Suchen

Powertrain Kraftstoff sparen mit dem Gesamtsystem

| Autor/ Redakteur: Wolfgang Pester / Thomas Günnel

Einzelmaßnahmen am Verbrennungsmotor und seinen Komponenten senken den Kraftstoffverbrauch. Mahle geht einen Schritt weiter und will das Gesamtsystem aus Motor und Peripherie aufeinander abstimmen. So ließen sich bei einem 40-Tonner in Summe bis zu drei Prozent Diesel sparen.

Firmen zum Thema

Mahle hat beim Techniktag Nutzfahrzeuge seinen Weg gezeigt, den Kraftstoffverbrauch von Nutzfahrzeugen zu senken.
Mahle hat beim Techniktag Nutzfahrzeuge seinen Weg gezeigt, den Kraftstoffverbrauch von Nutzfahrzeugen zu senken.
(Bild: Mahle)

Ob Lkw oder Pkw, die Ingenieure in den Entwicklungsabteilungen von Motoren und deren Komponenten arbeiten mit Hochdruck daran, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken. Die Stuttgarter Mahle GmbH, informierte jetzt über neue Fortschritte, den Dieselkonsum von Nutzfahrzeugmotoren zu drosseln. Credo des Automobilzulieferers: „Systemische Weiterentwicklungen entlasten durch Verbesserungen der Motormechanik auch den Ölkreislauf“. Um beim Motor die Effizienz zu steigern, den Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emission zu senken, setzt Mahle auf zwei sich ergänzende Wege: Die direkte Reduktion der Reibleistung innerhalb der Motormechanik und die Senkung der Leistungsaufnahme von Neben- und Hilfstrieben, wie Öl- und Kühlsystemen. Möglich ist das laut Mahle durch die bedarfsgerechte Auslegung und die betriebspunktspezifische Regelung.

50 Prozent der Motorleistung gehen aktuell durch Wärme und Reibung verloren. Das Potenzial diese Reibung zu verringern, liegt in der Auslegung der Pleuel, Pleuellager, Kolben mit Ringen, Kolbenbolzen sowie der Kurbelwelle mit Gegengewichten, Kurbelwellenlager und im Schmierstoff. Eine Schlüsselrolle spielt die Reibung der einzelnen Motorkomponenten. Mit konventionellen Maßnahmen lässt sich die Reibung bis 31 Prozent verringern, ermittelten Wissenschaftler der Uni Kassel in einer Studie. Bezogen auf den Gesamtmotor ließen sich damit die Reibungsverluste um zehn Prozent senken. Werden statt Gleitlager aber Wälzlager eingesetzt, so könnten die Leistungsverluste durch Reibung um 50 Prozent sinken. Das ist riesig, doch die 50 Prozent reduzieren leider nicht den Verbrauch um den gleichen Wert, sagen die Wissenschaftler. Bezogen auf den Gesamtmotor ließe sich die Reibung um 18 Prozent senken, was etwa 5,5 Prozent Verbrauchssenkung bedeutete.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 10 Bildern

Mehr Aktoren und Sensoren

Bei Mahle steht einschließlich der Reibung die Interaktion mehrerer Komponenten im Vordergrund. So betrachten die Ingenieure den Motor mit seiner Peripherie in Subsystemen wie Ladungswechsel, Kurbeltrieb, Öl- und Kühlsystem. Eine Optimierung erfolge übergreifend, vor allem an den Funktionsschnittstellen, erklärte Dr. Andreas Pfeifer, Vice President Produktentwicklung Motorsysteme und -komponenten. „Dabei werden künftig unsere Komponenten über mehr Aktoren und Sensoren verfügen, die eine Aussage über die Komponenten selbst und den Betrieb machen“, sagt Pfeifer. Der Vorsitzender der Geschäftsführung und CEO des Mahle-Konzerns, Wolf-Henning Scheider, erklärte: „Die Vernetzung der Komponenten im Motor hat begonnen und wird im Nutzfahrzeug die erste Anwendung haben.“

