Wicklungen aus Hohlleitern für die E-Motor-Kühlung
Festkörperbatterie in Strassentests
Active Heel Airbag unterstützt den Knieairbag
FACHWISSEN
Motorenkongress Baden-Baden
Der Motorenkongress in BadenBaden hat sich schwergewichtig mit den Wasserstoffverbrennungsmotoren für den Schwerverkehr und den E-Fuels beschäftigt. Für beide Technologien muss die Politik einige Weichen wieder zurückstellen.
TECHNIK
Zonale Bordnetzarchitektur, flexible Softwarearchitektur BMW führt mit der «Neuen Klasse» eine zonale Kabelbaumarchitektur ein. Die Rechenleistung der wichtigsten Kundenfunktionen wird zudem in vier Hochleistungscomputern gebündelt.
Silica in Reifen
Seit 30 Jahren sorgt Silica in Reifen für mehr Sicherheit.
Auch Continental erkannte das Potenzial des Füllstoffes früh und setzt inzwischen bereits nachhaltig aus der Asche von Reishülsen hergestellte Kieselsäure ein.
Alles, was Dein Herz begehrt.
Jetzt Termin vereinbaren!
Auf über 300 m2 Showroom findest Du alle Deine Lieblingsprodukte von Sonic und mehr:
Werkstattwagen, Aufbewahrungsyysteme, Werkzeuge, Werkzeugeinlagen, massgeschneiderte Werkzeugeinlagen von CLEVERSYS und Werkzeuge von PB SwissTools.
Mit Werkzeugeinlagen von CLEVERSYS hast Du Dein Werkzeug im Griff. Massgeschneidert und kostengünstig.
VERBESSERN DAS LENKGEFÜHL & SPAREN RESSOURCEN
Ein Forschungsteam der Hochschule München entwickelt unter der Leitung von Professor Dr. Peter Pfeffer ein Steer-by-Wire-System mit magnetorheologischen (MR) FeedbackAktuatoren, um ein möglichst natürliches, von der herkömmlichen Lenkung mit mechanischer Verbindung her vertrautes Lenkgefühl zu gewährleisten. Dazu kombinieren die Forscher die Stärken eines Elektromotors mit einem kraftvollen, parallel geschalteten MR-Aktuator. Das Ergebnis ist eine kosteneffiziente, flexible und energiearme Alternative zu herkömmlichen Lenksystemen für autonome Fahrzeuge.
«Unsere neuartige Technologie ermöglicht eine exakte Lenkungsrückmeldung für den Fahrer, während der Elektromotor deutlich kleiner und energieeffizienter ausfallen kann. Hohe Momente – vor allem
Dem elektrischen Motor wird eine magnetorheologische Bremse parallel geschaltet, der Feedback-Aktuator gibt dem Fahrer eine haptische Rückmeldung.
in den Endanschlägen von über 25 Nm – übernimmt die MR-Bremse mit weniger als 100 W Leistung», erläutert Matthias Becker, Doktorand und wissenschaftlicher Mitarbeiter. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von Direktantrieb und MR-Aktuator eine natürliche Simulation des Lenkgefühls ermöglicht. «Gerade für autonome Fahrzeuge ist dies entscheidend, um ein vertrautes und sicheres
Fahrerlebnis zu schaffen», betont Becker. Typische Nachteile klassischer Lenksysteme – etwa Spiel, Reibung oder Überhitzung – werden dabei vermieden.
Das Entwicklungsziel bestand darin, eine haptische Qualität zu erzielen, die mit der von direktangetriebenen Force-Feedback-Motoren vergleichbar ist – jedoch unter deutlich besseren Bedingungen hinsichtlich Effizienz und Nachhaltigkeit. Erste Tests bestätigen bereits eine besonders harmonische Regelung des Systems. Anschliessende Optimierungsmassnahmen sollen die Technologie zur Serienreife führen und neue Anwendungsfelder erschliessen. Auch der Einsatz des MR-Aktuators als mechatronisches Element in weiteren Fahrwerkskomponenten wie beispielsweise in semi-aktiven Wankstabilisatoren wird derzeit untersucht. (pd/sag)
WICKLUNGEN AUS HOHLLEITERN FÜR DIE DIREKTE
FLÜSSIGKEITSKÜHLUNG VON ELEKTROMOTOREN
DEinsatz von Hohlleitern könnte eine direkte Kühlung der Wicklung ermöglichen. Bei Hohlleitern handelt es sich in diesem Zusammenhang um Kupferleiter mit einer durchgängigen Kavität. Äusserer Querschnitt und Höhlung können unterschiedlich ausgeprägt und somit rechteckig, kreisförmig oder andersartig beschaffen sein. Bei direkter Kühlung mit Hilfe von Hohlleitern durchströmt
ein Kühlmedium die Leiter und führt so die im aktiven Teil der Wicklung entstehende Wärme ab.
Der Ansatz der direkten Flüssigkeitskühlung mittels Hohlleitern existiert bereits im Generatorenbau, wo die Maschinen mit einer Leistung von bis zu 1800 MW mit Wasserstoff und Reinwasser gekühlt werden. Die Herausforderung bestehe vor allem in der anderen Grössenordnung,
er Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen ist mit der Hyperdrives GmbH in ein Forschungsvorhaben gestartet, dessen Ziel es ist, die Herstellungsverfahren für Hairpin-Statoren von Elektromotoren so zu modifizieren, dass künftig die Verarbeitung rechteckiger Hohlleiter möglich ist. Denn der Die direkte Flüssigkeitskühlung mittels Hohlleitern bietet ein wesentliches Potenzial in der Effizienz- und Leistungssteigerung elektrischer Antriebsmaschinen.
