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CO2-Emissionen reduzieren mit optimierten Verbrennungsmotoren Referat von Dr. Rolf Leonhard Bereichsvorstand Entwicklung Diesel Systems

  • anlässlich des 60. Motorpressekolloquiums in Boxberg im Juni 2011
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  • 09. Juni 2011
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  • Referat

Pressetext

Meine sehr geehrten Damen, meine Herren,

der Verbrennungsmotor wird auch in Zukunft für die individuelle Mobilität einen ganz entscheidenden Anteil zur Schonung des weltweiten Klimas und unserer Vorräte an fossilen Energieträgern beitragen müssen. Das ist die Schlussfolgerung aus den Untersuchungsergebnissen unsere Marktforscher und auch externer Experten zur Entwicklung des Weltmarkts für Automobile.

Nach unseren Prognosen erwarten wir für das Jahr 2020 einen Weltmarkt mit jährlich 103 Millionen Personenwagen und leichten Nutzfahrzeugen. Davon werden nur drei Millionen Fahrzeuge mit einem rein elektrischen Antrieb oder als Plug-in-Hybrid ausgerüstet sein. Sechs Millionen werden neben einem Verbrennungsmotor zusätzlich einen elektrischen Antrieb haben – sie arbeiten nach einem Hybridkonzept. Im Umkehrschluss erwarten wir, dass 2020 gut 100 Millionen Neufahrzeuge mit einem Verbrennungsmotor auf den Markt kommen werden.

Unsere Prognose zeigt aber auch: Im Jahr 2020 werden nahezu 30 Millionen mehr neue Automobile mit Verbrennungsmotor auf den Markt kommen als die 71 Millionen im vergangenen Jahr. Also wächst dieser Markt für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor in den kommenden zehn Jahren um gut 40%.

CO2-Ziele nur über verbesserte Verbrenner erreichbar
Wie können wir trotzdem die gesellschaftlichen Ziele zur Schonung von Umwelt und Ressourcen fossiler Energieträger erreichen? Die Antwort ist leicht abzuleiten: Elektrofahrzeuge und Plug-In-Hybride tragen in Europa mit etwa vier Gramm pro Kilometer zur CO2-Reduzierung bei.
Die 96 Prozent der Neufahrzeuge mit Verbrennungsmotor müssen somit den entscheidenden Beitrag leisten. Und die Aufgabenstellung an die Entwickler wird sich weiter in dem Maß verschärfen, wie über die kommenden zehn Jahre weltweit die Zielwerte für die CO2-Emissionen reduziert werden.

Inzwischen sind in vielen Ländern rund um den Erdball CO2-Werte gesetzlich verankert oder als Ziel festgelegt. In Europa hatte 2009 ein durchschnittlicher Personenwagen einen Koh-lendioxid-Ausstoß von 146 Gramm pro Kilometer. Die EU-Kommission hat ihren Mitgliedsländern für die Zeit bis 2015 das Ziel gesteckt, die Emissionen um elf Prozent auf 130 Gramm zu senken. Bis 2020 soll dann die Reduktion ein Zielwert von 95 Gramm CO2 erreichen und somit 35 Prozent betragen. Der von der EU-Kommission geforderte Wert für 2025 liegt bei 70 Gramm CO2-Emissionen pro Kilometer für ein durchschnittliches Neufahrzeug – vergleichbar mit einem Durchschnittsverbrauch von rund drei Liter Benzin oder 2,6 Liter Diesel pro 100 Kilometer – und damit gut 50 Prozent unter den heutigen Durchschnittswerten. Umgerechnet sind das für die Benziner gut 78 Meilen pro Gallone oder für die Diesel 90 Meilen pro Gallone. Auch für leichte Nutzfahrzeuge bis zu 3,5 Tonnen Gewicht hat die EU-Kommission Zielwerte für 2020 fixiert: Die geforderten 147 Gramm CO2 pro Kilometer entsprechen einer Reduktion um rund 30 Prozent.

Biokraftstoff – andere Märkte, andere Ziele
Je nach den regionalen Gegebenheiten setzen die Märkte unterschiedliche technische Schwerpunkte, um geringere CO2-Emissionen zu erreichen. In Brasilien spielt beispielsweise die Flex-Fuel-Technik eine wichtige Rolle. Dort wird viel Zuckerrohr angebaut und zu Ethanol verarbeitet, der auch als Alternative zu Kraftstoff auf Mineralölbasis dient. Dieser Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen führt zu einer merklichen Entlastung in der CO2-Bilanz. In den USA werden zunehmend Flex-Fuel-Fahrzeuge zugelassen, die mit 85-prozentiger Ethanol-Beimengung zum Benzin fahren können. Diesen umweltschonenden Effekt nutzen auch andere Länder und Regionen durch Mischung biogener und fossiler Kraftstoffe – mit Beimengungsraten zwischen fünf und 20 Prozent sowohl zum Benzin wie auch zum Diesel. Ein weiterer Beitrag für die Zukunft sind synthetische Kraftstoffe auf Basis organischer Reststoffe.

