Auf dem Weg zu 45 Prozent Wirkungsgrad

08.10.2018 // Unter dem Motto „Intelligent Powertrain – Concepts and Technologies for Minimum Emissions and Maximum Efficiency” zeigt IAV auf dem 27. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik (8. bis 10. Oktober 2018) einen neu konzipierten Grundmotor und ein hocheffizientes DHT-Planetengetriebe. Die Vorkammerzündung ist das Thema des diesjährigen IAV-Fachvortrags – insbesondere die Kombination dieser Schlüsseltechnologie mit anderen Maßnahmen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs.

Die Messlatte liegt hoch: Künftige Pkw-Motoren müssen in Zukunft Wirkungsgrade von bis zu 45 Prozent erreichen, wenn sie die weltweit geplanten CO2-und Emissionsgrenzwerte einhalten wollen. Bereits für 2025 ist eine weitere Absenkung des ab 2020 in Europa gültigen Grenzwerts um 15 Prozent, bis 2030 sogar um 30 Prozent beschlossen. Diese ambitionierten Ziele lassen sich nur durch die Kombination mehrerer sich ergänzender Technologien erreichen, darunter der Miller-Zyklus, höhere Verdichtung, gekühlte AGR und homogen-magere Verbrennung. Die zu wählenden Technologie-Bausteine hängen maßgeblich vom Antriebskonzept oder besser dessen Elektrifizierungsgrad ab. Gesucht sind solche Lösungen, die sich in möglichst viele dieser Antriebskonzepte vorteilhaft einsetzen lassen.

Die Vorkammerzündung schafft die Voraussetzungen um diese Effizienztechnologien schrittweise in den Verbrennungsmotor zu integrieren und dabei evolutionär in verschiedenen Topologien zu helfen: Der Miller-Zyklus erhöht zwar bereits deutlich den Wirkungsgrad, benötigt aber eine sehr spezifische Auslegung des Brennverfahrens, um die damit einhergehenden Nachteile zu verringern. Das gelingt jedoch nicht immer vollständig und manche einzuführenden Maßnahmen bringen wieder andere Nachteile mit sich. Die Kombination mit der Vorkammerzündung zeigt aber genau hier einen großen Vorteil, da für den Miller-Zyklus typische Nachteile kompensiert werden können, was gegenüber Brennverfahren mit konventioneller Zündkerze und Miller-Zyklus zu einer weiteren Kraftstoffeinsparung von zwei bis drei Prozent führt. Auch die Erhöhung der geometrischen Verdichtung und damit einhergehender Kraftstoffeinsparung von zwei bis drei Prozent wird erst durch die Einführung einer Vorkammerzündung möglich, da diese einen großen Klopfvorteil mit sich bringt. Wird ein Verbrennungsmotor mit extern gekühlter AGR betrieben, so kompensiert erneut die Vorkammerzündung verfahrensspezifische Nachteile und erreicht eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs gegenüber Brennverfahren mit konventioneller Zündkerze von weiteren ein bis zwei Prozent. Homogen-magere Brennverfahren werden durch eine aktive Vorkammerzündung erst möglich, da diese wesentlich mehr Energie für die Entflammung des Gemischs zur Verfügung stellt als herkömmliche Zündkerzen. In Aachen stellt IAV ein seriennahes Exponat vor, und im Fachvortrag „Pre-Chamber Ignition and Promising Complementary Technologies“ zeigt das Unternehmen das Potenzial der Vorkammerzündung in Kombination mit den anderen Effizienztechnologien detailliert auf.

