An einem neuen Heißgasprüfstand testen die Forscher Restwärmenutzungssysteme und Turbolader. Ihr Ziel ist es, effizientere Antriebskonzepte für Pkw und Lkw zu entwickeln.
Fraunhofer ICT
Automotoren verbrauchen Energie und Fraunhofer-Forscher arbeiten daran, diesen Verbrauch einzudämmen. Moderne Prüfeinrichtungen helfen ihnen dabei, den Entwicklungsprozess der Motoren zu optimieren. Im Labor haben sie den Wirkungsgrad bereits um bis zu zehn Prozent erhöht.
Lkw, Pkw und Motorräder sind Energieverschwender: Über 60 Prozent der in ihren Motoren durch den Kraftstoff erzeugten Energie gehen über das Abgas und das Kühlwasser verloren. Der größte Teil davon verpufft einfach als Wärme in die Umgebung. "Unter unseren Motorhauben wird Benzin, Diesel oder Strom verschwendet und über die Abgasanlage unnötig CO2 in die Luft gepumpt", sagt Dr. Hans-Peter Kollmeier vom Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT in Karlsruhe. In der Projektgruppe "Neue Antriebssysteme" geht er den Ursachen für diese Verschwendung auf den Grund. Zusammen mit anderen Forschern entwickelt er effiziente Antriebskonzepte für Fahrzeuge. Im Labor haben sie es bereits geschafft, den Wirkungsgrad von Pkw-Motoren um fünf und den von Nutzfahrzeugantrieben um bis zu zehn Prozent zu steigern.
Gesamten Prozess der Antriebsentwicklung abbilden
Seit diesem Sommer stehen den Wissenschaftlern neue Prüfanlagen zur Verfügung. "Wir können am Standort Karlsruhe den gesamten Prozess der Antriebsentwicklung abbilden: von der Konstruktion, über die Simulation bis zum Versuch effiziente Antriebskonzepte für Fahrzeuge", berichtet Kollmeier. Ziel der Forscher ist es, die "eingesetzten Techniken des Antriebsstranges so zu optimieren, dass die Kraftstoffersparnis optimal ist". Und dafür müsse bekannt sein, wie die einzelnen Komponenten in der Realität miteinander interagieren. "Mit den neuen Prüfmöglichkeiten sind wir diesem Ziel einen großen Schritt näher gekommen. Wir haben dadurch die Möglichkeit, den Antriebsstrang ganzheitlich zu testen und unsere Simulationen zu validieren", betont Kollmeier.
Motorenprüfstand
Als Herz der neuen Testinfrastruktur bezeichnet der Wissenschaftler den Motoren- und ein Heißgasprüfstand. Dort werden Motoren und deren Komponenten mechanisch und thermodynamisch analysiert. Ein Computer steuert die Anlagen und simuliert realistische Anwendungsszenarien. Zum Beispiel könne der Rechner virtuell hybride Antriebe (beispielsweise Elektromotoren) oder Systeme, die Restwärme nutzen, dazuschalten. Die Forscher analysieren, wie sich der Fahrzeugantrieb hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen verhält. Hierzu simuliert Kollmeiers Team Fahrzeugtyp, Fahrstrecke oder Fahrweise. Seien ausreichend Daten gesammelt, bauen die Forscher Prototypen und ersetzen dann Stück für Stück die Simulationsmodelle durch reale Bauteile in der Prüfeinrichtung. Schritt für Schritt nähern sie sich so dem optimalen Antriebsstrang. Immer wichtiger werden dabei besonders leichte Werkstoffe, betonen die Ingenieure.
Geht es darum, Automotoren effizienter zu machen, kommt oft und schnell der Begriff des Downsizing ins Spiel. In der Regel kommen in Downsizing-Konzepten Turbolader zum Einsatz, die in den Ansaug- und Abgastrakt integriert werden. Die Fraunhofer-Wissenschaftler testen ihre Turbolader am Heißgasprüfstand. In dieser Anlage wird durch einen Erdgasbrenner ein bestimmter Abgasmassenstrom generiert, der dem eines Verbrennungsmotors entspricht, erläutern sie. Der Brenner lasse sich sehr exakt einstellen, um zu analysieren, wie sich kleinste Veränderungen der Randbedingungen auf den Turbolader auswirken.
Heißgasprüfstand
"Der Turbolader ist der klassische Ansatz, den Wirkungsgrad von Motoren zu verbessern. Man nutzt einen Teil der Energie, der über die Abgase verpufft. Aber ihm sind Grenzen gesetzt. Dampfkreisprozesse können hier beispielsweise weiterhelfen", betont Kollmeiers Kollege Dr. Sascha Merkel. Hierbei werde ein flüssiges Arbeitsmedium (zum Beispiel Wasser oder Ethanol) durch die Restwärme erhitzt. Es verdampfe und treibe eine kleine Turbine an, die wiederum mechanische Energie erzeuge. Der Zugewinn lasse sich dann entweder direkt auf die Kurbelwelle übertragen oder durch einen Generator in elektrische Energie umwandeln, um diese dann in den Stromkreislauf einzuspeisen - beispielsweise in Bordnetze von Pkw. Am Heißgasprüfstand untersuchen die Forscher, wie sich einzelne Komponenten der Minikraftwerke bei unterschiedlichen Rahmenbedingungen verhalten.
Die Wissenschaftler sind Angaben zufolge eng mit anderen Antriebsexperten aus Forschungsinstituten und den Entwicklungsbereichen der Automobilhersteller vernetzt. "Selbstverständlich ist speziell der Kontakt zur Fahrzeugindustrie sehr groß. Die Entwicklung der Antriebskonzepte läuft in enger Abstimmung mit den Motorenherstellern. Die direkte Anwendung der Forschungsergebnisse in der Praxis steht im Vordergrund", so Kollmeier.