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Powertrain Mahle-Techniktag: Entwickeln in zwei Welten

| Autor / Redakteur: Wolfgang Pester / Thomas Günnel

Das eine tun ohne das andere zu lassen – der elektrifizierte Antriebsstrang fordert Automobilzulieferer doppelt: am Verbrennungsmotor und bei der Elektromobilität. Mahle zeigte beim Techniktag seine aktuellen Entwicklungen aus beiden Welten.

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Der elektrifizierte Antriebsstrang fordert Automobilzulieferer doppelt. Mahle zeigte beim Techniktag seine aktuellen Entwicklungen aus beiden Welten.
Der elektrifizierte Antriebsstrang fordert Automobilzulieferer doppelt. Mahle zeigte beim Techniktag seine aktuellen Entwicklungen aus beiden Welten.
(Bild: Mahle)

„Auf dem Gas bleiben“ will Mahle beim Verbrennungsmotor, verdeutlichte Wolf-Henning Scheider, Vorsitzender der Geschäftsführung und CEO des Mahle-Konzerns beim Techniktag des Unternehmens Ende Mai in Stuttgart. Er beruft sich damit auf Studien zur Elektromobilität: Ein Basisszenario rechne im Jahr 2030 global mit einem Absatz von zehn Prozent Pkw mit batterieelektrischem Antrieb (BEV), ein scharfes Szenario dagegen mit 30 Prozent. Bei einem prognostizierten Pkw-Produktionsvolumen für das Jahr 2030 von 120 Millionen Pkw wären das maximal 36 Millionen BEV – aber immerhin noch 84 Millionen Fahrzeuge, die einen Verbrennungsmotor im Antrieb haben. Zum Vergleich: Im Jahr 2016 soll der Pkw-Weltmarkt laut des Verbands der Automobilindustrie e.V. (VDA) um vier Prozent auf rund 81,6 Millionen Fahrzeuge gewachsen sein – darunter laut der Wirtschaftswoche rund 870.000 Elektroautos – das sind etwas mehr als ein Prozent BEV.

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Die Zulieferer müssen in beiden Welten entwickeln, also die E-Mobilität fortführen und weiter die Verbrennungsmotoren optimieren. Mahle will entsprechend die Investitionen in Forschung und Entwicklung (F&E) weiter steigern: rund drei Viertel sollen in die Forschung und Vorausentwicklung der Elektromobilität fließen. Weitere F&E-Mittel sind vorgesehen für Projekte bei Verbrennungsmotoren, die in der Serienentwicklung weit fortgeschritten seien. So hat der Zulieferer neue Techniken entwickelt, die die Reibung bei Kolben, Bolzen, Kolbenringen und Zylinderlaufbuchsen reduzieren und vermeiden, dass Öl in den Brennraum gelangt – bei Ottomotoren soll das zu bis zu sechs Prozent geringeren CO2-Emission führen – und das nach dem WLTC-Prüfzyklus (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle), der ab 1. September 2017 obligatorisch sein wird.

Viele kleine Schritte

Im Herzstück des Motors, der PCU, mit Kolben, Kolbenringen und Kolbenbolzen, werde direkt eine CO2-Reduktion bis rund 2,5 Prozent erzielt: durch optimierte Spielgestaltung, reibungsarme Oberflächen und kleinere Reibkontaktflächen. Basis dafür ist eine wasserstofffreie diamantähnliche Kohlenstoffschicht, DLC (Diamond-like Carbon), für Ringe und Bolzen, die auch bei hohen Zylinderverzügen niedrigste Ölemissionen garantiert. So verbessere etwa die neue Generation Ölabstreifringe „U-Flex“ die Rohemissionen direkt – außerdem sinke die Anzahl und Masse der Partikel wegen der reduzierten Partikelrohemissionen und der Ölasche erheblich. Gleichzeitig arbeiten die neuen Motorkomponenten mit niedrigviskosen Ölen und entlasten den Ölkreislauf, weil die Kolben weniger Kühlöl benötigen. Das führt bei einer in jedem Betriebspunkt optimal geregelten Ölpumpe zusätzlich zu einem geringeren Verbrauch – vor allem im realen Betrieb.

Es sind kleine Schritte, erst die Summe der Optimierung bei allen Komponenten verringert die CO2-Emissionen wesentlich. Eine hochgenaue, steuerbare sogenannte Tumble-Klappe, voll integriert im Luftansaugsystem eines Ottomotors, reduziert den Ausstoß um ein Prozent. Ihre variablen Öffnungswinkel sichern die optimale Luftströmung im Verbrennungsraum bei unterschiedlichen Betriebszuständen – so sind höhere AGR-Raten möglich. Das Alleinstellungsmerkmal der seit August 2016 als Weltneuheit in Serie gefertigten Klappe ist ihre Kontrolle durch das On-Board-Diagnosesystem (OBD).

