GDI-Motoren: Unter Druck Emissionen minimieren und Leistung erhöhen

GDI-Motoren: Unter Druck Emissionen minimieren und Leistung erhöhen

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automobil

Es wird damit gerechnet, dass bis 2025 zirka 40 Millionen Motoren mit Benzindirekteinspritzung verkauft werden. Unter diesem Aspekt ist es erstaunlich, dass diese Motoren mehr gefährliche Feinstaubpartikel als Motoren mit Vorkammereinspritzung oder gar die neusten Diesel mit Partikelfilter ausstossen.

Die potentiell steigenden Marktanteile bedeuten, dass GDI Feinstaubemissionen – auch wenn sie vergleichsweise gering gegenüber ungefilterten Dieseln sind – jetzt stärker von Herstellern und Aufsichtsbehörden unter die Lupe genommen werden.

Um diese Emissionen zu reduzieren und dabei die Leistung zu verbessern, erforschen Ingenieure aktuell neue Designs und Konzepte, darunter die Erhöhung des Benzindrucks, alternative Kraftstoffe und Systeme zur Emissionsverminderung.

Nach Meinung von Matti Maricq, seines Zeichens technischer Leiter der Abteilung „Chemical Engineering and Emissions after Treatment“ des Research and Innovation Center von Ford in Dearborn, wird durch die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder eine sauber brennende Explosion erzeugt, die nur wenig Treibstoff verschwendet und mehr Leistung freisetzt.

Während dieses Vorgangs wird Benzin direkt dort zugeführt, wo die Verbrennungskammer am heissesten ist. Damit wird eine gründlichere, gleichmässigere und schonendere Verbrennung möglich.

Sauber brennende GDI-Motoren stossen gefährliche Partikel aus

Aufgrund der unvollständigen Brennstoffverflüchtigung, teilweise brennstoffreichen Zonen sowie der „Befeuchtung“ von Kolben und Zylinderoberflächen, produzieren GDI-Motoren allerdings unerwünschte Feinstaubpartikel. Die meisten Emissionen treten üblicherweise während des Kaltstarts und in Hochlast-Übergangssituationen während der Aufwärmphase auf. Das kann allerdings je nach Last, Fahrzyklusphase und Fahreranspruch variieren.

Obwohl „grüne“ Kritiker nach wie vor skeptisch gegenüber sogenannten „Engine Management“-Methoden sind, da sie diese gegenüber Abgasfiltern als unzuverlässig empfinden, erwarten die meisten OEMs und Komponentenzulieferer, dass sich technische Änderungen und verbesserte Designs letztlich als kosteneffizienter und ebenso zuverlässig herausstellen.

Der aktuelle Entwicklungsstand deutet an, dass höhere Brennstoffdrücke, möglicherweise in der Nähe von 40MPa, zusammen mit neuen hochpräzisen Einspritzern zukünftige GDI-Systeme stark verbessern werden. Um das System weiter zu optimieren, werden Ingenieure am Einspritzer die Aspekte Timing, Zielgenauigkeit, Messen und Atomisierung weiter verfeinern.

In einer kürzlich von SAE veröffentlichten Studie wurde festgehalten, dass eine Erhöhung des Kraftstoffsystemdrucks die Homogenität der Mischung verbessert und die Diffusionsflamme reduziert. Somit werden Feinstaubemissionen unter homogener Verbrennung in GDI-Motoren signifikant verringert.

Des Weiteren wurde als ein Ergebnis der verbesserten Einlassladungsbewegung bei Kraftstoffdrücken zwischen 20 MPa bis 40 MPa eine weitere Verminderung der Feinstaubemissionen erreicht.

Die Verbrennungsdaten zeigen, dass eine Steigerung des Kraftstoffdrucks grossen Einfluss auf die Reduzierung von Verbrennungsemissionen hat und den Kraftstoffverbrauch optimiert.

Akkurate Messung des Brennstoffdrucks

Dennoch: Damit ein GDI-System optimal arbeitet, ist es wichtig, dass während der Design- und Testphase der Brennstoffdruck in dem Common Rail (CR) korrekt gemessen wird, damit das ECU entsprechend abgebildet werden kann.

