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Systemkompetenz als Schlüssel: Continental stellt weiteres Optimierungspotenzial beim Ottomotor vor

May 7, 2015

  • Sowohl bei Otto-Saugmotoren als auch bei -Direkteinspritzern lässt sich die thermodynamische Effizienz weiter steigern
  • Motorischer Nachweis von weiterer Kraftstoffeinsparung durch Kombination aus Miller-Zyklus und Niederdruck-AGR, RAAX ® Turbolader-Technologie und neuen Injektoren
  • Elektrifizierung ab 48 V ermöglicht intelligente Fahrstrategien in Volumenmodellen und erhöht so signifikant die Effizienz der Fahrzeugflotten

Regensburg/Wien, 7. Mai 2015. Der internationale Automobilzulieferer Continental berichtet auf dem 36. Internationalen Wiener Motorensymposium über weitere Potenziale für noch sparsamere Ottomotoren. Um künftige Abgasgesetzgebungen und CO2-Grenzwerte einhalten zu können, muss der innermotorische Wirkungsgrad weiter steigen. „Da der Benzinmotor weltweit der am stärksten verbreitete Antrieb im Pkw ist und auf absehbare Zeit auch bleiben wird, wirkt sich hier jeder Fortschritt potenziell in großem Maßstab aus. Das gilt gleichermaßen für den Motor mit Saugrohreinspritzung sowie für den Direkteinspritzer“, sagte José Avila, Leiter der Division Powertrain und Mitglied des Vorstands bei Continental. „Die zentrale Herausforderung an die Automobilindustrie besteht darin, einerseits immer effizientere Fahrzeuge zu entwickeln und diese andererseits attraktiv fahrbar zu machen. Mit unserem Selbstverständnis eines der führenden Technologieunternehmen steuern wir vielfältige Innovationen dazu bei.“

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In Wien stellt Continental weiterentwickelte Technologien vor, um die Effizienz der Ottomotoren weiter zu verbessern: Das gezeigte Technologie-Paket bestehend aus spätem Schließen der Einlassventile (Miller-Zyklus) in Verbindung mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und Niederdruck-Abgasrückführung (AGR). Anhand einer gezielten Optimierung des Radialverdichters und Einsatz der von Continental entwickelten radial-axialen Turbinentechnologie (RAAX ) wird nachgewiesen, dass moderne Turboladersysteme die Nachteile eines Miller-Verfahrens auch mit konventionellen einstufigen Aufladesystemen kompensieren können. Um den Verbrennungsprozess selbst weiter zu optimieren, arbeitet der Automobilzulieferer an neuen Hochdruckinjektoren in Testmotoren. „Um die für das Jahr 2020 in Europa festgelegten CO2-Ziele zu erreichen, wird es vor allem in den mittleren bis höheren Fahrzeugsegmenten auch einen steigenden Anteil bei der Hybridisierung mit elektrischem Antrieb ab 48 V geben. Über die größtmögliche Fahrzeugeffizienz wird zukünftig noch stärker die Systemkompetenz für alle Effizienzbausteine entscheiden“, so Avila weiter.

Vielfältige CO2-Technologien

Eines der Ziele bei der innermotorischen Optimierung ist die Verbesserung der Verbrennungsschwerpunktlage im klopfbegrenzten Lastbereich des Ottomotors. Continental erreicht dies in einem aufgeladenen 1,0 l Motor mit spätem Einlassventilschließen und gekühlter Niederdruck-Abgasrückführung und erzielt damit einen Verbrauchsvorteil von 3-6 g Kraftstoff je kWh. Für die Aufladung des Motors sorgt ein Continental-Turbolader mit radial-axialer Turbinentechnologie (RAAX). Sie verbessert bei der Miller-Strategie die Fahrbarkeit, da ein Turbolader mit RAAX-Turbine im Vergleich zur konventionellen Turbine im Serienturbolader bereits bei kleinerer Motordrehzahl einen höheren Ladedruck und damit der Motor ein höheres Drehmoment erreicht. Continental arbeitet darüber hinaus an mehrstufigen Aufladekonzepten, die einen weiteren Turbolader oder aber einen e-Kompressor nutzen. Damit kann das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors weiter signifikant verbessert werden, wodurch Leistungsabgabe und Fahrbarkeit attraktiver werden. Da der Großteil der schädlichen Emissionen eines modernen Ottomotors in der Kaltstart- und Warmlaufphase entsteht, präsentiert Continental zudem ein dynamisches Wärmemanagement, das die Warmlaufzeit eines Motors im NEFZ (Neuer Europäischer Fahr-Zyklus) wesentlich verkürzen kann. Die Steuerung der Kühlmittelflüsse ist insbesondere auch für die Hybridisierung wichtig, um bei Hybridfahrstrategien wie Coasting (Verbrenner abgestellt und entkoppelt) die Wärme im Kühlungssystem des Motors zu halten. Auch der integrierte elektrisch beheizte Katalysator unterstützt Motor-aus-Strategien: Das schnelle elektrische Aufheizen des Katalysators ermöglicht den Verzicht von Kraftstoffzufuhr für das Kat-heizen und verhindert zusätzlichen Verbrauch und HC (Kohlenwasserstoff) - Emissionen beim Wiederstart des Verbrenners, die sonst durch die noch nicht erreichte Betriebstemperatur im Katalysator freigesetzt würden.

