Untersuchung des Emissions- und Verbrauchsverhaltens eines hybriden Antriebsstrangs mit direkt einspritzendem Ottomotor am Engine-in-the-Loop Prüfstand

Abstract

Durch zunehmende Ressourcenknappheit und immer restriktivere Abgasgesetzgebungen werden hohe Anforderungen an zukünftige Antriebskonzepte gestellt. Neben Downsizing und variablem Ventiltrieb zeigt sich die Direkteinspritzung als zielführende Möglichkeit, die Effizienz des Ottomotors zu steigern. Eine zusätzliche Erweiterung der Magerlaufgrenze durch Ladungsschichtung eröffnet darüber hinaus Wirkungsgradpotentiale. Im Gegensatz zur homogenen Einspritzung im Ansaughub findet beim Magerbrennverfahren die Einspritzung des Kraftstoffes im Kompressionshub statt und bildet dadurch ein zündfähiges Luft/Kraftstoffgemisch im Bereich der Zündkerze bei globalem Sauerstoffüberschuss. Zwar können auf diese Weise, bedingt durch den entdrosselten Betrieb die Ladungswechselverluste drastisch gesenkt werden, allerdings ergeben sich neue Herausforderungen in der Abgasnachbehandlung. Ein weiteres vielversprechendes Antriebskonzept stellt der hybride Antriebsstrang dar. Durch die Erweiterung des konventionellen Antriebsstrangs mit einem Elektromotor ergeben sich neue Betriebsarten des Fahrzeuges. Je nach Leistung der E-Maschine und der Batteriegröße ist ein rein elektrisches Fahren bei niedrigen Geschwindigkeiten möglich. Zusätzliche Betriebsstrategien ermöglichen ein Abstellen des Verbrennungsmotors, wenn dessen Leistung nicht benötigt wird. Durch den generatorischen Betrieb des Elektromotors ist eine Rückgewinnung der Bremsleistung oder ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei Lastpunkten mit höherem Wirkungsgrad möglich. Diese neuen Betriebsweisen stellen neben Verbrauchs- und Emissionseinsparungspotentialen ebenfalls geänderte Anforderungen an die Abgasnachbehandlung. Diese Arbeit beschäftigt sich einerseits mit dem Einsatz eines direkteinspritzenden Ottomotors mit homogenem Brennverfahren im Vergleich zu dem Betrieb mit geschichtetem Magerbrennverfahren in einem konventionellen Fahrzeug, wie auch mit den beiden unterschiedlichen Brennverfahren in einem hybriden Antriebsstrang. Neben der Eröffnung von Potentialen zur Verbrauchsabsenkung im neuen europäischen Fahrzyklus findet auch eine Analyse des Emissionsverhaltens statt. Da eine starke Temperaturabhängigkeit der Konvertierungseigenschaft der Abgasnachbehandlungs-anlage besteht, wird das thermische Verhalten dieser detailliert untersucht. Die Untersuchungen werden an einem Engine-in-the-Loop Prüfstand durchgeführt. Bei diesem hochdynamischen Prüfstand befindet sich der komplette Motor mit dem Motorsteuergerät als reale Hardware in einem Simulationskreislauf. Simulationsmodelle sind für eine kosteneffiziente und zeitoptimierte Entwicklung heute unverzichtbar. Eine zufriedenstellende Modellgüte des Verbrennungsmotors und des Emissionsentstehungsprozesses ist allerdings nur unter sehr hohem Aufwand realisierbar. Die Engine-in-the-Loop Simulation stellt hierbei ein probates Mittel zur Entwicklung zukünftiger Antriebsstränge dar.