Verbrennungsmotoren: Anforderungen und Lösungen für die Zukunft

Großes Potenzial

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Damit künftige Automobile auch weiterhin eine maßgebende Rolle bei der globalen Mobilitätsentwicklung spielen, müssen ihre Verbrennungsmotoren in Zukunft noch sparsamer, umweltfreundlicher und leistungsstärker werden. Denn alternative Antriebe wie die Brennstoffzelle, Elektro- oder Wasserstoffantriebe werden in der Gesamtschau noch auf Jahre hinaus dem Verbrennungsmotor unterlegen sein.

Die heutige Motorentechnik trägt noch lange die Hauptlast des Individualverkehrs und muss so effizient wie möglich arbeiten.

Mahle sieht gute Chancen, allein die CO2-Emissionen durch Optimierungen am Verbrennungsmotor und am Gesamtfahrzeug um bis zu 40 % zu verringern, und dies zu vertretbaren Mehrkosten von 2000 bis 3000 € pro Fahrzeug. Sehr anschaulich illustriert dies ein Dreizylinder-Downsizing-Motor, den Mahle mit vielen modernen Techniken seines Produktportfolios ausgestattet hat. Dieser Technologie-Demonstrator verbraucht etwa 30 % weniger Kraftstoff als ein ähnlich leistungsfähiger aktueller Saugmotor mit annähernd doppelt soviel Hubraum. Im Vorfeld der IAA 2009 stellt Mahle schwerpunktmäßig folgende Technikfelder vor, die ein besonders hohes Optimierungspotenzial versprechen:
  • Reduzierung der innermotorischen Reibung
  • Effizientere Nebenaggregate
  • Intelligente Abgasrückführung
  • Turboaufladung
  • Variabler Ventiltrieb und
  • Downsizing.
Umweltschutz und Kostenbewusstsein
Nachdem die Schadstoffe im Abgas der Verbrennungsmotoren in den letzten Jahren weitestgehend reduziert wurden, rückt jetzt der natürliche Luftbestandteil Kohlendioxid in den Fokus. Zwar stammen nur etwa 0,4 % der weltweiten natürlichen und anthropogenen CO2- Emissionen vom Kraftfahrzeug. Da der CO2- Ausstoß eines Fahrzeugs direkt proportional zu seinem Kraftstoffverbrauch ist, gilt es diesen weitestgehend abzusenken. Zumal die Kraftstoffpreise tendenziell ansteigen werden, und die Rohölreserven endlich sind. Wann dies sein wird, kann heute niemand zuverlässig prognostizieren. Ein weiterer Anstoß zu umweltfreundlicheren Fahrzeugen sind die sehr ambitionierten Umwelt- und Emissionsvorgaben. Die Europäische Union zum Beispiel hat für den Flottenverbrauch der einzelnen Automobilhersteller einen Grenzwert von 130 g/km im Jahr 2015 festgelegt. Er ist nur durch eine weitere Absenkung des automobilen Energieverbrauchs zu erreichen.
Der Hybridantrieb ist gut – aber auch teuer
Neben Maßnahmen am Fahrzeug selbst und am Verbrennungsmotor sind auch alternative Antriebskonzepte wie Hybridantriebe, die reine Elektrotraktion oder die Brennstoffzelle geeignet, den CO2-Ausstoß zu senken. Beispielsweise verbrauchen moderne Hybridantriebe bis zu 25 % weniger Kraftstoff als ein reiner Verbrennungsmotor. Der Elektro- und Brennstoffzellen-Antrieb bieten bei isolierter Betrachtung lokal sogar gänzlich CO2-freie Mobilität. Allerdings wird dabei in der Regel die CO2-Entstehung bei der Strom- beziehungsweise Wasserstofferzeugung vergessen.
Beim Hybridantrieb verursachen der zusätzliche Elektromotor samt Steuerung und Batterie mehr Gewicht und höhere Kosten und machen ihn selbst im Vergleich zu sehr komplexen Verbrennungsmotoren unattraktiv. Alternative unter den vielfältigen Hybridkonfigurationen ist ein Konzept mit dem Elektromotor als Antriebsquelle und einem circa 30 bis40 kW starken Verbrennungsmotor als Stromgenerator. Letzterer ist komplett vom Radantrieb entkoppelt und kann deshalb kontinuierlich im Bestpunkt seines Kennfeldes betrieben werden. Im Vergleich zu einem ähnlichen konventionellen Verbrennungsmotor arbeitet dieser Range Extender 8 bis 10 % effizienter.
