Verbrennungsmotor | Bauteile für mehr Power + CO2 Reduktion

Auch wenn der Verbrennungsmotor ein Auslaufmodell zu sein scheint, bleibt er trotz der Elektrifizierung eine zentrale Antriebsart in der Automobilindustrie. Denn die Akzeptanz ist noch genausowenig vorhanden wie eine ausreichende Infrastruktur. Moderne Bauteile und Technologien zielen darauf ab, seine Effizienz zu steigern und den CO₂-Ausstoß signifikant zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Hier sind ein paar Innovationen:

Inhalt

• Wie steht es um den Verbrennungsmotor?
• Verbrennungsmotor Innovationen 
  • Abzweigknoten für Rekuperation Hybridmotor
  • Festkörpergelenk für Benzindirekteinspritzung mittels Ätztechnik
  • Heizkat soll künftige Abgasprobleme lösen

Wie steht es um den Verbrennungsmotor?

Die Diskussion über den Verbrennungsmotor hat in den letzten Jahren an Intensität gewonnen, da die Automobilindustrie vor einem Paradigmenwechsel steht. Trotz des globalen Trends zur Elektromobilität bleibt der Verbrennungsmotor eine Schlüsseltechnologie, insbesondere für Anwendungen, bei denen hohe Reichweiten und Belastbarkeit erforderlich sind. Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich auf die Optimierung von Effizienz und Emissionsreduktion. Innovative Bauteile und fortschrittliche Verbrennungsverfahren zielen darauf ab, die CO₂-Emissionen drastisch zu senken, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. 

In der Diskussion über das Verbrenner-Aus gibt es intensive Debatten, die weit über technische Aspekte hinausgehen. Während einige Länder bereits konkrete Ausstiegspläne festgelegt haben, setzen andere weiterhin auf den Verbrennungsmotor, insbesondere für Nischenanwendungen und den Schwerlastverkehr. Der aktuelle Stand zeigt, dass die Branche auf eine hybride Zukunft zusteuert, in der sowohl Elektromobilität als auch optimierte Verbrennertechnologien koexistieren. Hierbei wird intensiv an der Weiterentwicklung von Kraftstoffen und an der Effizienzsteigerung gearbeitet, um den Übergang so nachhaltig wie möglich zu gestalten.

Die Zukunft des Verbrenners hängt stark von politischen Entscheidungen und technologischen Fortschritten ab, die sowohl ökologische als auch wirtschaftliche Faktoren berücksichtigen müssen. Der deutsche Bundesverkehrsminister Volker Wissing schätzt das im März 2023 folgendermaßen ein:

Verbrennungsmotor Innovationen

Abzweigknoten für Rekuperation in Hybridmotor

01.12.2020 | Die MTA hat für den Hybridmotor in Fiat und Lancia einen spezifischen 3-Wege Abzweigknoten mit Deckel entwickelt. Damit unterstützt der Zulieferer die Umsetzung für den Hybridantrieb speziell in den Modellen Fiat Panda, Fiat 500, Lancia Ypsilon Mild Hybrid und Fiat 500 Full Electric.

Im Fiat Panda, Fiat 500 und Lancia Ypsilon Mild Hybrid kommt neben Verbrennungsmotor ein Motor Generator zum Einsatz. Durch den Generator kann Energie während dem Bremsen und der Verzögerungsphasen vom Hybridauto zurückgewonnen werden. Diese Energie wird in einer Hilfsbatterie gespeichert und während der Beschleunigung der Hybridautos wieder zur Verfügung gestellt.

Für den Hybridmotor in Fiat 500, Fiat Panda und Lancia Ypsilon Mild Hybrid hat die MTA einen spezifischen 3-Wege Abzweigknoten mit Deckel entwickelt. Der Abzweigknoten wurde extern unter dem Fahrzeug Unterboden verschraubt.

Auf Basis seiner Silikondichtung ist die IP69K Komponente wasserdicht. Über einen Gewindezapfen ist der Knoten direkt mit der Hilfs Batterie verbunden. Diese befindet sich im Fahrzeug Inneren. Über zwei Ausgangskabel versorgt der Abzweigknoten den Elektromotor und das Ladesystem.

Verteilung der Energie im Hybridmotor

Für den Fiat 500 Full Electric hat der Automobilzulieferer elektrische Komponenten zur Verteilung der von der Batterie gelieferten Energie entwickelt. Diese dienen auch zur Funktionsabsicherung.

