AT_06_2017

6 | JUNI 2017

www.auto-wirtschaft.ch NEWS Techniktrends

FACHWISSEN Regelung permanenterregter Synchronmaschinen Im motorischen Bereich müssen die Drehmomente, im genera­ torischen die Spannungen ­geregelt werden

TECHNIK Batterienforschung Ein Blick in die Zukunft Nanoflowcell Hat das Schweizer Unternehmen den Durchbruch in der Energie­ speicherung geschafft?

38. Internationales Wiener Motorensymposium Der Tagungsbericht von der Wiener Hofburg Stickoxidemissionen Systemlösungen für schadstoffarme Dieselmotoren Delphi Dynamic Skip Fire Regelstrategie für dynamische, ­zylinderselektive Zylinderab­ schaltung

LAUFSTEG Ferrari 812 Superfast Der Nachfolger des F12 torpediert mit 6.5-l-V12-Saugmotor und 588 kW die bisherigen Bestwerte der Marke aus Maranello

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& Wirtschaft

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74 06/17 NEWS

BORGWARNER

PTC-ZUHEIZER MIT ZWEI-ZONEN-FUNKTIONALITÄT Bild: BorgWarner

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it seinem HochvoltPTC-Zuheizer (Positive Temperature Coeffici­ ent) hat BorgWarner eine von der Motorabwärme un­ abhängige Heizlösung entwickelt.

Damit begegnet das Unternehmen den Herausforderungen, die mit der steigenden Anzahl an Hybrid- und Elektrofahrzeugen einhergehen.

Der Hochvolt-PTC-Zuheizer, der über einen Hochleistungs-CAN-Bus (Controller Area Network) gesteuert wird, heizt den vom Gebläse kom­ menden Luftstrom auf. Die Techno­ logie verfügt über keramische PTCKomponenten, die bei niedrigen Temperaturen einen sehr geringen elektrischen Widerstand haben und so einen hohen Stromfluss für ei­ ne hohe Heizleistung ermöglichen.

Steigt die Temperatur, wird der Ef­

BorgWarners Hochvolt-PTC-Zuheizer trägt zu grösserer Reichweite für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bei und sorgt zudem für einen komfortablen Fahrzeuginnenraum.

fekt umgekehrt und der elektrische Strom aufgrund des steigenden Wi­ derstands der Keramiksteine un­ terbrochen, wodurch das System weniger Wärme freisetzt. Zu den weiteren Sicherheitsfeatures zählt unter anderem ein komplett um­ schlossener Heizstab für maximalen Schutz gegen hohe Spannungen.

In Verbindung mit dem speziellen Lamellendesign des Zuheizers er­ möglicht der umschlossene Heiz­ stab einen geringen Druckverlust.

Dies erlaubt es dem Gebläse, mit niedrigerer Drehzahl zu arbeiten.

Zudem bietet die Kombination der Heizstab- und Lamellendesigns erst­ malig eine Zwei-Zonen-Funktonalität für einen PTC-Zuheizer, um die Tem­ peratur präzise und gleichmässig individuell für Fahrer und Beifahrer zu regulieren. (pd/sag)

DAIMLER

EINSATZ VON RÖNTGENTECHNOLOGIE BEI CRASHTESTS

automotive total:

Bild: Daimler

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emeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, ErnstMach-Institut, EMI aus Freiburg testet der Bereich Fahr­ zeugsicherheit der Daimler AG im Tech Center iprotect erstmals den Einsatz von Röntgentechnologie bei Crashversuchen. Die UltrakurzzeitRöntgentechnologie produziert Standbilder von definierten Berei­ chen in gestochen scharfer Qualität während eines Crashtests. Neu hierbei ist, dass sich das Verhalten sicherheitsrelevanter Bauteile damit sogar prinzipiell in ihrem Inneren untersuchen lässt. Als zusätzliches Plus können die Daten aus dem «Röntgencrash» mit computer­ gestützten Simulationsmodellen zusammengeführt werden. Diese Synthese kann dazu beitragen,

Sorgt für Durchblick: Das Röntgenverfahren bei Crashtests macht Verformungsprozesse von Bauteilen auch im Inneren des Fahrzeugs sichtbar.

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die Prognosezuverlässigkeit von Crashsimulationen noch weiter zu verbessern.

Auch hinsichtlich alternativer Rückhaltekonzepte – gerade beim künftigen hochautomatisierten Fahren – sind die interdisziplinären Teams im Tech Center iprotect aktiv.

Gemeinsam suchen Wissenschaft und Praxis Antworten auf die Frage, welche neuen Ansätze der Innen­ raumbeobachtung und Insassenklas­ sifizierung relevante Beiträge für die Verbesserung der passiven Sicher­ heit liefern. In der virtuellen Welt konnte das digitale Menschmodell (Human Body Model) erstmals durch muskelgesteuerte Bewegungen we­ sentlich näher an die aktive Rolle als Dummy-Ersatz für neue präventive Schutzkonzepte herangeführt wer­ den. (pd/sag)

NEWS 06/17 75

FRAUNHOFER

EFFIZIENTE UND KOMPAKTE SPANNUNGSWANDLER Bild: Fraunhofer IAF

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as Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­ physik IAF hat die weltweit erste Halbbrückenschal­ tung der wichtigen 600-Volt-Klasse entwickelt, bei der alle elektronischen Komponenten »monolithisch« auf einem Chip eingebettet sind. Mono­ lithisch integrierte Halbbrücken sind Schlüsselbausteine für kompakte Spannungswandler und ermöglichen einen grossen Effizienzgewinn in der Leistungselektronik. Basis hierfür ist der Einsatz des Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN).

Galliumnitrid kann im Vergleich zu Siliciumcarbid (SiC) auf kostengüns­ tigen und grossflächigen SiliciumSubstraten abgeschieden werden und ermöglicht höhere Leistungs­ dichten bei gesteigerter Energie­ effizienz für elektronische Kompo­

Die monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung der 600-Volt-Klasse ermöglicht höhere Leistungsdichten bei gesteigerter Energieeffizienz.

nenten in Elektrofahrzeugen. Bei der monolithischen Integration wer­ den mehrere Komponenten auf ei­ nem einzelnen GaN-Chip vereint.

Dies ermöglicht extrem kleine und leistungsfähige Systeme. Die mo­ nolithische Integration macht die Halbbrückenschaltung nicht nur sehr kompakt, sondern verbessert auch die elektronischen Eigenschaften wesentlich: So kann beispielswei­ se die Schaltfrequenz im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswand­ lern etwa um den Faktor 10 erhöht werden. Mit einer Schaltfrequenz von bis zu 3 MHz lässt sich eine viel höhere Leistungsdichte erreichen.

Das ist unter anderem in der Elek­ tromobilität sehr wichtig, wo viele, möglichst effiziente Wandler auf we­ nig Platz verbaut werden müssen. (pd/sag)

IAV

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iele elektrische Antriebe setzen derzeit auf die Kombination aus einem EMotor und einem Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis.

Solche Lösungen sind zwar relativ einfach aufgebaut, können aber nicht alle Kundenanforderungen gleichzeitig erfüllen. So verlangen hohe Steigfähigkeit einerseits und maximale Effizienz andererseits ganz unterschiedliche Übersetzungsver­ hältnisse. IAV setzt deshalb auf ein modulares Konzept, das aus einer E-Maschine und einem Getriebe mit einem bis drei Gängen besteht.

In der modularen elektrischen An­ triebseinheit arbeitet ein von IAV entwickelter E-Motor mit einer Dau­ erleistung von 50 kW und einer Maxi­ malleistung von 80 kW. Er erzeugt ein kontinuierliches Drehmoment von

Bild: IAV

MODULARE ELEKTRISCHE ANTRIEBSEINHEIT

In der modularen elektrischen Antriebseinheit arbeitet ein von IAV entwickelter E-Motor mit einer Dauerleistung von 50 kW und einer Maximalleistung von 80 kW.

150 Nm, das sich kurzzeitig bis auf 300 Nm steigern lässt. Das Plane­ tengetriebe mit maximal drei Gängen ist seitlich neben dem E-Motor an­ gebracht und kann Abtriebsdrehmo­ mente von bis zu 3000 Nm erzeugen.

