Motoren zwischen „Downsizing“, Aufladung und Kraftstoffverbrauch
Die Ziele, die Markt und Politik den Ingenieuren setzen, sind ambitioniert. „Downsizing“ und Aufladung sind ebenso Bestandteile neuer Motoren als auch geringer Kraftstoffverbrauch. Die Vorgaben der EU-Kommission sind drastisch. Bis 2025 will sie, dass ein Neufahrzeug im Mittel 70 g CO2/km emittiert – das entspricht einem Verbrauch je 100 km von 3,0 l Benzin oder 2,6 l Diesel. Dass dies zu schaffen ist, davon sind Experten bei Bosch überzeugt.
Sprechen Ingenieure über den Stand der Technik beim Automobil, kommen neben Erfolgen auch Sorgen und Nöte des Motorenbaus zur Sprache. Elektroauto und Hybridtechnik spielen dabei noch eine untergeordnete Rolle, wie selbst das 32. Internationale Wiener Motorensymposium zeigte, wo Anfang Mai der Österreichische Verein für Kraftfahrzeugtechnik (ÖVK) und die Automobiltechnik der TU Wien über 1000 Fachleute aus aller Welt versammelte.
Bekannt ist, dass die Elektromobilität die Batteriehürde gegenwärtig noch nicht aus dem Weg räumen kann. Speichervermögen, Gewicht und Preis, aber auch die Verfügbarkeit des regenerativen Stroms in der Zukunft sind schwierig zu lösende Aufgaben. Der Verbrennungsmotor wird darum auch weiterhin dominieren und ist etwa im Transportsektor oder in vielen Nonroad-Bereichen auch zukünftig sehr schwer zu ersetzen.
Wie bisher muss der Verbrennungsmotor weiterhin zu geringem Verbrauch, geringem Schadstoffausstoß und geringem Gewicht entwickelt werden – ohne jede Einschränkung der Alltagstauglichkeit und der Fahrbarkeit. Dabei spielen die Minimierung von Reibung, des Leistungsbedarfs der Nebenaggregate und das Wärmemanagement eine gewichtige Rolle. Die Zulieferindustrie entwickelt längst mit und bietet eigene Lösungen zur Verbesserung von Motoren an.
Entwicklung neuer Motoren konzentriert sich auf die Abgasnorm EU6
Gegenwärtig ist bei der Automobil- und Zulieferindustrie vor allem die Vorbereitungen auf die nächste Stufe der Abgasnorm EU6 ein Schwerpunkt der Entwicklung. Von einem Zwischenschritt zu EU6, dem für die USA entwickelten 2,0-l-TDI, berichtete in Wien Jörn Kahrstedt, Leiter der Dieselmotorenentwicklung bei VW.
Auffällig beim US-TDI ist vor allem der wassergekühlte, motornahe Ladeluftkühler mit eigenem Wasserkreislauf. Ebenso die hier erstmals bei VW verwendete Niederdruck-Abgasrückführung, bei der das Abgas hinter dem Partikelfilter entnommen, der Verbrennungsluft vor dem Ladeluftkühler zugemischt und zusammen mit ihr gekühlt wird. Emitec entwickelte dazu ein Filter, damit Keramikpartikel des Partikelfilters nicht in den Motor und zur Abgasturbine gelangen können.
Interessant ist auch, dass dieser Motor statt Piezo- nun Magnetinjektoren von Bosch erhalten hat und diese mit einem max. Einspritzdruck von 1800 bar betrieben werden. Bei einer Leistung von 103 kW reicht laut Kahrstedt die einstufige Aufladung nach wie vor aus.
Bei Spitzendieseln setzen dagegen Audi und BMW auf zweistufige Aufladung, wobei sich BMW für den 3,0-l-Reihensechszylinder mit einer moderaten Leistungs- und Drehmomenterhöhung begnügt, dafür aber den nutzbaren Drehzahlbereich ausweitet, wie vom BMW-Ingenieur Peter Langen zu hören war.
Anders bei Audi: Der zweistufig aufgeladene V6-TDI mit ebenfalls 3,0 l Hubraum nutzt die doppelte Aufladung zur Leistungssteigerung. Audi-Motorenentwickler Richard Bauder nannte 230 kW Leistung bei 4250 min-1 und 650 Nm max. Drehmoment von 1500 min-1 bis 2750 min-1. Nebenbei sei vermerkt, dass Audi für das 24-h-Rennen von LeMans ebenfalls einen V6-TDI verwendet, der allerdings 3,7 l Hubraum hat.
