Auto/Motor

Der DLR Projektträger (DLR-PT) unterstützt Forschungsvorhaben zu
vernetzten Verkehrskonzepten, die individuelle Mobilität und öffentlichen
Verkehr verbinden. Dazu zählt das jetzt abgeschlossene Projekt
„KoMoDnext“, in dem untersucht wurde, wie eine großflächige Vernetzung im
Straßenverkehr konkret aussehen kann. Am 13. Mai erläutern Expertinnen und
Experten des DLR-PT ihre Vorstellungen zur Verkehrswende im Rahmen der
Bonner Wissenschaftsnacht.

Die Mobilität von Morgen basiert auf Vernetzung und Datenaustausch.
Automatisiertes Fahren, die Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und
mit der Infrastruktur, soll den Verkehr der Zukunft sicherer und
effizienter machen. Schon heute informieren sich Fahrzeuge gegenseitig
über Verkehrshindernisse und Wetterlagen, weisen einander auf potenzielle
Gefahrenquellen wie Unfälle hin und teilen gewonnene Daten zum
Verkehrsfluss miteinander.

Vernetzt, automatisiert und sicher in die Zukunft

Im Forschungsvorhaben KoMoDnext haben Wissenschaftler unter anderem vom
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit Partnern aus
der Verkehrs-, Technologie- und Automobilbranche von Januar 2020 bis März
2022 untersucht, wie eine großflächige digitale Vernetzung von Fahrzeugen
mit der vorhandenen Verkehrsinfrastruktur konkret aussehen kann. Dazu
hatte die Stadt Düsseldorf, die auch die Leitung für das Projekt
übernommen hatte, bereits im Vorgängerprojekt ein Testfeld eingerichtet.
KoMoDnext baut auf das 2019 abgeschlossene Vorgängerprojekt „Kooperative
Mobilität im digitalen Testfeld Düsseldorf“, kurz: KoMoD, auf. Zum
Projektende zogen alle Beteiligten ein positives Fazit. Das Projekt habe
gezeigt, wie mit vernetzter Mobilität die Lebensqualität und der
Klimaschutz in unseren Städten erhöht werden könne, so NRW-
Verkehrsministerin Ina Brandes, denn besserer Verkehrsfluss bedeute auch
saubere Luft.

Der DLR Projektträger (DLR-PT) hat das Forschungsvorhaben KoMoDnext im
Auftrag des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMDV) fachlich
und administrativ begleitet. Er hat die kontinuierliche Erfolgskontrolle
durchgeführt sowie Forschungsziele und Arbeitspläne, wenn notwendig,
während der Laufzeit angepasst. KoMoDnext wurde vom BMDV mit knapp 6,6
Millionen Euro gefördert.

Verschiedene Use-Cases im Testfeld

Zu den Düsseldorfer Teststrecken von rund 20 Kilometer Länge gehören
Autobahnabschnitte ebenso wie Bundesstraßen, Tunnelabschnitte,
Rheinbrücken und Hauptverkehrsstraßen im Innenstadtbereich, die für den
Einsatz vollautomatisierter Level-4-Fahrzeuge vorbereitet wurden. Dieses
Level ist die letzte Stufe vor dem vollständig autonomen Fahren auf Level
5. Doch auch Level-4-Fahrzeuge benötigen nicht unbedingt einen Fahrer oder
eine Fahrerin; vielmehr sind sie grundsätzlich in der Lage,
Fahrsituationen in festgelegten Betriebsbereichen eigenständig zu
bewältigen.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens mischten sich
Level-4-Forschungsfahrzeuge, ausgerüstet mit Car2X-Technologie, die eine
Kommunikation von Fahrzeugen untereinander und mit der verkehrstechnischen
Infrastruktur ermöglicht, in den laufenden Verkehr. Die Versuchsfahrzeuge
nahmen Informationen zur Verkehrslage, von Schildern und Ampel digital und
in Echtzeit auf und dienten gleichzeitig als mobile Sensoren. So erkannten
sie Störungen im Testfeld und teilten diese Informationen mit der
Infrastruktur und anderen Forschungsfahrzeugen. Dazu zählte das
automatisierte Linksabbiegen an einer viel befahrenen Kreuzung ebenso wie
der automatisierte Spurwechsel aufgrund eines gesperrten Fahrstreifens und
die Geschwindigkeitsreduzierung vor einer Baustelle.

