Weltweit wird derzeit geforscht und erprobt, wie Mobilität klimafreundlicher werden kann und gleichzeitig zugänglich und erschwinglich bleibt. Welche Antriebssysteme welche Rolle in der zukünftigen Mobilität einnehmen könnten, um diese Forderungen zu erfüllen, war das Kernthema des diesjährigen 43. Internationalen Wiener Motorensymposiums 2022, welches vom 27. bis 29. April in Wien stattfand.

In einem gemeinsamen Vortrag von BMTS Technology und Schaeffler Technologies stellte Dr. Nisar Al-Hasan, Chief Technology Officer bei BMTS Technology, vor, wie Verbrennungsmotoren weiterentwickelt werden können, um einen Beitrag zu den ehrgeizigen Klimazielen zu leisten.

Ausgangspunkt der Untersuchung war der Mazda Skyactiv-X Motor mit der besonderen „Spark Controlled Compression Ignition“ Technologie (SPCCI) und einem hohen geometrischen Verdichtungsherhältis von ε=16.3, was ihn bereits effizienter als einen herkömmlichen Motor macht:

Bei der SPCCI-Technologie wird die Initialzündung durch einen elektrischen Funken von einer Zündkerze ausgelöst. Während die Temperatur und der Druck steigen, wird der zweite Teil der Verbrennung eingeleitet, eine homogene Kompressionszündung. Dies führt zu einem schnellen Brennverlauf und damit zu mehr Effizienz. Desweiteren wird der Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten und Drehzahlen unter 2500 U/min durch magere Verbrennung gesteigert. Ausgestattet mit einer gekühlten Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) und einer mechanischen Aufladung weist der Motor eine weitere Effizienzverbesserung gegenüber einem gewohnten Saugmotor auf.

In ihrer Studie zeigten die Experten von BMTS Technology und Schaeffler Technologies auf, wie der Mazda Skyactiv-X Motor durch den Einsatz eines Miller-Brennverfahrens sowie Turboaufladung in Wirkungsgrad und Leistung weiter verbessert werden kann.

• Ersetzen des Kompressors durch einen Turbolader
• Umstellung auf stöchiometrischen Betrieb im gesamten Motorkennfeld
• Verbesserung des Verbrennungsschwerpunkts durch Millerisierung

Abgasturbolader statt Kompressor

Kompressoren werden mit mechanischer Leistung aus dem Motor gespeist, was einhergeht mit einem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch. Setzt man stattdessen einen Abgasturbolader ein, entfällt dieser zusätzliche Bedarf, da der Turbolader mittels Abgasenergie angetrieben wird. Ein Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) ermöglicht es, die gesamte Abgasenthalpie zu nutzen. Ein elektrisch unterstützter VTG-Turbo kann zusätzlich noch Energie rekuperieren, bzw. in Hybridsystemen den Turbolader dann unterstützen, wenn der Ladedruckbedarf höher ist, als die aktuelle Abgasenthalpie liefern kann. Die letztgenannte Lösung ist vor allem auch bei SPCCI-Verbrennung von Vorteil, da sie eine genaue Steuerung des Ladedrucks erfordert.

Stöchiometrischer Betrieb im gesamten Motorkennfeld

Unter-stöchiometrische Bereiche (Lambda <1) treten vor allem bei Volllast auf und bedeuten einen erhöhten Kraftstoffverbrauch und CO Ausstoß. Um dies zu vermeiden, wird ein stöchiometrischer Betrieb Lambda ≥1 über die gesamte Kennfeldbreite angestrebt, was durch ein früheres Schließen des Einlassventils erreicht werden kann (Miller-Verfahren).

Verbesserung des Verbrennungsschwerpunkts durch Millerisierung

Aufgrund des hohen geometrischen Verdichtungsverhältnisses von CR=16.3, liegt der Verbrennungsschwerpunkt des Basismotors, das heißt der Punkt an dem 50% des Kraftstoffes verbrannt werden, in einem großen Bereich des Motorkennfeldes später als der Idealwert. Durch Einsatz des Miller-Verfahrens kann dies verbessert und folglich der Wirkungsgrad, das Low-End-Torque und die Nennleistung gesteigert werden.

Der Mazda Skyactiv-X-Motor wurde von AVL Graz vollständig charakterisiert. Diese Daten wurden genutzt, um das Verbesserungspotenzial durch den Wegfall des Kompressors, die Umstellung auf stöchiometrischen Betrieb im gesamten Motorkennfeld und die Verbesserung des Verbrennungsschwerpunkts durch Millerisierung zu bewerten. Die Untersuchungen ergaben folgende Ergebnisse:

• Bei stöchiometrischem Betrieb kann mit einer LP-EGR-Rate von 4% und einer IEL von 140°CrA eine Nennleistung von 135kW erreicht werden. Der Kraftstoffverbrauch wird im Vergleich zum Basismotor um 38% verbessert.

• Bei 2000U/min kann das Drehmoment mit Lambda = 1 um 55Nm gesteigert werden. Der Kraftstoffverbrauchsvorteil beträgt 5,8% im Vergleich zum Basismotor bei 2000U/min Volllast.
• Der Kraftstoffverbrauch im Teillastbereich kann durch Millerisierung und Turboaufladung um 5% verbessert werden.
• Optimierte Einlassereignislängen für Nennleistung, Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Teillast werden durch einen variablen Ventiltrieb ermöglicht.

Ausblick

Diese Untersuchung hat gezeigt, dass die exzellente Basis des Skyactiv-X Motors durch den Einsatz von einem variablen Ventilsystem mit frühem Einlassschließen (Miller) und Turboaufladung zu einer weiteren deutlichen Einsparung von fossilen und nicht-fossilen Kraftstoffen beitragen kann.

Aufgrund der vielversprechenden Resultate ist eine experimentelle Untersuchung mit einem Forschungsmotor geplant, um die Simulationsergebnisse zu verifizieren. Dazu gehören auch Analysen in weiteren Betriebspunkten, um die Effizienzverbesserung und das Rekuperationspotenzial zu bewerten.