des Gesamtbeitrages

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TECHNOLOGIE & TRENDS
Gießtechnisch relevante
Trends in der Motorentechnik
VON HERMANN ROTTENGRUBER UND
EIKE CHRISTIAN TODSEN, MAGDEBURG
D
FOTO: OVGU MAGDEBURG
©
ie Fahrzeug- und Motoren-Industrie wird derzeit mit großen Herausforderungen in Bezug auf einen
sich abzeichnenden Struktur- und Technologiewandel konfrontiert. Eine Marktentwicklung, die im Spannungsfeld zwischen Nachhaltigkeit, Kundenerwartung
und hartem Wettbewerb steht, trägt hierzu massiv bei.
Ein weiteres Aufgabenfeld tut sich
durch neue und verschärfte Emissionsvorgaben auf. Erheblich dynamischere
Testzyklen, wie der WLTC (Worldwide Harmonized Light-Duty Test Cylce) und Abgastests im realen Fahrbetrieb (Real Driving Emmisions = RDE), sind geplant und
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werden wohl bis zum Ende der Dekade
verbindlich eingeführt sein. Dies hat zur
Folge, dass weit höherlastigere Bereiche
des Kennfeldes emissionstechnisch relevant werden (Bild 1) und die Automobilhersteller so vor Zielkonflikten stehen, die
u. a. in höheren Abgasnachbehandlungskosten oder einem erhöhten Kraftstoffverbrauch resultieren könnten.
Aufgrund dieser Randbedingungen,
die durch immer strenger werdende CO2Emissionsregularien weltweit getrieben
werden (Bild 2), haben sich folgende Themen als Megatrends im Motorenbau herauskristallisiert:
>Elektrifizierung des Antriebsstrangs,
>Erhöhung der Effizienz des Verbrennungsmotors durch Steigerung der
spezifischen Leistung durch Downsizing und hohe Aufladegrade sowie
Forschungsmotor
für hybridisierte Antriebskonzepte am
Lehrstuhl für Energiewandlungssysteme für mobile
Anwendungen, Ottovon-Guericke-Universität Magdeburg.
durch thermodynamische und tribologische Optimierung,
>Einbindung ins EnergiemanagementNetzwerk des Gesamtfahrzeuges,
>Einführung alternativer Kraftstoffe, getrieben durch Ressourcenverfügbarkeit und Klimaschutz,
>Steigerung der Variantenvielfalt innerhalb fester Fahrzeug- und AggregateBaukästen und
>Leichtbau.
Durch die Komplexitäten, welche moderne Antriebe aufweisen, bestehen zum Teil
enge Verknüpfungen zwischen den oben
genannten Themen.
Derzeit ist in der Pkw-Motorentechnik
ein eindeutiger Trend zu erkennen, eine
kommunale Architektur bei Otto- und Dieselmotoren innerhalb von Baukastenstruk-
turen zu verwirklichen (Bild 3). Beispiele
hierfür sind u. a.:
>der aktuelle, in diesem Jahr vorgestellte Reihenmotorbaukasten von BMW,
>der reine 4-Zylinder-Motorenbaukasten von Volvo,
>die SkyActiv-Otto- und Diesel-Motorenfamilie von Mazda und
>der modulare Querbaukasten von Volks­
wagen und der modulare Längsbaukasten von Audi.
KURZFASSUNG:
Herausfordernde Gesetzgebungen, die den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen weiter limitieren, erfordern eine stete Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren. Dieser Prozess wird von den hohen Kundenerwartungen und
dem harten Konkurrenzdruck, der auch die unterschiedlichen Antriebsarten
(z. B. Elektromobilität) betrifft, flankiert.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die derzeitige Situation und die
aktuellen Trends in der Motorentechnik im Hinblick auf gießtechnische Schnittstellen.
Die Hybridisierung ist neben dem Downsizing eines der Kernthemen, welches die Motorentechnik seit geraumer Zeit beschäftigt. Hier sind noch weitere Entwicklungsschritte zu erwarten, die spannende Materialkombinationen
versprechen. Alternative Kraftstoffe rücken immer weiter in den Fokus der
Automobilhersteller, wobei allerdings auf die Materialverträglichkeit zu achten ist. Abschließend werden ausgewählte Entwicklungen und aktuelle Forschungstätigkeiten betrachtet.
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NEFZ-Zyklus
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WLTP-Zyklus
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GRAFIK: OVGU MAGDEBURG
RDE-Zyklus
Mittlere Kolbengeschwindigkeit cm in m/s ~ Motordrehzahl n in 1/min
Bild 1: Beispielhafter Vergleich der Zyklus- und Nutzungsprofile anhand eines Mittelklasse-Fahrzeugs mit 2,0-l-Ottomotor.
