Umweltfreundliches Fahren: Pkw-Diesel-Stahlkolben, Downsizing-Motor, Range Extender

Turbo für die Entwicklung

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In Nutzfahrzeug-Motoren setzt Mahle bereits seit Mitte der 80er Jahre Stahlkolben ein. Auch für Pkw-Motoren entwickelt das Unternehmen Stahlkolben, die den Kraftstoffverbrauch um bis zu fünf Prozent reduzieren. Auf der IAA 2011 wird das Unternehmen den neuen Topweld-Stahlkolben präsentieren, der alle bekannten Zukunftspotenziale ausschöpft.

Der Beitrag wurde erstellt nach Informationen der Mahle GmbH, Stuttgart

Der hohe Anspruch an die Belastbarkeit jeder einzelnen Motorkomponente und deren Beitrag zur Verbrauchsreduktion sicherte bereits in der Vergangenheit den Durchbruch der Mahle-Stahlkolben bei Nutzfahrzeugen. Sie haben sich seit mehr als 20 Jahren millionenfach bewährt.
Moderne Pkw-Dieselmotoren folgen diesen hohen Ansprüchen. Mit diesem Wissen hat Mahle auch mehrere Varianten von Stahlkolben für Pkw-Anwendungen entwickelt. Der „Topweld“- Stahlkolben senkt durch den Einsatz verschiedener Technologieprinzipien den Kraftstoffverbrauch deutlich. An einem Referenzfahrzeug mit Dieselmotor hat Mahle im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) für die Topweld-Stahlkolben ein CO2-Einsparpotenzial von etwa 5 g/km ermittelt. Dies entspricht einem Kraftstoff-Minderverbrauch von etwa 0,2l/100 km.
Der Topweld-Stahlkolben ist ebenfalls aus Stahl geschmiedet. Zwei Bauteile werden so zusammengeschweißt, dass ein großer geschlossener Kühlkanal entsteht. Der verwendete Stahl des Topweld hat die Bezeichnung 42CrMo4 und liefert damit eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium. Daher ist eine 30 % geringere Kolbenhöhe möglich. Folglich wird die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinderwand kleiner und somit der Reibungsverlust, was zu messbaren Verbrauchseinsparungen führt.
Downsizing-Demonstrator-Motor
Mahle hat seinen Downsizing-Demonstrator-Motor in ein fahrbereites Mittelklassefahrzeug (VW Passat) eingebaut. Das mit modernster Technik gespickte Aggregat zeigt, dass der Verbrennungsmotor bezüglich CO2-Reduzierung und Performance noch erhebliches Zukunftspotenzial aufweist. Auf dem Weg zu sparsameren Ottomotoren ist Downsizing – sprich: Hubraumverkleinerung, Turboaufladung und direkte Einspritzung – die derzeit vielversprechendste Alternative. Welches Potenzial in diesem technischen Konzept steckt, zeigt der Demonstrator-Motor , der einen annähernd doppelt so großen Saugmotor ersetzt.
Den 1,2-Liter-Dreizylindermotor hat Mahle Powertrain, ein Tochterunternehmen von Mahle, entwickelt. Wesentliche Partner bei dieser Motor-Komplettentwicklung waren Bosch (Motorsteuerung, Einspritzung, Zündung) und Bosch Mahle Turbo Systems (BMTS, Turbolader), das 50:50 Joint Venture der beiden Mutterunternehmen Mahle und Bosch. Der in den VW Passat eingebaute Motor überzeugt vor allem durch seine exzellente Fahrbarkeit, sein Emissionsverhalten und die überragende Kraftstoffeffizienz:
