Optimierte Auslegung von ottomotorischen Hybridantriebssträngen unter realen Fahrbedingungen

Balazs, Andreas; Pischinger, Stefan; Eckstein, Lutz

doi:HT018899058

Optimierte Auslegung von ottomotorischen Hybridantriebssträngen unter realen Fahrbedingungen = Optimized layout of hybrid powertrains with gasoline engines under real world driving conditions

Balazs, Andreas

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Balazs

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (IV, 170 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pischinger, Stefan (Thesis advisor) ; Eckstein, Lutz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-012778
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/569562/files/569562.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/569562/files/569562.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Institut für Thermodynamik (412310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Hybrid (frei) ; Ottomotor (frei) ; Optimierung (frei) ; Antrieb (frei) ; design of experiments (frei) ; parametrische Beschreibung (frei) ; Antriebstrang (frei) ; Betriebsstrategie (frei) ; Konzept (frei) ; Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
KurzfassungAufgrund der vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten der Komponenten in Hybridantriebssträngen ergibt sich eine große Komplexität bei Auslegung dieser Systeme. In dieser Arbeit wurde der im FVV Forschungsvorhaben „Optimierte Auslegung von Ottomotoren für Hybridantriebsstränge“ entwickelte Optimierungsansatz mit einer Kombination aus statistischer Versuchsplanung, Längsdynamiksimulation und numerischer Optimierung für Hybridantriebsstränge auf reale Fahrbedingungen erweitert. Dabei wurde besonderer Fokus auf die Erweiterung der parametrisierten Beschreibung des Motors für reale Fahrbedingungen gelegt. Da in den zusätzlich zum NEFZ ausgewählten realitätsnahen Fahrzyklen stärkere Beschleunigungen und höhere Geschwindigkeiten auftreten, wurde der Einfluss der Gemischanreicherung als Bauteilschutzmaßnahme mit in die Parametrisierung einbezogen. Zusätzlich wurden Erweiterungen in der Modellierung des Motor- und Getriebeaufheizverhaltens, des Katalysatorheizens sowie des Getriebewirkungsgrades vorgenommen.Es wurden neben dem Parallelhybridantriebsstrang ein Mischhybridantriebsstrang und ein serieller Hybrid betrachtet. Für alle drei Antriebsstränge wurden auch Plug-in Varianten untersucht, wobei das Optimierungskriterium minimale kombinierte CO2-Emissionen aus Kraftstoffverbrauch und elektrischem Energieverbrauch war.Der Einfluss des Verbrennungsmotorkonzeptes nimmt mit steigendem Elektrifizierungsgrad ab. Das Potential zur Verbrauchs- und damit CO2-Emissionsminderung durch Downsizing mit Turboaufladung nimmt bei stärkeren Beschleunigungsanteilen und höheren Geschwindigkeiten im Fahrzyklus bei Hybridantriebssträngen unter den gewählten Randbedingungen ab. Der Einfluss der Gemischanreicherung in den betrachteten Fahrzyklen auf die CO2-Emissionen ist gering.Es hat sich gezeigt, dass mit einer Hybridisierung verschiedener Antriebsstränge unter realen Fahrbedingungen ein großes CO2-Emissionsminderungspotential besteht, wobei Plug-In Systeme vor allem im urbanen Umfeld Vorteile bieten.Es können unter der Annahme des Europäischen Strommixes von 400 g CO2/kWh mit großen emissionsfreien Anteilen Einsparungen von bis zu 60% der CO2-Emissionen in den betrachteten Fahrzyklen erreicht werden. In Fahrzyklen, die mit Plug-In Konzepten rein elektrisch gefahren werden können, sind der Mischhybridantriebsstrang und der Parallelhybridantriebsstrang die besten Konzepte.Vergleicht man den seriellen Hybrid und den Mischhybrid als Plug-In Version in Fahrzyklen mit einer langen Fahrstrecke von etwa 100 km ergeben sich nur etwa 7% höhere CO2-Emissionen des seriellen Hybrid. Im Artemis Motorway, der ebenfalls nicht komplett rein elektrisch gefahren werden kann, liegen die CO2-Emissionen der beiden Konzepte auf gleichem Niveau. Aufgrund des Betriebs des Verbrennungsmotors beim seriellen Hybrid auf einer wirkungsgradoptimalen Betriebslinie kann ein großer Teil der Verluste der mehrfachen Energiewandlung kompensiert werden.Die verwendeten Motorkonzepte Atkinsonsaugmotor und Downsizing Turbo-DI Motor bieten die geringsten CO2-Emissionen in den untersuchten Fahrzeugen und Fahrsituationen. Dabei hat der Atkinsonmotor Nachteile in Fahrzyklen mit geringer Leistungsanforderung und der Turbo-DI Motor bei hoher Leistungsanforderung.Die vorgestellte Simulationsmethodik und die erzielten Ergebnisse bieten eine gute Möglichkeit, während einer Konzeptphase hybride Antriebsstränge zu optimieren und ohne genaue Kenntnis aller einzelnen Komponenten ein Konzeptlayout zu erstellen sowie Einflüsse des Fahrprofils auf die Komponentenauswahl zu erkennen und zu bewerten.

