Steigende Komplexität im Antriebsstrang

Von der diskreten Systementwicklung für Motor und Getriebe zum integrierten Gesamtansatz für den Powertrain

Der klassische Verbrennungsmotor kommt zunehmend unter Druck. Für immer mehr Innenstädte werden Fahrverbote diskutiert und 2017 kommt möglicherweise zusätzlich die blaue Plakette (Stickoxidplakette). Eine weitere Herausforderung für die Entwickler sind RDE (Real Driving Emissions) und das neue Testverfahren WLTP (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure): Künftig müssen Fahrzeuge noch strengere CO2und Emissionsgrenzwerte erfüllen – auch in realen Fahrsituationen.

Mit neuartigen Methoden, Technologien und Prüfeinrichtungen verschiebt IAV die Grenzen der bisherigen Entwicklungsprozesse: Im automotion-Interview berichten Gerhard Buschmann, Bereichsleiter Mechatronik Diesel, und Matthias Kratzsch, Bereichsleiter Development Powertrain, über die neuen Herausforderungen durch RDE und WLTP und den Ansatz von IAV.

Matthias Kratzsch, Bereichsleiter Development Powertrain bei IAV

Matthias Kratzsch, Bereichsleiter Development Powertrain bei IAV

Was genau kommt auf die Automobilindustrie in den kommenden Jahren zu?

Kratzsch: Die treibende Herausforderung ist die stetige Reduzierung des CO2-Grenzwertes einer Fahrzeugflotte. Und das für alle Märkte weltweit. In Europa ist das Ziel von durchschnittlich 95 Gramm CO2 pro Kilometer ab Jahresende 2020 festgelegt. Dieses variiert für die einzelnen Fahrzeughersteller aufgrund ihrer unterschiedlichen Fahrzeuggewichte nur leicht. Bei der Überschreitung des Flottengrenzwertes ist eine Abgabe von 95 Euro pro Gramm CO2 pro Fahrzeug an die EU zu entrichten. Für 2025 wird eine weitere Reduzierung auf 68 bis 78 Gramm CO2 pro Kilometer diskutiert. In den USA gibt es neben dem CO2noch ein separates Miles-perGallon-Ziel. Beide verschärfen sich ebenfalls jährlich, wobei dort zum Teil noch N2O- und CH4-Emissionen in CO2-Emissionen umgerechnet werden und ein Erreichen des Ziels zusätzlich erschweren. In China gibt es sowohl ein fahrzeugindividuelles als auch ein Flottenverbrauchsziel. Zur Erreichung dieser Ziele müssen die CO2-Emissionen je nach Markt im Schnitt pro Jahr um drei bis fünf Prozent sinken – eine gewaltige Herausforderung.

Buschmann: Neu hinzu kommt in Europa RDE: Ab 2017 verlangt der Gesetzgeber, dass die Hersteller die erste Stufe dieser neuen Vorschrift erfüllen. Das ist vor allem bei den Stickoxidemissionen technisch sehr anspruchsvoll und wird nur möglich sein, wenn die Abgasnachbehandlung im gesamten Betriebsbereich des Motors perfekt arbeitet.

Gerhard Buschmann, Bereichsleiter Mechatronik Diesel bei IAV

Gerhard Buschmann, Bereichsleiter Mechatronik Diesel bei IAV

Was mussten Sie tun, um die strengen Herausforderungen durch RDE und WLTP zu meistern?

Buschmann: Wir haben an vielen Stellen den Engineering-Prozess weiterentwickelt. Für RDE und WLTP setzen wir zum Beispiel an unseren dynamischen Motorprüfständen noch stärker auf dynamisches DoE (Design of Experiments), um den Motor unter den verschiedensten Randbedingungen zu untersuchen. Zusätzlich können wir mithilfe unseres Tools VeloDyn das gesamte Fahrzeug in einem Modell abbilden, im Modell alle Parameter variieren und so sicherstellen, dass die gesetzlichen Vorgaben später auf der Straße eingehalten werden. Wir verfügen über eigene Modelle für den Motor, das Fahrzeug, den Katalysator, den Fahrer und weitere Komponenten. Und wir können dank der offenen Architektur von VeloDyn unsere Modelle mit denen unserer Kunden oder von Zulieferern kombinieren. Die modellbasierte Kalibrierung mit systematischen Parametervariationen sowie mit Hilfe von Monte-Carlo-Methoden trägt dazu bei, die Applikation für RDE unter allen Randbedingungen abzusichern – es wäre viel zu aufwendig und fast unmöglich, dies alles auf der Straße zu testen.

