IAA Vorschau - Mahle

Mahle verfolgt zweigleisige Strategie

Foto: Det Goeckeritz 10 Bilder

IAA-Vorschau: Einerseits setzt Mahle auf die Fortentwicklung des Diesels etwa per WHR-System, andererseits auf Bauteile für hybride und batterieelektrische Nutzfahrzeuge sowie für solche mit Brennstoffzellen-Antrieb.

Der Vorstandsvorsitzende von Mahle, Dr. Jörg Stratmann, bemühte zum Auftakt der IAA-Vorschau einen Ausspruch des kanadischen Eishockey-Stars Wayne Gretzky: "Wenn du erfolgreich sein willst, dann musst du nicht dorthin gehen, wo der Puck gerade ist, sondern dorthin, wo er sein wird." Übertragen auf das Geschäft von Mahle bedeute das: "Man muss wissen, wohin sich der Markt bewegt." Mahle müsse sein Portfolio so aufstellen, dass es für die Geschäfte der Zukunft und damit für die kommenden Antriebslösungen gerüstet ist. Diese Produkte will der Stuttgarter Automobilzulieferer in Hannover mithilfe von drei transparenten Technologieträgern visualisieren, in denen die zur jeweiligen Antriebstechnologie gehörigen Mahle-Komponenten verbaut sind.

Mahle entwickelt Lösungen für emissionsfreie beziehungsweise emissionsarme Antriebslösungen

Grundsätzlich verfolgt Mahle laut Stratmann eine zweigleisige Strategie. Zum einen wolle man die Effizienz des konventionellen Dieselmotors steigern, denn dieser werde auch jenseits des Jahres 2030 noch einen erklecklichen Anteil im Lkw-Segment haben. Stratmann spricht von 79 Prozent am gesamten Nutzfahrzeug-Aufkommen von dann etwa 3,2 Millionen Einheiten an mittelschweren und schweren Nutzfahrzeugen weltweit. Hierzu zählen auch Verbrennungsmotoren für alternative Kraftstoffe wie Erdgas. Zum anderen entwickelt Mahle Lösungen für emissionsfreie beziehungsweise emissionsarme Antriebslösungen wie dieselelektrische Hybride sowie rein elektrisch angetriebene Nutzfahrzeuge. Von 3,2 Millionen Einheiten könnten 2030 rund 200.000 Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb oder Brennstoffzelle unterwegs sein. Welche Lösungen sich im Nutzfahrzeug-Segment schlussendlich durchsetzen, hängt ganz wesentlich von ihren Betriebskosten ab. Incentives durch den Gesetzgeber könnten darauf jedoch deutlichen Einfluss haben, was eine Abschätzung der Volumina erschwere. Mahle kann laut dem Vorstandschef dieser Unsicherheit aber verhältnismäßig gelassen entgegensehen. Schließlich hält man Lösungen für alle Felder vor.

Große Erwartungen hat Dr. Andreas Pfeifer, Vice President Produktentwicklung Motorsysteme und -komponenten, an WHR-Systeme (Waste Heat Recovery). Keine ganz unbekannte Technologie im Nutzfahrzeug-Segment, immerhin haben mehrere Unternehmen bereits vor drei Ausgaben der IAA schon entsprechende Prototypen vorgestellt. Bislang wurden aber deren mangelnde Standfestigkeit, hohe Unterhaltskosten und hohes Gewicht beklagt. Die Serienreife stand bislang also noch aus. Das könnte sich nun ändern. Mahle hat ein Komplettsystem auf Basis einer Axialkolben-Expander-Maschine mit dem Betriebsmedium Cyclopentan entwickelt, die vollständig in eine recht kompakte Box mit 55 Zentimeter Breite am Fahrzeugrahmen passt. Selbst ein kleiner Dieseltank hat daneben noch Platz. In einem nächsten Schritt wolle man die Box sogar auf die Breite eines DIN-A4-Blatts schrumpfen, also auf 22 Zentimeter. Dann würde sie zwischen die Rahmenträger passen und ließe sich so verbauen, dass sie bei einem Crash aus der Schusslinie ist und an der Rahmenflanke Platz für ein großes Dieselreservoir lässt.