Geht es um Reibungsverminderung, heißt es landläufig „Schmieren“. So auch bei den Motoren- und Fahrzeugherstellern, welche die Einführung von niedrigst-viskosen Motorölen beschleunigen. Sie verringern zwar weiter die Reibwiderstände, erfordern aber robustere Komponenten. So etwa Kolbenringe mit Plasmapolymer-Beschichtung aus amorphem Kohlenstoff – „Diamond-like Carbon“ (DLC)-Beschichtung – in Kombination mit Zylinderlaufbuchsen, deren Oberfläche durch die „Stratum Honung“ von Mahle über den Laufweg des Kolbens unterschiedlich gehont sind. So wird in den Zylinderlaufbuchsen die Ölhaltefähigkeit in den Umkehrpunkten der Kolbenringe deutlich verbessert, ohne Nachteile beim Ölverbrauch. Auch können verkleinerte Kontaktflächen von mechanischen Reibpartnern, zum Beispiel zwischen Kolbenringen und Zylinderlaufbuchse, und die weiter optimierte Oberflächenmikrogeometrie für eine dauerhaft niedrige Reibung, hohe Robustheit und niedrigen Verschleiß sorgen, betonte Pfeifer. „Diese Maßnahmen ermöglichen den Einsatz niedrigst-viskoser Motoröle und gewährleiste eine Motorlebensdauer bis 2,4 Millionen Kilometer im schweren Güterverkehr“, ergänzte der Mahle-Produktentwickler für Motorsysteme.

Wälzlager ersetzen Gleitlager

Die „Low-friction“-Beschichtungen, also solche für geringste Reibung, bedingen auch die Absprache von Motoringenieuren und den Herstellern der Additive, welche in den niedrigst-viskosen Motorölen stecken. Denn die DLC-Oberflächen der Reibpartner müssen das Öl mögen, es muss ein durchgängiger Schmierfilm gewährleistet sein und unter keinen Umständen darf Mischreibung entstehen, also das zwischen zwei aufeinander gleitenden Flächen keine ausreichende Schmierung besteht. Im Fahrzeugbetrieb heißt das, wer nicht das vom Lkw-Hersteller vorgeschriebene Motoröl nachfüllt, spielt va banque. Im Einsatz von Stahlkolben sieht Mahle noch weitreichendere Vorteile. Gegenüber Aluminiumkolben hätten sie tendenziell ein konstanteres Spiel zur Laufbuchse über der Temperatur und sicherten somit eine reibleistungsoptimalere Auslegung. Lasergeschweißte Stahlkolben ermöglichen laut Pfeifer eine verringerte Kompressionshöhe – etwa 15 mm für eine Zylinderbohrung von 130 mm – die sich entweder dafür eignet, um durch ein längeres Pleuel die Kolbenseitenkraft zu verringern, oder die Motorblockhöhe um 15 mm zu kürzen. Bei einem typischen Nutzfahrzeug-Sechszylinder-Reihenmotor entspreche das einem um 15 Kilogramm leichteren Motor.

Wälzlager auf Nockenwellen werden in Nutzfahrzeugmotoren die Gleitlager ersetzen, so Mahle. Das werde neue Potenziale erschließen, weil zusätzlich zur verringerten Reibung auch der Druckölbedarf für die vormaligen Gleitlager der Nockenwelle entfällt. Darüber hinaus ermögliche die verschleißfreie Wälzlagerung Start-Stopp-Anwendungen beim Nutzfahrzeug. Weil ebenso der Ölkanal zu den Gleitlagern entfällt, werde zudem die Zylinderkopfkonstruktion vereinfacht. Nur wie sind die Fortschritte der Reibungsreduzierungen zu validieren? Mahle hat 2015 einen hochpräzisen Reibleistungsprüfstand in Betrieb genommen, mit dem einzelne Maßnahmen und die systemischen Auswirkungen insgesamt bewertet werden können. Jetzt laufen die Messungen, deren riesiger Aufwand Pfeifer scherzhaft mit der Gewichtsmessung einer Fliege verglich: Man wiege die Masse des Elefanten mit aufsitzender Fliege, die des Elefanten ohne Fliege und subtrahiert dessen Masse – schon ist das Fliegengewicht ermittelt.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 10 Bildern

