Nicht ausgebrannt

Zwei Zylinder auf gerade einmal 31 Zentimetern Länge, 875 Kubikzentimeter Hubraum und 85 Kilogramm Gewicht bringen 86 PS (63 kW) bei einem Normverbrauch von rund vier Litern Benzin auf 100 Kilometer – so sah sie nach Meinung von insgesamt 76 Motor-Journalisten aus, die „Engine of theYear“ des Jahres 2011. Der 875er TwinAir aus dem Fiat 500 räumte außerdem auf der Fachmesse Engine Expo in Stuttgart gleich in drei weiteren Kategorien ab: als bester neuer, bester kleinster und als grünster Verbrenner. Der Schrumpfmotor aus Turin kommt als erster Automotor seit rund 40 Jahren wiedermit nur zwei Zylindern aus und bildet damit derzeit die Speer- spitze des seit einigen Jahren anhaltenden Trends zum Downsizing. So nennt die Autoindustrie die Entwicklung von Motoren mit kleinen Hubräumen, die durch verminderte Reibungs- und Wärmeverluste deutlich höhere Wirkungsgrade und Leistungen erzielen und so Kraftstoffverbrauch und Emissionen senken.

„Der Zweizylinder hört sich zwar eher nach einem Motorrad an, fährt sich aber überzeugend“, sagt Stefan Pischinger, Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der RWTH Aachen und Chef der FEV Motorentechnik. Vor allem aber seier ein gutes Beispiel für das Potenzial, das nach wie vor im Verbrennungsmotor steckt. „Reizt man das gesamte Technologiespektrum aus und entwickelt konsequent weiter“, urteilt der Experte, „kann man im Vergleich zu herkömmlichen Motoren 30 bis 35 Prozent beim Verbrauch und bei den CO2-Emissionen einsparen.“ Daran führt auch kein Weg vorbei. Denn trotz Elektroautos oder anderer alternativer Antriebssysteme, so schätzen Hersteller und Experten einvernehmlich, wird der Verbrennungsmotor bis ungefähr 2030 die dominante Antriebsquelle für die Mobilität bleiben. Aber ohne wesentliche Verbesserungen von Diesel- und Ottomotor wird kein Hersteller die künftigen EU-Vorgaben bezüglich der CO2-Emissionen einhalten können. 2009 emittierte ein durchschnittlicher Pkw 146 Gramm Kohlendioxid pro Kilometer. Bis 2015 muss der Wert auf 130 Gramm sinken, 2020 auf 95 Gramm und 2025 schließlich auf 75 Gramm.

Der Automobilzulieferer Bosch prognostiziert für das Jahr 2020 einen Weltmarkt von jährlich 103 Millionen Pkw und leichten Nutzfahrzeugen. „In 100 Millionen davon wird ein Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen“, sagt Rolf Leonhard, Bereichsvorstand Entwicklung Diesel Systems bei Bosch. „Allerdings in den unterschiedlichsten Formen, etwa als konventioneller Verbrenner, klassischer Hybrid oder als Plug-in-Hybrid, um Elektroautos langstreckentauglich zu machen.“ Schon die Bandbreite der verschiedenen Varianten zeige die Herausforderung, vor der die Entwickler stehen, sagt Christian Beidl, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen an der Technischen Universität Darmstadt: „Einen Königsweg gibt es im Motorenbau leider nicht, das ist alles mühsame Detailarbeit.“ Es gehe weniger darum, eine einzelne Technologie aus- zubauen, als vielmehr ein intelligentes Paket aus mehreren Lösungen zusammenzustellen. Dabei müssen die Automobilbauer grundsätzlich mit dem Zielkonflikt zwischen dem Wunsch nach mehr Effizienz und der Forderung nach geringeren Emissionen umgehen. Denn effizientere Motoren haben eine höhere Verbrennungstemperatur und produzieren dadurch mehr giftige Stickoxide (NOX).

