Archiv des Autors: Marc Jara

E-Mobilität
Elektrifizierung – Software- und Testlösungen
Elektrifizierung – Software- und Testlösungen
Es wird prognostiziert, dass vollelektrische und Hybrid-Fahrzeuge innerhalb der nächsten zehn Jahre einen Marktanteil von 90 Prozent erreichen werden. Diese Entwicklung spiegelt sich auch in der Zahl an Prüfständen für E-Mobilität und Batterien wider, die aktuell gebaut werden. Im Folgenden soll erläutert werden, welche Aspekte bei dieser neuen Art von Prüfständen zu beachten sind und welches Vorgehen beim Prüfprozess zu empfehlen ist.
Ein wesentlicher Aspekt ist die Batterieprüfung. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien erreichen eine Energiedichte, die um das 20- bis 30-fache unter der von Benzin liegt. Um eine Kostenparität zu Benzinfahrzeugen zu erzielen, müssen die Kosten für die Batterien entsprechend um das Vierfache gesenkt werden. Kurzfristig ist dies kaum umsetzbar und so gilt es, die Kalibrierung des Batteriemanagementsystems (BMS) umgehend zu optimieren, wozu präzise Mittel auf dem Prüfstand notwendig sind. Für die Batterieprüfstände wird ein hochautomatisierter und personalsparender Prozess benötigt, der alle Prüfstände in Echtzeit überwacht und entsprechend schnelle Reaktionen ermöglicht – die Dateiformate müssen identisch sein, egal aus welcher Quelle sie stammen. In manchen Prüfzentren hat jedes Gerät ein eigenes Dateiformat, was sich auf die Produktivität des Prüfzentrums auswirkt. Zudem ist die Sicherheit im Hinblick auf Batterien ein Thema von besonderer Bedeutung: Extreme Umgebungsbedingungen, in denen die Chemie innerhalb der Batterie außer Kontrolle geraten könnte, müssen unbedingt im Auge behalten werden. Strenge Batterieprüfungen einschließlich Brandversuchen, Überspannungstests, Crash-Tests und Tiefentladungstests sind erforderlich. Doch auch, wenn die Batterie das empfindlichste Element ist, das es zu prüfen gilt, so wirft die Prüfung der Elektromotoren ebenfalls technologische Herausforderungen auf. Neu entwickelte Motoren können bis zu 25.000 U/min erreichen und in manchen Phasen kommt es dabei zu einem plötzlichen Temperaturanstieg, der sich nachteilig auf die Lebensdauer des Motors auswirkt. Auch in diesem Fall ermöglicht eine Optimierung des globalen Energiemanagementsystems (EMS) die Beherrschung kritischer Fälle und erhöht die Lebensdauer des E-Motors.
FEV bringt die wichtigsten Aspekte eines E-Mobility-Prüfzentrums und der Systementwicklung in drei Schritten auf den Punkt: Zunächst geht es um das automatisierte Management und die umfassende Überwachung der Prozesse und der Prüfstände mithilfe der Software-Suiten FEVFLEX™ und MORPHEE®. Zweitens muss eine Standardisierung der Prüfstandlösungen beziehungsweise der Prüfzellen erfolgen. Und schließlich bedarf es einer Kalibrierung der Steuergeräte und einer Optimierung des Energiemanagements, wofür eine erweiterte Anwendung der Simulation erforderlich ist. Diese Vision ist das Ergebnis der mehr als zehnjährigen Erfahrung im Betrieb zweier Prüfzentren in München und in Saint Quentinen-Yvelines (Frankreich), die mit 22 Prüfständen zur Prüfung von Batterien sowie zahlreichen E-Motor- und E-Achsprüfzellen ausgestattet sind.

Vollautomatisierter Prozess
Ein vollautomatisierter Prozess ist ein entscheidender Faktor in jedem modernen Prüfzentrum, aber besonders wichtig ist die vollständige Automatisierung in einem Batterieprüfzentrum. Dies wird durch den Einsatz von Software wie z.B. FEVFLEX™ und MORPHEE® gewährleistet. FEVFLEX™ ist eine modulare Software-Suite für das Management und die Überwachung des gesamten Prüffelds (nähere Informationen zum Einsatz von FEVFLEX™ in einem Prüfzentrum für E-Mobilität und Batterien finden Sie im Artikel „Know-how und Kapazität für E-Prüfprojekte“ auf Seite 40).
Sämtliche an FEVFLEX™ gesendeten Daten werden von MORPHEE®, dem Automatisierungssystem von FEV, erzeugt. Doch die elektrische Revolution steht gerade erst am Anfang. Batterien, Elektromotoren und die allgemeine Fahrzeugarchitektur werden sich noch weiterentwickeln. In dieser Hinsicht sind die Upgrade-Fähigkeit und Modularität von FEVFLEX™ und MORPHEE® wichtige Merkmale, die für die Software sprechen. Die offenen Software-Lösungen können vom Anwender einfach und vor allem ohne zusätzliche Entwicklungskosten konfiguriert werden. MORPHEE® kann über dieselbe Programmierschnittstelle an alle Arten von Geräten angeschlossen werden. Die Software erzeugt und synchronisiert Ergebnisdateien in einem identischen Format, egal von welchem Gerät sie stammen.