Zugleich kann damit die maximale Drehzahl des Motors auf 8000/min begrenzt werden. Das Differential ist im E-Motor untergebracht, um den Bauraum optimal auszunutzen.

Die IAV-Lösung ist flexibel einsetz­ bar – als Hauptantrieb für batterie­ elektrische Fahrzeuge, für Brennstoff­ zellenfahrzeuge oder als Bestandteil von Plug-in-Hybriden. Ihre Leistung ist ausreichend für Fahrzeuge aus den Klassen A (Kleinstwagen), B (Kleinwa­ gen), C (Mittelklasse) und D (obere Mittelklasse). Sie ist die Weiterent­ wicklung einer Lösung, die IAV be­ reits 2010 vorgestellt hat. (pd/sag)

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Bild 1. Permanenterregter Drehstromgenerator aus dem Hause Audi. 1 Riemenscheibe – 2 Lagerschild – 3 Klauenpolrotor mit Permanentmagneten – 4 Statorpaket – 5 Lagerschild – 6 Gleichrichter – 7 Regler.

Regelung permanenterregter Synchronmaschinen

WOHIN MIT DER SPANNUNG? Durch die Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden Motoren zu Generatoren und umgekehrt.

So müssen im motorischen Bereich die Drehmomente, im generatorischen hingegen die ­Spannungen geregelt werden. Auch Motorräder kennen permanenterregte Generatoren, und in den Autos werden sie jetzt ebenfalls eingeführt.

Text/Bilder: Andreas Lerch

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or bald 20 Jahren hat die Hochvolttechnik im Auto Fuss gefasst. Erste Hybridfahrzeuge sind auf den Markt gekommen und haben eine Verunsicherung ausgelöst, welche bis heute anhält. Niemand weiss genau, wohin der Weg wirklich geht. Ist es der Strom, der das Rennen machen wird, oder wird unsere Gesellschaft mit der Zeit dem Methangas-Antrieb auch noch etwas Positives abgewinnen können (vgl.

Seite 82)?

Elektrische Maschinen Die Grundlagen über Magnetismus und Wechselströme können in AUTO&Technik 4/2014 (Drehstrom­ motoren) und 11/2015 (Magnetlose E-Maschinen) nachgelesen werden.

Daher ist bekannt, dass eine elektrische

Maschine sowohl als Elektromotor wie auch als Generator eingesetzt werden kann. Der elektrische Effekt der Induk­ tion ist reversibel oder umkehrbar.

Einerseits werden aus der elektrischen Energie ein mechanisches Drehmo­ ment und eine Drehzahl erzeugt, andererseits aus dem Drehmoment Spannung und Strom.

Grundsätzlich funktioniert ein Elektromotor dadurch, dass ein sta­ tisches und ein drehendes Magnet­ feld sich gegenseitig beeinflussen; der Generator hingegen benötigt ein Magnetfeld, eine (oder mehrere) Spule(n) und eine Bewegung. Bei ei­ nem riemengetriebenen Alternator im Auto sind dabei die Statorwick­ lungen gegeben und die Rotordreh­ zahl ist direkt von der Motordrehzahl abhängig. Um die Ladespannung zur regeln, verfügen die Alterna­

toren über ein elektrisch erzeug­ tes Magnetfeld im Klauenpolläufer.

Durch den Spannungsregler kann der Strom, welcher dieses Magnet­ feld erzeugt, ein- und ausgeschaltet werden.

Was passiert aber, wenn es sich um eine permanenterregte Syn­ chronmaschine handelt, bei der auch der Rotormagnetismus vorgegeben ist? Dass dabei die Spannung eben­ falls geregelt werden kann, zeigt die Praxis vieler Hybridfahrzeuge und Motorräder. Die Funktion dieser Spannungsregelung kann aber im Detail ziemlich kompliziert werden.

Induktion Um die Umkehrbarkeit der Funktion zu verstehen, müssen der motori­ sche und der generatorische Vorgang einander exakt gegenübergestellt

werden: Wird der Stator eines per­ manenterregten Drehstrommotors bestromt, ergibt sich ein Magnet­ feld, welches auf das permanente Magnetfeld des Rotors wirkt. Reicht das Magnetfeld noch nicht, um den Motor zu drehen, muss die Spannung angehoben und damit der fliessende Strom vergrössert werden. Durch die beiden Magnetfelder entsteht eine Drehkraft, welche über den wirksamen Radius zu einem Dreh­ moment in der Welle wird. Durch die Umformung der Magnetfelder in Kraft wird der Magnetismus «aufgebraucht».

Das Gegenteil passiert beim Ge­ nerator: Ein Drehmoment wirkt auf die Welle; die Permanentmagnete des Rotors bewegen sich, ihre Feld­ linien schneiden die Statorwicklun­ gen und erzeugen dort durch In­ duktion eine Spannung. Durch die Spannung und den Wicklungswider­ stand entsteht ein Strom, welcher in der Wicklung ein Magnetfeld er­ zeugt, welches in eine Wechselwir­ kung mit der magnetischen Kraft des Rotors tritt.

So, wie sich beim Motor die Ma­ gnetfelder zu Gunsten der Kraft «auflösen», löst sich hier die Kraft zugunsten des Magnetfeldes auf.

Durch diese Wechselwirkung ent­ steht der Drehwiderstand des Ge­ nerators. Wird ein ausgebauter Alter­ nator auf der Werkbank gedreht, so hat er beinahe keinen Widerstand.

Wird ihm aber ein Erregerstrom zu­ geführt und versucht man, ihn dann zu drehen, wird das Drehen zu einer richtigen Arbeit.

Drehfeld Einphasiger Wechselstrom entsteht, wenn ein Anker mit magnetischen Polen in einer Wicklung gedreht wird.

Durch die Lage der magnetischen Rotorpole werden die Wicklungen in gewissen Winkellagen effizienter geschnitten als in anderen, was sich in einer sinusförmigen Span­ nungskurve äussert. Werden noch zwei weitere Wicklungen in einem Abstand von je 120° zur ersten

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FACHWISSEN 06/17 77

rechts zur Markierung «+ rot». Der grüne Pfeil weist vom Punkt «+ grün» weg, weil in diesem Moment die negative Halbwelle aktiv ist. Der Pfeil kann entweder ebenfalls aus dem Ursprung entstehen; dann wird die Resultierende analog der grafischen Kräfteaddition eingezeichnet. Bei der Kräfteaddition können die einzelnen Kraftpfeile aber auch aneinanderge­ reiht werden. In dieser Art wird hier der grüne Pfeil an das Ende des roten Pfeils gelegt. Der resultierende Pfeil (gelb) entspricht dem resultierenden Strom und entspringt wieder dem Diagrammmittelpunkt.

Auf diese Art sind auch die Zei­ gerdiagramme b bis e aufgebaut.

Erkennbar ist – wie schon bei den oberen Magnetfelddiagrammen – die Drehrichtung im Uhrzeigersinn.

Daneben mag erstaunen, dass der resultierende Pfeil immer gleich lang ist, nämlich 1.5-mal die Amplitude.

Bild 2. Drehstromdiagramme: oben Entwicklung der Magnetfelder – Mitte Spannungsverlauf – unten Zeigerdiagramme.

Wicklung gelegt, entstehen zwei weitere Sinuskurven (Bild 2). Auf diese Art werden drei «Phasen» erzeugt und es wird dabei von dreiphasigem Wechselstrom oder von Drehstrom gesprochen. Im Bild 2 sind oben die Verläufe des resultierenden Magnetfeldes, in der Mitte der dreiphasige Wechselstrom und unten im Zeigerdiagramm die Stromzusammensetzung in den drei Strängen dargestellt.

Zeigerdiagramm Im Drehstromdiagramm wird zwi­ schen der roten, der grünen und der blauen Phase unterschieden.