Diesel mit wesentlichen Beitrag zur Verbrauchseinsparung
In Europa setzen Autofahrer und Automobilindustrie zu 50 Prozent auf den Diesel als kraftstoffsparende und damit CO2-sparende Antriebsart. Indien ist ebenso ein starker Dieselmarkt. In den USA wird nach wie vor der Benziner die Antriebstechnik der ersten Wahl sein und der Diesel nur von einer kleinen, aber wachsenden Käuferschicht ausgewählt. Auf dem weltweit wohl am stärksten wachsenden Automobilmarkt in China haben derzeit mehr als 99 Prozent der neu zugelassenen Personenwagen einen Benzinmotor. Bei den Kleinbussen beträgt der Dieselanteil drei Prozent. Wohingegen drei Viertel der neu zugelassenen leichten Nutzfahrzeuge mit einem Dieselmotor ausgerüstet sind. Insgesamt erwarten wir hier in Zukunft neben Elektrofahrzeugen eine Verschiebung zu höheren Dieselanteilen, denn auch die chinesische Regierung setzt auf CO2-arme Mobilität, ohne sich aber auf eine technische Vorzugslösung festlegen zu wollen.

Gibt es in den Regionen der Welt unterschiedliche Vorstellungen von dem umweltschonenden Kraftstoff für Automobile, so gibt es trotzdem einen einheitlichen Weg: Der Schlüssel dafür, die CO2-Ziele bis 2025 zu erreichen, liegt also bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, auch zunehmend mit hybriden Antriebskonzepten.

Beim Motorpressekolloquium im Jahr 2009 hatte Bosch es deutlich herausgearbeitet: Mittelfristig wird beim Verbrenner der Kraftstoffverbrauch und gleichermaßen die CO2-Emissionen um 30 Prozent sinken – sowohl beim Benziner als auch beim Diesel. Hinzu kommen noch die zusätzlichen Einsparungsmöglichkeiten durch einen hybriden Antrieb, der Verbrauch und CO2-Emissionen um etwa weitere zehn Prozentpunkte senkt. Zusammen mit den Maßnahmen der Automobilhersteller am Fahrzeug selbst – wie Leichtlaufreifen, Leichtbau oder reduzierten Luftwiderstand – lassen sich dann in Summe Verbrauch und CO2-Emissionen auf rund die Hälfte des heutigen Durchschnittswertes senken.

CO2-Ziele für 2020 erreichbar
Das heißt, die CO2-Ziele für 2020 mit 95 Gramm pro Kilometer in Europa sind für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor umsetzbar. Bosch bietet der Automobilindustrie sowohl für den Diesel wie auch für den Benziner entsprechende Technikpakete an, mit denen die wesentlichen Einsparungen zu erzielen sind.

Betrachten wir die Normverbräuche von Neufahrzeugen auf dem europäischen Markt genauer, so wird deutlich, dass heute bereits bis in die Mittelklasse hinein einige der Fahrzeugmodelle den in Europa geltenden CO2-Zielwert für 2015 unterschreiten. Da finden wir als Fahrzeuge der unteren Mittelklasse den VW Golf TSI mit einem 77-Kilowatt-Benzinmotor und 121 Gramm CO2-Emission entsprechend 5,2 Liter pro 100 Kilometer.
Der gleiche Golf mit Dieselmotor schafft 99 Gramm oder 3,8 Liter.
Auch der Volvo C30D mit 84 Kilowatt kommt auf 99 Gramm. Aber auch in der oberen Mittelklasse erreicht ein BMW der 5er-Klasse mit 135 Kilowatt Leistung 4,9 Liter oder 129 Gramm. Benziner wie ein Peugeot 508 oder VW Passat erreichen 144 Gramm beziehungsweise 138 Gramm. Benzin-Hybride aus dem Toyota-Konzern setzen im Normverbrauch in der unteren Mittelklasse den Maßstab bei einem CO2-Ausstoß je nach Modell von etwa 90 Gramm. Bei schwereren Fahrzeugen sind Modelle angekündigt, die als Diesel-Hybride bereits die für 2020 formulierten CO2-Ziele erreichen, – so etwa der Peugeot 3008 mit Hybrid-Technik von Bosch.

Ein genauer Blick auf die Zahlenwerte zeigt, dass die Benzin-Hybride im Normverbrauch nahe bei den vergleichbaren Dieselfahrzeugen liegen. Beide Techniken sind heute bereits in der Lage, die für 2020 diskutierten Zielwerte zu erreichen.

