Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

36. Internationales Wiener Motorensymposium 2015

Dr. Rolf Bulander

Geschäftsführer der Robert Bosch GmbHVorsitzender des Unternehmensbereichs Mobility Solutions

Powertrain optimization using a comprehensive systems approach Dr. Rolf Bulander Member of the Board of Management Robert Bosch GmbH Chairman Business Sector Mobility Solutions

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Es gilt das gesprochene Wort

Kurzfassung Die Rahmenbedingungen für Mobilität werden in den nächsten Jahren neu definiert werden. Gesetzgeberische Vorgaben werden die Grenzen für CO2 und Emissionen signifikant reduzieren. Weitere Entwicklungen sehen wir im stetig steigenden Anspruch des Kunden an Fahrkomfort und im übergreifenden Trend zur Vernetzung und Automatisierung des Automobils. Jede dieser Ent­wicklungen hat signifikanten Einfluss auf die Ausgestaltung des Antriebsstrangs.

Der heute von Verbrennungsmotoren dominierte Markt wird sich voraussichtlich in Richtung Elek­trifizierung entwickeln. Ob sich dieser Wandel evolutionär oder revolutionär vollzieht, ist aus heuti­ger Sicht noch nicht absehbar. Deshalb entwickelt Bosch beide Antriebskonzepte weiter. Darüber hinaus erschließen sich durch die Kombination beider Antriebsarten Potenziale, die gerade dem Verbrennungsmotor neue Chancen zur Erreichung anspruchsvoller Ziele einräumen.

Im vorliegenden Beitrag werden aktuelle und zukünftige Potenziale durch das Zusammenspiel der unterschiedlichen Antriebskonzepte aufgezeigt und anhand konkreter Beispiele dargestellt.

3 I Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

Globale Megatrends

Die Welt befindet sich im Wandel: Vier wesentliche Megatrends bestimmen unsere Mobilität der Zukunft – und mit ihr den Powertrain.1. Die Weltbevölkerung wird von heute rund 7 Mrd. auf rund 8 Mrd. Menschen im Jahr 2025

anwachsen, bis 2050 um rund 1 weitere Mrd. Das Durchschnittsalter wird bis 2030 weltweit um 4 Jahre auf durchschnittlich rund 33 Jahre steigen. In den entwickelten Ländern wächst es sogar auf knapp 44 Jahre. Damit gewinnt in der OECD die Altersgruppe der über 60jährigen weiter an Bedeutung.

2. Die Urbanisierung setzt sich in den nächsten Dekaden fort. In 2030 werden rund 60 % der Weltbevölkerung, knapp 5 Mrd. Menschen, in Städten leben.

3. Gerade wegen der steigenden Bevölkerungszahl bleiben Energie und Klima weltweit dominie­rende Themen. Trotz wachsender Bedeutung von erneuerbaren Energien und ressourcenscho­nenden Produkten lässt sich die globale Erwärmung kaum mehr auf 2 Grad begrenzen. Das Abmildern der Folgen der Klimaveränderung wird in Zukunft Priorität haben.

4. Alles geht online: Vernetzung und das Internet der Dinge werden unsere Welt verändern – und auch das Auto. Bis zum Jahr 2020 werden 50 Mrd. Dinge vernetzt sein.

Diese Entwicklungen werden unser Verständnis von Auto und Mobilität verändern. Deshalb müssen wir mit heutigen Entwicklungen schon die richtigen Weichenstellungen für das Auto der Zukunft treffen.

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Globale Megatrends Die Welt befindet sich im Wandel

Urbanisierung Demographie Vernetzung

Das Durch- schnittsalter steigt bis 2030

auf 33,2 Jahre. Das sind 4 Jahre

mehr als heute

Energie & Klima

5 Mrd. leben in Städten,

also 60 % der Weltbevölkerung

Globale Erwärmung

lässt sich kaum mehr

auf 2 °C begrenzen

Bis zum Jahr 2020 werden

50 Mrd. Dinge vernetzt

sein

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Megatrends verändern das Auto

Effizienz und Emissionen werden weiterhin die dominierenden Themen des Powertrains bleiben. Global, weil eine steigende Zahl an Menschen mobil wird, lokal, da in Megacities pro Quadratkilo­meter mehr Menschen wohnen und mobil sein wollen. Fahrzeugantriebe werden auch in Zukunft noch weniger CO2 , Partikel oder NOx emittieren dürfen – oder müssen lokal sogar komplett emissi­onsfrei fahren.

