mit weniger schneller sein

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Die hohen Kraftstoffpreise und der Klimawandel verlangen heute nach ver- brauchsärmeren Autos. Die Formula Student (FS) folgt diesem Trend, wie die Verdopplung der erreichbaren Punktzahl in der Disziplin Kraftstoffver- brauch zeigt. In der kommenden Saison wird der Kraftstoffverbrauch 15 % der Gesamtpunktzahl in den dynamischen Disziplinen ausmachen. Mit weniger schneller sein FORMULA STUDENT GERMANY Technik Highlights I Technical Highlights Die Autoren I The Authors Michiel Pruijssers, Abteilung Öffentlich- keitsarbeit, DUT Racing Team. Michiel Pruijssers, Public relations department, DUT Racing Team. Arnold de Jager, Abteilung Öffentlich- keitsarbeit, DUT Racing Team. Arnold de Jager, Public relations department, DUT Racing Team. Formula Student Germany 30

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Page 1: Mit weniger schneller sein

Die hohen Kraftstoffpreise und der Klimawandel verlangen heute nach ver-brauchsärmeren Autos. Die Formula Student (FS) folgt diesem Trend, wie die Verdopplung der erreichbaren Punktzahl in der Disziplin Kraftstoffver-brauch zeigt. In der kommenden Saison wird der Kraftstoffverbrauch 15 % der Gesamtpunktzahl in den dynamischen Disziplinen ausmachen.

Mit weniger schneller sein

FormulA STuDenT GermAny Technik Highlights I Technical Highlights

Die Autoren I The Authors

Michiel Pruijssers,Abteilung Öffentlich-keitsarbeit, DuT racing Team.Michiel Pruijssers,Public relations department, DuT racing Team.

Arnold de Jager,Abteilung Öffentlich-keitsarbeit, DuT racing Team.Arnold de Jager,Public relations department, DuT racing Team.

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1 Einleitung

Die TU Delft (TUD) ist sich der Wichtig-keit des Erhalts unserer Umwelt und der Notwendigkeit umweltverträglicher Ent-wicklungen bewusst. Das Rennteam der TUD hat diese Perspektive eingenommen und gibt sein Bestes, um zu einem um-weltverträglicheren FS-Rennwettbewerb beizutragen. Die Rennsaison 2008 war für die TUD durch zwei große Erfolge ge-kennzeichnet: Einmal gewann das Team den Fuel Economy Award bei der Formu-la Student UK in Silverstone und erhielt außerdem bei der Formula Student Ger-many in Hockenheim, Bild 1, den ersten Preis für den schnellsten und zugleich sparsamsten Rennwagen insgesamt. In der kommenden Saison wird das Team versuchen, die Leistung des Vorjahres noch zu verbessern und eine noch größe-re Kraftstoffeinsparung zu erreichen. Das Rennteam der TUD erreichte die Er-gebnisse des letzten Jahres durch die Ver-wendung einer Vielzahl von Technolo-gien in den Bereichen Fahrwerk, Antrieb und Elektronik. Diese drei Bereiche ha-ben einen großen Einfluss auf die Fahr-leistung und den Verbrauch. Dieser Bei-trag diskutiert die interessantesten und wichtigsten Merkmale des 2008er-Renn-autos der TU Delft im Bereich Kraftstoff-einsparung und Leistungsfähigkeit.

2 Gewichtreduzierung

Das Gewicht beeinflusst den Kraftstoff-verbrauch in erheblichem Maße. Abgese-hen davon, dass zusätzliches Gewicht die Manövrierbarkeit, die Beschleunigung und die Bremsfähigkeit reduzieren kann, hat es auch einen deutlichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch. Der Schlüs-sel zum Erfolg ist das richtige Gleichge-wicht aus Kraftstoffeinsparung und Leis-tungsfähigkeit, ohne an Fahrersicherheit einzusparen. Zunächst einmal verwen-det das Rennteam der TUD einen 26 kg leichten 450-cm3-Einzylinder-Motor WR450 von Yamaha. Des Weiteren macht auch das Fahrwerk einen großen Anteil der Gesamtmasse des Rennautos aus, was also bedeutet, dass entscheidende Gewichteinsparungen hier erreicht wer-den können. Zum Beispiel ist es möglich, das Vorderteil des Rennautos unter Ver-wendung von Verbundstoffen anstelle ei-ner Aluminium-Wabenstruktur neu zu konstruieren.