Prüfzellen: Standardlösungen
2019 ist für FEV Software and Testing Solutions ein besonderes Jahr, in dem neue Prüfzellen und Standardlösungen für Prüfstände eingeführt werden. Im Laufe der Jahre hat FEV viele Prüfstände gebaut, sowohl an eigenen Standorten als auch an Kundenstandorten in Europa, Asien und Amerika. Die Erfahrungen reichen von kompletten Engineering-Projekten bis hin zur einfachen Automation. Auf der Grundlage dieses Know-hows hat FEV Standardlösungen für Prüfstände und Prüfzellen entwickelt, bei denen eigene Produkte von FEV sowie Produkte von genehmigten Lieferanten zum Einsatz kommen. Dank dieser Standardisierung kann FEV die Kosten besser kontrollieren und kürzere Einführungszyklen anbieten. Das Angebot deckt dabei alle erforderlichen Dimensionen auf dem Gebiet der Elektrofahrzeuge und insbesondere die sicherheitsbezogenen Aspekte ab.
FEV bietet Batterieprüfstände an, die für jeden Testfall gerüstet sind: Zellenprüfstände mit bis zu 24 Zellen je Klimakammer, Modulprüfstände mit bis zu sechs Modulen und integrierte Batteriepack-Prüfstände, entweder in begehbaren Kammern oder in besonders großen Klimakammern. Das Angebotsspektrum wird zudem durch Standardprüfstände für E-Motoren erweitert, die zur Charakterisierung von Elektromotoren eingesetzt werden. Der wichtigste Aspekt bei dieser Art von Prüfstand ist die Fähigkeit, bei sehr hohen Drehzahlen und in einem hochdynamischen Prozess unter Berücksichtigung von Vibrationen prüfen zu können. FEV stellt daher modernste E-Motoren-Prüfstände einschließlich perfekt abgestimmter Dynamometer her. Die Prüfstandlösungen für E-Motoren ermöglichen Drehzahlen bis 25.000 U/min. Die MORPHEE®-Softwarelösung für den Prüfstand ersetzt die Prüfstandsteuerung und bietet einfache Konnektivität zu den Rechnern. Der E-Antriebsstrang wird optimiert, indem verschiedene Anwendungsfälle (Autobahn, städtische oder ländliche Straßen) und unterschiedliche Faktoren (unter anderem Spannungs- und Stromsignale, Frequenz vs. Winkelposition und Drehzahl, Management von Drehmomentspitzen) berücksichtigt werden. In diesem Fall wird das OSIRIS® Powermeter von FEV verwendet, um die Effizienz des E-Antriebsstrangs zu analysieren. Hierbei wird die Leistung vor und hinter dem Inverter sowie vor und hinter dem Elektromotor gemessen.
FEV bietet einzigartige Lösungen, die nicht nur die Optimierung, sondern auch die Validierung des kompletten Antriebsstrangs erleichtern. Dauerlaufprüfungen, die mechanische Zyklen (Vibrationen, Begrenzer, Differenzial) und plötzliche Temperaturwechsel (Abkühlung, Rotor-Thermomanagement) simulieren, müssen ebenfalls durchgeführt werden. Bei dieser Konfiguration ist es wichtig, nicht nur den E-Motor, sondern den kompletten Antriebsstrang zu prüfen. Auf dem E-Achsprüfstand ist es möglich, das gesamte System in den nachgeordneten Schritten des Entwicklungsprozesses zu prüfen. Dabei kommen sowohl MORPHEE® als auch OSIRIS® sowie Dynamometer von FEV und Kühlwasserkonditionierungsanlagen wie das sogenannte eCoolCon™ zum Einsatz.

Optimierung des Energiemanagementsystems
Der letzte wichtige Erfolgsfaktor für ein E-Mobilitäts-Prüfzentrum ist die Fähigkeit, die Kalibrierung der verschiedenen Rechner und des Energiemanagementsystems (EMS) des Antriebsstrangs zu optimieren. Diese Fähigkeit war bereits auf dem Gebiet der konventionellen Motoren eine Stärke von FEV und gilt ebenso für Elektro- oder Hybridmotoren. FEV hat dies durch die Entwicklung von Software mit zwei charakteristischen Merkmalen erreicht: ein sehr hohes Leistungsniveau sowie vollständige Kompatibilität unter den einzelnen Komponenten. In den ersten Entwicklungsphasen wird mithilfe von xMOD™, einer virtuellen Versuchs- und Co-Simulationsplattform, durch Co-Simulation verschiedener Modelle (zum Beispiel E-Motor, Batterie, Fahrer und komplettes Fahrzeug) ein komplexes System erzeugt. In der Folge können virtuelle Versuche auf derselben Plattform durchgeführt werden, um die Steuerungsregeln im Vorfeld zu validieren. Im nächsten Schritt werden mithilfe des über MORPHEE® gesteuerten Prüfstands – in diesem Fall der Batterie- und BMS-Prüfstand oder der Prüfstand für den E-Antriebsstrang – die zuvor validierten Modelle integriert. Dafür wird das Batterie- oder E-Motor-Modell durch das physische Teil ersetzt. Alle anderen Komponenten werden beibehalten, um eine möglichst genaue Repräsentation des Antriebsstrangs in seiner Umgebung zu erhalten. Da xMOD™ und MORPHEE auf der gleichen Entwicklungsplattform basieren, folgen die Schnittstellen, Tests und Modelle allesamt dem gleichen Prozess vom Beginn bis zum Ende. FEV bezeichnet dies als Collaborative Framework. Es gilt zu beachten, dass die außergewöhnliche Simulationsleistung dieser Tools, die um das 10- bis 40-fache schneller sein können als andere Lösungen auf dem Markt, die Prüfung von hochkomplexen Modellen auf dem Prüfstand in Echtzeit ermöglicht.



