Moderne Dieselmotorentechnik im Zusammenspiel mit alternativen Antrieben
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- Joachim Dressler
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1 Moderne Dieselmotorentechnik im Zusammenspiel mit alternativen Antrieben Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende Lehrstuhl Fahrzeugantriebe Universität Stuttgart Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 1
2 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 2
3 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 3
4 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 4
5 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 5
6 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 6
7 Bogota, October 13, /10/good-bye-to-bogotas-old-buses.html Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 7
8 CV Emission Regulations USA / EU / China Inline Pump VE Pump UPS Common Rail Common Rail US 94 US ABT US 10 final Eu I Euro II Eu III Eu IV Eu V Euro VI Full flexible high pressure FIE (CRS) gets mandatory not regulated! Eu I* Eu II* Eu III* IV* III IV* under discussion nationwide CN III TA reopened Year ) Type Approval = Date of first introduction * Comparable European Standards used Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 8
9 Partikel Stickoxide Diesel Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 9
10 HDV Emission Reduction Standards (Europe) ESC limits for big engines (Vd>0.75 l/cyl.), ** EU VI implementation regulation 582/2011, Emission limits based on WHSC/WHTC. Number based PM limit 6x10^11 */kwh (WHTC), 8x10^11 */kwh (WHSC) Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 10
11 CV Emission Strategy Evolution (Europe) Driver EGT System Approach Market Share Combustion System Approach FC minimization, min. PM for DPF avoidance SCR V partly UIS / UIP (CRS) (DOC +) SCR V mainstream CRS (UIS / UIP) FC minimization, PN limit DPF active DPF regen. DOC + DPF + SCR Z 100% CRS + EGR with EURO VI introduction of WHDC List of Acronyms : COP: conformity of production CR: common rail system DOC: Diesel oxidation catalyst DPF: Diesel particulate fil ter FC: fuel consumption FIE: fuel injection equipment PM / PN: particulate mass / particle number SCR: selective catalytic reduction; subscript V: Vanadia - based, subscript Z: z eolite - based TA: type approval EURO VI: CRS is necessary for DPF regeneration. Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 11
12 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Main Enabler: Pressure increase and Timing control w/ modern Fuel Injection Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 12
13 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Two Pathes: A) EGR engine w/ CRS B) UPS/UIS/CRS w/ SCR Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 13
14 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 14
15 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations EU IV Application Multiple Injection: Post Injection for Soot Reduction, Pilot Injection for Noise Reduction Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 15
16 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Mainstream EU V: CRS (UPS/UIS) w/ Fuel Consumption Minimization Application & SCR Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 16
17 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations EU VI: CRS w/ Fuel Consumption Minimization Application & DPF / SCR Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 17
18 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Active DPF Regeneration: Combination of Engine-based and post-engine measures Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 18
19 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Engine-based Heat-up Measures Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 19
20 Actual Diesel Powertrain Modul (it s all about Aftertreatment) ADBLUE-Tank ADBLUE-Leitung ADBLUE-Dosiermodul Partikelfilter Oxi-Katalysator Abgaskrümmer Abgasturbolader ADBLUE-Mischer SCR-Katalysator NH 3 -Sperrkat Auspuff-Endrohr Abgasrückführung Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 20
21 Two Stage Turbo Charging (smaller Engine Size w identical Power) Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 21
22 Actual Diesel Powertrain Packaging Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 22
23 Aftertreatment Module Partikelfilter Oxi-Katalysator ADBLUE-Mischer SCR-Katalysator NH 3 -Sperrkat Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 23
24 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations 6 Cylinder Engine 1.3 l/cyl. DOC DPF - SCR In a typical EU Application very high NOx Conversion can be achieved Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 24
