Elektrifizierung des Antriebsstrangs bei teilhomogener Verbrennung – Simulation und Experiment
- 2022
- Buch
- Verfasst von
- Andreas Schneider
- Verlag
- Springer Fachmedien Wiesbaden
Über dieses Buch
Andreas Schneider untersucht einen elektrifizierten Antriebsstrang, bestehend aus einem Verbrennungsmotor mit teilhomogener Verbrennung, einer elektrischen Maschine und einem elektrisch beheizten Katalysator. Die eigens entwickelte Antriebsstrangsimulation wird über eine neuartige Betriebsstrategie, welche aus den parallel agierenden Modulen ECMS und Phlegmatisierung besteht, geregelt. Die Auswertung am Motorenprüfstand zeigt, dass durch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs eine Reduktion aller Schadstoffemissionen in Phasen geringer Geschwindigkeitsanforderungen erzielt werden kann. Gleichzeitig wird eine Verschiebung der Stickstoffoxidemissionen in Phasen hoher Geschwindigkeitsanforderungen erreicht, was sich als vorteilhaft für einen SCR-Einsatz erweisen würde. Zusätzlich kann eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs mit dem vorgestellten Fahrzeugkonzept realisiert werden.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Kapitel 1. Einleitung und Zielsetzung
Andreas SchneiderDer Fachbeitrag untersucht die Möglichkeiten der Reduzierung von Schadstoff- und Treibhausgasemissionen bei Dieselmotoren durch die Kombination von Elektrifizierung und teilhomogener Verbrennung. Die teilhomogene Verbrennung bietet den Vorteil, sowohl Stickstoffoxid- als auch Rußemissionen zu senken. Allerdings erfordert sie eine präzise Steuerung des Verbrennungsmotors, insbesondere bei transienten Lastanforderungen. Um diese Herausforderungen zu meistern, wird ein elektrisch beheizter Katalysator und ein 48V-System zur Hybridisierung des Antriebsstrangs eingesetzt. Diese Maßnahmen sollen nicht nur die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen reduzieren, sondern auch den Kraftstoffverbrauch senken. Der Beitrag beschreibt die Implementierung und Optimierung dieser Technologien anhand eines realen Prüfstands und eines WLTC-Fahrzyklus, um die praktische Anwendbarkeit und Effektivität zu demonstrieren.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
ZusammenfassungDie Reduzierung von Schadstoff- und Treibhausgasemissionen ist aufgrund der durch die Erderwärmung drohenden Klimakrise sowie durch immer strengere Emissionsgrenzwerte notwendig. Insbesondere für Dieselmotoren müssen Wege gefunden werden, die vergleichsweise hohen Stickstoffoxid- und Partikelemissionen zu reduzieren. Aus der Kombination der Elektrifizierung des Antriebsstrangs und der Adaption eines teilhomogenen Brennverfahrens ergibt sich eine Lösungsmöglichkeit dieses Zielkonflikts. -
Kapitel 2. Theoretische Grundlagen
Andreas SchneiderDas Kapitel 'Theoretische Grundlagen' bietet eine umfassende Einführung in die Funktionsweise von Hybridfahrzeugen, die sowohl einen Dieselbrennverfahren als auch elektromotorische Antriebe nutzen. Es werden die grundlegenden Konzepte der Hybridfahrzeuge vorgestellt, einschließlich der verschiedenen Kategorisierungen wie Mikro-, Mild- und Voll-Hybrid. Besonders interessant ist die detaillierte Beschreibung der elektrischen Komponenten wie der Elektromaschine, des Batteriespeichers und der Leistungselektronik. Zudem wird die Antriebsstrangsimulation eines Hybridfahrzeugs erläutert, die zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission dient. Das Kapitel schließt mit einer Analyse der verschiedenen Betriebsarten und der Energiemanagementstrategien, die in Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden alle, für das Verständnis dieser Arbeit, notwendigen Grundlagen genauer erläutert. Der während der Arbeit eingesetzte Verbrennungsmotor arbeitet nach dem Dieselbrennverfahren, weshalb hier hauptsächlich auf die dieselmotorischen und weniger auf die ottomotorischen Grundlagen eingegangen wird. Es folgen die Grundlagen zu elektromotorischen Antrieben und deren drei wichtigsten Komponenten: Elektromotor, Batterie und Leistungselektronik. -
