UNTER STROM

Mildhybridisierung und elektrische Aufladung verbessern Dieselemissionen und Kraftstoffverbrauch bei hervorragendem Ansprechverhalten

30. September 2015 | Engineering Service

Dieselmotoren sehen sich mit der Herausforderung konfrontiert, weitere Verbesserungen bei der Kraftstoffeinsparung zu erzielen und gleichzeitig die NOX-Emissionen zu reduzieren. Um entsprechende Lösungen zu entwickeln,führen FEV und Valeo seit mehreren Jahren gemeinsame Untersuchungen durch, bei denen das Potenzial einer Mildhybridisierung mit elektrischer Aufladung für einen Downsizing-Pkw-Dieselmotor ermittelt wird.

Die Fahrzeugelektrifizierung ist ein wesentliches Element, um die zukünftigen Emissions- und CO2-Grenzwerte einzuhalten. Neben konventionellen 12 V- und Vollhybrid-Systemen bieten 48 V-Architekturen Potenzial zur Kraftstoffeinsparung und erweiterten Schadstoffreduktion ohne eine vollständige Neuentwicklung des gesamten Antriebsstranges. Eine besonders interessante Technologie innerhalb eines 48 V-Bordnetzes ist ein elektrischer Verdichter (E-Charger).

Strategien zur Nutzung eines elektrischen Verdichters

Der  48  V-E-Charger  kann  in  einem breiten Spektrum genutzt werden. Er kann allein zur Unterstützung bei transienten Beschleunigungsvorgängen  aktiviert werden, um das Turboloch auszugleichen und somit die Ruß- und NOX-Emissionen des Motors beinahe auf dem Stationärniveau zu halten. Eine weitere Option ist das transiente Overboosten zur Unterstützung der Abgasrückführung (AGR). Mit dieser Strategie können die NOX-Emissionen auch bei starken Beschleunigungen beträchtlich reduziert werden.

Weitere Vorteile

Neben den beschriebenen Vorteilen bei den Motorrohemissionen gibt es einige zusätzliche Vorteile bei der CO2-Reduzierung. „Ein auf den ersten Blick kleiner, jedoch im realen Fahrbetrieb nicht zu vernachlässigender Vorteil besteht in der direkten Wirkung auf die Ladungswechselarbeit des Motors unter transienten Bedingungen“, erklärt Jürgen Ogrzewalla, Director  für Hybridentwicklung bei der FEV. Zudem ermöglicht der elektrische Verdichter einen zusätzlichen Freiheitsgrad bei der Auslegung des Basis-Turboladers, der hin zu höherer Effizienz optimiert werden kann. Die resultierenden Nachteile in Form von Trägheit und daher transientem Ansprechverhalten werden dabei ausgeglichen. Außerdem kann der Basis-Turbolader mit Blick auf eine erhöhte Nennleistung ausgelegt werden, da der Ladedruck im unteren Drehzahlbereich vom E-Charger bereitgestellt werden kann. Dies ist insbesondere für Downsizing-Motorkonzepte wichtig. Weiterhin zeigt sich auch ein gutes Transientverhalten bei sehr niedrigen Drehzahlen, da die Ansprechzeit des 48 V-Verdichters bis zur Nenndrehzahl nur etwa 250 ms beträgt. Downspeeding kann daher viel aggressiver als für einstufige oder sogar zweistufige Standard-Aufladekonzepte erfolgen.

Ergebnisse der Simulation des Systems

Zur Quantifizierung der Vorteile bezüglich CO2-/NOX-/Rußemissionen wurden  ausgewählte Lastsprünge auf dem Motorenprüfstand durchgeführt. Die Prüfstandergebnisse wurden zur Kalibrierung  eines Motormodells mit elektrischem Verdichter   und   riemengetriebenen 48 V-Starter-Generators (BSG) verwendet, die beide von Valeo bereitgestellt wurden. Anhand dieses Motormodells wurde ein Downsizing-Szenario untersucht, bei dem ein 2,0 Liter-Dieselmotor durch einen kleineren 1,6 Liter-Motor ersetzt wurde, der auf dem bekannten FEV-HECS (High Efficiency Combustion System) beruht. Der elektrische Verdichter wurde aktiviert, sobald der Basis-Turbolader nicht in der Lage war, den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Die elektrische Energie, die für den Betrieb des elektrischen Verdichters erforderlich war, wurde während der Schub- und Bremsphasen erzeugt. Falls die rückgewonnene Energie den Energiebedarf überstieg, wurde die zusätzliche Energie dazu genutzt, um über den BSG zu boosten. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass der Einsatz eines elektrischen Verdichters in Kombination mit dem 48 V-BSG nicht nur Fahrdynamik, Leistung und Komfort erhöht, sondern außerdem den Kraftstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen reduziert (11 Prozent im WLTP).

grafik

Luftpfad-Layout mit elektrischem Verdichter


Simulationsergebnisse für ein Fahrzeug des D-Segments: CO2-Emissionen und Beschleunigungszeiten

Simulationsergebnisse für ein Fahrzeug des D-Segments: CO2-Emissionen und Beschleunigungszeiten

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