Magerere Motoren für eine sauberere Zukunft
Die europäischen Automobilhersteller müssen neue, langfristige Technologien einführen, wenn die Treibhausgasemissionen bis 2030 verringert werden sollen. Derzeit stellen Hybrid-Antriebsstränge die Vorreitertechnologie dar, die eine Reduzierung dieser Emissionen bei gleichzeitiger Steigerung der Motoreffizienz erreichen kann. Das EU-finanzierte Projekt EAGLE hat sich zum Ziel gesetzt, die Energieeffizienz von Kraftfahrzeugen in Europa zu verbessern, indem ein hocheffizienter Benzinmotor entwickelt wird, der für zukünftige elektrifizierte Antriebsstränge geeignet ist. Das Forschungsteam wollte einen Motor mit einem Wirkungsgrad von mehr als 45 % entwickeln. Dies bedeutet eine Verbesserung gegenüber den derzeitigen 40 % von Verbrennungsmotoren.
Eine bessere Motorkonstruktion
Die Forschenden begannen damit, die Blaupausen für einen Hybrid-Antriebsstrang sowie die Anwendungsfälle, die reale Fahrbedingungen am besten imitieren, festzulegen. Anschließend entwickelte das Team eine Reihe neuer Technologien, die zur Entwicklung eines Antriebsstrangs mit hoher Energieeffizienz und geringen Schadstoffemissionen führen sollten. „Es wurde entschieden, dass wir den Verbrennungsmotor unter extrem mageren Bedingungen betreiben. Dies bedeutet im Wesentlichen einen großen Luftüberschuss und erfordert die Nutzung fortschrittlicher Technologien“, so Projektkoordinator Jean-Marc Zaccardi. Das Team entwickelte einen Mehrzylinder-Demonstratormotor mit einem elektrifizierten zweistufigen Aufladesystem, um die Synergie zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Hybrid-Antriebsstrang zu optimieren. Die Projektforschenden entwarfen ein Vorkammer-Zündsystem, um die Verbrennung unter extrem mageren Bedingungen zu unterstützen. Außerdem entwickelten sie ein Verbrennungssteuerungsprotokoll mit geschlossenem Regelkreis. Damit kann sowohl die Menge des in die Kammer eingespritzten Wasserstoffs, als auch die Menge des in die Vorkammer eingespritzten Benzins reguliert werden, denn die Kontrolle der Verbrennungsstabilität ist entscheidend. Anschließend entwickelte das Team einen Speicherkatalysator aus Stickoxid (NOx), der schädliche NOx-Gase in das harmlose Gas Distickstoff (N2) umwandelt. Das Forschungsteam untersuchte verschiedene Materialien und Konfigurationen und testete sie am Motordemonstrator. Diese Nachbehandlung ist für verringerte NOx-Emissionen von Bedeutung. „Der Mehrzylinder-Demonstratormotor zeigte, dass der Schlüssel zur Maximierung des Wirkungsgrads und zur Minimierung der Schadstoffemissionen von Magermotoren in der Kalibrierung des Luftwegs liegt“, bestätigte Zaccardi. EAGLE ist davon überzeugt, dass solche Lösungen in Kombination mit Elektro-Kraftstoffen zur klimaneutralen Mobilität beitragen. „Da ein erheblicher Teil der Brennstoffenergie üblicherweise in Form von Wärme verloren geht, wurden auch innovative Isolationstechnologien bewertet, um die Wärmeübertragung im Brennraum und am Auspuff des Motors zu minimieren“, merkt Zaccardi an. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten eine robuste thermisch gespritzte Beschichtung, um die thermische Effizienz zu verbessern, ohne dabei andere Verbrennungsparameter zu beeinträchtigen.
Für kommerzielle Pläne einen Gang höherschalten
EAGLE hat gezeigt, dass die Verwendung von Wasserstoff als Zusatzkraftstoff die Motoreffizienz verbessert und die Schadstoffemissionen senkt. Auch die Realisierbarkeit der Wasserstoffverbrennung in Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge wurde nachgewiesen. Die Forschenden werden weiterhin daran arbeiten, das Vorkammer-Zündsystem für Verbrennungsmotoren in allen Anwendungsfällen sowie die Wasserstoffmotoren weiter zu optimieren. Nachdem das Basismotorkonzept nun abgesteckt wurde, arbeitet das EAGLE-Forschungsteam daran, es für den Einsatz in zukünftigen, vernetzten Hybridfahrzeugen unter realen Fahrbedingungen weiterzuentwickeln.
Schlüsselbegriffe
EAGLE, Verbrennungsmotor, Wasserstoff, Hybrid-Antriebsstrang, Kraftstoff, mager, NOx-Speicherkatalysator
