TITELTHEMA AUFL ADUNG

EINLEITUNG

Die elektrisch angetriebene Aufladung ist bereits seit vielen Jahren immer wieder Gegenstand von Untersuchungen im Fahrzeugsektor. Sowohl Fahrzeughersteller als auch Zulieferer haben verschiedene Ansätze vorgestellt. Dem Konzept des elektrisch angetriebenen Verdichters in Kombination mit einem Abgasturbolader werden hierbei die größten Erfolgschancen eingeräumt. Eine wesentliche Rahmenbedingung für den Einsatz der elektrischen Aufladung stellt die zur Verfügung stehende

Energie dar. Bei sinnvollen Stromstärken ist diese durch die Bordnetzspannung limitiert. Mittels einer Erhöhung der Bordnetzspannung ergeben sich so auch für den elektrisch angetriebenen Verdichter erweiterte Dimensionierungs- und Einsatzmöglichkeiten. ELEKTRISCHE ZUSATZAUFLADUNG UND EMISSIONEN

Die elektrische Zusatzaufladung ist für den Motorbetrieb unter mehreren Aspekten interessant. Für Dieselmotoren liegt ihr wesentliches Potenzial darin,

Schadstoffemissionen in transienten Betriebszuständen reduzieren zu können und dadurch implizit auch das Ansprechverhalten des Motors zu verbessern. Dieser Aspekt gewinnt vor dem Hintergrund der Ablösung des NEFZ durch den WLTP-Fahrzeugtestzyklus an Relevanz. Der WLTP-Zyklus besteht zu 42 % aus Beschleunigungsphasen. Dies bedeutet gegenüber dem NEFZ grob eine Verdoppelung der Transientphasen. Zusätzlich verschärfen sich die Beschleunigungen auch qualitativ. Die maximale Beschleunigung im WLTPZyklus liegt bei 1,8 m/s² und übersteigt

AUTOREN

DR.-ING. RICHARD AYMANNS ist Fachreferent für Turboaufladung im Geschäftsbereich Gasoline Engines bei der FEV GmbH in Aachen.

12

DR.-ING. TOLGA UHLMANN ist Abteilungsleiter Thermodynamic Simulation & Turbocharging im Geschäftsbereich Gasoline Engines bei der FEV GmbH in Aachen.

DIPL.-ING. CAROLINA NEBBIA ist Entwicklungsingenieurin im Geschäftsbereich Gasoline Engines bei der FEV GmbH in Aachen.

DIPL.-ING. THORSTEN PLUM ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Vehicle Electronics & E-Mobility des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen University.

ELEKTRISCHE AUFLADUNG NEUE FREIHEITSGRADE DURCH HÖHERE BORDNETZSPANNUNG Die Aufladung ist integraler Bestandteil jedes modernen Downsizing-Konzepts bei Otto- und Dieselmotoren. Auch aufgrund der Arbeiten am 48-V-Bordnetz bekommt dabei die Idee der elektrischen Unterstützung wieder Rückenwind. FEV hat untersucht, welche Vorteile ein 48- gegenüber dem etablierten 12-V-Bordnetz für die elektrische Zusatzaufladung bietet.

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AGR-Rate [%]

Fahrerwunsch [%]

schnelleren Ladedruckaufbau und gestattet so, dem Brennraum ohne nachteilige Rußemission rückgeführtes Abgas zuzuführen. Die NOx-Konzentrationsspitze im

Abgas kann so während des Transientvorgangs um fast 50 % reduziert werden. Damit liegt sie nur noch geringfügig über dem stationär erreichten Endwert.

80

❶ Dieselmotorischer Beschleunigungsvorgang: die Kombination von Turboaufladung mit einer elektrischen Zusatzaufladung (ATL + E-Lader) zeigt im Vergleich zur reinen Turboaufladung (ATL) deutlich reduzierte NOx-Emissionen

