Gegenwärtige und zukünftige Problematik der Verbrennungsmotoren für reine und hybride Fahrzeugantriebe

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1 Gegenwärtige und zukünftige Problematik der Verbrennungsmotoren für reine und hybride e Woche der Energie 2006 Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu HAW-Hamburg, Fakultät TI, Dept. M+P

2 Problematik des Ottomotors für den Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitäts- regelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

3 Problematik des Ottomotors für den Schwächen des klassischen Ottomotors 4 Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators, 4 Drosselklappe Quelle: Firma Bosch

4 Problematik des Ottomotors für den Quantitätsregelung der Last durch Drosselung Motordrehzahl /min Zylinderdruck in bar Zylinderdruck in bar η m := 0.8 p mi := p me := bar p mi η m p me = bar Zylinderdruck in bar η m := 0.8 p mi := p me := bar p mi η m p me = bar Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter Motordrehzahl /min Zylinderdruck in bar Zylinderdruck in bar η m := 0.8 p mi := p me := bar p mi η m p me = 1.17 bar Zylinderdruck in bar η m := 0.8 p mi := p me := bar p mi η m p me = bar Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter Erklärungen zu den indizierten und effektiven Mitteldrücken

5 Problematik des Ottomotors für den Schwächen des klassischen Ottomotors 3-Wege-Katalysator Kat Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda- Fensters und Einsatz des 3-3 Wege-Katalysators

6 Problematik des Ottomotors für den Quantitätsregelung der Last durch Drosselung Effektiver Wirkungsgrad: η e η i η m η th η V η m 50 Motordrehzahl /min 50 Motordrehzahl /min 40 In diesem Fall lässt sich eine isochoreisobare Verbrennung im Sinne des Seiliger-Vergleichsprozesses überhaupt nicht mehr erkennen! 40 Zylinderdruck in bar Damit sind der thermische Wirkungsgrad η th und der Umsetzungswirkungsgrad η V der Verbrennung sehr gering. Zusätzlich wegen der starken Drosselung ist auch der mechanische Wirkungsgrad η m sehr niedrig. Zylinderdruck in bar Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter

7 Problematik des Ottomotors für den Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

8 Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) gerichtete Ladungsbewegung Quelle: Firma VW Mageres Grundgemisch durch die erste frühe Einspritzung (blau) zweite Einspritzung geschichteter Ladungsbereich

9 Möglichkeiten und Flexibilität der Direkteinspritzung Drei zielgerechte Strategien für Homogen- bzw. Schichtbetrieb Schichtbetrieb durch Mehrfach- Einspritzung hohe Last niedrige Last und mittlere Last schnelle Kat- Aufheizung Zündzeitpunkt Doppeleinspritzung Homogenbetrieb Dreifacheinspritzung Schichtbetrieb Dreifacheinspritzung Homogen Split Betrieb Quelle: Firma DC, MTZ 11/06

10 3-Wege-Katalysator Schichtladung durch mehrfache Direkteinspritzung Das entstandene Problem besteht darin, dass der 3-3 Wege-Katalysator in Falle der mageren ( 1,0 < λ < 1,5 ) und sehr mageren Gemische ( 1,5 < λ < 6 ) die NO x - Emission nicht mehr reduzieren kann! hohe Last niedrige Last und mittlere Last schnelle Kat- Aufheizung Zündzeitpunkt Doppeleinspritzung Homogenbetrieb Doppeleinspritzung Schichtbetrieb Dreifacheinspritzung Homogen Split Betrieb

11 Einsatz des NO x -Speicherkatalysators O 2 NO Das Funktionsprinzip des NO x - Speicherkatalysators besteht darin, dass während der mageren Phasen, bei denen der Motor mit Luftverhältnissen λ > 1 betrieben wird, die produzierenden Stickoxide (NO x ) zwischengespeichert werden, und λ > 1 NO 2 Pt BaCO 3 Trägermaterial a) Speicherphase im Magermotorbetrieb in den so genannten Regenerationszyklen (von kurzer Dauer, üblich 2 bis 10 Sekunden), in welchen der Motor zwangsweise fett (d.h. mit Luftverhältnissen λ < 1 ) gefahren wird, zu N 2 umgesetzt werden kann. Reduktionsmittel λ < 1 N 2 H 2 H 2 O CO 2 HC CO NO 2 Pt BaCO 3 Trägermaterial b) Regenerationsphase im Fettmotorbetrieb

