ENTWICKLUNGSLÖSUNGEN FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT
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Ausgabe 68 FEV KUNDENMAGAZIN
"ENTWICKLUNGSLÖSUNGEN
FÜR EINE NACHHALTIGE MOBILITÄT"
„Zero Impact“-
Verbrennungsmotor
Brennstoffzellen-
systeme für den
Schwerlastverkehr
Der 3,0 L Duramax
Dieselmotor setzt
neue Maßstäbe
Urban Air Mobility –
Ein neuer Markt für
Automobilakteure
INHALTSVERZEICHNIS
Liebe Leserinnen
und Leser,
SEITE 18 SEITE 24 SEITE 56
vor dem Hintergrund enger Emissionsvorgaben gewinnen nachhal-
tige Antriebssysteme zunehmend an Bedeutung. Die Entscheidung,
welches nachhaltige Antriebssystem für den jeweiligen Einsatz und
Anwendungsfall am besten geeignet ist, hängt von verschiedenen
Faktoren ab. Dazu zählen Kosten, Wirkungsgrad und gesetzliche
Vorgaben.
Auf dieser Grundlage entwickelt FEV für seine Kunden Lösungen
für die Mobilität von Morgen. In der aktuellen SPECTRUM-Ausgabe
möchten wir Ihnen die neuesten Ergebnisse unserer Arbeit präsentie-
ren. Beispielsweise, unter welchen Bedingungen ein klimaneutraler
Verbrennungsmotor möglich ist.
Eine aktuelle Weiterentwicklung im Bereich Dieselmotoren zeigen
wir anhand des 3,0 L Duramax für Pickup-Trucks, der mit einem
niedrigen Kraftstoffverbrauch bei gleichzeitig beeindruckender Vorausschauende Funktionen Brennstoffzellensysteme Urban Air Mobility – Ein neuer
Leistung neue Maßstäbe setzt. Außerdem zeigen wir an einem im HYBex3 Konzeptfahrzeug für den Schwerlastverkehr Markt für Automobilakteure
Konzeptfahrzeug, wie für Hybridantriebe mit vorausschauenden
und automatisierten Fahrfunktionen weitere Potentiale hinsichtlich
ihres Energiebedarfs erschlossen werden können.
Für Schwerlastanwendungen beleuchten wir unter dem Gesichts-
punkt der Gesamtbetriebskosten die Entwicklung und Validierung 01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN 02 AUS FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
04 36
von Brennstoffzellensystemen.
„Zero Impact“- Abgaskondensat für in sich
Wie entwickelt sich die zukünftige Mobilität in den Raum? Im Bereich Verbrennungsmotor geschlossenes Wassereinspritzsystem
12 40
der städtischen Luftraumbeförderung zeigen wir Zugangspoten-
Mild-Hybrid-Diesel-Antriebsstrang Kohlenstoffneutraler Transport –
ziale für Unternehmen der Automobilbranche auf. Spannende (3D-) mit einer der Turbine vorgelagerten mit synthetischen Kraftstoffen
Beleuchtungskonzepte und effizientes Datenmanagement runden Abgasnachbehandlung
die Themenvielfalt dieser Ausgabe ab.
Wir wünschen Ihnen eine spannende Lektüre. Weitere Informatio-
nen und Neuigkeiten zu FEV erhalten Sie selbstverständlich auch
18 Vorausschauende Funktionen
im HYBex3 Konzeptfahrzeug 46 Stepcom®-Integration und Industriali-
sierung eines zweistufigen VCR-Systems
unter www.fev.com.
24 Brennstoffzellensysteme
für den Schwerlastverkehr 52 „SCR on Filter“-Technologie für
Off-Highway-Anwendungen
30 Der 3,0 L Duramax Dieselmotor
setzt neue Maßstäbe 56 Urban Air Mobility – Ein neuer
Markt für Automobilakteure
Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger
60 Workflow-orientiertes Informations-
management im Antriebsprüffeld
66
Vorsitzender der Geschäftsführung NVH-Anforderungen von elektrischen
und Geschäftsführender Gesellschafter
03 NEWS
Antriebseinheiten im Fahrzeuginneren
70
der FEV Group GmbH
Effizientes Datenmanagement:
Kooperation zwischen FEV und Microsoft
74 Licht in Sicht: FEV-Tochter
entwickelt Mikro-Linsen-Array
für automobile Anwendungen
2 3
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Emissionsreduktion
EMISSIONSREDUKTION
E
Entwicklungsmethodiken
„ZERO IMPACT“– s ist damit zu rechnen, dass die gesetzlichen Vorgaben
für Emissionen im Zuge von Euro 7 weiter verschärft FEV hat umfangreiche patentierte bzw. zum Patent angemeldete
VERBRENNUNGSMOTOR werden. FEV geht davon aus, dass die nächste eu-
ropäische Abgasnorm insbesondere die folgenden
Entwicklungsmethoden für die Bereiche Simulation, Prüfung und
Alterung emissionsrelevanter Komponenten ausgearbeitet, mit
Herausforderungen mit sich bringen wird: denen bereits in einer frühen Phase der Entwicklung eine hohe
Allgemeine Senkung der Grenzwerte Robustheit und Vorhersagegenauigkeit erreicht werden kann.
für gasförmige Emissionen
CO: 500 mg/km . HC: 50 mg/km . NOX: 35 mg/km
Verbot von Betriebsstrategien, die hohe Emissionen Simulation der RDE-Emissionen und
verursachen können Bestimmung von Worst-Case-Zyklen
Messung der Partikelanzahlemissionen Die Emissionssimulation bildet bei FEV eine der
bis 10 nm anstelle von 23 nm tragenden Säulen des „Frontloading“ in der
Aufnahme von Entwicklung. Diese modulare Simulati-
Grenzwerten für weitere onsumgebung von FEV, die erstmals
Emissionskomponenten in auf dem Wiener Motorensymposium
die Messungen auf dem 2016 vorgestellt und seither weiter-
Abgasrollenprüfstand entwickelt wurde, beruht auf der
Erweiterung der RDE- Softwareumgebung GT Suite und
Vorschriften um weitere ist heute ein grundlegender Be-
Emissionsbestandteile standteil der Entwicklungsaktivitä-
und kurze Fahrstrecken ten von FEV. Die Rohemissionen des
Motors werden auf der Grundlage
FEV hat untersucht, wie letztlich stationärer und transienter Messdaten
sogar ein Verbrennungsmotor mit vom Motor- und Rollenprüfstand mo-
„Zero Impact“ erreicht werden könnte, delliert. Die Simulationsmodelle für die
der weniger Emissionen verursacht, als Abgasnachbehandlung beruhen auf einem
in der Umgebungsluft vorhanden sind. Kon- kennfeldbasierten Ansatz. Eine Diskretisierung
kret wurden die folgenden Zielwerte festgelegt: der Katalysatormonolithen erlaubt jedoch auch eine
Emissionen im WLTC genaue Modellierung des Aufwärmverhaltens, bei dem es dar-
NOX: 40 µg/m³ (entspricht etwa 0,03 mg/km) um geht, individuelle temperaturabhängige Umsetzungsraten
Partikel (PM 2,5): 25 µg/m³ (entspricht etwa 0,02 mg/km) zu berücksichtigen. Abbildung 1 beschreibt alle relevanten
Variablen, die in die Berechnung der Umsetzung mit einfließen.
Im Verhältnis zu den in der aktuellen Euronorm 6d vorgeschriebe-
nen Werten entspricht dies einer Reduktion der NOX-Emissionen Um alle Emissionsgrenzwerte unter RDE-Bedingungen zuver-
um 99,9 Prozent und der Feinstaubemissionen um 99,2 Prozent. lässig einhalten zu können, ist es wichtig zu wissen, welche
fahrzeug- und antriebsstrangspezifischen Zyklen die meisten
Emissionen verursachen. FEV hat eine Abstraktion von solchen
real auftretenden Fahrzuständen vorgenommen und daraus
Berechnung der Temperatur eine übersichtliche Anzahl von Parametern abgeleitet. Mithilfe
QReaktion
dieser Parameterbildung können Techniken des maschinellen
Abgasmassenstrom
TKat Lernens auf der Grundlage einer Analyse von einigen hundert
Abgastemperatur
simulierten Zyklen die Worst-Case-RDE-Zyklen herausfiltern.