„Downsizing macht am meisten Sinn, wenn die kleineren Motoren mit Turboladern, Direkteinspritzung und einer variablen Ventilsteuerung arbeiten“, sagt Beidl. Ziel der kleineren Motoren ist grundsätzlich, die Verluste an der Drosselklappe zu minimieren und damit den Spritverbrauch zu drücken. Über dieses Bauteil im Ansaugtrakt wird je nach Gaspedalstellung die Luftzufuhr in die Zylinder gesteuert. Grob gilt dabei: Je geöffneter sie ist, desto weniger Verluste treten auf. Downsizing-Motoren machen sich das zunutze. In einem Verbrennungsmotor mit kleinem Hubraum wird bei gleicher Luftzufuhr die Drossel- klappe im Vergleich zu größeren Motoren weiter geöffnet, und es entstehen weniger Drosselverluste. „Allein durch diese Maßnahme lassen sich im europäischen Fahrzyklus bis zu 15 Prozent Kraftstoff einsparen“, sagt Beidl. Ohne Turbolader ergeben sich allerdings bei einem solchen Simpel-Downsizing auch herbe Leistungsverluste. Die Direkteinspritzung sorgt jedoch für weitere Verbrauchsverbesserungen. Anders als bei der Saugrohreinspritzung, bei der sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Ansaugtrakt noch vor den Einlassventilen bildet und dabei an den Wänden aufheizt, kühlt direkt in den Brennraum eingespritztes Benzin die Ladung. „So kann man das Gemisch höher verdichten, bekommt somit eine höhere Leistung und gleichzeitig eine geringere Neigung zu unkontrollierten Verbrennungen, dem sogenannten Klopfen“, erklärt Pischinger. Die Drosselverluste sind bei Downsizing-Motoren zwar kleiner, aber immer noch vorhanden. Diese gehen die Motorenentwickler mit einer variablen Ventilsteuerung an. Bei einem herkömmlichen Motor sind feste Ventilöffnungszeiten vorgegeben, und die Gemisch- menge, die in den Zylinder eintritt, wird über die Stellung der Drosselklappe reguliert. „Bei der variablen Ventilsteuerung schließen, vereinfacht gesagt, die Ventile vorzeitig, wenn genug Gemisch im Zylinder ist“, erklärt Pischinger. Der Vorgang sei quasi verlustfrei.

Während andere Hersteller die Öffnungszeiten der Ein- und Auslassventile über Nockenwellen verstellen lassen, setzt Fiat in seinem Zweizylinder dazu auf der Einlassseite nur noch ein elektrohydraulisches Steuersystem ein. Die Lösung sei laut Hersteller noch genauer und feinfühliger. Die Kombination von Turboaufladung, variabler Ventilsteuerung und Downsizing ist derzeit einer der größten Trends. So stellten auch Ford und die Hyundai Kia Automotive Group auf der diesjährigen Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) jeweils einen neuen Hochleistungs-Dreizylindermotor vor. Und Daimler bietet seit 2010 erstmals in der Firmengeschichte die S-Klasse mit einem Vierzylinder-Diesel an. Der „S 250 CDI Blue Efficiency“ hat einen Hubraum von 2,2 Litern, 204 PS (150 KW) und einen Verbrauch von 5,7 Litern auf 100 Kilometer. Dank Downsizing und einer zweistufigen Turboaufladung bringt der Motor deutlich mehr Leistung als die Sechszylinder-Diesel der S-Klasse-Modelle der neunziger Jahre (150 PS/110 kW bei 3,5 Liter Hubraum). „Ins- gesamt werden Downsizing-Motoren allmählich die größeren Verwandten verdrängen“, sagt Beidl.

Günstiger seien diese Motoren allerdings nicht, meint er. Denn Downsizing bedeutet vor allem auch steigende Komplexität und durch einen höheren Entwicklungsaufwand auch steigende Kosten. Die Grenze des Machbaren liege bei einer Leistungvon 130 bis 140 Kilowatt pro Liter Hubvolumen. Derzeit habe man 100 Kilowatt in Serie. Bei der Weiterentwicklung der Motoren wird laut Stefan Pischinger auch die variable Verdichtung eine entscheidende Rolle spielen (siehe TR 9/2009, S. 32). Das Verdichtungsverhältnis, also wie stark der Kolben das Luft-Kraft- stoff-Gemisch im Zylinder zusammendrückt, bevor es gezündet wird, ist bis heute aufgrund der Motorkonstruktion fest vor- gegeben. Mittelklassewagen mit Ottomotor wie der VW Golf haben Werte um 10:1. Während dieses Verhältnis bei Vollgas gefragt ist, damit die Ladung nicht unkontrolliert zündet, fährt ein Motor im Teillastbetrieb – etwa im klassischen Stadtverkehr – am spritsparendsten mit Werten um 16:1. „Eine verstellbare variable Verdichtung löst dieses Dilemma und harmoniert sehr gut mit Downsizing-Motoren“, sagt Pischinger, der seit Jahren an der Technologie forscht.