FEV Group setzt strategischen Wachstumskurs fort
Gesamtfahrzeugentwicklung
Gesamtfahrzeugentwicklung
FEV hat seine Kompetenzen vor Kurzem in gleich mehreren Gebieten entscheidend ausgebaut. So weitet die Unternehmensgruppe mit dem Erwerb der B&W Fahrzeugentwicklung seine Expertise und Kapazitäten im Unternehmenssegment „Gesamtfahrzeugentwicklung“ aus. Mit über dreihundert Mitarbeitern an internationalen Standorten bietet B&W seinen Kunden Lösungen in den Bereichen Rohbaukarosserie, Interieur, Exterieur, Strak, Modellbau, Versuch und Elektrik/Elektronik an. Mit der hundertprozentigen B&W-Tochter EDL Rethschulte GmbH wächst zudem die Kompetenz im Feld der Lichttechnik.
Die B&W Fahrzeugentwicklung GmbH ist eine bekannte Größe in der europäischen Fahrzeugindustrie. Das Unternehmen bietet seinen automobilen Kunden weltweit Lösungen aus einer Hand von der Entwicklung einzelner Module bis hin zu ganzen Karosserien an.
Mit der Integration von B&W kann die FEV Gruppe seine Kapazitäten in wichtigen Bereichen erweitern und zusätzlich Mitarbeiter mit hohem Engineering-Know-how in der Fahrzeugentwicklung gewinnen. In Zeiten zunehmend komplexer Projektvergaben, die auf eine ganzheitliche Fahrzeugkompetenz abzielen, untermauert der Schritt gleichzeitig den Anspruch, ein verlässlicher Partner in der Gesamtfahrzeugentwicklung zu sein.
Produktions- und prozessoptimierte Produktentwicklung und -konstruktion
Darüber hinaus hat die FEV Group hundert Prozent der Suarez & Bewarder GmbH & Co. KG erworben und ergänzt mit dem schwäbischen Ingenieurdienstleister seine Ressourcen und Expertise in den Bereichen der automobilen Interieur- und Exterieur-Entwicklung sowie der Modul- und Plattformstrategien bei Vans und LKW. In den stetig an Bedeutung gewinnenden Feldern der fertigungsgerechten Entwicklung, Validierung und Konstruktion von Exterieur- und Interieur-Fahrzeugkomponenten im Kontext des Designs und Packagings konnten mit der Firmenintegration neue Expertisen gewonnen werden.
Softwareentwickler UniPlot schafft Synergien
Ein weiteres neues Mitglied der Unternehmensgruppe ist die UniPlot Software GmbH. Das in den 1990er Jahren von den Brüdern Samuel und Roman Brüggenkoch gegründete Unternehmen entwickelt Software, die der Analyse und grafischen Darstellung von Messdaten für einen weltweiten Kundenkreis dient – darunter auch namhafte Unternehmen der Automobilbranche. Auch FEV nutzt UniPlot als etablierte Lösung bereits erfolgreich seit mehreren Jahren, so dass die Eingliederung des Unternehmens ein logischer Schritt ist, von dem positive Synergien erwartet werden.



Der neue Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo V8 von General Motors
Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo DOHC Motor
Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo DOHC Motor
Bei General Motors haben V8-Motoren, die für ihre Leistung, Langlebigkeit und Ausgereiftheit bekannt sind, lange Tradition. In diesem Artikel wird der neue Blackwing 4,2 Liter Twin Turbo DOHC Motor mit Direkteinspritzung beschrieben, der im Cadillac CT6 V zum Einsatz kommt. Der Motor stellt bei Spitzengeschwindigkeit viel Leistung bereit, wurde aber auf die Vermittlung eines mühelosen Fahrgefühls durch Erzeugung eines Best-in-Class-Drehmoments bei niedrigen und mittleren Motordrehzahlen ausgelegt. So kann der Motor den Anforderungen einer Hochleistungslimousine gerecht werden und gleichzeitig das straffe Ansprechverhalten eines Luxusautos bieten. Der Artikel stellt Details zu dem neuen Motor vor und hebt einzelne Technologien zur Unterstützung seiner ausgewogenen Leistung gesondert hervor.
Die Anzahl der Leistungsmerkmale in modernen Fahrzeuge nimmt aufgrund preisgünstigerer Rechenleistung und höheren Kundenansprüchen immer mehr zu. Diese zusätzlichen Komponenten erfordern immer mehr Einbauraum im gesamten Fahrzeug. Von diesen Fortschritten ist auch der Bereich unter der Motorhaube nicht ausgenommen. Fortgeschrittene Bremssysteme, Transaxle-Allradantrieb, Schallschutzisolierung und Resonanzvolumen sowie fortschrittliche Fahrgastkomfortsysteme benötigen zusätzlichen Raum, der bisher dem Antriebsstrang zur Verfügung stand. Daher sind neue und innovative Konzepte zur Entwicklung kompakterer Motoren, die in den verfügbaren Platz passen, erforderlich.
Ein immer beliebteres Konzept im Luxusfahrzeugmarkt ist ein V8-Motor mit im Tal zwischen den Zylinderbänken eingebauten Turboladern. Dieses Konzept bietet die Vorteile eines geringvolumigen Abgassystems, was das Turboloch reduziert, und kompaktes Packaging ermöglicht, wodurch der Motor in den immer geringer werdenden Platz unter der Motorhaube passt. Da das Team die Freiheit zur Entwicklung einer ganz neuen Motorarchitektur hatte, wurde schon zu Beginn des Programms entschieden, den Turbolader im Tal zwischen den Zylinderbänken zu platzieren. So konnte das Entwicklungsteam gleichzeitig die Ziele zu Einschwingverhalten, Spitzendrehmoment und Spitzenleistung erreichen. Zusätzlich wurde jeder Motorenaspekt, von der Höhe des Motorblocks bis hin zum Durchmesser des Gestängelagers, auf maximale Dichte ohne Verzicht auf Leistung, Langlebigkeit oder Robustheit des Motors geprüft.