Der neue 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor (180 kW) von BMW hat auch eine zweistufig Aufladung und erreicht sein max. Drehmoment (350 Nm) schon knapp über der Leerlaufdrehzahl, wie Fritz Steinparzer berichtete, der bei BMW von der Diesel- zur Ottomotorentwicklung wechselte. Der Aluminiummotor wiegt nur 135 kg.
Die zweistufige Aufladung ist ebenso Bestandteil der Jenbacher Gasmotoren, die als Antriebe für stationäre Generatoren zunehmend an Bedeutung erlangen.
Opel setzt bei seinen Motoren vor allem auf „Downsizing“
Opel beschäftigt sich intensiv mit zweistufiger Aufladung von Benzinmotoren, weil damit das Downsizing-Prinzip deutlich vorangetrieben werden kann. Die Schwierigkeit hier ist u. a., passenden Einzelhubraum und Aufladung zu finden.
„Die Grenzen des Downsizings sind nicht fixiert – weder hinsichtlich des Hubraums noch der Zylinderzahl“, sagte Rolf Leonhard, Bosch-Bereichsvorstand Diesel Systems mit Zuständigkeit für Entwicklung der Robert Bosch GmbH, anlässlich des 60. Motorpressekolloquium am 7. Juni im Bosch-Prüfzentrum Boxberg.
Doch sieht man bei Bosch das einzelne Zylindervolumen umrissen: „400 cm3 sehen wir als Einzelhubraum an der Grenze“, erklärte Leonhard. Wobei sich letztendlich den Entwicklern die Aufgabe stelle, den Wirkungsgrad zu verbessern und dabei einen akzeptablen Kompromiss zwischen Verbrauchseinsparung, Kosten, Fahrbarkeit und Komfort zu finden.
Für Leonhard steht fest, dass die Pkw-Flottenverbrauchsziele der EU für 2020 „mit moderner Technik erreichbar sein werden“. Das ist ein CO2-Aquivalent von 95 g/km und entspricht einer Emissionsreduktion von 35 % gegenüber 2009, wo der Flottenverbrauch in der EU laut Leonhard insgesamt 146 g CO2/km betrug für 2010 werde mit etwa 143 g CO2/km gerechnet.
Der von der EU-Kommission geforderte Emissionswert für 2025 liegt bei 70 g CO2/km für ein durchschnittliches Neufahrzeug, Das ist laut Leonhard vergleichbar mit einem Verbrauch im Mittel von rund 3,0 l Benzin oder 2,6 l Diesel je 100 km – und damit gut 50 % unter den heutigen Durchschnittswerten.
Entwicklungschef Leonhard bestätigte ausdrücklich seine Aussage von 2009: „Mittelfristig wird beim Verbrenner der Kraftstoffverbrauch und gleichermaßen die CO2-Emissionen um 30 % sinken – sowohl beim Benziner als auch beim Diesel.“
Hinzu kämen noch die zusätzlichen Reduktionsmöglichkeiten durch einen hybriden Antrieb den Verbrauch und so die CO2-Emissionen um etwa weitere 10 % zu senken. Zusammen mit den Maßnahmen der Autohersteller am Pkw selbst – wie Leichtlaufreifen, Leichtbau oder reduzierten Luftwiderstand – lassen sich laut Leonhard dann in Summe Verbrauch und CO2-Emissionen auf rund die Hälfte des heutigen Durchschnittswertes senken.
Motoren der Zukunft: Bis 2025 soll das CO2-Ziel von 70 g/km zu schaffen sein
Die Zielsetzungen an die Ingenieure bei Autoherstellern und Zulieferern sind sehr anspruchsvoll, die Ermunterung von Leonhard groß: „Unsere Erfahrung bei der Entwicklung zukunftsweisender Technik für den Antriebsstrang gibt uns die Sicherheit, dass auch die für 2025 diskutierten CO2-Ziele von 70 g/km zu schaffen sind“.
Zum Thema: 32. Int. Wiener Motorensymposium 5./6. Mai 2011, 2 Tagungsbände + CD Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735 VDI Verlag, Düsseldorf 2011 788 S., 694 B., 30 Tab. ISBN 978–3–18–373512–9 220,00 €.
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