Bild 1: Neben der Dieselthematik ging es in Wien auch in diesem Jahr wieder vor allem um Elektromobilität.

Bild 1: Neben der Dieselthematik ging es in Wien auch in diesem Jahr wieder vor allem um Elektromobilität. (Bild: ÖVK/Doris Kucera)

Bild 1: Neben der Dieselthematik ging es in Wien auch in diesem Jahr wieder vor allem um Elektromobilität.

Bild 1: Neben der Dieselthematik ging es in Wien auch in diesem Jahr wieder vor allem um Elektromobilität. ÖVK/Doris Kucera

Die Automobilindustrie, die deutsche zuvorderst, fährt derzeit augenscheinlich in ruppigem Gelände. Öffentliche Auftritte bereiten da nicht nur Vergnügen. Vielleicht auch deshalb mochte bei der 39. Auflage des Wiener Motorensymposiums ganz entgegen sonstiger Gewohnheit kein Unternehmenslenker aus der Branche die Eröffnungssektion mitgestalten.  Hochgeschreckt durch zwei Entscheidungen des Bundesverwaltungsgerichts, wonach Fahrverbote zum Zwecke der Luftreinhaltung in Düsseldorf und Stuttgart grundsätzlich statthaft sind, nahmen die Veranstalter stattdessen zum ersten Mal einen fachfremden Vortrag ins Programm: Prof. Dr. Klaus Gärditz, stellvertretender Richter am Verfassungsgerichtshof von Nordrhein-Westfalen, referierte über die Verfassungsmäßigkeit von möglichen „Dieselverboten“. Dass es sich dabei nicht um einen Schreibfehler handelte, machte seine Auseinandersetzung mit einem möglichen Verbot schon der Produktion von Dieselfahrzeugen schnell deutlich. Umweltpolitische Beschränkungen der Techniknutzung könnten unbestritten der Erreichung legitimer Gemeinwohlziele dienen, führte der Jurist aus. Daher seien die Entfaltungsmöglichkeiten der Technikhersteller und -verwender durchaus verfassungsrechtsfest begrenzbar. Auch der oft zitierte Vertrauensschutz zugunsten der Betroffenen helfe da nicht weiter. Automobileigentümer, die ihre Fahrzeuge „zur persönlichen Lebensführung benötigen“, müssten zwar grundsätzlich berechtigt sein, ihr Auto bis zum Ablauf einer durchschnittlichen Lebensdauer zu nutzen. Eine Garantie, dies überall zu dürfen, sei das aber nicht, schränkte Gärditz ein.

Ein genereller gesetzlicher Ausstieg aus der Dieseltechnologie dürfte nach Ansicht von Gärditz allerdings am Gebot der Erforderlichkeit scheitern, solange die Option bestehe, die Technologie so weiterzuentwickeln, dass substantielle ökologische Mehrbelastungen vermieden werden. „Es liegt daher im Eigeninteresse der Hersteller, realistische und überzeugende Konzepte zu entwickeln, die in angemessener Zeit die bestehenden ökologischen Probleme befriedigend lösen“, mahnte Gärditz. Anderenfalls greife der Gesetzgeber irgendwann doch durch. Dieser wiederum sei gut beraten, von Radikallösungen Abstand zu nehmen. „Die Zukunft hat schon manche Überraschung gebracht, und auch der Dieselmotor könnte noch sein Comeback erleben“, schloss der Verfassungsrechtler seine Expertise doch noch mit Balsam für die geplagte Seele der gestandenen Dieselmotorenentwickler.

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„Zero Impact Emission“ ist machbar

Helmut List, Vorsitzender der AVL-List-Geschäftsführung, stützte das Plädoyer des Juristen. „Der Otto- und Dieselmotor hat schon mittelfristig ein reales Potential zu Zero Impact Emission“, sagte List. Deshalb könne man es sich nicht leisten, den Verbrenner zu disqualifizieren. Zudem verringere der fällige Übergang von einer Tank-to-Wheel zu einer Well-to-Wheel-Betrachtung den Hebel der elektrifizierten Antriebe zur Senkung des CO2-Ausstoßes in der Flotte deutlich und schmälere vor allem die Attraktivität von Plug-In-Hybriden (PHEV).

