IAV auf dem Aachener Kolloquium: Bausteine und Werkzeuge für den Antriebsstrang der Zukunft

10.10.2017 // Berlin. Auf dem Aachener Motorenkolloquium (9. bis 11. Oktober 2017) stellt der Automobilentwickler IAV wegweisende Innovationen für die Antriebsstränge der Zukunft und deren Entwicklung vor: Das von IAV weiterentwickelte Lambdasplit-Verfahren sorgt in einem neuen CNG-Motor von Audi für eine zuverlässige Methan-Konvertierung auch bei niedrigen Lasten. Ein Konzept eines modularen elektrischen Antriebs von IAV vereint hohen Fahrkomfort, hohe Effizienz und einen geringen Bauraum mit wettbewerbsfähigen Kosten. Und die IAV-Antriebsstrangsynthese findet aus Millionen von möglichen Konfigurationen der Komponenten des Antriebsstranges das Optimum für jede spezifische Fahrzeug- oder Flottenanwendung.

Erdgas-Fahrzeuge sind echte Klimaschützer. Dank CNG-Betriebs (Compressed Natural Gas) stoßen sie rund 20 Prozent weniger CO2 aus als ein vergleichbarer Benziner. Stammt das Gas aus erneuerbaren Quellen, ist sogar eine Verringerung um 80 Prozent möglich. Hinzu kommen die niedrigen Energiesteuern auf Erdgas, wodurch die Fahrzeuge für ihre Nutzer auch wirtschaftlich attraktiv sind.

Audi hat mit dem A4 Avant 2.0l g-tron und dem A5 Sportback 2.0l g-tron dieses Jahr zwei CNG-Fahrzeuge auf den Markt gebracht, in denen Entwicklungen von IAV stecken. Zusammen mit der Motorsteuerung für den bivalenten Betrieb hat IAV auch ein weiterentwickeltes Lambdasplit-Verfahren in Serie gebracht: Bei niedrigen Katalysatortemperaturen werden je zwei Zylinder im fetten bzw. im mageren Bereich betrieben. Die beiden fett betriebenen Zylinder liefern relativ viele Kohlenwasserstoffe, während die beiden mager betriebenen Zylinder eine große Menge Sauerstoff beisteuern. Dabei bleibt Lambda insgesamt bei seinem optimalen Wert von eins.

Durch die Reaktion der Kohlenwasserstoffe und des Sauerstoffs im Katalysator steigt die Temperatur im Katalysator auf mindestens 550 Grad Celsius an. Dadurch ist auch bei geringen Lasten die Konvertierung des Methans im Abgas sichergestellt. Voraussetzung dafür ist allerdings die präzise Dosierung des Kraftstoffs in die Zylinder. Darum entwickelten die IAV-Ingenieure auch eine Funktion, um den Wirkungsgrad der Gaseinblasventile zu bestimmen. Streuungen oder Alterungseffekte haben damit keine Auswirkungen auf das Lambdasplit-Verfahren. In Aachen zeigt IAV das Aggregat, das im A4 Avant 2.0l g-tron und im A5 Sportback 2.0l g-tron eingesetzt ist.

Modulares elektrisches Antriebskonzept: Mehr Gänge für mehr Komfort

Viele elektrische Antriebe setzen derzeit auf die Kombination aus einem E-Motor und einem Getriebe mit festem Übersetzungsverhältnis. Sie sind zwar relativ einfach aufgebaut, können aber nicht alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen. So verlangen hohe Steigfähigkeit einerseits und maximale Effizienz beziehungsweise hohe Geschwindigkeiten andererseits ganz unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse. IAV stellt in Aachen eine modulare elektrische Antriebseinheit vor, die aus einer E-Maschine, einer integrierten Leistungselektronik und einem Getriebe mit einem bis drei Gängen besteht.

In ihr arbeitet ein von IAV entwickelter E-Motor mit einer Dauerleistung von 50 Kilowatt und einer Maximalleistung von 80 Kilowatt. Er erzeugt ein kontinuierliches Drehmoment von 150 Newtonmetern, das sich kurzzeitig bis auf 300 Newtonmeter steigern lässt. Das Planetengetriebe mit maximal drei Gängen ist seitlich neben dem E-Motor angebracht und kann Abtriebsdrehmomente von bis zu 3.000 Newtonmetern erzeugen. Zugleich kann damit die maximale Drehzahl des Motors auf 8.000 Umdrehungen pro Minute begrenzt werden. Das Differential ist im E-Motor untergebracht, um den knappen Bauraum optimal auszunutzen.
Zudem ist die Antriebseinheit flexibel einsetzbar – als Hauptantrieb für batterieelektrische Fahrzeuge, für Brennstoffzellenfahrzeuge oder als Bestandteil von Plug-In-Hybriden. Ihre Leistung kann skaliert werden und ist ausreichend für Fahrzeuge aus den Klassen A (Kleinstwagen), B (Kleinwagen), C (Mittelklasse) und D (obere Mittelklasse).

IAV-Antriebsstrangsynthese liefert die optimale Lösung aus Millionen von Varianten

Die sprichwörtliche „Nadel im Heuhaufen“ findet die IAV-Antriebsstrangsynthese – genauer: die Nadel in der Datenwolke. Unter gegebenen Randbedingungen wie beispielsweise Kosten, Fahrleistung und Komfort liefert sie die übergreifende und systemoptimale Lösung aus Millionen von möglichen Antriebsstrangvarianten. Dabei berücksichtigt das Tool alle technisch sinnvollen Kombinationen von Verbrennungsmotor, Getriebe, E-Maschine, Leistungselektronik, Batterie, Fahrzeug und Topologie bei gleichzeitiger Variation von entsprechenden Parametern, Kennfeldern und Technologien.

Global optimierte Hybrid-Antriebsstränge können dabei nicht nur für konkrete Fahrzeuganwendungen identifiziert werden, sondern auch für ganze Fahrzeugflotten. Die optimale Flottenkonfiguration hängt im Detail entscheidend von weiteren Randbedingungen, wie Fahrleistungsanforderungen, Hybridfunktionalitäten, der genutzten Betriebsstrategie, Kosten-Skalierungseffekten sowie Verkaufsanteilen ab.

Am Ende eines iterativen Prozesses findet die IAV-Antriebsstrangsynthese das Systemoptimum unter den gegebenen Randbedingungen für die spezifische Fahrzeuganwendung oder die Fahrzeugflotte. Je nach Projektanforderungen berechnet sie dafür die Eigenschaften von Millionen von Varianten – wie zum Beispiel Drehzahlen, Leistungen, Wirkungsgrade, Batterieladezustände sowie Betriebspunkte von Verbrennungsmotor und E-Maschine. Die IAV-Antriebsstrangsynthese liefert dadurch die optimale Grundlage für strategische Entscheidungen mit Blick auf künftige Herausforderungen der Fahrzeugentwicklung.

IAV-Bereichsleiter Matthias Kratzsch erläutert das Prinzip der IAV-Antriebsstrangsynthese im Hinblick auf Fahrzeugflotten auf dem Aachener Kolloquium in seinem Vortrag: „Antriebsstrang 2025 – 75 g CO2/km. Ein Grundmotor für die gesamte Flotte?“.

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