Die Mobilität wird sich jedoch nachhaltiger verändern, wie die folgenden Punkte zeigen: 1. Auch in einer älter werdenden Gesellschaft wollen Menschen in der Zukunft uneingeschränkt

mobil bleiben.2. Multimodale Mobilität: Das Transportmittel wird weniger entscheidend sein, sondern, wie

der Weg von A nach B am schnellsten und angenehmsten zu bewältigen ist.3. Der weltweit steigende Energiebedarf geht Hand in Hand mit anspruchsvolleren Emissions­

normen – für Industrie, aber auch für den Verkehr. Erneuerbare Energie wird nicht nur in den Stromnetzen an Bedeutung gewinnen, sondern auch im Antrieb.

4. Das Auto wird ein aktiver Bestandteil des Internets, nicht nur durch Apps hinter dem Steuer, sondern als Teil eines vernetzten Ökosystems, in dem Car2Car, Car2Infrastructure und Car2X Kommunikation höhere Effizienz ermöglichen.

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Megatrends verändern das Auto Vier wesentliche Megatrends bestimmen Mobilität der Zukunft

Urbanisierung Demographie Vernetzung

Anspruch an Mobilität wächst global –

auch ältere Menschen wollen mobil

bleiben

Energie & Klima

Steigende Bedeutung der

multimodalen Mobilität

Strengere CO2

Regulierung

Das Auto wird

ein aktiver Teil

des Internets

Innovative Antriebe nutzen Ressourcen effizienter, senken Emissionen und bringen Fahrspaß Ab

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5 I Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

Fahrzeuge werden in Zukunft immer mehr automatisiert, vernetzt und elektrisch sein. Das Auto als aktiver Teil des Internets bietet den Kunden weiteren Mehrwert: Einfache Nutzung bei hohem Kom­fort, Ferndiagnose bis hin zur Wartungsfreiheit oder individuelle Assistenzfunktionen verbessern das Fahren.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, bringt Bosch schon heute vernetzte Mobilitätslösun­gen in Serie. Die Verbindung von Software, Hardware und Services im Powertrain ermöglicht noch effizientere Antriebstechnologien. Eine Leitidee in unserer Entwicklung ist dabei nach wie vor: Innovative Antriebe nutzen Ressourcen effizienter, senken Emissionen und bringen Fahrspaß.

Innermotorische Maßnahmen

Bisher wurde die technologische Entwicklung des Antriebsstrangs durch die Divergenz von gesetz­lich geforderter Reduzierung von Emissionen und den Wunsch der Endkunden nach mehr Fahrleis­tung und mehr Fahrkomfort geprägt.

Seit dem Jahr 2000 konnte die CO2­Emission der europäischen Pkw­Flotte um etwa 25 % reduziert werden, während im gleichen Zeitraum das mittlere Gewicht der Fahrzeuge um 10 % und die mitt­

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Innermotorische Maßnahmen Basis des effizienten Powertrains

eClutch

WI Optimized T/C

eT/C

cEGR

Adv. PFI VCR

CEI

VVT-E

DRS

CRP/HF LP-EGR

| Adv. PFI = advanced port fuel injection | CEI = controlled electronic ignition | cEGR = cooled exhaust gas recirculation | CRP/HF = common-rail pressure / hydraulic flow | DI = direct injection | DRS = digital rate shaping | eT/C = electric Turbocharger | LP-EGR = low-pressure EGR system | VCR = variable compression ratio | VVT-E = electrical variable valve timing | WI = water injection

DI@350 bar

2000 20..

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lere Motorleistung sogar um 20 % zunahm. Der Anteil der Automatikgetriebe an den neu zugelasse­nen Pkws stieg um 75 %.

Diese Herausforderungen – gesellschaftspolitische Zielsetzungen einerseits und individuelle Kauf­entscheidungen andererseits – bilden die Grundlage für Innovationen im Antriebsstrang, z. B. die Direkteinspritzung bei Diesel­ und Benzinmotoren in Verbindung mit Downsizing und Turboaufla­dung und viele weitere Maßnahmen.

