Der zunehmende Ausstoß von Treibhausgasen gilt als wahrscheinlichste Ursache für die beschleunigte Erwärmung des weltweiten Klimas in den vergangenen Dekaden [1]. Zur Begrenzung des Temperaturanstiegs auf maximal 2°C im Vergleich zum vorindustriellen Niveau wurden weltweit Ziele zur Reduktion der Kohlenstoffdioxidemissionen definiert. Maßnahmen zur Effizienzsteigerung im Klimatisierungssystem von Personenkraftwagen können hierzu einen doppelten Beitrag leisten. Zum einen wird der Gesamtenergiebedarf der Fahrzeuge reduziert. Zum anderen kann die Realreichweite elektrifizierter Fahrzeuge erhöht und damit die Marktdurchdringung der Elektromobilität gefördert werden. Ein entscheidendes Hindernis bei der Umsetzung von Effizienzmaßnahmen im Klimatisierungssystem ist das Fehlen einer vereinheitlichten Methodik zur Bewertung der Emissionseinflüsse [3] sowie der finanziellen Auswirkungen für Endkunden und die Automobilindustrie in den weltweiten Vertriebsmärkten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine solche Bewertungsmethodik entwickelt und das Emissionsvermeidungspotential von aktuell diskutierten Maßnahmen abgeleitet. Die Methodik kombiniert ein thermisches Kabinenmodell und ein vereinfachtes Modell des Klimatisierungssystems mit statistischen Daten zum lokalen Klima, dem lokalen, tageszeitabhängigen Mobilitätsverhalten und Daten der lokalen Energiemärkte (Preise und Emissionsintensitäten). Die Methodik betrachtet dabei jeweils fünf Karosserietypen und sechs Antriebssystemtypen für 61 Orte weltweit. Zur Bewertung von Kundenakzeptanz und Umsetzungsquoten der Maßnahmen wird als statistische Größe der relative Umsetzungsfaktor entwickelt. Er setzt sowohl die Emissionsbilanz als auch die Kostenbilanz für Kunden ins Verhältnis zur Schwankung der Werte in den einzelnen Vertriebsmärkten. Daraus werden eine Empfehlung zum Angebotsszenario und eine Abschätzung von Ausstattungsquoten abgeleitet. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann das weltweite Emissionsvermeidungspotential von einzelnen Maßnahmen oder Maßnahmenpaketen abgeschätzt werden. Eine Untersuchung von 20 aktuell diskutierten Maßnahmen zeigt, dass sich das aus dem 450-Szenario der IEA abgeleitete Reduktionsziel von jährlich 27 MtCO2 nicht ohne zusätzliche Kosten für Endkunden oder Automobilhersteller erreichen lässt. Die Emissionsvermeidungskosten sind mit 154 EUR/tCO2 jedoch deutlich geringer als für viele aktuell bereits umgesetzte Maßnahmen. Durch geschickte Anreizsysteme seitens der politischen Entscheidungsträger scheint daher eine Realisierung von großen Teilen des Potentials möglich.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer 3-jährigen Promotionstätigkeit bei der Volkswagen AG. Der erste Teil der Arbeit wurde bei der Aggregateentwicklung Akustik EGNE in Wolfsburg absolviert. Der zweite Teil wurde in der Qualitätssicherung Akustik Getriebe COK-Q3/3 in Kassel bearbeitet. Sie beschäftigt sich mit dem Ableiten fahrzeugnaher Anregungsrichtwerte für aggregatseitige Beschleunigungspegel eines Getriebes im Hinblick auf die akustische Wahrnehmbarkeit von Störgeräuschen im Fahrzeuginnenraum. Als Störgeräusche werden in diesem Zusammenhang in erster Linie tonale Verzahnungsordnungen betrachtet. Durch das Erstellen einer messtechnischen Referenz anhand zahlreicher Fahrzeugmessungen und die Programmierung eines entsprechenden Frameworks in Python werden diese Richtwerte aus gemessenen Beschleunigungspegeln abgeleitet. Ferner beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Klassifizierung von Getrieben hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften, speziell an sogenannten End-Of-Line-Prüfständen. Diese Prüfstände dienen am Ende von Fertigungslinien der Funktionsprüfung eines Bauteils. Für das Getriebe wird in diesem Rahmen ebenfalls eine akustische Prüfung durchgeführt. Zur Bewertung der Korrelation zwischen gemessenen Beschleunigungspegeln am EoL-Prüfstand und korrespondierenden Beschleunigungs- bzw. Luftschallpegeln im Fahrzeug wurden Messungen auf verschiedenen Prüfstandumgebungen durchgeführt, deren Analyse Erkenntnisse zur Erhöhung dieser Korrelation liefert. Zu diesem Zweck werden aus gemessenen Beschleunigungspegeln Features extrahiert, die anschließend für eine akustische Klassifizierung der Getriebe mit einem maschinellen Lernalgorithmus verwendet werden. Es lässt sich zeigen, dass der Einsatz einer Support-Vector-Machine die vorherrschende