Fahrzeugantriebssysteme

Die Abteilung Fahrzeugantriebssysteme befasst sich mit der Reduktion der Belastung der Aussenluft und des Klimas durch Strassenfahrzeuge. Dabei steht die Schadstoffminderung, die Effizienzsteigerung und der Umstieg auf kohlenstoffarme Treibstoffe im Vordergrund. Die Abteilung Fahrzeugantriebssysteme arbeitet Empa-intern mit verschiedenen Gruppen im Bereich der Materialforschung, Batteriesysteme und Tribologie und mit Forschungs- und Industriepartnern im Bereich der Grundlagen und des Prototypings zusammen. Die Abteilung Fahrzeugantriebssysteme besteht aus den Forschungsgruppen Fahrzeugsysteme, Antriebssysteme, Abgasnachbehandlung und Synthetische Treibstoffe.

 

Forschung

Brennverfahren für Gasmotoren
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(a) PKW Motor mit magerem Brennverfahren und Zündung mittels gespülter Vorkammer

Aktuell kommerziell erhältliche Erdgas/Biogasmotoren für Strassenfahrzeuge sind leicht modifizierte Benzin-  oder Dieselmotoren. Dadurch nutzen sie das Potenzial des sehr motorgeeigneten Treibstoffes Methan nur unvollständig aus. Wir arbeiten an neuen schadstoffarmen und effizienteren Brennverfahren, welche speziell für den Gasbetrieb optimiert werden. Dies beispielsweise durch hohe Verbrennungsspitzendrücke, hohe Zündenergien, Abgasrückführung sowie angepasste Aufladung und Gemischbildung. Zudem optimieren wir Brennverfahren für Gase mit hohen Wasserstoffanteilen.

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(b) Optimierte Brennverfahren für einen stöchiometrisch betrieben Nutzfahrzeugmotor
Partner:
ETHZ, Politecnico die Milano, Volkswagen AG Konzernforschung, FPT Motorenforschung AG, Horizon2020/SBFI, BFE
Zündfunken-Spektroskopie
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(a) Schema der Konstantvolumentzelle

In einer optisch zugänglichen Konstant­volumenzelle wird die Zündung verschiedener Methangas­zusammensetzungen untersucht (a). Dabei werden mittels zündfunkeninduzierter Plasmaspektroskopie atomare und molekulare spektrale Charakteristiken im Funkenplasma ermittelt (b), die Rückschlüsse auf die Gemisch­zusammensetzung, Plasmatemperatur und Elektronendichte zum Zeitpunkt der Zündung erlauben. Damit sollen die Vorgänge zur Flammbildung in Gasmotoren detailliert verstanden werden.

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(b) Ortsaufgelöste Spektren über dem Elektrodenabstand
Partner:
ETHZ, Volkswagen Konzernforschung, FOGA
Strömungsmechanische Untersuchungen zur AdBlue-Injektion, Gasmitnahme und Wandbelastung
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(a) Aufbau der PDA-Lasertechnik zur Untersuchung der AdBlue-Injektion in eine Abgasströmung

Die Injektion von Reaktionsmitteln (AdBlue) ins Abgas von Dieselmotoren wird in einem Hochtemperatur-Strömungsteststand mit laser-optischen Messverfahren (a) durchgeführt.

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(b) Abkühlung am Aufprallort der AdBlue-Injektion

Der Aufprall von AdBlue-Tröpfchen auf die Abgaswände führt zu einer starken lokalen Abkühlung. Messungen mittels Infrarot-Thermografie und Berechnungen der Wärmeleitung zeigen lokale Abkühlraten in der Größenordnung von MW/m2(b). Diese Abkühlung führt zu einer Flüssigkeitsfilmbildung. Persistente Flüssigkeitsfilme führen zur Bildung fester Ablagerungen.

Partner:
ETHZ

Abgaspartikelanalytik
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TEM und HRTEM Bilder von Russagglomerate und Einzel-Russpartilkel mit charakteristischer Nanostruktur

Die Nanostruktur und Grösse der durch Verbrennung erzeugten Partikel ist aufschlussreich für ihre Reaktivität und Toxizität. Mittels TEM-Untersuchung und Bildverarbeitung werden Partikelgrösse und Eigenschaften der Graphen-Schichten untersucht. Die Untersuchungen umfassen Partikel von Diesel-, Benzin- und Gasfahrzeugen. Zusätzlich werden Partikel von Flugzeugturbinen untersucht.

