Lösungen im Antriebsstrang zur Reduktion des CO2 Ausstosses Pre. Presentation EcoGerma 2011...

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Stefan Prebeck, ZF do Brasil Ltda.

Lösungen im Antriebsstrang zur

Reduktion des CO2 Ausstosses

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Lösungen im Antriebsstrang zur Reduktion des CO2 Ausstosses

Inhalt

ZF im Kurzüberblick

Verlustsituation und Einsparpotenziale

- Antriebsstrang

- Fahrwerk

Konventionelle und Hybrid-Technik

- Pkw

- Nkw

Elektrische Antriebe

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Weltweite Präsenz Produktion, Entwicklung, Vertrieb

117 Produktions-

gesellschaften

8 Hauptentwicklungs-

standorte

34 Servicegesellschaften

Über 650 Servicepartner

weltweit

KennzahlenStandorte

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Umsatzverteilung 2010

ZF-Konzern: 12.907 Mio. €

KennzahlenUmsatz

Bau- und Land-maschinen, Marine, Luftfahrt, Sonder- und Schienenfahrzeuge 12 %

Nkw > 6 t23 %

Pkw und leichte

Nkw < 6 t 65 %

Antriebstechnik 56 %

Fahrwerktechnik 44 %

Umsatz Deutschland 34 %

Umsatz weltweit ohne Deutschland

66 %

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Forschung und Entwicklung

Kurzprofil 2010

Patentanmeldungen:

ca. 632

ZF gehört zu den zehn größten Patentanmeldern Deutschlands.

Interne Erfindungsmeldungen:

> 900

Hauptentwicklungsstandorte:

8 (Friedrichshafen, Dielingen, Schweinfurt, Passau, Schwäbisch Gmünd,

Pilsen/Tschechien, Northville/USA, Shanghai/China)

Aufwendungen:

646 Mio. €

Mitarbeiter:

weltweit ca. 5.400, davon 760 in der Zentralen Forschung und Entwicklung

in Friedrichshafen. 160 Mitarbeiter sind in Pilsen/Tschechien,

Shanghai/China und Tokio/Japan beschäftigt.

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Inhalt



- Antriebsstrang

- Fahrwerk


- Pkw

- Nkw


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Potenziale und Grenzen der Optimierung

Fahrzeug der oberen Mittelklasse mit Heckantrieb und 3- Liter Ottomotor; 6-Gang-Automatikgetriebe der 2.Generation; Hinterachsgetriebe mit

Kegelrollenlagern; kein Start- Stopp, keine Bremsenergierückgewinnung; hydraulische Servolenkung und hydraulische Wankstabilisierung.

Luftwiderstand11 %

Rollwiderstand11 %

Nebenverbraucher6 %

Antriebstrang15 %

Verbrennungsmotor47 %

Gewicht10 %

Ein Großteil der Verluste (85%) kommt nicht aus dem Antriebstrang.Der Antriebstrang kann aber CO2 um deutlich mehr als 15% reduzieren.

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Potenziale und Grenzen der OptimierungTheoretisches Potenzial Antriebsstrang

Masseloses

Fahrwerk

Masseloser und

verlustfreier

Antriebsstrang

alle Servofunktionen

im Fahrwerk

ohne Verluste

100 %

Rekuperieren

ideale Übersetzungsreihe

aktive Motorsteuerung

keine

Stillstandsverluste

Theoretisches Potenzial: 60%

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0 %

-20 %

-40 %

-60 %

-80 %

Antriebstrang

ohne

mechanische

Verluste

Optimale

Betriebs-

punkt-

verschiebung

Ideales

Start-Stopp

und

ideale

Rekuperation

Leichtbau

minus 200 kg

Lenkung

und

Stabilisator

ohne

Verluste

- 60 %

Theoretisches

Potenzial

Fahrzeug der oberen Mittelklasse mit Heckantrieb und 3- Liter Ottomotor; 6-Gang-Automatik-

getriebe der 2.Generation; Hinterachsgetriebe mit Kegelrollenlagern; kein Start- Stopp, keine

Bremsenergierückgewinnung; hydraulische Servolenkung und hydraulische Wankstabilisierung.