Gramm C02 /km, angeglichen an NEDC
©
Die Elektrifizierung des Pkw-Antriebsstrangs wird seit einigen Jahren massiv
vorangetrieben. Grund hierfür ist die CO2Einsparung im Stadtverkehr, die in den aktuellen gesetzlichen Zertifizierungszyklen
dominant bewertetet wird. Da vor allem
Verbrennungsmotoren einen relativ
schlechten Teillastwirkungsgrad aufweisen
und im „Stop und Go“-Betrieb die Möglichkeiten der Bremsenergie-Rückgewinnung
(Rekuperation) einen größtmöglichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat, ist
eine Hybridisierung und Elektrifizierung
insbesondere des Kurzstreckenverkehrs
sinnvoll.
Ein reines Elektrofahrzeug hat diverse
Nachteile für den Nutzer, die mittelfristig
wohl nicht zu überwinden sind und sich
letztlich auf den Energiespeicher, d. h. die
Batteriesysteme, konzentrieren.
Aus den oben genannten Gründen ist
eine weiter stark zunehmende Hybridisierung des Antriebsstrangs wahrscheinlicher
als ein vollständiger Technologiewechsel
hin zum batterie-elektrischen Fahrzeug.
Bei der Klassifizierung von Hybridantrieben wird zunächst hinsichtlich des Hybridisierungsgrades unterschieden, d. h.
inwieweit der Hybridantrieb elektrisches
Fahren unterstützt:
Mit Mikro- und Mild-Hybridantrieben
ist in der Regel kein rein elektrisches Fahren möglich. Sie weisen Funktionen wie
Start-Stopp-System, Rekuperation- und
Boost-Betrieb auf.
Erst der Vollhybrid kann rein elektrisches Fahren darstellen. Die Plug-In-Funktion ermöglicht das externe Laden und
geht meist mit einer größeren FahrzeugBatteriekapazität einher, um die elektrische Reichweite zu erhöhen.
Das Elektroauto fährt nur rein elektrisch und ist somit kein Hybridfahrzeug
(Bild 4).
Die Voll- bzw. Plug-In-Hybridantriebe
werden zudem nach ihrem Aufbau und
dem daraus resultierenden Leistungsfluss
unterteilt. Der Parallelhybrid hat seine
Stärken vor allem im Teillastbereich, da
Effektiver Mitteldruck pme in bar ~ Drehmoment M in Nm
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Trend Hybridisierung
und Elektrifizierung
US-Fahrzeuge
EU
Japan
Kanada-Fahrzeuge
Australien
240
S. Korea
China
200
160
China 2020: 117
120
80
2000
Japan 2020: 105
EU 2020 nur
Fahrzeuge: 95
2005
2010
2015
US 2025 nur
Fahrzeuge: 93
2020
2025
Jahr
Bild 2: Vergleich der weltweiten CO2-Regulierungen für Pkw, angeglichen an den
NEFZ (volle Punkte und Linien: historische Entwicklung, volle Punkte und gestrichelte Linien: verordnete Ziele, volle Punkte und gepunktete Linien: vorgeschlagene Ziele,
hohle Punkte und gepunktete Linien: zu untersuchende Ziele; Chinas Ziel reflektiert
nur Benzinfahrzeuge – das Ziel kann niedriger sein, wenn Fahrzeuge mit neuen Energien berücksichtigt werden) [1].
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TECHNOLOGIE & TRENDS
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Beim leistungsverzweigten Hybridantrieb wird der elektrische und der verbrennungsmotorische Leistungspfad mittels
eines Planetengetriebes kombiniert. Hierdurch wird ein hoher Fahrkomfort erreicht,
dem aber ein relativ hoher Bauaufwand
gegenübersteht.
Der serielle Hybrid treibt das Fahrzeug
ausschließlich mit dem Elektromotor an,
es besteht keine direkte Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Antriebsachse.
Das Elektrofahrzeug fährt nur rein elektrisch. Die Reichweite von reinen Elektrofahrzeugen ist vor allem aufgrund der hohen Dichte der Energiespeicher begrenzt.
Deshalb kann dem Elektrofahrzeug ein
sogenannter Range-Extender hinzugefügt
werden. Dieser ist in der Regel ein kleindimensionierter Verbrennungsmotor – in
den meisten Anwendungen mit zwei Zylindern. Der Verbrennungsmotor des seriellen Hybrids unterscheidet sich vom Aufbau
mit Range-Extender folglich in der Leistungsklasse. Letzterer Aufbau verfügt auch
über eine größere Batteriekapazität. Der
Fokus wird also stärker in Richtung Elektrofahrzeug gelegt, wobei die Grenzen fließend und noch nicht abschließend definiert sind.