Die Messung des CR Kraftstoffdrucks ist der Schlüssel zu niedrigeren Feinstaubemissionen. Der direkte Einspritzdruck wird mit Sensoren gemessen und die Signale werden genutzt, um die Pumpendrehzahl und/oder das Volumen zu bestimmen.

Die meisten Direkteinspritzsysteme verwenden piezoresistive Drucksensoren auf der Niederdruckseite des Systems. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt das Silikonchipelement eine messbare elektrische Spannung. Sie nimmt zu, wenn der Druck steigt.

Auf der Hochdruckseite nutzen Sensoren gewöhnlich eine Metallmembran auf einer Widerstandsbrücke. Wenn Druck ausgeübt wird, erzeugt die Brücke eine Widerstandsänderung, die sich in einer Änderung der angelegten Spannung äussert. Das elektronische Steuermodul wandelt die Spannung in einen berechneten Druck um – gewöhnlich mit einer Genauigkeit von ± 2%.

Um den richtigen Druck aufrechtzuerhalten, pulsiert das elektronische Steuermodul die Niederdruckpumpe. Das System weist typischerweise einen Regler und keine Rückleitungen auf. Einige Systeme haben sogar integrierte Temperatursensoren in den Leitungen, die verwendet werden, um die Dichte des Kraftstoffs zu berechnen, so dass die Kraftstoffverkleidung auf die Energiemenge im Kraftstoff abgestimmt werden kann.

Um eine genaue Messung des Leitungsdrucks sicherzustellen, ist es wichtig, hochpräzise Drucktransmitter zu verwenden, um den CR-Druck unter sämtlichen Motor- und Lastbedingungen abzubilden. Jeder Fehler während dieses Prozesses kann zu einer inkorrekten Modulation des CR-Drucks führen. Das Resultat sind schwerwiegende Abweichungen.

Mit der Einführung des harmonisierten Fahrzyklus stehen OEMs unter erneutem Druck, die von Behörden anvisierten Emissionswerte einzuhalten. Die GDI-Ottomotoren werden an vorderster Front einer neuen Generation grüner Technologien stehen. Dennoch, damit diese Technologie zukünftigen Regulierungen auch entspricht, müssen Feinstaubemissionen reduziert werden – zum grössten Teil durch die genaue Überprüfung des CR-Kraftstoffdrucks.

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Druckmesstechnik in der Reifenherstellung

Druckmesstechnik in der Reifenherstellung

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automobil

Jedes Jahr werden weltweit über eine Milliarde Reifen hergestellt. Damit gehört die Branche zu den grössten Verbrauchern von Naturkautschuk. Um dem Naturstoff die richtige Form und Wiederstandfähigkeit zu geben, sind hohe Drücke und Temperaturen erforderlich. Mit der richtigen Messtechnik kein Problem.

Wer glaubt, dass die Reifenherstellung ein simpler Prozess ist, bei dem der Rohstoff lediglich in eine runde Form gebracht wird, irrt. In der modernen Reifenproduktion kommen mehrere Einzelbauteile zusammen, die für Fahrkomfort und Sicherheit sorgen.

Reifenherstellung – Erste Schritte bis zum Rohling

Auch die Herstellung des Rohstoffes unterscheidet sich von Hersteller zu Hersteller und Reifenart zu Reifenart. Hier können über vierzig verschiedene Rohstoffe zum Einsatz kommen, darunter natürlich Kautschuk, aber auch Russ, Schwefel und weitere. Die unterschiedlichen Materialien werden unter sehr hohen Temperaturen miteinander verknetet. Diese Mischung wird dann in die länge gezogen und ist nach dem Abkühlen bereit für die Weiterverarbeitung.

Mithilfe dieser Mischung werden die einzelnen Schichten des Reifens hergestellt. Dabei kommen auch andere Materialien zum Einsatz, wie beispielsweise mit Gummi überzogenes Stahlgewebe im Gürtel, der den Reifen stabilisiert und für eine erhöhte Seitenführungskraft sorgt. Weitere Einzelbestandteile des Reifens sind Karkasse, Wulst, Lauffläche, Seitenwand, Wulstschutz und Innerliner.

