Hocheffizientes Aufladesystem - Bertrandt
Hocheffizientes Aufladesystem - Bertrandt
Hocheffizientes Aufladesystem - Bertrandt
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<strong>Hocheffizientes</strong> <strong>Aufladesystem</strong><br />
Handtmann entwickelt neuen Spirallader
Neue Spirallader-Generation<br />
<strong>Hocheffizientes</strong> <strong>Aufladesystem</strong><br />
Handtmann entwickelt neuen Spirallader<br />
September 2012<br />
Zusammenfassung<br />
Schon in den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden Spirallader<br />
zur Aufladung und Leistungssteigerung von Ottomotoren eingesetzt.<br />
Die Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG aus Biberach<br />
hat dieses System neu aufgegriffen und komplett überarbeitet.<br />
Der Verdränger des Handtmann Spiralladers (HSL ® ) wurde völlig neu<br />
entwickelt und einspiralig und stabiler ausgeführt. Deutlich erhöhte<br />
Lagersteifigkeit eliminiert in Summe alle problematischen Systemresonanzen<br />
der Exzenterwelle. Trotz der einspiraligen Ausführung lässt<br />
sich eine zum historischen Vorbild vergleichbare Leistungsdichte darstellen.<br />
Die einspiralige Ausführung hat außerdem zum Vorteil, dass<br />
sich das Verhältnis zwischen Kammervolumen und Dichtspalt um etwa<br />
35 Prozent verbessert. Der volumetrische Wirkungsgrad steigt bei<br />
niedrigen Drehzahlen deutlich. Neue Legierungen und Beschichtungssysteme<br />
erhöhen Wärmebeständigkeit und Verschleißfestigkeit.<br />
Aufwändige Motorprozess-Simulationen des Projektpartners <strong>Bertrandt</strong><br />
haben Wirkungsgradvorteile des Gesamtsystems Motor/HSL im Vergleich<br />
zu anderen Aufladungskonzepten bestätigt. Diese wurden, wie<br />
die Dauerhaltbarkeit des Systems, auf Motorenprüfständen nachgewiesen.<br />
Insbesondere in den Kennfeldbereichen niedriger und mittlerer<br />
Last und kleinen Motordrehzahlen ist der Wirkungsgrad mittels<br />
HSL aufgeladener Motoren in der Leistungsklasse bis zu 180 kW sehr<br />
hoch. Diese Lastbereiche werden insbesondere im NEFZ-Zyklus angefahren.<br />
Zusätzlich wird ein höheres Low End Torque erreicht, was<br />
Dynamik und Fahrbarkeit mit kleinen Motordrehzahlen signifikant verbessert.<br />
Umfangreiche Prototypen-Fahrten auf der Straße, inzwischen<br />
über 80.000 km, haben diese Erkenntnisse bestätigt.<br />
Weitere Vorteile – wie etwa geringes Massenträgheitsmoment, einfache<br />
Integration in die vorhandene Riemenebene, Schaltbarkeit durch<br />
Kupplung, präzises Fertigungskonzept – sichern dem HSL ausgezeichnete<br />
Zukunftsaussichten als innovative Aufladungstechnik für<br />
zukünftige Verbrennungsmotoren. Durch seine Wirkungsgrad-<br />
Charakteristik und die technische Umsetzung eignet sich der HSL<br />
auch für zweistufige Aufladekonzepte bei Ottomotoren. Ein weiteres<br />
Einsatzgebiet eröffnet sich bei hubraumkleinen Dieselmotoren, die<br />
nicht leistungs-, sondern emissionsorientiert ausgelegt sind.<br />
2
Neue Spirallader-Generation<br />
Inhalt<br />
2 Zusammenfassung<br />
4 Historische Entwicklung<br />
4 Konstruktion und Fertigung<br />
5 Praxisvorteile<br />
7 Simulationsgestützte Potenzialbewertung<br />
8 Simulationsgestützte Zyklusbewertung<br />
10 Prüfstandsergebnisse<br />
11 Einsatzgebiete<br />
11 Ausblick<br />
11 Fazit<br />
12 Literaturhinweise<br />
12 Kontakt<br />
13 Unternehmensportrait Handtmann Firmengruppe<br />
15 Unternehmensportrait <strong>Bertrandt</strong> AG<br />
3
Neue Spirallader-Generation<br />
Die Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG aus Biberach hat<br />
das System des Spiralladers zur Aufladung und Leistungssteigerung<br />
von Ottomotoren neu aufgegriffen und komplett überarbeitet.<br />
Aufwändige Motorprozess-Simulationen des Projektpartners<br />
