Technik von morgen: Audi TechDays Antriebskonzept

Ausblick einer Marke in Sachen Antrieb

Richtungsweisende Antriebe

Dass Audi sich mit dem weltweiten Werbeslogan „Vorsprung durch Technik“ verpflichtet hat, wissen alle Beteiligten. Der Kunde erwartet es und die Verantwortlichen in Ingolstadt sind sich ihrer Pflicht bewusst. Nach den jüngsten Ereignissen rund um den Diesel und letztendlich um den Ottomotor stellt der Automobilhersteller aus Oberbayern die Weichen für die nächsten Jahre. Dabei geht es nicht darum, beide Antriebe verschwinden zu lassen. Im Gegenteil, sowohl der Benziner als auch der weltweit viel verschmähte Diesel werden modifiziert und eingebunden. Hierzu holte sich Audi Hilfe von externer Stelle. Dr. Nikolai Ardey, langjähriger Ingenieur beim Mitbewerber aus München, startete am 01.01.2017 das Projekt „Effizienz und Fahrspaß“ in Ingolstadt. Weltweit  arbeiten insgesamt 2.500 Mitarbeiter in den Entwicklungszentren von Audi. Teile des Projekts sind die Weiterentwicklung der traditionsreichen V-Motoren-Strategie, Audis g-tron-Modelle mit Audi e-gas, die Mild-Hybrid-Technologie sowie das Umsetzen neuer Prüfzyklen und Abgasvorschriften. Die im Trend liegende E-Mobilität soll darüber hinaus nicht zu kurz kommen. Erklärtes Ziel im Hause Audi: bis 2025 möchten die Ingolstädter einen Mix aus 1/3 E-Motoren und 2/3 konventionellen Motoren anbieten. Ambitionierte Ziele, die nicht nur bei Kunden in Deutschland Anklang finden. Ihre ersten Ergebnisse zeigten uns die Oberbayern Ende Mai diesen Jahres in einzelnen Workshops und in kleinen Fahrvorstellungen rund um den Flughafen der bayrischen Landeshauptstadt.

Audi A5 Sportback G-Tron.

V-Motoren: Technologie in Kooperation

Seit nunmehr 30 Jahren steht Audi in der Entwicklung der V-Motoren. Den Anfang machte 1988 der 3,6 Liter Achtzylinder im V8. Zwei Jahre später folgte ein 2,8-Liter-V6 im Audi 100. Nach einigen weiteren Schritten setzten die Ingolstädter Ingenieure V6- und V8-Motoren in allen Modellen ein, die auf dem Modularen Längsbaukasten basieren, also in den Baureihen Audi A4, A5, A6, A8 sowie Q5 und Q7. Die V6-Aggregate – Diesel und Ottomotoren – nutzen ihre Kraft aus 3,0 Liter Hubraum, bei den V8-Motoren sind es 4,0 Liter. Die Leistungsspanne reicht von 160 kW (218 PS) bis 445 kW (605 PS). Um die Entwicklungskosten  zu minimieren, ging Audi mit Beginn des letzten Jahrzehnts eine Sinn bringende Kooperation mit der Luxusmarke aus dem eigenem Konzern ein. Porsche unterstützt im gemeinsamen Projekthaus die Ingolstädter beim V8-Aggregat. Im Gegenzug bietet Audi dem Autobauer aus Zuffenhausen Kompetenz und Know-how des V6-Aggregats. Aktueller Stand beider Antriebe sind der V8 im Porsche Panamera und der V6 in der neuen Generation des Audi A8, der pünktlich dieses Jahr zur Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt kommen wird. Den nächsten Schritt im Blick, eignen sich beide Aggregate für eine Hybridisierung auf 12-Volt- und 48-Volt-Basis.

3,0 Liter TFSI Aggregat.

