Entwicklung und Bewertung eines neuen Verfahrens zur Abgas-Emissionszertifizierung von Verbrennungskraftmaschinen in Hybrid-Nutzfahrzeugen

Abstract

Das entwickelte Zertifizierungsverfahren für Hybrid-Nutzfahrzeugantriebe ist als Anhang 9 und 10 mittlerweile Bestandteil der Global Technical Regulation (GTR) No.4, welche sämtliche Testprozeduren zur Ermittlung des Schadstoffausstoßes von in Nutzfahrzeugen eingesetzten Verbrennungskraftmaschinen beschreibt. Erst durch die Übernahme dieser Vorschriften in nationale Gesetzgebung (EU, Japan, etc.) werden diese rechtswirksam. Eine vollumfängliche Bewertung des Verfahrens, inklusive der daraus resultierenden Emissionsergebnisse welche auch motorspezifische Anforderungen bei einer Hybridsystem-Entwicklung aufzeigen, sowie ein direkter Vergleich mit der konventionellen Motor-Emissionszertifizierung, konnte während der Entwicklungsphase allerdings nicht durchgeführt werden und eine Überführung von Anhang 9 und 10 in die europäische Gesetzgebung ist aktuell noch nicht erfolgt. Die Arbeit soll daher sowohl das Verfahren, und dabei im Speziellen die Entwicklung der einzelnen Maßnahmen, welche eine Vergleichbarkeit von konventionellen- und Hybridantrieben bei der Zertifizierung sicherstellen (Motor- vs. Gesamtfahrzeugtest), darstellen, als auch eine Bewertung hinsichtlich der Emissionen, im Vergleich zur konventionellen Motorzertifizierung, für einen ausgewählten Nutzfahrzeug-Motor in einem konventionellen und in mehreren Hybrid-Antriebssträngen vornehmen. Entsprechend der Frühphase in einem Fahrzeug-Entwicklungsprozess soll dies durch den umfangreichen Einsatz und die Kombination von unterschiedlichen Simulationswerkzeugen erfolgen. Eine Basis bildet die im Zuge des Zertifizierungsverfahrens entwickelte Matlab Simulink® Hybridfahrzeug-Modellbibliothek, mit welcher Gesamtfahrzeugmodelle von zwei parallel-hybrid und zwei seriell-hybrid Fahrzeugen, sowie einem konventionellen Fahrzeug aufgebaut wurden. Für die Betrachtungen sind alle Fahrzeuge mit demselben Versuchsmotor ausgestattet, sie unterscheiden sich jedoch in ihrer Antriebsstrang-Topologie sowie in deren maximaler Antriebsleistung. Die Validität der aufgebauten Fahrzeugmodelle wird in der Arbeit anhand von Messdaten vergleichbarer Hybrid-Nutzfahrzeuge gezeigt. Damit kann das entwickelte Zertifizierungsverfahren grundsätzlich virtuell durchlaufen werden. Um auch die Sensitivität der Ergebnisse bezüglich geänderter Anforderungen und Rahmenbedingungen zeigen zu können, werden mit zwei der untersuchten Fahrzeuge zusätzlich Messfahrten unter realen Einsatzbedingungen nachgestellt und diese entsprechend der Vorschriften für die Überprüfung des Emissionsverhaltens unter Verwendung von mobiler Emissionsmesstechnik (PEMS-Messfahrten) bewertet. Zur Bewertung des Motor-Emissionsverhaltens in den unterschiedlichen Einsatzszenarien wurden dessen unterschiedliche Betriebszyklen aus der jeweiligen Fahrzeuganwendung mittels GT-POWER Motorprozess-Rechenmodell des ausgewählten Versuchsmotors simuliert. Dieses umfasst ebenso ein Modell der Abgasanlage, welches neben den thermischen Eigenschaften auch die reaktionskinetischen Prozesse bei der Schadstoffkonvertierung im Abgasnachbehandlungssystem abbildet. Das gesamte Rohemissionsverhalten wird auf Basis eines phänomenologischen Verbrennungsmodells, physikalisch-chemischen Entstehungsmechanismen bzw. messdaten-trainierten neuronalen Netzen abgebildet. Motor- und Abgasnachbehandlungsmodell wurden auf [1] aufgesetzt und auf Grundlage von Messdaten neu parametriert sowie validiert. Im Ergebnis der Arbeit kann mit der eingesetzten Toolkette aus Gesamtfahrzeugsimulation und Motorprozessrechnung somit die Funktion und die Wirkweise der entwickelten Zertifizierungs- und Zertifizierungs-Begleitvorschriften, welche einen fairen Vergleich zwischen Motoren in konventionellen und in hybriden Antriebssystemen in Bezug auf die Bewertung der Schadstoffemissionen ermöglichen, gezeigt werden. Insbesondere der Einfluss einer Berechnung der spezifischen Emissionen (g/kWh) auf Basis der gesamten vom Hybridsystem abgegebenen Antriebsarbeit (Systemarbeit) - im Vergleich zur konventionell herangezogenen Verbrennungsmotorarbeit, sowie die Funktion eines dynamischen Steigungsprofils zur adaptiven Leistungsanpassung im eingesetzten Fahrzeug-Fahrzyklus werden dabei hervorgehoben. Für die unterschiedlichen Einsatzszenarien des betrachteten Versuchsmotors in den verschiedenen Hybridantriebssträngen und -fahrzeugen kann damit exemplarisch gezeigt werden, dass der Einsatz und die Zertifizierung des konventionell homologierten Versuchsmotors in beiden parallel-hybrid Anwendungen auch im Rahmen der neu entwickelten Zertifizierungsmöglichkeit problemlos möglich scheint. In der seriell-hybrid Anwendungen sowie bei den Untersuchungen zu realen Fahrzeugeinsatzszenarien mit hochdynamischem Stadtbus-Lastkollektiv zeigte sich allerdings ein differenzierteres Bild. Ursachen und Wirkmechanismen werden im Ergebnis der Arbeit detailliert erläutert.

