Development of a cost and fuel-efficient split engine
Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt zur Entwicklung eines kosten- und verbrauchsgünstigen Split-Verbrennungsmotors liefert neue Erkenntnisse über eine konsequente Weiterentwicklung des aktiven Downsizings. Maßgebliche Bestandteile des Gesamtkonzepts Splitmotor sind die aus Reibund Formkupplungseinheit bestehende Splitkupplung zur Kopplung und Trennung der Kurbelwellen, die spezifisch ausgelegten Teilmotoren mit zugehöriger Motorperipherie und die Betriebsstrategie des Antriebsstranges. Mittels der Kombination aus analytischer Berechnung, Simulation und Experiment wurde der Splitkurbelwellenmotor (Split-Crankshaft Engine SCE) bestehend aus Primärmotor und Sekundärmotor (Primary Engine PE und Secondary Engine SE) und die Splitkupplung (Split-Clutch Unit SCU) in enger Zusammenarbeit der beiden Institute FZG und LVK entwickelt und analysiert. Anhand der Betrachtung eines Mittelklassefahrzeugs konnte mit einer detaillierten Gesamtfahrzeug Co-Simulation der Verbrauchsvorteil eines Splitmotors gegenüber einem Zylinderabschaltungsmotor und einem konventionellen Vollmotor bestätigt werden. Durch den hohen Detailierungsgrad des in Simulink abgebildeten mechanischen Splitkupplungsmodels, der in GT Power modellierten 1D-Motormodelle und der ebenfalls in Simulink abgebildeten kostenfunktionsbasierten Betriebsstrategie kann die Frage der realen Umsetzbarkeit eines solchen Konzepts bejaht werden. Die als Validierungsgrundlage und für spezifische Analysen durchgeführten experimentellen Untersuchungen der Teilmotoren, der Subsysteme des Motors sowie der Komponenten der Splitkupplung untermauern die Aussagekraft. Innerhalb der untersuchten Fahrzyklen (z.B. Neuer Europäischer FahrZyklus NEFZ, Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure WLTP oder Common Artemis Driving Cycle CADC) konnte ein Verbrauchsvorteil des Splitmotors charakterisiert werden, welcher anteilig auf die Lastpunktanhebung und die Reibungsvermeidung zurückzuführen ist. Die zuverlässige Funktion der hochdynamischen Regelung der Splitkupplung wurde innerhalb der Fahrzyklen unter realitätsnahen Radbedingungen bestätigt. Die entwickelte SCU erbringt winkelgenaue und spielfreie Kopplung der beiden Teilkurbelwellen, um sämtliche Fahrzustände der beiden Teil-Kraftmaschinen zu ermöglichen. Dafür wurden bestehende Konzepte analysiert, bewertet und in die Entwicklung der Kupplung miteinbezogen. Die axiale Kraft zur Betätigung der Reib- bzw. Formkupplung wird über die Kugelrampenmechanismen generiert. Das winkelgenaue Schließen der Kupplung wird über die kodierte Zahngeometrie der Formkupplung und eine geeignete Regelungstechnik erreicht. Zur Erprobung der beiden Kupplungskonzepte wurde an der FZG ein Prüfstandsaufbau mit zwei Elektromotoren, statt Verbrennungsmotoren, realisiert. Zum Entwurf der Regelungstechnik wurde ein bestehendes Simulationsmodell um die notwendigen Teilsysteme erweitert, mit den Motormodellen des LVK gekoppelt. Die Realisierbarkeit der erforderlichen Regelungskennwerte durch eine PID-Kaskadenregelung konnte so nachgewiesen werden. Bei der Fertigung der Membranfedern traten Probleme im Bereich der Form- und Festigkeitsstabilität unter fertigungsbedingten, thermischen Einflüssen auf. Daraufhin wurden Alternativlösungen zur Reduzierung des Wärmeeintrags im Fertigungsprozess entwickelt. Eine thermisch unkritische Fertigungsvariante mit Presswerkzeugen war jedoch aus Kosten- und Effizienzgründen im Rahmen der Prototypenentwicklung nicht umsetzbar. Aufgrund der fertigungsbedingten Verzögerungen war die Umsetzung einer nicht integrativen Lösung innerhalb des Projektrahmens nicht mehr möglich. Für die Überprüfung der Montagefähigkeit wurden steifigkeitsoptimierte Membranfedern verwendet. Die Langlaufeigenschaften der montierten Kupplungseinheit sind in Frage zu stellen. Alternativ zu der experimentellen Erprobung des Gesamtmotors bestehend aus PE und SE sowie der SCU wurden die beiden Teilmotoren starr gekoppelt und am Motorenprüfstand betrieben. Zwischen den beiden Motoren wurde dabei ein hochdynamischer Drehmomentmessflasch eingebracht. Die primär- und sekundärseitige Trägheit der SCU wurde bei den Experimenten durch Schwungscheiben abgebildet und variiert. Über den vollständigen Last- und Drehzahlbereich des SCE Engine wurde so die Belastung der Teilkurbelwellen und der SCU analysiert.
Publications
- Concept of a Clutch Unit for a Split-Crankshaft ICE. 8th International CTI Symposium, 2014
Fischer, P. D.; Pflaum, H.; Stahl, K.; Bergmaier, J.; Wachtmeister, G.
- Enhancing Cylinder Deactivation through a Clutch Concept for Mechanical Cylinder Disconnection. Journal of Mechanical Engineering and Automation, 2014
Fischer, P. D.; Bergmaier, J.; Pflaum, H.; Stahl, K.; Wachtmeister, G.
(See online at https://doi.org/10.5923/j.jmea.20140403.02) - Erweiterung des aktiven Downsizings durch das Splitmotor-Konzept. Effizienz im Antriebsstrang - Trends und Herausforderungen, 2014
Rösler, S.; Fischer, P. D.
- Split-crankshaft engine: concept for a combustion engine with a two-piece disengageable crankshaft. 14. Internationales Stuttgarter Symposium, 2014
Bergmaier, J.; Wachtmeister, G.; Fischer, P. D.; Pflaum, H.; Stahl, K.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-658-05130-3_68) - Design, Simulation Study and Preliminary Experimental Results of the Electromechanical Clutch Unit for a Split-Crankshaft Engine. FISITA World Automotive Congress, 2016
Fischer, P. D.; Rösler, S.; Pflaum, H.; Stahl, K.; Wachtmeister, G.
- Experimental Implementation of an Internal Combustion Engine with a Disengageable Crankshaft - The Split- Crankshaft Engine. FISITA World Automotive Congress 2016, 2016
Rösler, S.; Fischer, P. D.; Pflaum, H.; Wachtmeister, G.; Stahl, K.
- Ermittlung des Einsparpotentials eines PKW-Verbrennungsmotors mit geteilter Kurbelwelle durch Simulation. Simulation in der Antriebstechnik, 2017
Fischer, P. D.; Rösler, S.; Pflaum, H.; Prager, M.; Stahl, K.; Wachtmeister, G.
- Co-Simulation Study of the Split-Crankshaft Engine's Electromechanical Clutch Unit. SAE Int. J. Eng. SAE Int. J. Eng. 11(1):2018
Karmann S. B., Rösler S., Wachtmeister G., Fischer P. D., Pflaum H., Stahl K.
(See online at https://doi.org/10.4271/03-11-01-0006) - Indizierung und Drehmomentmessung am Splitkurbelwellenmotor – ein Verbrennungsmotor mit geteilter Kurbelwelle. 35. Indizier-Experten-Forum, 2018
Rösler, S.