Bild 2: Ein ausgeklügeltes Kühlkonzept steigert die Leistungsfähigkeit der E-Maschine von Audi bei hoher Belastung.

Bild 2: Ein ausgeklügeltes Kühlkonzept steigert die Leistungsfähigkeit der E-Maschine von Audi bei hoher Belastung. Audi/Missler

Dass ein großer Schritt in Richtung „Zero Impact“ selbst unter den widrigen Verkehrsverhältnissen am Stuttgarter Neckartor jetzt schon möglich ist, zeigte Dr. Andreas Kufferath; er leitet bei Bosch die Entwicklung von Antriebsstrangtechnologien. Die Messstation „Am Neckartor“ weist deutschlandweit die höchsten Werte für Partikel- und NOx-Immissionen aus. Die Bosch-Entwickler haben nicht nur diesen „schwierigen“ Messpunkt in ihren Straßentest integriert, sondern einen eigenen, besonders anspruchsvollen Fahrzyklus namens Challenge Cycle definiert, der hinsichtlich der NOx-Emissionen höchste Anforderungen an das Rohemissionsverhalten des Motors und dessen Abgasnachbehandlung simuliert. Als Vergleich dazu wird auf der Rolle auch der „Transport-of-London“-Zyklus nachgefahren.

Die dritte Testkonstellation besteht in einem weiteren Bosch-eigenen, echten Fahrzyklus („Stuttgart Urban“), bei dem die Emissionen auf der Straße gemessen werden. Den Ausführungen von Dr. Kufferath zufolge bietet dessen kurze Gesamtstrecke (16 km) relativ wenige Möglichkeiten, die Startemissionen zu verteilen, während die Gefällstrecken den Antriebsstrang schnell abkühlen lassen; umgekehrt führen die Steigungsstrecken zu einem relativ hohen Abgasstrom. Getestet wurde mit einem aufgeladenen 1,7-l-Kompaktklasse-Fahrzeug, Leistung 110 kW, maximales Drehmoment 340 Nm. Das Einspritzsystem arbeitet mit Magnetventilen und einem Systemdruck von 2 200 bar. Das Kennfeld war „auf günstigen Kraftstoffverbrauch und moderat niedrige NOx-Rohemissionen ex Motor“ optimiert.

Dr. Kufferath betonte bei der Präsentation der Werte für den „Stuttgart Urban Cycle“ gleich mehrmals, dass die Messergebnisse, die selbst bei Konformitätsfaktor 1 (cf 1) noch unterhalb der Euro-6d-final-Grenze von 80 mg/km liegen, ohne zusätzliche oder gar neu entwickelte Komponenten erzielt wurden. Den Adblue-Verbrauch bezifferte er mit unter 1 l/1 000 km. „Entscheidend sind ein Motor mit niedrigen Rohemissionen und ein optimal abgestimmtes Temperaturmanagement“, resümierte der Motorenexperte. Ziel müsse sein, die Temperatur der Katalysatoren möglichst durch motorische Maßnahmen schnell anzuheben und dann das Abgassystem dauerhaft warm zu halten.

Welche Auswirkungen eine Fahrzeugflotte, die mit Otto- und Dieselmotoren nach Euro 6d ausgestattet ist, auf die Immissionen an der Messstelle „Am Neckartor“ haben würde, hat die auf solche Simulationen spezialisierte Aviso GmbH in einem aufwändigen Verfahren im Auftrag von Bosch untersucht (Szenario B). Im Szenario C wurde eine Flotte an Otto- und Dieselfahrzeugen unterstellt, die nicht mehr als jeweils 10 mg/km NOx emittieren. Diese „Grenzpotenzial-Betrachtung“, wie Dr. Kufferath es nannte, sei gerechtfertigt, weil dieses Niveau auch beim Diesel technisch erreichbar sei. „Bei diesem Entwicklungsstand entfällt dann nur noch 1 Mikrogramm vom Gesamtaufkommen an NOx pro Kubikmeter Luft auf den Diesel-Pkw, selbst beim Szenario B sind es nur 7 Mikrogramm“, lautete sein Fazit.

