Der sogenannte Dieselskandal hat eine allgemeine Diskussion über den Verbrennungsmotor in Gang gesetzt. Eine Diskussion, die von vielen Menschen, aber auch von einigen Medien mit erschreckend wenig Sachkenntnis, dafür aber mit umso größeren Emotionen geführt wird. Wer sich eingehend mit der Thematik beschäftigt, weiß natürlich, dass auch nach 2030 Verbrennungsmotoren nötig sein werden, um Transport und Verkehr zu ermöglichen.
Es ist höchste Zeit, die Diskussionen über den Verbrennungsmotor zu versachlichen. Ein generelles Verbot ab einem bestimmten Zeitpunkt ist im Hinblick auf den Schutz des Klimas keineswegs zielführend. Für den mobilen Einsatz und dazu zählen Kraftfahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge, ist die Verbrennung flüssiger Energieträger hoher Energiedichte nach wie vor optimal. Sicher wäre es perfekt, wenn diese Kraftstoffe nicht aus Erdöl, sondern CO2-neutral produziert werden könnten. Da das aber in ausreichender Menge bislang kaum möglich ist, werden noch viele Jahrzehnte vergehen, bis wirklich saubere Antriebe weltweit die Verbrenner zumindest in Pkw verdrängen.
Neben den fossilen Energieträgern sollte aber im Hinblick auf eine weitere Reduktion von CO2 ein Technologiewettbewerb zwischen CO2-neutral hergestellten Kraftstoffen und batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen angestrebt werden. Zu diesen CO2-neutral hergestellten Kraftstoffen gehört beispielsweise der Wasserstoff. Bisher ist jedoch die Herstellung ein relativ kostspieliger Vorgang, und eine Infrastruktur für den Vertrieb existiert praktisch nicht. Vielleicht erinnern sich ältere Leser noch an den BMW Siebener mit Wasserstoffmotor. Ein solcher H2-BMW war sogar beim Wirtschaftsministerium als Dienstfahrzeug im Einsatz. Leider ist – nicht nur – dieses H2-Projekt eingestellt worden, weil, siehe oben, die Infrastruktur fehlt.
Die Autoindustrie in Japan arbeitet seit Jahrzehnten an der Fuel-Cell-Technik, der Brennstoffzellentechnik. Toyota, Honda und Hyundai haben Modelle für den Serieneinsatz produziert und in Deutschland steht Mercedes kurz vor einer Einführung. Startet Wasserstoffantrieb jetzt in die Zukunft? Eher fraglich. So sind vom Toyota Mirai, der seit 2015 produziert wird, bisher nur 3000 Fahrzeuge in Japan verkauft worden. Auch dort mangelt es an der Infrastruktur. Zudem sind Wasserstoff-Tankstellen sehr teuer und zur Herstellung von Wasserstoff wird reichlich Strom benötigt.
Bei aller Euphorie, die manche für das batterieangetriebene Fahrzeug entwickelt haben, ist bisher unzureichend berechnet und publiziert worden, wie hoch die CO2-Äquivalente bei der Herstellung und dem Recycling einer Lithium-Ionen-Batterie tatsächlich sind. Zudem bleibt die Frage, was mit den nicht mehr zu nutzenden Stromspeichern geschieht. Wie und wo werden sie entsorgt oder weiterverwendet? Wie hoch ist die politische Abhängigkeit von den Ländern, die Rohstoffe für diese Batterien liefern? Unter welchen unmenschlichen Bedingungen geschieht der Abbau dieser Rohstoffe in Ländern der sogenannten Dritten Welt? Alles Fragen, auf die diejenigen, die den Verbrenner ab 2030 total verbieten wollen, keine Antwort geben können.
Vielleicht ist die unsichere politische Lage, wie es mit dem Verbrenner weitergeht, auch ein Grund, warum auf der diesjährigen IAA nur wenige neue Motoren vorgestellt wurden. In erster Linie waren dort neue Fahrzeuge, teilweise mit alternativen Antrieben wie CNG oder Strom, zu finden. Dennoch ist über einige Motorneuheiten zu berichten, die 2017 vorgestellt wurden und die nach und nach auf den Markt kommen. Zudem gibt es spannende Neuheiten, die erst 2018 die Serienreife erlangen werden.
Ford
Der Kölner Automobilhersteller hat den 1,0 -l-Dreizylinder-EcoBoostMotor in einigen Punkten überarbeitet.
Branchenweit einmalig ist zur Minimierung der verbleibenden Drosselverluste die Einführung einer Zylinderabschaltung für einen Dreizylinder. Zündkerze und Einspritzventil sind im neuen Zylinderkopf mittig angeordnet, und das Kühlsystem wurde vom Längs- auf das Querstromprinzip umgestellt.
Während der Warmlaufphase des Motors wird das Prinzip des stehenden Wassers angewendet, das heißt, nur Zylinderkopf, Heizungs-Wärmetauscher und Motorölkühler werden vom Kühlmittel durchströmt.
Um bei minimaler Kühlmittelmenge trotzdem eine maximale Kühlung zu erreichen, wurde die Reihenfolge der durchströmten Bauteile verändert. Zuerst wird der im Zylinderkopf liegende Abgaskrümmer, anschließend die Auslassseite des Zylinderkopfs, danach die Einlassseite durchströmt. Dazu ist der Wassermantel im Zylinderkopf in Unter- und Oberdeck unterteilt. Erst zum Schluss wird der Motorblock mit dem Kühlmittel versorgt.
