Motor-Modularität: Optimierung von Motorplattformen und Anpassung an globale Märkte

Motoren- und Fahrzeug-Hersteller stehen vor einer schwierigen Frage: Wie lässt sich die Motorenplattform rationalisieren und gleichzeitig an die globalen Märkte mit ihren jeweiligen Abgasnormen und Leistungsanforderungen anpassen?

In den letzten Jahren hat sich der Markt zunehmend konsolidiert z. B. durch Partnerschaften zwischen Daimler und Cummins für die Lieferung von mittelschweren Motoren, das Brennstoffzellen-Joint-Venture von Daimler und Volvo sowie den Zusammenschluss von Traton und Navistar.

Um mehr Flexibilität zu bieten, haben die Ingenieure von Jacobs Vehicle Systems im Sinne der „Zukunftssicherheit“ modulare Technologien im Motor entwickelt, die eine Anpassung der Motorenplattformen an unterschiedliche globale Märkte ermöglichen.

„Wir schaffen einen modularen Ventiltrieb. Einen Ventiltrieb, der so vielseitig ist wie ein Schweizer Taschenmesser. Einen Ventiltrieb, der einen Motor abbremsen und einen Zylinder deaktivieren kann. Einen Ventiltrieb, der ein spätes Schließen des Einlassventils ermöglicht, um Kraftstoff zu sparen und der Start-Stopp-Zyklen durch die Dekompressions-Technologie unterstützt. Es geht um einen modularen Ventiltrieb, der sämtliche Anforderungen der OEM im Hinblick auf die in den nächsten 10 Jahren immer strenger werdenden Emissionsvorschriften erfüllen kann." Gabe Roberts, Director, Product Development, Jacobs Vehicle Systems.

Motorbremsen – Hoch- und Herunterskalieren

Mit der Weiterentwicklung der Nutzfahrzeugindustrie entwickelt sich auch die Jacobs Engine Brake® weiter. Seit über 60 Jahren entwickelt, konstruiert und produziert Jacobs Motorbremsen für die meisten Fahrzeughersteller der Welt. Die Technologie hat sich stetig weiterentwickelt, um die sehr spezifischen Anforderungen der einzelnen Märkte wie z. B. den USA, Europa, China und Indien zu erfüllen. Die Dekompressionsmotorbremse ist mittlerweile der Standard in der Heavy-Duty-Industrie und wird nicht nur in Nutzfahrzeugen, sondern auch in landwirtschaftlichen und anderen Off-Road Anwendungen eingesetzt.

Angesichts der zunehmenden Globalisierung unserer Kunden, die ihre Motorenplattformen weltweit einsetzen und diese lediglich in Bezug auf Abgastechnologie und allgemeine Leistungsdaten an den jeweiligen Markt anpassen, suchen die OEM nach Flexibilität bei den bereitgestellten Technologien.

Up- und Downscaling sollten die Basis-Elemente des Motors nur minimal beeinflussen. Als Antwort auf diesen Trend liefert Jacobs „zukunftssichere" Ventiltriebdesigns bereits zu Beginn der Motorentwicklung. Das bedeutet, dass mit derselben Hardware verschiedene Technologieschritte realisiert werden können: a href="/technologies/compression-release-engine-brake">Standard-Dekompressionsmotorbremsen für Märkte, die nur diese Funktion benötigen, oder die Hochskalierung auf die High Power Density (HPD) Motorbremse für Märkte oder Anwendungen, die mehr Leistung benötigen oder den gesamten Antriebsstrang durch Eliminierung des Retarders optimieren möchten. Jacobs wird auch in Zukunft dafür sorgen, dass diese Schritte einfach zu integrieren sind, damit der Entwicklungs- und Validierungsaufwand auf ein Minimum reduziert werden.

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Emissionen: Immer strengere Vorschriften einhalten

Um Erstausrüster bei der Einhaltung unterschiedlichster Emissionsvorschriften zu unterstützen, haben die Ingenieure von Jacobs daran gearbeitet, diese Problematik innerhalb des Motors mit einem modularen Technologieansatz zu lösen.

Tatsächlich nutzen viele der emissionsbezogenen Entwicklungen von Jacobs unsere bewährte Motorbremstechnologie und werden lediglich auf eine andere Weise angewendet, um Emissionstechnologien innerhalb des Ventiltriebs anzubieten.

Ein Beispiel dafür ist die Zylinderdeaktivierung (Cylinder Deactivation - CDA). Sie nutzt die gleiche klappbare Ventilbrücken-Hardware, die auch für HPD verwendet wird. Nach der gleichen Logik ermöglicht CDA die Deaktivierung mehrerer Zylinder bei geringer Motorlast. Dadurch kann ein Sechs-Zylinder-Motor effektiv als Drei-Zylinder-Motor (oder weniger) betrieben werden, was den Kraftstoffverbrauch und die NOx-Emissionen senkt. Die CDA-Technologie wird voraussichtlich in den kommenden US-Abgasvorschriften eine wichtige Rolle bei der NOx-Reduzierung spielen und ist Teil der "Get it hot, Keep It Hot”-Nachbehandlungsstrategie von Jacobs.