Wie man auch ganz ohne Downsizing gute Verbrauchs- werte erzielen kann, hat Mazda auf der IAA 2011 präsentiert. Ihr Skyactiv-Benziner hat einen Hubraum von zwei Litern und ist mit einem Verhältnis von 14:1 von Grund auf sehr hoch verdichtet. „Unser neuer Ottomotor spart so bis zu 15 Prozent Sprit“, sagt Mazda-Sprecher Jochen Münzinger. Beim Dieselmotor liegen die Verdichtungsverhältnisse grundsätzlich höher als bei Ottomotoren. Weil dadurch auch der Stickstoffausstoß steigt, ging Mazda beim Skyactiv-Diesel den entgegengesetzten Weg als bei ihrem Benziner und senkte das Verhältnis von den üblichen 17:1 auf 14:1. Da der Motor bei solch niedrigen Werten normalerweise ein schlechtes Kaltstart- und Kaltlaufverhalten zeigt, setzten die Hersteller spezielle Keramikglühkerzen und variable Auslassventile ein. Wegen der geringeren Kräfte, dieauf den Mazda-Diesel wirken, konnte das Aggregat aber ins- gesamt deutlich leichter und reibungsärmer ausgelegt werden. Resultat: 20 Prozent weniger Kraftstoffdurst bei nahezu null NOx-Emissionen.

Auch ganz neue exotische Prinzipien lassen immer öfter mit Traumwerten für Verbrauch und Emissionen von sich hören. „Die Scuderi Engine drückt den Verbrauch um 35 Prozent und kommt dabei ohne Katalysator aus“, sagt Michael Eisenbeis, Europa-Direktor der Scuderi Group mit Sitz in Frankfurt am Main. Der Basismotor, von dem verschiedene Varianten in Entwicklung sind, teilt die vier Arbeitstakte eines Zylinders auf je zwei Zylinderpaare auf. Darin saugt ein Zylinder nur an und verdichtet, der andere zündet und stößt aus. Beide sind über einen Überströmkanal miteinander verbunden. Diese Arbeitsteilung ermöglicht Drücke von 50 Bar in der Brennkammer – ein herkömmlicher Benziner kommt auf drei Bar. Der Kraftstoff wird dabei erst gezündet, nachdem der Kolben den höchsten Punkt, den sogenannten oberen Totpunkt, erreicht hat. Nor- male Benziner zünden noch in der Aufwärtsbewegung – der Kolben muss dann eine kleine Wegstrecke gegen den Verbrennungsdruck arbeiten. Scuderi spricht selbst von „der bedeutendsten Neuerung des Ottomotors seit seiner Erfindung“. Derzeit verhandele man mit einigen Herstellern bereits auf Vorstandsebene über eine mögliche Lizenzierung, sagt Eisenbeis.

Solche Gespräche seien auch bei ihm „sehr konkret“, sagt Herbert Hüttlin, Erfinder des Hüttlin-Kugelmotors. In dem exotischen Aggregat bewegen sich die Kolben nicht auf und ab wie in klassischen Verbrennern – sie drehen sich in einem kugelförmigen Alu-Gehäuse permanent kreisförmigum eine Achse. Dabei wird wie sonst auch Kraftstoff angesaugt, verdichtet, gezündet und wieder ausgestoßen. Abgesehen von 30 Prozent weniger Benzindurst und besten Emissionswerten punkte der Motor vor allem durch seine einfache Bauweise: Im Gegensatz zu einem Vierzylinder-Ottomotor mit rund 240 Komponenten besteht der Kugelmotor aus lediglich 63 Bauteilen. „Gegen die etablierten Motoren wird es jedes alternative Antriebskonzept schwer haben“, sagt Thomas Schlick, Automobil- experte bei der Unternehmensberatung Roland Berger Strategy Consultants. Vor allem neue und teure Produktionsabläufe erschwerten eine Markteinführung. Ganz chancenlos sehe er die Newcomer aber nicht.

Insbesondere als Range Extender könnte die eine oder andere Alternative zum herkömmlichen Ottomotor oder Diesel künftig ihre Nische finden, schätzen Experten. Die kleinen Hilfsmotoren sollen dem Elektroauto in den nächsten Jahren auf die Sprünge helfen. Denn zum einen grassiert bei den der- zeit dürftigen Reichweiten von maximal 150 Kilometern mo- mentan noch die Angst vor dem vorzeitigen Liegenbleiben mit leerer Batterie, zum anderen sind die Energiespeicher mit Preisen um die 10 000 Euro auch noch sehr teuer. Die Range Extender – zu Deutsch „Reichweitenverlängerer“ – sollen hier Abhilfe schaffen: Sie erlauben den Einbau von kleineren und damit billigeren Batterien und springen immer dann ein, wenn deren Ladung zur Neige geht. Allerdings nicht als Hauptantrieb, sondern nur als Teilzeit-Stromlieferant für den Elektromotor. Doch wie genau soll der ideale Range Extender aussehen? Im Opel Ampera (siehe Seite 60) arbeitet noch ein normaler Vier- zylinder aus dem Regal. Dabei muss ein Hilfsmotor ganz ande- ren Anforderungen genügen als ein Hauptantrieb – er soll vor allem klein, kompakt, leise und vibrationsarm sein. Teure Raf- finessen wie Turboaufladung oder variable Ventilsteuerung sind hingegen überflüssig. Sie dienen nämlich vor allem dazu, Verbrenner vom Standgas bis zum Vollgas gleichermaßen effizient und munter zu machen.