Für den Motorraum wurden die Vorsicherungsdose FRB konzipiert sowie die Relaiseinheit RB und ein mit 20 Minival bestücktes Sicherungsmodul. Diese drei Einheiten befinden sich in einem eigens entwickelten Kunststoffträger, dessen Schnappdeckel sich werkzeuglos öffnen lässt.

Für den Fiat 500 Full Electric bietet MTA die Batterie Vorsicherungsdose CBA in der neuen Ausführung „strong”. Sie ist mit Metallbügel, Schnellbefestigungssystem mit Hebel und vier Sicherungen, zwei Midival (30 und 70 A) und zwei Megaval (150 und 200 A) aus der MTA Fertigung ausgestattet.

Festkörpergelenk für Benzindirekteinspritzung mittels Ätztechnik

07.02.2017 | Weltweit verfolgen Automobilhersteller ein großes Ziel: Sie wollen immer sauberere Fahrzeuge mit immer niedrigerem Kraftstoffverbrauch produzieren. Vor diesem Hintergrund steigt die Nachfrage nach Systemen zur Benzindirekteinspritzung, die den CO₂-Ausstoß drastisch senken. Das dafür benötigte Festkörpergelenk stellt Precision Micro her.

Das fotochemische Ätzen ist mit Abstand das beste Produktionsverfahren für das Festkörpergelenk. Seine Eigenschaften eignen sich besonders gut für die Arbeit mit Hochleistungs Federstahl. Dank des spannungsfreien Verfahrens funktionieren die Federn länger und zuverlässiger – ein zentraler Aspekt beim Einsatz in sicherheitskritischen und anspruchsvollen Umgebungen wie GDI-Systemen.

Der Markt für Benzindirekteinspritzung Systeme wächst: Während 2008 nur rund 2 % der Fahrzeuge über diese Technik verfügten, werden bis 2020 neuesten Prognosen zufolge 25 % aller Fahrzeuge standardmäßig mit Benzindirekteinspritzung (GDI) ausgestattet sein. Ein Element dieser GDI-Systeme ist das Festkörpergelenk für die Benzindirekteinspritzung, die der Ätztechnikspezialist Precision Micro für die Automobilzulieferindustrie herstellt. Die fotochemisch geätzten Gelenke erfahren dank der insgesamt steigenden Nachfrage im Automotive-Sektor einen signifikanten Wachstumsschub.

Festkörpergelenk für Continental & Co.

Der Zulieferer liefert sein fotochemisch geätztes Festkörpergelenk an drei der fünf wichtigsten internationalen Hersteller von Benzindirekteinspritzungs Technik mit Flachfedern, darunter auch Continental. Mit dem namhaften Automobilzulieferer wurde ein Fünf-Jahres-Vertrag über die Lieferung von Festkörpergelenken abgeschlossen. Precision Micro produziert aktuell über 1.000.000 GDI Festkörpergelenke pro Monat und liefert diese weltweit, unter anderem nach China, Südamerika sowie in die Vereinigten Staaten.

Vor dem Hintergrund dieser Wachstumsprognose des GDI-Markts rechnet Precision Micro mit einer Steigerung des mit GDI-Kunden erzielten Festkörpergelenke Umsatzes um 25 % im Jahr 2017 beziehungsweise 50 % im Jahr 2018.

Heizkat soll künftige Abgasprobleme lösen

28.10.2011 | Hybrid-Fahrzeuge, Elektromobile mit Verbrennungsmotor als Range-Extender, modernste Diesel und direkteinspritzende Ottomotoren haben immer weiter absinkende Abgastemperaturen gemeinsam. Diese modernen Fahrzeug- und Motorenkonzepte werden laut Emitec in Zukunft um den Einsatz des elektrisch beheizten Katalysators nicht herumkommen.

Start-Stopp-Automatiken, regelmäßiger Intervallbetrieb von kompakten Verbrennungsmotoren oder die effektivere Umsetzung der Verbrennungsenergie in mechanische Antriebsleistung sorgen dafür, dass die Lightoff-Temperatur des Katalysators oftmals unterschritten wird. Dank des frei zuschaltbaren Heizkat's lassen sich die Emissionen, sowohl in der Startphase als auch während des laufenden (Intervall-) Betriebs, drastisch reduzieren.

