KONZEPT FÜR KOSTENGÜNSTIGEN ... - haw-hamburg.de · „Tigers“ (Turbogenerator Integrated Gas...
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KONZEPT FÜR KOSTENGÜNSTIGEN NIEDRIGSPANNUNG-HYBRIDANTRIEBEinelektrischangetriebenerKompressor,einriemengetriebenerStarter-Generatorundeine
TurbinezurRückgewinnungderAbgasenergie:MitdiesenTechniken,derenHerzstück
jeweilseingeschalteterReluktanzmotorist,arbeiteteinHybridkonzeptdesbritischenUnter-
nehmensControlledPowerTechnologies(CPT).InVerbindungmiteinemimHubraumum
50%reduziertenVerbrennungsmotorsolldasKosten-Nutzen-Verhältnisdeutlichgünstiger
seinalsbeiklassischenVollhybridlösungen.
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weNiger co2
Die Automobilindustrie hat erfolgreich CO2reduzierende Konzepte über kleinere Motoren, effiziente Übersetzungen, StartStoppAnwendungen oder teure Voll Hyb ridlösungen umgesetzt und dem Verbrau cher angeboten. Doch speziell in dem Seg ment milder Hybride fehlen kurzfristig kostenattraktive Lösungen. Deshalb bleibt dieses Marktsegment weitgehend unbearbeitet [1] – zumal einige Lösungen keinen Fahrspaß erlauben.
Unter diesen Voraussetzungen hat CTP gemeinsam mit ausgewählten Beratern ein Konzept entwickelt, das sowohl wirtschaftliches Autofahren und als Fahrspaß ermögli chen soll. Der Ansatz kombiniert einen elektrischen Kompressor mit der StartStoppTechnik und einem Konzept zur Rückgewinnung der Abgasenergie.
drehmomeNtsteigeruNg durch elektrischeN kompressor
Die Aufladung des Verbrennungsmotors erfolgt bei dem Konzept von CPT durch eimen reaktionsschnellen elektrischen Kom pressor mit integrierter Steuerungs und Leistungselektronik. Als Antriebsmotor dient eine luftgekühlte geschaltete Reluktanzmaschine. Sie verfügt über ein insta tionäre Leistung von mehr als 4 kW und kann stufenweise auf bis zu 400.000 min1/s beschleunigen, ❶.
Anders als ein Abgasturbolader oder ein Kompressor, der über die Kurbel
welle angetrieben wird, arbeitet der elektrisch getriebene Kompressor unabhängig von der Motorgeschwindigkeit und ohne di rek ten parasitären Verlust. Dieser entschei den de Unterschied ermöglicht es, Fahrspaß auch mit einem radikal vereinfachten Ag gregat bereit zu stellen.
Ein extremes MotorDownsizing, bei dem das Hubraumvolumen um 50 und mehr sinkt, ist denkbar. Wegen der geringeren parasitären Verluste und den effizienten TeillastBetriebsbedingungen werden bis zu 30 % Kraftstoff eingespart und dementsprechend der CO2Ausstoß reduziert [2].
Ein typischer 2,0lMotor aus dem C Seg ment mit einer Nennleistung zwischen 80 und 110 kW kann ersetzt werden durch ei nen 1,0l bis 1,2lMotor mit Direkteinspritzung und und Aufladung. Leider geht die Auslegung des Turboladers auf Maximalleistung einher mit einem wenig ak zeptablen Ansprechverhalten im niedertourigen Betrieb.
Um dieses Phänomen auszuschließen, wird steigert der elektrische Kompressor die Luftladedichte über die ersten 500 ms im niedrigen Drehzahlbereich nachhaltig. In der 12VKonfiguration beschleunigt der Kompressor aus dem Stand auf 70.000/min innerhalb von weniger als 350 ms. Der Wert kann mit höheren Stromspannungen auf weniger als 200 ms reduziert werden. Die Impulsgeschwindigkeit erlaubt es dem System, kontinuierlich auf verändernde Lastbedingungen zu reagieren, indem signifikant zusätzliche Ladeluft zugeführt wird
guY morris istEntwicklungschefvon
CPTControlledPowerTechnologiesinLaindon(Großbritiannien).
mark criddle verantwortetdenBereichelektrischeAufladungbei
CPTControlledPowerTechnologiesinLaindon(Großbritiannien).
mike dowsett leitetdenBereichMikrohybridbei
CPTControlledPowerTechnologiesinLaindon(Großbritiannien).
dr. richard QuiNN istleitenderVorentwicklerbeiCPT
ControlledPowerTechnologiesinLaindon(Großbritiannien).
AUTOREN
❶BeschleunigungdeselektrischenKompressorsbeiHochlaufauf70.000/min
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und so bis zu 20 kW zusätzliche Leistung zur Verfügung steht.
