Juni 2007 RF 70406-d Kl Der automobile Antrieb der Zukunft weniger Emissionen, alternative Antriebe und regenerative Kraftstoffe Dr. Rolf Leonhard Bereichsvorstand Entwicklung Diesel Systems der Robert Bosch GmbH Vortrag zum 58. Internationalen Motorpressekolloquium Juni 2007 in Boxberg Robert Bosch GmbH Postfach 10 60 50 70049 Stuttgart Corporate Communications E-Mail Thomas.Knoll@bosch.com Telefon: +49 711 811-7088 Telefax: +49 711 811-7656 Leitung: Uta-Micaela Dürig Presse-Forum: www.bosch-presse.de
Meine sehr geehrten Damen und Herren, wie sieht der Antrieb für Automobile zukünftig aus in fünf, in zehn und in 20 Jahren? Die Antworten darauf sind für Bosch von elementarer Bedeutung. Seit mehr als 100 Jahren begleiten wir die Automobilentwicklung maßgeblich mit. Daraus ist uns großes Expertenwissen erwachsen. 62 Prozent des Umsatzes der Bosch-Gruppe erzielten wir 2006 mit Kraftfahrzeugtechnik. Und dementsprechend hoch investieren wir auch in Forschung und Entwicklung für die Antriebstechnik der Zukunft. Erst jüngst erreichte die öffentliche Diskussion um den Klimawandel einen Höhepunkt. Die Themen sind CO2-Emissionen, Klima-, Umweltschutz oder schwindende Vorräte fossiler Energieträger und im Brennpunkt steht dabei die Rolle des Automobils. Bosch beschäftigt sich bereits seit langem mit diesen jetzt aktuellen Fragen. Wir haben heute bereits Lösungen für anstehende Aufgaben und wir konzentrieren große Kräfte darauf, Antworten auf ungelöste Fragen zu finden. Der Verbrennungsmotor hat noch viel Entwicklungspotenzial Wir folgen dem Ideal der schadstofffreien Mobilität. Trotzdem wissen wir heute schon: In 20 Jahren wird der Verbrennungsmotor für das Auto noch immer der Antrieb der ersten Wahl sein. Denn er hat noch viel Entwicklungspotenzial. Der wesentliche Unterschied aber: Neben Benzin und Diesel als Kraftstoff wird es mehrere Alternativen geben. Und auch alternative Antriebe werden sich zunehmend in kleineren Marktsegmenten durchsetzen. Wie sieht also unser Fahrplan der nächsten 20 Jahre aus? Wir arbeiten an der Evolution auf vier Wegen: 2
Unsere Entwickler erschließen die längst noch nicht ausgeschöpften Potenziale des Verbrennungsmotors. Das gilt gleichermaßen beim Dieselmotor wie beim Ottomotor. Neue Techniken für den Verbrennungsmotor sind die Basis, um alternative Kraftstoffe nutzen zu können. Sie werden synthetisch oder aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt. Auf diesem Gebiet ziehen alle Beteiligten an einem Strang: wir als Zulieferer, die Motorenentwickler, die Mineralölindustrie. Mit Hybridkonzepten und intelligenter Technik rund um den Triebstrang werden das Auto und der Verbrennungsmotor immer sauberer und sparsamer. Nach vielen Entwicklungsschritten mit Übergangstechnologien sehen wir in Nischensegmenten alternativ zum Verbrennungsmotor wachsende Chancen für den elektrischen Antrieb mit einer Brennstoffzelle als Energiewandler. Dieseltechnik reif für die Märkte der USA und Asiens Wo setzen wir nun den Hebel an, um das Potenzial zu heben? Schauen wir zunächst auf den Verbrennungsmotor und hier auf den Diesel: Moderne Selbstzünder mit Direkteinspritzung verbrauchen gut 30 Prozent weniger Kraftstoff als vergleichbare konventionelle Benzinmotoren mit Saugrohreinspritzung. Die CO2-Emissionen liegen dabei rund 25 Prozent niedriger. Der Diesel ist also mit seiner Energieeffizienz ein umweltfreundlicher Automobilantrieb. Deswegen werden wir alles tun, um dem Diesel zusätzlich zu den Erfolgen in Europa auch in Nordamerika und Asien zum Durchbruch zu verhelfen. Das Thema Dieselpartikel hat die Automobilindustrie heute im Griff. Zum einen reduzieren wir mit optimierter Einspritztechnik 3