Auf der nächsten Seite geht es darum, warum OEM am Dieselmotor festhalten.

OEM halten am Dieselmotor fest

Von solchen Werten sind die jetzt in Serie gehenden Aggregate zwar noch entfernt. Doch selbst Hochleistungsmotoren haben den Zielbereich schon in Sichtweite, wie Franz Steinparzer, Leiter der Dieselmotorenentwicklung von BMW Steyr, anhand des neuen 3,0-l-Sechszylinders zeigte. Der Selbstzünder leistet 240 kW und wuchtet im Hochplateau 680 Nm auf die Kurbelwelle. Dazu setzt BMW nach Angaben von Steinparzer als erster Serienhersteller weltweit erstmals ein zweistufiges Aufladesystem ein, bei dem beide Abgasturbolader über eine variable Turbinengeometrie verfügen. Die Verstellung an der Turbine führen elektrische Steller aus, die zentrale Hauptregelklappe wird dagegen aufgrund der hohen Stellkräfte pneumatisch betätigt.

Ein Schwerpunkt der Entwicklung bildete natürlich das Abgassystem. Es ist laut Steinparzer Dreh- und Angelpunkt sowohl für die hohen Leistungs- und Drehmomentwerte als auch für die niedrigen Emissionen. Die Konfiguration besteht aus einem in ein Gehäuse gepackten NOx-Speicherkat und Dieselpartikelfilter, ergänzt um einen großvolumigen SCR-Katalysator mit Ammoniak-Schlupfkatalysator. Vor allem im Temperaturmanagement steckt viel Feinarbeit. So ist das Hochdruck-AGR-System einerseits auf hohe Kühlleistung ausgelegt, andererseits kann die Abgaskühlung über einen Bypasskanal kennfeldgesteuert reduziert oder ganz unterbunden werden. Im Ergebnis erfüllt der Motor die Euro-6d-temp-Stufe 1 (168 mg/km) unter allen RDE-Betriebsbedingungen sicher in weiten Teilen auch die Stufe 2 (120 mg/km). Eingesetzt wird das Aggregat zunächst im X4 M40d.

Bild 3: Volkswagen baut weiter auf den Dieselmotor und erweitert ihn im ersten Schritt um einen Starter-Generator mit Mild-Hybrid-Funktionen.

Bild 3: Volkswagen baut weiter auf den Dieselmotor und erweitert ihn im ersten Schritt um einen Starter-Generator mit Mild-Hybrid-Funktionen. Volkswagen

Auch Volkswagen wird auf den Dieselantrieb nicht verzichten – auch nicht in der Kompaktklasse. Da eine SCR-basierte Abgasreinigung ohnehin unverzichtbar ist, nehmen die Motorenentwickler um Markus Köhne, Leiter Grundentwicklung Dieselmotoren und Baukasten, die 1,4-l- und 1,6-l-Varianten aus dem Programm. Künftig gibt es nur noch ein Zweiliteraggregat (EA288 evo), ausgeführt in zwei Leistungsklassen: von 100 bis 120 kW (LK 1) und von 120 bis 150 kW (LK 2). Sie unterscheiden sich lediglich in der Aufladung, Gemischaufbereitung, Kühlung, Kolbengruppe (LK 1 mit Stahlkolben, LK 2 mit Alu-Kolben) und im Kurbeltrieb.

