Hybride für die Zukunft

In vielen Regionen der Welt wird sich die Elektromobilität aus verschiedenen Gründen nicht so schnell verbreiten wie in Europa. Daher werden für den Autoantrieb noch während längerer Zeit auch Hybridantriebsstränge benötigt. Passende Verbrennungsmotoren werden derzeit entwickelt.

Da sich der vollelektrische Autoantrieb aus wirtschaftlichen oder infrastrukturellen Gründen noch während längerer Zeit nicht in allen Regionen der Welt durchsetzen kann, werden auch in Zukunft Antriebe gefragt sein, die auf Verbrennungsmotoren basieren. Parallel zu den konventionellen Benzin- und Dieselmotoren werden deshalb nun sogenannt dedizierte Verbrennungsmotoren entwickelt – Triebwerke, die mit Elektromotoren kombiniert werden und daher ganz speziell optimiert werden können. So erhält der Verbrenner beispielsweise im Langsamfahrbereich kräftige Unterstützung von der E-Maschine, so dass sein Betrieb für kleinere Drehzahl- und Lastbereiche optimiert werden kann. Das wirkt sich schliesslich günstig auf den Verbrauch des Verbrennungsmotors und des Gesamtsystems aus.

Derzeit entwickeln Engineering-Unternehmen und grosse Zulieferer der Autoindustrie immer effizientere Hybridsysteme. Auch der weltweit grösste Zulieferer, die Robert Bosch GmbH, arbeitet an Hybridlösungen mit dedizierten Benzinmotoren, mit denen weitere Effizienzpotenziale erschlossen werden können. Systematisch betrachteten die Bosch-Ingenieure verschiedene Dedicated-Hybrid-Engine-Lösungen. Die Effizienzbewertung erfolgte dann auch in Kombination mit unterschiedlichen Hybridkonzepten. Die Ergebnisse der Motoruntersuchungen belegen, dass nur durch ganzheitlich optimierte Antriebsstränge das volle Potenzial der Hybridisierung erschlossen werden kann. Jochen Schwarzer, Abteilungsleiter Powertrain bei Bosch, erklärte beim diesjährigen internationalen Motorensymposium in Wien: «Es ist davon auszugehen, dass zukünftige regulatorische Anforderungen in einigen Regionen der Welt nur noch durch den Einsatz hocheffizienter Hybridtechnologien erreicht werden können beziehungsweise deren Einsatz explizit gefordert wird.» Dann berichtete Schwarzer von einem frei saugenden, hochverdichteten 2,5-Liter-Vierzylinder-Benziner mit Atkinson-Zyklus und hoher Abgasrückführrate, der auf einen maximalen Wirkungsgrad von für Ottomotoren bisher kaum erreichten 41 Prozent kommt.

In den Bosch-Laboren wurden vier DHE-Konzepte (Dedicated Hybrid Engine) betrachtet: DHE1 und DHE2 mit Turboaufladung, Direkteinspritzung und stöchiometrischem respektive magerem Gemisch, DHE3 ohne Turboaufladung, aber mit Direkteinspritzung und stöchiometrischem Betrieb, und DHE4 ohne Turboaufladung, mit Saugrohreinspritzung und stöchiometrischem Betrieb. Ein weiterer Optimierungsschritt gelang durch den Einsatz von Vorkammerzündkerzen.

Das 330-Volt-Hybridsystem mit zwei Elektromaschinen und 1-Gang-Getriebe ist nicht als Plug-in-System ausgelegt. Die Batteriekapazität beträgt 2,5 kWh, die mögliche maximale Traktionsleistung 135 bis 155 kW. Simulationen ergaben, dass das DHE2-Konzept das grösste CO 2 -Sparpotenzial aufweist. In einem gut 1500 Kilogramm wiegenden Mittelklasse-SUV können damit nach WLTP-Norm CO 2 -Emissionen von 88 g/km erreicht werden. Ausserdem sei der dedizierte Verbrennungsmotor auch geeignet für den Einsatz von alternativen Treibstoffen bis hin zu reinem H 2 , hielt der Bosch-Referent fest.

Auch das grosse Technologie-Unternehmen AVL List GmbH mit Hauptsitz in Graz beschäftigt sich intensiv mit neuen Hybridantriebssystemen. Paul Kapus, Leiter Entwicklung Ottomotoren, stellte beim Motorensymposium in der Wiener Hofburg ein seriell-paralleles Hybridsystem mit einem 2,5-Liter-Benziner vor, der mit elektrisch unterstütztem Turbolader einen bemerkenswert hohen Wirkungsgrad erreicht. Kapus berichtete: «Herausfordernde Ziele für Fahrzeugeffizienz erhöhen die Anforderungen an die Effizienz des Verbrennungsmotors in hybriden Antriebssträngen. Die nächste Generation von Hybridmotoren mit hohen Wirkungsgradzielen erfordert ein Überdenken der Motorthermodynamik, des Thermo-Managements und der Regelung des gesamten Fahrzeuges.» In seinem Referat beschrieb Kapus die Entwicklung eines dedizierten Hybridmotors mit 45 Prozent maximalem effektivem Wirkungsgrad und dessen Integration in einen seriell-parallelen Antriebsstrang in einem SUV-Demofahrzeug. Ebenfalls speziell an diesem Motor sind das extrem hohe Verdichtungsverhältnis von 16,5:1 und die hohe Abgasrückführrate, die eine klopfende Verbrennung verhindert. Ebenfalls von grundlegender Bedeutung für den stabilen Betrieb bei extremen Umgebungstemperaturen ist das ausgeklügelte Thermo-Managementsystem für Motor und Fahrzeug. Zu einem solchen gehören regelbare Kühlkreisläufe für die Abgasrückführung und für die Ladeluft sowie die Entkopplung des Motorraumes durch Isolationen und variable Kühlergrilljalousien.

Die Aufladung des langhubigen Benzinmotors erfolgt durch einen elektrisch unterstützten Garrett-Turbolader mit variabler Geometrie, der sowohl für eine präzise Ladedruckregelung als auch für Sekundärluftzufuhr während des Katalysator-Heizens sorgt. Charakteristisch für den neuen Zylinderkopf des DHE ist das Brennraumkonzept mit drei Zündkerzen – einer grossen im Zentrum zwischen den vier Ventilen und zwei kleineren an der Brennraumperipherie. Damit wird in allen Betriebsbereichen eine stabile Verbrennung gewährleistet.

Der seriell-parallele Hybridantriebsstrang arbeitet mit drei Permanentmagnet-Synchronmaschinen – neben dem Starter-Generator je ein Motor pro Achse für den Allradantrieb des Erprobungsfahrzeugs Mitsubishi Outlander PHEV. In WLTP- und Strassentests ergaben sich Verbrauchsminderungen gegenüber dem Basismodell von gut 15 Prozent. Zum Abgasreinigungssystem dieses Antriebsstranges gehören ein elektrisch beheizter erster Katalysator, ein zweiter Dreiwegekatalysator sowie ein Partikelfilter.