Der Verbrennungsmotor im elektrifizierten Antriebsstrang

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1 Der Verbrennungsmotor im elektrifizierten Antriebsstrang Anforderungen und Auslegung 6. März 2013, MobileLifeCampus, Wolfsburg Helmut Tschöke Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Adresse: Institut für Mobile Systeme (IMS) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Postfach Magdeburg Telefon: 0391/ Fax: 0391/ www:

2 Inhalt Motivation Hybridisierung Verbrennungsmotoren Hubkolben-Verbrennungsmotor Anforderungen Auslegung Schlussfolgerung 2

3 E-Mobilität Markthochlaufkurve Quelle: Zweiter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität, 05/2011und

4 Neuzulassungen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen in Deutschland 2005 bis 2012 Anzahl der Neuzulassungen Hybridfahrzeuge Elektrofahrzeuge (HEV) (EV) Jahr Quelle: statista 2013 (KBA, VDA) 4

5 Prozentualer Anteil an der Gesamtproduktion Szenario Fahrzeugantriebe Produktion Produktion Welt 100% 50% 0% HEV reiner VM-Antr. VM + HEV P-HEV + RE HEV reiner VM-Antr VM + HEV P-HEV + RE Range der Prognosen Quelle: Mckinsey, Bosch, Conti, Fraunhofer, Pierburg

6 Prozentualer Anteil den Neuzulassungen in Deutschland Szenario Fahrzeugantriebe Neuzulassungen Neuzulassungen in Deutschland 100% 50% 0% HEV reiner VM-Antr. VM + HEV P-HEV + RE HEV reiner VM-Antr. VM + HEV P-HEV + RE Range der Prognosen Quelle: Shell, DLR Stuttgart

7 Zusammenfassung E-Mobilität 2020 Zulassungszahlen reiner E-Fahrzeuge << 5% in D Große Unsicherheit bei der Akzeptanz von Hybridantrieben VM wird bei mehr als 95 % der Fahrzeugantriebe beteiligt sein Otto-Motor bleibt bei reinen Pkw-VM- und -Hybrid-Antrieben der dominierende Energiewandler 7

9 Hybridantriebe Definition Einleitung - Betriebsmodi Definition: mindestens zwei verschiedene Energiewandler und zwei verschiedene Energiespeichersysteme für den Fahrantrieb Einteilung: 1. Hybridisierungs- oder Elektrifizierungsgrad: - (Mikrohybrid) - Mildhybrid - Vollhybrid - Plug-in-Hybrid Betriebsmodi: 2. Antriebsarchitektur (Anordnung und Konstruktion der Komponenten) - Paralleler Hybrid - Leistungsverzweigter Hybrid - Axle-Split Hybrid - Serieller Hybrid - Rein verbrennungsmotorisches Fahren oder rein elektrisches Fahren - Hybridisches Fahren - Boosten - Regeneratives Bremsen - Elektrische Energieerzeugung - Start-Stopp-Funktion 9

10 Mikro Hybrid Nach Definition kein Hybridantrieb Fahrantrieb ausschließlich über VM - Elektrische Energie nur für Betriebsstrategie bei still. Fahrzeug Start-Stopp-Funktion Stopp: Unterbrochener Drehmomentstrang (kein eingelegter Gang bei Schaltgetriebe) Betriebswarmer Motor Ausreichende Batteriekapazität Motor wir abgestellt Start : Betätigung der Kupplung (Schaltgetriebe) Lösen der Bremse (Automatgetriebe) Motor wird gestartet 10

11 Mikro Hybrid Verstärkter konventioneller Starter oder Riemen-Starter- Generator Deutlich höhere Anzahl von Startvorgängen für VM Zyklenfeste Batterie, eventuell Stützbatterie notwendig Durch höhere elektr. Energie kann für Beschleunigung die gesamte VM- Energie genutzt werden (leistungsfähiges Bordnetz versorgt die elektr. Verbraucher) Nebenaggregate werden elektr. angetrieben (auch im VM-Stillstand Betrieb sicherstellen) - Eingeschränkte Rekuperation Bordnetz (14 V) mit Batteriemanagement und Ladezustandsregelung (selten höheres Spannungsniveau bis 42 V) Verbrauchseinsparung: Stadtverkehr: < 10%; NEFZ: < 5% 11

