Potenzialanalyse der Hybridisierung bei geschichteten ottomotorischen Brennverfahren mit Hilfe systematischer Optimierungsmethoden

Abstract

Der hybrid-elektrische Antriebsstrang in Verbindung mit einem Ottomotor ist ein vielversprechender Ansatz um die aktuellen und zukünftigen CO2-Emissionsregulationen einzuhalten. In der vorliegenden Arbeit wird mittels systematischer Entwicklung und Optimierung der hybriden Betriebsstrategie aufgezeigt, welche Maßnahmen zu einer maximalen Reduktion des Kraftstoffverbrauchs im Neuen Europäischen Fahrzyklus beitragen können. Neben der Elektrifizierung des Antriebstrangs ist der Einsatz des geschichteten Brennverfahrens bei direkteinspritzenden Ottomotoren (DE) eine wirkungsvolle Stellgröße. Um jegliche Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung mit einhergehender CO2-Minimierung in Betracht zu ziehen, wird in dieser Arbeit ein Hybridfahrzeug mit direkteinspritzendem Ottomotor einem konventionellen Fahrzeug unter Einsatz des geschichteten Brennverfahrens gegenübergestellt. Dabei wird geklärt, ob Verbrauchsvorteile der Ladungsschichtung bei Anwendung im Hybridfahrzeug mit DE auch genutzt werden können, oder ob diese geringer werden. Die Untersuchungen erfolgen unter Zuhilfenahme von Simulationsmodellen des konventionellen bzw. des Hybridfahrzeuges und dem Einsatz einer Kombination diverser Optimierungsalgorithmen zur Entwicklung der hybriden Betriebsstrategie. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden mit Messungen an einem Engine-in-the-Loop-Prüfstand verglichen, wobei sich eine gute Übereinstimmung aufzeigen und damit die hohe Aussagekraft der Simulationsergebnisse bestätigen lässt. Insgesamt erzielt die beste Betriebsstrategie in Kombination mit dem Einsatz eines geschichteten Brennverfahrens im Vergleich zum konventionellen Fahrzeug mit Homogen-Brennverfahren eine Verbrauchseinsparung von ca. -41%. Des Weiteren wird in dieser Arbeit ein Ansatz zur Überführung von einer hybriden Betriebsstrategie bei bekanntem Zyklus in eine allgemein anwendbare Strategie entwickelt.

The hybrid-electric powertrain is a promising concept to contribute to achieve current and future CO2-Emission targets. This thesis demonstrates which measures contribute to the maximum reduction of fuel consumption in the New European Driving Cycle by using a systematic development and optimisation of hybrid strategies. Apart from the electrification of the conventional powertrain, the stratified combustion process represents an efficient manipulation variable. In order to consider all possibilities for the minimisation of fuel consumption and associated CO2-Emissions, a hybrid-electric vehicle using a direct-injection gasoline engine (DE) is compared to a conventional vehicle using the stratified combustion process. This comparison determines if the benefit of fuel consumption of the stratified combustion process can also be used by the hybrid-electric vehicle with DE, or if the benefit is less. The investigations are done by using simulation models of the conventional and hybrid-electric vehicle in combination with several optimisation algorithms in order to develop the hybrid operation strategies. The results of the simulation are compared with measurements from an Engine-in-the-Loop test bed and prove a good agreement, thus confirming the high reliability of the simulation results. The best operating hybrid strategy in combination with the stratified combustion process was able to reduce fuel consumption by approximately -41% in the New European Driving Cycle, compared to the conventional vehicle using the homogenous combustion process. In addition to this investigation a systematic approach was developed to transfer the hybrid strategy for a known driving cycle into rules for general applications.