Motorenkonzept
Der vollkommen neue V8-Motor mit einem Zylinderbankwinkel von 90 Grad ist für den Cadillac CT6 V, die neue Oberklasse-Limousine von GM, bestimmt. Der Hauptfokus des Motors liegt auf einem hohen Drehmoment bei niedriger Drehzahl, wodurch ein müheloses Fahrgefühl vermittelt wird. Die wichtigsten Leistungsziele für den Motor sind in Abbildung 2 aufgeführt.
Der CT6 V, für den der Motor maßgeschneidert entwickelt wurde, war ursprünglich darauf ausgelegt, entweder von einem Vierzylinder-Reihenmotor oder einem 60-Grad-V6-Motor angetrieben zu werden. Das Packaging eines DOHC-V8 mit Turbolader stellte dadurch sowohl in Bezug auf die Höhe als auch auf die Breite eine Herausforderung dar. Der Motor steht nur mit einem Allrad-Antriebsstrang zur Verfügung, was den unter der Motorhaube für den Motor verfügbaren Raum noch weiter einschränkt. Unter diesen Bedingungen war das einzige V8-Twin-Turbo-Motorenkonzept mit einem Zylinderbankwinkel von 90 Grad, das in das Fahrzeug passte, eines, bei dem sich Auslass und Turbolader in der Mittel des Tals zwischen den Zylinderbänken und die Ansaugkanäle an der Außenseite der Zylinderköpfe befinden.

Technische Spezifikationen
Zylinderblock: Der Zylinderblock aus Präzisionssandguss in Schürzenbauweise besteht aus A319-Aluminium mit T7-Hitzebehandlung. Die Zylinder verfügen über eingepresste Laufbuchsen und die Vier-Bolzen-Hauptlagerdeckel aus Sphäroguss sind zusätzlich radial mit der Schürze verschraubt, was eine stabile Struktur für den effektiven Mitteldruck (BMEP) von 25,4 bar schafft.
Der begrenzte Platz für Motor und das Allraddifferential machte eine genaue Prüfung des Packaging-Platzes aller Teilsysteme des Motors erforderlich. Es wurden ein für einen Zylinderblock mit Laufbuchsen relativ enger Bohrungsabstand von 96 mm und eine optimierte Deckhöhe von 215 mm erreicht. Zur Ermöglichung der reduzierten Deckhöhe des Zylinderblocks wurden die äußeren Befestigungselemente für den Hauptlagerdeckel abgewinkelt. So wurde die richtige Einschraubtiefe für das Befestigungselement ohne Beeinträchtigung des Kolbens und das Überarbeiten von Nachlauf-Auslässen, wie in Abbildung 4 dargestellt, möglich gemacht.

Ein inhärentes Problem von V8-Motoren mit Crossplane-Kurbelwelle ist die ungleichmäßige Zylinderfüllung. Daher ist die optimierte Kühlung der Brennkammer zur Minimierung der Klopfneigung des Motors und zur Gewährleistung der Langlebigkeit des Motors von wesentlicher Bedeutung. Zur Kühlung der Oberseite der Zylinderbohrung wurde eine Stufenbohrung eingesetzt. So fließt Kühlmittel zwischen den Zylindern, wie in Abbildung 5 gezeigt. Diese Bohrung leitet das Kühlmittel vom Zylinderblock-Kühlmantel zum Kühlmantel des Zylinderkopfes. Mit einer Dosieröffnung in der Kopfdichtung wird der Kühlmittelfluss geregelt, wodurch eine individuelle Versorgung für jeden Zylinder möglich ist. Die Temperatur des jeweiligen Zylinders bestimmt die individuelle Öffnung.

Kurbeltrieb und Power Cell: Der Platz für Kurbeltrieb und Power Cell war durch die Platzierung des Allrad-Verteilergetriebes, den verfügbaren Packaging-Platz für den Anlasser und die geringe Deckhöhe des Zylinderblocks begrenzt. Daher musste der Kurbeltrieb optimiert werden, um in den verfügbaren Raum zu passen. Zur Umsetzung dieser Packaging-Einschränkungen wurde der Durchmesser des Gestängelagers zur Schaffung eines kleinen Stangenwegs auf ein Minimum reduziert und gleichzeitig der Hauptlagerdurchmesser erhöht, um die erforderliche Überschneidung von Steifigkeit und Stärke der Kurbelwelle zu erreichen. Die auf dem FEV-Streuband in Abbildung 6 dargestellten Lagergrößen zeigen, wie die Kurbelwelle an die Packaging-Einschränkungen der Anwendung angepasst wurde.

Die Deckhöhe des Motors wurde ebenfalls auf ein Minimum reduziert, um die Gesamtbreite des Motors zu verringern und die erforderlichen Abstände beim Einbau des Motors in das Fahrzeug einzuhalten. Zur Erreichung dieses anspruchsvollen Ziels mit einem relativ langen Hub und DOHC-Architektur wurde die Power Cell auf minimale Länge am oberen Totpunkt optimiert. Diese Optimierung der Gesamtlänge der Power Cell führte zu einer kurzen Pleuelstange mit einem L/R-Verhältnis von 3,89. Zur Veranschaulichung der Kompaktheit dieses Packaging sind Pleuellänge und Motorhub für den neuen V8-Motor auf dem FEV-Streuband in Abbildung 7 dargestellt.

