Trends in der Motorentechnologie 2009

Sauber - Effizient - Flexibel

Nachbericht

Große Vielfalt bei Motorkonzepten
Herausforderungen bei Konstruktion und Verfahren
Range Extender mit hohem Potenzial bei Elektromobilität

Der Wunsch nach individueller Mobilität hat weltweit einen hohen Stellenwert bei den Kunden. In Anbetracht knapper Ressourcen und steigender gesetzlicher Umweltauflagen, liegen die Herausforderungen in einer weiteren Erhöhung der Effizienz von Verbrennungsmotoren, die noch für mindestens 20 Jahre am Markt vorherrschen werden. Auf dem diesjährigen 7. Symposium „Trends in der Motorentechnologie“ am 5. November 2009 in der Passauer X-Point-Halle konnten sich 250 Fachteilnehmer und 25 Aussteller aus Bayern, dem Bundesgebiet sowie den angrenzenden Ländern von der hohen Innovationskraft der Branche überzeugen. Für Hersteller wie Audi, BMW, MAN, Porsche, Opel und Lotus sowie namhafte Zulieferer wie AVL List, Continental, Dräxlmaier, Hör, Magna, Mahle, Scherdel und wissenschaftliche Institute u. a. aus München und Zwickau, war Passau wieder einmal ein einzigartiger Treffpunkt für die Motorenentwicklung.
Das von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerks BAIKA und Clusters Automotive ausgerichtete Symposium vermittelte einen Eindruck von Weiterentwicklungen und neuen Konzepten für Verbrennungsmotoren für noch höhere Effizienz und Flexibilität in der Nutzung unterschiedlicher Kraftstoffe sowie Aggregate als Range Extender für zukünftige Elektrofahrzeuge.
Partner waren auch in diesem Jahr der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität München, mit Prof. Dr. Georg Wachtmeister und die IHK für Niederbayern, mit Hauptgeschäftsführer Walter Keilbart. Eingebunden war zudem der Automobilcluster Oberösterreich mit Cluster-Manager Thomas Eder.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

  Weiterentwicklungen und neue Motorenkonzepte

  Neue Verfahren und Werkstoffe zur Optimierung des Antriebs

  Elektromobilität – Range Extender auf Basis von Otto- und Dieselmotoren

Weiterentwicklungen und neue Motorenkonzepte

Die Einführung in dieses Symposium gab Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH sowie Sprecher des Clusters Automotive und langjähriger Kenner der Automobilbranche. Er blickte in seiner Betrachtung zurück auf den Beginn einer Reihe von Symposien zur Motorentechnologie: „Als wir diese Fachtagung vor sieben Jahren zum ersten Mal durchgeführt haben, haben uns viele belächelt und gesagt, dass die Motorentechnologie längst ausgereift sei“. Durch den engen Kontakt zur Wirtschaft und Wissenschaft wurde aber dieses Innovationsfeld frühzeitig erkannt, und das Symposium hat sich über sieben Jahre zu einem wichtigen Treffpunkt für Experten der Motorentechnologie entwickelt.
Er gab einen fundierten Einblick in die aktuelle Situation und zukünftige Perspektiven der Antriebstechnik: „Nach jüngsten Studien wird der Anteil der Elektrofahrzeuge nur langsam steigen.“ Nach dem „Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität“ der Bundesregierung ist in Deutschland bis 2020 mit einem Aufkommen von rund 1 Million E-Fahrzeugen zu rechnen.
Die jährliche weltweite Produktion schätzen Experten im Jahr 2025 auf rund 3 Millionen E-Fahrzeuge – im Vergleich zu rund 76 Millionen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Deshalb ist die vorrangige Anforderung und Zielsetzung der Automobilindustrie, Verbrauch und damit auch Emissionen der Verbrennungsmotoren weiter zu senken, um Kundenanforderungen zu entsprechen und auch langfristig gesetzliche Rahmenbedingungen zu erfüllen. Mittel- bis langfristig werden wir einen Mix aus verschiedenen Antriebstechnologien sehen – Otto- und Dieselmotoren, Nutzung verschiedener Kraftstoffe, unterschiedliche Konzepte für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, wie auch Wasserstofftechnologie und Brennstoffzellenantrieb.

Ein herausragendes Beispiel für Entwicklungsleistungen von Ingenieuren zur Erschließung weiterer Optimierungspotenziale in der Motorentechnologie stellte Prof. Dr.-Ing. Christian Schwarz, BMW Group, München, mit dem neuen 6-Zylinder Ottomotor vor, der aktuell im neuen BMW 5er Gran Turismo in Serie gegangen ist. Durch die ingenieurtechnische Meisterleistung variabler Ventilsteuerung, zentraler Positionierung des Mehrloch-Piezo-Injektors, schräg dazu angeordneter Zündkerze, 200 bar Hochdruck-Benzineinspritzung und Twin-Scroll-Turboaufladung konnten gleichzeitig Ansprechverhalten und Drehmoment verbessert und der NEDC Verbrauch des 3.0 l Sechszylinders gegenüber dem 4,0 l 8-Zylinder Motor mit Valvetronic um 20 Prozent reduziert werden. BMW belegt damit einmal mehr, dass CO2-Einsparung und „Freude am Fahren“ keinen Widerspruch darstellt.

