrößen stehen u.a. der Kraftstoffverbrauch, die CO2-Emissionen, die Antriebs- und Rekuperationsarbeit am Verbrennungs- bzw. Elektro- motor und an den Rädern sowie die dafür benötigte bzw. rückgeführte elektrische Energie zur Verfügung. Zusätzlich kann der zeitliche Verlauf zahlreicher relevanter Größen dargestellt wer- den. Die Validierung der Simulation zeigte eine gute Übereinstimmung mit den Daten eines realen Fahrzeuges in Bezug auf Beschleunigungsverhalten, Maximalgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch. / In the frame of this Master Thesis a dynamic single-track-model of a hybrid electric vehicle was developed. The model comprises basic operation modes such as electric, conventional and hybrid driving, recuperation of braking energy and engine start-stop. It allows to scale the split of the propulsion between the combustion and electric engine. A further fundamental com- ponent is the model of a friction disc clutch, enabling the simulation of torque transmission of a slipping clutch during the vehicle start and the upspeeding of the combustion engine through the electric engine. The program offers three driving cycles for simulation (NEDC, WLTC, FTP- 75). Fuel consumption, CO2-emissions, propulsion and recuperation work of the combustion engine, electric engine and the wheels are provided as output variables as well as the required and recuperated electric energy. Furthermore several relevant variables are displayed in their progress over time. The model was validated against real vehicle data showing a good corre- lation regarding acceleration, maximum speed and fuel consumption.

In the present dissertation paper an approach which ensures an efficient control of such diverse systems as noisy or chaotic oscillators and neural ensembles is developed. This approach is implemented by a simple linear feedback loop. The dissertation paper consists of two main parts. One part of the work is dedicated to the application of the suggested technique to a population of neurons with a goal to suppress their synchronous collective dynamics. The other part is aimed at investigating linear feedback control of coherence of a noisy or chaotic self-sustained oscillator. First we start with a problem of suppressing synchronization in a large population of interacting neurons. The importance of this task is based on the hypothesis that emergence of pathological brain activity in the case of Parkinson's disease and other neurological disorders is caused by synchrony of many thousands of neurons. The established therapy for the patients with such disorders is a permanent high-frequency electrical stimulation via the depth microelectrodes, called Deep Brain Stimulation (DBS). In spite of efficiency of such stimulation, it has several side effects and mechanisms underlying DBS remain unclear. In the present work an efficient and simple control technique is suggested. It is designed to ensure suppression of synchrony in a neural ensemble by a minimized stimulation that vanishes as soon as the tremor is suppressed. This vanishing-stimulation technique would be a useful tool of experimental neuroscience; on the other hand, control of collective dynamics in a large population of units represents an interesting physical problem. The main idea of suggested approach is related to the classical problem of oscillation theory, namely the interaction between a self-sustained (active) oscillator and a passive load (resonator). It is known that under certain conditions the passive oscillator can suppress the oscillations of an active one. In this thesis a much more complicated case of active medium, which itself consists of thousands of oscillators is considered. Coupling this medium to a specially designed passive oscillator, one can control the collective motion of the ensemble, specifically can enhance or suppress it. Having in mind a possible application in neuroscience, the problem of suppression is concentrated upon. Second, the efficiency of suggested suppression scheme is illustrated by considering more complex case, i.e. when the population of neurons generating the undesired rhythm consists of two non-overlapping subpopulations: the first one is affected by the stimulation, while the collective activity is registered from the second one. Generally speaking, the second population can be by itself both active and passive; both cases are considered here. The possible applications of suggested technique are discussed. Third, the influence of the external linear feedback on coherence of a noisy or chaotic self-sustained oscillator is considered. Coherence is one of the main properties of self-oscillating systems and plays a key