Die entsprechenden Linien in den Diagrammen liegen 120° ausei­ nander. Im mittleren Diagramm ist erkennbar, dass bei null Grad die rote Phase beginnt, 120° später die grüne

und nach 240° die blaue. Im ersten Zeigerdiagramm (Stellung a) ist die blaue Phase im Nulldurchgang, es fliesst kein Strom. Die rote ist bei knapp 87 % im positiven, die grüne im negativen Bereich. Der rote Pfeil weist in seiner berechneten Länge nach

Rotor Beim Rotor sieht der Aufbau «einfacher» aus. Er besteht aus einem Stahlzylinder mit eingefügten Permanentmagneten, meistens hocheffizienten Neodym-Magneten (vgl. AUTO&Technik 11/2015) aus Selten-Erden-Metallen. Die Magne­ te können auf verschiedene Arten auf den Rotor aufgebracht oder in den Rotor eingelassen werden.

Die Details dieser Ausführungen beeinflussen den magnetischen Fluss und damit die Eigenschaften der Maschinen. Grundsätzlich ergibt

sich aber nach der Rotorstellung ein resultierender magnetischer Richtungspfeil.

Zusammenwirken von Stator und Rotor Im Bild 3 ist unter a ein bestimmter Drehstromwinkel mit den resultie­ renden magnetischen Feldlinien dargestellt; entsprechend stellt sich der resultierende Strom gemäss den Zeigerdiagrammen in Bild 2 ein. In Bild 3 b ist der Anker mit seinem resultierenden Kraftpfeil dargestellt.

Das Bild 3 c zeigt das Zusammen­ wirken der beiden Magnetfelder. Ob­ wohl der Synchronmotor im Betrieb frequenzsynchron läuft, hängt der Anker im motorischen Betrieb etwas hinter dem Drehfeld. Umgekehrt eilt er im generatorischen Betrieb etwas voraus. Dieser Winkel ist lastabhängig und entspricht im Bild 3 c dem Winkel zwischen der Strom­ resultierenden I und der Richtung des Magnetfeldpfeils des Rotors.

Der resultierende Strom I kann in eine Komponente in Richtung des Ankerfeldes (Id) und eine zweite, rechtwinklige Stromkomponente Iq zerlegt werden. Dieser Querstrom bestimmt den Teil des Magnetfel­ des, welcher für die Maschine um­ fangskraft- bzw. drehmomentbe­ stimmend ist.

Id baut dagegen ein Magnetfeld auf, welches das Rotorfeld verstärkt oder abschwächt.

Im normalen Betrieb wird natürlich versucht, diesen Strom- bzw. Mag­

Bild 3. Wechselwirkung zwischen Stator (a – durch Drehstrom erzeugtes Drehfeld) und Rotor (b – statisches Feld).

Das Zusammenwirken ist in c dargestellt.

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78 06/17 FACHWISSEN

würde in der Z-Diode in Wärme umgewandelt. Da die Z-Diode bei diesem «Spiel» vielleicht nicht allzu lange mitmachen würde, gibt es auch Thyristorschaltungen.

Bild 4. Topfförmiger, aussenlaufender permanenterregter Rotor und die Statorwicklungen aus dem Motorradbau.

netfeldanteil so klein wie möglich zu halten. Um den Feldschwäche­ bereich zu beeinflussen oder um im generatorischen Bereich auf die Spannung einzuwirken, wird hin­ gegen sehr wohl auf den Id-Strom eingegriffen. Dazu muss das Steu­ ergerät sehr genau über die Position des Rotors in Bezug auf das Drehfeld informiert sein. Aus diesem Grund können die Maschinen auch mit Po­ sitionssensoren ausgerüstet sein.

Motorradgeneratoren In Motorrädern stellen perma­ nenterregte Generatoren nichts Ungewöhnliches dar. Zur Regelung könnte im Prinzip einfach eine zur Batterie parallel geschaltete Z-Diode dienen. Würde die gleichgerichtete Ladespannung den erforderlichen Wert überschreiten, wäre die ZSpannung erreicht und die Energie

Thyristoren Thyristoren sind Halbleiterbau­ elemente und bestehen aus vier Halbleiterzonen, welche in abwech­ selnder Reihenfolge einmal p- und einmal n-dotiert sind. Sie können entweder mit einem positiven oder einem negativen Spannungsimpuls angesteuert und durchgeschaltet werden. Ist der Schaltanschluss (Gate) kurzzeitig angesteuert, wird die Anode-Kathode-Strecke so lange leiten, bis sie einen Moment poten­ zialfrei ist, also bis entweder der Hauptstrom ausgeschaltet oder die Kathode mit der Anode verbunden wird. Ein kurzer Impuls am Gate genügt, um den Thyristor danach wieder durchzusteuern.

Deshalb darf der Thyristor nicht analog zur Z-Dioden-Schaltung pa­ rallel zur Batterie geschaltet wer­ den. Würde die Spannung den Soll­ wert überschreiten, wäre das Gate des Thyristors bestromt und dieser durchgeschaltet. Ausgeschaltet wür­ de er aber erst wieder, wenn die Batterie entladen wäre – bis dahin gäbe es einen Kurzschluss …

Natürlich gibt es auch hier elekt­ ronische Schaltungswege, welche den Thyristor wieder ausschalten könnten.

Bild 5. Brückenschaltung mit Thyristoren im Zusammenspiel mit dem Z-Dioden-gesteuerten Spannungsregler.

Thyristor-Generatorschaltung Eine andere Möglichkeit der Thyristorregelung zeigt Bild 5. Die Z-Diode wird von der gleichgerich­ teten Ladespannung, d. h. von der momentanen Betriebsspannung oder Batteriespannung gesteuert.

Schaltet diese durch, kann das Signal direkt auf die Gates der Thyristoren gelangen.

Die drei Thyristoren werden pa­ rallel angesteuert und jeder ist in der Brückenschaltung integriert, liegt also anodenseitig an einer Stator­ wicklung, welche eine Phase des dreiphasigen Wechselstroms liefert.

Befindet sich die Phase im Durch­ schaltmoment des Thyristors gerade in der positiven Halbwelle, so wird diese Halbwelle sofort unterbrochen und das Potenzial an Masse geleitet (Kurzschluss).

Da die Phase aber kurze Zeit spä­ ter bereits das Potenzial null erreicht und sogar unterschreitet, geht der Thyristor ebenso rasch wieder in den sperrenden Zustand, weil das Potenzial zwischen Anode und Ka­ thode null bzw. negativ wird.

Eventuell war im gleichen Ein­ schaltmoment noch eine zweite Pha­ se im positiven Bereich, dann wur­ de auch diese kurzgeschlossen. So schnell die positiven Halbwellen in negative wechseln, so schnell wech­ seln auch die negativen in positive.

So kommt es darauf an, wie schnell die Betriebsspannung reagiert und unter ihren Sollwert fällt. Wenn die Z-Diode immer noch geschaltet ist, wird auch die nächste positive Halb­ welle «abgeschnitten»; erst wenn die Betriebsspannung wieder in Ordnung ist, werden die Thyristo­ ren von ihren nächstfolgenden nega­ tiven Halbwellen ausgeschaltet und das Bordnetz kann wieder ordentlich gespiesen werden.

Diese Kurzschlussschaltungen senken natürlich die Spannung ef­ fizient, sie bringen aber auch die ganze Schaltung (Sternpunkt- oder Dreieckschaltung) aus dem Gleich­ gewicht und beeinflussen damit die Ströme Iq und Id. Es kann durch den

Kurzschluss nicht exakt bestimmt werden, dass vor allem Id beein­ flusst wird.

Dazu braucht es neben dem Po­ sitionsgeber einen gut program­ mierten Mikroprozessor, der genau bestimmen kann, in welchem Mo­ ment die eine Phase vielleicht nicht an Masse gelegt, sondern mit der anderen verbunden wird, um den Strom Id und damit das Magnetfeld des Generators entsprechend zu manipulieren. In diesem Fall sinkt nicht nur die Spannung, auch das Antriebsmoment der E-Maschine wird vermindert und durch diese Regelung kann die Stromerzeugung effizienter gestaltet werden.

FRAGEN 1. Welchen zeitlichen Situationen im Bild 2 entsprechen die Stellungen in Bild 3? a b c d e 2. Was bedeuten im Bild 2 a die Kreise mit den Punkten bzw. jene mit den Kreuzen?

