MTZ - Motortechnische Zeitschrift

, Volume 73, Issue 10, pp 740–742 | Cite as

„Das Verbrennungstechnische Einsparpotenzial Liegt Im Unteren Einstelligen Bereich“

Titelthema Interview
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Bietet der Verbrennungsmotor bei Nutzfahrzeugen noch ausreichend Entwicklungspotenzial, um den künftig immer höheren CO2-Anforderungen gerecht zu werden? Singulär betrachtet eher nicht, meint Dr. Wolfgang Held, Leiter Entwicklung Fahrzeug- und Nonroad-Motoren bei der MAN Truck & Bus AG in Nürnberg. Er plädiert für eine verstärkte Einbeziehung der Motorperipherie und des Gesamtfahrzeugs.

Dr. Wolfgang Held, Jahrgang 1948, trat nach dem Studium des allgemeinen Maschinenbaus mit Vertiefungsrichtung Verbrennungskraftmaschinen 1975 als Sachbearbeiter in die Forschung und Vorentwicklung bei MAN in Nürnberg ein. 1982 übernahm er die Leitung der Abteilung Grundlagen, wo nicht nur die Thermodynamik des Dieselmotors bearbeitet wurde, sondern auch das damals neue Themenfeld Abgasnachbehandlung. Parallel zu seiner Tätigkeit bei MAN promovierte er 1986 an der Technischen Universität Braunschweig zum Thema Verdampfungskühlung. 1992 wurde ihm die Verantwortung für den gesamten Bereich Forschung und Vorentwicklung Motoren und ab 1997 für den Motorenversuch übertragen. Seit 2002 ist er für die Entwicklung aller Fahrzeug- und Off-Highway-Motoren bei der heutigen MAN Truck & Bus AG zuständig.

MTZ _ Was wird künftig die Entwicklung von Nutzfahrzeugmotoren bestimmen, Emissionen oder Verbrauch?

HELD _ In der Vergangenheit waren für den Gesetzgeber die Partikel- und Stickoxidemissionen wichtig, bei unseren Kunden hatte aber ganz eindeutig der Verbrauch einen höheren Stellenwert. Mit Euro VI sind wir auf einem so niedrigen Emissionsniveau, dass eine weitere Verschärfung aus meiner Sicht keinen Sinn macht. Daher liegt der Entwicklungsfokus in der Zukunft eindeutig auf dem Kraftstoffverbrauch — nicht nur vor dem Hintergrund der Betriebskosten, sondern auch getrieben durch den Klimawandel und die schrumpfenden Erdölreserven.

Welche Maßnahmen werden Sie dabei umsetzen?

Die meisten Maßnahmen werden weniger am Motor, sondern vielmehr am Gesamtfahrzeug greifen. Beim Motor sind wir an den physikalischen Grenzen angelangt, die Thermodynamik ist nahezu ausgereizt. Da gibt es zwar noch kleine Verbesserungsmöglichkeiten am Grundmotor, aber ich denke, die sind sehr gering. Ein gewisses Potenzial bietet das Thema Reibleistungsverminderung, beispielsweise durch Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen.

Oft wird das Downsizing angesprochen, insbesondere mit Zylindersprung. Wie sehen Sie die Marktchancen beim schweren Nfz?

MAN arbeitet traditionell mit Downsizing. Schon in den 1970er Jahren haben wir konsequent Aufladung mit Ladeluftkühlung eingesetzt, um beispielsweise Acht- durch Sechszylindermotoren ersetzen zu können. Diese Technologie haben wir bei uns bis heute weiter optimiert. Das war nicht immer problemlos, denn die Motoren mussten für die hohen mechanischen Belastungen ertüchtigt werden. Bei den Saugmotoren hatten wir einen Spitzendruck von 90 bar, durch die Aufladung dann von 130 bar.

„Für Euro VI bleiben wir bei 1800 bar Einspritzdruck.“

Und künftig?

Heute liegen wir bei rund 220 bar. Das halte ich für eine gute Größe, die auch noch handhabbar ist. Wir haben auch Motoren mit 250 bar Spitzendruck, diese laufen aber im Marine- und Off-Highway-Bereich, wo der Leistungsbedarf hoch und die Lebensdaueranforderung entsprechend geringer ist. Für einen Lkw werden die 220 bar auf längere Sicht Bestand haben.

