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Reihe herausgegeben von M. Bargende, Stuttgart, Deutschland H.-C. Reuss, Stuttgart, Deutschland J. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart

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Reihe herausgegeben vonM. Bargende, Stuttgart, DeutschlandH.-C. Reuss, Stuttgart, DeutschlandJ. Wiedemann, Stuttgart, Deutschland

Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart

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Das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) an der Univer-sität Stuttgart erforscht, entwickelt, appliziert und erprobt, in enger Zusammen-arbeit mit der Industrie, Elemente bzw. Technologien aus dem Bereich moderner Fahrzeugkonzepte. Das Institut gliedert sich in die drei Bereiche Kraftfahrwesen, Fahrzeugantriebe und Kraftfahrzeug-Mechatronik. Aufgabe dieser Bereiche ist die Ausarbeitung des Themengebietes im Prüfstandsbetrieb, in Theorie und Simula-tion. Schwerpunkte des Kraftfahrwesens sind hierbei die Aerodynamik, Akustik (NVH), Fahrdynamik und Fahrermodellierung, Leichtbau, Sicherheit, Kraftübertra-gung sowie Energie und Thermomanagement – auch in Verbindung mit hybriden und batterieelektrischen Fahrzeugkonzepten. Der Bereich Fahrzeugantriebe widmet sich den Themen Brennverfahrensentwicklung einschließlich Regelungs- und Steue- rungskonzeptionen bei zugleich minimierten Emissionen, komplexe Abgasnachbe-handlung, Aufladesysteme und -strategien, Hybridsysteme und Betriebsstrategien sowie mechanisch-akustischen Fragestellungen. Themen der Kraftfahrzeug-Mechatronik sind die Antriebsstrangregelung/Hybride, Elektromobilität, Bordnetz und Energiemanagement, Funktions- und Softwareentwicklung sowie Test und Dia-gnose. Die Erfüllung dieser Aufgaben wird prüfstandsseitig neben vielem anderen unterstützt durch 19 Motorenprüfstände, zwei Rollenprüfstände, einen 1:1-Fahr-simulator, einen Antriebsstrangprüfstand, einen Thermowindkanal sowie einen 1:1-Aeroakustikwindkanal. Die wissenschaftliche Reihe „Fahrzeugtechnik Univer-sität Stuttgart“ präsentiert über die am Institut entstandenen Promotionen die her-vorragenden Arbeitsergebnisse der Forschungstätigkeiten am IVK.

Reihe herausgegeben vonProf. Dr.-Ing. Michael BargendeLehrstuhl FahrzeugantriebeInstitut für Verbrennungsmotoren und KraftfahrwesenUniversität StuttgartStuttgart, Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Hans-Christian ReussLehrstuhl KraftfahrzeugmechatronikInstitut für Verbrennungsmotoren und KraftfahrwesenUniversität StuttgartStuttgart, Deutschland

Prof. Dr.-Ing. Jochen WiedemannLehrstuhl KraftfahrwesenInstitut für Verbrennungsmotoren und KraftfahrwesenUniversität StuttgartStuttgart, Deutschland

Weitere Bände in der Reihe http://www.springer.com/series/13535

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Morris Langwiesner

Konzepte für bestpunktoptimierte Verbrennungsmotoren innerhalb von Hybridantriebssträngen

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Morris LangwiesnerStuttgart, Deutschland

Wissenschaftliche Reihe Fahrzeugtechnik Universität Stuttgart ISBN 978-3-658-22892-7 ISBN 978-3-658-22893-4 (eBook)https://doi.org/10.1007/978-3-658-22893-4

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer Vieweg © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2018Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral.

Zugl.: Dissertation Universität Stuttgart, 2018

D93

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

Springer Vieweg ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH und ist ein Teil von Springer NatureDie Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany

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Vorwort

Die vorliegende Dissertation entstand in der Vorentwicklung der Daimler AGin Stuttgart und wurde durch Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende vom In-stitut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgartbetreut.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende für dasErmöglichen und die Unterstützung dieser Arbeit sowie die Übernahme desHauptreferates.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber danke ich für das entgegenge-brachte Interesse an dieser Arbeit und die Übernahme des Koreferates.

Herzlich bedanken möchte mich bei Herrn Dr.-Ing. Christian Krüger für diewissenschaftliche Betreuung und bei Herrn Dr.-Ing. Rüdiger Steiner, der alsAbteilungsleiter meine Arbeit stets gefördert hat. Herrn Sebastian Donath dan-ke ich für die hervorragende Einarbeitung und die fachliche Unterstützung.Ebenfalls bedanken möchte ich mich hiermit bei den zahlreichen Kollegen undStudenten, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.

