Direkteinspritzung und/oder Elektrifizierung des Antriebsstranges? G. K. Fraidl, P.E. Kapus, P. Ebner, B. Sifferlinger.

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1 Direkteinspritzung und/oder Elektrifizierung des Antriebsstranges? G. K. Fraidl, P.E. Kapus, P. Ebner, B. Sifferlinger Kurzfassung In der Vergangenheit wurden wesentliche Verbrauchsverbesserungen vorzugsweise mittels motorinterner Maßnahmen umgesetzt. Dabei stellt die Benzin-Direkt-einspritzung sowohl als mageres, strahlgeführtes Schichtkonzept, insbesondere jedoch als homogenes, aufgeladenes Konzept einen wichtigen Lösungsansatz dar. In Zukunft werden die für niedrige CO 2- Emissionen erforderlichen Aufwände verstärkt auf den gesamten Antriebsstrang verteilt weiterentwickelte und vor allem die Elektrifizierung des Antriebsstranges leisten hier wesentliche Beiträge. Dabei ergeben sich jedoch zum Teil deutlich geänderte Anforderungen an den. Bei bestimmten Ausprägungen der Hybridisierung kann der vereinfacht werden, der Vorteil der Direkteinspritzung für eine Absenkung des Teillastverbrauches ist dabei weniger signifikant als bei einem konventionellen Antriebsstrang. Generell nimmt mit zunehmender Lastpunktverschiebung insbesondere der Vorteil des Magerbetriebes und damit auch der Direkteinspritzung für den Teillastverbrauch überproportional ab. Dadurch ergeben sich auf die Frage Direkteinspritzung und / oder Elektrifizierung des Antriebsstranges abhängig von der jeweiligen Anwendung durchaus differenzierte Antworten. Einleitung Bei der Entwicklung der Antriebsstränge für zukünftige PKW bringt die Elektrifizierung des Antriebsstranges eine enorme Erweiterung des Gestaltungsfreiraumes und damit die Möglichkeit, neue Technologieelemente in verschiedenste Konfigurationen des Antriebssystems einzubringen. Dabei können die für eine optimale Anpassung des Antriebes an die jeweilige Fahrsituation erforderlichen en sehr unterschiedlich auf die fünf Grundelemente des Antriebsstrangs: ( VKM ) Energiespeicher sowie und Regelung verteilt werden, Bild 1. Die Elektrifizierung des Antriebsstranges wird vor allem durch die technologische Entwicklung der Hauptkomponenten beeinflusst. Insbesondere die geringen Energiedichten und die hohen Kosten der aktuell verfügbaren systeme begrenzen einen stärkeren Grad der Triebstrangelektrifizierung.

2 Vollvariabler + Schaltgetriebe Elektrofahrzeug mit Range Extender Standard + Autom. Powersplit Hybrid Bild 1: Zukünftige PKW-Antriebsstrangkonzepte: Qualitative Aufteilung der en auf die einzelnen Antriebsstrangkomponenten Eine Reduktion des Verbrauches wurde in den letzten Jahren vorwiegend durch die Weiterentwicklung von en realisiert. Der hochflexible, aber auch zunehmend komplexe stand im Fokus der Verbrauchsreduzierung (Bild 1 links oben). Die Direkteinspritzung sowohl als homogenes aufgeladenes Konzept aber auch als strahlgeführtes Schichtbrennverfahren spielt hier eine ganz entscheidende Rolle. Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion des Verbrauches ist die Lastpunktverschiebung über entsprechende technologien und die entsprechenden Betriebsstrategien. Durch flexible (Doppelkupplungsgetriebe, zukünftige Generationen von Stufenautomaten, CVT) werden attraktive Verbrauchs- und Emissionswerte auch mit vergleichbar einfacher -Technologie erreicht, Bild 1 links unten. Mit der Elektrifizierung des Antriebsstranges ändern sich die Anforderungen an die Komponenten im Antriebsstrang, insbesondere an den. Mit steigendem Elektrifizierungsgrad (vom Mild Hybrid über Voll Hybrid bis zum Elektrofahrzeug) verschieben sich die erforderlichen en von einer Komponente weg hin zum Gesamtsystem, bzw. zu der übergeordneten Systemsteuerung. So werden z.b. bei einem Vollhybridsystem mit Leistungsverzweigung die en primär im Bereich der en und Software angeordnet, der und auch das mechanische kann bei entsprechender Systemauslegung deutlich vereinfacht werden (Bild 1 rechts unten).