Ein Beispiel für ein Elektrofahrzeug mit
Range-Extender ist der BMW i3. Der OttoMotor entstammt den Motorrollermodel-
Bild 3: Querschnitt eines Otto- (links) und Dieselmotors (rechts) aus dem neuen
BMW-Motorbaukasten [2, 19].
der Verbrennungsmotor einen Durchtrieb
zur Antriebswelle aufweist. Außerdem benötigt diese Variante nur eine elektrische
Maschine. Beim Axle-Split-Hybrid erfolgt
die Leistungsaddition über die Zugkraft.
Der Verbrennungs- und der Elektromotor
wirken auf zwei Achsen. Dies hat aber
auch zur Folge, dass das Fahrzeug bei
Fahrzeugstillstand nicht aufgeladen werden kann.
Full-/Plug-In-Hybridantriebe
Mild-Hybridantrieb
Serieller Hybrid
5
5
9
9
9
9
6
+
5
-
-
6
9
1
4
4
6
+
-
5
-
6
7
7
Mercedes S500
PHEV
BMW i8
7. Plug- In
8. Generator
9. Tank
10. Planetengetriebe
GRAFIK: OVGU MAGDEBURG
1
5
3
1
2
5
5. Leistungselektronik
6. Traktionsbatterie
5
6
+
7
3
-
©
Toyota PRIUS
3
4
3. E - Maschine
4. Getriebe
1
7
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7
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3
5
6
BV: BMW i3/
BZ: Toyota Mirai
2
4
6
+
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8
+
+
7
3
Bild 4: Übersicht der unterschiedlichen Hybridantrieb-Topologien.
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8
9
3
5
1. Verbrennungsmotor
2. Kupplung
1
3
5
Axle-Split-Hybrid
9
BZ
H2
7
7
7
Paralleler Hybrid
BZ
6
1
2
1
3
6
urspr. Konzept Chevrolet
VOLT
Elektrofahrzeug
H2
10
6
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(Batterie/Brennstoffzelle)
10
5
1
1
3
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9
3
3
2
5
1
3
4
4
8
8
-
+
2
-
6
6
Leistungsverzweigter Hybrid
reibungstechnisch optimiert – beispielsweise wurde die Vorspannung der Kolbenringe reduziert und der Riementrieb
vermieden, indem die Nebenaggregate
nun elektrisch angesteuert werden. Die
Batteriekapazität wurde beim Plug-InKonzept im Vergleich zum Full-Hybrid vervierfacht, sodass sich dies auch im NEFZVerbrauch (NEFZ – Neuer Europäischer
Fahrzyklus) widerspiegelt, der nahezu
halbiert werden konnte [4].
Jedes dieser beispielhaften Hybridfahrzeuge besitzt einen anderen Fokus.
Die jeweils wichtigsten Entwicklungsschwerpunkte sind in Bild 5 aufgeführt.
Der zur Verfügung stehende Bauraum
ist bei Hybridfahrzeugen besonders kritisch, da zwei Antriebe in ein Fahrzeug
eingebaut werden. Dies gilt vornehmlich
für Kompakt- und Sportfahrzeuge. Außerdem muss in der Regel auf den Bauteilbaukasten zurückgegriffen werden – eine
deutliche Abweichung führt zu ökonomisch nicht mehr tragbaren Konzepten.
Deshalb wird eine hohe Funktionsintegration angestrebt. So werden E-Maschinen im Verbund mit den Getrieben verbaut. Ein Beispiel ist der Golf-Plug-In-Hybrid von Volkswagen [6].
Der Range-Extender – als entkoppelter
Verbrennungsmotor – hat gegenüber dem
parallelen Hybridaufbau den Vorteil, in nur
ausgewählten Betriebspunkten zu arbei-
ten. Daher ist die Dynamik ein völlig nachrangiges Ziel.
Der Parallelhybrid muss innerhalb einer Sekunde aus dem elektrischen Fahrtmodus die Maximalleistung erreichen
können. Diese ist nur mithilfe des Verbrennungsmotors abzurufen, was dazu
führt, dass der Verbrennungsmotor kaltstartfest ausgeführt sein muss. Dies ist
eine tribologische Herausforderung für
die Lagerstellen und das Kolben-Kolbenring-Zylinder-System.
Ein Entwicklungsgegenstand sind
auch Radnabenmotoren, die vielversprechende Fahrdynamikzustände abbilden
können, dabei aber das Packaging auf
kleinstem Raum bei extremem Leichtbau
realisieren müssen. Nachteilig sind aber
die im Vergleich zu einem mit dem Chassis fest verbundenem Antriebsmotor hohen ungefederte Massen [7].
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len von BMW [3], weist den auf zwei Zylinder verteilten Hubraum von 647 cm3
auf und leistet 25 kW. Die rein elektrische
Reichweite des i3 beträgt praxisnah zwischen 130 und 160 km. Mithilfe des Range-Extenders wird diese nahezu verdoppelt [4]. Beim Range-Extender kommt es
neben einem emissionsarmen Betrieb
auch auf geringe NVH-Werte (NVH: NoiseVibration-Harshness: Geräusche und Vibrationen des Verbrennungsmotors) an,
die eine umfangreiche Dämmung unumgänglich machen.