3. Wie viel mechanische Energie nimmt ein permanenterregter Generator auf, wenn eine Phase über einen Thyristor kurzgeschlossen wird?

LÖSUNGEN ZUR AUSGABE 5/2017 1. H2 müsste das Drehmoment weiterleiten. Die Kupplung C ist jedoch offen. Deshalb dreht das Hohlrad 2 leer.

2. PS2 ist zur Drehrichtungsumkehr geschaltet: S3 Antrieb, P3 fest, H3 Weiterleitung des Drehmomentes zu S4. PS4 ist wie im ersten Gang stark untersetzt geschaltet.

3. 1747/min.

TECHNIK 06/17 79

Herstellung der Bipolar-Elektrode im Technikums-Massstab: Das Fraunhofer IKTS bringt die Suspension aus keramischen Werkstoffen, Polymeren und elektrisch leitfähigen Materialien im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf die Folie auf.

Batterienforschung

BATTERIEZELLEN-STAPEL UND LITHIUM-SCHWEFEL-AKKUS Damit Elektrofahrzeuge attraktiver werden, muss vor allem die Reichweite erhöht werden. Die Energiespeicherung bleibt deshalb im Fokus der Entwickler, und es wird mit Hochdruck an Batterien geforscht. Fortschritte gibt es etwa bei LithiumBatterien und Lithium-Schwefel-Akkus zu vermelden.

Text: Stefan Gfeller | Bilder: Fraunhofer, PSI/Markus Fischer

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as Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und seine Partner haben un­ ter dem Markennamen EMBATT das Bipolar-Prinzip, das von der Brennstoffzelle bekannt ist, auf die Lithium-Batterie übertragen. Einzelne Batteriezellen sind bei diesem Ansatz nicht kleinteilig getrennt nebeneinan­ der aufgereiht, sondern grossflächig direkt übereinander gestapelt. Der gesamte Aufbau für Gehäuse und

Kontaktierung fällt somit weg, wodurch mehr Batterien in das Auto passen. Durch die direkte Verbindung der Zellen im Stapel fliesst der Strom über die gesamte Fläche der Batterie, der elektrische Widerstand wird so erheblich reduziert. Durch dieses neue Packaging-Konzept hoffen die Forscher, mittelfristig die Reichweite von Elektroautos auf bis zu 1000 Kilometer zu steigern.

Wichtigster Bestandteil der Bat­ terie ist die Bipolar-Elektrode – eine metallische Folie, die mit kerami­ schen Speichermaterialien beidsei­ tig beschichtet wird. Eine Seite wird dadurch zur Anode, die andere zur Kathode. Keramische Werkstoffe lie­ gen als Pulver vor. Die Wissenschaft­ ler mischen es mit Polymeren und elektrisch leitfähigen Materialien zu einer Suspension, wobei diese Re­ zeptur – jeweils angepasst für Vor­ der- und Rückseite der Folie – speziell entwickelt werden muss.

Lithium-Schwefel-Akku verbessert Der Lithium-Schwefel-Akku gilt als ein vielversprechender Kandidat für zukünftige Energiespeicher, denn die benötigten Materialien sind kosten­ günstig, umweltfreundlich und leicht verfügbar. Und er kann theoretisch rund drei Mal so viel Energie liefern wie der Lithiumionen-Akku. Allerdings gibt

es in der Praxis noch einige Hürden, so verliert der Lithium-Schwefel-Akku etwa bei wiederholtem Aufladen schnell an Kapazität.

Forschende im PSI-Labor für Elek­ trochemie gewannen neue Einblicke in die verantwortlichen Vorgänge, indem sie eine spezielle Untersu­ chungsmethode mit Röntgenlicht entwickelten. Sie machten damit erstmals direkt sichtbar, wie sich Lithium-Schwefel-Verbindungen im Akku verändern und wie es in der Folge zum Kapazitätsverlust kommt.

Und sie beobachteten erstmals, wie gewöhnliches Quarzpulver den Akku verbessert: Als Zusatz in der flüssi­ gen Komponente der Batterie stei­ gert es die verfügbare Energie und dämmt den mit der Zeit eintretenden Kapazitätsverlust ein – ein LithiumSchwefel-Akku leistet dadurch 25 bis 30 Prozent mehr.

Im Betrieb des Akkus entstehen Polysulfide, und ein Teil von ihnen geht unerwünschterweise in die flüs­ sige Komponente des Akkus über und schwimmt dort zwischen den beiden Elektroden des Akkus hin und her. Diese fehlgeleiteten Polysulfide reagieren mit der Lithium-Elektrode des Akkus. Dadurch verringert sich die Menge des zur Verfügung ste­ henden Schwefels, und die Kapazität des Akkus schwindet. Quarzpulver bindet die Polysulfide, was die La­ dekapazität erhöht und erhält, weil das Akku-Innere länger sauber und funktionstüchtig bleibt.

PSI-Forscherin Claire Villevieille am Gerät für Röntgendiffraktion.

80 06/17 TECHNIK

Der vierte und aktuelle Prototyp: Der Quant 48 Volt soll aus der 300-kWh-Flusszelle einen Nennstrom von 9000 A beziehen.

Nanoflowcell

DURCHBRUCH IN DER ENERGIESPEICHERUNG? Seit 2014 können die Messebesucher der Geneva International Motor Show jedes Jahr die ­Prototypen der Schweizer Firma ­Nanoflowcell bewundern. Die Firma baute bisher vier Fahr­zeuge/ Prototypen, welche mit der Flusszellentechnologie dem Elektroantrieb zum Durchbruch verhelfen sollen. Wir listen ­Fakten auf und bringen etwas Licht ins Dunkel.

Text: Andreas Senger | Bilder: Nanoflowcell

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Schon der Quant E sollte 2014 die Umsetzungsmöglichkeit der Redox-FlusszellenTechnologie demonstrieren. Den Prototypenbau setzten Automobilindustrieprofis um.

er sich im Internet über die NanoflowcellTechnologie schlau­machen will, stösst auf unterschiedliche Informationen: vom Hirngespinst, dessen techni­ sche Umsetzung nicht möglich ist, über begeisterte Testfahrtberichte bis hin zu strafrechtlichen Verfolgun­ gen des Besitzers und Forschungs­ leiters Nunzio La Vecchia.

Was stimmt und was nicht, lässt sich nur schwer nachvollziehen. Die AUTO&Technik war nicht zu den Test­ fahrten im vergangenen Jahr einge­ laden, entsprechend lässt sich auch über die Fahrbarkeit der Prototypen nichts sagen. Uns interessiert viel­ mehr das technische Potenzial hinter der Flusszellentechnologie.

Unmengen von Geld investiert Eines muss man der Firma lassen: Bereits vier Prototypen hat die Nanoflowcell aus dem zürcherischen Kilchberg auf die Räder gestellt: 2014 den Quant E, 2015 den Quant F (Sportwagen mit Hochvolttechnik) sowie den Quantino (48-Volt-Bord­ netz) und am diesjährigen Salon den Sportwagen mit Flügeltüren Quant 48 Volt. Die Modelle werden pub­ likumswirksam auf einem jeweils grossen Messestand am Autosalon präsentiert. Die Kosten dieser PRMassnahmen sind gigantisch, und es ist für ein Start-up-Unternehmen bemerkenswert, dass so viel Geld in Öffentlichkeitsarbeit investiert wird. Auch die Homepage der Firma www.nanoflowcell.com ist aufwän­ dig gestaltet und wird professionell betreut.

Die Firma konzentriert sich dabei nach eigenen Angaben einzig auf die Umsetzung der Redox-FlusszellenTechnologie, bei der zwei flüssige Elektrolytlösungen über eine Mem­ bran Ionen austauschen, wodurch elektrischer Strom fliesst. Die Fluss­ zellentechnologie ähnelt der Brenn­ stoffzellentechnik. Beim Prototy­ penbau verpflichtet das Schweizer Unternehmen namhafte Hersteller, welche bei der Realisierung mithel­ fen. In den vergangenen Jahren ha­ ben wir mit Interesse die Entwick­ lungsschritte beobachtet und auch mehrmals versucht, über die deut­ sche Pressestelle an technische In­ formationen zu gelangen. Es wird je­ weils freundlich auf die Informationen der Homepage verwiesen.