Range Extender können dagegen konstant im Bereich ihres besten Wirkungsgrades betrieben werden, um die Fahrt kümmern sich schließlich Elektromotoren. Neben Hüttlin, der seinen Kugelmotor mit integriertem Generator als Range-Extender-Variante auf der IAA vorstellte, zeigten die Automobilzulieferer Mahle und Kolbenschmidt Pierburg (KSPG) in Frankfurt unabhängig voneinander zwei speziell entwickelte Range Extender. Beim 30-Kilowatt-Aggregat, das KSPG gemeinsam mit FEV Motorentechnik konstruiert hat, sind zwei Zylinder V-förmig angeordnet. Dadurch ist es so kompakt, dass alle Komponenten – bis auf Tank und Kühler – in einen Rahmen passen, der laut Pischinger auch in der Reserveradmulde Platz findet. Künftig sei auch eine modulare Variante denkbar, die man kurzerhand ein- bauen kann, wenn eine längere Strecke gefahren werden soll. Der Hamburger Unternehmer und Umrüster Sirri Karabag hat für Anfang 2012 gar einen Range Extender im Koffer an- gekündigt, der samt aller Nebenaggregate nur rund 60 Kilogramm wiegen soll. Nähere Details nennt er aber noch nicht. Mahle arrangiert die beiden Zylinder seines Range Extenders hingegen in einfacher Reihenbauweise. So fällt der Motor zwar etwas größer aus, soll aber ruhiger laufen als bei der Konkurrenz. Das 70-Kilo-Aggregat mit 0,9 Litern Hubraum hat zwei Hauptbetriebspunkte: Soll die Batterie im Stand geladen werden, gibt der Motor 15 Kilowatt ab, während der Fahrt 30.

Die geänderten Anforderungen geben auch totgeglaubten Konstruktionen eine Chance. So setzt Audi in seinem Konzeptfahrzeug A1 e-tron einen Wankelmotor ein. Der habe zwar leichte Verbrauchsnachteile, sagt Axel Eiser, Leiter der Aggregate-Entwicklung bei Audi, sei dafür aber leiser und kompakter. Spektakulär, aber schon wieder verworfen, war auch Jaguars Plan, die Elektrosportler-Studie C-X 75 mit zwei kleinen Gasturbinen auf 900 Kilometer Reichweite bringen zu wollen. Jetzt erfüllt den Zweck ein konventioneller Kolbenmotor. Der Kauf von Anteilen am britischen Turbinenhersteller Bladon Jets zeigt aber, dass man die Idee bei Jaguar offenbar weiterverfolgen will. Cornel Stan, Leiter des Forschungs- und Transferzentrums der Hochschule Zwickau, hat einen ganz anderen Favoriten für die Rolle des Range Extenders: den Stirlingmotor (siehe TR 2/2010, S. 48). Bei ihm wird ein Kolben nicht durch eine Verbrennung innerhalb des Zylinders bewegt, sondern durch Wärme von außen. „Stirlingmotoren haben einen doppelt so hohen Wir- kungsgrad wie herkömmliche Verbrenner“, erklärt Stan. Zu- dem arbeiten sie nicht nur mit flüssigem Kraftstoff, sondern auch mit Metallpulver oder Biomasse.

Dass solche Exoten die klassischen Hubkolbenmotoren ablösen werden, glaubt zumindest Klaus Hensen, Europa-Manager Sales and Engineering beim Zulieferer Mahle Powertrain, aber nicht: „Die wurden über Jahrzehnte optimiert, andere Systeme müssen ihre Alltagstauglichkeit erst noch beweisen.“ Roland-Berger-Berater Schlick möchte sich mit einer Prognose zurückhalten, erwartet aber in jedem Fall für die kommenden Jahre ein spannendes Rennen: „Die Neuentwicklungen machen den konventionellen Otto- und Dieselmotoren in jedem Fall Konkurrenz – und die spornt zu weiteren Höchstleistungen an.“

(grh)