WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS

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1 WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS Prof. Dr. Uwe D. Grebe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 1

2 Weiterentwicklung des Ottomotors Gliederung 1. Entwicklungsrandbedingungen 1.1 Gesetzliche Vorschriften 1.2 Anforderungen von der Kundenseite 2. Verbrauchsreduzierung 2.1 Thermodynamik (Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung,...) 2.2 Reibungsreduzierung 2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung 3. Alternative Kraftstoffe 4. Volllastverbesserung 4.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren 4.2 Aufladung 5. Reduzierung der Abgasemissionen 5.1 Motorinterne Maßnahmen 5.2 Abgasnachbehandlung 6. Verbesserte Architektur 6.1 Gewichtsreduzierung 6.2 Kostenreduzierung 6.3 Komfortverbesserung 7. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren 8. Entwicklungstendenzen für die Zukunft LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 2

3 Energiequellen für Automobilsektor Energiebedarf (x10 18 J ) Elektrizität Erdgas Wasserstoff Synthetic Fuels and Biofuels Gasförmige Kraftstoffe flüssige Kraftstoffe 50 Heavy Oil Diesel /Benzin Der Bedarf an Energie steigt infolge des Bevölkerungswachstums und des wirtschaftlichen Wachstums in hauptsächlich den aufstrebenden Nationen (insbesondere China und Indien) Quelle: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 3

4 Verwendung von Erdöl Erdöl deckt 35% des Weltenergiebedarfs 96% des Energiebedarfs des Automobilsektors Die Abhängigkeit des Automobilverkehr von fossilen Brennstoffen ist nicht nachhaltig. Alternativen müssen erschlossen werden. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 4

5 Kraftstoffproduktion und -verwendung Erdölbasierte Kraftstoffe 100% Kraftstoff + Heizöl 72% Kraftstoff Fahrzeugverkehr Diesel 25% 47% 22% 7% 25% Benzin andere 28% Gebäudebeheizung Benzin - PKW Diesel - PKW 18% Diesel - LKW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 5

6 Problemfeld für Erdölkraftstoffe Emissions, % of 1995 level NO x Emissionen Non-OECD Länder 5 OECD 0 Länder Brazil Asia EU Emissionen Straßenverkehr CO NOx PM-diesel VOC Benzene SO 2 CO Social Priorities Result in Different Local Regulations USA Europe Verwendung von fossilen Brennstoffen bedingt drei Problemfelder: lokale Schadstoffemission, Klimaeinfluß und Energieverfügbarkeit Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 6

7 Million barrels per day Mineralöl-Produktion nach Quellen 120 Uncertainty about availability 100 Unconventional oil 80 Natural gas liquids Crude oil: $ 10 trillion cumulative investments required % 10% 87% Upstream Transport Refining Crude oil: fields yet to be found Crude oil: fields yet to be developed Crude oil: currently producing fields Source: World Energy Outlook International Energy Agency, 2011 Year Es wird immer schwieriger, neue Quellen zu erschließen. Die Zeiten des billigen Erdöls sind vorbei. Source: IEA, GM LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 7

8 Energie Vielfalt Blending Strategy Battery Electrification Energy Resource Conversion Energy Carrier Propulsion System Oil (Conventional) Oil (Non-Conventional) Biomass Petroleum Fuels 1 st & 2 nd Gen. Biofuels Synthetic fuels (XTL) Syngas CO, H 2 Liquid Fuels Gaseous Fuels (e.g. CNG) Conventional ICE: Gasoline/Diesel Alternative Fuel ICE ICE Hybrid Natural Gas Plug-In Hybrid ICE Coal Electricity Range-Extended EV: IC Engine/Fuel-Cell Renewables (Solar, Wind, Hydro) Battery Electric Nuclear Hydrogen Fuel-Cell Electric Verbrennungsmotoren (ICE) können unterschiedliche flüssige und gasförmige Kraftstoffe umsetzen. Energieträger können umgewandelt werden. Quelle: GM LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 8

9 Kraftstoffe für den Fahrzeugantrieb Einteilung der Kraftstoffe flüssig gasförmig Benzin Erdöl Diesel LPG 6 bar Biomasse Biodiesel Pflanzenöl Erdgas LNG DME -163 C 5 bar CNG 200 bar Alkohole Wasserstoff Methanol Ethanol Liquid-H2-253 C Compr.-H bar Kraftstoffe in Fettschrift sind für Motoren mit Fremdzündung geeignet LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 9