Die Pleuelstange wird vom Kolben statt von der Kurbelwelle geführt. Durch Reduzierung der Größe und der relativen Geschwindigkeit des die Pleuelstange führenden Lagerbereichs wurde eine Reduzierung der Gesamtreibung erreicht.
Zylinderkopf: Die Rotocast®-Zylinderköpfe bestehen aus A356-Aluminium mit einer T6-Hitzebehandlung. Dieser Herstellungsprozess wurde von dem Team gewählt, da er überlegene mechanische Eigenschaften garantiert, die für einen Motor mit hohem effektivem Mitteldruck von Vorteil sind.
Das Verbrennungssystem wurde teilweise von dem Vorgänger-LGW-Motor, einem 3,0 Liter Twin Turbo V6, übernommen. Zur Übernahme des Verbrennungssystems und seines im Tal zwischen den Zylinderbänken platzierten Auslasses für diesen Motor mussten einige Modifikationen an dem System vorgenommen werden. Die auffälligste Änderung war der Eintrittswinkel des Ansaugkanals, der für den außen angebrachten Ansaugkrümmer nach oben gebogen werden musste. Dieser nach oben gebogene Einlass leitet den Fluss zur Unterseite des Kanals. Mit aufwendigen CFD-Simulationen wurde der angemessene Tumble des neuen Designs sichergestellt. Abbildung 08 zeigt einen Vergleich der Ansaugkanäle des 4,2 Liter Twin Turbo und des LGW-Motors.

Erhebliche Entwicklungsarbeiten machten eine Kühlung des Zylinderkopfs mit einem einteiligen Kühlmantel möglich. Einteilige Kühlmäntel sind zwar relativ häufig, die auf der Innenseite angebrachten Auslassöffnungen erfordern jedoch einen einzigartigen Kühlmittelkreislauf. Zur Erreichung einer hohen Kühlmittelflussrate durch den Brückenbereich des Auslassventils wird der Großteil des Kühlmittels direkt vom Block in den Zylinderkopf unter den Auslassöffnungen geleitet, wie dies bei den meisten konventionellen Motorarchitekturen geschieht. Allerdings tritt das Kühlmittel zur Entgasung des Kühlmantels bei der Befüllung mit Kühlmittel und im Betrieb aus dem Zylinderkopf auch auf der Auslassseite des Motors aus, da es sich dabei um den höchsten Punkt im Kühlmittelkreislauf handelt. Daher ist der Kühlmittelweg so angelegt, dass der Einlass unter den Auslassöffnungen liegt und das Kühlmittel dann über die Brennkammer und nach einer 180°-Wendung über die Auslassöffnungen fließt, wo es gesammelt und zurück zum Kühler an der Vorderseite des Motors geleitet wird.
Zur Sicherstellung, dass alle Bereiche des Zylinderkopfs mit einer konventionellen Kühlmittelflussrate ausreichend gekühlt werden, wurden im Entwicklungsprozess aufwändige CFD-Entwicklungsarbeiten durchgeführt.
Ventil- und Steuertrieb: Das Ventiltriebkonzept wurde vom LGW V6 übernommen. Zur Erfüllung der Packaging-Anforderungen des 4,2 Liter Twin Turbo und zur Implementierung einer Abschaltungsstrategie von acht auf vier Zylinder wurden wesentliche Änderungen vorgenommen. Die schaltbaren Rollenschlepphebel werden über hydraulischen Druck betätigt, der über Magnetventile an den Ventildeckeln gesteuert wird. Das Entwicklungsteam hat ein Nockenwellen-Trägersystem entworfen, das gleichzeitig Reibung reduziert und Packaging-Platz für die zur Zylinderabschaltung benötigten schaltbaren Rollenschlepphebel bereitstellt. Dieser Druckgussträger ist komplex, beherbergt die Nockenwellen und die Hochdruck-Kraftstoffpumpe und stellt Schneckengetriebe-Schmiermittelwege für den Zylinderabschaltmechanismus bereit.
Ansaugsystem und Ladeluftkühlung: Zur Erreichung eines extrem straffen Ansprechverhaltens und schnellen Time-to- Torque wurde das Ansaugvolumen durch die Platzierung der Wasser-Luft-Ladeluftkühler über den Ventildeckeln minimiert. Die Ansaugkrümmer werden direkt durch die Ladeluftkühler gespeist und führen über die Ansaugnockenseite der Zylinderköpfe in die Ansaugkanäle. Dieses kompakte Packaging des Ansaugsystems in Kombination mit dem geringvolumigen Abgassystem, das durch im Tal zwischen den Zylinderbänken platzierte Turbolader erreicht wird, war zur Realisierung der Anforderungen an das Ansprechverhalten des Motors wesentlich, ohne dabei die anspruchsvollen Leistungsziele, die relativ große Turbolader erforderlich machen, zu beeinträchtigen.
Dem Design des Ansaugtrakts wurde besondere Aufmerksamkeit gewidmet. So wurde eine gute Ausnutzung der Ladeluftkühler sichergestellt, ohne dass einschränkende Komponenten wie zum Beispiel Leitbleche eingesetzt werden müssen. Aufgrund des Bankversatzes des Motors und der einzigartigen Packaging-Einschränkungen auf beiden Seiten sind die Ladeluftkühler nicht an der gleichen Position angebracht. Daher mussten zwei verschiedene Ansaugtrakte entwickelt werden, wobei beide Pfade für die Kühlernutzung unter Beibehaltung eines ähnlichen Volumens optimiert wurden. Die sich daraus ergebende Ladeluft-
kühlernutzung liegt für beide Zylinderbänke bei über 90 Prozent, wodurch eine ausgewogene Ladelufttemperatur für beide Ansaugkrümmer gewährleistet wird.
Da die Ladeluftkühler gut sichtbar oben auf dem Motor platziert sind, wurden an jedem Kühlergehäuse Stilelemente angebracht, unter anderem eine Plakette mit der Beschriftung „hand crafted with pride“ („Mit Stolz von Hand gefertigt“), die von dem Motorenbauer maßgefertigt und am rechten Ladeluftkühler angebracht wird. Bei offener Motorhaube verleihen die Kühler zusammen mit der Aluminiumabdeckung dem Motor ein beeindruckendes Erscheinungsbild.

