Innovationen für sparsamere Nutzfahrzeuge

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Im Nutzfahrzeugbereich werden die Ziele immer öfter von der Gesetzgebung vorgeben. Strengere Vorgaben zur Emissionsreduzierung treiben dabei die Komplexität im Antriebsstrang ans Limit und damit die Kosten. Motorenentwickler reagieren darauf mit geschickten Maßnahmen.

Wer schwere Lasten transportiert, leidet viel. Zum einen schmälern die steigenden Kraftstoffpreise den Gewinn, zum anderen setzen immer schärfere Emissionsvorgaben den Spediteur unter Druck. Noch schlimmer aber scheint es, die Hersteller von Nutzfahrzeugen zu treffen. Die Forderung an kommerzielle Antriebe nach niedrigen Kraftstoffverbräuchen bei gleichzeitiger Erfüllung der Emissionsstandards sowie einer hohen Robustheit stellt hohe Anforderungen an die Auswahl und Optimierung von Komponenten. Das treibt die Kosten und die Erfolge sind oftmals bescheiden.

Dennoch lassen sich die CO2-Emissionen innerhalb der kommenden zehn Jahre um einen zweistelligen Betrag reduzieren. Davon jedenfalls ist Thomas Nickels, Senior Vice President Engineering Powertrain bei MAN Truck & Bus, überzeugt und erklärt im Interview mit MTZ, wie er sich das vorstellt, schränkt aber im gleichen Atemzug ein, dass dies aber "geänderte gesetzliche Randbedingungen voraussetzt. Beispielsweise durch mehr Freiheiten bei der Fahrzeuggestaltung zur Optimierung der Aerodynamik". Wird die Reduzierung allerdings rein auf die heutigen Randbedingungen bezogen, sind die zweistelligen Werte nur sehr schwer zu erreichen.

Strenge Emissionsnormen, hoher Entwicklungsaufwand

Viel Arbeit, nicht nur für die Motorentwickler. Denn die Maßnahmen betreffen auf der Antriebsseite nicht nur Motor, Getriebe, Achsen und Kühlung. "Mindestens ebenso wichtig sind die funktionalen Entwicklungen und die optimale Systemvernetzung", so Nickels. Auch die Springer-Autoren Christoph Bertram, Reza Rezaei, Benjamin Tilch und Peter van Horrick erwarten als Folge strengerer Emissionsnormen eine hohe Systemkomplexität bei Motoren für On- und Off-Highway-Anwendungen. Die aber wollen sie mit modellbasierten Applikationsmethoden in den Griff bekommen.

Denn zur "Erfüllung dieser Anforderungen ist mit konventionellen Methoden eine hohe Anzahl von Prüfstandsuntersuchungen und Versuchsaggregaten erforderlich", schreiben sie in ihrem Beitrag "Euro-VI-Motorentwicklung mittels modellbasierter Kalibrierung". Und meinen insbesondere die Kalibrierung unter extremen Bedingungen wie Höhe, Kälte und Hitze erfordert kostenintensive Spezialprüfstände oder Erprobungsfahrten. Die Erfolge der Methode zeigen die Autoren anhand von Messkurven und Simulationsergebnisse, die dabei auf den von IAV verwendeten modellbasierten Bedatungsansätzen beruhen.

Schlussendlich zeigt sich, dass zwar für die Verbrennungsapplikation datengetriebene Modelle das Mittel der Wahl sind, jedoch für Kalibrierungen im Motorluftpfad und der Abgasnachbehandlung physikalisch-chemisch basierte Modelle Vorteile bringen. "In Zukunft ist zu erwarten, dass verstärkt physikalische und datengetriebene Modelle kombiniert werden, um die Anforderungen bezüglich Genauigkeit, Aufwand der Modellkalibrierung, Extrapolationsfähigkeit und Transientfähigkeit optimal zu erfüllen", so die Autoren.

Fahrzeugantriebe mit Erdgasmotor

Doch welche Form des verbrennungsmotorischen Antriebs wird künftig die Mobilität im Nutzfahrzeugbereich prägen? Immerhin stellen zunehmend Erdgasmotoren eine wirtschaftlich interessante Antriebsstranglösung für mittlere und schwere Nutzfahrzeuge dar. "Die Kombination aus niedrigem Erdgaspreis sowie Subventionen für treibhausgasreduzierende Antriebslösungen stellen für Flottenbetreiber derart überzeugende Argumente für den Umstieg vom Diesel- auf den Erdgasantrieb dar, dass ein jährlicher Marktzuwachs von 16 bis 18 Prozent prognostiziert wird", schreiben die Autoren in "Nutzfahrzeug-Gasmotoren mit Dieseleffizienz" für das Fachmagazin MTZ. Wohlwissend, dass die größten Herausforderungen für Gasmotoren die im Vergleich zum Dieselmotor eingeschränkte Reichweite, die limitierte Leistungsdichte, ein unbefriedigender Wirkungsgrad und ein verbesserungsfähiges Transientverhalten sind. "Zudem gilt es, Serviceintervalle zu erweitern und die derzeit höheren Fahrzeugsystemkosten im Sinne einer sinnvollen Amortisationsdauer zu reduzieren".

Doch ungeachtet dieser Herausforderungen glauben die Autoren, dass bei Antrieben für kommerzielle Nutzfahrzeuge der Flottenanteil von Gasmotoren in Zukunft stark zunehmen wird. Sie wissen aber auch, dass "neue Motoren bei Leistungsdichte und Wirkungsgrad weiter zulegen müssen, um gegenüber dem Dieselmotor erfolgreich zu sein". Ihrer Ansicht nach hat dabei das höchste Potenzial das stöchiometrische Motorkonzept mit Dreiwegekatalysator, bei dem sich Leistungsdichte und Wirkungsgrad nicht beliebig steigern lassen.