Professor Pischingers Perspektiven

Laut EU sollen neu entwickelte Fahrzeuge ab 2012 nicht mehr als 120 Gramm Kohlendioxid pro Fahrkilometer emittieren. Wie das geht, illustriert Motorexperte Stefan Pischinger. Die Ente war ein 120-Gramm-Fahrzeug. Das Kultauto der Sechziger- und Siebzigerjahre, offiziell 2CV oder Deux Chevaux genannt, schluckte auf 100 Kilometer fünf Liter Sprit. Dabei emittierte es genau die Menge an Kohlendioxid, die ab 2012 in der Europäischen Union im Mittel die Obergrenze für Neuwagen sein soll. Doch nach heutigen Maßstäben war die Ente nicht mehr als ein fahrbarer Untersatz. 24 PS reichten gerade mal für eine Spitzengeschwindigkeit von 100 Kilometer pro Stunde. Komfort- und Sicherheitssysteme wie Klimaanlage, ABS oder Airbag, die heute selbst bei Kleinwagen Standard sind, gab es nicht. Dank magerster Ausstattung und rostanfälliger Bauweise brachte es die Ente auf ein Gewicht von rund 600 Kilogramm. Und ihr Motor war kleiner als fast jeder andere in damaligen Autos. Dennoch lernen die Autobauer der Gegenwart von der Ente. Gewichtseinsparung und kleine Motoren gehören zu den wichtigsten Ansätzen, um zum Fünf-Liter-Auto zu kommen. Eine Rückkehr in spartanische Zeiten soll es natürlich nicht geben: Komforteinbußen sind tabu. An der Sicherheit darf nicht gespart werden. Und es soll auch künftig flott vorangehen. Das sind die Vorgaben. Was unmöglich scheint, ist durchaus machbar. bild der wissenschaft ermittelte 20 Maßnahmen, mit denen sich selbst Fahrzeugen der oberen Mittelklasse und der Oberklasse, die 200 Gramm und mehr CO2 ausstoßen, der übermäßige Spritverbrauch abgewöhnen lässt. Stefan Pischinger, Professor am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen – und zugleich Chef der FEV Motorentechnik – hat das Minderungspotenzial von zwölf Neuerungen abgeschätzt, für die er sich als Experte sieht. Die vielversprechendsten Maßnahmen könnten – jede für sich genommen – 15 bis 20 Prozent CO2 einsparen helfen. Das höchste Potenzial haben für Pischinger mit jeweils 20 Prozent CO2-Minderung der Hybridantrieb und das sogenannte Downsizing von Motoren. Eine 15-prozentige Minderung traut er dem Diesotto zu – einem Zwitter, der die Vorzüge von Diesel- und Ottomotor vereint. Wobei der FEV-Chef eindringlich darauf hinweist: „Die Prozentzahlen des Minderverbrauchs lassen sich nicht einfach addieren.” Über die von Pischinger kommentierten Maßnahmen hinaus recherchierte bdw weitere acht Möglichkeiten, an der Kohlendioxid-Stellschraube zu drehen. Die Mehrkosten für die CO2-Minderung sind tragbar. Die EU-Kommission schätzt sie bei Kleinwagen und Autos der unteren Mittelklasse auf 1300 Euro pro Fahrzeug. Bei leistungsstärkeren Fahrzeugen sind Aufwand und Kosten natürlich höher. Die allergrößten, allerschnellsten und spurtstärksten Fahrzeuge werden allen Maßnahmen zum Trotz weit hinter dem Mittelwert zurückbleiben. Der mit einer Leistung von 1001 PS protzende Bugatti aus der Volkswagen-Familie beispielsweise schluckt gegenwärtig schon bei sanfter Fahrweise mehr als 20 Liter auf 100 Kilometer – umgerechnet sind das rund 500 Gramm Kohlendioxid pro Kilometer. Doch auch solche Monsterautos lassen sich zähmen. Synthetisch hergestellte Biotreibstoffe der zweiten Generation reduzieren die Emissionen um bis zu 90 Prozent. Der größte Teil des Kohlendioxids, das bei dieser Option aus dem Auspuff quillt, belastet die Umwelt nicht zusätzlich. Denn die Pflanzen, aus denen der Sprit gewonnen wird, haben das Klimagas zuvor aus der Luft herausgefiltert. Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus der Lignozellulose-Verarbeitung oder anderen Quellen wie Stroh, Nutzholz, Holzhackschnitzel oder Dünger gewonnen. Solche Rohstoffe können nur durch fortgeschrittene Technologien in flüssige Biokraftstoffe umgewandelt werden, die allerdings – so weit es um Ersatz für Benzin geht – noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf haben. Mit Biosprit der zweiten Generation würde sogar der Bugatti zum 50-Gramm-Auto. ■ bdw-Team Stefan Pischinger ist Vorsitzender der Geschäftsführung und geschäftsführender Gesellschafter der FEV Motorentechnik GmbH in Aachen. Gegründet wurde die FEV als Spin-Off des Lehrstuhls für Angewandte Thermodynamik der RWTH Aachen, den Franz Pischinger – der Vater – innehatte. Was 1978 in einer kleinen Wohnung in der Aachener Innenstadt als Vier-Mann-Betrieb und unter argwöhnischen Blicken der Universitätsspitze („Dieser Professor gründet einen Privatbetrieb!”) begann, ist heute einer der besten unabhängigen Motorenentwickler. Stefan Pischinger verkörpert das, was viele Väter gerne hätten: einen Sohn, der erfolgreich ist – und das im eigenen Betrieb. Damit nicht genug: Seit November 1997 ist der Junior (Jahrgang 1961) Direktor des Instituts für Thermodynamik der RWTH und Inhaber des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen – jenes Lehrstuhls also, auf dem schon der Vater erfolgreich war. Auch wenn solche Erbfolgen oft Naserümpfen auslösen – im Falle der Pischingers ist das unangebracht. Sohn Stefan qualifizierte sich als Wissenschaftlicher Assistent am weltberühmten MIT in den USA und war von 1989 bis 1997 Motorkonstrukteur bei Daimler-Benz – zuletzt als Abteilungsleiter Dieselmotoren. Die FEV Motorentechnik GmbH wächst in Windeseile: 1988 hatte das Unternehmen gut 300 Beschäftigte, 2005 waren es 1300. Inzwischen sind es 1700, von denen viele einen hochqualifizierten akademischen Abschluss haben. Nahezu jeder wichtige Automobilhersteller vertraut auf den mittelständischen Hightech-Betrieb. Ob Diesel, Erdgas-Fahrzeuge, Hybridautos, Brennstoffzellentechnik oder Benziner: FEV ist stets Ansprechpartner. Zweigwerke stehen beispielsweise in München, Rüsselsheim, Stuttgart, Wolfsburg, im schwedischen Gothenburg, italienischen Rivoli, französischen Nanterre, in Auburn Hills (USA), Jakarta, New Delhi, Tokio und Dalian (China). Ohne Titel Faserverbundwerkstoffe Die Luftfahrt-Industrie hat es vorgemacht: Airbus, Boeing und andere fertigen immer mehr Bauteile aus Faserverbundmaterial. Neue Herstellungsverfahren senken die bisher sehr hohen Kosten im Vergleich zum Metallbau, sodass es sich künftig lohnt, ganze Baugrößen aus Faserverbundmaterial herzustellen. Reduktionspotenzial: bis zu 5 Prozent** Reifen Je weniger ein Reifen sich beim Abrollen verformt, desto geringer ist sein Rollwiderstand. Die Kunst der Reifenentwickler ist es, geringe Verformung und guten Kontakt zur Fahrbahn miteinander zu vereinbaren. Reduktionspotenzial: etwa 4 Prozent** Anwender/Hersteller: alle großen Reifenhersteller Magnesium Das Metall ist bei gleicher Belastbarkeit ein Drittel leichter als Aluminium. Dass es als Werkstoff im Automobilbau erst jetzt langsam an Bedeutung gewinnt, liegt an einer fatalen Eigenschaft: Das Metall ist brennbar. Erst als Legierung lässt es sich zähmen. Dass es dennoch selten genutzt wird, liegt an den deutlich höheren Kosten verglichen mit Aluminium- und Stahllösungen. Reduktionspotenzial: bis zu 3 Prozent** Anwender/Hersteller: BMW, Volkswagen Internet-Protokoll Ein viele Kilogramm schwerer Kabelbaum zur Übermittlung von Strom und Daten steckt in jedem Auto. Würden Steuerbefehle und Sensordaten über ein Bussystem übermittelt, genügte eine einzige Datenleitung, an die alle Verbraucher und Sensoren angeschlossen sind. Befehle werden mit einer