Energieeffizienz von Dieselmotoren unter besonderer Berücksichtigung der Nebenaggregate

Abstract

Diese Arbeit behandelt die detaillierte Untersuchung und die Effizienzoptimierung von Nebenaggregaten eines Nutzfahrzeuge Antriebstrangs. Zur Durchführung der Arbeit wurde eine detaillierte numerische Simulation in MatLab Simulink entwickelt, mittels der die Längsdynamik eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung der entsprechenden Fahrwiderständen wie Luftwiderstand, Steigungswiderstand, Kurvenwiderstand und Rollwiderstand nachgebildet werden konnte. Die Simulation umfasst den gesamten Antriebstrang mit den relevanten primären und sekundären Nebenaggregaten wie Wasserpumpe und Ölpumpe als auch Klimaanlagekompressor, Luftpresser und Lenkservopumpe. Ebenso ist ein Regelmodell für einen elektronischen Fahrer implementiert. Um das Simulationsprogramm mit genauen Real-world Streckendaten zu versehen und den berechneten Kraftstoffverbrauch zu validieren, wurde ein Lastkraftfahrzeug unter realen Fahrbedingungen gefahren und mit hoher Zeitauflösung vermessen. Weitere wichtige Inputdaten stellten detaillierte Kennfelder von Motorprüfstanduntersuchungen und Nebenaggregaten dar. Der Vergleich der gemessenen und berechneten Kraftstoffverbräuche erbrachte im Mittel über längere Fahrstrecken sehr gute und im zeitlich hoch aufgelösten Detail gute Übereinstimmungen.<br />Zur Effizienzsteigerung wurden Strategien entwickelt, die Antriebsleistung von jedem Nebenaggregat unabhängig von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, an den jeweiligen Leistungsbedarf anzupassen.<br />Zu diesem Zweck wurden Modelle für variabel stufenlose Antriebe der Nebenaggregate implementiert. Die Größe und die Funktionalität der Nebenaggregate selbst wurden nicht geändert. Durch diese optimierte Ansteuerung konnte eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um zwei Prozent bei einem voll beladenen Lastkraftwagenzug berechnet werden.<br />

In this work a detailed investigation and an efficiency optimization of the auxiliaries and the corresponding auxiliary drives of modern motor vehicles is presented.<br />A detailed numeric simulation is developed in MatLab Simulink. With this simulation the longitudinal dynamics of a motor vehicle considering the corresponding driving resistances such as the air resistance, the specific resistance on inclined track, the curve resistance and the rolling friction resistance can be calculated. The simulation includes the entire power train with relevant primary and secondary auxiliaries such as the water pump and the oil pump as well as the air conditioning compressor, the air compressor and the steering booster pump.<br />Furthermore, a control model of an electronic driver is implemented.<br />The simulator routine is fed with exact Real-world cycle data. This data was taken from test rides with a heavy goods vehicle. The measurements were done with a very high sampling rate and also include the fuel consumption. Detailed characteristic diagrams of the engine and the auxiliaries taken from test bench investigations are also used as input data. The comparison of the measured and calculated fuel consumption showed very good accordance when averaged over further drive distances and good accordance when viewed in detail.<br />Strategies to control the auxiliaries were implemented in order to achieve efficiency improvements of the vehicle. The strategies work such way that the mechanical power of every individual auxiliary gets adjusted to the demanded power regardless of the speed of the internal combustion engine. For this purpose models for variable continuous drives of the auxiliaries were implemented. The size and the functionality of the auxiliaries were not changed. A fuel consumption improvement of two percent in a fully loaded truck could be calculated using these optimized control methods.