In gezielten Schritten zum optimalen Antriebsstrang

26.04.2016 // Antriebsstrangsynthese und Wärmeenergierückgewinnung: Mit diesen beiden Themen präsentiert sich der Engineering-Partner IAV am 28. und 29. April auf dem 37. Internationalen Wiener Motorensymposium.

Berlin. Das Unternehmen stellt auf dem Wiener Motorensymposium seine einzigartige Methodik vor, aus Millionen Varianten den optimalen Antriebsstrang zu ermitteln. Zudem ist auf dem Stand der Prototyp eines Hubkolben-Dampfexpanders für Nutzfahrzeuge zu sehen, der den Organic Rankine Cycle (ORC) nutzt und bis zu fünf Prozent Kraftstoff sparen kann.

IAV-Antriebsstrangsynthese - neue Wege für komplexe Herausforderungen

Geringe CO2-Emissionen, eine hohe Fahrleistung und der markentypische Komfort – das sind nur einige der Anforderungen, die OEMs bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge berücksichtigen müssen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei der Antriebsstrang, über den schon in einer frühen Entwicklungsphase entschieden werden muss. Allerdings reicht es heute nicht mehr aus, den Motor, das Getriebe oder die E-Maschine einzeln zu optimieren: Aufgrund der hohen Komplexität moderner Antriebsstränge ist ein integrierter Entwicklungsprozess erforderlich.

„Die IAV-Antriebsstrangsynthese ist eine Methodik, mit der sich aus einer Vielzahl von Möglichkeiten das globale Optimum für jede Fahrzeug- und Flottenanwendung ermitteln lässt. In den Synthese- und Variationsprozess fließen alle Szenarien und Antriebskonfigurationen von Verbrennungsmotoren, Getrieben, E-Maschinen, Leistungselektronik, Batterien, Betriebsstrategien, Fahrzeugen und Topologien ein,“ sagt Wolfgang Wukisiewitsch, Fachbereichsleiter Motor- und Getriebe-Entwicklung bei IAV. Je nach Einzelfall können dabei für mehrere Millionen Varianten detaillierte Zyklus-, Fahrleistungs- und Kostenberechnungen durchgeführt und automatisiert ausgewertet werden. Am Ende steht eine klare Empfehlung für die optimale Lösung unter den vorgegebenen Randbedingungen.

Die neue Methodik richtet sich vor allem an Systemarchitekten und Entscheider mit übergreifender Verantwortung für Flottenziele und Anforderungen sowie an Leiter der Antriebsstrangentwicklung – an alle Experten also, die strategische Grundsatzentscheidungen über Einzelkomponenten hinaus treffen.

Kraftstoffeinsparung durch Wärmerückgewinnung

Immer strengere CO2-Flottengrenzwerte und der Wunsch nach einer möglichst geringen Total Cost of Ownership im Nutzfahrzeug-Bereich machen Technologien für die Rückgewinnung der Abgaswärme immer attraktiver. „Besonders vielversprechend ist der Organic Rankine Cycle (ORC), bei dem eine Dampfmaschine mit einem anderen Arbeitsmedium als Wasser betrieben wird. Er verspricht das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis, weil der ORC auch bei vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen einen relativ hohen Wirkungsgrad erreicht“, sagt Oliver Dingel, Senior Fachreferent für Energiemanagement bei IAV. „Vor allem Nutzfahrzeug-Hersteller beschäftigen sich darum intensiv mit dem ORC und anderen Technologien zur Abgaswärme-Rückgewinnung“.

IAV zeigt in Wien den Prototypen eines Hubkolben-Dampfexpanders für Nutzfahrzeuge. Er nutzt das klimafreundliche Ethanol und hat auf dem Prüfstand seine Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit über mehrere hundert Stunden unter Beweis gestellt. Der Dampfexpander erreicht einen maximalen Wirkungsgrad von 13 Prozent und liefert bis zu zwölf Kilowatt Leistung. Er wiegt lediglich 16,3 Kilogramm und lässt sich dank seines einfachen Aufbaus kostengünstig in Serie herstellen. Messungen haben gezeigt, dass er den Kraftstoffverbrauch eines Nutzfahrzeugs um bis zu fünf Prozent verringern kann. Damit amortisieren sich die Mehrkosten für das System bereits innerhalb von etwa zwei Jahren.

Neben dem Hubkolben-Dampfexpander und weiteren Komponenten wie einer Gleichdruckturbine und Abgas-Wärmeübertragern hat IAV auch Betriebs- und Regelungsstrategien entwickelt, die einen sicheren Betrieb des komplexen Dampfkreislaufs gewährleisten. Sie wurden am Nutzfahrzeugmotor mit angeschlossenem ORC-Kreislauf auf einem dynamischen Prüfstand getestet und optimiert. Die Technologie ist inzwischen so ausgereift, dass eine sofortige Serienentwicklung möglich ist und erste Nutzfahrzeuge bereits in rund drei Jahren mit einem kraftstoffsparenden ORC-Expander auf den Markt kommen könnten.