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Die Ergebnisse aus Fahrzeug- und Motorsimulation werden an einem Einzylinder-Forschungsmotor getestet.
Effizienzmotor
WIRKUNGSGRAD DES OTTO MOTORS DEUTLICH GESTEIGERT Ein Forschungsprojekt zeigt, dass im realen Strassenverkehr mehr als 40 % der im Treibstoff gebundenen Energie genutzt werden können, wenn verfügbare Technologien für den Verbrennungs motor in Hybridantrieben optimal aufeinander abgestimmt werden. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Peter Winandy (vka / RWTH Aachen), IFS / Uni Stuttgart
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amit die CO2-Flottenemissionsziele im Jahr 2030 erreicht werden können, müssen auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor noch einmal deutlich energieeffizienter werden. Entsprechende Technologien sind verfügbar, sie werden aber bisher – wohl vorwiegend aus Kostengründen – kaum eingesetzt. Im von der Forschungsvereinigung Verbrennungs kraftmaschinen (FVV) initiierten Forschungsprojekt «ICE2025+» untersuchten nun Wissenschaftler in Aachen, Braunschweig, Darmstadt und Stuttgart gemeinsam, wie weit der Wirkungsgrad von Ottomotoren in Hybridantrieben mit Hilfe verschiedener Technologiekombinationen gesteigert werden kann. Allen untersuchten Antriebssträn gen gemein war, dass der Verbrennungsmotor vor allem im Stadtverkehr von einem elektrischen Antrieb er gänzt wurde. «Wir haben jedoch alle Tests und Simulationen so ausgelegt, dass sich am Ende der Fahrt noch genauso viel Strom in der Batterie
befand wie zu Beginn», betont Prof. Dr.-Ing. Christian Beidl, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe an der TU Darmstadt. «Dadurch ist es möglich, genau zu beobachten, wie sich der Wirkungsgrad durch verschiedene Massnahmen am Motor verändert.» Verschiedene Technologien kombiniert Die Wissenschaftler hatten in einem ersten Schritt gemeinsam definiert, welche technischen Veränderungen am Motor zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führen können. Dabei wurden zwei Randbedingungen gesetzt: Es sollten nur reife Technologien in Betracht gezogen werden, für die eine Serieneinführung vor dem Jahr 2030 realistisch ist. Und zweitens sollten nicht die einzelnen Technologien untersucht werden, sondern deren Kombination. Den Hintergrund dafür erläutert Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen der TU Braunschweig: «Eine reine Ad dition einzelner Massnahmen ver-
bietet sich, da Wechselwirkungen von Technologien dabei nicht berücksichtigt werden.» Untersucht wurden schliesslich Kombinationen aus variabler Verdichtung und flexiblen Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Steuerung der Ladungsbewegung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung und auch die Auslegung des Motors als Langhuber. Sparsam auch unter RDE-Bedingungen Zuerst durch Berechnungen, dann durch verschiedene Motorentests wurden die Auswirkungen auf den Treibstoffverbrauch validiert. Danach
wurden weitere Potenziale rechnerisch extrapoliert. Im Anschluss nutzten die Forscher die Versuchs- und Rechenergebnisse, um denTreibstoffverbrauch in verschiedenen Hybridfahrzeugen zu ermitteln; dies nicht nur in dem für die offiziellen Verbrauchsangaben relevanten Prüfzyklus, sondern auch im realen Strassenverkehr. Dafür wurde ein Fahrprofil gewählt, das die Anforderungen an sogenannte RDE-Tests (Real Driving Emissions) erfüllt. «Es ist gelungen, die Technologien so zu kombinieren, dass die Verbräuche unter RDE-Bedingungen niedriger ausfallen als die im WLTPPrüfzyklus ermittelten Werte», sagt Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen. Gesamtwirkungsgrad: 42 – 46 Prozent Mit dem im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Effizienzmotor werden in einem hybridisierten Mit telklassefahrzeug bereits 42 % der im Treibstoff gebundenen Energie genutzt. Überdies zeigten weitere Untersuchungen, dass der Gesamtwirkungsgrad durch den Einsatz synthetischer Treibstoffe (E-Fuels), die bessere Verbrennungseigenschaften aufweisen, gar auf 46 % gesteigert werden kann. Schliesslich wurden noch die Potenziale eines mageren Motorbetriebs untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Motorwirkungsgrad in weiten Kennfeldbereichen um zwei bis drei Prozentpunkte gesteigert werden kann. «Damit rückt ein Wirkungsgrad von 50 Prozent in greifbare Nähe», sagt Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Inhaber des Lehrstuhls Fahrzeugantriebe am Institut für Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart.
Im Methanolbetrieb erreicht der neue Effizienzmotor nahezu im gesamten Kennfeld einen Wirkungsgrad von mindestens 40 Prozent.