<strong>Bertrandt</strong> haben im Vergleich zu anderen Laderkonzepten Vorteile<br />
des Spiralladers nachgewiesen. Resultierend präsentiert<br />
Handtmann den HSL als Lösung für Downsizing-Anwendungen.<br />
Als Einsatzbereiche eignen sich ein- und zweistufige Aufladekonzepte<br />
für Ottomotoren sowie emissionsorientiert ausgelegte<br />
Dieselmotoren.<br />
Historische Entwicklung<br />
Der Spirallader zählt zur Gruppe der mechanischen Lader und arbeitet<br />
nach dem Verdrängungsprinzip. Erfunden und patentiert wurde er<br />
bereits 1905. Die komplexen Anforderungen an Fertigung und Werkstoffe<br />
verhinderten zunächst die Produktion im großtechnischen Maßstab.<br />
Erst Volkswagen griff diese Technologie in den 1980er Jahren<br />
auf und brachte Fahrzeuge mit der umgangssprachlich „G-Lader“ genannten<br />
Technik auf den Markt [1].<br />
Konstruktion und Fertigung<br />
Die Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG verfügt aufgrund der<br />
Einbindung in die Handtmann Gruppe über eine hohe Fachkompetenz<br />
in Aluminium- und Magnesium-Druckguss. Überdies wird der Systemgedanke<br />
konsequent durch hohe Entwicklungskompetenz und breites<br />
Fachwissen in Montage sowie Prüfprozessen komplettiert. Ergänzend<br />
hierzu liefert die Handtmann Automotive-Sparte Ansaugmodule, Abgas-Rückführkomponenten<br />
und weitere Anbauteile für Pkw-Motoren<br />
und bildet durch den Verbund von Guss, mechanischer Bearbeitung,<br />
Montage und Prüfung einen optimalen und hochwirtschaftlichen Fertigungsprozess<br />
ab [2]. Somit kann durch die bei Handtmann gegebene<br />
Fertigungstiefe eine hohe Prozesssicherheit garantiert werden.<br />
Dieses besondere Erfahrungs- und Entwicklungs-Know-how ist die<br />
Voraussetzung, um das Potenzial des Spiralladers erschließen zu<br />
können. Mit modernsten Methoden wurde der Handtmann Spirallader<br />
(HSL) zu einem hocheffizienten <strong>Aufladesystem</strong> für die zukünftigen Anforderungen<br />
der Automobilindustrie entwickelt [3]. Ziel war es, unter<br />
Steigerung des Gesamtwirkungsgrades ein kostenoptimiertes und<br />
großserienfähiges <strong>Aufladesystem</strong>, insbesondere für Downsizing-<br />
Konzepte, darzustellen. Hierbei sind Optimierung von Kraftstoffverbrauch<br />
und CO2-Emission sowie Ansprechverhalten im niedrigen Motordrehzahlbereich<br />
nur einige Schlagworte, die die Entwicklungsphase<br />
des HSL prägten.<br />
4
Neue Spirallader-Generation<br />
Abbildung 1: <strong>Hocheffizientes</strong> <strong>Aufladesystem</strong> Handtmann Spirallader (HSL):<br />
geringerer Bearbeitungsaufwand, verbesserte mechanische Eigenschaften,<br />
kompakte Baugröße und hervorragende Kennwerte.<br />
Die elementarste Veränderung des HSL im Vergleich zum bisherigen<br />
G-Lader-Konzept ist der Verdränger. Die jetzt einspiralige Ausführung<br />
– vormals zweispiralig – reduziert den Bearbeitungsaufwand bedeutend.<br />
Dank einer speziellen Dichtkontur (Dichthaken) entfällt beim<br />
HSL die äußere Lauffläche und reduziert merklich die Baugröße bei<br />
vergleichbarem Fördervolumen. Eine weiterentwickelte hochwarmfeste<br />
Magnesium-Druckguss-Legierung für den Verdränger verbessert<br />
die mechanischen Eigenschaften wesentlich. Ergänzend dazu sind<br />
alle gleitenden Bauteile, wie Dichtleisten und Dichtflächen, mit neuesten<br />
gleit- und verschleißoptimierten Werkstoffen und Tribologiebeschichtungen<br />
ausgeführt.<br />
Praxisvorteile<br />
Im Vergleich zu einem mechanischen Schraubenlader oder einem<br />
Abgasturbolader (ATL) ermöglicht der HSL dem Verbrennungsmotor,<br />
bereits ab Leerlaufdrehzahl ein maximales Drehmoment (Low-End-<br />
Torque) bei gleichzeitig höherer Gesamteffizienz darzustellen. Die<br />
daraus resultierende hohe Dynamik steigert das Fahrerlebnis deutlich.<br />