Die Redox-Flusszellen-Technologie ist seit der Mitte des letzten Jahrhun­ derts bekannt. Nanoflowcell weist darauf hin, dass ihr bei der Zusam­ mensetzung der zwei Elektrolytlö­ sungen der Durchbruch gelungen sei.

Bei Kosten von zehn Cent/Liter sollen die beiden Bi-Ion getauften Elektro­ lytlösungen innert vier Minuten ge­ tankt werden können, und nach der Umwandlung in elektrische Energie bleiben eine Salzlösung in einem auswaschbaren Sieb und Wasser,

TECHNIK 06/17 81

Der Elektrolyttank befindet sich beim Quantino unter der vorderen Haube. Für die Fahrzeugbordelektrik wird nach wie vor eine 12-Volt-Starterbatterie eingesetzt. das mittels einer Düse auf die Stras­ se zerstäubt wird. Diese Aussagen muten wie ein Märchen an, denn die nur auf Mineralien und Salze basie­ rende Elektrolytlösung soll gänzlich ungiftig sein und beim Verschlucken soll lediglich Unwohlsein resultieren.

Doch konzentrieren wir uns auf die publizierten Angaben der Firma.

Energiedichte des Bi-Ion-Elektrolyten Ein Liter Elektrolytflüssigkeit kann eine Energiedichte von 80 Wh in einer galvanische Zelle aus Zink und Brom umwandeln (aktueller Forschungs­ stand). Bei Nanoflowcell soll eine Speicherdichte von mehr als 600 Wh/l möglich sein. Für eine Fahrstrecke von 10’000 km gibt Nanoflowcell einen Elektrolytverbrauch von 1500 bis 2000 Litern an. Dies ergibt einen Energieverbrauch von 12 kWh pro 100 km. Ein Tesla S benötigt nach Normverbrauch rund 22 kWh/100 km.

Nach der Fahrstrecke von 10’000 km müssen die Filter für die verbrauchte Elektrolytlösung (Salze) gewechselt werden – das angeblich gereinigte Wasser wird via Düse auf die Strasse gesprüht. Für den aktuellen Entwick­ lungsstand der 48-Volt-Flusszelle ga­ rantiert Nanoflowcell 50’000 Betriebs­ stunden der Hardware. Betont wird, dass bei der Herstellung der Bi-IonElektrolytflüssigkeiten keine giftigen Stoffe verwendet würden. Die Pro­ duktion sei allerdings sehr komplex,

aber in allen Ländern der Welt durch­ führbar, da keine speziellen Stoffe eingesetzt würden.

48-Volt-Wechselspannung?

Die ersten Prototypen wurden als Hochvolt-Fahrzeuge konzipiert. Seit dem Quantino und dem neuen Quant 48 Volt setzt die Entwicklungsfirma auf die tiefere Bordspannung für den Antrieb.

Wenn der Kleinwagen Quantino mit 80 kW Antriebsleistung (ohne Wirkungsgradverluste berechnet) maximal beschleunigt wird, müssten über 1600 A Strom durch die elekt­ rischen Kabel fliessen. Beim Sport­ wagen Quant 48 Volt wären es mit vier E-Motoren à 140 kW (= 560 kW Systemleistung) dann schon knapp 12’000 A Strom. Da Superkonden­ satoren als Zwischenspeicher nicht mehr eingesetzt werden, müssen die Flusszellen den Strom direkt lie­ fern. Nanoflowcell gibt an, dass aus sechs Flusszellen max. 300 kWh Energie geliefert werden kann, d. h.

9000 A (1500 A pro Flusszelle). Ein Motor soll dabei auch noch 2000 Nm Antriebsmoment liefern (8000 Nm Systemdrehmoment im Maximum), 0–100 km/h in 2,4 s und vmax 300 km/h sollen möglich sein.

Aufgrund der abgebildeten Kabel­ querschnitte scheint hier physikalisch etwas nicht zu stimmen: Pro Mo­ tor müssten Kupferkabel mit etwa

Zwei Dosierpumpen befördern die zwei Elektrolytlösungen zur Membrane, in der die Lösungen mittels Ionenwanderung reagieren und elektrische Energie liefern.

10 cm Durchmesser verbaut werden.

Auch wirkt es wenig vertrauenserwe­ ckend, wenn von einem 45-PhasenNiedervolt-Synchronmotor als An­trieb die Rede ist. In E-Fahrzeugen und in der Industrie werden aus­ schliesslich 3-Phasen-Wechselspan­ nungsmotoren eingesetzt. Zudem wird in den Motoren kein Kupfer mehr eingesetzt, sondern lediglich Leichtmetalllegierungen. Als Vorteil nennt Nanoflowcell zudem, dass statt der teuren IGBT zur Ansteuerung der Motoren günstigere MOSFET einge­ setzt werden können.

Die beiden Elektrolytflüssigkeiten werden in je 250 Liter fassenden Tanks mitgeführt, was einer Masse von rund 500 kg entspricht. Das Leer­

gewicht wird mit 1820 kg angegeben.

Damit wäre das Fahrzeug nur rund 1300 kg schwer. Oder müssen die 500 kg noch dazugezählt werden?

Der Vorteil zu akkubetriebenen EAutos wäre mit dieser Masse nicht erkennbar.

Wahrheit oder Wunschdenken?

Fazit: Falls die Angaben alle stimmen würden, wäre wohl bei Nano­flowcell längst ein OEM, also Automobilhersteller, eingestiegen.

Der Druck zur Verbrauchssenkung von fossilen Treibstoffen und der damit verbundenen Reduktion von Kohlendioxidemissionen wäre auf einen Schlag gelöst. Mal schauen, was sich da noch tut …

Das Betanken mit den Bi-Ion-Flüssigkeiten erfolgt wie beim konventionellen Treibstoff. Die Zusammensetzung der Elektrolytflüssigkeiten ist geheim.

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ie beiden Hauptorgani­ satoren Prof. Hans Peter Lenz und Prof. Bernhard Gehringer teilten sich die Moderation der Ein- und Ausgangs­ sektion auf. Prof. Lenz hielt in seinen einleitenden Worten fest, dass trotz der vielen Beiträge zu alternativen Themen der Verbrennungsmotor auf keinen Fall klein beigeben werde, vielmehr nehme er die Herausforde­ rungen in sportlicher Manier an und werde durch die Ingenieure forciert weiterentwickelt. In Zukunft werde es kein Gegeneinander zwischen dem elektrischen und dem ver­ brennungsmotorischen Weg mehr geben; nur ein Miteinander werde die individuelle Mobilität weiterbringen.

Prof. Gehringer vertrat in seinen Schlussworten die Meinung, dass es im Moment noch nicht ganz klar sei, wie sich die Antriebstechnik in die Richtung zu Brennstoffzellenoder Elektrofahrzeugen entwickeln werde – Hybrid- und Gasfahrzeuge als Zwischenstufe oder als parallele, vollwertige Ergänzungen? Sicher sei allein, dass sich die Antriebstechnik weiterentwickeln werde und dass diese Entwicklungsgeschichte span­ nend bleibe …

Ein spezieller Prototyp steht während der zwei Tage vor den Toren der Wiener Hofburg.

38. Internationales Wiener Motorensymposium

DER RICHTIGE WEG Am 26. und 27. April fand in der Wiener Hofburg das 38. Internationale Motorensymposium statt. Mehr als 1000 Fachleute aus Wissenschaft und Technik tauschten ihre Forschungsergebnisse und Erfahrungen aus.

Text/Bilder: Andreas Lerch

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Pariser Abkommen und die 2-°C-Grenze Die Staatengemeinschaft hat im Klimaabkommen von Paris beschlos­ sen, mit geeigneten Massnahmen die mittlere globale Erwärmung nicht mehr als 2 °C ansteigen zu lassen. Dr. Bulander, Vorsitzender des Unternehmensbereichs Mobility Solutions der Robert Bosch GmbH, zeigte in seinem vielbeachteten Referat die Randbedingungen auf und wies darauf hin, dass 12 % der CO2-Emissionen vom Verkehr emittiert würden. Für das Jahr 2015 wurde ein weltweiter CO2-Ausstoss von 33 Gt verzeichnet. Würde in Zukunft der CO2-Emissionsanstieg mit der gleichen Geschwindigkeit fortgesetzt (ca. +0.5 Gt/y), müsste mit einem langfristigen Temperatur­ anstieg von 6 °C gerechnet werden.

