Die Zukunft Des VerbrennungsmotorsIn fachfremden Medien findet man seit zwei Jahren viele Berichte

über das Ende des Verbrennungsmotors im Automobil. Weiterhin

wird gerne behauptet, dass die deutsche Automobilindustrie das

neue Zeitalter verschlafen hätte. Als Automobilzulieferer, der fast

vollständig vom Verbrennungsmotor abhängt, beschäftigt sich

Mahle intensiv mit der Frage, inwieweit eine Elektrifizierung des

Antriebsstrangs Einfluss auf die Zukunftsfähigkeit des Unterneh-

mens hat.

Wettstreit der Antriebe

Der Wettstreit zwischen Elektrofahrzeu-gen und Fahrzeugen mit Verbrennungs-motor ist kein neues Thema. Im Jahr 1912 produzierten 20 Automobilhersteller fast 34.000 Elektrofahrzeuge. Das Elektroauto konnte im Vergleich zum Auto mit Ver-brennungsmotor vor allem durch die ein-fache Bedienbarkeit punkten. Ein Mangel an Fernstraßen weckte kein Bedürfnis nach höheren Reichweiten. Der Siegeszug des Verbrennungsmotors begann mit der Erfindung des elektrischen Anlassers. Mit der Kurbel zum Anlassen entfiel auch der bisher entscheidende Bedienvorteil des Elektroautos. Ein stetiger Ausbau des Fernstraßennetzes und das damit einher-gehende Bedürfnis nach höherer Reich-weite besiegelten den Untergang des Elektroantriebs.

Knapp 100 Jahre später steht die Auto-mobilindustrie wieder vor der Frage, ob der Verbrennungsmotor weiterhin die richtige Antriebsform ist. Bei der Betrach-tung der immensen technologischen Fort-schritte in vielen Bereichen des täglichen Lebens stellt sich die berechtigte Frage, ob nicht auch Elektrofahrzeuge mit heutiger Technologie eine interessante Alternative zum Verbrennungsmotor darstellen könnten.

Die Vorteile des Elektro-antriebs sind unbestritten: Das Elektroauto ist leise und glänzt durch ein hohes Anfahrdrehmoment. Haupt-argument für die Elektrifizie-rung des Antriebsstrangs ist jedoch die vermeintliche Emissi-onsfreiheit. Auch Automobilher-steller versehen ihre Prototypen gerne mit „Zero Emission“-Aufklebern. An dieser Stelle muss klargestellt werden, dass Elektrofahrzeuge nur lokal emissions-frei sind. Bei dem heutigen Strommix in China, mit einem hohen Kohleanteil und energetisch schlechten Kraftwerken, wird ein Elektrofahrzeug deutlich mehr CO

2-Emissionen ausstoßen als eines mit Ver-brennungsmotor. Die Förderung von Elek-trofahrzeugen in China hat somit wenig mit dem Thema CO2-Reduktion zu tun. Auch in Deutschland ist das CO2-Redukti-onspotenzial von Elektrofahrzeugen mit dem heutigen Strommix begrenzt. CO2-freie Atomkraftwerke sollen abgeschaltet werden und Pilotprojekte zur CO2-freien Kohleverstromung durch CO2-Abspaltung und Einlagerung unter Tage stoßen auf massiven Widerstand. Der dringende Aus-bau der Stromnetze zur Durchleitung des CO2-freien Windstroms aus dem Norden zu den Stromabnehmern im Süden wird

durch Anwohner-proteste behindert. Somit sind auf Seiten der Stromerzeu-gung und Stromverteilung noch enorme Vorarbeiten zu leisten, bis ein „Zero Emission“-Elektrofahrzeug flächendeckend darstellbar ist.

Das Hauptproblem der Elektrofahr-zeuge ist heute wie vor 100 Jahren der Energiespeicher. Oft sieht man Dia-gramme, welche die Fortschritte der Bat-terietechnologie aufzeigen, die unbestrit-ten sind. 1 zeigt die Energiedichte ver-schiedener Speichermedien, wobei die Ordinate linear – und nicht, wie gerne genutzt, logarithmisch – aufgetragen ist.

Fossile Kraftstoffe überzeugen weiterhin durch ihre hohe Energiedichte. Auch

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wenn Lithium-Ionen-Batterien ihre

Vorgänger in der Energiedichte mittlerweile um den Faktor zehn übertref-fen, glänzt der Dieselkraftstoff weiterhin mit einer immer noch 40 Mal höheren Energiedichte. Zukünftige Batterietechno-logien wie Lithium-Luft, die diese Lücke vielleicht verkleinern könnten, sind noch im Forschungsstadium. Wann und ob sie marktreif sein werden, bleibt ungewiss.