Beide Leistungsklassen arbeiten mit einem Einspritz-Systemdruck von 2 200 bar und 8-Loch-Magnetventil-Injektoren. Für einen Vierzylinder besonders aufwändig ist das Kühlsystem. Es besteht aus zwei getrennten Kreisläufen (Hoch- und Niedertemperatur) und einer getrennten Kopf-Block-Kühlung. Abhängig von den Systemzuständen des Thermomanagements werden die Teilkreisläufe ab- und zugeschaltet beziehungsweise geregelt. Zentrales Bauteil im Hochtemperaturkreis ist ein elektrisches Kühlmittelverteilmodul.

Insgesamt können vier Betriebszustände geschaltet werden: zwei Warmlaufphasen, der Regelbetrieb sowie der Start-Stopp-Modus. Nach Angaben von Köhne sinkt der CO2-Ausstoß des EA288 evo gegenüber dem Vorgängermotor um bis zu zehn Prozent, während Leistung und Drehmoment um bis zu neun Prozent zulegen. Die neue Baureihe kommt zunächst bei Audi (längs eingebaut) und in Verbindung mit einer neu entwickelten Mild-Hybrideinheit auf 48-V-Basis zum Einsatz, später auch im VW Golf.

Daimler führte bereits im vergangenen Jahr völlig neu entwickelte Vier- und Sechszylinder-Dieselmotoren auf dem Markt ein. Aus dem in zwei Leistungsstufen angebotenen Zweiliter-Vierzylinder OM 654 D20 wird nun eine 1,6-l-Einstiegsvariante (OM 654 D16) abgeleitet. Sie ersetzt den betagten Kooperationsmotor mit gleichem Hubraum. Auch der jüngste Ableger tritt in zwei Leistungsklassen an (90 und 118 kW). Die stärkere Variante erreicht mit einem maximalen Drehmoment von 360 Nm zwischen 1 600 und 2 600 U/min nach Aussage von Dr. Markus Kemmer „neue Bestwerte für einstufig aufgeladene Motoren in diesem Hubraumsegment“; Kemmer leitet bei Daimler die Vierzylinder-Dieselmotorenentwicklung.

Auf der nächsten Seite sind E-Antriebe aus dem Baukasten Thema.

E-Antriebe aus dem Baukasten

Gerade angesichts ihrer hohen Marktanteile in den oberen Segmenten kommen die deutschen Autobauer jedoch am Elektroantrieb nicht vorbei. Die Vorbereitungen für den großen Roll-out laufen auf Hochtouren. Audi hat einen batterieelektrischen Antriebsbaukasten entwickelt, der aus vier E-Maschinen besteht (Bild 2). Beide Achsen werden mit je einem Antrieb versorgt. Die Antriebe sind achsparallel oder koaxial angeordnet. Bei den E-Maschinen handelt es sich um baugleiche Asynchronmaschinen, die sich lediglich in ihrer Länge unterscheiden. Vorgesehen ist eine Leistungsspreizung von 90 bis 140 kW.

Bild 4: Für den kommenden e-tron sieht Audi je Achse eine E-Maschine vor.

Bild 4: Für den kommenden e-tron sieht Audi je Achse eine E-Maschine vor. Missler

Auch die modular aufgebaute Leistungselektronik ist als Gleichteil ausgelegt, Unterschiede werden über die Software abgebildet. Sie übernimmt unter anderem auch Fahrzeugfunktionen wie die Schwingungsdämpfung und Schlupfregelung. „Damit regeln wir Giermomente in Spähren, dass selbst gestandene Fahrwerkentwickler baff sind“, berichtete Siegfried Pint, der bei Audi die Entwicklung von elektrifizierten Antrieben leitet. An der Vorderachse kommt ein Einheitsgetriebe zum Einsatz, an der Hinterachse differenzieren sich die Getriebe stärker, bestehen aber gleichwohl aus vielen Gleichteilen. Beide Getriebe sind mit nur einem Gang ausgeführt, weil die E-Maschine optimiert wurde und mit bis zu 15 000 U/min arbeitet.