Dies liegt im Wesentlichen an dem insgesamt besseren isentropen<br />
Wirkungsgrad (bis zu 96 Prozent) sowie einem sehr hohen Gesamtwirkungsgrad<br />
[4]. Dieser beträgt beim aktuellen Entwicklungsstand<br />
über einen breiten Kennfeldbereich mehr als 70 Prozent und liegt<br />
somit etwa zehn Prozentpunkte über dem Gesamtwirkungsgrad<br />
bisher bekannter Spiralladerkonzepte.<br />
5<br />
Hubvolumen pro Umdrehung,<br />
geometrisch<br />
0,763 dm³<br />
max. Drehzahl 10.000 U/min<br />
max. Ansaugvolumenstrom,<br />
geometrisch<br />
457 m³/h<br />
effekt. max. Ansaugvolumen- 439 m³/h<br />
strom (Wirkungsgrad)<br />
(η=0.9)<br />
max. Ladedruckverhältnis bis 2,5:1
Neue Spirallader-Generation<br />
Abbildung 2: Vergleich ausgewählter Aufladungssysteme (links) und HSL-<br />
Wirkungsgradkennfeld (rechts)<br />
Im kundenrelevanten Fahrbetrieb wird der HSL zu großen Teilen in<br />
dessen optimalem Wirkungsgradbereich betrieben. Daraus resultieren<br />
für den Kunden messbare Kraftstoffverbrauchsvorteile. Zusätzliches<br />
Potenzial ist in Kombination mit einer längeren Getriebeübersetzung<br />
durch das sogenannte Downspeeding bei dennoch exzellenter Fahrperformance<br />
gegeben.<br />
Zur Minimierung der mechanischen Reibleistungsverluste des Verbrennungsmotors<br />
kann der HSL optional mit einer elektromagnetischen<br />
Kupplung ausgestattet werden. Dadurch erfolgt bei nahezu<br />
konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit beziehungsweise geringer Motorlast<br />
eine bedarfsgerechte Steuerung der HSL-Antriebsleistung. Das<br />
geringe Massenträgheitsmoment des HSL sorgt dabei für weitgehend<br />
unmerkliche Schaltvorgänge und spontane Reaktionen auf veränderten<br />
Leistungsbedarf.<br />
Weitere Vorteile des HSL:<br />
� Vom Abgasstrom unabhängige Regelbarkeit des Ladedrucks<br />
� Nahezu schwingungsfreier Betrieb im Ladeluftstrom erübrigt kostenintensive<br />
Maßnahmen zur Geräuschreduzierung oder<br />
-dämmung<br />
� Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Verbrennungsmotors<br />
durch positive Ladungswechselarbeit<br />
� Hohe AGR-Verträglichkeit unterstützt innermotorische Optimierungsmaßnahmen<br />
� Optimierte motornahe Katalysatoranordnung verspricht ein verbessertes<br />
Light-Off-Verhalten durch Entfall des ATL (Enthalpiesenke)<br />
� Durch geringeren Abgasgegendruck sinkt der benötigte Ladedruck<br />
und verringert das Klopfneigungspotenzial mit der Möglichkeit zur<br />
Verdichtungsverhältniserhöhung<br />
� ATL-Schutzmaßnahmen, wie beispielsweise „Volllastanfettung“,<br />
entfallen<br />
� Kompakte Bauform und Wartungsfreiheit<br />
Diese Vorteile lassen sich flexibel kombinieren, so dass der HSL<br />
grundsätzlich für otto- und dieselmotorische Anwendungen geeignet<br />
6
Neue Spirallader-Generation<br />
ist. Des Weiteren nutzt Handtmann die hausinternen Gusskompetenzen,<br />
um das Spiralladergehäuse mit zahlreichen Halterungen für andere<br />
Nebenaggregate der Motorperipherie kundengerecht zu gestalten.<br />
Grundsätzlich ist die spezifische Bauform des HSL bei einem Motorpackage<br />
zu berücksichtigen.<br />
Simulationsgestützte Potenzialbewertung<br />
Die Bewertung der motorischen Wirkungsgradvorteile eines HSL im<br />
Vergleich zu einem Abgasturbolader erfolgte anhand von Ladungswechselsimulationen.<br />
Das Motormodell wurde von einem Ottomotor<br />
mit 1,0 l Hubraum abgeleitet, der normalerweise mit einem Abgasturbolader<br />
aufgeladen wird und an die spezifischen Anforderungen der<br />
Abgasturboaufladung angepasst und optimiert ist. Der hier als Referenz<br />
eingesetzte Abgasturbolader wurde so ausgewählt, dass mit<br />
über 90 kW/l eine hohe spezifische Motorleistung erreicht werden<br />
kann. Gleichzeitig wurde ab 1.700 min -1 ein sehr hohes Low-End-<br />
Torque gefordert, was letztlich dem aktuellen Stand der Technik entspricht.<br />