12 Mild Hybrid Eigenschaften und Anforderungen an den Verbrennungsmotor: Start-Stopp-Funktion Konventioneller Starter für extremen Kaltstart sinnvoll Schleppmoment des VM möglichst klein wenn rein elektr. (kurz) gefahren werden soll: EM und VM fest miteinander gekoppelt Zylinderabschaltung Boostfunktion (Drehmomentaddition) Regeneratives Bremsen (Schleppmoment des VM reduziert Rekuperationspotenzial) Bordnetz 14 V Traktionsbatterie ( V) E-Motor-Leistung < 20 kw VM muss Dauer- und Spitzenleistung bereitstellen Eingeschränkte Lastpunktverschiebung für VM Verbrauchseinsparung < 20% im NEFZ 1 Verbrennungsmotor 2 E-Maschine (Kurbelwellen-Starter-Generator) 3 Kupplung 4 Getriebe 5 Leistungselektronik 6 Traktionsbatterie 7 Tank 12

13 Paralleler Hybridantrieb (Voll-(Plug-in)-Hybrid) Eigenschaften und Anforderungen an den Verbrennungsmotor: Verbrennungsmotor 2 Kupplung 3 E-Maschine 4 Getriebe 5 Traktionsbatterie 6 Leistungselektronik 7 Tank 8 Plug-In Start-Stopp-Funktion Prinzipiell nur eine Kupplung und eine elektr. Maschine notwendig, Variante mit zwei Kupplungen möglich Rein elektr./rein verbrennungsmotorisches und kombiniertes Fahren möglich Drehmomentaddition (Stufengetriebe) oder Drehzahladdition (Planetengetriebe) Konventioneller Antriebsstrang Höheres Rekuperationspotenzial (kein Schleppmoment des VM) Längeres elektr. Fahren (kein Schleppmoment des VM) Elektr. Leistung: kw Bordnetz + Hochspannungsnetz (200 bis 400 V) Eingeschränkter Leerlaufbetrieb für VM Dauer- und Spitzenleistung vom VM, guter Wirkungsgrad bei verbrennungsmotorischem Direktantrieb Boosten Lastpunktverschiebung Kraftstoffeinsparung: < 30% Elektr. Reichweite: < 10 km 13

14 Leistungsverzweigter Hybridantrieb (Voll-(Plug-in)-Hybrid) 1 Eigenschaften und Anforderungen an den Verbrennungsmotor: Leistung des VM über Planetengetriebe im mechanischen Teil (Antrieb) und elektr. Teil (Antrieb oder Aufladung) aufteilbar Bei aktivem mechan. Pfad (VM) wird immer elektr. Energie erzeugt (Nutzung zur Batterieladung oder für Fahrbetrieb) Parallel- und serieller Hybrid möglich Betriebspunktoptimierter Betrieb des VM möglich Rein elektr. Betrieb aus Batterie (VM steht still) möglich Boosten 1 Verbrennungsmotor (Planetenradträger) 2 Planetenradgetriebe 3 Generator (Sonnenrad) 4 E-Maschine (Hohlrad, Abtrieb) 5 Leistungselektronik 6 Traktionsbatterie 7 Tank 8 Plug-In Two Mode Hybride erlauben direkten mechanischen Antrieb (Überlandfahrt) 14

