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Sprit-Spartechnologien

So werden Verbrenner verbrauchsärmer

Spartechnologien, Elektro, Hybrid Foto: VW 8 Bilder

Der nächste Grenzwert für die Minderung der CO2-Emissionen steht fest: 95 Gramm pro Kilometer. Auf dem Weg dorthin bedienen sich Autohersteller verschiedener technischer Kniffe. Wir zeigen Ihnen, wie die Industrie dem Verbrennungsmotor das Sparen beibringt.

04.06.2014 Klaus-Ulrich Blumenstock Powered by

Die EU legt den Automobilherstellern die Daumenschrauben an: CO2-Emissionen sollen spätestens 2021 auf 95 Gramm pro Kilometer sinken. Dabei soll die Mehrfachanrechnung, zum Beispiel sogenannte „Supercredits“ für emissionsfreie Elektroautos, ab 2020 helfen, das Flottenverbrauchskonto eines Herstellers aufzuhübschen. Und wie sich der in wenigen Jahren zu erwartende weltweite Normzyklus (WLTC) auf die CO2-Emissionen auswirken wird, bleibt ungeklärt.

Kleinwagen sowie Kompakt- und Mittelklasse ohne Verbrauchs-Probleme

Doch längst verstehen Entwickler das 95-Gramm-Ziel als technische Herausforderung, die gegenüber heute eine Verbesserung um etwa 30 Prozent bedeutet. Längst stehen technische Komponenten bereit, mit denen zumindest Kleinwagen das 95-Gramm-Ziel schon erreichen. Auch für Kompakt- und Mittelklassewagen dürfte mit Maßnahmenpaketen bis hin zur Teilhybridisierung dieses Ziel erreichbar sein. In höheren Gewichtsklassen kommt der Verbrennungsmotor an einer schrittweisen Elektrifizierung und an zusätzlichen verbrauchsmindernden Maßnahmen im Fahrzeugkonzept wohl kaum vorbei.

Jedenfalls müssen sowohl Benziner als auch Dieselmotor noch sparsamer werden. Wirkungsvollstes und damit zentrales Rezept ist das Downsizing. Denn Verbrennungsmotoren erzielen ihren besten Wirkungsgrad, wenn man ihren Hauptbetriebsbereich hin zu höherer spezifischer Leistung verschiebt. Das führt zu hubraumkleineren Motoren – auch mit weniger Zylindern –, die im höheren Lastbereich laufen müssen. Dies verringert auch die anteiligen Reibungs- und Wärmeverluste. Das Hubraumdefizit wird per Aufladung ausgeglichen, wodurch der Turbolader zum elementaren Bestandteil des Downsizing-Konzepts wird.

Beim Diesel längst Standard, führt das Effizienzstreben auch beim Benziner zur Direkteinspritzung. Denn mit dem eingespritzten Kraftstoff lässt sich eine gute Kühlung der Brennräume erzielen und zudem eine effektive Zylinderspülung ohne Kraftstoffverluste beim Ladungswechsel. So sind schon bei niedrigen Drehzahlen Drehmomentwerte zu erzielen, wie man sie vom Diesel kennt. Doch auch dessen Potenzial ist noch nicht ausgereizt: Höherer Ladedruck und Einspritzdrücke bis 2.500 Bar versprechen eine weitere Optimierung.

Optimierung im Verbrennungsprozess ist erforderlich

Ein quasi zeitweiliges Downsizing lässt sich mit Zylinderabschaltung umsetzen. Selbst einen 1.4 TSI macht VW zum Teilzeit-Zweizylinder und spart so rund 0,4 Liter Sprit auf 100 km ein, bei moderater Konstantfahrt sogar mehr. Einsparpotenzial verbirgt sich auch dort, wo Drosselklappen und Ventile die Beatmung des Motors behindern. 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 die Drosselklappe überflüssig machen und zu Einsparungen im einstelligen Prozentbereich beitragen.

Bei der weiteren Optimierung des Verbrennungsprozesses gilt es vor allem, die Präzision der Abläufe zu verbessern und Toleranzen einzuengen. Beim Dieselmotor werden wir zunehmend Glühkerzen erleben, die zugleich als Drucksensoren während der Verbrennung agieren. Nur so wird künftig zusammen mit schnellen Prozessoren eine vorgelagerte präzise Steuerung möglich.

Neben den genannten Kernthemen flankieren allerdings weitere Technikbausteine die Optimierung des Verbrennungsmotors. Dazu gehören 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 einfließen. Nachhaltiges Potenzial für das Erreichen der Klimaziele verspricht auch der Umstieg auf Erdgas. Dank seiner günstigen chemischen Struktur lassen sich die CO2-Emissionen mit dem Alternativkraftstoff bei vergleichbarer Motorleistung um bis zu 25 Prozent mindern.

