Bosch-Visionen zum Antrieb

Blick in den Antriebsraum der Zukunft

Wie sieht der Automobil-Antrieb in fünf, in zehn und in 20 Jahren aus? Verbrennungsmotoren haben noch viel Entwicklungspotenzial. „Wir wissen heute schon: In 20 Jahren wird der Verbrennungsmotor für das Auto noch immer der Antrieb der ersten Wahl sein“, erklärte Rolf Leonhard, Bereichsvorstand Entwicklung Diesel Systems bei Bosch.

Dieseloffensive in den USA und Asien

Die CO2-Emissionen neu zugelassener Pkw sinken in den nächsten zehn Jahren

Bosch setzt nun den Hebel beim Diesel an: Moderne Selbstzünder mit Direkteinspritzung verbrauchen gut 30 Prozent weniger Kraftstoff als vergleichbare konventionelle Benzinmotoren mit Saugrohreinspritzung. Die CO2-Emissionen liegen dabei rund 25 Prozent niedriger. Deswegen wird Bosch „alles“ tun, um dem Diesel auch in Nordamerika und Asien zum Durchbruch zu verhelfen.

Nächste Generation an Dieselpartikelfilter

Die Dieselpartikel-Frage hat die Automobilindustrie im Griff: Mit optimierter Einspritztechnik eliminiert man die „Rohemissionen“ noch vor der Nachbehandlung im Abgasstrang, zudem senkt der zusätzliche Dieselpartikelfilter die Rußemissionen lassen sich künftige schärfere Emissionsgrenzen erfüllen. Schon 2009 bringt Bosch eine neue Generation von Dieselpartikelfiltern auf den Markt.

Hohe Dieselgrenzwerte weltweit

Abgasgrenzwerte sind erreichbar

Schwieriger sind dagegen die Entwicklungsaufgaben zur Reduzierung der Stickoxid- oder NOx-Emissionen. In den USA sind die NOx-Grenzwerte schon heute sehr streng, mit der Verschärfung von BIN 8 auf BIN 5 wächst die Herausforderung: Statt 200 Milligramm Stickoxide pro Meile sind dann nur noch 70 Milligramm erlaubt. Auf einen Kilometer umgerechnet sind das rund 124 Milligramm oder 43 Milligramm. Auch in Europa sinken die NOx-Grenzwerte schrittweise: von heute 250 Milligramm pro Kilometer auf 180 Milligramm mit der Euro-5-Norm im Jahre 2009. Mit Euro 6 werden von 2014 an nur noch 80 Milligramm erlaubt sein.

Technische Lösungen für anspruchsvolle Abgaslimits

Selbst für diese anspruchsvollen Grenzwerte will Bosch die notwendigen technische Lösungen parat haben. „Das gelingt uns über gezielte innermotorische Maßnahmen, die das Brennverfahren weiter optimieren“, sagte Leonhard. Gemeint sind insbesondere

– höhere Ladedrücke des Turboladers bei gleichzeitig höheren Abgasrückführraten in der Teillast,

– mehr als 500 bar höhere Einspritzdrücke in der Teillast und

– einen noch flexibleren Einspritzverlauf mit bis zu acht Einspritzungen pro Arbeitstakt.

Druck mit Piezo-Technologie

Höhere Einspritzdrücke für mehr Effizienz

Zu den Innovationen gehören zum einen die Piezo-Injektoren für Einspritzdrücke bis 2.000 bar und optimierte Magnetventil-Injektoren. Sie sind ähnlich leistungsfähig wie Piezo-Injektoren und konzeptionell sogar für Einspritzdrücke von mehr als 2.000 bar geeignet.

In den Druckbereich oberhalb von 2.000 bar stößt die neue Common-Rail-Pumpe „Bosch CP4“ vor. Eine Version mit einem Druck bis 1.800 bar fertigt man seit 2006 in Serie. Die 2.000-bar-Variante soll noch in diesem Jahr auf den Markt kommen.