Zwischenschritt mit Elektromotor – Mild Hybrid 

Am Ziel angekommen, fahren nicht nur die Ingenieure des Autobauers rein elektrisch. Bis dorthin wird es noch die eine oder andere Entwicklungsstufe geben. Eine davon ist die nicht mehr ganz so neue, aber effektive Hybridtechnologie. Was ein japanische Autobauer bereits vor der Jahrtausendwende seinen Kunden anbot, will Audi ab Mitte diesen Jahres veredelt in der nächsten Generation seiner Luxuslimousine A8 weiterführen. Im sogenannten Mild-Hybrid (MHEV, Mild Hybrid Electric Vehicle) arbeitet künftig ein 48-Volt-Netz an Bord. In Japan längst als überteuert abgetan, ist das Konzept für Audi scheinbar kein Problem, denn der Hybrid eignet sich laut Dr. Nikolai Ardey sowohl für Benzin- als auch Dieselmotoren. Erste Tests ergaben die Senkung des Verbrauchs beim V6-Benziner unter Berücksichtigung des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) von bis zu 0,7 Liter pro 100 Kilometer. Im Gegensatz zu anderen, konventionellen Technologien steigern die MHEV-Antriebe sogar den Komfort, weil sie lautloses Segeln in größeren Geschwindigkeitsbereichen bis zu 160 km/h ermöglichen.

Antriebsstrang mit Elektromotor

Die generelle Arbeitsweise eines Mild-Hybrid ist so simpel wie einfach konzipiert. Elektro- und Verbrennungsmotor sitzen auf einer Kurbelwelle. Das Elektroaggregat unterstützt die „alltägliche“ Arbeit eines Motors. Starten, Boosten und Rekuperieren. Doch Audi wäre nicht Audi, wenn den Ingenieuren dort nicht noch eine Verfeinerung einfallen würde. Das Audi-System setzt sich aus den beiden Bausteinen wassergekühlter Riemen-Starter-Generator (RSG) und Lithium-Ionen-Batterie mit 10h Ladungsträgerkapazität und 48-Volt-Spannungslage zusammen. Der an der Stirnseite des Motors liegende Generator wird mit einem Keilrippenriemen mit der Kurbelwelle verbunden. Damit bringt es der RSG auf bis zu 12 kW Rekuperationsleistung sowie 60 Newtonmeter Drehmoment. Das bislang eingesetzte 12-Volt-Netz ist über einen DC/DC-Wandler an das Hauptbordnetz mit 48-Volt-Spannung gekoppelt. Der im Gepäckraum liegende Lithium-Ionen-Akku hat etwa das Format einer großen Bleibatterie und wird per Luftkühlung permanent gekühlt. Das mit dem Mild-Hybrid einhergehende „Segeln“ war bislang nur mit niedrigen Geschwindigkeiten zu schaffen. Mit der erhöhten Spannung des Bordnetztes erlaubt es nun dem Fahrer zwischen 30 und 160 km/h vom Gas zu gehen, damit das Fahrzeug  bis zu 45 Sekunden mit komplett ausgeschaltetem Motor „rollen“ kann. Beim Segeln mit niedrigem Tempo beginnt die Start-Stopp-Phase schon ab 22 km/h.

MildHybrid mit 48 Volt

Dass die MEHV-Technologie eben nur ein Schritt bleibt, bewies Audi bereits zum diesjährigen Genfer Autosalon. Unter dem Motto „Elektrisch rollen, kraftvoll boosten“ wurde der Q8 Sport concept vorgestellt. Der dort genutzte Startgenerator soll 20 kW und 170 Newtonmeter abgeben. Die stärkere Energieleistung bei der Rekuperation des Systems bringen dem 3.0 TFSI Aggregat in Kombination beim Boost eine Kraftübertragung von bis zu 700 Newtonmeter Drehmoment. Das Showcar beschleunigt mit 350 kW (476 PS) Systemleistung in 4,7 Sekunden von 0 auf 100 km/h und weiter bis 275 km/h Höchstgeschwindigkeit. Das MHEV-System soll den Verbrauch der Konzeptstudie um etwa einen Liter pro 100 Kilometer senken. Das verspricht zumindest viel Fahrspaß und Souveränität.

