Wiener Motorensymposium: Genug für die nächsten 900 Jahre

Nach dem Hype um die Hybridisierung wenden sich nun die Entwickler wieder verstärkt dem Verbrennungsmotor selbst sowie dem Kraftstoff zu, so die Erkenntnis auf dem diesjährigen, wieder von Prof. Lenz organisierten, Wiener Motorensymposium. Die Praxis zeigt, dass die Hybridisierung meist noch immer deutlich aufwendiger und somit teurer als mechanische Verbesserungen am Motor und Antriebsstrang ist, aber ihre Vorteile bei Abgas- und Verbrauchsreduktion nicht um so viel größer sind. Hilfreich für diesen neuen Trend sind große Fortschritte bei Produktionstechnik, Simulation und Materialien in den vergangenen Jahren.

CO₂ als Rohstoff

Mehrere Redner meinten, dass der Verbrennungsmotor noch für Jahrhunderte bestehen bleibe, wenn er statt mit fossilen mit synthetischen Kraftstoffen auf Basis von CO₂ betankt wird. CO₂ sei für die nächsten 900 Jahre ausreichend auf der Welt vorhanden und eigne sich sehr gut für die Erzeugung des flüssigen Kraftstoffs Oxymethylenether, der ungiftig und sowohl als Diesel wie als Benzin verwendbar sei. Während bisherige "Erneuerbare" wie Biosprit maximal CO₂-neutral sind, so Wolfgang Maus, Emitec, würde mit seiner Idee CO₂ aus der Luft abgebaut. Die Antwort auf die Frage nach dem Gesamtwirkungsgrad blieb aus, beim Preis wurde 1 € pro Liter genannt.

Auch Prof. Robert Schlögl vom Max Planck Institut für chemische Energiekonversion hält synthetischen Sprit wie Oxymethylenether für unverzichtbar, auch für emissionsfreie Mobilität. Denn mit der aktuellen Stromproduktionskapazität sei ein generelles elektrisches Fahren z. B. in Deutschland gar nicht möglich. Dem von Audi-Chef Rupert Stadler präsentierten Ansatz, mit Gas aus überschüssigem Windstrom (Power to gas) zu fahren, kann Schlögl wenig abgewinnen, dieses Gas sei viel sinnvoller einsetzbar. Prof. Jens Hadler, APL Landau, fordert zudem die Entwicklung eines emissionsfreien Motors.

Einig waren sich die Redner, dass bis zur Serienreife dieser Lösungen noch Jahre vergehen werden. Bereits umgesetzt oder kurz davor sind dagegen alternative Antriebe in Kombination mit Strom, Wasserstoff oder Gas. Welches alternative Antriebssystem sich letztendlich durchsetzen werde, würde ganz wesentlich vom Fortschritt beim jeweiligen Energiespeicher abhängen. Magna hat in allen drei Bereichen, Batterien, Gas- und Wasserstoffspeicher, Kompetenz und Produktionskapazität aufgebaut, so Karl-Friedrich Stracke, Chef von Magna Steyr Fahrzeugtechnik. Zudem entwickle Magna Steyr milde Hybride mit 48- Volt-Systemen, wo Stracke ab 2017 mit einer großen Nachfrage rechnet.

Smarter Hybrid

Diesbezüglich ist auch Zulieferer Conti wieder optimistisch. Nach der großen Ernüchterung im Herbst durch den Rückzieher von Bundeskanzlerin Merkel rund um die CO₂-Ziele ab 2020 sei nun das Interesse für 48-V-Systeme zum Spritsparen wieder im Steigen. Conti hat mit Schäffler auf Basis des neuen Ford Focus ein 48 Volt Eco Drive System entwickelt, das 17 % Sprit spart im Vergleich zum konventionellen Antrieb mit 1-l-Benzin-Dreizylinder. Das System ist zwar teurer, etwa durch die nötige Lithium-Batterie zusätzlich zur Bleibatterie, anderseits kann man sich die Lichtmaschine sparen.

Auf dem Wiener Motorensymposium von Prof. Lenz stellte Erhard Rau die "Zukunftspotenziale durch Variabilitäten am Ottomotoren" aus der Sicht von Daimler dar. Kurz vor der Zusammenfassung, gut versteckt am hinteren Ende des Vortrags, sprach Rau über eine Sensation: Den Durchbruch von Daimler bei der variablen Verdichtung bei Benzinmotoren. Viele haben sich in der Vergangenheit daran versucht, aber "bis jetzt gibt es keine einzige Serienanwendung weltweit", so Co-Autor Günter Karl. Grund: Die variable Verdichtung ist technisch "sehr anspruchsvoll", Daimler arbeitet seit mehr als 15 Jahren daran.

Das Grundprinzip basiert auf einem gemeinsamen Patent von Daimler und dem russischen Forschungsinstitut Nami in Moskau. Erstmals vorgestellt in der Öffentlichkeit wurde das Prinzip, kurz VCR (Variable Compression Ratio), im Forschungsfahrzeug F700, damals unter dem Schlagwort "Diesotto". Worunter die Zusammenführung der Brennverfahren von Diesel und Benziner (Ottomotor) in einem Aggregat gemeint ist.