Eine ganz besondere Anerkennung gilt meiner Mutter Shirley, die mich stetsgefördert und zum Erreichen meiner Ziele unterstützt hat.

Zuletzt möchte ich mich bei meiner lieben Freundin Sabrina für ihre entgegen-gebrachte Unterstützung und Geduld während der Anfertigung dieser Arbeitbedanken.

Stuttgart Morris Langwiesner

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Vorwort ........................................................................................ VAbbildungsverzeichnis ................................................................... XITabellenverzeichnis.......................................................................XVAbkürzungsverzeichnis................................................................XVIISymbolverzeichnis ......................................................................XXIKurzfassung ............................................................................. XXVAbstract ................................................................................ XXVII

1 Einleitung ................................................................................ 1

1.1 Motivation......................................................................... 11.2 Ziele und Aufbau der Arbeit .................................................. 2

2 Grundlagen .............................................................................. 5

2.1 Begriffsdefinitionen ............................................................. 52.2 Modellklassen .................................................................... 6

2.2.1 0D-Modelle............................................................. 72.2.2 1D-Modelle............................................................. 82.2.3 3D-Modelle............................................................. 82.2.4 Quasidimensionale Modelle ........................................ 9

2.3 Thermodynamische Grundlagen ............................................. 92.4 Modellierung der Verbrennung............................................. 12

2.4.1 Vorgabe von Ersatzbrennverläufen.............................. 122.4.2 Verwendung empirischer Modelle .............................. 142.4.3 Verwendung phänomenologischer Modelle .................. 142.4.4 Beschreibung des ottomotorischen

phänomenologischen Verbrennungsmodells ................. 152.4.5 Beschreibung des quasidimensionalen

Ladungsbewegungs- und Turbulenzmodells ................. 182.5 Modellierung des ottomotorischen Klopfens ........................... 202.6 Modellierung des gasseitigen Wandwärmeübergangs ................ 22

2.6.1 Wandwärmemodell nach Bargende-Heinle ................... 242.6.2 Experimentelle Erfassung des Wandwärmeübergangs ..... 27

2.7 Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ............................... 30

Inhaltsverzeichnis

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VIII Inhaltsverzeichnis

2.8 Analyse der thermodynamischen Verluste .............................. 312.8.1 Energiebilanz ........................................................ 322.8.2 Verlustteilung ........................................................ 33

3 Simulation von Hybridfahrzeugen ............................................. 39

3.1 Hybridfahrzeuge ............................................................... 393.1.1 Klassifizierung nach Topologien ................................ 393.1.2 Klassifizierung nach Hybridisierungsgrad .................... 41

3.2 Simulation des Hybridantriebsstrangs .................................... 413.2.1 Modellierung der Komponenten................................. 43

4 Bestpunktoptimierte Verbrennungsmotoren ............................... 45

4.1 Definition ........................................................................ 454.2 Das Prinzip der verlängerten Expansion ................................. 454.3 Basismotoren ................................................................... 474.4 Verlängerte Expansion über den Kurbeltrieb ........................... 48

4.4.1 Technologiestatus Atkinson ...................................... 504.4.2 Motorauslegung ..................................................... 514.4.3 Problemstellung Wandwärmeübergang........................ 544.4.4 Berechnung der Ladungswechselverluste ..................... 54

4.5 Verlängerte Expansion über den Ventiltrieb............................. 554.5.1 Technologiestatus Miller .......................................... 584.5.2 Terminologie ......................................................... 584.5.3 Charakterisierung von Miller-Strategien ...................... 594.5.4 Motorauslegung ..................................................... 60

4.6 Verlängerte Expansion mittels eines Expansionszylinders .......... 624.6.1 Technologiestatus ................................................... 644.6.2 Motorauslegung ..................................................... 65

5 Validierung und Abstimmung der Submodelle ............................ 67

5.1 Übersicht ........................................................................ 675.2 Verbrennungsmodell .......................................................... 68

5.2.1 Auswahl der Verbrennungsmodelle ............................ 685.2.2 Methodik zur Modellabstimmung .............................. 695.2.3 Validierung des Verbrennungsmodells ......................... 725.2.4 Abstimmung des Verbrennungsmodells ....................... 79

5.3 Abstimmung des Klopfmodells ............................................ 815.4 Validierung des Wandwärmemodells ..................................... 83

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Inhaltsverzeichnis IX

5.5 Bestimmung der konzeptspezifischen Motorreibung ................. 905.5.1 Reibung der Konzepte Atkinson und Miller .................. 905.5.2 Reibung des 5-Takt-Konzepts .................................... 94

