Bis alle Autos auf deutschen, europäischen und auf den Straßen der Welt CO2-frei angetrieben werden, wird es noch einige Jahre dauern. Selbst wenn ab 2025 keine Neuwagen mit Verbrennungsmotoren mehr verkauft werden dürfen, kann man davon ausgehen, dass es bis mindestens 2040 dauern wird, bis (fast) alle Benzin- und Diesel-getriebenen Autos von den Straßen verschwunden sind. Um also die CO2-Flottenemissionsziele im Jahr 2030 zu erreichen, müssen auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor deutlich energieeffizienter werden.
In einem von der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) initiierten Forschungsprojekt „ICE2025+“ haben Wissenschaftler in Aachen, Braunschweig, Darmstadt und Stuttgart untersucht, „wie weit der Wirkungsgrad von Ottomotoren mit Hilfe verschiedener Technologiekombinationen gesteigert werden kann“. Dabei wurde allerdings bei allen untersuchten Antriebssträngen der Verbrennungsmotor von einem elektrischen Antrieb ergänzt. Vor allem im Stadtverkehr. „Wir haben jedoch alle Tests und Simulationen so ausgelegt, dass sich am Ende der Fahrt noch genauso viel Strom in der Batterie befand wie zu Beginn“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Christian Beidl, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe an der TU Darmstadt. „Dadurch ist es möglich, genau zu beobachten, wie sich der Wirkungsgrad durch verschiedene Maßnahmen am Motor verändert.“
Enge Rahmenbedingungen
Zu Beginn des rund zweieinhalb Jahre dauernden Projekts hatten die Forscher festgelegt, durch welche technischen Veränderungen der Wirkungsgrad eines Motors deutlich gesteigert werden könnte. Diese Veränderungen mussten jedoch zwei Rahmenbedingungen erfüllen: Erstens sollte es sich um „reife Technologien“ handeln, die vor dem Jahr 2030 eine realistische Chance auf eine Serieneinführung haben. Zweitens sollten nicht einzelne Technologien untersucht werden, sondern Kombination aus mehreren.
„Eine reine Addition einzelner Maßnahmen verbietet sich, da Wechselwirkungen von Technologien dabei nicht berücksichtigt werden“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Peter Eilts, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen der TU Braunschweig. Also wurden Kombinationen aus variabler Verdichtung und flexiblen Ventilsteuerzeiten, Abgasrückführung, Steuerung der Ladungsbewegung, Vorkammerzündung, Wassereinspritzung und auch die Auslegung des Motors als Langhuber untersucht. Die Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch haben die Wissenschaftler erst durch Berechnungen, dann durch verschiedene Motorentests validiert und auch weitere Potenziale rechnerisch extrapoliert.
Schließlich ermittelten die Forscher den Kraftstoffverbrauch in verschiedenen Hybridfahrzeugen aufgrund der gewonnenen Versuchs- und Rechenergebnisse. Und zwar nicht nur einen Verbrauch „für die offiziellen Verbrauchsangaben im relevanten Prüfzyklus”, sondern auch im realen Straßenverkehr. Hierzu wählten sie ein Fahrprofil, das die Anforderungen an sogenannte RDE-Tests („Real Driving Emissions“) erfüllt. „Es ist gelungen, die Technologien so zu kombinieren, dass die Verbräuche unter RDE-Bedingungen niedriger ausfallen als die im WLTP-Prüfzyklus („Worldwide Harmonized Light-duty Vehicles Test Procedure“) ermittelten Werte“, sagt Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen.
Wirkungsgradsteigerung um mehr als 40 Prozent
Das Ergebnis zeigte, dass im realen Straßenverkehr mehr als 40 Prozent der Energie des Kraftstoffs genutzt werden kann, wenn verfügbare Technologien für den Verbrennungsmotor optimal aufeinander abgestimmt sind. Zum Beispiel konnte in einem Mittelklassefahrzeug mit Hybridantrieb mit dem entwickelten Effizienzmotor bereits 42 Prozent der im Kraftstoff gebundenen Energie genutzt werden. Der Gesamtwirkungsgrad konte zudem durch den Einsatz synthetischer Kraftstoffe (E-Fuels) auf 46 Prozent gesteigert werden.
Am Ende haben die Forscher auch die Potenziale eines „mageren Motorbetriebs“ untersucht. Also den Betrieb mit hohem Luftüberschuss. Dabei habe sich gezeigt, dass in weiten Kennfeldbereichen der Motorwirkungsgrad um zwei bis drei Prozentpunkte gesteigert werden kann. „Damit rückt ein Wirkungsgrad von 50 Prozent in greifbare Nähe“, sagt Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Inhaber des Lehrstuhls Fahrzeugantriebe am Institut für Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart.
E-Fuels als „Geheimwaffe“
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts seien für die Diskussion über den Nutzen von E-Fuels relevant, betont Bargende. „In vielen Analysen wird ein Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors von maximal 25 Prozent unterstellt. Die Forschung zeigt nun, dass bei geeigneter Antriebskonzeptauslegung von Motor, Getriebe und Hybridkomponenten mehr als 40 Prozent im realen Verkehr zu erreichen sind“, erklärt der Wissenschaftler. „Mit synthetischen Kraftstoffen betrieben, sind Hybridmotoren dadurch nicht nur klimaneutral, sondern unterscheiden sich kaum in der Gesamteffizienz von Antriebsalternativen, wenn die synthetischen Kraftstoffe an Standorten mit deutlich mehr Sonnenstunden oder Windlasten erzeugt werden, als das in Deutschland möglich ist.“
Die FVV plant derweil bereits das nächste Projekt. Bei „ICE2030“ dreht sich alles um die Nutzung von Wasserstoff zur Wirkungsgradsteigerung. „Zudem sollen die Synergien mit weitere Effizienztechnologien wie einer extrem mageren Verbrennung untersucht werden.“
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