denn nur schon die Rotordurchmesser von Industriegeneratoren sind bis zu 13-mal grösser als die von üblichen Elektromotoren. «Biegeund Kontaktierverfahren aus dem Generatorenbau zur Herstellung der Statorwicklungen sind daher nicht ohne Weiteres auf die wesentlich kleineren Elektromotoren übertragbar», sagt PEM-Leiter Professor Achim Kampker. (pd/sag)
PATENTIERTES FESTKÖRPERBATTERIE-PACK ZWECKS
STRASSENTESTS IN ELEKTROFAHRZEUG EINGEBAUT
Das Mercedes-Benz-Kompetenzzentrum für Batteriesysteme hat zusammen mit Mercedes AMG High Performance Powertrains (HPP) den Prototyp einer Festkörperbatterie mit Zellen von Factorial entwickelt, der in ein Auto integriert und auf der Strasse getestet werden kann. Die Festkörperbatterie von MercedesBenz verfügt über einen innovativen, schwimmend gelagerten Zellträger, für den bereits ein Patent erteilt wurde. Wenn die Batterie geladen wird, dehnen sich die Materialien aus, und wenn sie entladen wird, ziehen sie sich zusammen. Die Volumenänderung in Festkörperzellen bezieht sich auf die Ausdehnung und Kontraktion der Materialien innerhalb der Batterie während des Ladens und Entladens. Um die Zellen während dieser Volumenänderungen zu unterstützen, ist die Festkörperbat-
Mercedes-Benz hat den Prototyp einer Festkörperbatterie mit Zellen von Factorial entwickelt und für Strassentests in einen EQS integriert.
terie mit pneumatischen Aktuatoren ausgestattet, die auf die Änderung des Zellvolumens während des Ladens und Entladens reagieren, was die Leistung und Lebensdauer der Batterie beeinflusst.
Nach intensiven Tests auf verschiedenen Prüfständen wurde der Prototyp der Festkörperbatterie Ende 2024 in einen EQS integriert. Das vollelektrische Fahrzeug wurde mit allen notwendigen Zubehörteilen
ausgestattet und leicht modifiziert, um die Batterie aufzunehmen. Die ersten Labortests am Fahrzeug wurden bereits Ende 2024 in Stuttgart durchgeführt. Dies geschah in Vorbereitung auf die Strassentests, die schliesslich im Februar 2025 gestartet sind.
Die Festkörperbatterie ermöglicht eine bis zu 25 % höhere Reichweite verglichen mit dem gleichen Batteriegewicht und der Batteriegrösse einer entsprechenden Standardbatterie für den EQS. Weitere Gewichts- und Energieeffizienz wird durch eine passive Batteriekühlung erreicht. Für das Entwicklungsfahrzeug wird eine Reichweite von über 1000 km erwartet. In den nächsten Monaten will Mercedes-Benz die Festkörperbatterie und ihre Gesamtleistung in einem Elektrofahrzeug mit umfangreichen Labor- und Strassentests weiter prüfen. (pd/sag)
ACTIVE HEEL AIRBAG UNTERSTÜTZT DEN KNIEAIRBAG
UND KANN SO DAS VERLETZUNGSRISIKO
REDUZIEREN
In herkömmlichen Sitzpositionen bietet der Fahrzeugboden für Insassen auf den vorderen Plätzen ausreichenden Halt für die Füsse und sorgt so für einen stabilen Fersenauflaufpunkt, der eine kontrollierte Kniebahnkurve ermöglicht. Diese gewährleistet auch, dass das Kniegelenk durch die sichere Abstützung der Ferse im Fussraum in einem möglichst günstigen Winkel in den Knieairbag eintauchen kann, wenn dieser im Fahrzeug verbaut ist. So können grosse Teile der CrashEnergie durch den Oberschenkel –den stabilsten Knochen im menschlichen Körper – in die Fahrzeugstruktur eingeleitet werden. Crash-Versuche haben jedoch gezeigt, dass ein zusätzlicher Fersenauflaufpunkt geschaffen werden muss, sobald der Insasse seinen Sitz nach hinten in eine Komfortposition schiebt, da dies den Abstand der Fersen zum
Der Active Heel Airbag hilft, Fahrer und Beifahrer vor Verletzungen der unteren Extremitäten zu schützen, die oft langwierige Behandlungen nach sich ziehen können.
Auflaufpunkt vergrössert und so die Ankopplung zum Fussraumboden nicht mehr optimal ist.
ZF Lifetec hat deshalb einen so genannten Active Heel Airbag entwickelt, dessen Luftsack sich ohne zusätzlichen Bauraum direkt in den Fussraum integrieren lässt. Im Fall eines Crashs bläst er sich unter dem Teppich des Fahrzeugs auf und bietet dadurch die notwendige Fersenstabilität. Die Adaption des Active
Heel Airbags ist in fast jedem Fahrzeugmodell möglich. Er könnte ab 2028 bei Automobilherstellern, die ihren Insassen entsprechende Sitzeinstellungen anbieten möchten, eingesetzt werden.
Auf der Fahrerseite lässt sich der Active Heel Airbag auch für Komfortpositionen verwenden. Somit besteht für zukünftige Anwendungen die Möglichkeit, ihn beispielsweise beim assistierten Fahren durch einen Komfortpositionsknopf oder mittels kamerabasierter Innenraumüberwachung auf der Fahrerseite aktiv zu schalten. Durch das Einbetten der Pedalerie erzeugt der Active Heel Airbag während eines Unfalls eine homogene Auflagefläche für die Ferse. So wird die Gefahr von Verletzungen durch das Umknicken der Füsse beim Auftreffen auf Kanten wie zum Beispiel das Bremspedal zusätzlich reduziert. (pd/sag)
Bild: ZF Lifetec ZF
Motorenkongress Baden-Baden
DER VERBRENNUNGSMOTOR HAT EINE ZUKUNFT
Der Motorenkongress in Baden-Baden hat sich schwergewichtig mit den Wasserstoffverbrennungsmotoren für den Schwerverkehr und den E-Fuels beschäftigt. Für beide Technologien muss die Politik einige Weichen wieder zurückstellen. Das wird nicht einfach, da in vielen Köpfen das Verbrenner-Aus doch schon ziemlich festgenagelt ist.
Bild 1. Lieferwagen können für die Wasserstoffmotoren eventuell noch zu einem Thema werden. Eher werden aber die grossen Nutzfahrzeuge und Off-Road-Fahrzeuge in den «Genuss» der Wasserstoffverbrennungsmotoren kommen.