5.6 Grenzen der Modellkette .................................................... 95

6 Simulation bestpunktoptimierter

Verbrennungsmotoren ............................................................. 97

6.1 Allgemeine Randbedingungen der Motormodelle..................... 976.2 Atkinson-Konzept ............................................................. 97

6.2.1 Randbedingungen ................................................... 986.2.2 Optimierung des Ladungswechsels ............................. 986.2.3 Volllastkennlinie....................................................1006.2.4 Einfluss der Kinematik auf die Verbrennung ................1016.2.5 Motorkennfeld ......................................................103

6.3 Miller-Konzept ................................................................1056.3.1 Randbedingungen ..................................................1056.3.2 Auswahl der Einlassventilhubkurve ...........................1056.3.3 Volllastkennlinie....................................................1076.3.4 Motorkennfeld ......................................................108

6.4 5-Takt-Konzept................................................................1096.4.1 Randbedingungen ..................................................1096.4.2 Sensitivitätsanalyse ................................................1116.4.3 Festlegung der Motorauslegung ................................1146.4.4 Motorkennfeld ......................................................115

6.5 Bewertung und Vergleich der Motorkonzepte .........................1166.5.1 Beschreibung der Bewertungsmethodik ......................1176.5.2 Bewertung des Atkinson- und Millerkonzepts ..............1186.5.3 Bewertung des 5-Takt-Konzepts................................1276.5.4 Vergleich der effektiven Wirkungsgrade .....................131

7 Gesamtsystemsimulation .........................................................133

7.1 Beschreibung der untersuchten Antriebsstränge ......................1337.1.1 Beschreibung der Betriebsstrategien ..........................1347.1.2 Einfluss der Hybridtopologie auf die Ausnutzung des

Bestpunktes..........................................................1367.2 Verbrauchspotenziale der Motorkonzepte in Fahrzyklen ...........138

7.2.1 Verbrauchspotenzial innerhalb von ATS 1 ...................1387.2.2 Verbrauchspotenzial innerhalb von ATS 2 ...................139

7.3 Abschließende Bewertung der Motorkonzepte ........................141

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X Inhaltsverzeichnis

8 Zusammenfassung und Ausblick ..............................................143

Literaturverzeichnis ......................................................................147Anhang ......................................................................................159

A.1 Anhang 1 .......................................................................159A.2 Anhang 2 .......................................................................160A.3 Anhang 3 .......................................................................163

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1.1 Anforderungen an bestpunktoptimierte Verbrennungsmotoren ........... 22.1 Druckverlaufsanalyse und Simulation........................................... 62.2 Thermodynamisches System .................................................... 102.3 Modellvorstellung der laminaren Flammenfront ........................... 162.4 Berechnung der Temperatur in der Vorreaktionszone ..................... 222.5 Sankey-Diagramm der motorischen Wirkungsgrade ...................... 312.6 Unterschied zwischen Energiebilanz und Verlustteilung ................. 322.7 Abfolge der Verlustteilung ....................................................... 363.1 Übersicht über verschiedene Hybridantriebsstränge ....................... 393.2 Schematische Darstellung des Berechnungsablaufs ....................... 424.1 Umsetzungsmöglichkeiten der verlängerten Expansion .................. 464.2 Technische Zeichnung des Atkinson-Motors von 1887 ................... 484.3 Der Atkinson-Gleichraumprozesses im pV-Diagramm ................... 494.4 Wirkungsgrad des Atkinson-Prozesses, κ = 1.4, ρ = 3 .................. 504.5 Auslegung des Atkinson-Konzepts............................................. 524.6 Multilink-Kurbeltrieb eines Vierzylindermotors............................ 524.7 Kolbenhubverlauf des Atkinson-Konzepts ................................... 534.8 Anpassung der UT-UT-Methode für einen Atkinson-Prozess ........... 554.9 Schematische Darstellung des Miller-Verfahrens........................... 564.10 Korrelation von Ventilhub und Kolbenbewegung .......................... 594.11 Auslegung der Miller-Ventilhubkurven ....................................... 614.12 Schematischer Aufbau eines Motors mit Expansionszylinder........... 634.13 Volumenverläufe eines Motors mit Expansionszylinder .................. 634.14 Seitenansicht des Überströmkanals ............................................ 665.1 Submodelle zur Vorausberechnung des Verbrauchs........................ 685.2 Schema der vorhersagefähigen Verbrennungssimulation ................. 695.3 Schematische Darstellung eines TPA-Modells .............................. 715.4 Abstimmung Brennverlaufsmodell bei Restgasvariation ................. 735.5 Brenndauer und ZZP bei unterschiedlicher Turbulenz .................... 745.6 Tumblezahlen aus 3D-CFD Post-Processing ................................ 755.7 Abstimmung Brennverlaufsmodell bei Restgasvariation ................. 755.8 Standard- und FES-Ventilhubprofile des Forschungsmotors............. 765.9 Validierung Verbrennungsmodell für FES.................................... 765.10 Anpassung des Tumble-Inputs .................................................. 77