EoL-Klassifikation bezüglich der genannten Korrelation in Teilen verbessern kann.:Erklärung des Autors Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Fahrzeugmessungen und Hörversuch 4 End-Of-Line Prüfung und Universalgetriebeprüfstand 5 Tonales Kriterium, Anregungsrichtwerte und Klassifizierung 6 Ergebnisse 7 Diskussion Anhangsverzeichnis Literaturverzeichnis / The presented thesis has been developed during a three year graduation at the Volkswagen AG. It was split in two parts. The first part was passed in the technical development acoustics (EGNE) in Wolfsburg and the second one in the quality assurance acoustics (COK-Q3/3) in Kassel. It deals with the determination of vehicle related limit values for accelerations of gear boxes regarding the acoustic comfort in the car. Disturbing noise is primary seen as so called orders of the gear wheels. By developing a ground truth doing several measurements in vehicles and by programming a framework in python those limit values are derived. Furthermore this thesis describes the classification of gear boxes regarding the acoustic characteristics in particular at so called End-Of-Line test benches. These test benches are used for functional check and in case of gear boxes as well as for the acoustic rating. Several measurements have been done at different test benches in order to increase the correlation between the test bench results and the subjective acoustic comfort of vehicles. Therefor several features are extracted from the acceleration measurements and used for a classification by hint of a machine learning approach. It becomes apparent that the use of a support vector machine is able to partly improve the status quo end of line testing regarding the named correlation.:Erklärung des Autors Bibliografische Beschreibung Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Grundlagen und Stand der Technik 3 Fahrzeugmessungen und Hörversuch 4 End-Of-Line Prüfung und Universalgetriebeprüfstand 5 Tonales Kriterium, Anregungsrichtwerte und Klassifizierung 6 Ergebnisse 7 Diskussion Anhangsverzeichnis Literaturverzeichnis

Das Konzept „Downsizing“ für Otto- und Dieselmotoren zur Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission ist inzwischen durch viele praktische Beispiele und theoretische Untersuchungen zweifelsfrei bestätigt worden. Da „Downsizing“ aber untrennbar mit der Aufladung verbunden ist, wächst der Bedarf nach Aufladetechnologien, die das Hauptmanko des „Downsizing“ – das mangelhafte Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl – überwinden. Mit zunehmender spezifischer Leistung und damit höheren Aufladegraden tritt diese Problematik immer stärker in den Vordergrund. Vor diesem Hintergrund hat sich für den Pkw-Dieselmotor die Aufladung mit VTG durchgesetzt. Beim Ottomotor wurde bislang der Schritt vom einfacheren Wastegate-Lader zur VTG noch nicht unternommen. Die Gründe dafür sind insbesondere in der höheren thermischen Belastung, aufgrund der höheren Abgastemperatur, und der größeren Luftdurchsatzspanne zu finden. Andererseits besteht inzwischen speziell beim Ottomotor ein großer Bedarf bezüglich der Verbesserung des Kraftstoffverbrauches und der Fahrdynamik in Kombination mit der Turboaufladung. Vor dem Hintergrund der in den letzten Jahren durchgeführten Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Benzindirekteinspritzung und der Aufladetechnik, stellt sich inzwischen verstärkt die Frage, ob durch den Einsatz einer VTG am Ottomotor ähnlich große Verbrauchseinsparungen und Verbesserungen in der Fahrdynamik erzielt werden können, wie dies vor einigen Jahren beim Pkw-Dieselmotor der Fall war. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurden die Potentiale einer VTG an einem direkteinspritzenden Ottomotor eingehend durch Experimente und Motorprozesssimulation untersucht. Bei der direkten Übertragung der heute üblichen Diesel-VTG-Technik auf die Anwendung am Ottomotor können allerdings nur unwesentliche Verbesserungen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Um die volle Drehzahlspanne des Ottomotors in seiner Basisabstimmung bedienen zu können, muss der Verstellbereich der VTG extrem ausgereizt werden, was Wirkungsgradnachteile mit sich bringt. Mit dem Übergang auf ein 2-flutiges Zwillingsstromturbinengehäuse in Kombination mit VTG wird es möglich, den Gaswechsel des Motors zu verbessern, da der Auslassvorgang der einzelnen Zylinder weniger durch die anderen Zylinder