Als Resultat erfüllt der mit dem HSL aufgeladene Ottomotor mit einem<br />
Drehmoment von 170 Nm zwischen 1.500 min -1 und 5.000 min -1 sowie<br />
eine spezifische Leistung von 90 kW/l die Vorgaben.<br />
Abbildung 3: Volllastlinien und Motorkennfelder eines Ottomotors mit 1.0 l Hubraum<br />
und HSL- bzw. ATL-Aufladung bei einer geforderten Literleistung von<br />
90 kW/l<br />
Ziel der Ladungswechselsimulation war ergänzend die Erstellung eines<br />
Wirkungsgradkennfelds des Motors. Um einen Vergleich der unterschiedlichen<br />
Antriebsarten des Verdichters (mechanische Energie<br />
beim HSL kontra Abgasenthalpie beim ATL) darzustellen, wurde der<br />
Ladedruck beider <strong>Aufladesystem</strong>varianten mit einem Wastegate bzw.<br />
By-Pass geregelt. Die restlichen Randbedingungen blieben unverändert.<br />
7
Neue Spirallader-Generation<br />
Abbildung 4: Spezifischer Kraftstoffverbrauchsvorteil [g/kWh] des HSL im Vergleich<br />
zum ATL [%]<br />
Das berechnete Differenzkennfeld des effektiven spezifischen Verbrauchs<br />
(be) zeigt Wirkungsgradvorteile des mit HSL aufgeladenen<br />
Ottomotors von bis zu 7 Prozent.<br />
Eine Erklärung für den Kraftstoffverbrauchsvorteil resultiert aus der<br />
fehlenden Turbine. Durch den geringeren Abgasgegendruck muss der<br />
HSL für die gleiche Motorleistung weniger Ladedruck aufbauen. Der<br />
ATL hat in dieser Betrachtung zwar Vorteile durch die Nutzung der<br />
Abgasenthalpie für die Verdichtung der Ladeluft. Letztlich resultieren<br />
eindeutige Vorteile für den HSL aber nicht zuletzt durch den 10 bis 12<br />
Prozent höheren maximalen Gesamtwirkungsgrad.<br />
Optimierungsmaßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung des Verbrennungsmotors<br />
wurden bei der Ladungswechselsimulation in der<br />
ersten Bewertung nicht berücksichtigt. Zusätzliches Potenzial bieten<br />
unter anderem [5]<br />
� optimierte Ventilsteuerzeiten (späteres Auslass-Öffnen),<br />
� angepasste Schwingrohrlänge und Saugvolumen des Ansaugsystems,<br />
� optimierte Ladeluftstrecke.<br />
Aufgrund der Arbeitsweise ist der HSL weitgehend stabil gegen<br />
Druckschwingungen im Saugrohr und daher insbesondere für Verbrennungsmotoren<br />
mit nur zwei oder drei Zylindern prädestiniert.<br />
Simulationsgestützte Zyklusbewertung<br />
Um die Wirkungsgradvorteile des mit HSL aufgeladenen Ottomotors<br />
ergänzend im Testzyklus zu bewerten, wurde das validierte und auf<br />
Matlab/Simulink basierte <strong>Bertrandt</strong>-eigene Simulationstool „Virtueller<br />
Antriebsstrang“ eingesetzt [6].<br />
8
Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
Neue Spirallader-Generation<br />
0 500 1000 1500 2000 2500<br />
Zeit in s<br />
Abbildung 5: Aufbau der Simulationsumgebung „Virtueller Antriebsstrang“ [6]<br />
Die mit den Ladungswechselsimulationen generierten effektiven spezifischen<br />
Verbrauchskennfelder der Abgasturbolader- bzw. HSL-<br />
Anwendung dienten als Charakterisierungsgröße des Verbrennungsmotors<br />
für die Zyklussimulationen. Dazu wurden im „Virtuellen Antriebsstrang“<br />
Daten für ein Fahrzeug der Kompaktklasse (VW Golf VI)<br />
mit repräsentativer Getriebeabstufung hinterlegt. Im Vergleich zur Abgasturboaufladung<br />
wurden bei sonst unveränderter Antriebsstrangkonfiguration<br />
durch den HSL-Einsatz Kraftstoffverbrauchsvorteile von<br />
bis zu 3 Prozent erreicht. Am Beispiel des Federal-Test-Procedure-75<br />
(FTP-75), einem in den USA vorgeschriebenen Fahrzyklus zur Ermittlung<br />
der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs, resultiert in<br />
der Zyklussimulation ein Kraftstoffverbrauch von ca. 4,6 l pro<br />
100 km bzw. eine CO2-Emission von 106,7 g/km. Hierbei wird von<br />
Warmstartverhältnissen des Verbrennungsmotors ausgegangen, d. h.<br />