Abbildungsverzeichnis

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XII Abbildungsverzeichnis

5.11 Validierung Verbrennungsmodell für FES.................................... 785.12 Gewählte Betriebspunkte und Ergebnis aus DVA .......................... 795.13 Brennverläufe nach Abstimmung, niedrige Last ............................ 805.14 Brennverläufe nach Abstimmung, mittlere und hohe Last ............... 805.15 Relative Abweichung zwischen DVA und Simulation .................... 815.16 Abstimmung des Klopfmodells ................................................. 825.17 Vergleich gemessener und simulierter Schwerpunktlagen................ 835.18 Kolbenverläufe des Versuchsmotors ........................................... 845.19 Platzierung der Messstellen im Zylinderkopf ............................... 855.20 Oberflächentemperaturen im konventionellen Prozess .................... 865.21 Oberflächentemperaturen im Atkinson-Prozess............................. 865.22 Berechnete lokale Wärmestromdichten ....................................... 875.23 Berechneter globaler Wärmestrom............................................. 885.24 Integrale Wandwärme, experimentell und modelliert...................... 895.25 Validierung des Wärmeübergangsmodells ................................... 895.26 Methodik zur Bestimmung der Reibungskorrekturfaktoren.............. 915.27 Mehrreibung des Miller- und Atkinson-Konzepts .......................... 925.28 Reibkorrekturfaktoren von Atkinson- und Miller-Motor ................. 936.1 Max. Drehmoment bei Ventilhubkurvenvariation .......................... 996.2 LW-Untersuchung beim Atkinson-Konzept.................................1006.3 Volllastkennlinien des Atkinson-Konzepts ..................................1016.4 Einfluss der Kinematik auf das Zylinderhubvolumen ....................1026.5 Indizierter Wirkungsgrad über H50 ...........................................1036.6 Motorkennfelder des Atkinson-Konzepts ...................................1046.7 EV-Hubkurvenvariation bei n = 2000 min−1 ...............................1066.8 EV-Hubkurvenvariation bei n = 5500 min−1 ...............................1076.9 Volllastkennlinien des Miller-Konzepts ......................................1086.10 Motorkennfelder des Miller-Konzepts .......................................1086.11 Einfluss des Bohrungsdurchmessers auf bi ..................................1116.12 DoE-Ergebnisse der Ventildurchmesser .....................................1126.13 Einfluss der Steuerzeiten auf den Nachexpansionsvorgang .............1136.14 Einfluss der Steuerzeiten auf den Nachexpansionsvorgang .............1136.15 Ventilanordnung und Überströmkanal........................................1156.16 Motorkennfelder des 5-Takt-Konzepts .......................................1166.17 Programmablauf der automatisierten Verlustteilung ......................1176.18 Verlustkennfelder von Reibung und Ladungswechsel ...................1186.19 Differenzkennfelder der Reibungsverluste ..................................1196.20 Differenzkennfelder der Ladungswechselverluste.........................120

