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Trends in der Motorentechnologie
Nachbericht
„Trends in der Motorentechnologie 2010“
- Neue Motoren, neue Verfahren
- Weitere Effizienzsteigerungen möglich
- Trends in der Motorentechnologie 2010 in Passau
Die Anforderungen an die Fahrzeuge der Zukunft sind vielgestaltig - kompakt, leicht, sparsam und emissionsarm, gleichzeitig individuell, leistungsstark und dynamisch. Die für den Kunden wesentlich erlebbare Größe ist hierbei der Antrieb, der noch auf lange Sicht vom Verbrennungsmotor dominiert wird. Wie die Motorenentwickler die scheinbar gegensätzlichen Entwicklungsziele durch die Optimierung zahlreicher Komponenten und Systeme sowie deren ausgefeiltes Zusammenwirken erreichen, wurde auf dem 8. Symposium Trends in der Motorentechnologie am 4. November 2010 den rund 250 Fachteilnehmern aus 7 Ländern vorgestellt. Audi, BMW und General Motors präsentierten in exzellenten Vorträgen neue hocheffiziente Serienmotoren. Vom Kleinwagen über Premium bis zum Sportwagensektor sind hier weitere Effizienzersteigerungen möglich. Darüber hinaus wurden von Zulieferern und wiss. Instituten laufende Entwicklungen bis hin zu neuen Motorkonzepten diskutiert. Die begleitende Ausstellung mit 23 Ausstellern war ein wichtiger Treffpunkt für die Präsentation aktueller Entwicklungs- und Fertigungskompetenz und damit zur Anbahnung neuer Kooperationen. Auch in diesem Jahr war das von Bayern Innovativ im Rahmen von Netzwerk BAIKA und Cluster Automotive ausgerichtete Symposium Anziehungspunkt für Geschäftsführer und Entwickler namhafter Unternehmen wie Audi, BMW, Dräxlmaier, Diehl Metall, GM, Hirschvogel, HÖR Technologie, Magna Powertrain, MBtech, Motorenfabrik Hatz, OECHSLER, Schaeffler, Scherdel oder ZF sowie zahlreicher wiss. Institute wie TU München, Hochschule München, Universität Chemnitz, TU Graz, ETH Zürich, University of Windsor, Kanada oder Fraunhofergesellschaft.
Bewährte Partner des diesjährigen Symposiums waren der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität München mit Prof. Dr. Georg Wachtmeister und die IHK für Niederbayern.
Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer Bayern Innovativ GmbH und Sprecher des Clusters Automotive, ging in seiner Einführung auf bedeutende Trends der Automobilindustrie sowie aktuelle Schwerpunktthemen und in der Motorenentwicklung ein.
Hauptgeschäftsführer Walter Keilbart von der IHK Niederbayern hob in seiner Begrüßung die Kompetenz und Wettbewerbsstärke der Unternehmen in der Region hervor und unterstrich die Bedeutung des Symposiums, das bereits zum achten Mal in Passau ausgerichtet wurde. Er wertete dies als einen wichtigen Beitrag gerade auch für Ostbayern, verbunden mit dem Wunsch und der Zielsetzung, dies auch allgemein sichtbar zu machen. Dies ist letztlich durch die professionelle Zusammenarbeit der Bayern Innovativ mit der regionalen Presse auch gelungen.
Unter der Moderation von Prof. Nassauer gaben im ersten Themenblock Referenten führender Automobilhersteller Einblick in ihre jeweiligen Entwicklungslinien und Innovationen.
Themen der Vortragsreihen und Gliederung der nachfolgenden Inhalte waren in diesem Jahr
Neue Motorenentwicklungen
Dr. Gerold Reinheimer, Chief Engineer bei der Adam Opel GmbH in Rüsselsheim, stellte die sog. Motoren-„Familie 0" von GM vor. Er präsentierte die aktuelle, dritte Generation der Motoren dieser Familie mit einem Hubraum zwischen 1,0 und 1,4 l. Ziele bei der Weiterentwicklung der Motoren waren die Reduzierung der CO2-Emissionen bei gleichzeitiger Erhöhung von Komfort und Fahrspaß. Hierbei gelte es für den Volumenhersteller ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnisses zu erzielen, u. a. durch konsequente modulare Bauweise sowie durch eine variable Einsetzbarkeit der Motoren in unterschiedlichsten Fahrzeugtypen bis hin zum Range-Textender, so Reinheimer. Mit der grundlegenden Überarbeitung dieser Motorenfamilie unter konsequenter Verfolgung des Downsizingkonzeptes sei es gelungen die Kraftstoffeffizienz um 12 Prozent zu verbessern, was sich neben der hohen Attraktivität der neuen Motoren auch positiv auf die Flottenemission von GM auswirke.