Ein weiterer Schwerpunkt sind Mikro- und Nanopartikel aus dem Bremsenverschleiss.
 

Partner:
Uni Bern
Real-Verbrauchs-Modelle
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Realverbrauchs-Modell anhand des Willans-Ansatzes

Die Normverbrauchsangaben eines Fahrzeugs lassen nur eingeschränkte Aussagen über den Energiebedarf des Fahrzeugs in der Realität zu. Die realen Kraftstoffverbräuche resp. CO2-Emissionen sind aber entscheidend für die Klimabilanz eines Fahrzeugs. Daher wurde eine Methode entwickelt, mit welcher der Energiebedarf und damit auch die CO2-Emissionen des realen Fahrzeugbetriebs (inkl. Nebenverbraucher) ermittelt werden können. Ziel ist, anhand von wenigen Nutzungsparametern (Anteile Stadt-, Ausserorts- und Autobahnfahrten, Zuladung) den realen Verbrauch auf ±10% genau berechnen zu können.

Partner:
ETHZ, Audi

Demonstratoren

Vollvariabler Ventiltrieb
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Aufbau des hydraulischen Ventiltriebs auf Zylinderkopf

An der Empa wurde ein neuer elektrohydraulischer Ventiltrieb für Verbrennungsmotoren mitentwickelt. Das System erlaubt es, den Ventilhub, die Öffnungs- und Schliesszeiten der Einlass- bzw. Auslassventile unabhängig voneinander zu variieren. Die Aktivitäten umfassen die Regelung der Motorlast, die Optimierung des Motorwirkungsgrades im Teillastbetrieb, die Erhöhung des Wirkungsgrades und der Leistung bei Volllast sowie die Reduzierung der Emissionen beim Kaltstart des Motors. Weitere Betriebsarten wie Zylinderabschaltung und 2-Takt-Betrieb werden ebenfalls untersucht.

Partner:
Wolfgang Schneider Ingenieurbüro

Additiv hergestellte Katalysatorträger
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Stoffübergangskoeffizienten durch im Additiv Manufacturing-Verfahren hergestellte polyedrische (AM) und konventionell extrudierte, wabenförmige (HC) Katalysatorträger

Mittels Additive Manufacturing-Verfahren wurden offenzellige, polyedrische Katalysatorträger (AM) hergestellt. Die dazu  durchgeführten CFD-Simulationen zeigen einen höheren Stoffübergang (Sh-Nummer) von den Gasen auf den Feststoff, was im Vergleich zu heutigen wabenförmigen Katalysatorträgern (HC) zu hohen Schadstoffkonversionen bei niedriger Oberfläche und geringer Edelmetallbeschichtung führt. Derzeit laufen experimentelle Versuche in einem modernen Fahrzeug.

Das Ziel ist, Edelmetalle durch Turbulenz zu substituieren.
 

Partner:
SUPSI, EngiCer

Future Mobility Demonstrator „move“
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3D-Bild der Demonstrationsanlage „move” (in Betrieb seit 23.11.2015)

Um den Power-to-Gas Prozess hinsichtlich Wirtschaftlichkeit zu optimieren wurde parallel zur Realisierung des „move“ ein 1D-Modell der Demonstrationsanlage entwickelt und validiert. Das Modell umfasst die limitierenden Betriebsbedingungen der einzelnen Anlagenkomponenten wie Start- und Stoppzeiten oder Hochfahrrampen.

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Betriebsanalyse mit Hilfe eines 1D-Modells des move anhand von Stromkostenlimiten sowie dem optimalen Ansatz (Dynamic Programming).
Unter Einsatz des Optimierungsalgorithmus „Dynamic Programming“ wurde die ideale Betriebsstrategie in Bezug auf den Strompreis und den Bedarf an der Anlagentankstelle ermittelt. Auf diese Weise werden die Wasserstoffproduktions- und verdichtungseinheiten bei tiefen Strompreisen betrieben während die Tankstellenspeicher trotzdem stets über ausreichend Treibstoff für die Betankung verfügen.
 