Grafik IAA 2018 WHR Thermomaganement Kolben Foto: Mahle
Das WHR-System sitzt in einer kompakten Box. Ziel ist eine Breite von 22 Zentimetern.

Ein weiterer Treiber für WHR-Systeme könnte die kommende CO2-Gesetzgebung sein

Auch das Systemgewicht liegt mit laut Pfeifer 80 Kilo überraschend niedrig. Ältere Varianten von Wettbewerbern, etwa am DAF XF EcoChamps (siehe lastauto omnibus 7/2018) bringen schließlich einige hundert Kilo auf die Waage. Das Mahle-System, e-Waste Heat Recovery getauft, soll vollständig wartungsfrei arbeiten und robust genug für ein Fahrzeugleben sein. Über 3.500 Stunden habe es seine Standfestigkeit schon nachgewiesen. Es wandelt per Rankine-Zyklus Abgaswärme in elektrische Energie um. Diese wird von Supercaps gespeichert, die im Technologieträger, einen Volvo FH 460, ihren Platz im Bereich des seitlichen Staufachs haben. Die Energie lässt sich einem 48-Volt-Netz zur Versorgung elektrifizierter Nebenverbraucher zur Verfügung stellen oder über einen E-Motor direkt in den Antriebsstrang einbringen. Erste Tests haben laut Pfeifer ergeben, dass die Effizienz des Dieselantriebs sich damit je nach Umgebungsbedingungen (Außentemperatur) und Streckenprofil um 3,5 bis 5 Prozent verbessern lässt. Steigerungen seien möglich, sofern das System mit einer Rekuperationsfunktion kombiniert wird. Bei einem Dieselpreis von rund 1,30 Euro soll der Return on Investment nach 24 Monaten eintreten. Ein weiterer Treiber für WHR-Systeme könnte die kommende CO2-Gesetzgebung sein, denn Verbrauchboni für solche Systeme seien wahrscheinlich. Die Zielrichtung für den Diesel ist klar: "Wir wollen die 50-Prozent-Marke bei der Effizienz des Diesels knacken", sagt Pfeifer. Das soll nicht allein die WHR-Technologie leisten. Auch Feinschliff an Motorenbauteilen wie Kolben und Nockenwelle sollen ihr Scherflein beitragen. Vorrangiges Ziel sei es, die Wandwärmeverluste an den Kolben und am Kühlöl-Kreislauf mithilfe von Thermomanagement-Beschichtungen zu minimieren.

Die so zurückgehaltene Wärme bewirke ein Plus an Effizienz und verringere die Emissionen. Damit nimmt zum einen die thermische Effizienz des Motors zu und im Abgas verbleibt mehr Energie, um die Leistung des WHR-Systems noch einmal zu steigern. Auch müssen die Kolben mit weniger Öl gekühlt werden. Die höhere Abgasenergie sorgt zum anderen für einen schnellen Warmlauf der Abgasnachbehandlung nach dem Kaltstart, was den Stickoxidausstoß verringert. Das wiederum ermöglicht es, noch künftige, strengere Gesetzesvorgaben zu erfüllen. Mahle erforscht hierzu verschiedene Beschichtungsansätze sowie thermische Barrieren beziehungsweise Schutzsysteme. Letzteres könnten die sogenannten Monolite-HD-Stahlkolben mit nierenförmigem Kühlkanal bewerkstelligen. Diese Kanalstrukturen sollen den thermisch hochbelasteten Muldenrand um etwa 20 Kelvin entlasten. Das wiederum sorgt für den geringeren Kühlölbedarf und so für weniger Kraftstoffverbrauch durch die Ölpumpe. Eine weitere Rolle spielt laut Pfeifer die Funktionsintegration im Ventiltrieb. Mithilfe von Nockenwellen in Cam-in-Cam-Technologie und des sogenannten Shifting-Roller-Systems will Mahle Ventilöffnungszeiten variabler als zuvor gestalten. Das geschieht mittels eines verschiebbaren Nockenfolgers, der wahlweise einen der zwei Nocken, die über unterschiedliche Profile verfügen, abgreift.