Der BMW i8 besitzt eine Axle-SplitHybridtopologie. Der auf der Hinterachse
sitzende aufgeladene Drei-Zylinder-Ottomotor hat einen Hubraum von 1,5 l, leistet maximal 170 kW bei 5800 1/min und
entstammt dem aktuellen Motorbaukasten von BMW. Dies ergibt eine Literleistung von 113 kW/l [5]. Beim Axle-Split
wird für den Beschleunigungswunsch des
Fahrers ein sehr schneller Hochlauf des
stehenden Verbrennungsmotors benötigt.
Dies erfordert eine hohe Kaltstartfestigkeit, ständige Schmierung der Reibpaarungen und leichtes Laufzeug.
Toyota bietet seit 2012 den Prius PlugIn an. Der Verbrennungsmotor liefert maximal 73 kW bei 5200 1/min aus 1,8 l
Hubraum und arbeitet zur Optimierung
des Wirkungsgrades im Atkinson-Zyklus1).
Der Verbrennungsmotor wurde weiterhin
Bauraum
Kosten
Akustik
Leistung
Effizienz
Dynamik
Hybrid-Antrieb
Kosten
Effizienz
Leistung
Dynamik
Akustik
Bauraum
Wie bereits in der Einleitung geschildert,
ist vor allem eine erhöhte Effizienz im Fokus der Verbrennungsmotorentwicklung.
Die Erhöhung der Leistungsdichte
(Downsizing) und die Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades (tribologische Optimierung) sind zielführende Ansätze.
Plug-In-Hybrid-Antrieb
Leistung + Hochlauf
Akustik - Erlebnis
Bauraum
GRAFIK: OVGU MAGDEBURG
Relevanz bei der
Antriebsstrangentwicklung
©
Range-Extender
Trend Downsizing und
Reibungsreduzierung
Dynamik
Effizienz
Kosten
Bild 5: Fokus der Antriebsentwicklung bei drei unterschiedlichen Hybridfahrzeugen.
1)
Atkinson-Zyklus: Hierbei wird ein hohes Verdichtungsverhältnis (« = 13 : 1) mit spätem Schließen der Einlassventile kombiniert,
was zu einem relativ größeren Expansions- als Kompressionsverhältnis führt und der Wirkungsgrad – letztlich auf Kosten der Literleistung – erhöht wird.
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TECHNOLOGIE & TRENDS
3,0 l
Randbedingungen:
• Fahrzeug der D-Klasse
• 180 kW = konst.
• NEFZ
2,0 l
2,5 l
2,0 l
2,0 l
1,5 l
-5 %
5%
-3 %
-4 %
-6 %
-2 %
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-
1,5 l
-17 %
Hubraumreduzierung
Hubraumreduzierung
Motorgröße
verkleinern
Zylinderanzahl
vermindern
Hubraum- und
Motorgrößen reduzierung
-25 %
Zylinderanzahl
vermindern
Für die Leistungsbereitstellung eines Downsizing-Motors ist die
Abgasturboaufladung unerlässlich!
GRAFIK: OVGU MAGDEBURG
-5 %
Fahrzeuge der D -Klasse: Volvo S70, BMW 3er-Serie, Mercedes C-Klasse etc.
Bild 6: Verbrauchssenkungspotenzial durch Downsizing am Beispiel eines 3,0-l-Sechszylindermotors zum 1,5-l-Dreizylindermotor
(bezogen auf den NEFZ).
©
Hochaufladung – Downsizing
Downsizing beschreibt das Vorgehen, den
Hubraum zu verkleinern und die Leistung
eines hubraumstärkeren Verbrennungsmotors abzubilden. Downsizing wird in der
Regel durch Turboaufladung umgesetzt.
Der reduzierte Kraftstoffverbrauch eines
Downsizing-Motors lässt sich auf die höhere spezifische Belastung des Motors
zurückführen. Dadurch ergibt sich eine
verminderte Reibarbeit und bei Ottomotoren eine Entdrosselung – beides führt
zu einem höheren effektiven Wirkungsgrad. Es ist der ungebrochene Trend festzustellen, dass die spezifische Leistung
sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren immer weiter erhöht wird (Bild 6).