den Kraftstoffverbrauch beeinflussende Heizmaßnahmen sind nicht<br />
berücksichtigt. Prädiktive Abgasemissionsabschätzungen erfolgten<br />
nicht.<br />
10 Min. Pause<br />
(Motor aus)<br />
9<br />
Drehmoment in Nm<br />
200<br />
160<br />
120<br />
80<br />
40<br />
0<br />
Motordrehzahl in min-1 Volllastlinie HSL<br />
Betriebspunkte<br />
im FTP-75<br />
1000 2000 3000 4000 5000 6000<br />
Abbildung 6: Geschwindigkeitsvorgabe des FTP-75-Testzyklus (links) sowie die<br />
daraus resultierenden Betriebspunkte der Zyklussimulation im Motorkennfeld mit<br />
HSL-Aufladung (rechts)
Drehmoment in Nm<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
60<br />
30<br />
0<br />
Motordrehzahl in min-1 Handtmann Golf VI 1.4 HSLT, 175 kW<br />
VW Golf VI 1.4 TSI, 118 kW<br />
Potenzial 1.4 HSLT im Vgl. zu 1.4 TSI<br />
VW Golf VI 2.0 TFSI, 155 kW<br />
AUDI S3 2.0 TFSI, 195 kW<br />
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000<br />
Neue Spirallader-Generation<br />
Weitere Optimierungsmaßnahmen zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung,<br />
z. B. Anwendung von Downspeeding-Maßnahmen, blieben für<br />
die Zyklussimulation unberücksichtigt, so dass die tatsächliche Einsparung<br />
deutlicher zu erwarten ist.<br />
Prüfstandsergebnisse<br />
Nach den aufwändigen Simulationen wurden mehrere Baumusterstände<br />
entwickelt und aufgebaut. Diese durchliefen umfangreiche<br />
Prüfstandsversuche, bei denen der HSL die geforderte Dauerhaltbarkeit<br />
mit ausgezeichneten Ergebnissen erfüllte.<br />
Zusätzlich wurde an einem turboaufgeladenen Ottomotor eine zweistufige<br />
Aufladung mit HSL dargestellt, der in Kombination mit dem<br />
Abgasturbolader den Ladedruck erzeugt. Die ursprüngliche Leistung<br />
des Ottomotors (1.4 TSI) wurde durch diese auf Dynamik ausgelegte<br />
HSLT-Applikation um mehr als 40 Prozent auf 175 kW gesteigert. Das<br />
maximale Drehmoment erhöhte sich um über 100 Nm auf 355 Nm<br />
und liegt quasi ab Leerlaufdrehzahl an. Bei 30 Prozent geringerem<br />
Hubraum werden Leistungswerte annähernd auf dem Niveau eines<br />
aktuellen 2-Liter-Turbo-Ottomotors erreicht. Unabhängige Entwicklungspartner<br />
bestätigten bei Fahrversuchen auf der Straße die ausgezeichnete<br />
Fahrbarkeit des Technikträgers.<br />
210<br />
180<br />
150<br />
120<br />
90<br />
Leistung in kW<br />
10<br />
Drehmoment in Nm<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
Handtmann Golf VI 1.4 HSLT, 175 kW<br />
permanenter Betrieb des HSL<br />
dynamische Zuschaltung des HSL<br />
Aufladebetrieb durch ATL<br />
Saugbetrieb<br />
50<br />
Motordrehzahl in min-1 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000<br />
Abbildung 7: Potenzial eines zweistufigen Aufladungssystems aus HSL und ATL<br />
(HSLT) am Beispiel eines Technikträgers auf Basis Golf VI 1.4 im Vergleich zu<br />
Serienfahrzeugen (links) und gewählter HSL-Betriebsbereich in einer auf Dynamik<br />
ausgelegten HSLT-Anwendung (rechts)
Neue Spirallader-Generation<br />
VW Golf VI VW Golf VI AUDI S3 Handtmann Golf VI<br />
1.4 TSI 2.0 TFSI 2.0 TFSI 1.4 HSLT<br />
Hubraum 1.390 cm 3 1.984 cm 3 1.984 cm 3 1.390 cm 3<br />
Bezeichnung TSI TFSI TFSI HSLT<br />
Aufladung Roots+ATL ATL ATL HSL+ATL<br />
max. Motorleistung 118 kW 155 kW 195 kW 175 kW<br />
max. Motordrehmoment 240 Nm 280 Nm 350 Nm 355 Nm<br />
Abbildung 8: Motordaten im Vergleich<br />
Einsatzgebiete<br />
Als alleiniges <strong>Aufladesystem</strong> eignet sich der HSL für kleinvolumige<br />
Downsizing-Ottomotoren, bei denen der ungünstigere Wirkungsgrad<br />
des Abgasturboladers bei niedrigen Drehzahlen mit einer geringen<br />
Abgasenthalpie zusammentrifft. Hier bietet der HSL ein deutlich besseres<br />
Low-End-Torque-Verhalten und die Möglichkeit einer drehzahl-<br />
und somit verbrauchssenkenden Getriebeauslegung.<br />
