Auf der diesjährigen IAA Nutzfahrzeuge in Hannover (Halle 13/Stand C30, 19. – 27. September) präsentiert Federal-Mogul Powertrain erstmals seine neue Elektrifizierungsstrategie für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge. Der kostengünstige, voll skalierbare, modulare Ansatz – entwickelt von der Produktgruppe Controlled Power Technologies – lässt sich an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Nutzfahrzeugsegmente und -anwendungen anpassen. Das Technologie-Portfolio kann individuell auf die Bedürfnisse der Motorenhersteller zugeschnitten und in deren Konzepte integriert werden, um spezifische Emissions- und Effizienzziele zu erreichen. „Eine der zentralen Fragen, die uns bei Federal-Mogul antreiben, ist, wie wir Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen bei Nutzfahrzeugen reduzieren können, indem wir ansonsten verschwendete Energie zurückgewinnen. Das schließt sowohl kinetische Energie mit ein, die beim Bremsen verloren geht, als auch Abgasenergie. Unsere Lösung muss diese Energie auf effiziente Weise speichern und sie nutzbringend ins System zurückführen können“, sagt Gian Maria Olivetti, Chief Technology Officer, Federal-Mogul Powertrain. „Elektrifizierung kann hierfür eine attraktive Antwort sein. Der effizienteste Weg, dies für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge zu erreichen, sieht allerdings gänzlich anders aus als für Pkw. Der Versuch, auf Traktion abzielende Technologien anzupassen, kann bei Nutzfahrzeugen zu weniger geeigneten Lösungen führen,“ erklärt Nick Pascoe, Managing Director Federal-Mogul Controlled Power Ltd.
Beim Betrieb mit nahezu konstanten Drehzahlen sind Dieselmotoren hocheffizient, sie sind jedoch deutlich weniger effizient in Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen mit unterschiedlichen Drehmomentanforderungen. Anstatt zu versuchen, den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor zu ersetzen oder zu ergänzen, nutzen die Ingenieure von Federal-Mogul Powertrain die Elektrifizierung zur weiteren Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors. Dies gilt für den Betrieb mit konstanten Drehzahlen, vor allem aber auch zur Reduzierung von Verbrauch und Emissionen unter anspruchsvollen transienten Bedingungen während der Beschleunigung oder Verzögerung.
Bei diesem neuen Ansatz, den das Ingenieursteam rund um Nick Pascoe umsetzt, wird kinetische Energie zugeführt, die ein motor- oder antriebsstrangseitig installierter, präzise gesteuerter Generator in elektrischer Form aus den Abgasen zurückgewinnt. Diese Energie wird dann entweder über einen elektrischen Motor zur Unterstützung von Motor/Antriebsstrang oder einen elektrischen Kompressor ins System zurückgeführt.
Unabhängig durchgeführte Tests haben gezeigt, dass ein schnell ansprechender Motor-Generator von Federal-Mogul mit lediglich 12 kW Leistung, entweder motor- oder antriebsstrangseitig installiert, bei einem Bus Verbrauchseinsparungen von bis zu 8 Prozent ermöglichen kann. Erreicht wird dies durch Rückgewinnung von Bremsenergie, die dann bei Beschleunigungsvorgängen zur Steigerung des Motordrehmoments zur Verfügung steht. Die kompakte Bauweise, eine vollintegrierte Steuerungselektronik sowie ein äußerst effizientes Wärmemanagement in Verbindung mit zunehmend standardisierten Steuerungsprotokollen und einer großen Bandbreite an Entwicklungs- und Simulationswerkzeugen ermöglichen die schnelle und effiziente Integration eines solchen Motor-Generators, selbst bei bereits bestehenden Antriebslösungen.
Weitere Möglichkeiten zur Verwertung überschüssiger Energie sehen die Ingenieure von Federal-Mogul Powertrain in der Elektrifizierung des Abgas- und Luftzufuhrsystems. Mittels Turboaufladung lässt sich zwar ein Teil der rund 20 - 30 Prozent an Kraftstoffenergie im Abgas zurückgewinnen, es gibt aber noch weiteres Potenzial. „Für eine einfache und kostengünstige Rückgewinnung von Abgasenergie bedarf es eines Steuerungssystems, das es vermeidet, Energie unter Bedingungen zurückzuholen, die die Motorleistung beeinträchtigen oder zu Schäden am Generator oder dem Abgasnachbehandlungssystem führen“, so Pascoe.
Das Leistungspotenzial bestehender Systeme ausschöpfen
Die elektrische Energie – idealerweise gewonnen aus überschüssiger kinetischer Energie oder Abgasen – lässt sich zur Verbesserung des dynamischen Ansprechverhaltens der Motor-Luftzufuhr mittels elektrischer Kompressoren nutzen. Dies kann Motor-Downsizing ermöglichen sowie helfen, Emissionen zu reduzieren und zusätzlich den Kraftstoffverbrauch um bis zu 5 Prozent zu senken, indem Pumpverluste verringert, die Kraftstoffzufuhr verbessert und Schaltstrategien optimiert werden.