Für Held liegt der Entwicklungsfokus in der Zukunft eindeutig auf dem Kraftstoffverbrauch

Wie sehen Sie das Potenzial bei der Einspritzung?

Eine Zeitlang waren wir der Meinung, dass wir bis zu 3000 bar Einspritzdruck benötigen, denn unser ursprünglicher Ansatz war, die Euro-VI-Norm ohne Partikelfilter zu realisieren. Durch die Partikelanzahl-Limitierung ist aber der Partikelfilter nun gesetzt. Daher bleiben wir für Euro VI bei 1800 bar Einspritzdruck. Nur bei einer Variante mit höherer Leistung wird es einen leicht höheren Druck geben. Zusammen mit den Zulieferern entwickeln wir zwar Systeme mit höheren Drücken, wenn überhaupt, werden sie aber nur im Zusammenhang mit weiterer Leistungssteigerung der Motoren in Serie gehen.

Druck ist die eine Stellschraube, die andere ist die Flexibilität der Einspritzung. Wie viele Einspritzungen pro Takt sind sinnvoll?

Wir sind seit 2002 mit Common Rail im Nfz in Serie und haben damit die längste Erfahrung mit diesem System. Fakt ist, dass wir nicht das volle Potenzial der Flexibilität nutzen. Inklusive sehr später Nacheinspritzung bei Euro VI reichen uns drei bis vier Einspritzungen vollkommen aus.

Ist der variable Ventiltrieb im Nfz ein Thema?

Mit dem variablen Ventiltrieb haben wir über Jahre intensive Untersuchungen durchgeführt, bis hin zu elektro-hydraulischen Ventiltrieben. Allerdings ist die Zeit noch nicht reif, um die Vorteile nutzen zu können, zumal die Systeme derzeit noch zu teuer sind. Nach dem Jahr 2020 möchte ich nicht ausschließen, dass solche Systeme zum Einsatz kommen.

Wie viel Potenzial zur CO2-Einsparung hat der Verbrennungsmotor denn noch ganz konkret?

Das rein verbrennungstechnische Einsparpotenzial liegt im unteren einstelligen Bereich.

Und wo stecken höhere Potenziale?

Auf der Fahrzeugseite und bei der Motorperipherie. So haben unsere Analysen ergeben, dass im Fernverkehrs-Lkw der Luftpresser nur 10 % der Fahrzeuglaufzeit eingeschaltet ist und die restlichen 90 % im Abblasebetrieb läuft. In dieser Phase produziert er durchschnittlich 1 bis 2 kW Verlustleistung. Bei einer Abschaltung ergibt sich eine Verbrauchseinsparung zwischen 1 bis 2 %. MAN hat daher schon vor zwei Jahren den abschaltbaren Luftpresser in Serie gebracht. Das ist ein Einstieg, wir werden aber in Kürze weitere Maßnahmen umsetzen, wie eine geregelte Öl- oder Wasserpumpe. Noch sehr viel mehr Möglichkeiten gibt es auf der Fahrzeugseite. Beispielsweise erwarten wir durch Lang-Lkw eine erhebliche Verbrauchsreduzierung um 20 %.

Die meisten CO2-Maßnahmen werden weniger am Motor, sondern vielmehr am Gesamtfahrzeug greifen, ist Held überzeu

Wie sehen Sie die Möglichkeiten der Hybridisierung beim Nutzfahrzeug?

Das hängt sehr vom Anwendungsfall ab. Bei Stadt-Linienbussen mit zyklischem Betrieb, also einer Abfolge von Anfahr- und Bremsvorgängen, ist eine Hybridisierung fast ein Selbstläufer, wenn sie preiswert ist. Unser System mit Ultracaps amortisiert sich nach wenigen Jahren, mit Lithium-Ionen-Speichertechnologie wäre es erheblich teurer und nicht mehr marktgängig. Deutlich kritischer ist die Situation bei Verteiler-Lkw, die nur eine geringe Jahreslaufleistung von rund 40.000 km haben. Da sind zwar 10 bis 15 % Verbrauchseinsparung möglich, aufgrund der geringen Laufleistung und des relativ geringen Absolutverbrauchs ist das nach unserer Einschätzung für die Kunden dennoch nicht attraktiv.