Energiewende groß geschrieben 

Auf der Suche nach alternativen Antrieben ist Audi mit seiner Entwicklung 2013 bei den Brennstoffen Erdgas (CNG – compressed natural gas) und dem Konzern internen Audi e-gas (ein synthetisch hergestellter Brennstoff) abgebogen. Die Ingolstädter Ingenieure versprechen sich hierbei eine nahezu CO2-neutrale Mobilität. Eingestiegen mit dem A3 Sportback g-tron (kombinierter Verbrauch  von bis zu 3,6 CNG) folgen im Frühsommer 2017 der A4 Avant und A5 Sportback. Beide Modelle sollen den CNG-Verbrauch von 4,5 nicht überschreiten. Im A5 Sportback wird ein weiterentwickeltes 2.0 TFSI-Aggregat arbeiten, das mit speziell für eine optimale Verdichtung angepassten Kolben und Ventilen bestückt ist. Die Leistung des Motors liegt bei 125 kW (170 PS) und 270 Newtonmetern. Der A4 Avant arbeitet zukünftig mit gleichem Motor im CNG-Betrieb. Sein 2.0-TFSI-Motor beschleunigt das ausschließlich mit einem S-tronic-Getriebe kombinierte Fahrzeug von 0 auf 100 km/h in 8,4 Sekunden bei einer Höchstgeschwindigkeit von satten 221 km/h. Von den Beschleunigungs- und Höchstgeschwindigkeitswerten konnten wir uns rund um den Münchner Flughafen Ende Mai diesen Jahres überzeugen. Dabei fällt uns positiv auf, dass die ursprünglichen knurrigen Motorgeräusche beim CNG-Betrieb denen eines konventionellen Benzinaggregats gewichen sind. Trotz des Fahrspaßes in beiden Audimodellen ist die Effizienz nicht auf der Strecke geblieben. Im Vergleich zum Benzin entsteht bei der Verbrennung von Erdgas rund 25 % weniger CO2.

Audi A4 G-Tron

Beim Betrieb mit dem nachhaltigen Audi e-gas, das chemisch mit Erdgas identisch ist, geht der Automobilhersteller aus Oberbayern einen weiteren Schritt in Richtung Nachhaltigkeit. Der Kraftstoff entsteht mithilfe von Ökostrom aus Wasser und Kohlendioxid oder auch aus Reststoffen, wie zum Beispiel Stroh und Grünschnitt. Um den Kunden diese Alternative „schmackhaft“ zu machen, bietet Audi diesen Kraftstoff seinen Kunden für drei Jahre serienmäßig an. Der Kunde tankt sein g-tron-Fahrzeug an jeder beliebigen CNG-Tankstelle und bezahlt dafür den regulären Preis. Audi sichert damit die entsprechende CO2-Reduktion, indem das Unternehmen die berechnete Menge in Form von Audi e-gas wieder ins allgemeine Erdgasnetz einspeist. Dies geschieht automatisch auf Basis von Erhebungen und Servicedaten der g-tron Autos. Der TÜV Süd wird dabei das Verfahren überwachen und zertifizieren. Die g-tron-Kunden erhalten außerdem hierfür eine Zertifizierung.

Power-to-Gas-Anlage von Audi

Eine Audi eigene Power-to-Gas-Anlage steht unter anderem in Werlte (Emsland, Niedersachsen). Die ebenfalls 2013 in Betrieb genommene Anlage erzeugt pro Jahr bis zu 1.000 Tonnen e-gas, das insgesamt 2.800 Tonnen CO2 bindet. Mit dieser Menge sollen rund 1.500 Audi g-tron-Fahrzeuge je 15.000 Kilometer im Jahr annähernd CO2-neutral fahren. Bei Audi verspricht man sich die reibungslose Umwandlung von Strom in Treibstoff. Überschüsse an erneuerbaren Energien sollen so langfristig speicherbar sein. Nach Werlte werden neue Kooperationspartner gebunden. Die Thüga-Gruppe und Viessmann GmbH sind die nächsten Partner. Anfang Mai diesen Jahres haben der Mutter-Konzern, Tankstellen-Betreiber und Gasnetzanbieter eine gemeinsame Absichtserklärung bekannt gegeben, weiter an der CNG-Mobilität festzuhalten. Zielsetzung ist der Einsatz von einer Millionen CNG-Fahrzeugen Marken übergreifend bis 2025 auf die Straße zu bringen. 2.000 Tankstellen bundesweit sollen das Vorhaben bis dorthin unterstützen. Der Ausbau auf europäischer Ebene wird nicht außer Acht gelassen.

Globales Prüf- und Abgasprozedere

Der seit nunmehr mehr als 20 Jahren bestehende Europäische Fahrzyklus (NEFZ) zur Ermittlung von Verbrauchs- und Emissionswerten erfährt nicht zuletzt aus den Ereignissen der jüngsten Vergangenheit eine Wachablösung. Er wird ab September 2017 durch das WLTP (Worldwide Harmonized Light Duty Test Procedure) abgelöst. Das globale Verfahren soll mehr realitätsnähere Daten abbilden und den geänderten Verkehrs- und Fahrbedingungen in Europa Gerecht werden. Um den neuen Standards, wie zum Beispiel der neuen Abgasnorm 6c, Rechnung zu tragen, werden zusätzliche Emissionsmessungen notwendig. Unterstützend wird dabei die Messung im laufenden Straßenverkehr (RDE – Real Driving Emissions) vorgeschrieben.