Einspritzung und Steuerung für mehr Effizienz

Sowohl im Motor mit Saugrohreinspritzung (PFI / Port Fuel Injection) als auch im DI - Ottomotor (DI / Direct Injection) ist die Kraftstoffeinspritzung für einen hohen Wirkungsgrad entscheidend. Die neuen Deka 10 Einspritzventile für Saugrohreinspritzer haben eine größere Spreizung zwischen kleinstem und größtmöglichem Durchfluss, wichtig für Motoren höherer Leistung sowie Turbomotoren. Deka 10 Injektoren ermöglichen kleinere Tröpfchengrößen, was zu einer besseren Gemischbildung und somit Verbesserung der Verbrennungseffizienz führt. Auf dem Feld der innermotorischen Optimierung mit Benzindirekteinspritzung berichtet Continental in Wien über Potenziale, die an einem 1,8 l Testmotor ermittelt wurden.

Durch Erhöhung des Einspritzdrucks von 250 auf 350 bar bei den neuen XL5 Injektoren mit optimiertem Spritzlochdesign sowie der GHP 2.5 Hochdruckpumpe (Gasoline High Pressure / GHP) ließ sich der Ausstoß an Partikeln im Abgas verbrauchsneutral um 80 % senken. Damit wird ein Beitrag zu einer der vordringlichen Aufgabenstellungen bei DI-Motoren geleistet.

Parallel zur Variabilität im Ventiltrieb und der Niederdruck-Abgasrückführung steigen die Freiheitsgrade in der Motorsteuerung. Im Umkehrschluss kann das eine starke Zunahme der Kennfeldanzahl bewirken. Um den Speicherbedarf und den Kalibrierungsaufwand zu  begrenzen, entwickelt Continental seine Motorsteuerungs- und Antriebsstrang-Systemplattform EMS3 für Mehrkern-Prozessoren weiter. Diese haben die Fähigkeit, leistungsfähige Polynom-Modelle, beispielsweise für das Millisekunden-präzise Einspritzverhalten des Motors, in Echtzeit zu berechnen.

48 Volt Eco Drive: Elektrifizierung in Stückzahlen

Die Hybridisierung bildet eine ideale Ergänzung zur Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors und bietet weiteres Potenzial zur Emissionsreduzierung. Durch Rekuperation steht Energie für effiziente Fahrstrategien und für die elektrische Unterstützung des Verbrennungsmotors zur Verfügung. Mit dem Continental 48 Volt Eco Drive System beispielsweise wurden so bis zu 21 % Verbrauchsersparnis im innerstädtischen Betrieb gemessen. Wegen des guten Kosten-Nutzen-Verhältnisses der 48 Volt Architektur rückt eine Hybridisierung für Volumenmodelle der C- und D-Segmente in greifbare Nähe. Der erste 48 Volt Eco Drive Serienanlauf in Europa ist für 2016 vereinbart. Weitere Serienaufträge aus USA und Asien liegen bereits vor. Prognosen des Automobilzulieferers besagen, dass bis zum Jahr 2025 rund 20 % aller Neufahrzeuge über eine Elektrifizierung im Antrieb verfügen werden, nahezu die Hälfte davon über ein 48 Volt System.

Intelligente Fahrstrategien durch Vernetztes Energiemanagement 
 

Während eine Motorsteuerung heute ausschließlich auf die Signale der Fahrzeugsensoren angewiesen ist, werden sich in Zukunft auch Informationen von externen Quellen wie anderen Fahrzeugen oder einer Cloud, nutzen lassen.

Durch die Vernetzung des Antriebsstrangs mit der Cloud wird ein vernetztes Energiemanagement möglich, das dem Endkunden bei der Verbrauchsreduktion einen signifikanten Mehrwert bietet. Bei Hybridfahrzeugen trägt das zur Optimierung des Antriebsmanagements bei, während Elektrofahrzeuge ihre Reichweite werden verbessern können.

Die Basis dafür bilden Echtzeit-Verkehrs- und Streckendaten sowie beispielsweise Ampelphasen. Fahrzeuge mit Connected Energy Management werden vorausschauend entscheiden, zu welchem Zeitpunkt der Motor abgeschaltet werden kann, ohne damit den Verkehrsfluss oder die Fahrdauer negativ zu beeinträchtigen. Erste Versuchsfahrzeuge befinden sich bereits in der Testphase.