Turboaufladung und Abgassystem: Der Motor verfügt über zwei Twin-Scroll-Turbolader, die über elektrische Wastegate-Steller gesteuert werden. Die integrierten Abgaskrümmer der Twin-Scroll-Turbolader sorgen für ein minimales Abgasvolumen. Die Turbolader sind so im Tal an der jeweiligen Zylinderbank angebracht, dass sie in Kombination mit dem zuvor angesprochenen Ansaugsystem einen extrem geringvolumigen Luftstromweg realisieren.
Obwohl der Crossplane V8 die Turbolader nicht mit gleichmäßigen Verbrennungsimpulsen versorgt, sorgen die Twin-Scroll-Turbolader gemeinsam mit dem geringvolumigen Abgassystem für ein signifikantes Einschwingverhalten und Volllastvorteile, ohne dabei klassische V8-NVH-Merkmale zu beeinträchtigen.
Durch die Platzierung von Abgaskrümmern, Turboladern und Katalysatoren im Tal zwischen den Zylinderbänken entstehen unter der Haube erhebliche thermische Herausforderungen. Bei der Entwicklung war das Thermomanagement einer der wichtigsten Punkte. Zur Erzielung einer überragenden Robustheit wurden verschiedene Strategien zur thermischen Abschirmung und zur Kühlung des Tals getestet, wobei mehrere Strategien umgesetzt wurden. Dazu gehören der direkte thermische Schutz von empfindlichen Komponenten, gezielte Luft- und Wärmestromwege sowie verschiedene Wärmeschutzbleche. Die Abgaskrümmer und die integrierten Turbinengehäuse sind durch Kontakt-Wärmeschutzbleche geschützt. Die Kontakt-Wärmeschutzbleche mit Faserisolierung und Außenhülle aus Metall bieten das beste Thermomanagement und benötigen den geringsten Packaging-Platz. Außerdem wurde der Montageablauf der Hardware im Tal durch vorherige Anbringung der Wärmeschutzbleche an Turbolader und Krümmer vereinfacht.
Kraftstoffsystem: Zur Minimierung der Feinstaubemissionen und zur Ermöglichung einer schnellen Verbrennung bei hohen Einspritzmengen wurde ein Kraftstoffsystem mit 350 bar Direkteinspritzung ausgewählt. Dieses System verfügt über zwei Einlassnockenwellen-getriebene Kraftstoffpumpen mit seitlich angebrachten Einspritzventilen außerhalb des Tals. Jede Einlassnockenwelle weist drei Nocken zum Antrieb der Pumpen auf. Es wurden ausgiebige Mehrkörperanalysen der Nockenwelle und des Antriebssystems sowie Kraftstoffdrucksimulationen für das Kraftstoffsystem durchgeführt, um einen langlebigen Betrieb und optimale Motorleistung zu gewährleisten. Die Nockenwellen mit drei Nocken weisen mit Blick auf die Programmziele ein besseres Timing der Kraftstoffpumpenimpulse zwischen den Ventilbewegungen auf, was die Spitzenlast am Steuertrieb reduziert und gleichzeitig weiterhin eine einheitliche Kraftstoffversorgung bietet.
Schmierung und Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem: Die stufenlose Flügelzellen-Ölpumpe ist das Herz des Schmiersystems. Die Pumpe wird über das Kurbelwellenende angetrieben und verfügt über ein PWN-gesteuertes Magnetventil zur Steuerung der Exzentrizität der Ölpumpe.
Das Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem verfügt über einen im Tal zwischen den Zylinderbänken montierten, zweistufigen Ölabscheider mit dedizierten Auslässen an der Rückseite des Motors für den Grobabscheider und an der Vorderseite des Motors für den Feinabscheider, von wo aus das abgeschiedene Öl wieder zur Ölwanne geleitet wird. Diese Auslässe führen unter dem Ölspiegel zur Ölwanne, wodurch verhindert wird, dass Gase aus dem Kurbelgehäuse den Abscheider kurzschließen.
Der Ölauslass des Feinabscheiders befindet sich an einer relativ seichten Stelle im vorderen Abschnitt der Ölwanne. Zur Verhinderung, dass der Auslass bei starker Beschleunigung oder in engen Kurven freigelegt wird, wurde ein zum Patent angemeldetes Design entwickelt. Bei diesem Design wurde ein lokaler Behälter rund um den Auslass konzipiert. Das Design dieses Merkmals wurde kosteneffizient umgesetzt, indem ein Bohrer für die Ölwanne genutzt wurde und mit einem weiteren Bohrer der Behälter geschaffen wird, wie in Abbildung 10 gezeigt.

Motorleistung: Der Motor weist eine in seiner Klasse führende Leistung auf, wie in den Diagrammen zu Leistung und Drehmoment zu sehen ist. Das Spitzendrehmoment von 850 Nm (627 ft lb) steht von 2.800 U/min bis 4.200 U/min zur Verfügung, wobei eine Spitzenleistung von 410 kW (550 PS) erreicht wird. Das hohe Drehmoment im unteren Drehzahlbereich zusammen mit dem breiten Spitzendrehmomentbereich bietet dem Cadillac-Besitzer das mühelose Fahrgefühl, das von Anfang an Entwicklungsziel war.
Die Drehmomentdichte des Motors ist besonders beeindruckend und entspricht der Dichte der besten Motoren auf dem Markt, selbst mit der V8-Motoren mit Crossplane-Kurbelwelle inhärenten Atmungsdynamik. Wenn das Streuband nur V8-Motoren zeigt, ist die Leistung sogar noch beeindruckender.
Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Motor die Bedürfnisse einer Hochleistungslimousine erfüllen und gleichzeitig das straffe Ansprechverhalten eines Luxusautos bieten kann. Der Motor wird eine kritische Rolle bei General Motors übernehmen, da er nur im Cadillac CT6 V, der Oberklasse-Limousine von GM, eingesetzt wird.


