Methodenentwicklung in der eindimensionalen Simulation am Beispiel eines Nutzfahrzeugantriebs und eines direkteinblasenden Erdgasantriebs unter besonderer Berücksichtigung phänomenologischer Verbrennungsmodelle

Abstract

Da sowohl durch wirtschaftliche als auch durch gesetzliche Vorgaben die Fahrzeugeffzienz bei der Entwicklung in den Vordergrund rückt, ist es erforderlich, spezialisierte Methoden anzuwenden, die einerseits eine Optimierung des Gesamtsystems und andererseits die Untersuchung von innovativen Antriebskonzepten ermöglichen. Zwei Beispiele sollen die Entwicklung solcher Methoden zeigen; einerseits ein Nutzfahrzeugprojekt, bei dem ein detailliertes Motormodell mit einem reaktionskinetischen Modell des Abgasnachbehandlungssystems gekoppelt wurde und andererseits ein Pkw-Projekt, bei dem ein Modell eines direkteinblasenden Erdgasmotors mit einem Gesamtfahrzeugmodell gekoppelt wurde. Bei beiden Motormodellen stand der Einsatz von phänomenologischen Verbrennungsmodellen im Mittelpunkt. Im angesprochenen Nfz-Projekt wurde ein direkteinspritzender doppelt aufgeladener 10,5l Dieselmotor für Euro VI inklusive Abgasanlage am Prüfstand vermessen und mit Hilfe der Software GT-Suite in einem Simulationsmodell abgebildet. Das Modell beinhaltet ein prädiktives Strahlaufbruchmodell nach Hiroyasu für die Verbrennung und ein Reaktionskinetikmodell zur Simulation des Abgasnachbehandlungssystems. Neben der Kalibrierung der einzelnen Teilmodelle wurden dieselben zu einem Gesamtmodell kombiniert, das an Hand von Messergebnissen in Stationärpunkten wie auch in transienten Zyklen validiert wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden wurde in diesem Fall ein prädiktives, phänomenologisches Motormodell mit dem Abgasnachbehandlungsmodell gekoppelt, wodurch detaillierte Untersuchungen auf Systemebene möglich sind. Diese umfassen die Betrachtung verschiedener Aufbaukonfigurationen der Abgasanlage und der AGR-Kühlung sowie die numerische Systemoptimierung, bei der sowohl Motorbetriebsparameter als auch Kenngrößen des Abgasnachbehandlungssystems optimiert wurden. Im Zuge des Aufbaus dieses Modells konnte gezeigt werden, wie das prädiktive Verbrennungsmodell effizient kalibriert werden kann. Mit dem so gewonnenen Modell wurden die Aufbaukonfiguration des Motors wie auch Einstellung wesentlicher Parameter für den Betrieb zuerst mit dem detaillierten Modell und anschließend mit Hilfe eines Mittelwertmodells optimiert. Im zweiten Teil wurde ein monovalenter, direkteinblasender Erdgasmotor untersucht, der im Rahmen eines Gesamtfahrzeugprojekts zur Entwicklung eines vollwertigen Ultraleichtfahrzeugs mit CO2-Emissionen im NEFZ unter 50g/km zum Einsatz kam. Erdgas bietet neben dem günstigeren C/H-Verhältnis weitere Vorteile gegenüber herkömmlichem Ottokraftstoff, die durch eine Festlegung auf monovalenten Erdgasbetrieb voll ausgeschöpft werden konnten. Auch hier wurde ein prädiktives Motormodell auf Basis des für ottomotorische Verbrennung weit verbreiteten Entrainment-Modells generiert. Da für dieses Modell zur Anwendung an kleinen, schnelllaufenden Motoren nur Daten für herkömmlichen Ottokraftstoff verfügbar sind, wurden verschiedene Ansätze zur Beschreibung der laminaren Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von Methan analysiert. Der am besten geeignete Ansatz kam in einem detaillierten Motormodell zum Einsatz. Im Anschluss wurde gezeigt, wie dieser weiterentwickelte Ansatz in den Entwicklungsprozess integriert werden kann, indem eine Auswahl für einen optimierten Abgasturbolader getroffen werden konnte. Weiters konnte mit diesem Modell eine geeignete Nockenwelle für einen Atkinson-Zyklus ausgelegt werden. Abschließend wurde dieses Modell mit einem Gesamtfahrzeugmodell gekoppelt, wodurch deutlich realistischere Ergebnisse hinsichtlich Fahrdynamik und Fahrzeugeffizienz als mit einem herkömmlichen kennfeldbasierten Ansatz erzielt werden konnten.

conomic as well as legislative demands lead to an increased focus on vehicle efficiency. Therefore, specialized approaches are essential that on the one hand are able to optimize the overall system and on the other hand to evaluate innovative propulsion concepts. This thesis shows the development of such approaches on the basis of two examples: the coupling of a detailed heavy duty engine model with a reaction kinetics model of an aftertreatment system and the combination of a direct injection natural gas engine with a model of a complete vehicle. Both engine models have been built up with phenomenologic combustion models. The heavy duty project consisted of a 10,5l compression ignition engine with direct injection and twin turbochargers capable of Euro VI which has been built up on the engine dyno including the complete aftertreatment system and consequently simulated in a simulation model created with GT-Suite. For the combustion model the Hiroyasu spray model has been used and the afterteatment system was simulated using chemical reaction kinetics. After calibration of the single submodels a complete model has been created which has been validated with results of steady-state and transient cycle measurements. In contrast to conventional methods, in this case a predictive, phenomenological engine model has been coupled to the exhaust aftertreatment model. Therefore, detailed investigations on a system level are possible as different configurations of the exhaust system and the EGR cooling system as well as numerical system-level optimization where engine operation parameters L and exhaust aftertreatment parameters have been optimized simultaneously. During the build-up of this model it could be shown how the predictive combustion model can be calibrated efficiently. The resulting model has been used together with a mean value model to optimize the configuration and the operating strategies of the system. The second project focused on the investigation of a natural gas-dedicated engine with direct injection which has been used for a full-fledged ultra-light vehicle capable of reducing CO2-Emissions in the NEDC to below 50g/km. Natural gas offers not only an advantageous C/H ratio but also other potentials compared to conventional gasoline fuel which could be gained due to the monovalent layout of the vehicle. A predictive engine model has been created by the use of the widely-used entrainment model. Due to the fact that for this model data for small high-speed engines is only available for gasoline various approaches for the laminar flame speed of Methane available from literature have been evaluated. The most promising one has been applied in a detailed engine model and the layout of the turbocharger and the camshaft for an Atkinson cycle has been developed to show how this approach can be utilized in the development process. In the final step the engine model has been integrated into a complete vehicle model to evaluate the single measures regarding vehicle dynamics and efficiency. This approach of an integrated model with predictive combustion modeling leads to more realistic results compared to conventional map-based approaches.