Der 2013 vorgestellte Ottomotor
M133 im A45 AMG von Daimler erreicht
bei einem Hubraum von 2,0 l eine Leistung von 265 kW. Das bedeutet eine sehr
hohe Literleistung von 133 kW/l. Dies
ist nur mit einem Twin-Scroll-Turbolader
mit einem Ladedruck von 1,8 bar (relativ)
zu erreichen. Das Zylinderkurbelgehäuse
(ZKG) und der Zylinderkopf bestehen aus
Aluminium (EN AC-Al Si7Mg), und werden
in Kokillen im Kippgießverfahren hergestellt. Das ZKG ist in einer Closed-DeckBauweise ausgeführt. Das Gesamttriebwerk wurde auf maximale Zünddrücke
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von 150 bar ausgelegt. Kolben, Pleuel
und Kurbelwelle wurden aufgrund der hohen spezifischen Leistung geschmiedet
ausgeführt [8].
Volkswagen hat 2014 den Golf R400
angekündigt, der aus 2,0 l Hubraum
294 kW liefern soll – das ergibt 147 kW/l
[9]. Volvo stellte daraufhin 168 kW/l als
Konzept mit Dreifachaufladung vor [10].
Im Bereich der Dieselmotoren hat
Volkswagen den 2,0-l-Biturbo-TDI für den
VW Passat angekündigt. Die Literleistung
dieses Motors soll 100 kW/l betragen, was
einer Steigerung von knapp 14 % im Vergleich zum Vorgängermotor entspricht [9].
Volvo hatte zuvor bekannt gegeben,
dass der neue XC 90 den zweifach aufgeladenen Dieselmotor D5 mit 86 kW/l
erhält [11]. Der Dieselmotor 2.0-l-TDIBiturbo im neuen Passat von Volkswagen
leistet 88 kW/l [9]. Der Sechszylinder
N57 von BMW weist 93,5 kW/l auf [12].
Es wird deutlich, dass die Belastung
der Motoren durch die Hochaufladung
immer größer wird. Hieraus ist auch ersichtlich, dass das Thermomanagement
– insbesondere für Ottomotoren – an Bedeutung zunehmen wird. Continental hat
ein wassergekühltes Aluminium-Turbinengehäuse (Aluminiumlegierung mit Silizium
und Magnesium) entwickelt, um die Spe-
zial-Legierungen zu umgehen und die Wärmeabstrahlung des Turboladers im engen
Motor-Packaging zu minimieren. Hierbei
ist der Abgaskrümmer in das Turbinengehäuse integriert (Bild 7). Das wassergekühlte Aluminium-Turbinengehäuse wird
erstmals im aktuellen MINI serienmäßig
eingesetzt [13].
Durch den Wechsel des Werkstoffs
gelang eine Gewichtsersparnis von 14 %
(ausgehend von 4,4 kg). Die Kühlung des
Abgasmassenstroms hat weiterhin den
positiven Effekt, dass die thermische Alterung des Katalysators nahezu ausgeschlossen werden kann. Des Weiteren ist
der Werkstoff günstiger, da auf kostenintensive Hochtemperatur-Legierungen für
die Turbine des Abgasturboladers verzichtet werden kann [13].
Weiterhin ist auf optimierte Strukturen
des Verbrennungsmotors zu achten, insbesondere des Zylinderkurbelgehäuses.
Dies betrifft vor allem Dieselmotoren, die
naturgemäß mit höheren Zylinderdrücken
beaufschlagt werden. So wurde im dreifach aufgeladenen Sechszylinder-Dieselmotor N57 von BMW (siehe oben) ein
Zugankerkonzept umgesetzt, welches die
hohen Zünddrücke (200 bar), die auf das
monolithische Aluminium-ZGK einwirken,
aufnehmen kann [12].
Die Materialien galvanisiertes Metall,
Aluminium und Kunststoffe wie Buna-NTM,
Neopren sowie Polyurethan sind besonders anfällig für Methanol. Dies muss in
der Motorenkonstruktion berücksichtigt
werden.
Materialsubstitution beim ZKG
In der Vergangenheit wurden immer mehr
Leichtmetalle, d. h. Aluminium und Magnesium anstelle von Gusseisen (Gusseisen mit Lamellengrafit – EN-GJL, Gusseisen mit Vermiculargrafit – EN-GJV) im
Motorenbau eingesetzt. Dies gilt insbesondere für das Zylinderkurbelgehäuse
(ZKG), da es das Bauteil mit der größten
Masse im Motor ist.
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FOTO: OVGU MAGDEBURG
Ausgewählte Entwicklungen in der
Diskussion
Bild 7: Wassergekühltes Turbinengehäuse mit integriertem Abgaskrümmer der ACTech
GmbH, Freiberg (thermische Entlastung des Abgasturboladers, Kostenpotenziale durch
Materialkostenoptimierung, thermische Rekuperation und Abgaswärmenutzung).