Johann Schopp, Chefingenieur Kooperationsmotoren und Leiter Konstruktion V-Motoren, BMW Group München, zeigte in seinem spannenden Vortrag auf, wie in Kooperation von BMW und PSA bei der Entwicklung des 1.6 l Turbomotors für den Minicooper S Potenziale hinsichtlich Dynamik, Effizienz und Kostenreduzierung erreicht werden konnten, die zu Beginn der Arbeiten aus Sicht der BMW-Ingenieure nahezu unerreichbar schienen. Hoch interessant waren neben den technisch detaillierten Ausführungen auch die Einblicke in die vielfältigen Herausforderungen einer Kooperation so unterschiedlicher Partner, die aber letztlich zu einem geradezu fulminanten Ergebnis führte. Der Motor wurde in unterschiedlichen Entwicklungsstufen bereits mehrfach als „Engine of the Year" in seiner Klasse ausgezeichnet. Durch die Kooperation vom BMW und Peugeot ergeben sich aber auch neue Herausforderungen für die Zulieferer.
Den Abschluss der Vormittags-Reihe bildete Armin Pelzer, Leiter Grundmotor/Berechnung Reihen-/V6-Ottomotoren, Audi AG, Ingolstadt. Der von ihm vorgestellte neue 2,5-l-TFSI-Fünfzylindermotor für den Audi TT RS ist mit zwei Audi-Kerntechnologien ausgestattet, nämlich der Turboaufladung und der FSI-Direkteinspritzung. Audi lässt mit diesem Motor den 5-Zylinder wieder aufleben. Dank seiner hervorragenden Kennwerte und der innovativen Technologie wurde dieser Motor als „Engine of the Year" 2010 in der Klasse der 2 bis 2,5-l-Motoren ausgezeichnet.
Effizienzsteigerungen bei Verbrennungsmotoren
Der zweite Teil des Symposiums stand unter dem Motto „Effizienzsteigerung bei Verbrennungsmotoren". Einen Überblick der aktuellen Trends in der Motorenentwicklung lieferte Prof. Dr.-Ing. Georg Wachtmeister, Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen, TU München. Ziel der Verbrennungsmotorenentwicklung sei, auf die emissionsarme bzw. -freie individuelle Mobilität bei gleichzeitiger Ressourcenschonung hinzuarbeiten. Zentrale Treiber dieser Entwicklung seien die Ansprüche von Herstellern und Kunden, die Veränderung des Mobilitätsverhaltens sowie Emissionsauflagen des Gesetzgebers. Unter diesen Rahmenbedingungen müsse die Motorenentwicklung neben den Stellschrauben Abgasnachbehandlung und Energieträger an den Aggregaten selbst thermodynamische, mechanische und betriebsstrategische Fragestellungen beantworten. Prof. Wachtmeister gab zudem einen Einblick in Projekte seines Lehrstuhls. So wurde z.B. zur mechanischen Optimierung ein Reibungsmessmotor entwickelt, mit dessen Hilfe die Wege zur Verminderung der Kolbengruppenreibung erforscht werden.
Die Verwendung kleinerer Motoren führt zu Gewichtseinsparungen, die komponentenseitig gleichermaßen nötig sind. Dies war Inhalt des Vortrags von Dr.-Ing. Hans Bräunlich, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz. Er zeigte, dass auf Motor und Antriebsstrang etwa sieben Prozent der Gewichtssparpotenziale bezogen auf das Gesamtfahrzeug entfallen - mehr Spielraum gibt es nur bei der Rohbaukarosse. Exemplarisch wurden Gewichtsunterschiede zu Vollwellen präsentiert, die im Innen-Hochdruck-Umformungsverfahren und Querwalzen hergestellte Hohlwellen erzielen konnten. Dass auch hohe Präzisionsanforderungen bei gleichzeitiger Kostenneutralität kein Hindernis darstellen müssen, zeigte Dr. Bräunlich anhand von Kurbelwellenwangen, die durch Feinschneidtechnologie gefertigt wurden. Als neues Verfahren für die Hauptformgebung von Hohlwellen stellte er das Bohrungsdrücken vor, wodurch bei Materialeinsatz minimiert und Verfestigung optimiert werden können. Zur Herstellung komplexerer Leichtbau-Motorenkomponenten, z. B. Getriebewellen und Pleuel, wurden bei Fraunhofer IWU Kombinationen der vorgenannten Verfahren entwickelt.
