Konzepte und Brennverfahren für effiziente und schadstoffarme Antriebe von Personenwagen

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1 Willkommen Welcome Bienvenue Konzepte und Brennverfahren für effiziente und schadstoffarme Antriebe von Personenwagen Fokus: Ottomotoren SSM Tagung Campus Sursee, Patrik Soltic, Empa Abteilung Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Wirkungsgradverhalten von Ottomotoren Verlustanalyse Technische Bausteine für bessere Ottomotoren Zusammenfassung

3 Grundproblem: Wirkungsgradverhalten Kennfeld 2 Liter 4-Zylinder Saug-Ottomotor im reinen Lambda=1 Betrieb Bestbereich = Hochlast 32% 34% Zwei Möglichkeiten zur Verbesserung: 28% 30% typischer Betrieb im PW = Tieflast 10% 20% 15% 5% 25% 1. «schlechte» Betriebspunkte vermeiden Beitrag von Chris Onder (Hybridisierung) Drehzahl [1/min] 2. Wirkungsgradabfall in der Teillasst reduzieren dieser Beitrag

4 Grundproblem: Wirkungsgradverhalten Sinnvolle Betrachtung: sog. Willanslinien (proportional zu Treibstoffmenge)

5 Realer Ottomotor Verlustanalyse Tieflastpunkt Wirkungsgrad (%) Verlust idealer Gleichraumprozess unvollständige Verbrennung endlich schnelle Verbrennung Wandwärme Leckage Gaswechsel Reibung effektiver Wirkungsgrad D

6 Perfekter Ottomotor Perfekter Ottomotor Wirkungsgrad (%) Verlust idealer Gleichraumprozess unvollständige Verbrennung endlich schnelle Verbrennung Wandwärme Leckage Gaswechsel Reibung effektiver Wirkungsgrad Verdoppelung des Wirkungsgrades (Halbierung des Verbrauches) im Teillastpunkt 0 D

7 Perfekter Ottomotor Wirkungsgrad von fast 40% für alle Lasten (proportional zu Treibstoffmenge)

8 Auswirkungen auf den Zyklusverbrauch Betrachtung eines geräumigen Autos (Passat/5er/A6/E/Insignia-Klasse) Masse 1600 kg c w * A = 0.71 m 2 Simulation in EU Testzyklus NEFZ mit verschieden «perfekten» Ottomotoren fuel consumption [kg/h] vehicle speed [km/h] ) 5000 ECE EUDC time [s] time [s] p

9 Auswirkungen auf den Zyklusverbrauch Simulationsresultate für Benzin Ottomotor (ohne Motorkaltstart) g/km CO 2 Ziele 2015 mit Benzin und konventioneller Technologie sind in der Mittelklasse sehr anspruchsvoll

10 Auswirkungen auf den Zyklusverbrauch Simulationsresultate für Erdgas Ottomotor (ohne Motorkaltstart) g/km (mit 10% Biogas) 140 g/km (fossiles CNG) 140 g/km CO 2 Ziele 2015 sind mit fossilem Erdgas und konventioneller Technologie in der Mittelklasse problemlos erreichbar

11 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Besserer Vollständigkeit der Verbrennung Beispiel: Reduktion der Flammlöschdistanz an den Kolben 1.) Keramikschicht 2.) 20nm Platinschicht 3.) Fertige Kolben 4.) Resultat 0.35 fuel: PETROL, λ = 1.0 η knock conventional pistons coated pistons ignition [ CA]

12 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Verschnellerung der Verbrennung durch gezielte Verbesserung der Gemischbildung / Turbulenz Beispiel: Brennverfahrensentwicklung für Erdgas-Direkteinblasung, Einfluss der Einblasestrategie auf die Verbrennungsgeschwindigkeit Zylinder 1-3: Gemischbildungsstrategie 1 Zylinder 4: Gemischbildungsstrategie 2 Zylinder 4 brennt deutlich schneller als Zylinder 1-4

13 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Nutzung von «Zündbeschleunigern» Beispiel: Zugabe von kleinen Mengen Wasserstoff zu Methan (Erdgas) Verbrauchsreduktion ca. 3% bei 15 vol% H 2 -Zugabe (über 5% Verbrauchsreduktion bei 25 vol% H 2 -Zugabe) Zündwinkel rel. zu optimalem ZW [ ] Thurnheer T, Soltic P, Dimopoulos Eggenschwiler P, S.I. engine fuelled with gasoline, methane and methane/ hydrogen blends: Heat release and loss analysis, International Journal of Hydrogen Energy 34 (2009)

14 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Reduktion der Drosselverluste Beispiel 1: Downsizing-Konzepte (Hubraumverkleinerung, Aufladung) 1996: Swissauto Boxer 360 mit Hyprex (Comprex) Lader, 2 Zyl. 40 kw aus Liter Hubraum p me,max ca. 26 bar 2005: VW 1.4 Tsi 4 Zyl. Mech-. & Turbolader bis 125 kw aus 1.39 l p me,max ca. 22 bar 2012: Ford 1.0 Ecoboost Turbolader, 3 Zyl. 92 kw aus l p me,max ca. 21 bar (bis 25 bar kurzzeitig)

15 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Reduktion der Drosselverluste (Fortsetzung) Beispiel 2: Variabilität der Ventilsteuerung für drosselklappenfreie Laststeuerung INA Scheffler «UniAir» (mech.-hydraulisch) BMW «Valvetronic» (mechanisch) Cargine (pneumatisch) ABB Turbosystems «VCM» Bosch «EHVS» (elektrohydraulisch) Empa «EVA» (elektrohydraulisch)

16 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Reduktion der Drosselverluste (Fortsetzung) Beispiel 3: Zylinderabschaltung in der Teillast bei geschlossenen Ventilen Früher nur bei «sehr-viel-zylindermotoren» (V8 V12 z.b. Chrysler, Mercedes, Cadillac), neu auch bei 4-Zylindermotoren in Serie (Volkswagen Konzern EA211) Fotos: Volkswagen

17 Technische Bausteine der Zukunft In Richtung «perfekter Ottomotor» Reduktion der Reibung Reduktion der Zylinderzahl Ersatz 6 durch 4 Zylinder: z.b. Audi V6 Motoren durch aufgeladene R4 Motoren Ersatz 4 durch 3 Zylinder: z.b. Ford R4 Motoren durch aufgeladene R3 Motoren Ersatz 4 durch 2 Zylinder: z.b. Fiat R4 Motoren durch aufgeladene R2-Motoren Reduktion der Lagerreibungen Durch dünnflüssigeres Schmieröl (konventionell oder neue Ansätze wie Polyalkylenglykol PAG) Durch schnellere Motoraufwärmung (Thermomanagement) Durch Rollen- statt Gleitlagerung

18 Technische Bausteine der Zukunft Was ist mit dem thermodynamischen Prozess? Wirkungsgrad (%) Verbesserung des Prozesses durch Ladungsverdünnung (AGR, λ > 1) Variables Verdichtungsverhältnis (geometrisch oder über Ventilsteuerzeiten und/oder Aufladung) Nachschaltung eines Prozesses um Abwärme in Nutzarbeit umzuwandeln Thermodynamischer Kreisprozess, z.b. BMW Turbosteamer D Foto: BMW Thermoelektrische Konverter (Ausnutzung des Seebeck-Effektes)

19 Technische Bausteine der Zukunft Was ist mit dem thermodynamischen Prozess? Thermoelektrische Konverter (Bsp. oxidische Konverter der Empa Abt. Festkörperchemie und Katalyse). Ziel: 1 W/cm 2 Wirkungsgrad (%) D

20 Zusammenfassung Fokus Ottomotoren In absehbarer Zukunft wird der rein verbrennungsmotorische Antrieb die preissensitiven PW-Segmente mit grosser Wahrscheinlichkeit weiterhin dominieren Wirkungsgradverbesserungen bei rein verbrennungsmotorsichen Antrieben beziehen sich vor Allem auf die Teillast der Motoren Kleinere Beiträge zur Wirkungsgradverbesserung in der Teillast sind die Reduktion der Verluste durch unvollständige Verbrennung und die Verschnellerung der Verbrennung Grösserer Beiträge zur Wirkungsgradverbesserung in der Teillast werden von der Reduktion der Reibung (weniger Zylinder, besseres Öl, bessere Lagerstellen, besseres Thermomanagement) sowie durch die Reduktion der Gaswechselarbeit (Downsizing/Aufladung, Zylinderabschaltung, drosselfreie Laststeuerung) kommen Durch die CO2-Grenzwerte wird der Einsatz von kohlenstoffarmen Treibstoffen mit Bio-Anteilen vermutlich an Bedeutung gewinnen Nachgeschaltete Abwärmenutzungssysteme (Kreisprozesse oder Thermoelektrik) können in gewissen Anwendungen interessant werden

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