Natürlich lässt sich das Klimapotenzial der zahlreichen Bausteine nicht einfach addieren. Vielmehr kommt es darauf an, die Wechselwirkungen einzelner Technologien zu einem intelligenten und für den Kunden letztlich bezahlbaren Optimum zu kombinieren.

Einsparpotenziale im Überblick

Elektro und Hybrid: Für schwere Autos ist die Elektrifizierung des Antriebs langfristig die einzige Chance, die CO2-Ziele zu erreichen – durch die Entlastung des Verbrennungsmotors sowie Bremsenergie-Rückgewinnung. Das Einsparpotenzial kann hier bis zu 30 Prozent betragen.

Start-Stopp- und Segelfunktion: Je extremer der urbane Stauverkehr, desto höher ist das Einsparpotenzial einer Start-Stopp-Funktion. Bei langen Konstantfahrten sind allerdings keine Einsparungen möglich. Im Verbrauchszyklus liegt das Start-Stopp-Potenzial bei vier bis fünf Prozent, im reinen Stadtbetrieb können es bis zu acht Prozent sein. Will man das Potenzial im Alltagsbetrieb noch steigern, lässt sich der Motor bereits beim Ausrollen („Segeln“) abschalten.

Downsizing: Downsizing plus Aufladung – das ist ein ideales Geschwisterpaar, das allein schon für eine Verbrauchsverbesserung von zehn bis zwölf Prozent gut sein kann. Klar ist beim Downsizing auch der Trend vom Sechs- zum Vierzylinder (Beispiel BMW) und immer häufiger – wie bei Ford, Peugeot, Renault oder VW – vom Vier- zum Dreizylinder. Am konsequentesten ist allerdings Fiat mit seinem aufgeladenen Twinair-Zweizylinder.

Dieselmotor: Gegenüber dem Ottomotor hat der Diesel mit seinem deutlich effizienteren Brennverfahren einen Startvorteil – erst recht, seit sich die Direkteinspritzung weitgehend etabliert hat. Und ein Gutteil des Sparpotenzials der Selbstzünder, die heute nahezu durchweg Turbodiesel sind, ist letztlich als Downsizing-Konzept zu interpretieren. Ein Einsparpotenzial von bis zu 20 Prozent ist hier möglich.

Ottomotor: Beim Ottomotor lässt sich die Zylinderbefüllung durch variable Ventilsteuerzeiten an Ein- und Auslassventilen optimieren. Das beeinflusst nicht nur den Verbrauch, sondern auch das Drehmomentverhalten positiv. Ideal wäre ein vollelektrisch und Zylinder-individuell regelbarer Ventiltrieb, wie es das Konzept von Valeo zeigt. Eine solche Ventilsteuerung ist derzeit noch Zukunftsmusik, sie wäre ein komplexer und teurer Technikschritt. Nur sechs Prozent Einsparpotenzial ist hier zu erreichen.

Getriebe: Idealtypisch sollten Getriebe die Übersetzung so fein abgestuft an den Verbrennungsmotor anpassen, dass dieser jeweils im effizientesten Kennfeldbereich arbeiten kann. Bestmöglich ließe sich das stufenlos verwirklichen, doch auch bei den Stufengetrieben stiegen in den letzten Jahren die Gangzahlen daher stetig an. Sechs Gänge sind längst Standard, ZF ist längst bei einer Automatik mit neun Stufen angelangt. So lassen sich bei abgesenkten Drehzahlen und angepasster Motorcharakteristik gute Drehmomentwerte erzielen. Dieser Effekt (Downspeeding) kann mit weiter gespreizten Getriebeübersetzungen spritsparend genutzt werden. Abhängig vom Vergleich mit der Ausgangssituation verspricht das eine Spritersparnis von bis zu zehn Prozent.

Ergasbetrieb: Obwohl Erdgas bisher eher ein Schattendasein fristet, ist es ein idealer Kraftstoff für entsprechend angepasste Ottomotoren. Denn Methan, sein Hauptbestandteil, ist im Vergleich zu Flüssigkraftstoff kohlenstoffarm und verursacht weniger CO2. Ein Einsparpotenzial von bis zu 25 Prozent ist hier möglich.

Vorausschauende Navigation: Das Vernetzen von Kartendaten mit dem Fahrzeugantrieb spart laut Bosch bis zu 15 Prozent Sprit. Mittels Streckenvorschau errechnet das Motormanagement dynamisch die benötigte Antriebsenergie und steuert den Motor vorausschauend an.

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