Die im 2008er-Rennauto der TUD ver-wendete Crash-Nase aus Hybridverbund-stoff mit Kohle- und Aramidfasern behält die Fahrersicherheit bei und ermöglicht gleichzeitig eine erhebliche Gewichtsre-duzierung. Die Crash-Nase hat ein Ge-wicht von etwa einem kg, während die bisherige Nasenkonstruktion ein Viel-

Bild 1: Der DUT08 bei seinem siegreichen Rennen in HockenheimFigure 1: The DUT08 in it‘s winning race at the Hockenheim track

Being Faster with Less

Today, high fuel prices and climate

change are demanding more fuel-effi-

cient cars. Formula Student (FS) is fol-

lowing this trend, as is shown by the

doubling of points to be gained in the

Fuel Economy event. For the coming sea-

son, fuel economy will represent 15 % of

the total score for dynamic events.

1 Introduction

The Delft University of Technology (DUT)

understands the importance of preserv-

ing our environment and the need for

sustainable development. The DUT Rac-

ing team has adopted this perspective

and is doing its best to contribute to a

more sustainable FS racing competition.

The DUT Racing 2008 season was marked

by two major achievements: firstly, the

team won the Fuel Economy award at FS-

UK at Silverstone and secondly, at FS-G

at Hockenheim, they won the overall first

prize by being the fastest while still being

most fuel-efficient car, Figure 1. In the

coming season, the team will attempt to

improve on last year’s performance and

become even more fuel-efficient. In order

to achieve last year’s results, the DUT

Racing team applied a variety of technol-

ogies in the disciplines of chassis, power-

train and electronics. These three disci-

plines have a large impact on perform-

ance and efficiency. This article will dis-

cuss the most interesting and important

features of the DUT08 car concerning fuel

economy and efficiency.

2 Weight Reduction

Weight has a major influence on fuel

consumption. Apart from the fact that

added weight can reduce manoeuvrabil-

ity, acceleration and braking, it also has a

significant impact on fuel consumption.

The key to success is to find the right bal-

ance between efficiency and perform-

ance without compromising driver safe-

ty. First of all, the DUT Racing team

chooses a single-cylinder 450 cc Yamaha

WR450 engine, which weighs only 26 kg.

The chassis also represents a major por-

tion of the total car mass, which means

that significant weight gains can be

achieved here. For example, one can re-

design the front nose by using composite

materials instead of an aluminium hon-

eycomb structure. The hybrid composite

31 ATZextra I Dezember 2008

Page 3: Mit weniger schneller sein

faches davon wiegt. Die Eigenschaften dieses Materials sowie dessen Konstrukti-on bieten einen hervorragenden Crash-Widerstand. So kann auf die Stahlplatte, die die Füße des Fahrers schützt, verzich-tet werden, woraus sich eine zusätzliche Gewichteinsparung ergibt.

Die Crash-Nase ist Teil eines weiteren wichtigen Bauteils: des Kohlefaser-Mono-coques. Dieses Konzept hat seinen Ur-sprung in der Raumfahrtindustrie und ist vergleichbar mit dem Rumpf eines Flugzeugs, bei dem die Außenhaut einen großen Teil der Last trägt. Normalerwei-se werden relativ schwere Balken und andere Bauelemente zur Lastabtragung und zur Verbindung verschiedener Ab-schnitte des Autos verwendet. Auch eine teilweise mit High-Density-Schaumstoff verstärkte, ziemlich dünne Verbundstoff-Außenhaut kann diese Aufgabe erfüllen und besitzt dabei ähnliche oder sogar verbesserte Eigenschaften. Diese reichen von der Steifigkeit, der Festigkeit und dem Gewicht bis hin zur Ästhetik, Aero-dynamik und Ergonomie. Die Außen-haut erfüllt eine doppelte Funktion, in-dem sie die Notwendigkeit einer separa-ten inneren und äußeren Struktur be-hebt. Dies erhöht eindeutig die Gesamt-effizienz. Aus unserer Sicht kann die Monocoque-Bauweise, insofern sie rich-tig angewendet wird, einem rohrför-migen Spaceframe, wie er bei vielen FS-Autos zu sehen ist, überlegen sein.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass das Fahrwerk des 2008er-Rennautos, Bild 2, der TUD eine große Rolle bei der Redu-zierung des Gesamtgewichts des Autos spielt. Das Team setzt nur dann Metalle ein, wenn die Verwendung von Verbund-stoffen zusätzlich zu den Herstellungs-kosten und -möglichkeiten nicht zur Ge-wichtreduzierung oder zur Erhöhung der Festigkeit beiträgt.