Viele Diesel-Pkw mit dieser Einspritztechnik werden von 2014 an die Euro-6-Grenzwerte auch ohne NOx-Abgasnachbehandlung einhalten können. Für schwerere Automobile sowie für die noch strengeren US-Grenzwerte ist eine NOx-Abgasnachbehandlung unverzichtbar.

Denoxtronic in der Pipeline

Abgasnachbehandlung mit Denoxtronic

Auf dem Nutzfahrzeugsektor hat Bosch seit 2004 die Bosch-DeNOxtronic zur Stickoxid-Reduktion im Programm. Dieses System spritzt flüssigen Harnstoff – besser als Adblue bekannt – in den Abgasstrang. Im nachfolgenden SCR-Katalysator – Selective Catalytic Reduction – reagiert das Adblue mit den Stickoxiden im Abgas zu harmlosem Wasserdampf und Stickstoff. Damit liegt die NOx-Konvertierungsrate derzeit bei mehr als 80 Prozent.

Alternativ zum NOx-Speicherkatalysator hat man auch die DeNOxtronic-Technik soweit entwickelt, dass sie im nächsten Jahr in den USA eingeführt werden. Dort wollen Audi, BMW, Mercedes und Volkswagen ihre Clean-Diesel-Fahrzeuge mit der DeNOxtronic ausrüsten.

Neben dem Partikelfiltern aus Siliziumcarbid kommt bei Bosch – gemeinsam mit Denso – ein Filter aus der leichter zu bearbeitenden Cordierit-Keramik zum Einsatz. „Wir entwickeln die neue Filtergeneration für einen Serieneinsatz ab 2009 – rechtzeitig zur erwarteten steigenden Nachfrage durch die verschärften Abgaslimits“, erklärt Leonhard.

Benziner lernt vom Diesel

Erste direkteinspritzende Benzinmotoren mit Schichtladung und wandgeführter magerer Verbrennung brachten Automobilhersteller schon vor zehn Jahren auf den Markt. In Kombination mit der Turboaufladung ging die Direkteinspritztechnik 2004 erstmals in Serie. Solche Motoren garantieren auch bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente von 150 bis 200 Newtonmeter pro Liter Hubraum. Dies garantiert hohe Fahrdynamik bei reduziertem Kraftstoffverbrauch. Die Motoren arbeiten mit homogener Verbrennung und brauchen deshalb keine NOx-Speicherkatalysatoren.

Benzindirekteinspritzung für Downsizing

Die technische Basis dazu liefert Bosch mit der zweiten Generation der Benzin-Direkteinspritzung DI-Motronic. Flexibel gestaltbare Mehrloch-Einspritzventile, der auf 150 bar erhöhte Einspritzdruck und die kompakte Einzylinder-Hochdruckpumpe sind deren wesentlichen Merkmale. Mit der zweiten Generation der DI-Motronic bringt man gerade bei niedrigen Drehzahlen mehr Frischluft in den Zylinder und erzeugt damit mehr Drehmoment, das so genannte Scavenging (reinigende Spülung). Die DI-Motronic steuert dabei die Öffnung der Ein- und Auslassventile so, dass sie für einen Moment gleichzeitig geöffnet sind: Es entsteht im Brennraum ein Durchzug und damit eine bessere Zylinderfüllung mit Frischluft. Erst nachdem die DI-Motronic die Ventile wieder geschlossen hat, wird der Kraftstoff direkt eingespritzt. Kraftstoff gelangt nicht in den Abgastrakt, die Schadstoffemissionen sinken. In Kombination mit einem reduzierten Hubraum bringt diese Technik zehn bis zwölf Prozent weniger CO2-Emissionen.

SULEV wird mit Benziner-DI erreicht

Art des Antriebs beeinflusst Einsparpotenzial

Die neuen Benziner unterschreiten damit selbst die strengsten US-Emissionsgrenzwerte für „Super Ultra Low Emission Vehicles“ (SULEV), bei gleichzeitiger Verbrauchseinsparung. Deshalb sieht Bosch in den USA große Chancen für die Benzindirekteinspritzung. Hatte 2006 die Benzindirekteinspritzung am Nafta-Markt noch einen Anteil von weniger als ein Prozent, so rechnet Bosch für 2015 mit mehr als zehn Prozent.