Verbrauchs- und Emissionsreduzierung beim Dieselmotor standen im Mittelpunkt des Vortrags von Dr. Ming Zheng, Professor and Canada Research Chair, Department of Mechanical, Automotive & Materials Engineering, University of Windsor, Kanada. Als möglichen Weg schlug er die Kombination von effizienterer Verbrennung mit verstärkter Beimischung biogener Kraftstoffe vor. Um dies zu erreichen, soll die Temperatur im Brennraum 1500 Grad Celsius nicht überschreiten. Diese Forderung wurde damit begründet, dass somit erstens die Freisetzung von NOx verhindert werde und zweitens eine homogenere und damit sauberere Verbrennung erzielt werden könne. Zudem könne der NOx-Gehalt im Zylinder durch Zugabe von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid reduziert werden.
Neue Konzepte
Im dritten und letzten Teil des Symposiums wurden neue Konzepte, hinsichtlich innermotorischer Verbrennung aber auch bei der Fahrzeugintegration vorgestellt.
Mit Wasserstoff als möglichen Energieträger der Zukunft beschäftigt sich die BMW Group Forschung und Technik zusammen mit dem Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVD) an der TU Graz. Christian Spuller vom IVD stellte in seinem Vortrag Konzepte für die dieselähnlicher Wasserstoffverbrennung mit den Vor- und Nachteilen verschiedener Brennverfahren vor. Untersucht wurden H2-Selbstzündung, Brennverfahren mit Glühstift und Brennverfahren mit Zündkerze mit dem Ziel, eine Vorhersage über die Einsatzmöglichkeit im PKW treffen zu können. Hierbei zeigte sich, dass die Selbstzündung nicht für den PKW-Einsatz geeignet ist. Mit dem Glühstift hingegen wurden sehr gute Ergebnisse erzielt, wie hohe Robustheit, hohes Wirkungsgradpotenzial im gesamten Kennfeld und hohe Leistungsdichte. Das Brennverfahren mit Zündkerze verspricht ein hohes Wirkungsgradpotenzial, allerdings konnte hier das gesamte Kennfeld mit der derzeitigen Konfiguration nicht abgedeckt werden.
Ein neues Konzept zur Leistungsoptimierung kleiner Ottomotoren stellte Dr. Christopher H. Onder von der ETH Zürich vor. Bei der pneumatischen Hybridisierung wird komprimierte Luft als Leistungspuffer verwendet und über ein zusätzliches, elektrohydraulisch betriebenes vollvariables Ventil im normalen 4 Takt Modus in bestimmten Lastsituationen in den Zylinder eingeblasen. Damit werden beispielsweise Turbolocheffekte kompensiert oder in bestimmten Fahrzuständen Boosteffekte erzielt. Im Normalbetrieb wird durch Rekuperation die Luft komprimiert und dann gespeichert. Mit Versuchen an verschiedenen Fahrzeugen wurden Kraftstoffeinsparungen um ca. 30 Prozent in verschiedenen Fahrzyklen nachgewiesen. Insgesamt lassen sich mit der pneumatischen Hybridisierung in Kombination mit Downsizing von Ottomotoren 80 Prozent der Effizienz von elektrischen Hybridsystemen erreichen, dies allerdings bei 20 Prozent vergleichbarem Aufwand.
Die Schwingungstechnische Optimierung von Kraftfahrzeugen stand im Mittelpunkt des Abschlussvortrags von Dr. Thomas Rottner von der Vibracoustic GmbH & Co. KG. Lagerungssysteme für 3 Zylinder Motoren stellen mit zunehmender Anwendung dieser kleinvolumigen Verbrenner eine neue Herausforderung dar. Die schwingungstechnischen Besonderheiten von 3-Zylinder Motoren erforderten die Entwicklung eines Hochfrequenz- Tilgerlagers. Mit der Kombination von Gummi und hydraulischen Komponenten konnte eine verbesserte Dämpfung in den relevanten Frequenzbereichen erreicht werden.
Die Lagerkonzepte für Elektromotoren in E-Autos müssen im Gegensatz dazu völlig andere Anforderungen erfüllen. Um ein akustisches Feedback über die Fahrsituation an den Fahrer zu ermöglichen, sind einfache, harte Lager ausreichend und notwendig. Hochfrequente Störgeräusche der Elektroantriebe lassen sich durch Dämmung im Interieurbereich kompensieren.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass OEMs, Zulieferer und die Forschung höchst erfolgreich ihre Entwicklungsaufgaben angehen, sei es im marknahen Bereich oder in der Laborforschung. Die Bündelung vieler Einzelmaßnahmen und deren Nutzung im Systemansatz in neuen Motoren führen noch immer zu nennenswerten Effizienzverbesserungen und damit zu geringerem Verbrauch und zu weniger Emissionen. Das Erfolgsmodell Verbrennungsmotor ist mit Sicherheit kein Auslaufmodell.
