Verbrennungsmotor im Hybridantrieb

Wirkungsgrad 60 % besser als Literaturwerte

18. Januar 2021, 13:17 Uhr   |  Hagen Lang

Wirkungsgrad 60 % besser als Literaturwerte
© Peter Winandy vka / RWTH Aachen

Die Effizienz von Hybridantrieben bietet noch Luft nach oben. Vier Hochschulinstitute haben Hybridantriebe für den Straßenverkehr optimiert und dabei die Ausbeute der im Kraftstoff gebundenen Energie auf über 40 % gesteigert, gegenüber den Literaturwerten von 25 % eine Steigerung um 60 %.

In dem zweieinhalb Jahre dauernden Projekt „ICE2025+“ der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) untersuchten Wissenschaftler in Aachen, Braunschweig, Darmstadt, wie weit der Wirkungsgrad von hybriden Antriebssträngen mit Ottomotoren gesteigert werden kann. Vor allem im Stadtverkehr wurde der Verbrennungsmotor von einem elektrischen Antrieb ergänzt. „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“, so 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.“

Methanolbetrieb
© vka / RWTH Aachen

Im Methanolbetrieb erreicht der neue Effizienzmotor nahezu im gesamten Kennfeld einen Wirkungsgrad von mindestens 40%.

Untersucht wurden Kombinationen aus variabler Verdichtung und flexiblen Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Steuerung der Ladungsbewegung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung und auch die Auslegung des Motors als Langhuber. Die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch wurden zunächst durch Berechnungen, dann durch verschiedene Motorentests validiert. Danach wurden weitere Potenziale rechnerisch extrapoliert. Die Forscher nutzten die Versuchs- und Rechenergebnisse anschließend, um den Kraftstoffverbrauch in verschiedenen Hybridfahrzeugen zu ermitteln – sowohl für die offiziellen Verbrauchsangaben relevanten Prüfzyklus, als 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 WLTP-Prüfzyklus ermittelten Werte“, („Worldwide Harmonized Light-duty Vehicles Test Procedure“) sagt Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen.

In einem hybridisierten Mittelklassefahrzeug werden mit dem im Rahmen des Forschungsprojekts entwickelten Effizienzmotor bereits 42 Prozent der im Kraftstoff gebundenen Energie genutzt. Weitere Untersuchungen zeigten, dass der Gesamtwirkungsgrad durch den Einsatz neuer Kraftstoffe – etwa regenerativ hergestellten Methanols – auf 46 Prozent gesteigert werden kann. Zum Abschluss des Projekts haben die Forscher die Potenziale eines mageren Motorbetriebs – also mit hohem Luftüberschuss – untersucht. Dabei zeigte sich, dass in weiten Kennfeldbereichen der Motorwirkungsgrad 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 vom FVV avisierten Nachfolgeprojekt “ICE2030“ soll der Einsatz von Wasserstoff sowie Technologien wie extrem magere Verbrennung zur weiteren Wirkungsgradsteigerung untersucht werden.

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