Für die nahe Zukunft wird sich das Bild der divergierenden Markttreiber nicht ändern: Eine Verän­derung des Kaufverhaltens ist noch nicht erkennbar, die Emissionen sollen in allen großen Automo­bilmärkten der Welt weiter reduziert werden, allen voran in Europa mit dem ambitionierten Ziel von 95 g CO2 /km in 2021 und der sich abzeichnenden Gesetzgebung zu Real Driving Emissions (RDE).

Die Herausforderung hierbei ist sicherlich, zukünftige Emissionsgrenzwerte so festzulegen, dass die Automobilindustrie frühzeitig eine verlässliche Grundlage für die Einführung neuer Technolo­gien erhält und gleichzeitig Innovationen zur Erreichung der Grenzwerte für die Endkunden bezahl­bar bleiben.

Auf eine Auswahl der in Abbildung 3 gezeigten Innovationen wird im Folgenden näher eingegangen.

7 I Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

Benzindirekteinspritzung mit 350 bar

Vor dem Hintergrund der RDE­Gesetzgebung und insbesondere der damit verbundenen Partikel­An­zahl­Grenzwerte (PN) rückt die Erhöhung des Systemdrucks der Benzindirekteinspritzung bei Otto­Motoren besonders in den Fokus. Verbesserte Kraftstoffzerstäubung, effizientere Gemisch­ Aufbereitung, reduzierte Wandfilmbildung und reduzierte Einspritzzeiten sind die wichtigsten tech­nischen Parameter. Sie können zu einer erheblichen Reduzierung der Partikel­Emissionen gegen­über einem 200­bar­System führen (Abbildung 4).

Insgesamt gesehen stellt der Systemdruck von 350 bar einen ausgewogenen Kompromiss zwischen einem leistungsfähigeren Einspritzsystem und den Gesamtkosten für den Direkteinspritzungsmotor dar.

Seine Vorteile spielt das 350­bar­System insbesondere bei hohen Lastpunkten und hoher Dynamik im Motorbetrieb aus. Exemplarisch ist dies am RTS­Zyklus zu sehen, der eine weithin akzeptierte Annäherung an die Anforderungen der RDE­Tests darstellt. Darüber hinaus erhöhte Drücke erfor­dern einen kostenintensiven Technologiewechsel bei den Komponenten sowie hohen Aufwand bei der Ertüchtigung der Motoren im Bereich von Nockenwelle und Zylinderkopf. Aufgrund der verbes­serten Gemisch­Aufbereitung bei Systemen bis 350 bar wird die Forderung nach gleichbleibendem Kraftstoffverbrauch weitestgehend erfüllt.

Benzindirekteinspritzung mit 350 bar Richtige Balance zwischen Leistung und Kosten

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Serienstart 2016 0

2E+11

4E+11

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1,2E+12

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RTS 200 bar 350 bar

PN

[#/k

m]

Ges

chw

indi

gkei

t [km

/h]

Zeit [s]

Optimierte Gemisch-Aufbereitung Reduzierte PN-Emissionen unter RDE-Bedingungen Erhöhte Dynamik, Zumessgenauigkeit & Mengenspreizung Reduzierter Bauraum & bessere Akustik Flexibler und modularer Baukasten

RTS-aggressive bei 200 bar bei 350 bar

EU6c / CF = 1,5

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Die dritte Generation der Benzindirekteinspritzung von Bosch bietet eine reduzierte Pausenzeit bei Mehrfacheinspritzung, höhere Zumessgenauigkeit, eine verbesserte Mengenspreizung und Akustik gegenüber den Vorgängern. Der Injektor von Bosch ist sowohl für einen seitlichen, als auch einen zentralen Einbau geeignet und ermöglicht eine flexible Sprayauslegung. Durch die Flexibilität der hydraulischen Anschlüsse der Pumpe und die Modularität des Komponentenbaukastens lässt sich das System deutlich einfacher in unterschiedliche Kundenmotoren integrieren.

Wasser-Einspritzung

Das Verdichtungsverhältnis eines Ottomotors war schon immer ein Kompromiss zwischen dem Ver­brauch in Teillast und Leistung bzw. Effizienz unter Volllastbedingungen. Bei aktuellen Serienmoto­ren muss üblicherweise der Zündwinkel bei hohen Lasten nach spät gezogen werden, um Klopfen zu vermeiden. Dies führt zu einer Verschlechterung im Verbrauch, reduzierter Motorleistung und erhöhten Abgastemperaturen. Wasser­Einspritzung (WI) kann diese Nachteile reduzieren, teilweise sogar beseitigen.

