Trends in der Motorentechnologie 2008
Nachbericht
Optimierung von Motoren für Effizienz und Umwelt
-
Verbrennungsmotoren weiter dominierend
-
Hybrid-Systeme in zahlreichen Ausprägungen
-
Elektromobilität eine der großen Zukunftsoptionen
Die Erhöhung der Energieeffizienz bei gleichzeitiger Reduzierung der CO2-Emissionen hat in der gesamten Automobilindustrie höchste Priorität. Dies zeigte auch die große Resonanz auf das
6. Symposium „Trends in der Motorentechnologie“ am 5. November 2008 in der Passauer X-Point-Halle. 315 Teilnehmer und 26 Aussteller aus Bayern, dem Bundesgebiet und acht weiteren Ländern sprechen für sich – darunter Hersteller wie Audi, BMW und General Motors, Zulieferer wie AVL List, Bosch, Continental, Federal-Mogul, Hör, Schaeffler oder Vogt Electronic und wissenschaftliche Institute aus München und Stuttgart.
Wiederum war Passau ein internationaler Treffpunkt der Motorenszene – dies ist wichtig für Ostbayern mit rund 75 Zulieferern und deren Nähe zu den BMW-Werken in München, Landshut, Dingolfing und Regensburg sowie dem Audi-Werk in Ingolstadt.
Das von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen von Netzwerk BAIKA und Cluster Automotive ausgerichtete Symposium spannte den Bogen von aktuellen Powertrain-Strategien großer OEMs über die Vorstellung neuester Motoren, die Weiterentwicklung von Motorkomponenten und Antriebsstrang bis hin zu Hybridsystemen und Elektromobilität. Partner waren der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität München mit Prof. Dr. Georg Wachtmeister und die IHK für Niederbayern mit Hauptgeschäftsführer Walter Keilbart.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:
-
Motoren und Antriebskonzepte – Bewertung und Strategien
-
Neueste Verbrennungsmotoren mit höchster Effizienz
-
Neue Methoden zur weiteren Optimierung des Verbrennungsprozesses
-
Verbesserte Verfahren und Komponenten in Motor und Antriebsstrang
-
Elektromobilität - Weiterentwicklung von Elektroauto und Stromversorgung
Motoren und Antriebskonzepte – Bewertung und Strategien
Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH und Sprecher des Clusters Automotive, zeigte sich erfreut über die große Resonanz von führenden Herstellern und Zulieferern: „Sie treiben die technische Entwícklung von Motoren und Antrieben zur Erfüllung gesetzlicher Regelungen, aber auch für Komfort und Fahrspaß, um den Kunden zu gewinnen.“ Um dem Verbraucher technische Verbesserungen auch hinsichtlich ihrer Umweltbedeutung darzulegen, gelte es, neben dem Produkt- auch das Technologie-Marketing auszubauen, wie Toyota mit dem Hybrid erfolgreich gezeigt hat. Diese Aspekte beeinflussen zunehmend Kaufentscheidungen. Für Bayern und Deutschland mit einer hohen Exportquote ist zudem wichtig, Megatrends in großen Märkten aufzugreifen. So vollzieht sich in Nordamerika derzeit eine Wende hin zu kraftstoff-sparenden Fahrzeugen, im aufstrebenden Markt Indien zeigen sich Ansätze für die Entwicklung interessanter Fahrzeugsegmente, die sich an der Kaufkraft der Kunden orientieren. Hieraus ergeben sich neue Chancen und Herausforderungen in der Innovation.
