Integrierter Systemleichtbau für die Mobilität der Zukunft

Zukunftsvision

Der integrierte Systemleichtbau ist die Umsetzung einer ganzheitlichen, systemumfassenden Entwicklungsstrategie. Zielsetzung ist neben der Gewichtseinsparung zur Senkung des Energiebedarfs für die Mobilität auch eine einfache und leichte Anwendung sowie die intelligente Funktionsintegration in Bauteile. Unter der Berücksichtigung von vorgegebenen technischen, ökonomischen, ökologischen und sozialen Randbedingungen ermöglicht diese Strategie die geforderten Funktionen und Ziele über den kompletten Produktlebenszyklus durch ein System minimaler Masse zu realisieren. In Abhängigkeit von den vorgegebenen Randbedingungen unterscheiden sich dabei die abgeleiteten Leichtbaulösungen erheblich.

Unabhängig von den Aktivitäten im Bereich der Elektromobilität werden nach wie vor größtenteils Fahrzeuge mit Verbrennungskraftmaschinen (VKM) vom Kunden nachgefragt [1]. Der Motor ist die schwerste Einzelkomponente im Fahrzeug und wird im Wesentlichen in metallischer Bauweise gefertigt. Prinzipiell ist die Herausforderung für einen Materialmix im Motorbereich insbesondere durch die thermische Fehlpassung der Werkstoffe und der hohen thermischen Belastung an sich gegeben. Moderne Hochleistungskunststoffe und Faserverbundkunststoffe (FVK) sind heute in der Lage, diesen Beanspruchungen Stand zu halten.

Das vorliegende Schwerpunktthema versteht sich als initialer Impuls bei der Anwendung des intelligenten hybridbasierten Systemleichtbaus für den gesamten Antriebsstrang. Dabei werden die Kernthemen des Systemleichtbaus: Methoden, Werkstoffe und Produktion integriert berücksichtigt und aufeinander abgestimmt. Der Systemleichtbau kann hierbei auf die Erkenntnisse und Ergebnisse des Karlsruher Innovationscluster „Technologien für den hybriden Leichtbau“ (KITehyLITE), des Technologieclusters Composites (TC₂) sowie des Kompetenzzentrums Fahrzeugleichtbau zurückgreifen und aufbauen. Diese Kooperationen haben eine einzigartige Grundlage für das enge Zusammenwirken des KIT mit der Fraunhofer Gesellschaft in diesem Themenfeld geschaffen und bieten die ideale Grundlage für den Ausbau der Themen für dieses Initialisierungsprojekt und die Profilregion insgesamt.

Das Initialisierungsprojekt im Schwerpunktthema Systemleichtbau widmet sich mit der demonstrativen Darstellung eines elektrisch getriebenen Verdichters (e-Verdichter) einer wesentlichen technischen Fragestellung im Antriebsstrang und beschäftigt sich dabei mit dem hybriden Systemleichtbau unter den vorherrschenden Randbedingungen.

Motivation und Zielsetzung

Zur Erfüllung von Emissionsvorschriften, werden VKM zunehmend effizienter gestaltet. Effizienzgesteigerte VKM sowie abgeleitete Derivate für Plug-In-Hybride (PHEV) werden als Übergangslösung zur Elektromobilität den Markt mittelfristig dominieren [2]. Ein Konzept hierbei ist das Downsizing von Motoren. Zum Ausgleich des resultierenden Leistungsverlusts werden üblicherweise Turbolader verbaut, die vornehmlich eine leistungssteigernde Maßnahme darstellen [3]. Klassische Turbolader sind derzeit strömungsmechanisch an den Abgasstrom gekoppelt. Im Falle einer Lastanforderung muss das Verdichter-Rad des Turboladers zur Erbringung des geforderten Frischluftmassenstroms beschleunigt werden. Diese Zeit wird umgangssprachlich als “Turboloch“ bezeichnet. Eine Möglichkeit dies zu verhindern, ist die strömungsmechanische Entkopplung des Turboladers vom Abgasstrom. Hierbei wird der Turbolader elektrisch angetrieben, wodurch das Ansprechverhalten der VKM weiter gesteigert werden kann [4]. Bei diesem Konzept eines e-Verdichters wird durch die Entkopplung der Komponenten vom Abgasstrom die thermischen Lasten deutlich reduziert und damit die Möglichkeit zum Einsatz von polymerbasierten Leichtbauweisen eröffnet. Für das Schwerpunktthema „Integrierter Systemleichtbau für die Mobilität der Zukunft“ wird daher ein e-Verdichter als Demonstrator gewählt.