Berechnung des TKat, Element i Diese Methodik wurde inzwischen in zahlreichen
Wirkungsgrads
Berechnung der Entwicklungsprojekten erfolgreich angewendet.
Motor-Rohemissionen ηCO = f(TKat, RG, θ)
Emissionen Reaktionsenthalpie
TKat ηHC = f(TKat, RG, θ) hinter QReaktion = f
ηNOx = f(TKat, RG, θ) Katalysator (Umgewandelt CO,
RG
HC, NOx)
Sauerstoffspeichermodell θ
AFR vor Kat
θ=f λ nach Kat
TKat
(TKat, RG, AFRvor Kat) θ Schema für die Berechnung des
RG
Wirkungsgrads im Katalysator
4 5
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN
Charakterisierung des Katalysators Abgasnachbehandlungskonzept Elektrisch beheizte Katalysatoren
und des Benzinpartikelfilters für Zero-Impact-Emissionen Stromaufwärts des Hauptkatalysators werden zwei
Im Zuge der Entwicklung der RDE-Emissionssimulationsmethodik Das Abgasnachbehandlungskonzept, mit dem das Ziel der elektrisch beheizte Katalysatoren angeordnet (4 kW
von FEV wurde festgestellt, dass Katalysatoren anfänglich kaum Zero-Impact-Emissionen erreicht werden soll, setzt sich aus je Scheibe, insgesamt 8 kW). Das metallische Substrat
mit der hinreichenden Genauigkeit modelliert werden konnten. fünf Bausteinen zusammen: wird schnell heiß und erreicht binnen weniger Sekun-
Grund dafür sind die meist nicht ausreichenden Messdaten, die 1. Optimierung der NOX-Rohemissionen während des den die Light-Off-Temperatur. Wenn nach dem Motor-
von den Katalysatorherstellern und OEMs zur Verfügung gestellt Katalysator-Heizens start jedoch kaltes Abgas über die elektrisch beheizten
werden. Um jedoch die Emissionen unter den RDE-Randbe- 2. Eine Abgasnachbehandlung, die direkt nach dem Katalysatoren strömt, sinkt deren Temperatur unter
dingungen präzise vorhersagen zu können, ist es wichtig, die Motorstart einsatzbereit ist das für einen hinreichenden Umsetzungswirkungsgrad
Umsetzungsrate bei den höchsten Raumgeschwindigkeiten und 3. Adsorption der HC-Emissionen benötigte Niveau. Deshalb wird vor dem Motorstart
über einen breiten Temperaturbereich zu kennen. FEV hat deshalb 4. Vergrößerung des Gesamtvolumens der Katalysatoren mit einer Sekundärluftpumpe Luft über die elekt-
eigenes Equipment entwickelt, mit denen das Verhalten von 5. GPF mit verbessertem Wirkungsgrad risch beheizten Katalysatoren geführt, um auch den
Katalysatoren unter genau diesen Bedingungen charakterisiert Hauptkatalysator zu beheizen. In Abbildung 4 ist der
werden kann. Das in Abbildung 2 dargestellte System wurde für Die einzelnen Bausteine werden im Folgenden näher erläutert. Erwärmungsvorgang des finalen Systems dargestellt.
Abgasmassenströme bis hin zu denen eines V12 Turbo-Motors Die konvektive Wärmeübertragung ist in der unteren
konzipiert und geprüft. Es dient der Messung des Umsetzungs- Hälfte des Diagramms deutlich zu erkennen. Sobald
wirkungsgrads im kompletten real auftretenden Betriebsbereich, NOX-optimiertes Katalysator-Heizen
also insbesondere auch bei großen Massenströmen und kalten Die NOX-Rohemissionen können optimiert werden, indem die
Temperaturen, wie sie unter einer Volllastbeschleunigung kurz Kalibrierung des Katalysator-Heizens angepasst wird. Bei den
nach dem Motorstart auftreten. üblichen stark nach spät verstellten Zündzeitpunkten wird
viel Kraftstoff benötigt, um einen indizierten mittleren Druck
(indicated mean effective pressure, IMEP) zu erzeugen, der
Alterung des Katalysators dem mittleren Reibungsdruck (friction mean effective preas-
und des Partikelfilters sure, FMEP) entspricht. Dies hat eine Entdrosselung und eine
FEV hat eine Methode zur schnellen Alterung von Katalysatoren niedrigere Rate der internen Abgasrückführung zur Folge. Die
und Partikelfiltern (Gasoline Particle Filter, GPF) entwickelt. Zur Spitzentemperatur im Zylinder steigt und behält über längere Zeit
Alterung des GPF wurde der Brennerprüfstand so modifiziert, dieses hohe Niveau. In der Folge nehmen die NOX-Emissionen
dass mittels Ölverbrennung Asche erzeugt wird. Verschiedene zu. Der Zündzeitpunkt wäre im Zuge der Optimierung der Kali-
Methoden wurden evaluiert, die Wahl fiel schließlich auf die brierung des Katalysator-Heizens demnach nur leicht nach spät
Öleinspritzung. FEV hat ein Zyklus- und Öldosierungsverfah- zu verstellen, um die NOX-Emissionen deutlich zu senken. Dies
ren erarbeitet, das die Alterungsmerkmale nachbildet, die bei führt wiederum zu einem Anstieg der HC-Rohemissionen, dem
Fahrzeugdauerläufen zu beobachten sind. durch zusätzliche Maßnahmen entgegengewirkt werden muss.
Temperatur im 3-Wege-Katalysator / °C
800 800
Instrument für die
Charakterisierung von
Katalysatoren und 700 700
90 90
Umsetzungswirkungs- 50
grad-Kennfelder eines 600 600 70
gealterten Drei-Wege- 70 50 30 10
Katalysators (TWC) 500 500
nach Euro 6d TEMP 30 10 TW, aus 1 TW, ein 1
400 400 θ1 m1
300 Wirkungsgrad der NOx 300 Wirkungsgrad der HC TW, ein 2
TW, aus 2
Konvertierung / % Konvertierung / % m2
200 200 θ2
0 100.000 200.000 300.000 0 100.000 200.000 300.000
Raumgeschwindigkeit / (1 / h) Raumgeschwindigkeit / (1 / h) Gegenstrom-
Wärmetauscher Drei-Wege-
θ3 Katalysator
Drosselklappe
6 7
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Emissionsreduktion
CO2-Massenstrom / (g/s) Abgasmassenstrom / (g/s)
4 20
3 15
der Motor gestartet wird, führt der stärkere Abgasmassenstrom thermische Alterung durchaus vorteilhaft ist. In Abbildung 5 ist Zusammenhang zwischen der für das 2 10
zu einer noch besseren konvektiven Wärmeübertragung, zugleich ein Vergleich der Katalysatorerwärmung mit und ohne HC-Ad- elektrische Heizen genutzten Energie 1 5
jedoch auch zu einem Abfall der Temperaturen. sorption dargestellt (hier stromabwärts des Katalysators). In und den resultierenden gasförmi-
0 0
Abgasnachbehandlungssystemen, in denen der Katalysator mit gen Emissionen. Die gültigen Punkte
HC-Emissionen / ppm HC-Massenstrom / (g/s)
Die Emissionswerte lassen sich noch weiter optimieren, indem einem Brenner anstatt mit elektrisch beheizten Katalysatoren erreichen das Zero-Impact-Ziel von 2000 0.020
sichergestellt wird, dass in dem Katalysatorsystem eine hohe vorgewärmt werden soll, könnte es sinnvoll sein, die Emissionen weniger als 40 µg/m³ NOX-Emissio- 1500 0.015
Temperatur gehalten wird. In einem Hybridantriebsstrang kann des Brenners mithilfe eines kleinen Aktivkohlefilters stromabwärts nen sowie einen ausgeglichenen
1000 0.010
hierfür neben der Reaktivierung der elektrisch beheizten Kata- des Katalysators zu adsorbieren. Batterieladezustand am Ende des
lysatoren auch die Hybrid-Betriebsstrategie optimiert werden. Zyklus. Das Optimum zum Erreichen 500 0.005
des Zero-Impact-Ziels bei bestmögli- 0 0.000
Vergrößerung des Katalysatorvolumens chem Kraftstoffverbrauch liegt knapp NOx-Emissionen / ppm NOx-Massenstrom / (g / s)
Adsorption der Emissionen vor Das Katalysatorvolumen wird vergrößert, und zwar um 30 Prozent unterhalb von 0,4 kWh. Die HC- und
400 0.020
dem Light-Off des Katalysators im Verhältnis zur Euro 6d TEMP Ausgangsbasis, in der bereits ein CO-Emissionen bleiben deutlich unter 300 0.015
Die Adsorption von Emissionen lässt sich unter anderem mit größeres Katalysatorvolumen angesetzt wird als in Euro 6b/c den von FEV erwarteten Euro-7-Gren- 200 0.010
entsprechenden Beschichtungen realisieren. Um eine hohe Systemen. Das Volumen der elektrisch beheizten Katalysatoren zwerten, sinken jedoch konzeptbedingt 100 0.005
Adsorptionseffizienz zu erreichen, sind niedrige Temperaturen ist in diesem Volumen enthalten. In der Folge wird die Raumge- nicht so drastisch wie die NOX-Emis-
0 0.000
erforderlich. Dem kommen die geringen Temperaturen des ein- schwindigkeit (RG) bei Nennleistung auf Werte abgesenkt, bei sionen.