10 Energieinhalt im Tank Energiedichte incl. Speichermedium (Tank) DIESEL BENZIN LPG (8 BAR) LNG (-162 C) CNG (200BAR) METHANOL L-H2 (-253 C!!) C-H2 TI-FE HYDRID NA/S AKKU PB AKKU MJ/L MJ/kg Quelle: Daimler Benz Forschung und Technik LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 10

11 Klopffestigkeit Klopffestigkeit ROZ für ottomotorische Verbrennung Benzin Super LPG (5bar) LNG (-162 C) CNG (200bar) Methanol ROZ (Research-Oktanzahl) LPG, Erdgas und Alkoholkraftstoffe zeichnen sich durch hohe Klopffestigkeit aus LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 11

12 Benzin und Diesel Vorteile hohe Speicherdichte unter Normalbedingungen flüssig Weltweite Infrastruktur mit hoher Verfügbarkeit einfacher Tankvorgang zukünftiges Optimierungspotential (reformulierte Kraftstoffe) günstige Herstellungskosten strenge Abgaslimits werden erfüllt, Abgasnachbehandlung mit akzeptabler Komplexität Über 100 Jahre Erfahrung geringe Qualitätsschwankungen durch Normung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 12

13 Benzin und Diesel Nachteile Erdölverteilung auf der Welt (Abhängigkeit von kritischen Ländern) begrenzte Ressourcen Vergleichsweise hohe CO 2 - Emissionen (durch hohen C-Anteil) hohe NO x -Emissionen durch hohe Verbrennungstemperatur Ruß und Partikel bei Dieselkraftstoff / Diesel-Brennverfahren schlechte Gemischbildung bei Kaltstart (Emissionen, Verbrauch) Aufwendige Exploration und Raffination erforderlich Langer Transport (Tankschiffe, Tankwagen) (Hohe Besteuerung) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 13

14 Erdgas (CNG) als Kraftstoff LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 14

15 Erdgas Vorkommen CBM = Coal Bed Methane Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 15

16 Unkonventionelle Erdgasvorkommen TIGHT GAS SHALE GAS COALBED METHANE Occurs in tight sandstone Low porosity = Little pore space between the rock grains Low permeability = gas does not move easily through the rock Natural gas trapped betweens between layers of shale Low porosity & ultralow permeability ( md) Production via natural fractures Natural gas in coal (organic material converted to methane) Permeability low Production via natural fractures ( cleats ) in coal Recovery rates low Unkonventionelle Lagerstätten erfordern Maßnahmen, um die Durchlässigkeit der umgebenden Gesteinsschichten zu erhöhen. Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 16

17 Arten der Erdgasfelder Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 17

18 Erdgas Vorkommen Conventional and unconventional recoverable gas resources can supply >230 years of current global gas production. Tight/Shale gas and CBM are transforming the global gas market. Shell believes that increased use of natural gas, replacing coal, for electric generation is crucial to lowering global CO 2 levels. REMAINING RECOVERABLE RESOURCES (TCM) Source: IEA World Energy Outlook, WoodMackenzie, Shell Interpretation EQUIVALENT IN YEARS OF CURRENT PRODUCTION (YEARS) Conventional Gas Tight/Shale Gas and CBM Resources Total TCM = Trillion Cubic Meters Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 18

19 Erdgas (CNG) im Fahrzeugeinsatz LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 19

20 CNG Compressed Natural Gas Methan-Molekül Fremdgezündete Motoren können CNG ohne größere Modifikationen verwenden Fahrzeugänderungen infolge des Einbaus von Druckgasflaschen notwendig CNG bietet ein CO 2 Reduzierungspotential von bis zu 20 % gegenüber einem Benzinmotor, wegen * CNG = compressed natural gas - H-C Zusammensetzung des Kraftstoffes - Höherer Motorverdichtung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 20

21 Ausführungsbeispiel Opel Familie 0 - monovalenter Erdgas Motor Motorbauart: Dreizylinder Reihenmotor Zylinderabstand: 78 mm Ventile pro Zylinder: 4 Hubraum: 973 cm³ Bohrung: 72,5 mm Hub: 78,6 mm Verdichtung: 1 : 11,5 Raildruck: ~ 7 bar Eingasventile: EV 1.3 (Bosch) ATL: KP35 (3k) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 21