3 Ethanol als Kraftstoff

Im vergangenen Jahr begann das Renn-team der TUD, Kraftstoff aus Bioethanol zu verwenden. Diese Wahl eines alternativen Kraftstoffs hat eine ganz neue Palette an Möglichkeiten für das Antriebssystem er-öffnet. Das Team verwendet E85, eine Mi-schung aus 85 % Ethanol und 15 % Benzin. Die Haupteigenschaft dieser Kraftstoffmi-schung ist ihr hoher Oktanwert (maximal

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Technik Highlights I Technical Highlights

crash nose with carbon and aramid fi-

bres used on the DUT08 preserves driver

safety while at the same time providing

significant weight reduction. It weighs

about one kg, whereas the regular nose

construction weighs several times more.

The properties of the material and its

construction provide excellent crash re-

sistance. This allows the steel plate pro-

tecting the driver’s feet to be removed,

thus leading to an additional reduction

in weight.

The crash nose is part of another key

component: the carbon fibre monocoque.

This concept originates from aerospace

structural engineering and is similar to

the fuselage of an aircraft, in which the

skin carries a major proportion of the

loads. Usually, relatively heavy beams

and other structural elements are used to

transfer loads and to join different sec-

tions of the car. A fairly thin composite

skin, which is partly reinforced with high-

density foam, can also perform this task,

while having similar or improved proper-

ties. These range from stiffness, strength

and weight to aesthetics, aerodynamics

and ergonomics. The skin performs a

double function, thus eliminating the

need for a separate inner and outer struc-

ture. This definitely contributes to the

overall efficiency. It is our view that a

monocoque design, if applied properly,

can be superior to a tubular space frame

as seen on a lot of FS cars.

To summarize, the chassis of the DUT08,

Figure 2, plays a major role in the overall

weight reduction of the car. The team

only employs metals where the use of

composite materials does not contribute

to weight reduction or an increase in

strength in addition to manufacturing

costs and possibilities.

3 Ethanol as a Fuel

Last year, the DUT Racing team started

using bio-ethanol fuel. This alternative

fuel choice has opened up a new range of

possibilities for the powertrain group. The

team uses E85, which is a mixture of 85 %

ethanol and 15 % petrol. The major char-

acteristic is the high octane value (maxi-

mum 105), which allows a significant in-

crease in the compression ratio without

the fuel self-igniting. As a result, the den-

sity of the fuel/air mixture is higher, which

leads to more efficient combustion. The

compression ratio for the DUT09 will be

increased beyond the previous 1:12.3 for

the DUT08. Ethanol can be gained from

biomass and biodegradable waste. Com-

monly used resources are sugar cane,

sugar beet, corn, wheat and barley. By

fermenting these natural resources, the

sugars are transformed into ethanol

Another advantage is the better combus-

tion properties of E85. This can be ob-

served in the peak pressure, which is

higher compared to regular petrol. What

is more, this occurs in a shorter time

span, which means that it counteracts

less with the piston and less heat is dis-

sipated. Obviously, this has a positive

influence on the overall efficiency.

The latest cars of the DUT Racing team

all have a Yamaha 450 cc single-cylinder

engine. Although these engines are less

powerful compared to the four-cylinder

engines used by other teams, the combi-

nation with a lightweight car is very in-

teresting. Single-cylinder engines have a

higher mechanical efficiency compared

to four-cylinder engines as there are few-

er moving components and, because

they have a smaller overall cylinder sur-

face, heat dissipation is lower. Further-

more, the improvements in fuel efficiency

compared to larger engines are consider-

able. A smaller engine will ultimately

consume less fuel. Four-cylinder engines

produce about 90 bhp, while the DUT08

engine develops only 50 bhp. Even

though this is a lot less power than other

cars, it is sufficient for the DUT08. This is

not only due to the lightweight concept,

but also the result of the flat torque curve

that is characteristic of the Yamaha

WR450. As a result, the engine perhaps

has more power at lower engine speeds

than a larger four-cylinder engine! The

car is not only fast in corners, but also in

a straight line, as proven by finishing in

second place in the Acceleration event at

Silverstone.