Batterie bleibt Achillesferse des Elektroautos
Um die aufwändige Gesamtintegration des Hybridantriebs zu vermeiden, wird auch am reinen Elektroantrieb gearbeitet. Elektromotoren haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren, wenn man die Frage der Stromerzeugung ausklammert. Bei gleichem Energieaufwand fährt ein Elektroauto deshalb etwa zweieinhalb mal so weit wie ein Auto mit Verbrennungsmotor.
Aber: Der wesentliche Nachteil des Elektroantriebs ist und bleibt der Energiespeicher. Die Energiedichte der aktuell besten Batterietechnik – den Lithium-Ionen-Akkus beträgt nur etwa ein Hundertstel der Energiedichte von Dieselkraftstoff. Nach heutigem Stand fährt das Auto mit Verbrennungsmotor pro Kilogramm gefülltem Energiespeicher etwa 40mal weiter als ein Elektroauto. Dieser Malus beschränkt den Aktionsradius von Elektroautos vorwiegend auf den Stadtverkehr. Große Fahrzeuge mit ausschließlich elektrischem Antrieb sind zwar technisch möglich. Die Batterien beispielsweise für einen Lkw mit ausreichender Reichweite wären aber schwerer als seine Nutzlast – also völlig unlogisch! Hinzu kommen die derzeit hohen Kosten der Lithium-Ionen-Batterien. Die Batterie eines Kompaktklasse-Elektrofahrzeugs mit einer Reichweite von 200 km – was die Autofahrer als Minimalforderung angeben – wird auch in Zukunft deutlich mehr als 10 000 € kosten.
Ungelöste Fragen wirft auch die Energieversorgung der Batterien auf. Zwar fahren Elektrofahrzeuge emissionsfrei, aber wo wird der Strom erzeugt?
Wasserstoff und Biokraftstoff: schwierige Versorgung
Auch der Verbrennungsmotor mit Wasserstoffantrieb und die Brennstoffzelle sind ebenfalls nicht für den Massenmarkt reif. Bei beiden Techniken stellt die Erzeugung und Speicherung des Energieträgers Wasserstoff das Kardinalproblem dar. Die industrielle Produktion von reinem Wasserstoff ist äußerst energieintensiv und unter Umweltgesichtspunkten nur mit regenerativ erzeugter Energie sinnvoll. Es ist aber nicht absehbar, wann genügend regenerativ erzeugte Energie für den Betrieb einer größeren Anzahl von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb zur Verfügung stehen wird. Die Versorgungsproblematik des Wasserstoffs spricht auch gegen die Brennstoffzelle im Automobil. Sie ist eher für stationäre Anwendungen geeignet und könnte in Gebäudetechnik Öl und Gas als Energieträger ersetzen. Im hoch dynamischen Umfeld eines Fahrzeugantriebs wird die Applikation der Brennstoffzelle sehr aufwändig.
Ein hohes Einsparpotenzial werden auch neuen Bio- und Designerkraftstoffen der zweiten Generation zugebilligt. Durch gezielte Mischung könnte künftiger Biodiesel den CO2-Ausstoß beim Verbrennungsmotor um etwa 25 % verringern. Betrachtet man die CO2-Bilanz über die gesamte Prozesskette, sind moderne Biokraftstoffe sogar um 80 bis 90 % umweltfreundlicher, da sie aus Biomasseabfällen gewonnen werden, die während ihres Wachstums erhebliche Mengen CO2 aus der Umwelt gebunden haben. Allerdings sind die Produktionskapazitäten für solche Designerkraftstoffe noch zu gering, um auch nur ansatzweise die weltweite Automobilflotte ausreichend zu versorgen.
Halle 8, Stand 23
Mahle; Telefon: 0711 501-0; E-Mail: birgit.albrecht@mahle.com
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