Schaeffler zeigt Kraftstoffeinsparpotenzial - bis zu 15 Prozent möglich

Thermo-Management-Modul, Allradantrieb-Trennkupplung, eingespurte Starter mit Schlingbandfreilauf: Schaeffler präsentiert auf der North American International Auto Show (Naias) in Detroit das Konzeptfahrzeug namens Efficient Future Mobility North America. Es basiert auf einem Mid-Size-SUV und zeigt Detaillösungen zur Optimierung des verbrennungsmotorischen Antriebsstrangs für den nordamerikanischen Markt.

Jede in dem Allrad-Fahrzeug integrierte Technik leiste einen Beitrag zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, betonen die Experten des Zulieferers. In Summe soll sich ein Einsparpotenzial von bis zu 15 Prozent ergeben, mit dem auch Automobile der in Nordamerika populären Fahrzeugkategorien einen maßgeblichen Schritt zum Erreichen der zunehmend strenger werdenden CAFE-Standards schaffen.

CAFE steht für Corporate Average Fuel Economy und beschreibt die mit Blickrichtung 2020 und 2025 zunehmend restriktiveren gesetzlichen Flottenverbrauchsvorschriften. Das in Nordamerika aufgebaute Schaeffler-Demonstrationsfahrzeug soll Wege aufzeigen, wie mittels kostengünstiger Technik künftige CAFE-Anforderungen erfüllt werden können. "Das Projekt setzt sich aus zwei Phasen zusammen", erklärt Jeff Hemphill, Vice President und Chief Technical Officer bei Schaeffler North America. "Phase eins zielt darauf, die Anforderungen für das Jahr 2020 zu erfüllen. Und in der zweiten Phase werden wir die eingesetzten Technologien anschließend durch Hybridsysteme ergänzen und so auf die Anforderungen für das Jahr 2025 zielen."

Das Midsize-SUV-Konzeptfahrzeug verfügt - so wie das Gros aller in Nordamerika zugelassenen Fahrzeuge - über ein Automatikgetriebe mit Drehmomentwandler. Insgesamt lassen sich mit den im Fahrzeug Efficient Future Mobility North America gezeigten Detaillösungen - je nach Nutzungsprofil - zwischen 14 und 15 Prozent Kraftstoffersparnis erzielen. Dabei kommen Lösungen wie ein Thermo-Management-Modul und die Allradantrieb-Trennkupplung (AWD-Trennkupplung) zum Einsatz. Ebenso mit an Bord sind Neuentwicklungen für Motor-Start-Stopp-Systeme, wie der "Permanent Eingespurte Starter" mit Schlingbandfreilauf. Ebenso die reibungsoptimierende Feinarbeit im Riemen- und Ventiltrieb, bei den Ausgleichswellen und Radlagern, eine Mechanik zum aerodynamisch günstigen Schließen der Kühlergrillöffnungen und die Optimierung des Drehmomentwandlers leisten entscheidende Beiträge zum Erreichen des Ergebnisses.

Start-Stopp-Lösungen für den nordamerikanischen Fahrzeugmarkt

Schaeffler hat zwei Lösungen für "Engine-Start-Stop-Systems" (ESS) in Nordamerika entwickelt und erfolgreich getestet. Sie sind auf die dort dominierende Anwendung in Automatikgetrieben zurechtgeschnitten. Dabei handelt es sich um das Schaeffler Druckspeicherventil (Latching Valve), ein druckimpulsgesteuertes Ventil, sowie um einen Schlingbandfreilauf (Wrap Spring) zur permanenten Anbindung eines Starters an das Gehäuse des Drehmomentwandlers. Beides sind Produkte, die den Automobilherstellern die Möglichkeit bieten, die Leistungsfähigkeit der gegenwärtigen Motor-Start-Stopp-Systeme weiter zu optimieren.