Diese einzelnen Schichten des Reifens werden in einer Reifenaufbaumaschine zusammengebracht. Diesen Reifen nennt man Rohling oder „grüner Reifen.”

Vom Rohling zum fertigen Reifen

Im nächsten Schritt wird dieser Rohling in die Vulkanisationspresse eingelegt. In diesem Schritt werden die einzelnen Reifenbestandteile miteinander vulkanisiert und das Material erhält die geforderte elastische Konsistenz. Um diese Vulkanisierung zu erreichen, wird der Rohling in der Presse unter einem bestimmten Druck bei hoher Temperatur „gebacken.”

Während dieses Prozesses wird die Gummiblase in der Presse von innen aufgepumpt und mit Druck nach aussen in die Form gedrückt. Das Profil des Reifens entsteht. Dabei steigen die Temperaturen auf bis zu 180°C. Drücke von mehr als 24bar können wirken. Dieser Blasdruck wird bei verschiedenen namhaften Reifenherstellern durch den ATM Sensor aus dem Hause STS überwacht.

Vulkanisierung nur mit leistungsstarken Druckmessumformern

Hitze, Dampft, hohe Drücke – bei der Reifenherstellung herrschen raue Bedingungen. Daher braucht es einen Druckmessumformer, der die auftretenden Drücke auch bei hohen Temperaturen zuverlässig überwacht und den Anforderungen über lange Zeit standhält. Die Transmitter aus der ATM-Serie sind dafür prädestiniert. Die hohe Präzision, Zuverlässigkeit, eine hervorragende Langzeitstabilität und das kompakte, widerstandsfähige Design sorgen für Effizienz. Besonders die hervorragenden Werte bei Prüf- und Berstdruck verhindern kostspielige Ausfallzeiten. Darüber hinaus kann der Drucktransmitter unkompliziert vor Ort neu kalibiriert werden.

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Die „Cool War”-Debatte erhöht den Druck

Die „Cool War”-Debatte erhöht den Druck

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automobil

Nachhaltige Pkw-Klimaanlagen sind seit dem Erlass der EU-Richtlinie 2006/40/EG Gegenstand einer hitzigen und hochpolitischen Debatte. Im Mittelpunkt des auf EU-Ebene geführten Kühlmittelstreits, der den Spitznamen „Cool War” trägt, steht das nächste Kältemittel, das in Autoklimaanlagen eingesetzt werden soll.

Der Hintergrund: Die EU-Richtlinie untersagt den Einsatz des Kältemittels R134a in Pkw-Klimaanlagen ab dem 1. Januar 2017 und regelt, dass in der EU verkaufte Neuwagen in der Übergangszeit mit einem Kältemittel mit einem geringen Treibhauspotenzial ausgestattet werden müssen. Ab 2011 war die Verwendung von Kältemitteln mit einem Treibhauspotenzial von über 150 in Neufahrzeugen verboten.

Im Jahr 2007 sprachen sich die damals ad hoc ins Leben gerufene deutsch-skandinavische„Alliance for CO2 Solutions“und ihre Unterstützer sowie Wissenschaftler, NGOs und Wirtschaftsführer dafür aus, dass die Automobilindustrie chemische Verbindungen wie R134a, die zur globalen Erwärmung beitragen, mit dem natürlichen Kältemittel Kohlendioxid (CO2/R744) ersetzen solle.

Das Bündnis argumentierte, dass durch diesen Schritt der Schadstoffausstoß der Fahrzeuge um 10 % und die globalen Treibhausgasemissionen um insgesamt 1 % reduziert würden. Durch den Einsatz der CO2-Technologie auch in anderen Bereichen, wie etwa der gewerblichen und industriellen Kältetechnik sowie in Wärmepumpen für die Warmwasserbereitung etc., könnten sogar bis zu 3 % des weltweiten Treibhausgasausstoßes abgebaut werden.

Allerdings hatten auch die Gegner einer CO2-basierten Lösung gute Argumente: Ein „vollkommen natürliches“ Kältemittel wie z. B. das von Greenpeace entwickelte „Greenfreeze”, welches auf einer gereinigten Butan/Propan-Mischung (Kohlenwasserstoffkältemittel) basiert, übersteige die Wirksamkeit von Kältemitteln wie etwa R134a und könne daher bereits in kleinen Mengen effizient eingesetzt werden.