15 Axle-Split Hybrid (Voll-(Plug-in)-Hybrid) Verbrennungsmotor 2 Konventionelles Frontantriebsgetriebe 3 Tank 4 E-Maschine 5 Leistungselektronik 6 Traktionsbatterie 7 Plug-In Eigenschaften und Anforderungen an den Verbrennungsmotor: 7 Entspricht Parallel-Hybrid Leistungsaddition über Zugkraft VM- und E-Maschine wirken auf getrennten Achsen ( Frontund Hinterrad- oder Allradantrieb); unterschiedliches Drehzahlniveau Beliebige Verteilung der Antriebsleistung auf die beiden Energiewandler (Antriebsachse) Erzeugung elektr. Energie bei Stillstand des Fahrzeugs (keine direkte Kopplung von E-Maschine und VM) ähnlich dem konventionellen Antrieb über Generator und VM Leistungsfähiger Generator am VM ermöglicht Aufladung der Traktionsbatterie Hohes Rekuperationspotenzial Start-Stopp-Funktion Boosten Vorteile bei Package Verbrennungsmotor startet mit konventionellem Starter (Start Keine Reichweitenbeschränkung VM kann auf bestimmten Betriebsbereich optimiert werden 15 Bordnetz + Traktionsbatterie (200 über 400 V)

16 Serieller Hybridantrieb (Voll-(Plug-in)-Hybrid) Verbrennungsmotor 2 Generator 3 Traktionsbatterie 4 Plug-In 5 Leistungselektronik 6 E-Maschine 7 Tank Eigenschaften und Anforderungen an den Verbrennungsmotor: 4 Immer elektr. Antrieb: VM und E-Maschine in Reihe angeordnet 2 E-Maschinen notwendig (Generator und Motor/Generator) Gesamtwirkungsgrad schlechter (mehrfache Energiewandlung) Leistung des VM muss um die elektr. Verluste höher sein Als Plug-in (höhere Batteriekapazität) kann VM kleiner ausgelegt werden (Extremfall: Range Extender), betriebspunktoptimierte Auslegung (kein Kaltstart, emissionsoptimiert) E-Maschinen müssen für maximale Leistung ausgelegt werden Hohes Rekuperationspotenzial Boosten Bei Einsatz einer Kupplung auch Parallel Hybrid möglich (serieller Betrieb auf kleine Leistung beschränkt kleine elektr. Maschine) Hohe Flexibilität bezüglich Betriebsmodi Start-Stopp-Funktion Grundsätzlich keine Reichweitenbeschränkung Hohe Batteriekapazität erforderlich Anwendung: Bahn- und Schiffsantrieb, Busse 16 Bordnetz + Traktionsbatterie (200 über 400 V)

17 Plug-in-Hybride Definition: Ziel: Voll-Hybride bei denen die Traktionsbatterie aus einem externen Netz geladen wird (z.b. Steckdose, berührungsloses induktives Laden) Elektrische Energie unabhängig vom Verbrennungsmotor im Fahrzeug verfügbar machen: elektrische Reichweite erhöhen Auswirkungen: Batterie mit höherer Kapazität erforderlich (größer, schwerer, teurer) Beispiel: Serieller Hybrid Schwerpunkt: Verbrennungsmotor, Kraftstoff geringe rein elektr. Reichweite < 10 km VM mit mittlerer und hoher Leistung Übergang ist fließend Serieller Hybrid als Plug-in (BEV+RE) Schwerpunkt: Batterie, elektr. Energie hohe elektr. Reichweite > 50 km VM mit < 50 kw Leistung 17

18 Antriebsarten für Straßenfahrzeuge diskontinuierliche innere Verbrennung Ottomotor Dieselmotor Benzin, Erdgas Alkohol, Wasserstoff Diesel, RME, BTL, GTL Verbrennungskraftmaschine kontinuierliche innere Verbrennung Gasturbine diverse Energieträger Hybrid kontinuierliche äußere Verbrennung Stirlingmotor diverse Energieträger Dampfmotor diverse Energieträger Elektro- Antrieb elektrische Energie E-Fahrzeug E-Fahrzeug Akkumulator Brennstoffzellen (H 2 ) 18

20 Elektrifizierung des Antriebsstrangs Verbrennungsmotoren Otto-Verfahren Diesel-Verfahren Hubkolben- motor Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) Hubkolbenmotor 2-Takt 4-Takt 2-Takt 4-Takt 4-Takt 2-Takt 20