Der 12. Motorenkongress Baden-Baden fand heuer am 25. und 26. Februar statt. Obwohl es sich um einen Motorenkongress handelt, wurde dieses Jahr viel über Politik diskutiert, und es kamen auch verschiedene deutsche oder EU-Politiker zu Wort. Nachdem in vergangenen Jahren immer gehört wurde, dass sich Brüssel bewegen müsste, sieht die Automobilindustrie etwas Licht am Ende des Tunnels. Das heisst, dass sich Brüssel vielleicht nun tatsächlich etwas bewegt. Man hat in letzter Zeit auch in den Nachrichten gehört, dass aus Brüssel Signale gesendet würden, welche die Sicherheit in den Vordergrund stellten – dazu gehöre neuerdings auch die Wirtschaftssicherheit und es werde für den Klima- und Umweltschutz nun langsam auch mehr Technologieoffenheit zugelassen. Diese Technologieoffenheit wird von der Wissenschaft und der Industrie schon seit langem gefordert – und just, als der Autor von BadenBaden nach Hause fuhr, wurde in den Nachrichten die EU-Präsidentin von der Leyen zitiert, und der Autor hörte erstmals aus Brüssel eben dieses vielbeschworene Wort: Technologieoffenheit. Das sind positive Signale für die Wirtschaft, und deshalb wurde in BadenBaden auch viel über E-Fuels, über Wasserstoff-, Methanol- oder gar Ammoniakverbrennungsmotoren gesprochen. Wobei jeder Treibstoff einen eigenen Anwendungsbereich abzudecken hat.
Technologieoffenheit
Wissenschaftlich ist es wohl ausreichend nachgewiesen, dass eine reine Elektromobilität in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren kaum umsetzbar sein wird. Zum einen werden die E-Fahrzeuge nicht mehr so häufig gekauft, wie es geplant war, und zum anderen ist das Laden nach wie vor ein Problem. Wann werden die Wallboxen bei Miethäusern bzw. deren Parkplätzen verfügbar sein? Und bei Einfamilienhausbesitzern mit einer Fotovoltaikanlage auf dem Dach steht das Auto – wenn die Sonne richtig scheint – meistens nicht zu Hause, sondern irgendwo auf einem Firmenparkplatz ohne Ladeanschluss.
Zweifellos ist in der Energiekette der Wirkungsgrad am höchsten, wenn die elektrische Energie direkt in die Fahrzeugbatterie gespeichert wird. Aber die Elektronen der elektrischen Energie lassen sich schlecht speichern und auch nicht so gut über weite Strecken transportieren. Dafür sind Moleküle viel besser geeignet, also muss Wasser durch Elektrolyse in Wasserstoff- und Sauerstoffgas aufgeteilt werden. Damit wird Wasserstoff in der Energiekette auf dem zweiten Platz stehen. Das Wasserstoffmolekül ist aber sehr klein und sehr reaktiv. Die Winzigkeit führt dazu, dass es sehr leicht aus Behältern diffundiert und verloren geht, die Reaktivität lässt Wasserstoff sehr leicht entflammen oder gar explodieren. Aber Wasserstoff kann im Verbrennungsmotor direkt in mechanische Energie umgewandelt werden. In der Brennstoffzelle wird elektrische Energie aus Wasserstoff erzeugt, welche dann über E-Maschinen die Fahrzeuge antreiben kann. Über verschiedene weitere Syntheseverfahren kann Wasserstoff zu Methan, Methanol, benzin- oder dieselähnlichen Derivaten oder zu Ammoniak weiterverarbeitet werden. Natürlich wird dabei der Wirkungsgrad des Energieträgers schlechter, aber alle diese Energieträger haben spezielle Eigenschaften, welche sie in
2. Ein typisches Bild, wie die Hersteller die Verteilung der Antriebsarten auf die verschiedenen Fahrzeugkategorien sehen.
einer technologieoffenen Wirtschaft und Gesellschaft nutzbar werden lassen.
Welche Energieträger wo?
Pierpaolo Biffali, Head of Powertrain Product Engineering Fpt Industrial S.p.A – Iveco Group, Italien, zeigt auf einem Bild anschaulich, wie ein grosser Player wie Iveco die Verteilung der Energieträger im Verkehrssektor sieht (Bild 2): Die Achsen des Diagramms sind mit den Fahrzeugabmessungen über den zu erwartenden Leistungsanforderungen oder den Energiekapazitäten beschrieben. Kleinere Fahrzeuge mit mässigen Leistungsanforderungen werden in Zukunft rein elektrisch betrieben werden. Busse, Traktoren, Bagger sollen hybridisiert angetrieben werden, und die grossen Fahrzeuge werden mit Wasserstoffverbrennungsmotoren versorgt. So sieht das Szenario von Iveco aus. Im Grossmotorenbereich ist Iveco nicht tätig, dort werden Dieselmotoren noch längere Zeit anzutreffen sein, weil diese Anlagen sehr hohe Lebensdauern aufweisen und gerade grosse Schiffe auf der ganzen Welt aufgetankt werden müssen. Im Bi-Fuel-Sektor sind in dieser Klasse auch Ammoniakmotoren angedacht.
Verbrennungsmotoren
Der grundsätzliche Aufbau von Verbrennungsmotoren ist bekannt und
hat sich bewährt. Zudem ist es wirtschaftlich vernünftig, wenn möglichst viele Gleichteile eingesetzt werden können. Dr. Marco Warth, VP Corporate Research and Advanced Engineering der Mahle International GmbH, erklärte, dass es bei der Entwicklung von neuen Motorsystemen vor allem um die fünf grossen «C» gehe: Dazu zählen der Motorblock (Cylinderblock) und der Zylinderkopf (Cylinderhead), die Kolbenbaugruppe (Cylinder) sowie die Kurbelwelle (Crankshaft) und die Nockenwelle (Camshaft). Wenn diese Bauteile mehr oder weniger übernommen werden können, sei ein Motorsystem mit beispielsweise anderen Treibstoffen zu vernünftigen Kosten zu entwickeln. Dr. Andreas Broda, Vice President / Head of Fuel Based Propulsion Systems, MAN Truck & Bus SE, erlaubte in seinem Vortrag dem neuen WasserstoffVerbrennungsmotor von MAN einen Gleichteileanteil von gegen 90 % zum dieselbetriebenen Grundmotor. Die Bohrung des 6-Zylinder-Reihenmotors wurde um 7 mm auf 145 mm vergrössert, was den Hubraum von 15.2 l auf 16.8 l anwachsen liess. Diese Massnahme ermöglicht es den Entwicklern, dem Motor ähnliche Leistungs- und Drehmomentdaten zu entlocken wie dem Dieselmotor, von welchem er abgeleitet worden ist. Im Bild 4 ist der Motor mit seinen Applikationen in der Peri-
pherie abgebildet. Es ist klar, dass die Einspritzung bzw. Einblasung und auch die Zündung neu entwickelt und angepasst werden müssen. Die Luftführung und der Turbolader müssen dem neuen Luftbedarf angepasst werden, und der Brennraum kann an die Einblasung und die Zündung angepasst und optimiert werden. Dann kommen noch die Herausforderungen in der Kurbelgehäuseentlüftung, der Abgasnachbehandlung und teilweise in den Materialkombinationen daher. Wasserstoff lässt Metalle, insbesondere Stahl spröde werden.
