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Downsizing Verbrennungsmotoren

Wieviel Sparpotenzial bieten sie noch?

Mercedes Achtzylinder-Motor Foto: Mercedes 11 Bilder

In Verbrennungsmotoren steckt noch viel Sparpotenzial, wie die neue Benziner-Generation bei Mercedes zeigt: Welche technischen Möglichkeiten bei der Weiterentwicklung des klassischen Antriebskonzepts gibt es noch?

09.12.2010 Joachim Deleker

Downsizing - die Schrumpfkur für Motoren - wird zumeist in Zusammenhang mit kleinen Drei- und Vierzylindern gebracht. Einige Hersteller haben in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte gemacht. Als gelungene Beispiele seien hier nur die TSI-Motoren von Volkswagen erwähnt. Aber auch am anderen Ende der Motorenpalette, bei den großvolumigen Sechs- und Achtzylindern, schlummert großes Sparpotenzial.

Mögen vor allem die V8- und V12-Motoren hierzulande als vom Aussterben bedrohte Dinosaurier gelten, verlangen die Überseemärkte - allen voran Asien - nach solchen Prestige-Triebwerken. "Das in den letzten Jahren von manchen totgesagte Premiumsegment entwickelt sich besser als erwartet", erklärte zuletzt Daimler-Chef Dieter Zetsche. Tatsächlich ist China inzwischen der größte Markt für die jeweiligen Top-Modelle BMW 7er, Audi A8 oder Mercedes S-Klasse. 

Mercedes bringt neue V6- und V8-Motoren

Höchste Zeit also, auch die großen V-Motoren einer Downsizing-Kur zu unterziehen. Die besteht zwar üblicherweise aus den Maßnahmen Hubraum-Reduzierung, Aufladung und Direkteinspritzung, aber im Falle des neuen Mercedes-V6 beließen es die Ingenieure beim bisherigen Hubraum von 3,5 Litern, weil nur so Bohrung und Hub der V6- und V8-Motoren identisch sind - ein Tribut an das modulare System, dem beide Triebwerke unterliegen.

Ein Vorteil dieses Konzepts ist die Ausbaufähigkeit, so dass eine Turboaufladung künftig durchaus möglich ist. Der V6 mit der Kennung M276 ist eine komplette Neukonstruktion, hat mit seinem Vorgänger M272 nur noch den Hubraum gemeinsam. Der Winkel der Zylinderbänke beträgt nun nicht mehr 90, sondern 60 Grad, was laut Mercedes dem Schwingungskomfort selbst ohne Ausgleichswelle zugute kommen soll.

Neue Direkteinspritzung erhöht den Wirkungsgrad und senkt den Verbrauch

Die wesentlichen Verbesserungen des neuen V6 liegen im Verborgenen: Einspritzung und Zündung. So realisiert Mercedes erstmals die Direkteinspritzung der dritten Generation, die sich dem Ideal der strahlgeführten Verbrennung weiter nähert. Die Injektoren der Common-Rail-Anlage funktionieren - wie bei der Diesel-Einspritzung schon länger genutzt - nach dem Piezo-Prinzip. Damit sind sie schneller und präziser zu steuern, ermöglichen bis zu sechs einzelne Einspritzungen pro Arbeistakt. Davon profitiert die Verbrennung, die nun in größeren Bereichen im effizienten Magerbetrieb mit Schichtladung läuft. Das erhöht den Wirkungsgrad und senkt den Verbrauch.

Dank der neuen Einspritzung sind nun vier verschiedene Betriebsarten möglich zwischen Homogenbetrieb mit Lambda 1 und Schichtladung. Egal welche Betriebsart der Bordcomputer der Einspritzanlage und Zündung auch vorgibt, stets soll der Motor kraftvoll, geschmeidig, sauber und sparsam laufen. Neben dem Common-Rail-System trägt die Mehrfachzündung zur effizienten Verbrennung bei. Innerhalb einer Millisekunde können vier einzelne Zündfunken pro Kerze ausgelöst werden. Im Zusammenspiel mit der variablen Einspritzung lässt sich die Verbrennung nun in bisher nicht bekannter Präzision steuern. Allein von diesen Optimierungen verspricht sich Mercedes eine Kraftstoffeinsparung von vier Prozent.

Mehr Leistung bei weniger Verbrauch

Weiteres Potenzial steckt in den Ansaugwegen, wo ein dreistufiges Resonanzsaugrohr die Drosselverluste reduziert. Zudem steigt die Effizienz des Triebwerks durch zahlreiche Details. Dazu zählen die Flügelzellen-Ölpumpe, die sich durch geringere Verluste auszeichnet, die bedarfsgerechte Steuerung der Motorkühlung, die hydraulische Verstellung der Nockenwellen und das anlasserunterstützte Start-Stopp-System.