Prof. Hans Peter Lenz ist als Gründer des Symposiums seit 38 Jahren dabei.

Mit den momentan vorgeschlagenen Massnahmen ist ein Anstieg von 4 °C zu erwarten (ca. +0.1 Gt/y).

Nur wenn der jährliche Ausstoss vermindert werden kann, besteht die Möglichkeit, das Klimaziel zu erreichen (2-°C-Grenze: ca. –0.7 Gt/y).

Das Transportgewerbe steht dabei in der Pflicht, ist es doch für den zweitgrössten Einzelanteil «verant­ wortlich». Die Auswirkungen der effizienzsteigernden Massnahmen, mit welchen die Autos in den letzten 20 Jahren verbessert worden sind, wurden leider durch den Mehrver­ kehr ziemlich genau egalisiert.

Die Transportemissionen machen nicht einmal einen Fünftel der gesamten CO2Emissionen aus – trotzdem stellen sie den zweitgrössten Emittenten.

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TECHNIK 06/17 83

Prof. Bernhard Gehringer ist Mitorganisator des Wiener Motorensymposiums.

Die Politik schwört vollumfänglich auf den Weg der elektrisch betrie­ benen Fahrzeuge, doch muss dazu nicht nur Infrastruktur in Milliarden­ höhe erstellt werden, der gesamte Strom muss auch produziert und zwi­ schengespeichert werden können.

Daneben müssen E-Fahrzeuge vom Endverbraucher angenommen und gekauft werden. Zeit, um zu warten, sei nicht mehr vorhanden, meint (nicht nur) Bulander, jährlich müsste ab sofort die CO2-Emission des Ver­ kehrs um 4 % gesenkt werden (und zwar trotz der ständig grösseren zu erbringenden Verkehrsleistung).

Jede Massnahme, welche eine CO2-Minderung ermögliche, müs­ se verfolgt und umgesetzt werden.

Deshalb dürfe es zwischen den An­ triebssystemen kein Gegeneinander mehr geben. Eine zwischenzeitliche Hybridisierung – mit 48 Volt oder mehr – führe zu einer finalen stromoder wasserstoffbasierten Lösung.

Erdgasmotoren Parallel dazu gibt es noch eine zweite interessante Lösung: Dr. Ludwig Möhring, Geschäftsführer der Wingas GmbH, erklärt, Erdgas oder Methan habe vom atomaren Aufbau her gegenüber Benzin und Diesel einen CO2-Vorteil von bis zu 30 %. Daneben kann dem fossilen Erdgas (dessen bekannten Reserven noch für über 100 Jahre reichen sollen) auch Biogas oder synthetisch hergestelltes Gas in beliebiger Menge beigemischt und so die CO2-Neutralität zusätzlich ge­ fördert werden. Das Erdgas, welches in Schweizer Tankstellen vertrieben wird, ist mit 20 % Biogas vermischt und noch einmal um diesen Betrag CO2-neutraler – was in Wien lobend erwähnt worden ist.

Ob das Erdgas aus fossilen oder bio­ logischen Quellen stammt; der Motor, welcher es in mechanische Energie umsetzt, kann der gleiche sein. Aber auch dem Elektromotor ist es egal, ob er mit grünem oder mit grauem Strom betrieben wird. Ob das Fahr­ zeug in diesem Fall umweltfreundlich oder -schädlich unterwegs ist, sieht man ihm nicht an.

Li-Ionen-Batterien Elektrofahrzeuge haben gegenüber Gasfahrzeugen einen entscheidenden Nachteil: Die Herstellung der Li-IonenBatterien ist sehr energieaufwändig und verhilft dem Gasauto in der CO2Bilanz zu einem Vorsprung, welcher vom Elektrofahrzeug erst gegen Ende der Lebensdauer eingeholt werden kann.

Berechnet auf eine Lebensdauer von 200’000 km macht die Fahrzeug­ herstellung beim E-Fahrzeug fast 50 g CO2/km aus, während sie bei verbren­ nungsmotorisch betriebenen Fahrzeu­ gen nur mit der Hälfte zu Buche schlägt.

Im Betrieb kommt es dann darauf an, wie die elektrische Energie herge­ stellt wird (regenerativ oder im Kohle­ kraftwerk). Ebenso kommt es beim Methan darauf an, wie dieserTreibstoff hergestellt worden ist. Synthetisch her­ gestelltes Methan (Audi e-gas) und Bio­ methan sind annähernd CO2-neutral.

Verbrennungsmotoren und Teilsysteme Zur Verbesserung des Wirkungs­ grades, der CO2-Emissionen, aber auch zur Schadstoffminderung sind einige Neuigkeiten vertieft bespro­ chen worden. Nissan stellte den neuen 2-Liter-Vierzylindermotor mit variablem Verdichtungsverhältnis vor (vgl. A&T 10/2016). Zum absoluten Hightech-Produkt machen ihn auch die doppelte Einspritzung (Saugrohrund Direkteinspritzung) und die Nockenwellen-Phasenversteller auf der Einlass- und der Auslassseite.

Mercedes-Benz wird diesen Herbst ebenfalls einen neuen Vier­ zylindermotor im E-Klasse-Coupé vor­ stellen. Der 2-l-Motor wird 110 kW/l leisten und soll durch spezielle Mass­ nahmen wie minimierte Motorrei­ bung, den Einsatz von Camtronic und die Einführung eines 48-Volt-Sys­ tems mit einem E-Turbo und einem riemengetriebenen Starter-Genera­ tor gegenüber dem Vorgängermo­ tor 20 % Treibstoff einsparen. Den strengen neuen Partikelgrenzwerten tritt Mercedes-Benz mit einem Parti­ kelfilter entgegen.

Als dritten neuen 2-l-Motor hat Jaguar den Ottomotor der IngeniumReihe vorgestellt. Die Nockenwellen verfügen über Phasenversteller auf der Ein- und Auslassseite. Auf der Einlassseite ist das hydraulische Ven­ tilhubverstellsystem von Schaeffler

(UniAir) verbaut. Dieses heisst bei Jaguar CVVL (Continuously Variable Valve Lift). Die Nockenwelle ist nicht mehr gleit-, sondern rollengelagert.

Motoren mit rollengelagerten No­ ckenwellen sind im Moment noch sehr selten.

Dr. Bodo Durst von der BMW AG stellt die Wassereinspritzung ins Licht der Stickoxidminderung. Künftige Verbrennungsmotoren werden auf Grund der RDE die Verbrennungsküh­ lung bei Volllast nicht mehr durch Ge­ mischanreicherung erreichen. Dank der Wassereinspritzung muss der Zündzeitpunkt auch bei Volllast nicht zurückgenommen werden, und der Motor wird trotzdem im klopffreien Betrieb gehalten. Dadurch bleibt auch die Brennlage im optimalen Bereich und hält den Wirkungsgrad hoch.

Welcher der vier möglichen Was­ sereinspritzorte das Rennen machen wird, ist im Moment offenbar noch nicht ganz klar. Möglich sind die Samm­ ler-, die Saugrohr-, die Mischungs- und die Direkteinspritzung.

Natürlich wurde in diversen Vor­ trägen auch über Schadstoffentgif­ tung gesprochen. Dabei betonten verschiedene Referenten, dass es vielleicht an der Zeit sei, in Zukunft die gesetzlichen Normen nicht nur einzuhalten, sondern deutlich zu unterschreiten. Damit würden Ab­ gasskandale mit Sicherheit verhin­ dert.

Prüfung und Instandsetzung von Common Rail Injektoren und Hochdruckpumpen

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nach dem Ende des Verbrennungsvor­ gangs eine winzige Menge Treibstoff in den Zylinder einzuspritzen, der sich erst im Katalysator entzündet und hilft, dass sich Letzterer schneller aufheizt.