Außerdem müssten Anlagen bei der Verwendung von reinen Kohlenwasserstoffkältemitteln, die sogar mit den bis 1998 zulässigenFreon-gekühlten Autoklimaanlagen „abwärtskompatibel” sind, einfachnur umgebaut werden, wodurch ihre Effizienz gesteigert und eine weitere Freisetzung von schädlichem R134a und R12 (Freon) in die Atmosphäre verhindert würde.

Im Gegensatz dazu müssen Pkw-Klimaanlagen, bei denen R744 eingesetzt wird, komplett neu konzipiert werden, um einem Druck jenseits von 100 bar standzuhalten. Vorhandene Systembauteile wie Dichtungen, Schläuche, Ventile und sogar Kompressoren wurden nicht für den Einsatz unter solchen Bedingungen entwickelt.

Glücklicherweise gibt es eine weitere Alternative: Als Antwort auf die 2006 erlassene Richtlinie entwickelten die US-Chemiekonzerne DuPont und Honeywell gemeinsam das Kältemittel 2,3,3,3-Tetrafluorpropen oder auch HFO-1234yf (R1234yf). Es handelt sich dabei um die aktuell einzige marktreife Alternative zu R134a (Stand 11/2016).

R1234yf erfüllt das vorgeschriebene Treibhauspotenzial von maximal 150 problemlos. Zudem beträgt seine mittlere atmosphärische Lebensdauer circa elf Tage; die Berechnung des CO2-Äquivalents (die mittlere Erwärmungswirkung eines Stoffs in der Regel über einen 100-Jahre-Zeitraum im Vergleich zu Kohlendioxid) anhand des sogenannten „Life Cycle Climate Performance“-Modells bescheinigte, dass es sich um „das nachhaltigste Kältemittel für den weltweiten Einsatz“ handelt. Das Berechnungsmodel wurde von der US-Umweltbehörde EPA abgesegnet.

Jedoch machte sich nach der Einführung von R1234yf schnell eine wachsende Besorgnis bezüglich seiner Entflammbarkeit breit, welche sich im Jahr 2012 bestätigte: Bei einem Test von Mercedes-Benz im Herbst 2012 ging das Kältemittel im Motorraum in Flammen auf. Danach setzte der Stuttgarter Autobauer in der Entwicklung auf das nicht brennbare R744 und weigerte sich jahrelang ausdrücklich, R1234yf einzusetzen. Mit Billigung des Kraftfahrbundesamtes wurde weiterhin das klimaschädlichere R134a verwendet, was die EU-Kommission im Januar 2014 veranlasste, gegen die Bundesregierung ein Verfahren wegen der Verletzung von EU-Recht einzuleiten.

Inzwischen hat Daimler eingelenkt und benutzt das Honeywell-Dupont-Kältemittel wieder; um das Brandrisiko zu minimieren, bauen die Stuttgarter ein eigens entwickeltes „Kühlsystem” ein, welches erhitzte Teile im Motorraum bei einer durch einen Unfall ausgelösten Evakuierung der Klimaanlage mit dem Edelgas Argon herunterkühlt. Mit der nennenswerten Ausnahme der E- und S-Klasse wird in allen Neufahrzeugen von Mercedes-Benz ab Januar 2017 das umstrittene R1234yf eingesetzt: Die E- und S-Klasse werden hingegen als erste Serienfahrzeuge mit Klimaanlagen ausgestattet, die CO2 als Kühlmittel verwenden.

Neben der Entwicklungsdauer sind die Kosten für die Überarbeitung der kompletten Systeme sowie der Zeitaufwand für ausführliche Testreihen weitere Gründe, warum zunächst nur die obere Mittelklasse und die Oberklasse mit CO2-Klimaanlagen ausgestattet werden.

Aufgrund des in der Anlage bestehenden extrem hohen Systemdrucks und dem Erfordernis einer optimierten Anordnung der Bauteile im Motorraum musste das System komplett neu aufgesetzt werden. Besondere Aufmerksamkeit galt dabei der Leistungsfähigkeit von Kondensator, Verdampfer, Rohren, Schläuchen und Dichtungen bei einem deutlich erhöhten Betriebsdruck.