21 Wankelmotor versus Hubkolbenmotor Vorteile WM Mechanik Bauraum Gewicht weniger Bauteile keine oszillierenden Massenkräfte Massenausgleich Geräusch/Vibrationen hohe Drehzahl geeignet für Schichtladung geringe NO X -Emissionen Flex-Fuel tauglich Nachteile WM Thermodynamik Oberflächen/Volumen - Verhältnis Verbrauch ungleichmäßige Verbrennung HC-Emissionen Schmierung Dichtelemente/Lebensdauer Fertigung/Kosten Gas-Dichtlänge u. U. Keramik (Seiteneinlass) Zündkerzenbeanspruchung 21

22 Schlussfolgerung Ist der Wankelmotor für den elektrifizierten Antriebsstrang geeignet? ja: Konzept kleine E-Fahrzeuge bei seltenem Einsatz nein: Robustheit Kosten Entwicklungsaufwand neue Fertigungstechnologie 22

23 Vor- und Nachteile des 2-Takt -Dieselmotors gegenüber dem 2-Takt-Ottomotor Basis: Gleichstromspülung (Auslassventile) + Niedrige HC- und CO-Emissionen + Aufladung einfacher + Nockenwelle kann zum Massenausgleich der I. Ordnung genutzt werden + Einfachere Triebwerksschmierung + Kolbenkühlung möglich + Direkteispritzung Ruß- und NO X -Emissionen (bei hohen Drehzahlen, Restgas) Höhere Reibungsverluste (Ventiltrieb) Spülgebläse notwendig Auslassventile Schwerer/größer Geräusch 2-Takt-Dieselmotor ist keine Alternative zum 2-Takt-Ottomotor (Anwendungsbereich: kleine Motoren)

24 Vor- und Nachteile des 2-Taktmotors gegenüber dem 4-Taktmotor (Ottomotor) Basis: Kurbelkastenspülung + Einfache Bauart + Hohe spezifische Leistung + Gleichförmiges Drehmoment + Geringere NO X -Emissionen + Schnelles Aufheizen nach Kaltstart Ladungswechsel: Teil des Abgas verbleibt im Brennraum (Teillast, Leerlauf) Zündaussetzer HC-Emissionen und Verbrauch Thermische und tribologische Belastung (Lebensdauer) Kühlaufwand für Kolben und Zylinderbüchse ist wesentlich größer λ = 1-Betrieb schwierig (NO X -Speicherkat notwendig) Geräusch (Wälzlagerung wegen schlechterer Schmierung)

25 Schlussfolgerung Hat der 2-Takt-Motor im elektrifizierten Antriebsstrang eine Chance? Funktionell : ja Aber der erforderliche Entwicklungsaufwand lohnt sich nicht!! 25

27 Generelle Anforderungen an den VM im elektrifizierten Antriebsstrang Bauraum Gewicht Kosten Emissionen Wirkungsgrad Gewichtung der Anforderungen hängt vom Elektrifizierungsgrad und damit von der Kapazität der Traktionsbatterie ab Akustik/Vibrationen Startverhalten 27

28 Verbrennungsmotor Komponenten/Systeme zur Auslegungsoptimierung Einspritzsystem (Direkt-/Saugrohreinspritzung) Aufladung (ein-/mehrstufig) Zylinderabschaltung Zylinderzahl (Downsizing) Zylinderanordung Variable Ventilsteuerung, Atkinson Gemischbildung (l = 1, l >1) 28

29 Verbrennungsmotor Optimierungsstrategie I Generell: Antriebsmoment (Leistung) für jeden Betriebspunkt (Fahrzustand) zwischen Verbrennungsmotor und E-Antrieb aufteilen (Verbrauch- und Emissionsreduzierung) Ziel: Verbrennungsmotor arbeitet jeweils im optimalen Betriebspunkt Ladung der Traktionsbatterie sicherstellen Betriebszustände: Fahrerwunsch (Geschwindigkeit, Beschleunigung) Start-Stopp Regeneratives Bremsen Boosten Batterie laden 29

30 Verbrennungsmotor Optimierungsstrategie II CO 2 -Reduzierung: Im Testzyklus möglichst elektrisch fahren (Wirkungsgrad des VM gering) In höheren Lastbereichen VM stärker belasten (Zusatzleistung) zur Batterieladung (Wirkungsgrad des VM günstiger) HC/CO/NO X -Reduzierung: (Diesel,l> 1 Betrieb) Niedere Lasten elektrisch abdecken Höhere VM-Lasten durch Boost-Betrieb absenken 30