60 40 20 0 40 ATL ATL + E-Lader

30 20 10 0

NOx-Konzentration [ppm]

die maximale Beschleunigung des NEFZ damit um über 60 %. Mithilfe der elektrischen Zusatzaufladung kann ein schneller und vom Motorbetrieb unabhängiger Ladedruckaufbau erreicht werden. Dies ist gerade beim Dieselmotor ein willkommener Vorteil. Zum einen kann der Ladedruck zur Steigerung der In-Zylinder-Luftmasse und somit zur Vermeidung von Beschleunigungs-Rußstößen genutzt werden. Zum anderen ermöglicht ein spontan anliegender Ladedruck, auf die Wegschaltung der Abgasrückführung (AGR) bei Transientvorgängen zu verzichten und so die NOxEmission im Testzyklus zu reduzieren. ❶ zeigt das Emissionsverhalten eines Dieselmotors mit und ohne elektrische Zusatzaufladung im Vergleich. Abgebildet ist ein Transientvorgang von 5 auf 60 % Last innerhalb von 0,4 s. Der Betrieb mit reiner Turboaufladung (ATL) ist bezüglich des Ladedruckaufbaus unterlegen. Zur Vermeidung rußintensiver Anfettung wird das AGR-Ventil vollständig geschlossen und die NOx-Emissionen steigen entsprechend. Die Ergänzung des Turboladers um eine elektrische Zusatzaufladung (ATL + E-Lader) ermöglicht einen

800

ATL ATL + E-Lader

600 400 200 0

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

Zeit [s]

13

TITELTHEMA AUFL ADUNG

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

25

pme [bar]

20

ATL ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V

15 ATL ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V

10 5

300

Strom Drehzahl

100.000 80.000 60.000

200

40.000

100

20.000

0 0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

500

ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V Strom Drehzahl

400 Strom [A]

400

ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V

300

100.000 80.000 60.000

200

40.000

100

20.000

0 0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Zeit [s]

Drehzahl E-Lader [1/min]

0

500

Strom [A]

Lastsprung von pme = 2 bar auf Volllast; Motordrehzahl 3000/min

Drehzahl E-Lader [1/min]

pme [bar]

Lastsprung von pme = 2 bar auf Volllast; Motordrehzahl 1250/min

Zeit [s]

❷ Ottomotorischer Lastsprung von Teillast auf Volllast bei zwei Motordrehzahlen 1250 und 3000/min für reine Turboaufladung (ATL), Turboaufladung mit elektrischer Zusatzaufladung bei 12 V (ATL + E-Lader 12 V) und Turboaufladung mit elektrischer Zusatzaufladung bei 48 V (ATL + E-Lader 48 V)

ELEKTRISCHE ZUSATZAUFLADUNG UND TRANSIENT VERHALTEN

Die Senkung der CO2-Emissionen ist neben der Reduktion des Schadstoffausstoßes der zentrale Treiber der Motorenentwicklung. Hubraumreduktion in Verbindung mit Abgasturboaufladung zeigt sich hierbei als gleichsam populäres und effektives Mittel, die Effizienz des Verbrennungsmotors zu steigern. Die Abgasturboaufladung führt zu konkurrenzfähigen Volllastbetriebsdaten, ist aber nicht ganz ohne Kompromiss beim Fahrspaß. So können die Volllastleistungen des Verbrennungsmotors nur mit zum Teil deutlich wahrnehmbarer Verzögerung abgerufen werden [1]. Die Verzögerung zwischen dem Fahrerwunsch nach Beschleunigung („Durchtreten des Fahrpedals“) und der tatsächlichen Leistungsbereitstellung des Motors wird als „Turboloch“ bezeichnet. Diesem unbeliebten Phänomen wird mit zahlreichen Technologien begegnet, zum Beispiel: : Direkteinspritzung in Kombination mit Ventiltriebsvariabilitäten : Wälzlagerung des Turboladerlaufzeugs : zweiflutige Turbinen zur Erhöhung des Stoßaufladegrads : reduzierte Trägheitsmomente : Aufladekonzepte mit mehreren verschalteten Turboladern. Die zunehmende Elektrifizierung des Antriebsstrangs und die aktuellen Diskussionen um die Anhebung der Fahrzeug-

