Hochtechnologie- oder Low-Cost-Aggregate?

Aktuelle Marktstudien der FEV zeigen in Europa, den USA und China eine klare Verschiebung zu Gunsten ökologisch nachhaltiger Antriebe. Hierbei spielt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs die Hauptrolle. So werden zwar in Europa auch in 2030 noch rund 75 bis 85 Prozent aller verkauften Fahrzeuge einen Verbrennungsmotor besitzen, doch ein hoher Anteil dieser Verbrennungsmotoren wird in hybridisierten Antriebssträngen betrieben werden. Wie also sind Ottomotoren zu gestalten, um in den unterschiedlichen Hybridtopologien niedrige CO₂-Emissionen bei optimalen Kosten zu erzielen? Dieser Frage hat sich FEV in einer breit angelegten Studie auf Basis eines D-Segment-Fahrzeugs gewidmet. Als Referenz dient dabei ein konventioneller Antriebsstrang mit einem 2,0 Liter Ottomotor

(135 kW, TC DI mit einlassseitigem 2-stufigem-variablem Ventiltrieb und Millerverfahren), einem 7-Gang-Doppelkupplungsgetriebe und einem 12 Volt-Bordstromnetz.

Architektur hybridisierter Antriebsstränge

Hybridantriebsstränge sind per Definition Kombinationen verschiedener Antriebe in einem Antriebsstrang. Entsprechend gibt es eine hohe Varianz möglicher Konstellationen. Im Rahmen der umfassenden Studie konzentrierten die FEV-Experten sich auf diejenigen Hybrid-Kombinationen, welche die voraussichtlich höchsten Marktchancen bieten. Hierbei handelt es sich um:

• Mild-Hybrid mit 48 Volt-Riemenstartergenerator (RSG)
• Mild-Hybrid mit integriertem 48 Volt-Startergenerator (ISG)
• Leistungsverzweigter Voll-Hybrid (HEV)
• Plug-In-Hybrid (PHEV)

Kosten-Nutzen-Vergleich

Eine umfangreiche Technologiematrix bildet die Basis der Untersuchung. Sie beinhaltet sowohl aufgeladene als auch Saug-Motorenkonzepte mit einem Hubraum zwischen einem und drei Litern. Zusätzlich werden Technologien berücksichtigt, die bereits in Serie sind oder einen hohen Reifegrad vorweisen, sodass eine Serieneinführung innerhalb der nächsten drei Jahre realistisch ist. Alle Motoren erfüllen aktuelle und zukünftige Abgasemissionsgesetzgebungen wie EU6d und CN6b. Sie werden im ganzen Kennfeld stöchiometrisch (λ = 1) betrieben und sind mit Partikelfiltern ausgestattet.
Um den optimalen Verbrennungsmotor für Hybrid-Antriebe zu bestimmen, wurden die vorgestellten Technologien mit Blick auf ihre Kosten und CO₂-Emission bewertet. Hierbei wurden Mittelwerte aus WLTP-L und -H für den CO₂-Ausstoß gebildet und realistische Produktionsvolumina von 200.000 Antrieben ab dem Jahr 2025 zugrunde gelegt. Zudem wurde das Emissionsverhalten mit Blick auf RDE untersucht und bewertet.
Das Ergebnis: In allen untersuchten Hybridisierungsarchitekturen zeigen vereinfachte 4-Zylinder-Saugmotoren und technologisch etwas stärker ausgestattete 3-Zylinder-Turbomotoren eine gute Relation von Kosten und CO₂-Emissionsreduktion. Verhältnismäßig einfach gehaltene „On/Off“-Technologiepakete eignen sich zur Skalierung der Leistungsanforderungen des Verbrennungsmotors für die unterschiedlichen Hybridantriebe. Hingegen erweist sich der Wechsel auf einen 3,0 Liter-6-Zylinder-Saugmotor, der bei konstanter Leistung entsprechend technologisch angepasst wurde, weder aus Kosten- noch aus CO₂-Emissionssicht als vorteilhaft.

