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Downsizing - Trend Im Motorenbau

Ein Ende des Wachstums bei Hubräumen und Zylinderzahlen scheint nicht in Sicht. Doch die wahre Herausforderung für den Motorenbau liegt in kleineren und effizienteren Aggregaten.

Von: Klaus-Ulrlch Blumenstock

Ohne Not, so lehrt eine alte Erfahrung, ist der Mensch kaum fürs Sparen zu begeistern. Das wird besonders in diesen Tagen des Benzinpreis-Hochs deutlich Erst jetzt wieder wird landauf, landab darüber diskutiert, wie sich Spritverbrauch und damit Kosten eindämmen lassen.

Dabei ist wegen der Endlichkeit der Ressourcen und aus Gründen des Klimaschutzes der sparsame Umgang mit den Treibstoffen nicht erst ein Gebot der Stunde. Dieser Einsicht hat sich die europäische Autoindustrie ganz bewußt unterworfen, als sie der EU-Kommission die Senkung des durchschnittlichen Flottenverbrauchs um 25 Prozent - ausgehend vom Stand 1995 - zusagte. 2008 soll dies soweit sein, eine Trendumkehr erwarten Prognosen freilich erst ab 2005.

Dort, wo die technischen Voraussetzungen dafür geschaffen wurden, in den Entwicklungsabteilungen der Autohersteller, greift die Trendwende längst. Downsizing heißt eines der wirkungsvollsten Rezepte im Bemühen um verbrauchsgünstigere Motoren. Ist kleiner also feiner?

Nach Überzeugung von Motorenexperten kann das Heil nicht allein im Eindampfen von Größe und Leistung liegen. BMW zum Beispiel stellt beim Vergleich eines 540i-V 8 mit einem 528i-R 6 eine Verbrauchsdifferenz von 20 bis 25 Prozent als realistisches Downsizing-Potenzial fest. Kundenakzeptanz wird man allerdings nur dann finden, wenn es gelingt, den Verbrauch zu senken, die gewohnten Fahrleistungen aber beizubehalten. Intelligentes Einsparen muss also die Devise der Motorenkonstrukteure sein.

Die Grundidee beim Downsizing folgt dem Ziel, die Prozessverluste zu verringern. Reduzierte Zylinderzahlen geben zum Beispiel mit verringerter Reibung einher. Und kleinere Hubvolumen verursachen auch geringere Ladungswechselverluste. Entscheidend dabei ist, dass mit der Verschiebung des Betriebspunktes hin zu höherer Last (Grafik links )

im Kennfeld häufiger Bereiche mit niedrigerem spezifischen Verbrauch angesteuert werden können. Besonders wirkungsvoll ist dies im Stadtverkehr, wo die Motoren üblicherweise häufig im verlustreichen Teillastbetrieb laufen.

Kleinvolumige Motoren haben darüber hinaus weniger Drehmasse zu beschleunigen - auch das ein Vorteil, der vor allein im Stop-and-Go~Verkehr zählt.

Dass sich mit vermindertem Verbrauch gleichzeitig die Emissionen reduzieren, ist offensichtlich. Zusätzlich aber machen den Konstrukteuren auch geringere Schadraumvolumina das Leben leichter. Auch das günstigere Oberflächen/Volumenverhältnis trägt obendrein zu weniger Schadstoffemissionen bei.

Und schließlich sind kleinere Motoren leichter und bauen kompakter. Letzteres eröffnet den Konstrukteuren nicht nur beim Packaging neue Freiräume, es wird auch von Sicherheitsexperten beim Gestalten der Crash-Strukturen sehr geschätzt

Der Katalog der technischen Maßnahmen für ein Downsizing Konzept beginnt mit dem Reduzieren der Zylinderzahl. "Ein Zylinder weniger," gibt Prof. Ulrich Seiffert von der TU Braunschweig die Marschrichtung an "bringt ungefähr einen halben Liter im Verbrauch." Natürlich hängt das jeweils von der Ausgangssituation ab. Verminderte Reibung in Lagern und bei den KoIbenringen wirkt sich aber grundsätzlich positiv auf den Verbrauch aus. Und prinzipiell gilt: Motoren mit kleinerem Hubraum laufen im Stadtverkehr mit weiter geöffneter Drosselklappe als Hubraumriesen, was die Ladungswechselverluste mindert. Gerade bei Kleinwagen zeichnet sich daher ein Trend zu Dreizylindermotoren ab. Opel konnte so mit seinem Ecotec-Dreizylinder für den Corsa gegenüber Vierzylindermotoren 10 bis 15 Prozent Kraftstoff einsparen - bei gleichen Fahrleistungen.