14

bordnetzspannung von 12 auf 48 V rufen auch in diesem Kontext die elektrische Zusatzaufladung auf den Plan [2, 3, 4]. ❷ zeigt das Potenzial der elektrischen Zusatzaufladung sowohl für ein 12- als auch für ein 48-V-System. Dargestellt sind hier die Ergebnisse von Ladungswechselsimulationen für Lastsprünge ohne Motordrehzahländerung an einem 2,0-l-Ottomotor bei 1250 und 3000/min. Bei beiden Untersuchungen wurde die Last von einem niedrigen Teillastpunkt (effektiver Mitteldruck 2 bar) auf das Volllastniveau (1250/min, 15 bar sowie 3000/min, 21 bar) angehoben. Die Strategie mit elektrischer Zusatzaufladung ist der reinen Turboaufladung überlegen und kompensiert selbst im kritischsten Betriebsbereich niedriger Motordrehzahlen die transiente Schwäche der reinen Turboaufladung. So vergehen mit einem 12-V-System zwischen dem Erreichen der Saugvolllast und des Punkts, an dem 90 % des stationären Drehmomentwerts anliegen, nur noch 0,4 s (statt 1,8 s mit reiner Turboaufladung). Beim Einsatz eines 48-V-Systems reduziert sich der Wert noch weiter auf 0,2 s. Hintergrund ist die steilere Drehzahlrampe, die zudem bei niedrigeren und auch kürzer anliegenden Stromstärken erzielt werden kann. Die elektrische Zusatzaufladung zeigt hier ein sehr attraktives Verhalten und grenzt in der 48-V-Konstellation sogar an Werte hubraumstarker Saugmotorkonzepte.

Um abzuschätzen, inwieweit sich die im Lastsprung bei konstanter Motordrehzahl beobachteten Potenziale auch bei einer tatsächlichen Fahrzeugbeschleunigung wiederfinden, wurden im nächsten Schritt Simulationen zum Elastizitätsverhalten durchgeführt. Betrachtet wurde ein Fahrzeug mit einem Gewicht von 1600 kg bei einer Beschleunigung von 80 auf 120 km/h und konstanter Getriebestufe, also ohne Schaltvorgang. ❸ zeigt den Beschleunigungsvorgang für den höchsten Getriebegang, bei dem sich eine Motorstartdrehzahl von n = 1480/min ergibt. Ähnlich den Lastsprungergebnissen ist auch in der Beschleunigung ein deutlich verbessertes Ansprechverhalten mit elektrischer Zusatzaufladung zu erkennen. Die maximale Beschleunigung wird beim 12-V-System bereits nach 2 s und mit 48 V sogar schon nach 1,5 s erreicht. Dies dürfte für den Fahrer als wesentlich spontanere Beschleunigung spürbar sein. Bei der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit und der zurückgelegten Wegstrecke ist der Vorteil des Systems mit 48 V gegenüber dem mit 12 V gering. Das Potenzial für die Fahrzeugbeschleunigung ist jedoch auch stark von der gewählten Getriebestufe abhängig. ❹ zeigt diesen Zusammenhang anhand der Zeit bis zum Erreichen der maximalen Beschleunigung für einen Geschwindigkeitsanstieg von 80 auf 120 km/h (Elastizitätsmessung) in den Getriebestufen 4, 5

Beschleunigung 80 auf 120 km/h im höchsten Gang 130

Beschleunigung [m/s2]

gung von 80 auf 120 km/h im höchsten Gang (Fahrzeug-Referenzgewicht 1600 kg; Motorstartdrehzahl n = 1480/min)

Geschwindigkeit [km/h]

❸ Fahrzeugbeschleuni-

Nach zwei Sekunden Δs = 0,6 m

120

Δs = 0,4 m

110 100

s = 45 m

90

ATL ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V

80 70 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -1

Strecke s [m]

Nach sechs Sekunden Δs = 7,2 m Δs = 6,0 m s = 123 m

Strecke s [m]

Nach zehn Sekunden Δs = 14,7 m ATL TC ATL + 12 V TCE-Lader + eC 12V ATL + 48 V TCE-Lader + eC 48V 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Δs = 12,3 m s = 259 m

Strecke s [m]

12

Zeit [s]

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dass dies jedoch nicht ausreicht, um das „Turboloch“ eines 2,0-l-Ottomotors zu schließen. Der Beschleunigungsvorgang mit BSG-Unterstützung bleibt in der frühen Phase hinter dem System mit elektrischer Zusatzaufladung zurück. Nach Erreichen der Volllast kann durch das zusätzliche Drehmoment zwar eine höhere Beschleunigung erzielt werden, für das Fahrempfinden spielt aber gerade die frühe Phase eine dominierende Rolle. Der Vorteil der elektrischen Zusatzaufladung gegenüber einer direkten Drehmomenterzeugung rührt aus einer höheren Leistungsausbeute am Motor her. Bei der elektrischen Zusatzaufladung wird lediglich die Luft verdichtet, die eigentliche Leistung stammt aus der Umsetzung einer größeren Kraftstoffmenge. Wie von Münz in [3] gezeigt wurde, liegt die ge-

