Simulationsgestützte Optimierung eines Parallelhybridantriebsstrangs durch methodische Adaptierung eines modernen direkteinspritzenden aufgeladenen Ottomotors

Abstract

In dieser Arbeit konnte mittels Simulationsrechnungen gezeigt werden, dass durch die Summe aller in dieser Arbeit vorgestellten Maßnahmen die Effizienz eines Fahrzeuges der Kompaktwagenklasse um bis zu 29 % gesteigert werden konnte. Gleichzeitig wurden die Beschleunigungswerte um bis zu 13 % und die Elastizitätswerte um bis zu 8% verbessert. Hinsichtlich der CO2-Emissionen konnten die Forderung der EU-Komission nach 130 g/km im NEDC erfüllt werden. Dies entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 5.6 Liter ROZ 95-Kraftstoff. Die massivsten Verbesserungen hinsichtlich des Treibstoffverbrauchs konnten durch die Hybridisierung des Gesamtantriebsstranges durch ein Parallelhybridkonzept erzielt werden. Das Hybridfahrzeug verbrauchte im NEDC um 18% weniger als das Fahrzeug ohne Hybridtechnologie. Mit dem vorgestellten Parallelhybridkonzept wurden die zusätzlichen Betriebsmodi Start/Stopp, LPA, E-Fahren, Boosten und Bremsenergierückgewinnung realisiert. Hervorzuheben ist, dass eine verhältnismäßig geringe elektrische Leistung von 15 kW zum Erreichen der oben genannten Ziele ausreichte. Im Real Life Cycle bewirkte die Hybridtechnologie eine Verbrauchseinsparung von 5%. Der Grund für das geringere Einsparungspotenzial dieses Zyklus liegt darin, das die Betriebsmodi Start/Stopp, LPA, und E-Fahren angesichts des Geschwindigkeits¬profils wesentlich seltener zum Einsatz kommen als im NEDC. Eine Optimierung der Betriebsstrategie in Anbetracht des dynamischeren Verhaltens des realen Betriebs könnte hier einen geringen Anstieg des Verbesserungspotenzials bringen. Im Betrieb mit Ethanol (E85) zeigt das Hybridfahrzeug die gleichen Tendenzen wie mit ROZ 95, jedoch bei weiteren Effizienzsteigerungen. Die vorgestellten Maßnahmen zur Anpassung der VKM umfassten den Einsatz eines Hochtumble-Brennverfahrens, die Steigerung des Low-End-Torque und den Betrieb mit Ethanol. Die Untersuchungen an der VKM zeigten, dass mit dem Hochtumble-Brennverfahren die Effizienz gesteigert und das Emissionsniveau gesenkt werden kann. Herausragend sind im Volllastbetrieb die verbesserte Verbrennungslage und damit der deutlich verringerte Kraftstoffanreicherungsbedarf zur Einhaltung der Bauteilschutzgrenze des Abgasturboladers. Weiters ermöglicht das neue stabilere Brennverfahren die hohen Drehmomentsteigerungen im unteren Drehzahlbereich bedingt durch den spülenden Ladungswechsel ohne das Auftreten von irregulären Verbrennungen. Zur Verbesserung des Low-End-Torques wurde die VKM dahingehend modifiziert, dass ein Volllastbetrieb mit spülendem Ladungswechsel (Scavenging) möglich ist. Es wurde der Öffnungswinkel der Auslassnockenwelle verkürzt um einen für Scavenging hinderlichen Restgaspuls zu unterbinden und die Steuerzeiten wurde so verändert, dass der Bereich der Ventilüberschneidung vergrößert wurde. In Kombination mit dem Hochtumble-Zylinderkopf konnte das maximale Drehmoment mit diesen einfachen Änderungen um bis zu 34 % bei 1500 min-1 gesteigert werden. Mit den Simulationsrechnungen konnte der Einfluss des verbesserten Volllastverhaltens auf das Beschleunigungs- und Elastizitätsverhalten ermittelt werden. Die Beschleunigungswerte verbesserten sich um 3 % und die Elastizitätswerte um 19 %. Ein weiterer Vorteil von Scavenging ist das verbesserte Instationärverhalten. Dies wurde nicht im Simulationsmodell abgebildet. Zusätzliche Steigerungen des Low-End-Torques wären durch weitere Optimierungen des Brennverfahrens und der Steuerzeiten denkbar. E85 hat sich als eine sinnvolle Alternative zum herkömmlichen Ottokraftstoff ROZ 95 gezeigt und der Betrieb der untersuchten VKM mit diesem alternativen Kraftstoff stellt eine interessante Ergänzung zum Gesamtfahrzeugkonzept dar. Die hohe Klopffestigkeit und die chemischen Eigenschaften von Ethanol führen zu Vorteilen bei den gesetzlich limitierten Emissionen als auch zu einer Wirkungsgradverbesserung. Die möglichen hohen Spitzendrücke mit Scavenging lagen bei den Untersuchungen über den zulässigen Grenzwerten der untersuchten VKM.<br />Eine Steigerung der Festigkeit und der Verdichtung würde weitere Vorteile bezüglich Effektivität und Low-End-Torque-Verhalten bringen. Zusätzlich zu dem Einfluss der Maßnahmen an der VKM und der Hybridisierung auf den Gesamtantriebsstrang wurde mittels Simulationsrechungen untersucht, wie sich ein Herabsetzen der Motordrehzahl durch geänderte Getriebeübersetzungen (Downspeeding) auf das Gesamtkonzept auswirkt. Der Verbrauch konnte so im NEDC um 4 % und im RLC um 3 % gesenkt werden. Die Beschleunigungswerte werden durch Downspeeding nicht signifikant verschlechtert.