Mangels Vergleichsmöglichkeit erübrigen sich beim Dreizylinder Suprex-Motor für den Smart solche Angaben, doch dürfte sich der Effizienzgewinn bei diesem per Lader erstarkten Dreizylinder-Mini zunächst in ähnlichen Regionen bewegen.

Kunden hubraumstarker Acht- oder Zwölfzylindermotoren werden sich allerdings kaum für die Beschneidung der Zylinderzahl begeistern lassen. Um Luxuslimousien aber dennoch in die Verminderung des Flottenverbrauchs einzubeziehen, bietet sich hier das zeitweilige Abschalten mehrerer Brennräume bei Teillast und gleichzeitiger Lastpunktverschiebung der befeuerten Zylinder an. Dies lässt sich mit einer intelligenten Steuerelektronik heute so blitzschnell umschalten, dass es vom Kunden unbemerkt bleibt- wie es die V8- und V12-Motoren von Mercedes vorexerzieren. Das Verbrauchspotenzial der Zylinderabschaltung macht bis zu sieben Prozent aus. Die Vorteile verminderter Reibarbeit oder geringeren Gewichts lassen sich mit solchem "temporären Downsizing" allerdings nicht nutzen.

Soll es also zu echter geometrischer Verkleinerung mit gleichzeitiger Steigerung der spezifischen Volllast kommen, bietet sich die Aufladung als probates Mittel an. Wird verdichtetes Gemisch in den Brennraum gefördert, lassen sich auch Leistung und Drehmoment entsprechend steigern. Doch hatte der Turbolader einst den Ruf, nicht nur die Leistung, sondern auch den Verbrauch in die Höhe zu treiben. Das muss heute allerdings nicht mehr so sein. Denn nicht nur ihre Wirkungsgrade haben sich inzwischen verbessert, sondern mit der Motorelektronik auch die Algorithmen zur Ladedruckregelung. Musste früher überschüssige Abgasenergie via Wastegate einfach abgeblasen werden, so erlauben heute verstellbare Lader ein genaueres Anpassen der Fördermenge an den momentanen Lastzustand. Bisher funktioniert das allerdings erst beim Dieselmotor, denn im heißeren Abgasstrom von Benzinern erwiesen sich Verstelllader als nicht temperaturfest. Doch Abhilfe ist in Sicht.
Zudem setzen Motorenentwickler große Hoffnung auf Elektro-Compound-Lader, die dem Verdichter im Turboloch elektromotorisch auf die Sprünge helfen.

Damit ist auch der größte Nachteil gegenüber mechanischen Ladern umrissen. Die wiederum sprechen in fester Verbindung mit der Kurbelwelle zwar spontaner an, sind aber in der Regel schwerer und teuer als Turbolader.
Was also heim Ottomotor noch Feinarbeit erfordert, ist heim Dieselmotor längst gang und gäbe. Moderne Dieselmotoren treten fast ausschließlich als Turbodiesel auf und sind damit im Verhältnis Hubraum zu Leistung waschechte Vertreter praktizierten Downsizings. Allerdings macht das ungedrosselte Dieselprinzip den Entwicklern die Aufladung leichter. So werden heute spielend Volllaststeigerungen um den Faktor 1,6 bis 2,0 erzielt.

Beim Ottomotor geht aber nahe der Volllast mit dem Aufladen immer die Gefahr des Klopfens einher. Vermeiden lässt sich dies bei den hohen Mitteldrücken nur mit verminderter Verdichtung.

Diese Überlegung stand bei Mazda Pate für den Motor des Xedos 9 2.3, der den so genannten Miller-Zyklus nutzt. Dabei werden die Ventile im Verdichtungstakt erst verzögert geschlossen (Grafik links) und damit die Gesamtverdichtung vermindert - bei voller Nutzung des Expansionshubs. Die geringere Zylinderfüllung gleicht der Mazda-Miller-Motor mit einem mechanischen Lader aus, ein Downsizing-Konzept, das aus 2,3 Liter Hubraum 210 PS schöpft und etwa drei Prozent an Verbrauchsvorteil bringt.