Dass zu einem einheitlichen Testverfahren für PKW und leichter Nutzfahrzeuge führende WLTP wird von Audi ab dem 01. September 2017 verwendet. Bindender Einsatzzeitpunkt für alle Automobilhersteller ist der 01. Januar 2019. Bis dorthin wird für den Kunden weiterhin der NEFZ-Wert die Besteuerungsgrundlage bleiben. Der wesentlich dynamischere WLTP-Wert weist gegenüber dem NEFZ mehr Beschleunigungs- und Bremsvorgänge auf. Er enthält vier Phasen: bis 60, 80, 100 und 130 km/h. Somit werden unterschiedliche Fahrsituationen – vom Innenstadtverkehr bis zur Autobahnfahrt abgebildet. Der WLTP, wie auch schon der NEFZ, wird nach wie vor auf dem Rollenprüfstand ermittelt. Die neue Höchstgeschwindigkeit liegt um 10 km/h höher als der NEFZ auf nunmehr 131 km/h. Zudem übertrifft der neue Testzyklus den alten sowohl bei der Dauer (30 Minuten) als auch bei der Durchschnittsgeschwindigkeit (46,6 km/h). Die Streckenlänge auf dem Rollenprüfstand entspricht rund 23 Kilometer statt bisher 11 Kilometer.

SQ5 mit viel Power und Innovation.

Fazit: Mit neuen Ideen und Innovationen erfindet sich der Autobauer aus Ingolstadt immer wieder neu und das ganz im Dienste seiner Kunden. Dass dies unter Berücksichtigung der Umwelt passiert, ist einmal mehr aller Ehren wert.

Text: Stefan Beckmann, Titelbild: Hersteller, Bild: Stefan Beckmann und Hersteller

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News: 48-Volt-Hybrid – Mehr Spannung, weniger Verbrauch

Konnten früher sogenannte Mild-Hybride während der Beschleunigung den Verbrennungsmotor lediglich kurzzeitig in seiner verbrauchsintensiven Phase unterstützen, werden zukünftige Systeme ähnlicher Bauart nicht nur deutlich intelligenter, sondern auch wesentlich effizienter agieren können. Bei Continental sieht man gegenüber einem konventionell angetriebenen Benziner mit Start-Stopp-Automatik großes Kraftstoffeinsparungspotenzial. „Im innerstädtischen Fahrbetrieb können dies 21 Prozent sein, etwa 13 Prozent wären es im NEFZ-Profil“, ist sich Dr. Oliver Maiwald, bei Continental Leiter Technology & Innovation, Division Powertrain, sicher. Voraussetzungen hierfür sind allerdings 48 Volt. Die höhere Spannung ermöglicht die Übertragung größerer Leistungen. Zudem kann die E-Maschine kompakter ausgelegt und mit einer höheren Leistungsdichte versehen werden.

Alle großen Zulieferer entwickeln derzeit Lösungen für künftige 48-Volt-Hybridarchitekturen. „Die höhere Spannung ist der Schlüssel zur Effizienz und höherer Leistung“, sagt Peter Gutzmer, Vorstand Technologie der Schaeffler AG. Die arbeitet auf Basis eines Continental 48-Volt-Generators an einem Modul, das für Seitenanbau zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe ausgelegt ist (BSG, Belt Starter Generator).

Neben dieser achsparallelen Lösung wird auch an einem 48-Volt-Modul entwickelt, das zwischen Motor und Getriebe angeordnet ist. Diese Lösung, ISG (Inline Starter Generator) genannt ermöglicht Kraftstoffeinsparungen von weiteren zwei Prozent, weil die Reibverluste durch den Riemen entfallen. „Spätestens 2025 wird das Modul gänzlich zwischen Motor und Getriebe sitzen“, sagt Gerhard Gumpoltsberger, Leiter Innovationsmanagement und Erprobung bei ZF. Schon Ende April auf dem Wiener Motoren-Symposium will Continental eine Neuheit in dieser Richtung vorstellen.

