Forschung & Technik 1-5 VKA Intern / Neues vom VKA 5 Events 5-6 Impressum 6

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1 Ausgabe 01/2006 Newsletter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen Aachen Forschung & Technik 1-5 VKA Intern / Neues vom VKA 5 Events 5-6 Impressum 6 Electric Power Boost Die zuvor beschriebenen Möglichkeiten der Hybridisierung ermöglichen dabei auch ein konsequentes Downsizing des Verbrennungsmotors. In einem durch die Europäische Union geförderten Projekt wird am VKA in Zusammenarbeit mit der Automobilindustrie das Potential des Downsizings an einem Fahrzeug der oberen Mittelklasse aufgezeigt. Dabei wird der Basismotor ein 3L Saug-Ottomotor durch einen leistungsgleichen, aufgeladenen, 1.8L Turbomotor ersetzt. Zur Kompensation des Turbolochs unterstützt im unteren Drehzahlbereich ein elektrischer Motor mit einer Maximalleistung von 10 kw den Verbrennungsmotor (Bild 1). Als Energiespeicher kommen Supercaps zum Einsatz, die gegenüber Batterien die Bereitstellung hoher elektrischer Leistungen ermöglichen. FORSCHUNG & TECHNIK Hybridantrieb Die Entwicklung neuer Antriebe ist zum einen durch Bemühungen um eine weitere Absenkung des Kraftstoffverbrauchs geprägt, zum anderen soll auch die Fahrdynamik neuer Fahrzeugantriebe gesteigert werden. Eine aktuell häufig diskutierte Alternative zur Erfüllung beider, zunächst widersprüchlich erscheinender Ziele, stellt der Hybridantrieb dar. Unter Hybridantrieben werden Antriebssysteme mit mehr als einer Antriebsquelle verstanden, wobei die zur Zeit diskutierten Fahrzeuge zusätzlich zum Verbrennungsmotor mindestens einen Elektromotor und mehrere Energiespeicher aufweisen. Antriebstrangauslegung und Betriebsstrategie haben dabei zum Ziel, die Vorteile der verschiedenen Antriebsmaschinen optimal zu nutzen, um Vorteile insbesondere im Kraftstoffverbrauch und bei Fahrleistungen sowie Emissionen zu erhalten. Je nach Grad der Hybridisierung, d.h. Anteil der installierten elektrischen Leistung, lassen sich mehrere Vorteile gegenüber konventionellen Antriebskonzepten erzielen. So reichen die Optionen von Verbrennungsmotor Start-Stopp über eine Anfahrunterstützung durch die elektrischen Maschinen (Boosten) und Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) bis hin zum rein elektrischen Fahren. Zusätzlich können die Verbrennungsmotor-Betriebspunkte in verbrauchsgünstigere Bereiche verschoben werden. Bild 1: Drehmoment- und Leistungskurve des Basismotors und des verkleinerten Motors mit Electric Power Boost (EPB) In Bild 2 ist der Verbrauchsvorteil des Electric Power Boost (EPB) Fahrzeugs gegenüber dem Basisfahrzeug mit 3L-Saugmotor dargestellt. Durch Downsizing des Verbrennungsmotors konnte eine Verbrauchseinsparung von 17 % erzielt werden. Der Start/Stopp Modus verringerte den Verbrauch (bezogen auf das Basisfahrzeug) um 5 % und durch Rekuperation wurden weitere 2 % Kraftstoff eingespart. Bild 2: Verbrauchseinsparung durch Electric Power Boost

