Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Im Transportsektor wird Elektrifizierung nicht für alle Anwendungen zielführend sein. Chemische Energieträger werden bei Lastanwendungen auch zukünftig eine wichtige Rolle spielen, aber auch dieses Segment wird zur Absenkung der CO2-Emissionen beitragen müssen. Dies muss durch Effizienzsteigerungen sowie durch die Verwendung von regenerativ erzeugten Energieträgern erfolgen. Das Projekt fokussiert auf die Effizienzsteigerung. Diese kann durch die Optimierung des Motors sowie durch die Optimierung der Nutzung des Motors erfolgen, beispielsweise durch Hybridisierung. In jedem Fall ist aber eine flexible und betriebspunktabhängige Steuerung des Gaswechsels von Vorteil, denn damit lassen sich neue Betriebsstrategien umsetzen. Nutzfahrzeugmotoren besitzen heute in Serie kaum Flexibilität im Gaswechsel. Im Rahmen dieses P&D Projektes soll auf einem Nutzfahrzeugmotor ein flexibler, elektrohydraulischer Ventiltrieb realisiert und seine energetischen Potenziale in konventioneller sowie auch in hybrider Antriebsstrangstruktur auf dem Motorenprüfstand demonstriert werden.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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In the transport sector, electrification will not be a viable option for all applications. Chemical energy sources will continue to play an important role in load applications, but this segment will also have to contribute to reducing CO2 emissions. This must be achieved through efficiency improvements as well as through the use of renewably generated energy sources. The project focuses on increasing efficiency. This can be achieved by optimizing the engine as well as by optimizing the use of the engine, for example through hybridization. In any case, however, flexible and operating-point-dependent control of the gas exchange is advantageous, because it allows new operating strategies to be implemented. Today, commercial vehicle engines in series production have hardly any flexibility in gas exchange. In this P&D project, a flexible electrohydraulic valve train is to be implemented on a commercial vehicle engine and its energy potential demonstrated on the engine test bench in both conventional and hybrid powertrain structures.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Dans le secteur des transports, l'électrification ne sera pas efficace pour toutes les applications. Les sources d'énergie chimiques continueront à jouer un rôle important dans les applications en charge, mais ce segment devra également contribuer à la réduction des émissions de CO2. Cela doit se faire en améliorant l'efficacité et en utilisant des sources d'énergie renouvelables. Le projet se concentre sur l'augmentation de l'efficacité. Celle-ci peut se faire par l'optimisation du moteur ainsi que par l'optimisation de l'utilisation du moteur, par exemple par l'hybridation. Mais dans tous les cas, une commande flexible et dépendante du point de fonctionnement du changement de gaz est un avantage, car elle permet de mettre en œuvre de nouvelles stratégies de fonctionnement. Aujourd'hui, les moteurs de véhicules utilitaires de série ne présentent guère de flexibilité en matière de changement de gaz. Dans le cadre de ce projet P&D, une commande de soupape électrohydraulique flexible doit être réalisée sur un moteur de véhicule utilitaire et son potentiel énergétique doit être démontré sur le banc d'essai des moteurs dans une structure de chaîne cinématique conventionnelle et hybride.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Verbrennungsmotoren im Nutzfahrzeugen wurden immer auf maximale Effizienz ausgelegt. Die Treibstoffkosten sind ein dominanter Kostenfaktor in diesem Segment und hohe Effizienz verspricht einen direkten Wettbewerbsvorteil. Allerdings war bis jetzt immer klar: der mit Abstand grösste Teil der Nutzfahrzeugmotoren wird mit fossilem Diesel, allenfalls mit Biodieselanteil, betrieben. Aufgrund der Notwendigkeit, innerhalb von drei Jahrzehnten von fossilen Treibstoffen komplett wegzukommen, ist die Nutzfahrzeugindustrie im Umbruch. Diverse Anwendungen mit geringen Anforderungen an Hochlast und Autonomie werden in Zukunft elektrifiziert werden. Die anspruchsvollen Anwendungen im Bereich des Langstreckenverkehrs sowie der Arbeitsmaschinen werden aber weiterhin auf die enorme Energiedichte von chemischen Energieträgern angewiesen sein. Allerdings wird sich vermutlich nicht ein einziger erneuerbarer chemischer Energieträger etablieren, sondern verschiedene, je nach Kostenstruktur, Marktgegebenheiten, Gesetzgebung und technischen Fortschritten. Neben Biotreibstoffen (Problem: zu geringes Mengenpotential), sind sogenannter Fischer-Tropsch basierte Drop-In Treibstoffe (Problem: hohe Kosten) sowie einfacher herzustellende erneuerbare Treibstoffe wie Wasserstoff, Methan, Ammoniak, Methanol, Dimethylether vielversprechende Kandidaten. Die Industrie steht also vor der Aufgabe, Energiewandler für diverse zukünftig bedeutsame Treibstoffe zu entwickeln. Im Bereich der Verbrennungsmotoren