Untersuchung von Verbesserungspotentialen hinsichtlich Verbrauch und Drehmoment bei Ottomotoren mit Hilfe 1-dimensionaler Simulationsrechnung

  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Verbesserungspotentiale von Ottomotoren mit besonderer Berücksichtigung von Verbrauch und Drehmoment mit Hilfe der Motorprozeßrechnung untersucht. Insbesondere wurden die Zusammenhänge von Ursache und Wirkung einzelner Verbesserungsmaßnahmen herausgestellt. Zur Modellierung realer Motoren wurde die Simulationssoftware GT-Power verwendet, wobei die Regelung über Matlab/Simulink vorgenommen wurde. Aber auch mit vereinfachten Rechenmodellen, die unter dem Fortran-Programm VOMO oder der Rapid-Prototype-Software ASCET-SD erstellt wurden, waren aussagekräftige Motormodelle erstellt und Potentiale abgeleitet worden. Wenn das Auslassventil öffnet, geht dem Arbeitsprozeß in der Hochdruckschleife ein nicht unerheblicher Anteil an Abgasenergie verloren. Rechnungen zeigen ein hohes Potential zur Wirkungsgradsteigerung, wenn das Abgas bis zum Umgebungsdruck entspannt werden könnte. Die zur vollständigen Abgasexpansion notwendigen Expansionsverhältnisse lassen jedoch einen sinnvollen Motorbetrieb nicht zu. Eine realistischere Abschätzung mit einem vorgegeben Expansionsverhältnis von 20 zeigt immer noch ein theoretisches Wirkungsgradpotential von 7 bis 10%. Der drosselgesteuerte Ottomotor hat stets den Nachteil von hohen Pumpverlusten während des Ladungswechsels in der Teillast. Hier gibt es verschiedene Ansätze, diese Verluste zu minimieren. Benzin-Direkt-Einspritzung nutzt das Verfahren einer Verbrennung mit sehr hohem Luftüberschuss und erreicht dadurch nahezu eine vollständige Entdrosselung des Motors. Das Problem ist hierbei jedoch der erhöhte Mehraufwand zur Abgasnachbehandlung. Eine andere Möglichkeit, die selbe Wirkung der Entdrosselung zu erzielen, ist, den Motor mit sehr hohem Überschuss an Restgas zu betreiben. Der Vorteil gegenüber BDE ist, dass die Verbrennung konventionell mit Lambda=1 ablaufen kann. Die sehr hohe AGR-Rate, die hierfür notwendig ist, reduziert NOx gleichermaßen auf ein Minimum. Die hohen AGR-Mengen können durch einen variablen Ventiltrieb mit geeigneten Steuerzeiten bereit gestellt werden. Simulationen zeigen, dass in Teillastpunkten bei 60% AGR der Kraftstoffverbrauch um bis zu 20% verringert werden kann. Die Aufladung nimmt bei Ottomotoren einen immer wichtigeren Stellenwert ein. Der freisaugende Motor hat jedoch immer noch einige Vorteile, was Vollastverbrauch, transienten Hochlauf und Katalysator Light-off angeht. Mit einer variablen Saugrohrgeometrie, gepaart mit einem variablem Einlassventil, ist es möglich, in einem weiten Drehzahlbereich den Luftaufwand zu verbessern. Simulationen zeigen, dass bei optimaler Auslegung der Saugrohrlänge Luftaufwände von 110% erreicht werden können. Überlagert man hierbei noch ein variables Einlassventil, bringt dies darüber hinaus weitere Vorteile im Bereich des Anfahrdrehmomentes des Motors. Downsizing-Konzepte sind die konsequente Umsetzung turboaufgeladener Motoren zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Die Kombination von Abgasturboaufladung, BDE und variabler Einlassnockenwelle wurde an einem hubraumkleinen Forschungsmotor getestet und nachgebildet. Bei früher Phasenstellung war es möglich, das Drehmoment um 50% zu steigern. In diesen Betriebspunkten mit extrem hoher Ventilüberschneidung kommt es jedoch auch zu einem unerwünscht hohen Anteil von Überspülen von Frischluft, was zur Verminderung des Fanggrades führt. Die Abgaszusammensetzung ist hier charakterisiert durch Auftreten über- und unterstöchiometrischer Bereiche, bedingt durch Überspülen einerseits und fetter Verbrennung andererseits. Gelänge die vollständige Oxidation der unverbrannten Komponenten vor der Abgasturbine, könnte das Drehmoment um 30% angehoben werden. Eine weitere Möglichkeit, das stationäre und das transiente Drehmoment ottoaufgeladener Motoren zu verbessern, ist die Unterstützung durch einen elektrisch angetriebenen zusätzlichen Verdichter. Experimentelle Untersuchungen mit einem 14V betriebenen Zusatzverdichter im Fahrzeug dienten als Basis, um rechnerische Optimierungspotentiale herauszuarbeiten. Eine Strombegrenzung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erscheint sinnvoll, um die Belastung auf den Motor und das Bordnetz zu minimieren. Stromstärken zwischen 120 und 180A und kurzzeitige Leistungsanforderungen von 1,5 bis 2,4kW sind ausreichend, um einen transienten Hochlauf innerhalb 1 sec zu gewähren. Der Einfluss unterschiedlicher Verdichterradwerkstoffe spielt hierbei nur eine untergeordnete Rolle auf die Dynamik des Systems.