Zeitgleich mit dem 150-bar-Mehrloch-Einspritzventil präsentierte Bosch 2006 als erster Zulieferer im Mercedes CLS 350 CGI ein 200-bar-Piezo-Einspritzventil mit nach außen öffnender Düse. Dieses Einspritzventil erschließt den Motorenherstellern das neuartige, „strahlgeführte Brennverfahren“ mit Ladungsschichtung im Teillastbereich. Gegenüber konventionellen Saugrohreinspritzern bringt es rund 15 Prozent weniger Verbrauch und CO2-Emissionen. Die Piezo-Technik ist aber aufwändig. Deshalb arbeitet Bosch an einer anderen Lösung: dem strahlgeführten Brennverfahren sowie einem Flexfuel-Betrieb – also den Betrieb mit Benzin, Alkohol oder Erdgas – auch mit einem magnetventilgesteuerten Mehrloch-Einspritzventil.

Start/Stopp senkt Verbrauch

Smart Electronic Start/Stopp-Systems

Eine wesentliche Veränderung wird der Triebstrang bei den elektrischen Nebenaggregaten erfahren. Beispielsweise ein neues Start/Stopp-System, das den Verbrennungsmotor im Stau oder an der roten Ampel abschaltet. Tritt der Fahrer die Kupplung, um den Gang wieder einzulegen, startet das System automatisch den Motor. Je nach Fahrzeug sind im Stadtverkehr bis zu acht Prozent Einsparung möglich. Im neuen 1er BMW kommt das System erstmalig zum Einsatz.

Auch den Wirkungsgrad des Generators, der Lichtmaschine, haben die Entwickler im Fokus. Mit einem entsprechend optimierten Generator lassen sich ein bis zwei Prozent Leistung gewinnen. Durch intelligenten Eingriff in die Regelung nutzt man beim Bremsen einen Teil der Energie für die Batterieladung. Zwei bis drei Prozent Verbrauchs- und CO2-Vorteil sind erreichbar.

Mit Hybrid durch Metropolen

Bosch beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit elektrischen Antrieben. Voraussichtlich noch im nächsten Jahr liefert man die Hybridtechnik für den ersten Einsatz in Fahrzeugen von Volkswagen, Audi und Porsche.

Mehr Potenzial an CO2-Reduktion hat man mit den Hybridkonzepten: Mehr als 25 Prozent sind mit einem Benzinhybrid einzusparen, 40 Prozent mit einem Dieselhybrid im Vergleich zum konventionellen Benzinmotor.

Entscheidend für den Erfolg dieser Konzepte ist die Akzeptanz der Autokäufer. Hier bietet der Strong Hybrid das meiste Potenzial. Der elektrische Antrieb hat ausreichend Leistung, um über kurze Strecken rein elektrisch zu fahren.

Brennstoffzelle kommt – in 20 Jahren

In einem Forschungsprojekt untersucht Bosch das Betriebsverhalten

Am weitesten reicht die Bosch-Prognose für die Brennstoffzelle als Energiewandler. Mit regenerativ hergestelltem Wasserstoff als Kraftstoff und Elektromotoren für elektrischen Antrieb kommt man der Vision vom schadstofffreien Automobilantrieb am nächsten. Hoch erscheinen aber noch die technologischen Hürden der Wasserstoff-Wirtschaft, bei der Lebenserwartung für Brennstoffzellen oder der Speicherung von Wasserstoff. So wird die Brennstoffzelle über die nächsten 20 Jahre lediglich für kleine Marktnischen den Verbrennungsmotor ersetzen können. Doch die Bosch-Entwickler sind emsig: Schon heute liefert man Komponenten für Prototypen von Brennstoffzellen-Fahrzeugen.