Besonderes Interesse fanden die Bewertungen und Einschätzungen von Prof. Dr. Friedrich Indra. Der unabhängige Berater führender Firmen und Honorarprofessor für Rennmotoren und Rennfahrzeuge an der T.U. Wien blickt auf langjährig Erfahrung aus Tätigkeiten bei Audi, BMW und General Motors zurück. Als größte technologische Herausforderung der Automobilindustrie betrachtet Prof. Indra die Reduzierung der CO2-Emissionen. Lösungskonzepte müssten sich allerdings auf längere Sicht wirtschaftlich selber tragen. Finanzielle Unterstützung von staatlicher Seite sei immer nur als kurzzeitiger Anschub zu erwarten. Keine Alternative besteht aus Prof. Indras Sicht auch in den nächsten 50 Jahren zu den konventionellen Verbrennungsmotoren. Bezüglich Möglichkeiten und Grenzen technischer Einzelmaßnahmen gab er einen detaillierten Einblick. Für den Verbrennungsmotor sprechen neben vielfältigen Optimierungsmöglichkeiten auch eine umweltfreundliche Produktion in Kombination mit einem hohen Recyclinggrad, ein breiter Einsatzbereich und die Vielfalt der verwendbaren Kraftstoffe – von Benzin und Diesel über Erdgas, Ethanol und Methanol bis hin zum Wasserstoff, sofern dessen Verfügbarkeit und Verteilbarkeit gewährleistet ist. Das „Rennen um die preiswertesten Technologien zur Verbrauchsreduzierung“ – also die Frage, ob sich ein Hybridkonzept oder das elektrische Fahrzeug gegen den konventionellen Otto- und Dieselmotor durchsetzen wird – werde letztlich von den Rahmenbedingungen und den Kunden entschieden. Das Konzept des „parallelen“ Full-Hybrids wie beim Prius von Toyota sei aber heute schon zu ineffizient und damit „out“.
Einen profunden Einblick in die “Advanced Propulsion Technology Strategy” von GM gab Karl Mauer, Director Engineering Communications von General Motors Europe/Adam Opel GmbH, Rüsselsheim. Die Optimierung der herkömmlichen Verbrennungsmotoren hinsichtlich Effizienz hat auch bei diesem Hersteller höchste Priorität. Daneben verfolgt GM Entwicklungen zum Einsatz alternativer Kraftstoffe und neuer Antriebskonzepte. Vorteile von Ethanol und Gas sieht GM in der sauberen Verbrennung und bei Emissionsvorteilen. Schon heute sei GM führend beim Einsatz von Ethanol, Gas und innovativen Flex-Fuel-Konzepten. Zukünftig werde auch ein sogenanntes „Extended-Range Electric Vehicle“ angeboten. Dieser „serielle“ Hybrid erreicht mit Hilfe eines 1,4 l-Verbrennungsmotors, der bei Bedarf Energie über einen Generator in die Li-Ionen-Batterie einspeist, Reichweiten bis zu 500 km. Die Einführung ist für 2010 in den USA und für 2011 in Europa vorgesehen.
Neueste Verbrennungsmotoren mit höchster Effizienz
Technische Möglichkeiten der weiteren Optimierung von Verbrennungsmotoren zeigte Axel Eiser, Leiter der Entwicklung Ottomotoren bei Audi in Ingolstadt anhand der innovativen TFSI-Aggregate. Im Fokus stehen die Abgasturboaufladung als kostengünstige Technologie zur Erreichung eines verbesserten stationären wie auch dynamischen Drehmoments, die weitere Optimierung mehrerer bereits hoch integrierter Bauteile sowie die Strömungsführung zur Erzielung eines optimalen Verhältnisses zwischen Fahrleistungen und Emissionswerten.
Den Erfolg der bisherigen Maßnahmen belegt der direkte Vergleich mehrerer Audi-Motoren von 2004 und 2008: Hier konnte eine Steigerung von Drehmoment und Leistung bei gleichzeitiger Reduzierung des Verbrauchs von z.B. 8,2 auf 6,6 l/100 km erzielt werden. Einsatzbereiche der TFSI- und TDI-Aggregate eröffnen sich Audi zufolge zukünftig auch beim Full-Hybrid Konzept – ggf. unter Verwendung von Ethanol oder „Biomass-to-liquid“-Kraftstoffen (BTL).