Dank der guten Wirkungsgrad-Charakteristik eignet sich der HSL optimal<br />
als Booster für zweistufige <strong>Aufladesystem</strong>e in Kombination mit<br />
einem Abgasturbolader. In dieser Konfiguration ist er für Motoren mit<br />
bis zu 2 l Hubraum geeignet. Dabei sorgt der HSL, im Vergleich zu einem<br />
mechanischen Schraubenlader, bei niedrigen Drehzahlen für ein<br />
besseres Leistungs- und Drehmomentverhalten bei deutlich geringerem<br />
Kraftstoffverbrauch. Dagegen ist mit einem ATL aufgrund des<br />
vergleichsweise breiteren Verdichterkennfeldes eine höhere Endleistung<br />
realisierbar.<br />
Ausblick<br />
Ein weiteres Einsatzgebiet des HSL sind emissionsoptimierte kleinvolumige<br />
Dieselmotoren. Handtmann hat dafür eine komplette Niederdruck-AGR-Strecke<br />
ausgelegt und mit selbst entwickelten Komponenten<br />
ausgestattet. An dieser wurde nachgewiesen, dass der HSL schon<br />
bei geringen Drehzahlen hohe Druckverhältnisse in Kombination mit<br />
einer hohen Abgasrückführrate darstellen kann. Durch den Entfall des<br />
Abgasturboladers kann die Abgasstrecke konsequent weiter entdrosselt<br />
werden. Im Vergleich zu einem mittels Abgasturbolader aufgeladenen<br />
Dieselmotor sind bei niedrigen Drehzahlen letztlich deutlich geringere<br />
Emissionswerte der Stickoxide und Partikel, insbesondere bei<br />
Beschleunigungsphasen, möglich. Diese Anwendung untersucht<br />
Handtmann aktuell mit einem kleinvolumigen Serien-Dieselmotor auf<br />
dem Motorprüfstand.<br />
Wie bei Ottomotoren erreicht der HSL bei Dieselmotoren ein besseres<br />
Low-End-Torque-Verhalten, wodurch längere und verbrauchsoptimale<br />
Getriebeübersetzungen ermöglicht werden.<br />
Fazit<br />
Die Aufladung mit einem Handtmann Spirallader besitzt ein hohes Potenzial<br />
zur Verbesserung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen<br />
bei Otto- und Dieselmotoren. Zudem kann diese Technologie mit<br />
11
Neue Spirallader-Generation<br />
Start-Stopp-Systemen und auch im Verbund mit Start-Stopp-<br />
Systemen oder hybriden Antriebssträngen kombiniert werden. Mit<br />
modernsten Entwicklungs- und Produktionsmethoden sowie dem Einsatz<br />
innovativer Werkstoffe ist es Handtmann gelungen, den Spirallader<br />
an die heutigen Anforderungen anzupassen. Sein schon bei sehr<br />
niedrigen Drehzahlen hoher Wirkungsgrad prädestiniert den HSL als<br />
Teil eines zweistufigen <strong>Aufladesystem</strong>s. Aber auch eine Stand-Alone-<br />
Anwendung bei Verbrennungsmotoren mit wenig Hubraum ist lohnenswert.<br />
Autoren:<br />
Dipl.-Ing. (FH) Juergen Licht, Geschäftsführer der Handtmann Systemtechnik<br />
GmbH & Co. KG in Biberach/Riß<br />
Dipl.-Ing. (BA) Stephan Wanner, Leiter Vorentwicklung der Handtmann Systemtechnik<br />
GmbH & Co. KG in Biberach/Riß<br />
Dr.-Ing. Oliver Maiwald, Abteilungsleiter Entwicklung Antriebssysteme der<br />
<strong>Bertrandt</strong> Ingenieurbüro GmbH in Neckarsulm<br />
Dipl.-Ing. (FH) Jens Keuler, Entwicklungsingenieur für Motorsimulation in der Abteilung<br />
Entwicklung Antriebssysteme der <strong>Bertrandt</strong> Ingenieurbüro GmbH in<br />
Neckarsulm<br />
LITERATURHINWEISE<br />
[1] http://www.g-laderseite.de/g-lader_geschichte.php<br />
[2] http://www.handtmann.de/handtmann-gruppe.html<br />
[3] http://www.ausleidenschaft.de/<br />
[4] Hack; Langkabel: Turbo- und Kompressormotoren: Entwicklung,<br />
Technik, Typen; Motorbuch Verlag, 2003<br />
[5] Zinner, K.: Aufladung von Verbrennungsmotoren; Springer-Verlag<br />
1980<br />
[6] Dr. Maiwald, O.; Poumbga, P.; Regeisz, R.; Rühl, M.: Simulationsumgebung<br />
zur Analyse verschiedener Hybridantriebskonfigurationen;<br />
ATZ 01/2010<br />
[7] Merker, G.; Schwarz, Ch.; Teichmann, R. (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren<br />