25 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations 6 Cylinder Engine 12.4 l DOC DPF - SCR Closed DPF enables PN Reduction to meet EU VI Limits Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 25
26 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations Possible future Aftertreatment Packaging Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 26
27 Development of Technologies to meet EU Emission Regulations SNG Substitute Natural Gas Bei Pkw s mit =1 geregeltem Ottomotor (Benzin, Gas) und 3-Wege Katalysator messen wir bei betriebswarmem Motor negative Schadstoff- Emissionen BASF Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 27
28 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 28
29 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 29
30 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 30
31 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 31
32 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 32
33 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 33
34 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 34
35 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 35
36 Effektiver Kraftstoffverbrauch [g/kwh] OM936h % 41% Effektiver Wirkungsgrad Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 36
37 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 37
38 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 38
39 Diesel Hybrid Busses Killesberg Stuttgart Linie Bus 43 Feuersee Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 39
40 Hybrid Electric Vehicle Structures Parallel Hybrid (P1/P2-HEV): Kraftstofftank Mech. Energie Elektr. Energie Chem. Energie Serial Hybrid (S-HEV): Kraftstofftank Mech. Energie Elektr. Energie Chem. Energie Kupplung (optional) Elektromotor / Generator (Doppel) Kupplung Getriebe / Differential Generator Elektromotor Verbrennungsmotor K1 K2 Verbrennungsmotor Batterie Inverter Power Split Hybrid (PS-HEV): Kraftstofftank Mech. Energie Elektr. Energie Chem. Energie Batterie Inverter Axle Hybrid (A-HEV): Kupplung Elektromotor / (optional) Planetengetriebe Generator (Doppel) Getriebe / Kupplung Elektromotor Differential Verbrennungsmotor K1 Generator K2 Batterie Inverter Inverter Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 40
41 Vorteile Vor- und Nachteile serieller gegenüber parallelem Hybrid Bei geringerer Leistungsanforderung kleinerer Verbrennungsmotor möglich Kein (mehrstufiges) Getriebe erforderlich Radnabenelektromotoren möglich Modulares Powerpack möglich (Dieselmotor, Gasmotor, Brennstoffzelle) Nachteile Bei höherer Leistungsanforderung (höhere Geschwindigkeit) höherer Verbrauch (wegen schlechterem Wirkungsgrad) Alle Nebenaggregate müssen elektrisch angetrieben werden Größere Batterie erforderlich für vergleichbarem Betrieb Höhere Batteriebelastung 6 -Zylinder 4 -Zylinder Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 41
42 Where can Hybrids save fuel under steady state conditions? ] % [ d a r g s g n u k r i Efficiency [%] W. f f e Max. Efficiency Electric Driving in a HEV Gasoline, Naturally Aspirated Diesel with Turbo Charger (TC) Natural Gas, Downsized with TC n o r m i e r t e s D r e h m o m e n t M / M m a x [-] Normalized Engine Torque M/ Mmax [-] Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 42
43 Parallel Dieselhybrid with 2 Clutches (P2 Hybrid) Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 43
44 City Bus: Driving Profile SORT-Cycles (Standardized On-Road Test) Promoted by the European Commission since 2004 to objectively assess bus fuel consumption SORT-Cycles combine elementary modular trapeze 3 SORT-Cycles depending on the bus average speed: Heavy Urban, Easy Urban, Sub-Urban Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 44
45 Hybrid City Bus Topology Comparison (Heavy Urban) (Easy Urban) (Sub-Urban) Parallel Hybrid Bus consumes less than serial for all SORT Cycles Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 45
46 Hybrid City Bus Topology Comparison (Heavy Urban) (Easy Urban) (Sub-Urban) Energy: Efficiency optimized Operating Strategy, NVH: 0-20 km/h always pure Electric Driving NVH Feature reduces the Fuel Economy Potential on SORT 1 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 46
47 Hybrid City Bus Topology Comparison (Heavy Urban) (Easy Urban) (Sub-Urban) Energy: Efficiency optimized Operating Strategy, NVH: 0-20 km/h always pure Electric Driving SORT 1: Advantages Serial Hybrid / SORT 2 & 3: Advantages Parallel Hybrid Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 47
48 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 48