Bereits Mitte der 90er Jahre hatte Emitec gemeinsam mit der deutschen Automobilindustrie den "Emicat" zur Serienreife entwickelt. Als weltweit erster und bis heute einziger Katalysatorhersteller konnten die Rheinländer einen elektrisch beheizten Katalysator schon damals in die Serie einführen. Die innovative Technik wurde zunächst von Alpina in ihrem Modell Alpina B12 5,7 eingesetzt. Kurz darauf folgte BMW mit der Serienapplikation im BMW 12 Zylinder. Beide Hersteller konnten damit die 1996 gültigen Emissionsgrenzwerte in Europa, Japan und USA deutlich unterschreiten. Selbstverständlich wurde der Emicat bis heute kontinuierlich weiterentwickelt, sodass er für zukünftige Anwendungen sofort einsatzbereit ist.

Effektivere Kraftstoffnutzung und Verringerung der Rohemissionen

Vor allem ein Vergleich zwischen den heute oft üblichen "innermotorischen Kat-Heizmaßnahmen" und dem elektrisch beheizten Kat fällt sehr positiv zugunsten des Emicat aus. Der Grund liegt in der effektiveren Kraftstoffnutzung und der Verringerung der Rohemissionen. Der Heizkat befindet sich direkt vor dem Hauptkatalysator. Längere Wege und damit Heizverluste werden vermieden. Bis zu 65 % an Kraftstoff und damit CO2-Emissionen können bei Einsatz des Emicat in einzelnen Betriebspunkten eingespart werden.

Die zusätzlichen Kosten des Heizkat's lassen sich überkompensieren. Dank der höheren Effektivität des Systems aus Heizkat und nachgeschalteten Hauptkat, können das Kat-Volumen und damit die Edelmetallbeladungen deutlich reduziert werden. Das Bordnetz moderner Fahrzeuge – mit ihrer innovativen Elektrik und ggf. Rekuperation wie Energierückgewinnung beim Bremsen – wird durch den Einsatz des Emicat's kaum noch belastet.

Aufgrund der neueren Entwicklung eines Thermoelektrischen Generators (TEG) entsteht sogar ein Überschuss an elektrischer Energie. Der E-Kat bietet daher die Möglichkeit, die während der Schubphasen CO2-neutral zur Verfügung stehende Energie der Lichtmaschine in nutzbare Wärme umzuwandeln. Besonders vorteilhaft ist die Kombination des beheizbaren Katalysators mit Start-Automatiken, da hierdurch das Abkühlen des Kat's und daher das innermotorische, kraftstoffverbrauchsreiche Heizen in den Leerlaufphasen vermieden werden kann.

Motorisches Kat-Heizen beim Ottomotor vermeiden

Ottomotoren stoßen bekanntlich sehr kleine, meistens unsichtbare Partikel aus. Direkteinspritzende Ottomotoren emittieren in der Kaltstartphase solche Partikel vermehrt aus. Denn zum schnelleren Aufheizen des Kat-Systems wird zusätzlicher Kraftstoff im Motor verbrannt. Dieses motorische Kat-Heizen kann mit dem Heizkat vermieden werden, womit sich auch die Rußemission deutlich senken lässt. Die Verbesserung der Schadstoffemissionen hat gleichzeitig den Vorteil, dass ein signifikanter Kraftstoff-Verbrauchsvorteil erzielt wird.

Kettcar für Erwachsene schafft bis zu 200 km Reichweite

In SCR-Systemen wiederum vermag der Emicat den eingedüsten Harnstoff optimal zu verdampfen und erhöht dadurch die SCR-Katalysatoreffektivität. Diese mit elektrischen Leistungen von 1 bis 3 kW betriebenen, beheizten Metall-Katalysatoren sorgen nicht nur für eine Erhöhung der Arbeitstemperatur bei Pkw um bis 100 °C (bei Nutzfahrzeugen um entscheidende 20 bis 30 °C), sondern durch die Einspritzung der Adblue- Harnstofflösung auf den heißen E-Kat wird ein deutlich früherer Start der NOx-Konvertierung erzielt. Bei Dieselfahrzeugen wird der elektrisch beheizte Katalysator aus Lohmar dank zukünftig strengerer Abgasgrenzwerte unverzichtbar werden.

Quellenangabe: Dieser Beitrag basiert auf Informationen folgender Unternehmen: Emitec, MTA, Precision Micro.