Motorvarianten für den Mild-Hybrid mit 48 Volt-Riemenstartergenerator

Die Elektrifizierung des Referenzantriebsstrangs mittels 48 Volt-RSG, ohne Änderung des Verbrennungsmotors, kostet 740 € und reduziert die CO₂-Emissionen um 8,6 g/km. Dies entspricht Kosten von 86 € pro eingespartem Gramm CO₂. Ausgehend von diesem Antrieb lassen sich mehrere hybridoptimale Versionen identifizieren: 4-Zylinder-Saugmotoren und 3-Zylinder-Turbomotoren eignen sich besonders gut für den Einsatz in einem Mild-Hybrid mit 48 Volt-RSG. Die Saugmotoren benötigen 2,5 Liter Hubraum, variable Steuerzeiten auf Ein- und Auslassseite (dual-VVT), direkte Kraftstoffeinspritzung (DI) und ein Schaltsaugrohr, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Die Umstellung auf einen Saugmotor reduziert die Kosten des RSG-Antriebsstrangs auf 490 €, während die CO₂-Emissionen um 10,4 g/km (47 €/g-CO₂) sinken. Durch eine zusätzliche Zylinderdeaktivierung (CDA) steigen zwar die Kosten auf 560 €, die CO₂-Emissionen sinken jedoch überproportional – um 12,1 g/km (46 €/g-CO₂).
Kommt ein 3-Zylinder-Motor ohne Einlassventilhubsvariabilität zum Einsatz, muss auch der Millerzyklus entfallen, um die Leistungsanforderungen weiterhin zu erfüllen. Gegenüber dem Referenzantriebsstrang sinken die CO₂-Emissionen um nur 8,9 g/km, was bei Mehrkosten von nur noch 460 € einen Wert von 52 €/g-CO₂ ergibt. Wird im 3-Zylinder-Motor an der Einlassventilhubsvariabilität und dem Millerzyklus festgehalten, so kann die geforderte Leistung auch über eine hochtemperaturfeste Turbine mit variabler Geometrie erzielt werden (950 °C VTG). Die CO₂-Emissionen reduzieren sich somit um 13,1 g/km bei Kosten von 46 €/g-CO₂. Das Technologiepaket aus Einlassventilvariabilität, Millerzyklus und zweistufigem Aufladesystem lässt sich bei vorteilhaftem Kosten- und CO₂-Emissionsniveau auch durch ein zweistufiges VCR-System ersetzen (44 €/g-CO₂).
Wassereinspritzung kann ebenfalls als Ersatztechnologie fungieren und ermöglicht durch seine stark klopfunterdrückende und zugleich leistungssteigernde Wirkung weiteres Downsizing auf 1,3 Liter. Die hierbei als direkte Wassereinspritzung ausgeführte Variante hat noch nicht die gleiche Serienreife wie VCR, wird aber im Betrachtungshorizont 2025 gute Kosten/CO₂-Verhältnisse auch in hybridisierten Antriebssträngen ermöglichen (etwa 33 €/g-CO₂).

Motorvarianten für den Mild-Hybrid mit 48 Volt-ISG

Die Ausweitung der Hybridfunktionalitäten durch Verlagerung des Elektromotors aus einer P0- in eine P2-Anordnung steigert die Kosten für die Antriebsstrangelektrifizierung auf 990 € und senkt die CO₂-Emissionen in Relation zum Referenzantriebsstrang um 19,4 g/km (51 €/g-CO₂). Die Analyse zeigt eine weitgehende Übertragbarkeit der Technologiepaketbewertung von einem RSG Mild-Hybrid auf einen ISG Mild-Hybrid-Antriebsstrang. 4-Zylinder-Saugmotoren und 3-Zylinder-Turbomotoren eignen sich für einen Kosten/CO₂-optimalen Einsatz bei Antrieben mit ISG.

Motorvarianten für den Plug-In-Hybrid

Im Plug-In-Hybrid-Antriebskonzept ist der Einfluss des Verbrennungsmotos auf die erzielbare CO₂-Emissionensreduktion geringer. Die Gestaltung ist primär durch die Performanceanforderungen sowie möglichst geringe Kosten geprägt. Diese Anforderung erfüllen kleine, vereinfachte Turbomotoren mit klopfreduzierenden Technologien wie Millersteuerzeiten oder VCR sowie größere Saugmotoren wie ein 2,5 Liter 4-Zylinder mit PFI, Atkinsonzyklus und gekühlter Abgasrückführung (cEGR).