Wasser-Einspritzung Reduzierter Verbrauch und verbesserte Leistung

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Wasser-Einspritzung Kühlung der Zylinderladung für Vermeidung der Volllast-Anreicherung Reduzierte Klopfneigung Hohes Verdichtungsverhältnis

Saugrohreinspritzung: niedrige Komplexität & hohe Effektivität Bosch entwickelt Wasser-Einspritzung mit einem Pilotkunden

NEFZ Vorteil bis 4 % (in Verbindung mit Kompressionserhöhung)

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80 0 20 40 60

λ < 1

35 % Wasser

13 % reduzierter Kraftstoffverbrauch

@ λ = 1

Massenverhältnis Wasser/Kraftstoff [%]

Spe

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auch

[%]

Aufgeladener Motor: 20 bar @ 5000 rpm

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9 I Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

Der Einsatz von WI bewirkt eine Verbesserung bei allen durch Klopfneigung begrenzten Betriebs­punkten: Reduzierter Kraftstoffverbrauch bei hohen Lasten und niedriger Drehzahl. Reduzierung bzw. Vermeidung der Volllastanreicherung und niedrigere Abgastemperaturen

bei hohen Lasten und hohen Drehzahlen.

Beide Effekte führen zur Senkung von CO2­Emissionen im realen Fahrbetrieb und der erste Aspekt zusätzlich im kommenden WLTC Testzyklus.

Die verringerte Klopfneigung kann darüber hinaus zu einer Verdichtungserhöhung des Motors ver­wendet werden, wodurch zusätzliche Vorteile im Teillastbereich darstellbar sind. Dies führt eben­falls zu niedrigerem Kraftstoffverbrauch und reduzierten CO2­Emissionen im für den NEFZ relevan­ten bzw. WLTC Bereich.

Alternativ zur Effizienzsteigerung kann WI auch zur Erhöhung des Drehmoments eingesetzt werden: Durch die zusätzliche Kühlung der Ladeluft kann die Füllung im Zylinder erhöht und damit das Drehmoment gesteigert werden.

Messungen an einem aufgeladenen direkteinspritzenden Testmotor bei 5000 rpm und einem mittle­ren effektiven Druck von 20 bar zeigen, dass ab 35 % Wasseranteil ein stöchiometrischer Betrieb realisiert werden kann – und somit die vollständige Eliminierung der Volllast­Anreicherung möglich ist. Dies führt zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs in diesem Betriebspunkt um 13 %.

WI zeigt somit ein erhebliches Potenzial zur Verringerung des Verbrauchs und der CO2­Emissionen im Prüfzyklus und ermöglicht darüber hinaus die Reduzierung des Abstands zwischen Test­ und Realverbrauch.

Bosch entwickelt in enger Zusammenarbeit mit einem Pilotkunden ein WI­System für den Serien­ einsatz. Dieses in das Saugrohr einspritzende System umfasst eine Wasser­Pumpe, ein Wasser­Rail und Einspritzventile, die auf die speziellen Herausforderungen für einen Betrieb mit Wasser ausge­legt sind.

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Abgasturbolader (ATL)

Neben den CO2­Emissionen müssen beim Pkw­Dieselmotor vor dem Hintergrund der RDE auch die Rohemissionen weiter gesenkt werden. Hierfür waren in der Vergangenheit das Einspritzsystem und die stationäre Emissionsminderung die Mittel der Wahl. Mit den RDE­Anforderungen erweitert sich der Fokus auf die Optimierung der Motorrohemission im transienten Betrieb. Die Hauptrolle spielt dabei das Luftsystem des Motors. Es besteht aus Aufladung, Abgasrückführung sowie den entsprechenden Steuergerätefunktionen zur Beherrschung des Luftmanagements. Wie in dem ebenfalls auf dem Wiener Motorensymposium vorgestellten Vortrag „Emissions­ und verbrauchsop­timierte Abgasturboaufladung für Pkw­Dieselmotoren, R. Busch et. al.“ gezeigt wird, unterstützt Bosch diesen Optimierungspfad mit neuer innovativer Aufladetechnik und neuen modellbasierten Regelstrategien.