role in the construction of clocks, electronic generators, lasers, etc. The coherence of a noisy limit cycle oscillator in the context of phase dynamics is evaluated by the phase diffusion constant, which is in its turn proportional to the width of the spectral peak of oscillations. Many chaotic oscillators can be described within the framework of phase dynamics, and, therefore, their coherence can be also quantified by the way of the phase diffusion constant. The analytical theory for a general linear feedback, considering noisy systems in the linear and Gaussian approximation is developed and validated by numerical results. / In der vorliegenden Dissertation wird eine Näherung entwickelt, die eine effiziente Kontrolle verschiedener Systeme wie verrauschten oder chaotischen Oszillatoren und Neuronenensembles ermöglicht. Diese Näherung wird durch eine einfache lineare Rückkopplungsschleife implementiert. Die Dissertation besteht aus zwei Teilen. Ein Teil der Arbeit ist der Anwendung der vorgeschlagenen Technik auf eine Population von Neuronen gewidmet, mit dem Ziel ihre synchrone Dynamik zu unterdrücken. Der zweite Teil ist auf die Untersuchung der linearen Feedback-Kontrolle der Kohärenz eines verrauschten oder chaotischen, selbst erregenden Oszillators gerichtet. Zunächst widmen wir uns dem Problem, die Synchronisation in einer großen Population von aufeinander wirkenden Neuronen zu unterdrücken. Da angenommen wird, dass das Auftreten pathologischer Gehirntätigkeit, wie im Falle der Parkinsonschen Krankheit oder bei Epilepsie, auf die Synchronisation großer Neuronenpopulation zurück zu führen ist, ist das Verständnis dieser Prozesse von tragender Bedeutung. Die Standardtherapie bei derartigen Erkrankungen besteht in einer dauerhaften, hochfrequenten, intrakraniellen Hirnstimulation mittels implantierter Elektroden (Deep Brain Stimulation, DBS). Trotz der Wirksamkeit solcher Stimulationen können verschiedene Nebenwirkungen auftreten, und die Mechanismen, die der DBS zu Grunde liegen sind nicht klar. In meiner Arbeit schlage ich eine effiziente und einfache Kontrolltechnik vor, die die Synchronisation in einem Neuronenensemble durch eine minimierte Anregung unterdrückt und minimalinvasiv ist, da die Anregung stoppt, sobald der Tremor erfolgreich unterdrückt wurde. Diese Technik der "schwindenden Anregung" wäre ein nützliches Werkzeug der experimentellen Neurowissenschaft. Desweiteren stellt die Kontrolle der kollektiven Dynamik in einer großen Population von Einheiten ein interessantes physikalisches Problem dar. Der Grundansatz der Näherung ist eng mit dem klassischen Problem der Schwingungstheorie verwandt - der Interaktion eines selbst erregenden (aktiven) Oszillators und einer passiven Last, dem Resonator. Ich betrachte den deutlich komplexeren Fall eines aktiven Mediums, welches aus vielen tausenden Oszillatoren besteht. Durch Kopplung dieses Mediums an einen speziell hierür konzipierten, passiven Oszillator kann man die kollektive Bewegung des Ensembles kontrollieren, um diese zu erhöhen oder zu unterdrücken. Mit Hinblick auf eine möglichen Anwendung im Bereich der Neurowissenschaften, konzentriere ich mich hierbei auf das Problem der Unterdrückung. Im zweiten Teil wird die Wirksamkeit dieses Unterdrückungsschemas im Rahmen eines komplexeren Falles, bei dem die Population von Neuronen, die einen unerwünschten Rhythmus erzeugen, aus zwei nicht überlappenden Subpopulationen besteht, dargestellt. Zunächst wird eine der beiden Subpopulationen durch Stimulation beeinflusst und die kollektive Aktivität an der zweiten Subpopulation gemessen. Im Allgemeinen kann sich die zweite Subpopulation sowohl aktiv als auch passiv verhalten. Beide Fälle werden eingehend betrachtet. Anschließend werden die möglichen Anwendungen der vorgeschlagenen Technik besprochen. Danach werden verschiedene Betrachtungen über den Einfluss des externen linearen Feedbacks auf die Kohärenz eines verrauschten oder chaotischen selbst erregenden Oszillators angestellt. Kohärenz ist eine Grundeigenschaft schwingender Systeme und spielt ein tragende Rolle bei der Konstruktion von Uhren, Generatoren oder Lasern. Die Kohärenz eines verrauschten Grenzzyklus Oszillators im Sinne der Phasendynamik wird durch die Phasendiffusionskonstante bewertet, die ihrerseits zur Breite der spektralen Spitze von Schwingungen proportional ist. Viele chaotische Oszillatoren können im Rahmen der Phasendynamik beschrieben werden, weshalb ihre Kohärenz auch über die Phasendiffusionskonstante gemessen werden kann. Die analytische Theorie eines allgemeinen linearen Feedbacks in der Gaußschen, als auch in der linearen, Näherung wird entwickelt und durch numerische Ergebnisse gestützt.