Sie haben schon dynamische Motorenprüfstände erwähnt. Welche anderen Prüfeinrichtungen sind für RDE und WLTP entscheidend?

Buschmann: Zum Beispiel unsere neue Höhenklimarolle in Berlin, die weltweit zu den modernsten und vielseitigsten Anlagen ihrer Art gehört. Dort können wir Fahrten in bis zu 5.300 Metern Höhe und bei Temperaturen zwischen minus 30 und plus 40 Grad Celsius simulieren – das hilft uns natürlich sehr bei RDE. Mit der Höhenklimarolle verfügen wir über eine Prüfeinrichtung, wie man sie sonst nur bei OEMs und einigen Zulieferern findet. Neben der Höhenklimarolle nutzen wir sehr intensiv Komponentenprüfstände wie unser Synthesegaslabor, in dem wir Katalysatoren exakt vermessen können. Dort sehen wir genau, wie gut etwa die Denoxierung bei verschiedenen Randbedingungen arbeitet, wie viel AdBlue wir zuführen müssen und ob ungewollt Ammoniak freigesetzt wird. Zudem bilden wir mithilfe des Prüfstandes alle Komponenten in chemisch-physikalischen Modellen ab, sodass wir später alle Prozesse über das Motormanagement genau steuern können. Denn wie bereits gesagt: Für RDE brauchen wir Systeme, die unter allen Umständen perfekt funktionieren.

Welche Auswirkungen werden WLTP und RDE für den Grundmotor haben?

Kratzsch: Lassen Sie uns für diese Antwort zwischen den Anforderungen aus CO2-Emissionen, klassischen Schadstoffen wie HC, CO und NOx sowie Partikelemissionen unterscheiden. Zur Reduzierung der CO2-Emissionen müssen wir die Reibungsverluste im gesamten Antriebsstrang weiter verringern. Das können zum einen neue Auslegungen der Kolben-Liner-Paarung durch verbesserte Werkstoffe, Beschichtungen und Fertigungstechnologien, optimierte Lagerauslegungen, Verwendung niedrigviskoser Öle und auch Wege zur Verringerung der Verlustleistung im Getriebe sein. Andererseits werden wir zum Beispiel beim Ottomotor auf Maßnahmen zum Bauteilschutz verzichten. Dies bedingt wiederum neue Lösungen des Thermomanagements des Motors – von neuen Kühlkonzepten für die hochtemperaturbelasteten Bauteile wie Zylinderkopf und Turbine des Abgasturboladers bis hin zu neuen Auslegungen von Ladeluft- und EGR-Kühler beziehungsweise auch des gesamten Kühlkreislaufes. Die verschärften Anforderungen an die Partikelemissionen sind nicht nur eine Herausforderung für die Applikation. Das Einspritzsystem muss sich ebenfalls mit den neuen Anforderungen des Brennverfahrens weiterentwickeln. Aber auch das Motoröl kann zu Partikelemissionen beitragen. Bei IAV sind wir jetzt in der Lage, die Partikel aus dem Motoröl aus der gesamten Partikelemission des Motors zu separieren. Um diesen Partikelanteil dann zu reduzieren, haben wir beispielsweise in den letzten Monaten ein neues Auslegungsverfahren für Kolbenringe entwickelt und verifiziert.

Reicht es, die wesentlichen Teile des Antriebsstrangs zu optimieren?

Kratzsch: Nein. Denn die Komplexität der Ziele, Anforderungen und Rahmenbedingungen ist heute so hoch, dass herkömmliche Entwicklungsmethoden nicht mehr genügen – es reicht nicht mehr aus, den Motor, das Getriebe oder die E-Maschine einzeln zu optimieren. Stattdessen benötigen wir einen neuen, integrierten Entwicklungsansatz. Aus diesem Grund hat IAV eine einzigartige Methodik entwickelt: die Antriebsstrangsynthese. Dahinter steht ein ganzheitlicher, systematischer und teilautomatisierter Prozess, der alle relevanten Facetten und Varianten auf Anforderungs- und Technologieebene berücksichtigt.