„In den ersten Zehntelsekunden eines transienten Vorgangs, wenn das Verbrennungssystem den höchsten Belastungen ausgesetzt ist, werden die meisten schädlichen Emissionen freigesetzt, einschließlich NOx und Feinstaubpartikeln“, erklärt Pascoe. „Die hochmodernen Einspritzsysteme können dabei sehr viel schneller reagieren als der Luftstrom. Unsere Strategie ermöglicht es daher, größere Vorteile aus bereits getätigten Investitionen in diese hochleistungsfähigen Fahrzeugtechnologien zu ziehen. Wenn wir die Luftzufuhr beschleunigen und sie damit an das Ansprechverhalten des Einspritzsystems anpassen, können wir sowohl den Verbrauch als auch die Emissionen reduzieren, da wir das Kraftstoff-Luft-Verhältnis besser steuern können.“ Eine präzise und prompte Steuerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist auch essenziell, um negative Effekte auf die Motorleistung zu vermeiden und um Temperatur und chemische Zusammensetzung der Abgase zu regeln.
Die zentralen Elemente des Ansatzes von Federal-Mogul Powertrain zur Elektrifizierung des Abgas- und Luftzufuhrsystems sind TIGERS® (Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery System) und COBRA (Controlled Boosting for Rapid Response Application). TIGERS kombiniert eine vom Abgas angetriebene Turbine mit einem flüssigkeitsgekühlten Reluktanzgenerator. Dieses bewährte und technisch ausgereifte System wandelt Abgase nahtlos in elektrische Energie um. Die flüssigkeitsgekühlten, elektrischen COBRA Kompressoren versorgen den Motor ganz nach Bedarf mit zusätzlicher Luft. Dank der niedrigen Rotorträgheit und des exzellenten Wärmemanagements sind diese Kompressoren für anspruchsvollste Fahr- und Betriebszyklen geeignet. In Kombination mit der präzise ansprechenden elektrischen Motor-/Generator-Einheit CPT SpeedTorq® ermöglicht das Technologie-Portfolio dank seines modularen Ansatzes optimale Lösungen abgestimmt auf jedes Fahrzeuggewicht und jede Fahrzeuganwendung.
„Es geht darum, schnell große Mengen an Energie zu gewinnen und diese zügig in den Antriebstrang zurückzuführen – und das ohne den für traktionsbasierte Anwendungen üblichen Einsatz von Langzeitspeichern. Mit unserem Konzept lassen sich kleinere und kostengünstigere Speicherlösungen wie z. B. Ultra-Kondensatoren sehr gut kombinieren“, erklärt Pascoe. „CPT SpeedTorq, TIGERS als auch COBRA können jeweils für 12 Volt-, 24 Volt- oder 48 Volt-Betrieb ausgelegt werden. Dies ermöglicht eine gegenüber der Hochvolt-Batterie-Hybridisierung deutlich kleinere, leichtere und kostengünstigere elektrische Systemvariante. Zudem bietet der modulare Charakter dieses neuen Ansatzes die notwendige Flexibilität, um die Lösung weiter zu optimieren.“
Hohe Dauerhaltbarkeitsstandards im Nutzfahrzeugsektor
Federal-Mogul Powertrain blickt auf eine jahrzehntelange Erfahrung bei der Entwicklung und Produktion von preisgekrönten Motorkomponenten für Hersteller von Nutzfahrzeugen zurück, darunter Lkw, Busse und Off-Highway-Anwendungen. Diese umfassende Kenntnis der Marktanforderungen in Verbindung mit Material- und Erprobungsexpertise stellt sicher, dass die neuen Produkte zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs die sehr hohen Standards in Bezug auf die Dauerhaltbarkeit im anspruchsvollen Nutzfahrzeugsektor erfüllen.
„Solange Unsicherheit über den zukünftigen Fortschritt im Bereich der Elektrifizierung besteht, suchen viele Hersteller, insbesondere im Bereich der mittleren und schweren Nutzfahrzeuge, nach Möglichkeiten, den Lebenszyklus ihrer bestehenden Motorkonstruktionen zu verlängern und mit diesen künftige Marktanforderungen und gesetzliche Regelungen zu erfüllen“, sagt Pascoe. „Unsere Ingenieure sind in der Lage, gemeinsam mit unseren Kunden, unsere Technologien in bestehende Antriebe zu integrieren, um so ein neues Niveau an Kraftstoffeffizienz und Emissionsreduzierung zu erzielen. Der modulare und skalierbare Charakter unseres Technologie-Portfolios erlaubt darüber hinaus eine kostengünstige Anpassung an Fahrzeuge unterschiedlicher Größen und Anwendungsbereiche.“
