Entwicklungspotentiale der PKW-Dieselaufladung durch Elektrifizierung

Im Spannungsfeld stetig strenger werdender Emissionsvorschriften, ansteigender Konkurrenz durch alternative Antriebstechnologien wie Brennstofzellen- und Elektroantriebe sowie steigender Kundenanforderungen gilt es mehr denn je, Verbrennungsmotoren effizienter zu gestalten. Neben einer Hybridisierung und den damit verbundenen Vorteilen für den Verbrennungsmotor liegt der Schlüssel hierzu insbesondere in der Verwendung innovativer Aufladetechnologien. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von zwei unterschiedlichen Konzepten untersucht, welche Potenziale eine Elektrifizierung der Aufladetechnologie für den Einsatz am Diesel- Verbrennungsmotor bietet. Ziel ist es hierbei, entsprechende Potenziale zu finden, zu bewerten und gegebenenfalls Weiterentwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

ln einem ersten Schritt wird das Konzept „Nennleistungsbooster" untersucht. Hierbei handelt es sich um einen parallel zum konventionellen Abgasturbolader eingesetzen, zweistufigen, elektrischen Verdichter, der im Nennleistungsbereich zusätzliche Luft zur Leistungssteigerung in den Verbrennungsmotor fördert. Es erfolgt zunächst die Auslegung der Aufladeeinheit unter Verwendung verschiedener Simulationen in der lD-Motorprozesssimulationssoftware GT Suite von Gamma Technologies LLC. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird ein Prototyp des Aufladeaggregats gefertigt und am Motorprüfstand im Verbund mit einem Dieselmotor, welcher zunächst als Basis vermessen wurde, untersucht. Hierbei können die Ergebnisse der Simulation bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass das Konzept je nach Dimensionierung Potentiale in den Bereichen Verbrauch und Emissionen sowie im Bereich der Leistungssteigerung bieten kann.

Das zweite betrachtete Konzept, der „eTurbo", wird innerhalb einer zweistufigen Aufladekonfiguration an einem Vierzylinder-Dieselmotor untersucht. Hierbei wird die Niederdruckstufe, welche in der Grundauslegung eine variable Turbinengeometrie aufweist, gegen einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader mit Wastegate ausgetauscht. Analog des ersten Konzepts erfolgt zunächst die Auslegung mittels lD-Motorprozesssimulation. Nach Fertigung eines entsprechenden Prototyps und einer Vermessung des Basisaggregats erfolgt die Erprobung des Gesamtsystems am Motorprüfstand. Wiederum können die Ergebnisse der Simulation bestätigt, darüber hinaus jedoch weitere Potenziale aufgezeigt werden. Es wird eine Abgasrückführ-Strategie für den Teillastbetrieb entwickelt, welche den Freiheitsgrad des elektrischen Antriebs des Abgasturboladers nutzt, um den bekannten Emissions-Verbrauchs-Tradeoff durch Lastpunktverschiebungen zu optimieren. Darüber hinaus wird ein erhebliches Potential zur Verringerung der Emissionen dargestellt, welches sich hauptsächlich in der verbesserten Möglichkeit der Abgasrückführung, auch und insbesondere in bisher kritischen Lastfällen wie beispielsweise Lastsprüngen oder im Volllastbereich, begründet. Darüber hinaus wird durch eine Untersuchung des eTurbo am Brennkammerprüfstand eine innovative Methode vorgestellt und erprobt, um Abgasnachbehandlungselemente bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors vorzuheizen und somit die Kaltstartemissionen signifikant zu senken. Sowohl die Simulation, als auch der Motorversuch zeigen die Performancepotenziale des Systems auf. Der bisher insbesondere in der Auslegung der Auftadesysteme vorherrschende Zielkonflikt zwischen guter Dynamik und hoher Nennleistung kann durch die Verwendung des elektrisch unterstützten Abgasturboladers aufgelöst werden. Neben einer signifikanten Steigerung der Nennleistung kann im Lastsprung auch ein deutlich verbessertes Verhalten im Vergleich zur bereits leistungsstarken und hoch- dynamischen Basis dargestellt werden.