Das sind einige interessante Beispiele aus der Automobilindustrie, die zeigen, dass unsere Vorhersagen einlösbar sind. Die Mehrzahl der Motorkonzepte, die heute im Serieneinsatz sind, bieten jedoch noch ausreichend Spielraum für verbrauchsreduzierende Techniken, um letztlich die angestrebten Flottenwerte erreichen zu können. Und selbst bei dieser Auswahl besonders verbrauchsgünstiger Fahrzeuge ist der Vorrat technischer Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung, wie wir sie 2009 beschrieben haben, noch nicht ausgeschöpft.
Downsizing – der Schlüssel zum Spritsparen
Die wirkungsvollste motorische Maßnahme ist das Downsizing. Weniger Hubraum und weniger Zylinder führen zu weniger Reibungsverlusten und zu weniger bewegte Massen. Ein solcher Motor hat auch geringere thermische Verluste. Aufgabe der Motorenentwickler ist es, den Hubraum und darüber hinaus gegebenenfalls die Zylinderzahl zu reduzieren, trotzdem aber die gleiche oder eine höhere Motorleistung zu erzielen.

Die Leistung eines Motors können die Entwickler trotz reduziertem Hubraum, trotz weniger Zylinder dann erhalten, wenn ihm pro Verbrennungstakt mehr Luft zugeführt wird, als er selbst ansaugen kann. Das wird möglich durch Turboaufladung, die den Motor mit ausreichend Luft zur sauberen Verbrennung versorgt.

Bosch produziert im Joint Venture Bosch Mahle Turbo Systems von Ende 2011 an moderne Turboladersysteme, die auf solche neuen Motorenkonzepte für Benziner- und Diesel-PKW sowie auf Nutzfahrzeuge zugeschnitten sind. Im Jahr 2015 erwarten wir aus dieser Kooperation eine Million produzierte Turbolader mit optimiertem Ansprechverhalten.

Die Grenzen des Downsizings sind nicht fixiert – weder hinsichtlich des Hubraums noch hinsichtlich der Zylinderzahl. Letztendlich stellt sich den Entwicklern die Aufgabe, den Wirkungsgrad zu verbessern und dabei einen akzeptablen Kompromiss zwischen Verbrauchseinsparung, Kosten, Fahrbarkeit und Komfort zu finden.

Die Voraussetzung dafür schafft das Downsizing mit dem Ziel einer höheren Leistungsausbeute je Liter Hubraum.
Dem steht beim Benzinmotor die sogenannte Klopfgrenze entgegen, bei der sich unkontrolliert Kraftstoff zündet, das zu Motorschäden führen kann. Mit der Benzin-Direkteinspritzung erreichen die Ingenieure durch den eingespritzten Kraftstoff eine gute Brennraumkühlung und zudem eine gute Zylinderspülung ohne Kraftstoffverluste beim Ladungswechsel. Damit kann die Klopfgrenze zu hohen Lasten und Aufladegraden hin verschoben werden. Das Ergebnis sind beeindruckend hohe Drehmomentwerte bereits bei niedrigen Drehzahlen, wie es bisher nur vom Diesel her bekannt war.

Auch der verbrauchsgünstige Diesel hat noch Potenzial
Auch beim Dieselmotor sind die Möglichkeiten des Downsizings noch nicht ausgereizt: Mit zunehmendem Ladedruck durch den Turbolader müssen unsere Entwickler auch den Einspritzdruck des Common-Rail-Systems anheben. Dieser höhere Einspritzdruck bringt einen Mehrfachnutzen. Bei gleicher Einspritzdauer kann mehr Diesel-Kraftstoff eingespritzt und so eine bessere Leistungsausbeute erzielt werden – die spezifische Leistung des Dieselmotors steigt. Alternativ haben die Motorentwickler die Möglichkeit, bei gleicher Motorleistung den Durchmesser der Düsenlöcher in den Injektoren zu verringern. In Kombination mit mehrfacher Vor- und Nacheinspritzung verbessert das die Gemischbildung im Brennraum, spart Sprit und führt zu saubereren Abgasen. Insbesondere die Stickoxidemissionen können so gesenkt werden.

Den höheren Einspritzdruck nutzen die Motoringenieure auch dazu, eine höhere Belastung der Motorkonstruktion durch steigende Zylinderdrücke und Abgasspitzentemperaturen bei hoher Aufladung zu vermeiden.

Noch in diesem Jahr wird Bosch das erste Common-Rail-System mit 2200 bar Einspritzdruck für Personenwagen in Serie bringen. Und die Bosch-Entwickler arbeiten bereits an einem Common Rail mit 2500 bar. Selbst mit diesem hohen Einspritzdruck sehen wir noch keine technologische Grenze, wenn auch die Ingenieure immer größere technische Raffinesse aufwenden müssen, um diesen Fortschritt ohne Zuwachs an Bauraum und Gewicht sowie ohne Verlust an hydraulischer Effizienz zu erzielen.