Von Motoren- und Antriebsstranglösungen zur Gesamtfahrzeugentwicklung
Standort Italien
Standort Italien
Vor vierzehn Jahren wurde FEV Italien gegründet, um noch näher an den lokalen Kunden zu sein und eine optimale Betreuung zu gewährleisten. Seither sind enge Partnerschaften mit italienischen Universitäten, wie beispielsweise dem Politecnico di Torino und der Università di Bologna, sowie weiteren Forschungsunternehmen entstanden. Auf dieser Grundlage wurden in Folge zwei FEV Kompetenzzentren eröffnet, in denen unter anderem Projekte in der Motorentwicklung, der Motor- und Fahrzeugkalibrierung sowie dem Benchmarking umgesetzt werden. Zuletzt eröffnete Anfang dieses Jahres das Energy Center in Turin.
Mit dem zur FEV Gruppe gehörenden italienischen Unternehmen STEA liegt ein weiterer Schwerpunkt in der Gesamtfahrzeugentwicklung. STEA erarbeitet von den italienischen Standorten Turin und Modena aus umfassende Mechanik- und Engineering-Lösungen mit Fokus auf Packaging, Ergonomie und Maßkonzeptauslegung. So ist FEV bei steigenden Nutzererwartungen an Funktionalität und Design heute in der Lage, für seine Kunden Designs für Interieur und Exterieur aus einer Hand anzubieten.
Die 160 Mitarbeiter von FEV Italien verfügen über drei dynamische Motorprüfstände zur Leistungs- und Emissionsprüfung für Motoren bis 350 kW Leistung, drei Rollenprüfstände (2- und 4-Rad 160/250 kW) und einen Antriebsstrangprüfstand (für Motor, Getriebe und Hybridantriebe).


Immer informiert und auf dem Laufenden bleiben
Engineering Newsletter Anmeldung
Engineering Newsletter Anmeldung
Melden Sie sich für unsere Engineering-E-Mail-Newsletter an und bleiben Sie informiert.

Benchmarking konkurrierender Technologiestrategien
Antriebsstrategien zur Reduzierung der CO2-Emissionen
Antriebsstrategien zur Reduzierung der CO2-Emissionen
Automobilhersteller treten immer strengeren CO2-Emissionszielen gegenüber: Die Regulierungen werden stetig verschärft und stellen eine große Herausforderung für den Zeitrahmen 2025 und darüber hinaus dar. Gleichzeitig gilt es, kosteneffiziente technische Ansätze zu finden, ohne die Erwartungen der Kunden aufs Spiel zu setzen. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, ist es sinnvoll, vielversprechende Konzepte festzulegen und deren Sensitivität gegenüber veränderten Rahmenbedingungen zu analysieren. Üblicherweise existiert mehr als nur eine optimale Lösung. In diesem Zusammenhang hat FEV Consulting ein strukturiertes und umfangreiches Toolkit entwickelt, um konkurrierende Technologiestrategien hinsichtlich ihres CO2-Einsparungspotenzials und der Kosteneffekte zu analysieren.
Der Antriebsstrang wird durch die Eigenschaften seiner wichtigsten Komponenten ausgezeichnet: dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe. Unter Berücksichtigung von Hybridisierung wird das System durch die möglichen Antriebsstrangtopologien und zusätzliche elektrische Komponenten erweitert. Neben dem Fahrverhalten und den Fahrzeugmaßnahmen hat der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs großen Einfluss auf die CO2-Emissionen. Die große Anzahl der Einflussfaktoren resultiert in verschiedenen Lösungsmöglichkeiten zur Erfüllung der geforderten Zielwerte der CO2-Emissionen. „Die vorteilhafteste Strategie hängt stark vom vorhandenen Technologieportfolio und den bestehenden Kompetenzen der Automobilhersteller ab“, sagt Dr. Michael Wittler, Manager bei FEV Consulting. Der Ansatz von FEV Consulting ergibt unter Berücksichtigung der individuellen und regionalen Umstände robuste Antriebsstrang- und Elektrifizierungsstrategien. Die Modellierung herstellerspezifischer CO2-Emissionen der Fahrzeugflotte ermöglicht es, die Zielwerte für Fahrzeugsegmente und Antriebsarten zu identifizieren. Die hieraus abgeleiteten Technologiepakete werden detailliert beschrieben und vor dem Hintergrund entstehender Zusatzkosten bewertet.
Vielfältige Antriebstechnologien – Ermittlung der optimalen Lösung
>>UMFASSENDE METHODE, UM SPEZIFISCHE ZUKUNFTSSTRATEGIEN FÜR AUTOMOBILHERSTELLER ZUR ERREICHUNG IHRER INDIVIDUELLEN ZIELE BIS 2025 ABZUSCHÄTZEN UND ZU SIMULIEREN
Für die Bewertung von Verbrennungsmotor-, Getriebe- und Fahrzeugtechnologien wird ein umfassender Ansatz angewendet. Dabei wird Expertenwissen effizient genutzt und in einem automatisierten und intuitiven Verfahren angewendet. Die Datenbasis wird stetig um neue Technologien ergänzt. Die hierbei ermittelten Ergebnisse helfen bei der Bestimmung der vorteilhaften, für den Automobilhersteller spezifischen Technologiekonfiguration. Der Ansatz ermöglicht weiterhin die Analyse und den Vergleich von Technologietrends und liefert Antworten auf Fragen in Bezug auf wechselnde Randbedingungen – beispielsweise: Ist Downsizing der richtige Ansatz, wenn der NEFZ durch den WLTP ersetzt wird?
Flottenstrategie für CO2-Emissionen – das Verstehen der Industriedynamik
Für jeden Automobilhersteller berücksichtigt FEV Consulting das segmentspezifische Portfolio sowie die wichtigsten Antriebsstrangtopologien – darunter Kraftstofftyp, Hybridisierungsgrad und Anteil reiner Elektrofahrzeuge. Ausgehend von den aktuellen Zulassungsdaten werden Prognosen für das zukünftige Fahrzeugsegmentportfolio und die Verteilung der Antriebsstrangtopologien durchgeführt. Die Verbesserungen werden auf die Antriebsstrangtypen – einschließlich Getriebe – für jedes Fahrzeugsegment angewendet. Dabei werden auch Fahrzeugmaßnahmen – wie Reduzierung der Masse und der Fahrwiderstände – in Betracht gezogen. Unter Berücksichtigung der regionalen gesetzlichen Vorschriften – beispielsweise „Eco Innovations“ oder „Super Credits“ – wird das Ergebnis der CO2-Flottenemissionen ermittelt. „Schließlich lassen sich Szenarien modellieren, so dass unterschiedliche Strategien gegeneinander bewertet werden können. Die Sensitivitätsanalyse offenbart, wie Effizienzmaßnahmen mit einem möglichst großen Hebel in der Gesamtfahrzeugflotte zur Anwendung gebracht werden können“, fasst Dr. Michael Wittler zusammen.