31 Verschiebung des Betriebsbereiches bei Strategie zur CO 2 -Reduzierung a Bereich der Betriebspunkte im Fahrzyklus b Vermeiden niedriger Verbrennungsmotorlasten durch rein elektrisches Fahren mit anschließendem Laden c ecvt-effekt: Verlagerung der Betriebspunkte in den energieoptimalen Bereich des Antriebsstranges Reif, K., Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe, Vieweg+Teubner,

32 Verschiebung des Betriebsbereiches bei Strategie zur HC/NOX-Reduzierung a Bereich der Betriebspunkte im Fahrzyklus b Boost: gemeinsamer Betrieb von Verbrennungsmotor und Elektromotor Reif, K., Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe, Vieweg+Teubner,

33 Betriebspunktverschiebung Zusatzlast für Batterie Fahrerwunsch + Zusatzbelastung Fahrerwunsch 33

34 Motorlaufzeiten während des Ladungserhaltungmodus in einem Kundenfahrzyklus Erweiterter elektr. Bereich durch Plug-in Quelle: Ford, MTZ 03/

35 Bauraum verschiedener Zylinderanordnungen Quelle: Mahle Powertrain, der Antrieb von morgen, ATZ live

36 Zylinderanzahl und anordnung Triebwerk F Gas F osz F F F K Gas osz F N F K b F S l M r F T m rot a r FR F T F S 36

37 F m osz r F m osz r O I max w 2 oszmax w l 2 ( 1 ) F OII max m osz r w 2 l Triebwerk F osz = m osz rω 2 (cosα+λ cos2α) F osz I = m osz rω 2 cosα F osz II = m osz rω 2 λcos2α Kurbelwinkel a 37

38 Triebwerk Mehrzylinder-Motoren Es können zusätzliche Momente aufgrund unterschiedlich großer Massenkräfte abhängig vom Kurbelwinkel und Kurbelfolge (Zündfolge) auftreten. Beispiel 3-Zylinder-Motor Kurbelstern 1 j 1 F oi 2 3 Kurbelfolge a Schlussfolgerungen: Symmetrischer Kurbelstern (für 1. und 2. Ordnung) ausgeglichene Massenkräfte Symmetrische KW in Längsrichtung (für 1. und 2. Ordnung) ausgeglichene Massenmomente F rot 0 F oi 0 F oii 0 M M I II 3 F 3 F oi oii a a 38

39 Äußere Massenkräfte und momente von 4-Takt-Motoren 1 2 Äußere Massenkräfte und Massenmomente für den Reihenmotor Zyl.-Zahl 1, 2,3,4 u. 2-Zyl.-V-Motor Zylinderzahl Zündabstand Kurbelstern Äußere Kräfte Äußere Momente F I F II M I M II F I F II R O 2 F II F I a R F I 2 F II 0 0 B F I b F II b R 3 3 x ,4 R 4 4 x F II 0 0 V 2 x ,3 1 V=90 F I *) V: 0 H: 2 F II F I b F II b *) Die Massenkräfte und Momente sind durch Gegengewichte an der Kurbelwelle vollkommen ausgleichbar. (Rotierende Wirkungen immer -oszillierende Wirkungen bei 90 V-Winkel)

40 Vergleich von vier Verbrennungsmotorkonzepten für den elektrifizierten Antriebstrang Bauraum Gewicht Kosten a) Zweizylinder Reihe 91,5 % 85 % 87,5 % b) Dreizylinder Reihe 100 % 100 % 100 % c) Zweizylinder Boxer 96 % 92 % 91 % d) Zweizylinder V-Motor (90 ) 118 % 90 % 90 % Ausgeführt wurde : (als Range Extender) 2-Zylinder, Reihe, 0,9 l, 30 kw, Saugrohreinspritzung, 2Ventile Quelle: Mahle Powertrain, der Antrieb von morgen, ATZ live