Tests zeigen, dass sich allein durch die Nacheinspritzung das Anspringen des SCR-Katalysators um zirka acht Minuten beschleunigen lässt und so die kumulierte Stickoxidemission im künftigen WLTP-Fahrzyklus um 37 Prozent sinkt.

Systemlösungen für schadstoffarme Dieselmotoren

DEN STICKOXID­ EMISSIONEN AN DEN KRAGEN Continental hat ein Euro-6-Diesel-Serienfahrzeug mit den ­neusten Technologien des Zulieferers modifiziert. Nach­ein­ spritzung, 48-V-Mild-Hybridisierung, ein elektrisch heizbarer ­Katalysator sowie «vorausschauende» Rekuperation senken in der Summe die Stickoxidemissionen um 60 Prozent.

Text: Stefan Gfeller | Bilder: Continental

Der elektrisch (48 V) heizbare Katalysator Emicat bringt den dahinterliegenden SCR-Katalysator rasch auf Betriebstemperatur.

Bei bekannter Strecke bzw. mit Hilfe von Daten aus der Cloud kann das Steuergerät «vorausschauend» darüber entscheiden, wann ­­rekupe­riert werden sollte.

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er Dieselmotor für Personen­ wagen geniesst spätestens seit dem (Volkswagen-) «Abgasskandal» keinen allzu guten Ruf mehr. Es wird diskutiert, ob der Selbstzünder gar kurz vor dem Aus stehe. Volvo etwa hat angekündigt, die Entwicklung neuer Dieselmotoren einzustellen. Doch gemach – verschie­ dene Akteure sehen nach wie vor grosses Potenzial im Selbstzünder: Continental hat am diesjährigenWiener Motorensymposium gezeigt, wo noch Verbesserungspotenzial liegt. Die Spe­ zialisten des Konzerns modifizierten ein Euro-6-Diesel-Serienfahrzeug so, dass die Stickoxidemissionen um 60 Prozent sinken und auf diesem Weg auch bei realen Strassentests – in erweiterten Temperaturbereichen – deutlich unter den gesetzlichen Limits bleiben. Anders als bei vielen anderen Massnahmen zur Schadstoffabsenkung leidet der Verbrauch in diesem Fall nicht: Der CO2-Ausstoss verringert sich sogar um zwei Prozent.

Einspritzung Dazu gingen die Ingenieure in mehreren Schritten vor. Zunächst tauschten sie das Serieneinspritzsystem gegen das eigene Piezo-Common-Rail-System PCRs5 aus. Dieses arbeitet mit Einspritzdrücken von bis zu 2500 bar und ist mit Hilfe einer hochdynamisch arbeitenden Ventilbetätigung in der Lage, mehrere Einspritzungen mit sehr kurzen Intervallen und sehr präziser Do­ sierung zu realisieren. Es ermöglicht,

Mild-Hybrid Allein auf die Nacheinspritzung will Continental jedoch nicht setzen, da sich dadurch der Dieselverbrauch um etwa vier Prozent erhöhen würde. Zu­ sätzlich wird ein 48-Volt-Hybridsystem eingesetzt, das auf einem riemenge­ triebenen Starter-Generator basiert.

Die verwendete E-Maschine mit einer Spitzenleistung von rund 15 kW kann Bremsenergie wiedergewinnen, als Strom speichern und unterstützt auch den Verbrennungsmotor in Phasen stärkerer Beschleunigung. Durch das 48-V-System lassen sich weitere drei Prozent gegenüber der Nacheinsprit­ zung einsparen. Gleichzeitig sinken die CO2-Emissionen zusätzlich um rund drei Prozent.

Abgasnachbehandlung Zur Emissionsminderung wird ein motornaher elektrisch heizbarer Kata­ lysator (Emicat) eingesetzt. Mit einer kurzzeitig anliegenden Leistung von bis zu 3 kW bringt er den dahinterliegenden SCR-Katalysator – unabhängig von der Motorbetriebsstrategie – bereits nach kurzer Zeit auf Betriebstemperatur, um mit der Stickoxidkonvertierung zu starten. Die Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung (AdBlue) erfolgt direkt hinter dem Heizkatalysator auf das aus­ strömende Abgas. Diese Anordnung garantiert eine gute Durchmischung von Abgas und Harnstoff, ohne dass ein zusätzlicher Mischer verwendet werden muss. Durch die Applikation des Heizkatalysators sinken die Stickoxidemissionen um weitere 14 Prozent. Eine weitere signifikante Reduzierung der Emissionen konnte durch die Einbindung des sogenannten connected Energy Managements (cEM) erzielt werden. Bei bekannter Strecke (Navigation oder Strecken­ erkennung durch lernfähige Algo­ rithmen) kann das cEM-Steuergerät vorausschauend darüber entscheiden, wann das Fahrzeug am besten rollt und wann rekuperiert werden sollte.

TECHNIK 06/17 85

Delphi Dynamic Skip Fire

DYNAMISCHE ZYLINDERABSCHALTUNG Delphi hat eine Regelstrategie zur Zylinderabschaltung entwickelt, die vor jedem einzelnen ­Zündvorgang zylinderselektiv entscheidet, ob der Zylinder deaktiviert oder ein regulärer ­Arbeitstakt ausgeführt wird. Der Motor kann dadurch dynamisch quasi in seiner Grösse verändert werden. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Delphi

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elphi Automotive liess bereits vor einiger Zeit verlauten, dass man an einem neuartigen Zylinder­ abschaltsystem arbeite. Inzwischen ist die in Zusammenarbeit mit Tula Technology Inc. entwickelte Lösung nahezu serienreif und wurde am diesjährigen Wiener Motorensym­ posium präsentiert.

Hardwaremässig funktioniert das Dynamic Skip Fire (DSF) genannte System wie bekannte Zylinderab­ schaltungen (ZAS) anderer Herstel­ ler. So kommen Rollenschlepphebel zum Einsatz, die über einen Hebel­ arm von der Nockenwelle angesteu­ ert werden. Da die Nockenwelle drei verschiedene Nockengeomet­ rien aufweist, sind unterschiedliche Ventilerhebungen darstellbar. Diese Technik ist erprobt, langlebig und baut sehr kompakt. Bei Drehzahlen von bis zu 3000/min ist die volle Deaktivierung eines Zylinders inner­ halb einer Nockenwellenumdrehung möglich, ohne dass dabei hohe und reibungsfördernde Ventilfederkräfte erforderlich sind.

«Ganzer» Motor oder etwa ein «0.75-Zylinder-Triebwerk»: Mit Dynamic Skip Fire lässt sich dies dynamisch und bedarfsgerecht bewerkstelligen.

Weniger Vibrationen: DSF (rechts) im Vergleich zu herkömmlichen Zylinderabschaltungen.

Ausgeklügelte Regelstrategie Neu ist die Regeltechnik: DSF berechnet vor jedem einzelnen Zündvorgang zylinderselektiv, ob der Zylinder deaktiviert oder ein regulärer Arbeitstakt ausgeführt wird. Sollte der Zylinder vorüberge­ hend stillgelegt werden, bleiben die Ein- und Auslassventile geschlossen.

In die Entscheidung, welcher Zylinder als nächster gezündet wird, bezieht DSF eine Reihe von Parametern – wie etwa die Lastan­ forderung seitens des Fahrers, das aktuelle NVH-Verhalten (Geräusch, Vibration) des Motors sowie die Frequenzen und Amplituden, die den Schwingungskomfort im Fahrzeug beeinträchtigen könnten – mit ein.

Indem die Zündfolge dynamisch den Verhältnissen angepasst wird, läuft

der Motor immer nahe seiner ma­ ximalen Effizienz, da Pumpverluste verringert und seine thermische Effizienz verbessert werden.

Die einzigartige Regelstrate­ gie ermöglicht auch neue Verbren­ nungskonzepte und somit die Erschliessung weiterer Effizienzpo­ tenziale: Beispielsweise kann die zy­ linderselektive Regelung für schnelle ­Drehmomentangleichungen sorgen, während ein hoher Saugrohrdruck einen schnellen Drehmomentaufbau bewirkt, insbesondere bei Teillastbe­ trieb. Ein weiterer Vorteil von DSF ist die Deaktivierung aller Zylinder im Schiebebetrieb, was erstens die Pumpverluste minimiert und ein län­ geres Ausrollen ermöglicht, zweitens das Risiko vermindert, dass unver­ brannter Treibstoff in den Katalysator gelangt und dort Schäden verursacht.

