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Ottomotor Neuer Schub für den Otto

| Redakteur: Jan Rosenow

Während moderne Dieselmotoren weitgehend einheitlich aufgebaut sind – mit direkter Einspritzung, Vierventiltechnik, Turboaufladung – stehen die Ottomotoren gerade am Anfang der technischen

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Während moderne Dieselmotoren weitgehend einheitlich aufgebaut sind – mit direkter Einspritzung, Vierventiltechnik, Turboaufladung – stehen die Ottomotoren gerade am Anfang der technischen Aufrüstung.

Noch hat sich die Branche nicht für eine Standardbauweise des Ottomotors entschieden. Entsprechend bunt ist das Angebot Kraftstoff sparender Techniken. Geregelte Ladungsbewegung, direkte Einspritzung, flexible Aufladung, intelligente Ventilsteuerung, Doppelzündung, Zylinderabschaltung, elektrisch angetriebene und bedarfsgerecht geregelte Nebenaggregate: Alles ist schon in Serie, aber noch ausbaufähig. Allein der strahlgeführten direkten Einspritzung mit Piezoinjektor traut Siemens künftig 20 Prozent Einsparpotenzial zu. Dies gilt aber nur für großvolumige Motoren, die vorwiegend unter Teillast betrieben werden. Bei kleineren Aggregaten ist das Sparpotenzial dieser Technik – die übrigens in diesem Sommer bei mehreren OEM in Serie geht – etwas geringer.

Doch es gibt andere, nicht minder effektive Alternativen. Fast schon simpel ist das Twinport-Prinzip, das die Opel-Vierzylindermotoren bis 1,6 Liter Hubraum nutzen. Schaltbare Lufteinlasskanäle steuern die Ladungsbewegung im Brennraum und sparen bei relativ geringem Aufwand bis zu sechs Prozent Kraftstoff ein.

Mit noch einfacheren Systemen zur Ladungsregelung beschäftigt sich die AVL. Eine Idee sind Kunststoffschieber, die das AGR-Ventil und das AGR-Verteilsystem ersetzen. Darüber hinaus experimentieren die Grazer mit variablen AGR-Massenströmen und der Rücksaugung von Abgas. Heute schon haben besonders die japanischen Ottomotoren – teilweise bis hinunter zu den Dreizylinder-Basisaggregaten – variable Ventiltriebe. Deren verstellbare Nockenwellen variieren die Ventilöffnungszeiten bis hin zu Überschneidungen der Steuerzeiten und verbessern somit die Gemisch- und Abgasführung. Außerdem kombinieren Toyota, Honda, BMW, Porsche und demnächst Nissan die verstellbaren Nockenwellen ausgesuchter Motoren zusätzlich mit einer Ventilhubsteuerung, die die Öffnung der Einlassventile verändert.

Moderne variable Ventiltriebe sparen bis zu zehn Prozent Kraftstoff ein. Elektromechanische und elektrohydraulische Ventiltriebe sind zwar in der Entwicklung, ihre Serienreife ist in diesem Jahrzehnt aber noch nicht absehbar. Mit einem variablen Ventiltrieb lassen sich Zylinder zudem einfach abschalten. Honda legt im Schiebebetrieb bis zu drei der vier Zylinder des Verbrennungsmotors im Civic-Hybrid still, sodass geringere Pumpverluste den Wirkungsgrad verbessern.

DaimlerChrysler nutzt ein ähnliches System, um im Teillastbetrieb eine Zylinderbank der V8- und V12-Motoren abzukoppeln. „Vor allem in großvolumigen Motoren erzielt die Zylinderabschaltung einen Verbrauchsvorteil von sieben bis zwölf Prozent“, sagt Prof. Dr. Fritz Indra, ehemaliger Motoren-Entwickler bei Audi, Opel, GM und ein überzeugter Ottomotor-Befürworter. „Es ist die mit Abstand beste Technik bezüglich Verbrauch und Kosten.“ Andere Experten sind da vorsichtiger, da die aufwändige Mechanik ihren Preis hat und die Umschaltvorgänge akustische und mechanische Probleme verursachen.

An der Aufladung forschen die Entwickler ebenfalls mit Hochdruck. Primär spart sie zwar keinen Kraftstoff, sondern dient der Leistungssteigerung. Andererseits ermöglichen die hohen Mitteldrücke (mehr als 25 bar) in Verbindung mit einem reduzierten Hubraum und eventuell weniger Zylindern (= weniger Reibleistung und Gewicht) aber einen Minderverbrauch von 20 bis 25 Prozent bei gleicher Leistung. Dieses Downsizing erfordert aber schon bei geringen Drehzahlen ein hohes Drehmoment, um das Hubraumdefizit auszugleichen.

VW ist vorgeprescht mit seinem 1,4-Liter-Twincharger-Motor und setzt erste Duftmarken. Leistung und Drehmoment haben das Niveau eines Zwei- bis Zweieinhalb-Liter-Saugmotors, aber ihr Verbrauch liegt um etwa 20 Prozent darunter. Die VW-Techniker erreichten dies mit zwei Ladern: einem kleinen Kompressor, der das berühmte Turboloch stopft, aber bei höheren Drehzahlen wieder abgekoppelt wird. Dann tritt ein Turbolader in Aktion, der gezielt auf hohen Abgasdurchsatz getrimmt ist.

Das gleiche zweistufige Konzept ist auch mit einem elektrischen Lader für das untere Drehzahlniveau denkbar. Borg Warner hat einen solchen E-Lader vorgestellt, der in nur 0,3 Sekunden etwa 1,3 bar Ladedruck aufbaut. Vorteil: Er kann unabhängig vom Motorzustand geregelt werden und so den Motor schnell mit Luft versorgen. Allerdings nur für einige Sekunden, denn 2,4 kW Dauerleistung würden das Bordnetz zusammenbrechen lassen. Hier sind noch neue Energiestrategien zu entwickeln.