Um weiteres Potenzial bei Diesel­ und Benzinmotoren voll auszuschöpfen, muss sowohl die Kompo­nente als auch das Zusammenspiel von Aufladeaggregat und Verbrennungsmotor im Systemver­bund eingehend analysiert und optimiert werden.

Der Fokus der Abgasturbolader­Entwicklung liegt hierbei in: Der Weiterentwicklung aller strömungsführenden Komponenten sowie deren Interaktion zur

Erzielung gesteigerter Wirkungsgrade. Der Reduktion der Reibleistung.

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Abgasturbolader (ATL) Komponenten- und Systemoptimierung

Reibungsreduktion Lagerung Kraftstoffverbrauchsreduzierung

am Dieselmotor Gesteigertes Transientverhalten

und Low End Torque

Reduziertes Massenträgheitsmoment Verbessertes Transientverhalten Reduktion Emissionsspitzen

Optimierte Strömungsauslegung Gesteigerter Wirkungsgrad Erweiterte Kennfeldbreite

Optimierung „Komponente” Optimierte ATL-Abstimmung Max. ATL-Wirkungsgrad im fahrer-

und gesetzgebungsrelevanten Bereich Abgestimmt auf zukünftige AGR-

Strategien

RDE-fähige Motorapplikation AGR im gesamten Betriebsbereich Optimiertes Abgasnachbehandlungs-

konzept

Transientkorrekturen im Steuergerät Reduktion transienter Emissionsspitzen Effizienzsteigerung

Abgasnachbehandlung

Optimierung „System“

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11 I Die Optimierung des Antriebsstrangs durch umfassenden Systemansatz

Der Reduktion des polaren Massenträgheitsmoments des Rotors zur Steigerung der Transienz.

Im Systemverbund spielt vor allem die richtige Dimensionierung und Detailabstimmung der Strö­mungskomponenten auf den verwendeten Motor sowie dessen Füllungs­ und Verbrennungskonzep­tes eine große Rolle.

Durch diesen Ansatz lässt sich ein weiteres signifikantes Potenzial bei der Emissionierung eines Dieselmotors erschließen. Darüber hinaus kann auch noch der Kraftstoffverbrauch im europäischen Fahrzyklus um weitere 2 bis 3 % gesenkt werden, so dass der moderne Dieselmotor weiterhin einen wertvollen Beitrag zur Reduktion der weltweiten CO2­Emissionen beitragen wird – und das bei verschärften Emissionsvorschriften.

eClutch

Auch ohne Elektrifizierung können über die Optimierung des Verbrennungsmotors hinaus noch erhebliche Verbrauchs­ und Funktionspotenziale im Antriebsstrang gehoben werden. Ein Beispiel für Handschaltgetriebe ist das electronic Clutch System (eCS) von Bosch. Das eClutch­System basiert auf dem clutch by wire Prinzip und trennt die mechanische Verbindung zwischen Kupp­lungspedal und Kupplung. Unter Beibehaltung der bisherigen Kupplungsmechanik öffnet und

CO2-Reduzierung 10 % unter realen Betriebsbedingungen UX Fahrkomfort

eClutch Handschaltung weiter gedacht

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Aktuator Elektronik Kupplung

Segeln Fahrzeug Stop & Go

Kein Abwürgen

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schließt ein Aktuator die Kupplung. Das eCS kann ohne Veränderungsmaßnahmen an der Kupplung in nahezu jeden Triebstrang integriert werden. Die elektronisch gesteuerte Kupplung ermöglicht sowohl CO2­Einsparungen, als auch für den Kunden spürbare Mehrfunktionen, wie z. B. einen Schutz gegen das Abwürgen des Motors oder ein komfortables Anfahren in schwierigen Anfahrsitu­ationen. Zur Fahrerentlastung kann beispielweise ein Stop­&­Go­Betrieb im Stau ohne Betätigung des Kupplungspedals erfolgen, sofern der Gang nicht gewechselt werden muss.

Mit eCS kann ein Start/Stopp­Betrieb auch beim Handschalter ohne Verhaltensänderung beim Fah­rer realisiert werden, analog zu Fahrzeugen mit Getriebeautomaten.

Durch die elektronische Steuerung ermöglicht das eCS ein kraftstoffsparendes Start/Stop­Coas­ting. Messwerte zeigen, dass unter realen Betriebsbedingungen ein Verbrauchsvorteil von 10 % möglich ist.

