Expertengespräch: Interview mit Erhard Rau und Peter Lückert (*)

Erhard Rau (rechts) leitet innerhalb der Daimler-Forschung und -Entwicklung den Bereich „Forschung und Vorentwicklung Verbrennungsmotorische Antriebe“ (GR/VP). Sein Kollege Peter Lückert verantwortet den Bereich „Mercedes-Benz Cars Entwicklung Grundmotor“ (EP/MO).

 

Angesichts der Klimadiskussion und Forderungen nach CO₂-Minderungen kommt bei allen Automobilherstellern den Motorenexperten eine zentrale Rolle zu. Welche Pfeile haben Sie in Sachen Verbrauchssenkung im Köcher?

Lückert: Ein hervorragendes Beispiel ist hier die sogenannte strahlgeführte Direkteinspritzung beim Ottomotor, die wir innerhalb der Daimler-Forschung und -Entwicklung gemeinsam auf den Weg gebracht haben und die Mercedes-Benz 2006 als weltweit erster Automobilhersteller auf den Markt brachte. Bei diesem Brennverfahren erreichen wir auch im hohen Lastbereich eine Schichtladung, die einen deutlichen Verbrauchsvorteil erlaubt.

Bei der Umsetzung dieses Konzepts haben wir übrigens auch gezeigt, wie ein durchgängiger Technologietransfer von der Forschung und Vorentwicklung über die Entwicklung bis zur Serie aussehen und durch enge Kooperation in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum zum Erfolg führen kann.

Rau: Ein zweites Feld, auf dem wir eng zusammenarbeiten, ist das konsequente Downsizing der Motoren in Kombination mit Aufladekonzepten. Gerade bei kleineren Motoren eröffnet die strahlgeführte Direkteinspritzung neue Möglichkeiten, den Verbrauch weiter zu reduzieren und zugleich ein schnelleres Ansprechverhalten und eine hohe Agilität des Motors zu erzielen. Unser dritter Ansatz zur Verbrauchssenkung ist die Reibungsminderung im kompletten Antriebsstrang. Das Spektrum reicht dabei von der Werkstoffforschung bis zu konstruktiven Aspekten. Viertens schließlich arbeiten wir gemeinsam an der Verbesserung des Energiemanagements, das vom Wärmemanagement der Motoren bis zur Entwicklung und Optimierung von Nebenaggregaten wie etwa Starter-Generatoren reicht.

Von der Benzindirekteinspritzung und Verbrauchssenkung einmal abgesehen – was sind die zentralen Aufgaben Ihrer beiden Bereiche innerhalb der Daimler-Forschung und -Entwicklung?

Rau: Die zwei Bereiche haben bei einer gemeinsamen Zielsetzung unterschiedlich getaktete Tätigkeiten. So sind die Forschung und Vorentwicklung beim selben Thema in der Frühphase der Projektarbeit tätig. Die Serie nimmt diese Umfänge dann auf und macht die Technik marktreif.

Deshalb machen die beiden Bereiche zunächst gemeinsame Technologiescreenings und legen dann die Ziele und Handlungsfelder für die einzelnen Akteure fest. Inhaltlich befassen wir uns in der Forschung/Vorentwicklung mit der Entwicklung von Technologiebausteinen etwa für die Aufladung, für Brennverfahren oder zur Abgasnachbehandlung. Zudem arbeiten wir an Tools und Methoden, um Verbrennungsmotoren hinsichtlich Verbrauch, Emissionen, Fahrleistung und Komfort zu verbessern. Generell gilt, dass wir in der Forschung/Vorentwicklung Innovationen bis zum Reifegrad „Serientauglichkeit“ bringen und sie dann an die Kollegen aus der Entwicklung übergeben.