„Die Vorkammerzündung ist eine Schlüsseltechnologie für die sparsamen Motoren der Zukunft“, sagt Marc Sens, Fachbereichsleiter Vorentwicklung Antriebsstrang Ottomotor bei IAV. Die Vorkammerzündung ist besonders interessant, weil sie die evolutionäre Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors möglich macht – mit ihrer Hilfe lässt sich beispielsweise im ersten Schritt das Klopfverhalten verbessern, später kann dann mit dem Miller-Zyklus oder homogen-mageren Gemischen der Kraftstoffverbrauch weiter reduziert werden. „Noch müssen wir einige technische Herausforderungen bewältigen, etwa den sicheren Start selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt oder das Design einer Vorkammer, die unter den verschiedensten Betriebsbedingungen sicher arbeitet“, erklärt Sens. „Aber hier hat IAV bereits vielversprechende Lösungen vorgestellt und in Entwicklung.“

Basismotor und DHT-Planetengetriebe für CO2-optimierte Flotten

Neben der Vorkammerzündung stellt IAV in Aachen auch einen Basismotor mit drei Zylindern und 1,1 Litern Hubraum vor, der dank mehrerer Leistungsstufen optimal für eine CO2-optimierte Flotte geeignet ist. Für kleinere Modelle liefert er als Saugmotor 72 kW Leistung, in größeren Fahrzeugen kommen die aufgeladenen Versionen mit 90 oder 120 kW Leistung zum Einsatz. Zur Unterstützung moderner Brennverfahren ist er außerordentlich langhubig ausgelegt. Der Grundmotor ist verbrauchs- und kostenoptimiert, benötigt nur einen kleinen Bauraum und ist modular aufgebaut – zum Beispiel kann er um eine Ventilhubumschaltung, Ausgleichswellen oder elektrische Nebenaggregate ergänzt werden. Eine weitere Effizienzsteigerung ermöglichen Technologien wie 3D-gedruckte Kolben und „Advanced Thermal Management“. Eine weitere Option ist ein neues Modul für alle sekundären Luftsysteme: Es fasst alle heute am Motor und im Fahrzeug verwendeten Einzelsysteme zusammen und kommt dadurch mit weniger Bauteilen aus.

IAV zeigt in Aachen auch ein DHT-Planetengetriebe (Dedicated Hybrid Transmission), das sich optimal mit dem Grundmotor kombinieren lässt. Es enthält lediglich zwei Planetenradsätze sowie vier Schaltelemente. Als E-Maschine kommt ein Permanentmagnet-Synchronmotor zum Einsatz, der je nach Ausführung Leistungen zwischen 25 und 190 Kilowatt sowie Drehmomente von 150 bis 500 Newtonmeter liefert. Durch seine hohe Integration in das Getriebe benötigt er wenig Bauraum, so dass der hybridisierte Antriebsstrang auch in kleine Fahrzeuge passt. Das Getriebe ist für ein kombiniertes Antriebsdrehmoment von maximal 750 Newtonmetern aus Verbrennungs- und Elektromotor ausgelegt. Dank seiner maximalen Eingangsdrehzahl von 7.000 Umdrehungen kann der integrierte Elektromotor in einem weiten Betriebsbereich genutzt werden.

„Bei IAV denken wir immer in gesamten Antriebssträngen“, sagt Marc Sens. „Mit der Kombination aus Grundmotor und DHT-Getriebe sowie der Vorkammerzündung als Schlüsseltechnologie für eine höhere Effizienz können wir unseren Kunden zukunftssichere Lösungen für ihre spezifischen Flotten anbieten.“

 

Kurz erklärt: Vorkammerzündung

Am Ort der Zündkerze im Zylinderkopf wird ein kleiner Raum mit einer gelochten Kappe vom Hauptbrennraum separiert. Ist die Vorkammerzündung passiv, gelangt das Gemisch während des Kompressionshubs durch diese Öffnungen in die Vorkammer und wird von der darin befindlichen Zündkerze entflammt. Bei einer aktiven Vorkammerzündung kommt eine separate Kraftstoffzumesseinrichtung hinzu, die stets für stöchiometrisches Gemisch in der Vorkammer sorgt, auch wenn der Hauptbrennraum mager betrieben wird.

 

Weitere Informationen zur Vorkammerzündung finden Sie auch in diesem Video