Das Ergebnis all dieser Maßnahmen kann sich sehen lassen: Im kommenden Mercedes S 350 benötigt der V6 nur noch 7,6 Liter/100 km nach ECE-Norm. Der aktuelle Vorgänger genehmigt sich zehn Liter. Als willkommener Nebeneffekt steigerten die Motorenentwickler die Leistung von 272 auf 306 PS und das Drehmoment von 350 auf 370 Nm.

Achtzylinder mit der Biturbo-Aufladung und Direkteinspritzung

Noch deutlicher werden die Unterschiede zwischen alt und neu beim Achtzylinder. Der neue 4,7-Liter-V8 basiert auf dem gleich großen Motor mit 340 PS und löst sowohl diesen als auch den 5,5-Liter-Motor ab. Dank zwei Turboladern steigt die Leistung auf 435 PS und das Drehmoment auf gewaltige 700 Nm. Trotzdem soll der Motor im Mercedes CL 500 nicht mehr 12,3, sondern nur noch 9,5 Liter/100 km verbrauchen. Der V8 verfügt nach wie vor über einen Bankwinkel von 90 Grad, perfekt für seidenweichen Lauf. Trotz der unterschiedlichen Zylinderwinkel können V6 und V8 dank modularem Konzept auf einer Fertigungsstraße produziert werden.

Technische Highlights des Achtzylinders sind neben der Biturbo-Aufladung die Direkteinspritzung der dritten Generation, die kompakte zweistufige Kettensteuerung der Nockenwellen, wo zudem per Flügelzellenversteller die Öffnungszeiten der Ventile variiert werden können, sowie die bereits beim V6 geschilderten Details. Im Gegensatz zum kleinen Bruder verbrennt der V8 sein Gemisch weiterhin homogen. Das ist vor allem den Hauptabsatzmärkten in Asien geschuldet. Die flächendeckende Versorgung mit schwefelfreiem Benzin - unabdingbar für Magerbetrieb - ist dort nicht gewährleistet.

Beide Triebwerke können mit E-Motoren zu Hybriden kombiniert werden

Dank modularem Aufbau haben beide V-Motoren noch weiteres Potenzial. So kann der V6 künftig aufgeladen werden, was die Leistung steigert und den Verbrauch senkt. Der V8 würde weniger verbrauchen, wenn er die gleiche magere Gemischbildung wie der V6 bekommt. Zudem können beide Triebwerke mit E-Motoren zu Hybriden kombiniert werden.

Am anderen Ende der Downsizing-Fahnenstange trumpft Fiat mit einem Zweizylindermotor auf. Der 875 Kubikzentimeter große Kleine ist als Gleichläufer - beide Kolben laufen parallel - mit 360 Grad Zündversatz ausgelegt. Eine Ausgleichswelle hält die prinzipbedingten Massenkräfte im Zaum, und der Turbolader bläst dem Langhuber reichlich Sauerstoff in die beiden Brennräume. Die Zylindergröße von jeweils 438 ccm ist thermodynamisch ideal.

Fiat und Nissan mit neuen Downsizing-Motoren

Fiat will den Twin in drei Leistungsstufen mit 65, 85 und 105 PS zunächst im Cinquecento anbieten, später wohl auch im Panda und Punto. Als 85-PS-Variante im Fiat 500 soll er sich mit 4,1 Litern begnügen, für einen Benzinmotor ein herausragender Wert und Ergebnis diverser technischer Feinheiten wie der elektrohydraulischen Ventilsteuerung Multiair und dem Start-Stopp-System.

Genauso sparsam, aber noch kräftiger wird der erste konsequente Downsizing-Motor von Nissan, der ab 2011 im neuen Micra kommen soll. Der 1,2-Liter-Dreizylinder mit Direkteinspritzung und Kompressor-Aufladung soll nur vier Liter/100 km verbrauchen, dabei aber knapp 100 PS und 142 Nm mobilisieren. Für die vorbildliche Effizienz sorgen die Direkteinspritzung, das Arbeitsprinzip des Miller-Zyklus, die sehr hohe Verdichtung von 13:1 und ein Start-Stopp-System.

Verbrauch soll um mindestens 30 Prozent reduziert werden

Die Beispiele zeigen deutlich, dass die Entwicklung des Ottomotors noch lange nicht am Ende ist.
Der Downsizing-Prozess wird sich dank den Erfolgen in puncto Einspritztechnik, Aufladung und Reduzierung der inneren Verluste fortsetzen. Die Zulieferer Bosch, Mahle oder Valeo haben Prototypen entwickelt, die das derzeit komplette Repertoire an technischen Möglichkeiten vereinen und die Richtung aufzeigen.

In jedem Fall geht es darum, die Verluste des Verbrennungsmotors zu reduzieren, um die Effizienz zu steigern und somit den Verbrauch zu verringern. Die Zielvorgaben sind ehrgeizig: minus 30 Prozent gegenüber bisherigen Vierzylinder-Saugmotoren. Werden die schon jetzt bekannten Möglichkeiten konsequent ausgeschöpft, sind diese 30 Prozent kein Fernziel, sondern schon in wenigen Jahren realisierbar. Das beweisen auch die neuen Mercedes-V-Motoren.

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