3 Noch stärker vereinfacht kann der für einen Range Extender eines Elektrofahrzeuges werden. Der erforderliche Betriebsbereich des s verringert sich signifikant (stationärer Ein- oder Zweipunktbetrieb) wodurch jene Variabilitäten, die für günstiges Verbrauchsverhalten außerhalb dieses Bereiches erforderlich wären, entfallen können. (Bild 1 rechts oben). Damit spielt hier der sowohl hinsichtlich Kosten, Gewicht und Bauraum, aber auch bezüglich der CO 2 -Emission, nur mehr eine untergeordnete Rolle. Dabei verschiebt sich natürlich die Relation zwischen verbrennungsmotorischen und elektrischen Komponenten sehr nachhaltig, Bild 2. Bild 2: Vergleich von verbrennungsmotorischen und elektrischen Komponenten verschiedener PKW-Antriebssysteme Damit wird die Fragestellung, welcher Technologieeinsatz am bei welcher Form der Elektrifizierung sinnvoll und effizient ist zu einem zentralen Thema der modernen Antriebsstrangentwicklung. Auch die Frage Direkteinspritzung oder Elektrifizierung ist dabei durchaus zulässig. Elektrifizierung des Antriebsstrangs Die Vision für den elektrifizierten Antriebsstrang ist natürlich der vollständige Ersatz von verbrennungsmotorisch generierter Antriebsenergie durch regenerativ erzeugte elektrische Energie, die aus dem elektrischen Netz entnommen und in Fahrzeugbatterien zwischengespeichert wird. Die kurz- und mittelfristig verfügbaren technologien limitieren jedoch die vollständige und ausschließliche Elektrifizierung aller Applikationen der individuellen Mobilität. Kurz und mittelfristig wird daher die Elektrifizierung stärker dazu eingesetzt werden um einerseits den Bedarf an zu