die Rohemissionen des Motors also vor der Nachbehandlung im Abgasstrang. Zum anderen senkt der zusätzliche Dieselpartikelfilter die Rußemissionen soweit, dass auch künftige schärfere Emissionsgrenzen erreichbar sind. Von 2009 an werden wir in unserem Produktportfolio eine neue Generation der Dieselpartikelfilter haben. Dann sind wir der Zulieferer mit Dieseltechnik und entsprechender Abgasnachbehandlung aus einer Hand beides optimal aufeinander abgestimmt. Eine Entwicklungsaufgabe sind für uns die Stickoxid- oder NOx- Emissionen. In den USA sind die NOx-Grenzwerte bereits heute sehr streng. Und mit den von diesem Jahr an wirksamen Verschärfung von BIN 8 auf BIN 5 wächst die Herausforderung für unsere Entwickler: Statt 200 Milligramm Stickoxide pro Meile sind dann nur noch 70 Milligramm erlaubt. Auf einen Kilometer umgerechnet sind das rund 124 Milligramm beziehungsweise rund 43 Milligramm. Auch in Europa sinken die zulässigen NOx-Grenzwerte, und zwar schrittweise: zunächst mit der von 2009 an gültigen Euro-5- Norm von heute 250 Milligramm pro Kilometer auf 180 Milligramm. Mit Euro 6 werden von 2014 an nur noch 80 Milligramm erlaubt sein. Der heutige Grenzwert wird also um 70 Prozent reduziert auf ein Prozent dessen, was noch vor 30 Jahren erlaubt war. Technische Lösungen für anspruchsvolle Abgaslimits Für unsere Entwickler ist es jetzt schon absehbar: Selbst für diese anspruchsvollen Grenzwerte werden wir zum richtigen Zeitpunkt die notwendigen technische Lösungen parat haben. Das gelingt uns über gezielte innermotorische Maßnahmen, die das Brennverfahren weiter optimieren, insbesondere durch 4
höhere Ladedrücke des Turboladers bei gleichzeitig höheren Abgasrückführraten in der Teillast, mehr als 500 bar höhere Einspritzdrücke in der Teillast und einen noch flexibleren Einspritzverlauf mit bis zu acht Einspritzungen pro Arbeitstakt. Diese technischen Lösungen haben sich bei Nutzfahrzeugmotoren bereits hervorragend bewährt. Sie senken sowohl die NOxals auch die Partikelemissionen über alle Lastzustände deutlich ab. Wir werden diese Stärken auch auf den Pkw-Diesel übertragen. Bereits heute erschließen wir mit neuen Techniken weitere Einsparpotenziale. Die Entwickler können nun ihre Motoren kleiner bauen, ohne auf Leistung und Drehmoment verzichten zu müssen. Sie sprechen dabei vom Downsizing. Weniger Hubraum, weniger Zylinder sorgen für geringere Reibungsverluste und somit für einen besseren Wirkungsgrad. Bei gleichem Drehmoment ergeben 25 Prozent weniger Hubraum rund zehn Prozent weniger Kraftstoffverbrauch. Und weniger Verbrauch sorgt für weniger CO2. Wir tragen mit zwei Innovationen maßgeblich zu dieser Entwicklung bei: zum einen mit Piezo-Injektoren für Einspritzdrücke bis 2 000 bar. Zum anderen bieten wir optimierte Magnetventil- Injektoren an. Sie sind ähnlich leistungsfähig wie Piezo-Injektoren und konzeptionell sogar für Einspritzdrücke von mehr als 2 000 bar geeignet. In diesen Druckbereich oberhalb von 2 000 bar stößt unsere neue Common-Rail-Pumpe Bosch CP4 vor. Eine Version mit einem Druck bis 1 800 bar fertigen wir seit 2006 in Serie. Die 5