The use of composite materials in engineering practice and in particular nonmetallic composite materials in the preparation of elastic couplings (clutches) requires modeling of their mechanical behavior. The production of elastic couplings with a elastic element having reinforced polymer materials require studying the behavior of those materials for loads which are typical for their operation. In many modern structures of elastic clutches are used multilayer reinforced composites. This kind of materials are composed of separate layers with different orientation of reinforcing fibers. Several authors have studied the behavior of this type of laminated materials (Yongming L. 2005, Zhang Y.X., 2009). Factors,which determine the stress and deformation state of this type of elastic elements are: — structure and mechanical characteristics — matrix and reinforced material — connection between matrix and reinforced material — orientation of reinforcement. The aim of this paper is to investigate stress and strain state of elastic element of coupling, creating a model for determination of the state of threelayers nonmetallic material for manufacturing of nonmetallic elastic elements.

Sustainability is an urgent need to secure the progress of our civilization and to reach it is getting more and more into common conscious. From a chemists viewpoint, this means the customary practices of the last centuries have to be overcome, chemicals and chemical processes must be designed safe and environmentally friendly without long term consequences while at the same time conserving resources. A main part within this is the reduction of toxic waste, often originated in solvents. To accomplish this, new paths have to be discovered. One possible path is mechanochemistry, which describes chemical reactions initiated by mechanical forces like milling balls and vessels in a ball mill. In this environment solubility is not required and thus turns the use of solvents obsolete. However, in mechanochemical catalytic reactions for instance catalyst complexes with ligands are used, that originally ensured solubility in the former reaction medium. Since no solubility is required in this solvent free reaction environment, the complexes can be simplified to salts or further to pure metal powder catalysts. Complexes, salts and powders alike are difficult to recycle from the reaction mixture, thwarting the aim of sustainability. A concept to overcome this drawback is direct mechanocatalysis that uses milling materials themselves made of the catalytic metal, likewise accounting for the catalyst and the energy input. The aim of the thesis on hand was to expand the concept towards new direct mechanocatalytic reactions and gain insights beyond the mere phenomenology. In detail, the palladium catalysed Suzuki coupling as well as the copper catalysed Ullmann reaction/coupling, and Glaser coupling were investigated.