Ein weiteres Beispiel für Optimierungspotenzial liefert die Leistungssteigerung von Rennsportmotoren bei konstantem Verbrauch. Die 4-Zylinder-Hochleistungsvariante des neuen Mini Cooper der BMW AG ist hierfür ein hochinteressantes Projekt. „ Unsere Zielsetzungen waren signifikante Leistungssteigerung, optimales Ansprechverhalten, unveränderter Verbrauch und uneingeschränkte Alltagstauglichkeit,“ so Dr. Andreas Schüers, Teilprojektleiter Antrieb PRINCE bei der BMW AG. Um die neuen Hochleistungsvarianten des Fahrzeugs und des Motors in den gleichen Werken produzieren zu können wie die Serienmodelle, war für alle Einzel-komponenten wie auch für das Gesamtsystem eine umfassende Analyse der Eigenschafts- profile und des daraus resultierenden Änderungsumfangs erforderlich. In gleicher Weise wurden Leistungssteigerung und Akustik des neuen Motors analysiert und entsprechend optimiert.
Einen Blick in die nahe Zukunft gewährte Peter Feulner, Leiter Forschung und Technologie der RICARDO Deutschland GmbH, Schwäbisch Gmünd, einem führenden Ingenieur-Dienstleister. „Ricardo 2-4 Sight“ ist ein Projekt das die Umschaltung zwischen 2- und 4-Takt-Zyklus in einem Motor erlaubt. Dies wird als ein kosteneffizienter Weg betrachtet, über Downsizing den Verbrauch zu reduzieren. Simulationen prognostizieren dem aktuell noch im Aufbau befindlichen Motor CO2-und Kraftstoffeinsparungen bis zu 27 %.
Neue Methoden zur weiteren Optimierung des Verbrennungsprozesses
Ergebnisse aus der Grundlagenforschung präsentierte Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann vom Lehrstuhl Technische Thermodynamik und Transportprozesse der Universität Bayreuth. Die an seinem Lehrstuhl verwendeten spektroskopischen Verfahren ermöglichen die Messung sehr schneller innermotorischer Prozesse ohne störende Einflüsse auf den untersuchten Gegenstand. So kann die gesamte motorische Wirkkette von der Einspritzung und Zerstäubung über Verdampfung, Gemischbildung, Zündung und Verbrennung bis zur Rohemission zeitaufgelöst verfolgt werden. Weiterhin werden Einflüsse der Abgasrückführung (AGR) oder höherer Drücke auf die Emission systematisch untersucht.
Zu den bedeutende Zielsetzungen der Entwicklungsarbeit gehört Geschwindigkeit. So lassen sich Informationen über das Brennverfahren durch hoch auflösende optische Diagnostik und numerische Simulationsrechnung gewinnen. Die von Dr. Peter Dittrich, MBtech Powertrain GmbH, München, vorgestellte integrierte Brennverfahrensentwicklung (IBV) ermöglicht, parallele Abläufe in einem einzigen Prozessschritt zu kombinieren. In einem Projekt „Air Assisted Direct Firing“ (ADF) wurde beispielsweise die Kanaleinspritzung mit dem Prinzip der Direkteinspritzung mit Ladungsschichtung kombiniert. Die automatisierten Auswertungsmethoden und der Abgleich mit Ergebnissen der Strömungs- und Gemischbildungssimulation führten zu wesentlichen Zeit- und Kostenvorteilen.
Verbesserte Verfahren und Komponenten in Motor und Antriebsstrang
Dr. Helfried Sorger, Leiter Konstruktion „Engineering und Technik Antriebssysteme“ der AVL List GmbH, Graz, berichtete über ganzheitliche Ansätze zur weiteren Optimierung von Motoren und Antriebskonzepten. Gerade bei der Verbrennung werden noch höhere Drücke angestrebt. Diese erfordern den Einsatz neuer Materialien und Beschichtungen. Darüber hinaus arbeitet AVL List an einer Vereinheitlichung der Gehäuse von Diesel- und Otto-Motoren. Zudem sollen spezielle „Coatings“ die Reibung minimieren.