Die Rolle der Elektrifizierung

Die angeführten Beispiele sollten zeigen, welches Potenzial der Verbrennungsmotor zur Erreichung anspruchsvoller Emissionsziele noch hat. Es lassen sich aus heutiger Sicht Maßnahmenpakete schnüren, die die technisch erreichbaren Werte für CO2 im NEFZ in der Subkompakt­Klasse bei

Die Rolle der Elektrifizierung Elektrifizierung macht den Verbrenner noch besser

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Boost Recuperation

System Leistungs- elektronik

Lithium-Ionen- Batterie

Elektromotor

eClutch

WI

Optimized T/C

eT/C cEGR

Adv. PFI

VCR

CEI

VVT-E

DRS

CRP/HF

LP-EGR

DI@350 bar

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Benzinmotoren unter 85 g/km senken, bei Dieselmotoren sind in der Subkompakt­Klasse 70 g/km erreichbar. In der Kompakt­Klasse können weniger als 95 g/km für Benzin bzw. 85 g/km für Diesel­motoren erreicht werden. Unberücksichtigt sind jeweils zusätzliche verbrauchsreduzierende Maß­nahmen am Fahrzeug wie beispielsweise die Verbesserung der Aerodynamik oder Reduzierung der Rollreibung.

Somit sollten in der Subkompakt­ und Kompakt­Klasse die CO2­Limits der EU für die „best in class“ Fahrzeuge 2021 erreichbar sein. Bei schweren und großen Fahrzeugen ist jedoch eine alleinige Optimierung der Verbrennungsmotoren, auch mit einer Verlängerung der Stopp­Phasen, nicht mehr ausreichend. Hier wird die Elektrifizierung des Antriebsstrangs zukünftig für eine Teilmenge der Flotte erforderlich.

Zurzeit führt der Trade­off zwischen den Kosten eines elektrifizierten Antriebsstranges und den Vorteilen wie Emissionsreduzierung und insbesondere erlebbarem Kundennutzen noch nicht zu einem durchschlagenden Markterfolg von Elektrofahrzeugen oder Hybriden. Elektrifizierte Fahr­zeuge erzielen nur dann signifikante Marktanteile, wenn von Seiten der öffentlichen Hand spürbare Anreize, insbesondere steuerlicher Art, geschaffen werden.

Der erlebbare Kundennutzen des elektrischen Antriebsstrangs, z. B. die Anfahrbeschleunigung, ist für jeden unstrittig, der schon einmal in einem ordentlich motorisierten Hybriden oder Elektrofahr­zeug fuhr.

Bosch ist mit Komponenten und Systemen der Elektrifizierung im Markt aktiv und zählt zwischen­zeitlich 30 Serienprojekte für Motoren, Leistungselektronik, Batterien oder ganze Systeme.

Es wäre jedoch falsch, die Elektrifizierung als Konkurrenz zur Optimierung des Verbrennungs­motors zu sehen. Vielmehr führt die Verbindung von Verbrennungsmotor und Elektromotor im Antriebsstrang zu mehr Freiheitsgraden bei der Optimierung.

Niedervoltsysteme bieten sich an, um bei günstigem Kosten­Nutzen­Verhältnis Emissionen zu sen­ken und den Fahrkomfort zu erhöhen.

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48V Boost Recuperation System

Sie ermöglichen eine CO2­Reduzierung von 7 % im NEFZ in der Kompakt­Klasse, insbesondere durch die Rückgewinnung von Bremsenergie. Diese Reduzierung kann über Start/Stopp­Segeln noch gesteigert werden. Dabei wird der Verbrennungsmotor nicht nur im Stand, sondern auch zeit­weise während der Fahrt abgeschaltet, sobald der Fahrer vom Gas geht.

Neben CO2­Flottenzielen und sinkenden Emissionsgrenzwerten begünstigen höhere Bordnetzanfor­derungen und erlebbare Zusatzfunktionen für den Kunden, wie der Boosteffekt oder der Komfort­start des Verbrennungsmotors, ihren Einsatz. Beim Handschalter unterstützt die 48V­E­Maschine am Riemen den Anfahrvorgang.