Die vorliegende Dissertation präsentiert eine detaillierte quantenchemische Untersuchung der H-Abstraktion von Methan durch MgO und Li dotiertes MgO. Motiviert wurde die durch das UniCat-Excellenz-Cluster, welches sich zum Ziel gesetzt hat, die oxidative Kupplung von Methan (OCM) im Detail zu verstehen. Basierend auf der Hypothese, dass Li+O•– Spezies für den H-Abstraktion Schritt verantwortlich sind, wurden kleine kationische MgO- und Li dotierte MgO-Cluster (die O•– Sites modellieren) untersucht. Zur Erstellung von möglichst realen Gasphasen-Modell-Systemen, wurde die globalen Minima der Gasphasencluster mittels eines genetischen Algorithmus bestimmt. Zum Vergleich wurden auch die Strukturen von neutralen MgO-Cluster bestimmt, um eventuelle strukturelle Unterschiede zu erkennen. Anschließend wurden die optimierten Cluster in Bezug auf ihre Eignung zur C-H-Bindungsaktivierung von Methan untersucht. Die Verwendung von kleinen Cluster-Größen ermöglicht es, die Reaktion im Detail zu studieren und verschiedene Methoden der Berechnung zu vergleichen. Die Ergebnisse für die kleinen Cluster wurden anschließend mit realistischeren Modellen verglichen, die eine genauere Beschreibung der Li dotierten Oberflächen ermöglichen, wie zum Beispiel non-embedded und embedded-Cluster und slab Modelle. Unerwartete Ergebnisse für die Betrachtung der Li+O•– Spezies haben zur Untersuchung von zusätzliche Arten von Defekten in MgO (wie niedrig koordinierten O2-Seiten, O-Leerstellen mit unterschiedlicher Ladung und Verunreinigungen) geführt, die als aktive Zentren in OCM fungieren können. Insbesondere wurden morphologische Defekte und verschiedene Arten von F Zentren untersucht. Die Aktivierung von Methan an defekten MgO-Oberflächen wurde innerhalb eines Cluster-Ansatzes untersucht und durch periodische Berechnungen mittels periodic slab models verifiziert. Die Ergebnisse wurden mit vorhandenen experimentellen Daten verglichen. / This work presents a detailed quantum chemical (mostly DFT) study of H abstraction from methane by MgO and Li doped MgO. It is motivated by the UniCat effort to understand the oxidative coupling of methane (OCM). Based on the hypothesis that an Li+O•– species is responsible for the H abstraction step in OCM small cationic MgO and Li doped MgO clusters (which model O•– sites) were investigated. Because we were interested in real gas phase model systems the global minimum structures of (MgO)n+ and LiO(MgO)n-1 clusters were first determined (by means of genetic algorithm) and then used in subsequent reactivity studies. To check if there are any structural differences between neutral and cationic MgO clusters the neutral species were studied as well. After structure determination, the activation of methane by the O•– radical sites was investigated. The small cluster sizes enabled to study the reaction in detail and to compare different methods of calculations. The results were verified by comparison with more realistic models that mimic Li doped MgO surface, like non-embedded and embedded clusters and slab models. However, unexpected results for the Li+O•– sites led to the consideration of additional types of sites in MgO that may be active for OCM – such as low-coordinated O2- sites, O vacancies with different charge and impurity defects. In particular morphological defects and different types of F centers were investigated. Methane activation by defective MgO surface was studied by a cluster approach and then followed by periodic calculations on periodic slab models. The results were compared to existing experimental data.

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Polyzyklische organische Moleküle und deren Derivate sind eine Klasse von Nanostrukturen, die wegen diverser möglicher Anwendungen in molekularer und organischer Elektronik viel Aufmerksamkeit in der Wissenschaft erregt haben. Um ihre einzigartigen Eigenschaften in vollem Umfang auszunutzen, muss man das Verhalten von molekularen Systemen auf der Nanoskala verstehen und eine Reihe von Herstellungsverfahren entwickeln. In dieser Arbeit werden molekulare Nanostrukturen durch den Bottom-Up-Ansatz der Oberflächensynthese erzeugt. Als Untersuchungsmethode gilt Rastertunnelmikroskopie (STM) bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum als Werkzeug der Wahl. Drei verschiedene molekulare Systeme werden ausführlich erforscht, mit dem Ziel organische Nanostrukturen mit gewünschten Eigenschaften und atomarer Präzision zu erzeugen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Cyclodehydrierungsreaktion erfolgreich für die Synthese von