Dr. Karl Kollmann, früherer Motorenchef bei Mercedes, sieht für den Miller-Zyklus Chancen - allerdings nur beim Benzin-DI. "Nur da wird er mit variabler Ventilsteuerung thermodynamisch richtig wirksam." Denn die teilweise Rückförderung des Gemischs ins Saugrohr macht eine saubere Trennung vom Abgas problematisch.

Der Wirkungsgrad-Nachteil verringerter Verdichtung ließe sich also idealerweise mit einer Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen umgehen: Verminderte Verdichtung bei Volllast, erhöhte dagegen im Teilllastbetrieb.

Genau dies hat Saab jetzt mit seinem SVC-Testmotor (Saab Variable Compression) umgesetzt. Weil die Verdichtung bei diesem Motor in weiten Grenzen verändert werden kann, ist es möglich, einen Grundgedanken des Downsizing praktisch ideal umzusetzen: Über das gesamte Band der Betriebs-bedingungen kann der Motor nahe an seiner Volllast-Kennlinie betrieben werden - mit erheblichen Verbrauchsvorteilen.

Die technischen Bausteine verbrauchsmindernder Downsizing-Konzepte zeichnen sich also ab. Beim Ottomotor wird die Direkteinspritzung noch hinzukommen. Das europäische Verbrauchziel scheint erreichbar. Es ist nur eine Frage der Zeit - und der Kosten.

Bildtexte:

- Grafik Downsizing: Verbrauch, Emissionen, Gewicht, Abmessung
Grundgedanke beim motorischen Downsizing Ist es, die Kurve des Fahrwiderstands in höhere Lastbereiche zu hieven. Jeder Betriebspunkt <roter Pfeil) verschiebt sich somit innerhalb der konzentrischen Ringe des Verbrauchskennfelds näher an den BEREICH HÖCHSTER EFFIZIENZ (hellste Tönung)

- Klein, aber mit 225 PS sehr leistungsstark ist der TURBOMOTOR DES AUDI TT: Konstante Kraftentfaltung und konstant hohes Drehmoment zeichnen ihn aus.

- Opel gilt als Vorläufer des INTEGRALEN TURBOLADERS, mit dem Downsizing durch Aufladung immer effektiver wird. Hier der Lader für das neue Astra Coupé.

- Mit MECHANISCHER AUFLADUNG setzt Mercedes beim C-200-Kompressormotor nach Tradition des Hauses auf Leistungssteigerung.

- Grafik - Der Trick des MILLER-ZYKLUS Iiegt im modifizierten Verdichtungstakt. Weil das Einlaßventil erst verspätet schließt, wird ein Teil des Gemischs wieder ins Saugrohr zurückgeschoben, die klopfgefährdete Verdichtung wird dadurch zurückgenommen. Die reduzierte ZyIinderfüllung gleicht einen Lader aus.

- Downsizing der ganz anderen Art: Im INSIGHT setzt Honda auf einen kleinvolumigen Dreizylinder-Motor, der im Bedarfsfall von einem Elektromotor (der auch als Generator arbeitet) unterstützt wird. Damit werden die Dreizylinder-Vorteile mit einem zuschaltbaren "elektrischen Zylinder" kombiniert.

- Mit dem SVC-Konzept präsentierte Saab den Prototypen eines Downsizing-Motors. In einem Hubraum von nur 1,6 Litern werden 225 PS erzeugt, eine Leistung, die üblicherweise das doppelte Hubvolumen beansprucht. Verantwortlich dafür zeichnet die im Verhältnis von 8:1 bis 14:1 variable Verdichtung im Zusammenwirken mit einem mechanischen Lader.

- Beim SVC-System wird das variable BrennraumvoIumen mit Hilfe eines BEWEGLICHEN ZYLINDERKOPFES mit integrierten Zylindern (Monohead) verändert. Durch Kippen um nur vier Grad wird die Verdichtung um sechs Einheiten variiert.

- Die ZYLINDER-ABSCHALTUNG von Mercedes verwandelt den V8 im Teillastbereich in einen effizienten Vierzylinder


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