CO-Emissionen / % CO-Massenstrom / (g / s)
strömenden Abgases infolge der früheren Zündzeitpunkte wäh- denen auch im gealterten Zustand ein hoher Umsetzungswir- 0.8 0.100
rend des Katalysator-Heizens entgegen. Es wird ein Metallsubstrat kungsgrad aufrechterhalten werden kann. 0.6 0.075
verwendet, da sich mit diesem eine hohe Wärmeträgheit und
0.4 0.050
somit ein geringer Temperaturanstieg in den ersten Sekunden
des Motorbetriebs sowie eine gleichmäßige Verteilung des GPF mit verbessertem Abscheidegrad 0.2 0.025
sekundären Luftmassenstroms auf der Eintrittsseite Sehr gute Euro-6c- und Euro-6d-TEMP-Motoren ohne GPF er- Rohemissionswerte bei 0.0 0.000
des elektrisch beheizten Katalysators erzielen reichen bereits jetzt im WLTC Partikelemissionswerte von nur Katalysator-Heizen 15 10 5 0 -5 10 -15 -20 -25 -30 15 10 5 0 -5 10 -15 -20 -25 -30
lassen. Da die Grenztemperatur des Adsorp- 0,12 – 0,28 mg/km. Im Hinblick auf den Zero-Impact-Zielwert von im stationären Betrieb Zündzeitpunkt / 0 KW v. OT Zündzeitpunkt / 0 KW v. OT
tionskatalysators bei 850 °C liegt, kann das 25 µg/m³ (ca. 0,02 mg/km) bedeutet dies, dass die Partikele-
E-Katalysator
Abgasnachbehandlungssystem nicht missionen um weitere 83 – 93 Prozent gesenkt werden müssen.
Träger E-Katalysator Hauptkatalysator
motornah angeordnet werden, was Dies lässt sich mit einem GPF der zweiten Generation erreichen.
1000
im Hinblick auf die 900
800
700
Endergebnisse und Ausblick 600
500
400
Das vorgestellte Abgasnachbehandlungssystem wird mit einem 350
300
2,0-l-4-Zyl.-GDI-Motor in einer Plug-In-Hybrid-Konfiguration 275 Temperatur /
Zeit 250
°C
abschließend evaluiert. Der finale Aufbau des Abgasnachbe- 225
handlungssystems ist in Abbildung 6 dargestellt. Aufheizvorgang des 200
175
Abgasnachbehandlungs- 150
systems mit elektrisch 125
100
beheizten Katalysatoren
EV HAT UMFANG-
F Es wurden umfangreiche DoE(Design of Experiment)-Un-
tersuchungen durchgeführt, um das Ziel eines Zero-Im-
75
50
25
REICHE ENTWICKLUNGS- pact-Emissionspegels zu erreichen und die Auswir- Länge
METHODEN FÜR DIE kungen des elektrischen Vorheizens des Katalysators
auf den Kraftstoffverbrauch dabei so gering wie THC Auspuffemissionen / ppm
BEREICHE SIMULATION, möglich zu halten. Abbildung 7 beschreibt den
2.500
PRÜFUNG UND ALTERUNG HC-Emissionen 2.000
EMISSIONSRELEVANTER mit Adsorption 1.500
KOMPONENTEN AUSGE- 1.000
ARBEITET, MIT DENEN 500
EINE HOHE ROBUSTHEIT 0
THC Adsorptionswirkungsgrad / %
UND VORHERSAGE- 100
GENAUIGKEIT ERREICHT 75
WERDEN KANN 50
25
0
3-Wege-Katalysator + GPF 0 1 0 2 0 3 0 4 0
8 3-Wege-Katalysator + GPF + HC Adsorber
Zeit / s 9
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Emissionsreduktion
E-Katalysator + Temperatur / °C Leistung / kW
Die Gesamtergebnisse der optimalen Betriebs- Adsorption- Träger GPF 800 12
Brick
Energie / kW
600 E-Katalysator System: Energie Leistung
strategie sind in Abbildung 8 dargestellt. Die 8
kaum noch zu erkennenden, verbleibenden 400
Haupt-Katalysator 200 4
NOX-Emissionen entfallen zum größten Teil 0
Tim TWC, Mittelwert Tvor TWC
0
auf die ersten Sekunden nach dem Motorstart. CO-Massen.TWC / g Batterieenergie Inhalt / kWh
Der Sauerstoffspeicher des Katalysators ist zu 15 1,6
Sekundärluftpumpe EU7 Limit
η CO / %
diesem Zeitpunkt vollständig gefüllt und der 10 1,4
Kum. Masse Konvertierungswirkungsgrad η
Katalysator muss zunächst mittels unterstöchi- 5 1,2
Finaler Aufbau des Abgasnachbehandlungssystems
ometrischem Motorbetrieb gespült werden, 0 1,0
bevor der komplette NOX-Umsetzungswirkungs- HC-Massen.TWC / g Geschwindigkeit / (km / h)
1,5 150
grad erreicht werden kann. Im weiteren Verlauf EU7 Limit
η HC / %
1,0 100
des WLTC tritt nur minimaler NOX-Emissions-
0,5 50
schlupf auf. Die elektrisch beheizten Kataly- CO nach TWC / (g/km) Kraftstoffverbrauch / (I / 100 km)
0,4 8,0 0,0 0
satoren werden während des Zyklus für kurze
NOx-Massen.TWC / g 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800
Zeitabschnitte reaktiviert, um sicherzustellen, 0,3 7,5 0,9 EU7 Limit Zeit / s
dass die Temperaturen durchgängig auf einem
η NOx / %
0,6
ausreichend hohen Niveau verbleiben. Der 0,2 7,0
0,3
Kraftstoffverbrauch liegt 4,3 Prozent über dem
0,1 6,5 0,0
Euro-6d-TEMP-Grundwert. 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800
0,0 6,0 Zeit / s
Das hier vorgestellte Konzept für Zero-Im-
HCnach TWC / (mg / km) NOxnach TWC / (mg / km) Endergebnisse mit optimiertem E-Katalysator
pact-Emissionen ist speziell darauf ausgerichtet, 40 100 und hybrider Betriebsstrategie
möglichst geringe NOX-Emissionen zu erzielen.