Adresse versehen. Wenn sie beispielsweise der Fahrbeleuchtung gelten, werden sie nur von Scheinwerfern und Rücklichtern befolgt. Reduktionspotenzial: bis zu 2 Prozent** Anwender/Hersteller: BMW (Forschung) Unterbodenabdeckung Ein glatter Unterboden reduziert den Luftwiderstand Reduktionspotenzial: etwa 1 Prozent** Anwender/Hersteller: Daimler Reifendrucksensoren Komplette Module bestehen aus Drucksensor und Funkeinheit. Der Druck wird in regelmäßigen Abständen gemessen und an den Bordrechner übermittelt, der bei Abweichungen vom Sollwert den Fahrer alarmiert. Reduktionspotenzial: etwa 1 Prozent** Anwender/Hersteller: Inifineon Technologies Reifen mit Notlaufeigenschaften Mit reduzierter Geschwindigkeit kann man mit einem „Platten” noch locker 80 Kilometer fahren. Der Reifen erspart Ersatzrad und Werkzeug, sodass sich das Gesamtgewicht reduziert, und schafft Platz im Kofferraum. Reduktionspotenzial: bis zu 1 Prozent** Anwender/Hersteller: alle großen Reifenproduzenten Lasergeschweisste Nockenwelle Die Welle, deren Nocken die Ventile betätigt, wird üblicherweise gegossen, besteht also aus massivem Metall. Ihr Gewicht beträgt zwei bis fünf Kilogramm. Aus Rohrsegmenten zusammengeschweißt wiegt sie nur noch halb so viel. Reduktionspotenzial: gering** Anwender/Hersteller: Volkswagen, Laser-Bearbeitungs- und -Beratungszentrum NRW, Geilenkirchen Ohne Titel Brennstoffzelle als Akku-Ergänzung Die Energie kommt aus dem Treibstoff, den das Fahrzeug tankt. In einem Reformer wird daraus Wasserstoff hergestellt, der die Brennstoffzelle versorgt. Diese lässt sich kurzfristig zum Betrieb eines zusätzlichen Elektroantriebs und als Standheizung nutzen. Kommentar Pischinger: Zur Erweiterung der elektrischen Reichweite von Hybridantrieben kann die Brennstoffzelle Energie für den Elektromotor bereitstellen. Dieses Konzept ist zwar technologisch reizvoll, scheitert aber noch an den sehr hohen Kosten für die erforderlichen Reformer und die Brennstoffzellentechnologie. Anwender/Hersteller: Webasto Reduktionspotenzial: bis zu 5 Prozent* Ohne Titel DiesOtto Verbindet die Vorzüge von Diesel- und Ottomotor: geringer Verbrauch, hohe Leistung. Bei niedrigen Drehzahlen zündet das Gemisch aufgrund der hohen Verdichtung wie beim Dieselmotor, bei hohen Drehzahlen via Zündkerze wie beim Ottomotor. Ventilantrieb und Verdichtung sind variabel. Kommentar Pischinger: Bei der Motorenentwicklung werden sich Otto- und Dieselmotor weiter aufeinander zu bewegen. So wird es Ottomotoren als Selbstzünder geben, während Dieselmotoren verstärkt homogen verbrennen werden. Alle Hersteller arbeiten an diesen Technologien, zum Beispiel unter den Bezeichnungen Diesotto, CCS, CAI, HCCI. Anwender/Hersteller: Forschung bei Daimler, Volkswagen, BMW Reduktionsspotenzial: bis zu 15 Prozent* Ohne Titel FlexiFuel-Motor Ein Sensor ermittelt das aktuelle Mischungsverhältnis von Superbenzin und Ethanol, das maximal 85 zu 15 Prozent beträgt. Das Motormanagement passt die Einspritzung an. Alle Motorteile, die von Ethanol zerstört werden könnten – wie die Kraftstoffschläuche –, sind ethanolresistent. Kommentar Pischinger: Neben dem konventionellen Otto- und Dieselkraftstoff wird es in Zukunft zahlreiche Alternativen geben. Ethanol wird als Zumischung zum Ottokraftstoff in variablen Mischungsverhältnissen eingesetzt. Ein Flexy-Fuel-Motor muss die aktuelle Zusammensetzung des Mischkraftstoffs erkennen. Sie kann über die Analyse des Lamdasignals oder über einen externen Sensor ermittelt werden. Die Vorteile der Ethanolnutzung ergeben sich aus der stärkeren Innenkühlung, der erhöhten Verträglichkeit durch Abgasrückführung und der höheren