Andreas Jauss und Jens Tullmann, Adam Opel GmbH, Rüsselsheim, stellten mit dem neuen 1,6 l EcoFlex Turbo das neue CNG-Motorkonzept von Opel vor. Andreas Jauss beschrieb die Vorteile des Einsatzes von Erdgas als Kraftstoff, die vor allem im Bereich der Emissionen liegen. Weitere Pluspunkte sind die Ressourcenverfügbarkeit und die Potenziale zum Einsatz von Biogas. Die Herausforderungen bei der Realisierung eines Euro-V-tauglichen Erdgasantriebs lagen insbesondere darin, möglichst viele Komponenten des aufgeladenen 1,6 l Ottomotors zu übernehmen und so über ein Baukastensystem Kostenvorteile zu realisieren.
Technische Anpassungen sind beim Erdgasmotor erforderlich − insbesondere aufgrund des höheren Verbrennungsdrucks und -temperatur bei geringerer Kühlung durch den gasförmigen Kraftstoff im Vergleich zum Flüssigkraftstoff. Dies erfordert in einigen Bereichen den Einsatz neuer Werkstoffe, z. B. bei den Ventilen.
Nach Anpassungen in den Bereichen Zylinderkopf, Kolben, Entlüftung, Injektoren und Abgasnachbehandlung bietet Opel nun, mit dem aufgeladenen 1,6 l EcoFlex einen Antrieb, der den Einsatz von CNG und alternativ von Benzin im Reservebetrieb ermöglicht und hinsichtlich Emissionen, Reichweite und Fahrspaß überzeugt.

Besonderes Interesse fanden die Ausführungen von James Turner, Chief Powertrain Research Engineer, Lotus Engineering, Norfolk, UK, der das Konzept eines „omnivoren“ Motors erstmals der Öffentlichkeit im Detail vorstellte – einen Zweitaktmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis der über einen weiten Bereich eine homogene Kompressionszündung ermöglicht. Erreicht wurde dies mit einem 1-Zylinder-Zweitaktmotor, der auf einer neuartigen Monoblock-Konstruktion basiert, mit dem ein Verdichtungsverhältnis von bis zu 40:1 realisiert werden kann. Wie Berechnungen zeigen, werden bei dieser Verdichtung über 1000 °C im Zylinder erreicht, was theoretisch für die Selbstentzündung von Erdgas ausreicht. Insbesondere der einfache Aufbau des Zweitakters, ohne Tellerventile, ermöglicht hier die Umsetzung eines Brennverfahrens mit variabler Verdichtung und somit eine relativ einfache Parametrierung auf unterschiedlichste Kraftstoffe. Dies wird unterstützt durch ein neuartiges sogenanntes „Charge Trapping Valve System“, für asymmetrische und variable Ventilöffnungs- und Schließzeiten. Nächster Schritt von Lotus ist die Weiterentwicklung des Konzeptmotors gegebenenfalls bis zur Serienreife – zusammen mit einem noch zu identifizierenden Partner.

Einen ebenfalls höchst interessanten und innovativen Ansatz zur Erhöhung der Effizienz und Emissionsminderung stellte Lutz Deyerling, Vice President European Operations, Scuderi Group LLC, Frankfurt, mit dem Split-Cycle-Motor vor. Kern des neuen Konzepts ist die Realisierung der Zündung nach Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens, was eine effizientere und sauberere Verbrennung zur Folge hat. Realisiert wird dies über ein verbundenes Zylinderpaar und die Verteilung der herkömmlichen vier Arbeitstakte auf die beiden Zylinder. Im ersten Zylinder finden Ansaugen und Verdichten statt, die komprimierte Luft wird zum zweiten Zylinder verschoben, wo Kraftstoffeinspritzung, Verbrennung und Ausstoß erfolgen. Auf diese Weise kann zudem die gesamte Arbeit bei nur einer Kurbelwellenumdrehung geleistet werden – während beim herkömmlichen Viertakter hierfür zwei Umdrehungen erforderlich sind. Untersuchungen mit dem auf der IAA erstmals vorgestellten Motor zeigen einen deutlich reduzierten Kraftstoffverbrauch und bis zu 80 Prozent geringere NOx Emissionen, während ein Drehmoment vergleichbar mit dem von Dieselaggregaten erreicht wird. Da hauptsächlich konventionelle Komponenten verwendet werden können, sollen die Kosten für diese Neuentwicklung nicht höher liegen als bei konventionellen Motoren. Derzeit arbeiten die Scuderi-Entwickler an der Feinabstimmung des Prototypen, die detaillierten Datenblätter werden aktuell den OEMs zur Verfügung gestellt, welche dieses Motorkonzept in Lizenz nehmen können. Für 2010 stellt Scuderi den aufgeladen Split-Cycle-Motor sowie eine sogenannte Air-Hybrid-Variante in Aussicht.