Wenn „nur“ der Euro-7-Emissionsgrenzwert 30 10 Zusammenfassung
eingehalten werden soll, kann das Konzept auf Von Zero-Impact-Emissionen sind möglich
20 1
verschiedene Art und Weise angepasst werden. Matthias Thewes · thewes@fev.com Um sie zu erreichen, muss die
Beispielsweise wäre denkbar, nur einen anstelle 10 0,1 Andreas Balazs · balazs@fev.com Abgasnachbehandlung ab Motorstart mit einem hohen
von zwei elektrisch beheizten Katalysatoren zu Surya Kiran Yadla · yadla@fev.com Umsetzungswirkungsgrad funktionieren
verwenden. Ebenso könnte der Adsorptions- 0 0,01 Michael Görgen · goergen_m@fev.com > Als eine mögliche Lösung wurde der Einsatz von elektrisch
katalysator weggelassen werden, so dass das 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Jörg Seibel · seibel_j@fev.com beheizten Katalysatoren in Kombination mit konvektiver
gesamte Katalysatorsystem wieder motornah Johannes Scharf · scharf@fev.com Wärmeübertragung vor dem Motorstart identifiziert
Für das Aufheizen des Katalysators genutzte elektrische Energie / kWh
angeordnet werden kann. Modellpunkte Validierungspunkte Optimum > Die Adsorption der HC-Emissionen kann zu einer Verringerung
der NOX-Emissionen beitragen, indem sie den Betrieb mit einer
DoE-Ergebnisse mit ermittelten Korrelationen zwischen den
gasförmigen Emissionen bzw. dem Kraftstoffverbrauch und der angepassten Kalibrierung des Katalysator-Heizens ermöglicht
zum Heizen des Katalysators verwendeten elektrischen Energie > GPFs der zweiten Generation ermöglichen die nötigen hohen
Filtrationswirkungsgrade
Mit einer noch effektiveren konvektiven Wärmeübertragung ist eine
weitere Verbesserung des Systems möglich
Das Konzept für die Abgasnachbehandlung kann vereinfacht werden,
wenn nur die Euro-7-Anforderungen erfüllt werden sollen
FEV verfügt über das erforderliche Know-
how, um Sie bei der Entwicklung Ihres
Abgasnachbehandlungssystems der nächsten
Generation zu unterstützen
10 11
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Mild-Hybrid-Diesel
MILD-HYBRID-DIESEL
MILD-HYBRID-DIESEL-
D
ie Grundidee bestand darin, nommen, wodurch das gesamte System herkömmlichen Anordnung (Abbildung 2).
das Abgasnachbehandlungs- im Motorraum des gewählten Testfahr- Dadurch, dass das Fahrzeug nun über
ANTRIEBSSTRANG MIT EINER system (EATS) direkt hinter dem
Abgaskrümmer und damit vor
zeugs aus der SUV-Klasse untergebracht
werden konnte.
ein elektrisches System mit 48 V verfügt,
kann ein der Turbine vorgelagertes Nach-
DER TURBINE VORGELAGERTEN der Turbine anzuordnen (Abbildung 1), um
die bestmögliche Leistung bei der Nach-
behandlungssystem eingerichtet werden,
indem ein e-TC integriert wird, der den
ABGASNACHBEHANDLUNG behandlung zu erzielen und gleichzeitig
aufgrund reduzierter Heizmaßnahmen
Auswirkungen
auf die Enthalpie
durch die erhöhte Wärmeträgheit des PT
EATS verursachten Druck- und Tempera-
das Potenzial zur CO2-Verringerung zu Durch die Platzierung des Nachbehand- turverlust ausgleicht.
Es wurde ein Konzept entwickelt, das ein der Turbine vorgelagertes Abgasnachbehandlungssystem erschließen. lungssystems vor der Turbine ändern sich
(Pre-Turbine Exhaust Aftertreatment System, PT EATS) mit einem Mild-Hybrid-Konzept die Enthalpie und das Wärmeträgheitspro- Zu Beginn des Betriebs ist die Temperatur
kombiniert. Mittels Simulation wurde das Potenzial dieses Konzepts bestimmt, Die Motorhardware und das PT EATS wur- fil des Turboladers im Verhältnis zu einer vor der Turbine, aufgrund der erhöhten
eine gleichzeitige Reduktion der NOx- und der CO2-Emissionen zu erzielen. den mittels Simulationsverfahren entwor-
Nach der Auswahl der wichtigsten Motor- und Hybridsystem-Hardware fen und optimiert, um das beste Layout eTurbo
wurden die Betriebsstrategien für die Rekuperation und die Turbolader- für die Katalysatoren zu ermitteln und Harnstoffeinspritzung 1 VGT Harnstoffeinspritzung 2
S
regelung festgelegt, um das System in die Lage zu versetzen, den Zielwert die potenziellen Vorteile hinsichtlich der C SCRF
R SCR
Mischer
von unter 40 mg/km NOx in den Emissionen mit einem Konformitätsfaktor Verringerung der CO2- und NOx-Emissio- Mischer
von 1 über alle Fahrzyklen unter realen Bedingungen einzuhalten. Das nen zu quantifizieren. In das bestehende DOC Vor der Unterboden
Turbine Filter
Leistungsverhalten und die Fahrbarkeit des Testfahrzeugs werden so Motormodell wurden das 48 V-System, das
definiert, dass sie den Eigenschaften des Basisfahrzeugs entsprechen. Ventil Kühler
aus einem Riemenstartergenerator (RSG) LP-AGR
mit den zugehörigen Regelungskompo- Kühler Ventil
nenten, einem elektrisch unterstützten AC
HP-AGR WCAC HFM Luftfilter
RSG
Turbolader (e-TC) und der 48 V-Batterie DC Drosselklappe Drosselklappe
besteht, sowie das PT EATS integriert. Die DC 2.0 L I4 EU6c
DC
430 Nm @ 1750 rpm
Abmessungen der EATS-Komponenten 48 V 12 V
132 kW @ 4000 rpm
Li-lon Blei-
wurden durch Simulationen mit Blick Batterie batterie HCU
auf eine erfolgreiche Integration in den
Motorraum optimiert. Der e-Turbo wur- Aufbau des der Turbine vorgelagerten Abgasnachbehandlungssystems
de mittels GT Power dimensioniert und und des 48 V-Antriebsstrangs
die Abgasrückführungsstrategie (AGR)
so optimiert, dass die extrem niedrigen Temperatur am TC-Einlass / 0C
NOx-Rohemissionswerte erreicht werden 600 3.0 .107
können. Außerdem wurde anhand
des Simulationsmodells das Re- 500 2.5 .107
kuperationspotenzial bestimmt.
400 2.0 .107
Der ursprüngliche Abgaskrüm-
mer wurde um 180 °C gedreht,
300 1.5 .107 kum.
damit der Turbolader unter- Enthalpie / J
gebracht werden konnte, 200 1.0 .107
und es wurde ein größerer
HD(Hochdruck)-AGR-Kühler 100 5.0 .106
eingebaut, um die Nutzung
der AGR im Volllastbetrieb 0 WLTC 0.0 .100
zu ermöglichen. Darüber
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800
hinaus wurden Designände-
Zeit / s
rungen an der Halterung des
Zwischenkühlers sowie an den Temperatur, EATS hinter Turbolader Temperatur, EATS vor Turbolader
Enthalpie, EATS hinter Turbolader Enthalpie, EATS vor Turbolader
Wasser- und Luftleitungen vorge- Boosten erforderlich Rekuperation möglich
Temperaturverhalten und Enthalpiesströme am Turbolader
12 13
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Mild-Hybrid-Diesel
BSFC / g/kWh mittl. Effektivdruck der Pumpe / bar 6% 3% 30 % Auswirkungen der EATS-
280 - 0,30
rel. Ausw. 120 Volumen und des EGR-Konzepts
270 - 0,35 auf den Kraft- auf den Kraftstoffverbrauch
stoffverbrauch 100
- 0,40 mit e-TC-Aufla-
260
- 1.8 % - 3.3 %
- 0,45 dung / 100 % 80
250
- 0,50 60
240
- 0,55 + 32 – 44 % 40
230
- 0,60
20
220 - 0,65
- 1.1 % 0
- 0.3 %
210 - 0,70 EATS Volumen /l 4,5 l 3l 2,4 l 3l
0 125 250 375 500 625 750 875 1.000 0 125 250 375 500 625 750 875 1.000
nur HD-AGR ND- und HD-AGR
mech. Leistung / W
e-TC-Rekuperation BSG-Rekuperation 4 bar, 2000 U / min 11 bar, 2000 U / min
Vergleich der Rekuperationsstrategien bei zwei Teillastpunkten können. Allerdings spielen pumpenver- diese Anordnung über einen WLTC lag bei
lustbedingte nachteilige Auswirkungen AGR-Strategie circa 52 Wh ohne Rekuperation am RSG
auf den Kraftstoffverbrauch in den meisten Im Hinblick auf eine Reduzierung der Kos- oder dem e-Turbo.
