Analyse und Optimierung der Effizienz von Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung in hybriden Antriebssträngen

Eine von vielen Möglichkeiten zur wirksamen Verringerung des CO2-Ausstoßes bei Pkw ist die Entwicklung von Hybridfahrzeugen. Aufgrund der vielseitigen Wechselwirkungen im Antrieb muss der Verbrennungsmotor zur Maximierung der Effizienzpotenziale in Hybridfahrzeugen gezielt ausgelegt werden. In dieser Arbeit werden drei Parameter saugrohreinspritzender Ottomotoren in verschiedenen Hybrid-Topologien und Fahrzyklen hinsichtlich einer maximalen Systemeffizienz mithilfe von Simulationen optimiert. Die Parameter umfassen das Hubvolumen, die Spätverschiebung des Einlassventil-Schließens im Atkinson-Brennverfahren und die Rückführungsrate von gekühltem externem Abgas. Zur Beherrschbarkeit der Variantenvielfalt wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Simulationsverfahren entwickelt, welches eine gesamtheitliche CO2-Optimierung von Ottomotoren in Hybridantrieben ermöglicht. Kern des entwickelten Verfahrens sind drei Berechnungsmodule. Das erste Modul ermöglicht die Skalierung des Wirkungsgrad-Kennfelds des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit der drei Motorparameter, welche auf Basis von 1D-Simulationen und Messungen ermittelt wurde. Im zweiten Modul wird die Betriebsstrategie der Hybridfahrzeuge hinsichtlich einer maximalen Systemeffizienz optimiert. Das dritte Berechnungsmodul ermöglicht die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs der Hybridfahrzeuge durch Gesamtfahrzeugsimulationen. Die Systemeffizienz von Hybridfahrzeugen kann durch die gezielte verbrennungsmotorische Optimierung von Hubvolumen, Spätverschiebung des Einlass-Schließens und externer Abgasrückführungsrate um bis zu 7% bei konstanter Leistung gesteigert werden. Eine Wirkungsgradsteigerung des Ottomotors wird dabei vor allem im Bereich höherer Drehmomente erreicht, der in Hybridfahrzeugen häufig angefahren wird.