12 Einsatz und Betrieb des NSK = NO -Speicherkatalysators x Die 3-Wege- und NO x -Speicher- Katalysatoren werden aktiv nur oberhalb einer Abgastemperatur von ca. 300 C (d.h. für NSK erst nach den ersten 3 Minuten!) Um die Aufheizung der 3-Wege- Katalysatoren in der Motorstartphase zu beschleunigen und somit die inaktive Phase zu verkürzen, werden sie mit kleinen Abmessungen und sehr nah am Motor angebracht. erste Regeneration Die Konvertierungsraten der 3-Wegeund NO x -Speicher-Katalysatoren werden über lineare Lambdasonden (vor und nach dem Kat) bzw. NO x -Sensoren (nach dem Kat) überwacht. Quelle: Firma DC, MTZ 11/06

13 Warum der ganze Aufwand? Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) usw. Darum! Im Prozent ist der Verbrauchspotential des Schichtbetriebs gegenüber den Homogenbetrieb angegeben. Quelle: Firma DC, MTZ 11/06

14 Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

15 Minderung der NO x - Produktion während Verbrennung durch den Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Abgasrückführungsarten: - innere AGR - äußere AGR - Hochdruck AGR - Niedrigdruck AGR Konzentration NO x NO x ca K Temperatur im Zylinder (besser Temperatur x Zeit) ( ) f O 2, Temperatur, Zeit Konzentration NO x 1 fett mager Kraftstoff-Luft-Verhältnis l (O 2 Konzentration) Kr für Verbrennung notwendige Luftmasse unnötige Luftmasse (unnötiger O 2 ) Kr für Verbrennung notwendige Luftmasse Abgase fast ohne O 2 - Gehalt Hubvolumen eines Ottomotors im Teillast ohne (links) und mit Abgasrückführung

16 Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

17 Turbo- und mechanische Aufladung Downsizing Motor-Drehmoment Quelle: VW

18 Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

19 Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung 1 = Magnetventil 2 = Hydraulische Verstelleinheit 3 = Zahnwellenrad mit Schrägverzahnung innen

20 Quelle: Firma BMV VANOS System / Phasenverschiebung Quelle: Firma BMV VALVETRONIC System

21 VALVETRONIC ermöglicht einen vollvariablen Ventilhub von 0,0 bis zu 9,7 Millimeter. Quelle: Firma BMV VALVETRONIC System Er wird durch einen elektromotorisch verstellbaren Zwischenhebel erreicht, der zwischen der Nockenwelle und dem Schlepphebel, der das Ventil betätigt, platziert ist. Dabei arbeitet die VALVETRONIC nicht nur präzise, sondern auch extrem schnell. Die Verstellung von Minimal- auf Maximalhub kann in nur 0,3 Sekunden geschehen.

22 Sprung aufgezwungen von den zu großen spezifischen Kraftstoff-Verbräuchen Klassischer Ottomotor mit homogener Gemischbildung in allen Betriebspunkten (d.h. mit Saugrohreinspritzung) Quantitätsregelung der Last (Drosselung der angesaugten Gemischmasse) Einhaltung des Lambda-Fensters und Einsatz des 3-Wege- Katalysators Moderner Ottomotor mit inhomogener Gemischbildung im unteren Lastbereich, d.h. mit Qualitätsregelung der Last ermöglicht durch Schichtladung mit Direkteinspritzung (GDI, FSI) und Entdrosselung Einsatz des Speicherkatalysators (für NO x ) Einsatz der gekühlten Abgasrückführung (AGR) Turbo- u. mechanische Aufladung Downsizing Vollvariabler Ventiltrieb Phasenverschiebung Ventilhubänderung Zylinderabschaltung Variables Verdichtungsverhältnis Einsatz von Atkinson- oder Miller- Kreisprozessen usw.