2000-bar-Variante werden wir in diesem Jahr auf den Markt bringen. Diese Pumpe ist auf höchste hydraulische Wirkungsgrade ausgelegt. Sie unterstützt Brennverfahren mit sehr hohen Einspritzdrücken bereits bei mittleren Drehzahlen und Lasten. Viele Diesel-Pkw mit dieser Einspritztechnik werden von 2014 an die Euro-6-Grenzwerte auch ohne NOx-Abgasnachbehandlung einhalten können. Für schwerere Automobile sowie für die noch strengeren US-Grenzwerte ist eine NOx-Abgasnachbehandlung jedoch unverzichtbar. Deshalb arbeiten wir beim Diesel genauso intensiv an der Weiterentwicklung der Einspritzsysteme wie an Systemen und Komponenten zur Abgasnachbehandlung. Die Denoxtronic für die Stickoxid-Reduktion Dabei nutzen wir unser Know-how auf dem Nutzfahrzeugsektor. Dort hat sich die 2004 eingeführte Bosch-Denoxtronic zur Stickoxid-Reduktion bestens bewährt. Dieses System spritzt flüssigen Harnstoff besser als Adblue bekannt in den Abgasstrang ein. Im nachfolgenden SCR-Katalysator Selective Catalytic Reduction reagiert das Adblue mit den Stickoxiden im Abgas zu harmlosem Wasserdampf und Stickstoff. Mit diesem System erreichen die Nutzfahrzeughersteller zurzeit NOx-Konvertierungsraten von mehr als 80 Prozent. Alternativ zum NOx-Speicherkatalysator passen wir derzeit die Denoxtronic-Technik an die Erfordernisse des Pkw an. Dieses neue System wird dann im nächsten Jahr in den USA erstmals auf den Markt kommen, wenn Audi, BMW, Mercedes und Volkswagen ihre Clean-Diesel-Fahrzeuge mit Denoxtronic von Bosch dort einführen. Für zukünftige Dieselmotoren hat Bosch noch eine weitere Neuerung in der Pipeline: Als Alternative zu heutigen Partikelfiltern 6
aus Siliziumcarbid entwickeln wir in Zusammenarbeit mit Denso einen Filter aus der leichter zu bearbeitenden Cordierit-Keramik. Dieses Material hat sich bereits in Katalysatoren bewährt und hat Vorteile. Mit unserem Filter sinkt der unvermeidbare Kraftstoff-Mehrverbrauch und nicht zuletzt ist der Filter zu günstigeren Kosten herzustellen. Wir entwickeln die neue Filtergeneration für einen Serieneinsatz von 2009 an rechtzeitig zur erwarteten steigenden Nachfrage durch die verschärften Abgaslimits. Meine Damen und Herren, der Diesel liefert auch zukünftig einen wichtigen Beitrag zur Senkung der verkehrsbedingten CO2-Emissionen. Mit unseren neuen Diesel-Techniken lassen sich selbst die schärfsten Abgaslimits erfüllen. Ottomotoren liefern ebenso wichtige Beiträge. Auch hier ist die Direkteinspritzung die Schlüsseltechnik, um Kraftstoffverbrauch und CO2-Ausstoß weiter zu senken. Der Benziner lernt vom Diesel Erste direkt einspritzende Benzinmotoren mit Schichtladung und wandgeführter magerer Verbrennung brachten Automobilhersteller bereits vor zehn Jahren auf den Markt. Den Durchbruch erlangte die Direkteinspritztechnik aber erst in Kombination mit der Turboaufladung, die 2004 erstmals in Serie ging. Motoren nach diesem Konzept produzieren schon bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente von 150 bis 200 Newtonmeter pro Liter Hubraum und verbinden so die gewünschte Fahrdynamik mit wesentlich reduziertem Kraftstoffverbrauch. Die Motoren arbeiten mit homogener Verbrennung und brauchen deshalb keine NOx-Speicherkatalysatoren. Die technische Basis dazu lieferten wir mit der zweiten Generation unserer Benzin-Direkteinspritzung DI-Motronic. Für Moto- 7
renentwickler flexibel gestaltbare Mehrloch-Einspritzventile, der auf 150 bar erhöhte Einspritzdruck und die kompakte Einzylinder-Hochdruckpumpe sind wesentliche Merkmale des Systems. Benzindirekteinspritzung als Basis für Downsizing Mit unserer Direkteinspritzung der zweiten Generation, der DI- Motronic, haben wir eine Lösung entwickelt, um gerade bei niedrigen Drehzahlen mehr Frischluft in den Zylinder zu bringen und dadurch mehr Drehmoment zu erzeugen: das so genannte Scavenging. Die DI-Motronic steuert dabei die Öffnung der Einund Auslassventile so, dass sie für einen Moment gleichzeitig geöffnet sind: Es entsteht im Brennraum ein Durchzug und damit eine bessere Zylinderfüllung mit Frischluft. Erst nachdem die DI-Motronic die Ventile wieder geschlossen hat, wird der Kraftstoff direkt eingespritzt. Kein Kraftstoff gelangt in den