„Die Erprobungen im Testfeld haben gezeigt, wie weit die Entwicklungen bei
der Automatisierung und Vernetzung im Verkehr schon sind und was sich für
Möglichkeiten auftun", sagt Dr. Frank Otten, Abteilungsleiter Energie- und
Verkehrssysteme im DLR Projektträger. „Viele der hier gezeigten
Technologien werden schneller Einzug in den Alltag halten, als wir uns das
jetzt vorstellen können. Auf das Robo-Taxi, das uns an der Straßenecke
abholt, werden wir aber wohl noch ein paar Jahre warten müssen“, so Otten.

Perspektiven auch für Radfahrende

Zukünftig könnte die Verkehrsinfrastruktur auch während Polizeieinsätzen
beeinflusst werden, indem beispielsweise Ampeln während Einsatzfahrten auf
Grün geschaltet werden. Der Fahrradverkehr profitiert ebenfalls von den
neuen Verkehrskonzepten: Die App „Traffic Pilot“, entwickelt im Rahmen des
Vorgängerprojekts, wird von rund 650 Ampeln in Düsseldorf unterstützt und
ermöglicht Verkehrsteilnehmenden eine Fahrt durch das Stadtgebiet auf der
„grünen Welle“. Während KoMoDnext wurde die App weiterentwickelt.
Radfahrende sollen sich demnächst bei Zufahrt auf eine Ampelanlage direkt
anmelden können und so die Kreuzung ohne Halt passieren.

Der DLR-PT ist langjähriger Mitgestalter einer nachhaltigen und
ganzheitlichen Verkehrswende. Erfahrene Mitarbeitende aus
unterschiedlichen Kompetenzfeldern wie Verkehrssteuerung, Mobilität und
Künstliche Intelligenz bringen dazu in interdisziplinären Teams ihre
Expertise ein. Mit der „Förderinitiative zur Förderung von Forschung und
Entwicklung im Bereich der Elektromobilität“ („Elektro-Mobil“) und dem
Technologieprogramm „IKT für Elektromobilität“ des Bundesministeriums für
Wirtschaft und Klimaschutz sowie der Förderrichtlinie „Ein
zukunftsfähiges, nachhaltiges Mobilitätssystem durch automatisiertes
Fahren und Vernetzung“ des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr
betreut der DLR-PT gleichzeitig drei wesentliche Fördermaßnahmen, die
Bausteine für neue Verkehrssysteme bilden.

Am 13. Mai 2022 erläutern Expertinnen und Experten des DLR-PT ihre
Vorstellungen einer zukunftsfähigen Mobilität bei einer öffentlichen
Podiumsdiskussion im Haus der Bildung im Rahmen der Bonner
Wissenschaftsnacht.

Damit wir in Zukunft sicher autonom fahren können, müssen die einzelnen
Komponenten eines Fahrzeugs schon in der Entwurfsphase umfassend und
realistisch geprüft werden. Durch X-in-the-Loop (XiL) Tests der Sensoren
wird es möglich, Fahrzeuge und Szenarien realitätsnah zu simulieren und
die reale Komponente in ihrer Einsatzumgebung zu testen. Dadurch werden
Einflüsse auf die Verkehrssicherheit sichtbar, die mit anderen
Prüfmethoden nicht oder erst bei der Freigabe des Gesamtfahrzeugs erkannt
werden können. Auf der Hannover Messe präsentieren Forschende des
Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
in Darmstadt zukunftsweisende Ergebnisse (Halle 5, Stand A06).

Bei der Entwicklung von hochautonomen Fahrfunktionen stellt die
Validierung und Verifikation von kamerabasierten Sensorsystemen einen
entscheidenden Entwicklungsschritt dar. Mit einer Kamera-in-the-Loop-
Testumgebung ist es möglich, den Einfluss von Fahrzeugschwingungen auf die
Klassifizierung von Objekten in unterschiedlichen, virtuellen
Verkehrssituationen zu untersuchen, um die Sicherheit und Funktionalität
von kamerabasierten Sensorsystemen sicherzustellen.