RIGHTSIZING STATT DOWNSIZING
Reduktion der Zylinderzahl bei Nutzfahrzeugmotoren
Reduktion der Zylinderzahl bei Nutzfahrzeugmotoren
Downsizing ist bei Pkw-Motoren eine wirkungsvolle Maßnahme, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dieser Trend kann jedoch nicht ohne weiteres von Personenkraftwagen auf Nutzfahrzeuge übertragen werden. Hier liegt der Fokus auf „Rightsizing“ mit dem Ziel, das Hubvolumen der Motoren besser an den Leistungszielwert anzupassen. Einsparungen – insbesondere mit Blick auf die Produktionskosten – können zudem durch eine Reduktion der Zylinderzahl bei gleichbleibendem Hubraum gemacht werden, wie Untersuchungen der FEV zeigen. Nutzfahrzeugmotoren müssen scharfe Abgasemissionsgrenzwerte auch unter Volllast einhalten. Zudem limitieren eine vergleichsweise niedrige Nenndrehzahl und hohe Erwartungen an die Lebensdauer die maximale spezifische Leistung. Während Pkw-Motoren bereits Werte über 70 kW pro Liter erreichen, sind schwere Nutzfahrzeugmotoren bisher über ein Maximum von etwa 35 kW pro Liter nicht hinausgekommen. „Für Nutzfahrzeug-Anwendungen wird ein Trend zum Rightsizing beobachtet“, erklärt Dr. Peter Heuser, Group Vice President Nutzfahrzeug-, Industrie- und Großmotoren. „In den letzten Jahren haben so alle größeren Nutzfahrzeughersteller Motoren in der Zehn-Liter-Klasse auf den Markt gebracht und damit die Lücke zwischen den herkömmlichen Sieben-Liter-MD und Zwölf-Liter-HD-Motoren geschlossen.“
Verringerte Zylinderzahl, gleiche Leistung, gleicher Hubraum
>>ERSETZT MAN EINEN SECHSZYLINDER DURCH EINEN VIERZYLINDER MIT 1,5-MAL GRÖSSEREM EINZYLINDERHUBVOLUMEN, WERDEN PRODUKTIONSKOSTEN, BAURAUM UND GEWICHT GESENKT – BEI GLEICHZEITIG BESSEREM WIRKUNGSGRAD
Untersuchungen bei FEV zeigen, dass sich die Produktionskosten eines Motors mit vorgegebener Leistung wirkungsvoll senken lassen, indem die Zylinderzahl reduziert und das Hubvolumen der verbleibenden Zylinder entsprechend erhöht wird. Dies kann erreicht werden, indem ein Motor mit sechs Zylindern durch einen Vierzylinder mit einem 1,5-fachen Einzelzylinderhubvolumen ersetzt wird.
Neben den Kosten werden der benötigte Bauraum und das Gewicht reduziert bei gleichzeitig besserem Wirkungsgrad. Die Verschlechterung des NVH-Verhaltens aufgrund des größeren Zündabstandes und der freien Massenkräfte zweiter Ordnung kann nahezu vollständig mit einem Zweimassenschwungrad und Massenausgleichswellen kompensiert werden. Diese zusätzlichen Komponenten wurden bei der Bewertung hinsichtlich Kosten, Größe, Gewicht und Kraftstoffverbrauch berücksichtigt.
Kostenersparnis durch Modularität
Vierzylindermotoren mit einem für HD-Motoren üblichen Zylinderhubvolumen von etwa zwei Litern eröffnen nicht nur das Kostenpotenzial der Zylinderzahlreduzierung. Dadurch dass ein großer Leistungsbereich mit einem gemeinsamen Bohrungsdurchmesser abgedeckt werden kann, werden die Modularität und der Gleichteileumfang einer ganzen Motorenfamilie verbessert.
