Luft aus Strom macht Dampf
„Die Effizienz eines Vollhybrids zu Kosten, die geschätzt unter denen für eine Dieselmotorisierung liegen“. Ein Experiment zeigt das Potenzial eines elektrischen Turboladers als Bestandteil der Hybridisierung beim Downsizing
München, 6. September 2012 – „Die Effizienz eines Vollhybrids zu Kosten, die geschätzt unter denen für eine Dieselmotorisierung liegen“. Das vorläufige Ergebnis eines Experiments im Rahmen des Hyboost-Forschungsprogramms unter der Leitung des Technologiedienstleisters Ricardo in Zusammenarbeit mit Ford, Controlled Power Technologies, Valeo und anderen Unternehmen lässt aufhorchen. Ganz lebensnah, an einem umgebauten Ford Focus, wird das Potenzial eines elektrisch angetriebenen Turboladers als Bestandteil der Hybridisierung eines Downsizing-Konzepts gezeigt.
Schlüsselthema Effizienz
Die Steigerung der Antriebseffizienz ist ein Schlüsselthema der Auto-Entwickler geworden. Denn außer den rapide und dauerhaft steigenden Kraftstoffpreisen gelten bereits heute Flottenverbrauchswerte durch die freiwillige Selbstbeschränkung der Autohersteller. In Europa gilt ab 2018 zudem ein gesetzlicher CO2-Flottendurchschnittswert von unterhalb 130 g/km, der weiter verschärft wird. Zurzeit konkurrieren zwei völlig unterschiedliche Konzepte um die Krone der Spartechnologien: Der turboaufgeladene Dieselmotor gilt als Maß der Dinge unter „reinen“ Verbrennungsmotoren, der Vollhybrid ist Stand der Technik bei alternativen Antriebskonzepten. Beide haben spezifische Vorteile, die vor allem von ihrem Einsatz abhängen: Der Diesel ist ein Langstreckensparkünstler, der Hybrid nur überlegen im Stadtverkehr. Der Preis allerdings ist in beiden Fällen hoch – auch im übertragenen Sinn. Vollhybrid-Effizienz unterhalb der Kosten für einen Diesel zu erreichen ist also ein ehrgeiziges und lohnendes Ziel.
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Aufwendige Spartechnik
Hybridfahrzeuge sind wegen ihrer zusätzlichen E-Maschinen und Traktionsbatterien schwer und teuer. Die Akkulebensdauer ist noch nicht völlig geklärt und der Einsatz rarer Materialien für die elektrischen Komponenten bedenklich. Die Kosten für Kupfer, Lithium, Leistungshalbleiter, Edelmetalle, seltene Erden für die Dauermagnete und nicht zuletzt für Entsorgung oder Wiederaufbereitung steigen tendenziell. Der in der Effizienz noch konkurrenzfähige Dieselmotor ist bereits heute in der Produktion deutlich teurer als ein Ottomotor – und das ebenfalls mit steigender Tendenz. Wegen der ab 2014 und 2017 weiter verschärften Grenzwerte für Partikel und Stickoxide wird bald noch viel mehr Aufwand getrieben werden müssen. Mit zunehmender Leistung und weiteren Abgasauflagen steigt zudem die Belastung von Injektoren, Hochdruckpumpe, Lader und Motor – ihre Lebensdauer sinkt.
Das „Hyboost“-Experiment will einen Ausweg weisen. Um bei überschaubaren Kosten zu sparen, setzt man auf einen günstigen Dreizylinder-Ottomotor [3] mit Turbo-Hochaufladung: Das hohe Sparpotenzial des Ford Focus durch Hubraumverkleinerung, Direkteinspritzung und Aufladung [4] soll mithilfe von Mikrohybridtechnik weiter gesteigert werden. Allerdings geht man dabei einen anderen Weg als in herkömmlichen Konzepten.
Zweiliter-Motor raus, Einliter-Motor rein
Basis ist der aktuelle, hoch moderne 1,0-Liter-Dreizylinder [5] mit variablen Steuerzeiten, Direkteinspritzung und Abgasturboaufladung, wie er in den Ford-Modellen B-Max [6], C-Max [7] und Focus [8] eingesetzt wird. Der von Ford intern als „Fox“ bezeichnete Motor leistet zwischen 100 PS und 120 PS im Ford B-Max oder 125 PS im Ford Focus. Dabei bietet er ein maximales Drehmoment von 170 Nm, das im Bereich zwischen 1300 und 4500/min zur Verfügung steht. Für das Hyboost-Experiment wurde er auf 143 PS bei 5500/min leistungsgesteigert. Beachtliche 234 Nm Drehmoment liegen danach bei 2500/min man. Eingebaut wurde dieser Motor in einen 2009er Ford Focus, der vormals mit dem 2,0-Liter-Duratec-Vierzylinder lief. Dazu kam das länger übersetzte manuelle 6-Gang-Getriebe des Dieselmotors. Das erhöhte Drehmoment erlaubt dieses Downspeeding, das allein schon zu einem Verbrauchvorteil von vier Prozent führt.