❹ Zeit bis zum Erreichen der maximalen Beschleunigung in Abhängigkeit von der Getriebestufe für die Fahrzeugbeschleunigung von 80 auf 120 km/h

wonnene Motorleistung etwa um den Faktor 10 höher als die eingesetzte elektrische Leistung. Ein weiterer Ansatz zur Steigerung des Ansprechverhaltens ohne elektrische Zusatzaufladung besteht darin, das Betriebsverhalten des Turboladers selbst zu verbessern. Auch hier macht die Entwicklung kontinuierlich Fortschritte und auch die Einführung neuer Technologien bringt weitere Potenziale mit sich. Die für das Ansprechverhalten maßgeblichen Turboladereigenschaften sind das Massenträgheitsmoment, die Lagerreibung sowie der Wirkungsgrad von Turbine und Verdichter. Um das darin enthaltene Potenzial den bisherigen Ergebnissen gegenüberzustellen, wurden Vergleichssimulationen mit einem virtuellen Turbolader-Technologieträger („Best-in-Class“)

6

Zeit bis max. Beschleunigung [s]

und 6. Mit niedrigerem Gang nimmt der Einfluss der elektrischen Zusatzaufladung stark ab, was in der steigenden Motorstartdrehzahl und dem damit verbundenen geringeren Turboloch begründet liegt. Bei der Beschleunigung im vierten Gang ist nur noch ein geringer Vorteil für die elektrische Zusatzaufladung zu verbuchen. Für die Bewertung und Einführung eines solchen Systems spielt also auch das Schaltverhalten des Fahrers und gegebenenfalls auch die Auswahl von Automatik- oder Schaltgetriebe eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Zusätzlich gilt es aber auch zu bewerten, ob sich die transienten Vorteile der elektrischen Zusatzaufladung auch durch andere Technologien oder Konzepte erreichen lassen. Ein möglicher Ansatz besteht darin, elektrische Energie nicht in einer Zusatzaufladung zu nutzen, sondern über einen Elektromotor als Drehmoment direkt auf die Kurbelwelle zu übertragen. In der Regel wird in der Diskussion zur Einführung eines Bordnetzes mit höherer Spannung bereits ein solcher Motor mitberücksichtigt, sei es ein BSG (Belt-driven Starter Generator), ein ISG (Integrated Starter Generator) oder ähnliche Systeme. Entsprechende Leistungsdaten für ein BSGSystem wurden beispielsweise von Schmid [5] vorgestellt. Demnach lassen sich bei einer Motordrehzahl von 1500/min etwa 9,8 kW mechanische Leistung auf die Kurbelwelle übertragen. In ❺ ist zu erkennen,

ATL 5

ATL + E-Lader 12 V ATL + E-Lader 48 V

4 3 2 1 0 4

5

6

Getriebestufe [-]

15

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durchgeführt, der die folgenden Optimierungsschritte enthält: : Reduktion des Massenträgheitsmoments um 60 % (Änderung des Materials oder des Laufradkonzepts [8, 9, 10]) : Reduktion der Lagerreibung um 50 % (Einsatz einer Kugellagerung) : Wirkungsgradverbesserung um 5 %-Punkte („Abradable Coating“ am Verdichter oder Konstruktionsoptimierung). Das Ergebnis der Fahrzeugbeschleunigung für diesen Turbolader-Technologieträger ist ebenfalls in ⑤ aufgetragen. Gegenüber der Basisvariante ist zwar eine deutliche Verbesserung im Beschleunigungsaufbau zu erkennen, bei hoher Gangwahl können aber auch diese Maßnahmen nicht an das Ansprechverhalten mit elektrischer Zusatzaufladung heranreichen.