Another improvement is the camshaft.

This has been revised and the engine

now delivers more torque in the range

up to 4000 rpm. This gives the car a more

responsive driving experience at the low-

er rpm range. The revision also allowed

additional improvements in fuel efficien-

cy. Once again, the DUT Racing team did

not focus on developing the engine to

provide even more power, as the racing

Page 4: Mit weniger schneller sein
Page 5: Mit weniger schneller sein

105), der ein deutlich höheres Verdich-tungsverhältnis ohne Selbstzündung des Kraftstoffs ermöglicht. Das Ergebnis ist ei-ne höhere Dichte des Kraftstoff-Luft-Ge-misches, was zu einer effizienteren Ver-brennung führt. Das Verdichtungsverhält-nis für die 2009er-Rennwagen der TUD wird über die bisherigen 1:12.3 des 2008er-Rennwagens hinaus steigen. Ethanol kann aus Biomasse und biologisch abbaubarem Abfall gewonnen werden. Hierfür werden gewöhnlich die Ressourcen Rohrzucker, Rübenzucker, Mais, Weizen und Gerste ver-wendet. Durch Fermentation dieser natür-lichen Ressourcen wird Zucker in Ethanol umgewandelt.

Ein weiterer Vorteil sind die verbes-serten Verbrennungseigenschaften von E85. Diese sind am Spitzendruck feststell-bar, der höher ist als bei normalem Ben-zin. Außerdem sind die Verbrennungsvor-gänge kürzer, was bedeutet, dass sie dem Kolben weniger entgegenwirken, wo-durch weniger Wärme abgeleitet wird. Dies hat natürlich wiederum einen posi-tiven Einfluss auf die Gesamteffizienz.

Die neusten Rennwagen des Renn-teams der TUD haben alle 450-cm3-Einzy-linder-Motoren von Yamaha. Diese Mo-toren sind im Vergleich zu den Vierzylin-der-Motoren der anderen Teams zwar weniger leistungsstark, werden aber durch die Kombination mit dem leichten Auto interessant. Einzylinder-Motoren besitzen einen höheren mechanischen Wirkungsgrad als Vierzylinder-Motoren,

da sie weniger bewegte Bauteile haben und aufgrund ihrer kleineren Zylinder-fläche weniger Wärmeableitung auftritt. Des Weiteren sind die Verbesserungen in der Kraftstoffeinsparung im Vergleich zu größeren Motoren beachtlich. Ein klei-nerer Motor verbraucht letztendlich we-niger Kraftstoff. Vierzylinder-Motoren er-zeugen eine Leistung von etwa 66 kW, während der 2008er-Motor der TUD le-diglich 37 kW erzeugt. Obwohl diese Leis-tung viel geringer als die anderer Autos ist, reicht sie dennoch für die TUD 2008 aus. Dies begründet sich nicht nur durch die Leichtbauweise, sondern ist auch das Ergebnis einer flachen Drehmomentkur-ve, die für den WR450 von Yamaha cha-rakteristisch ist. Demzufolge ist es mög-lich, dass der Motor bei niedrigeren Mo-tordrehzahlen eine größere Leistung als ein größerer Vierzylinder-Motor besitzt! Das Auto fährt nicht nur in Kurven schnell, sondern auch auf geraden Stre-cken, wie beim FS-Rennen in Silverstone durch den zweiten Platz in der Disziplin Acceleration bewiesen wurde.