Schnell Druck machen gegen das Turboloch
Im Serien-„Fox“ verkleinert eine schnell ansprechende Laderturbine das Turboloch so weit, dass man es kaum mehr spüren kann. Dazu geht man allerdings einen nicht optimal effizienten Kompromiss zwischen Drehmomentaufbau, Anfahrverhalten und maximalem Aufladegrad ein. Wird ein Motor lediglich mit einem größeren Turbolader bestückt, wie man es beim Versuchs-Focus getan hat, gelingt es bereits dadurch, ihn weiter zu entdrosseln, sprich, noch effizienter zu betreiben. Das geht allerdings auf Kosten der Fahrbarkeit.
Ein Ausweg heißt Registeraufladung: Mit einem zweiten Lader anderer Charakteristik lässt sich die Aufladung für einen größeren Drehzahlbereich effizienter und doch fahrbar abstimmen. Auch kann die spezifische Leistung dann weiter steigen. Um beim Versuchsmotor des Ford Focus im Hyboost-Experiment trotz der geänderten Abstimmung und der längeren Getriebeübersetzung ein akzeptables Ansprechverhalten bei niedriger Drehzahl zu erreichen, bekam er zusätzlich einen elektrisch angetriebenen Kompressor. Er unterstützt bei hoher Leistungsanforderung den Abgasturbolader zwischen 1000 und 2000/min. Für eine bis drei Sekunden liefert er bis zu 0,6 bar Ladedruck. Im Projektfahrzeug verkürzt der Kompressor so die Zeit bis zur Bereitstellung des angeforderten Drehmoments von drei auf 0,7 Sekunden bei 1500/min und überbrückt damit das für den Fahrer unangenehme Turboloch.
Hybridisiert mit Ultra Caps
Damit das Ganze auch einen Effizienzgewinn ermöglicht, wurde anstelle der Lichtmaschine ein riemengetriebener Starter-Generator (BSG) mit Start-Stopp-Funktion eingebaut. Er ermöglicht die Rekuperation von Bewegungsenergie beim Ausrollen oder Bremsen und macht so aus dem Versuchsfahrzeug einen Mikrohybrid. Die rekuperierte elektrische Energie für den Elektrolader kann in einem Kondensatorpaket mit 200 Farad Kapazität gespeichert werden. Das niedrige Gewicht dieses auch als „Ultra Capacitators“ bezeichneten Kraftpakets von nur 9 kg, die hohe Zyklenfestigkeit bei hohen Ladeströmen und seine Fähigkeit, in kurzer Zeit hohe Ströme abgeben zu können, prädestiniert es für seine Aufgabe: Der E-Turbo läuft maximal nur zwischen einer und drei Sekunden, das allerdings bei sehr hoher Stromaufnahme.
Der elektrische Lader nutzt im Konzept die zurückgewonnene und zwischengespeicherte Energie, um das Anfahrdrehmoment zu vervielfachen. Damit tut er das Gleiche wie ein mechanischer Lader, der allerdings einen großen Teil der Energie kostet, die das Downsizing einspart. Auf Wunsch könnte der elektrische Turbokompressor auch im Dauerbetrieb mit Strom aus dem leistungsfähigen BSG arbeiten, etwa an Steigungen oder sportlicher Fahrweise. Dann steht der Boost-Effekt nicht nur zur Verfügung, wenn der Stromspeicher geladen ist, was bei Hybridfahrzeugen ja meist als lästig empfunden wird. Der Spareffekt verwandelt sich dann aber in sein Gegenteil, denn der Wirkungsgrad durch die doppelte Umwandlung von Bewegung in Strom beim BSG und dann wieder in Bewegung im Lader ist natürlich schlecht. Da wäre selbst ein riemengetriebener Kompressor klar im Vorteil.
Sparsamer sparen
Das Versuchsfahrzeug erreicht durch eine einfache und kostengünstige Hybridisierung eine Verbrauchsminderung bei verbesserten Fahrleistungen. Die Projektgruppe glaubt daher, dass sie mit einem Hybridantrieb konkurrieren kann: „Eine vorläufige Analyse der Fertigungskosten legt nahe, dass die Kombination der Techniken im vorgestellten Konzept ein ausgesprochen gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweist. Obwohl das System keine volle batterieelektrische Hybridfunktionalität bietet, liegt die Kraftstoffersparnis in etwa auf demselben Niveau, allerdings zu einem Bruchteil der Kosten“. Hinzu kommt, dass diese Hybridisierung mit nicht einmal 20 kg Gewichtszunahme verbunden ist.