Während der Entwicklung war die genaue Messung des Leitungsdrucks mit Drucktransmittern an kritischen Stellen in der Klimaanlage von entscheidender Bedeutung, um die Integrität des Systems sicherzustellen; ein Druckabfall gäbe einen ersten Hinweis auf das Versagen eines Bauteils wie z. B. einer Dichtung. Ein solches Versagen würde die Neukonstruktion der Anlage erforderlich machen. Die genaue Messung des Druckverlusts durch den Verdampfer war auch wichtig, um die Designparameter und das Leistungsverhalten der Komponente(n) zu überprüfen.

Da die meisten Systembauteile im Zuge der Neukonzeption der Klimaanlage jedoch stark geschrumpft sind, war absehbar, dass sich die Platzierung eines Drucksensors an genau der richtigen Stelle schwierig gestalten würde. Nichtsdestotrotz konnte das Problem durch den Einsatz von qualitativ hochwertigen piezoresistiven Drucksensoren in der Entwicklungsphase schnell behoben werden und das Projekt rechtzeitig zur Markteinführung im Januar 2017 abgeschlossen werden.

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Bremsanlagen funktionieren am besten unter Druck

Bremsanlagen funktionieren am besten unter Druck

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automobil

Obwohl einige Oberklassenfahrzeuge nicht mehr auf hydraulisch aktivierte sondern auf Hybrid-Brake-by-Wire (elektromechanische) Bremssysteme setzen, verlassen sich die meisten Fahrer nach wie vor auf Hydraulikdruck, um ihr Fahrzeug zum Stillstand zu bringen.

Auch wenn Fahrzeuge über Jahrzehnte hinweg mit hydraulischen Bremssystemen ausgestattet wurden, gestaltet sich die Entwicklung eines Systems, das dem Fahrer Rückmeldung liefert und jederzeit und unter allen Bedingungen eine effektive Abbremsung gewährleistet, als sehr anspruchsvoll.

Während des Betriebs des Bremssystems beeinflussen mehrere Faktoren dessen Leistungsfähigkeit:

  • Die Übertragung des Gewichts von den Hinterachsen auf die Vorderachsen, was eine stufenweise Modulation des Drucks auf die belasteten Räder erfordert.
  • Der sogenannte „Knickpunkt”1), an dem der Servo seine Unterstützungsleistung und diese im Verhältnis zur Kraft des Pedals reduziert.
  • Aufgrund des Drucks neigen die Rohre und Schläuche dazu, sich zu erweitern und den Leitungsdruck für den jeweiligen Pedalweg zu reduzieren (in Extremfällen beschreiben Fahrer diesen Umstand als ein „schwammiges Pedal”).

1) der Servo (auch Bremskraftverstärker) leistet eine progressive Unterstützung bis zum Knickpunkt, an dem die maximale Unterdruckunterstützung empfangen wird und jeder Anstieg des Ausgangsdrucks über diesen Punkt hinaus nur noch durch eine erhöhte Pedalkraft hervorgerufen wird. Würde die Unterstützung in dieser Phase nicht reduziert, würde dies zu einem Blockieren der Räder führen.

 

Es sei auch darauf hingewiesen, dass mit der Einführung des Mehrkanal-ABS viele der Dynamikprobleme im Zusammenhang mit der Scheibenumdrehung und Gleitreibung im Vergleich zur Haftreibung einschließlich der Druckmodulation durch die Gewichtsverlagerung beim Bremsen gelöst wurden.

Jedoch können durch die Stotterbremsung bei aktiviertem ABS extrem schwankende und teilweise außergewöhnlich hohe Leitungsdrücke erzeugt werden, welche durch qualitativ hochwertige Drucktransmitter bestimmt werden müssen; zu diesem Zweck werden die Sensoren in der Entwicklungsphase in strategisch wichtigen Leitungen platziert.

Da im Betrieb Leitungsdrücke von etwa 100 bar auftreten können, ist es zwingend notwendig, dass alle Bauteile einschließlich der Rohre und Schläuche derart dimensioniert sind, dass sie diesem Druck standhalten; außerdem muss gewährleistet sein, dass das System diese vorgegeben Werte nicht überschreitet.

