14.12.2020
ICE2025+: Ultimative Systemeffizienz

Neuer Effizienzmotor: FVV-Forscher steigern Wirkungsgrad im realen Straßenverkehr deutlich

Vier Hochschulinstitute in Aachen, Braunschweig, Darmstadt und Stuttgart haben in einem Projekt der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) untersucht, wie weit der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren im Hybridantrieben gesteigert werden kann. Das Ergebnis: Werden Hybridmotor und elektrische Antriebskomponenten optimal aufeinander abgestimmt, können im realen Straßenverkehr mehr als 40 Prozent der im Kraftstoff gebundenen Energie genutzt werden. Der Einsatz synthetischer Kraftstoffe (E-Fuels) kann aufgrund der besseren Verbrennungseigenschaften sogar zu einer noch höheren Effizienz führen.

Text: Johannes Winterhagen | Fotografie: Peter Winandy (vka | RWTH Aachen)

ICE2025+: Ultimative Systemeffizienz // Theorie ist das eine, Praxis das andere. Wie nahe man im realen Fahrbetrieb dem thermodynamischen Optimum kommen kann und was daraus für den Wirkungsgrad eines Fahrzeugs resultiert, untersuchten vier Forschungsstellen in den letzten zwei Jahren im Auftrag der FVV. Entscheidende Vorgabe dabei: Es sollten nur Technologien zum Einsatz kommen, die in den kommenden Jahren für eine Serieneinführung bereitstünden und so dazu beitragen könnten, die ab 2030 geltenden CO2-Grenzwerte einzuhalten. Zudem ging es den Forschern nicht darum, einen einzelnen Spitzenwert in einem bestimmten Kennfeldpunkt zu erreichen. »Unser Ziel bestand darin, dass wir in einem realitätsnahen Fahrzyklus wie dem WLTC (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle) durchschnittlich mehr als 40 Prozent Wirkungsgrad erreichen«, erläutert Christian Beidl. Der Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen (vkm) an der Technischen Universität Darmstadt hat im Projekt ›ICE2025+‹ mit seinen Kollegen Stefan Pischinger aus Aachen, Peter Eilts aus Braunschweig und Michael Bargende aus Stuttgart die Grenzen der Wirkungsgradsteigerung in hybridisierten Pkw-Antriebssträngen mit Fremdzündungsmotoren untersucht.

Projektdaten
  • »ICE2025+: Ultimate System Efficiency [1307]
    Grenzen der ottomotorischen Wirkungsgradsteigerung in hybridisierten Antriebssträngen«
     
  • PROJEKTFÖRDERUNG
    1,2 Millionen Euro // FVV
     
  • PLANUNGSGRUPPE
    PG2 ›Fremdzündung‹
     
  • PROJEKTLEITUNG
    Arndt Döhler (Opel Automobile)
    Dr. André Casal Kulzer (Porsche)
Forschungsstellen

Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS), Fahrzeugantriebe, Universität Stuttgart
Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr. Michael Bargende

Institut für Verbrennungskraftmaschinen, (vkm), Technische Universität Darmstadt
Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr. Christian Beidl

Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (vka), RWTH Aachen
Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr. Stefan Pischinger

Institut für Verbrennungskraftmaschinen (ivb), Technische Universität Braunschweig
Wissenschaftliche Leitung: Prof. Dr. Peter Eilts

Die Technologien, die zur Wirkungsgradsteigerung eines Hubkolbenmotors eingesetzt werden können, sind grundsätzlich bekannt: Variable Verdichtung und flexible Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Steuerung der Ladungsbewegung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung oder auch die Auslegung des Motors als Langhuber. Außerdem kann auch eine Hybridisierung zu geringerem Kraftstoffverbrauch beitragen – der Effekt resultiert daraus, dass in sehr niedrigen Lastbereichen, in denen der Ottomotor prinzipbedingt einen schlechten Wirkungsgrad hat, elektrisch gefahren wird. Eingesetzt wird, so die Randbedingungen im Projekt ›ICE2025+‹, nur elektrische Energie, die an Bord gewonnen wurde.