Effizientes Demonstratorfahrzeug Auf dem Wiener Motorensym­ posium wurde die DSF-Technik in einem Demonstratorfahrzeug mit turboaufgeladenem 1,8-l-Vier­ zylinder-Ottomotor vorgestellt. Das Aggregat weist ausserdem ein Direkteinspritzsystem sowie ein Motorsteuergerät (beide von Delphi) mit integrierten DSF-Algorithmen auf. Fahrtests mit dem Demonst­ rator haben gezeigt, dass das NVHVerhalten des DSF-Prototypmotors und des Serienmotors im gesamten Frequenzbereich absolut vergleich­ bar ist, was auch die Akzeptanz für die Zylinderabschaltung als wichtige Treibstoffspartechnik beim Konsu­ menten erhöhen kann. Allerdings fällt der Treibstoffverbrauch des DSF-Prototypmotors in den gängi­ gen Messzyklen (wie etwa NEFZ, WLTC, US Combined, JC08) um bis zu 10 % geringer aus.

Weiteres Einsparpotenzial Die Ingenieurteams von Delphi und Tula arbeiten derzeit an einem weiteren Demonstrator, der die Vorteile von DSF mit denen eines Mildhybridantriebs kombiniert.

Wenn dieses Konzept vollständig umgesetzt ist, erwarten die Ent­ wickler Treibstoffeinsparungen von bis zu 20 %. Die Serienproduktion eines V8-Motors mit DSF stehe bevor, während Delphi und Tula eine Vier­zylinderapplikation von DSF mit einem OEM weiter vorantreiben würden, erklärte der Automobil­ zulieferer.

86 06/17 LAUFSTEG

Skulptur aus dem Windkanal: Der Ferrari 812 Superfast besitzt nicht nur den aktuell grössten gebauten Serien-V12-Motor, sondern auch eine bemerkenswerte Silhouette.

Ferrari 812 Superfast

toppt aber auch jegliche Rekorde, und – man ist beinahe mit einem Augenzwinkern versucht, zu sagen – Treibstoffverbrauch, CO2-Thematik oder Emissionsprobleme scheinen Ferrari nicht primär zu interessieren.

Statt auf einen aktuell «modi­ schen» Hybridantrieb zu setzen, verbaut der Sportwagenhersteller im 812 Superfast einen V12-Motor mit 65°-Gabelwinkel, der aus ex­ akt 6496 cm3 Hubraum (Bohrung 94 mm, Hub 78 mm) unglaubli­ che 588 kW/800 PS bei 8500/min erzeugt und einen Drehmoment­ bestwert von 718 Nm bei 7000/min liefert. 80 % des Drehmomentma­ ximums liegen bei voll geöffneten Drosselklappen bereits ab 3500/min an der Kurbelwelle an.

Die Höchstdrehzahl wird mit 8900/min angegeben. Von Downsi­ zing also keine Spur: Ziel ist es, nebst Gänsehaut aufgrund der akustischen Geräuschkulisse, den Standardsprint aus dem Stand bis 100 km/h innert

STÄRKSTER SAUGMOTOR VON FERRARI In der Formel 1 hat Ferrari mit Sebastian Vettel die Nase vorn. Auch bei den Strassenfahrzeugen toppen die Italiener ihr bisheriges Modellportfolio. Als Nachfolger des F12 torpediert der 812 Superfast mit 6.5-l-V12-Saugmotor und – festhalten – 588 kW die Bestwerte der Marke aus Maranello. Text: Andreas Senger | Bilder: Ferrari, Büro Senger

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nlässlich der Geneva International Motor Show 2017 war es weder an den Pressetagen noch an den Publikumstagen einfach, dem neus­ ten Modell aus dem Hause Ferrari näher zu kommen. Der Andrang von Journalisten und Kunden, die auf den Stand von Ferrari gelangen wollten, war immens, und der Stau rund um die Standbegrenzung gehörte wie der Stau am Gotthard an Ostern und Pfingsten dazu. Das neue Flaggschiff aus Maranello

Als erstes Ferrari-Modell verfügt der 812 Superfast über eine elektromechanische Lenkhilfeunterstützung für das Zahnstangen-Lenkgetriebe.

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Für eine bessere Füllung wird die Saugrohrlänge elektromotorisch der Drehzahl angepasst.

Motorenbau vom Feinsten: eher Kunst denn profane Technik. Der V12-Saugmotor besticht mit allerfeinsten Zutaten modernsten Triebwerkbaus.

2,9 s und bis 200 km/h in 7,9 s zu realisieren. Und auch nicht ohne: Die Höchstgeschwindigkeit wird mit über 340 km/h angegeben.

Mehr Statue als Energieumwandler Dass in diesem Motor nicht einfach Bleifrei 98 in mechanische Energie umgesetzt, sondern die Urgewalt ottomotorischer Verbrennung zum Ausdruck gebracht wird, zeigt schon die Tatsache, dass der V12 als Saugmotor lanciert wird.

Variable Saugrohrlängen durch eine elektromotorische Verstellung des ersten Teils des Ansaugrohres, aber auch ein Fächerkrümmer erster Güte sorgen zusammen mit einer Armada von 48 Ventilen für optimale Gaswechsel.

Die hohe Leistung resultiert je­ doch nicht einzig aus viel Hubraum und optimaler Gaswechselsteu­ erung. Eine Benzindirekteinsprit­ zung mit 350 bar spritzt das Benzin direkt in den Brennraum und kühlt

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diesen ab. Pro Arbeitsspiel wird die benötigte Treibstoffmenge in drei Einzeleinspritzungen in den Brenn­ raum gespritzt.

Dadurch wird der Brennraum in­ tern gekühlt, was ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis von 13,64:1 ermöglicht. Als Durchschnittsver­ brauch gibt Ferrari 14,9 l/100 km an und einen CO2-Ausstoss von 340 g/ km. Bei gemässigter Fahrt liegt mit dem 92-l-Treibstofftank eine Reich­ weite von etwas über 600 km drin.

Beinahe perfekte Achslastverteilung Trotz schwergewichtigem V12-Motor gelang den Entwicklern dankTransax­ le-Antrieb (7-Gang-Doppelkupplungs­ getriebe an der Hinterachse) eine beinahe perfekte Ausbalancierung der Achslasten (47 % vorne, 53 % hinten).

Im fahrbereiten Zustand bringt der 812 Superfast immerhin 1620 kg auf die Waage. Mit aufpreispflichtigen Rennkomponenten lässt sich das Leergewicht auf 1525 kg senken.

Damit wird die Resonanzaufladung sowohl für den mittleren wie auch den hohen Drehzahlbereich optimal ausgenützt.

Bei Bedarf packen die CarbonScheibenbremsen mit 39,8 cm Durchmesser an der Vorderachse und 36 cm an der Hinterachse kräftig zu: Der Bremsweg aus 100 km/h wird mit 32 m angegeben.

Elektronische Fahrdynamikregelung Sämtliche fahrdynamischen Syste­ me werden von einem Steuergerät dirigiert. Nebst Schwingungs­ dämpfern mit variabler Zug- und Druckstufe sind dies auch die elektromotorische Lenkhilfeunter­ stützung der Vorderachse und die

Hinterachszusatzlenkung oder die Hinterachssperre, welche zusätzlich ein Torque Vectoring ermöglicht. Da­ durch ist der 812 Superfast auch bei hohen Tempi und engen Kehren Herr der Kurven. Das bereits bekannte Side-Slip Control wird in 5. Version implementiert und ermöglicht auch nicht geübten Fahrern kontrollierte Powerslides dank elektronischen Heinzelmännchen. Aktive Aerody­ namikklappen an der Front und eine elektrisch verstellbare Klappe beim Heckdiffusor sorgen für aerodyna­ mische Downforce-Kräfte.

Klassische Transaxle-Bauweise ermöglicht eine nahezu optimale Achslastverteilung.

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