Pkw erfüllen heute schon die Euro-6-Norm von 2015
Auch wenn der Einspritzdruck von Common-Rail-Systemen weiter steigt, so ist diese Maßnahme zur Schadstoffreduzierung bei weitem nicht für alle Motoren notwendig. Den Motoringenieuren stehen heute neben dem Dieselpartikelfilter auch Systeme zur Stickoxidreduktion im Abgas zur Verfügung. Erste Systeme für Personenwagen sind seit 2008 in den USA und seit 2009 auch in Europa in Serie. Diese Dieselfahrzeuge erfüllen bereits heute die erst ab 2015 gültige EU6-Norm.

Mit diesen DeNOx-Systemen ist es möglich, künftige höhere Emissionsanforderungen mit Einspritzdrücken von 1600 bar zu erfüllen. Durch den zunehmenden Einsatz von Common Rail Systemen in den asiatischen Wachstumsmärkten mit dem Anspruch an besonders robuste und gleichzeitig erschwingliche Lösungen werden wir zukünftig in China und Indien Systeme mit Einspritzdrücken zwischen 1400 und 1800 bar ausstatten.

Beim Pkw-Diesel kann der Einsatz einer NOx-Abgasnachbehandlung auch genutzt werden, um den Verbrennungsmotor bis zu fünf Prozent verbrauchsgünstiger zu betreiben.
Alle die technischen Maßnahmen direkt am Benzin- und Dieselmotor ergänzen die Bosch-Entwickler zunehmend durch effizienzgesteigerte Nebenaggregate. Noch mehr CO2-Vorteile lassen sich aber durch eine bedarfsgerechte Steuerung gewinnen – sie werden nur dann angetrieben oder genutzt, wenn sie tatsächlich gebraucht werden. Elektrische angetriebene Wasserpumpen, elektrische Servolenkungen oder aber ein Generator, der vornehmlich im Schiebebetrieb die Batterie lädt, verbessern den gesamten Wirkungsgrad des Fahrzeugs. Ein besonders wirkungsvolles Beispiel ist auch das Start/Stopp-Konzept von Bosch. Beim Stopp an einer roten Ampel schaltet es den Verbrennungsmotor aus, um ihn rechtzeitig zum Grün wieder sicher zu starten. In dem für Europa gültigen Neuen Europäischen Fahrzyklus bringt das rund vier Prozent Einsparung, speziell im Stadtzyklus sogar bis zu acht Prozent.

Die Technik für morgen ist heute schon verfügbar
Bosch bietet der Automobilindustrie heute schon eine ganze Reihe von Komponenten und Systemen, die zu sparsamerem Fahren und reduzierter CO2-Emissionen maßgeblich beitragen. Deswegen gibt es bereits Fahrzeuge mit modernen Verbrennungsmotoren, die nahe an die politischen Zielvorgaben heranreichen. Die Zielwerte zum Flottenverbrauch für 2020 werden also mit moderner Technik erreichbar sein.

Würde der Autofahrer die Verbrauchswerte des durchschnittlichen Autos aus dem Jahr 2010 mit einem Auto des Jahrgangs 2020 vergleichen, so könnte er über drei Jahre Betriebsdauer zwischen 1 000 und 1 500 Euro Kraftstoffkostenersparnis errechnen auf der Basis für Europa typischer Jahresfahrleistungen und heutiger Kraftstoffpreise.
Er wird also voraussichtlich im Betrieb mehr sparen können, als er für das Mehr an verbrauchssparender Technik seines Autos im Jahr 2020 bezahlen muss. Umgerechnet auf das normale Fahrzeugleben von etwa zwölf Jahren ließen sich für 4 000 bis 6 000 Euro Kraftstoff sparen und zugleich die Umwelt um sechs bis elf Tonnen weniger CO2-Emissionen entlasten.

Über die heute bereits verfügbaren Technikpakete für weniger Spritverbrauch und weniger CO2-Emissionen hinaus arbeiten die Bosch-Ingenieure daran, weitere Einsparpotenziale zu erschließen – für den Benziner und den Diesel gleichermaßen. Das sind viele einzelne Maßnahmen wie etwa die Verbrennungsregelung mittels Brennraumdrucksensoren für Diesel- und Benzinmotoren. Oder die variable Ventilsteuerung für den Dieselmotor, wie sie heute schon beim Benziner im Einsatz ist. Auch bietet sich das Getriebe an, um den Wirkungsgrad des automobilen Systems zu verbessern oder die Energierückgewinnung aus Abgaswärme oder Reduzierung der Kühlleistung.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

RF00116 - 09. Juni 2011

Ihr Ansprechpartner für Journalisten

Florian Flaig

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