22 CNG Gemischbildungssystem Beispiel: Bosch Motorsteuerung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 22

23 Beeinflussung der Zylinderfüllung Erdgaseinblasung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 23

24 Luftaufwand / Luftverhältnis bei Erdgas Keine Füllungsgewinn durch fettes Gemisch. Keine Erhöhung der Klopffestigkeit durch fettes Gemisch. Keine Drehmomentsteigerung durch fettes Gemisch. Maximales Drehmoment wird bei stöchiometrischen Luftverhältnis erreicht. Keine Bauteilkühlung möglich. (Schutz des Katalysators durch Temperatursenke Turbolader ist positiv) Wirkungsgrad wird im fetten Gemisch deutlich schlechter. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 24

25 Bivalenter und monovalenter Betrieb bivalent (CNG und Benzin) monovalent (nur CNG) pro große Reichweite durch 2 Tanksysteme Umschaltbarkeit zwischen den Kraftstoffen Optimierte, höhere Volllast im CNG Betrieb Emissionsreduzierung Günstiger Kraftstoff (Steuern!) contra Platz für 2 Tanksysteme Tankstellennetz limitiert Fremdgezündete Erdgasmotoren können für den wahlweisen Betrieb mit Erdgas und Benzin ausgelegt werden. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 25

26 Erdgas (CNG) Vorteile + Reduzierung der CO 2 -Emissionen durch geringen C-Anteil im Erdgas um 20-25%. + Wirkungsgradsteigerung des Motors durch höhere Verdichtungsverhältnisse (Klopffestigkeit von Erdgas bis zu 140 ROZ). CO 2 - Reduzierungspotential von 20-30%* + Optimale Gemischbildung bei allen Temperaturen (geringe HC-Emissionen). + geringe NOx-Emissionen durch langsamere Verbrennung (Geräusch). + sehr geringe NMHC-Emissionen, 80% der HC-Emissionen sind Methan. + praktisch keine Ruß- und Partikelemissionen. + natürlicher Kraftstoff ohne Umwandlungsstufen + hohe Klopffestigkeit + weite Zündgrenzen von Erdgas-Luft-Gemischen * Basis: leistungsgleicher Benzinmotor LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 26

27 Erdgas (CNG) Nachteile - Leistungs- und Drehmomentverlust durch geringen Gemischheizwert kann durch Turboaufladung kompensiert werden) - geringe Speicherdichte, aufwendige Speichertechnik - Haupt-HC-Emission von Erdgasfahrzeugen ist CH 4. Treibhauswirkung von Methan (CH 4 ) abhängig vom Betrachtungszeitraum. (Faktor 20 bis 60 mal höher als CO 2 ). Absolute CH 4 -Emissionen jedoch um Faktor 100 bis 1000 kleiner als CO 2 - Emission. - keine ausreichende Normung als Kraftstoff. Die Erdgaszusammensetzung kann örtlich und zeitlich stark schwanken. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 27

28 Abgasnachbehandlung im CNG-Fzg. Methan hat hohe Aktivierungsenergie und erfordert eine höhere Katalysatortemperatur. Geringe Abgastemperatur Im Vergleich zu Benzinmotor zusätzlich Maßnahmen, um die Abgastemperatur nach Motorstart möglichst schnell anzuheben. Motornaher Katalysator mit besonderem Design und Beladung. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 28

29 Bio - Kraftstoffe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 29

30 Well-to-Wheel Betrachtung - Alkohol LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 30

31 Bio-Kraftstoffe der ersten Generation Pflanzliche Rohstoffe Prozess Produkt Fermentation Ethanol (blend with gasoline) Sugar cane Corn Wheat Transesterification FAME (blend with diesel) Hydro-treating HVO (blend with diesel) Rape seed Palm oil Soya bean HVO = Hydrogenetic Vegetable Oil Bio-Kraftstoffe der ersten Generation stehen im Wettbewerb zur Nahrungsmittelproduktion. Source: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 31