behindert wird. Der Effekt ist allerdings wesentlich schwächer ausgeprägt als bei einem 2-flutigen Wastegate Lader, da hier die Flutentrennung bis kurz vor das Turbinenrad erfolgen kann. Bei der VTG-Zwillingsstromturbine endet die Trennung konstruktionsbedingt bereits vor dem Leitgitter. Im Bereich des beschaufelten Ringkanales treffen die beiden bis dorthin getrennten Abgasstränge aufeinander und beeinflussen sich hier wieder gegenseitig, wobei die negativen Auswirkungen geringer sind als bei einer 1-flutigen Turbine, ganz ohne Trennung im Turbinengehäuse. Die bessere Nutzung der kinetischen Energie aus dem Vorauslassstoß, die bei Stoßaufladung mit getrennt geführten Abgaskanälen üblicherweise möglich ist, kann allerdings bei einer VTG-Turbine nicht erreicht werden. Speziell im unteren Motordrehzahlbereich, wo die Leitschaufeln weit geschlossen sind, werden die Druckpulsationen stark gedämpft und haben somit nur noch einen geringen Anteil an der Totalenthalpie des Abgases. Wie sich aus den Untersuchungen zeigte, kann dieser Nachteil der VTG aber durch den kleineren Turbinendurchsatz bei kleiner Schaufelstellung überkompensiert werden, wodurch das Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen angehoben werden kann. Eine wesentlich bessere Flutentrennung kann durch die Verwendung einer VTG-Doppelstromturbine erreicht werden. Durch zwei über den Turbinenumfang getrennt geführte Spiralkanäle können die Überströmquerschnitte verkleinert, und damit die gegenseitige Beeinflussung der Abgasströme wesentlich verringert werden. Die Verhältnisse sind in dieser Ausführung vergleichbar mit Wastegate- Zwillingsstromturbinen, was die Effektivität der Flutentrennung anbelangt. Das volle Potential dieser optimierten Flutentrennung kann durch eine geänderte Applikation der Nockenwellenverstellungen im Motorkennfeld ausgeschöpft werden. Es ist damit möglich, längere Ventilüberschneidungen im unteren Motordrehzahlbereich zu realisieren und damit den Spülluftanteil in diesem Kennfeldbereich wesentlich zu steigern. Diese Maßnahme hat einen sehr positiven Einfluss auf die Motorbetriebswerte aufgrund: • Verringerter Klopfempfindlichkeit durch Reduktion des Restgasanteiles. • Absenkung der mittleren Abgastemperatur vor Turbine und damit der Möglichkeit, das Verbrennungsluftverhältnis anzuheben. • Verringerung der notwendigen Durchsatzspanne für Verdichter und Turbine und damit der Möglichkeit den Lader bei besseren Wirkungsgraden zu betreiben. Aufgrund des mit der Doppelstromanordnung begrenzten Zuströmquerschnittes über den Umfang der Turbine (180° pro Turbinenstrang) stellt sich allerdings ein geringerer Maximaldurchsatz für die Turbine ein. Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass dadurch der mittlere Abgasdruck vor Turbine im oberen Volllastdrehzahlbereich ansteigt. Um dies zu verhindern, kann die Doppelstromturbine mit einer so genannten Stau–Stoß–Umschaltung versehen werden, mit der die beiden Turbinenstränge bei hohen Motordrehzahlen verbunden werden. Bei geöffnetem Umschaltventil kann sich das Abgas auf beide Turbinenstränge verteilen, und die Pulsation wird zusätzlich reduziert. Beide Effekte bewirken ein Absinken der Turbinenleistung und damit die gewünschte Begrenzung des Ladedruckes. Gleichzeitig ist es auch möglich, das Stoß–Stau–Umschaltventil als zusätzliches Wastegate zu betreiben, wodurch der Durchsatzbereich der Turbine noch weiter gesteigert werden kann. Die Kombination der geschilderten Maßnahmen: • VTG mit Doppelstromturbine • Stoß-Stau-Umschaltung • Vergrößerte Ventilüberschneidung hat bei den durchgeführten Untersuchungen zu einer Steigerung des stationären Volllastdrehmomentes von 40 % bei nM = 1500 1/min geführt, bei gleichzeitiger Verbesserung des Spüldruckgefälles um ca. 400 mbar im Nennleistungspunkt gegenüber dem 1-flutigen Wastegate-Basislader. Im Instationärbetrieb konnte am Beispiel eines Lastsprunges bei nM = 1800 1/min eine Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen von 90 % des Nennmomentes um ca. 50 % festgestellt werden. Obgleich auf Basis der untersuchten Varianten bezüglich der aerodynamischen Auslegung der Einzelkomponenten, der Regelbarkeit der VTG und der mechanischen Haltbarkeit noch weitere Entwicklungsaktivitäten notwendig sein werden, kann aufgrund der sehr positiven Untersuchungsergebnisse von einem großen Potential für die Aufladung von DI-Ottomotoren mit variabler Turbinengeometrie ausgegangen werden.