Ein Valeo-eigener Demonstrator erhärtet ganz aktuell diese Erkenntnisse. Die Ingenieure haben einen VW 1.4 TSI mit ihrem elektrischen Supercharger ausgestattet und den Motor mit dem „längeren“ Getriebe aus der Diesel-Version kombiniert. Der Verbrauch sinkt um 0,6 l/100 km, trotz einer Mehrleistung von 20 PS und einem um 75 Nm erhöhten Drehmoment. Zudem hat Valeo das Konzept erfolgreich in Saug- und Turbomotoren von einem bis vier Litern Hubraum ausprobiert. Der französische Zulieferer, bei dem man sich seit einem guten Jahr mit dieser Technik befasst, sieht große Chancen für den E-Lader, weil er nicht nur zur CO2-Reduzierung sondern auch zur Steigerung des Fahrspaßes genutzt werden kann. Erst vor einem knappen Jahr (am 6. Dezember 2011) hat Valeo das "Variable-Torque-Enhancement-System"-Geschäft (VTES) des britischen Automobilzulieferers Controlled Power Technologies (CPT) gekauft.
Träge elektrifizierte Turbolader
Auch der Zulieferer BorgWarner hat mit seinem „e-booster“ bereits seit 2005 prinzipiell Gleiches im Programm. Versuche hätten bereits erfolgversprechende Ergebnisse gezeigt: „Die Überlegenheit konnte in enger Kooperation mit verschiedenen Kunden sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren eindrucksvoll demonstriert werden“. Das alternative Konzept mit einem elektrisch unterstützten, ansonsten aber herkömmlichen Turbolader („E-Turbo“) hat man bei BorgWarner bereits Anfang des Jahrtausends entwickelt – und anscheinend wieder verworfen. Ein Vorteil ist, dass man keine weiteren Ladeluftleitungen oder Ventile benötigt, ein anderer, dass der elektrifizierte Lader während bestimmter Betriebszustände Energie aus dem Abgasstrom rekuperieren kann. In einem elektrifizierten Abgasturbolader sind allerdings die Massen zu groß, um sie elektrisch in ausreichend kurzer Zeit genügend beschleunigen zu können. Schließlich müssen in diesem Fall die Verdichterturbine und mit ihr die noch größere Abgasturbine, das so genannte Laufzeug, hochdrehen. Weiterer Nachteil der zusammengefassten Aggregate ist eine deutlich höhere thermische und mechanische Belastung der elektrischen Komponenten.
Neue Abgasturbolader für mehr „Low-end-torque“
Daneben wird weiterhin fleißig an der Verbesserung herkömmlicher Turbolader gearbeitet: Nach Optimierungen in der Peripherie wie schnell agierenden Wastegate-Stellern und variabler Turbinengeometrie, wie sie an herkömmlichen Ladern schon lange Serienstandard sind, sollen nun auch die Lader selber besser werden. Man erleichtert mithilfe neuer Legierungen oder dem Einsatz von Keramik das Laufzeug und verringert die Reibung der Laderwelle durch den Einsatz von Kugel- statt Gleitlagern. Zudem vermindert man den Widerstand, indem man die Abgasturbine als Mischform aus Radial- und Axialturbine gestaltet. Bosch Mahle Turbo Systems (BMTS) hat kürzlich eine so genannte Diagonalturbine als Zwischenstufe entwickelt. BMTS schreibt: „Sie verfügt über eine deutlich höhere Durchlässigkeit, wodurch der Durchmesser und damit das Trägheitsmoment des Rades reduziert werden können. Die Dynamik des Laders erhöht sich dadurch ebenso wie der Maximaldurchsatz für die Darstellung hoher Leistungen im oberen Drehzahlbereich“.
Lustgetrieben zum Sparen verleiten
Der elektrisch angetriebene Zusatzlader ist ein interessanter Ansatz der Hybridisierung, weil er Drehmoment dort erzeugen kann, wo es gebraucht wird. Das ist praxisgerecht. Denn die Verbrauchswerte nach NEFZ sind zwar schöne Prüfstands-Theorie. Auf der Straße hingegen wird auch beim besten Downsizing der sparsame, niedere Drehzahlbereich vom Fahrer nicht genutzt, wenn zähe Beschleunigung den Fahrspaß verdirbt. Erfolgreiche Konzepte werden den Fahrer künftig noch viel stärker zu einer niedertourigen Fahrweise verleiten müssen. Dass da noch Überzeugungsarbeit zu leisten ist, kann ich jeden Morgen hören, wenn in meiner Straße so gut wie jedes frisch aus der Garage gefahrene Auto mit jenseits 3000 Touren den neuen Tag begrüßt. (fpi [9])
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[4] https://www.heise.de/news/Druck-Erzeugnis-Hubraum-ist-doch-zu-ersetzen-457002.html
[5] https://www.heise.de/news/Energieriegel-Der-1-0-Liter-Ecoboost-Motor-von-Ford-1436879.html
[6] https://www.heise.de/news/Unterwegs-im-neuen-Ford-B-Max-mit-120-PS-1672220.html
[7] https://www.heise.de/news/Der-Ford-C-Max-kommt-mit-Dreizylindermotor-1653161.html
[8] https://www.heise.de/news/Der-Ford-Focus-1-0-EcoBoost-im-Fahrbericht-1435249.html
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