Eine weitere Verbesserung ist die No-ckenwelle. Durch Überarbeitung der No-ckenwelle konnte erreicht werden, dass der Motor im Bereich bis 4000/min mehr Drehmoment erzeugt. Dies gibt dem Auto im niedrigeren Drehzahlbereich ein bes-seres Ansprechverhalten. Durch die Über-arbeitung wurde außerdem eine verbes-serte Kraftstoffeinsparung erreicht. Wie-der legte das Rennteam der TUD seinen

Bild 2: Kohlefaser-Antriebsachse und -AuhängungsstrebenFigure 2: Carbon fibre drive axles and suspension arms

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Formula Student Germany34

Technik Highlights I Technical Highlights

conditions and car did not require it, but

they focused on using the engine in a

more efficient way.

The gearbox of the DUT08 has five gears.

On the racetrack, the second and third

gears are used most of the time. There-

fore, the team is studying ways of im-

proving drivability by fine-tuning the per-

formance of the car for these gears. This

would allow engine performance to be

enhanced, as it would create additional

fuel savings through more efficient driv-

ing. Less shifting and more power over a

broader range of engine speed might

prove to be a good choice. To conclude

the effects of the powertrain on fuel effi-

ciency, the Delft team has taken some

initiatives on the development of a sus-

tainable racing car. The fuel used is much

more environmentally friendly than regu-

lar fuel, provides high octane rates and

reduces the overall fuel consumption.

4 Electronics

In the previous sections, it was discussed

that the chassis and powertrain have a

significant impact on the fuel efficiency

of the DUT cars. However, the fuel con-

sumption of the car is ultimately man-

aged by the electronics of the car. The

main goal of the electronics team is to

optimise the efficiency of the different

components of the car. The most relevant

components in this area are the engine,

the engine sensors, the fuel pump and

the battery.

All of these components are managed by

one system: the engine management

system. For cost reasons, for educational

purposes and to maintain the flexibility

of the system, the team decided to de-

velop this system themselves. The hard-

ware is home-made, while the software

is adapted from VEMS (Versatile Engine

Management System).

The developed engine management sys-

tem allows fine-tuning of the engine tim-

ing and, more specifically, control of the

two injectors. The key element for opti-

mum timing is the acquisition of data

through a network of sensors present in

the engine. Once data is acquired, it is

analyzed in the engine management sys-

tem. The real challenge in this respect is

the ‘cleanliness’ of the data (i.e. filtering

out the ‘noise’ in data). This means that

the sensors need to be perfectly posi-

Page 6: Mit weniger schneller sein

Schwerpunkt nicht auf die Entwicklung eines Motors, der noch größere Leistung erzeugt, da die Rennbedingungen und das Auto dies nicht erforderten, sondern darauf, den Motor effizienter zu nutzen.

Das Getriebe des 2008er-Rennautos der TUD besitzt fünf Gänge. Auf der Rennstrecke wird die meiste Zeit im zweiten und dritten Gang gefahren. Da-her untersucht das Team Möglichkeiten,

das Fahrverhalten durch Feinabstim-mung der Leistung des Autos in diesen Gängen zu verbessern. Hierdurch würde eine verbesserte Motorleistung ermög-licht werden, da durch effizienteres Fah-ren zusätzlich Kraftstoff eingespart wer-den könnte. Weniger Schaltvorgänge und größere Leistung über einen brei-teren Motor-Drehzahlbereich könnten sich als sehr vorteilhaft erweisen.

Um die Auswirkungen des Antriebs auf die Kraftstoffeinsparung abzuschlie-ßen, hat das Rennteam der TUD einige Unternehmungen zur Entwicklung eines umweltverträglichen Rennautos geleistet. Der verwendete Kraftstoff ist umweltfreundlicher als herkömm-licher Kraftstoff, besitzt hohe Oktan-werte und reduziert den Gesamtkraft-stoffverbrauch.

35 ATZextra I Dezember 2008

tioned and calibrated. The DUT08 has

sensors on the crankshaft, the flywheel

and the camshaft. Additionally, a throttle

position sensor (TPS) and MAP sensor

are also present in the car.

In addition, the fuel pump pressure is

kept at 3 bar to reduce the electrical pow-

er consumption of the pump itself. The

electricity generated has to be stored in a

battery, which is heavier and more ex-

pensive when more power is needed. By

reducing the power requirements, the

battery can be made smaller. This is a

relatively heavy component and the team

will attempt to reduce the weight of this

component for the 2009 season by using

a new type of battery.