Potenziale und Grenzen der OptimierungZusammensetzung des Potenzials Antriebsstrang

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Kombiniert Innerorts Außerorts0

2

4

6

8

10

Ein

sparp

ote

ntial [%

]

Endkundenfahrbetrieb:

Probandenmessfahrten des FKFS auf Rundkurs bei Stuttgart

Endkundenfahrbetrieb bestätigt Ergebnisse des NEFZ

Vorteile der EPS:

Basis: Kompaktklasse 1.400kg, 2l Ottomotor, 7,7l/100km

im Endkundenfahrbetrieb

Verbrauchsred. [l/100km]

CO2-Emissions-red. [g/km]

Kombiniert 0,39 (5%) 9,1 (5%)

Innerorts 0,66 (8%) 15,3 (8%)

Außerorts 0,32 (4%) 7,5 (4%)

Einsparpotential elektrischer Lenksysteme

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Potenziale und Grenzen der OptimierungStand der Technik 2010

Leichtbau

Antriebsstrang und

Fahrwerk: -15 kg

0,3 %

Verlustoptimiertes

Achsgetriebe

1 – 1,5 %

Hybrid + Start-Stopp

3 – 25 %

8-Gang-Automatgetriebe

7,5 %

Integrierter Allradverteiler

1 – 1,5 %

Elektromechanische

Lenkung

3 – 6 %

Elektromechanische

Wankstabilisierung

1 – 2 %

bis 2010 möglich: 30%

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Emissionsreduzierung im Lkwdurch optimierte ZF-AS Tronic

20201980

Nm

/kg

2000 20101990

5

10

15

Integrierte Split- und Bereichsgruppe

Aluminium-Druckguss

2-Vorgelegewellen-Technologie

Klauenschaltung statt Synchronisierungen

Ecosplit

AS Tronic

GewichtsreduzierungWirkungsgradsteigerung

Reibungsarme Schaltklauen

Präzise Fertigung, hohe

Oberflächenqualität

Vollsynthetisches Getriebeöl

Leichtlauf-Lager

Reibungsarme Dichtung

Effiziente Einspritzschmierung

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Verbrauchseinsparung durch Leichtbau im Fahrwerk

BCA Hinterachse mit radführender

Querblattfeder aus Composite

MCT Elastokinematische

Torsionslenkerachse

Composite Strut McPherson-Federbein in

Faserverbund-Leichtbau

Leichtbau-DämpferAluminium-Einrohrdämpfer

Kunststoff-Lenker Fahrwerkskomponenten

aus Kunststoff

Hybrid-LenkerFahrwerkskomponenten

in gemischter Bauweise

EPScElektrische Lenkung

für leichte Fahrzeuge

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Inhalt



- Antriebsstrang

- Fahrwerk


- Pkw

- Nkw


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Mikro HybridMild Hybrid

(parallel)Full Hybrid

(parallel, seriell, leistungsverzweigt)

Mechanische Spitzenleistung der elektrischen Maschine

3 kW 5 kW 12 kW 30 kW 60 kW 120 kW

Systemspannung Batterieseite

Verbrauchsreduzierung (Stadt)

~ 3 % ~ 5 % ~ 15 % ~ 25 % ~ bis 30 %

Hybridisierung des AntriebsstrangsBezeichnungen, Abstufung, Funktionen

14 V 144 V 288 V 600 V

Start/StoppRekuperieren /

Boosten

Elektrisches

Anfahren

Elektrisches Fahren

42 V

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Innovationen im AntriebsstrangHybridtechnologie für Pkw

Bauraumneutralität der Hybridgetriebe

HybridgetriebeAT konventionell

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Effekte

Boosten & Rekuperieren

Start/Stopp

Betriebspunktoptimierung

Nutzen

15 % Effizienzsteigerung

Aufwand

kleine el. Leistung

kleine Batterie

PSM

KSG

Pkw-Mildhybrid (Serieneinsatz DynaStart) MB S400H, BMW 750iH

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PSM

Effekte

Boosten & Rekuperieren

Start/Stopp

El. Anfahren und Fahren

Betriebspunktoptimierung

Nutzen

25 % Effizienzsteigerung

Aufwand

mittlere el. Leistung

Moderate Batteriegröße

Bauraumneutralität

Pkw-Vollhybrid8-Gang-Hybridgetriebe

Hybridgetriebe8-Gang-Automatgetriebe mit

integriertem Hybridmodul

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Ein Beispiel zum Beitrag von ZF zur Kraftstoffeinsparung

im Antriebsstrang => CO2-Reduktion durch 8HP

- 5 %

- 3%

- 7,5%

bis

- 15%

bis

- 25%

- 5%

182 g/km 169 g/km 144 g/km 127 g/km161 g/km

5-Gang 6-Gang1. Generation

6-Gang2. Generation

8-Gang 8-GangStart-Stopp

HIS

8-GangMildhybrid

8-GangFullhybrid

Beispiel: CO2-Reduzierung

Limousine 2,5l Otto V6, NEFZ

konventionell Hybrid

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Inhalt



- Antriebsstrang

- Fahrwerk


- Pkw

- Nkw


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Verlustanteile in NutzfahrzeugenAufteilung der eingesetzten Energie

Basis:

Schwerer Lkw, 40 t, mit AS Tronic;

im Fernverkehr, Beladungs- und Routenmix.