Mittelfristig will Mahle auch die Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI) von Methan angehen

Das elektrisch betätigte System soll zugleich einfach und robust sein. Außerdem erlaubt es eine temperaturunabhängige und zylinderselektive Regelung. Je nach Hubkurve des zweiten Nockens soll das System zudem den Betrieb des Motors als Permanentbremse, zum Abgas-Temperaturmanagement oder zum Betrieb mit Miller- und Atkinson-Zyklen ermöglichen. Beim Motorbremsbetrieb soll das System dank 2-Stroke-Modus auch bei niedrigen Drehzahlen eine Bremswirkung erzielen, die nahe am Retarder liege. Durch die zylinderselektive Wirkung lässt sich die Bremswirkung auch abstufen. Per Wechsel der Zyklen, also durch frühes (Miller-Zyklus) oder spätes Schließen (Atkinson-Zyklus) der Einlassventile, lässt sich das Verdichtungsverhältnis verringern und damit eine Absenkung der Verbrennungstemperatur und des Druckniveaus erzielen.

Neben dem Dieselantrieb sieht Mahle auch Potenzial bei den monovalenten Erdgasmotoren für den Betrieb mit gasförmigem und verflüssigtem Methan, da hier das CO2-Reduktionspotenzial in der Well-to-Wheel-Bilanz je nach Herkunft des Erdgases bei 15 (fossil) bis 89 Prozent (E-Fuels, Biomethan) liegt und der alternative Kraftstoff keine wesentlichen Änderungen der Antriebstechnologie im Vergleich zur Verbrennung von Diesel mit sich bringt. Hier richtet sich Mahle darauf aus, Komponenten für die wesentlich höheren Abgastemperaturen bei der Erdgasverbrennung im stöchiometrischen Betrieb zu rüsten und die gekühlte Abgasrückführung (AGR) zur Kontrolle der NOx-Emissionen zu liefern. Kurzfristig setzt der Zulieferer auf Motoren mit indirekter Gasinjektion von Erdgas. Mittelfristig will Mahle auch die Hochdruck-Direkteinspritzung (HPDI) von Methan angehen, was die Effizienz noch einmal verbessert. Hierfür will das Unternehmen die Komponenten, insbesondere die Kolben, so optimieren, dass sie höheren Drücken widerstehen. Dabei führt der Weg von den aktuellen 130-Millimeter-Alu-Kolben über 140-Millimeter Gusskolben hin zu 130-Millimeter lasergeschweißten Stahlkolben, die bessere Ergebnisse hinsichtlich Haltbarkeit und Effizienz versprechen.

Mahle IAA Vorschau 2018 Brennstoffzelle elektrischer Antrieb Foto: Mahle
Twin-Power-Antrieb: 50 kW Leistung bieten im Fernverkehr ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Den Einstieg markiert bei Mahle ein wassergekühltes 48-Volt-Antriebssystem

Das WHR-System ist aber nicht nur ein Mittel, um den Verbrennungsmotor effizienter zu machen. Es sei auch Treiber für dieselelektrische Hybride, erklärt Andreas Kleber, Leiter der Vorentwicklung Lüfter & Visco-Produkte, Entwicklung Thermomanagement. Während sich für leichte Nutzfahrzeuge im städtischen Verteilerverkehr batterieelektrische Lösungen abzeichnen, könnten in schweren Nutzfahrzeugen mit größerem Bedarf an Reichweite Hybride das Rennen machen. Das Potenzial, Kraftstoff einzusparen, ist laut Kleber erheblich und variiert je nach Fahrzeugtyp zwischen 5 und 15 Prozent, wobei die Betriebskosten maßgeblich von den Kosten für die Batterien beeinflusst werden. Gesetzliche Vorgaben und womöglich steigende Dieselpreise könnten als Treiber funktionieren.

