Wirkungsgradoptimaler Betrieb eines aufgeladenen 1,0 l Dreizylinder CNG Ottomotors innerhalb einer parallelen Hybridarchitektur

Abstract

Um zukünftige Kohlenstoffdioxidgrenzwerte erfüllen zu können, gewinnen sowohl hybridisierte Antriebskonzepte als auch alternative Kraftstoffe wie beispielsweise „Compressed Natural Gas“ (CNG) stetig an Bedeutung. Aus diesem Grund erfolgte Ende 2006 die Initiierung eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Forschungsvorhabens zur prototypischen Erstellung eines parallelen Erdgashybridfahrzeuges. Umgesetzt wurde dieses durch die Adam Opel GmbH, die Robert Bosch GmbH, das Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) und das Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) der Universität Stuttgart. Der auf einem Opel Astra Caravan basierende Prototyp ermöglichte die Reduktion der Kohlenstoffdioxidemissionen auf unter 90 g/km im „Neuen Europäischen Fahrzyklus“ (NEFZ).

Der erdgasbetriebene 1,0 l Dreizylinder-Ottomotor beruht auf dem 1997 durch die Adam Opel GmbH vorgestellten „Ecotec Compact“ Motor, dessen Volllastcharakteristik und folglich die Nennleistung durch einen Wastegate-Abgasturbolader gesteigert wurde.

Im Fokus dieser Arbeit lag die kennfeldweite Verbrauchs- und Emissionsoptimierung des Verbrennungsmotors durch dessen „phlegmatisierten“ Betrieb. Verschlechterungen des Instationärverhaltens konnten im Bedarfsfall durch den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine kompensiert werden. Die Verbesserung der unteren und mittleren Teillastverbräuche gelang durch ein geöffnetes Wastegate (Active-WG) sowie durch die Verwendung eines Hoch- und Niederdruckabgasrückführsystems. Durch den Betrieb der hochdruckseitigen Abgasrückführung in Kombination mit einem Kanaldeaktivierungssystem (Twinport-Technologie) wurde die Abgasrückführverträglichkeit weiter gesteigert. Der Einsatz eines überdimensionierten Abgasturboladers (erweiterter Turbinenhalsquerschnitt) sowie eines verdichterseitig modifizierten Öffnungsverhältnisses führten zur Optimierung des volllastnahen Betriebsbereiches und der Volllast selbst. Ferner wurde eine kraftstoffsparende Start/Stopp-Strategie erarbeitet und emissionsrelevante Fragestellungen unter Einsatz eines elektrisch beheizten Katalysators diskutiert.

Zur Evaluierung der prüfstandsseitigen Motoroptimierungen und zur Entwicklung eines verbrauchsreduzierten Antriebsstranges, wurde ein kennfeldbasiertes Fahrzeuglängsdynamikmodell des hybridisierten Antriebsstranges mit Hilfe der Softwarepakte GT-Drive und Matlab/Simulink kreiert. Die zur Koordination der beiden Antriebsquellen eingesetzte Betriebsstrategie stützte sich auf eine modifizierte Version der SoC-neutralen „Equivalent Consumption Minimization Strategy“ (ECMS).

In the effort to satisfy future carbon dioxide emission limits, both hybridized drive technologies and alternative fuels such as “Compressed Natural Gas” (CNG) continue to gain importance. For this reason a research project supported by the German Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi) was launched at the end of 2006 to create a prototype for a parallel natural-gas hybrid vehicle. The project was implemented by Adam Opel GmbH, Robert Bosch GmbH, the Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart (FKFS) and the Institute for Internal Combustion Engines and Automotive Engineering (IVK) of the University of Stuttgart. The prototype based on an Opel Astra Caravan (station wagon) achieved a reduction of carbon dioxide emissions to under 90 g/km in the “New European Driving Cycle” (NEDC).

The natural-gas-powered 1.0 liter three-cylinder spark-ignition engine is based on the “Ecotec Compact” engine introduced in 1997 by Adam Opel GmbH, the performance characteristics and rated power output of which were increased by a wastegate turbocharger.

The focal point of this work is the optimization of fuel consumption and emissions characteristics of the internal combustion engine through its “phlegmatic” operation. Where necessary, the reduced dynamic behavior could be compensated by the operation of the electrical machine (motor mode). The improvement of the lower and mid range performance characteristics was achieved by an opened wastegate (Active-WG) and through the use of high- and low-pressure exhaust-gas recirculation systems. The use of high-pressure exhaust-gas recirculation in combination with a port deactivation system (Twinport-technology) further increased exhaust-gas recirculation compatibility. The application of an oversized exhaust-gas turbocharger (extended turbine neck square area) and a modified opening ratio on the compressor side resulted in the optimization of high engine speed performance characteristics. In addition, a fuel-saving start/stop strategy was designed and emission-relevant questions were discussed using an electrically heated catalytic converter.

To evaluate the engine optimizations on the dynamometer and to develop a fuel efficient drive train, a model of the hybridized drive train was created using GT-Drive and Matlab/Simulink software. The operation strategy coordinating the two engines was based on a modified version of the SoC-neutral “Equivalent Consumption Minimization Strategy” (ECMS).