bedeutet dies, dass Motoren möglichst einfach an Treibstoffe adaptiert werden sollen und diese für jeden Treibstoff maximale Effizienz liefern müssen. Ein wichtiger Baustein dafür ist es, den Gaswechsel von Motoren so flexibel wir möglich zu gestalten. Ziel dieses P&D Projektes ist es darum, einen vollvariablen Ventiltrieb für einen Nutzfahrzeugmotor zu entwickeln und ihn damit auszurüsten. Mit dieser neuen Flexibilität soll, in einem ersten Schritt mit konventionellem Diffusionsbrennverfahren, die Motoreffizienz, das Volllastverhalten und das Thermomanagement verbessert werden. In einem darauf aufbauenden Forschungsprojekt sollen dann Potenziale für andere Treibstoffe und Brennverfahren betrachtet werden. Im Rahmen dieses Projektes wurden auf der Seite der Ventiltriebsauslegung diverse Anforderungen an den Ventiltrieb systematisch erfasst und mittels Multiphysik-Simulationen bewertet. Begleitend zur Simulation wurden stets die konstruktiven Machbarkeiten geprüft. Dabei stellte sich heraus, dass die Anforderungen, speziell der sehr knappe Bauraum und allfällige Bremsfunktion in 2-Takt-Betriebsweise, herausfordernd sind und die Auslegung/Konstruktion sehr sorgfältig iteriert werden muss. Dabei entstand eine neue Möglichkeit, die ursprünglich paarweise geplante Betätigung der Ventile via Doppel-Schlepphebel durch hydraulische Einzelbetätigung zu ersetzen, wodurch Drall-Steuerung zur Verbrennungsbeeinflussung möglich wird. Das Projektteam hat sich für diesen Weg entschieden, da so der Vielfachnutzen des elektrohydraulischen Ventilbetätigungssystems am besten demonstriert werden kann und Industrialisierungschancen steigen. Heute darf die Konfiguration als simulativ bestätigt und konstruktiv gelöst gelten. Die Fertigung von Teilen hat begonnen, Anfangs 2024 wird der Aufbau der Hardware starten. Parallel zur Entwicklung des Ventiltriebs wurden die Vorbereitungsarbeiten auf der Motorenseite abgeschlossen. Dies umfasste einerseits die Konzeptionierung einer Rapid Prototyping Steuerungsumgebung, den Aufbau und die Basisvermessung des Serienmotors mit der Serienmotorsteuerung, die Programmierung der Rapid Prototyping Steuerungsumgebung sowie den befeuerten Betrieb des Grundmotors damit. Dabei wurde die Ansteuerung / Regelung des Grundmotors für stationären Betrieb vergleichbar mit der Serienmotorsteuerung umgesetzt. Damit steht dem Projekt nun eine voll flexible Steuer- und Regelungsplattform zur Verfügung, mit welcher im weiteren Projektverlauf die neu dazukommenden Komponenten des vollvariablen Ventiltriebs angesteuert werden können.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Internal combustion engines in commercial vehicles have always been designed for maximum efficiency. Fuel costs are a dominant cost factor in this segment, and high efficiency promises a direct competitive advantage. However, until now it has always been clear that by far the largest proportion of commercial vehicle engines run on fossil diesel, with a biodiesel component at best. Due to the need to completely move away from fossil fuels within three decades, the commercial vehicle industry is in a state of upheaval. Various applications with low demands on high load and autonomy will be electrified in the future. However, the demanding long-haul and mobile machinery applications will continue to rely on the tremendous energy density of chemical fuels. It is unlikely that a single renewable chemical energy source will become established, but rather various ones, depending on the cost structure, market conditions, legislation, and technological advances. Besides biofuels (problem: too low volume potential), so-called Fischer-Tropsch based drop-in fuels (problem: high cost) as well as easier to produce renewable fuels like hydrogen, methane, ammonia, methanol, dimethyl ether are promising candidates. As part of this project, various valve train design requirements were systematically recorded and evaluated using multiphysics simulations. Accompanying the simulation, the design feasibilities were always examined. It turned out that the requirements, especially the very tight installation space and possible braking function in 2-stroke operation, are challenging and the design/construction must be iterated very carefully. This resulted in a new possibility of replacing the originally planned paired actuation of the valves via double cam followers with individual hydraulic actuation, thus enabling swirl control to influence combustion. The project team opted for this approach because it is the best way to demonstrate the multiple benefits of the electrohydraulic valve actuation system and increase the chances of industrialization. Today, the configuration can be considered as simulatively confirmed and constructively solved. The production of parts has begun, and the construction of the hardware will start at the beginning of 2024. In parallel with the development of the valve train, the preparatory work on the engine side was completed. This included the conceptual design of a rapid prototyping control environment, the construction and basic measurement of the series engine with the series engine control, the programming of the rapid prototyping control environment and the firing of the basic engine with it. The control of the basic motor for stationary operation was implemented in a manner comparable to the series motor control. This means that the project now has a fully flexible open-loop and closed-loop control platform with which the newly added components of the fully variable valve train can be controlled in the further course of the project.