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Optimierter Verbrennungsmotor für Hybridantriebe

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Projektziele

Lösungsansatz

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

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Motivation

Effizienzsteigernde Maßnahmen sind bei mobilen Arbeitsmaschinen aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen sinnvoll. Sie führen zu niedrigeren Betriebskosten und geringeren CO2-Emissionen. Ein herkömmlicher Verbrennungsmotor wird in einem großen Drehzahl- und Lastbereich betrieben, wobei sich der Bestverbrauch nur in einem kleinen Kennfeldbereich erzielen lässt. Mithilfe einer Absenkung der Nenndrehzahl, auch Downspeeding genannt, ist es möglich, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ein hohes Potenzial zur Verbrauchsreduktion verspricht das Punktmotor-Konzept, bei dem sich der Motorbetrieb durch extremes Downspeeding auf den kleinen Bereich des Bestverbrauchs beschränkt. Die Begrenzung des Betriebsbereichs bietet zudem die Möglichkeit, das Motordesign kompakter zu gestalten und damit Kosten zu senken. Die Dynamiknachteile des Verbrennungsmotors bei niedrigen Drehzahlen können durch die Unterstützung einer Hybridkomponente überkompensiert werden.


Projektziele

Die wesentlichen Ziele im Themenschwerpunkt »Punktmotor« bestehen darin, CO2-Emissionen bzw. den Kraftstoffverbrauch deutlich zu reduzieren und gleichzeitig die Schadstoffgrenzwerte für Verbrennungsmotoren von mobilen Arbeitsmaschinen sicher einzuhalten. Dabei soll das gesamte Verbesserungspotenzial eines solchen Antriebskonzepts experimentell und durch Simulation untersucht, charakterisiert und hinsichtlich der Schadstoff- und CO2-Minderung sowie der Wirtschaftlichkeit bewertet werden. Als Ergebnis ergibt sich ein ökologisch und ökonomisch sinnvolles Antriebskonzept für zukünftige mobile Arbeitsmaschinen.


Lösungsansatz

Die konzeptionelle Grundidee beim Punktmotor ist, die Dynamik so weit wie möglich dem Hybridsystem zu überlassen und den Verbrennungsmotor in einem begrenzten verbrauchsoptimalen Kennfeldbereich vorwiegend stationär zu betreiben. Folgenden Anforderungen musste der Punktmotor gerecht werden:

  • Einsatz als Antrieb für den »Grünen Radlader«
  • Bereitstellung von 100 % der Maschinenleistung auch ohne Hybridkomponente
  • Einhaltung der Abgasgrenzwerte

Um die Projektziele zu erreichen, hat der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen zusammen mit der DEUTZ AG den Versuchsträger unter Berücksichtigung der Anforderungen des »Grünen Radlader« spezifiziert. Dazu kamen auch Simulationsrechnungen zum Einsatz. Der Dieselmotor wurde auf einem Motorprüfstand aufgebaut und zusammen mit der Abgasnachbehandlung experimentell untersucht.

Bei den Untersuchungen kam der turboaufgeladene Dieselmotor TCD 7.8 L6 von DEUTZ zum Einsatz. Dieser Motor erfüllt mit Tier-4-Final die aktuell strengste Abgasemissionsgesetzgebung für Industriemotoren. Dafür verfügt er über eine gekühlte Abgasrückführung (AGR) mit einem 2.000-bar-Common-Rail-Einspritzsystem und einem Abgasnachbehandlungssystem (AGN), bestehend aus einem Dieseloxidationskatalysator (DOC), einem Dieselpartikelfilter (DPF) und einer Selective Catalytic Reduction (SCR). In der Basisversion erreicht der Motor eine maximale Leistung von 250 kW bei 2.200 1/ min und ein maximales Drehmoment von 1.400 Nm bei 1.450 1/min.

Im Anschluss daran erfolgte die Vorbereitung auf den Betrieb im Demonstrator »Grüner Radlader«. Validierende Emissionstests und weiterführende Simulationsuntersuchungen zur Optimierung des Punktmotor-Konzepts rundeten das Forschungsprogramm ab.


Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Effizienter Turbolader im Einsatz

Die reduzierte Drehzahlspreizung machte den Einsatz eines effizienteren Turboladers möglich. In der Konzeptphase konnte mittels einer 1-D-Ladungswechselsimulation ein effizienterer Turbolader ausgewählt werden, der zudem ein höheres Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen ermöglicht.

Anschließend wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um das Potenzial einer für die niedrigen Motordrehzahlen optimierten Ventilsteuerung zu analysieren. Eine Variation der Steuerzeiten der Basisnockenwelle ergab nur ein geringes Kraftstoffeinsparpotenzial von ungefähr 0,2 %.

Die reduzierte Leistung und Drehzahl ermöglichen weiterhin den Einsatz von Einspritzdüsen mit kleinerem hydraulischem Durchfluss. Diese führten in den Untersuchungen tendenziell zu einer verminderten Partikelemission infolge einer Verbesserung der Kraftstoffaufbereitung. Ein geringerer Kraftstoffverbrauch konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Die Messungen zeigen aber, dass für den Kennfeldbereich des Punktmotors ein maximaler Einspritzdruck von nur 1.600 bar erforderlich ist. Die Ergebnisse der Parametervariation zur Einspritzdüsenkonfiguration (Lochzahl und Kegelwinkel) mittels 3-D-CFD-Simulation zeigen eine einprozentige Verbrauchsreduktion im Punktmotor-Bestpunkt (75 Last bei 1.400 1/min). Ein Wechsel der Einspritzdüse ist jedoch nur dann ökonomisch sinnvoll, wenn als Einspritzsystem ein 1.600-bar-Common-Rail-System zum Einsatz kommt.

Downspeeding führt zu 8 % weniger Kraftstoffverbrauch

Für den Einsatz des Motors im »Grünen Radlader « wurde für die Zielapplikation eine Leistungsanpassung auf 205 kW bei 2.200 1/min vorgenommen. Diese leistungsreduzierte Version des Basismotors wurde vermessen und dient als Referenz für ein typisches Downspeeding-Konzept. Für die Punktmotor-Version wurden die Nenndrehzahl auf 1.600 1/min abgesenkt (blauer Pfeil) und das maximale Drehmoment auf 1.500 Nm bei 1.200 1/min angehoben (Abb. 2).

Die größten Effekte beim Downspeeding resultieren aus einer Reibungsreduktion und einer effizienteren Verbrennung. Die Reibung in den einzelnen Motorbaugruppen nimmt prinzipiell mit der Drehzahl stetig ab. Die Wirkungsgradverbesserung bei der Verbrennung basiert darauf, dass mit sinkender Drehzahl mehr Zeit für die Gemischbildung und Verbrennung zur Verfügung steht. Durch Überlagerung dieser beiden Effekte ergeben sich die bekannten Verbrauchskennfelder mit den typischen Muschelkurven (Abb. 3).

Bei dem untersuchten Dieselmotor konnte allein durch das Downspeeding bei gleicher Leistung eine Verbrauchsverringerung von etwa 7 % in beiden Zertifizierungszyklen – also sowohl im stationären Non-Road Steady Cycle als auch im transienten Non-Road Transient Cycle (NRTC) – erreicht werden. Zudem gelang es, mithilfe des auf den niedrigeren Drehzahlbereich angepassten Turboladers den Kraftstoffverbrauch um ein weiteres Prozent zu reduzieren. Diese Verbrauchsverringerung basiert auf einer erhöhten Luftzufuhr bei gleichzeitig reduzierten Ladungswechselverlusten. Das höhere Verbrennungsluftverhältnis wirkt sich wiederum positiv auf die Verbrennung aus. Insgesamt konnte mit dem Punktmotor-Konzept eine deutliche Minderung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO2-Emission von etwa 8 % im NRTC dargestellt werden.

Betrachtet man eine einzelne Applikation aus dem NRTC wie z. B. den Radlader in Abb. 4, zeigt sich noch ein Verbesserungspotenzial von bis zu 3,5 %. Dies macht deutlich, dass die realisierbare Verbrauchsverbesserung auch von der betrachteten Maschine abhängt. Je niedriger die mittlere Auslastung ist, desto größer wird das Effizienzpotenzial durch Downspeeding (Abb. 3).

