Optimierungspotenziale kommer­zieller Verbrennungsmotoren

Kommerzielle Antriebe

21. September 2018 | Engineering Service

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum steigen auch Transport-, Bau- und Agrarleistungen. Somit rücken die Effizienz und der Emissionsanteil der typischerweise dabei zum Einsatz kommenden kommerziell genutzten Dieselantriebe immer mehr in den Fokus. Im Folgenden werden vielversprechende effizienzsteigernde Technologien anhand markttypischer kommerzielle Applikationen diskutiert.

Den größten Beitrag am allgemeinen Energieverbrauch und Schadstoffausstoß liefern die Fahrzeuge im on-road Bereich, aufgrund ihrer um ein Vielfaches höheren Gesamtanzahl gegenüber den mobilen Maschinen. In entsprechenden Studien wird ein jährlicher Anstieg des Energieverbrauchs von 1,4 Prozent bis zum Jahr 2040 vorhergesagt, wobei ein signifikanter Anteil durch flüssige Kraftstoffe bereitgestellt werden wird.

Effizienzsteigerung in der Grundmotorenentwicklung

Basierend auf diversen Entwicklungsprojekten und umfassenden Studien der FEV und FEV Consulting GmbH zur Antriebsstrangentwicklung und -optimierung, konnten aktuelle und zukünftige Anforderungen an den Grundmotor abgeleitet werden. Diese sind in Abb. 1 zusammengefasst. Die Grafik zeigt zueinander in Relation gesetzt die Zusatzkosten, die für den Einsatz verschiedener technologischer Maßnahmen zur Effizienzsteigerung beziehungsweise Kraftstoffeinsparung aufzubringen sind. Einige der Optimierungsmaßnahmen sind bereits auf dem Markt etabliert oder stehen unmittelbar vor der Markteinführung, an anderen wird intensiv geforscht.

Abb. 1: Kraftstoffverbrauchspotenziale im Vergleich zu aufzubringenden Zusatzkosten


„Downspeeding“ und „Downsizing“ bieten wirksame Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch durch Reibungssenkung zu verbessern. Hier wird der Motorbetriebspunkt der Fahrzeuganwendung näher in den Bereich optimaler, effektiver, spezifischer Kraftstoffverbräuche (BSFC) verschoben. Dabei sind Verbrauchspotenziale von 2–3 Prozent möglich. Als alternativer Ansatz wurden auch der Einfluss des Zylinderhubvolumens beziehungsweise der Anzahl der Zylinder unter Beibehaltung des Gesamtmotorhubvolumens untersucht. Hierzu wurden verschiedene MD- und HD-Motoren mit Reihensechszylinder-Anordnung in Vierzylindermotoren mit mehr als 2L/Zylinder überführt. Neben Gewichts- und Packagevorteilen sind Verbrauchseinsparungen von circa 3 Prozent möglich (Abb. 2).

Abb. 2: Verringerung der Zylinderzahl unter Beibehaltung des Gesamtmotorhubvolumens; Beispiel MD Nutzfahrzeug

>> „DOWNSPEEDING“ UND „DOWNSIZING“ BIETEN WIRKSAME MÖGLICHKEITEN, DEN KRAFTSTOFFVERBRAUCH DURCH REIBUNGSSENKUNG ZU VERBESSERN

Eine weitere Möglichkeit der Effizienzsteigerung ist die Optimierung des Kurbeltriebs durch angepasste Lagerdimensionierung (3 Prozent). Darüber hinaus stehen verschiedene Beschichtungsmöglichkeiten zur Reibungsreduzierung zur Verfügung. Die Integration von bedarfsgerechten und geregelten Aggregaten wie Öl- und Wasserpumpe, Thermostat und Kolbenspritzdüsen bietet Verbrauchspotenziale von über 2 Prozent. Die Optimierung des Luftpfads durch Steigerungen des Ladedrucks mit Hilfe von hocheffizienten Turboladern und einer zweistufigen Aufladung bieten weitere Möglichkeiten, den Kraftstoffverbrauch zu senken. Hinsichtlich Thermomanagement bietet ein variabler Ventiltrieb mit auslassseitigem Phasensteller die Option die Abgastemperatur anzuheben, um die Regeneration des Diesel-Partikelfilters (DPF) zu unterstützen und den Warmlauf zu verbessern. Besonders im Verteilerverkehr und Non-Road-Bereich ist eine Verbesserung der DPF-Regeneration bei niedrigen Außentemperaturen und geringen Motorlasten wichtig.

Kraftstoffeinsparung durch den Organic Rankine Cycle

Neben innermotorischer Maßnahmen stellt die Nutzung der Abgasenergie ein weiteres Potenzial dar, den Gesamtwirkungsgrad und damit den Kraftstoffverbrauch zu verbessern. In diesem Beitrag wird der Organic Rankine Cycle (ORC) als Methode zur Abgaswärmenutzung betrachtet.
Beim Rankine-Zyklus wird ein Fluid zur Umwandlung von Wärme in Arbeit isobar kondensiert, isentrop verdichtet, isobar verdampft und abschließend wieder isentrop expandiert. Als Arbeitsmedium eignen sich aufgrund ihrer niedrigen Siedepunkte organische Fluide am besten für die Wärmeströme aus Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die größten Herausforderungen für die mobile Anwendung liegen beim Packaging und im Rückkühlungsbedarf auf niedrigem Temperaturniveau.
Zur Auslegung und Optimierung von ORC-Systemen wurde von den Autoren eine ganzheitliche Forschungs- und Simulationsplattform entwickelt, die auf etablierten Softwareprodukten basiert.