asymmetrischen Starphen verwendet. Es wird dann gezeigt, dass dieses Molekül als unimolekulares NAND-Logikgatter fungieren kann. Dabei wird die Positionierungsänderung der elektronischen Resonanz nach der Zufügung einzelner Goldatome an die Inputs des Moleküls gemessen. Eine Kombination aus atomarer und molekularer Lateralmanipulation mithilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops sowie Rastertunnelspektroskopie wird verwendet, um dieses Verhalten zu demonstrieren. Die steuerbare Verschiebung von molekularen Resonanzen entsteht wegen der asymmetrischen Form des Starphens und wurde theoretisch vorhergesagt. Molekulare Drähte werden im zweiten Teil der Arbeit durch die oberflächenassistierte Ullmann-Kupplung hergestellt. Ihr Baustein besteht aus abwechselnden Donor- und Akzeptorgruppen und wurde speziell vorgesehen, um leitfähige flexible molekulare Drähte herzustellen. Die Leitfähigkeit wird durch Ziehen einzelner Drähten von der Oberflächen mit der STM-Spitze gemessen. Theoretische Berechnungen der komplexen Bandstruktur der molekularen Drähte bestätigen die experimentellen Ergebnisse und unterstützen dabei die Wichtigkeit der Balance zwischen Akzeptor- und Donorgruppen für die Leitfähigkeit der Drähte. Basierend auf diesen Resultaten werden neue Strukturen zur Herstellung vorgeschlagen. Der letzte Teil befasst sich schließlich mit einer unimolekularen Reaktion, die zur Erzeugung einer anomalen Kombination von Pentagon- und Heptagonringen in einem einzelnen organischen Molekül führt. Solche 5-7-Einheiten sind analog zu Stone-Wales-Defekten in Graphen und können elektronische Eigenschaften beachtlich ändern. Die exakte intramolekulare Struktur der Reaktionsprodukte wird durch hochauflösende STM-Bildgebung mit funktionalisierter Spitze eindeutig zugeordnet und zusätzlich durch DFT-Rechnungen bestätigt. / Polycyclic organic molecules and their derivatives present the class of nanostructures that are currently in the focus of scientific research due to their perspectives for the versatile applications in molecular and organic electronics. To exploit their unique properties to full extent, one has to understand the behavior of molecular systems at the nanoscale and to develop a set of fabrication methods. In this work, molecular nanostructures are fabricated using the bottom-up on-surface synthesis approach, which allows precision of the desired products and control over their properties through careful precursors design. To study the reaction flow and the properties of the formed structures, scanning tunneling microscopy (STM) at low temperature and in ultra-high vacuum is the tool of choice. In this work, three molecular systems are studied in detail, with the focus of fabricating atomically precise nanostructures with tailored properties. A cyclodehydrogenation reaction is successfully applied to synthesize an asymmetric starphene molecule in the first part of the work. It is then shown that this molecule can function as a unimolecular NAND logic gate with its response to the attached single Au atoms measured as the position of the electronic resonance. A combination of the atomic and molecular lateral manipulation with the STM tip and scanning tunneling spectroscopy (STS) is used to demonstrate this behavior. The effect of the controllable shifting of the molecular resonances is due to the asymmetric shape of the starphene molecule and was initially predicted theoretically. More complex structures, molecular wires, are presented in the second part of the work by using the surface-assisted Ullmann coupling reaction. The monomer unit, consisting of the alternant donor and acceptor parts, was specifically designed to achieve highly-conductive flexible molecular wires. The conductance is measured by pulling the single wires with the STM tip off the surface. Theoretical calculations of the complex band structure of the wires confirm the obtained results and support the discussion of the importance of the balance between the strength of acceptor and donor units for the conductance of the resultant wires. Based on this, some model structures are proposed. Finally, the last part deals with a unimolecular reaction to create an anomalous combination of pentagon and heptagon rings in a single organic molecule. Such 5-7 moieties are analogous to the Stone-Wales defects in graphene and may significantly alter the electronic properties. The precise intramolecular structure of the reaction products is unambiguously assigned by high-resolution STM imaging with functionalized tips and further confirmed by DFT calculations.