Trends in der Motorentechnologie

03. November 2011, X-Point-Halle, Passau

Nachbericht

Komplexer, sparsamer, sauberer; so lautete der Untertitel für unser diesjähriges Symposium „Trends in der Motorentechnologie" in Passau. Diese drei Schlagworte beschreiben ziemlich genau die Entwicklungsziele der Motorenbauer. Dies gilt gleichermaßen für Otto- und Dieselmotoren und für Motoren unterschiedlicher Hubvolumina. Mit einem Bündel von Maßnahmen werden Effizienzerhöhung und Schadstoffreduzierung vorangetrieben. Wissenschaft und Forschung, Automobilhersteller, und innovative Zulieferer der unterschiedlichen Wertschöpfungsstufen arbeiten an dieser komplexen Thematik. Das Vortragsprogramm des Symposiums „Trends in der Motorentechnologie 2011" gab mit exzellenten Referenten einen hervorragenden Überblick über die aktuellen Entwicklungen. Über 200 Teilnehmer und Fachbesucher folgten den Ausführungen der Referenten und besuchten die begleitende Fachausstellung im Foyer. In seiner Einleitung verwies Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg auf die auch künftig starke Bedeutung der Verbrennungsmotoren für die Automobilindustrie.

Den Auftakt der Präsentationen zu modernen und effizienten Verbrennungsmotoren machte Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Schwarz, Abteilungsleiter bei der BMW Group, München. Er stellte den neuen 4 Zylinder TwinPower Turbo Ottomotor vor. Kerntechnologie ist dabei das Turbo Valvetronic Direct Injection - kurz TVDI - Brennverfahren. Der 2l Reihenvierzylinder ergänzt die BMW Motorenfamilie in seinen Leistungsklassen bei 135 bzw. 180 kW. Die TVDI Technologie erlaubt die Darstellung BMW typischer Volllast sowie einen günstigen Kraftstoffverbrauch weltweit unabhängig von Kraftstoffqualität und Abgasgesetzgebung. Die TVDI Brennverfahrenauslegung sowie die optimierte Ladungswechselauslegung (Twinscroll) mit motornaher Katanordnung ermöglichen den weltweit ersten SULEV (Super Ultra Low Emissions Vehicle) Turbomotor ohne Sekundärluftsystem. Momentan in Diskussion befindliche Abgasgrenzwerte können mit den Potenzialen dieser Technologie erreicht werden und bilden für BMW die Basis für nachhaltige und zukunftssichere Niedrigemissionskonzepte.

Das sportliche 3,0-Liter V6-TDI Biturbo-Aggregat der Audi-Baureihen A6 und A7 schließt die Lücke zwischen den V6-Motoren der zweiten Generation sowie dem V8-TDI-Motor. Dr. Henning Marckwardt, AUDI AG, Neckarsulm, erläuterte die Ziele sowie den Änderungsumfang bei der Entwicklung der sportlichen Variante des Sechszylinders mit einer Leistung von 230 kW. Dank ihres zweiteiligen Wasserraums ist die Zylinderkopfkühlung so ausgelegt, dass die Stegtemperaturen geringer ausfallen als bei der 180 kW-Variante des V6-TDI. Durch die optimierte Kolbenkühlung konnte die maximale Muldenrandtemperatur bei 4.000 Umdrehungen pro Minute um elf Kelvin gesenkt werden, was einer Verdopplung der Kolbenlebensdauer gleichkommt. Kernstück ist das um 90 Grad gedrehte Aufladesystem, das per Verdichter-Bypassventil, Turbinenumschaltventilregelung und Niederdruck-Wastegate drei Betriebsarten kennt. Über den großen Turbolader können Schaltdrehzahlen von 5.250 Umdrehungen pro Minute erreicht werden. Seine Fahrleistungsdaten machen den 3,0-Liter V6-TDI Biturbo zur Benchmark seiner Klasse in Sachen Fahrdynamik, während eine hohe Anzahl Gleichteile mit dem Monoturbo-Basismotor sowie signifikantes Weiterentwicklungspotenzial dafür sprechen, dass die Entwicklung sportlicher Sechszylinder-Dieselmotoren mit diesem Aggregat noch lange nicht am Ende steht.

Einen für die RUF Automobile GmbH und deren spezielle Fahrzeuge neu entwickelten 4,5l V8 Motor stellte Reinhard Könneker, einer der erfolgreichsten deutschen Motorenentwickler vor. Seine jahrzehntelangen Erfahrungen flossen in Konstruktionsdetails ein und ermöglichen RUF künftig den Einsatz und die Serienproduktion eines eigenen Sportmotors. Neben dem Preisvorteil gegenüber dem klassischen Porscheaggregat ist die Maschine wesentlich kompakter. Durch die Integration von Nebenaggregaten in das Gehäuse konnte eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht erzielt werden, gegenläufige Nockenwellen minimieren Schwingungen, die sphärische Anordnung der Ventile erhöht zudem die Laufeigenschaften des Motors erheblich. Die Fahreigenschaften im ersten Fahrzeug sind lt. Reinhard Könneker exzellent, Messwerte konnten leider nicht gezeigt werden.