Bewertung unter realen Fahrbedingungen

Mit zunehmendem Elektrifizierungsgrad sinkt der Anteil des Verbrennungsmotors an der CO₂-Emissionsreduktion im WLTP-Zyklus. Gleichzeitig ermöglicht der steigende Einfluss des E-Motors eine Vereinfachung der Verbrennungsmotor-Technologien, was Kostenvorteile mit sich bringt.

Anders sieht die Betrachtung jedoch im realen Fahrbetrieb (RDE) aus: Bei den Antriebskonzepten mit hohem Elektrifizierungsgrad nimmt der Einfluss des Verbrennungsmotors im Vergleich zum WLTP-Zyklus wieder deutlich zu. Dies ist zurückführbar auf höhere Lasten und einen geringeren Anteil elektrischen Fahrens. Technologisch besser ausgestattete Turbomotoren sind unter diesen Vergleichsbedingungen im Verhältnis von Kosten und CO₂-Emissionen günstiger. So zeigt sich vor dem Hintergrund realer Fahrbedingungen der Einsatz von Variabilitäten von Einlassventilhub (VVL) oder Verdichtungsverhältnis (VCR) als vorteilhaft. Im Charge-Sustaining-Mode gewinnen Hightech-Turbomotoren mit klopfunterdrückenden Technologien dann sehr deutlich, da sie ein Fahrzeug mit zusätzlichem Batteriegewicht ohne rein elektrisches Fahren bewegen müssen.

Fahrzeugintegrationskonzepte

Bei der Integration des Verbrennungsmotors in Hybridantriebsstränge kommen Package und NVH besondere Bedeutung zu. Um schon frühe Konzepte unter dem Blickwinkel des Package bewerten zu können, hat FEV ein parametrisches Verfahren entwickelt. Dieses fasst komplexe, dreidimensionale Bauraumstudien in einer Kennzahl zusammen und kann so einerseits anderen Zielgrößen gegenübergestellt und andererseits zum Benchmarking genutzt werden. Betrachtet wurde wieder das D-Segment-Fahrzeug mit quer eingebautem Verbrennungsmotor für die 48 Volt-Mild-Hybrid-Varianten mit RSG beziehungsweise ISG sowie für den P2-Plug-In-Hybrid-Antriebsstrang. Bei der Bewertung der Ergebnisse zeigte sich, dass der Referenzmotor (4-Zylinder 2,0 Liter TC DI) keinen nennenswerten Bauraumnachteil in der untersuchten P0-Mild-Hybrid-Konfiguration zeigt. Dies ist primär im Wegfall der Lichtmaschine begründet, die den zusätzlichen Riemen und RSG kompensiert. Erwartungsgemäß ist die ISG-Variante im Quereinbau aufgrund der Längenausdehnung durch den ISG und die zusätzliche Kupplung im Vergleich der Mild-Hybride aus Package-Sicht ungünstiger. Beim Plug-In-Hybrid wird nun ein kritischer Package-Parameter-Wert unterschritten.

Die 4-Zylinder-Saugmotorvarianten erreichen bereits in den 48 Volt-Mild-Hybrid-Varianten einen kritischen Parameter-Wert und überschreiten diesen im Plug-In-Hybrid sogar deutlich. Die Zunahme der Motorlänge ist im Quereinbau als besonders kritisch anzusehen. Auch die Zunahme der Bauhöhe, speziell im Quereinfluss auf passiven Fußgängerschutz und Geräuschkapselungsmaßnahmen, reduziert den Package-Parameter. Die Wahl eines 3-Zylinder-Motors verbessert die Package-Situation des Mild-Hybrid-Antriebsstrangs und entspannt Bauraumkonflikte im Plug-In-Hybrid-Antriebsstrang weitgehend, da der kürzere Motor den zusätzlichen E-Motor und die zweite Kupplung fast vollständig kompensiert. Bei Steigerung des Downsizinggrads (Hubraumreduktion auf 1,3 Liter) bleibt in der Plug-In-Hybrid-Variante ein leichter Vorteil sogar erhalten. Bei größerem Hubraum (1,5 Liter) verhält sich der Dreizylinder gegenüber dem Referenzantriebsstrang nahezu neutral.