Wasserstoffeigenschaften
Wasserstoff hat im Vergleich zu Benzin oder Diesel ganz andere Eigenschaften, welche bei einem Verbrennungsprozess in einem Verbrennungsmotor berücksichtigt werden müssen. So ist Wasserstoff erst unterhalb von –253 °C flüssig und hat dann eine Dichte von lediglich 70.8 kg/m3 (Benzin bei 15 °C: 760 kg/m3). Die Dichte kann dabei gar nicht richtig berücksichtigt werden, da sich die notwendigen Temperaturen in einem Fahrzeugtank kaum erreichen lassen. Der Siedebereich von Wasserstoff liegt bei –253 °C (Benzin: 30 °C bis 190 °C, je nach Zusammensetzung), das stöchiometrische Gemisch liegt an, wenn 1 kg Wasserstoff mit 34.3 kg Luft gemischt wird, bei Benzin braucht es nur 14.8 kg Luft pro 1 kg Treibstoff. Dafür liegen die Zündgrenzen bei Wasser-
stoff bei λ 10 bis 0.13 (Benzin λ 1.4 bis 0.4). Wasserstoff benötigt auch nur 0.017 mJ Zündenergie. Dies ist weniger als ein Zehntel der benötigten Zündenergie beim stöchiometrischen Benzin-Luft-Gemisch (0.24 mJ). Dafür liegt die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff bei 585 °C (Benzin 230 °C bis 450 °C). Aus diesen Eigenschaftsunterschieden resultieren einige wesentlich Änderungen im Gemischbildungs- und Verbrennungsprozess bei Wasserstoffmotoren.
Einblasung
Es werden drei Arten der Wasserstoffeinblasung unterschieden: Die Saugrohreinspritzung (Niederdruckeinblasung) und zwei Arten von Direkteinspritzung, die Mittel- und die Hochdruckeinblasung. Wird Wasserstoff ins Saugrohr eingeblasen, werden weniger als 15 bar Druck gebraucht. Dafür muss gut aufgepasst werden, dass die Flamme nicht aus dem Zylinder zurückschlagen kann. Es werden zur Sicherheit Rückschlagnetze oder Explosionsschutzventile (17 in Bild 7) ins Saugrohr eingebaut.
Wird der Wasserstoff direkt in den Zylinder eingeblasen, geschieht dies entweder im Ansaug-Kompressionstakt (Mitteldruckeinblasung) oder dieselähnlich kurz vor dem Zündzeitpunkt (Hochdruckeinblasung). Dabei verändert sich der Einblasdruck um Welten. Während er bei der Mitteldruck-Direkteinblasung bei maximal
Bild 3. Da es nicht möglich sein wird, den ganzen Energiebedarf rein elektrisch abzudecken, werden neben der Energieverbrauchssenkung alle Optionen nötig sein, damit Europa nicht unter Energieausfällen leidet.
Bild
50 bar liegt, ist er bei der dieselähnlichen Hochdruckeinblasung mindestens gegen zehnmal höher. Dazu muss ein Kompressor eingesetzt werden: Wenn der Wasserstoff im Tank bei 700 bar gespeichert ist und für die Einblasung 300 bar gebraucht werden, wird die Reichweite einer Tankfüllung ohne Kompressor sehr viel kleiner.
Bei der dieselähnlichen Einspritzung werden auch hohe Verdichtungsverhältnisse eingesetzt, die aber für eine Selbstzündung kaum ausreichen, da die Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff sehr hoch ist. Wer aber den Aufwand der Hochdruckeinblasung auf sich nimmt, wird das Gemisch nicht mit einer Zündkerze entflammen wollen, weil er die Flammenfront nicht in Kauf nehmen will. Um eine dieselähnliche Selbstentflammung zu erreichen, welche im ganzen Brennraum auf einen Schlag auftritt, braucht es eine Piloteinspritzung von Dieseltreibstoff in den Brennraum. Der Diesel durchdringt das Wasserstoffgemisch mit brennenden Strahlen und entflammt es nahezu gleichzeitig. Der Aufwand dazu ist gross und die CO2-Emissionen im Abgas steigen wegen der kohlenstoffhaltigen Piloteinspritzung an. Mit der Niederdruckeinblasung im Saugrohr oder der MitteldruckDirekteinblasung im Ansaug-Kompressionstakt verlängert sich die Homogenisierungszeit des Gemisches, und da Wasserstoffmotoren
mit einem Mischungsverhältnis von λ ≥ 2.5 arbeiten, ist es sehr wichtig, dass im Zündzeitpunkt ein wirklich homogenes Gemisch im Brennraum vorhanden ist. Dabei ist es aber auch äusserst wichtig, dass es im Brennraum keine Hotspots gibt, da die benötigte Entflammungsenergie für das Wasserstoff-Luft-Gemisch extrem klein ist und das Gemisch sehr einfach viel zu früh entflammen könnte. Der hohe Luftüberschuss hilft aber auch, den Brennraum und die Umgebung abzukühlen und Hotspots zu verhindern. Auch das geringere Verdichtungsverhältnis von 11 : 1 bis 13 : 1 lässt das Gemisch während der Kompression nicht allzu heiss werden. Bei diesen Motoren erfolgt die Zündung im Zündzeit-
punkt durch einen Zündfunken. Die Zündanlage muss dabei auf Wasserstoff angepasst werden. Was an zu grosser Energie an die Zündkerze geliefert wird, fördert nur den Verschleiss der Elektroden. Bei der Zündkerze muss natürlich auch wieder exakt darauf geachtet werden, dass es keine Hotspots gibt.
