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Motorentechnik : Ist mehr Hubraum besser?

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Die Einliter-Maschine, zerlegt in einzelne Komponenten. Ein moderner Verbrennungsmotor besteht aus rund 2500 Teilen. Bild: Ford

Lange war mehr Leistung aus immer weniger Hubraum die wichtigste Entwicklung in der Motorentechnik. Durch neue Prüfvorschriften scheint er nun gestoppt. Stattdessen arbeiten die Ingenieure am variablem Hubraum.

          Klein, kleiner, am kleinsten. Seit etwa 20 Jahren schrumpft der Verbrennungsmotor. Wo früher ein Sechszylinder werkelten, tun es heute vier. Und in den unteren Fahrzeugklassen hat sich der Dreizylinder beinahe schon als Standardantrieb etabliert. Manch einer mag darauf hoffen, dass der Schrumpfprozess so lange fortschreitet, bis vom Verbrenner nichts mehr übrig ist. Mangels elektrischer Alternativen für die Langstrecke und den Lastentransport steht ihm jedoch noch ein langes Leben bevor.

          Dass der Trend zum „Downsizing“ ausgerechnet jetzt endet, ist die logische Folge aus sich wandelnden Gesetzen des Staates und den unveränderlichen der Physik. Wendet der Ingenieur Letztere an, so kann er die Leistung eines Verbrennungsmotors dadurch steigern, indem in geordnetem Verhältnis mehr Sauerstoff und mehr Kraftstoff in den Brennraum gelangt. Genau das hat den Durchbruch der Direkteinspritzung und der Abgasturboaufladung, zunächst beim Diesel und seit der Jahrtausendwende auch beim Benziner, ermöglicht. Die spezifischen Leistungen stiegen erheblich, 100 kW (136 PS) pro Liter Hubraum sind mittlerweile auch in Alltagsautos zu finden. In der Folge sanken Hubraum und auch die Zylinderzahl. Denn allzu klein sollte der einzelne Zylinder nicht werden, da sonst der Wirkungsgrad des Motors sinkt: Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen wird zu ungünstig, zudem steigen die Verluste durch Reibung.

          Bild: F.A.Z.

          Diese Entwicklung half Ottomotoren zunächst, die strenger werdenden CO2-Grenzwerte einzuhalten. Wenn auch die spezifische Leistung eigentlich nur für die Höchstgeschwindigkeit relevant ist, verhalten sich aufgeladene Benziner mit Direkteinspritzung in einem gängigen Prüfstandtest verbrauchsgünstiger. Der Verbrauch sinkt spürbar, wenn die Bildung des zündfähigen Gemischs nicht vor, sondern im Zylinder stattfindet und dabei sehr genau gesteuert werden kann. Zudem arbeitet ein kleiner Motor seltener bei niedriger Last, wo der spezifische, auf die Leistung bezogene Verbrauch stark ansteigt.

          Das ist relevant, weil im bis September vorgeschriebenen NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) überwiegend in solchen Betriebspunkten gefahren wird. Bei sehr hoher Leistungsabforderung haben die Kraftprotze allerdings ein Problem: Die Abgastemperaturen steigen auf Werte jenseits von 1000 Grad Celsius. Um die hinter dem Motor liegenden Bauteile, insbesondere den Turbolader, zu schützen, muss zusätzlicher Kraftstoff eingespritzt werden. Er verdunstet und senkt so die Wärmeenergie im Abgas. Der auch „Anfetten“ genannte Vorgang führt dazu, dass man die Norm-Verbrauchsangaben von Direkteinspritzern bei schneller Autobahnhatz auf das Doppelte steigern kann.

          Nun allerdings ändert die Europäische Union das Testverfahren, mit dem der Kraftstoffverbrauch neuer Fahrzeuge bestimmt wird. Seit September gilt für die Typzulassung das „Worldwide Harmonized Light-duty Test Program“, kurz WLTP (F.A.S. vom 6. August 2017). Im neuen Testzyklus werden deutlich höhere Geschwindigkeiten gefahren. Für den Motor bedeutet das: Die Betriebspunkte verschieben sich hin zu höheren Lasten und höheren Drehzahlen, also zu tendenziell ungünstigeren Verbräuchen. Dieser Effekt ist desto ausgeprägter, je höher die spezifische Leistung eines Motors ausfällt, wie die Grafik auf dieser Seite für ein anonymisiertes Mittelklassefahrzeug zeigt. Besonders ungünstig ist die Kombination eines kleinen, hoch aufgeladenen Motors mit einem schweren Fahrzeug. Das Aggregat schleppt sich sprichwörtlich mit der zu befördernden Masse ab – ein Effekt, der übrigens auch zu erhöhten Schadstoffemissionen in neuerdings vorgeschriebenen Straßentests führt.

          Sterben die hochgezüchteten Downsizing-Aggregate daher wieder aus? Manch extreme Motor-Fahrzeug-Kombination, etwa SUV mit nur drei Zylindern, dürften in der Tat vom Markt verschwinden. Da Turbolaufladung und Direkteinspritzung mit hohem Druck jedoch in weiten Kennfeldbereichen nicht nur den Verbrauch, sondern auch die Schadstoffemissionen senken, gibt es keinen Schritt zurück. Allein die eingeschlagene Richtung wird sich ändern: Noch höhere spezifische Leistungen sind nicht mehr erstrebenswert. Stattdessen kommt ein anderer Gedanke zum Tragen, auch wenn der nur mit hohem technischen Einsatz zu erreichen ist. Denn ideal wäre es, wenn man den Hubraum je nach Situation während der Fahrt ändern könnte.

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          Was zunächst nach einer verrückten Idee klingt, wird ansatzweise heute, vom Autofahrer unbemerkt, schon gemacht. Wo variable Ventilsteuerungen im Einsatz sind, können die Einlassventile geschlossen werden, bevor der Ansaugtakt beendet ist – oder auch später, wenn der Arbeitstakt schon begonnen hat. Beides verringert die effektive Verdichtung im Zylinder, die bei geschlossenem Ventil allein durch den Weg des Kolbens vom unteren zum oberen Umkehrpunkt festgeschrieben ist. Eine andere Möglichkeit, den wirksamen Hubraum bei niedrigen Lasten abzusenken, ist die Zylinderabschaltung. Durch einen Umschaltmechanismus an der Nockenwelle wird die Hälfte der Zylinder deaktiviert, wodurch die in einem effizienteren Kennfeldbereich arbeiten. Bei Achtzylindern schon weit verbreitet, nimmt der Trend zur Teilzeitarbeit nun auch bei kleineren Motoren zu. 2018 will Ford sogar den ersten Dreizylinder auf den Markt bringen, der bei sanftem Umgang mit dem Gaspedal nur zwei Zylindern aktiv lässt.

          Damit nicht genug: Immer häufiger wird auch über eine geometrische Veränderung des Hubraums während der Fahrt nachgedacht. Die Idee ist alt, schon im Jahr 2000 hatten die Techniker der mittlerweile verblichenen Marke Saab über einen Motor nachgedacht, bei dem der Zylinderkopf mechanisch vom Kurbelgehäuse weg bewegt werden konnte. Doch nun scheint es Nissan wirklich ernst zu meinen. Auf dem Wiener Motorensymposion präsentierte Nissan einen serienreifen Motor, bei dem der Kolbenweg über einen verstellbaren Hebel im Pleuel variiert werden kann. Ein hoher Aufwand, der sich vor allem dann lohnt, wenn kein zusätzlicher Elektromotor an Bord ist, der dem Verbrenner beiseitespringen kann.

          Quelle: F.A.S.

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