130

Geschwindigkeit [km/h]

120

ATL ATL + E-Lader 48 V „Klassenbester“ ATL BSG-unterstützt

90

70 2,0

Beschleunigung [m/s2]

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 ATL ATL + E-Lader 48 V „Klassenbester“ ATL BSG-unterstützt

0,6 0,4 0,2 0,0

Bei der einstufigen Turboaufladung eines modernen Downsizing-Motors steht die Auslegung des Verdichterbetriebsbereichs in der Regel im Zielkonflikt zwischen dem Drehmomentaufbau bei geringen Motordrehzahlen (Low-end Torque, LET) und der Optimierung im Nennleistungspunkt. Die elektrische Zusatzaufladung hat das Potenzial, hier für Ausgleich zu sorgen [7]. ❻ zeigt einen möglichen Ansatz zur Lösung des Zielkonflikts. Wird der elektrische Zusatzverdichter stationär genutzt, um den Bereich des LET abzudecken, kann die Auslegung des Turboladerverdichters mit Fokus auf die Nennleistungszielwerte getroffen werden. Damit einhergehend kann auch die Turbolader-

ATL + E-Lader

100

80

ELEKTRISCHE ZUSATZAUFLADUNG IM STATIONÄRBETRIEB

1,2

110

-1

0

1

3

4

5

6

8

9

10

11

turbine größer dimensioniert werden. Vor dem Hintergrund zunehmender Relevanz des Volllastverbrauchs ist dies ein attraktiver Freiheitsgrad. Neben der Absenkung des Abgasgegendrucks reduziert der größere Turbolader bei konstanter Abgastemperatur den Anfettungsbedarf. Hier ist ein Verbrauchspotenzial von 2 bis 3 % erschließbar.

ATL

Für die Umsetzung und Akzeptanz eines solchen Konzepts spielt die Kundenerwartung, das Fahrverhalten und der vorrangige Einsatzzweck des Fahrzeugs eine entscheidende Rolle. So wird die Entscheidung für ein SUV, das oft im  Off-Road- und Zugbetrieb eingesetzt werden soll, sicherlich anders ausfallen als beispielsweise für ein leichtes, sport-

3,5 Lambda konstant 3,0 Verbrauchsreduktion bei Nennleistung [%]

ATL-Betriebsgrenze bei größerer ATL-Auslegung

0,8 0,6

E-LaderUnterstützung

0,4

Turbineneintrittstemperatur konstant

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5

0,0 0

1000

2000

3000

4000

Motordrehzahl [1/min]

12

❺ Fahrzeugbeschleunigung von 80 auf 120 km/h: Potenzialbewertung der elektrischen Zusatzaufladung im Vergleich zu einem „klassenbesten“ Turbolader und einer Antriebsunter stützung über einen BSG (Belt-driven Starter Generator)

0,2

5000

6000

0,0 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Elektrische Leistung E-Lader für konstantes LET [kW]

❻ Lösung des Zielkonflikts zwischen Low-end-Torque(LET)- und Nennleistungsauslegung durch elektrische Zusatzaufladung

16

7

Zeit [s]

1,0

pme/pme,max [-]

2

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hoher Verbrauchsersparnis im Bereich des LET abzudecken. Die Verbrauchsvorteile durch Bypassierung der Turbine sind allerdings nur dann tatsächlich relevant, wenn das Motorkonzept nicht über die Möglichkeit verfügt, elektrische Energie über einen BSG oder ähnliches direkt in den Antriebsstrang einzuspeisen. In diesem Fall wäre die direkte Antriebsnutzung der Energie deutlich effizienter, da die Wirkungsgradverluste aus Verdichter und Verbrennungsmotor vermieden werden. POTENZIAL IN FAHRZYKLEN

Wie sich die zuvor aufgezeigten Potenziale letztlich im Fahrzyklus widerspiegeln und wie sich die Energiebilanz zwi-

25

Verbrauchspotenzial steigt mit zunehmendem Ladedruck

schen Rekuperationsenergie und elektrischer Zusatzaufladung darstellt, soll im Folgenden näher betrachtet werden. Dazu wurden drei verschiedene Fahrzyklen für einen 2,0-l-Ottomotor jeweils mit und ohne elektrische Zusatzaufladung simuliert. Das Motorkonzept mit elektrischer Zusatzaufladung wurde so ausgelegt, dass die Aufladung nur oberhalb der Saugvolllast eingesetzt wird. Als Fahrzyklen wurden der NEFZ als zurzeit noch üblicher Vergleichstest, der WLTP als zukünftiger Referenzzyklus sowie der sogenannte Auto-Motor-Sport-Zyklus (AMS) als Vergleich für hochdynamisches Fahrverhalten ausgewählt. Auf diese Weise lässt sich auch der Einfluss des Fahrers auf die möglichen Potenziale bewerten. Als Fahrzeug wurde ein Pkw mit einem Gewicht von