Mit der ISG-Architektur könnten zudem neue Hochstromverbraucher auf die 48-Volt-Seite gelegt werden. Audi praktiziert dies in seinem SUV-Flaggschiff SQ7, allerdings hat das Power-SUV noch einen 12-Volt-Generator. Die Spannung wird gewandelt, der Strom dann in eine Lithium-Ionen-Batterie geschickt. Sie versorgt – erstmals in der Branche – einen elektrischen Verdichter und darüber hinaus auch einen elektrischen Wankausgleich mit Strom. Möglich wäre es auch, mit 48 Volt andere Verbraucher wie zum Beispiel den Klimakompressor effizienter als derzeit mit zwölf Volt zu betreiben, was im Realbetrieb den Verbrauch weiter senken würde. Auch Renault plant, für nächstes Jahr die 48-Volt-Technik in Serie zu bringen.

Der Audi SQ7 hat ein 48-Volt-System an Bord
Der Audi SQ7 hat ein 48-Volt-System an Bord

Dass diese Systeme kommen, steht außer Zweifel. Treiber ist der Flottenausstoß, der die Autohersteller zur massiven Elektrifizierung zwingt. Die Riemengeneratoren mit der höheren Spannung werden dabei als kostengünstigste Ergänzung zum Plug-in-Hybrid gesehen. „Das System ist deutlich einfacher zu realisieren“, so Gumpoltsberger. Während die teure Plug-in-Technik eher der Oberklasse vorbehalten bleibt, wird sich BSG und ISG in den Segmenten darunter durchsetzen, heißt es aus den Entwicklungsabteilungen. „Mindestens die nächsten 10 bis 15 Jahre werden wir nicht Elektromotor „oder“ Verbrennungsmotor sagen, sondern „und““, so Rolf Bulander, Vorsitzender des Unternehmensbereichs Mobility Solutions beim Automobilzulieferer Bosch.

Alleine bis 2020 sieht man bei Bosch einen Markt von 3,1 Millionen Fahrzeugen mit 48-Volt-Systemen. Insbesondere Kunden in asiatischen Märkten und den USA sind hier interessiert. Die Schwaben bringen einen weiteren Aspekt ins Spiel. Aus ihrer Sicht ist das Thema 48 Volt eine ideale Ergänzung auch zum Diesel-Motor – da es nicht nur Kraftstoff spart, sondern auch sehr effizient bei der Emissionsreduzierung unterstützen kann – auch in Richtung Real Driving Emissions (RDE). Hier soll das 48-Volt Boost-Recuperation-System von Bosch die Stickoxid-Rohemissionen insbesondere beim Beschleunigen und unter hohen Lasten um bis zu 20 Prozent senken.

Richtig intelligent wird der neue Hybridantrieb erst durch die Digitalisierung. Continental stellte im Januar auf der CES in Las Vegas einen vernetzten und mit allerlei Sensorik bestückten 48-Volt-Mild-Hybrid mit einem sogenannten „connected Energy Management“ (cEM) vor. Aus der Daten-Cloud heraus kennt cEM die Echtzeit-Verkehrssituation und weiß exakt, wann es sinnvoll ist, vom Gas zu gehen. Tut der Fahrer dies, aktiviert die Software automatisch die effizienteste Kombination aus Segelbetrieb (Motor abgeschaltet) und Rekuperation. Verzögert wird mit einem Minium an Radbremseinsatz, wenn es sein muss, exakt bis zur Haltelinie vor der Ampel. „Das Betätigen der Radbremsen wandelt kinetische Energie nur in Wärme um“, sagt Maiwald, „dies sollte möglichst vermieden werden.“ Mit dem cEM ließen sich laut Continental nochmals drei bis vier Prozent Verbrauch einsparen.

Intelligente Antriebsstränge werden jedoch nicht ausschließlich als Mittel zur Effizienzsteigerung gesehen. „Sie können, falls einmal Probleme auftauchen, die notwendigen Informationen künftig auch direkt in die nächstgelegene Werkstatt senden“, sagt Schaeffler-Technikvorstand Peter Gutzmer. „Das Navi würde den Fahrer ohne Umwege dorthin schicken, das Team wäre vorbereitet, die Reparatur schnellstmöglich erledigt.“

Autor: Michael Specht/SP-X

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