Die Neuentwicklungen fokussieren nicht den eigentlichen Start-Stopp-Vorgang des Verbrennungsmotors, sondern vielmehr auf die mit dem Stopp verbundenen Komforteinbußen, gerade beim Anfahrvorgang, berichten die Experten. Gegenwärtige Start-Stopp-Lösungen basieren auf einem Zweischritt-Multifunktions-Drehmomentwandler-Konzept. Bei diesem Konzept werden Motor und Getriebe beim Neustart entkoppelt. Damit wird das Abschalten des Motors beim Fahren im Leerlauf ermöglicht, um die Dauer des Fahrens mit abgeschaltetem Motor zu verlängern und somit eine größere Kraftstoffersparnis zu erzielen. Bislang werden üblicherweise elektrisch betriebene Pumpen und Akkumulatoren eingesetzt, um den prompten Neustart auch nach Verlust des Betätigungsdrucks der verbrennungsmotorisch betriebenen Ölpumpe sicherzustellen, beispielsweise an einer Ampel. Mit Blick auf Kosten, Nutzen und Bauraum sind diese Lösungen - elektrische Pumpen und Akkumulatoren - indes nicht optimal.

Als Lösung entwickelte Schaeffler ein Druckspeicherventil. Dabei handelt es sich um ein Ventil, das durch einen hydraulischen Druckimpuls vor dem Motorstopp aktiviert wird. Dadurch wird eine kleine Volumeneinheit druckbeaufschlagten Öls in einem Schaltelement des Getriebes für den folgenden Anfahrvorgang gespeichert, um ein schnelleres Schließen und damit das erforderliche Beschleunigungsvermögen des Fahrzeugs zu unterstützen, erläutern die Entwickler. Da das Signal hydraulisch gegeben werde, entfielen zudem etwaige Steckverbindungen und Verkabelung.

Eine weitere Anforderung an moderne Start-Stopp-Systeme ist ein schneller und komfortabler Neustart des Motors. Dies betrifft nicht nur den Start nach einer längeren Standphase mit Motorstopp, sondern insbesondere den sogenannten Change-of-Mind-Start, bei dem der erneute Beschleunigungswunsch während des Abstellvorgangs rasch umgesetzt werden muss. Mit dem Schlingfederfreilauf für einen permanent angebundenen Starter hat das Unternehmen ein System entwickelt, bei der die Lösung in das Gehäuse des Drehmomentwandlers integriert ist. Dies ermöglicht einen schnellen und lautlosen Neustart und unterstützt darüber hinaus zusätzliche Funktionen, wie beispielsweise das Segeln (Fahren bei höheren Geschwindigkeiten bei offenem Triebstrang und abgeschaltetem Verbrennungsmotor).

Der permanent eingespurte Startergenerator umgibt mittels einer Schlingfeder den Drehmomentwandler. Damit wird nur wenig zusätzlicher axialer Freiraum benötigt. Um den Drehmomentwandler beim Betätigen des Anlassers einzukuppeln, nutzt er ein springfederbasiertes Freilaufprinzip. Bei laufendem Triebwerk ist er verschleißverhindernd vom Wandler entkoppelt und der Starter bleibt trotz seiner permanenten Anbindung an den Triebstrang im Stillstand.

Allrad-Trennkupplung

Die Allrad-Trennkupplung (AWD-Disconnect) ist eine weitere Technik zur Optimierung des Antriebsstrangs und somit der Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen. Die Allrad-Trennkupplung entkoppelt reibungsminimierend den Allrad-Antriebsstrang. Damit leistet AWD-Disconnect je nach Fahrbetrieb einen Optimierungsbeitrag von bis zu sechs Prozent. "Mit Berücksichtigung der Reibungsverluste im Antriebsstrang und der Masse der Komponenten kann ein herkömmlicher Allrad-Antrieb den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs um bis zu zehn Prozent erhöhen", erläutert Professor Peter Gutzmer, Vorstand Forschung und Entwicklung bei Schaeffler. "Die Allrad-Trennkupplung kann diese zusätzliche Reibung durch das Entkuppeln des sekundären Antriebsstrangs um mehr als die Hälfte reduzieren und damit einen signifikanten Beitrag zur Energieeffizienz des Antriebsstrangs leisten."