Eine andere Beschränkung der Batterie-technologie wird momentan nur am Rand behandelt, dürfte aber bei weiterer Ver-breitung von batterieelektrischen Fahrzeu-gen zum akuten Thema werden: der Nachladevorgang. Heutzutage sind wir es gewohnt, unseren 60-l-Tank in zwei Minu-ten an der Tankstelle zu füllen; bei Elek-

trofahrzeugen wird in der Regel das „Über-Nacht-Laden“ vorgeschlagen, aber natürlich auf die Möglichkeit der Schnell-ladung für akute Fälle hingewiesen. Um eine zukünftige Batterietechnologie – ähnlich dem oben genannten konventi-onellen Tankvorgang – aufzuladen, müsste man dieser Batterie 20 MW elektrische Leistung zuführen. Dies dürfte sowohl für die Netzinfrastruk-tur als auch für die Fahrzeuginfra-struktur und die Zellchemie eine enorme Herausforderung darstellen.

Weitere Herausforderungen für batterieelektrische Fahrzeuge sind die hohen Kosten, der hohe Volu-menbedarf, das hohe Gewicht und die ungewisse Lebensdauer der Batterien im automobilen

Umfeld.Zusammenfassend kann für rein

batterieelektrische Fahrzeuge festge-halten werden, dass diese Technologie –

aufgrund der damit verbundenen Her-ausforderungen – in den nächsten beiden Jahrzehnten eine Markt-durchdringung von weniger als 10 % haben wird, 2. Damit sind Elektrofahrzeuge ein effektives Mit-tel zur lokalen Reduktion von Emis-sionen in Megastädten, aber auch

auf lange Sicht kein wirksames Ins-trument zur Reduktion der globalen

CO2-Emissionen.

PotenziAle des Verbrennungsmotors

Die Entwicklung des Verbrennungsmotors ist in den letzten Jahrzehnten vor allem durch die Reduktion der Abgasemissionen getrieben worden. Gleichzeitig stiegen die Kundenanforderungen hinsichtlich Kom-fort und die gesetzlichen Anforderungen bezüglich der Crashsicherheit. Damit stieg das Fahrzeuggewicht. Alle drei Einflüsse – Emissionen, Komfort und Crashsicherheit – haben negativen Einfluss auf den Ver-brauch des Verbrennungsmotors. Trotz-dem ist es der Automobilindustrie bereits unter diesen Randbedingungen gelungen, den Verbrauch der Fahrzeuge zu redu-zieren.

Im Zuge der weltweiten Anstrengun-gen, CO

2-Emissionen zu reduzieren, muss auch das Automobil seinen Beitrag leis-ten. Stand heute bedeutet dies im Flotten-

mittel bekanntlich 130 g/km im Jahr 2012 und voraussichtlich 95 g/km im Jahr 2020.

Mahle ist sich sicher, dass der Verbren-nungsmotor diese Hürden ebenfalls meis-tern kann. Dabei geht es weniger darum, was technisch machbar ist, sondern was für den Kunden bezahlbar ist.

Ein Weg, den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und damit die CO2-Emissionen zu reduzieren, ist die Verrin-gerung des Hubraums, das sogenannte Downsizing. Die Reduzierung der Zylin-derzahl reduziert die Reibungsverluste und erhöht den Wirkungsgrad durch die Lastpunktverschiebung. Da aggressives Downsizing mit hohen Mitteldrücken (bis zu 30 bar effektivem Mitteldruck beim Ottomotor) hohe Anforderungen an das Brennverfahren und die Motorkompo-nenten stellt, beschäftigte sich Mahle bereits frühzeitig mit diesem Thema. Der 1,2-l-Dreizylinder-Downsizingmotor demonstriert das heute technisch Mach-bare. Dieser Motor beweist nicht nur am Prüfstand, sondern auch im Fahrzeug sein Potenzial.

Neben dem Downsizing zeigt die Rei-bungsreduktion weiteres Einsparpotenzial auf. Optimierte Geometrien und Einbau-spiele der Komponenten, verbesserte Lauf-flächenbeschichtungen, DLC-beschichtete Kolbenbolzen, PVD-beschichtete und tan-gentialkraftreduzierte Kolbenringe sowie wälzgelagerte Nockenwellen zeigen einige der Möglichkeiten auf. Auch andere Werk-stoffe eröffnen weitere Potenziale. Stahlkol-ben im Diesel-Pkw – bei richtiger Ausle-gung nicht schwerer als Aluminiumkolben – können zum einen höher belastet wer-den, zum anderen weisen sie aufgrund der geringeren Wärmeausdehnung im Ver-gleich zu Aluminium deutlich geringere Reibungsverluste in Graugussblöcken auf.

Die Reduzierung der Verluste in Neben-aggregaten, beispielsweise durch vollvari-abel regelbare Ölpumpen, bietet weitere Möglichkeiten.