Verbrauchspotenzial sinkt mit zunehmender Öffnung des WG

20

Mitteldruck pme [bar]

2,50 2,00

15

1,50

0,75

1,00

0,50

Saugvolllast 10 1,50 1,00 5

El. Zusatzaufladung ermöglicht Öffnung des Wastegates in der Teillast ohne Einbußen im Ansprechverhalten

2,00 2,50

0,75 0,50

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

Motordrehzahl [1/min] 25

Betriebsgrenze mit E-Lader 12 V (2,2 kW), ATL bypassiert

Betriebsgrenze mit E-Lader 48 V (8,6 kW), ATL bypassiert

20 2,50 Mitteldruck pme [bar]

lich ausgelegtes Fahrzeug, das nur sehr kurzzeitig im LET-Bereich betrieben wird. Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung des stationären Motorbetriebs ist der supplementäre Einsatz der elektrischen Zusatzaufladung. Abgesehen vom Potenzial beim Ansprechverhalten, das zuvor dargestellt wurde, kann dadurch ebenfalls ein Beitrag zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs geleistet werden. Zwei Konzepte sind hierbei interessant. Einerseits ist das die Anpassung der Motortransientstrategie: Bei aufgeladenen Ottomotoren wird das Wastegate der Turbine im Teillastbetrieb üblicherweise geschlossen und der entstehende Ladedruck über die Drosselklappe wieder abgesenkt. Diese energetisch ungünstige Strategie wird in Kauf genommen, um die Turboladerdrehzahl anzuheben und so ein für den Fahrer attraktives Ansprechverhalten bei Lastanforderung zu gewährleisten. Mit elektrischer Zusatzaufladung ist diese Reserve nicht länger erforderlich. Der Verbrauchsvorteil, der sich daraus erzielen lässt, ist in ❼ im Bereich unterhalb der Saugvolllast abgeschätzt. Diese Verbrauchseinsparung lässt sich auch dann stationär im Fahrzeug nutzen, wenn die elektrische Zusatzaufladung nur transient zur Überbrückung der Anlaufschwäche des Turboladers eingesetzt wird. Andererseits besteht die Möglichkeit, die Turboladerturbine per Bypass zu umgehen und den Ladedruck mittels elektrischer Zusatzaufladung zu realisieren, wenn elektrische Energie aus Rekuperationsvorgängen zur Verfügung steht. Dadurch sinkt der Abgasgegendruck des Motors und bewirkt eine Reduzierung der Ladungswechselverluste. Der erzielbare Verbrauchsvorteil ist in ⑦ für den Bereich oberhalb der Saugvolllast abgeschätzt. Mit zunehmendem Ladedruckbedarf steigt auch der Verbrauchsgewinn, hier bis knapp über 3 %. Zu höheren Drehzahlen sinkt das Potenzial, da das Wastegate hier ohnehin geöffnet ist und so der Gegendruckgewinn vermindert wird. Welcher Betriebsbereich sich rein mit einem elektrischen Verdichter abdecken lässt, ist in ⑦ (unten) eingezeichnet. Die elektrische Zusatzaufladung mit 12 V ist bei dieser Motorgröße (2,0 l) in erster Linie im Bereich niedriger Motordrehzahlen bis zu einem Mitteldruck von etwa 17,5 bar einsetzbar. Die elektrische Leistung auf 48-V-Basis dagegen ist in der Lage, nahezu das gesamte Motorkennfeld und besonders das Gebiet

2,00

15

1,50

0,75

1,00

0,50

Saugvolllast 10 1,50 1,00 5

2,00 2,50

0,75 0,50

0 1000

2000

3000

4000

5000

6000

Motordrehzahl [1/min]

❼ Abschätzung des Verbrauchspotenzials durch Reduktion des Abgasgegendrucks, realisiert durch Öffnen des Turbolader-Wastegates (WG) und den Einsatz einer elektrischen Zusatzaufladung

17

TITELTHEMA AUFL ADUNG

200

400

600 Zeit [s]

800

12 8 4 0 -4 -8 -12 5000

WLTP

12-V-System

150 100 50 0

Leistung [kW]

Rekuperation E-Lader 48 V

Leistung [kW]

Geschwindigkeit [km/h]

150 100 50 0

0

Geschwindigkeit [km/h]