32 E85 Greenhouse-Gas Emissionen Reduction in Greenhouse Gases Reduzierung von Greenhouse Gases (GHG) bezogen auf gefahrene Meilen E85 (85% Ethanol, 15% Ottokraftstoff) vs. Ottokraftstoff 0% -20% -40% -23% -17% -60% -64% -80% E85 Flex Fuel CORN Dry Process E85 Flex Fuel CORN Wet Process E85 Flex Fuel CELLULOSE Source: Argonne National Laboratory - Wang LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 32

33 Zweite Generation - Ethanol First Generation of Ethanol Used only select parts of the plant Second Generation of Ethanol Uses the entire plant and other sources Coskata Process Enablers: Infrastructure improvements, cellulosic technologies, enzyme breakthroughs Grasses/Energy Crops Wood Waste Municipal and Industrial Wastes LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 33

34 Ethanol Herstellung Biological Conversion Fermentation Hydrolysis and Fermentation Thermochemical Conversion Gasification with catalytic or biocatalytic conversion Pyrolysis (hydrolysis) and refining Current Corn or Sugar Amylase Corn/sugar cane Cellulose Biochemical Cellulase Grasses, woods, wastes Cellulose Thermochemical Grasses, woods, wastes Fermentation Yeast Hydrolysis/ Fermentation Bacteria Cobalt Bacteria Ethanol Gasification with Chemical or Biological Catalysis LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 34

35 Alkoholkraftstoffe (Methanol, Ethanol) Vorteile Methanol und Ethanol können in reiner Form (M100, E100) oder als Alkohol/Otto -Alkohol/Diesel-Mischkraftstoff verwendet werden geringer Umstellungsaufwand (Motor und Infrastruktur) Hohe Klopffestigkeit und Verdampfungswärme ermöglicht hohe Motorwirkungsgrade hohe Verfügbarkeit, da aus Erdgas, Kohle, Biomasse erzeugbar große Erfahrung (Brasilien, Rennsport) geringes Ozonbildungspotential Günstige HC und NOx-Emissionen Wirtschaftliche Herstellung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 35

36 Alkoholkraftstoffe (Methanol, Ethanol) Nachteile Methanol hat hohe Toxizität Dosen von ml führen zu Blindheit und Tod Methanol gelangt durch die Haut in den Blutkreislauf Erhöhte Formaldehydemissionen bei Methanol Ausgangsprodukte (Erdgas, Erdöl, Kohle oder Biomasse) Erdgas und Erdöl eignen sich direkt als Kraftstoff schlechte Kaltstartgrenze (M100: +10 C) Alkohole in geringer Konzentration im Ottokraftstoff (z.b. E20) haben hohen Partialdruck und sind damit aufwändig in der Verdampfungskontrolle Geringere Energiedichte / Tankreichweite LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 36

37 Wasserstoff Bewertung + Nahezu emissionsfreie Verbrennung (im wesentlichen NOx) - Höchste Explosionsgefahr, gefährlichster Transport, Tankvorgang und Speicherung aller Kraftstoffe - Speicherung im Fahrzeug zwischen 300 und 700 bar (C-H2) oder -253 C (L- H2)! - Geringste Speicherdichte trotz 300 bar oder Verflüssigung - L-H2 Tanks müssen aktiv gekühlt werden, da sonst H2 entweichen muss (Tiefgarage)! - Wasserstoff ist nur ein Speichermedium welcher durch Umformung aus anderen Energieträgern (i.d.r. Erdgas) gewonnen werden muss: - Erdgas: Dampfreformation, benötigt Energie, Erdgas kann direkt als Kraftstoff genutzt werden - Elektrolyse: Umweltbewertung abhängig von der Stromerzeugungsart LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 37

38 Alternative Kraftstoffe für Ottomotoren Ottomotoren können zahlreiche flüssige und gasförmige alternative Kraftstoffe (CNG, LPG, Ethanol, Methanol, H 2,...) verwenden Die Motoren müssen für die Kraftstoffe geringfügig modifiziert werden (z.b. Gemischbildner) Einige Kraftstoffe ermöglichen einen optimierten Ottomotorbetrieb aufgrund von erhöhter Klopffestigkeit oder erhöhter Verdampfungswärme Ottomotoren können für den bivalenten Betrieb (Ottokraftstoff oder alternativer Kraftstoff) ausgelegt werden Ottomotoren können auf die alternativen Kraftstoffe abgestimmt werden LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 38

39 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 3, Folie 39