Von großer Bedeutung sind aktuell Materialien, die frei von sechswertigem Chrom (Cr-VI) sind und damit die strengen Anforderungen der neuen EU-Altautoverordnung erfüllen. Dr. Tim
Hosenfeldt, Leiter Zentrale Werkstofftechnik, Schaeffler KG, Herzogenaurach, stellte
ein solches nanolagiges, kohlenstoffbasiertes Schichtsystem vor. Dies bietet ausgezeichneten Verschleißschutz und niedrigste Reibung bei höchster tribologischer und mechanischer Belastbarkeit. Im Ventiltrieb ermöglicht „Triondur“, bei deutlich verlängerter Lebensdauer eine Reibungshalbierung mit einem CO2-Einsparpotential von 1-2 %.
Zunehmende Beachtung bei der Motor- bzw. Fahrzeugentwicklung erfährt die Motorakustik.
Dr. Ulrich Philipp, FKFS Bereichsleiter Motorakustik und -mechanik am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren in Stuttgart erläuterte den Einfluss akustisch relevanter Bauteile auf das Sounddesign und zeigte Möglichkeiten zur Reduzierung von unerwünschten Schallemissionen auf. Eine besondere Innovation stellt die Verwendung adaptronischer Struktursysteme dar: Hier werden die Schallwellen durch Überlagerung mit Antischall ausgelöscht.
Elektromobilität - Weiterentwicklung von Elektroauto und Stromversorgung
Einen faszinierenden Ausblick gab Prof. Dr. Gernot Spiegelberg, Vice President CT TP der Siemens AG, München. Bereits sein erstes Statement – „das elektrische Auto kommt wesentlich schneller als einige meiner Vorredner und viele von Ihnen glauben“ – verfehlte nicht seine Wirkung. Elektroautos sind in unterschiedlicher Ausprägung realisierbar – vom parallelen oder seriellem Hybrid mit Verbrennungs- und Elektromotor bis zum reinen Elektrofahrzeug mit zentralem Elektromotor oder dezentralen Elektromotoren in jeder Radnabe. Einhergehend mit den Entwicklungen neuer Antriebskonzepte und der weiteren Integration von Sicherheits- und Komfortfunktionen ist eine Neustrukturierung der heutigen komplexen Bordnetzarchitektur erforderlich. Wesentliche Elemente dieser neuen E/E-Architektur sind zwei getrennte zentrale Steuereinheiten für den Komfortbereich bzw. für Antrieb und Sicherheitssysteme.
Das Marktpotenzial für Elektrofahrzeuge liegt nach Einschätzung von Prof. Spiegelberg vor allem im Bereich des innerstädtischen Verkehrs. Nach aktuellen Statistiken für Deutschland ist von etwa 9 Millionen Fahrzeugen auszugehen, die zumeist als Zweitwagen mit Fahrstrecken unter 50 km genutzt werden. Voraussetzung für den Erfolg von Elektrofahrzeugen sind umfassende Anpassungen in den Versorgungsnetzen, um flächendeckend ein zügiges „Tanken“ von Strom zu ermöglichen.
Sicher noch eine Zukunftsvision ist das von Prof. Spiegelberg gezeichnete Szenario, bei dem das elektrische Fahrzeug einen mobilen Energiespeicher bildet, der je nach Bedarf sogar überschüssigen Strom anderen Verbrauchern zur Verfügung stellt.
Vor allem in Wirtschaftsregionen wie Indien könnte die Stromversorgung entsprechend dem Wachstum des Automobilmarktes ausgebaut werden. Dies würde dem Markteintritt von Elektrofahrzeugen besondere Dynamik verleihen. Ein „Tata Elektro“ könnte hier besondere Zeichen setzen. Doch wie bereits Prof. Indra festgestellt hatte, ist auch Prof. Spiegelberg der Meinung, dass sich jedes Konzept wirtschaftlich tragen muss und über den Erfolg letztendlich der Kunde entscheidet.
Die Entwicklung der Motorentechnik bleibt spannend und vielfältig und von höchster Priorität. So steht mit dem 5. November 2009 auch schon der Termin für das nächste Symposium „Trends in der Motorentechnologie“ fest. Dieses findet wieder in der X-Point Halle in Passau statt.
Ansprechpartner:
Dr. Stefanie Wrobel
Dipl.-Ing. Constantin Schirmer