1500

12 8 4 0 -4 -8 -12 1800

12-V-System

0

300

600

900 Zeit [s]

1200

Auto Motor Sport

12-V-System

0

18

1000

12 8 4 0 -4 -8 -12 1200

Rekuperation E-Lader 48 V

NEFZ

Leistung [kW]

150 100 50 0

dung zu erkennen, die in beiden Fällen unterhalb der Leistungsgrenze für ein 12-V-System liegen. Lediglich im AMSZyklus finden sich vermehrt Einsätze der Zusatzaufladung, von denen zehn oberhalb der 12-V-Leistungsgrenze liegen und einige sogar an die Grenze eines 48-V-Systems heranreichen. Dies spiegelt sich auch in der Energiebilanz wider, die in ❾ für die drei Zyklen aufgetragen ist. Als Referenz (100 %) wurde jeweils die Energie herangezogen, die in diesem Zyklus über regeneratives Bremsen mit einem 48-V-System rekuperiert werden kann (grüner Balken). Im NEFZ sowie im WLTP entspricht diese Energie etwa dem Bedarf durch die hier angenommenen elektrischen Verbraucher von 400 W. Die elektrische Zusatzaufladung ist aufgrund des geringen Einsatzes mit 0,8 beziehungsweise 1,4 % Anteil in diesen Zyklen vernachlässigbar. Im AMS-Zyklus steigt ihr Energiebedarf dagegen deutlich an auf 11,5 %. In diesem Zyklus ergibt sich aufgrund der hohen Dynamik aber auch eine deutlich

Rekuperation E-Lader 48 V

Geschwindigkeit [km/h]

1600 kg herangezogen. Für die elektrischen Verbraucher, ohne den Anteil der Zusatzaufladung, wurde ein konstanter Leistungswert von 400 W angesetzt. ❽ zeigt die Ergebnisse der drei Fahrzyklen über die Zeit für die Motorkonfiguration mit elektrischer Zusatzaufladung. Neben dem Geschwindigkeitsprofil (schwarz) ist jeweils die Energie aufgetragen, die durch regeneratives Bremsen rekuperiert werden kann (grün, ausgehend von einem BSG und 48-V-System), sowie der Energiebedarf für die elektrische Zusatzaufladung (rot). Zusätzlich sind die Leistungsgrenzen für ein 12-V-System eingezeichnet. Es wird deutlich, dass die Wahl des Fahrzyklus einen erheblichen Einfluss auf den Einsatz der Zusatzaufladung und somit auch auf deren Bewertung hat. Sowohl der NEFZ als auch der WLTP werden bei dieser Fahrzeugkonfiguration nahezu vollständig durch den Kennfeldbereich unterhalb der Saugvolllast abgedeckt. Nur im letzten Abschnitt sind kurze Betriebsbereiche der Zusatzaufla-

1000

2000

3000 Zeit [s]

4000

❽ Vergleich der elektrischen Leistung aus Rekuperation (grün) und der Antriebsleistung der elektrischen Zusatzaufladung bei 48 V (rot) in verschiedenen Fahrzyklen; NEFZ (oben), WLTP (Mitte) und AutoMotor-Sport-Zyklus (unten)

DANKE Die Autoren bedanken sich ganz herzlich bei Björn Höpke und Dominik Lückmann, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der RWTH Aachen University, sowie Johannes Scharf und Michael Stapelbroek, FEV GmbH, für ihre Unterstützung bei der Erarbeitung der Ergebnisse und der Erstellung dieses Artikels.