thermischen Masse deutlich niedriger als auf, da durch das Schließen des VGT die Pkw-Fahrszenarien keine große Rolle, der ten und der Komplexität des AGR-Kreis-
ohne das PT EATS. Doch mit der Erwär- Rekuperationspotenzial Pumpenverluste steigen, wie im rech- Nutzen eines Upsizing des e-TC wäre also laufs wurde die Option einer reinen
mung des Abgassystems entstehen infolge Das Rekuperationspotenzial des Systems ten Diagramm in Abbildung 3 zu sehen. gering gewesen, da im transienten Betrieb HD-AGR-Strategie untersucht, bei der Luftpfadregelung
der höheren thermischen Masse vor der wurde an zwei Teillastbetriebspunkten Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine stärkere elektrische Aufladung erfor- überschüssige Energie aus dem Abgas Die Verwendung einer elektrischen Un-
Turbine eine thermische Verzögerung untersucht, siehe Abbildung 3. Zudem mit zunehmender Rekuperation auch derlich gewesen wäre. Dementsprechend rekuperiert und die Position des VGT terstützung gemeinsam mit einer VGT
und ein allgemeiner Temperaturunter- wurde der bremsenspezifische Kraftstoff- der Kraftstoffverbrauch steigt, da mehr wurde eine kleinere Turbine gewählt. Das zugleich so regelt, dass der erforderli- erfordert eine spezielle Regelungsstra-
schied. Das Wärmeverlustprofil des PT verbrauch bei zwei Rekuperationsstrate- Leistung benötigt wird, um die gleiche entscheidende Kriterium bei der Bemes- che Gegendruck für höhere AGR-Raten tegie zur Optimierung der verschiedenen
EATS ergibt einen berechneten kumu- gien verglichen und ebenfalls in Abbil- Wirkleistung zu erzielen. sung der verwendeten E-Maschine ist das bei vergleichbarem Ladedruck erzielt Betriebszustände. In der vorliegenden
lierten Enthalpieverlust von 4 Prozent dung 3 dargestellt. Die Rekuperation am transiente Ansprechverhalten des Fahr- wird. Die Ergebnisse zeigten jedoch, Ausgestaltung des Konzepts wird die Elek-
über einen WLTC (Abbildung 2). Um in Turbolader mittels eines Turboladers mit zeugs. Unter Verwendung unterschiedli- dass bei der Einbindung des ND(Nieder- tromaschine hauptsächlich zur Unterstüt-
solchen Phasen geringer Enthalpie die variabler Geometrie (Variable-Geometry Bemessung des Turboladers cher Leistungen der elektrischen Maschine druck)-AGR-Pfads über den WLTC etwa zung im transienten Betrieb während des
Ladedruckpegel halten zu können, erzeugt Turbocharger, VGT) wird mit der Entnahme Hinsichtlich der Bemessung des e-TC am e-TC wurde eine Beschleunigung aus 30 Prozent weniger elektrische Energie Ladedruckaufbaus und zur Rekuperation
der elektrische Turbolader zusätzlichen der gleichen Leistung am RSG mittels Be- wurde die Verwendung einer größeren dem Stand auf 100 km/h simuliert, um erforderlich sind, weshalb sowohl die während des Verzögerns oder im Schub-
Ladedruck; zudem dient er der Rekupe- triebspunktlastverschiebung verglichen. Turbine in Betracht gezogen, da eine herauszufinden, bei welcher e-TC-Leistung HD- als auch die ND-AGR verwendet wur- betrieb verwendet. Die herkömmliche
ration überschüssiger Energie aus dem Die zweite Strategie weist einen um bis zu solche mittels optimierter Pumpenverluste das Beschleunigungsverhalten dem des den. Da ermittelt wurde, dass sich das PT Ladedruckregelung des VGT wurde um
Abgasstrom, wann immer das möglich ist. 3,3 Prozent energieeffizienteren Verlauf den Kraftstoffverbrauch hätte senken Basisfahrzeugs (8,7 s im Sprint auf 100 EATS-Volumen im Verhältnis zur AGR-Stra- eine erweiterte modellbasierte Regelung
km/h) am nächsten kommt. Diese Simu- tegie nur geringfügig auf den Kraftstoff- der Leistung bzw. des Drehmoments als
lationen sind in Abbildung 4 dargestellt. verbrauch auswirkt (Abbildung 5), wurde direkte Stellgröße der Elektromaschi-
Geschwindigkeit / kmh TC-Drehzahl / kU/min e-TC-Aufladung / kW
120 210 18 Ohne Unterstützung durch elektrische das maximal verfügbare EATS-Volumen ne ergänzt. In diesem Ansatz wird das
6-kW-eTC
180 16 Aufladung steigt die Beschleunigungs- ausgenutzt, um ein Partikelfilterregene- Drehmoment der Elektromaschine auf
100 14 11-kW-eTC
150 zeit auf 13,0 s, was die Notwendigkeit rationsintervall zu erzielen. Grundlage der Differenz zwischen dem
150 12 17-kW-eTCn
80 10 eines e-Turbos verdeutlicht. Ein Anheben angestrebten und dem tatsächlichen
9,4 120 PT-EATS mit TC
8
60
9,0 13,0 90 6 Basisfahrzeug der E-Maschinenleistung auf über 11 kW Alle oben genannten Variablen wurden Turbinendrehmoment berechnet.
40 10,3 60 4 lieferte keine signifikante Verringerung der zusammengeführt, um eine optimierte
8,7
30 2
20 0 0
Ansprechzeit (zwischen 9,0 s und 9,4 s), da Luftpfadstrategie zu entwickeln. Der ge- Zusätzlich wird ein E-Boost-Regelfaktor
0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 die Beschleunigung durch die maximale ringstmögliche Aufladebedarf während eingeführt. Dieser passt die Dynamik des
Zeit / s Zeit / s Zeit / s
Drehzahl der Elektromaschine auf 180.000 transienten Fahrbedingungen ergibt sich, geforderten Drehmoments – und damit
Simulation der Beschleunigung aus dem Stand auf 100 km / h min-1 begrenzt wird. wenn eine Kombination aus LP- und HD- der elektrischen
AGR, eine verhältnismäßig kleine Turbine Ladung – so an,
und ein 11-kW-Elektromotor verwendet dass ein opti-
werden. Der zusätzliche Energiebedarf für maler Kraftstoff-
AS ENTSCHEIDENDE KRITERIUM BEI DER
D
BEMESSUNG DER VERWENDETEN E-MASCHINE
IST DAS TRANSIENTE ANSPRECHVERHALTEN
DES FAHRZEUGS
14 15
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Mild-Hybrid-Diesel
relativer Kraftstoff- A DIE REKUPERIERTE
D
ENERGIE DEN ELEKTRISCHEN
verbrauch bei konst. NOx-Rohemissionen/
-NOx-Emissionen / % mg / km
12 400
Ziel-
bereich ENERGIEVERBRAUCH
ÜBERSTEIGT, WERDEN CIRCA
20 380
8 360
30 PROZENT ZUM LADEN DER
6 340
48 V-BATTERIE VERWENDET
4 320
2 300
Bei der Optimierung der Regelung des elektrischen VGT entscheidet
0 280
ein Prioritätenmanager auf Grundlage des jeweiligen Zustands des
0 20 40 60 80 100
elektrischen Systems über die Aufteilung der verfügbaren Energie
E-Boost-Regelfaktor / %
auf die verschiedenen Verbraucher. In dem Simulationsmodell wird
eine übergeordnete Energiemanagementstrategie eingesetzt, um
unter allen Betriebsbedingungen eine zuverlässige Versorgung des
bordeigenen 12 V-Netzes sicherzustellen. Zugleich wird das Potenzial
der verschiedenen 48 V-Komponenten zum Ausbalancieren der Un-
terstützung im transienten Betrieb während des Ladedruckaufbaus
und des Rekuperationspotenzials im Schubbetrieb und hohem
Enthalpiestrom vor der Turbine maximiert.