Nebenaggregate

Beschleunigungs-

widerstand

Verluste Antriebsstrang

Basis:

Stadtbus 18 m, 24 t Gesamtgewicht,

mit Ecomat und TopoDyn; Routenmix.

Verbrennungsmotor

Steigungswiderstand

Rollwiderstand

Luftwiderstand

8 %

8 %

14 %

1 %

6 %

6 %

57 %

BusStadteinsatz

2 %

2 %

3 %

14 %

15 %

5 %

59 %

LkwFernroute

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Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs Theoretisches Potenzial

100 %

80 %

60 %

40 %- 61 %

Stadtbus 18 m, 24 t Gesamtgewicht, mit ZF-Ecomat und TopoDyn; Routenmix

Schwerer Lkw, 40 t, mit ZF-AS Tronic; Fernverkehr, Beladungs- und Routenmix.100 %

90 %

80 %

70 %

- 15 %

* Rekuperation, Boosten, elektrisches Fahren, ohne Start-Stopp

Antriebsstrang

ohne

mechanische

Verluste

Optimale

Betriebs-

punkt-

verschiebung

Ideales

Start-Stopp

Idealer Hybrid*

ohne Verluste

Theoretisches

Potenzial

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ZF-Hybridlösungen für Nutzfahrzeugeim Stadteinsatz

Stadtbus

parallel

elektrische

Achse

Synergie

Wirtschaftlicher Vollhybrid (parallel)

auf Basis bestehender Getriebe

-30 %

Stadt

Verteiler-Lkw

parallel

Transporter

parallelStadtbus

seriell/elektrisch

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Reduzierung des KraftstoffverbrauchsStadtbus

EcoLife

mit

Topodyn

2009

EcoLife

Hybrid

2012100 %

90 %

60 %

Ecomat

5-Gang

< 2002

Ecomat

6-Gang

2002

Ecomat

6-Gang

optimiert

2006

EcoLife

2007

80 %

70 %

50 %

- 4 %

- 5 %

- 3 %

- 5 %

- 25 %

mit TOPODYN

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Parallelhybrid• 6-Gang-Automatgetriebe

• Elektrische Leistung bis 120 kW

Serieller Hybrid• Einzelradantrieb

• pro Radkopfseite je

eine ASM Pmax 120 kW

• ASM im Gehäuse integriert

• Gehäuse ist Teil der tragenden Achsstruktur

Hybridtechnik für StadtbusseHybridgetriebe EcoLife Elektroportalachse AVE 130

-30% Stadt

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ZF-Entwicklungen

E-Antriebe

Konzeptstudie für Kleinwagen/untere Mittelklasse mit Reichweiten bis zu 160km

Zweistufiges Getriebe mit einem Gang

Ausgelegt für höchste Drehzahlen

Spitzenleistung 90 kW/120PS

Spezifische Leistung: 2,1 kW/kg (ohne Leistungselektronik)

Leistungselektronik mit innovativem Energiemanagement

bis zu 50% weniger Verluste im Normzyklus und Kundenzyklus

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ZusammenfassungAntriebssysteme der Zukunft

Effizienzsteigerung ist der größte Hebel zur Erfüllung der

CO2 Ziele bei gegebenem Energiebedarf

Der Antriebsstrang leistet dazu einen großen Beitrag,

weitere Potenziale erschließen sich insbesondere aus

Leichtbau

Verbrennungsmotoren inklusive Hybridisierung bleiben für

die nächsten 20 Jahre die dominierende Antriebsquelle

Es wird auch langfristig eine Parallelität von

fahrzeugspezifischen Antriebskonzepten geben

Elektrofahrzeuge bleiben mittelfristig eine Nischen-

Anwendung für Klein- und Stadtfahrzeuge

Die Batterie / der Energiespeicher wird zu einem

differenzierenden Merkmal zwischen den Herstellern

Die „neue“ Technik muss parallel technologisch und

kommerziell zur Vermarktungsfähigkeit entwickelt werden

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