HYBRID PNEUMATIC ENGINES

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1 Diss. ETH No HYBRID PNEUMATIC ENGINES A dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Christian Dönitz Dipl.-Ing. born April 26, 1979 citizen of Germany accepted on the recommendation of Prof. Lino Guzzella, examiner Prof. Stefan Pischinger, RWTH Aachen, co-examiner Prof. Pascal Higelin, Université d Orléans, co-examiner 2009

2 Abstract The pneumatic hybridization of vehicle propulsion systems is a promising alternative to the well-known electric hybridization. Specifically, pneumatic hybridization of drive trains does not require any heavy or expensive additional components such as electric motors and batteries. This thesis evaluates to what extent hybrid pneumatic engines (HPEs) are capable of reducing a vehicle s fuel consumption while maintaining excellent driveability. HPEs are based on conventional internal combustion engines with an additional charge valve per cylinder that establishes the connection of the cylinders to an air pressure tank. In vehicle braking phases with fuel cutoff, the engine can intake air and pump it into the pressure tank. Without the injection of fuel, the pressurized air can then be used again for starting or driving the vehicle in the pneumatic motor mode. The pressurized air can also be used to boost the conventional engine combustion mode, thereby overcoming the turbo lag of turbocharged engines. In a first step, a theoretical investigation shows that variable valve actuation is necessary for the charge valve only, yielding four-stroke pneumatic modes. For the valve and throttle actuation of all two- and four-stroke pneumatic modes, closed-form solutions or generic and size-independent numeric solutions are presented. The findings of that study are used for an analysis of the fuel-saving potential of various HPE configurations that include the effects of engine downsizing and fully variable actuation for all engine valves. This analysis shows that the pneumatic hybridization of power trains is especially effective when it is combined with strong downsizing and supercharging of spark ignited engines. Consequently, a two-cylinder gasoline engine is modified to establish a HPE structure with non-variable camshafts for intake and exhaust valves and fully variable charge valves. For this first fully functional HPE of its kind, performance measurements i

3 for all additional engine modes are presented. The pneumatic motor mode and the pneumatic pump mode are individually optimized over their whole operating range for maximum recuperation efficiency. Jointly with the conventional combustion mode and the supercharged mode, they are implemented in one engine control system, thereby enabling the switching between all modes. It is shown experimentally that the supercharged mode can be used to completely overcome the engine s turbo lag, thereby providing excellent driveability to the downsized engine. A dynamometer is used to emulate the longitudinal dynamics in the MVEG- 95 and FTP drive cycles of two series production vehicles for the modified engine. Causal and non-causal energy management strategies are presented, which are used for choosing the engine mode during a drive cycle. Fuel savings of around 30% are measured when comparing the modified engine to several vehicles standard engines with the same rated power. ii

4 Zusammenfassung Die pneumatische Hybridisierung von Fahrzeugantriebssystemen ist eine vielversprechende Alternative zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs. Die bekanntere elektrische Hybridisierung benötigt schwere und teure zusätzliche Komponenten wie Batterien und Elektromotoren. Die pneumatische Hybridisierung kommt dagegen mit wesentlich leichteren und günstigeren Komponenten aus. Diese Doktorarbeit bewertet, in welchem Ausmaß pneumatische Hybridmotoren (PH) in der Lage sind, den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs zu senken und dabei ein gutes Fahrverhalten zu gewährleisten. PH basieren auf konventionellen Verbrennungsmotoren mit einem zusätzlichen Ladeventil pro Zylinder, welches die Verbindung jedes Zylinders mit einem gemeinsamen Drucklufttank herstellt. In Bremsphasen des Fahrzeugs wird die Kraftstoffzufuhr des PH deaktiviert, Luft angesaugt und in den Drucklufttank gepumpt. Die komprimierte Luft kann wiederum zum Antrieb oder zum Starten des Fahrzeugs verwendet werden, wobei wiederum kein Kraftstoff eingespritzt wird. Zudem kann die Druckluft zusammen mit zusätzlichem Kraftstoff auch dazu benutzt werden, den normalen Verbrennungszyklus aufzuladen und so das Turboloch in Turbomotoren zu überbrücken. Zunächst zeigt eine theoretische Untersuchung, dass eine variable Ventilsteuerung nur für das Ladeventil unumgänglich ist. Für diesen Fall resultieren Pneumatik-Modi auf Viertakt-Basis. Bei allen Zweitakt- und Viertaktbasierten Pneumatik-Modi werden für die Drosselklappen- und Ventilsteuerung algebraische oder allgemeingültige numerische Lösungen der jeweiligen Optimierungen präsentiert, die zudem unabhängig sind von gegebenen Motorgrößen. Die Erkenntnisse dieser Studie werden für eine umfassende Untersuchung zum Kraftstoffeinsparpotenzial herangezogen. Verschiedene PH Konfigurationen sowie die Effekte von Downsizing und vollvariabler Steuerung aller Motorventile werden dabei untersucht. Das Ergebnis zeigt, dass die iii

5 pneumatische Hybridisierung besonders wirkungsvoll ist, wenn sie bei turboaufgeladenen Downsizing-Benzinmotoren angewendet wird. Für die experimentelle Untersuchung des erarbeiteten Konzepts wird ein modifizierter Zweizylinder-Benzinmotor mit starren Nockenwellen für Einund Auslassventile und vollvariablen Ladeventilen verwendet. Mit diesem vollfunktionsfähigen Motor, dem ersten seiner Art, werden Messungen für alle zusätzlichen Motormodi durchgeführt und präsentiert. Der Pneumatik Motor Modus und der Pneumatik Pump Modus werden individuell über ihren gesamten Betriebsbereich optimiert, um einen maximalen regenerativen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Pneumatik-Modi sind mit dem konventionellen Verbrennungsmodus und dem Supercharged Modus in einer Motorsteuerung vereint, was ein Umschalten zwischen den Modi ermöglicht. Es wird experimentell gezeigt, dass das Turboloch des Motors komplett überbrückt werden kann mit Hilfe des Supercharged Modus. Dies ermöglicht ein exzellentes Fahrverhalten dieses turboaufgeladenen Downsizing-Motors. Für die Emulation der Längsdynamik zweier Serienfahrzeuge im NEFZ und im FTP Fahrzyklus wird eine hochdynamische Motorbremse eingesetzt. Es werden zudem kausale und akausale Betriebsstrategien präsentiert, die den Motormodus während eines Fahrzyklus bestimmen. Mit dieser Versuchanordnung können Kraftstoffeinsparungen um 30% nachgewiesen werden für den Vergleich mit Standardmotoren von Serienfahrzeugen, die die gleichen Spitzenleistungen aufweisen. iv