höhere Energieausbeute aus der Rekuperation, die den Bedarf von elektrischen Verbrauchern und elektrischer Zusatzaufladung deutlich übersteigt. Wenn man für die identischen Fahrzyklen statt des 48- ein 12-V-System einsetzt, reduziert sich die rekuperierbare  Energie um etwa 40 % für den NEFZ und den WLTP, für den AMS-Zyklus sogar um 55 %. Der Energiebedarf der Zusatzaufladung in den Fahrzyklen dagegen lässt sich größtenteils mit einem 12-V-System abdecken. Auch wenn die elektrische Zusatzaufladung in den Fahrzyklen nur selten zum Einsatz kommt, kann die veränderte Motorbetriebsstrategie, ⑦, dennoch zu einer Verbrauchsreduktion beitragen, ⑨ (unten). Die Ersparnis, die sich aus dem reduzierten Abgasgegendruck für das Motorkonzept mit elektrischer Zusatzaufladung ergibt, liegt zwischen 0,7 und 1,1 % und wird in erster Linie im Sauglastbereich gewonnen, also ohne tatsächlichen Einsatz der Zusatzaufladung. Anhand der Bilanz des AMS-Zyklus zeigt sich, dass die stationäre Nutzung der Zusatzaufladung oberhalb der Saugvolllast nicht zielführend ist, da das Verhältnis aus Energieeinsatz und Verbrauchsgewinn relativ ungünstig ist. Bei direkter Nutzung der überschüssigen Energie zur Antriebsunterstützung werden aufgrund der geringeren Verluste im Energiepfad deutlich höhere Einsparungen erreicht [11]. Im Bereich unterhalb der Saugvolllast dagegen ist das Konzept der elektrischen Zusatzaufladung dennoch zur Verbrauchssenkung attraktiv, da dieses Potenzial mit nur sehr geringem Energieeinsatz ausgeschöpft werden kann. Die elektrische Zusatzaufladung ist hier deaktiviert, gewährleistet aber im Bedarfsfall ein attraktives Ansprechverhalten.

140 100 48 V

48 V

80

100 99,7

100 48 V

100

112,0 Rekuperation

70,4

Elektrische Verbraucher

60

1,4

0,8 -12,8

0

-1,1

11,5 18,2

12 V

20

E-Lader 48 V 12 V

40

12 V

Energiebilanz [%]

120

Freie Energie

-20

Verbrauchsreduktion [%]

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0

Verbrauchsreduktion durch Motorkonzept mit el. Zusatzaufladung

1,1

0,9 0,7

0,5 0,0

NEFZ

WLTP

Auto Motor Sport

Fahrzyklus

❾ Bilanzierung der Fahrzyklen NEFZ, WLTP und Auto Motor Sport in Bezug auf das Verbrauchspotenzial durch eine elektrische Zusatzaufladung und Energiebilanz zwischen Rekuperationsenergie (100 %), elektrischen Verbrauchern (400 W kontinuierlich) und elektrischer Zusatzaufladung

ZUSAMMENFASSUNG

Das Potenzial der elektrischen Zusatzaufladung durch höhere Bordnetzspannung wurde in diesem Artikel unter verschiedenen Aspekten beleuchtet. Im Fokus standen hier das Ansprechverhalten, sowohl beim Lastsprung als auch bei der Fahrzeugbeschleunigung, und Möglichkeiten im Stationärbetrieb sowie abschließend unter Fahrzyklusbedingungen. Für den Lastsprung bei niedriger Motordrehzahl verkürzt die elektrische Zusatzaufladung die Zeit zwischen Saugvolllast und dem Aufbau von 90 % des stationären Drehmoments von 1,8 auf 0,4 s (12 V) beziehungsweise 0,2 s (48 V). Bei der Fahrzeugbeschleunigung im höchsten Gang wird dadurch nach 10 s ein Vorsprung von 12,3 beziehungsweise 14,7 m Wegstrecke gegenüber der Basis ohne elektrische Zusatzaufladung erreicht. Im Fahrzyklus kann nahezu unabhängig vom Spannungsniveau ein Verbrauchsvorteil von etwa 1 % erzielt werden.

Die wesentlichen Vorteile bei der Einführung eines 48-V-Systems liegen in der um etwa den Faktor 2 höheren Ausbeute bei der Bremsenergierückgewinnung und steigenden Hybridisierungsmöglichkeiten. Für die elektrische Zusatzaufladung eröffnet die Erhöhung der Bordnetzspannung letztlich aber die Möglichkeit, auch für Motoren mit größerem Hubraum eingesetzt zu werden. Es zeigt sich aber auch, dass die Frage der Anwendung einer elektrischen Zusatzaufladung nicht allein auf Motorebene entschieden werden kann, sondern ebenfalls Aspekte wie das Fahrzeugkonzept oder das Verhalten des Fahrers berücksichtigt werden müssen. Insgesamt bietet die elektrische Zusatzaufladung neue Freiheitsgrade für Steuerung und Betrieb des Verbrennungsmotors und kann vor allem durch die Summe und Kombinierbarkeit ihrer Einzelpotenziale zur Verbesserung von Fahreigenschaften und Schadstoffemissionen beitragen.

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