Neue Fahrzeugantriebe entwickeln

An einem neuen Heißgasprüfstand testen die Forscher Restwärmenutzungssysteme und Turbolader. Ihr Ziel ist es, effizientere Antriebskonzepte für Pkw und Lkw zu entwickeln. © Fraunhofer ICT

Lkw, Pkw und Motorräder sind Energieverschwender: Über 60 Prozent der in ihren Motoren durch den Kraftstoff erzeugten Energie gehen über das Abgas und das Kühlwasser verloren. Der größte Teil davon verpufft einfach als Wärme in die Umgebung. »Unter unseren Motorhauben wird Benzin, Diesel oder Strom verschwendet und über die Abgasanlage unnötig CO2 in die Luft gepumpt«, sagt Dr. Hans-Peter Kollmeier vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Karlsruhe.

In der Projektgruppe »Neue Antriebssysteme« geht er den Ursachen für diese Verschwendung auf den Grund. Zusammen mit anderen Forschern entwickelt er effiziente Antriebskonzepte für Fahrzeuge. Im Labor haben sie es bereits geschafft, den Wirkungsgrad von Pkw-Motoren um fünf und den von Nutzfahrzeugantrieben um bis zu zehn Prozent zu steigern.

Seit diesem Sommer stehen den Wissenschaftlern neue Prüfanlagen zur Verfügung. »Wir können am Standort Karlsruhe den gesamten Prozess der Antriebsentwicklung abbilden: von der Konstruktion, über die Simulation bis zum Versuch«, so Kollmeier. Ziel der Forscher ist es, die eingesetzten Technologien des Antriebsstranges so zu optimieren, dass die Kraftstoffersparnis optimal ist. Dafür muss man wissen, wie die einzelnen Komponenten in der Realität miteinander interagieren.

»Mit den neuen Prüfmöglichkeiten sind wir diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen. Wir haben dadurch die Möglichkeit, den Antriebsstrang ganzheitlich zu testen und unsere Simulationen zu validieren«, so Kollmeier.

Herzstück der neuen Testinfrastruktur ist ein Motoren- und ein Heißgasprüfstand. Dort werden Motoren und deren Komponenten mechanisch und thermodynamisch analysiert. Ein Computer steuert die Anlagen und simuliert realistische Anwendungsszenarien. Zum Beispiel kann der Rechner virtuell hybride Antriebe (z.B. Elektromotoren) oder Systeme, die Restwärme nutzen, dazuschalten.

Die Wissenschaftler analysieren, wie sich der Fahrzeugantrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen verhält. Hierzu simuliert Kollmeiers Team Fahrzeugtyp, Fahrstrecke oder Fahrweise entsprechend. Sind genug Daten gesammelt, bauen die Forscher Prototypen und ersetzen dann peu à peu die Simulationsmodelle durch reale Bauteile in der Prüfeinrichtung. Schritt für Schritt nähern sie sich so dem optimalen Antriebsstrang. Immer wichtiger werden dabei besonders leichte Werkstoffe.

Wenn es darum geht, Automotoren effizienter zu machen, kommt schnell der Begriff »Downsizing« ins Spiel. Er steht ganz allgemein dafür, den Hubraum des Motors zu verringern, ohne dass dies seine Leistungsfähigkeit reduziert. Durch die verringerte Reibleistung und den verbesserten thermodynamischen Prozess können dadurch Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen reduziert werden. In der Regel kommen in Downsizing-Konzepten Turbolader zum Einsatz, die in den Ansaug- und Abgastrakt integriert werden.

Diese schneckenförmigen, bei Pkw etwa 15 Zentimeter großen, Bauteile saugen Luft an und drücken diese in den Verbrennungsmotor hinein. So wird dem Motor mehr Frischluft zugeführt, wodurch pro Volumeneinheit eine größere Menge Kraftstoff verbrannt werden kann. Aufgrund des dadurch erzielten höheren Zylinderdrucks wird dann für den gleichen Hubraum eine höhere Motorleistung erzielt.

Angetrieben wird der Turbolader von den Abgasen des Fahrzeugs. Am Heißgasprüfstand testen die Wissenschaftler ihre Turbolader. In dieser Anlage wird durch einen Erdgasbrenner ein bestimmter Abgasmassenstrom generiert, der dem eines Verbrennungsmotors entspricht. Der Brenner lässt sich sehr exakt einstellen, um zu analysieren, wie sich kleinste Veränderungen der Randbedingungen auf den Turbolader auswirken.

»Der Turbolader ist der klassische Ansatz, den Wirkungsgrad von Motoren zu verbessern. Man nutzt einen Teil der Energie, der über die Abgase verpufft. Aber ihm sind Grenzen gesetzt. Dampfkreisprozesse können hier beispielsweise weiterhelfen«, sagt Kollmeiers Kollege Dr. Sascha Merkel. Hierbei wird ein flüssiges Arbeitsmedium (z.B. Wasser oder Ethanol) durch die Restwärme erhitzt.

Es verdampft und treibt eine kleine Turbine an, die wiederum mechanische Energie erzeugt. Der Zugewinn lässt sich dann entweder direkt auf die Kurbelwelle übertragen oder durch einen Generator in elektrische Energie umwandeln, um diese dann in den Stromkreislauf einzuspeisen – z.B. in Bordnetze von Pkw. Am Heißgasprüfstand untersuchen die Forscher, wie sich einzelne Komponenten der Minikraftwerke bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen verhalten.

Die Wissenschaftler sind eng mit anderen Antriebsexperten aus Forschungsinstituten und den Entwicklungsbereichen der Automobilhersteller vernetzt. »Selbstverständlich ist speziell der Kontakt zur Fahrzeugindustrie sehr groß. Die Entwicklung der Antriebskonzepte läuft in enger Abstimmung mit den Motorenherstellern. Die direkte Anwendung der Forschungsergebnisse in der Praxis steht im Vordergrund«, so Kollmeier.

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Dr.-Ing. Hans-Peter Kollmeier Fraunhofer Forschung Kompakt

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