Modellierung und Auslegung von Antriebssträngen mit abgasturboaufgeladenen Ottomotoren

Heyden, Cornelius von

Bei der Auslegung von Antriebssträngen mit abgasturboaufgeladenen Ottomotoren ist das transiente Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors von besonderem Interesse. Ein wesentlicher Grund ist die thermodynamische Kopplung von Verbrennungsmotor und Abgasturbolader. Diese hindert den Verbrennungsmotor, einer spontanen Lastanforderung zu folgen und hat bedeutenden Einfluss auf das transiente Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs. Die Simulation des Verbrennungsmotors zusammen mit dem Fahrzeug ermöglicht die Auswertung signifikanter Auslegungsparameter. Aufgrund ihrer hohen Komplexität und langen Rechenzeit genügen zyklusaufgelöste Motorprozess-Simulationen nicht den Anforderungen, die an die Antriebsauslegung in der Vorentwicklung gestellt werden. Darum wird in dieser Arbeit ein Mittelwertmodell zur Auslegung von Antriebssträngen mit abgasturboaufgeladenen Ottomotoren entwickelt. Im Mittelwertmodell wird die Arbeitsprozessrechnung durch einen Datensatz ersetzt und der Ladungswechsel durch nulldimensionale (konzentrierte) Volumina modelliert. Nachdem die Größe des Turboladers entscheidenden Einfluss auf den transienten Motorprozess ausübt, wird die Wechselwirkung zwischen Abgasturbolader und Verbrennungsmotor untersucht. Um mit einem einzigen Datensatz unterschiedliche Turboladergrößen zu erfassen, wird bei der Vorausberechnung des Datensatzes die Turbine durch eine skalierbare Abgasdrossel ersetzt. Für die Skalierung wird eine Korrelation zwischen Turbinengröße und dem Durchmesser der Abgasdrossel vorgestellt. Zwei neue Gleichungen für Turbinenfaktoren werden hergeleitet, um den Linearisierungsfehler in der Mittelwert-Turbine zu kompensieren. Die neu eingeführten Turbinenfaktoren befähigen das Mittelwertmodell zur Vorausberechnung des transienten Betriebsverhaltens. Das Modell wird erfolgreich mit Messdaten aus transienten Fahrmanövern abgeglichen und es werden Anwendungsbeispiele, u. a. mit einem hybridisierten Antriebsstrang gezeigt. Das entwickelte Mittelwertmodell verkürzt die Rechenzeit gegenüber einem zyklusaufgelösten Verbrennungsmotormodell um den Faktor 30-40 und eignet sich insbesondere für Auslegungsrechnungen, in denen Parameter wie Achsübersetzung oder Turboladergröße systematisch variiert werden.

Whenever an exhaust turbocharged powertrain is designed, the transient behaviour of the internal combustion engine (ICE) is under special focus. One of the reasons is given by the thermodynamic coupling of ICE and turbocharger, which restricts the engine from following spontaneous driver demands and has significant impact on the transient vehicle acceleration. The simulation of the engine together with the vehicle enables the evaluation of significant powertrain design parameters. Due to high complexity and long computing time, crankangle resolved engine simulation does not fit the needs of early stage powertrain development. Therefore, a mean value model is developed to design powertrains with exhaust turbocharged spark ignition engines. In the mean value model the working cycle is replaced by an engine dataset and the gas exchange process is modelled by concentrated (0D) volumes. As turbocharger size strongly affects the transient engine process, the interaction between turbocharger and internal combustion engine is investigated. In order to modify turbocharger size within a single mean value dataset, a scalable exhaust throttle instead of the turbocharger is introduced to the precalculation of the engine dataset and a correlation between turbine size and throttle diameter is presented. To compensate the linearisation error in the mean value turbine, two new equations for turbine pulsation factors are derived. The newly introduced turbine factors enable the mean value model to predict the transient engine behaviour. The model is successfully validated against measured data from transient driving manoeuvres and sample applications among others with a hybridised powertrain are given. The developed model offers a speed-up factor of 30-40 compared to a crank-angle resolved engine model and is especially suited when a large quantity of design parameters such as final drive ratio or turbocharger size are varied.

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Heyden, Cornelius von: Modellierung und Auslegung von Antriebssträngen mit abgasturboaufgeladenen Ottomotoren. Ilmenau 2018.

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