Klopffestigkeit. Anwender/Hersteller: Saab, Ford/Bosch Reduktionsspotenzial: bis zu 5 Prozent* WENIGER IST MEHR Die CO2-Emission eines Fahrzeugs hängt sehr stark von Gewicht und Fahrverhalten ab. Gegenüber Diesel- und Hybridantrieben schneiden Benziner derzeit schlecht ab. Ohne Titel Ölpumpe Bisher arbeiten Ölpumpen drehzahlabhängig. Je schneller der Antriebsmotor rotiert, desto mehr fördert die Pumpe. Sie muss so groß dimensioniert werden, dass sie auch im unteren Drehzahlbereich genügend Schmieröl liefert. Für den oberen Drehzahlbereich ist sie damit überdimensioniert. Eine elektronisch geregelte, elektrisch angetriebene Pumpe liefert stets genau die benötigte Menge. Kommentar Pischinger: Die Reduzierung der mechanischen/thermischen Verluste ist ein weiterer Ansatzpunkt für Verbrauchsverbesserungen. Die elektrisch ange-triebene Ölpumpe mit Volumenstromregelung ermöglicht die bedarfsgerechte Versorgung. Anwender/Hersteller: entwickelt von Pierburg/Neuss Reduktionsspotenzial: bis zu 2 Prozent* Ohne Titel Piezo-Injektoren Sie lassen sich extrem schnell öffnen und schließen – bis zu 200 Mal pro Sekunde. Diese Eigenschaft nutzen die Hersteller, um Treibstoff in vielen Einzelportionen einzuspritzen, was den Verbrennungsvorgang optimiert. Stark verbreitet bei modernen Dieselmotoren, im Anfangsstadium bei Benzinmotoren. Kommentar Pischinger: Die Einspritztechnik ist eine der Schlüsseltechnologien für den geschichteten Betrieb beim DiesOtto. Höchste Drücke und eine sehr flexible Ansteuerung der Einspritzung ermöglichen weitere Verbrauchsreduzierungen und Niedrigemissionskonzepte; sehr wirkungsvoll in der Kombination mit Downsizing. Anwender/Hersteller: alle großen Autohersteller, bei Benzinmotoren teilweise noch im Forschungsstadium Reduktionsspotenzial: bis zu 8 Prozent* Ohne Titel Start-Stopp-Automatik Im Stau und vor roten Ampeln schaltet sich der Motor aus. Beim Tritt aufs Kupplungs- oder (bei Automatikgetrieben) aufs Gaspedal startet er wieder. Derart ausgestat- tete Fahrzeuge brauchen eine stär- kere Batterie. Kommentar Pischinger: Die Start-Stopp-Automatik ist der Einstieg in die Hybridisierung des Fahrzeugs und wird in naher Zukunft ein fester Bestandteil des Verbrennungsmotors werden. Anwender/Hersteller: BMW (1er-Serie), Daimler (Smart) Reduktionsspotenzial: bis zu 4 Prozent* Ohne Titel Synthetischer Diesel Hergestellt aus nicht zum Verzehr geeigneter Biomasse wie Holz und Stroh. Vorgesehen ist eine Beimischung von maximal zehn Prozent, denkbar ist auch die Nutzung in Reinform. Kommentar Pischinger: Neben dem konventionellen Otto- und Dieselkraftstoff wird es in Zukunft zahlreiche Alterna- tiven geben. Verfahren der zweiten Generation zur Erzeugung des Biokraftstoffes erlauben die Nutzung der ganzen Pflanze. Die daraus synthetisierten Dieselkraftstoffe ermöglichen eine weitere Verbesserung der Brennverfahren. Das vermindert die Abgasemissionen. Anwender/Hersteller: Choren/Shell Deutschland Reduktionsspotenzial: bis zu 5 Prozent* Ohne Titel UltraCaps UltraCaps sind Stromspeicher auf Kondensatorbasis. Sie lassen sich weit schneller be- und entladen als herkömmliche Akkus. Deshalb sind sie zur Speicherung von Bremsenergie und zur Versorgung eines elektrischen Zusatzantriebs optimal. Wenn sich die Leistung pro Volumen drastisch verbessern lässt, sind UltraCaps für die Stromversorgung von Elektroautos geeignet. Kommentar Pischinger: Zurzeit werden in Serie Nickel-Metallhydrid-Batterien eingesetzt. In der Entwicklung befinden sich neben den Lithium-Ionen Batterien auch die Ultra- oder Supercaps. Sie speichern die Energie physikalisch. Charakteristisch ist ihre Fähigkeit, kurzfristig hohe Leistungen zur Verfügung