Was ist das Besondere an der IAV-Antriebsstrangsynthese?

Kratzsch: Sie stellt den Anforderungen des Gesetzgebers und der OEMs die technischen Möglichkeiten auf Komponentenebene gegenüber. Mit diesen Informationen können wir die optimale Lösung für unsere Kunden finden, denn die Antriebsstrangsynthese liefert den für die jeweiligen Anforderungen besten Systemkompromiss zwischen Verbrauch, Fahrleistungen sowie den Herstellkosten und technischen Aufwänden. Sie berücksichtigt alle Varianten und Auslegungen von Verbrennungsmotor, Getriebe, E-Maschine, Leistungselektronik, Batterie, Betriebsstrategie, Fahrzeug und Hybridtopologie. Sie kann beispielsweise ermitteln, welche Topologie unter vorgegebenen Randbedingungen wie Mobilitätskonzept oder Automatisierungsgrad den Nutzwert in puncto Energieeffizienz, Fahrleistungen und Kosten optimiert. In kurzer Zeit können wir einen Lösungsraum aus Millionen Varianten durchsuchen – das war bis vor wenigen Jahren völlig unmöglich. Die Entscheider bei unseren Kunden haben dadurch objektive Grundlagen zur Verfügung, um die Weichen für künftige Produktgenerationen rechtzeitig stellen zu können. Das ist darum so wichtig, weil Grundsatzentscheidungen eine enorme Tragweite haben und im Nachhinein kaum zu korrigieren sind. Die Antriebsstrangsynthese kommt ungefähr vier bis fünf Jahre vor dem Serienstart zum Einsatz.

Droht durch RDE und WLTP eine Kostenexplosion?

Kratzsch: Nicht unbedingt. Entscheidend wird sein, dass wir bei der Entwicklung von Anfang an auf die Kosten achten. Dafür setzt IAV seit vielen Jahren auf konsequentes Cost-Engineering und Target-Costing: Wir ermitteln die Herstellkosten aller Bauteile schon in einer frühen Projektphase. So ist das Kostenmanagement bereits zu Beginn der Entwicklung miteinbezogen. Unsere Experten für das Cost-Engineering arbeiten eng mit den Spezialisten für die Bauteile zusammen, weil wir Kosten und Funktionen ganzheitlich bewerten wollen. Statt beispielsweise den Einspritzdruck zu erhöhen, könnte man auch eine stärkere E-Maschine in ein neues Fahrzeug einbauen, um die Emissionsziele bei minimalen Kosten zu erreichen.

Welche Verschärfungen könnte es in puncto Umweltschutz in Zukunft noch geben?

Buschmann: Derzeit betrachten wir ja nur die Umweltbelastung während der Nutzung eines Fahrzeugs. Es kann gut sein, dass der Gesetzgeber irgendwann auch die Rohstoffgewinnung, die Produktion und das Recycling miteinbezieht. Dann müssen wir ein Life Cycle Assessment (LCA) durchführen. Mit diesem Thema beschäftigt sich IAV bereits heute, um die Umweltauswirkungen neuer Fahrzeuge in dieser Hinsicht abschätzen zu können.

Viel ist heute ja von der Digitalisierung die Rede. Hilft Ihnen dieser Trend auch bei RDE und WLTP?

Buschmann: Natürlich. Heute können wir viel mehr Daten erfassen, speichern und auswerten als früher. Durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz ist es möglich geworden, automatisiert Verbindungen zwischen Ereignissen zu finden und auf diese Weise die Ursache von Problemen zu identifizieren. Wir haben eine eigene Expertengruppe, die diese Werkzeuge und Methoden für die Anwendung in der Applikation von Motoren weiterentwickelt. Wenn man noch weiter vorausdenkt, ergeben sich ganz neue Möglichkeiten: Man könnte die Fahrzeuge in Kundenhand beobachten und feststellen, ob sie noch alle Vorgaben einhalten. Und gegebenenfalls könnten dann Software-Updates übermittelt werden, die aufgetretene Probleme zielgerichtet abstellen. Auch die Wartung könnte man nach Bedarf durchführen. Bis dahin wird es aber noch einige Jahre dauern, weil viele Randbedingungen geklärt werden müssen. Aber IAV arbeitet heute schon mit Hochdruck an den Anwendungsmöglichkeiten.

Vielen Dank für dieses Gespräch.