Und im Fernverkehrs-Lkw?

Beim Fernverkehr ergibt sich ein Einsparpotenzial von 3 bis 5 %. Das ist zwar ein geringer Wert, aber bei Jahresfahrleistungen von 150.000 bis 200.000 km, multipliziert mit einem Dieselverbrauch von 30 bis 35 l/100 km, ergeben sich erhebliche Einsparmöglichkeiten.

Was steht dem Serieneinsatz entgegen?

Dass das System in Zukunft einmal kommen wird, daran besteht für mich kein Zweifel. Die Frage ist, wann es sich für den Kunden lohnt. Das System muss sich für den Kunden innerhalb von zwei bis drei Jahren amortisiert haben, sonst wird es kein Erfolg. Heute sind die Kosten für die Batterien und die Leistungselektronik einfach noch zu hoch.

„Wir arbeiten schon seit fünf Jahren am Partikelfilter mit SCR-Beschichtung.“

Stichwort Waste-heat-Recovery. Wann sehen Sie diese Systeme im Fahrzeug?

Bis die Systeme großserientechnisch verfügbar sind, dauert es noch eine Reihe von Jahren. Zwei Fragen sind bei der Waste-heat-Recovery nach wie vor unbeantwortet, einerseits die nach dem Medium und andererseits die nach dem Expander. Als Medium kommen nach heutiger Erkenntnis nur zwei Stoffe infrage, Wasser und Wasser-Ethanol-Gemisch. Aber hier benötigen wir eine branchenweite Entscheidung. Die Wahl des Expanders ist existenziell, denn sein Wirkungsgrad beeinflusst maßgeblich den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Hier sehen wir noch keine klare Entscheidung für den Kolbenexpander, den Rotationsexpander oder die Turbine. Realistisch rechne ich mit einem Einsparpotenzial der Waste-heat-Recovery zwischen 5 und 7 %, abhängig von der richtigen Wahl des Expanders. Und bei weniger als 5 % Kraftstoffeinsparung wäre es schon schwierig, den Aufwand und die Kosten zu rechtfertigen.

Sie liefern Motoren ja auch an kleinere Fahrzeughersteller. Können diese die immer höhere Systemkomplexität im Antrieb künftig noch stemmen?

Um dieses Thema müssen wir uns bei den Euro-VI-Motoren intensiv kümmern. Die komplette Abgasnachbehandlung ist deutlich aufwendiger, sodass der Kunde nicht mehr zwischen verschiedenen Techniken unterschiedlicher Zulieferern wählen kann. Vielmehr muss er das System so integrieren, wie es konzipiert ist. Unsere Aufgabe ist, den Einbau und die Serienapplikation beim Kunden zu begleiten. Das ist deutlich schwieriger geworden als in der Vergangenheit.

Ist eine höhere Integration der nächste Entwicklungsschritt bei Abgasnachbehandlungssystemen?

Ja, absolut. Das ist der einzige Weg, um die Kosten und die Abmaße der Systeme zu verringern. Wir arbeiten schon seit fünf Jahren am Partikelfilter mit SCR-Beschichtung. Ursprünglich hatten wir erwartet, damit 2013 in Serie gehen zu können, aber die Entwicklung hat sich verzögert. Nach Einführung der Euro VI im Jahr 2014 werden nun erst einmal rund vier Jahre vergehen, bis wir die nächste Entwicklungsschleife vollziehen. Dann könnte dieses System zur Anwendung kommen.

Welche Veränderungen erwarten Sie durch die Integration von MAN in den Volkswagen-Konzern?

Ein Vorteil sind die sehr viel höheren Kapazitäten von Volkswagen im Bereich Forschung und Entwicklung. In Zukunft haben wir Zugriff auf das Know-how des Volkswagen-Konzerns, da verspreche ich mir eine wertvolle Bereicherung. Denn oftmals ist der Pkw-Bereich ja einige Entwicklungsschritte weiter als der Nfz-Bereich.

Herr Dr. Held, herzlichen Dank für das Gespräch.

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