Wird der elektrische Kompressor beispielsweise mit einem 1,2lMotor mit Direkteinspritzung und Abgasturbolaufladung [3] verbunden, steigert das System das stationäre Drehmoment um 55 % bei einer Drehzahl unter 2500/min und das verfügbare Drehmoment bei Beschleunigung aus niedriger Drehzahl um mehr als 88 %, ❷ [3].
Die Kombination eines hochdynamischen, präzise kontrollierten elektrischen Kompressors mit einem serienmäßigen konventionellen Wastegate
Turbolader vereinfacht die Optimierung des SystemAnsprechverhaltens im Vergleich zu komplexen, weniger empfänglichen und signifikant parasitären Methoden der zweistufigen Aufladung [4].
NiederspaNNuNgs-rekuperatioN mit start-stopp-automatik
CPT hat eine StoppStartLösung der nächsten Generation entwickelt, die aufgrund einer sensiblen Kontrollstrategie erheblich weniger Stopps verhindert und den zusätzlichen Nutzen einer effektiven
NiedrigspannungsRekuperation der Brems energie bietet.
Konfiguriert ist das System als ein riemengetriebener StarterGenerator mit vollintegrierter Elektronik. Es ist nicht nur der weltweit leistungsstärkste riemengetriebene StarterGenerator, der mit 12 V arbeitet, sondern das erste System, das die Einstellung des Fahrers gegenüber der StartStoppTechnik ändern könnte. Diese fehlende Akzeptanz war bislang dafür verantwortlich, dass die Autohersteller von einer Massenproduktion dieser Technik absahen.
Für StartStoppApplikationen wird die mit 72 Nm Drehmoment und mit 2,4 kW Leistung arbeitende geschaltete Reluktanzmaschine mit Flüssigkeit gekühlt. Sie entwickelt Stromspitzen von 205 A und eine maximale Dauerleistung von 2,7 kW. Der Systemwirkungsgrad beträgt zirka 90 % über einen signifikanten Bereich seines Leistungsspektrums, ❸.
Bei Reaktionszeiten von unter 10 ms, die erforderlich sind, um die volle Stromleistung in die Wicklungen einzuleiten, schließt der Reluktanzmotor Hochlaufverzögerungen gesichert aus und erlaubt dem Motor einen unmittelbaren Neustart. Dieses umgehende Reaktionsverhalten wendet sich in vollem Umfang an die Einstellung des Fahrers und unterscheidet sich vollständig von einem konventionellen Startgenerator, bei dem der Fahrer darauf warten muss, dass der Motor vollständig herunter gefahren ist, bevor der Neustart in Gang gesetzt werden kann, ❹.
Unter NEDCTestbedingungen liefert die „SpeedStarts“ genannte Technik 3 bis 5 % CO2Emissionsreduktion. Die ausgewiesene Effizienz des geschalteten Reluktanzmotors eröffnet im Vergleich zu einer konventionellen Alternative nochmals 1 % Verbesserung. Eine Bremsenergierekuperation in Verbindung mit einem optimierten Speichersystem bietet – abhängig von der eingesetzten Spannung – weitere 3 bis 5 % Fortschritt. Eine mit höherer Spannung ausgestatte Maschine kann entsprechend bis zu 10 % geringere KohlenstoffEmissionen bewirken.
Fortschrittliche StartStoppTechnik, entwickelt als eine massentaugliche MikroHybridlösung, ist eine kosteneffektive CO2Reduktion über breite Fahrzeugsegmente hinweg. Das System von CPT hat seine Leistungsfähigkeit sowohl in einem 2,0–lDieselmotor wie auch in einem 4,4lOttomotor unter Beweis gestellt.
❷DrehmomentverlaufbeiVolllastbeschleunigungeines1,2-l-MotorsmitundohneelektrischenZusatzkompressor
❸KennfeldfürdenSystemwirkungsgradbeieinemriemengetriebenenStarter-Generator
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abgaseNergie-rückgewiNNuNg auf der gruNdlage erprobter techNik
„Tigers“ (Turbogenerator Integrated Gas Energy Recovery System) nennt CPT ein turbinenbasiertes System zur AbgasenergieRückgewinnung. Es befindet sich aktuell in der Testphase und wird bis 2015 als produktionsreif erwartet. Auch für diese Anwendung kommt eine flüssiggekühlte geschaltete Reluktanzmaschine zum Einsatz. Verbunden mit einer optimierten NiedrigdruckAbgasturbine ist sie darauf ausgerichtet, bei Abgastemperaturen von 900 °C und bei Drehzahlen bis 80.000/s zu arbeiten. Ein derartiges Konzept kann eine elektrische Leistung von bis zu 2 kW bei 12 V sowie potenziell bis zu 6 kW Leistung bei einer Spannung von 50 V entwickeln.