Die 48V­E­Maschine ermöglicht als zweite Antriebsquelle die Verteilung der Momentenanforderung auf Verbrennungsmotor und E­Maschine. Damit lassen sich beim Ottomotor aggressive Kat­Heiz­strategien fahren, die nicht durch die Laufruhe des Verbrenners limitiert sind. Transiente Verläufe von Drehzahl, Zylinderfüllung, Zündwinkel usw., die üblicherweise mit starken Emissionsnachteilen verbunden sind, können zudem vermieden oder in ihrer Dynamik begrenzt werden. In Summe kann durch derartige Maßnahmen eine Verringerung insbesondere der HC­ und PN­Emissionen erreicht werden. Bei Stichversuchen mit einem 200 bar BDE­System wurden durch eine Limitierung des Drehmomentgradienten am Verbrennungsmotor auf 20 Nm/s eine Reduktion der PN­Emissionen um 30 % erzielt.

Powertrain-Systemoptimierung

48V Boost Recuperation System Kostengünstige Elektrifizierung für erlebbaren Kundenutzen

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Vorteile

CO2-Reduktion Absenkung der NOx-Emissionen ICE Komfortstart Leistungsfähiges Bordnetz

je nach Topologie

Elektrisch unterstütztes Segeln Remoteparken und Stauassistent (auch bei Handschalter) Standklimatisierung

Bosch ist Gesamtsystemlieferant

BRM

ECU + Betriebs- strategie PCU

Batterie

SMG IMG

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Auch der Diesel­Motor profitiert vom Freiheitsgrad in der Lastverteilung zwischen E­Maschine und Verbrennungsmotor.

Allerdings ist hier eine Stickoxidminderung die primäre Zielgröße für zwei Ansätze: 1. Absenkung der motorischen NOx­Rohemissionen bei Beschleunigungsvorgängen bzw. hohen

Lasten durch elektrisches Ablasten (Boosten) des Verbrennungsmotors. Dieser Effekt senkt die Emissionen bereits an der Quelle, unabhängig vom eingesetzten Abgasnachbehandlungssys­tem, um ca. 10 bis 20 %.

2. Verschiebung des motorischen Betriebspunktes durch Ablasten oder Auflasten (Generatorbe­trieb) zur verbesserten Regeneration von NOx­Speicherkatalysator­Systemen (NSC­System): Hierbei ermöglicht die zusätzliche elektrische Unterstützung eine bessere Regeneration von NSC­Systemen durch Verschiebung des Motorbetriebspunktes in den NSC­Regenerationsbe­reich.

Bosch sieht durch diese Effekte die Chance, bei NSC­Systemen die Stickoxidminderung auf bis zu 80 % zu erhöhen und bei SCR­basierten Systemen ebenfalls den Wirkungsgrad zu steigern sowie den Harnstoffverbrauch zu senken.

Die Verknüpfung mit weiteren Systemen im Fahrzeug ermöglicht Zusatzfunktionen, die der Kunde wahrnehmen kann. Elektrisches Remote Einparken mit eCS selbst für den Handschalter und elek­trisches Stop & Go als Staufolgeassistent bei sehr niedrigeren Geschwindigkeiten seien beispiel­haft genannt.

Bosch kann als Gesamtsystemlieferant alle aufeinander abgestimmten Komponenten liefern und durch Systemkompetenz den Verbrennungsmotor und den Elektroantrieb optimal kombinieren.

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Evolution der Kundenerwartungen

Die vorgestellten Innovationen zeigen, wie der Antriebsstrang durch Optimierung der einzelnen Domänen „Verbrennungsmotor“, „Getriebe“ und „Elektrifizierung“, aber insbesondere auch durch die domänenübergreifende Optimierung zukünftige Marktanforderungen erfüllen kann.

Vernetzung und Automatisierung bieten darüber hinausgehende Möglichkeiten, das Fahren in Bezug auf Sicherheit und Ressourcenschonung zu optimieren.

Evolution der Kundenerwartungen Automatisierung und Vernetzung ändern Kundenerwartungen

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Vernetzung

Automatisierung

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Elektronischer Horizont

So entsteht zusätzliches Potenzial durch die Vernetzung des Powertrains mit Informationen aus zusätzlichen Quellen im elektronischen Horizont von Bosch.

