Der Dieselmotor im elektrifizierten Antriebsstrang

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1 Der Dieselmotor im elektrifizierten Antriebsstrang Michael Merkle Zusammenfassung Diesel-Hybridfahrzeuge bieten die Möglichkeit, Kunden mit elektrischen Fahrfunktionen zu begeistern, den Komfort des Fahrzeugs zu verbessern und den Verbrauch weiter zu senken. Dieselfahrzeuge mit elektrischen Antrieben zu einem Hybridantrieb zu kombinieren unterstützt zukünftige CO 2 -Gesetzgebungs- Ziele zu erreichen. In diesem Kapitel werden die Treiber für Diesel-Hybridfahrzeuge und technische Lösungen vorgestellt. Die Rückwirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb und die Auslegung der Dieselkomponenten sind beispielhaft dargestellt. Inhalt 1 Treiber für Diesel-Hybridisierung Hybridisierungsvarianten für Diesel-Fahrzeuge 1 3 Einfluss der Hybridisierung auf dieselmotorische Komponenten Wechselwirkung Hybridbetrieb und Abgasnachbehandlung... 3 Literatur... 5 M. Merkle (*) DS-B4/PJ-BRS, Robert Bosch GmbH, Stuttgart, Deutschland Michael.Merkle@de.bosch.com 1 Treiber für Diesel- Hybridisierung Im Pkw-Markt sind Hybridfahrzeuge mit Ottomotor bereits häufig, in Fahrzeugen mit Dieselmotor allerdings bislang kaum vertreten. Die CO 2 - Gesetzgebungs-Ziele in Europa ab dem Jahr 2021 fordern eine Flotten-Emission von 95 gco 2 /km. Es wird erwartet, dass durch diesen Treiber auch Fahrzeuge mit Dieselmotoren in größerem Umfang hybridisiert werden, um dieses anspruchsvolle Flottenziel zu erreichen. Dieselfahrzeuge werden zukünftig auch weiter die NO x -Emissionen senken müssen und dies unter neuen Randbedingungen, den sogenannten Real-Driving-Emissions (RDE), s. Kap. Abgasgesetzgebung für Pkw-Dieselmotoren. Die Hybridisierung kann hier einen wertvollen Beitrag liefern, um NO x -Emissionen zu senken und damit die Erreichung der Umweltschutzziele unterstützen. Schließlich trägt Hybridisierung auch zur Erfüllung folgender Fahrzeughersteller- und Kundenanforderungen bei: Verfügbarkeit elektrischer Fahrfunktionen Verfügbarkeit eines leistungsfähigen elektrischen Energiebordnetzes Wunsch des Kunden nach einem hybridisierten Fahrzeug und eine deutliche Komfortverbesserung. # Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 H. Tschöke et al. (Hrsg.), Handbuch Dieselmotoren, VDI Reference, DOI / _72-1 1