Das Fahrzeugmodell liefert dabei die Drehzahl- und Drehmoment-Information, die zur Bestimmung der Lastpunkte im Motorkennfeld benötigt werden. Ein physikalisches und skalierbares Motormodell, welches den Verbrennungsprozess und die entsprechenden Verluste simuliert, liefert daraus Werte für Abgastemperatur und -massenstrom an das ORC-Modell. Um die Funktion des Abgasnachbehandlungssystems (AGN) sicherzustellen, wird der ORC dem AGN nachgeschaltet. Daher sind die Wärmeverluste über Turbolader und AGN ebenfalls entscheidende, durch das Modell abzubildende Effekte.
Zur Beurteilung des Kraftstoffeinsparpotenzials mit einem ORC-System (Kolbenexpander, Ethanol) wurden Simulationen für ein 40 t Nutzfahrzeug mit einem 11 l, 345 kW Dieselmotor durchgeführt. Dabei wurde der zukünftige CO2-Zertifizierungszyklus zu Grunde gelegt. Für die Bestimmung der Systemleistung wird die Nettoleistung – die um die ORC-Pumpenleistung reduzierte Expanderleistung – verwendet. Die maximale abgegebene Nutzleistung beträgt 14 kW und die durchschnittliche Leistung 4,46 kW. Der ORC wirkt sich vor allem bei hohen Lastpunkten während der zweiten Hälfte des Zyklus auf den Kraftstoffverbrauch aus. Dies führt zu einer simulierten Verbrauchsreduzierung von 3,8 Prozent.

Geringer Verbrauch bei städtischer Kurzstrecke

Wie von PKW Antrieben bekannt, besteht der Vorteil einer Hybridisierung beziehungsweise Elektrifizierung des Antriebsstranges in der möglichen Rekuperation mechanischer Arbeit und der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Ladung elektrischer Energiespeicher. Je nach Topologie des Antriebsstranges und Applikation sind hierbei entsprechende Potenziale durch eine Optimierung der Auslegung der Energiespeicher und Antriebsquellen gegeben.

In Abb. 3 ist beispielhaft das Ergebnis einer solchen Studie für einen 40-Tonnen-Sattelzug dargestellt. Als Hybrid-Konzepte wurde zunächst ein „Mild Hybrid“ betrachtet. Dieses ermöglicht einen erweiterten Start-Stopp-Betrieb mit Unterstützung des Verbrennungsmotors in transienten Vorgängen. Des Weiteren wurden Full-Hybrid-Konzepte untersucht, die die maximale Rekuperation von Bremsenergie und darüber hinaus das rein elektrische Fahren ermöglichen (elektrische Maschine mit etwa 200 kW Leistung). Je nach gewünschter Reichweite ist die Speichergröße der elektrischen Batterie auszulegen, der „Full Hybrid II“ ermöglicht beispielsweise eine Reichweite von 20 km rein elektrisch.

Abb. 3: Darstellung von Hybridisierungsniveaus im Hinblick auf Effizienz, Kosten und Ladekapazität


Wie Abb. 3 zeigt, ist im Langstreckenbetrieb ein moderater Verbrauchsvorteil in der Größenordnung 1-3 Prozent mit Mild- bzw. Full Hybrid I zu erzielen, während im urbanen Kurzstreckenbetrieb bis zu 18 Prozent Verbrauchsvorteil möglich sind. Hierbei wurden jedoch beim „Full Hybrid I“ bereits Emissionsnachteile aufgrund der Auskühlung des Abgassystems prognostiziert. Die Kosten- beziehungsweise Transportleistungsnachteile, die durch das elektrische Hochvolt-System, die Batterie sowie deren Package- und Gewichtsbedarfe verursacht werden, sprechen heute noch gegen einen wirtschaftlichen Einsatz von Konzepten mit großen elektrischen Speichern. Dieses kann sich in Zukunft mit sinkenden System- und Komponentenpreisen ändern.
Bei Untersuchungen zu seriellen Hybridkonzepten wurden je nach Lastprofil/Fahrstrecke und Primärenergie-Quelle Energie-Einsparpotenziale von der Quelle bis zum Rad („Well-to-Wheel“) in der Größenordnung bis zu 20 Prozent gegenüber dem Basismotor berechnet (100 km/Tag, Strommix).

Wirtschaftliche Verbrennungsmotoren

Basierend auf weltweiten Wissenschafts- und Unternehmensstudien wird eindeutig prognostiziert, dass Verbrennungsmotoren auch zukünftig einen grundlegenden Beitrag für eine nachhaltige, wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklung liefern. Wie dieser Artikel zeigen konnte, gibt es für verbrennungsmotorische Antriebe noch einige Optimierungsmöglichkeiten.
Maßnahmen zur Reduzierung der Motorreibung und parasitärer Verluste wurden diskutiert und werden heute bereits von vielen Herstellern in modernen Antriebsträngen berücksichtigt. Mit der Abwärmenutzung und elektrischen Hybridisierung wurden zwei Maßnahmen diskutiert, die ein weitreichendes Potenzial zeigen. In Abb. 4 sind zusammenfassend für wesentliche Technologiefelder deren Marktreife und Potenzial zur Verbrauchsminderung gegenüber gestellt.

Abb. 4: Technologische Reife zur Erhöhung der Kraftstoffeffizienz von MD- und HD-Antriebssträngen
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