The design of Hybrid Powertrains involves great complexity due to the possibility of various component combinations. In this thesis, the investigations of the FVV research program „Optimierte Auslegung von Ottomotoren für Hybridantriebsstränge“ were enlarged to a wide range of customer relevant driving conditions to investigate the influence of the powertrain layout and to carry out an optimization. The simulation approach was extended to real driving conditions with focus on the parametric description of the combustion engine. Due to the relevance of higher accelerations and higher vehicle speed in the customer relevant driving cycles, the fuel enrichment for component protection was implemented in the simulation approach. Additional the warm-up behaviour of the combustion engine and the transmission, catalyst heating and the modelling of the transmission efficiency were extended the full operation range of real world conditions.The investigations were done with the parallel hybrid powertrain, a mixed hybrid powertrain and a series hybrid powertrain. For all powertrains also plug-in variants were optimized to the combination of minimized CO2-emissions and electric power consumption.The influence of the combustion engine decreases with higher degree of electrification. The potential to reduce CO2-emissions, with downsizing and turbocharging of the combustion engine, decreases in the used driving cycles due to stronger accelerations and higher vehicle speeds. The influence of fuel enrichment in the investigated driving cycles is low.The results of the simulations shows, that hybridization of various powertrains under real driving conditions has a high potential for CO2-emission reduction. Plug-in hybrid systems have advantages mainly in urban driving situations.Under the boundary condition of the average European electric energy mix with 400 g/kWh CO2-emission per kWh, a CO2-emission reduction of up to 60% can be archived in the simulated driving cycles. In driving cycles with full electric driving of plug-in hybrid powertrains, the parallel hybrid and mixed hybrid powertrain are the best concepts.The comparison of series plug-in hybrid and mixed plug-in hybrid in long distance driving cycles (approx. 100 km), shows only 7% higher CO2-emissions of the series hybrid. In the Artemis motorway driving cycle that cannot be driven pure electric the mixed hybrid and the series hybrid has nearly the same CO2-emissions. The optimal operation of the combustion engine in the series hybrid compensates the most of the additional losses of the electric system with multiple energy conversion.The combustion engines with Atkinson concept and downsized Turbo-DI concept shows the lowest CO2-emissions in the investigated vehicles and driving cycles. The Atkinson engine has advantages in driving cycles with high power demand and the Turbo-DI engine has advantages in low load driving cycles.The presented simulation methodology shows a good possibility to optimize hybrid powertrains and components in a concept phase. For the simulation approach detailed data of the components are not necessary and the scaling approach can show influences of driving profiles, components and operation strategy in any driving situation to layout a complete powertrain.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)