©
Reibungsreduzierung
Der Wirkungsgrad des Motors wird durch
Reibungsverluste beeinträchtigt. Die
Reib­leistung ist abhängig von Last und
Drehzahl des Motors. Generell gilt, dass
der Motor bei geringer Last – also genau
in dem für den europäischen Fahrzyklus
(NEFZ) relevanten Bereich – einen relativ
schlechteren mechanischen Wirkungsgrad hat als bei Volllast. Die wichtigsten
Ursachen sind im Ottomotor die KolbenKolbenring-Zylinderpaarung, Haupt- und
Pleuellager, Nebenaggregate und der Ventiltrieb.
Eine Minimierung der Reibung an der
Zylinderlaufbuchse birgt somit ein großes
Potential für eine Kraftstoffeinsparung.
Bei dem bereits vorgestellten Motor M133
von Daimler wird die sogenannte Nanoslide-Beschichtung auf die Zylinderlaufbahn aufgebracht [8]. Nanoslide beschreibt eine Beschichtung aus EisenKohlenstoff-Drähten, die mittels Lichtbogen auf die feingehonte oder mittels
eines Wasserstrahls aufgeraute Zylinderlaufbahn aufgebracht werden. Die entstehenden Poren ermöglichen, dass ein kleiner Ölrest an der Laufbahn zurückgehalten wird und so ein Schmierfilm erhalten
bleibt [14].
Die Aufladung des Verbrennungsmotors ermöglicht eine weitere relative Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrades, weil sich der Motor dadurch häufiger
in höher belasteten Betriebszuständen
befindet. Dadurch wird das Verhältnis von
effektiver Leistung zu Reibleistung weiter
verbessert. Allerdings nimmt die Belastung des Motoröls mit höherer spezifischer Leistung zu.
Trend alternative Kraftstoffe
In der Europäischen Union wurde 2011
der Kraftstoff E10 eingeführt. Das Ziel war,
einen gesteigerten Anteil an Biokraftstoff
in das Benzin zu mischen. Ein gesteigerter
Ethanolanteil erfordert funktionale und
konstruktive Änderungen am Ottomotor.
Dies wurde allerdings bei den meisten im
Markt befindlichen Fahrzeugen und Antrieben bereits umgesetzt. Allerdings werden weitere Änderungen am Motor notwendig, falls der Anteil an Ethanol weiter
steigen oder die biogenen Zumischkomponenten geändert werden sollten. Beispielsweise muss ab einer Beimischung
von 25 % Ethanol das Einspritzsystem auf
Edelstahl umgerüstet und die Gemischbildung sowie die Einspritzmenge an den
Kraftstoff angepasst werden. Das Zündsystem wird für die gesteigerten Verbrennungstemperaturen eines E25-Kraftstoffs
optimiert. Auch Kraftstoffpumpe, Kraftstofffilter und der Raildruckregler müssen
angepasst werden. Weitere Veränderungen ergeben sich bei einer weiteren Steigerung der Ethanol-Zumischung (Bild 8).
In außereuropäischen Märkten werden
ebenfalls alternative Kraftstoffe forciert.
Dies liegt vor allem an der Rohstoffverknappung und einer verstärkten Autarkiepolitik.
Interessant ist insbesondere der chinesische Markt, da China über große Kohlevorkommen verfügt und diese mithilfe von
Kohleverflüssigung (sogenanntes Coal-toliquid-Verfahren, CTL) als Kraftstoffzusatz
verwerten möchte. Deshalb ist in China
– einem der wichtigsten Automobilmärkte
weltweit – zukünftig mit einem steigenden
Methanolgehalt im Kraftstoff zu rechnen.
Anhaltswerte für das Reduktionspotential durch die Substitution von Gusseisen
mit Lamellengrafit durch Aluminiumlegierungen sind beim Ottomotor rund 40 %
und beim Dieselmotor rund 35 % [14].
Magnesiumlegierungen bieten zwar ein
noch höheres Einsparpotential, werden
aber immer weniger bei den Funktionsteilen eingesetzt. Dies ist auf die zunehmende Leistungssteigerung im Verbren-
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TECHNOLOGIE & TRENDS
nungsmotorenbau zurückzuführen, die
stetig wachsende Ansprüche an Festigkeit
und Temperaturbeständigkeit nach sich
zieht.
velift System) geschlossen gehalten. Hierdurch arbeiten die Zylinder 2 und 3 als
Gasfedern, da im letzten Arbeitsspiel mit
geöffneten Ventilen kein Kraftstoff mehr
eingespritzt wird. Der Verbrauch sinkt im
NEFZ, während die Zylinder abgeschaltet
sind, um 0,4 l/100 km [17].
Vorteilhaft für die Umsetzung der Zylinderabschaltung war einerseits die Direkteinspritzung, vor allem aber auch die
Konstruktion des Motors. Das ZKG des
VW-Motors besteht aus einer steifen Aluminiumkonstruktion. Die Masse der Laufzeugkomponenten Aluminiumkolben,
Pleuel und Kurbelwelle wurde größtmöglich reduziert [17].