Abgastrakt, die Schadstoffemissionen sinken. In Verbindung mit einem reduzierten Hubraum bringt diese Technik zehn bis zwölf Prozent weniger CO2-Emissionen. Die neuen Benziner unterschreiten selbst die strengsten US- Emissionsgrenzwerte für Super Ultra Low Emission Vehicles. Sie bringen aber auch die erwünschte Verbrauchseinsparung. Deshalb sehen wir in den USA große Chancen für die Benzindirekteinspritzung und gute Zuwachsraten. Hatte 2006 die Benzindirekteinspritzung am Nafta-Markt noch einen Anteil von weniger als ein Prozent, so rechnen wir für 2015 mit mehr als 10 Prozent. Zeitgleich mit dem 150-bar-Mehrloch-Einspritzventil präsentierten wir 2006 als erster Zulieferer im Mercedes CLS 350 CGI ein 200-bar-Piezo-Einspritzventil mit nach außen öffnender Düse. Dieses Einspritzventil erschließt den Motorenherstellern das neuartige, strahlgeführte Brennverfahren mit Ladungsschich- 8
tung im Teillastbereich. Gegenüber konventionellen Saugrohreinspritzern bringt es rund 15 Prozent weniger Verbrauch und CO2-Emissionen. Die Piezo-Technik ist aber aufwändig. Deshalb arbeiten unsere Ingenieure bereits an einer anderen Lösung. Ziel ist es, das strahlgeführte Brennverfahren sowie einen Flexfuel-Betrieb also den wechselweisen Betrieb mit Benzin, Alkohol oder Erdgas auch mit einem magnetventilgesteuerten Mehrloch-Einspritzventil zu realisieren. Meine Damen und Herren, mit Alternativen zu den herkömmlichen Kraftstoffen werden wir die Abhängigkeit von Rohöl-Importen reduzieren, diese Vorräte schonen und gleichzeitig die CO2-Bilanz verbessern. Aber nur dann, wenn wir die gesamte Bereitstellungskette von der Kraftstoffproduktion bis zum Betrieb im Fahrzeug Well-to-Wheel, von der Quelle bis zum Rad gleichermaßen berücksichtigen. Nutzen wir beispielsweise Erdgas als Rohstoff, ergibt sich ein CO2-Sparpotenzial bis zu 25 Prozent. Alternativen zu Benzin und Diesel reduzieren CO2-Emissionen Noch bessere Werte erzielen wir mit Biokraftstoffen. Mit Biokraftstoffen der ersten Generation, bei denen nur die Pflanzenfrucht verwertet wird, erreichen wir schon bis zu 70 Prozent CO2-Reduktion. Bis zu 90 Prozent CO2-Vorteil sind es bei Biokraftstoffen der zweiten Generation. Bei denen wird die gesamte Pflanze zu Biokraftstoff, zu Ethanol oder synthetischem Biodiesel verarbeitet. Wir haben bereits für viele der alternativen Kraftstoffe komplette Einspritztechniken sei es für Compressed Natural Gas (CNG) oder für Benzin mit hohem Ethanolanteil, etwa E85 oder Flexfuel. In Brasilien werden schon heute in großem Umfang Pkw mit unserer Flexfuel-Einspritztechnik verkauft. Sie 9
laufen sowohl mit Benzin als auch mit Ethanol. In Europa hingegen mischt man dem mineralischen Diesel in wachsenden Anteilen Biodiesel und aus Erdgas gewonnenen synthetischen Diesel zu oder aber bei Benzin den Biokraftstoff Ethanol. Das senkt die CO2-Emissionen nicht nur bei Neufahrzeugen mit entsprechend modifizierter Technik, sondern auch beim bereits existierenden Fahrzeugbestand. Gesteuerte Nebenaggregate sorgen für Energieeffizienz Eine wesentliche Veränderung wird der Triebstrang bei den elektrischen Nebenaggregaten erfahren. Hier verfolgen wir mit unseren Entwicklern jeden Prozentpunkt an Effektivitätsgewinn, der sich wirtschaftlich erreichen lässt. Beispielsweise unser neues Start/Stopp-System. Es schaltet den Verbrennungsmotor bei Fahrzeugstillstand im Stau oder an der roten Ampel ab. Sobald der Fahrer die Kupplung tritt, um den Gang wieder einzulegen, startet das System automatisch den Motor. Die Elektronik sorgt dafür, dass der Fahrer ohne Komforteinbußen Sprit spart und die CO2-Emissionen reduziert. Je nach Fahrzeug sind das im Stadtverkehr bis zu acht Prozent Einsparung. Im neuen 1er BMW kommt das System erstmalig zum Einsatz. Auch den Wirkungsgrad des Generators, der Lichtmaschine, haben die Entwickler im Fokus. Mit einem entsprechend optimierten Generator von Bosch lassen sich ein bis zwei Prozent Verbrauch gewinnen. Durch intelligenten Eingriff in die Generatorregelung nutzen wir beim Bremsen einen Teil der Energie für die Batterieladung. Zwei bis drei Prozent Verbrauchs- und CO2- Vorteil sind damit zu gewinnen. 10