Damit auch bei diesen hohen Drehzahlen die Performance nicht in den Keller geht, haben die Entwickler nach den Ausführungen von Pint dem Feldschwächbereich der E-Maschinen besondere Aufmerksamkeit geschenkt, und damit der Kühlung der E-Maschine. Denn Leistung und Drehmoment von E-Maschinen würden stark von der Temperaturbelastung der aktiven Teile abhängen. Herzstück des elektrischen Systems ist ein Hochvoltspeicher auf 400-Volt-Basis mit einer Kapazität von 95 kWh – eine Audi-Eigenentwicklung, wie Pint betonte. Die Lithium-Ionen-Batterie wird im Audi-Werk Brüssel gefertigt und soll im angekündigten, als SUV konzipierten Audi e-tron für eine Reichweite von rund 500 Kilometer sorgen. Geladen werden kann der Akku mit einer Ladeleistung von bis zu 150 kW. Das „Projektziel“ laute, so Pint, „80 Prozent laden in 30 Minuten“.

Baukasten bei BMW

Auch bei BMW steht die Entwicklung eines multifunktionalen Baukastens im Zentrum aller Überlegungen zur Elektromobilität. Ein entscheidendes Kriterium für den unternehmerischen Erfolg auf diesem Gebiet seien die Kosten, sagte Stefan Juraschek, Hauptabteilungsleiter Entwicklung elektrische Antriebe bei BMW. Bei einem geplanten Jahresvolumen ab 2025 von „500.000 bis 600.000 Einheiten“ (BEV und PHEV) komme es darauf an, dass die E-Achse unabhängig von der installierten Leistung „in jedes Modell passt“.

Bild 5: BMW setzt auf hoch­integrierte Antriebsmodule und skalierbare Ladeeinheiten

Bild 5: BMW setzt auf hoch­integrierte Antriebsmodule und skalierbare Ladeeinheiten BMW/Missler

Die gesamte elektrische Antriebseinheit besteht bei BMW nach seinen Ausführungen aus den Komponenten E-Maschine, Leistungselektronik und Getriebe, die in ein Gehäuse integriert werden. Wie bei Audi verfügt das Getriebe nur über einen Gang, dafür wird die Leistungsentfaltung der E-Maschine forciert; sie dreht ebenfalls mit bis zu 15.000 U/min. BMW arbeite intensiv daran, Dauerleistung und -drehmoment „signifikant“ zu steigern. In Bezug auf die Leistungsdichte sieht Juraschek ein Potenzial von 40 Prozent. Dies zu heben sei auch deshalb interessant, weil dadurch bei sonst gleichen Vorgaben der Akku kleiner dimensioniert werden könne. Weitere Entwicklungsschwerpunkte seien, die EMV zu verbessern und vor allem die Akustik in den Griff zu bekommen. BMW habe dafür Simulationsverfahren entwickelt, die in ihrer Qualität im Wettbewerbsumfeld „einzigartig“ seien.

Auf der nächsten Seite sind unter anderem die Pläne von Hyundai und Daimler Thema.

Differenzierung

Christian Billig, Hauptabteilungsleiter Antrieb bei dem Hersteller, führte in einem weiteren Vortrag zur BMW-Elektrostrategie aus, dass bei den Elektrofahrzeugen die Differenzierung in der Modellhierarchie vor allem über die Anzahl der Antriebsachsen erfolgen. Haupt- und Nebenachse würden sich nur in der Länge des Blechpakets der E-Maschine unterscheiden. Die P2-Hybridmodelle erhalten eine getriebeintegrierte E-Maschine. Der Hochvoltspeicher ist seinen Ausführungen zufolge nicht auf einen Zelltyp festgelegt, sodass je nach technischen oder betriebswirtschaftlichen Rahmenbedingungen der prismatische oder Pouch-Typ eingesetzt werden könne. Die mögliche Ladeleistung reicht von 3,7 kW (induktives Laden) bis „weit über 150 kW“.

