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In seinem neuen "Ecoboost"-Kraft­zwerg will Ford die besten Eigenschaften von Otto- und Dieselmotoren vereinen. Dafür haben die Entwickler großen Aufwand getrieben und zum Teil neue Lösungen gefunden

Hannover, 17. Februar 2012 – Man hat sich mittlerweile an Dreizylindermotoren gewöhnt – als etwas raubeinige Sparmotoren für Kleinwagen, wie sie zum Beispiel VW, PSA und Toyota einsetzen. Ihnen allen gemeinsam ist die kompakte Bauform, das gute Drehmomentverhalten und das charakteristische Motorgeräusch. Ob man es mag, ist Geschmackssache, seine Ursachen hingegen sind objektivierbar: Weil es Massenkräfte zweiter Ordnung nicht gibt, entfällt prinzipiell das Dröhnen vieler Vierzylindermotoren bei hohen Drehzahlen – der Zündversatz von 240 Grad erlaubt andererseits keinen perfekten Ausgleich der Massenmomente. Dass dies sogar reizvoll sein kann, macht zum Beispiel die Motorradmarke Triumph vor. Bei den Dreizylindern der Marke macht schon das Gasgeben im Stand Spaß. Bei Autos dagegen werden Dreizylindermotoren bisher ausschließlich aus ökonomischen Gründen gebaut.

Hohe Effizienz

Auch der 1,0-Liter-Ecoboost-Motor von Ford ist in erster Linie entstanden, weil er beim Spritsparen hilft. Das Motorenkonzept entstand im Ford-Forschungszentrum Aachen und im englischen Dunton. Der in Köln gefertigte Motor wird derzeit mit 100 und 125 PS angeboten, zunächst nur im Focus, später zum Beispiel auch im neuen B-Max und sicherlich auch im Fiesta, dann wohl auch in einer noch schwächeren Variante. Die technischen Daten speziell der 125-PS-Version sind derart beeindruckend, dass bereits zu erahnen ist, dass eine Menge Hightech in dem Dreizylinder verbaut ist. Die Literleistung von 125 PS ist ungewöhnlich hoch, schließlich handelt es sich nicht um einen Sportmotor. Dazu kommt ein angesichts des Hubraums von einem Liter gewaltiges Drehmoment von 170 Nm zwischen 1400 und 4000 U/min – im kurzzeitigen Overboost sogar 200 Nm. Andererseits gibt Ford für den Focus einen Normverbrauch von 5,0 l/100 km Superbenzin an, womit er der sparsamste Benziner seiner Klasse ist, sofern man Hybridantriebe außen vor lässt.

Vakuum-Wastegate

Die Effizienz des Motors hat mehrere Gründe: optimierte Ladungswechsel, wenig Reibung und genügsame Nebenaggregate. Ersteres erreicht Ford durch einen relativ aufwendigen Ventiltrieb und einen neuen, schnell laufenden Turbolader. Er stammt vom Zulieferer Continental, wo man erst seit 2006 Turbolader entwickelt. Der Lader zeichnet sich unter anderem durch geringe bewegte Massen aus, sodass er schnell ansprechen kann, wenn er von Abgas oder Frischluft durchströmt wird. Und er verhält sich auch dann vergleichsweise effizient, wenn er bei hohen Lasten mehr Druck erzeugt, als der Motor vertragen kann. Das Wastegate-Ventil, durch das der überschüssige Druck entweicht, wird per Vakuum geöffnet. Dies wird von der Vakuumpumpe bereitgestellt, die ohnehin auch für das Bremssystem benötigt wird. Die Wastegate-Steuerung erfolgt durch das Motorkontrollsystem, und im Einlasssystem gibt es Drucksensoren, die erkennen, wann es Zeit ist, das Ventil zu öffnen.

Immer auf Durchzug

Doch dies ist nur eine Maßnahme, um die "Pumpverluste" zu verringern, also die Verluste, die durch eine irgendwie geartete Behinderung des Gaswechsels entstehen. Beim Ecoboost-Motor kommt dem Turbolader eine variable Ventilsteuerung mit verstellbarer Phase auf Ein- und Auslassseite zur Hilfe. Sie erlaubt es, den Öffnungszeitpunkt der Ventile zu bestimmen, um beispielsweise den "Scavenging"-Effekt zu nutzen. Dabei öffnet man bereits die Auslassventile, während Frischluft in die Einlassventile strömt. Dieser normalerweise unerwünschte Effekt – man will die Luft ja eigentlich verdichten – wird in Verbindung mit dem Turbolader zum Vorteil, zumindest bei niedrigen Drehzahlen. Denn weil der Lader dadurch in Schwung gehalten wird, kann er auf der Verdichterseite umso besser für eine gute Füllung der Zylinder sorgen. Außerdem vertreibt das Scavenging verbrannte Restgase aus dem Brennraum und kühlt die Ladeluft, was wiederum die Klopffestigkeit erhöht.