Noise Vibration Harshness

Die Studien der FEV zeigen, dass die NVH-Anforderungen an den Verbrennungsmotor im hybridisierten Antriebsstrang beherrschbar sind, wenn geeignete Maßnahmen bei der Konzeptauslegung des Hybrid-Antriebs berücksichtigt werden. Beispiele hierfür sind die Anhebung der Starterdrehzahl, die Integration von Ausgleichswellen oder Ausgleichgewichten mit hohem Ausgleichgrad, die Anpassung der Motorlagerung und der Einsatz von Zweimassenschwungrädern. Mit solchen Maßnahmen können 3-Zylindermotoren ohne wesentliche NVH-Nachteile 4-Zylindermotoren in Hybridantrieben ersetzen.

 Emissionierung unter realen Fahrbedingungen

Der maßgebliche Einfluss der Elektrifizierung des Antriebsstrangs auf die Emissionen von Ottomotoren unter Realfahrbedingungen ist in der zwischenzeitlichen Entkopplung des Verbrennungsmotors vom Fahrzeugvortrieb begründet. Die hier beobachteten Zusammenhänge sind bei zunehmendem Elektrifizierungsgrad stärker ausgeprägt. Daher ist es sinnvoll, die Emissionen der Antriebsstränge mit der höchsten Elektrifizierungsspreizung zu untersuchen. Der stark elektrifizierte Plug-In-Hybrid-Antriebsstrang wurde daher mit zwei „hybridoptimalen“ Verbrennungsmotoren untersucht. Beide Antriebe sind im Hinblick auf EU6d-Grenzwerte und RDE mit einem Partikelfilter ausgestattet, kommen ohne Gemischanreicherung zum Bauteilschutz aus (λ = 1 im gesamten Kennfeld) und verfügen über ein Einspritzsystem (Turbomotor: 350 bar DI und Saugmotor PFI), das Partikelemissionen reduziert.
Das Ergebnis: Das rein elektrische, emissionsfreie Fahren führt bei allen Plug-In-Hybrid-Varianten mit voller Batterie (Charge-Depletion-Mode) zu einer deutlichen Reduktion des wegstreckenspezifischen Partikelausstoßes. Mit leerer Batterie steigen die Partikel gegenüber dem Referenzantriebsstrang an, da der Motor das schwerere Plug-In-Hybrid-Fahrzeug bewegen muss.

Partikelemissionen der elektrifizierten Antriebe

Die Partikelemission des elektrifizierten Antriebsstrangs (PHEV) verschiebt sich gegenüber dem rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug in Abhängigkeit des Batterieladezustands. Grundsätzlich sinken die Emissionen durch emissionsfreies elektrisches Fahren. Bei Nutzung des Plug-In-Hybrids mit entladener Batterie (Charge Sustaining) kommt es gegenüber dem Referenzantriebsstrang zu einer Partikelemissionssteigerung von 18 Prozent. Hierbei wirkt vor allem der Wegfall des rein elektrischen und somit emissionsfreien Fahrens. Zusätzlich treibt ein verkleinerter Verbrennungsmotor (1,5 Liter) ein schwereres Fahrzeug an. Das höhere Motorlastkollektiv steigert die Partikelrohemissionen und den Schlupf des Partikelfilters.

NOx-Emissionen im Vergleich

Die Emissionen aller Antriebsstränge liegen auch für NOx im sicherem Abstand vom EU6d-Grenzwert und zeigen im Vergleich der Antriebe gesamtheitlich ein analoges Verhalten zur Partikelemission. So senkt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs auch die NOx-Emissionen, wenn durch volle Batterie und Charge-Depletion rein elektrisches Fahren möglich ist. Analog steigen bei leerer Batterie auch die NOx-Emissionen.

Abgasnachbehandlung

Eine starke Vereinfachung der Abgasnachbehandlungstechnik ist nicht zu empfehlen. Beispielsweise kann ein elektrisch beheizter Katalysator („e-Kat“) sogar eine Lösung des Zielkonflikts zwischen maximalem elektrischem Fahrerlebnis bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor und regelmäßigen Motorstarts zur Abgasnachbehandlung darstellen. Analog steigen bei leerer Batterie auch die NOx-Emissionen.