2 2 M. Merkle Abb. 1 Boost-Rekuperationssystem (BRS) 2 Hybridisierungsvarianten für Diesel-Fahrzeuge V Boost- Rekuperationssystem (48 V Mild-Hybrid) Bereits diese einfache Hybridisierung mit einer Betriebsspannung von 48 Volt kann zu einer signifikanten Kraftstoffeinsparung beim Betrieb des Fahrzeugs, sowie zur Effizienzerhöhung der Abgasnachbehandlung beitragen. Das System, Abb. 1, besteht aus einer elektrischen Maschine, die mit dem Verbrennungsmotor über den Riementrieb verbunden ist. Die generatorische und motorische Leistung liegt bei 10 bis 12 kw. Die Kopplung des 48 V-Bordnetzes zum 12 V-Bordnetz erfolgt durch einen DC/DC-Wandler mit einer Nennleistung von 2 3 kw je nach Applikation. Wegen der direkten Kopplung der elektrischen Maschine mit dem Verbrennungsmotor handelt es sich um eine Mild-Hybrid-Architektur. Als Speicher für die Rekuperation von Bremsenergie dient eine 48 V-Lithium-Ionen-Leistungsbatterie mit einer Rekuperationsleistung von etwa 10 kw und einem Energieinhalt von etwa 700 Wh bis 2 kwh. Das Boost-Rekuperationssystem ist eine leicht zu integrierende Einstiegs -Hybridisierung, die Kraftstoffeinsparung bzw. CO 2 -Reduktion liegt in Abhängigkeit von Fahrzeug, Motorisierung und Fahrzyklus bei bis zu 10 %. Für den Diesel- Antriebsstrang ergeben sich weitere Vorteile, wie beispielsweise ein sehr komfortabler Motorstart und beim Betrieb der Abgasnachbehandlung (Erweiterung AdBlue-Reichweite) sowie die Verfügbarkeit eines 48 V-Bordnetzes, um neue elektrische Funktionen ins Fahrzeug zu integrieren. 2.2 Plug-in Hybrid (PHEV) Der Plug-in Hybrid stellt eine Brückentechnologie zum reinen Elektrofahrzeug dar. Die Antriebsstrangtopologie ist analog zu den verschiedenen Strong-Hybrid-Varianten [1], charakteristisch ist jedoch der hohe Energieinhalt der Lithium-Ionen- Batterie sowie die Möglichkeit, die Energie über eine externe Ladestation zuzuführen. Das ermöglicht elektrische Fahrten von mehreren 10 Kilometern nach dem Laden des Fahrzeugs, ohne den Verbrennungsmotor einzusetzen. Das Plug-in- Hybridfahrzeug besitzt damit zwei vollwertige Antriebsstränge, den elektrischen und den verbrennungsmotorischen. Energetisch ist das eher nachteilig, da mehr Masse bewegt werden muss. Da sich ein PHEV-Fahrzeug über viele Kilometer rein elektrisch bewegen lässt, erwarten die Fahrzeughersteller hohe Kundenakzeptanz und damit Zahlungsbereitschaft des Endkunden, insbesondere bei Fahrzeugen im Premium-Segment. Ein weiterer wichtiger Treiber liegt in der Gesetzgebung: Die elektrische Reichweite des Fahrzeugs lässt sich bei der Ermittlung der CO 2 -Werte vorteilhaft anrechnen. Für die CO 2 -Flottenziel-Erreichung können PHEVs daher signifikant beitragen, insbesondere bei Fahrzeugen im C-/D-Segment, die heute in Europa eine hohe Diesel-Marktdurchdringung haben.

3 Der Dieselmotor im elektrifizierten Antriebsstrang 3 3 Einfluss der Hybridisierung auf dieselmotorische Komponenten Die Wechselwirkungen zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine eines Hybridfahrzeugs führen dazu, dass das Fahrzeug in neuen Betriebszuständen betrieben wird und Lastprofile sich gegenüber dem nicht hybridisierten Fahrzeug verändern: Abb. 2 zeigt für einen typischen Fahrzyklus mit Autobahn, Landstraßen und Stadt-Anteilen die Verteilung der Betriebszustände (Kooperation Verbrennungsmotor und elektrischer Antrieb) für verschiedene Fahrertypen (Messung Bosch) eines Plug-in Hybridfahrzeugs. Es ist Aufgabe der Anforderungs-Analyse einen robusten Betrieb für verschiedene Fahrertypen sicherzustellen. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Auslegung der Komponenten des elektrischen Antriebs sowie die Betriebsstrategie, die sich in Form von Software entweder in der Motorsteuerung oder in einem separaten Hybrid-Steuergerät befindet. Ein wesentlicher Auslegungsaspekt betrifft auch die Komponenten des Einspritzsystems und der Abgasnachbehandlung, die neuen und veränderten Belastungsprofilen unterliegen. Dabei sind insbesondere die folgenden Anforderungen neu abzuleiten: Die Anzahl der Verbrennungsmotor-aus-Situationen wird sich gegenüber einem Fahrzeug mit Start-Stopp-Funktion verändern. Die Stopp- Situationen des Verbrennungsmotors finden zusätzlich auch bei bewegtem Fahrzeug häufig und regelmäßig statt. Der Motorstart wird sowohl in einem Fahrzeug mit BRS als auch in einem PHEV durch eine leistungsfähige elektrische Maschine und nicht mehr durch einen Ritzelstarter erfolgen, d. h. die Dynamik des Starts erhöht sich und die Regelung des Einspritzablaufs beim Start wird verändert. Das Belastungsverhalten (als Funktion von Drehmoment-, Leistungs-, Temperatur-, Zeitverläufen) der Komponenten verändert sich, da durch den elektrischen Antrieb eine zusätzliche Leistungsquelle, bzw. Senke mit dem Verbrennungsmotor zusammenwirkt. Abb. 3 zeigt beispielhaft das veränderte Belastungsprofil des Motorstarts eines Hybridfahrzeugs gegenüber einem konventionellen Fahrzeug mit Start-Stopp-Funktion. Die mit der Hybridisierung veränderte Häufigkeit der Starts sowie steilere Drehzahlverläufe beim Motorstart führen zu einer veränderten Belastung bestehender Komponenten, wie beispielsweise der Hochdruckpumpe des Einspritzsystems. Diese Effekte müssen in der Auslegung und Validierung der Einzelkomponenten und in der Gesamtsystemauslegung berücksichtigt werden. Bei PHEV-Fahrzeugen ist mit deutlicher Reduzierung des Schubbetriebanteils des Verbrennungsmotors zu rechnen, d. h. Funktionen der Motorsteuerung, die für regelmäßige Kalibrierung- und Diagnose von Komponenten Schubbetrieb voraussetzen, können nicht verwendet werden und müssen ggfs. anders dargestellt werden. PHEV-Fahrzeuge stellen für kurze Fahrstrecken bis zu einigen 10 Kilometern besonders die elektrischen Fahrmöglichkeiten in den Vordergrund, was bei einigen kundenspezifischen Fahrprofilen dazu führen kann, dass der Verbrennungsmotor nur selten in Betrieb genommen wird und damit auch die Alterung des Diesel-Kraftstoffes nicht vernachlässigt werden darf. 4 Wechselwirkung Hybridbetrieb und Abgasnachbehandlung Durch den Einsatz von 48 V BRS, bzw. einer leistungsstärkeren Hybridisierung ergeben sich für den Diesel-Pkw zusätzliche Freiheitsgrade zur Emissionsminderung [2]. Durch die elektrische Unterstützung kann der Motorbetriebspunkt in bestimmten Grenzen verschoben werden. Für den Diesel-Pkw lassen sich damit zwei grundsätzliche Effekte zur Stickoxidminderung (NOx-Reduktion) nutzen:

4 4 M. Merkle Abb. 2 Verteilung der Fahrzustände eines Hybridfahrzeugs in Abhängigkeit vom Fahrerverhalten. a vorausschauender Fahrertyp; b Durchschnittsfahrer; c aggressiver Fahrer; d sportlicher Fahrer Absenkung der motorischen NOx-Rohemissionen bei Beschleunigungsvorgängen bzw. hohen Lasten durch elektrisches Boosten bzw. Ablasten des Verbrennungsmotors. Hierbei wird ein Teil des geforderten Drehmomentes durch die elektrische Maschine bereitgestellt. Der Motor muss weniger leisten. Dieser Effekt senkt die Emissionen bereits an der Quelle, unabhängig vom eingesetzten Abgasnachbehandlungssystem (NSC oder SCR) um bis zu 18 %. Verschiebung des motorischen Betriebspunktes durch Ablasten (boosten) oder Auflasten (Generatorbetrieb) zur verbesserten Regeneration von NOx-Speicherkatalysator-Systemen (NSC-System). Hierbei ermöglicht die zusätz-

5 Der Dieselmotor im elektrifizierten Antriebsstrang 5 Abb. 3 Belastungsprofile der Komponenten durch Hybridisierung am Beispiel der Starthäufigkeit aufgetragen über dem Drehzahlgradienten beim Motorstart, farblich liche elektrische Unterstützung eine vollständigere Regeneration von NSC-Systemen durch Verschiebung des Motorbetriebspunktes in den NSC-Regenerationsbereich. Durch die genannten Effekte, die sich durch die Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotor ergeben, eröffnet sich die Chance bei NSC-Systemen den NSC-Wirkungsgrad auf bis zu 80 % zu erhöhen und bei SCR-basierten Systemen den Harnstoffverbrauch zu senken. eingeteilt in charakteristische Fahrprofile (links: Start/ Stopp-Anwendung; rechts: Hybridanwendung) Literatur 1. Reif, K., Dietsche, K.-H. (Hrsg.): Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 28. Aufl. Springer Vieweg, Wiesbaden (2014) 2. Wüst M., Cross, L., Greis, A., Krüger M., Lachenmaier, S., Naber D. Stotz, I.: Operating Strategy for Optimized CO 2 and NOx Emissions of Diesel-Engine Mild-Hybrid Vehicles, 15. Internationales Stuttgarter Symposium Automobil- und Motorentechnik (2015)