So weit nichts Neues. Mahle jedenfalls steht Gewehr bei Fuß, sobald die Technologie finanziell interessant wird – mit einem Portfolio, das von Kühlmodulen und Lüftern über E-Motor, Leistungselektronik, Wärmemanagement über elektrifizierte Nebenverbraucher und E-Maschinen bis hin zu speziellen Heiz- und Klimatisierungslösungen reicht. Den Einstieg markiert bei Mahle ein wassergekühltes 48-Volt-Antriebssystem mit integrierter Elektronik und einer Peak-Leistung von 30 kW etwa für milde Hybride mit zulässigen Gesamtgewichten bis zwölf Tonnen. Durch den konsequenten Einsatz von elektrisch betätigten, riemenlosen Nebenaggregaten lassen sich laut Kleber in Summe um die zehn Prozent Kraftstoff sparen. Aufgrund der geringen Menge an Abwärme aus dem parallel geschalteten elektrischen System lasse sich auch die Kühlungsarchitektur einfach und damit preisgünstig gestalten. Etwas mehr Spannung und Leistung darf’s für schwere Nutzfahrzeuge sein. Hochvolt-Vollhybriden können nach Einschätzung von Kleber um die fünf Prozent Kraftstoffersparnis herausfahren. Hierfür braucht’s dann Antriebseinheiten mit Leistungen von 50 bis 100 kW und vor allem ein ausgeklügeltes Thermomanagement für die verschiedenen Subsysteme des Antriebsstrangs. Die temperaturempfindlichen Lithium-Ionen-Batterien etwa müssen bestmöglich konditioniert werden, um Effizienz und Lebensdauer sicherzustellen.

Mahle IAA Vorschau 2018 Brennstoffzelle elektrischer Antrieb Foto: Mahle
Exakt regelbar und genügsam: Visco-Hybrid-Lüfter für Hochvolt-Fahrzeuge.

Kühlmodul mit zwei Ebenen kann laut Kleber verhältnismäßig einfach gestaltet werden

Die Kunst ist es, auch die beiden weiteren Subsysteme entsprechend ihrer Anforderungen zu klimatisieren und dabei die Architektur der Kühlung möglichst einfach zu halten. Die Klimatisierung der Batterie ist Teil des Batterie- und Elektronik-Thermomanagements. Ladeluftkühlung und Klima-Kondensator wiederum lassen sich indirekt über einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler kühlen. Dadurch kann das Kühlmodul mit zwei Ebenen laut Kleber verhältnismäßig einfach gestaltet werden. Ebenfalls auf schwere Hochvolt-Parallel-Hybride gemünzt ist ein Visco-Hybrid-Lüfterantrieb. Mahle vereint am Prototypen die Vorzüge eines Visco-Antriebs mit den Vorteilen einer elektrischen Ansteuerung, also unter anderem: bedarfsgerecht und exakt regelbare Lüfterleistung, rein elektrischer Betrieb durch den E-Motor bei geringer Leistungsabfrage und Energie-Rekuperation am Lüfter. Durch einen integrierten Ansatz beim Thermomanagement lassen sich hier Verbrennungsmotor, elektrischer Antrieb (1.500 Watt bei 48 Volt oder 1.000 Watt bei 24 Volt), Ladeluftkühlung und Klimatisierung in einem Niedertemperatur-Kreislauf kombinieren mit günstigen Folgen für Gewicht, Komplexität und Packaging.