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Aluminiumlegierungen sind weitgehend
eingeführt. Allerdings erhalten sie ernsthafte Konkurrenz durch Gusseisen-Werkstoffe, denn diese können filigranere
Strukturen abbilden. Aufgrund der geringeren Steifigkeit von Aluminiumlegierungen werden angepasste, steifere Konstruktionen benötigt, die den Gewichtsvorteil des Werkstoffs reduzieren.
Displacement-on-Demand –
Zylinderabschaltung
Der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors kann durch Zylinderabschaltung gesenkt werden, weil die Betriebspunktverschiebung den Motor in einem
Bereich geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauchs arbeiten lässt. Außerdem
werden die Ladungswechselverluste minimiert, da die Drosselklappe weiter geöffnet ist. Allerdings wird das Reibmoment
kaum verringert, da die Kolben der abgeschalteten Zylinder weiter mitlaufen. Typischerweise wird die Zylinderabschaltung
– alias Displacement-on-Demand – bei
Motoren mit hoher Zylinderzahl und VBauweise eingesetzt. Bei kleineren Motoren ist die Zylinderabschaltung heute immer noch nicht weit verbreitet, obgleich
Honda bereits 2006 mit dem Civic Hybrid
die Zylinderabschaltung an einem Vierzylinder umgesetzt hat [4].
Im Jahr 2012 hat VW einen Vierzylinder-Ottomotor mit Zylinderabschaltung
entwickelt; der 1.4-TSI-Motor mit 103 kW
ist im Audi A1 und VW Polo vertreten. Im
Teillastbetrieb werden die beiden inneren
Zylinder nicht mehr mit Kraftstoff versorgt
und die entsprechenden Ein- und Auslassventile werden mittels des AVS (Audi Val-
Der nächste Schritt ist die Funktionsaufteilung innerhalb der Bauteile mit entsprechender Werkstoffauswahl. Der
BMW-Reihensechszylinder-Ottomotor hat
dies z. B. schon 2004 mit Magnesium
und Aluminium umgesetzt. Hier besteht
das Zylinderkurbelgehäuse aus einem AlInsert für die Zylinderlaufbuchsen, Kühlwasserführung und obere Kurbelwellenhauptlager bestehen aus einem Mg-Umguss [16]. Möglich wäre es auch, beim
ZKG das Feuerdeck aus hochbelastbaren
Metallwerkstoffen und die wasserführenden Teile aus Leichtmetall oder Kunststoffen zu fertigen.
Verbrennungs motor
Tankentlüftung
Split-Kurbelwelle
Die IAV (Ingenieurgesellschaft Auto und
Verkehr) hat den sogenannten I2+2-Zuschaltmotor entwickelt. Dieser besteht
aus zwei Zweizylindern in Reihe, wobei der
erste Zweizylinder immer betrieben und
der andere durch eine Kupplung zugeschaltet werden kann. Das System verfügt
über eine Ausgleichswelle, die für den ruhigen Lauf des ersten Zweizylinders sorgt,
die Verbindung zur elektrischen Maschine
darstellt und gleichzeitig die Hohlwelle mit
der Zuschaltkupplung trägt [18].
Abgasnachbehandlung
Abgasanlage
Kurbelgehäuse entlüftung
Zündsystem
Kraftstofftank
Raildruckregler
Kraftstofffilter
Kraftstofferkennung
Motorsteuerung
≤ E10
≤ E25
Kaltstartsystem
Motoröl
≤ E85
Bild 8: Notwendige Änderungen am Fahrzeug für Flex-Fuel-Konzepte mit einem Ethanolgehalt von E0 bis E100.
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≤ E100
GRAFIK: OVGU MAGDEBURG
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Kraftstoffpumpe
Einspritzsystem
titut für Mobile Systeme, Otto-von-Guericke-Universität (OVGU) Magdeburg
Literatur:
[1] International Council on Clean Transportation: European CO2 emission performance standards for passenger cars and
light commercial vehicles. Policy Update,
2012.
[2] MTZ 75 (2014), [Nr. 11], S. 36-41.
[3] MTZ 75 (2014), [Nr. 4], S. 3.
[4] Hofmann, P.: Hybridfahrzeuge – Ein alternatives Antriebssystem für die Zukunft.
2. Aufl. Springer, Wien, 2014.
[5] Mattes, W.; Brüner, T.; Durst, B., u. a.:
The new 3-cylinder TwinPower turbo gasoline engine from BMW in the i8. 23. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2014.
[6] Philipp, K.; Jelden, H.; Neußer, H.-J.:
Der elektrifizierte Antriebsstrang des
Volkswagen Golf Plug-In Hybrid. 34. Internationales Wiener Motorensymposium,
2013.
