Michael Wittler

Quantifying the effects of strains on the conductivity and porosity of LiFePO4 based Li-ion composite cathodes using a multi-scale approach

A general continuum theory is developed for ion intercalation dynamics in a single crystal of a rechargeable battery cathode. It is based on an existing phase-field formulation of the bulk free energy and incorporates two crucial effects: (i) anisotropic ionic mobility in the crystal and (ii) surface reactions governing the flux of ions across the electrode/electrolyte interface, depending on the local free energy difference. Although the phase boundary can form a classical diffusive “shrinking core” when the dynamics is bulk-transport-limited, the theory also predicts a new regime of surface-reaction-limited (SRL) dynamics, where the phase boundary extends from surface to surface along planes of fast ionic diffusion, consistent with recent experiments on LiFePO4. In the SRL regime, the theory produces a fundamentally new equation for phase transformation dynamics, which admits traveling-wave solutions. Rather than forming a shrinking core of untransformed material, the phase boundary advances by filling (or emptying) successive channels of fast diffusion in the crystal. By considering the random nucleation of SRL phase-transformation waves, the theory predicts a very different picture of charge/discharge dynamics from the classical diffusion-limited model, which could affect the interpretation of experimental data for LiFePO4.

Air path models for gasoline engines with extended valve train variability

Two novel engine control models which account for multiple parameters influencing the air path in gasoline engines with extended valve train variabilities have been investigated at the Institute for Combustion Engines at RWTH Aachen University within the scope of FVV (Research Association for Combustion Engines) project 938 “Air path model for variable valve trains”. The first model constitutes static as well as learnable physical-neuronal functionalities that are integrated into the engine management software of the FVV engine control unit. The second model concerns a real-time gas exchange algorithm in which high-resolution pressure signals on the intake and exhaust port as well as the cylinder pressure signals were used. Hereby, the respective software was implemented on a high-performance rapid control prototyping unit.

Boosting and direct injection

To further reduce the Corporate Average Fuel Economy in order to meet the ACEA target values agreed upon, more intense efforts are required in the areas of engine and drive train development by 2008 or 2012. FEV has thoroughly analyzed this kind of concept and analyzed the fundamental synergy effects resulting from the additional combination of supercharging with direct injection in close detail.

Aufladung und Direkteinspritzung

Zur weiteren Absenkung des Flottenverbrauchs im Hinblick auf die vereinbarten ACEA-Zielwerte sind verstarkte Anstrengungen im Bereich der Motoren- und Antriebsstrangentwicklung bis 2008 beziehungsweise 2012 erforderlich. Die FEV hat grundlegend untersucht, inwieweit die Kombination von Aufladung und Direkteinspritzung bei Ottomotoren sinnvoll ist und die Synergieeffekte, die sich aus dieser Kombination ergeben, detailliert analysiert.

Future exhaust emission measurement technology requirements

While in the past — especially in emission roller dynamometers — the emphasis used to be on integrated measurement of emissions via bag using CVS systems, the transient course of emissions in the cycles is increasingly becoming relevant for the development. As a result, FEV Motorentechnik GmbH and the Chair for Combustion Engines, RWTH Aachen University, are working together on optimizing these measurements.

Steuergerätefähige Luftpfadmodelle Für Ottomotoren Mit Erweiterter Ventiltriebsvariabilität

Zur Durchfuhrung von Forschungsaufgaben an Motoren mit erweiterter Ventiltriebsvariabilitat wurden im Rahmen des FVV-Vorhabens 938 „Luftpfadmodell fur variable Ventiltriebe“ am Lehrstuhl fur Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen University neuartige Motorsteuerungsfunktionalitaten untersucht, die insbesondere die Mehrdimensionalitat des Luftpfads berucksichtigen. Neben einem lernfahigen, physikalisch-neuronalen Fullungsmodell, welches in die Motorsteuerungssoftware des FVV-Steuerrechners integriert wurde, konnte eine echtzeitfahige Ladungswechselrechnung realisiert werden. Die Umsetzung der Ladungswechselrechnung mit hochaufgelosten Drucksignalen auf der Ein- und Auslassseite sowie dem Zylinderdruck wurde auf einem leistungsfahigen Rapid-Control-Prototyping-Steuergerat durchfuhrt.

Zukünftige Anforderungen an die Abgasmesstechnik

In der Vergangenheit stand vor allem bei Emissionsrollenprufstanden die integrative Messung der Emissionen uber die Beutelanalyse mit CVS-Anlagen im Vordergrund. Heute ist fur die Entwicklung verstarkt der transiente Verlauf der Emissionen in Zyklen relevant. Daher beschaftigten sich die FEV Motorentechnik und der Lehrstuhl fur Verbrennungskraftmaschinen RWTH Aachen University in einem gemeinsamen Projekt mit der Optimierung dieser Messungen.

Integrating the turbo charging system optimization into the engine development

Increasing demands on the load build up, fuel consumption and emission of vehicle drive trains are leading to a stronger integration of supplier component parts into the optimization process of the whole engine. In this context the exhaust gas turbocharger plays an important role in future drive train concepts especially for the reduction of CO2 emissions. This is caused on the one hand by the technical complexity of this device and on the other hand by the significant influence of the turbocharger on driving performance and fuel consumption. The latter applies especially for the trend in engine developments towards smaller engines. “Off shelf solutions” as they were common until just a few ago to achieve performance variants of an engine family are only exceptions in contemporary applications. This article from FEV and the Institute for Combustion Engines (VKA) of the RWTH Aachen University describes an integral approach for the development and optimization of turbochargers by integration of different tools and methods into the development process of the drive train.

Integration von Aufladesystem- und Motorentwicklung

Gestiegene Anspruche an Fahrzeugantriebe bezuglich Leistungsentfaltung, geringen Kraftstoffverbrauchs und niedrigsten Emissionen fuhren zunehmend zur Integration von Zuliefererkomponenten in den Optimierungsprozess des Gesamtmotors. In diesem Kontext nimmt der Abgasturbolader gerade bei zukunftigen Antriebskonzepten zur Verminderung der CO2-Emissionen eine besondere Stellung ein. Ursache ist zum einen die technische Komplexitat dieser Energiewandlungsmaschine und zum anderen der signifikante Einfluss des Turboladers auf Fahrverhalten und Kraftstoffverbrauch. Letzteres gilt insbesondere vor dem Hintergrund des Motorentwicklungstrends hin zu kleinen Motoren. Dieser Artikel der FEV und des Lehrstuhls fur Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen University beschreibt einen ganzheitlichen Ansatz zur Entwicklung und Optimierung von Turboladern durch die Integration unterschiedlicher Werkzeuge und Methoden in den Antriebsentwicklungsprozess.