Universiẗat, Diss.--Konstanz, 1998.

Das Konzept „Downsizing“ für Otto- und Dieselmotoren zur Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission ist inzwischen durch viele praktische Beispiele und theoretische Untersuchungen zweifelsfrei bestätigt worden. Da „Downsizing“ aber untrennbar mit der Aufladung verbunden ist, wächst der Bedarf nach Aufladetechnologien, die das Hauptmanko des „Downsizing“ – das mangelhafte Drehmoment bei niedriger Motordrehzahl – überwinden. Mit zunehmender spezifischer Leistung und damit höheren Aufladegraden tritt diese Problematik immer stärker in den Vordergrund. Vor diesem Hintergrund hat sich für den Pkw-Dieselmotor die Aufladung mit VTG durchgesetzt. Beim Ottomotor wurde bislang der Schritt vom einfacheren Wastegate-Lader zur VTG noch nicht unternommen. Die Gründe dafür sind insbesondere in der höheren thermischen Belastung, aufgrund der höheren Abgastemperatur, und der größeren Luftdurchsatzspanne zu finden. Andererseits besteht inzwischen speziell beim Ottomotor ein großer Bedarf bezüglich der Verbesserung des Kraftstoffverbrauches und der Fahrdynamik in Kombination mit der Turboaufladung. Vor dem Hintergrund der in den letzten Jahren durchgeführten Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Benzindirekteinspritzung und der Aufladetechnik, stellt sich inzwischen verstärkt die Frage, ob durch den Einsatz einer VTG am Ottomotor ähnlich große Verbrauchseinsparungen und Verbesserungen in der Fahrdynamik erzielt werden können, wie dies vor einigen Jahren beim Pkw-Dieselmotor der Fall war. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurden die Potentiale einer VTG an einem direkteinspritzenden Ottomotor eingehend durch Experimente und Motorprozesssimulation untersucht. Bei der direkten Übertragung der heute üblichen Diesel-VTG-Technik auf die Anwendung am Ottomotor können allerdings nur unwesentliche Verbesserungen beim spezifischen Kraftstoffverbrauch erzielt werden. Um die volle Drehzahlspanne des Ottomotors in seiner Basisabstimmung bedienen zu können, muss der Verstellbereich der VTG extrem ausgereizt werden, was Wirkungsgradnachteile mit sich bringt. Mit dem Übergang auf ein 2-flutiges Zwillingsstromturbinengehäuse in Kombination mit VTG wird es möglich, den Gaswechsel des Motors zu verbessern, da der Auslassvorgang der einzelnen Zylinder weniger durch die anderen Zylinder behindert wird. Der Effekt ist allerdings wesentlich schwächer ausgeprägt als bei einem 2-flutigen Wastegate Lader, da hier die Flutentrennung bis kurz vor das Turbinenrad erfolgen kann. Bei der VTG-Zwillingsstromturbine endet die Trennung konstruktionsbedingt bereits vor dem Leitgitter. Im Bereich des beschaufelten Ringkanales treffen die beiden bis dorthin getrennten Abgasstränge aufeinander und beeinflussen sich hier wieder gegenseitig, wobei die negativen Auswirkungen geringer sind als bei einer 1-flutigen Turbine, ganz ohne Trennung im Turbinengehäuse. Die bessere Nutzung der kinetischen Energie aus dem Vorauslassstoß, die bei Stoßaufladung mit getrennt geführten Abgaskanälen üblicherweise möglich ist, kann allerdings bei einer VTG-Turbine nicht erreicht werden. Speziell im unteren Motordrehzahlbereich, wo die Leitschaufeln weit geschlossen sind, werden die Druckpulsationen stark gedämpft und haben somit nur noch einen geringen Anteil an der Totalenthalpie des Abgases. Wie sich aus den Untersuchungen