2 2 Insgesamt kann gegenüber dem Fahrzeug mit Basismotorisierung durch diese Maßnahmen eine Verbrauchseinsparung von 24 % im Neuen Europäischen Fahrzyklus erzielt werden. Damit liegen die CO 2 Emissionen des hybridisierten Fahrzeugs sogar ca. 13 % unter denen eines vergleichbaren Dieselfahrzeugs. Bild 3: Volllastbeschleunigung 30 km/h bis 80 km/h im dritten Fahrgang Bild 3 zeigt eine Volllastbeschleunigung des Fahrzeugs mit 1.8L Turbomotor von 30 auf 80 km/h (1250 min min -1 ) im dritten Gang. Dabei wurde die Beschleunigung einmal mit und einmal ohne Unterstützung des E-Motors durchgeführt. Durch die elektromotorische Unterstützung wird ein deutlich höheres Gesamt-Drehmoment erreicht. Für die Beschleunigung von 30 auf 80 km/h benötigt das Fahrzeug mit EPB 6.4 s und ist damit 2 s schneller, als das Fahrzeug ohne elektromotorische Unterstützung. Das Basisfahrzeug mit 3.0L-Saugmotor benötigt rund 7 Sekunden. Optimierte Auslegung von Benzinmotoren in Hybridantriebssträngen Um die Vorteile der Hybridantriebe voll ausnutzen zu können kommt der Auslegung der Hybridkomponenten und der Betriebsstrategie während des Entwicklungsprozesses eine besondere Bedeutung zu. Dabei ist aufgrund der Vielzahl der Antriebsstrangkomponenten eine optimierte Auslegung des Gesamtsystems mit herkömmlichen Methoden nicht zu bewältigen. Im Rahmen des von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) geförderten Forschungsprojekts Optimierte Auslegung von Benzinmotoren in Hybridantriebsträngen wird daher am VKA ein neuartiger Ansatz zur Optimierung von Benzinmotoren für Hybridantriebe sowie der Antriebsstrangkomponenten entwickelt. Dabei wird eine Kombination aus Simulation des Hybridantriebsstrangs und numerischen Optimierungsverfahren benutzt (Bild 5). Zuerst werden Simulationsmodelle eines leistungsverzweigten und zweier paralleler Hybridantriebsstränge aufgebaut. Die Antriebsstrangkomponenten werden durch einen allgemeinen Ansatz beschrieben, der eine Variation der einzelnen Einflussparameter erlaubt. So können z.b. verschiedene Verbrennungsmotorenkonzepte mit jeweils unterschiedlichen Konfigurationen (Verdichtungsverhältnis, Hubvolumen) aber auch verschiedene E-Maschinentypen und -größen simuliert werden. Da eine Variation der Antriebsstrangkomponenten auch eine Änderung der Betriebsstrategie bedingt, wird diese im Simulationsmodell ebenfalls variabel beschrieben. In Bild 4 ist beispielhaft eine Variation zweier Betriebsstrategie-Parameter für den leistungsverzweigten Hybrid dargestellt. Der Parameter k1 gibt dabei die Maximalleistung vor, bis zu der rein elektrisch gefahren werden darf. Ist die von Fahrer und Batterie-Ladestrategie angeforderte Leistung geringer als k1, darf elektrisch gefahren werden. Wird der Faktor verkleinert, muss der Verbrennungsmotor schon bei niedrigeren Leistungen zugeschaltet werden (rote Kurve in Bild 4). Da die Antriebsenergie während des elektrischen Fahrens von der Batterie aufgebracht werden muss, hat ein höheres k1 (schwarze Kurve) einen stärkeren Abfall der Batterie-Ladekurve zur Folge. [min -1 ] [-] 3000 Verbrennungsmotor Drehzahl Ladezustand NiMH-Batterie Max. Leistung für elektr. Fahren: 10 kw Max. Leistung für elektr. Fahren: 3 kw Zeit [s] Bild 4: Variation der Betriebsstrategie In Tabelle 1 sind die variablen Parameter für das Simulationsmodell des leistungsverzweigten Hybrids dargestellt. Numerische Parameter sind dabei Parameter, die stufenlos verstellt werden können, währen kategorische Parameter nur in fest vorgegebenen Kategorien variiert werden können.