Ein Problem bleibt allerdings: Nur wenn alle eingesetzten Technologien zusammenspielen, ergibt sich tatsächlich ein Verbrauchsvorteil. Eine reine Addition einzelner Maßnahmen verbietet sich, da sich im Extremfall Technologien auch gegenseitig neutralisieren können, sofern die Betriebsstrategie nicht angepasst wird. »Deswegen haben wir von Anfang an einen systemischen Ansatz verfolgt«, sagt Beidl. Dafür mussten nicht nur die Technologien, sondern auch die Institute zusammenspielen. So wurden für einzelne Technologiepakete zunächst Verbrauchsmessungen an einem Einzylinder-Forschungsmotor am Institut für Verbrennungskraftmaschinen (ivb) der TU Braunschweig durchgeführt. Diese wurden am Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS) genutzt, um ein Motorsimulationsmodell und daraus ein Kennfeld für einen virtuellen Komplettmotor zu erzeugen. Mit diesem Kennfeld konnten die Forscher in Darmstadt dann komplette Fahrzeuge simulieren und bestimmen, wie viel von der im Kraftstoff gebundenen chemischen Energie auf der Straße ankommt. Dabei betrachteten sie sowohl unterschiedliche Fahrzeugklassen als auch verschiedene Hybridkonfigurationen. In weiteren Versuchen wurde am Lehrstuhl für  Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen der normale Ottokraftstoff durch alternative Energieträger ersetzt. »Wir haben uns unter anderem für Methanol entschieden, weil es hervorragende Verbrennungseigenschaften besitzt und einer der regenerativ am effizientesten herzustellenden Flüssigkraftstoffe ist«, sagt Stefan Pischinger, Lehrstuhlinhaber an der RWTH Aachen. Auch die dabei erzeugten Daten wurden an der Universität Stuttgart für die Motorsimulation genutzt, anschließend berechneten die Darmstädter Forscher daraus den Realfahr-Wirkungsgrad.

Zwei Jahre nach dem Startschuss und kurz vor dem Ende der Projektlaufzeit stand bereits fest: Das 40-Prozent-Ziel ist für ein Mittelklassefahrzeug (C-Segment) zu erreichen, wenn es mit normalem Kraftstoff betrieben und mit einem P1- oder einem P2-Hybridantrieb ausgestattet wird. »Diese Werte werden nicht nur im Prüfstandszyklus WLTC erreicht, sondern auch in verschiedenen RDE-Zyklen«, so Beidl. RDE steht für ›Real Driving Emissions‹ und bildet das Fahren im öffentlichen Straßenverkehr nach. Noch besser waren die Ergebnisse, als die Aachener und die Stuttgarter den Normkraftstoff durch Methanol ersetzten: Im Normzyklus erreichte der Antrieb im C-Segment-Fahrzeug mit einem getriebeintegriertem Hybridantrieb einen Wirkungsgrad von 43,4 Prozent, im simulierten Straßenbetrieb durchschnittlich 42,7 Prozent. »Ursache ist vor allem die höhere Brenngeschwindigkeit von Methanol«, so Michael Bargende von der Universität Stuttgart.

Ein Film der FVV in Zusammenarbeit mit dem vkm | TU Darmstadt

Kamara und Schnitt: Konstantin Eckert | Fuenfpunktsechs

Kämen die im Rahmen von ›ICE2025+‹ erforschten Technologien in Serie, entstünde ein extrem effizienter Benziner. Prinzipbedingt kann er den Wirkungsgrad eines Dieselmotors jedoch nicht ganz erreichen, so lange er mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnis (Lambda = 1) betrieben wird. Allerdings funktioniert die beim Ottomotor erprobte Abgasreinigung per Drei-Wege-Kat weiterhin, auf die vom Diesel bekannte, deutlich aufwändigere SCR-Technik kann verzichtet werden. Darüber hinaus wurden die zusätzlichen Potenziale eines Magerbetriebs untersucht, allerdings immer noch mit Technologiebausteinen, die sich an den Randbedingungen einer Serieneinführung orientieren. »Wenn der Methanolmotor mit Luftüberschuss betrieben wird, ist das Verbrauchsniveau sogar besser als bei einem Diesel-Pkw«, so Bargende. »In einem großen Teil des Motorkennfeldes werden mehr als 40 Prozent Wirkungsgrad erreicht, in der Spitze sogar 46,9 Prozent.« Das entspricht im Vergleich mit einem aktuellen Ottomotor, der in jeder Hinsicht dem Stand der Technik entspricht, einer CO2-Reduzierung um bis zu 25 Prozent.

»Genau das war unser Ziel«, bekräftigt Beidl: »Den Verbrauch im gesamten Kennfeld deutlich zu verringern und nicht nur einen einzelnen Spitzenwert in einem bestimmten Betriebspunkt zu erreichen.« Der Fachmann zeigt sich überzeugt: »Auch wenn man bei einer Serienumsetzung auf einzelne Technologie-Bausteine wie die variable Verdichtung verzichtet, lässt sich die Effizienz des Ottomotors noch sehr deutlich verbessern.«

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MOTOREN | PG2 »Fremdzündung«
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