Die Allrad-Trennkupplung entkoppelt den Antriebsstrang zur Hinterachse am Verteilergetriebe (PTU). Eine zweite Trennstelle ist in der Hinterachse platziert. So wird verhindert, dass Bewegungsmomente über die sich drehenden Hinterräder in den von vorn entkoppelten Antriebsstrang gelangen. Genau gesagt handele es sich bei der Allrad-Trennkupplung um eine am Verteilergetriebe in der Eingangswelle integrierte hydraulisch betätigte Synchronisierungskupplung sowie elektrisch betätigte Klauenkupplungen an der Hinterachse. Die am Verteilergetriebe platzierte Kupplung hat zwei Funktionen, erläutern die Experten: für die erste Funktion, die Aufnahme der Synchronisationsenergie, werden axiale Scheibenoberflächen mit hohem Reibwert genutzt. Für die zweite Funktion, die Aufnahme des hohen Drehmoments des Antriebsstrangs, wird eine selbsterregende, bidirektionale Klemmkupplung genutzt. Zum Trennkupplungssystem gehört die fortwährende Überwachung von Fahrbedingungen und Antriebsumgebung. So werde garantiert, dass bei Bedarf der Allradantrieb wieder blitzschnell zugeschaltet werden kann. "Unser System bietet ein Kraftstoffeinsparpotenzial, mit dem Fahrzeuge mit Allradantrieb einen ähnlichen Kraftstoffverbrauch wie Fahrzeuge mit Frontantrieb erreichen können, und das ohne Einbußen in punkto Fahrverhalten", erklärt Jeff Hemphill, Leiter der Technischen Entwicklung von Schaeffler in den USA.

Thermomanagement-Modul

Mit dem Thermomanagement-Modul sollen ebenfalls Potenziale bei der Optimierung von Verbrennungsmotoren gehoben werden. Das Modul sei der Schlüssel für eine Verringerung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen von bis zu vier Prozent. Bei dem Thermomanagement-Modul handelt es sich um eine Temperatursteuerungseinheit für den kompletten Antriebsstrang. Integriert in ein kompaktes, aus hochfesten Kunststoffen gefertigtes Bauteil vereint es zahlreiche Funktionen. Wurde der Temperaturhaushalt des Motors bislang von einem motornah platzierten Thermostat eher rudimentär geregelt, so steuert das moderne Thermomanagement-Modul den Temperaturhaushalt des Fahrzeugs präzise und ermöglicht den Betrieb im jeweils optimalen Temperaturfenster zum schnellstmöglichen Zeitpunkt. So werde zum einen die Kaltlaufphase durch Vollsperrung des Wassermantels signifikant verkürzt. Und zum anderen könnten die einzelnen Komponenten heißer gefahren werden, als dies im Falle einer Thermostatsteuerung möglich wäre. Zudem kann die Motortemperatur bei Volllast abgesenkt und so die Klopfneigung und Volllastanfettung reduziert werden, heißt es weiter.

Die Möglichkeiten zur präzisen, effizienzsteigernden Temperatursteuerung erstrecken sich sowohl auf den Motor und die Heizung als auch auf das Getriebe und den Turbolader. Und auch die Temperaturregelung von Generatoren, Hybridmodulen und Batterien gehört zum möglichen Leistungsspektrum des sensorgesteuerten Bauteils - sie sollen sich mittels des Thermomanagement-Moduls bedarfsgerecht effizient kühlen und heizen lassen.

Die präzise Steuerung via Drehschieber erlaube darüber ein schnelles Erreichen des für Motor und Getriebe idealen Temperaturfensters. Dies wirke sich sowohl positiv auf die Energieeffizienz als auch auf die Lebensdauer der Bauteile des Antriebsstrangs aus. Im Falle eines in den vom Thermomanagement-Modul geregelten Temperaturhaushalt integrierten Turboladers lässt sich die Nachlaufkühlung der thermisch anspruchsvollen Abgasturbine individuell steuern.

Das Thermomanagement-Modul entledigt die Entwickler auch von dem Zwang, das Bauteil - wie ehedem bei am Motor sitzenden Thermostaten - in unmittelbarer Nähe des Motorblocks unterzubringen. Standardisierte, unverwechselbare Verschlauchungen verkürzen Montagezeiten und garantieren Dichtigkeit.