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Abbildungsverzeichnis XIII

6.21 Differenzen pmi,LW und p3 ......................................................1206.22 Verlustkennfelder von Wandwärme und Verbrennungslage.............1226.23 Differenzkennfelder der Wandwärmeverluste ..............................1236.24 Vergleich Wandwärmeverluste Atkinson vs. Basis........................1236.25 Verbrennungsschwerpunktlagen von Atkinson und Miller ..............1246.26 Verluste durch Verbrennungsdauer und unvollk. Verbrennung .........1266.27 TKE-Verläufe bei n = 2500 min−1, Md,e = 100 Nm .....................1276.28 Verlustteilung des 5-Takt-Konzepts ...........................................1286.29 Bestimmung der LW-Arbeit 5-Takt-Konzept ...............................1296.30 Bestimmung der Überschiebearbeit 5-Takt-Konzept .....................1306.31 Vergleich der effektiven Wirkungsgrade .....................................1316.32 Vergleich Atkinson- gegenüber Miller-Konzept ...........................1327.1 Betriebsstrategie des P2/4-Hybriden..........................................1357.2 Einfluss der Hybridarchitektur auf den VM im WLTP-Zyklus.........1367.3 Verlustanalyse im WLTP-Zyklus ..............................................1367.4 Detaildarstellung mittlerer Motorwirkungsgrad im WLTP..............1377.5 Geschwindigkeitsprofile der verschiedenen Fahrzyklen .................1387.6 Simulationsergebnisse des P2-Hybriden.....................................1397.7 Simulationsergebnisse des P2/4-Hybriden ..................................1407.8 Verlustanalysen der Konzepte im WLTP-Zyklus ..........................140A1.1 Ventilhubkurven für das Miller-Verfahren ..................................159A1.2 Variation des Miller-Verhältnisses im Schleppbetrieb ....................160A2.1 Trade-Off aus Md,i,EZ und pmi,LW ..............................................160A2.2 Einfluss des Ventildurchmessers auf bi bei Nennleistung ...............161A2.3 Kennfelder für unterschiedliche Bohrungsdurchmesser .................161A2.4 Einfluss des Totvolumens des EZ .............................................162A2.5 Variation der Überströmkanallänge ...........................................162A2.6 Reibleistungs- und Differenzkennfeld des 5-Takt-Konzepts ............163A3.1 Vergleich der Wandwärmeverluste Miller vs. Basismotor 1.............163

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3.1 Klassifizierung nach Hybridisierungsgrad ................................... 414.1 Technische Daten von Basismotor 1 .......................................... 474.2 Technische Daten von Basismotor 2 .......................................... 474.3 Kenngrößen der konstruierten Atkinson-Kinematik ....................... 544.4 Kenngrößen des Miller-Ventiltriebs............................................ 625.1 Modellparameter nach der Abstimmung...................................... 796.1 Max. Drehmoment und Leistung Atkinson-Konzept .....................1046.2 Max. Drehmoment und Leistung Miller-Konzept .........................1096.3 DoE-Ergebnisse zur Auslegung des 5-Takt-Konzepts ....................1146.4 DoE-Ergebnisse mit dEZ = 120 mm .........................................1146.5 Max. Drehmoment und Leistung 5-Takt-Konzept .........................1167.1 Simulation von Hybridantriebssträngen .....................................133

Tabellenverzeichnis

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AGR AbgasrückführungAK AuslasskanalAPR ArbeitsprozessrechnungAS Auslass-SchließtATL AbgasturboladerATS AntriebsstrangAVT Active Valve TrainAÖ Auslass-Öffnet

BP BetriebspunktBS Betriebsstrategie

CFD Computational Fluid Dynamics

DEP Drehmoment-EckpunktDoE Design of ExperimentsDVA Druckverlaufsanalyse

E10 Benzin mit einem Ethanolanteil von 10 %EBV ErsatzbrennverlaufECR Expansion Compression RatioEHD-MKS elasto-hydrodynamisch gekoppelte MehrkörpersystemeEK EinlasskanalEM E-MaschineES Einlass-SchließtEW ExzenterwelleEXLink Extended Expansion Linkage EngineEZ ExpansionszylinderEZA EinzylinderaggregatEÖ Einlass-Öffnet

FES früher EinlassschlussFES100 FES-Ventilhubprofil mit 100 °KW-ÖffnungsdauerFES105 FES-Ventilhubprofil mit 105 °KW-Öffnungsdauer

Abbildungsverzeichnis

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XVIII Abkürzungsverzeichnis

FES50 FES-Ventilhubprofil mit 50 °KW-ÖffnungsdauerFVV Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen

H50 VerbrennungsschwerpunktHD Hochdruck

KT KurbeltriebKW Kurbelwelle, Kurbelwinkel

LET Low-End-TorqueLW LadungswechselLWOT Ladungswechsel-OT

MBVT Mercedes-Benz VerbrauchstestMgO Magnesiumoxid

NEFZ Neuer Europäischer FahrzyklusNiCr-Ni Nickel/Chrom-NickelNVH Noise Vibration Harshness

OT Oberer TotpunktOTE OberflächenthermoelementOTM Oberflächentemperaturmethode

SES später EinlassschlussSOC State of Charge

TKE turbulente kinetische EnergieTPA Three Pressure AnalysisTU Technische Universität

unvollk. unvollkommenUT Unterer Totpunkt

VÖD VentilöffnungsdauerVM VerbrennungsmotorVZ Verbrennungszylinder

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Abkürzungsverzeichnis XIX

WÜK WärmeübergangskoeffizientWLTP Worldwide Harmonized Light-Duty Test ProcedureWSD Wärmestromdichte