Lückert: Wobei man sich eine solche Übergabe nicht als eine scharfe Trennlinie vorstellen darf, an der ein Projekt schlagartig von der Vorentwicklung in die Entwicklung übergeht und dann zur Serie gebracht wird. Die Übergänge zwischen unseren Bereichen sind heute fließend. Statt in seriellen Schritten arbeiten wir vor allem in den Übergabephasen bereichsübergreifend und parallel, weil dann bei offenen Fragen der Austausch zwischen den Mitarbeitern schneller und intensiver ist. Zum Teil wechseln ja auch Kollegen mit ihrem Teilprojekt und damit auch mit ihrem Know-how von der Vorentwicklung in die Entwicklung. Durch die enge Abstimmung der Strategie und der Teams verkürzen wir die Zeitspanne von der Vorentwicklung bis zum Serienbauteil um bis zu 30 Prozent und können so mit Innovationen schneller am Markt sein als mit den konventionellen Prozessen. Bei der strahlgeführten Direkteinspritzung zum Beispiel lag die Konzepttauglichkeit 1998, die Serientauglichkeit 2002 fest – und die Serieneinführung erfolgte 2006. Außenstehenden mag dies lang erscheinen, aber für die Entwicklung einer so grundlegenden Innovation war es ein vergleichsweise kurzer Zeitraum.

Eines der Zauberwörter zur Verbrauchsminderung heißt derzeit Downsizing. Doch mit weniger Hubraum allein ist es ja nicht getan. Welchen Aufgaben sehen Sie sich hier gegenüber?

Lückert: Unser Anspruch ist, dass ein kleiner Motor mit Downsizing dieselbe Leistung bringt wie das hubraumgrößere Aggregat, das er ersetzt. Der Leistungsverlust durch Downsizing lässt sich im Prinzip durch Aufladung ausgleichen. Allerdings fallen kleinere Motoren mit Abgaslader oft durch ein ausgeprägtes Turboloch und konsequente Anfahrschwäche auf – und dies wollen wir dem Kunden nicht zumuten. Mercedes-Benz entschied sich deshalb bei Motoren mit Kanaleinspritzung für den Kompressor, bei dem diese Probleme erst gar nicht entstehen. Durch die Einführung der strahlgeführten Direkteinspritzung hat sich die Situation bei den Ottomotoren nun deutlich verändert: Die Ladungswechsel im Zylinder laufen anders ab, und wir können sie so steuern, dass der Abgasturbolader seine Nachteile im instationären Verhalten verliert. Wir arbeiten deshalb intensiv an neuen Konzepten mit zweistufiger Aufladung.

Das heißt, bei einem Motor mit Downsizing und strahlgeführter Direkteinspritzung bietet nun der Abgasturbolader Vorteile gegenüber der Kompressoraufladung?

Rau: In der Tat. Weil der Turbolader im Prinzip durch den heißen Abgasstrom angetrieben wird, zeigt er gegenüber dem mechanisch angetriebenen Kompressor Verbrauchsvorteile, die wir nun realisieren können, ohne in ein Turboloch zu fallen. Um dynamische Fahrleistungen zu erzielen, geht dies aber wie gesagt nur mit der strahlgeführten Direkteinspritzung in Verbindung mit einer innovativen Abgasturbolader-Technologie. Vor einigen Jahren war die Entwicklung der Turbolader noch nicht so weit, um bei einem Motor mit Downsizing die Ansprüche von Mercedes-Benz erfüllen zu können. Durch die mehrstufige Aufladung und weitere Maßnahmen wird es uns gelingen, auch sehr anspruchsvolle Downsizing-Konzepte zu realisieren.

Einen Beitrag zur Verbrauchs- und Emissionsminderung leisten ja auch Leichtbaukonzepte, bei denen zum Beispiel Stahlwerkstoffe durch Aluminiumlegierungen ersetzt werden. Welche Leichtbaupotenziale sehen Sie bei Verbrennungsmotoren?

Rau: Im Prinzip verfolgen wir zwei Ansätze: Zum einen die von Ihnen angesprochene Substitution von Werkstoffen durch leichtere Materialien, wobei sich die Bauteileigenschaften natürlich nicht verschlechtern dürfen, sondern immer die hohen Mercedes-Benz-Anforderungen erfüllen müssen. Der zweite Ansatz betrifft die Funktionsintegration durch neue konstruktive Lösungen. Unter diesem Aspekt können ja kleinere, kompakte Motoren als Synonym für Leichtbaukonzepte dargestellt werden. Allerdings stehen hier die Motorenentwickler aller Hersteller vor einem Zielkonflikt: Wenn sie von sechs auf vier Zylinder downsizen, wird der Grundmotor leichter – durch die zusätzliche technologische Ausrüstung etwa für Aufladung, Direkteinspritzung oder Abgasnachbehandlung steigt tendenziell das Gewicht.

