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CO2-Reduktion

Der steinige Weg zum klimafreundlichen Auto

CO2-Reduktion, Transparentmotor Foto: ams 12 Bilder

Der Verbrennungsmotor muss die Hauptlast zur Minderung der CO2-Emissionen tragen. Forscher blicken deshalb tief ins Innere der Verbrennungsabläufe, um sie zu optimieren.

27.05.2014 Klaus-Ulrich Blumenstock

Die EU legt den Automobilherstellern in Sachen Klimaschutz die Daumenschrauben an: Auch wenn dank Kanzlerin Merkels Intervention das Tempo beim Absenken des Flottenverbrauchs entschärft wurde, bleibt das Minderungsziel festgeschrieben: Die CO2-Emissionen sollen bis spätestens 2021 auf einen Wert von 95 Gramm pro Kilometer sinken.

Nach zähem Ringen hatte sich die EU Ende des letzten Jahres zu einem Kompromiss durchgerungen, bei dem allerdings noch nicht alle Details in Stein gemeißelt scheinen. So ergibt sich durch die „Supercredits“ für besonders abgasarme Wagen wie Elektroautos die Möglichkeit einer Mehrfachanrechung ab 2020 aufs Neuwagenflottenkonto eines Herstellers. Und wie sich der in wenigen Jahren zu erwartende weltweite Normzyklus (WLTC) auf die CO2-Emissionen auswirken wird, ist noch völlig ungeklärt.

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CO2-Reduktion Der steinige Weg zum klimafreundlichen Auto
auto motor und sport 08/2014
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Zahlreiche Technik-Bausteine

Doch längst haben Entwickler bei Autoherstellern und Zulieferern das 95-Gramm-Ziel als technische Herausforderung im Blick. Das entspräche bei Benzinern einem Verbrauch von rund drei, bei Dieseln gar nur von 2,6 Litern auf 100 Kilometern und wäre gegenüber heute eine Verbesserung um etwa 30 Prozent.

Mag eine solche Zielsetzung auch sehr ambitioniert erscheinen, Jürgen Gerhardt, Entwicklungsleiter bei Bosch, hält das 95-Gramm-Ziel für erreichbar. In den letzten Jahren wurde eine Fülle technischer Einzelkomponenten entwickelt, mit denen Kleinwagen schon heute die Messlatte unterqueren können. Auch für Kompakt- und Mittelklassewagen dürfte mit Maßnahmenpaketen bis hin zur teilweisen Hybridisierung das 95-Gramm-Ziel zu erreichen sein. Erst jenseits davon wird die Luft für Otto- und Dieselmotor dünn werden. An einer schrittweisen Elektrifizierung und vor allem an zusätzlichen verbrauchsmindernden Maßnahmen am Fahrzeugkonzept wird dann kein Weg mehr vorbeiführen.

Marktstrategen prognostizieren in Europa für das Jahr 2020 einen 50:50-Anteil für Benzin- und Dieselmotoren. Also müssen beide Konzepte ihren Beitrag zur Verbrauchssenkung leisten. Wirkungsvollstes und damit zentrales Rezept ist hierbei das Motoren-Downsizing. Dahinter steht die Erkenntnis, dass Verbrennungsmotoren ihren besten Wirkungsgrad erzielen, wenn man ihren Hauptbetriebsbereich hin zu höherer spezifischer Leistung verschiebt. Das bedeutet mittelfristig hubraumkleinere Motoren, die im höheren Lastbereich laufen müssen. Betreibt man die Hubraumverringerung mit weniger Zylindern, werden auch Reibungs- und Wärmeverluste kleiner. Das verringerte Leistungspotenzial kleinerer Hubräume wird über eine erhöhte Luftzufuhr mittels Turbolader ausgeglichen. Aufladung wird somit mehr und mehr elementarer Bestandteil des Downsizing.