Bis zwei Prozent weniger CO2 verspricht Mahle, wenn im Pkw mit Verbrennungsmotor das Modul „Flüssigkeitsmanagement“ eingesetzt wird. Selbst im Elektrofahrzeug soll das Modul die Systemarchitektur vereinfachen. Das Modul ist die Kombination aus elektrischer Kühlmittelpumpe (12 Volt oder 48 Volt) und Kühlkreisregelung – es steuert mit einer Pumpe mehrere Kreisläufe bedarfsgerecht und aktiv. Die Vorteile laut Mahle: kurze Aufwärmphasen beim Kaltstart des Verbrennungsmotors, die schnelle Regelung der Kühlmittelströme und die Steuerung mehrerer Kreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus für diverse Komponenten.

Komplexes Thermomanagement

Neben dem Flüssigkeitsmanagement reduziert auch das Ölmanagement bei Hybridantrieben den Kohlendioxid-Ausstoß um bis zu ein Prozent. Das entsprechende Modul integriert elektrische Ölpumpe, Ölthermostat, Temperatur- und Drucksensoren sowie das Entschäumkonzept in einer Komponente. Das Öl kann sich so schnell erwärmen und das Automatikgetriebe und den E-Motor optimal schmieren. In Hybridanwendungen kann so beispielsweise die Abwärme des E-Motors dazu dienen, die Temperatur des Verbrennungsmotors in kritischen Situationen im geforderten Temperaturfenster zu halten.

Die Kühlung des Antriebstrangs hat sich mehr und mehr zum komplexen Thermomanagement gewandelt – weil die Anforderungen an Verbrauch, Emission und Innenraumkomfort gestiegen sind und die Elektrifizierung des Antriebsstrangs stark zunimmt. Die Hauptaufgabe des Thermomanagements besteht darin, optimale Medientemperaturen bedarfsgerecht bereitzustellen. Beim Pkw mit Verbrennungsmotor sind die Kreisläufe rein luftseitig gekoppelt. Beim Elektroauto entstehen neue, vielfach miteinander gekoppelte Regelsysteme, weil dort unter anderem auch die Lithium-Ionen-Batterie temperiert werden muss.

Der Kältekreislauf des Klimasystems wird im Plug-in-Hybrid (PHEV) mit dem Antrieb durch Verbrennungs- und Elektromotor zum Bestandteil des fahrzeugübergreifenden Thermomanagements. Beim PHEV müssen bis zu fünf teilweise gekoppelte Kreisläufe auf unterschiedlichen Temperaturniveaus bei gleichzeitig enger Temperaturspreizung situationsbedingt und schnell geregelt werden. Im batteriegetriebenen Elektroauto (BEV) reduziert sich zwar die Zahl der Kreisläufe, jedoch verliert der Antriebsstrang die wichtigste Wärmequelle – den Verbrennungsmotor. Im Winter stellt dies insbesondere die komfort- und sicherheitsrelevante Innenraumtemperierung vor neue Herausforderungen.

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Der Innenraumkomfort lässt sich laut Mahle zwar über einen Hochvoltheizer sicherstellen, der luft- oder kühlmittelseitig installiert wird – das aber zu Lasten der Reichweite. Denn in beiden Fällen wird die Batterie zu 100 Prozent belastet. Die von Mahle entwickelte Kühlmittel-/Kühlmittel-Wärmepumpe nutze die zwar geringe, jedoch vorhandene Abwärme von E-Motor und Leistungselektronik – jedoch lasse sich damit die Reichweite des BEV bei null Grad Celsius vergleichsweise um bis zu 20 Prozent steigern.

Das Demonstrationsfahrzeug „Meet“

Zu den Elektromobilitätskonzepten gehört bei Mahle ein 48-Volt-Traktionsantrieb. In den Synchronmotor mit im Stator eingebettetem Permanentmagneten ist die 48-Volt-Leistungselektronik integriert. Der Motor hat eine Dauerleistung von 14 kW, in der Spitze 18 kW, und ein maximales Drehmoment von 36 Nm – die Höchstdrehzahl beträgt 12.000 U/min. Im Demonstratorfahrzeug „Meet“ (Mahle efficient electric transport) übernehmen zwei der 48-Volt-Motoren und ein zentrales einstufiges Getriebe den Antrieb auf die Hinterräder. Das leichte viersitzige Fahrzeug – Höchsttempo 100 km/h – und sein Gesamtkonzept will der Konzern erstmals auf der IAA 2017 vorstellen. Besonders im städtischen Umfeld dürften künftig Fahrzeuge gefragt sein, die zugespitzt auf ihren Einsatzzweck ausgelegt sind. Das von Mahle entwickelte Fahrzeugkonzept stelle genau das dar – als Demonstrator, so Konzernchef Scheider. Eine Produktion sei keine Option.

Der Konzernumsatz des Zulieferers liegt heute im Bereich Verbrennungsmotoren etwas unter 50 Prozent – treten die eingangs genannten Prognosen ein, werden es rund 30 Prozent sein – die aber mindestens dem Umsatzwert von heute entsprächen. Denn der Pkw-Markt wachse, und Hybrid- und Plug-in-Antriebe bräuchten Verbrennungsmotoren, die wiederum stark optimiert würden.

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