Modellbasierte Diagnose am Beispiel der Zylinderdrucksensorik von Ottomotoren

Die Diagnose von Fehlern des Zylinderdrucksensors wird anhand eines Ottomotors mit Saugrohreinspritzung (MPI) vorgestellt. Die physikalischen Zusammenhänge und die Einflussgrößen auf das Drehmoment des Motors werden erläutert. Hierzu werden verschiedene Modellansätze vorgestellt sowie eine Variation der Modelleingangsgrößen durchgeführt. Anhand des Verfahrens der analytischen Redundanz werden Residuen abgeleitet und die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Fehlertypen aufgezeigt. Dadurch ist eine Trennung von Fehlern des Zylinderdrucksensors gegenüber motorischen Toleranzen oder nicht zylinderdrucksensorbasierten Fehlern möglich. Handelt es sich bei dem verwendeten Motorkonzept um einen Ottomotor mit quantitätsbasierter Laststeuerung, d.h. mit gleichbleibender Gemischzusammensetzung (i.d.R. Luft-/Kraftstoffverhältnis =1), so kann bei erkanntem Fehler des Zylinderdrucksensors eine weitere Aufteilung nach verschiedenen Fehlertypen erfolgen (z.B. Hysterese, Verstärkungsfehler). Auf diese Weise können Sensortoleranzen wie der Verstärkungsfehler des Zylinderdrucksensors durch eine Adaption korrigiert werden. Die Diagnosefunktion und die Verstärkungsadaption wurde erfolgreich an einem 2,0l-Ottomotor (MPI) ohne externe Abgasrückführung (AGR) und ohne kontinuierliche Nockenwellenverstellung (KNWE) durchgeführt, wobei die erwähnten Einschränkungen in Bezug auf die Betriebsbereiche zu berücksichtigen sind. Anhand der Modellstreuungen und Modellungenauigkeiten sind die Grenzen der Diagnose und der Adaption aufgezeigt worden. Die auf einem Prototypensteuergerät implementierten Algorithmen sind echtzeitfähig, wenngleich für die Zylinderdruck- und Drehzahlauswertung eine hohe Rechenleistung erforderlich ist.

Dieselmotor-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen im Kontext der Integration Erneuerbarer Energien in die Energieversorgung

In dieser Arbeit werden die sich abzeichnenden zukünftigen Möglichkeiten, Stärken und Schwächen der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) untersucht. Dies geschieht vor dem Hintergrund des Klimawandels, der Integration steigender Anteile Erneuerbarer Energien in die Stromerzeugung und unter Berücksichtigung der sich damit ergebenden Herausforderungen, eine sichere und nachhaltige Stromversorgung zu gestalten. Der Fokus liegt auf der Dieselmotor-KWK und der Nutzung nachwachsender Kraftstoffe. Es wird davon ausgegangen, dass der Übergang zu einer reinen Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energiequellen in Deutschland unter erheblicher Einbindung des hohen Potentials der kostengünstigen, umweltfreundlichen, aber in der Leistung extrem fluktuierenden Windenergie erfolgen wird. Als dezentrales Integrationswerkzeug wurde die Kraft-Wärme-Kopplung mit Dieselmotoren untersucht. Sie entspricht aufgrund ihrer großen Flexibilität und ihrer hohen Wirkungsgrade mit vergleichsweise kleinen Leistungen sehr gut den Anforderungen der gleichzeitigen dezentralen Wärmenutzung. In der Dissertation werden die Randbedingungen der Dieselmotor-KWK untersucht und beschrieben. Darauf aufbauend werden unterschiedliche Modelle der Windintegration durch KWK erarbeitet und in diversen Variationen wird der Ausgleich der Stromerzeugung aus Windenergie durch KWK simuliert. Darüber hinaus werden dezentrale KWK-Anlagen hinsichtlich eines koordinierten gemeinsamen Betriebs und hinsichtlich der optimalen Auslegung für den Windenergieausgleich betrachtet. Es wird für den beschriebenen Kontext der Erneuerbaren Energien und der Kraft-Wärme-Kopplung das Thema „Umweltwirkungen“ diskutiert. Es wird dargelegt, dass die heute verwendeten Ansätze zur Bewertung der KWK zu einer Verzerrung der Ergebnisse führen. Demgegenüber wurde mit der so genannten Outputmethode eine Methode der Ökobilanzierung vorgestellt, die, im Gegensatz zu den anderen Methoden, keine verzerrenden Annahmen in die Wirkungsabschätzung aufnimmt und somit eine eindeutige und rein wissenschaftliche Auswertung bleibt. Hiermit ist die Grundlage für die Bewertung der unterschiedlichen Technologien und Szenarien sowie für die Einordnung der KWK in den Kontext der Energieerzeugung gegeben. Mit der Outputmethode wird u.a. rechnerisch bewiesen, dass die gekoppelte Strom- und Wärmeerzeugung in KWK-Anlagen tatsächlich die optimale Nutzung der regenerativen Kraftstoffe „Biogas“ und „Pflanzenöl“ im Hinblick auf Ressourceneinsatz, Treibhausgaseinsparung und Exergieerzeugung ist. Es wurde darüber hinaus die Frage untersucht woher die für die Stromerzeugung durch Dieselmotor-KWK-Anlagen notwendige Bioenergie genommen werden kann. Es ist erwiesen, dass die in Deutschland nutzbare landwirtschaftliche Fläche nur zur Deckung eines Teils der Stromerzeugung ausreichen würde. Einheimisches Biogas und nachhaltiges importiertes Pflanzenöl, das in hohem Maße auf degradierten Böden angebaut werden sollte, können die notwendige Brennstoffenergie liefern. Um im Ausland ausreichend Pflanzenöl herstellen zu können, wird eine landwirtschaftliche Fläche von 6 bis 12 Mio. ha benötigt. Das Ergebnis ist, dass ein voller Ausgleich von Windenergie-Restlast durch KWK mit Erneuerbaren Energieträgern sinnvoll und machbar ist! Dieses Wind-KWK-DSM-System sollte durch ein Stromnetz ergänzt sein, das Wasserkraftstrom für den Großteil der Regelenergieaufgaben nutzt, und das den großräumigen Ausgleich Erneuerbarer Energien in Europa und den Nachbarregionen ermöglicht.

Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

Exploratory and dust-bathing behaviour in laying hens kept in commercial aviaries and furnished cages

The aim of the present thesis was to identify management factors that affect the extent of exploratory behaviour (ground pecking, scratching) as well as quantitative and qualitative as-pects of dust-bathing behaviour in laying hens kept in commercial furnished cages (‘small group housing’) and aviaries. Based on the results, it should be considered which management measures can be recommended for farmers to enhance hen welfare. The feasibility of direct observations of dust-bathing behaviour as well as video observations of exploratory and dust-bathing behaviour was tested in two aviaries. The direct observations were judged to be unfeasible under the conditions encountered. For the analysis of the video recordings, different sampling intervals for instantaneous scan sampling, different extents of observation time, and intra- and inter-observer reliabilities were compared and the most ap-propriate observation scheme selected. Applying the selected scheme (observing the first 16 minutes of every hour distributed over two consecutive light days with a sample interval of two minutes), within the range of environmental conditions found in 22 aviaries, pecking, scratching and dust-bathing behaviour was performed on average 25, 2 and 7 % of the obser-vation time. Hen numbers in the litter were positively associated with stocking density and group size. More scratching was performed with increasing litter height as well as in humid litter. If no litter had been provided, thus substrate consisted of dust and faeces, a reduced proportion of dust-bathing was found. The same method was then used in 16 furnished cage systems. On average 12 % of the total hen number were found on the scratching mats. The hens spent 8 % of the observed time pecking at the mat, 4 % dust-bathing and 0.4 % scratch-ing. Higher proportions were found on the mats and more dust-bathing behaviour occurred, if substrate was provided. Also with increasing light intensity and stocking density more hens were observed on the mats. More pecking and scratching occurred in conditions of higher stocking density, probably due to social facilitation, and of increased mat area per hen. With increasing mat numbers per cage less pecking was observed. Wider mats led to increased dust-bathing behaviour. Finally, 129 dust-baths recorded in 17 aviaries were analysed in detail. On average they lasted 17 minutes, with the tossing phase taking 69 % of this time, including on average 2 vertical wing shakes and 3 scratches with one leg per minute tossing phase. Dust-bath duration de-creased with increasing litter height. Litter type influenced all recorded parameters: dust-bath duration was highest on straw and lowest on fine material and fine material mixed with straw, where on both also the proportion of the tossing phase was lowest. The number of vertical wing shakes during the dust-bath was highest on straw and lowest on fine material mixed with straw as against the frequency of vertical wing shaking that was lowest on straw and highest on fine material. If dust-bathing hens were disturbed twice or more, dust-bathing duration decreased. With increasing light intensity a decreased proportion of the tossing phase as well as a reduced number of vertical wing shakes were recorded. Possibly the light stimulated the hens to dust-bath more often with less tossing behaviour per performance. The observed variation of the dust-bathing parameters could reflect successful adaptation or frustration of the hens. The litter and light conditions on the investigated farms were predominantly restrictive in terms of stimulation of exploration and dust-bathing behaviour. Thus, it was only possible to analyse possible associations between these factors and exploration and dust-bathing behav-iour within the range found. Based on the results the following management recommendations can be given: To allow hens in furnished cages more normal activity, substrate availability should be improved and mat space and light intensity increased. With regard to aviaries as well litter availability should be improved. Litter height should not be too low. Disturbances during dust-bathing should be prevented, but no influencing factors could be identified.