Von verschiedenen Experten hört man, dass sich vorerst primär die Niederdruckeinblasung durchsetzen würde. Dabei müsste vor allem eine geeignete Bohrung für den Injektor in das Ansaugrohr gebohrt werden. Dies gelingt mit relativ geringem Aufwand, und die Veränderungen am ursprünglichen Dieselmotor bleiben klein. Die Injektorbohrung in den Brennraum kann dabei direkt als Zündkerzenbohrung verwendet werden. Bei direkteinspritzenden Mittel- oder Hochdruckeinspritzungen wird eine zweite Bohrung im Zylinderkopf benötigt. Einerseits muss hier der Wasserstoffinjektor direkten Zugang zum Brennraum haben, daneben braucht es noch eine Zündkerze (Mitteldruckeinblasung) oder einen Dieselinjektor (Hochdruckeinblasung) für die Entflammung des Gemischs. Diese zweite Bohrung zu platzieren, ist komplex, da die vier Ventile einen grossen Teil der Brennraumfläche belegen;
Bild 5. Herausforderungen bei den Bauteilen für die Wasserstoffmotoren sind die Teile, welche im zylindernahen Bereich gut geschmiert werden müssen.
BERATUNG, DRUCKSACHEN, TEXTIL, STICKER...
• Beratung
• Gestaltung CI
• Briefbögen, Schreibblöcke
• Kundenbroschüren, Flyer, Roll-Up, Kalender
• T-Shirts, Poloshirts, Jacken
• Hochwertige Stickereien
• Transfer-Sticker
• HD-Sticker
• Flex-Druck
und dort, wo allenfalls noch Platz wäre, befindet sich mit grosser Wahrscheinlichkeit ein Wasserkanal hinter der Brennraumwand. Dazu müsste ja auch die Lage für die Zündkerze oder den Injektor auf den Gemischbildungsprozess ideal angepasst sein.
Luftführung
Da Wasserstoff über sehr weite Gemischverhältnisse sehr gut brennbar ist, werden Wasserstoffmotoren extrem mager gefahren (λ ≥ 2.5). Da zudem der Hubraum etwas vergrössert werden muss, um die Drehmomente vergleichbarer Dieselmotoren einhalten zu können, benötigen die Motoren noch einmal mehr Luft. Dazu haben sie Abgasturbolader. Durch die grossen Luftmengen, welche gefördert werden, sind diese Turbolader gross und schwer und damit auch träge. Das heisst, dass bei schnellen Lastsprüngen die Lambdawerte zusammenbrechen. Durch das Turboloch wird weniger Luft gefördert. Die Verbrennung findet trotzdem statt, aber nicht mehr so mager. Damit wird die Verbrennung durch den grossen Luftüberschuss auch nicht mehr ausreichend gekühlt und deshalb heiss. Das hat aber wieder die Bildung von thermischem NO x zur Folge. NOx ist an und für sich bei Wasserstoffmotoren im mageren Bereich eigentlich kein Thema, aber durch diese Spitzen werden trotzdem aufwendige Abgasentgiftungsanlagen eingebaut. Gerade weil die Wasserstoffverbrennung so sauber ist, gab die Abgasentgiftung am Motorenkongress einiges zu diskutieren. So wird die im Bild 7 dargestellte Abgasrückführung wohl häufig weggelassen. Dies hat konstruktive, aber auch funktionale Gründe. Der Oxidationskatalysator stiess aber auf viel Unverständnis. Die Abgasspezialisten erwähnten vor allem zwei Argumente dafür: Einerseits gibt es auch bei der Wasserstoffverbrennung unverbrannte Treibstoffteile. Wenn diese im Katalysator
Bild 4. Der MAN-Wasserstoffmotor mit den wichtigsten Anpassungen.
Bild 6. Von aussen ist der Injektor nicht auf den ersten Blick von einem Dieselinjektor zu unterscheiden. Materialtechnisch gibt es aber schon einige Veränderungen, da Dieseltreibstoff sehr gut schmiert, Wasserstoff hingegen nicht.
nachverbrannt werden, heizt sich das Abgas auf und der E-Katalysator wird vielleicht überflüssig oder weniger häufig gebraucht, um die notwendige Abgastemperatur für den SCR-Katalysator zu erreichen. Daneben gehört Wasserstoff zu den sekundären Treibhausgasen. Es verbindet sich in der Atmosphäre zu treibhausrelevanten Stoffen. Um da der Kritik vorzubeugen, ist ein Katalysator sicher sinnvoll. Die Funktion von SCR- und Schlupfkatalysator ist von der Dieselverbrennung her bekannt.
Kurbelgehäuseentlüftung
Die Kurbelgehäuseentlüftung stellt die Entwickler in drei Punkten vor Herausforderungen: Blowby-Gase gibt es auch bei der Wasserstoffverbrennung, und dabei kommt wieder die Entflammbarkeit von Wasserstoff in einer extrem grossen Gemischbreite zum Tragen. So muss das Gas regelrecht aus dem
Kurbelgehäuse gespült werden. Damit wird aber auch immer Öl in den Verbrennungsprozess getragen. Das Öl kommt einerseits aus dem Kurbelgehäuse, andererseits von der Zylinderschmierung. Wird dieses Öl verbrannt, ergeben sich CO2Emissionen und durch die Öladditive zusätzliche Schadstoffe. Zum Dritten verträgt das Motorenöl den Wasserstoff schlecht.
Obwohl die Herausforderungen gross sind, wollen verschiedene Hersteller neben MAN noch in diesem Jahr Wasserstoffverbrennungsmotoren auf den Nutzfahrzeugmarkt bringen.
FRAGEN
1. Welche Motorenbauteile bzw. -baugruppen umfassen die «5 C»?
2. Wie passen die folgenden Aussagen zusammen? Wasserstoff braucht wenig Zündenergie und Wasserstoff hat eine sehr hohe Selbstentflammungstemperatur.
