Massnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen von PKW-Antrieben im realen Fahrzyklus

• Research unit: SFOE
• Project number: 47715

Key words (German)

TP0042;Verbrennung

Short description (German)

Ziel des Projektes ist die Darstellung eines neuen PKW-Antriebs der bei vorallem Potential zur Erfüllung von Nullemissionsstandards (bezogen auf CO, UHC, NOX, Russ), eine spezifische CO2-Reduktion um 25% gegenüber dem heutigen Stand der Technik aufweist.

Publications / Results (German)

Das Ziel dieses Projekts besteht in der Auslegung eines teillastoptimierten Antriebs für PKW-Anwendungen mittels ausge-klügelter Simulation. Dabei rücken vermehrt Konzepte in den Vordergrund, die einen starken Elektrifizierungsgrad in Kom-bination mit einem entsprechend konfigurierten Verbrennungsmotor aufweisen. Während dieses Berichtjahres ist es gelungen, das Grundgerüst des neuen auf Matlab/Simulink beruhenden Modells zu vervollständigen und erste Ergebnisse für ein übliches Fahrzeug im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zu präsentie-ren. In guter Übereinstimmung mit – zur Zeit in der Literatur spärlich vorhandenen Messdaten – konnte mit einem „Mild-Hybrid“-Antrieb gegenüber dem herkömmlichen Verbrennungsmotor-Antrieb ein Verbrauchsvorteil im NEFZ von knapp 25% er-rechnet werden. Der Nutzen des neuen Modells kann erst dann voll ausgeschöpft werden, wenn zusätzliche Komponenten und deren dy-namisches und thermisches Verhalten (z.Bsp. Abgaskatalysatoren) in der Struktur der Software berücksichtigt werden. Um diese Erweiterung vorzunehmen und umfangreiche Simulationsfälle durchzurechnen, so dass das CO2-Reduktionspotential diverser Massnahmen zuverlässig und vergleichend abgeschätzt werden kann, ist eine kostenneutrale Streckung des ur-sprünglich auf den 31.12.2005 terminierten Projektes um ein halbes Jahr erforderlich.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich, IET-LAV

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schneider,Bruno

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• Massnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen von PKW-Antrieben im realen Fahrzyklus - Jahresbericht 2004 [PDF] 57 kB
• Massnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen von PKW-Antrieben im realen Fahrzyklus - Jahresbericht 2005 [PDF] 386 kB

Final report (German)

Die Reduktion der CO2 Emissionen gehört heute zu den vordringlichsten Anforderungen bei der Ent-wicklung neuer Fahrzeugmodelle. Neben dem Treibstoffverbrauch müssen aber auch kundenorientier-te Aspekte wie z.Bsp. das Beschleunigungsvermögen bei der Entwicklung beachtet werden damit die Fahrzeuge auf dem Markt erfolgreich auftreten können. Der Trade Off zwischen „Sparsamkeit“ und „Sportlichkeit“ kann aber nur durch technische Innovationen überwunden werden, wovon die Hybrid Antriebe aus aktueller Sicht sicherlich das grösste Potential aufweisen. Hybrid Antriebssysteme sind komplex und können in vielen unterschiedlichen Varianten realisiert wer-den. Es ist daher unumgänglich dass diese Varianten schon in der Konzeptphase mit einem guten Simulationswerkzeug unter möglichst realistischen Bedingungen untersucht werden können. In diesem Projekt wurde ein Simulations-Werkzeug erarbeitet das dies ermöglicht. Es besteht aus einer Bibliothek in der alle relevanten Komponenten von Fahrzeugen mit oder ohne Hybrid Antrieb abgelegt sind. Aus diesen Bibliotheks-Bauteilen können Fahrzeuge mit den unterschiedlichen An-triebskonzepten schnell und einfach zusammengestellt und auf virtuellen Teststrecken getestet wer-den. Der hier gewählte Ansatz unterscheidet sich grundsätzlich von anderen Simulationstools da hier das Fahrzeug an sich direkt modelliert wird und nicht die Belastung resp. die Arbeitspunkte der Bauteile rückwärts aus dem Fahrzyklus berechnet werden. Mit dieser Methode kann das Fahrzeug auf jeder beliebigen Fahrstrecke untersucht werden, der Einfluss des „Fahrers“ wird dabei ebenso berücksich-tigt wie die Auswirkung einzelner Bauteiländerungen auf das Fahr- und Verbrauchsverhalten des ge-samten Fahrzeugs. Die in diesem Projekt entwickelte Bibliothek wurde im Weiteren dazu eingesetzt um Acht unterschied-lich angetriebene, aber ansonst identische PKW’s zu vergleichen (zwei Motorgrössen, zwei Getriebe-typen, mit/ohne mildem Hybrid Antrieb auf elektrischer Basis). Der Vergleich umfasste dabei nicht nur der durchschnittliche Treibstoffverbrauch im NEFZ Standardzyklus sondern auch das Beschleuni-gungsvermögen bei einem Sprint von Null auf 100 km/h. Es zeigt sich, dass das gleiche Fahrzeug ohne Verlust an „Sportlichkeit“ zu einem wesentlich sparsa-meren Umgang mit dem Treibstoff gebracht werden kann: Ausgehend vom gewählten Basisfahrzeug (PKW der Golf/Astra Klasse) kann der Umbau des Antriebs von einem 105kW 2.0L Benzinmotor mit einem 5 Gang Handschaltgetriebe zu einem 75kW 1.2L Benzinmotor + 30kW Elektromotor/Generator mit einem CVT Getriebe den Treibstoffverbrauch im NEFZ Fahrzyklus um 35% reduzieren! (Von 7.0 l/100km auf 4.5 l/100km) Gleichzeitig verbessert sich die Sprintzeit auf 100 km/h mit dem Hybrid-Antrieb (Booster Betrieb mit beiden Antrieben) um 5% (von 10.4s auf 9.9s).

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zentrum, Institut für Energietechnik, Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennung

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Schneider,Bruno

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• Massnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen von PKW-Antrieben im realen Fahrzyklus - Schlussbericht [PDF] 771 kB