49 Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 49
50 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 50
51 Overview CV CO 2 /GHG Regulations Start to spread USA / California Greenhouse gas standards: -Phase 1 : Phase 2 in disc.: beyond 2020 Only little differences to EPA standards. USA EPA Greenhouse gas & fuel economy rule finalised in August Phase 1 : Effective in Separate limits for engine & vehicle limits depending on transportation purpose. Example: large trailer truck GVW 40t: 6mpg fuel economy FC 39,2 L/100km. -Phase 2 in discussion : beyond 2020 FC reduction -26% (compared to Phase 1) -NPRM*: Trailer regulations announced in 2015 EU Development of fuel consumption & CO 2 testing procedure still under discussion. Final regulation expected Certification in Japan Fuel Economy requirem. since New limits will become effective in Limits depending on transportation purpose, example: large trailer truck GVW 40t: FC 50 L/100km. China Most challenging Regulation in USA defined In EU ACEA vision and first Regulation Draft in Preparation. Fuel consumption & CO 2 requirements since 03/2010. Phase1 took effect in 07/2012. Limits depending on transportation purpose. Phase 2 is planned w/ TA07/2015 and -14% comp. to phase1. e.g.: large trailer truck GVW 40t: FC 40,4L/100km. Further steps >2020 in discussion Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 51
52 CO 2 - Sources in Germany (2012 Estimation-(2007)) 19% (18.2%) Traffic 44.6% (45.9%) Power Plants 15.9% (15.4%) Households 20.5% (20.5%) Industry Source: DIW / BMU Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 52
53 Energieverbrauch in Deutschland 2014 (2013) in Prozent Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 53
54 Braunkohle: g CO 2 /kwh Strommix: 560 g CO 2 /kwh Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 54
55 CO 2 -Emissionen Diesel- versus Brennstoffzellenhybrid Verbrauch Dieselkraftstoff: 49 l/100km Well to Wheel: 1.43 kg CO 2 /km Randbedingungen: 2.65 kg/l CO 2, 10% Zuschlag Raffinerie/Transport Verbrauch Wasserstoff (H 2 ): 10 (8) kg/100km Strommix: 3.6 (2.9) kg CO 2 /km Well to Wheel: ( ) kg CO 2 /km Randbedingungen: Braunkohle kg/kwh CO 2, Heizwert H 2 : 120 MJ/kg, 52% Wirkungsgrad der H 2 -Produktion Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 55
56 Gliederung Reduzierung von Schadstoffemissionen Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche Hybridvarianten zur weiteren Emissionsreduzierung (CO 2, Schadstoffe und Geräusch) Weitere CO 2 - Reduktionspotenziale Versuch einer Zuordnung der verschiedenen Alternativen Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 56
57 Oberleitungsbus Dort sinnvoll, wo das Profil eigentlich für Schienenverkehr optimal ist, aber (noch) keine Schiene existiert. Lokal emissionsfreier Betrieb. Batterieelektrischer Bus City Bus mit sehr kurzen Halteabständen. Keine CO 2 -Reduktion erzielbar im Vergleich zum Dieselhybrid, solange Kohlekraftwerke noch am Netz sind. Dort wo lokale Emissionsfreiheit wegen unzureichendem Luftaustausch zwingend ist. Wasserstoff Brennstoffzellen Bus City und Sub-Urban Bus. Keine CO 2 -Reduktion erzielbar im Vergleich zum Dieselhybrid, solange Kohlekraftwerke noch am Netz sind. Lokale Emissionsfreiheit mit ausreichender Reichweite. Als Notfall-Bus geeignet, da Kraftstoffspeicherung möglich. Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 57
58 Serieller Dieselhybrid Bus City Bus mit kurzen Halteabständen, niedrigen Geschwindigkeiten und relativ niedrigen Leistungsanforderungen, aber hohen Drehmomentanforderungen. Auch geeignet in Kombination mit Gasmotoren. Partiell lokal emissionsfreier Betrieb je nach Batteriegröße. Paralleler Dieselhybrid Bus Sub-Urban mit Umland, bei relativ hohen Geschwindigkeiten, aber immer noch kürzeren Halteabständen. Auch geeignet in Kombination mit Gasmotoren. Partiell lokal emissionsfreier Betrieb je nach Batteriegröße. Diesel Bus (Erdgas Bus) Regional und Überlandbus mit langen Halteabständen. Mild Hybrid zur Bremsenergierückgewinnung und Boostbetrieb zur Geräuschreduktion beim Abfahren von der Haltestelle. Kein lokal emissionsfreier Betrieb mit Diesel, aber sehr wohl mit =1 geregeltem Erdgasmotor. Beim deutschen Strommix sind mit Gasmotoren die niedrigsten CO 2 -Emissionen well to wheel erzielbar Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 58
59 Vielen Dank für die Unterstützung bei der Erstellung dieses Vortrags: Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 59
60 Thank you for your kind attention! Research Institute of Automotive Engineering and Vehicle Engines Stuttgart 60
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