Neue Verfahren und Werkstoffe zur Optimierung des Antriebs

Dieser Themenblock konzentrierte sich auf Strategien und Konzepte zur Verfahrensentwicklung und -optimierung sowie Potenziale neuer Werkstoffe für Motorenkomponenten.
Daniel Klein, Chief Engineer, Department Gasoline, Ricardo Deutschland GmbH, Schwäbisch Gmünd, stellte das EBDI-Konzept (Ethanol Boosted Direct Injection – Alkohol-Turbodirekteinspritzung) vor, das hinsichtlich der erreichten Effizienz und Leistung mit modernen Dieselmotoren zu vergleichen ist. Ziel war die Entwicklung eines emissions- und verbrauchsoptimierten Brennverfahrens für den Einsatz von E0 bis E100 Treibstoffen.
Ausgangspunkt der Entwicklung war ein 3,2l-V6-Ottomotor, bei dem zentrale Komponenten an die neuen Kraftstoff-Blends angepasst wurden. Im Zusammenhang mit der höheren Verdichtungsrate und dem dadurch höheren Druck im Zylinder mussten speziell beim Zylinderkopf Anpassungen vorgenommen werden. Des Weiteren wurden das Turbo- und das AGR-System modifiziert und können nun unter verschiedenen Bedingungen optimiert betrieben werden. Der von Daniel Klein abschließend gezeigte Vergleich mit einem gleichwertigen Dieselaggregat zeigt deutliche Gewichts- und Kostenvorteile der EBDI-Technologie insbesondere bedingt durch den Wegfall aufwendiger Abgasnachbehandlung. Der Einsatzbereich der Technologie erstreckt sich zudem aufgrund der guten Skalierbarkeit vom Pkw bis zum leichten Nutzfahrzeug.

Warum Audi nach langjähriger Erfahrung mit Zahnriemen bei seinen modernen aktuellen Motoren auf Kettentrieb setzt, erläuterte Johannes Pfalzgraf, Mechanik Grundmotor Reihenottomotoren, AUDI AG, Ingolstadt. Grund für die Umstellung ist die Wartungsfreiheit dieses Steuertriebs über die gesamte Motorlebensdauer, ein wichtiges Kriterium für Kunden von Premium-Fahrzeugen. Er gab einen detaillierten Einblick in die umfangreichen Analysen zur Akustik und zur Lösung des Zielkonfliktes zwischen Dynamik und Reibleistung. Die vorgestellte Lösung basiert auf dem Ansatz einer Zahnkette mit optimierten Kettenspannern.

Nach dem Wechsel von Stahl- auf Aluminiumkolben könnte sich ein neuerlicher Wandel hin zu Komponenten aus graphithaltigen Werkstoffen abzeichnen. Die Vorzüge des aluminiuminfiltrierten Materials GRALIT™ demonstrierte Dr.-Ing. Walter Thiele, Technology & Innovation, SGL Carbon GmbH, Bonn. Die Verwendung von GRALIT™ als Kolbenwerkstoff ermögliche den ölfreien Betrieb, behalte seine Festigkeit auch bei hohen Temperaturen und eröffne weiteres Potenzial zur Reduzierung von Kohlenwasserstoffemissionen.

Eine gelungene Kooperation eines OEM mit einem mittelständischen Unternehmen präsentierten Sven Alexnat, Poschmann Union, Lüdenscheid, und Marc Schindler, Sachgebietsleiter Konstruktion Grundmotor, Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Stuttgart. Zusammen entwickelten beide Unternehmen die Sauganlagen für die neue Porsche-Boxer-Motorenfamilie. Marc Schindler stellte die Charakteristika der Sauganlagen für Boxer-Motoren und die daraus resultierenden Hauptanforderungen an Werkstoff und Konstruktion dar. Besonders wichtige Kriterien waren die Strömungsoptimierung, kantenfreie Innenkontur der strömungsführenden Teile einerseits und die konstruktive Lösung der Anforderungen hinsichtlich Resonanz- und Schwingrohraufladung in unterschiedlichen Drehzahlbereichen andererseits. Die Kompetenzen von der Entwicklung und Konstruktion, über den Werkzeugbau bis zur Komponentenprüfung und -erprobung in Serienprüfanlagen machten die Poschmann-Union zum perfekten Partner von Porsche. Ergebnis ist eine strömungsoptimierte Ansauganlage für die neue Motorenfamilie des Boxster, mit einer um 20 mm verringerten Bauhöhe, mit einem neuen Dichtkonzept und integrierten Verbindungselementen.