Hochdruck-Einspritzung

Das Verfahren ist aber nur in Verbindung mit einer Direkteinspritzung sinnvoll. Denn bei einer Saugrohreinspritzung würde man fertiges Luft-Kraftstoffgemisch in den Abgastrakt entlassen, was natürlich nicht Sinn der Sache ist. Bei der Direkteinspritzung kann man einfach abwarten, bis die Auslassventile geschlossen sind. Die Einspritzung des Ecoboost-Motors presst dann den Kraftstoff über Sechsloch-Magnetventil-Injektoren mit Drücken von bis zu 150 bar in den Brennraum. So wird der Kraftstoff ähnlich gut zerstäubt, wie es bei einer Saugrohreinspritzung möglich ist, die diesem Vorgang naturgemäß mehr Zeit lässt. Die gute Zerstäubung ist gerade in Verbindung mit einer späten Einspritzung wichtig, weil sie Voraussetzung für geringe Emissionen von Partikeln und unverbrannten Kohlenwasserstoffen ist.

Doch die Phasenverstellung der Nockenwellen erlaubt natürlich noch mehr Betriebszustände als das Scavenging. "Moderate" Überschneidungen der Ventilöffnungszeiten unter Volllast sorgen für einen beschleunigten Gaswechsel und einen geringen Abgasgegendruck. Geringe Überschneidungen stabilisieren den Leerlauf. Bei Teillast unterstützt ein spätes Öffnen der Auslassventile eine vollständige Verbrennung des Gemischs.

Schnell auf Temperatur

Obwohl der 1,0-Liter-Motor ein Spross der ohnehin jungen Ecoboost-Familie ist, unterscheidet er sich von seinen größeren Vierzylinder-Geschwistern in einigen Konstruktionsdetails. So ist zum Beispiel der Zylinderblock aus Grauguss statt Aluminium gefertigt. Das erlaube eine besonders robuste Struktur und einen Abstand zwischen den Brennräumen von nur 6,1 Millimetern. Daher benötige der Motor nur halb so viel Energie, um seine Betriebstemperatur zu erreichen. Der verkürzten Warmlaufphase dient außerdem ein variabler Kühllufteinlass, bei dem die Lamellen des Frontgrills je nach Bedarf mehr oder weniger geöffnet werden. Ein weiterer Unterschied zu dem "großen" Ecoboost-Motoren besteht in einem Auspuffkrümmer, der gemeinsam mit dem Alu-Zylinderkopf gegossen wird. So konnte er in den Kühlkreislauf des Kopfes integriert werden, was die Abgastemperatur verringert. So lässt sich der Motor fast in allem Betriebszuständen stöchiometrisch (Lambda 1) betreiben – auch eine Anfettung, um den Lader vor Überhitzung zu schützen, ist laut Ford unnötig.

Geringe Reibungsverluste

Eine weitere Maßnahme, den Motor sparsamer zu machen, ist eine verringerte innere Reibung. In dieser Hinsicht hat der Dreizylindermotor ohnehin Vorteile, weil insgesamt weniger Lager notwendig sind und das Verhältnis der Einzelhubräume zu den "Spalten" – hier also der Reibfläche der Kolbenringe – günstiger ist als bei Vierzylindermotoren gleichen Hubraums. Bisher einmalig ist aber, dass Ford keine Ausgleichswellen verwendet, um die Massenmomente auszugleichen, auch sie würden ja einen negativen Beitrag zur Reibung leisten. Stattdessen haben die Ingenieure der Schwungscheibe eine Unwucht verpasst, welche die Rolle der Ausgleichswellen übernimmt. In Verbindung mit einer optimierten Motoraufhängung hat sich diese Technik laut Ford in Versuchsfahrten über 720.000 Kilometer bewährt. Wie unser Fahrbericht [1] zeigt, kann die Laufkultur des Motors tatsächlich überzeugen.

Schließlich hat sich Ford darum bemüht, auch bei der Auslegung der Nebenaggregate und einiger Motorenbauteile den Energiebedarf zu senken. So arbeiten Klimakompressor und die Ölpumpe mit variabel geregelten Fördermengen. Neue Beschichtungen für bewegliche Bauteile und modifizierte Kolbenringen sollen die innere Reibung verringern. Im Übrigen sorgen äußere Maßnahmen wie eine Bordnetz-Rekuperation und das serienmäßige Start-Stopp-System für einen geringeren Verbrauch – beide kommen allerdings auch bei den stärkeren Vierzylindermotoren zum Einsatz und sind mittlerweile allgemein üblich.

Pole Position – vorläufig

Dass wir uns diesem Motor so ausführlich widmen, hängt mit seiner grundlegenden Bedeutung zusammen. Auch andere Hersteller haben ähnliche Motorenkonzepte im Köcher, Mercedes sieht Dreizylindermotoren sogar in der C-Klasse. Im Kompaktsegment aber hat Ford vorläufig die Pole Position inne. Erstmals haben die Entwickler ein Motorkonzept auf die Straße gebracht, dem man guten Gewissens als eine Alternative zum Dieselmotor bezeichnen kann. Ein CO2-Ausstoß von 109 g/km für die 100 PS-Variante wird selbst von gleichstarken Dieselmotoren nicht oft erreicht. Angesichts der viel geringeren Anschaffungskosten für den kleinen Turbobenziner ist er in der Endabrechung unter Umständen selbst für Langstreckenfahrer eine interessante Option.

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