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24h Le Mans
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Die Hybridtechnik im Toyota TS030: Mit Superkondensatoren zum LeMans-Erfolg

Der Sportwagensport hat Peugeot verloren - aber glücklicherweise Toyota gewonnen, die nach 12 Jahren Pause wieder zum 24h-Rennen in Le Mans zurückkehren. Die Japaner setzen beim Neustart voll auf die Karte Hybrid - Superkondensatoren sollen die Konkurrenz schocken.

Der Zeitpunkt des Einstiegs von Toyota in den Langstreckensport hätte wohl kaum besser gewählt werden können: Die Tatsache, dass Aussteiger Peugeot, Dauer-Krösus Audi und Neueinsteiger Toyota für 2012 alle mit dem Einsatz von Hybrid-Systemen planten, ist ein deutliches Indiz dafür, dass man ohne Effizienzsysteme nicht mehr siegfähig ist. Natürlich spielen Motor, Getriebe, Aerodynamik, Fahrwerk oder Team-Performance nach wie vor eine große Rolle - doch das Reglement für 2012 favorisiert Hybridtechnik und macht sie offensichtlich zum zentralen Mosaikbaustein für Erfolg.

Hybridtechnik als Performance-Tool

Und weil Toyota Weltmarktführer in Sachen Hybridtechnik ist, sollten sich die Gegner warm anziehen. Nicht wenige trauen den Japanern 2012 sogar einen Kantersieg beim 24h-Rennen in Le Mans zu. Sind diese Vorschusslorbeeren berechtigt oder einfach voreilig? Es passt ins Bild, dass die neue Le-Mans-Waffe Toyota TS030 den Zusatz Hybrid stolz im Namen trägt und die Japaner ihre Präsentation bewusst um das Thema Hybrid herumgestrickt haben. Abseits ausgetrampelter Marketingpfade gibt es gute Gründe, diesen Schwerpunkt zu favorisieren: Das Reglement setzt der Nutzungshäufigkeit der Hybdridsysteme pro Runde keine Grenzen und ist auch ansonsten reichlich vage: „Die Langstrecken-Kommission kann die Performance von Hybrid-Autos anpassen, sollten diese Fahrzeuge mit einer deutlichen Rundenzeitenverbesserung aufwarten.“ Damit nimmt das Reglement schon vorweg, um was es geht: Hybridtechnik wird 2012 ganz stark ein Performance-Tool und wohl erst ab 2014 auch ein echtes Effizienz-Werkzeug.

Toyota nutzt Superkondensatoren als Energiespeicher

Während Peugeot beabsichtigte, mit einem aus der F1 abgeleiteten Batteriesystem zu starten und Audi auf den Schwungmassenspeicher setzt, geht Toyota einen anderen Weg: Die beim Bremsen aufgenommene Energie wird mittels Superkondensatoren gespeichert - eine Entwicklungsrichtung, die bereits 2006 entschieden wurde. Vom Aufbau her besteht ein Kondensator aus zwei leitenden Elektroden, die durch ein Dielektrikum voneinander isoliert sind. Zwischen den beiden Elektroden bauen sich beim Anlegen einer Spannung elektrische Felder auf. Bedingt durch diese Felder erfolgen auf den Elektroden Ladungsverschiebungen. Die Krux: „Im Vergleich zu Batterien sind Superkondensatoren leichter“, erklärt Hybrid-Projektleiter Hisatake Murata. „Zudem können wir auf den Einsatz von raren Materialien wie Lithium verzichten. Auch können die Super-Capacitors die Energie schneller aufnehmen und schneller wieder abgeben als gewöhnliche Batterien.“ Superkondensatoren verbinden hohe Leistung mit geringem Volumen - ideal für den Einsatz im Motorsport.

Etwas enttäuscht zeigt sich Murata über die Entscheidung der Regelmacher, die maximale Speichermenge auf 500 kJ zu begrenzen, was seine jetzt präsentierte Lösung offenbar leicht unterfordert, die für die ursprünglich angedachte Speicherkapazität von 1 MJ ausgelegt ist. Murata verschweigt nicht, dass Performance die entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Renn-Hybrids spielt: „Mein Ansatz ist ein starker Hybrid mit hoher Leistung für hohe Fahrzeug-Performance.“ Der verächtlich klingende Nachsatz zielt auf den ACO: „500 kJ hat jedoch eher wenig mit hoher Fahrzeug-Performance zu tun.“ Das im Toyota eingesetzte Hybridsystem taugt sowohl für Mehrleistung als zum Spritsparen. Die Fahrer können die Zielvorgaben für den Hybridmanager per Mapping verstellen.

Die Achs-Wahl der Rekuperation ist offen

Auf die Frage, ob der Toyota TS030 die Rundenzeitenvorgabe des Le-Mans-Veranstalters von 3.30 Minuten unterbieten kann, antwortet Murata mit einem klaren „Ja“. Und dies, obwohl die Japaner noch nicht einmal entschieden haben, an welcher Achse sie die Energie aufnehmen und wieder abgeben wollen. Beide Varianten bieten Vorzüge und Nachteile: Die Vorderachs-Rekuperation macht den LMP1 zum potenziellen Allradler, weshalb die Energie erst ab einer Geschwindigkeit von 120 Stundenkilometer wieder abgegeben werden darf - also nur bei Geradeausfahrt. Als Vorteil fallen über 50 Prozent der Bremsleistung eines LMP1-Prototypen an der Vorderachse an. Bei der Hinterachs-Rekuperation gibt es zwar kein Tempolimit für die Einspeisung, doch die Traktion und der Reifenverschleiß könnten an ihre Grenzen geraten. Ein Vorderachshybrid bringt Einbußen bei der Aerodynamik, ein Hinterachshybrid könnte die Gewichtsverteilung negativ beeinflussen.