23 Quantitätsregelung der Last Effektiver Wirkungsgrad: η e η i η m η th η V η m 50 Motordrehzahl /min 50 Motordrehzahl /min 40 In diesem Fall lässt sich eine isochoreisobare Verbrennung im Sinne des Seiliger-Vergleichsprozesses überhaupt nicht mehr erkennen! 40 Zylinderdruck in bar Damit sind der thermische Wirkungsgrad η th und der Umsetzungswirkungsgrad η V der Verbrennung sehr gering. Zusätzlich wegen der starken Drosselung ist auch der mechanische Wirkungsgrad η m sehr niedrig. Zylinderdruck in bar Zylindervolumen in Liter Zylindervolumen in Liter

24 Variables Verdichtungsverhältnis 0.8 Einfluss des Verdichtungsverhältnisses η e η i η m auf den thermischen Wirkungsgrad η th p η th η V η m thermischer Wirkungsgrad Otto Diesel Seiliger Verdichtungsverhältnis Bereich der heutigen Ottomotoren Bereich der heutigen Dieselmotoren Optimalbereich aus heutiger Sicht V

25 Hohes Verdichtungsverhältnis + Atkinson-Prozess p Hohes Verdichtungsverhältnis durch Verkleinerung des Kompressionsvolumens. Das Hubvolumen wird dafür in Zylinderkopf-Richtung verschoben. D.h. der Abstand zwischen Zylinderkopf und Kurbelwellenachse wird damit verändert! V Quelle: Firma Toyota / THS II, Prius

26 Variables Verdichtungsverhältnis Quelle: Firma SAAB

27 Variables Verdichtungsverhältnis Quelle: Eigene Patentanmeldung

28 Variables Verdichtungsverhältnis Warum der ganze Aufwand? Weil dadurch eine Verringerung des Kraftstoffverbrauches bis 30% erreichbar ist! Quelle: FEV Quelle: Nissan

29 Problematik aller Motoren für den reinen Gesamtkennfeld abdecken auch bei ungünstigen b e!!! (proportional zum Motor-Drehmoment) Quelle: VW Quelle: Nissan

30 Motivation für Hybridantriebe: Einsparpotenziale Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

31 Motivation für Hybridantriebe: Elektrisches Fahren Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

32 Motivation für Hybridantriebe: Einsparpotenziale = Lastpunktverschiebung! Fahr-Geschwindigkeit New York City Cycle New European Driving Cycle Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

33 Motivation für Hybridantriebe: Einsparpotenziale Erklärungen zur Lastpunktverschiebung effektiver Kraftstoffverbrauch b e m Kr P e Kraftstoffverbrauch effektive_leistung effektiver Wirkungsgrad η e const b e effektiver Mitteldruck Quelle: TH Darmstadt, Prof. Hohenberg & Prof. Indra, Wiener Motoren-Symposium 2006

34 Hohes Verdichtungsverhältnis + Atkinson-Prozess + Lastpunktverschiebung Quelle: Firma Toyota / THS II, Prius

35 Übliche Arten von Hybridantrieben Schaltoder Automatik- Getriebe Untersetzungs- Getriebe Classical system Quelle: Toyota Hybrid System THS II

36 Übliche Arten von Hybridantrieben Ratio of engine and motor operation in hybrid systems (conceptual diagram) (Power split hybrid system) Quelle: Toyota Hybrid System THS II

37 Beispiel eines parallelen Hybridantriebs mit Kurbelwellen- Starter-Generator (KSG) Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

38 Beispiel eines Hybridantriebs mit Power-Split-System Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

39 Vergleich bezüglich Fahrspaß und Kosten Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren- Symposium. 2006

40 Drehmoment-Charakteristik der verschiedenen Antriebskonzepte Quelle: Firma AVL, Dr. Fischer & Dr. Kirsten, Wiener Motoren-Symposium. 2006

41 Anforderungen an den Verbrennungsmotoren Eigenschaften Reine VM- Antriebe Hybrid- Antriebe Wirkungsgrade hoch sehr hoch Emissionen niedrig sehr niedrig Dynamik hoch niedrig kw kw Leistungsdichte, hoch mittel kg m 3 Preis mittel niedrig