Das ist jedoch gar nicht so einfach, wenn man bedenkt, dass Rohre und Schläuche mit unterschiedlichen Querschnittflächen und Wandstärken zwar eine ähnliche Bremsleistung hervorrufen können, aber einige von ihnen möglicherweise eine nur geringfügige Druckfestigkeit aufweisen.

Der einzige Weg, dies zu überprüfen besteht in der genauen Messung des Leitungsdrucks, wenn das System vollständig unter Druck steht. Natürlich müssen sich diese Messwerte im Rahmen der Spezifikationen des Rohr- und Schlauchherstellers bewegen.

Darüber hinaus ist die Messung des Leitungsdrucks auch wichtig, um zu bestätigen, dass das Hebelübersetzungsverhältnis des Pedals den Betriebsdruck unter erschwerten Bremsbedingungen auf etwa 80 bar erhöhen kann. Wenn es nicht möglich ist, den gewünschten Druck leicht zu erzeugen, muss das Pedalübersetzungsverhältnis erhöht werden, bis dieser Druck erreicht wird.

Bei der Entwicklung eines Bremssystems müssen Ingenieure auch den richtigen Hauptbremszylinder wählen: Es ist einer der meistverbreiteten Irrtümer, dass ein größerer Hauptbremszylinder mehr Druck erzeugt. Während ein größerer Hauptbremszylinder einen größeren Hubraum schafft, bedarf es mehr Kraft, um den gleichen Druck wie ein kleinerer Zylinder zu erzeugen.

Während ein größerer Hauptbremszylinder mechanisches Spiel durch einen geringeren Pedalweg ausgleicht, ist mehr Kraft erforderlich, um den gleichen Betriebsdruck zu erzeugen. Durch den Einbau eines größeren Hauptbremszylinders erhält man ein „härteres“ Bremspedal, das für die gleiche Bremskraft eine wesentlich größere Pedalkraft erfordert. Wen man zum Beispiel von einem 3/4-Zoll-Hauptzylinder auf einen 1-Zoll-Zylinder umrüstet, führt dies zu einem Anstieg der erforderlichen Kraft auf die Schubstange um 77,7 %.

Eine Optimierung der Bremsleistung kann nur durch eine ausgeglichene Dimensionierung des gesamten Systems erzielt werden: Zum einen müssen Pedalkraft, Betriebsdruck und Hebelweg berücksichtigt werden; und zum anderen verlassen sich Hersteller während der Design- und Entwicklungsphase auf hochpräzise Drucktransmitter, die speziell für solche Anwendungen produziert werden.

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Automatikgetriebe gedeihen unter Druck

Automatikgetriebe gedeihen unter Druck

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automobil

Obwohl verschiedenste Versuche unternommen wurden ein Getriebe zu entwerfen, das die Gänge automatisch auswählt, entwickelten Ingenieure von General Motors (GM) erst im Jahr 1939 eine zufriedenstellende Lösung: Das Bauteil hieß Hydra-Matic und war das erste serienreife vollautomatische Pkw-Getriebe, mit dem etwa 25.000 Oldsmobile-Modelle ausgestattet und verkauft wurden.

Ungefähr 25 Jahre später (1963) wurde Earl A. Thompson, der Leiter der Gruppe von GM-Ingenieuren, welche das Hydra-Matic entwickelten, mit dem Elmer A. Sperry Award geehrt – in Anerkennung “einer ausgezeichneter Ingenieursleistung, die sich in der Anwendung bewiesen und das Transportwesen weiterentwickelt hat, ob an Land, zu Wasser oder in der Luft.”

In den nächsten 75 Jahren wurde die Getriebeautomatik um weitere fünf (oder gar sechs) Gänge erweitert, elektronisch gesteuert und verkleinert. Aber auch nach all den Jahren beruht die Funktionsweise des Automatikgetriebes nach wie vor auf Druck in hydraulischen Leitungen.