Effizienz durch Direkteinspritzung

Beim Diesel längst Standard, führt der Pfad der Effizienz auch beim Benziner zur Direkteinspritzung. Sie erweist sich als ideal für effektives Downsizing. Denn mit dem eingespritzten Kraftstoff lässt sich eine gute Kühlung der verkleinerten Brennräume erzielen und zudem eine effektive Zylinderspülung ohne Kraftstoffverluste beim Ladungswechsel. So sind schon bei niedrigen Drehzahlen gute Drehmomentwerte zu erzielen, wie man sie vom Diesel kennt.

Doch auch dessen Möglichkeiten sind noch nicht ausgereizt: Höherer Ladedruck kombiniert mit Einspritzdrücken bis 2.500 bar verspricht weitere Optimierung in Leistungsausbeute und Verbrennungsqualität.

Bei großvolumigen Motoren keine neue Idee, praktiziert Zylinderabschaltung zeitweiliges Downsizing. VW macht so sogar den 1.4 TSI zum Teilzeit-Zweizylindern und spart rund 0,4 Liter Sprit auf 100 km ein, in moderater Konstantfahrt sogar mehr.

Präzision bis ins Detail

Einsparpotenzial verbirgt sich auch dort, wo Drosselklappen und Ventile die Beatmung des Motors behindern und seine Effizienz schmälern. Es gilt daher, den Kompromiss fester Ventilsteuerzeiten aufzulösen und sie an unterschiedliche Last- und Drehzahlpunkte anzupassen.

Konzepte wie die BMW-Valvetronic oder Univalve von KS variieren zudem den Ventilhub. Das entdrosselt den Ladungswechsel weiter, kann so mittelfristig die Drosselklappe überflüssig machen und zu Verbrauchseinsparungen im einstelligen Prozentbereich beitragen. Zukunftsmusik ist eine zylinderselektive, vollelektrische Ventilsteuerung, ein komplexer und daher teurer Technikschritt. Das gilt auch für eine variable Ventilsteuerung beim Diesel, die dort primär für die Auslassventile eingesetzt werden soll, um so eine höhere Abgastemperatur für schnelleres Aktivieren der Abgasnachbehandlung zu erzielen.

Überhaupt ist es bei der weiteren Optimierung des Verbrennungsprozesses oberstes Gebot, die Präzision der Abläufe weiter zu verbessern und Toleranzen einzuengen. Beim Dieselmotor werden wir daher zunehmend Glühkerzen erleben, die zugleich als Drucksensoren während der Verbrennung agieren. Nur so wird zusammen mit schnellen Prozessoren die vorgelagerte präzise Steuerung künftig gelingen.

Erdgas verspricht nachhaltiges Potenzial

Neben den genannten Kernthemen flankieren allerdings weitere Technik-Bausteine die Optimierung des Verbrennungsmotors. Dazu gehört ein ausgeklügeltes Thermomanagement, ein Generator, der zum Laden der Batterie primär den Schubbetrieb nutzt, sowie bedarfsabhängig elektrisch angesteuerte Nebenaggregate wie Öl- und Kühlmittelpumpe, Klimakompressor oder Servolenkung – Elemente, die in neue Modelle längst eingeflossen sind. Und selbst reibungsoptimierte Kolbenringe oder Nadellager liefern ihren kleinen, aber nicht unwichtigen Beitrag zur CO2-Minderung.

Nachhaltiges Potenzial zum Erreichen der Klimaziele verspricht auch der Umstieg auf Erdgas. Dank seiner günstigen chemischen Struktur lässt sich mit dem Alternativkraftstoff bei vergleichbarer Motorleistung bis zu 25 Prozent des CO2 einsparen.

Denn eins ist klar: Bei 95 g/km wird es nicht bleiben, es wird bereits über schärfere Grenzwerte diskutiert. Ohne nachhaltige Ressourcennutzung werden die kaum zu erreichen – und für den Kunden auch nur schwer zu finanzieren sein.

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