ZOT Zünd-OTZZP Zündzeitpunkt

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Griechische Buchstaben

α Wärmeübergangskoeffizient W/m2/Kγ Miller-Verhältnis -Δ Differenz, Delta -ε Dissipation m2/s3

ε Dissipationskonstante -ε Verdichtungsverhältnis -η Wirkungsgrad -η Dynamische Viskosität kg/m/sηg Gütegrad -κ Isentropenkoeffizient -λ Luftverhältnis -ν kinematische Viskosität kg/m/sξr Restgaskoeffizient -ρ Dichte kg/m3

τ charakteristische Zeit sϕ Kurbelwinkel °KWχT Taylor-Vorfaktor -ψ Druckverhältnis -ω Winkelgeschwindigkeit s−1

Indizes

A Auslassa axialB Brenn(-stoff)Br BrennraumD DichteänderungE EinlassE Expansione effektiveff effektivEV EinlassventilEZ Expansionszylinder

Symbolverzeichnis

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XXII Symbolverzeichnis

F FlammeFst FeuerstegFzg Fahrzeugg Gasges gesamtH Hubraum des Motorsh HubHD Hochdrucki indiziertK KompressionKlopf KlopfenKo KolbenKT KurbeltriebKW KurbelwinkelL LeckageLb LaufbuchseLW Ladungswechselm mittlere, mittlerermod modifiziertmr ReibmittelMu MuldeP Pistonpr Produktionq QuetschR Restgasr radialr ReibungSteig SteigungT Tumblet technischth thermischuv unverbranntV Ventilv verbranntv VergleichsprozessVB VerbrennungsbeginnVD VerbrennungsdauerVerd Verdichter

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Symbolverzeichnis XXIII

VL Verbrennungslagevollk vollkommenVZ VerbrennungszylinderW Wärmew WandWG WastegateZK ZylinderkopfZyl ZylinderZZP Zündzeitpunkt

Lateinische Buchstaben

A Oberfläche m2

Ai Fourier-Koeffizient -a Temperaturleitfähigkeit m2/saFzg Fahrzeugbeschleunigung m/s2

Bi Fourier-Koeffizient -b Wärmeeindringzahl J/(m2s

12 K)

be effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch g/kWhbi indizierter spezifischer Kraftstoffverbrauch g/kWhbFst Feuerstegbreite mc spezifische Wärmekapazität J/kg/KC Konstante -Cu Turbulenzabstimmungsparameter -ck momentane Kolbengeschwindigkeit m/scm mittlere Kolbengeschwindigkeit m/sd charakteristische Länge -d Durchmesser mH Enthalpie JHu unterer Heizwert MJ/kgh Höhe/Hub mh spezifische Enthalpie J/kgIK Klopfintegralwert -K Dichteverhältnis -k turbulente kinetische Energie m2/s2

Lmin stöchiometrischer Luftbedarf -l integrales Längenmaß mlT Taylor-Länge mMd Drehmoment Nm

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XXIV Symbolverzeichnis

m Exponent -m Masse kgm Vibe-Formfaktor -n Exponent -n Drehzahl min−1

P Leistung Wp Druck barQ Wärme JQ̇ Wärmestrom Wq̇ Wärmestromdichte W/m2

R Universelle Gaskonstante J/kg/KsMu Muldentiefe msL laminare Brenngeschwindigkeit m/sT Temperatur Kt Zeit sU innere Energie Ju Luftgehalt -u spezifische innere Energie J/kgu’ turbulente Schwankungsgeschwindigkeit m/suE Eindringgeschwindigkeit m/suv skalierte Verbrennungskonvektion m/sV Volumen m3

v spezifisches Volumen m3/kgvFzg Fahrzeuggeschwindigkeit m/sW Arbeit Jw charakteristische Geschwindigkeit m/sX Normierte Durchbrennfunktion -x relativ verbrannte Masse -xAGR Restgasgehalt durch externe AGR -xRes Restgasgehalt gesamt -y relativ verbranntes Volumen -

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Die vorliegende Arbeit beschreibt ottomotorische Konzepte, die für den Ein-satz innerhalb von Hybridantriebssträngen ausgelegt werden. Mittels 0D-/1D-Simulation werden drei Motorkonzepte mit verlängerter Expansion untersucht,durch deren alternative Prozessführung bei gleichbleibendem Verdichtungsver-hältnis eine deutliche Steigerung des Expansionsverhältnisses und infolgedes-sen eine Steigerung des Motorwirkungsgrades erreicht wird.