Dr. Michael Wahl, Vice President of Engineering & Chief Engineer, Achates Power, San Diego, Kalifornien, USA, brachte mit einem modernen Zweitakt-Gegenkolben-Dieselmotor ein bekanntes, aber seit rund vierzig Jahren wenig beachtetes Motorenkonzept wieder in die Diskussion. Bereits in den 1930-er Jahren fand dieses Konzept in den Junkers Jumo 205/207-Flugdieselmotoren Anwendung. Der Gegenkolbenmotor zeichnet sich durch geringen Kraftstoffverbrauch bei hoher Leistungsdichte aus und war zu seiner Zeit Viertakt-Diesel- und Ottomotoren beim thermischen Wirkungsgrad wegen des nicht vorhandenen Zylinderkopfs lange überlegen. Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips liegt darin, dass die Ladungswechselarbeit für jeden Lastpunkt optimiert werden kann und dank der Zündung bei jeder Umdrehung der Kurbelwellen eine effizientere Verbrennung ermöglicht wird. Achates Power hat einen Einzylinder-Forschungsmotor aufgebaut und nutzt anwendungsspezifische Leistungsberechnungsmodelle für die Simulation eines Dreizylindermotors. Ein Vergleich mit einem gängigen Sechszylinder-Viertakt-Dieselmotor zeigt, dass Einsparungen beim Kraftstoffverbrauch um 19 Prozent erreichbar sind.

Eine modulare Motorfamilienarchitektur für Otto- und Dieselmotoren präsentierte Dr. Wolfgang Schöffmann, Leiter Motorenkonstruktion Engineering und Technik Antriebssysteme, AVL List GmbH, Graz, Österreich. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, die Unterschiede bei mechanischer und thermischer Last mit einer gemeinsamen Architektur zu bewältigen. Dieses Kriterium konnte AVL für eine Downsizing-Motorenfamilie von Renault erfüllen. Kerndifferenzierungsmerkmal der einzelnen Motortypen, die Basis bildet ein 800ccm Zweizylindermotor, ist dabei das zweistufige Aufladesystem. Durch Downspeeding wird bereits bei niedrigeren Drehzahlen maximales Drehmoment erzielt und somit die thermische und mechanische Belastung der Komponenten verringert. Ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Optimierung ist zudem die Kurbelwelle, da sie für 25 Prozent der Motorreibung verantwortlich ist. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen ist der modulare Zylinderkopf ein wesentlicher Stellhebel. Darüber hinaus stellte Herr Dr. Schöffmann den modularen Antriebsstrang e-Fusion vor, der vom Mildhybrid, über Plug-in-Hybrid, Range Extender bis hin zum rein batteriebetriebenen Elektrofahrzeug sämtlichen Stufen der Elektrifizierung abbilden kann.

Einen Exkurs in die Welt der Industriemotoren unternahmen Erich Eder und Simon Thierfelder, Strategische Produktentwicklung, Motorenfabrik Hatz GmbH & Co. KG, Ruhstorf. Sie skizzierten die Etappen eines Forschungsprojekts, das den Einsatz von im Ottomotor verwendeten GDI-Injektoren in einem Common-Rail-Dieselsystem untersucht. Industriedieselmotoren im Leistungsbereich bis zu 50 kW arbeiten zurzeit noch mit mechanischer Einspritzung. Dies geschieht vor dem Hintergrund, dass ein Common-Rail-System wegen der von der Leistung unabhängigen Kosten in diesen kleinen Motoren wirtschaftlich nicht darstellbar ist. GDI-Injektoren könnten dabei helfen, diese Limitation zu überwinden. Ein erster Prüfstandsversuch zeigte jedoch, dass für einen Dieselmotor untypisch hohe CO-Emissionen bei Niedriglast auftreten. Durch eine modifizierte Injektoranordnung konnten die EPA IV-Grenzwerte eingehalten werden. Zusätzliche Verbesserungen werden u. a. durch eine weitere Optimierung der Brennraumgeometrie möglich sein. Zudem besteht mit einem Injektorenhersteller eine Entwicklungspartnerschaft.

Als weltweiter Vorreiter für saubere und sparsame Motoren liegt die europäische Delphi-Entwicklungsabteilung in Luxemburg an der Speerspitze der Innovationen auf diesem Gebiet. Dr. Sebastian Schilling, Engineering Director Europe Gasoline EMS, Delphi Powertrain Products & Fuel Handling, Luxembourg, erläuterte, dass dem Ottomotor im Vergleich zum Diesel aktuell das größere Entwicklungspotenzial eingeräumt wird, da mit der Euro-6-Abgasnorm erstmals die Anzahl der Partikel reglementiert wird. Der Fokus verschiebt sich dabei immer stärker auf die Vermeidung der Entstehung von Partikeln. Dabei ist die Benetzung der Brennraumwand mit Kraftstoff als wesentlicher Faktor für eine Partikelbildung möglichst zu vermeiden. Dies soll insbesondere durch zentrale Anordnung der Injektoren und deren präzise Abstimmung auf die Brennraumgeometrie erreicht werden. Die Steuerung von GDI-Injektoren wird immer stärker auf Einspritzung im ballistischen Bereich und auf Kalibrierung während des Betriebes ausgerichtet sein.