Elektromobilität – Range Extender auf Basis von Otto- und Dieselmotoren

Vor dem Hintergrund der globalen Megatrends wie Elektromobilität erläuterte Dr. Frank Beste, Program Manager „Engineering and Technology Powertrain“, AVL List GmbH, Graz, die Motivation für die Elektrifizierung des Antriebsstranges. Bei der Bewertung möglicher Lösungsansätze müssen Flexibilität, Kosten, Komplexität und Risiko von Batterietechnik, Elektromotor, Überwachungsstrategie, Getriebe wie auch dem Verbrennungsmotor, als Range Extender in Betracht gezogen werden. Das Hybrid-Konzept von AVL sieht die Kombination eines turbogeladenen Ottomotors mit einem Elektromotor vor. Durch einen zusätzlichen elektrischen „Boost“ wird die Fahrdynamik erhöht und gleichzeitig eine deutliche Verbrauchsreduzierung realisiert. Vorteil des vorgestellten Hybrid-Konzeptes ist, dass der Verbrennungsmotor kleiner ausgelegt und der Anteil des Elektromotors kostengünstig veranschlagt werden kann, ohne am Fahrzeugdesign oder an der Fahrzeugelektrik (12 Volt) große Änderungen vorzunehmen. Weiterhin stellte Dr. Beste ein in der Leistung zwischen 15 kW und 50 kW skalierbares Range-Extender-System – über einen Wankelmotor realisiert − vor, mit dessen Hilfe die Kosten für Batteriespeicher-Systeme trotz erhöhter Reichweite gering gehalten werden.

Matthias Kratzsch, Fachbereichsleiter Applikation und Funktion, IAV GmbH, München, stellte die Frage zur Auswahl eines Range Extender hinsichtlich Anforderungsprofil und Auslegung grundsätzlich neu: Verschiedene Parameter wie Leistung, variabler Betriebspunkt (Lastspreizung) und Kosten müssen gegeneinander abgewogen werden, um den kundenrelevanten Aspekten Rechnung zu tragen. Vor allem die Lastspreizung wurde bisher wenig berücksichtigt. Im Falle des Kaltstarts bei niedrigen Außentemperaturen muss der Verbrennungsmotor groß genug ausgelegt werden, da die Batterie kaum Leistung für den Elektroantrieb zur Verfügung stellen kann; dem gegenüber stehen die Emissionsregelungen nach der ECE 101, bei der der CO2-Ausstoß des Fahrzeugs sowohl bei voller als auch mit entleerter Batterie bewertet wird. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Bewertung verschiedner Lösungsansätze ist der Gesamtwirkungsgrad des Systems, der sich aus der Kopplung der Kennfelder von Verbrennungs- und Elektromotor ergibt. Insgesamt wurden bei IAV 24 Motortypen in einer Konzeptmatrix technisch analysiert. Das Resümee von Matthias Kratzsch zeigte, dass vor allem die geringen Kosten für den Einsatz des Ottomotors als Range Extender sprechen.

Einen sehr realistischen Ausblick gab Erich Eder, Vorentwicklungsleiter der Motorenfabrik HATZ, Ruhstorf, der die Geschäftsfelderweiterung eines Herstellers von Industriedieselmotoren zum Entwickler eines Range Extender-Konzeptes illustrierte. Die vorgestellte HATZ 2 in1 Technologie kombiniert einen Standard-Dieselmotor mit einem Generator zu einem kompakten Modul. Aktuell befindet sich dieses bei einem OEM im Test und wurde bereits auf der eCarTec-Messe im Oktober vorgestellt. Herr Eder erläuterte die Vorteile des Range Extenders zur Reduktion der Batterie-Kapazität und damit der Kosten, die Unterstützung elektrischer Verbraucher und des Kaltstarts bei kritischer Batterieleistung. Die Nachteile, die mit dem 1-Zylinder-Dieselaggregat einhergehen, wurden von den HATZ-Ingenieuren offensiv angegangen und gelöst: Geräusche sowie Vibrationen werden über eine elastische Lagerung inklusive Kapselung des Motors verringert und die Luftkühlung durch eine Ölkühlung ersetzt.

Die Entwicklung der Motorentechnik bleibt herausfordernd, spannend und vielfältig. Durch die weitere Optimierung vielfältiger Verfahrensschritte und deren optimalen Zusammenwirken können weitere Potenziale erschlossen werden. So steht mit dem 4. November 2010 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.-Ing. Stefanie Wrobel
Dipl.-Ing. Constantin Schirmer