Beitrag zur Entwicklung eines effizienten und sauberen Methangas-Hybrid-Personenwagens durch Optimierung der Abgasemissionen (CLEVER-Methangasauto)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 164.29.05

Schlüsselwörter (Deutsch)

Methangas-Hybrid Auto, Abgasemissionen, CO₂-Emission, CLEVER

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Autos mit Methangasantrieb (Erdgas, Biogas) gehören zu den saubersten Fahrzeugen der Welt. Die Kombination mit einem Elektromotor (Hybridisierung) ermöglicht, die Nachteile des Methangasantriebes im Bereich des Anfahrdrehmomentes und des Turboloches zu kompensieren. Durch verbesserte Energieeffizienz werden bis zu 40% CO2-Emissionen eingespart.

Im vorliegenden Projekt soll die Abgasreinigung auf die bestmögliche Wirkung optimiert werden und die kommenden Euro5-Normen deutlich übertreffen.

Das Projekt wird ebenfalls durch das Bundesamt für Energie (BFE) unterstützt. Die Unterstützung ist zwischen den Bundesämtern abgesprochen und koordiniert.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Fahrzeug Volkswagen Touran Typ 1.6 TFSi auf Erdgas (monovalent) umgebaut und grundappliziert (Meilenstein 1: fahrbarer Demonstrator Stufe 1 verfügbar).

2. Fahrzeug Volkswagen Touran Typ 1.6 TFSi optimiert in Bezug auf Emissionen und Methanverbrauch (Meilenstein 2: fahrbarer Demonstrator Stufe 2 verfügbar).

3. Fahrzeug Volkswagen Touran Typ 1.6 TFSi optimiert in Bezug auf Emissionen und mit Hybridantrieb (Meilenstein 3: fahrbarer Demonstrator Stufe 3 verfügbar).

4. Angaben über Fahrleistungen, Emissionen, Energieverbrauch, Investitions- und Betriebskosten des hybridisierten Fahrzeuges.

Projektziele (Deutsch)

Entwicklung eines Fahrzeugprototypes mit kleinem turboaufgeladenem Verbrennungs-motor und Elektro-Hybridantrieb bei Übertreffung der Euro5-Emissionsgrenzwerte sowie Reduktion der CO2-Emissionen um 40% gegenüber einem vergleichbaren Benzinfahrzeug.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Die heute etablierte Technologie von Erdgasmotoren reicht nicht aus, die absehbaren CO2 Emissionsgrenzwerte für 2020 mit Mittelklassefahrzeugen zu erreichen. Erdgas-Hybridantriebe haben hingegen das Potenzial, auch über das Jahr 2020 die CO2 Grenzwerte mit gleichzeitig tiefsten Schadstoffemissionen zu unterbieten. Im Projekt konnte das Projektteam die Potenziale von Direkteinblasung sowie von der Hybridisierung von Erdgasmotoren aufzeigen.

Stand der Technik bei modernen Benzin-Ottomotoren für Mittelklasse Personenwagen ist die Benzin-Direkteinspritzung in Kombination mit Aufladung. Normalerweise sind Erdgasmotoren auf den Kraft-stoff angepasste Benzinmotoren. Im Rahmen des hier vorgestellten Projektes wurde numerisch und experimentell untersucht, welche Vorteile bei stöchiometrischen Brennverfahren entstehen wenn Methan anstatt ins Saugrohr direkt in den Brennraum eingeblasen wird. Als Vorteil haben sich ein reduzierter Füllungsverlust und dadurch ein höheres mögliches Drehmoment sowie die starke Beeinflussbarkeit der Verbrennungsgeschwindigkeit durch gezielte Einbringung von Turbulenz herausgestellt. Damit lassen sich Wirkungsgradgewinne erzielen. Als Nachteil sind komplexere Gasinjektoren zu nennen, welche am Markt nicht verfügbar sind und erst entwickelt werden müssten.

Auf dem Gebiet der Erdgas-Hybrid Technologie konnte aufgezeigt werden, dass „Tank-to-Wheel“ CO2 Einsparungen gegenüber einem Benzinfahrzeug von 40% (mit Berücksichtigung von 10% Biogas von 45%) möglich sind. Dies wurde nicht nur durch Simulationen sondern auch mit einem fahrbaren Versuchsträger dargestellt.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Im Projekt konnten die Vorteile/Potenziale neuer Gemischbildungsverfahren sowie der Hybridisierung von Methangasmotoren für PW-Antriebe aufgezeigt werden. Da es sich um ein Forschungsprojekt handelt, wurden die Ergebnisse in Zeitschriften sowie an Konferenzen veröffentlicht. Es ist Aufgabe der Automobilindustrie, die Projektergebnisse in zukünftigen Entwicklungsstrategien mit einzubeziehen.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Das Thema Methanmotoren hat im Verlaufe des Projektes deutlich an Bedeutung gewonnen. Automobilhersteller haben Methan als wichtigen Treibstoff der Zukunft identifiziert, die Gasindustrie baut das Tankstellennetz europaweit aus. Schon heute lässt sich der Vorteil von Methan mit modernen Erdgasfahrzeugen ausnutzen, was bei Jahresfahrleistungen von Mittelklassefahrzeugen von um die 15‘000 km eine Einsparung von einer Tonne CO2 pro Jahr gegenüber einem technisch ebenbürtigem Benzinfahrzeug bedeutet. Durch die Umsetzung der im Projekt aufgezeigten Potenziale könnte dieser Vorteil noch deutlich vergrössert werden. Zudem lässt sich Methan auch aus Überschusselektrizität herstellen, was vor dem Hintergrund des Ausbaus neuer erneuerbarer Energien zunehmende Potenziale bietet. An der Empa wird ein „Mobility Demonstrator“ aufgebaut wo einerseits neue Antriebskonzepte (wie Methan-Hybrid) integriert, und andererseits die verschiedenen Treibstoffpfade (z.B. Wasserstoff-Methan) entwickelt werden. Ziel ist dort, in Zusammenarbeit mit akademischen und industriellen Partnern, die Treibstoff- und die Fahrzeugseite in realer Umgebung weiterzuentwickeln.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Sundström, O; Ambühl D; Guzzella L.: On Implementation of Dynamic Programming for Optimal Control Problems with Final State Constraints, Proceedings of Les Rencontres Scientifiques de l’IFP Advances in Hybrid Powertrains, Rueil-Malmaison, France, 2008