Auswirkungen auf den WLTC Elektrischer Energiehaushalt
Kraftstoffverbrauch und die im 48 V-System
NOx-Rohemissionen als Funktion 128
des E-Boost-Regelfaktors
- 437 Elektrischer Energiehaushalt (Wh)
Ladezustand
309 Verbrauch
Rekuperation
1 % durch den e-TC RSG-Aufladung 1 %
verbrauch bei noch ausreichender Ladedruckdynamik erzielt Optimierung der Gesamtstrategie
wird. Das geforderte Drehmoment berechnet sich dabei aus für den Hybridansatz
dem Modell. In Abbildung 6 sind die Auswirkungen auf den Es wurde untersucht, welche zusätzlichen Vorteile die in Ab-
durch den RSG 99 % durch 12 V-Verbraucher 51 % 48 % e-TC-Aufladung
Kraftstoffverbrauch und die NOx-Rohemissionen als Funktion bildung 7 dargestellte 48 V-Mild-Hybrid-Systemarchitektur
des E-Boost-Regelfaktors für den WLTC dargestellt. bietet. Der herkömmliche 12 V-Generator wurde durch einen
48 V-Riemenstartergenerator ersetzt. Über einen bidirektionalen
Wenn kleine E-Boost-Regelfaktoren angesetzt werden, greift die Gleichspannungswandler wurden eine 48 V-Batterie mit einer Rekuperation elektrischer Verbrauch elektrischer
Elektromaschine nur bei sehr großen Differenzen zwischen dem Kapazität von 0,5 kWh und der elektrisch unterstützte VGT an Energie Energie
angestrebten und dem tatsächlichen Turbinendrehmoment die bordeigene 12 V-Energieversorgung angeschlossen.
unterstützend ein. Bei größeren Werten des Regelfaktors hin-
gegen erfolgt die Unterstützung durch die E-Maschine bereits Der elektrische Energiehaushalt innerhalb des 48 V-Systems über
bei kleineren Differenzen des Turbinendrehmoments. Das hat den WLTC ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Rekuperation erfolgt fast
zur Folge, dass die NOx-Rohemissionen bei höheren Werten des Verbrennungs- ausschließlich durch den RSG, wohingegen der Energieverbrauch
motor
E-Boost-Regelfaktors sinken, der Kraftstoffverbrauch hingegen Nach-
durch die Verbraucher im 12 V-Netz und die Unterstützung der
behand-
signifikant ansteigt, weil mehr elektrische Leistung benötigt lung
12 V elektrischen Aufladung ungefähr gleich groß ist. Da die rekuperierte Von
Anlasser
wird. Diese Beobachtungen wurden zusammengeführt, um den RSG Energie den elektrischen Energieverbrauch übersteigt, werden circa Dr. Lynzi Robb
Zielbereich für den E-Boost-Regelfaktor zu bestimmen. 12 V- 30 Prozent zum Laden der 48 V-Batterie verwendet. robb@fev.com
eTC Batterie DC 12 V-Netz
DC
48 V
48 V- Der zweite Teil dieses Artikels widmet sich in einer kommenden
Batterie
SPECTRUM-Ausgabe der Optimierung des PT EATS-Systems
Schematischer Aufbau des untersuchten Konzepts sowie dem Leistungsverhalten des Gesamtsystems in wichtigen
RDE-Zyklen.
16 17
01 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Effiziente Mobilität
EFFIZIENTE MOBILITÄT
VORAUSSCHAUENDE FUNKTIONEN
IM HYBEX3 KONZEPTFAHRZEUG
I
Die Hybridisierung von Antriebssträngen ist ein wichtiger Schritt zu einer effizienten und n Kombination mit der Entwicklung vorausschauender und
sauberen Mobilität. Insbesondere die Möglichkeit, den Betrieb des Verbrennungsmotors in automatisierter Fahrfunktionen können weitere Potentiale
Bereiche mit höherem Wirkungsgrad zu verlagern und rein elektrische Fahrmodi darzustellen, erschlossen werden. Der Schlüsselfaktor für eine tatsächliche
ist einer der Hauptvorteile von Hybridantrieben. Diese Lastpunktverschiebung kann auf Reduzierung des Energiebedarfs unter realen Fahrbedingungen
der Grundlage von Streckendaten, die die zu erwartende Fahrzeuggeschwindigkeit und ist eine genaue Vorhersage der zukünftigen Entwicklung einer Ver-
die Fahrbahnsteigung beinhalten, weiter optimiert werden und gilt als Stand der Technik kehrssituation. Diese Vorhersage kann auf einer Vielzahl möglicher
in modernen Hybridantrieben. Quellen wie Sensordaten, hochauflösenden Karten und Fahrzeug-
kommunikation basieren, wobei alle Daten zu einem umfassenden
Umgebungsmodell verschmolzen werden.
Basierend auf den Informationen aus diesem Modell können die
Fahrzeuglängsführung und die Antriebsstrangsteuerung optimiert
werden. FEV hat in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Verbren-
nungskraftmaschinen der RWTH University, Aachen, eine Funkti-
onsstruktur entwickelt, die in der Lage ist, eine Vielzahl von mög-
lichen Datenquellen zu nutzen. Mit diesen wird ein Lösungsraum
für eine prädiktive Geschwindigkeitsprofiloptimierung generiert.
Dieses Geschwindigkeitsprofil kann dann verwendet werden, um
die Drehmomentaufteilung zwischen den Hybridkomponenten
optimiert zu betrieben.
Die Funktionsstruktur wurde in einem gemeinsam mit DENSO
aufgebauten Hybrid-Prototypenfahrzeug integriert. Ein robuster,
echtzeitfähiger modellprädiktiver Regelungsalgorithmus wird ver-
wendet, um die Längsführung des Fahrzeugs zu optimieren.
Das HYBex3 Konzeptfahrzeug
Das HYBex3 („HYBrid power exchange 3 modes“) Fahrzeug wurde
entwickelt, um die Einflüsse eines kostengünstigen DHT-Getriebe-
konzepts im Hinblick auf die Fahrbarkeit des Fahrzeugs zu ermitteln
und unter realen Bedingungen zu testen. Die Entwicklung erfolgte
gemeinsam mit DENSO AUTOMOTIVE Germany. Das Basisfahrzeug
ist ein MINI Cooper mit einem turboaufgeladenen 100 kW Dreizy-
linder-Verbrennungsmotor. Das Seriengetriebe wurde durch das
zu untersuchende speziell für den Anwendungsfall entwickelt
Hybridgetriebe ersetzt.
AS HYBEX3 FAHRZEUG WURDE ENTWICKELT,
D
UM DIE EINFLÜSSE EINES KOSTENGÜNSTIGEN
DHT-GETRIEBEKONZEPTS AUF DIE FAHRBARKEIT
DES FAHRZEUGS UNTER REALEN BEDINGUNGEN
ZU ERMITTELN
18 1901 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Effiziente Mobilität
Verbrennungsmotor mit sehr geringer Dynamik betrieben wird rung bestimmt. Der Suchalgorithmus Zur genauen Vorhersage der aktuellen und den Status von Lichtsignalanlagen
Die Antriebsstrangtopologie entspricht einem Mischhybrid mit und schnelle Lastwechsel durch den elektrischen Pfad umge- variiert die Drehmomentverteilung, bis Verkehrssituation ist die Aggregation aller beinhalten. Die Fahrzeugkommunikation
zwei Elektromotoren (EM) in einer P2/P3-Anordnung. Die P2- setzt werden. Die Übersetzungsverhältnisse ermöglichen eine der energetisch optimale Fall gefunden verfügbaren Daten erforderlich. Dies kann daher Daten bereitstellen, die über
Maschine befindet sich zwischen der elektrohydraulisch ange- deutliche Reduzierung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, ist. Dabei werden sowohl die Batterie- reicht von Sensoren wie RADAR- oder den von On-Board-Sensoren erfassbaren
triebenen Kupplung und dem zweistufigen Stirnradgetriebe. Die ohne die Gesamtdynamik des Antriebsstrangs zu beeinträch- grenzen als auch die Leistungsgrenzen der LIDAR-Sensoren oder optischen Kameras, Horizont hinausgehen.