Während die nordamerikanischen Richtlinien in erster Linie eine Verringerung der Stickoxide bezwecken, steht in Europa die CO2-Reduzierung bei den zukünftigen Emissionsvorschriften im Vordergrund. Der Grund für diese Unterschiede liegt in den Duty-Cycle-Standards, die in beiden Märkten unabhängig voneinander entwickelt wurden. Dies stellt die OEM vor eine große Herausforderung: Wie kann eine Technologie, die beide Richtlinien erfüllt, in derselben globalen Motorenplattform untergebracht werden?

Jacobs' Lösung für dieses Problem ist ein modulares System. Late Intake Valve Closing (LIVC) oder variable Ventilsteuerung (Variable Valve Actuation - VVA) Seite können ebenfalls in denselben Ventiltrieb integriert werden. VVA ist Teil der „Get It Hot”-Strategie von Jacobs und ermöglicht eine Vereinfachung der dem Motor nachgeschalteten Nachbehandlungssysteme.

Kurz gesagt: Ob der Motor mithilfe von CDA bezüglich NOx optimiert werden soll oder ob die CO2 Emissionen mithilfe von VVA gesenkt werden sollen, beide Verfahren werden von den Jacobs Ingenieuren bereits zu Beginn der Motorentwicklung konzipiert.

Eine weitere Technologie, die innerhalb des Ventiltriebs kombinierbar ist, ist die Active Decompression Technology (ADT), die auf Start-Stopp-Anwendungen ausgerichtet ist. Diese Technologie stößt nicht nur bei Schwerlastfahrzeugen (auch im Non-Road-Bereich) auf Interesse, sondern auch bei mittelschweren und leichten Nutzfahrzeugen, wo sie eine höhere Elektrifizierung des Antriebsstrangs ermöglicht.

OEM Off-Highway

Forderung nach Kraftstoffeinsparung

OEM betrachten das Fahrzeugsystem zunehmend ganzheitlich, wenn es um die weitere Senkung des Kraftstoffverbrauchs geht. Das ist wichtig, da alle Komponenten miteinanderarbeiten. Wenn ein Bauteil übersehen wird, kann dies zu Lasten weiterer Optimierungen gehen, die von diesem Bauteil abhängen. Der Motor ist nur ein Teil dieses Systems, ebenso wie das Nachbehandlungssystem, das Getriebe, die Achsen usw. Wenn es darum geht, jeden noch so kleinen Tropfen Treibstoff zu sparen, muss man das Zusammenspiel des kompletten Systems im Blick haben.

Jacobs verfolgt einen Systemansatz. Wenn wir unsere modularen Technologien entwerfen, sorgen wir dafür, dass wir genau wissen, wie sie mit den anderen zusammenarbeiten und was nach der Jacobs-Technologie getan werden kann, um sie noch besser zu machen.

Der Schwerpunkt der meisten oben beschriebenen Technologien liegt auf den Emissionen, die aus dem Auspuff kommen, und sie bieten bis zu einem gewissen Grad auch Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch. CDA ist das beste Beispiel dafür, aber auch ADT kann bei richtiger Anwendung zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führen.

Doch das ist noch nicht alles. Aus der Systemperspektive ist die Senkung der Reibung innerhalb des Motors ein vieldiskutiertes Thema, und ein Weg, dies zu erreichen ist die Spezifikation von Motorölen mit niedriger Viskosität. Das klingt zunächst ganz einfach, aber da Motoröl das wichtigste Mittel für die Betätigung des Ventiltriebs ist, müssen Zulieferer wie Jacobs sicherstellen, dass die Funktion, Leistung und Lebensdauer dieser Technologie nicht beeinträchtigt werden.

Dank unserer firmeneigenen Solenoid-Entwicklungen und unserer modernen Simulations- und Testmöglichkeiten stellt Jacobs sicher, dass wir diesen Anforderungen gerecht werden. Da sich alle Jacobs-Technologien auf den Ventiltrieb konzentrieren, sind auch weitere Optimierungen bzw. Gewichtseinsparungen am Fahrzeug möglich (ein weiteres Element des "Gesamtsystems"), was eine weitere Kraftstoffeinsparung zur Folge hat.

Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Leistung des Ventiltriebs während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs unverändert bleibt: Jegliche Verschlechterung aufgrund von Teileverschleiß, die sich negativ auf die Emissionswerte oder den Kraftstoffverbrauch auswirkt, muss minimiert werden.

Die Jacobs Hydrostößel-Technologie ist ein gutes Beispiel dafür. Bei dieser Technologie, die bei Pkws bereits gängig ist, entfällt das Einstellen des Ventilspiels durch die Einführung von hydraulischen Hydrostößeln (Hydraulic Lash Adjusters - HLAs). Der Vorteil eines solchen Systems ist ein sehr gleichmäßiger Motorbetrieb, und zwar über die gesamte Lebensdauer. Bisher konnten herkömmliche Motorbremsen nicht zusammen mit Hydrostößeln eingesetzt werden, aber die neue Fulcrum-Bridge-Technologie von Jacobs macht jetzt konventionelle Motorbremsen mit Hydrostößeln für schwere und mittelschwere Fahrzeuge kompatibel.

Fuel Pouring