3 wenige, dafür aber ganz bestimmte Antriebsstrangkonfigurationen simuliert werden. Die Anzahl der Simulationen liegt deutlich unter der Anzahl, die für eine Rastervermessung erforderlich ist. Aus den so vorgegebenen Verbrennungsmotor- und Antriebsstrangkombinationen wird zusammen mit dem errechneten Kraftstoffverbrauch ein Polynom erstellt, das den Kraftstoffverbrauch für jede mögliche Kombination der Antriebsstrangparameter errechnet. Mit Hilfe dieses Polynoms kann dann eine optimale Kombination der Parameter gefunden werden. 3 Dieser neue Ansatz zur Auslegung der Komponenten ermöglicht eine Auslegung von Verbrennungsmotor, Hybridkomponenten und Betriebsstrategie, die das Kraftstoffeinsparpotential voll ausschöpft. Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Tabelle 1: Variablen für Simulationsmodell des leistungsverzweigten Hybrids Die Optimierung der Parameter geschieht nicht durch die herkömmliche Methode der Variation eines Parameters bei Konstanthalten der übrigen Parameter. Dies würde zum einen eine unüberschaubare Anzahl an durchzuführenden Versuchen bedingen, zum anderen lässt sich mit dieser Methode das globale Optimum aller möglichen Kombinationen nicht eindeutig bestimmen. Dipl.-Ing. Jörg Seibel Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ seibel@vka.rwth-aachen.de Vielmehr bieten Programme zur statistischen Versuchsplanung (Design of Experiments) die Möglichkeit, durch gezielte Planung der Versuche die Anzahl der Variationen zur verringern. Die Versuche werden dabei so gewählt, dass gegenüber der herkömmlichen Methode nur Bild 5: Optimierte Auslegung von Hybridantriebssträngen mittels Simulation und statistischer Versuchsplanung

4 FORSCHUNG & TECHNIK 4 Virtuelle Fahrzeuginnengeräuschsimulation Heutige Antriebsaggregate unterliegen einer zunehmenden Kundenerwartung hinsichtlich Komfort und Geräusch. Dieser Trend erfordert, das Geräusch- und Schwingungsverhalten von Antriebsaggregaten in einer sehr frühen Phase der Entwicklung zu bestimmen und zu optimieren. Im Rahmen eines internen Forschungsprojektes in Zusammenarbeit mit der FEV Motorentechnik sind die Berechnungsverfahren zur Simulation des akustischen Verhaltens von Gesamtaggregaten weiter entwickelt worden. Die bekannte Fahrzeuginnengeräuschsimulation (VINS) wurde mit einer Luftschall- und Körperschallsimulation kombiniert. Damit ist es möglich, das Fahrzeuginnengeräusch zu berechnen und hörbar zu machen, bevor ein erster Prototyp existiert. Die Berechnung der für das Schwingungsverhalten relevanten Anregungsmechanismen erfolgt mittels Mehrkörpersimulation (MKS). In Bild 1 ist das hier verwendete MKS-Modell gezeigt. Das Modell beinhaltet im Wesentlichen den Kurbel- und Ventiltrieb. In der der Mehrkörpersimulation anschließenden Forced-Response-FE- Berechnung werden die berechneten Lagerreaktionskräfte dem FE-Modell aufgeprägt. Die FE-Berechnungen erfolgen in der Regel im Zeitbereich. Das hat den Vorteil, dass komplette Drehzahlhochläufe in einer Berechnung durchgeführt werden können. Zudem können sämtliche Analysen analog zu experimentellen Untersuchungen mit Standardsoftware durchgeführt und auch hörbar gemacht werden. Solche Simulationsprozesse sind seit einiger Zeit im Motorenbau Standard. Um hingegen den Einfluss der Schallabstrahlung und des Vibrationsverhaltens des Motors auf das Fahrzeuginnengeräusch