Synchro-Elemente werden ebenfalls elektrohydraulisch aktuiert. tigen. Die Betriebsstrategie wurde mit einem Design-of-Experi- Elektromotoren für die aktuelle Situation die Verkehrsteilnehmer mit Hilfe von Bil-
Die P3-Maschine ist am Ausgang des Getriebes positioniert und ments optimiert. Zu diesem Zweck wurden die Parameter der berücksichtigt. derkennungstechniken erkennen können. Da dasselbe Objekt durch verschiedene
hat somit ein festes Übersetzungsverhältnis zum Rad. Stopp-Start-Strategie des Verbrennungsmotors gleichzeitig mit In der Regel liefern diese Sensoren den Typ Datenquellen somit mehrfach detektiert
den Parametern der Batterielade-Strategie optimiert. Für die (Pkw, Lkw, Fußgänger etc.), die relativen werden kann, muss die Datenaggregation
Mit diesem DHT-Getriebe sind verschiedenste Betriebsmodi endgültige Parametrierung wurde ein Kompromiss zwischen Prädiktive Funktionen Positionen und eventuell die Relativge- auch eine Funktionalität zur Datenfusion
darstellbar. Für den rein elektrischen Fahrbetrieb wird der Ver- der Auslegung für unterschiedliche Fahrzyklen gewählt. Die entwickelte Funktionsstruktur zur schwindigkeit der erfassten Objekte. beinhalten. Dies ist besonders vorteilhaft
brennungsmotor gestoppt und die Kupplung geöffnet. Der Elek- vorausschauenden Längsdynamikrege- für Hardware-Setups mit verschiedenen
tromotor P2 kann somit in beiden Übersetzungsstufen betrieben Die Aufteilung der Drehmomente der beiden Elektromotoren lung ist so konzipiert, dass eine Vielzahl Weitere Informationen können aus Arten von Sensoren, z. B. einem RADAR-
werden. Dies ermöglicht neben einem hohen Anfahrmoment sowohl im Parallelbetrieb als auch im vollelektrischen Fahr- von Datenquellen, Optimierungsroutinen On-Board-Navigationssystemen gewon- und Kamerasensor. Der RADAR-Sensor
im ersten Gang eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit von betrieb wird durch eine von FEV patentierte Online-Optimie- und Antriebsstranganordnungen in dieser nen werden, die Geschwindigkeitsbegren- kann den Abstand und die relative Posi-
140 km/h im zweiten Gang. dargestellt werden kann. zungen, Straßenneigung und -krümmung tion zu einem vorausfahrenden Fahrzeug
EMs mit Dreizylinder- sowie eventuell Kreuzungsdaten für den messen, er kann jedoch nicht die seitliche
Untersetzungs- Zweistufiges Benzin-Verbren-
Im Hybridbetrieb ist es möglich, entweder seriell oder parallel zu getriebe Getriebe nungsmotor Vorderachse Der erste Schritt ist eine Aggregation wahrscheinlichsten Pfad des Fahrzeugs Position des Fahrzeugs in Bezug auf die
fahren. Im Parallelbetrieb ist einer der beiden Gangsätze einge- und Fusion der verfügbaren Daten zu über einen sogenannten "elektronischen Straßenmarkierungen bestimmen. Der
legt. Im seriellen Betriebsmodus wird das Getriebe in den Leerlauf EM P2 einem Umgebungsmodell, gefolgt von Horizont" liefern. Ist das Navigationssys- Kamerasensor ermöglicht nur Schät-
geschaltet. Der Verbrennungsmotor ist dann ausschließlich einer Prädiktion der Verkehrssituation. tem mit dem Internet verbunden, können zungen der Relativgeschwindigkeit und
mit dem Elektromotor P2 verbunden und der Elektromotor P3 Diese ermöglicht eine Optimierung des auch Daten über durchschnittliche Ge- der Entfernung, aber er ist in der Lage
treibt die Räder an. Alle Gangwechsel sind vollständig elektrisch Geschwindigkeitsprofils. Auf Basis dessen schwindigkeiten entlang der geplanten exakt zu erfassen, ob sich ein Objekt auf
synchronisiert, so dass die Reibkupplung auch im Hybridbetrieb erfolgt eine Beschleunigungsregelung des Route und Staus bereitgestellt werden. der gleichen Spur wie das betrachtete
geschlossen bleiben kann. Der serielle Betrieb im niedrigen Fahrzeuges. Das geplante Geschwindig- Fahrzeug befindet. Nach der Fusion meh-
Geschwindigkeitsbereich und ein paralleler Betrieb bei höheren keitsprofil kann ebenfalls genutzt werden, Zukünftig können durch die Vernetzung rerer Datenquellen wird eine aggregierte
EM P3
Geschwindigkeiten ermöglicht eine deutliche Steigerung des um die Ladezustandsstrategie anzupas- von Fahrzeugen mittels 5G oder ETSI ITS Objektliste erstellt, die nur gültige und
Systemwirkungsgrads. Die Betriebsstrategie sieht vor, dass der sen. Ist die gewünschte Ladeleistung G5 weitere Informationen gewonnen wer- relevante Daten aller erfassten Objekte
HYBex3 Getriebetopologie bestimmt, wird auf Basis dieser und des den. Diese so genannte Vehicle-to-Every- enthält und ein entsprechendes Umge-
Radmomentenwunsches die Momenten- thing (V2X)-Kommunikation soll unter bungsmodell generiert.
aufteilung auf die Antriebsstrangkompo- anderem die Positionen, Richtung und
nenten durchgeführt. Geschwindigkeiten anderer Fahrzeuge Bevor eine Optimierung der Fahrzeug-
sowie die Anordnung von Kreuzungen trajektorie durchgeführt werden kann,
Eingabe Datenverarbeitung und Interpretation Optimierung Antriebsstrangssteuerung
HYBex3 Konzeptfahrzeug
Optimierung Drehmoment-
auf Basis eines MINI Cooper Kamera
Situations-
der Längsfüh-
Beschleuni-
bedarf Verbren-
prädiktion gungsregelung
rung nungsmotor
Daten-
Optimierung
Elektronischer aggregation Drehmoment-
Drehmoment-
Horizont im Umge- bedarf EM 1
aufteilung
bungsmodell
V2X, Ladezustands- Ladeleistungs- Drehmoment-
Radar … strategie berechnung bedarf EM 2
Funktionsarchitektur für prädiktive Funktionen
20 2101 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Effiziente Mobilität
Eingabe Datenaggregation Situationsprädiktion
Datenfusion Auswahl geeig- Vorhersage
Umgebungs- Lösungsraum Distanz / m Geschwindigkeit / (km / h) Beschleunigung / (m / s2)
Kamera neter Umge- Umgebungs- 400 50 1
fahrzeugdaten Position
bungsfahrzeuge fahrzeuge
40 0.5
300
0
Elektronischer Grünphasen- 30
Ampeldaten Ampelauswahl 200 - 0.5
Horizont auswahl
20
-1
100 10 - 1.5
Straßen-
Radar, ... 0 0 -2
neigungsdaten
0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30 0 5 10 15 20 25 30
Zeit / s Zeit / s Zeit / s
Geschwindig- Lösungsraum
V2X keits- Geschwin-
begrenzungen digkeit
POSITION GESCHWINDIGKEIT BESCHLEUNIGUNG
Funktionsarchitektur für
Datenaggregation und
Situationsprädiktion
muss eine Vorhersage über die Entwicklung der aktuellen Situation
gemacht werden. Diese Vorhersage basiert auf den relevanten Objekten,
die das Umgebungsmodell bereitstellt. In einem ersten Schritt wird die
Geschwindigkeitsbegrenzung entlang des Prädiktionshorizontes be-
stimmt. Basierend darauf und auf dem aktuellen Zustand detektierter,
vorausfahrender Fahrzeuge wird eine Prädiktion für die Geschwindigkeits-
und Positionstrajektorie dieser Fahrzeuge vorhergesagt.
Auf dieser Basis wird ein sogenannter Lösungsraum aufgespannt, in dem
sich der nachgeschaltete Optimierungsalgorithmus bewegen kann. Die
von FEV und dem Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen entwickelte
Funktionsstruktur ermöglicht die Implementierung unterschiedlichster
Algorithmen hierfür. Je nach Anforderung können einfache regelbasierte
Ansätze, aber auch Methoden der modellprädiktiven Regelung oder der
Diskreten Dynamischen Programmierung dargestellt werden.
