Hybridtechnik bei Nutzfahrzeugen und Bussen

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1 Hybridtechnik bei Nutzfahrzeugen und Bussen SSM Vortragstagung 2009 Meinrad Signer Dep. General Manager Arbon Switzerland

2 Übersicht Emissionen und Treibstoffverbrauch wo stehen wir heute Lösungsansätze zur Reduzierung des Treibstoffverbrauchs und er CO2-Emissionen Transport Konzept Motoroptimierung, Downsizing Reduktion respektive Rekuperation von Verlustarbeiten Iveco Daily Hybrid und Iveco Eurocargo Hybrid Hybrid für schwere Nutzfahrzeuge Vergleich und Potential der Massnahmen zur Verbrauchsreduzierung SSM Tagung

3 Euro VI Emission Regulation * NO2-Limit in discussion ** replaced by PN-Limit 2005 / / / 2009 Euro IV Euro V 2012/2013 Euro VI Emission Limit NOx * PM ** Test cycle ESC - ETC WHDC + OCE OBD Emission Threshold WH-OBD Emission-Durability light km, 5 years km medium km, 6 years km heavy km, 7 years km NOx Control Nm-reduction warning Conformity in Service >7.0 g/kwh >5.0 g/kwh >3.5 g/kwh PEMS Pilot Program New definition + limits PEMS SSM Tagung

4 Emission und Verbrauch, wo stehen wir heute NOx PM Verbrauch Lkw -21% 80 Prozent % 20 0 Euro 0 Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI SSM Tagung

5 Stand heute, was ist zu tun Prozent NOx PM Verbrauch Lkw Emissionen praktisch auf Null, DPF, SCR, AGR, usw. Keine weiteren Massnahmen 20 0 Euro 0 Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Euro VI Weitere Verbrauchsoptimierung Betriebskostenreduktion Wettbewerb CO2 --Gesetzgebung 40t Lkw Verbrauch 32.5 l/100km, 1.25 l/t*100km SSM Tagung

7 Lösungsansätze Motor Getriebe Fahrzeug Motoroptimierung Reduktion respektive Rekuperation von Verlustarbeit Vermeidung des Betriebs mit schlechtem Wirkungsgrad Betrieb des Motors im optimalen Bereich Rekuperation der Verzögerungsarbeit, Bremsen Roll- und Luftwiderstand Verbrennung, Aufladung, Reibungsreduktion, Emissionskonzept, Aggregate Turbocompound (mech / elektr.), Wärmerückgewinnung Kühlung / Abgas Isolation Downsizing Aufladung Multiair Hybridantrieb: Start / Stop, Parallel, Seriell, power split, mild full Automatisch geschaltetes Getriebe Fahrzeugauslegung und -Gestaltung Kosten Nutzen Nutzen Analyse Transport - konzept Masse und Gewichte SSM Tagung

9 Längere und schwerer Fahrzeuge C745 C745 C745 Gesamtgewicht C 745 C 745 C t C 715 C 715 C t 48t 40 Container 44t 40t 15,34m 18,00m 15m 20m 22,50m 25,25m 26,50m 25m Maximale Länge 30m SSM Tagung

10 Euro Pallet (1200 x 800 mm) Lademöglichkeiten Heutige Europäische Gesetzgebung 96/53/EEC 14,8m Iveco Transport Konzept: 44t, 18m SSM Tagung

11 Iveco Transport Concept Nutzlast +15%, Euro Pallets +9% Verbrauch Lkw -15%, Verbrauch pro t*km -24% SSM Tagung

13 Lösungsabsätze für Euro VI Grösserer Grösserer Fahrzeug-Kühler Fahrzeug-Kühler hler 2-stufige 2-stufige Ladeluftkühlung Ladeluftkühlung 2-stufige 2-stufige Aufladung Aufladung AGR AGR plus plus AGR AGR Kühler Kühler Opimierte Opimierte Verbrennung Verbrennung DPF+SCR=SCRT DPF+SCR=SCRT SSM Tagung

14 Grössere Motoren oder Downsizing? Downsizing gibt vergleichsmässig Kleinere Reibung Kleinere Wandwärmeverluste Höhere Drehzahlen und damit ein breiteres Drehzahlband Geringeres Gewicht und Bauraum (nur bedingt) Geringere thermische Massen Höhere Abgastemperaturen für Nachbehandlung (bei gleicher Leistung) Grössere Leistung aus bestehenden Baugrössen Reduktion der Zylinderzahl Aber: aufwändigere Aufladetechnologie (Platz und Gewicht) Neue Materialien für Strukturteile Zu hohe Temperaturen für Abgasnachbehandlung? Probleme mit Motorbremsleistung (kleiner Hubraum) Anfahrschwäche Höhere Schwingungsbelastung für Getriebe und Hilfsaggregate SSM Tagung