Der Einsatz elektrischer Aktuatoren für moderne Powertrain- Anwendungen und deren Auswirkungen auf die Effizienz der Antriebe erläuterte Andreas Buch Senior Project Manager bei der Continental Automotive. Das Automobil mit seiner langen Entwicklungsgeschichte hat immer noch weitere Entwicklungsmöglichkeiten insbesondere im Hinblick auf Ressourcenverbrauch und Emission. Ein Großteil der Entwicklungsarbeit geht in den Sektor Powertrain. Nur ein optimales Zusammenspiel aller Einzelkomponenten im System wird eine gesamthaft gute Lösung bieten können. Einen Part in dem System übernehmen Aktuatoren, insbesondere elektrische Aktuatoren, die unabhängig von der direkten Energiebereitstellung über das Hauptaggregat nach dem Prinzip „Performance on Demand" arbeiten. Wesentlich beim Einsatz elektrischer Aktuatoren ist die Balance zwischen Aufwand und Nutzen hinsichtlich Kosten, aber auch hinsichtlich der Leistungsauswirkungen .Die von Continental Automotive gebotenen Baukastenlösungen stellen hierbei eine kundenoptimierte, kostengünstige Plattform dar.

Dr. Michael Stelter, Leiter Verfahren und Bauteile beim Fraunhofer Institut für keramische Technologien und Systeme, Dresden stellte Einsatzpotenziale von keramischen Bauteilen und Systemen in Motor und Abgasstrang vor. Im Bereich kleiner und kleinster Turbolader kommt es bei Drehzahlen bis zu 250.000 Umin-1 insbesondere auf ein geringes Rotationsträgheitsmoment an, um ein schnelles Ansprechen zu gewährleisten. Gleichzeitig ist eine hohe zulässige Abgastemperatur von über 1000°C am Turbinenrad gewünscht, um die thermodynamische Effizienz des Laders zu erhöhen. Moderne Keramiken auf Basis Si3N4 können als Werkstoff für Turbinenräder diese Anforderungen erfüllen. Neue, für die Massenproduktion taugliche Verfahren zur Herstellung keramischer Sensoren, darunter Hochgeschwindigkeits-Laserbearbeitung und kontaktlose Druckverfahren können die Sensoren hinsichtlich ihres Aufbaus vereinfachen und damit deren Anfälligkeit drastisch reduzieren. Das Package solcher Sensoren lässt sich sehr elegant mit spritzgussfähiger Polymerkeramik verbessern. Keramische Stellglieder wie Klappen oder Ventile verbinden höchste Zuverlässigkeit mit Leichtbau trotz Temperaturfestigkeit von über 800°C. Neue keramische Werkstoffe und Fertigungsverfahren bieten an vielen Stellen im Abgasstrang ein enormes Potenzial für hochtemperaturfeste und langlebige Anwendungen. Sie bieten für interessierte Zulieferer jedoch noch vielfältige Möglichkeiten, eigene Wertschöpfungsanteile zu steigern.

Dr.-Ing. Wolfgang Bauer, Teamleader Automotive/Transportation, ANSYS Germany GmbH beendete die Reihe der Vorträge mit einem Blick in die Welt der Simulation. Das sogenannte "Simulation Driven Product Design" gewinne zunehmend an Bedeutung in der Auslegung moderner Brennverfahren, so Bauer. Sorgfältig validierte Berechnungen können die Anzahl teurer Experimente deutlich reduzieren. Relevante, physikalische Zusammenhänge werden transparent und können noch vor dem ersten Prototypenbau berücksichtigt werden. Wesentlich sei es, insbesondere bei Prozessen mit sehr hoher Komplexität eine Modellierung zu entwickeln, die bei möglichst kurzer Rechenzeit belastbare Ergebnisse mit äußerst geringer Fehlerquote generiere. Den Weg dahin beschrieb Dr. Bauer anhand von drei Beispielen, der thermischen Auslegung von Batteriesystemen, bei der Simulation von Brennverfahren und der Entwicklung von Injektoren.

Mit diesen hochinteressanten Vorträgen unter Beleuchtung unterschiedlicher Aspekte, Lösungsansätze bis hin zum fertigen Produkt bot auch das 9. Symposium „Trends in der Motorentechnologie" eine hervorragende Plattform für Information und Kooperation für alle Teilnehmer. Die Kernaussage lautet: Der Verbrennungsmotor ist immer der Antrieb der Zukunft und der Entwicklungsprozess wird erfolgreich fortgesetzt.