Zusammen mit Porsche ist Borg Warner einen anderen Weg gegangen und hat – vermutlich die zukunftsträchtigste Technik – den herkömmlichen Turbolader optimiert. Der arbeitet bisher in Ottomotoren nur ohne verstellbare Turbinengeometrie, da die hohe Abgastemperatur von etwa 1 000 °C – das ist etwa 200 Grad heißer als das Dieselabgas – jedem Verstellmechanismus den Garaus macht.

Mit neuen Materialien aus der Raumfahrttechnik und viel Feinschliff an den Toleranzen des Verstellmechanismus hat Porsche im neuen 911 Turbo den VTG-Lader standfest gemacht. Lohn der Pionierarbeit: 14 Prozent mehr Leistung und neun Prozent mehr Drehmoment, das zudem in einem erheblich breiteren Drehzahlband abrufbar ist. Eine kostengünstigere Alternative empfiehlt Prof. Dr. Fritz Indra. „Ein integrierter Auspuffkrümmer, der streckenweise wassergekühlt ist, kann die Abgastemperatur um etwa 50 °C senken.“ Das würde schon reichen, den werkstofftechnischen Aufwand für den variablen Lader beträchtlich zu reduzieren.

Eine weitere Ladetechnik ist zwar hoffnungsvoll gestartet, ihre Entwicklung derzeit aber ins Stocken geraten: die Impulsaufladung. Statt einer Drosselklappe regelt ein Lufttaktventil die Luftzufuhr und bringt durch bessere Zylinderfüllung ein beträchtlich höheres Drehmoment fast über den gesamten Drehzahlbereich.

Glaubt man den Entwicklern, scheint das in der Praxis gut zu funktionieren und bis zu zehn Prozent Kraftstoff zu sparen. Aber: Die Automobilhersteller müssen für diese Technik wohl massiv in die Motorkonstruktion eingreifen. Da sie (derzeit) dazu nicht bereit sind, liegen laut Mann+Hummel die eigenen (Vor-)Entwicklungsprojekte und wohl auch die der Wettbewerber auf Eis.

Die Elektronik des Ottomotors ist die dritte große Aufgabe der Entwickler. Etwa in der Zündanlage: Zwei Zündkerzen pro Brennraum mit sequenzieller Doppelzündung sparen bis zu fünf Prozent Kraftstoff – sind aus Platzgründen aber bei Vierventilmotoren meist nicht möglich. Weitere fünf bis zehn Prozent Einsparung bringt ein ausgefeiltes Thermomanagement des Ottomotors. Wird der Motor nach dem Kaltstart und im Leerlauf nur minimal gekühlt, erreicht das Aggregat schnell die optimale Betriebstemperatur. Dafür ist eine elektrisch geregelte Kühlmittelpumpe erforderlich, die bedarfsgerecht Kühlleistung bereitstellt und gleichzeitig eine geringere Aufnahmeleistung als eine per Riemen angetriebene Pumpe hat. Laut Pierburg steuert sie weitere drei Prozent zur Verbrauchssenkung bei.

Dasselbe Prinzip wendet Pierburg bereits bei der Wasserkühlung von Turboladern an und kann damit nach eigenen Angaben bis zu einem halben Liter Kraftstoff pro 100 Kilometer sparen. Auch Ölpumpen hat Pierburg auf elektrischen Antrieb umgestellt und die Verlustleistungen reduziert – vor allem in höheren Drehzahlbereichen.

Ein weiteres Nebenaggregat, das durch die Elektrifizierung weniger Energie verbraucht, ist die Lenkunterstützung. Bisher vor allem in Klein- und Kompaktwagen eingesetzt, beweist der VW Passat, dass die elektrische Lenkung auch die Mittelklasse erobern kann. Die zunehmende Elektrifizierung ist allerdings nur möglich, da die Generatoren immer leistungsfähiger werden.

Moderne Exemplare – etwa von Bosch – liefern 3,5 kW Leistung, obwohl ihr Energiehunger im Vergleich zu ihren Vorgängern vor etwa zehn Jahren um ein Zehntel abgenommen hat. Verlegt man die Energieerzeugung zudem in die Schub- bzw. Bremsphasen des Fahrzeuges, eine Idee von BMW, schmilzt der Verbrauch wieder um einige Prozentpunkte ab. Denn der Motor muss beim Beschleunigen nicht mehr gegen den elektrischen Widerstand der „Lichtmaschine“ andrehen.

In der Hybridisierung der Ottomotoren liegt weiteres Sparpotenzial, über das »AI« regelmäßig berichtet. Und für die Motormechanik prognostizieren Experten durch eine weitere Verminderung der Reibleistung und dünnflüssigere Motoröle noch ein Sparpotenzial von 10 bis 15 Prozent.

Den Entwicklern fehlen allerdings noch ein oder mehrere Technikpakete, die – ähnlich wie beim Diesel – Kraftstoffersparnis, Kosten und fühlbaren Kundennutzen unter einen Hut bringen. Eine simple Aufaddierung der Spareffekte verschiedener Techniken ist nicht statthaft. Unverträglichkeiten, Package- und Kostengründe verbieten die gleichzeitige Integration in den Ottomotor.

Mehrere OEM setzen auf die Kombination von direkter, strahlgeführter Einspritzung mit Turboaufladung, da sie ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis hat und vermutlich den Kundengeschmack treffen wird. Womit wir beim Knackpunkt wären: Letztlich entscheiden die Autofahrer über den Markterfolg.

Jürgen Goroncy

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