5 Conclusion

Designing and building a fuel-efficient

car is an extensive and complicated

process. It consists of many trials, some

errors and a lot of fine-tuning. The use

of E85 last year proved to be a winning

choice. The car was fast, as was proven

by the second place in the Acceleration

event in the UK and first place in the

Endurance and Overall Dynamics

events in Germany, while at the same

time being very fuel-efficient, as was

proven by winning all the Fuel Econo-

my events in which the team participat-

ed. However, innovation does not stop,

and the Delft University of Technology

Racing team will surely prove that again

next year! ■

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Page 7: Mit weniger schneller sein

4 Elektronik

In den vorigen Abschnitten wurde erör-tert, dass das Fahrwerk und der Antrieb einen deutlichen Einfluss auf die Kraft-stoffeinsparung der TUD-Autos haben. Dennoch wird der Kraftstoffverbrauch letztendlich von der Elektronik des Au-tos gesteuert. Das Hauptziel des Elektro-nik-Teams ist es, die Effizienz der unter-schiedlichen Bauteile des Autos zu opti-mieren. Die wichtigsten Bauteile in die-sem Bereich sind der Motor, die Motor-sensorik, die Kraftstoffpumpe und die Batterie.

Alle diese Bauteile werden von einem einzigen System gesteuert: der Motor-steuerung. Aus Kostengründen, zu päda-gogischen Zwecken und zum Erhalt der Flexibilität des Systems entschied sich das Team dafür, dieses System selbst zu entwickeln. Die Hardware ist selbstge-baut, während die Software aus dem VEMS (Versatile Engine Management Sys-tem) angepasst wurde.

Die entwickelte Motorsteuerung er-möglicht eine Feinabstimmung des Zündzeitpunkts und, genauer gesagt, die

Steuerung der beiden Injektoren. Das wichtigste Element für ein optimales Ti-ming ist die Datenerfassung durch ein Netzwerk von Sensoren im Motor. Sind die Daten erfasst, so werden sie in der Motorsteuerung analysiert. Die eigent-liche Herausforderung in dieser Bezie-hung ist die “Sauberkeit” der Daten (das heißt die „Störungen“ aus den Daten her-auszufiltern). Dies bedeutet, dass die Sen-soren perfekt positioniert und kalibriert werden müssen. Im Auto der TUD gibt es Sensoren an der Kurbelwelle, dem Schwungrad und der Nockenwelle. Au-ßerdem befinden sich ein Drosselklap-pensensor (TPS) und ein Krümmer-Abso-lutdrucksensor (MAP-Sensor) im Auto.

Zusätzlich wird der Kraftstoffpum-pendruck auf 3 bar gehalten, womit die elektrische Leistungsaufnahme der Pum-pe selbst reduziert wird. Der erzeugte Strom muss in einer Batterie gespeichert werden, die umso größer und kostenin-tensiver ist, je mehr Leistung gebraucht wird. Durch Reduzierung der Leistungs-anforderungen kann die Batterie kleiner sein. Sie ist ein relativ schweres Bauteil und deshalb versucht das Team durch

Verwendung eines neuen Batterietyps, das Batteriegewicht für die Saison 2009 zu reduzieren.

5 Fazit

Ein kraftstoffsparendes Auto zu konstru-ieren und zu bauen, ist ein umfang-reicher und komplizierter Prozess, der aus vielen Tests und viel Feinabstim-mung besteht und bei dem auch immer wieder Fehler auftreten. Die Verwen-dung von E85 im vergangenen Jahr er-wies sich als sehr vorteilhaft. Das Auto ist schnell, wie der zweite Platz in der Diszi-plin Acceleration in Großbritannien so-wie der erste Platz in der Disziplin Endu-rance und bei den dynamischen Diszipli-nen insgesamt in Deutschland beweist, und ist gleichzeitig auch sehr kraft-stoffsparend, weshalb das Team bei allen Wettbewerben in der Disziplin Kraftstoff-verbrauch, bei denen es startete, gewann. Dennoch steht die Innovation nicht still und das wird das Rennteam der TU Delft sicherlich auch im nächsten Jahr wieder beweisen! ■

FormulA STuDenT GermAny

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Technik Highlights I Technical Highlights

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