The developed emission certification and type approval procedure for combustion engines installed in heavy duty hybrid powertrains is as Annex 9 and 10 already part of Global Technical Regulation (GTR) No.4, which describes all procedures necessary to determine the pollutant emissions of combustion engines installed in heavy duty powertrains. By adoption into national legislation (EU, Japan, etc.) these procedures become legally effective, however Annex 9 and 10 are by now not part of any European legislation. A comprehensive procedure-assessment, including resulting emissions which outline engine specific requirements for a hybrid system engine development and application and a direct comparison with engine emissions in the engine’s conventional duty cycle could not be performed within the development program. This work shall therefore describe the developed procedures for a hybrid engine certification in detail as well as all additionally developed measures which allow the emission results to be comparable with those from conventional engine type approval testing (engine vs. vehicle testing). In addition, an assessment of the emission behaviour of a particular heavy duty engine in its conventional duty cycle and in various vehicle applications, including one conventional and multiple hybrid powertrains is then made to identify if a conventionally certified engine is also able to fulfil the hybrid certification procedure or if there are additional measures to be taken. With respect to an early phase in a vehicle development process this shall be achieved by extensively applying and combining multiple simulation tools. As a basis the Matlab Simulink® hybrid vehicle model library developed within the hybrid engine certification procedure development was used to set up longitudinal vehicle dynamic models of two parallel-hybrid and two serial-hybrid vehicles as well as one conventional vehicle. Despite their different powertrain layout and power rating they all utilize the same combustion engine. The validity of all models is shown based on measured chassis-dyno data from comparable hybrid vehicles. Therewith the certification procedure can be virtually conducted without the need of testing multiple vehicles again. To additionally investigate the result-sensitivity on changing boundary conditions, on-road test runs are simulated with two of the different hybrid vehicles. The emission behaviour is thereby evaluated according to testing regulations for mobile emission measurement runs (PEMS test runs). To determine the engine’s emission behaviour in all scenarios, the resulting engine duty cycles from the vehicle simulations are simulated using a GT-POWER engine model of the respective engine. This also includes an aftertreatment system model which is able to depict the thermal behaviour of the exhaust system as well as the exhaust gas- and catalyst reaction kinetics. The engine’s modelled raw emission behaviour is based on a quasi-dimensional combustion model, physical and chemical mechanisms as well as neuronal networks trained with measured test bed data. Engine and aftertreatment model are based on [1] and newly parameterized and validated for this application. As an outcome of this work, the applied toolchain using complete vehicle longitudinal dynamics simulations in conjunction with an engine simulation model allows to demonstrate the effectiveness of the developed certification- and certification-accompanying regulations, which enable a fair comparison between engines in conventional and hybrid powertrains with regard to their pollutant emission assessment. Among other things, especially the effect of calculating the specific pollutant emissions (g/kWh) based on the entire propulsion work delivered by the hybrid system (system work) - compared to the conventionally used combustion engine work - and the principles of a vehicle driving cycle with adaptive power adjustment by dynamic road gradients are highlighted. For the different application scenarios of the considered test engine in the various hybrid powertrains and vehicles investigated it can be exemplarily shown, that the use and certification of the conventionally homologated test engine in both parallel-hybrid applications seems easily possible in the context of the newly developed certification option. However, a more differentiated picture emerged for the certification of the engine in both serial hybrid applications as well as for the investigated real-world city bus driving scenario within the serial-hybrid powertrain. Causes and mechanisms are explained in detail within this work.