Hydraulischer Druck steuert das Verhalten des Automatikgetriebes 

Das Schiebergehäuse (Ventilgehäuse) ist die Schaltzentrale des Automatikgetriebes. Es enthält ein Labyrinth von Kanälen und Durchgängen, durch welche die Hydraulikflüssigkeit zu den zahlreichen Ventilen geleitet wird, welche dann die entsprechenden Lamellenkupplungen oder Bremsband-Servos betätigen, um für jede Fahrsituation weich in den geeigneten Gang zu schalten.

Jedes der vielen Ventile im Schiebergehäuse hat eine bestimmte Aufgabe und ist entsprechend seiner Funktion benannt. Zum Beispiel bewirkt das 2-3 Schaltventil das Hochschalten vom 2. Gang in den 3. Gang; das 3-2 Schaltpunkt-Ventil hingegen bestimmt, wann ein Herunterschalten durchgeführt werden soll.

Das wichtigste Ventil ist das manuell gesteuerte Ventil, das direkt mit dem Schalthebel verbunden ist und verschiedene Durchgänge öffnet und abdeckt, je nachdem, welche in welche Position der Schalthebel gelegt wird. In der Position D: Drive leitet das manuelle Ventil beispielsweise Flüssigkeit zu den Kupplungsscheiben, die den 1. Gang aktivieren. Zu seinen Aufgaben gehört ebenfalls, die Geschwindigkeit und die Drosselklappenstellung zu überwachen, um den optimalen Zeitpunkt zu bestimmen und (abhängig von Last und Geschwindigkeit) für das Umschalten vom 1. in den 2. Gang zu forcieren.

Bei computergesteuerten Getrieben wird das Schiebergehäuse mit elektrischen Magnetventilen ausgestattet, die computergesteuert Flüssigkeit zu den entsprechenden Lamellenkupplungen oder Bremsbändern leiten, um eine präzisere Steuerung der Schaltpunkte zu ermöglichen.

Der durch die Ölpumpe erzeugte Druck wird an Ventile des Hauptleitungsdruckreglers und des Fliehkraftreglers (Governor) sowie an das Drosseldruckventil gelenkt, um das Getriebe zu steuern und zu schmieren. Einige dieser Komponenten wurden ersetzt oder arbeiten mit der elektronischen Steuerung zusammen.

Der durch den Fliehkraftregler erzeugte Druck steigt mit zunehmender Geschwindigkeit des Fahrzeugs an. Ältere Getriebe hatten mechanische Fliehkraftregler, die aus Federn, Fliehscheiben und einem Steuerventil bestanden, um diesen Druck zu steuern. Der Druck des Fliehkraftreglers bestimmt das Hochschalten des Getriebes, während der Drosseldruck für das Herunterschalten verantwortlich ist. Die heutigen Getriebe verwenden Magnetspulen für die Betätigung des Schaltpunkts.

Der Drosseldruck zeigt die Motorlast an. Einige Getriebe verwenden einen Vakuummodulator oder ein Drosselklappengestänge, um das Drosselklappenventil zu betätigen. Die neuesten Fahrzeugmodelle verwenden elektrische Magnetspulen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen.

Getriebe wechseln Gänge durch das Betätigen der Schaltventile. Das Ventil wird an einem Ende durch den Druck des Fliehkraftreglers betätigt, am anderen Ende – unterstützt durch eine Feder – durch den Drosseldruck. Wenn ein Fahrzeug aus dem Stillstand beschleunigt wird, ist der Drosseldruck höher als der Druck des Fliehkraftreglers, sodass das Auto im ersten Gang bleibt. Mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit steigt der Druck des Fliehkraftreglers (beeinflusst durch die Fahrzeuggeschwindigkeit), bis er den Drosseldruck übersteigt und dadurch ein Hochschalten bewirkt.

Ein Herunterschalten wird ausgelöst, wenn der Drosseldruck den Druck des Fliehkraftreglers übersteigt. Dies liegt an der erhöhten Motorlast. Diese beiden Drücke steuern die Betätigung des Schaltventils. Schaltventile steuern die Aktoren (Kupplungen und Bremsbänder), welche die Zahnräder eines Planetengetriebes (Umlaufrädergetriebes) antreiben und arretieren.