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Les moteurs à combustion des véhicules utilitaires ont toujours été conçus pour une efficacité maximale. Le coût du carburant est un facteur de coût dominant dans ce segment et une efficacité élevée promet un avantage concurrentiel direct. Cependant, il a toujours été clair jusqu'à présent que la majorité des moteurs de véhicules utilitaires fonctionnent au diesel fossile, éventuellement avec une part de biodiesel. En raison de la nécessité de se passer complètement des carburants fossiles dans les trois décennies à venir, l'industrie des véhicules utilitaires est en pleine mutation. Diverses applications peu exigeantes en termes de charge élevée et d'autonomie seront électrifiées à l'avenir. Les applications exigeantes dans le domaine du transport longue distance ainsi que les machines de travail continueront toutefois à dépendre de l'énorme densité énergétique des sources d'énergie chimiques. Toutefois, il est probable qu'il n'y aura pas un seul vecteur d'énergie chimique renouvelable, mais plusieurs, en fonction de la structure des coûts, des conditions du marché, de la législation et des progrès techniques. Outre les biocarburants (problème : potentiel quantitatif trop faible), les carburants "drop-in" à base de Fischer-Tropsch (problème : coûts élevés) ainsi que les carburants renouvelables plus faciles à produire comme l'hydrogène, le méthane, l'ammoniac, le méthanol, l'éther diméthylique sont des candidats prometteurs. L'industrie est donc confrontée à la tâche de développer des convertisseurs d'énergie pour divers carburants importants à l'avenir. Dans le domaine des moteurs à combustion, cela signifie que les moteurs doivent être adaptés le plus facilement possible aux carburants et qu'ils doivent fournir une efficacité maximale pour chaque carburant. Pour cela, il est important de rendre le changement de gaz des moteurs aussi flexible que possible. L'objectif de ce projet P&D est donc de développer une commande de soupape entièrement variable pour un moteur de véhicule utilitaire et de l'équiper de cette commande. Cette nouvelle flexibilité doit permettre, dans un premier temps, d'améliorer le rendement du moteur, le comportement à pleine charge et la gestion thermique grâce à un procédé de combustion par diffusion conventionnel. Dans un projet de recherche ultérieur, les potentiels d'autres carburants et procédés de combustion seront examinés. Dans le cadre de ce projet, diverses exigences concernant la conception de la commande des soupapes ont été systématiquement saisies et évaluées au moyen de simulations multiphysiques. Parallèlement à la simulation, la faisabilité de la construction a toujours été examinée. Il s'est avéré que les exigences, en particulier l'espace de montage très restreint et l'éventuelle fonction de freinage en mode de fonctionnement à deux temps, sont un défi et que la conception/construction doit être itérée très soigneusement. Une nouvelle possibilité a ainsi vu le jour : remplacer l'actionnement des soupapes par paire, initialement prévu, par un actionnement hydraulique individuel via un double levier traînant, ce qui permet de contrôler le tourbillon pour influencer la combustion. L'équipe de projet a opté pour cette solution, car elle permet de démontrer au mieux les multiples avantages du système de commande électro-hydraulique des soupapes et augmente les chances d'industrialisation. Aujourd'hui, la configuration peut être considérée comme confirmée par la simulation et résolue par la construction. La fabrication des pièces a commencé et l'installation du matériel débutera début 2024. Parallèlement au développement du système de commande des soupapes, les travaux préparatoires ont été achevés du côté du moteur. Cela comprenait d'une part la conception d'un environnement de commande de prototypage rapide, le montage et la mesure de base du moteur de série avec la commande de moteur de série, la programmation de l'environnement de commande de prototypage rapide ainsi que le fonctionnement à feu du moteur de base avec celui-ci. La commande/régulation du moteur de base pour un fonctionnement stationnaire a été réalisée de manière comparable à la commande du moteur de série. Le projet dispose ainsi d'une plateforme de commande et de régulation entièrement flexible, qui permettra de piloter les nouveaux composants de la commande de soupape entièrement variable au cours de la suite du projet.
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