3. Warum entstehen bei der Wasserstoffverbrennung NOx?
BMW führt mit der «Neuen Klasse» eine zonale Kabelbaumarchitektur ein. Die Rechenleistung der wichtigsten Kundenfunktionen wird zudem in vier Hochleistungscomputern gebündelt, von denen ein Heart of Joy genanntes Steuergerät, das Informationen zehnmal schneller verarbeitet als bisherige Systeme, für die Antriebs- und Fahrdynamikregelung verantwortlich ist.
Text: Stefan Gfeller | Bilder: BMW
Das herkömmliche Bordnetz ist längst an Grenzen gestossen, der zwangsläufige Einsatz von immer mehr Einzelleitungen und Steuergeräten hat zu äusserst komplexen Gebilden geführt, die auch einem höheren Automatisierungsgrad in der Kabelsatzfertigung – und somit geringeren Produktionskosten – im Weg stehen. Wie bereits in der AUTO&Technik-Ausgabe 9/2023 geschildert, soll die sogenannte zonale
Bordnetzarchitektur Abhilfe schaffen. Als gemäss eigenen Angaben erster Automobilhersteller will nun die BMW Group ein entsprechendes, komplett neu entwickeltes digitales Nervensystem für alle Antriebsvarianten und Fahrzeugsegmente an den Start bringen, das erstmalig in den Modellen der «Neuen Klasse» zum Einsatz kommen wird. Vier Hochleistungscomputer – die sogenannten Superbrains – bündeln die Rechenkapazität für die wich-
Vereinfachte Darstellung der zonalen Architektur des digitalen Nervensystems –was im Bild ein bisschen wie Sternenstaub aussieht, sind einzelne Kabel(-verbindungen).
Das zweite Superbrain steuert die neueste Generation automatisierter und hochautomatisierter Fahrfunktionen und integriert in einer leistungsstarken Recheneinheit, was bisher über vier Steuergeräte verteilt war. Dazu verfügt es über die zwanzigfache Rechenleistung verglichen mit der Vorgängergeneration.
Das dritte Superbrain steuert Panoramic I-Drive und damit das digitale Erlebnis im Fahrzeug mit dem Infotainment-Betriebssystem BMW Operating System X. Es orchestriert alle Inhalte im Panoramic Vision, 3D-Head-up-Display und Zentraldisplay sowie die Sprachinteraktion, Unterhaltung und Navigation.
Der vierte Hochleistungscomputer schliesslich ist für die Basisfunktionen verantwortlich und fungiert als Schaltzentrale zur Steuerung der Fahrzeugzustände. Dabei steuert er grundlegende Funktionen wie Fahrzeugzugang, Klima und Komfort, Innen- und Aussenbeleuchtung, Datenfluss und -verarbeitung sowie Remote-Software-Upgrade. In diesem Superbrain, das mit bis zu 50 Sensoren verbunden ist, sind bis zu 100 Fahrzeugfunktionen integriert.
tigsten Kundenfunktionen, verfügen dazu gegenüber der aktuellen Fahrzeuggeneration über mehr als die 20-fache Rechenleistung und sind so in ihrer Leistungsfähigkeit schon für kommende Software- und Funktionsupdates ausgelegt.
Vier Superbrains
Der erste dieser vier Hochleistungscomputer soll gemäss BMW «die Freude am elektrischen Fahren in die Zukunft führen», trägt daher den besonderen Namen Heart of Joy und ist für das erste vollständig von BMW entwickelte Fahrdynamikregelungssystem BMW Dynamic Performance Control zuständig. Das «Herz der Freude» ermögliche dabei nicht weniger als das bisher präziseste Fahrerlebnis, effiziente Energierückgewinnung, beeindruckende Laufruhe auch bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie perfekte Traktion für dynamische Beschleunigung, versprechen die Bayern. Die Aufgaben des Hochleistungscomputers werden später im Text ausführlicher beschrieben.
Zonale Kabelbaumarchitektur Elementarer Bestandteil des neuen Systems ist der radikal vereinfachte Kabelbaum, der nun also auf einer zonalen Architektur basiert, die mit 600 m weniger Kabeln auskommt und 30 % Gewichtsersparnis gegenüber der Vorgängergeneration bringt. Er ist in die vier Zonen Vorderwagen, Rumpf, Heck und Dach unterteilt. Die Superbrains sind über Highspeed-Datenverbindungen mit kleineren Steuergeräten, den Zonen-Controllern, vernetzt, die den Datenfluss der Elektronik in und aus den Zonen steuern und bündeln. Die Kabel im Fahrzeug sind also zonenbezogen und können dadurch kürzer, dünner und leichter sein. Ein wichtiges Detail und eine entscheidende Voraussetzung für dünnere und leichtere Kabel sind die sogenannten Smart E-Fuses. Diese digitalen Sicherungen können bis zu 150 klassische Schmelzsicherungen ersetzen und lassen sich für die digital gesteuerte Energieverteilung auf Komponenten intelligent programmieren. So ermöglicht die selektive Aktivierung von Komponenten, intelligente Powermodi für verschiedene Fahrzeugzustände wie
Vier Hochleistungscomputer bündeln in den Modellen von BMWs «Neuer Klasse» die Rechenleistung für die wichtigsten Kundenfunktionen.
beispielsweise Fahren, Parken, Laden und Upgraden zu entwerfen, in denen zielgerichtet nicht benötigte Verbraucher abgeschaltet werden. Dadurch leisten die E-Fuses einen wesentlichen Beitrag zur um 20 % verbesserten Energieeffizienz.
