In diesem Forschungsvorhaben wurde eine Gesamtsystemauslegung von Dieselmotoren in hybriden Antriebssträngen im Hinblick auf die Zielgrößen Kosten, Verbrauch, Emissionen und Fahrdynamik durchgeführt. Das Vorhaben erfolgte in theoretischer Weise durch den Einsatz der Arbeitsprozessrechnung in Kombination mit einer Gesamtfahrzeugsimulation auf Basis von MATLAB/Simulink. Es wurde eine Methode entwickelt, auf Basis weniger Eingangsgrößen Kennfelder von Dieselmotoren mit der Arbeitsprozessrechnung zu erzeugen. Entscheidend war dabei, zwischen verschiedenen Motoren eine Vergleichbarkeit hinsichtlich der Zielgrößen herzustellen. Wichtig ist dies insbesondere vor dem Hintergrund der Emissionsrechnung, die sehr sensibel auf die Wärmefreisetzung im Zylinder reagiert. Mit dem angewandten Vorgehen ist es möglich, auch auf theoretischer Basis verschiedene Motoren hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen fundiert zu bewerten. Für jedes der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens betrachteten Fahrzeugkonzepte wurde ein detailliertes Modell des Antriebsstrangs mit dem zugehörigen Triebstrangmanagement in MATLAB/Simulink aufgebaut und in sieben verschiedenen Fahrzyklen simuliert. Durch die automatisierten Rechenläufe zur Parametervariation und die numerische Optimierung der ausgewählten Fahrzeugkonzepte liegt die Zahl der insgesamt durchgeführten Fahrzyklussimulationen bei deutlich mehr als 20.000 Rechenläufen. An den Referenzfahrzeugen wurde eine Energiebilanzierung durchgeführt, auf deren Basis das Verbrauchseinsparpotential für die drei Fahrzeugklassen und sieben Fahrzyklen abgeschätzt werden kann. Das Spektrum reicht dabei von ca. 5% im Autobahnzyklus bis über 40% in den innerstädtischen Fahrzyklen. Im Rahmen der Konzeptstudie für die Gesamtfahrzeuge in der Kleinwagenkiasse wurde der Einfluss von grundlegenden Merkmalen auf die Zielgrößen aufgezeigt. Untersucht wurde hier der Einfluss der Verbrennungsmotorauslegung, der Fahrstrategie, des Getriebetyps, der Struktur sowie der Dimensionierung des elektrischen Teils. Es konnte gezeigt werden, dass auch mit stark vereinfachten Verbrennungsmotoren erhebliche Kraftstoffeinsparungen möglich sind. Für günstige Verbrauchswerte ist ein Betrieb des Verbrennungsmotors entlang der Linie minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs günstiger als ein reiner Zweipunkt-Betrieb. Als Getriebe sind automatisierte Schaltgetriebe oder Doppelkupplungsgetriebe mit trockenen Kupplungen besonders geeignet, soll eine Zweipunkt-Strategie zur Beruhigung des Verbrennungsmotors realisiert werden, ist ein stufenloses Getriebe notwendig. Die Struktur des Antriebsstrangs hat dann relativ geringen Einfluss auf die Verbrauchswerte, wenn sichergestellt wird, dass auch der Elektromotor in Bereichen mit günstigem Wirkungsgrad betrieben wird. Bezüglich der Dimensionierung des elektrischen Teilsystems haben die Untersuchungen ergeben, dass auch schon mit relativ kleinen Komponenten die wesentlichen Potentiale ausgeschöpft werden können.

    A method was developed to produce diesel engine characteristic curves from a few input variables. The goal was to be able to directly compare the different engines with regard to the parameters for optimization. This was especially important given how incredibly sensitive some parameters are to the input values. For example, emissions are very sensitive to cylinder temperatures. Using the approach described above, it was possible to accurately evaluate various engines for consumption and emissions performance. For each of the vehicle concepts evaluated a detailed model of the powertrain and control strategy was developed in MATLAB/Simulink and simulated for seven different driving cycles. Given the number of variables involved and each increment evaluated, more than 20000 simulations were carried out. When the results were tallied for the three vehicle classes over seven driving cycles up to a 5% improvement in the highway cycle and up to 40% in the city cycles were reached. In the compact car class, the influence of the basic parameters on the target values was demonstrated. Here the engine layout, the driver strategy the transmission type and even the composition and dimensions of the electrical parts were investigated. It was shown that even with simplified diesel engines significant fuel saving is possible. For highest efficiency it is preferred to run the engine along its minimum specific fuel consumption curve. Automated manual or dual clutch transmissions with dry clutches are a good choice in the compact car class. The drive train layout has little effect on efficiency if it can be ensured that the electric motor is operating in its optimal range. Regarding the electrical system, it has been demonstrated that even fairly small components can realize the most potentials. An obvious advantage of high electrical output is vehicle performance, achieved by superimposing the torque of the electric motor on top of that of the combustion engine. In general dual clutch transmissions or automatic transmissions offer the best acceleration results, or also a CVT mated to a simplified combustion engine. Only with this transmission the engine can be kept continuously at its power peak. However, the top speed with such a transmission is lower due to inherent losses in the design. While various layouts of electric motors in parallel hybrid systems have shown little difference in vehicle dynamics, the size of electrical components in power-split hybrid drive trains has shown a considerable effect on acceleration capabilities.


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    Title :

    Hybridkonzept mit Minimaldiesel: Vorhaben Nr. 937. Gesamtsystemauslegung von Dieselmotoren und Getrieben in Hybridantriebssträngen mit elektrischen Maschinen im Hinblick auf Schadstoff- und Kostenreduktion. Abschlussbericht


    Contributors:


    Publication date :

    2010


    Size :

    234 Seiten, Bilder, Tabellen, 81 Quellen


    Type of media :

    Report


    Type of material :

    Print


    Language :

    German







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    Huehn,W. / Kloeckner-Humboldt-Deutz,Koeln | Automotive engineering | 1977