Hybrid-Konzepte maßgeschneidert für Verkehr in Metropolen Ein viel größeres Potenzial an CO2-Reduktion heben wir mit unseren Hybridkonzepten. Gut 25 Prozent sind mit einem Benzinhybrid einzusparen, 40 Prozent sind es mit einem Dieselhybrid im Vergleich zum konventionellen Benzinmotor. Der Einsparerfolg der Konzepte hängt von verschiedenen Faktoren ab. Maßgeblich sind die installierte elektrische Antriebsleistung, die Ausführungsart parallel oder leistungsverzweigt sowie und das muss besonders herausgehoben werden die Effizienz des Verbrennungsmotors. Entscheidend für den Erfolg dieser Konzepte ist die Akzeptanz der Autokäufer. Hier hat der Strong Hybrid am meisten zu bieten. Der elektrische Antrieb hat ausreichend Leistung, um über kurze Strecken rein elektrisch zu fahren und überzeugt durch kraftvolle Unterstützung des Verbrennungsmotors für den zügigen Stop&Go-Verkehr in den Metropolen. Bosch beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit elektrischen Antrieben. Deshalb sehen wir uns mit System- und Komponentenlösungen gut aufgestellt. Voraussichtlich noch im nächsten Jahr liefern wir die Hybridtechnik für den ersten Einsatz in Fahrzeugen von Volkswagen, Audi und Porsche. Am weitesten reicht unsere Prognose mit dem Ausblick auf die automobile Brennstoffzelle als Energiewandler. Mit regenerativ hergestelltem Wasserstoff als Kraftstoff und Elektromotoren für elektrischen Antrieb kämen wir der Vision vom schadstofffreien Automobilantrieb am nächsten. Hoch erscheinen unseren Entwicklern heute aber noch die technologischen Hürden bei der Wasserstoff-Wirtschaft, bei der Lebenserwartung für Brennstoffzellen oder der Speicherung von Wasserstoff. So wird die 11
Brennstoffzelle über die nächsten 20 Jahre lediglich für kleine Marktnischen den Verbrennungsmotor in seinen vielen Varianten ersetzen können. Doch unsere Entwickler arbeiten auch an diesem Thema und liefern bereits Komponenten für Prototypen von Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Meine Damen und Herren, mit diesem Portfolio an bereits verfügbaren Techniken rund um den Triebstrang und allen Entwicklungsprojekten zur Optimierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Reduktion sind wir auf die zukünftigen Entwicklungen der Automobilmärkte gut vorbereitet. Der Verbrennungsmotor mit verbesserten Direkteinspritzsystemen bleibt für die nächsten 20 Jahre der dominierende Antrieb für Automobile. Die Automobilhersteller und ihre Zulieferer werden große Anstrengungen darauf verwenden, die Energieeffizienz des Triebstrangs weiter zu steigern und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Mit den nächsten technischen Entwicklungsschritten wird es der Automobilindustrie gelingen, die absehbare Verschärfung der Abgas-Grenzwerte zu meistern. Alternative Antriebe wie der Hybrid werden bei bestimmten Fahrprofilen zur CO2-Reduktion wesentlich beitragen. Zusätzlich schaffen wir die technischen Voraussetzungen für Verbrennungsmotoren, um alternative Kraftstoffe, insbesondere Biokraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen nutzen zu können, die die CO2- Bilanz verbessern. Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit! 12