Die Konzepte werden von konventionellen aufgeladenen Vierzylindermotorenabgeleitet. Das Atkinson-Konzept verfügt über einen Multilink-Kurbeltrieb,um eine asymmetrische Kolbenbewegung herbeizuführen. Es wird gegenüberdem Basismotor der Ansaug- und Verdichtungshub verkürzt und der Expansi-ons- und Ausschiebehub verlängert. Dadurch ergibt sich ein hohes Expansions-verhältnis von 14.2 bei einem moderaten Verdichtungsverhältnis von 10.5. DasMiller-Konzept verwendet eine Ventiltriebsstrategie mit frühem Einlassschlussin Kombination mit einem großen Hub-/Bohrungsverhältnis. Das geometri-sche Verdichtungsverhältnis wird auf einen Wert von 14.2 erhöht. Durch dieMiller-Strategie wird das in der Kompressionsphase thermodynamisch wirksa-me Verdichtungsverhältnis wiederum auf einen Wert von 10.5 gesenkt, sodasses nicht zum Klopfen kommt. Somit wird ein dem Atkinson-Konzept äquiva-lenter Prozess mit verlängerter Expansion erreicht. Bei dem 5-Takt-Konzeptwerden die zwei innen liegenden Zylinder durch einen großen Expansionszy-linder ersetzt. Die außen liegenden Verbrennungszylinder schieben alternie-rend nach Abschluss des Expansionstaktes die verbrannte Ladung in den Ex-pansionszylinder. Während des Überschiebens findet eine Nachexpansion imExpansionszylinder statt, womit die Expansionsphase verlängert wird. Bei die-sem Verfahren wird basierend auf einem Verdichtungsverhältnis von 10.5 einExpansionsverhältnis mit einem Wert von 24.5 erzielt.

In der Simulation werden alle konzeptspezifischen Effekte berücksichtigt, dieeinen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch haben. In diesem Zusammenhangwird für die Konzepte Atkinson und Miller ein quasidimensionales Verbren-nungsmodell in Kombination mit einem quasidimensionalen Ladungsbewe-gungs- und Turbulenzmodell verwendet. Die Verbrennungsschwerpunktlagenwerden im Hochlastbereich mit Hilfe eines Klopfmodells eingestellt. Speziellfür Atkinson-Motoren spielt die Wahl eines geeigneten Wandwärmemodells ei-

Kurzfassung

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XXVI Kurzfassung

ne entscheidende Rolle. Durch ein Validierungsexperiment wird gezeigt, dassdas Modell nach Bargende auch für Atkinson-Motoren gültig ist. Die konzepts-pezifische Motorreibung wird durch Korrekturfaktoren berücksichtigt, die mitHilfe von Tribologiesimulationen bestimmt wurden. Für die Simulation des 5-Takt-Konzepts werden einfache Modellansätze gewählt.

Zur Bewertung der Konzepte wird die Methode der Verlustteilung angewendet.Die Konzepte werden dabei bezüglich der ermittelten Einzelverlustanteile mit-einander verglichen. Aus der Verlustteilung gehen bei allen Konzepten erhöhteVerluste durch Motorreibung und Wandwärme hervor. Das Atkinson-Konzeptweist bei hohen Lasten eine erhöhte Klopfneigung auf. Dennoch wird ein sehrniedriger Verbrauch bei Nennleistung erreicht. Demgegenüber weist das Mil-ler-Konzept aufgrund erhöhter Ladungswechselverluste Nachteile im oberenDrehzahlbereich auf. Dies ist auf einen im Mittel kleineren Ventilhub zurück-zuführen. Bei dem 5-Takt-Konzept treten aufgrund des großen Ausschiebehub-volumens hohe Ladungswechselverluste auf. Darüber hinaus treten durch dasÜberschieben der Ladung Überströmverluste von ähnlicher Größenordnungwie die Ladungwechselverluste auf. Durch diesen konzeptbedingten Nachteilist der Bestpunktwirkungsgrad nur geringfügig höher als bei den anderen Kon-zepten, obwohl das Expansionsverhältnis deutlich größer ist. Im Bestpunkt er-reichen alle Konzepte effektive Wirkungsgrade von über 40 %.