[7] Borchardt, N.; Penzlin, B.; Zörnig, A.,
u. a.: Entwicklung und Validierung eines
BLDC Radnabenmotors mit Luftspaltwicklung. 11. Magdeburger Maschinenbau-Tage, 2013.
[8] Hart, M.; Gindele, J.; Ramsteiner, T.,
u. a.: Der neue Hochleistungsvierzylindermotor mit Turboaufladung von AMG. 34.
Internationales Wiener Motorensymposium, 2013.
[9] Neußer, H.-J.: Performance und Effizienz – Zukünftige Antriebstechnologien im
Volkswagen Konzern. 35. Internationales
Wiener Motorensymposium, 2014.
[10] Mertens, P.: Volvo’s way to reach zero emissions. 23. Aachener Kolloquium
Fahrzeug- und Motorentechnik, 2014.
[11] Möller, N.; Fleiss, M.; Olofsson, A.,
u. a.: The new 2.0 l diesel engine for the
all-new Volvo XC90, 23. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik,
2014.
[12] MTZ 73 (2012), [Nr. 10], S. 754-760.
[13] MTZ 75 (2014), [Nr. 11], S. 46-50.
[14] MTZ 74 (2013), [Nr. 7/8], S. 556-573.
[15] MTZ 70 (2009), [Nr. 10], S. 712-721.
[16] Landerl, C.; Fischersworring-Bunk, A.;
Wolf, J., u. a.: Das neue BMW MagnesiumAluminium-Verbundkurbelgehäuse. In:
Gießtechnik im Motorenbau, VDI-Berichte
Nr. 1830, Düsseldorf, 2005. S. 69-91.
[17] MTZ 73 (2012), [Nr. 3], S. 186-193.
[18] Roß, J.; Semper, T.; Doller, S., u. a.:
Der IAV I2+2-Zuschaltmotor – Versuchsergebnisse und Potenziale für den Fahrzeugbetrieb. 35. Internationales Wiener
Motorensymposium, 2014.
[19] Steinparzer u. a.: MTZ 75 (2014),
[Nr. 5].
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Das System benötigt für das An- und
Hochschleppen des zweiten Zweizylinders
einen 48-V-Elektromotor, der die anderweitig merkbare Zugkraftunterbrechung
korrigiert. Der Zuschaltvorgang erfolgt in
weniger als 0,5 s. Zukünftig soll eine getrennte Öl- und Kühlwasserversorgung
der beiden Zweizylinder umgesetzt werden [18].
Es ist evident, dass, je höher die Anteile der niedrigen Last in den Testzyklen
sind, desto vorteilhafter solche Maßnahmen für den ausgewiesenen Kraftstoffverbrauch sind. Nachteilig ist der deutlich
erhöhte konstruktive Aufwand, eine gesteigerte Motormasse und der aufwendige Regelungs- und Applikationsaufwand
in der Entwicklung.
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Motordämmung
Eine Motordämmung hat thermische und
akustische Effekte. Je nach Dämmmaterial und Verfahren können diese oder jene
überwiegen, doch stets treten beide auf.
Die Dämmungsmaßnahme verringert den
Abstrahlgrad (Körperschallübertragung
auf Luftschall). Daher werden Dämmungsmaßnahmen bei besonders wirksamen
akustischen Strahlern eingesetzt, wie
z. B. der meist großflächigen und dünnwandigen Ölwanne. Aufgrund der diskontinuierlichen und zum Teil von der akustischen Erwartungshaltung entkoppelten
Arbeitsweise des Verbrennungsmotors in
Hybridfahrzeugen ist hier mehr als bei herkömmlichen Fahrzeugen eine geringe
Schallabstrahlung und -übertragung für
die Kundenakzeptanz von Bedeutung.
Gleichzeitig lässt sich durch gezielte
Dämmung das Thermomanagement des
Verbrennungsmotors verbessern. Bei Hybridfahrzeugen arbeitet der Verbrennungsmotor nur zeitweise, um Kraftstoff
einzusparen. Allerdings bewirkt diese Betriebsweise, dass die Betriebsmedien
(Kühlwasser, Öl) sukzessive abkühlen und
damit beim Neustart des Motors höhere
Kraftstoffverbräuche und Emissionen verzeichnet werden. Dämmmaßnahmen zur
thermischen Isolierung können den Abkühlvorgang deutlich verzögern. Daher
sollte eine Dämmung insbesondere beim
Hybridfahrzeug sowohl thermisch als
auch akustisch wirksam sein. Als Dämmmaterialien kommen Kunststoff- und Metallschäume in Betracht.
Zusätzlich zu einer guten thermischen
und akustischen Dämmwirkung müssen
die Anforderungen aus dem Leichtbau
erfüllt werden.
Prof. Dr.-Ing. Hermann Rottengruber und
Dipl.-Wirt.-Ing. Eike Christian Todsen, Ins-