Hydraulisch-hybrider Fahrantrieb reduziert Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission um bis zu 50 Prozent

Hydrid – Ein Weg aus der Emissionsfalle

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Hybridantriebe können den Kraftstoffverbrauch und die CO2- Emission deutlich reduzieren. Die Bestätigung lieferte jetzt der vorgestellte hydraulisch-hybride Antriebsstrang „Hydrid“. Wissenschaftler am IFAS in Aachen haben an einem Simulationsmodell große Einsparpotenziale ermittelt. Dabei erreichten die Einsparungen Werte von bis zu 50 %. Der Antrieb überzeugt durch das flexible Management der hydraulischen Leistungsflüsse.

Bereits 2007 hatte C. Breitfeld von BMW interne Untersuchungen von Antriebsstrangkonzepten vorgestellt, die Einsparungen von bis zu 50 % Kraftstoff versprachen [1]. Dazu müssen der Antriebsmotor bei optimalem Wirkungsgrad betrieben und Komponenten mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden. Zusätzliche Anforderungen sind:

  • Einführung eines seriellen hybriden Antriebsstrangs
  • Start-Stopp-Betrieb des Antriebsmotors
  • Vermeiden von Teillasten am Antriebsmotor
  • Integration eines Energiespeichers (Leistungsmanagement/Rückgewinnung).
Der „Hydrid“, ein serieller hydraulisch-hybrider Antriebsstrang, erfüllt die Anforderungen an einen solchen Fahrantrieb. Mittels eines dynamischen Simulationsmodells wurden am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen University Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen des Hydrids bestimmt.
Konzepte für Hybridantriebe
Serielle Hybridantriebe brechen die Kopplung der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs an die Drehzahl des Antriebsmotors auf. Der mechanische Antriebsstrang wird komplett durch einen elektrischen oder hydraulischen ersetzt, ohne dass Gewicht oder Kosten steigen.
Die Integration eines zusätzlichen Energiespeichers ermöglicht ein Management der Leistung sowie die Rückgewinnung kinetischer Energie. In elektrisch-hybriden Systemen werden Batterien verwendet, während hydraulisch-hybride Systeme hydro-pneumatische Speicher einsetzen. Batterien überzeugen durch ihre hohe Energiedichte bei gleichzeitig geringer Leistungsdichte. Im Unterschied dazu besitzt der hydro-pneumatische Speicher lediglich eine geringe Energiedichte, aber eine konkurrenzlose Leistungsdichte. Die großen Leistungsflüsse beim Start-Stopp-Betrieb des Motors und während des Bremsvorgangs können von Blasenspeichern aufgenommen werden.
Die Kombination aus Antriebsmotor als Energiequelle und hydro-pneumatischem Blasenspeicher als Leistungsquelle und -senke ermöglicht eine hohe Systemeffizienz. Eine Batterie könnte die großen Leistungsflüsse bei gleichem Bauvolumen nicht verarbeiten. Daher besitzt der Hydrid das Potenzial, in der Praxis deutliche Kraftstoffeinsparungen umzusetzen. Der Hydrid stellt ein vollständiges, hybrides Antriebssystem dar. Die Leistung kann sowohl durch den Antriebsmotor als auch von dem Speicher geliefert werden. Die vornehmliche Aufgabe des Speichers besteht darin, ein fortschrittliches Leistungsmanagement für den Fahrzeugantrieb zu ermöglichen. Dies beinhaltet:
  • Vermeidung des Motorleerlaufs durch Start-Stopp-Betrieb
  • Reduktion der Baugröße des Verbrennungsmotors
  • Erhöhung der mittleren Last am Motor und
  • Speicherung und Rekuperation von kinetischer Energie.
Der Antriebsstrang Hydrid
Der hier vorgestellte hydraulisch-hybride Antriebsstrang besitzt eine ähnliche Leistungsfähigkeit wie konventionelle Antriebskonzepte. Die Hydrid-Variante eines VW Passat mittlerer Leistungsklasse ermöglicht eine Reduktion von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emisson von bis zu 50 %.
Die „Common Pressure Rail“ (CPR) bildet den Kern des Hydrids. Hier werden die Leistungsflüsse im System gesammelt und anschließend verteilt. Die eingesetzten Speicher bestimmen das Druckniveau von Hoch- und Niederdruckzweig (HD und ND). Im HD Zweig variiert der Druck zwischen 200 und 400 bar, um den Speicher zu schonen und die Last auf den Dieselmotor zu erhöhen.
