Seite 5: Druck-Erzeugnis – Hubraum ist doch zu ersetzen

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Motorenentwickler unterscheiden zwischen effektivem und indiziertem Mitteldruck sowie dem Reibmitteldruck. Der indizierte Mitteldruck p_mi ist der über ein Arbeitsspiel gemittelte Druck, der Reibmitteldruck p_mr gibt die Verluste durch innere Reibung wieder. Entscheidend für das Ergebnis ist jedoch der effektive Mitteldruck p_me als Differenz von p_mi und p_mr. Was zunächst recht akademisch klingt, zeigt, dass hoher Druck alleine nicht genügt, sondern auch niedrige Reibung im Motor wichtig ist. Übertragen auf das Downsizing heißt das: Die Reibungsvorteile kleiner Motoren machen einen höheren effektiven Mitteldruck möglich und damit einen effizienteren Betrieb.

Unter Last sparen
Zurück zum Zusammenhang zwischen Downsizing und Turboaufladung: Um zum Beispiel einen 1,4-Liter-Motor auf das Drehmomentniveau eines 2,0-Liter-Saugmotors zu hieven, ist die Aufladung unverzichtbar. Die Alternative wäre ein Hochdrehzahlkonzept, mit dem man zwar die Leistung angleichen könnte, aber eben nicht das Drehmoment. Grundsätzlich besteht die Zielsetzung darin, mindestens dasselbe Drehmoment zu erreichen wie beim größeren Motor, das Mittel dazu ist eine Erhöhung des effektiven Mitteldrucks. Praktisch heißt das: Wenn zwei ansonsten identische Fahrzeuge mit identischer Geschwindigkeit nebeneinander her fahren, läuft der aufgeladener Downsizing-Motor unter höherer Last, mit weiter geöffneter Drosselklappe und somit geringeren Drosselverlusten. Wie beim Magerbetrieb ist also die Entdrosselung ein wesentlicher Grund für mehr Effizienz, obwohl sie hier auf einer „Lastpunktverschiebung“ beruht – also einer Verschiebung des Motorbetriebs hin zu hohen Lasten.

Downspeeding
Der vollen Nutzen dieses Effekts erschließt sich jedoch nur mit einer Getriebeübersetzung, die es erlaubt, diesen Bereich hoher Last und Effizienz möglichst oft anfahren zu können. Aus diesem Grund ist eine Kombination aus früh einsetzendem Turbolader und relativ langer Übersetzung sinnvoll – zumindest wenn Downsizing zum Sparen von Kraftstoff dienen soll. Dem Turbomotor kommt dabei zugute, dass im Vergleich zu Saugmotoren die Nenndrehzahlen in der Regel niedriger liegen und ein breites „Drehmomentplateau“ zur Verfügung steht. Für die Kombination aus Downsizing und lange Getriebeübersetzung hat sich übrigens der Begriff „Downspeeding“ etabliert.

Grenzen der Aufladung
Die Frage liegt nahe, wie weit sich das Downsizing treiben lässt. Tatsächlich ist die Formel „kleiner Hubraum = wenig Verbrauch“ zu einfach. Der Druck im Motor lässt sich zum einen nicht beliebig steigern und zum anderen setzt die Turbolader-Technik Grenzen. Der offenkundige Nachteil des Turboladers besteht darin, dass er erst bei einem bestimmten Abgasstrom so richtig an Fahrt aufnimmt. Er kann also nur genügend Luft in den Zylinder drücken, wenn er auf der anderen Seite ausreichend vom Abgas angetrieben wird. Je mehr man nun den Hubraum verkleinert, um Drehmoment und Leistung über schieren Ladedruck zu erzeugen, desto mehr stößt man an Grenzen – der Motor fällt bei niedrigen Drehzahlen in das berüchtigte Turboloch, das für einen Alltagsmotor nicht akzeptabel ist.