Partner:
siehe hier

Prototyp-Fahrzeuge
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(a) hy.muve: Wasserstoffbetriebenes Kehrfahrzeug

Zur Erprobung von neuen Antriebskonzepten wurden zwei Demonstrator-Fahrzeuge aufgebaut.

Für ein Strassenkehrfahrzeug (a) wurde ein Brennstoffzellen-Elektro Antrieb entwickelt. Das Fahrzeug wurde anschliessend an die Realisierung in verschiedenen Schweizer Städten während insgesamt 3 Jahren im praktischen Einsatz erprobt. Durch den Ersatz des hydraulischen Leistungsverteilsystems durch einen Elektroantrieb und des Dieselmotors durch ein BZ-System konnte der Energieverbrauch (tank-to-wheel) um bis zu 70% reduziert werden.

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(b) HCNG Dail: Mit Erdgas/Biogas-Wasserstoff-Gemisch betriebener Lieferwagen

Ein Lieferwagen mit Methangasmotor wurde mit einem angepasstem Treibstoff­versorgungssystem ausgerüstet, um bis zu 30 vol% mit Wasserstoff angereichertes Methangas verwenden zu können. Das Fahrzeug wurde während 1 Jahr im Paketzustelldienst mit bis zu 200 Motorstart/stopp-Sekuenzen eingesetzt. Die Motorstartzeiten konnten mit der Wasserstoffbeimischung stark verkürzt werden. Zudem können die CO2-Emissionen entsprechend dem geringeren Kohlenstoffgehalt vermindert werden.

Partner:
siehe move.empa.ch

Services

Katalysatoralterung
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Untersuchung der Katalysatoralterung an 6 Fahrzeugen

Mikroskopische (Stereomikroskopie, REM/EDX) Aufnahmen gebrauchter Katalysatoren erlauben die Analyse von  Schäden in der Beschichtung oder in den Substraten sowie die chemische Alterung in Form von Katalysatorgiften oder Oberflächenschichten aus Aschebestandteilen. Darüber hinaus können Oberflächeneffekte quantifiziert werden, wie z.B. das Sintern von Edelmetallen. Dadurch können Ursachen identifiziert werden, wie unterschiedliche thermische Ausdehnung von Substrat und Beschichtung, chemische Wechselwirkungen oder hohe Wärmeentwicklung.

Abgasuntersuchungen
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(a) Emissionsuntersuchungen auf dem Rollenprüftstand in unterschiedlichen klimatischen Bedingungen

Mit Hilfe von Untersuchungen im Abgaslabor (a) und auf der Strasse (b) wird das Emissions- und Energieverbrauchsverhalten moderner Fahrzeugtechnologien detailliert analysiert. Dank einer modernen Infrastruktur (Allrad-Rollenprüfstand in Klimakammer mit Sonnensimulation) können die Untersuchung unter verschiedenen klimatischen Bedingungen durchgeführt werden.

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(b) Emissionsuntersuchungen unter realen Bedinungen auf der Strasse RDE
Bei den Schadstoffemissionen liegt der Fokus hauptsächlich auf den Kaltstartemissionen, jedoch nimmt auch die Relevanz von nicht limitierten Schadstoffen (NO2, CH4, N2O, BTX, NH3, etc.) laufend zu. Für deren Ermittlung werden neben der klassischen Abgasanalytik zusätzliche Messgeräte (FTIR) eingesetzt.

Dr. Patrik Soltic

Dr. Patrik Soltic
Deputy Head of the Lab / Groupleader

Phone: +41 58 765 4624
patrik.soltic@empa.ch

Dr. Panayotis Dimopoulos

Dr. Panayotis Dimopoulos
Groupleader

Phone: +41 58 765 4337
panayotis.dimopoulos@empa.ch

Mr. Thomas Bütler

Mr. Thomas Bütler

Groupleader

Phone: +41 58 765 4869
thomas.buetler@empa.ch

Urs Cabalzar

Urs Cabalzar
Groupleader

Phone: +41 58 765 5952
urs.cabalzar@empa.ch




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