STRUKTURSTUDIE - page 29

Aktuell dominiert der klassische Verbrennungsmotor als Antrieb
eines Generators zur Stromerzeugung in batterieelektrischen
Fahrzeugen. Technisch gesehen ist allerdings eine Vielzahl an
Konzepten als Range-Extender-Maschine möglich. Als Beispie-
le seien genannt: klassische Hubkolbenmaschinen (Otto, Diesel,
LPG, PNG, Stirling, 2-Takter, Boxer), Drehkolbenmaschine (Wan-
kelmotor), Gasturbine, Brennstoffzelle und auch weitere exotische
Konzepte wie der Freikolbenlinearmotor, Kugelmotor oder Wave-
Disc-Generator.
2.3.5 OPTIMIERUNG DES KONVENTIONELLEN ANTRIEBSSTRANGS
Trotz der bereits erzielten Fortschritte und verfügbaren Technolo-
gien im Bereich des rein elektrischen Antriebs wird der Verbren-
nungsmotor auch in den nächsten Jahren eine tragende Rolle
spielen. Dies ist einerseits darin begründet, dass sich eine große
Nachfrage nach batterieelektrischen Fahrzeugen momentan noch
nicht abzeichnet und deren Marktanteil deswegen auf absehba-
re Zeit hinter dem der konventionellen Automobile zurückbleiben
wird. Andererseits bildet der Verbrennungsmotor einen wesentli-
chen Bestandteil von (Plug-in-)Hybridfahrzeugen und wird daher
trotz oder gerade wegen einer Einführung bzw. Verbreitung dieser
Antriebskonzepte seine Marktstellung behalten.
Aufgrund der weiterhin großen Bedeutung des Verbrennungsmo-
tors sind bis zum Jahr 2020 allerdings auch erhebliche Anstren-
gungen zu unternehmen. Denn laut EU-Verordnung dürfen neue
PKW ab dem Jahr 2020 bzw. 2021 durchschnittlich nicht mehr als
95 g CO
2
/km ausstoßen. Um diesen Grenzwert einhalten zu können,
müssen Automobilhersteller die CO
2
-Emissionen insbesondere ih-
rer konventionellen Fahrzeuge teilweise sehr stark reduzieren. Das
Potenzial hierfür ist vorhanden. Je nachdem, ob ausschließlich ein
(bereits verbrauchsoptimierter) Otto- oder ein Dieselmotor, der
vollständige Antriebsstrang oder ein Gesamtfahrzeug bestimm-
ter Größe betrachtet wird, gehen Experten und Untersuchungen
davon aus, dass sich auch ohne elektrischen Antriebsmotor und
ohne ausgeprägte Leichtbaumaßnahmen noch Emissionen in
Höhe von 10 bis über 40 % gegenüber heute einsparen lassen wer-
den [Meszler (2014); Miorini (2013)].
Zusätzliches Potenzial entsteht durch Innovationen, die ursprüng-
lich für elektromobile Antriebskonzepte entwickelt wurden, aber
auch Anwendung in konventionellen Automobilen finden können.
Diese revolutionieren die gewohnte Architektur von Fahrzeugen
mit Verbrennungsmotor und tragen wesentlich zur Senkung von
Verbrauch und CO
2
-Emissionen unter den von der EU vorgegebe-
nen Grenzwert bei. Nachfolgend werden die aktuellen Technolo-
gien zur Optimierung des nicht-hybriden und nicht-batterieelektri-
schen Antriebsstrangs aufgeführt, beginnend bei Maßnahmen, die
direkt am konventionellen Motor ansetzen, bis hin zu solchen, die
elektromobilen Fahrzeugkonzepten entstammen.
Ein Mittel zur Senkung des Verbrauchs eines Verbrennungsmotors
ist der variable Ventiltrieb. Hierbei unterscheidet man zwischen der
zeitlich variablen Ventilsteuerung (Variable Valve Timing, VVT) und
der variablen Ventilhubsteuerung (Variable Valve Lift, VVL). Für bei-
de Systeme existieren mittlerweile geeignete Aktuatoren, sodass
sie auch rein elektrisch ausgeführt werden können (erwartete Aus-
wirkung auf die CO
2
-Emissionen bei Kombination von VVT und VVL:
−8 %). Eine entsprechende Anordnung mehrstufiger VVL-Systeme
macht des Weiteren eine ebenfalls elektrische Zylinderabschal-
tung möglich (−5 %). Neue Aufladungskonzepte für konventionelle
Motoren erlauben eine zusätzliche Reduktion der CO
2
-Emissionen
im unteren einstelligen Prozentbereich. Die Aufladung gelingt da-
bei durch elektrisch unterstützte Turbolader oder Turbolader mit in
Reihe geschaltetem, elektrischem Kompressor, jeweils ggf. ergänzt
um eine (elektrisch einstellbare) variable Turbinengeometrie des
Turboladers (ca. −5 %) [André (2014)]. Alle diese Ansätze zur Vermin-
derung von Verbrauch und Emissionen eines Verbrennungsmotors
mittels elektrifizierter Systeme gehen einher mit der Implementie-
rung entsprechender elektrischer Steuerungen.
Ventiltriebsvariabilität und Motoraufladung eröffnen zusammen
mit der Einführung der (homogenen) Benzindirekteinspritzung bei
Ottomotoren bzw. höheren Einspritzdrücken bei Dieselmotoren
das Potenzial zum Downsizing (Erhalt von Leistung und Drehmo-
ment eines Motors bei verringertem Hubraum und kleinerer Zy-
linderzahl; −5 bis −15 % je nach Ausführung). Nach Anwendung
von Aufladung und Downsizing gelingt eine zusätzliche Senkung
des Kraftstoffverbrauchs durch eine Abgasrückführung (AGR), die
gegenüber heutigen Verfahren extern gekühlt wird (−4 %) [Korte
(2011)]. Weitere Maßnahmen zur Reduktion der CO
2
-Emissionen
eines Verbrennungsmotors bestehen in der Minderung von Rei-
bungs- und thermischen Verlusten (jeweils −2 %) [Backhaus
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