zu stellen, aber die speicherbare Energiemenge ist klein. Deshalb eignen sich UltraCaps für hybride Boostverfahren wie das FEV Electric Power Boost Konzept ohne rein elektrisches Fahren. Anwender/Hersteller: Saab, Ford/Bosch Reduktionsspotenzial: Verbrauchsvorteile sind noch nicht abschätzbar. MEHR ZUM THEMA INTERNET Informationen zur Umweltbelastung durch den Verkehr und Vergleiche der Schadstoffbelastung verschiedener Verkehrsmittel: www.umweltbundesamt.de/verkehr/index.htm Die sparsamsten Fahrzeuge in verschiedenen Klassen – wobei die Werte nur bei defensiver Fahrweise erreicht werden. Raser verursachen weitaus mehr Emissionen: www.adac.de/Auto_Motorrad/autokosten/top10_spritsparmodelle Die englischsprachige Homepage des Aachener Engineering-Unternehmens FEV Motorentechnik zeigt, was technisch kommt – erfordert aber Sachverstand: www.fev.com Viele Tipps zum verbrauchsarmen Fahren: www.dat.de/leitfaden/LeitfadenCO2.pdf Ohne Titel Kühlmittelpumpe Normalerweise wird sie direkt angetrieben. Sie läuft also immer, wenn sich der Motor dreht. Elektrisch getriebene Pumpen werden nur eingeschaltet, wenn die Kühlflüssigkeit zu heiß ist. Kommentar Pischinger: Die Reduzierung der mechanischen/thermischen Verluste ist ein weiterer Ansatzpunkt für Verbrauchsverbesserungen. Besondere Vorteile bietet die Kombination der elektrischen Kühl- mittelpumpe mit örtlich angepasster Kühlung, zum Beispiel beim „ Split Cooling”. Anwender/Hersteller: BMW; entwickelt von Pierburg/Neuss Reduktionsspotenzial: bis zu 4 Prozent* Ohne Titel Hybridantrieb Ein Elektromotor unterstützt den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen. Beim Bremsen wird der Motor zum Generator und speist Strom in die Bordbatterien. In Städten kann das Fahrzeug allein mit Elektromotor fahren. Kommentar Pischinger: Die Hybridisierung des Fahrzeugs bietet eine ganze Reihe von Vorteilen. Neben Start-Stopp und der Zurückgewinnung der Bremsenergie kann der Verbrennungsmotor einem Downsizing unterworfen werden, da der Elektromotor zusätzliches Drehmoment zur Verfügung stellt. Der Verbrennungsmotor kann durch eine Betriebspunktverlagerung in Bereiche besserer Wirkungsgrade verschoben werden. Anwender/Hersteller: Honda, Toyota Reduktionsspotenzial: bis zu 20 Prozent* Ohne Titel Downsizing (kleinere Motoren) Das Gewicht sinkt, ebenso die innermotorische Reibung. Dadurch steigt der Wirkungsgrad. Kompressoren und Turbolader, die die Verbrennungsluft komprimieren, schaffen einen Ausgleich. 1,4-Liter-Motoren kommen so auf 170 PS und mehr. Kommentar Pischinger: Downsizing ist eine der wirkungsvollsten Maßnahmen zur Verbrauchsreduzierung. Ziel ist es, Motoren spezifisch höher auszulasten. Dies erreicht man durch reduzierte Hubräume. Die benötigte Leistung wird durch Aufladung bewirkt. Besonders effizient ist Downsizing in der Kombination mit Direkteinspritzung und variabler Verdichtung. Anwender/Hersteller: nahezu alle Hersteller – zum Beispiel Volkswagen, BMW, Daimler, Peugeot, Fiat, General Motors Reduktionsspotenzial: bis zu 20 Prozent* Ohne Titel Automatikgetriebe mit 7 Gängen Der Motor dreht stets im optimalen Drehzahlbereich. Das Getriebe schaltet zügig und ruckelfrei. Auf ebener Straße ist der 7. Gang schon bei Tempo 50 erreicht. Kommentar Pischinger: Ein Verbrennungsmotor ist für die Nutzung in einem weiten Last-Drehzahl-Bereich ausgelegt und hat einen Bestpunkt, der in der Fahrpraxis nicht immer genutzt wird. Ein Getriebe mit zahlreichen Fahrstufen ermöglicht eine häufigere Nutzung in der Nähe des Verbrauchsbestpunktes und eine größere Getriebespreizung. Anwender/Hersteller: Volkswagen, Daimler Reduktionspotenzial: bis zu 5 Prozent*