Entwicklung von Betriebsstrategien mit Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens von Motorkomponenten für ein Hybridfahrzeug mit Ottomotor

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad sowie auf die Emissionierung eines Ottomotors in einem Hybridfahrzeug. Aus dem Stand der Technik zum Thema Betriebsstrategien für Hybridfahrzeuge geht hervor, dass Einflussgrößen auf den Wirkungsgrad des Ottomotors überwiegend durch statische Kennfelder in Betriebsstrategieansätzen implementiert werden. Im realen Fahrbetrieb sind diese Einflussgrößen jedoch zeitlichen Änderungen ausgesetzt. Um das dynamische Verhalten der Einflussgrößen in einer Betriebsstrategie zu berücksichtigen, werden Modelle der Motorkomponenten erstellt, welche die Einflussgrößen beinhalten. Die Modelle werden im Anschluss in die Längsdynamiksimulation des Hybridfahrzeuges implementiert. Aus den Erkenntnissen der Untersuchungen werden darauffolgend Betriebsstrategien abgeleitet und in Echtzeit am Engine-in-the-Loop-(EiL)-Prüfstand in Fahrzyklen verifiziert. Der Hauptteil wird thematisch in drei dynamische Effekte eingeteilt – zeitlich verzögerter Drehmomentaufbau durch die Turboladerdynamik, verzögertes Aufheizen der Ansauglufttemperatur durch die thermische Trägheit des Systems und Sauerstoffein- bzw. auslagerungen im 3-Wege-Katalysator. Die Trägheit in der Turboladerdynamik kann dazu führen, dass der Istwert des Motormomentes dem steilen Gradienten der Sollwertvorgabe aus der Betriebsstrategien nicht mehr folgen kann. Zur Kompensation wird das Elektromotormoment angehoben, weshalb sich der elektrische Energieverbrauch erhöht und der Batterieladezustand sinkt. Durch die Berücksichtigung der Turboladerdynamik lassen sich Abweichungen im Lade-zustand zwischen offline optimierten und am EiL-Motorenprüfstand in Echtzeit durchgeführten Betriebsstrategien vermeiden und Kraftstoffverbrauchseinsparungen von bis zu 3,8 % erzielen. Die Erhöhung der Ansauglufttemperatur führt zu einer Abnahme des indizierten Wirkungsgrades des Ottomotors. Im Betriebsstrategieansatz wird dieser Zusammenhang berücksichtigt. Um das dynamische Aufheizen der Ansaugluft zu untersuchen, wird ein semi-empirisches Modell des Niedertemperaturkreislaufs des Hybridfahrzeuges erstellt. In Fahrzyklen mit unterschiedlich hoher durchschnittlich angeforderter Antriebsstrangleistung führt eine Betriebsstrategie unter Einbeziehung der Ansauglufttemperaturänderung zu einer Verbrauchsersparnis von bis zu 1,4 %. Der höchste Anstieg bei der Partikelbildung im Betrieb eines Hybridfahrzeugs ist auf eine Kraftstoffanreicherung im Motorstart zurückzuführen. Während des Motorstarts und des Motorabstellvorgangs lagert sich Sauerstoff im 3-Wege-Katalysator ein. Durch die hohe Konzentration von Reduktionsmitteln bei der Verbrennung eines fetten Kraftstoff-Luft-Gemisches kann der Sauerstoff reversibel ausgelagert werden kann. Eine Betriebsstrategie zur Vermeidung von Phasen hohen Sauerstoffeintrages in die Katalysatoren kann durch eine gezielte Manipulation der Getriebeschaltlinien den Partikelausstoß um mehr als 50 % reduzieren.

The present work deals with factors influencing the efficiency and emissions of a gasoline engine in a hybrid vehicle. From the state of the art regarding energy management strategies for hybrid vehicles, it is evident that factors influencing the efficiency of the gasoline engine are primarily implemented through static maps in an energy manage-ment strategy approach. However, in real-world driving conditions, these influencing fac-tors are subject to temporal changes. To consider the dynamic behavior of these factors in an energy management strategy, models of engine components that include these influencing factors are created. For this purpose, an turbocharged gasoline engine is experimentally examined on an engine test bench under various conditions. The models are then implemented into the longitudinal dynamics simulation of the hybrid vehicle. Based on the findings of these investigations, energy management strategies are subsequently derived and verified in driving cycles.The main part of the work is divided thematically into three dynamic effects: the time-delayed torque buildup due to turbocharger dynamics, the delayed heating of the intake air temperature due to thermal inertia of the system, and oxygen storage/release in the 3-way catalytic converter.In the case of turbocharger dynamics, the inertia can lead to a situation where the actual engine torque cannot follow the steep gradient of the desired value from the energy management strategy. To compensate for this, the electric motor torque is increased, which results in an increase in electrical energy consumption and a decrease in battery state of charge. By considering turbocharger dynamics, deviations in the state of charge between offline-optimized and at the engine test bench in real-time tested energy management strategies can be avoided, leading to fuel consumption savings of up to 3.8%.Increasing the intake air temperature leads to a decrease in the indicated efficiency of the gasoline engine. This relationship is considered in the energy management strategy approach. To investigate the dynamic heating behavior of the intake air, a semi-empirical model of the low-temperature circuit of the hybrid vehicle is created. In driving cycles with varying levels of average demanded drive train power, an energy management strategy that takes into account the intake air temperature change results in fuel savings of up to 1.4%.The highest increase in particle formation during the operation of a hybrid vehicle is due to fuel enrichment during engine start-up. During engine start and shutdown, oxygen is stored in the 3-way catalytic converter. Due to the high concentration of reducing agents during the combustion of a rich fuel-air mixture, the oxygen can be reversibly expelled. An energy management strategy to avoid phases of high oxygen input into the catalysts can reduce particle emissions by more than 50% through targeted manipulation of the transmission shift lines.