15 Beispiel Reibungs-Reduktion : Schmierölviskosität Totale TotaleVerbrauchsreduktion 15W-40 0W-20 0W-20 = 1.30% 1.30% Oil Temperature 0.6 % Fuel Economy Base oil SAE 5W C 0.7 % Fuel Economy Autobahn Autobahn Bedinungen Bedinungen Cursor 13 engine, 13 litre displacement SSM Tagung

17 Turbocompound (mechanisch / elektrisch) Nachschaltung einer einer2. 2. Nutzturbine, via via Kupplung und und Getriebe mit mitkurbelwelle verbunden Verbrauchsgewinn 3..4% 3..4% Abhängig von von Betriebsbedinungen des des Motors Motors El. El. Generator im imturbolader integriert Potenzial für fürverbrauchsgewinn 2..3%, 2..3%, Abhängig von von Betriebsbedinungen des des Motors Motors SSM Tagung

18 Wärmerückgewinnung Auspuff, Rankine Zyklus Expander, Turbine Dampf-Generatoren AGR AGR und und Auspuff Erwartete Verbrauchsverbesserung: 8% Erzielte Verbrauchsverbesserung: 4% Besserer Wirkungsgrad wäre möglich, aber nur mit kritischen Medien SSM Tagung

19 Vergleich von Abwärme- Rekuperationssystemen: BSFC- Potenzial von Regenerationssystemen (HD- Diesel) 8 7 Verbrauchseinsparung [%] Entwicklungsstand mit unkritischem Medium Rankine Stirling Compound E-Comp. cool.water Peltier Std. HD- Diesel Konzepte SSM Tagung

21 Iveco Hybrid Vehicles Daily Hybrid Iveco Daily Hybrid 2.3 l Diesel Engine, 85kW 270Nm Motor Generator 32kW 280Nm Automatisiertes Getriebe mit automatisierter Kupplung Li-Ion Batterien mit Batterie-Management-Unit Start Stop Automatik In-line Parallel-Hybrid, limitierter Elektro-betrieb SSM Tagung

22 Iveco Daily und Daily Hybrid im WHTC (Simulation) Leerlauf / Nulllast Anteil wird reduziert, Verschiebung zu höherer WHTC complete cycle operational conditions Last, im Autobahnbetrieb geringe Auswirkung Time (seconds) Torque >50 Torque Torque <0.5 in case of hybrid engine is switched-off for 386 seconds 0 Conventional Hybrid SSM Tagung

23 Iveco Daily und Daily Hybrid im City-Teil des WHTC (Simulation) Leerlauf / Nulllast Anteil wird stark reduziert, signifikante Verschiebung WHTC zu höherer 900 City Last operational conditions Time (seconds) Torque >50 Torque Torque <0.5 in case of hybrid engine is switched-off for 308 seconds 0 Conventional Hybrid SSM Tagung

24 Daily Hybrid Betriebserfahrungen und Ausblick Vorserien-Fahrzeuge sind im Einsatz bei FedEx in verschiedenen europäischen Städten, demnächst auch in Basel Bis dato wurde beim Kunden eine Verbrauchsreduktion von 26.5% festgestellt, unter den für FedEx typischen Einsatzbedingungen, d.h. vornehmlich Stadt Agglomerations Verkehrsbedingungen Ziel dieser ausgedehnten Versuche ist es, Erfahrungen beim Kunden bezüglich Verbrauch, Betrieb und Lebensdauer zu sammeln SSM Tagung

25 Iveco Eurocargo Hybrid Iveco EurocargoHybrid 6 l Diesel Engine, Motor Generator 44kW 420Nm Automatisiertes Getriebe mit automatisierter Kupplung Li-Ion Batterien mit 340V,Batterie-Mgmt-Unit In-line Parallel-Hybrid, limitierter Elektro-betrieb SSM Tagung

26 Iveco Eurocargo Hybrid Im Versuchseinsatz beim Kunden Ausgelegt für Verteilerverkehr in Stadt und Agglomeration Resultat der Versuche im Verteilernahverkehr und bei städtischer Multistop Auslieferung : 25 30% Verbrauchseinsparung Vorerst Weiterführung der Versuchsphase und Anpassung der Systeme an die Kundenbedingungen SSM Tagung