4 erzeugender Energie durch das Gesamtsystems zu verringern (z.b. durch Rekuperation) und andererseits den Wirkungsgrad eines primär verbrennungsmotorischen Antriebes zu verbessern. Bei der praktischen Umsetzung der Elektrifizierung des Antriebsstranges zeichnen sich dabei mehrere Schwerpunkte ab: Die Elektrifizierung der Nebenaggregate greift nur vergleichsweise geringfügig in die grundsätzliche Antriebsstrangarchitektur ein und zielt im Wesentlichen darauf ab, durch einen von der Motordrehzahl unabhängigen Betrieb der Nebenaggregate wie z.b. Wasser- und Ölpumpe, Servolenkung, Klimakompressor, etc. den Wirkungsgrad der Nebenaggregate im Betrieb selbst zu erhöhen und die Leerverluste (Schleppverluste) des mechanischen Nebenaggregateantriebes zu verringern. Hier ist kaum ein Quereinfluss auf die Auswahl der Verbrennungsoder Gemischbildungstechnologie gegeben Mit den vielfältigen Formen der Hybridisierung werden elektrische Antriebssysteme für das verbrauchs-/emissionsoptimierte Lastmanagement des s eingesetzt. Dies reicht von einer einfachen Leerlaufabschaltung (Start / Stopp System) bis hin zur voll flexiblen Betriebspunktverschiebung die ein leistungsverzweigtes Hybrid System ermöglicht. Bei Plug-In Hybridsystemen ermöglicht ein größerer Energiespeicher sowie entsprechende Nachlademöglichkeiten aus dem öffentlichen Netz einen erweiterten rein elektrischen Fahrbetrieb und die Nutzung von elektrischer Energie, die aus dem Netz entnommen wird. Durch die teilweise ausgeprägten Lastpunktverschiebungen wird die Effektivität verschiedener Verbrennungstechnologien zum Teil bereits entscheidend beeinflusst. Noch signifikantere Auswirkungen auf die Anforderungen an den s ergeben sich bei einem rein elektrischen Antriebsstrang (fahrzeug) mit Range Extender. Die Kombination aus und Generator ist hier nicht mehr direkte und primäre Antriebsquelle sondern erfüllt ausschließlich die Funktion eines zusätzlichen Energiespeichers ( Hybride ) um mit konventionellen Fahrzeugen vergleichbare Reichweiten zu erzielen. Lässt man Plug-In Aspekte außer Betracht, so kommt auch generell der signifikanteste Verbrauchseinfluss der Elektrifizierung nicht aus der Rekuperation sondern vielmehr aus der Lastpunktverschiebung. Das durch Lastpunktverschiebung mögliche Verbrauchspotential wird allerdings auch ohne Elektrifizierung sowohl durch entsprechende technologien (z.b. Doppelkupplungsgetriebe, CVT etc.) sowie Downsizing / Downspeeding verstärkt genutzt und stellt eine klare Mainstream- Technologie zur CO 2 -Reduzierung dar. Das dadurch auch praktisch umsetzbare Potential ist allerdings durch Fahrbarkeitserfordernisse begrenzt. Die Elektrifizierung erweitert signifikant das Ausmaß möglicher Lastpunktverschiebungen und entschärft den Trade-off zwischen Lastpunktverschiebung und Fahrbarkeitserfordernissen. Dabei kommen sehr unterschiedliche technische Ausprägungen der Antriebsstrangelektrifizierung zur Anwendung.

5 Elektrische Aufladung Den einfachsten und kostengünstigsten Weg elektrische Energie zur Lastpunktverschiebung zu nutzen stellt eine Aufladung mittels eines elektrisch angetrieben Zusatzladers dar. Ohne elektrische Unterstützung würde eine extrem in Richtung Kraftstoffverbrauch ausgelegte lange Antriebsübersetzung zu reduziertem Fahrspaß und in Folge zu mangelnder Kundenakzeptanz führen, Bild 3. Fahrspaß Basis Basis Ziel Ziel Elektrischer Lader Lader Saugmotor: Downspeeding Kraftstoffverbrauchsreduzierung Bild 3: Trade-Off zwischen Fahrspaß und Kraftstoffeffizienz Abgas- Abgasturboladeturbolader Turbomotor Downsizing + Downspeeding Durch die thermodynamische Verstärkung werden selbst mit kleinen elektrischen Energien (unter Beschränkung auf einfache und kostengünstig umsetzbare 12V Lösungen mit konventioneller technologie, 2 4 kw elektrische Leistung) deutliche Drehmomentanhebungen bei niedrigen Drehzahlen möglich, Bild 4. Dabei können einzelne Vorteile der Direkteinspritzung wie z. B. Verbesserung des Klopfverhaltens genützt werden. Die Tatsache, dass der Luftmassenstrom unabhängig von der Motordrehzahl (wie beim mechanisch angetriebenen Kompressor) und Abgasmassenstrom (wie beim Abgasturbolader) gesteigert werden kann, begünstigt ganz besonders die Anwendung verlängerter Antriebsübersetzungen [1]. Um jedoch das dadurch mögliche Potenzial sowohl im Testzyklus, aber insbesondere auch im realen Kundenbetrieb umzusetzen, ist eine umfassende Systemoptimierung mit präziser Abstimmung der Drehmomentcharakteristik des s, der auslegung sowie der elektrischen Boost- und Rekuperationsstrategien erforderlich.