"Diesotto" ist bei Daimler derzeit kein vorrangiges Thema, aber die dabei verwendete variable Verdichtung schon. Sie ist für Benziner besonders interessant. Denn Benziner leiden unter einem großen Problem, das sich schlecht auf den Verbrauch auswirkt: Einerseits ist eine hohe Verdichtung gut für wenig Verbrauch und gute Leistung, anderseits ist das "Klopfen" des Motors zu vermeiden, unkontrollierte Selbstzündungen, die zu großen Schäden führen können, was mit geringer Verdichtung vermieden werden kann.

Meisterleistung

Für das Dilemma gibt es mehrere Lösungen, Daimler hat das System mit Multilink herausgefiltert. Dabei wird die Hubfunktion des Kolbens über einen Querhebel mit angelenktem Nebenpleuel über eine Exzenterwelle variiert. Der Verstellbereich für das geometrische Verdichtungsverhältnis beträgt zwischen 8 und 14. Ein höheres Verdichtungsverhältnis, wie es mit 18:1 vor Jahren in Frankreich angedacht wurde, hält Karl für nicht sinnvoll. Die Exzenterwelle wird zwar über einen E-Motor gesteuert, aber der braucht so wenig Strom, dass Daimler mit dem üblichen 12-Volt-Bordnetz auskommt.

Die großen Herausforderungen dieser Lösung bestehen unter anderem darin, dass man ein adaptiertes Kurbelgehäuse mit Bohrung benötigt, was früher fertigungstechnisch sehr aufwendig war, inzwischen aber dank flexibler Fertigungsstraßen relativ einfach ist. Ein anderes Problem sind die benötigten Oberflächenqualitäten, die Tribologie. Um dies hinzukriegen, mussten zahlreiche Prototypen gebaut werden. Das musste mit echten Materialien durchgespielt werden, "simulieren lässt sich das nicht", so Karl.

Aber es hat sich gelohnt, zeigen sich die Daimler-Experten überzeugt. Allein die variable Verdichtung spare mindestens 5 % Sprit, je nach Anwendung kann die Ersparnis mehr als 10 % betragen, auch im realen Fahrbetrieb. Sie eignet sich vor allem für Hochleistungsmotoren mit mehr als 110 kW/l Hubraum, wie etwa dem Vierzylinder in der AMG A-Klasse und ist von den Kosten her mit 25 bis 30 € pro eingespartem g/km CO₂viel günstiger als eine Hybridisierung. Auch Nissan soll vor allem für den US-Markt an einem solchen System für PS-starke Vierzylinder arbeiten.

Das Daimler-System hat zudem den Vorteil, dass damit der bei Vierzylindern übliche Massenausgleich entfallen kann. Was es, anders als Hybride, nicht erlaubt, ist emissionsfreies (elektrisches) Fahren zwischendurch.

Das große Motto lautete auch heuer "Downsizing", Reduktion der Zylinderzahl, oft einhergehend mit kleinerem Hubraum und teilweise mit reduzierten Drehzahlen (Downrating). Das erlaubt weniger Kosten (für Hersteller und Kunden), weniger Verbrauch (CO₂), weniger Gewicht. Einige Hersteller mit relativ kleinen Stückzahlen wie BMW nutzen dies für eine weitere Kostenreduktion: Sie setzen bei der Entwicklung neuer Motoren auf möglichst viele Gleichteile zwischen Benziner und Diesel. Andere wie VW (baut allein 7 Mio. Benziner) oder PSA (Peugeot/Citroën) machen das nicht. Keinen Gleichklang gibt es auch auf die Frage, ob Downsizing beim Benziner mit Turbo und Direkteinspritzung verbunden wird oder nicht. Die Mehrheit entscheidet sich für Aufladung, andere wie Toyota verzichten bei Dreizylinder darauf.

BMW Beim neuen Reihenmotoren-Baukasten wird das Gleichteile-Prinzip forciert. Das spart Kosten und macht BMW flexibler bei globalen Nachfrageschwankungen. Der Kunde profitiert von einem um bis zu 17 % geringeren Verbrauch gegenüber früheren (größeren) Motoren. Die neuen R3-/R4-Benziner starten im Mini sowie als Range Extender im i8. Sie sind aufgeladen und haben bis zu 115 kW/l Hubraum. Sechszylinder folgen.

GM GM/Opelbringt eine neu konstruierte Benzinergeneration mit Drei- und Vierzylinder (1 bis 1,5 l Hubraum), mit Direkteinspritzung, mit und ohne Aufladung. Vorzüge laut GM: Sie sind weltweit einsetzbar, leise, vibrationsarm und laufruhig. Wermutstropfen für das Motorenwerk in Wien: In Europa werden die Motoren im neuen Motorenwerk in Ungarn gebaut.

Nissan Die Japaner setzen bei der 2. Generation des Vierzylinder-Turbobenziners auf höhere Verdichtung, geringere Reibung, gekühlte Niederdruck-Abgasrückführung (Weltpremiere bei Benzinern) und senken so den Verbrauch um 10 %.

PSA Die neuen Pure-Tech-Benziner (1,0 und 1,2 als Sauger, 1,2-l-Turbo mit Direkteinspritzung) sparen bis zu 21 % Sprit gegenüber früheren (größeren) Motoren.

Toyota Der neue Dreizylinder kommt als Sauger. Dank gekühlter Abgasrückführung, geringerer Reibung sinkt der Verbrauch um ca. 7 % gegenüber dem Vorgänger (auf unter 90 g/km CO₂).

VW Anders als Toyota kombiniert VW auch den 1-l-Benziner mit Direkteinspritzung und Turbo. Er senkt im Polo BlueMotion den CO₂-Ausstoß auf 92 g/km.