28 Hybrid für schwere Nutzfahrzeuge? Grundsätzliche Überlegungen durch Analyse von Betriebsprofilen von schweren Nutzfahrzeugen Basis : TÜV Versuchsprogramm mit Iveco Stralis mit Cursor 10 und 430 PS 40 t Sattelschlepper, voll- und halb beladen auf einem Rundkurs zwischen Essen Bochum Köln, Stadt, Landstrasse und Autobahn SSM Tagung

29 40t Nutzfahrzeug im Praxisbetrieb (1) IVECO Stralis AS440S43T/P 35% Cursor 10 Motor, 430hp 30% 10.5 Std Fahrbetrieb 25% Autobahn Stadt Landstrasse 37.0% Häufigkeit 20% 15% 36.0% 10% 35.0% 5% 34.0% 0% zeitliche Anteile 33.0% 32.0% 36.0% Geschwindigkeit in km/h 31.0% 32.8% 30.0% 31.2% 29.0% 28.0% Autobahn Landstrasse Stadt SSM Tagung

30 40t Nutzfahrzeug im Praxisbetrieb (3) P>20% = 34.9% 200 0<P<20%, <1400rpm = 12% 0<P<20%, >1400rpm = 6.4% 100 engine power in kw P=0% = 10.6% Motoring P<0% = 36.1% -500 engine speed in min-1 SSM Tagung 2009 P_kW Nutzleistung [kw] 30

31 40t Nutzfahrzeug im Praxisbetrieb, Hybrid-Potential Für gesamte (gemischte) Fahrstrecke von 550km (10.5 Std) Vom Motor erbrachte Arbeit Total 700 kwh Durchschnitts-Leistung = 66 kw An der Welle gemessene negative Arbeit Total 300 kwh Theoretisch rekuperierbare Arbeit = 205 kwh = 29% der vom Motor erbrachten Arbeit η total = η gen * η batt * η mot* η elektronik = 0.95 * 0.80 * 0.95 * 0.95 = 0.68 Realistische zu zurekuperierende Arbeit Arbeitmit mit100 kw kw Generator und und Speichersystem = 15-20% der dernegativen Arbeit Arbeit Ergibt Ergibt45-60 kwh kwh oder oderrund rund6-9% der dererbrachten Dieselmotorleistung Der DerVerbrauchsgewinn l/100 l/100 km km könnte könnteetwas etwashöher höhersein (Elimination of of verbrauchs-ungünstigen Betriebspunkten), in in l/t*100km etwas etwaskleiner SSM Tagung

33 Vergleich Verbrauchsverminderung Verbrauchsverminderung Konzept Motor Fahrzeug l/100km Nutzlast l/t*100km Motor Reibungsverminderung, stark abhängig vom Betriebspunkt 2 7 % Rankine, Dampfprozess Auspuff ( AGR ) 4 8% Abwärmenutzung mit Stirlingmotor 2 3% Abwärmenutzung mit Compound 2 4% Abwärmenutzung mit Peltier 2 3% Leichte Nutzfahrzeuge Hybrid im Verteiler-einsatz, vornehmlich in der Stadt 25 30% Mittlere Nutzfahrzeuge Hybrid im Verteiler-einsatz, vornehmlich Stadt / Agglomeration 20 30% 40t Lkw Hybrid im gemischen Ueberlandeinsatz 8 12% 4 8% Transport Konzept neu definiert und Massnahmen am Fahrzeug 44t ~15% ~24% SSM Tagung

34 Wieviel Technologie ist gerechtfertigt? Antriebswirkungsgrad [ - ] Erforderlicher Wirkungsgrad vs. Zusatzgewicht für den Antrieb eines 40 t- Fahrzeugs, Lebensdauerbetrachtung Abwärmenutzung Variables Verdichtungsverhältnis Hoher Zylinderdruck (250 bar) Hybrid CO2-neutral profitable Zone nicht profitable Zone Gewicht der Zusatztechnologie [t] SSM Tagung

35 Wieviel darf Zusatztechnologie kosten? Verbr. Reduktion [%] Erforderl. Verbrauchsreduktion für Zusatztechnologien, 40 t Fernlastzug Mission, Lebensdauerbetrachtung VVA- Syste m Rankinesystem VCR- System HBMEP- Motor Notwendige Verbrauchsreduktion Zusatzinvestition für den Antrieb [%] Hybrid- System SSM Tagung