Softwaredefiniertes Fahrzeug
Die komplett neu entwickelte Elektronikarchitektur, auf der auch die weiterentwickelte Softwarearchitektur der BMW Group aufsetzt, bilde die Grundlage für das softwaredefinierte Fahrzeug der nächsten Generation, erklären die Bayern. Bei der Fülle digitaler Funktionen im Software Defined Vehicle ist es entscheidend, dass Funktionen nicht immer neu entwickelt, sondern auf stabilen Software-Plattformen stetig weiterentwickelt werden können, und genau das wird mit der «Neuen Klasse» erreicht: Im Fahrzeug laufen auf den jeweiligen Superbrains die Softwareplattformen und darauf wiederum die Fahrzeugfunktionen. Ein «Shared Service Layer» fungiert als verbindendes Element (Middleware) und sorgt unter anderem für modernste Cybersicherheit und flexible Over-the-Air-Updates. Christoph Grote, Leiter BMW Group Elektronik und Software, erklärt dazu: «Mit der Einführung der ‹Neuen Klasse› kommen wir bei der Softwareentwicklung in einen Modus, in dem wir Softwarekontinuität erreichen. Das heisst, wir entwickeln Software
stetig weiter und nicht immer wieder neu.» Das bringt vielfältige Vorteile:
«Ausgehend von unserer weiterentwickelten Softwarearchitektur und der Tatsache, dass wir heute mit unseren globalen Entwicklerteams täglich 130-mal mehr Software generieren als vor zehn Jahren, sehen wir uns in einer hervorragenden Wettbewerbsposition. Unsere Softwareentwickler können sich stärker als je zuvor auf Produktinnovationen konzentrieren», so Grote.
Heart of Joy
Für ausführliche Tests und die Abstimmung des Heart of Joy scheuen die Münchner keinen Aufwand: Ein neues, BMW Vision Driving Experience genanntes Hochleistungs-
testfahrzeug, das bewusst keinen Serienbezug hat, fungiert gewissermassen als rollender Prüfstand für die neu entwickelte Antriebs- und Fahrdynamikregelung. Das Superbrain für Antrieb, Bremsen, Laden, Rekuperation und Teilfunktionen der Lenkung verarbeitet Informationen zehnmal schneller als bisherige Systeme. Im Zusammenspiel mit der komplett inhouse entwickelten Software BMW Dynamic Performance Control berechnet das Steuergerät alle Funktionen zur Fahrdynamik auf einem neuen Niveau an Geschwindigkeit und Präzision. Das Visionsfahrzeug wiederum entwickelt sagenhafte 18’000 Nm Drehmoment. BMWs Intention dahinter: Wenn das Steuerungssystem eine
Mit der äusserst schnell arbeitenden Antriebs- und Fahrdynamikregelung Heart of Joy werden die meisten Bremsungen und Bremseingriffe wie hier bei Anbremsen und Kurvenfahrt von der Rekuperationsbremse übernommen.
solche Kraftexplosion beherrschen kann, meistert es die Anforderungen im Strassenalltag mit Leichtigkeit. Durch die Rekuperation gehen Antriebs- und Bremsfunktion bei elektrischen Fahrzeugen sozusagen eine Symbiose ein. Vor diesem Hintergrund vereinigt Heart of Joy zum ersten Mal Antriebs- und Fahrdynamikfunktionen, wobei die innovativen Steuerungsfunktionen durch mehrere Patentanmeldungen geschützt sind. Die Einheit steuert das Beschleunigen und Bremsen, die Fahrzeugstabilisierung sowie fahrdynamische Lenkungsfunktionen und das Lademanagement. Die zentrale Recheneinheit und die perfekt darauf abgestimmte Software ermöglichen eine direkte Ansprache aller verbundenen Aktuatoren mit minimalen Verzögerungen – die Latenzen liegen im Millisekundenbereich. Herkömmliche Systeme dagegen haben bekanntlich separate Steuergeräte und Regelalgorithmen für Antrieb und Bremsen, wodurch bei den schnellen Elektroantrieben nicht das volle Potenzial an Fahreigenschaften ausgeschöpft werden kann. Die integrierte Steuerung von Antrieb, Bremse und Rekuperation ermöglicht eine nachhaltigere Nutzung der Energie. So würden 98 % der Fahrer keine Eingriffe der klassischen Bremse benötigen, die Bremsleistung der Rekuperationsbremse reiche gemäss BMW für normales, alltägliches Fahren aus. Nur bei sehr starken Bremsvorgängen wie Gefahrenbremsungen muss die Reibbremse noch zupacken. Insgesamt führe das System zu einer Effizienzsteigerung von bis zu 25 %.
Software-Stack der «Neuen Klasse» mit den vier Superbrains als Fundament.
WIE KIESELSÄURE IM REIFEN SEIT DREISSIG JAHREN WUNDER WIRKT
Seit nun bereits drei Jahrzehnten sorgt Silica in Reifen für mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit auf der Strasse. Auch Continental erkannte das Potenzial des Füllstoffes früh und setzt inzwischen bereits nachhaltig aus der Asche von Reishülsen hergestellte Kieselsäure ein. Bilder: Continental
Mitte der 1990er Jahre erkannte Continental als einer der ersten Reifenhersteller weltweit das Potenzial von Silica bzw. zu Deutsch Siliciumdioxid, auch Kieselsäure genannt als Füllstoff für die Reifenindustrie, denn das Hannoveraner Unternehmen unternahm bereits Anfang der Neunzigerjahre erste vielversprechende Experimente damit. Kieselsäure wird in vielen Industrien verwendet, in der Bauindustrie zum Beispiel wird sie für Beton und Ziegel eingesetzt. Siliciumdioxid wird hauptsächlich aus Quarzsand gewonnen. Für den Einsatz in der Reifenproduktion ist dieses kristalline Silica allerdings ungeeignet, weshalb eine technisch aufbereitete «amorphe» Kieselsäure verwendet wird. Ihre Eigenschaften werden während des Mischprozesses aktiviert. Dabei reagiert Silica mit dem Bindemittel Silan. Im nächsten Schritt, also während der Vulkanisation, wird die Gummimischung bei Temperaturen von 120 °C bis 160 °C gezielt unter
Druck gesetzt. Durch spezielle Reifenformen erhält der Reifen sein charakteristisches Aussehen. Gleichzeitig entsteht mithilfe von Schwefel aus der Gummimischung und Kieselsäure ein biegsamer und elastischer Gummi. Denn der Schwefel bildet bei der Vulkanisation Brücken zwischen den langkettigen Molekülsträngen des Kautschuks aus. Die Kieselsäure geht – unterstützt durch Silan –zusätzliche Bindungen zwischen einzelnen Kautschukpolymeren ein. Auf diese Weise entsteht ein besonders festes Netzwerk zwischen den Kautschukmolekülen. Dem Reifen können so gezielt physikalische Eigenschaften wie ausgezeichnete Nasshaftung, gute Abriebfestigkeit und exzellenter Rollwiderstand verliehen werden. Gleichzeitig hält er sehr hohen Belastungen stand.