In einer ersten Stufe werden statische Navigationsdaten einbezogen. Mit Hilfe dieser topographi­schen Streckeninformationen lassen sich prädiktive Strategien für den Einsatz der Antriebsma­schine entwickeln. Das Fahrzeug kennt somit nicht nur die Route, sondern auch die Erhebungen, die auf dieser liegen. Die Integration von topographischen Daten in die geplante Route erlaubt eine effiziente Antriebsnutzung, beispielsweise mittels einer vorausschauenden Geschwindigkeitsrege­lung mit Start/Stop­Coasting. In ersten Untersuchungen zeigt die Nutzung von Navigationsdaten zur Optimierung der Betriebsstrategie bei Start/Stop­Coasting­Systemen eine CO2­Einsparnis von ca. 5 % im realen Fahrbetrieb.

Bei Hybridfahrzeugen kann darüber hinaus die Arbeitsteilung zwischen Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb optimal gestaltet werden. Beispielsweise unterstützt der elektrische Antrieb bei der Bergauffahrt und kann beim Rollen bergab wieder rekuperieren. Strong­Hybridfahrzeuge (sHEV) sparen so zusätzlich bis zu 6 % CO2 ein und Plug­In­Hybridfahrzeuge (PHEV) können sogar bis zu 8 % CO2­Einsparnis erreichen.

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Elektronischer Horizont Prädiktive Betriebsstrategie

Cloud

Fahrzeug- Sensor- daten

Aktuelle Daten

Hoc

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amis

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Info

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ion Sensoren

Daten- provider

Digitale Karten

Bosch connected e-Horizon: Hochdynamische Informationen für Betriebsstrategie, Fahrerassistenz und automatisiertes Fahren

eco innovation

+5 %

+6 %

+8 %

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Start-Stopp-Segeln

sHEV

PHEV

CO2 Vorteil [%] baseline: start-stop Realbetrieb

Voraussch. Realbetrieb

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Qualität, Zuverlässigkeit und Aktualität der Umfelddaten, z. B. aktuell gültige Geschwindigkeitsbe­grenzungen, sind dabei entscheidend.

Die Bosch­Technologie liefert künftig wichtige Verkehrsinformationen zu Wanderbaustellen, Staus und Unfällen in Echtzeit. Über die Fahrerinformation hinaus sind Fahrerassistenzfunktionen mög­lich, die aktiv in die Fahrzeugführung eingreifen, um rechtzeitig vor dem Stauende zu verzögern. Die Qualitäten „sauber“ und „sparsam“ werden durch „sicher“ vervollständigt.

Der letzte Schritt erfolgt mit der Einbindung der Informationen aus der Umfeldsensorik des Fahr­zeugs. Der Bosch connected Horizon 360°logiQ führt die Informationen aus unterschiedlichen Quellen zusammen und bietet die Basis für pilotiertes Fahren.

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Zusammenfassung

Die Mobilität ändert sich und mit ihr das Automobil: Das Fahrzeug der Zukunft ist elektrifiziert, automatisiert und vernetzt. Die aktuell größten Treiber bei der Entwicklung künftiger Fahrzeuge sind Effizienz, Sicherheit, Komfort und Fahrspaß. Der Elektrifizierung kommt im Powertrain eine Schlüsselrolle zu, denn sie wird Diesel­ und Benzinmotoren einen weiteren Schub geben. Kurz gesagt: Mit der Elektrifizierung steht dem Verbrenner die beste Zeit noch bevor.

Ein entscheidender Faktor für revolutionäre Entwicklungen wird die Anbindung von Autos ans Inter­net sein. Nur vernetzte Fahrzeuge nutzen die Potenziale der Elektrifizierung und Automatisierung umfassend. Die Anbindung ans Internet macht Fahrzeuge sicherer, bringt mehr Fahrspaß und senkt den Kraftstoffverbrauch. Bits und Bytes machen das Auto effizienter. Bosch hat den Grundstein dafür gelegt: Schon heute verbinden innovative Systeme Software, Hardware und Services im Powertrain, um noch effizientere Mobilitätslösungen zu ermöglichen.

Elektrifizierung verbessert den Powertrain, Vernetzung revolutioniert ihn

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Mit Elektrifizierung und Vernetzung steht dem Verbrenner die beste Zeit noch bevor.

Bits and bytes machen das Auto noch effizienter.

Elektrifizierung, Automatisierung und Vernetzung wachsen zusammen.

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Powertrain optimization using a comprehensive systems approach Dr. Rolf Bulander Member of the Board of Management Robert Bosch GmbH Chairman Business Sector Mobility Solutions

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