  • This present work deals with the investigation of some selected improvement potentials of Otto engines with regard to fuel consumption and torque output using engine process simulation. Especially the connections from the causes and their effects of a potential will be explained. For real engine modelling mainly the software GT-Power is used, controlled with Matlab/Simulink. But also with idealized and simplified engine simulation tools like VOMO or the rapid prototyping software ASCET SD, substantial modells and potentials can be derived. When opening the exhaust valve, a considerable amount of exhaust pressure energy is lost to the high pressure loop. An estimation shows high potential to gain the efficiency if the exhaust gas could be expanded to boundary conditions, but only with extreme high compression ratios, which is not feasible. A more realistic investigation with a Diesel engine similar e of 20 shows still a not neglectable potential to raise the efficiency of 7 to 10%. A throttle controlled Otto engine has always the disadvantage of the pumping work during gas exchange in part load. Several methods to minimize these losses are possible. GDI uses the effect of dethrotteling by a high excess of air to drive the engine lean. The problem with it is the NOx reduction in the exhaust gas aftertreatment. Another possibility to have the same effect of dethrotteling is to drive with a coorespondent excess of exhaust gas in the cylinder. The advantage to GDI would be that l=1,0 can be kept, so that an high amount of stoichiometric exhaut gas stays in the cylinder during the gas exchange. At the same time this high inner engine EGR rate will reduce NOx to a minimum. Turned over can these high EGR rates with a fully variable electromechanical valvetrain that can provide the necessary valve timings. Simulations in ASCET-SD have shown that in typical part load points, the fuel consumption can be lowered for about 20%, which is comparable to GDI. EGR rates of 60% are therefore necessary. Turbo Charging becomes more and more important for Otto engines to increase the torque and power output. But the naturally aspirated engine has still some advantages to the turbo driven engine in the area of fuel consumption at full load, transient behaviour or catalysts light-off. With a variable manifold geometrie in combination with a variable inlet valvetrain, it is possible to improve the volumetric efficiency in a wide range of engine speed. GT-Power simulations show that an optimal matching of the length of the inlet port arms leads to volumetric efficiencies near 110% by using the gasdynamic boost effects of the pulsating intake flow. The combination with a variable intake camshaft brings additional benefits, especially at low engine speeds by avoiding a backflow of cylinder charge to the intake port. Downsizing concepts are a consequent way for turbocharged engines to reduce fuel consumption. The combination of turbo charging, GDI and a variable inlet valvetrain was investigated on a small engine and simulated in GT-Power. With early cam timing it was possible to improve the torque by 50%. But in this point it comes also to undesired air scavenging because of the high valve overlapping and leads to diminished trapping ratios. The exhaust gas composition is then characterised by peaks of lean and enriched fractions but has still overall stoichiometric composition. If it would be possible to oxidize the scavenged air with the unburned fuel before the turbine, the potential to improve the low end torque would be additional 30%. Another possibility to improve the stationary and transient torque of turbo charged engines is with the help of an additional electric driven compressor. Experimental investigations of an 14V driven E-compressor in the vehicle AUDI 1,8T served as a basis to generate simulation modells to optimize the system. A limitation of the current, that is depending of engine speed is reasonable to reduce the strain for the power unit. 120A to 180A and briefly electrical power demands of 1,5 to 2,4kW are sufficient to have a transient speed-up of the torque within 0,5 and 1s. The influence of different compressor wheel materials (Aluminium or plastic) plays a minor role.

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Metadaten
Author:Gert Schreiber
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19526
Advisor:Werner Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2006
Year of Publication:2006
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2006/01/26
Tag:Kraftstoffverbrauch ; Motorprozeßrechnung ; Potentialabschätzung
engine process simulation ; fuel consumption ; gasoline engine ; turbocharging
GND-Keyword:Aufladung; Benzinverbrauch ; Ottomotor
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $