Motorenforschung: wo stehen wir?

Transkript

1 Motorenforschung: wo stehen wir? Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Ausgangslage Das downsizing -Motorkonzept Erdgas/Biogas-Antriebe Abgasnachbehandlung Zusammenfassung

3 Ausgangslage Weshalb sich wohl etwas ändern wird Klimaveränderung Versorgungs- Abhängigkeit Treibstoff-Preise Luftbelastung in Städten CO 2 -Emissionen werden etwas kosten. Diversifizierung Einheimische Ressourcen nutzen Steigende Treibstoffpreise Zugang zu Innenstädten nur noch für ZEV?

4 Ausgangslage Verbrennung von Kohlenstoff (C) C Kohlenstoff Benzin/ Diesel Luft Treibhauseffekt ( CH 2 ) +1½O 2 + 7½N 2 H 2 O + CO 2 + 7½N 2 Wasser

5 Ausgangslage Abschliessende Liste der Möglichkeiten M zur CO 2 -Reduktion Weniger Fahren! - 50% der Auto-Fahrten sind < 5 km - Mobility, Carsharing und/oder Sparsamere Fahrzeuge, sparsamer fahren! - Downsizing, Hybridantrieb, kleinere Fahrzeuge - Pneudruckkontrolle, A/C, Eco-Drive und/oder Kohlenstoffarme Treibstoffe! - Erdgas, Biogas, saubere erneuerbare Treibstoffe - saubere Elektro- und Wasserstoffantriebe

6 Konventionelle Antriebe Potentiale Ottomotor (Benzin/Gas) - Downsizing (z.b. ) - Hybridisierung (z.b. ) - Magerbetrieb (z.b. ) - Opt. Ladungswechsel (z.b. ) Dieselmotor - Abgasnachbehandlung (v.a. NOx) - Kalte Verbrennung - Opt. Ladungswechsel - Hybridisierung (z.b. ) Antriebstechnik allgemein - Intelligente Getriebe (z.b. ) - Neue Brennverfahren (Homogene Verbrennung)

7 Inhalt Ausgangslage Das downsizing -Motorkonzept Erdgas/Biogas-Antriebe Abgasnachbehandlung Zusammenfassung

8 Downsizing Kleiner Hubraum + Turboaufladung Drehmoment Drehmoment Bereich > 30% Drehmoment Typischer Betriebsbereich Drehmomentreserve

9 Downsizing Kleiner Motor + Turboaufladung Downsizing Potential: Benzin: % Erdgas: % Diesel: -2-5% Drehmoment Geregelte Turboaufladung Sicherstellung Drehmomentreserve Lastpunktverschiebung kleinerer Motor; länger übers. Getriebe Typischer Betriebsbereich Hybridisierung Potential: Benzin: % Erdgas: % Diesel: % Drehmoment Elektroantrieb Sicherstellung Drehmomentreserve; Start/Stop-Funktion, Rekuperation Lastpunktverschiebung kleinerer Motor; länger übers. Getriebe Typischer Betriebsbereich

10 Inhalt Ausgangslage Das downsizing -Motorkonzept Erdgas/Biogas-Antriebe Abgasnachbehandlung Zusammenfassung

11 Biotreibstoffe im Trend Kompogas: : Treibstoff aus Grüngutabf ngutabfällen! Quelle: Kompogas

12 Biotreibstoffe im Trend SwissFarmaPower Inwil: : Treibstoff aus Gülle! G

13 Clean Engine Vehicle-Projekt Empa/ETH-Gemeinschaftsprojekt Projektziele -30% CO 2 Euro-4 and SULEV Abgasnachbehandlung Katalysatorkonzept Lambdastrategie Motor Downsizing Turboaufladung mit Ladedruckregelung Erhöhung Verdichtung Optimierte Motorsteuerung

14 Clean Engine Vehicle-Projekt Arbeitspakete Motorprozess- Simulation Abgasrückführung Abgasnachbehandlung Turboaufladung/ Downsizing r P Z,T Z,m Z Brennverlauf bei Gasbetrieb Vergleich = =13.5 n=3000 U/min, pme=4bar, Prüfstand dq/d [%/KW] KW [ ] Q [%] RKugel [mm] Scheinbarer Kugelradius bei Gasbetrieb n=3000 U/min, pme=4bar, =10.7 und = KW [ ] =10.7 =13.5 [Vol. %] [ppm] THC THC / O 2 O [Vol. %] Md kor [Nm] Klopfbereich: NG G20 G25 Md max. Be min ZZP [ KW] Be [g/kwh]

15 Clean Engine Vehicle-Projekt Ergebnis CO 2 -Emissionen CO2-Emission Leistung CO2-Emission in g/km % -16.2% % +6.5% % +33.3% CO2: -31% Leistung: +20% Motorleistung in kw Benzin Basismotor Erdgas Ohne Änderung Erdgas Optimierte Verdichtung Erdgas Mit Downsizing Benzin 1.4 l 0

16 Clean Engine Vehicle-Projekt Ergebnis NOx-Emissionen NOx Ansaugluft NOx TMessung 154 NOx Messung 151 NOx Messung 153 sch_speed Ca. ca m 100 NOx Konzentration in ppmv NOx-Konzentration in der Ansaugluft Geschwindigkeit in km/h NOx-Konzentration im Abgas Zeit in s

17 Umsetzung in Serientechnologie Erdgas-Mittelklasse Mittelklasse-PW mit Umweltbelastung von Kleinwagen Fiat 500 (Benzin) Euro4 940 kg 4 Zyl.; 1.2 l 51 kw, 102 Nm 119 g CO 2 /km Mazda 2 (Benzin) Euro kg 4 Zyl.; 1.3 l 55 kw, 121 Nm 125 g CO 2 /km Opel Corsa (Benzin) Euro kg 4 Zyl.; 1.0 l 44 kw, 88 Nm 134 g CO 2 /km Opel Corsa (Diesel) Euro kg 4 Zyl.; 1.0 l 55 kw, 170 Nm 119 g CO 2 /km VW Passat Ecofuel (Erdgas) Euro kg 4 Zyl.; 1.4 l Twincharger 110 kw, 220 Nm 119 g CO 2 /km

18 Projekt CLEVER (Erdgas/Biogas-Hybrid) Empa/ETH-Gemeinschaftsprojekt Untersuchung der Potentiale neuer Brennverfahren für Gasmotoren Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses für Erdgas (z.b. Miller-Zyklus) Realisierung Erdgas/ Biogas-Hybridantrieb (Auslegung auf Rekuperation, Anfahrdrehmoment, Turbolochkompensation ) Touran 1.4 TSI Benzin: 173 g CO 2 /km - CO 2 Touran 1.4 TSI CNG/Hybrid: 115 g CO 2 /km BFE BAFU

19 Well-to to-wheel Analyse Vergleich Elektro- mit Erdgas/Hybrid-Fahrzeug

20 Inhalt Ausgangslage Das downsizing -Motorkonzept Erdgas/Biogas-Antriebe Abgasnachbehandlung Zusammenfassung

21 Kaltstart-Emissionen Benzin- und Erdgasfahrzeug (Europäischer Fahrzyklus) CO T.HC NOx v Dyno v Dyno Euro-4 Benzinfahrzeug (Logarithmische Skala) Emissions in g/s Speed in km/h 20 Euro-4 Erdgasfahrzeug (Logarithmische Skala) Emissions in g/s 0.00 CO-, T.HC, NOx-Emissions CO [g/s] THC [g/s] NOx [g/s] V [km/h] V [km/h] Kaltstartemissionen (23 C) Speed in km/h Zeit / Tim e in s

22 Abgasnachbehandlung Herausforderungen Schlechte Volumenausnutzung und ungleichförmige thermische Belastung (Vergiftung, Sinterung) Ziel: Homogenisierung des Strömungsprofiles Laminar durchströmte Katalysatorkanäle mit geringem Stoff-und Wärmetransport Ziel: Erhöhung der Turbulenz im Katalysator Begrenzte Verfügbarkeit von Edelmetallen Erhöhung der Schadstoff-Umsetzung pro Einheit Edelmetall; Substitution durch neue Materialien

23 Keramikschaumbasierter Katalysatorträger Fluiddynamik Optimierung der An-/Durchströmung Homogenisierung der Strömung Turbulenzerhöhung Bessere Ausnutzung Katalysatorvolumen 30 Strömungsverteilung ohne Keramikschaum Strömungsverteilung mit Keramikschaum Mean axial flow velocity [m /s] Channel Later al Coor dinate [m m ]

24 Visualisierung der Strömung Austritt aus dem Katalysatorträger Kanal-Katalysator Schaum-Katalysator

25 Keramikschaum-Katalysatortr Katalysatorträger Herstellungsverfahren Polyurethanschaum Sinterung in keram. Slurry Infiltrierung Beschichtung

26 Katalysatormodellierung Höhere Reynold-, Sheerwood- und Nusseltnummer Höhere Turbulenz, Wärmeübergang und Stroftransport Verbesserte Konversion Höherer Druckabfall Mass transfer limited CH4 conversion efficiency [%] Temperature [K] GHSV h-1 GHSV h-1 GHSV h-1 GHSV h-1 Kanal-Katalysator Sherwood Number [-] Sh monolith Sh foams Nu monolith Nu foams Exhaust Gas Velocity [m/s] Nusselt Number [-] Mass transfer limited CH4 conversion efficiency [%] GHSV h-1 88 GHSV h-1 86 GHSV h-1 GHSV h Schaum-Katalysator Temperature [K]

27 Inhalt Ausgangslage Das downsizing -Motorkonzept Erdgas/Biogas-Antriebe Abgasnachbehandlung Zusammenfassung

28 Zusammenfassung Die Klimaveränderung zwingt uns immer mehr zum Handeln. Die Mobilität steht aufgrund wachsender CO 2 -Emissionen ganz besonders im Fokus. Die Versorgungsabhängigkeit vom Erdöl stellt ein zusätzliche Herausforderung dar. Erdgas/Biogasantriebe stellen eine Möglichkeit dar für: a) signifikante CO 2 -Reduktion b) Einbindung von lokal erzeugtem Biogas (einheimische Wertschöpfung) c) Schadstoffreduktion (insbesondere ozonreaktive + toxische Verbindungen) Erdgas/Biogasfahrzeuge stellen eine technologische und sozioökonomische Brücke zu Wasserstoffantrieben dar. Die Abgasnachbehandlung von Dieselfahrzeugen ist entscheidend für die Verbreitung von Dieselfahrzeugen in den nächsten 10 Jahren (NOx-Reduktion) Die Entwicklung sauberer Fahrzeug-Technologien bietet für die Schweiz ein grosses wirtschaftliches Potential.

29 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! Bei Fragen: christian.bach@empa.ch Hinweis Zertifikatkurs Ökologische Kennzahlen von Fahrzeugen und Flotten