zeigte, kann dieser Nachteil der VTG aber durch den kleineren Turbinendurchsatz bei kleiner Schaufelstellung überkompensiert werden, wodurch das Drehmoment bei niedrigen Motordrehzahlen angehoben werden kann. Eine wesentlich bessere Flutentrennung kann durch die Verwendung einer VTG-Doppelstromturbine erreicht werden. Durch zwei über den Turbinenumfang getrennt geführte Spiralkanäle können die Überströmquerschnitte verkleinert, und damit die gegenseitige Beeinflussung der Abgasströme wesentlich verringert werden. Die Verhältnisse sind in dieser Ausführung vergleichbar mit Wastegate- Zwillingsstromturbinen, was die Effektivität der Flutentrennung anbelangt. Das volle Potential dieser optimierten Flutentrennung kann durch eine geänderte Applikation der Nockenwellenverstellungen im Motorkennfeld ausgeschöpft werden. Es ist damit möglich, längere Ventilüberschneidungen im unteren Motordrehzahlbereich zu realisieren und damit den Spülluftanteil in diesem Kennfeldbereich wesentlich zu steigern. Diese Maßnahme hat einen sehr positiven Einfluss auf die Motorbetriebswerte aufgrund: • Verringerter Klopfempfindlichkeit durch Reduktion des Restgasanteiles. • Absenkung der mittleren Abgastemperatur vor Turbine und damit der Möglichkeit, das Verbrennungsluftverhältnis anzuheben. • Verringerung der notwendigen Durchsatzspanne für Verdichter und Turbine und damit der Möglichkeit den Lader bei besseren Wirkungsgraden zu betreiben. Aufgrund des mit der Doppelstromanordnung begrenzten Zuströmquerschnittes über den Umfang der Turbine (180° pro Turbinenstrang) stellt sich allerdings ein geringerer Maximaldurchsatz für die Turbine ein. Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass dadurch der mittlere Abgasdruck vor Turbine im oberen Volllastdrehzahlbereich ansteigt. Um dies zu verhindern, kann die Doppelstromturbine mit einer so genannten Stau–Stoß–Umschaltung versehen werden, mit der die beiden Turbinenstränge bei hohen Motordrehzahlen verbunden werden. Bei geöffnetem Umschaltventil kann sich das Abgas auf beide Turbinenstränge verteilen, und die Pulsation wird zusätzlich reduziert. Beide Effekte bewirken ein Absinken der Turbinenleistung und damit die gewünschte Begrenzung des Ladedruckes. Gleichzeitig ist es auch möglich, das Stoß–Stau–Umschaltventil als zusätzliches Wastegate zu betreiben, wodurch der Durchsatzbereich der Turbine noch weiter gesteigert werden kann. Die Kombination der geschilderten Maßnahmen: • VTG mit Doppelstromturbine • Stoß-Stau-Umschaltung • Vergrößerte Ventilüberschneidung hat bei den durchgeführten Untersuchungen zu einer Steigerung des stationären Volllastdrehmomentes von 40 % bei nM = 1500 1/min geführt, bei gleichzeitiger Verbesserung des Spüldruckgefälles um ca. 400 mbar im Nennleistungspunkt gegenüber dem 1-flutigen Wastegate-Basislader. Im Instationärbetrieb konnte am Beispiel eines Lastsprunges bei nM = 1800 1/min eine Verkürzung der Zeit bis zum Erreichen von 90 % des Nennmomentes um ca. 50 % festgestellt werden. Obgleich auf Basis der untersuchten Varianten bezüglich der aerodynamischen Auslegung der Einzelkomponenten, der Regelbarkeit der VTG und der mechanischen Haltbarkeit noch weitere Entwicklungsaktivitäten notwendig sein werden, kann aufgrund der sehr positiven Untersuchungsergebnisse von einem großen Potential für die Aufladung von DI-Ottomotoren mit variabler Turbinengeometrie ausgegangen werden.