Erste Serienreifen mit Silica Bereits die ersten Fahrversuche mit dem neuen Füllstoff in den Reifenmischungen im Jahr 1994 zeigten enorme Verbesserungen. Besonders beim Bremsen auf nassen Stras-
reifen mit Silica in der Reifengummimischung. «Silica in Gummimischungen hat die Reifentechnologie revolutioniert. So konnten wir die Bremswege auf nasser Fahrbahn nahezu halbieren. Das ist bis heute ein enormer Sicherheitsgewinn», sagt Prof. Dr. Burkhard Wies. Er war Mitte der 1990er Jahre bei Continental der Entwickler erster Reifen mit Silica in den Gummimischungen und arbeitet heute dort als Leiter der Abteilung Angewandte Forschung und Innovation.
sen und beim Rollwiderstand schnitt Silica deutlich besser ab als Industrieruss. Ein Jahr später verwendete Continental Silica erstmals in einem serienreifen Produkt, dem «ContiEcoContact CP». Ab 1996 folgte mit der Einführung des «ContiWinterContact TS 770» der erste Winter-
Silica aus Asche von Reishülsen Continentals Entwicklerinnen und Entwickler arbeiten beständig daran, dass Reifen immer leistungsfähiger, sicherer und nachhaltiger werden – sowohl in Bezug auf die Reifeneigenschaften als auch auf die verwendeten Materialien. So forscht das Unternehmen an der Verwendung von alternativem, nachhaltigerem Silica mit vergleichbaren Eigenschaften und Sicherheitsvorteilen. Zum Beispiel haben sich Reishülsen als zukünftiges Ausgangsmaterial für nachhaltig hergestelltes Silica bewährt. Diese sind ein Nebenprodukt der Reisproduktion, können jedoch nicht als Nahrungsmittel oder Tierfutter verwendet werden. So ist die Herstellung von Silica aus Reishülsenasche energieeffizienter als aus herkömmlichen Materialien wie Quarzsand. In Continentals bisher nachhaltigstem Serienreifen, dem «UltraContact NXT», wird die Kieselsäure aus der Asche von Reishülsen bereits heute serienmässig verwendet. (pd/sag)
Silica in Reifen
Der «UltraContact NXT» kommt serienmässig mit Silica aus der Asche von Reishülsen.
Reishülsen haben sich als künftiges Ausgangsmaterial für nachhaltig hergestelltes Silica bewährt.
TITELTHEMA
Waschen und Reinigen
Wir zeigen in der Mai-Ausgabe neue Waschanlagen und SB-Waschplätze und geben darüber hinaus einen Überblick zu Produkten für die Fahrzeugreinigung.
WIRTSCHAFT
Software im Garagenbetrieb
Die wichtigsten Anbieter stellen ihre DealerManagement-Software DMS vor und zeigen, wie damit die Arbeitsabläufe in der Garage optimiert werden können.
Planen und Bauen
Worauf beim Bau und bei der Sanierung eines Garagenbetriebs zu achten ist.
Lidar-Sensoren werden seit den frühen Nullerjahren in Fahrzeugen eingebaut und bieten ein weiteres Signal an, das Abstände und/oder Objekte erkennen kann. Der Sensor liegt also zwischen Radar und Kamera, und mit ihm wird ein redundantes Signal nach einem anderen physikalischen Prinzip erzeugt. Genau das ist für die zukünftigen hochautomatisierten Fahrzeuge sehr wichtig. Das «Fachwissen» wird sich mit den Arten, der Funktion und der Auswertung der Daten beschäftigen. Das Lidar-Signal ist auf atmosphärische Störungen wesentlich anfälliger als das Radar-Signal und streut bei weiten Distanzen in der Regel mehr.
Geschäftsführer Giuseppe Cucchiara gcu@awverlag.ch
Verkaufsleiterin / Mitglied der Geschäftsleitung
Jasmin Eichner je@awverlag.ch
Chefredaktor Mario Borri (mb) mborri@awverlag.ch redaktion@awverlag.ch
Redaktion
Michael Lusk (ml)
Fabio Simeon (fs)
Isabelle Riederer (ir)
Felix Stockar (fst)
Andreas Lerch (ale) Stefan Gfeller (sag) Giuseppe Loffredo (glo)
Anzeigenverkauf
Juan Doval jd@awverlag.ch Mobile: 076 364 38 41
SCHWERPUNKT
Carrosseriereparatur und Spot-Repair
Das Reparieren von kleinen kosmetischen Schäden gewinnt weiter an Bedeutung. Lackhersteller bieten dazu viele Produkte an, die sich einfach und kostengünstig verarbeiten lassen.
Maschinen, Werkzeug und Zubehör
Die Arbeit des Schleifens, Polierens und Trennens ist zwar seit Jahren gleich, die dazu benötigte Ausrüstung wird aber immer besser. Wir stellen entsprechendes Werkzeug, Geräte und Zubehör vor.
Die AUTO&Carrosserie-Ausgabe 2/2025 erscheint im Juni.
LEGENDEN DER STRASSE VERDIENEN DAS BESTE
Fünf Marken, ein Shop. Finden Sie hochwertige Produkte für Oldtimer von führenden Herstellern wie Castrol, Motorex, Dunlop, Pirelli und Vredestein – alles in einem Onlineshop, ohne mühsames Suchen. Sparen Sie Zeit und Geld mit unserem umfassenden Sortiment und schneller Lieferung. Ihre Vorteile: ein Ansprechpartner, maximale Verfügbarkeit und TopQualität. Bestellen Sie so effizient, Mehr unter: shop.fibag.ch
wie Sie arbeiten – mit unserem Onlineshop für Profis. Einfach. Effizient. Professionell.
Leiterin Marketing & Events
Arzu Cucchiara ac@awverlag.ch
Leiterin Administration / Assistentin der GL Amra Putinja ap@awverlag.ch