Die simulierten Verbrauchskennfelder werden anschließend in einer Simulati-on von hybriden Antriebssträngen verwendet. Es werden ein Mild-Hybrid mitP2- und ein Plug-In-Hybrid mit P2/4-Topologie betrachtet. Zur Ermittlung desKraftstoffverbrauchs wird der WLTP-Zyklus zugrunde gelegt. Die KonzepteMiller und Atkinson weisen innerhalb des Mild-Hybriden relative Verbrauchs-vorteile von 4.6 % bzw. 5 % gegenüber einem konventionellen Basismotor auf.Das 5-Takt-Konzept wird nur innerhalb des Plug-In-Hybriden, jedoch zusam-men mit den anderen Konzepten betrachtet. Hier steigen die Verbrauchsvortei-le der Konzepte auf 5.5 – 7.6 % gegenüber einem konventionellen Basismo-tor. Der Einfluss der Hybridtopologie auf die Nutzung des Bestpunktbereicheswird durch Verlustanalysen im Fahrzyklus verdeutlicht. Hieraus wird ersicht-lich, dass mit der P2/4-Topologie eine Steigerung des mittleren effektiven Mo-torwirkungsgrades im Fahrzyklus stattfindet. Dies ist auf den z. T. seriellenBetrieb des Verbrennungsmotors zurückzuführen.

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This work describes Otto engine concepts designed for the use within hybridpowertrains. By utilizing 0D/1D-simulations, three Extended Expansion en-gine concepts are investigated. With this alternative process, a significant in-crease in the expansion ratio is achieved while retaining the compression ratio,resulting in an increase in engine efficiency.

The concepts are being derived from conventional turbocharged four-cylinderengines. The Atkinson concept has a Multi-Link cranktrain to provide an asym-metric piston motion. Compared to the basic engine, the intake and compres-sion stroke is shortened and the expansion and extension stroke is extended.This results in a high expansion ratio of 14.2 at a moderate compression ratioof 10.5. The Miller concept uses a valve train strategy with early inlet closurecombined with a high stroke/bore ratio. The geometric compression ratio is in-creased to a value of 14.2. The Miller strategy reduces the thermodynamicallyeffective compression ratio to a value of 10.5 in the compression phase, so thatknocking is prevented. This achieves an extended expansion process equiva-lent to the Atkinson concept. In the 5-stroke concept, the two inner cylindersare replaced by a large expansion cylinder. The outlying combustion cylindersalternately push the burnt charge into the expansion cylinder after completionof the expansion stroke. During the push-over phase, a post-expansion takesplace in the expansion cylinder, thus extending the expansion phase. Based ona compression ratio of 10.5, this method achieves an expansion ratio of 24.5.

All concept-specific effects that influence fuel consumption are taken into ac-count in the simulation. In this context, the concepts Atkinson and Miller aresimulated with a quasdimensional combustion model coupled with a quasidi-mensional charge motion and turbulence model. The center of combustion isdetermined by the use of a knock model. For Atkinson engines in particular,the choice of a suitable heat transfer model is crucial. A validation experimentshows that the model according to Bargende is also valid for Atkinson engi-nes. The concept-specific engine friction is taken into account by correctionfactors, which were determined with the help of tribology simulations. For thesimulation of the 5-stroke concept, simple model approaches are chosen.

Abstract

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XXVIII Abstract

For the evaluation of the concepts, the loss analysis method is used. The con-cepts are compared to each other in terms of the calculated loss percentages.In all concepts, the loss analysis reveals increased losses due to engine frictionand wall heat transfer. The Atkinson concept has an increased knock tenden-cy at high loads. Nevertheless, a very good fuel consumption is achieved atits rated power. In contrast, the Miller concept has disadvantages in the upperengine speed range due to increased pumping losses. This is caused by the re-duced average valve lift. In the 5-stroke concept, pumping losses occur due tothe large exhaust stroke volume. In addition, pushing over the charge causesoverflow losses of similar magnitude as the pumping losses. As a result of thisconceptual disadvantage, the efficiency in the sweet spot is only marginallyhigher than in the other concepts, although the expansion ratio is significantlyhigher. In the sweet spot, all concepts achieve efficiencies of more than 40 %.

The simulated fuel consumption maps are subsequently used in a simulationof hybrid powertrains. A Mild Hybrid with P2 and a Plug-In Hybrid with P2/4topology are examined. The calculation of fuel consumption is based on theWLTP cycle. Within the Mild Hybrid, the concepts Miller and Atkinson haverelative advantages in fuel consumption of 4.6 % and 5 % respectively com-pared to a conventional base engine. The 5-stroke concept is only consideredwithin the Plug-In Hybrid, along with the other concepts. In this powertrain,the concept’s advantages in terms of fuel consumption increase to 5.5 - 7.6 %compared to a conventional base engine. The influence of the hybrid topologyon the utilization of the engine’s sweet spot range is illustrated by loss analy-ses in the driving cycle. This shows that the P2/4 topology increases the meaneffective engine efficiency during the driving cycle. This is a result of the tem-porarily serial operation of the combustion engine.