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Klassiker mit Zukunft

Die RWTH Aachen forscht an der Optimierung von Verbrennungsmotoren

Wissenschaftler der RWTH Aachen wollen den Verbrennungsmotor noch effizienter machen – vernachlässigen dabei aber auch alternative Technologien nicht.

Große Vielfalt übersichtlich und funktional angeordnet: 
Blick in das Prüfstands-Gebäude.

Große Vielfalt übersichtlich und funktional angeordnet: Blick in das Prüfstands-Gebäude.

Rund 150 Jahre gibt es den Verbrennungsmotor nun schon – und er hat viel bewegt in dieser Zeit. Seine Technik wurde dabei beständig weiterentwickelt, er ist effizienter, kleiner – schlicht: besser – geworden. Das hat er cleveren Wissenschaftlern zu verdanken, wie sie zum Beispiel am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) an der RWTH Aachen zu finden sind. Das Team um Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger, der das Institut seit 1997 leitet, widmet sich vor allem klassischen Themen der Motorentechnik, zum Beispiel der Erforschung und Entwicklung neuer, effizienter Brennverfahren. Darüber hinaus rücken Aspekte wie die virtuelle Motorenentwicklung, die Forschung am Hybridantrieb sowie die Elektronik rund um den Motor und im Fahrzeug zunehmend in den Fokus. Dieser Entwicklung wurde mit der Einrichtung einer Juniorprofessur für Mechatronische Systeme am Verbrennungsmotor Rechnung getragen, die mit Professor Dr.-Ing. Jakob Andert besetzt wurde.

Mechatronik wird bestimmende Disziplin

Besonders die Bedeutung der Mechatronik ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gewachsen, wie Andert berichtet: "Die Mechatronik als Bindeglied aus Elektronik, Mechanik und Informatik wird immer mehr von einer kleinen Schnittmenge zu der bestimmenden Disziplin in zukünftigen Antriebssträngen. Der Anteil der Elektronik und der Software an der Wertschöpfung im gesamten Fahrzeug ist stetig gestiegen." Viele Innovationen zur Verbrauchs- und Emissionssenkung sind erst durch die Integration von leistungsfähigen Mikroprozessoren und neuen Regelungsverfahren möglich geworden. Mit der Komplexität steigt aber auch der Aufwand in der Forschung und Entwicklung an. "Diese Komplexität effektiv zu nutzen und dabei sicher zu beherrschen ist einer der Schlüsselfaktoren für die Entwicklungen der nächsten Jahre", so Andert.

1-Zylinder Heavy duty- Motorenprüfstand.

1-Zylinder Heavy duty- Motorenprüfstand.

Der Anteil von Elektronik und Software an der Wertschöpfung im Fahrzeug ist stetig gestiegen

Nebenaggregate zunehmend elektrisch

Im Bereich der Mechatronik gibt es zurzeit einen starken Trend zur Elektrifizierung der Nebenaggregate des Verbrennungsmotors - also beispielsweise der Öl- und Kraftstoffpumpe oder dem Turbolader - und deren bedarfsgerechter Regelung. "Variabilitäten im Ventiltrieb, elektrische Aufladeaggregate sowie neuartige Konzepte für eine variable Verdichtung sind nur einige Beispiele", erklärt Andert. Auch die Einführung einer höheren Bordnetzspannung verbunden mit stärkerer Verwendung elektrischer Energie im transienten Betrieb erscheint als interessante Alternative zu kostenintensiven Vollhybrid-Antrieben. Ein Ingenieur muss dabei über seinen angestammten akademischen Bereich hinaus denken, wie Andert erläutert: "All diese Konzepte haben mit der Mechanik, der Elektronik und der übergeordneten Regelung einen stark inter-disziplinären Charakter."

Fahrverhalten als Effizienzfaktor

Nach Ansicht von Andert befinden wir uns mitten in einem Umbruch der Mobilität. Auch der Mensch und sein Verhalten auf der Straße müssen in ein Gesamtkonzept für weniger Verbrauch einbezogen werden. Dabei helfen intelligente Assistenzsysteme dem Fahrer, sein Fahrzeug effizienter fortzubewegen. "Die Interaktion der Fahrzeuge mit der Umwelt und untereinander ermöglicht Assistenzfunktionen, die schon heute teilautonomes Fahren realisieren. Durch intelligente Regelstrategien lassen sich im realen Fahrbetrieb beeindruckende Verbrauchsvorteile ohne Komforteinbußen realisieren." Ein Ziel ist hierbei auch, die im Testzyklus erzielten Verbesserungen stärker auf den realen Straßenverkehr zu übertragen. "Im Moment arbeiten wir daran, komplexe Verkehrssimulationen mit vielen miteinander kommunizierenden Fahrzeugen in Echtzeit mit realen Prüfständen zu koppeln", erklärt Andert. "Hierdurch können wir bereits heute die Testszenarien für zukünftige Anwendungen realisieren - für eine vernetzte Umwelt, die in dieser Form noch gar nicht existiert."

Das VKA verfügt neben konventionellen Prüfständen für Verbrennungsmotoren auch über einen speziellen E-Maschinen-Prüfstand.

Das VKA verfügt neben konventionellen Prüfständen für Verbrennungsmotoren auch über einen speziellen E-Maschinen-Prüfstand.

Abschied vom Entweder-oder

Und wie beurteilt der Aachener Forscher die Entwicklung bei den alternativen Antrieben? Werden sie den Verbrennungsmotor irgendwann ablösen? "Ich möchte mich hier gerne von dem Entweder-oder-Gedanken verabschieden", meint Andert. "Es gibt nicht den optimalen Antrieb für alle Anforderungen und Fahrprofile, wir werden sicherlich eine stärkere Diversifizierung der Technologien erleben." Im Innenstadtverkehr mit kurzen Strecken und vielen Bremsvorgängen kann der Elektroantrieb seine Stärken voll ausspielen. Im Langstreckenverkehr ist jedoch die Verwendung von Speichern mit hoher Energiedichte - wie Diesel oder auch Biokraftstoffe - sowohl ökologisch als auch ökonomisch die sinnvollste Variante.

Es gibt nicht den einen optimalen Antrieb für alle Anforderungen

"Dass der Verbrennungsmotor im Zusammenspiel mit mecha-tronischen Systemen seine Stärken voll ausspielen kann, sehen wir eindrucksvoll bei Hybridfahrzeugen", zeigt Andert auf. Sie ist also noch nicht zu Ende - die lange Geschichte des Verbrennungsmotors.

Quelle: "Heartbeat" - Das Magazin der KSPG Gruppe, Ausgabe 02/2016

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