Kapitel 3. Simulation des Hybridfahrzeugs
Andreas SchneiderDas Kapitel beschreibt die Simulation eines Hybridfahrzeugs mit einem 48V-Mild-Hybrid-Konzept. Das Fahrzeugkonzept basiert auf einer P2-Hybrid-Architektur und umfasst einen Permanentmagnet-Synchronmotor sowie eine Batterie mit einer Kapazität von 61,05Ah. Die Simulation erfolgt unter Verwendung von MATLAB und Simulink und umfasst die Modellbildung des Fahrzeugs sowie die Vorwärtssimulation. Besonderes Augenmerk wird auf die Phlegmatisierung des Verbrennungsmotors gelegt, um die Lastgradienten abzufangen und den Verbrennungsmotor in einem optimalen Betriebsbereich zu halten. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die Kombination von ECMS und Phlegmatisierung der Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen des Fahrzeugs optimiert werden können. Die detaillierte Analyse der Betriebspunkte und der Gangwahl im WLTC-Zyklus verdeutlicht die Vorteile der Hybridisierung und der Phlegmatisierung im Vergleich zu einem konventionellen Fahrzeug.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Umsetzung des Fahrzeugkonzepts eines 48V-Mild-Hybrids mit teilhomogener Dieselverbrennung findet unter Anwendung der Simulationssoftware MATLAB® und Simulink® statt. Das Fahrzeugkonzept ist als P2-Hybrid (siehe Abschnitt 2.1.3 mit zusätzliche Kupplung zwischen elektrischer Maschine und Verbrennungsmotor ausgeführt. Die elektrische Maschine sitzt am Getriebeeingang und ermöglicht so das Abkuppeln des Verbrennungsmotors. Es ist damit neben Boosten, Rekuperation, Lastpunktverschiebung und rein verbrennungsmotorischer Fahrt auch eine reine elektrische Fahrt möglich. -
Kapitel 4. Versuchsaufbau
Andreas SchneiderDas Kapitel beschreibt den Versuchsaufbau eines modifizierten V6-Dieselmotors der Firma Mercedes-Benz, der für experimentelle Untersuchungen am Prüfstand optimiert wurde. Der Motor wurde so verändert, dass sowohl konventionelles als auch teilhomogenes Brennverfahren möglich sind. Dazu wurden der Luftpfad und der Kraftstoffpfad umfangreich modifiziert, einschließlich der Integration eines elektrisch beheizten Katalysators. Die Messsensoren und das Steuerungssystem, insbesondere das Forschungssteuergerät PROtronic, werden detailliert beschrieben. Die Hochdruckindizierung und die Abgasmesstechnik spielen eine zentrale Rolle bei der Datenerfassung und -auswertung. Der Aufbau ermöglicht es, dynamische Motoreinflüsse und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen und die Emissionsbildung sowie den Verbrauch des Motorkonzepts zu optimieren.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie aus der Simulation erzeugten Daten in Form von Drehmoment und Drehzahl dienen als Eingangsgröße für die experimentelle Untersuchung am Prüfstand. Da ein echtzeitfähiges Simulationsmodell immer nur eine Annäherung an die Realität darstellen kann, sind experimentell erzeugte Daten unumgänglich, um das Simulationsmodell weiterentwickeln und dem realen Motorkonzept weiter annähern zu können. Experimentelle Messungen beinhalten dabei sowohl dynamische Motoreinflüsse, als auch die Umgebungsbedingungen, welche durch die Simulation nicht berücksichtigt werden. -
Kapitel 5. Versuchsergebnisse