- Funktionsweise, Simulation, Messtechnik; Springer-Verlag<br />
2006<br />
[8] Köhler, E.; Flierl, R.: Verbrennungsmotoren - Motormechanik, Berechnung<br />
und Auslegung des Hubkolbenmotors; Vieweg+Teubner<br />
Verlag 2006<br />
________________________________________________________________________________<br />
Kontakt <strong>Bertrandt</strong> Ingenieurbüro GmbH Handtmann Systemtechnik Gmbh & Co. KG<br />
Matthias Rühl Stephan Wanner<br />
Lilienthalstr. 50-52 Arthur-Handtmann-Straße 7/1<br />
85080 Gaimersheim 88400 Biberach/Riß<br />
Tel.: +49 8458/3407-0 Tel.: +49 7351/342-7762<br />
powertrain@bertrandt.com stephan.wanner@handtmann.de<br />
Dieses Whitepaper wird Ihnen von <strong>Bertrandt</strong> und Handtmann kostenlos zur Verfügung gestellt.<br />
Den Artikel finden Sie in gekürzter Form in der MTZ 10/2012.<br />
12
Neue Spirallader-Generation<br />
Unternehmensportrait<br />
Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG<br />
Ideen mit Zukunft<br />
Handtmann Firmengruppe Die Handtmann Firmengruppe wird seit vier Generationen von<br />
der Biberacher Unternehmerfamilie Handtmann geführt. Sie vereint<br />
eine über 135-jährige Tradition mit moderner Führung. Die<br />
dezentrale Organisation ist in sechs Geschäftsbereiche etabliert.<br />
In den letzten Jahren konnte ein kontinuierliches Wachstum erzielt<br />
werden, so dass im Jahr 2011 mit mehr als 2.600 Mitarbeitern<br />
ein Umsatz von rund 550 Mio. Euro Umsatz erwirtschaftet<br />
wurde.<br />
Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG<br />
Die Handtmann Systemtechnik, eines der Automotive-Unternehmen<br />
innerhalb der Handtmann Firmengruppe, ist Technologie- und Systempartner<br />
vorrangig für die Automobilindustrie. Modernste wirtschaftliche<br />
Systeme für Aufladung, Abgasführung und Abgaskühlung leistungsfähiger<br />
Motoren sind das Ergebnis komplexer Entwicklungsarbeit<br />
am Standort Biberach.<br />
� Entwicklung, Konstruktion, Prototyping<br />
� Beratung, Betreuung, Know-how-Transfer<br />
� Projektverantwortung, Initiative, Verfügbarkeit<br />
� Planung, Organisation, Funktions- und Qualitätskontrolle<br />
� Großserienfertigung<br />
Aufgrund ihrer Entstehungsgeschichte verfügt die Handtmann Systemtechnik<br />
über den umfassenden verfahrenstechnischen Erfahrungshintergrund<br />
der gesamten Firmengruppe. Über den Aufbau, den<br />
Ausbau und den Transfer von hochspezialisiertem Prozess- und Produktions-Know-how<br />
gestaltet die Systemtechnik die Projekte und<br />
Entwicklung ihrer Kunden aktiv mit. So entstehen Lösungen, Module<br />
und Systeme, die in der Wertschöpfungskette und Strategieplanung<br />
auf Kundenseite einen hohen Stellenwert einnehmen. Ein Erfolgsfaktor<br />
mit Nachhaltigkeit.<br />
Kurze Entwicklungszyklen, komplexe Prozesse und hoher Innovationsdruck<br />
kennzeichnen heute die Anforderungen im Hochtechnologiebereich.<br />
Da ist fachübergreifende Zusammenarbeit aller beteiligten<br />
Disziplinen gefragt. In zahlreichen Projekten wie beispielsweise bei<br />
der Entwicklung und Produktion von<br />
� <strong>Aufladesystem</strong>en<br />
� Abgaskühlern und<br />
� Saugsystemen<br />
kommt die Handtmann Systemtechnik als wertvoller Partner zum Einsatz.<br />
13
Neue Spirallader-Generation<br />
Handtmann<br />
Systemtechnik GmbH & Co. KG<br />
Arthur-Handtmann-Str. 7/1<br />
88400 Biberach<br />
Telefon: +49 7351 342-0<br />
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Neue Spirallader-Generation<br />
Unternehmensportrait <strong>Bertrandt</strong> AG<br />
Zukunft entwickeln<br />
<strong>Bertrandt</strong>-Konzern Der <strong>Bertrandt</strong>-Konzern entwickelt seit über 35 Jahren<br />
individuelle Lösungen für die internationale Automobil-<br />
und Luftfahrtindustrie. Mit seiner Tochtergesellschaft<br />
<strong>Bertrandt</strong> Services bietet das Unternehmen in Industrien<br />