Im Moment kreist die Testarbeit der Japaner um diese Fragen. Laut Reglement muss sich Toyota 30 Tage vor dem ersten Renneinsatz in Spa am 5. Mai entschieden haben. Eng verbunden mit der Spezifikation des Hybridantriebs sind Themen wie Schwerpunkt, Gewicht und Gewichtsverteilung: „Wir wollen das Limit von 900 Kilo einhalten“, sagt Murata. „Ohne Hybridsystem liegt das Auto zwischen 750 und 800 Kilo. Die Differenz geht hauptsächlich auf die Hybridkomponenten und zu einem kleineren Teil auf das mitgeführte Ballastgewicht.“ Die Super-Capacitors sind rechts neben dem Fahrer im Innenraum platziert - also möglichst nahe am Schwerpunktzentrum des Fahrzeugs. „Da richten sie den geringsten Schaden bei der Gewichtsverteilung an“, erläutert Murata.

Toyota profitiert von der F1-Erfahrung

Die Konzentration von Toyota auf das Thema Hybrid ist nicht gleichzusetzen mit einer Vernachlässigung anderer Kernaspekte. „Die Aero-Balance und die mechanische Balance sind schon jetzt sehr gut“, bilanziert Werksfahrer Alex Wurz. „Das ist auch nicht verwunderlich, denn die Motorsportabteilung TMG in Köln verfügt über eine hervorragende Infrastruktur und über sehr gute Simulations- und Design-Software.“ Dabei profitieren die Japaner aus Köln noch heute von ihrer F1-Erfahrung aus den Jahren 2002 bis 2009, wenngleich sich Details des Entwicklungsprozesses verschoben haben, wie Technikdirektor Pascal Vasselon erklärt: „Natürlich hat ein LMP andere Laufleistungsziele als ein Formel 1-Auto, aber das war eine einfache Anpassung. Der Prozess bei Design und Bau der LMP1-Wagen ist eine direkte Ableitung aus der F1-Zeit. Auch die Arbeit an der Aerodynamik folgt den gleichen Grundsätzen wie in der Formel 1. Die Stufen der Entwicklung - erst CFD-Berechnung, dann Windkanaltests mit Modellen und schließlich Full-Scale-Tests - sind identisch. Die größte Änderung bei den internen Abläufen bestand in der Prüfstand-Laufzeit: Ein F1-Getriebe wurde vor dem Roll-Out auf dem Prüfstand über 3.000 Kilometer getestet, für das LMP1-Auto sind es jetzt aber 10.000 Kilometer.“

Auch die Herangehensweise an die Testphase hat sich laut Pascal Vasselon mit Ausnahme der Laufzeitenvorgaben kaum verändert. „Vor dem ersten Test haben wir per Simulation Fahrwerksdaten wie Dämpfereinstellungen simuliert. Vor Ort in Paul Ricard haben wir dann festgestellt, dass diese Simulationswerte nahezu perfekt gepasst haben. Fahrzeugdynamik ist eben eine Wissenschaft - und die bleibt gleich, egal, ob man F1 oder LMP1 macht.“ Im Unterschied zum legendären Toyota GT One von 1998 und 1999, der mit Hilfe von Dallara gebaut wurde, entstand der TS030 Hybrid fast komplett in Köln. Für das Chassis und die Aerodynamik zeichnet der ehemalige F1-Designer John Litjens verantwortlich. 86 Prozent aller verwendeten Karbon-Teile wurden bei TMG in Köln gefertigt.

3,4-Liter-V8-Motor ist eine Neuentwicklung

Der 3,4-Liter-V8-Motor ist eine vollständige Neuentwicklung und weist keine Verwandtschaft mit dem vom Rebellion-Team eingesetzten Kundenmotor gleichen Hubraums auf. Das neue Triebwerk ist vielmehr 20 Kilogramm leichter als der Toyota-Kundenmotor. Wenn die Japaner überhaupt ein Selbstzweifel beschleicht, dann freilich genau beim Thema Motor. Nicht, dass man kein Zutrauen in die eigenen Fähigkeiten hätte. Doch das Thema Balance of Performance zwischen Diesel- und Benzinmotoren sorgt nach wie vor für viele Fragezeichen, wie Pascal Vasselon zugibt: „Man muss das Thema Hybrid vom Thema der Motoreinstufung trennen. Die Hybridbestimmungen sind für alle gleich, bei den Motoren gibt es aber Unterschiede zwischen Diesel und Benziner. Der ACO hat über den Winter einen Schritt in die richtige Richtung gemacht, doch das Entwicklungspotenzial beim Diesel war in den letzten Jahren immer höher als gedacht. Und natürlich fragen wir uns heute schon, wie hoch das Steigerungspotenzial der Diesel-Technik für die Saison 2012 ausfällt. Das ist bisher noch nicht klar.“

Toyota verschiebt Saison-Auftakt

Der neuen Hybridrenner Toyota TS030 sollte bereits beim Sechs-Stunden-Rennen von Spa-Francorchamps antreten, doch ein Unfall bei Testfahrten auf der Rennstrecke Paul Ricard verhindert das Renndebüt. Toyota Racing hat die Veranstalter der FIA Langstrecken-Weltmeisterschaft darüber informiert, dass sich das Saison-Debüt des Teams bis zum 24h-Rennen in Le Mans verschiebt. Bis dahin soll ein neues Monocoque für den Toyota TS030 Hybrid bereitstehen.

Autor

Foto

Toyota

Datum

9. April 2012
Dieser Artikel stammt aus Heft sport auto 03/2012.
Hier finden Sie alle Artikel dieser Ausgabe im Überblick.
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