Wirkungsgradsteigerung
Moderne Prüfstände verbessern die Motoreneffizienz
Verbrennungsmotoren sind Energieverschwender. Mit verbesserten Prüfständen können Entwickler deren Entwicklungsprozess optimieren. Im Labor wurden bereits bis zu 10 Prozent höhere Wirkungsgrade gegenüber Serienmodellen erreicht.
Über 60 Prozent der verbrauchten Energie geben moderne Verbrennungsmotoren als Verlust-Abwärme über Kühlwasser und Abgase ab. »Unter unseren Motorhauben wird Benzin, Diesel oder Strom verschwendet und über die Abgasanlage unnötig CO2 in die Luft gepumpt«, sagt Dr. Hans-Peter Kollmeier vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Karlsruhe. In seine Projektgruppe »Neue Antriebssysteme« entwickeler effizente Antriebskonzepte für Verbrennungsmotoren. Der Wirkungsgrad von PKW-Motoren konnte bisher um fünf Prozent, der von LKW-Motoren sogar um 10 Prozent gesteigert werden.
»Wir können am Standort Karlsruhe den gesamten Prozess der Antriebsentwicklung abbilden: von der Konstruktion, über die Simulation bis zum Versuch«, so Kollmeier. Zur Erhöhung der Kraftstoffersparnins wollen die Forscher die Komponenten des Antriebsstranges optimieren. »Mit den neuen Prüfmöglichkeiten sind wir diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen. Wir haben dadurch die Möglichkeit, den Antriebsstrang ganzheitlich zu testen und unsere Simulationen zu validieren«, so Kollmeier.
Seit dem Sommer steht den Wissenschaftlern eine neue Prüfanlage mit Motoren- und Heißgasprüfstand zur Verfügung. Dort werden Motoren und deren Komponenten mechanisch und thermodynamisch analysiert. Ein Computer steuert die Anlagen und simuliert realistische Anwendungsszenarien. Zum Beispiel kann der Rechner virtuell hybride Antriebe (z.B. Elektromotoren) oder Systeme, die Restwärme nutzen, dazuschalten. Die Wissenschaftler analysieren, wie sich der Fahrzeugantrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen verhält. Hierzu simuliert Kollmeiers Team Fahrzeugtyp, Fahrstrecke oder Fahrweise entsprechend. Sind genug Daten gesammelt, bauen die Forscher Prototypen und ersetzen dann peu à peu die Simulationsmodelle durch reale Bauteile in der Prüfeinrichtung. Schritt für Schritt nähern sie sich so dem optimalen Antriebsstrang. Immer wichtiger werden dabei besonders leichte Werkstoffe.
Perspektiven zur Effizienzsteigerung bieten derzeit vor allem das »Downsizing«, also die Hubraumverkleinerung bei Erhalt der Leistungsfähigkeit durch einen Turbolader. Geringere Reibleistung und optimierte thermodynamische Prozesse reduzieren den Kraftstoffverbrauch. »Der Turbolader ist der klassische Ansatz, den Wirkungsgrad von Motoren zu verbessern. Man nutzt einen Teil der Energie, der über die Abgase verpufft. Aber ihm sind Grenzen gesetzt. Dampfkreisprozesse können hier beispielsweise weiterhelfen«, sagt Kollmeiers Kollege Dr. Sascha Merkel. Dazu werden Wasser oder Ethanol durch Restwärme erhitzt, verdampft und treiben dadurch wiederum eine Turbine an, die mechanische Energie auf die Kurbelwelle überträgt oder über einen elektrischen Generator in Strom umwandelt. Der Heißgasprüfstand des Forschungszentrums untersucht die Optimierungspotentiale dieser Technologie.
Kollmeier weiter: »Selbstverständlich ist speziell der Kontakt zur Fahrzeugindustrie sehr groß. Die Entwicklung der Antriebskonzepte läuft in enger Abstimmung mit den Motorenherstellern. Die direkte Anwendung der Forschungsergebnisse in der Praxis steht im Vordergrund«.
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