zu bestimmen, ist die alleinige Betrachtung des Aggregates nicht ausreichend. Vielmehr muss das Übertragungsverhalten der Fahrzeugkarosserie berücksichtigt werden. Daher ist das berechnete NVH-Verhalten (Noise, Vibration and Harshness) des Aggregates mit der Methode der Innnengeräuschsimulation (Vehicle Interior Noise Simulation, VINS) kombiniert worden. Die Methode der Innengeräuschsimulation ist ein experimentell-basiertes Berechnungsverfahren zur Generierung eines synthetischen Innengeräusches. Dabei werden die Übertragungseigenschaften einer Fahrzeugkarosserie mit Körper- und Luftschallmessungen verrechnet und somit ein Innengeräusch erzeugt. In zahlreichen Arbeiten konnte das Verfahren verifiziert und die sehr guten Übereinstimmungen zwischen dem gemessenen und synthetisch erzeugten Innengeräusch aufgezeigt werden. Durch die Kombination der VINS mit den simulierten Motoranregungen zur Virtual Vehicle Interior Noise Simulation (V-VINS) ist ein Tool entwickelt worden, Bild 1: Adams/Engine Simulationsmodell welches eine zielgerichtete Motorenentwicklung hinsichtlich des Fahrzeuginnengeräusches ermöglicht. In Bild 2 ist dieses neue Verfahren der klassischen Innengeräuschsimulation auf Basis von Prüfstandsmessungen gegenübergestellt. Bild 2: Vergleich Messung / Berechnung Fahrzeuginnengeräusch Dargestellt sind Campbell-Diagramme des Innengeräusches eines Motorhochlaufes unter Volllast. Beide Diagramme zeigen eine vergleichbare Geräuschqualität. Die den Klangeindruck prägenden Motorordnungen sowie die pegelbestimmenden Resonanzfrequenzen bei 300, 480 und 700 Hz sind gleich stark ausgeprägt. Das mittels vollständig simulierten Anregungen berechnete Innengeräusch zeigt somit die identischen Geräuschauffälligkeiten mit dem Vorteil, dass die mit V-VINS ermittelten Ergebnisse schon in sehr frühen Entwicklungsphasen zur Verfügung stehen. Das akustische Verhalten eines Verbrennungsmotors kann so nun zielgerichtet unter Berücksichtung des Fahrzeuginnengeräusches erfolgen. Damit ist es möglich, das motorinduzierte Innengeräusch eines Kraftfahrzeuges bereits vor der

5 Prototypphase des Motors zu berechnen und zu optimieren um damit Entwicklungszeit zu sparen. Bei Fragen zu diesem Thema wenden Sie sich bitte an Dipl.-Ing. Christian Pilath Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ pilath@vka.rwth-aachen.de VKA Intern /Neues vom VKA Hörsaal TD / Seminaraum Pünktlich zum Wintersemester 2005/2006 wurde die Renovierung des Hösaals TD abgeschlossen. Es steht nun ein moderner Hörsaal mit variabler Bestuhlung sowie neuer Klimatisierung zur Verfügung. Ende des vergangenen Jahres ist auch der neue Seminarraum des VKA an der Forckenbeckstraße im RWTH Erweiterungsgelände Melaten eingeweiht worden. Bibliothek / Seminarraum Im Rahmen der Sanierung des Gebäudes an der Schinkelstraße ist die Bibliothek des VKA in neue, größere Räume des neuen Lehrstuhlgebäudes im RWTH Erweiterungsgelände Melaten umgezogen. Masterprogramme Für das Wintersemester 2006/2007 sind 19 Bewerbungen für das Masterprogramm Energy Engineering eingegangen. Im Wintersemester 2005/06 waren damit in Summe 28 Studenten aus 14 Nationen eingeschrieben. Acht Studierende haben den RWTH Abschluss M.Sc. Energy Engineering bereits erlangt. Lehre / Vorlesungen Zum Sommersemester wird erstmals auch die Vorlesung Akustik im Motorenbau als