Lückert: Dieser Zielkonflikt ist in der Tat eine große Herausforderung für die Entwickler. Sie müssen durch gezielte Maßnahmen am Grundmotor das Mehrgewicht der zusätzlichen Technologien zumindest kompensieren. Noch besser ist es natürlich, wenn man mehr einsparen kann als hinzukommt. Aber hier sind wir bei Mercedes-Benz auf einem guten Weg. Die Serienmotoren sind innerhalb von zwei Jahren im Durchschnitt rund zehn Prozent leichter geworden. Durch den Einsatz neuer Werkstoffe wollen wir mittelfristig weitere Leichtbaupotenziale realisieren.

Auf der IAA 2007 hat Daimler eine Hybridinitiative gestartet. Können Sie als Forscher beziehungsweise Entwickler unseren Lesern die veränderten Anforderungen schildern, die durch die Hybridisierung von Motoren auf ihre Bereiche zukommen?

Rau: Die Hybridisierung des Antriebsstrangs bedeutet für uns nicht nur neue Anforderungen, sondern auch neue Chancen. Bei Hybridfahrzeugen muss der Verbrennungsmotor nicht mehr alles können, weil einige Funktionen vom Elektromotor übernommen werden können, zum Beispiel das Anfahren oder die Boostfunktion beim Beschleunigen. Prinzipiell können bei Hybridkonzepten die Verbrennungsmotoren deshalb anders ausgelegt und entsprechend optimiert werden, sodass man verbrauchsungünstige Betriebspunkte möglichst meidet und hier rein elektrisch fährt. Unterm Strich ergänzen sich also die positiven Eigenschaften von Verbrennungs- und Elektromotoren sehr gut.

Lückert: Entwicklungsseitig geht es auch darum, das Paket aus einem Verbrennungs- und ein oder zwei Elektromotoren möglichst klein zu halten, um es überhaupt ins Fahrzeug integrieren zu können – das Thema Downsizing ist also auch unter diesem Aspekt aktuell. Besonders betonen will ich hier aber, dass wir bei unseren Hybridkonzepten auf modulare Bausteine setzen, die je nach Fahrzeug in unterschiedlicher Ausprägung zum Einsatz kommen. Dabei kann es sich um Aufladekomponenten, um Elektroaggregate oder auch um elektronische Bauteile handeln. Diese Module können nach Erreichen der Serienreife je nach Anforderung in die einzelnen Modellreihen implementiert werden. Für jedes Modell ein singuläres Hybridkonzept zu entwickeln, wäre unwirtschaftlich und würde das Fahrzeug für den Kunden viel zu teuer machen.

Mercedes-Benz steht nicht nur für Energieeffizienz, sondern auch für Komfort. Ist dieses Thema auch für Motorenexperten aktuell?

Lückert: Auf jeden Fall – Komfort gehört zusammen mit Fahrleistung sowie Verbrauch und Emissionen zu den Kernwerten unserer Fahrzeuge. Was wir in der Motorenentwicklung dem Kunden an Komfort bieten können, ist zum Beispiel die Laufruhe unserer Motoren. So haben alle Vierzylinderaggregate in der C- und E-Klasse eine Ausgleichswelle, sodass deren Laufruhe mit einem Sechszylinder-Reihenmotor vergleichbar ist. Komfort äußert sich aber auch in der Funktionalität, also darin, wie gut sich ein Fahrzeug oder ein Motor bedienen lässt, beispielsweise durch eine Start-Stopp-Funktion.

Rau: Beim Thema Komfort spielen aus unserer Sicht Geräuschemissionen eine große Rolle. Am besten ist es natürlich, diese direkt an der Quelle zu vermeiden. Deshalb verfolgen wir den Ansatz, Motoren durch die Entwicklung neuer Brennverfahren leiser zu machen. So sehen wir durchaus Potenziale, durch veränderte Einspritzstrategien die Verbrennungsgeräusche weiter zu reduzieren. Was hier möglich ist, zeigt ja der Diesel; die heutigen Motoren unterscheiden sich deutlich vom nagelnden Selbstzünder der Vergangenheit. Kollege Lückert und ich sind überzeugt, dass beim Thema Geräuschemissionen für Forscher und Entwickler noch viel Potenzial vorhanden ist.