Ölpumpe bedarfsgerecht antreiben

Neben der Reibungsminderung ist ein weiterer Schwerpunkt die Reduktion der Ölpumpenleistung. Wird die Ölpumpe möglichst selten und bedarfsgerecht betrieben, trägt dies dazu bei, dass der Kraftstoffverbraucht sinkt. Mahle ermittelte, dass ihre Nutzfahrzeug-Motorkomponenten dazu einen wichtigen Beitrag leisten, indem sie über einen reduzierten Schmier- und Kühlölbedarf verfügen. Etwa durch den Entfall der Druckölschmierung und die verbesserte Kolbenkühlung über Geometrie und Wärmedämmschicht. In Summe ermöglichen die Maßnahmen an den Motorkomponenten, dass die Ölpumpe kleiner ausfällt beziehungsweise ihr Leistungsbedarf sinkt, sodass bei einem Nutzfahrzeug bis 0,3 Prozent weniger CO2-Emissionen entstehen. Durch den gesamtsystemischen Ansatz ergebe sich laut Pfeifer bei schweren Nutzfahrzeugen ein Potenzial, den Kraftstoffverbrauch bis drei Prozent zu senken – das überbiete die Summe der Einzelmaßnahmen.

Die weltweit erste regelbare Pendelschieber-Ölpumpe für Nutzfahrzeuge von Mahle trägt zur Effizienzsteigerung bei. Ihr Serienstart ist 2018 avisiert. Mit ihr sinkt laut Dr. Falko Schwörer, Leiter Produktsegment Flüssigmanagementsysteme, je nach Regelstrategie der Kraftstoffverbrauch bis 1,5 Prozent. Mit der Pendelschieber-Ölpumpe werden Druck und Volumenstrom bedarfsgerecht erzeugt und die dazu erforderliche Leistungsaufnahme auf ein Minimum gesenkt. Wird die regelbare Ölpumpe mit dem modularen Ölfiltermodul kombiniert, so verspricht Mahle, dass im Ölkreislauf ein weiteres Potenzial zur Kraftstoffeinsparung erschlossen werden kann. Das Ölfiltermodul für schwere Nutzfahrzeuganwendungen verfügt über eine Funktionsintegration auf der Öl- wie auf der Kühlmittelseite bei einem minimalen Bauraumbedarf. Neben dem Kühlmittel- und Ölthermostat ist die regelbare Visco-Kühlmittelpumpe von Mahle in das Modul integriert. Mit den beiden Thermostaten lassen sich Wasser- und Ölkreislauf bedarfsgerecht regeln. Zu den Neuentwicklungen zählt auch ein Ölkühler aus legiertem Edelstahl, der 2021 in die Serie starten soll. Er zeichnet sich durch eine sehr hohe Leistungsdichte aus und spart bei gleicher Leistung 50 Prozent Gewicht und 20 Prozent Bauraum.

Elektrische Systeme für Nutzfahrzeuge

Zu effizienten Nutzfahrzeugen gehören elektrische Antriebssysteme. In dem neu gegründeten Geschäftsbereich Mechatronik bündelt Mahle jetzt die Sparten elektrische Aktuatoren, Nebenaggregate und elektrische Antriebe. Bereits heute entwickelt und produziert das Unternehmen elektrische Antriebs- und Mechatroniksysteme für Land- und Baumaschinen, Nutzfahrzeuge, Flurförderfahrzeuge, elektrisch angetriebene Transportfahrzeuge sowie für Pkw-Anwendungen. Insbesondere bei leichten Nutzfahrzeugen und Logistikanwendungen ist Mahle laut eigenen Angaben bereits heute der Marktführer für elektrische Antriebssysteme und will diese Position auch im Nutzfahrzeugbereich weiter ausbauen. Der Mahle-Konzern hat rund 76.000 Beschäftigte, darunter 6.000 Ingenieure und Techniker die an 15 großen Entwicklungsstandorten, neben Deutschland in Brasilien, China, Großbritannien, Indien, Japan, Luxemburg, Slowenien und in den USA, arbeiten. Der Konzern erwirtschaftete an mehr als 170 Produktionsstandorten in 34 Ländern im Jahr 2015 einen Umsatz von rund 11,5 Milliarden Euro.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 44098889)

Über den Autor