englische Veranstaltung mit dem Titel Engine Acoustics angeboten. Damit wird nun nahezu das gesamte Lehrgebiet des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen zweisprachig angeboten. Weitere Informationen zu Lehrveranstaltungen finden Sie unter: EVENTS 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik Oktober 2006, Eurogress, Aachen Das 15. Aachener Kolloqium Fahrzeug und Motorentechnik wird in diesem Jahr von Montag bis Mittwoch, den Oktober 2006 stattfinden. Aktuelle Informationen und die Anmeldungsformalitäten sind auf der Website des Aachener Kolloquiums zu finden oder über Frau Schaefer-Hamm zu erfragen. Informationen / Tagungsbände / Programm: Birgit Schaefer-Hamm Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ hamm@vka.rwth-aachen.de Tagungen November 2006, Haus der Technik in Essen Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge Leitung: Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger (VKA) Prof. Dr.-Ing. Jan-Welm Biermann (ika) Inhalt: Welche Anforderungen an Hybridantriebe entstehen auf Kundenseite? Welches Hybridkonzept setzt sich in den verschiedenen Märkten USA, Europa, Japan durch? Wie können Vorteile einzelner Komponenten in einem optimalen Gesamtsystem kombiniert werden? Welche Anforderungen werden an zukünftige Energiespeicher-Systeme, Leistungselektroniken und Elektromotoren gestellt? Welchen speziellen Anforderungen werden an den Verbrennungsmotor gestellt? Welches Potential bietet ein Diesel-Hybrid im Vergleich zum Dieselmotor und Benzin-Hybrid? Wie sind die Verbrauchsvorteile des Hybridantriebs im Alltagsbetrieb zu bewerten? und schließlich: Ist der erhebliche Entwicklungs- und Kostenaufwand vor dem Hintergrund des erreichbaren Verbrauchseinsparpotentials und damit verbunden der CO 2 -Emissionsminderung gerechtfertigt? 5

6 6 Motortechnisches Seminar Sommersemester 2006 Montag, 08. Mai 2006; 18:00 Uhr Dr.-Ing. Ralf Marquard Senior Vice President MAN B&W Diesel AG Electronics meet Classics die neue Motorgeneration mit Common Rail Einspritzung Montag, 22. Mai 2006; 18:00 Uhr Dr.-Ing. Rolf Boot Abteilungsleiter Entwicklung Dieselmotoren Audi AG, Ingolstadt Steuergerätekonzepte für Dieselmotoren Montag, 12. Juni 2006; 18:00 Uhr Prof. Dr.-Ing. Giovanni Cipolla Diesel Engine Director GM Powertrain Europe S.r.l. Automotive Powertrain Evolution Scenario from an OEM Point of View Montag, 26. Juni 2006; 18:00 Uhr Dr.-Ing. Andreas Truckenbrodt Executive Director DaimlerChrysler Diesel, Hybrid, Brennstoffzelle wer macht das Rennen? Montag, 10. Juli 2006; 18:00 Uhr Dipl.-Ing. Wolf Zimmermann Geschäftsführer Mercedes-AMG GmbH Mercedes-AMG a Story of Passion and Success Impressum: Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA - RWTH Aachen Schinkelstraße Aachen Redaktion: Dipl.-Ing. Fabian Fricke Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ fricke@vka.rwth-aachen.de Birgit Schaefer-Hamm Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ hamm@vka.rwth-aachen.de Fotos: Waltraud Hostettler Design: Winfried Falkenau Die Vorträge finden im Kármán-Auditorium, Forum 5, Eilfschornsteinstraße 15, in Aachen statt. Die Teilnahme ist kostenlos. Eine Anmeldung ist nicht erforderlich. Aktuelle Informationen finden Sie auf der VKA-Website: Informationen / Programm: Birgit Schaefer-Hamm Tel.: +49 (0) 2 41/ Fax: +49 (0) 2 41/ hamm@vka.rwth-aachen.de