Fraunhofer LBF validiert und verifiziert autonome Fahrfunktionen

Automatisierte Fahrzeuge stellen vermutlich die größte Veränderung im
Bereich der Mobilität seit der Erfindung des Verbrennungsmotors dar. In
absehbarer Zukunft werden Fahrzeuge vollständig autonom (Level 4 und 5 der
SAE-Skala) am Straßenverkehr teilnehmen. Als Forschungspartner unterstützt
das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit
LBF in Darmstadt Hersteller und Zulieferer bei der Entwicklung dieser
Fahrzeuge mit Analysen der Systemzuverlässigkeit (zum Beispiel FMEA) und
Methoden zur Validierung virtueller Prototypen in Multiskalensimulationen.

Neben der individuellen Komfortsteigerung für den Passagier, der die
Fahrzeit nutzen kann, ermöglichen automatisierte Fahrzeuge einen
effizienteren und reibungsloseren und Straßenverkehr. Die Gewährleistung
der aktiven und passiven Fahrzeugsicherheit wird durch das sichere
Fahrzeugverhalten abgelöst. Im vollständig automatisierten Straßenverkehr
wird der Crash vermieden, was zu enormen Ressourceneinsparungen und völlig
neuartigen Funktionskonzepten führt. Um dieses Ziel zu erreichen, muss
nicht nur die sichere Funktion, sondern das sichere Verhalten des
Fahrzeugs innerhalb jeder denkbaren Fahrsituation nachgewiesen werden.
Dies beinhaltet die richtige Wahrnehmung und Interpretation der
Verkehrssituation, die richtige Entscheidung über das Fahrzeugverhalten
und die Umsetzung dieser Entscheidung durch das Fahrzeug als
mechatronisches Gesamtsystem.

Das Fraunhofer LBF legt wichtige Grundsteine für die ganzheitliche
Verifikation und Validierung sowie die simulationsbasierte Entwicklung.
Dabei haben die Darmstädter Forschenden wesentliche Innovationen im
Zusammenspiel von virtuellen und realen Tests entwickelt, die auf einem
szenarien-basierten, datengetriebenen Ansatz beruhen. Die Ergebnisse
werden für den Autobahnverkehr und für urbane Verkehrssituationen
angewendet.

Die Empa hat in den letzten Jahren gemeinsam mit einem externen
Hydraulikspezialisten eine vollvariable elektrohydraulische
Ventilsteuerung entwickelt, welche sich für Verbrennungsmotoren und andere
thermische/pneumatische Maschinen einsetzen lässt.

Vollvariabel bedeutet, dass sowohl der Ventilhub wie auch der Öffnungs-
sowie der Schliesszeitpunkt frei eingestellt werden können – und dies
sogar von einem Zyklus zum nächsten. Am Verbrennungsmotor eingesetzt gibt
diese volle Flexibilität neue Freiheitsgrade für Optimierungen.
Beispielsweise lässt sich die Last bei Ottomotoren ohne Drosselklappe und
von einem Zyklus zum nächsten einstellen, die Volllast kann optimiert
werden und der Motor lässt sich auf verschiedene Treibstoffe "per
Software" anpassen.

Die Empa hat den Ventiltrieb an einem Ottomotor aufgebaut und erforscht
die Potentiale. Eine Variante der Laststeuerung ist die
Zylinderabschaltung. Das heisst, einzelne Zylinder werden im
Teillastbereich in hoher Last betrieben, andere werden zugleich ganz
abgeschaltet indem alle Ventile geschlossen bleiben. Der plötzliche
Übergang vom Betrieb mit allen Zylindern auf den Betrieb mit
abgeschalteten Zylindern würde allerdings ungewünschte Drehmomentspitzen
mit sich bringen, so dass der Übergang sanft gestaltet werden muss. In
heute auf dem Markt befindlichen System ohne vollvariable
Ventilsteuerungen werden solche Zylinderabschaltungen durch stark
effizienzmindernde Zündeingriffe ausgelöst. Mit der vollvariablen
Ventilsteuerung der Empa lassen sich einzelne Zylinder dagegen ohne
Effizienzverlust abschalten.

Ebenso wie die vollständige Abschaltung von Zylindern ist es auch möglich,
sie seltener zu zünden. So wird aus einem Viertakt-Betrieb, ein Acht- oder
Zwölftakt-Betrieb. Im Vergleich zu einem gedrosselten Viertakter arbeitet
ein solcher Motor deutlich effizienter.