Sundström, O.; Guzzella, L.; Soltic, P.: Optimal Hybridization in Two Parallel Hybrid Electric Vehcles using Dynamic Programming” Proceedings of the 17th IFAC World Congress, 4642-4647, Seoul, Korea, 2008

Sundström, O.; Guzzella, L.; Soltic, P. : Optimal hybridization in two parallel hybrid electric vehicles using dynamic programming, Proceedings of the 17th World Congress, The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, July 6-11, 2008

Sundström, O; Guzzella L.: A Generic Dynamic Programming Matlab Function, In Proceedings of the 18th IEEE International Conference on Control Applications, pages 1625-1630, Saint Petersburg, Russia, 2009

Sundström, O.: Hybridization of Downsized Engines, 2nd Annual Conference Advanced Charging and Downsizing Concepts, Wiesbaden, Germany, March 31 - April 1, 2009

Sundström, O; Ambühl D; Guzzella L.: On Implementation of Dynamic Programming for Optimal Control Problems with Final State Constraints”, Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, DOI : 10.2516/ogst:2009020, 2009

Sundström, O. (2009): Optimal control and design of hybrid-electric vehicles. Dissertation ETH No. 18543.

Egli, R.; Lämmle, C.; Wright, Y.; Soltic, P.; Boulouchos, K.: Optimierung des Verbrennungsmotors in einem DI-Erdgas-Hybrid-Antriebskonzept, 4. FKFS-Tagung: Gasfahrzeuge, Stuttgart, Germany, October 13-14, 2009

Schwerpunkt Automobilentwicklung, ETH Connect, 16/2009

Sundström, O.; Guzzella, L.; Soltic, P.: A Transmission-Actuated Energy Management Strategy, IEEE Transactions on Vehicular Technology, IEEE Transactions on Vehicular Technology 59 (1) , 84-92, 2010

Sundström, O.; Guzzella, L.; Soltic, P.: Torque-Assist Hybrid Electric Powertrain Sizing: From Optimal Control Towards a Sizing Law, IEEE Transactions on Control Systems Technology 18 (4) , 837-849, 2010

Bach, C.; Soltic, P.: CO2 reduction and cost efficiency potential of natural gas hybrid passenger cars, SAE Paper 2011-24-0110, 2011

Soltic, P.; Egli, R.; Mauke, D.; Wright, Y.; Bach, C.; Boulouchos, K.: Strömung, Gemischbildung und Verbrennung bei Methandirekteinblasung im homogenen λ=1 Betrieb: Simulationen und Versuchsergebnisse, 6. FKFS-Tagung: Gasfahrzeuge – die ehrliche und wirtschaftliche CO2-Alternative, Stuttgart, Germany, October 26-27, 2011

Soltic, P.; Bach. C.: Erdgasfahrzeuge und Erdgas-Hybridfahrzeuge als wirtschaftlicher Ansatz zu deutlicher CO2-Reduktion in der Mittelklasse, Energie – Wasser - Praxis, 09/2011

Antrieb für das Auto von morgen, Swiss Engineering – Schweizerische Technische Zeitschrift STZ, 12/2011

Soltic, P.: Der CNG Parallel-Hybrid Versuchsträger “CLEVER”, 7. IAV-Tagung: Gasfahrzeuge – der konsequente Weg zur CO2-Reduzierung, Potsdam, Germany, September 24-25, 2012

Ott, T.; Zurbriggen, F.; Onder, C.; Guzzella, L. (2012): Cycle-averaged efficiency of hybrid electric vehicles, Proc IMechE Part D: J Automobile Engineering 227(1) 78–86, DOI: 10.1177/0954407012447508

Soltic, P.; Bach. C.: Projekt „CLEVER“ – Ein Erdgas-Hybridantrieb für die Mittelklasse, Aqua&Gas Nr. 9, 2013

Erdgas-Elektro-Hybridantrieb - Hybrid einmal anders, EBL Magazin STROM. 01/2013

Soltic, P.: Clever mobil mit Erdgas und Strom, Greenfacts Magazin, 2/2013