41 2-Zyl.-4-Takt-Motor mit zwei gegenläufigen Generatoren zum Ausgleich des Rollmomentes Zylinder V 90 Kurbelwelle Generator 0,8l,30 kw, Saugrohreinspritzung, 2 Ventile Quelle: FVV, KSPG, MTZ 05/

42 Der modulare Baukasten e-fusion für den Hybrid-Antriebsstrang Sechs Varianten der Elektrifizierung der e-fusion-antriebsstrangfamilie (Mit mech. Durchtrieb) Quelle: ATZ 02/2013, AVL List GmbH (A) 42

43 Der modulare Baukasten e-fusion für den Hybrid-Antriebsstrang Konstruktionsmerkmale des Zweizylinder-Ottomotors KW-Schränkung Quelle: ATZ 02/2013, AVL List GmbH (A) 43

44 Atkinson-/Miller-Zyklus Atkinson (1882): - eff. Kompression<Expansion - Spätes Einlass-Schließen oder veränderte Triebwerkskinematik - geometr. Ɛ > eff. Ɛ Entdrosselung, höherer Wirkungsgrad, geringere Klopfneigung, geringere Abgastemperaturen Anwendung: Ottomotoren mit Aufladung Quelle: Hofmann, P.: Hybridfahrzeuge, Springer 2010 Miller (1947): - Prinzipiell wie Atkinson jedoch frühes Einlass-Schließen - Temperatursenkung (NOx) Anwendung: Dieselmotoren mit Aufladung 44

45 Atkinson cycle Atkinson crank train Linkage mechanism Comparison of fuel consumption of the different engine concepts Planetary gear crank train Quelle: Takaaki Sato, DENSO Automotive Deutschland GmbH, 13. Stuttgarter Symposium

46 Zylinderabschaltung I Motivation: CO 2 -Emissions- und Verbrauchsreduzierung (bis zu 15%) Anwendung: Ottomotoren (mit/ohne Aufladung) Reihen- und V-Motoren mit geraden Zylinderzahlen Unterer Lastbereich (Konstantfahrt, Autobahn, Landstraße) (Leerlauf wegen Start-Stopp nicht mehr interessant) Hybridantriebe Mild-Hybrid: geschlossene Ventile reduzieren Schleppleistung mehr Energie für Batterieladung verfügbar Voll-Hybrid: Leistung des VM an Bedarf anpassen 46

47 Zylinderabschaltung II Effekt: Bei einigen Zylindern Kraftstoffzufuhr abschalten ((1) 2 von 4; (2) 3 von 6; (3) 4von 8 ) Herausforderungen: Schleppmoment der abgeschalteten Zylinder muss von befeuerten Zylindern übernommen werden Lastpunktverschiebung zu höheren Lasten ( h besser) Ventile geschlossen Ladungswechselverluste werden geringer (zuerst AV dann EV heißes Abgas bleibt im Brennraum Temperaturniveau günstiger für Wiedereinschalten) Drehmomentneutralität Ansprechverhalten Umschalten mit hoher Dynamik (Beschleunigung) Emissionsneutral Akustische Optimierung (aktive Motorlager, entkoppelte Auspuffanlage) 47

48 Aufladung Definitionen: Downsizing: Reduzierung des Hubvolumens. Ziel: gleiche Leistung wie hubraumgrößerer Motor (über höheren Mitteldruck) aber geringerer Verbrauch. Lastpunktverschiebung in Hochlastbereiche mit höherem Wirkungsgrad. Nachteil: Höhere Bauteilbelastung Downspeeding: Absenkung der Motordrehzahl bei gleicher Fahrleistung durch längere Gesamtantriebsübersetzung. Häufig Kombination von Downsizing und Downspeeding 48