So beträgt der Kraftstoffverbrauch im Normzyklus NEFZ nur 5,8 l pro 100 km (CO2-Ausstoß 135 g/km). Der Motor erfüllt dabei die aktuell gültige EU5-Abgasnorm und bietet auch das Potenzial, die künftigen EU6-Abgasgrenzwerte sicher zu erfüllen. Dank eines üppigen Drehmoments schon bei niedrigen Drehzahlen (161 Nm bei 1200 min-1) bietet das Aggregat ein Anfahrverhalten und eine Elastizität vergleichbar mit modernen Dieselaggregaten. Beispielsweise beschleunigt es den etwa 1600 kg schweren Passat in nur 8,9 s von Tempo 80 auf 120. Das maximale Drehmoment von 286 Nm entspricht dem eines doppelt so großen Saugmotors, zudem steht es über ein breites Drehzahlband von 1600 bis 3500 Umdrehungen zur Verfügung. Auch die maximale Leistung von 120 kW (163 PS) wird von konventionellen Saugmotoren nur mit deutlich mehr Hubraum und entsprechend höheren Zylinderzahlen erreicht.
Optimierungsfeld Elektromobilität
Um von den Verbrauchern akzeptiert zu werden, müssen elektrisch angetriebene Autos eine zufriedenstellende Reichweite haben. Hier hilft der von Mahle Powertrain entwickelte Range Extender. Der Zweizylinder-Ottomotor mit 0,9 l Hubraum hat einen in das Kurbelgehäuse integrierten Generator, der bei Bedarf die entladene Batterie wieder auflädt. Die Notwendigkeit zur lokalen Reduzierung des CO2-Ausstoßes führt zu einem wachsenden Interesse an batterieelektrischen Fahrzeugen. Aber neben den hohen Kosten automobiltauglicher Batterien ist die geringe Reichweite derzeit der Hauptnachteil dieser Antriebstechnologie. Beide Nachteile kompensiert ein Range Extender. Bei diesem Antriebskonzept wird bei Bedarf ein kleiner Verbrennungsmotor zugeschaltet, welcher über einen nachgeschalteten Generator die Batterie wieder auflädt. Die Batterie kann durch den Einsatz eines Range Extenders deutlich kleiner und kostengünstiger ausgelegt werden. Gleichzeitig kann dadurch die Reichweite des Antriebsstrangs auf ein akzeptables Niveau erhöht werden.
Mahle hat einen solchen Range Extender komplett selbst entwickelt und dafür die Leistungs- charakteristik eines fiktiven Fahrzeugs der Kompaktklasse als Vergleichsmaßstab herangezogen. Daraus leiteten sich folgende Anforderungen für die Auslegung des seriellen Range-Extender-Konzepts ab:
  • Bei elektrischem Betrieb ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors soll die Reichweite mindestens 80 km betragen. Damit sind 70 % aller typischerweise im Alltag gefahrenen Strecken abgedeckt.
  • eine konstante Reisegeschwindigkeit von 120 km/h und eine maximale Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h
  • ein mit dem Referenzfahrzeug vergleichbares beziehungsweise besseres Anfahr-, Beschleunigungs- und Steigungsvermögen
Mahle hat verschiedene Konzepte erarbeitet und unter technischen und kommerziellen Gesichtspunkten bewertet. Untersucht wurden unterschiedliche Motorkonfigurationen, Kraftstoffarten und thermodynamische Prozesse. Ziele waren neben geringen Produktionskosten ein niedriger Kraftstoffverbrauch und ein gutes NVH-Verhalten (Noise-Vibration-Harshness) des Motors. Der Fahrkomfort soll nicht beeinträchtigt werden, wenn der Range Extender zum Einsatz kommt.
Als optimale Lösung erwies sich dabei ein Reihen-Zweizylinder-Viertakt-Ottomotor mit 30 kW Nennleistung aus 0,9 l Hubraum. Der elektrische Generator ist dabei komplett in das Kurbelgehäuse des Motors integriert. In Kombination mit einem 55 kW starken Permanentmagnet-Synchronmotor und einer Lithium-Ionen-Batterie mit 15 kWh Kapazität werden alle fahrdynamischen Anforderungen sicher erfüllt. (hn) Halle 8.0, Stand C30
Mahle; Telefon: 0711 501-12506; E-Mail: birgit.albrecht@mahle.com
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