Anwendung im Fahrzeug 0,0 % 37,7 km / h - 0,4 m / s2
Zur Erprobung der Funktionsstruktur wurde eine echtzeitfähige modell- Von GASPEDAL GESCHWINDIGKEIT BESCHLEUNIGUNG
prädiktive Regelung (MPR) auf dem Rapid Prototyping Steuergerät des Dr. Georg Birmes . birmes@fev.com
HYBex3 Konzeptfahrzeugs implementiert und verschiedene Testszenarien Dr. Rene Savelsberg . savelsberg@fev.com
umgesetzt. In einer ersten Demonstration wurde die Funktionalität und
Echtzeitfähigkeit dieser für eine vorausschauende Anpassung des Reku- Marius Wegener
perationsverhaltens des Konzeptfahrzeuges nachgewiesen. Durch eine Prof. Jakob Andert
effiziente Implementierung der MPR mittels des Tools „qpOASES“ kann Lehrstuhl für
eine Optimierung des Geschwindigkeitsverlaufes über einen Horizont von Verbrennungskraftmaschinen,
zehn Sekunden innerhalb von weniger als 100 µs durchgeführt werden. RWTH Aachen University
Zukünftig kann die modulare Konzeption der Funktionsstruktur genutzt Ulrich Schwarz
werden, um den Vorausschauhorizont des Fahrzeuges beispielsweise um DENSO AUTOMOTIVE
vorausliegende Ampeln zu erweitern oder vorausschauende, automatisierte Deutschland GmbH Experimentelle Validierung der Funktionen auf der Teststrecke
Fahrfunktionen wie Predictive Cruise Control (PCC) darzustellen.
22 2301 NACHHALTIGE ANTRIEBSLÖSUNGEN Brennstoffzelle
BRENNSTOFFZELLE
BRENNSTOFFZELLENSYSTEME Anwendungsfälle für
Plug-in Hybrid Electric Vehicle, FC-PHEV) ist häufig eine vielver-
sprechende Lösung, um mit reduziertem Entwicklungsaufwand
FÜR DEN SCHWERLASTVERKEHR Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge
Da Brennstoffzellensysteme und Batterien während ihrer Nut-
maßgeschneiderte Antriebsstränge zu realisieren. Die Frage, wo
die optimale Kombination aus Brennstoffzellenleistung und
zung keine klimaschädlichen Treibhausgase ausstoßen, kann ihr Batterieleistung/-kapazität liegt, hängt vom Anwendungsfall
Da im Verkehrssektor bisher noch nicht der Rückgang von CO2-Emissionen wie in anderen Branchen zu ver- Einsatz in Pkw, leichten Nutzfahrzeugen und Schwerlast-Lkw zu ab und stellt weiterhin einen wichtigen Forschungsschwer-
zeichnen ist, steht dieses Thema besonders im Brennpunkt der öffentlichen Aufmerksamkeit und hat dadurch einer Reduzierung der CO2-Emissionen im Verkehrssektor bei- punkt dar. Auch wenn im Pkw-Segment in der Regel höhere
in der Forschung eine hohe Priorität. Insbesondere im Schwerlastverkehr mit seinem hohen CO2-Ausstoß laufen tragen. Voraussetzung ist, dass der Wasserstoff für ihren Betrieb Volumina erreicht werden, könnte es im Nutzfahrzeugsegment
zurzeit wichtige Forschungs- und Entwicklungsprogramme zur Implementierung von Antriebssystemen mit ge- z. B. mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt wird.
ringen oder keine Emissionen. Dabei geht es nicht nur um eine Reduzierung der durchschnittlichen CO2-Emissi- Gegenüber batterieelektrischen Fahrzeugen (Battery Electric
onen einer Flotte, um hohe finanzielle Belastungen wegen einer Überschreitung der CO2-Emissionsgrenzwerte Vehicle, BEV) ermöglichen Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge
(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) größere Reichweiten, kürzere
EI SCHWERLASTFAHR-
B
zu vermeiden. Vielmehr müssen auch der Wirkungsgrad, die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Systeme
sowie die Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) berücksichtigt werden, um wettbewerbsfähige Betankungszeiten – vergleichbar mit der Betankung von Fahr- ZEUGEN MIT EINER HOHEN
Alternativen für Verbrennungsmotoren im Schwerlasteinsatz zu finden. zeugen mit Diesel- oder Benzinmotor – sowie ein reduziertes JÄHRLICHEN LAUFLEISTUNG
Gewicht des Antriebsstrangs und damit höhere Nutzlasten.
Die Entscheidung, welches Antriebssystem für den jeweiligen
IST DER BRENNSTOFF-
Der ausschließliche Einsatz von rein batterieelektrischen Antriebssträngen für Anwendungen im Schwerlastbe-
reich ist derzeit noch keine rentable Option, da die Größe der benötigten Batterien zu einem enormen Gewicht Einsatz und Anwendungsfall am besten geeignet ist, hängt ZELLEN-ELEKTROANTRIEB
des Antriebssystems und damit zu einem erhöhten Leistungsbedarf und reduzierter Nutzlast führen würde. Aus von verschiedenen Faktoren wie Kosten, Wirkungsgrad und BESONDERS GEEIGNET
diesem Grund stellen Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, Langlebigkeit ab. Der Schwerpunkt muss dabei jedoch auf dem
PEMFC) in Kombination mit kleineren Batterien einen vielversprechenden Ansatz für Schwerlastfahrzeuge mit Nutzen für den Kunden liegen.
Elektroantrieb dar. möglicherweise erstmals eine größere Marktdurchdringung
Unter Berücksichtigung von Reichweite und Fahrzeuggewicht bei Brennstoffzellen-E-Antrieben geben. Im Vergleich
Die FEV Europe GmbH und der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) der RWTH Aachen University gibt Abbildung 1 einen allgemeinen Überblick über geeignete zum Pkw-Segment bringt der Einsatz von
untersuchen unter anderem den Einsatz von PEMFC in unterschiedlichen Verkehrsanwendungen. Bei der Beur- Elektroantriebsstränge für unterschiedliche Fahrzeuge. Aufgrund Brennstoffzellensystemen im
teilung alternativer Antriebssysteme für Nutzfahrzeuge ist es wichtig, die Gesamtbetriebskosten verschiedener ihres hohen Wirkungsgrads, aber auch ihrer geringeren Leistungs- Schwerlastverkehr
Antriebsstränge zu untersuchen. Dabei sind unterschiedliche Szenarien der Stromerzeugung aus erneuerbaren dichte geht man davon aus, dass batterieelektrische Antriebe
Quellen zu berücksichtigen, um Entscheidungen über die Entwicklung zukünftiger Antriebssysteme für den sich besser für leichte Nutzfahrzeuge mit kleinen
Schwerlasteinsatz treffen zu können. Reichweiten eignen, deren tägli-
che Fahrten sich
Die Schritte von FEV und VKA zur Entwicklung und Validierung von Brennstoffzellensystemen mit fortschrittli-
chen Betriebsstrategien für Schwerlastanwendungen mit einer Netto-Antriebsleistung von bis zu 250 kW sind
im Folgenden beschrieben. Strategien zur Abmilderung der Degradationsmechanismen einer Brennstoffzelle
werden eingeführt, um die Hybrid-Betriebsstrategie zu optimieren und die Langlebigkeit und Zuverlässig-
keit der entwickelten Systeme nachzuweisen.
jedoch
neue Herausfor-
derungen mit sich. Eine der
größten Herausforderungen davon
ist die erforderliche Lebensdauer von über
20.000 Stunden, was mehr als dem Dreifachen der ge-
forderten Lebensdauer bei Pkw entspricht.
haupt-
sächlich auf den
Stadtverkehr beschränken. Bedeutung der Gesamtbetriebskosten
Für längere Reichweiten und Schwer- im Nutzfahrzeugsegment
lastanwendungen sollten Brennstoffzellen- Ein wichtiger Technologietreiber im Nutzfahrzeugsegment
Elektroantriebe – ergänzt durch kleine Batterien für Spit- waren schon immer die Gesamtbetriebskosten. Neben dem
zenleistung und Rekuperation (Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle, Preis des Fahrzeugs und seinem Wiederverkaufswert sind die
FC-HEV) – vorgezogen werden, insbesondere auch im Hinblick auf Betriebskosten der TCO-Faktor mit der höchsten Relevanz. In
das Gewicht des gesamten Antriebsstrangs. Eine Kombination einer Studie von FEV zu den TCO für unterschiedliche Nutzfahr-
aus Brennstoffzellensystem und mittelgroßer Batterie (Fuel Cell zeugsegmente wurden verschiedene Anwendungsfälle unter-
24 25Sie können auch lesen