Interview mit Bereichsvorstand Bosch Diesel Systems Interview mit Dr. Markus Heyn Noch Potenzial

Ein Spezialfall der Elektromobilität, der insbesondere von Japan aus getrieben wird, aber auch hierzulande erste Anwendungen hervorbringt und eine reichweitenstarke Lösung für schwere Lkw im Fernverkehr verspricht, ist der Einsatz der Brennstoffzelle als Energieträger für rein elektrische Antriebe. Auch hierfür wird ein spezielles Thermomanagement sowie zusätzlich ein Luftmanagement für die gegenüber Verunreinigungen aus dem Luftstrom sehr empfindliche Brennstoffzelle benötigt. Mahle entwickelt dazu laut Jörg Rückauf, Leiter der Produktentwicklung Filtration und Motorperipherie, ein Brennstoffzellen-System-Angebot. Das Luftmanagement-Subsystem für die Konditionierung der Brennstoffzelle sorgt zum einen per Flachmembranbefeuchter für eine ideale Luftfeuchte von 60 Prozent sowie zum anderen für eine hohe Luftreinheit. Bestimmte Emissionen wie Schwefel- und Stickstoffverbindungen sowie Kohlenmonoxid, Ozon und Salzverbindungen schädigen die Brennstoffzelle. Hierfür hat Mahle ein spezielles Filtermedium entwickelt, das aus mehreren Schichten aufgebaut ist. Ein Trägermaterial sorgt für mechanische Stabilität, eine Partikelfilterschicht scheidet Salze ab, eine Molekularschicht wiederum verhindert das Eintreten von Ammoniak in die Zelle, eine Aktivkohleschicht nimmt unerwünschte Kohlenwasserstoffe auf. Eine weitere, imprägnierte Aktivkohleschicht hält Schwefelverbindungen und Stickoxide zurück. Weil die Zelle auch gegenüber Öl empfindlich ist, kommen ölfreie Nebenverbraucher genauso wie ölfreie und speziell abgedichtete Hochdrehzahl-Rollenlager mit Fettschmierung, Elektrolüftermodule, elektrifizierte Nebenverbraucher und Kühlplatten zum Einsatz.

Mahle IAA Vorschau 2018 Brennstoffzelle elektrischer Antrieb Foto: Mahle
Das Mahle-Angebot für Brennstoffzellen-Fahrzeuge umfasst auch das Monitoring-Modul.

Mahle liefert das Fuel Cell Monitor Modul

Der Einsatz von Brennstoffzellen führt außerdem zu komplexeren Kühlanlagen und größeren Kühlmittelkühlern. Laut dem Entwicklungsleiter sind der Grund dafür die unerlässlichen drei separaten Kreisläufe – nämlich für Brennstoffzellen-Stack, Batterie und Elektronik sowie den E-Motor und die erhöhte Gesamtabwärme bei gleichzeitig reduziertem Temperaturniveau im Vergleich zum Verbrennungsmotor. Die damit sinkende Temperaturdifferenz zur Außentemperatur muss laut Rückauf durch ein höheres Kühlmittelvolumen kompensiert werden. Schließlich verfügen auch Brennstoffzellen-Fahrzeuge über eine Pufferbatterie, die Wärme erzeugt und gekühlt werden muss. Damit eine ständige Überwachung der Stacks möglich ist, liefert Mahle außerdem das Fuel Cell Monitor Modul. Entscheidend für den Durchbruch der Technologie wird sein, wie sich die Preise für klimafreundlich erzeugten Wasserstoff entwickeln. Ebenso wichtig ist, dass eine flächendeckende Versorgungsinfrastruktur entsteht. Das wird sicherlich noch Zeit brauchen. Solange verrichtet der Diesel seine Dienste zuverlässig und wohl noch effizienter als heute. Was Mahle bei der breiten Aufstellung nicht schrecken muss.

Download Hier gelangen Sie zum PDF "Entwicklung der Antriebslösungen für Nutzfahrzeuge" (PDF, 2,35 MByte) Kostenlos
Dieser Artikel stammt aus diesem Heft
lastauto omnibus 08 2018 Titel
lastauto omnibus 08 / 2018
14. Juli 2018
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