Vernünftige elektrifizierung

Je nach Fahrzeuggröße wird es selbst mit optimierten Verbrennungsmotoren eine Lücke zwischen den CO2-Zielvorgaben der gesetzgebenden Organe und dem konven-tionell Erreichbaren geben. Diese Lücke lässt sich optimal mit einer Hybridisie-rung des Antriebsstrangs schließen. Mit-

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tels Lastpunktverschiebung unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor genau in den Kennfeldbereichen, in wel-chen dieser, etwa durch Drosselverluste, konzeptionell Defizite aufweist. Die hohe Rekuperationsfähigkeit des Hybridantriebs erlaubt eine effiziente Energierückgewin-nung beim Bremsen. Außerdem kann ein Hybridfahrzeug – durch Wahl einer größe-ren Batterie – ideal zum Plug-in-Hybrid erweitert werden. Ein Plug-in-Hybrid ver-eint die Vorteile beider Welten: Er bietet mit dem Verbrennungsmotor eine hohe Reichweite und befriedigt alle Kundenan-forderungen hinsichtlich Fahrdynamik und Komfort. Außerdem ist lokal emissi-onsfreies Fahren möglich. Strecken in Wohngebieten oder der Stau in der Groß-stadt können dann souverän elektrisch zurückgelegt werden, während für die Überlandfahrt der Verbrennungsmotor Verwendung findet. Die verbleibende Herausforderung des Hybridantriebs ist die Optimierung der Systemkosten.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs kann nicht nur von der Perspektive des Verbrennungsmotors aus betrachtet wer-den, sondern auch von der Perspektive des batterieelektrischen Fahrzeugs aus. Das batterieelektrische Fahrzeug hat besonders mit der Tatsache zu kämpfen, dass viele Komfortfunktionen, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf-grund dessen Wärmefreisetzung „umsonst“ zur Verfügung stehen, mittels elektrischer Energie bereitgestellt werden müssen. Die gesetzlich vorgeschriebene Abtaufunktion für die Frontscheibe schluckt laut Versuchen der FEV 1 kWh. Je nach Batterie verringert sich somit die Reichweite um 5 bis 10 %. Für Heizung und Kühlung des Innenraums sind je etwa 5 kW zu veranschlagen. Lithium-Ionen-Batterien arbeiten am besten im Bereich von 20 bis 40 °C; Temperaturen außer-halb des Fensters reduzieren Reichweite und Lebensdauer. Im schlimmsten Fall muss der Laternenparker damit rechnen, dass sich die Reichweite seines Elektro-fahrzeugs im Winter halbiert. Anstatt eine mögliche Reichweitenreduktion in der Batterie vorzuhalten, kann ein Range-Extender-Modul für diesen Fall – aber vor allem für gelegentliche Überlandfahrten – die Rückfallebene darstellen und dem Kunden die Angst vor einer leeren Batte-rie nehmen. Mahle entwickelt ein kleines Zweizylinder-Hubkolben-Range-Extender-

1 Die Darstellung der Energiedichte verschiedener Speichermedien auf einer linearen Skala zeigt den enormen Vorsprung fossiler Kraftstoffe, der auch mittelfristig nicht eingeholt werden wird

2 Selbst optimistische Absatzprognosen sehen für rein batterieelektrische Fahrzeuge in den kommenden Jahren keine Marktanteile von mehr als 10 %

3 Beim Range Extender setzt Mahle auf einen kompakten Zweizylinder-Hubkolbenmotor

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Modul, 3, das durch intelligentes Packaging und direkte Integration des Elektromotors einen neuen Maßstab für kompakte Hubkolben-Range-Extender-Module darstellt.

ergänzung, nicht ersAtz

Wie sieht nun die Zukunft des Verbren-nungsmotors aus? Der Verbrennungsmo-tor wird in den kommenden Jahrzehnten die automobile Welt weiterhin dominie-ren. Diese Aussage basiert nicht auf Pro-tektionismus eigener Interessen oder auf einem Wissensdefizit, ganz im Gegenteil: Der Verbrennungsmotor eignet sich ideal, um Kraftstoffe mit hoher Energiedichte in mechanische Energie und damit Vortrieb umzuwandeln. Der Elektromotor wird den Verbrennungsmotor nicht ersetzen, sondern sinnvoll ergänzen. In Kombina-tion wird uns ein Paket zur Verfügung ste-hen, welches zukünftige Emissionsgrenz-werte souverän meistert und dabei alle Kundenansprüche hinsichtlich Fahrdyna-mik, Verbrauch, Komfort und Sicherheit erfüllt. Nie war der Slogan „gemeinsam sind wir stark“ so wahr wie in Zeiten der Elektrifizierung des Antriebsstrangs.

Autor

Prof. dr. heinz k. Junker ist Vorsitzender der Geschäftsführung der Mahle GmbH.

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