Die wesentliche Rolle bei der Reibungsreduktion spielt die Drehzahl; zusätzlich wurde das Potenzial zu einer weiteren Verbesserung der Reibung untersucht. Komponenten, die durch das höhere Drehmoment belastet sind, bieten keinen Spielraum für eine Verbesserung, wogegen die Begrenzung der Drehzahl beim Ventiltrieb (weichere Federn) oder bei der Öl- und Wasserpumpe zumindest geringes Verbesserungspotenzial erwarten lässt. Aus Kostensicht könnte eine einfache in der Größe angepasste Pumpe durchaus interessant sein, wenn bei dem Motor mit breitem Drehzahlband bereits eine geregelte Pumpe eingesetzt wird oder vorgesehen ist.

Durch die Lastpunktverschiebung führt das Downspeeding zu höheren Drehmomenten, damit zu erhöhten Abgastemperaturen und somit wiederum zu einer Wirkungsgradsteigerung der Abgasnachbehandlung (AGN). Dies erlaubt zum einen eine Erhöhung der Motorrohemissionen mit entsprechend verbessertem Kraftstoffverbrauch, unter Einhaltung der Grenzwerte, und zum anderen eine Verkleinerung der teuren Komponenten der AGN. Dies ist nur dann sinnvoll, wenn die Komponenten aus einem Baukastensystem verfügbar sind, wogegen die Optimierung auf einen niedrigeren Verbrauch allein durch eine Abstimmung der AGN- und der Motorkalibrierung möglich ist.

In der Regel verschlechtert sich das Ansprechverhalten des Motors durch ein niedrigeres Drehzahlniveau. Grund dafür ist ein langsamerer Ladedruckaufbau. Wie Abb. 5 zeigt, macht sich dies besonders beim Drehmomentaufbau aus niedriger Last bemerkbar. Bei mittlerer bis hoher Last sind diese Nachteile nur noch in geringem Maße festzustellen. Beim untersuchten Dieselmotor lagen die im niedrigen Drehzahlbereich realisierten Ansprechzeiten bei zwei Sekunden. Damit liegen sie zwar noch im unterkritischen Bereich, sind aber für die Dynamik nicht optimal und müssen bei der Fahrzeugintegration berücksichtigt werden. Mithilfe einer entsprechenden Auslegung des Antriebssystems, einer angepassten Betriebsstrategie sowie einer unterstützenden Hybridisierung ist es möglich, diese Dynamiknachteile zu kompensieren.

Verbesserungspotenziale im Überblick

Die Tabelle gibt einen überblick über die möglichen Verbesserungspotenziale, die sich im Vergleich zu einem konventionellen Industriemotor mit breitem Drehzahlband ergeben und sich einzig auf das extreme Downspeeding zurückführen lassen. Die Kostenbewertung stellt nur eine qualitative Abschätzung dar und kann letztlich nur individuell durch den Motorhersteller erfolgen. Eine negative Bewertung haben alle Maßnahmen bekommen, die neu zu entwickelnde Teile erfordern. Die neutrale Bewertung beruht auf der Annahme, dass geeignete Komponenten aus einem Baukastensystem zum Einsatz kommen können. Die gleiche Annahme liegt auch der positiven Bewertung zugrunde, wobei es sich hierbei auch um vergleichsweise teure Komponenten mit großem Einsparpotenzial handelt.


Zusammenfassung

Das neue Motorkonzept zeichnet sich durch folgende Punkte aus:

  • sicheres Einhalten künftiger Schadstoffgrenzwerte
  • bis zu 8 % weniger Verbrauch im Non- Road Transient Cycle durch Downspeeding und Einsatz eines optimierten Turboladers
  • durch eine gezielte Abstimmung der Kalibrierung von Motor und Abgasnachbehandlung im Arbeitsbereich des Punktmotors weitere Verbrauchsverringerung von bis zu 2 % möglich
  • weiteres Potenzial durch eine optimierte Betriebsstrategie des Antriebs- und Hybridsystems im »Grünen Radlader«

Verbundpartner

  • DEUTZ AG
  • RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA

Kontakt

RWTH Aachen, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA
Dipl.-Ing. Marco Günther
Tel.: +49 (0)241 80-48080
Email: Marco.Guenther@vka.rwth-aachen.de
Internet: www.vka.rwth-aachen.de