Einen reibungslosen Gangwechsel ohne übermäßiges „Durchrutschen” zu erreichen ist keine Kleinigkeit: Der Druck, der eine Reihe von Bremsbändern schließt und andere öffnet, muss nicht nur zum richtigen Zeitpunkt, sondern auch so eingesetzt werden, dass das Umschalten ohne spürbare Stöße erfolgt. Gesteuert wird dies alles durch den hydraulischen Leitungsdruck.

Während der Entwicklung eines Automatikgetriebes wird der Leitungsdruck an den verschiedenen Öffnungen in Echtzeit gemessen und mit den Designvorgaben abgeglichen, um die Einhaltung der Designparameter zu bestätigen. Gleichzeitig werden die Schaltpunkte und die Schaltqualität gemessen und subjektiv bewertet, um zu gewährleisten, dass sowohl sicheres Fahrverhalten als auch Leistungsziele erreicht werden. Diese Messungen erfordern extrem präzise und qualitativ hochwertige Drucktransmitter, wie sie von STS produziert werden.

Diese während der Entwicklung aufgezeichneten Messergebnisse sind entscheidend, nicht nur um präzise Schaltvorgänge zu gewährleisten, sondern auch für die Entwicklung der einzigartigen Spezifikationen des jeweiligen Getriebes. Diese werden in Werkstätten im Rahmen der Fehlerdiagnose verwendet.

Mit der Zeit Schritt halten

Aufgrund des großen Einflusses von Emissionsvorschriften auf die Entwicklung moderner Fahrzeuge sind Hersteller stetig gehalten, das Design zu überdenken: Ziel ist es, die Effizienz zu steigern, ohne dabei Leistungseinbußen hinnehmen zu müssen.

Der koreanische Autohersteller KIA hat im Zuge eines Entwicklungsprogramms bei der Konzeption des kompakten 8-Gang-Automatikgetriebes (8AT) 143 neue Technologien patentieren lassen. Dieses neue Getriebe ermöglicht eine sanfte Beschleunigung aus dem Stand, eine höhere Kraftstoffeffizienz, verbesserte NVH-Eigenschaften (Noise Vibration Harshness / hör- und spürbarer Schwingungen) und bei höheren Drehzahlen eine stärkere Beschleunigung als ein Automatikgetriebe mit weniger Gängen.

Um den Kraftstoffverbrauch des 8AT zu verbessern, haben KIA-Ingenieure die Größe der Ölpumpe (die Hauptquelle für die Leistungsverluste in einem Automatikgetriebe) deutlich reduziert und die Struktur des Ventilgehäuses vereinfacht. Mithilfe der kleinsten Ölpumpe, die bei der Getriebefertigung in dieser Klasse eingebaut wird, kann das 8AT Hydrauliköl effizienter nutzen, da es stets gleichmäßig über die Einheit verteilt wird.

KIAs Entwicklungsteams bauten außerdem ein direkt ansteuerbares Ventilgehäuse ein: Dadurch wird eine direkte Betätigung des Magnetventils der Kupplung ermöglicht, was bisher durch mehrere Regelventile geschah. Dadurch konnte die Anzahl der Regelventile von 20 auf 12 verringert werden, was nicht nur schnellere Gangwechsel erlaubt und eine direktere mechanische Verbindungzum Motor herstellt, sondern auch der kompakteren Bauform zugutekommt.

Die Herausforderung dieses revolutionären Ansatzes bestand darin sicherzustellen, dass die kleinere Pumpe in der Lage ist, die verschiedenen Bauteile – die für den Betrieb des Automatikgetriebes erforderlich sind – mit Druck von bis zu 20 bar mit einer ausreichenden Menge von Hydraulikflüssigkeit zu versorgen.

Während der Entwicklungstests wurde die Einheit auf Betriebstemperatur gebracht und dann der Hauptleitungsdruck sowohl im Leerlauf als auch bei weit geöffneter Drosselklappe gemessen, um sicherzustellen, dass die kleinere Pumpe dieser Aufgabe gewachsen war. Einmal mehr ist anzumerken, dass wegen der entscheidenden Bedeutung der Testergebnisse nur qualitativ hochwertige Drucktransmitter mit Labor-Zertifizierung verwendet wurden.

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