Je nach Fahrzeugsegment, in dem das Modell antreten soll, verfügt der Akku über eine Kapazität von 60 bis 120 kWh. Da Billig zufolge die Bedenken der potenziellen BEV-Kunden hinsichtlich Ladeinfrastruktur und Reichweite noch viele Jahre bestehen werden, treibe BMW parallel zum rein elektrischen Antrieb die Elektrifizierung der herkömmlichen Antriebssysteme voran. „Plug-in-Hybrid-Antriebe werden bei uns in den kommenden Jahrzehnten eine Schlüsselrolle spielen“, sagte Billig. Die Hauptaufgabe bei der Weiterentwicklung der PHEV-Antriebe sei es, größere elektrische Reichweiten und intelligentere Ladelösungen zu schaffen.

Hyundai

Hyundai mag sich nicht gänzlich auf die batterieelektrische Mobilität verlassen und hat daher seit 1998 die Entwicklung der Brennstoffzelle vorangetrieben. Mit dem Tucson ix35 brachten die Koreaner 2013 das weltweit erste (Klein-)Serienfahrzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb auf den Markt. Das SUV-Modell wird derzeit in 18 Ländern vertrieben und noch in diesem Jahr von der nunmehr vierten Generation, dem Hyundai Nexo, abgelöst – mit deutlichen Fortschritten gegenüber dem Vorgänger: Der Wirkungsgrad stieg laut Jungik Kim, bei Hyundai für Forschung und Entwicklung zuständig, von gut 55 auf 60 Prozent, die Reichweite legte von 415 auf 600 km zu. Gleichzeitig steht jetzt eine um 20 Prozent auf 120 kW gesteigerte Leistung zur Verfügung. Nach der Premiere in Südkorea folgen Nordamerika sowie einige europäische Märkte. Hierzulande soll das Auto für rund 65 000 Euro angeboten werden. Großes Potenzial für die Brennstoffzellen-Technologie sieht Hyundai laut Kim auch in China. Die Fertigungskapazität beträgt nach seinen Angaben derzeit 3 000 Einheiten pro Jahr.

Daimler

Davon ist Daimler noch weit entfernt. Rund 20 Jahre nach der ersten Ankündigung und über ein Jahr nach der Präsentation an dieser Stelle in Wien gibt Mercedes-Benz ab Herbst den GLC F-CELL in einige ausgewählte Kundenhände. Einen Verkaufspreis nennt der Hersteller nicht. Immerhin ist das Auto seinem koreanischen Wettbewerber mit 147 kW in der Leistung überlegen, muss sich dafür aber mit unter 500 km Reichweite in diesem Punkt geschlagen geben.

Bild 6: Volkwagen verfolgt besonders ambitionierte Ziele beim Absatz elektrifizierter Antriebe.

Bild 6: Volkwagen verfolgt besonders ambitionierte Ziele beim Absatz elektrifizierter Antriebe. Audi/Missler

Die breit angelegte Einführung der BEV- und PHEV-Fahrzeuge ist zum Erfolg verdammt. Das will zwar so offen kein OEM-Vertreter formulieren; nicht von ungefähr jedoch kommunizieren mehr oder weniger alle Hersteller einen Verkaufsanteil der BEV und PHEV-Modelle von 15 bis 25 Prozent am Gesamtabsatz bis 2025. Volkswagen will dann sogar jedes vierte Auto als BEV ausliefern. Doch diese Größenordnung ist offenkundig weniger eine Markterwartung im Sinne einer belastbaren Prognose denn eine schiere Marktnotwendigkeit. „Wenn das nicht fliegt, haben wir alle ein Riesen-Problem“, räumen leitende Entwickler hinter den Kulissen ein. Die CNG-Motoren kämen nicht recht in Fahrt, und die synthetischen Kraftstoffe wolle die Politik offenkundig nicht. Und so ist die Branche letztlich im Aufbruch ins Ungewisse – dafür mit aller Entschlossenheit

Dieser Beitrag ist in einer gekürzten Version in der emobility tec, dem technischen und technologischen Fachmedium für Hybridfahrzeuge und Elektromobilität, erschienen.

Wilhelm Missler

Freier Journalist

(av)

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