Andreas SchneiderDer Fachbeitrag untersucht den Einfluss der Phlegmatisierung und des elektrisch beheizten Katalysators auf die Emissionsreduzierung in Fahrzeugkonzepten. Die Phlegmatisierung setzt sich aus zwei Unterfunktionen zusammen: der Verzögerung von Momentensprüngen und der Erhöhung der Betriebszeit im teilhomogenen Bereich. Diese Einflüsse wurden experimentell anhand eines WLTC-Zyklus untersucht und zeigen, dass die Phlegmatisierung die Druckgradienten senkt und den teilhomogenen Brennbeginn weniger stark verschiebt. Dies führt zu einer Reduktion der Ruß- und NOx-Emissionen sowie der Geräuschemissionen. Der elektrisch beheizte Katalysator wird ebenfalls detailliert untersucht, wobei gezeigt wird, wie er die Light-Off-Temperatur erreicht und die Katalysator- und Abgastemperaturen steuert. Die Messergebnisse zeigen, dass der Katalysator effektiv die Emissionen reduziert und eine optimale Betriebsstrategie ermöglicht. Die Untersuchung umfasst auch verschiedene Fahrzyklen wie den WLTC und RDE-konforme Fahrzyklen, wobei die Ergebnisse in Bezug auf Kraftstoffverbrauch und spezifische Abgasemissionen analysiert werden. Die Studie hebt die Vorteile des Hybridfahrzeugkonzepts hervor und zeigt, wie es durch Phlegmatisierung und elektrische Unterstützung die Emissionen signifikant reduzieren kann.KI-Generiert
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ZusammenfassungIm Folgenden wird auf die beiden Haupteinflussparameter des Fahrzeugkonzepts zur Emissionsreduzierung eingegangen. Zum einen werden die Einflüsse der Phlegmatisierung und zum anderen die des beheizten Katalysators untersucht. -
Kapitel 6. Zusammenfassung und Ausblick
Andreas SchneiderDer Fachbeitrag beleuchtet ein innovatives Antriebskonzept, das einen Dieselmotor im teilhomogenen Brennbereich, eine elektrische Maschine und einen elektrisch beheizten Katalysator kombiniert. Ziel ist es, die Vorteile des teilhomogenen Brennverfahrens zu nutzen und gleichzeitig die Nachteile durch gezielte Beheizung des Katalysators zu minimieren. Die Phlegmatisierung des Verbrennungsmotors durch eine elektrische Maschine ermöglicht einen gleichmäßigeren Betrieb und reduziert Lastgradienten. Simulationen und Messungen zeigen eine deutliche Senkung der Schadstoffemissionen und einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Besonders hervorzuheben ist die Verschiebung der Stickstoffoxidemissionen in Phasen hoher Geschwindigkeiten, was den Einsatz eines SCR-Katalysators optimiert. Die Arbeit schließt mit der Empfehlung, den Einfluss einer Vorheizung des Katalysators und die Integration eines SCR-Katalysators weiter zu untersuchen.KI-Generiert
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ZusammenfassungKern dieser Arbeit ist die Untersuchung eines elektrifizierten Antriebskonzepts bestehend aus einem Dieselmotor mit teilhomogenem Brennbereich, einer elektrischen Maschine und einem elektrisch beheizten Katalysator. Ziel dabei ist es, über möglichst weite Teile eines Fahrzyklus den Verbrennungsmotor im teilhomogenen Brennbereich zu betreiben und so den Vorteil der geringen Rußund Stickstoffoxidemissionen auszunutzen. Die durch dieses Brennverfahren erhöhten Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen werden durch die gezielte Beheizung des Katalysators und dem damit schnelleren Erreichen der Light-Off-Temperatur drastisch gesenkt. -
Backmatter
- Titel
- Elektrifizierung des Antriebsstrangs bei teilhomogener Verbrennung – Simulation und Experiment
- Verfasst von
-
Andreas Schneider
- Copyright-Jahr
- 2022
- Electronic ISBN
- 978-3-658-39920-7
- Print ISBN
- 978-3-658-39919-1
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-658-39920-7
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