50 Antriebskonzeptionen Reichweitenanforderung konventionelle Motorisierung Kleinwagen (Stadtwagen) Kompakt klasse Mittelklasse (obere) Luxusklasse SUV gering mittel mittel -hoch hoch hoch Otto/Diesel 3-4 Zyl. Otto/Diesel 4 Zyl. Elektrifizierung BEV Mild-Hybrid BEV+RE Voll-Hybrid - Otto 2-4 Zyl. Zylinder- abschaltung Aufladung/ Saugmotor Downsizing Otto/Diesel 4-6 Zyl. Mild-Hybrid Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 3-4 Zyl. Zylinderabschaltung Saugrohreinspritzung/DI Aufladung/ Saugmotor Downsizing Otto/Diesel 6-8 Zyl. Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 4-6 Zyl. Zylinderabschaltung DI Aufladung Downsizing Otto/Diesel 6-8 Zyl. Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 4-6 Zyl. VM in Verbindung mit Elektromotor Saugrohreinspritzung/DI Zylinderabschaltung DI Aufladung (Downsizing) 50

51 Motoren (Auswahl) VW VW (Hybrid) Ford Toyota (Hybrid) Hubvolumen [l] 1,4 0,8 1,0 1,5 Zylinderzahl/ Anordnung M [Nm] / P [kw] Einspritzung Gemischbildung 4 Reihe 2 Reihe 3 Reihe 4 Reihe DI (Loch) (Saugrohr) Otto homogen 120 (140) DI DI (Loch) Saugrohr Diesel Otto homogen Aufladung ATL ATL ATL - Otto homogen Besonderheiten Zylinderabschaltung Ausgleichswelle, DPF, AGR GG-KG keine AW KW- Schränkung Atkinson KW- Schränkung 51

52 Kosten-Nutzen-Analyse Basis: Ottomotor CO 2 -Reduzierung in % Voll-Hybrid mit angepasstem Motor 40 Extremes Downsizing Doppelkupplungsgetriebe Downsizing Mild-Hybrid CVT Zusatzkosten für OEM (Antrieb) in % Quelle: nach Bosch, MTZ 07-08/

53 Der modulare Baukasten e-fusion für den Hybrid-Antriebsstrang Vergleich der Systemkosten inklusive Batterie bezogen auf die Basis Zweizylinder-Ottomotor mit Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe 350 % 300 % 250 % Batterie Leistungselektronik Generator Elektromotor Getriebe VKM 30 % Grün: Konventionelle Architektur Blau: e-fusion Vorschlag AVL 200 % 150 % 10 % 100 % 50 % 0 % 6-Gang DKG Mild Hybrid Paralleler Plug-in- Hybrid Mild Hybrid Allzweck- Plug-in- Hybrid B-Segment Range Extender A-Segment Reiner Range Extender Reiner elektrischer Antrieb Quelle: ATZ 02/2013, nach AVL List GmbH (A)

54 Beiträge zur CO 2 -Reduktion bis 2020 am Beispiel der EU 136 g/km % 2011 Quelle: nach Bosch Media Service, R. Leonhard 54

55 CO 2 Emissions and Sources of different Powertrain Systems Quell: VDA Technischer Kongress 2009, Bosch 55

56 Entwicklung der durchschnittlichen CO 2 Emissionen Quelle: Zeit Online 56

57 Schlussfolgerung Die Produktion konventioneller Antriebssysteme wird sich in den nächsten Jahren erhöhen Elektromobilität wirkt sich frühestens in ca. 20 Jahren auf das Klima aus Die CO 2 Emissionen müssen sofort gesenkt werden durch: Optimierung der Verbrennungsmotoren und Fahrzeugparameter (Rollwiderstand, Luftwiderstand, Gewicht, Getriebe ) Einsatz alternativer (CO 2 -reduzierender) Kraftstoffe Mittel und langfristig Einsatz von Hybridfahrzeugen und (reinen E- Fahrzeugen) Leistungsbedarf des VM sinkt Zylinderzahl wird geringer Komplexität kann geringer werden (f (Elekrifizierungsgrad)) Kostentreiber sind Batterie, LE und EM 57

58 Alternative Antriebe Gesamtszenario Erdölbasiert Kraftstoffmix Antriebsmix Verbrennungsmotoren (Otto/Diesel mit verschiedenen Kraftstoffen) Hybridantriebe, Elektroantriebe Batterie (Nische) Elektroantriebe Brennstoffzelle Quelle: H. Tschöke, IMS 58

59 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 59