Der Startvorgang von hybridisierten Ottomotoren - Untersuchung, Bewertung, Optimierung

Im Rahmen der Diversifizierung des Antriebsstrangs wird die Anzahl an hybridisierten Fahrzeugen in verschiedenen Triebstrangausprägungen zunehmen. Eine Gemeinsamkeit aller Ausprägungen ist die Umsetzung eines Motor-Start-Stopp-Betriebs, von welchem ein großer Teil der zu erwartenden CO2-Einsparung kommt. Die vorliegende Arbeit untersucht den Startvorgang am hybridisierten Ottomotor und zeigt Verbesserungspotenziale und Optimierungsmöglichkeiten auf. Zunächst werden die Grundlagen zum Start-Stopp-Betrieb in verschiedenen Hybridkonzepten beschrieben. Anschließend findet eine Analyse der am Markt befindlichen Start-Stopp-Systeme im Probandenversuch statt. Die Akzeptanz und der Komfort werden analysiert. Alle sechs untersuchten Fahrzeuge besitzen ein akzeptables Maß an Komfort, wobei signifikante Unterschiede zwischen den Fahrzeugen, insbesondere bezüglich der auf den Fahrer einwirkenden Vibrationen, nachgewiesen werden. Es besteht damit Potenzial, den Komfort im Start-Stopp-Betrieb zu optimieren. Innerhalb der Probandenuntersuchung konnte eine Korrelation zwischen Schwingungsmessergebnissen und der Wahrnehmung der Probanden nachgewiesen werden. Der Startkomfort im Fahrzeug ist demnach messbar. Zur Untersuchung und Optimierung des Hybridstartvorgangs wird ein Hybridprüfstand aufgebaut. Damit auch am Prüfstand eine Komfortbewertung stattfinden kann, wird eine Methode zur Bewertung des Schwingungsverhaltens des Aggregats entwickelt. Die Aggregatbewegung wird gemessen und in eine Lagerkraft überführt, welche im Fahrzeug die Karosserie anregt. Die Amplitude dieser Lagerkraft wird in drei startrelevanten Bereichen bewertet: Anstellschlag, Eigenfrequenzbereich und Bereich der ersten Verbrennungen. Zum tieferen Verständnis der Vibration im Motorstart und -stopp und zur Illustration von nicht experimentell am Prüfstand darstellbaren Start- und Stoppvorgängen wird die Aggregatschwingung simuliert. Das entstandene Modell stimmt sehr gut mit den experimentellen Untersuchungen überein. Schließlich werden die Einflussmöglichkeiten auf den Startvorgang Drosselklappenstrategie, Zündwinkel und E-Maschinenstartdrehmoment, untersucht. Die Erkenntnisse der Untersuchung fließen in die Optimierung zweier Startvorgänge: Eines fahrerinitiierten Starts mit dem Fokus auf einer schnellstmöglichen Bereitstellung von Drehmoment und eines fahrzeugsysteminitiierten Starts mit dem Fokus auf Komfort. Die optimierten Startvorgänge werden hinsichtlich ihres Energiebedarfs bilanziert. Der Start-Stopp-Betrieb kann anhand der in dieser Arbeit entwickelten Methoden sowohl am Prüfstand als auch im Versuchsträger untersucht und bewertet werden.

This work analyses and optimizes the start-up sequence of a direct injection gasoline engine in hybrid drivetrain architechtures. First of all, the background of start-stop operation in different hybrid concepts is described. Then vehicles with start-stop systems are analyzed in a proband study with the focus on comfort and the driver’s acceptance. The six tested vehicles all show an acceptable degree of comfort. Though measuring a significant difference especially concerning vibration in passenger compartment identifies room for improvement. In this study a correlation between the measured vibrations and the probands perception is detected. A hybrid engine test bed is built for the start-up analysis and optimization. Furthermore an evaluation method is developed in order to measure and evaluate the start comfort at the test bed. The vibration of the assembly is measured and converted into a bearing reaction that is exciting the vehicles auto body. The amplitude of this bearing reaction is evaluated in three relevant comfort ranges during start-up: initial jerk, resonance frequency range, and range in which the first combustions occur. Additionally a vibration model is developed for a deeper understanding of the processes during engine start and stop and for analysis of start-up sequences that could not be realized experimentally at the hybrid test bed. Since the model is validated by measurements it is used for vibration analysis. Finally the following influences on the start-up sequence are researched: throttle operation, ignition angle, and start-up torque that is applied by the electric motor. The conclusions are used for optimizing two different start-up sequences. The characteristics of these two start routines correspond to two possible start requests. In one case, the driver requests torque immediately to take-off and short start duration is most important. In the other case, the control strategy requests to turn on the engine which should happen almost impalpable and therefore comfort is most important. The energy demand of these two starts is balanced. The methods developed in this work contribute to analysis and optimization of the start-stop operation both in test vehicles and on engine test beds.