Das System verfügt zusätzlich über ein BypassVentil, das den Abgasstrom im Turbogenerator moduliert. Das versiegelte Wälzlagersystem benötigt keine MotorölZuführung. So kann der Generator an nahezu jedem Ort im Abgassystem angebracht werden, an dem Raum für ein flüssigkeitsgekühltes System ist.
Die primäre Aufgabe des Systems ist die Umwandlung von Abgashitze in elektrische Energie und kann damit praktisch den Ruhestrom eines kurbelwellengetriebenen Generators eliminieren oder sogar potenziell die KurbelwellenLeistung eines
riemengetriebenen StarterGenerators ersetzen. Dies eröffnet besonderen Chancen bei höheren Autobahngeschwindigkeiten, bei denen konventionelle gedrosselte Ottomotoren 25 % weniger Effizienz aufweisen als CommonRailDieselmotoren.
❹ReaktionaufNeustartnach„Motoraus“
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kosteNeffektives maNagemeNt der rekuperierteN eNergie
Das Konzept „RegEnBoost“ verbindet alle drei Techniken [5] und erlaubt es, den elektrischen Kompressor und den StarterGenerator aus dem geschlossenen Kreis höherer Spannung (bis zu 50 V) Energie zu beziehen. Die Energie wird wiederum vom Startergenerator (im Rekuperationsmodus) und dem Abgasgenerator geliefert. Diese beiden „Rekuperatoren“ sind mit einer verschlossenen Bleibatterie verbunden, die durch zusätzlichen Kohlenstoff am Negativpol für HochleistungsEnergiespeicherung und entnahme optimiert ist. Diese neue Technologie der Bleisäurebatterie [6] hält die Kosten niedrig, akzeptiert jedoch ein hohes Maß an regenerativer Leistung ohne den bei konventionellen Batterien bekannten Substanzverlust. So ist es möglich, mindestens 3 kW aus regenerativem Bremsen zu speichern und zusätzlich die StartStoppFunktion bereitzustellen.
Die rekuperierte Energie aus Abgas und Bremsen wird in Höhe von 20 bis 40 kJ gepuffert, um die Zuverlässigkeit des elek trischen Laders sicherzustellen. Zusätzlich kann über einen Wechselstromrichter eine
stabile Versorgung des 12VSystems des Fahrzeugs gewährleistet werden.
Für eine typische Volllastbeschleunigung wird bei dem Konzept von CPT eine elektrische Energie von 3 bis 6 kJ benötigt, ❺. Um eine vergleichbare DrehmomentUnterstützung mit einem auf der Kurbelwelle montierten Elektromotor zu erreichen, sind 25 bis 50 kJ erforderlich.
ZusammeNfassuNg
Durch Einführung des RegEnBoostKonzepts bei C oder sogar CDSegmentFahrzeugen könnten die Emissionsziele von weniger als 100 g/km CO2 mit einem aufgeladenen 1,0lOttomotor mit Direkteinspritzung erreicht werden, der das gewohnte Drehmoment eines 2,0lSaugmotors bereitstellt. Die besten Dieselmotoren im CSegment erreichen derzeit CO2Emissionswerte von 105 bis 115 g/km. Gleichzeitig ist die Anpassung eines Euro5Dieselmotors an die gesetzlichen Anforderungen kostenintensiv; die bevorstehenden Euro6Standards werden die Verbrauchsvorteile des Dieselmotors weiter erodieren lassen und zusätzliche Kosten hinzufügen. Benzingetriebene Hybridfahrzeuge erreichen heute bereits die CO2Emissionsgrenzwerte unterhalb von 100 g/
km. Ihr Hochspannungssystem hat jedoch erheblichen Einfluss auf Fahrzeugkosten, Abmessungen und Zuladung.
Durch den Einsatz kosteneffektiver Hybridtechniken mit Niedrigspannung analog des vorgestellten Baukastensystems entwickelt RegEnBoost die Chancen für eine realistische CO2Reduzierung bei deutlich niedrigeren Systemkosten verglichen mit einem VollHybridmotor oder Euro5/6Dieselmotoren.
literaturhiNweise[1] Bastien,R.:SustainableMobilityforAll.31.WienerMotorensymposium2010[2] Downsizing–Realizedwitha1.2l3-CylinderEngine,17.AachenerKolloquium[3] SAEpaper2009-01-1053[4] Morris,G.,Criddle,M.:TransientTorqueEnhancementandEmissionsReductionPotentialofaHighlyDynamicSupercharger.13.Auflade-technischeKonferenz,Dresden2008[5] Lam,L.T.;Louey,R.:Developmentofultra-batteryforhybrid-electricvehicleapplications.CSIROEnergyTechnology,25August2006
❺VergleichzwischenelektrischemKompressorundelektrischerMaschineimAntriebsstrang
dowNload des beitrags www.MTZonline.de
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