außerhalb der Mobilitätsbranchen deutschlandweit<br />
technische und kaufmännische Dienstleistungen an.<br />
Insgesamt stehen über 9.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter<br />
an 40 Standorten für tiefes Know-how, zukunftsfähige<br />
Projektlösungen und hohe Kundenorientierung.<br />
<strong>Bertrandt</strong> Leistungen für eine mobile Welt<br />
Im dynamischen Umfeld der Automobil- und Luftfahrtindustrie<br />
nimmt die Komplexität individueller Mobilitätslösungen<br />
kontinuierlich zu. Die Trends zu mehr Komfort, Sicherheit<br />
und umweltfreundlicher Fortbewegung erfordern heute ein<br />
übergreifendes technisches Know-how in der Produktentwicklung.<br />
Als Mitgestalter zukunftsfähiger Mobilität passt<br />
<strong>Bertrandt</strong> sein Leistungsspektrum stets den Bedürfnissen<br />
der Kunden sowie den sich ändernden Marktbedingungen<br />
an. Für die internationale Automobilindustrie deckt das Angebot<br />
heute die gesamte Wertschöpfungskette der Produktentstehung<br />
ab: von der ersten Idee über die Entwicklung<br />
und Absicherung von Bauteilen, Modulen und Systemen<br />
bis hin zu kompletten Fahrzeugen mit angrenzenden<br />
Dienstleistungen wie Qualitäts-, Lieferanten- und Projektmanagement<br />
oder Schulungen. In der Luftfahrtentwicklung<br />
ist <strong>Bertrandt</strong> schwerpunktmäßig in den Bereichen Struktur-<br />
und Kabinenentwicklung, Elektronik, Prototypenbau und<br />
Prozessmanagement tätig. Um komplexe Anforderungen<br />
bei der Entwicklung und der Integration moderner Produkte<br />
zu erfüllen – beispielsweise rund um neue Materialien, intelligente<br />
Elektroniksysteme oder moderne Antriebe – hat<br />
<strong>Bertrandt</strong> wichtige Themen in Fachbereichen gebündelt.<br />
Durch die niederlassungsübergreifende Vernetzung und<br />
Weiterentwicklung von Wissen sichert sich das Unternehmen<br />
seinen Status als einer der führenden Partner auf dem<br />
Markt für Entwicklungsdienstleistungen.<br />
<strong>Bertrandt</strong> Services Projekt-Know-how für Industrie und Mittelstand<br />
Mit seiner Tochtergesellschaft <strong>Bertrandt</strong> Services bietet<br />
Entwicklungspartner <strong>Bertrandt</strong> in Zukunftsbranchen wie<br />
Elektrotechnik, Energie, Maschinen-/Anlagenbau und Medizintechnik<br />
technische und kaufmännische Dienstleistungen<br />
in Deutschland an. Das langjährige Engineering-Knowhow<br />
und die hohe Schnittstellenkompetenz aus den Mobilitätsindustrien<br />
bilden eine solide Basis, um neue For-<br />
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Neue Spirallader-Generation<br />
schungs- und Entwicklungspotenziale mit modernen Technologien<br />
umzusetzen und weiterzuentwickeln – von der<br />
ersten Idee bis zum fertigen Produkt.<br />
<strong>Bertrandt</strong> AG Kompetenter Partner<br />
Der <strong>Bertrandt</strong>-Konzern ist an 40 Standorten in Europa und<br />
den USA kompetenter Partner seiner Kunden aus technisch<br />
hochentwickelten Branchen. Den unterschiedlichen<br />
Anforderungen begegnet <strong>Bertrandt</strong> mit einem einheitlichen<br />
Anspruch: „Für jeden Kunden die beste Lösung.“ Wichtige<br />
Säulen für den nachhaltigen Unternehmenserfolg bilden eine<br />
solide Finanzstruktur und qualifizierte Mitarbeiterinnen<br />
und Mitarbeiter im internen Netzwerk. Im Geschäftsjahr<br />
2010/2011 erwirtschaftete das börsennotierte Unternehmen<br />
576,2 Mio. € Umsatz. Das Betriebsergebnis (EBIT) betrug<br />
60,3 Mio. € und das Ergebnis nach Ertragsteuern 42 Mio. €.<br />
<strong>Bertrandt</strong> AG<br />
Birkensee 1<br />
71139 Ehningen<br />
Telefon +49 7034 656-0<br />
Telefax +49 7034 656-4100<br />
info@bertrandt.com<br />
www.bertrandt.com<br />
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