Jedes Rad des Fahrzeugs wird direkt von einem konstanten hydraulischen Radmotor angetrieben. Während des Bremsvorgangs arbeiten diese Motoren als Pumpen und speichern einen Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs im Hochdruckspeicher. Die vier hydraulischen Radmotoren sind über zwei hydraulische Transformatoren mit der CPR verbunden.
Die hydraulischen Transformatoren geben über den Druck an den Radmotoren Zugkraft und Geschwindigkeit des Fahrzeugs vor. Das System ermöglicht eine variable Vorgabe der Zugkraft für Vorder- und Hinterachse. Bei geringen erforderlichen Zugkräften kann eine Achse abgeschaltet werden. Differential, Differentialsperre und Torque-Vectoring werden hydraulisch umgesetzt.
Der Verbrennungsmotor treibt eine konstante Pumpe an. Der Hochdruckzweig bestimmt deren Lastdruck. Es entsteht ein Moment von 50 % (bei 200 bar) bis 100 % (bei 400 bar) des maximalen Antriebsmoments am Motor. Der Betrieb des Motors bei geringen Lasten wird durch diese Auslegung vermieden.
Simulationsmodell
Erste Simulationsergebnisse wurden im April 2008 auf dem 6. IFK vorgestellt [2]. Das IFAS hat ein Simulationsmodell des Hydrid aufgebaut, um den Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emission zu bestimmen. Dabei wurden für die Pumpe, die Radmotoren und den Hydrotransformator Wirkungsgradkennfelder hinterlegt. Diese Kennfelder basieren auf Messungen an einer 28 cm3 konstanten „Floating-Cup“ Pumpe. Das „Floating-Cup“ Prinzip ermöglicht hohe Wirkungsgrade bei geringer Schallleistung sowie Druck- und Momentvariation [3]. Für den 100 kW Verbrennungsmotor wird das Wirkungsgradkennfeld eines Dieselmotors von Mercedes Benz mit einem maximalen Wirkungsgrad von 40 % verwendet [4].
Die Größe der hydraulischen Komponenten (Tabelle 1) wird so ausgewählt, dass die Leistungsfähigkeit des Vergleichsfahrzeugs erreicht wird (VW Passat).
Für den Vergleich wird der von der EU vorgegebene „New European Drive Cycle“ NEDC (Direktive 93/116/EC) verwendet. Es wird angenommen, dass der Energiebedarf von Wasserpumpe, Kühler, Lichtmaschine und Einspritzung im Wirkungsgradkennfeld des Verbrennungsmotors berücksichtigt ist. Darüber hinaus wird angenommen, dass die Lenkung während des NEDC keine Leistung benötigt.
Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission reduziert
Grafik 1 zeigt die Simulationsergebnisse für den ermittelten Kraftstoffverbrauch während des NEDC im Vergleich zu den Werten des konventionell angetriebenen VW Passat. Der Hydrid reduziert den Kraftstoffverbrauch im Mittel um 58 %. Dabei fällt der absolute Verbrauch im Stadtverkehr geringer aus als bei einer Autobahnfahrt mit 120 km/h.
Die größten Anteile der Einsparungen des Hydrid resultieren aus der hohen Momentlast am Dieselmotor. Der Start-Stopp-Betrieb zusammen mit dem Leistungsmanagement mit Hilfe des Druckspeichers ermöglicht höchste Wirkungsgrade am Dieselmotor. Die Kombination der Energiequelle „Dieselmotor“ mit der Leistungsquelle „hydraulischer Speicher“ zeigt ein immenses Potenzial auf.
Die CO2-Emission folgt direkt aus dem simulierten Kraftstoffverbrauch. In Grafik 2 wird die CO2-Emission des Hydrid mit den Werten des Herstellers für den konventionellen Antriebsstrang verglichen.
Konventionelle Fahrzeuge übertreffen bei Weitem die von der EU vorgegebenen Richtwerte. Für Pkw liegt ab 2012 die durchschnittliche CO2-Emission bei 130 g/km. Bis 2020 könnte dieser Wert noch weiter reduziert werden. Beide Grenzwerte werden nach den bisherigen Simulationsergebnissen mit dem hydraulisch-hybriden Fahrantrieb „Hydrid“ erfüllt.
Literatur
  • 1. Breitfeld, C. (2007) The Efficiency-Optimized Drive – a Vision?, Proc. 6th Int. CTI Symposium, Berlin
  • 2. Achten, P.A.J. et al (2008) Energy Efficiency oft he Hydrid, Proc. Int. Fluid Power Conference 6. IFK, 1.-2. April 2008, Dresden
  • 3. Achten, P.A.J. (2008) Keine Kompromisse, Hydrostatischer Allradantrieb für Automobile und andere Fahrzeuge, O+P Ölhydraulik und Pneumatik Nr. 3 2008, S. 92–99
  • 4. Digeser , S. et al (2005) Der neue Dreizylinder-Dieselmotor von Mercedes-Benz für Smart und Mitsubishi, MTZ 1/2005 Vol. 66
IFAS;
Telefon: 02 41/80-27528;
E-mail: Torsten.Kohmaescher@ ifas.rwth-aachen.de
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