Das Ergebnis des ausgeklügelten Kühlungssystems: nur minimale Temperaturschwankungen innerhalb der Zylinder. Durch das stehende Wasser im Motorblock wird das Öl rasch erwärmt zugunsten von weniger Reibung in den Zylindern und den Lagerstellen. Messungen haben ergeben, dass aufgrund des geringen Druckverlustes im Kühlsystem der künftige Einsatz einer elektrischen statt einer mechanisch angetriebenen Wasserpumpe möglich ist, was gut für den Gesamtwirkungsgrad wäre.
Die aktuell eingebaute Wasserpumpe, angeordnet auf der Schwungradseite des Zylinderkopfes, wird von der Auslassnockenwelle mit einem nur gering vorgespannten, schlanken und reibungsgeminderten Zahnriemen angetrieben. Damit die Antriebsmomente auf beiden Nockenwellen gleichmäßig verteilt sind, treibt die Einlassnockenwelle schwungradseitig die Hochdruck-Kraftstoffpumpe an.
Zur Ventilbetätigung werden bei den Zylindern 2 und 3 Standard-Hydrostößel eingebaut. Der erste Zylinder besitzt deaktivierbare Hydrostößel, mit denen die beiden Ventile geschlossen bleiben, wenn der Zylinder stillgelegt wird. Dazu wird ein Bolzen im Kipphebel hydraulisch zurückgeschoben. Der Finger oberhalb des Bolzens kann sich frei nach unten bewegen, das Ventil bleibt geschlossen.
Ford hat die Zylinderstilllegung für den Drilling entwickelt mit der Gewissheit, dass mit speziellen Ausgleichselementen an Riemenscheibe und Schwungrad kaum wahrnehmbare Änderungen beim Motorlauf auftreten, zumindest im Drehzahlbereich zwischen 1500/min und 4000/min. Die Verbrauchsverbesserung für den Focus liegt bei vier bis sechs Prozent.
Porsche
Porsche verordnet den beiden Boxermotoren des 718 Boxster und 718 Cayman ein Turbo-Downsizing in Verbindung mit einer Zylinderreduzierung von sechs auf vier. Konkret: Der 2,7-l-Sechszylinder ist abgelöst durch einen 2,0-l-Vierzylinder-Turbomotor mit 220 kW und 380 Nm Drehmoment.
Beim Boxster S und Cayman S ersetzt der 2,5-l-Vierzylinder- Turbomotor mit 257 kW und 420 Nm Drehmoment den 3,4-l-Sechszylinder. Trotzdem steigt für beide Motoren die Leistung gegenüber dem Vorgängermodell um 25 kW.
Beide Motortypen sind mit einem Hub von 76,4 Millimetern bei 91 bzw. 102 mm Bohrung deutliche Kurzhuber, die ihre Drehzahlgrenze erst bei 7500/min erreichen. Das Zylinderkurbelgehäuse aus der untereutektischen Leichtmetalllegierung AlSi7MgCu0,5 ist eine Closed-Deck-Konstruktion. Die zunächst aufgerauten Zylinderlaufbahnen werden mit einem rotierenden Plasmastrahl eisenbeschichtet und mehrstufig brillengehont. Durch die Honbrille wird der Block verzugfrei vorgespannt. So gelingt es dem Honwerkzeug, präzise Öltaschen in die Zylinderwand einzubringen.
Der Ventiltrieb der Motoren ist auf ein Drehzahlmaximum von 7500/min ausgelegt. Basis für den Antrieb ist ein weiterentwickeltes VarioCam-Plus-System mit Ventilhub-Umschaltung für die Auslassventile und einer Nockenwellenverstellung auf der Einlass- und Auslassseite.
Wie bei Porsche üblich, muss bei den hohen Längs- und Querbeschleunigungen die Ölversorgung der einzelnen Bauteile sichergestellt werden. Zum Einsatz kommt eine Trockensumpfschmierung mit Ölabsaugung aus den beiden liegenden Zylinderköpfen. Gesammelt wird das Schmiermittel in einem Öltank, der in die Ölwanne integriert ist. Mithilfe eines Schnorchels saugt die Pumpe das Öl an und fördert es zu den Schmierstellen.
Verantwortlich für die Leistungssteigerung ist ein vor dem Motor angeordneter Monolader. Unterschiedlich sind Ladergröße und Ladertechnologie. Beim Zweilitermotor hat das Turbinenrad einen Durchmesser von 50 mm. Der Verdichterrad-Durchmesser beträgt 58 mm und der damit erzeugte relative Ladedruck 1,4 bar. Der hubraumgrößere Motor mit einem um fünf beziehungsweise sechs Millimeter größeren Turbinen-/Verdichterrad-Durchmesser begrenzt den Ladedruck bei 1,0 bar und nutzt zum schnellen Ladedruckaufbau eine variable Turbinengeometrie.
Beide Lader besitzen zur Begrenzung der Laderdrehzahlen ein Wastegate.
Der Einspritzdruck für die zentral im Zylinderkopf sitzenden Injektoren beträgt 250 bar. Angetrieben wird die Hochdruckpumpe von der Nockenwelle. Für eine leistungsangepasste Füllung der Zylinder sorgen Tumble-Einlasskanäle. Der Hub der Auslassventile ist schaltbar.
Audi
Audi hat den schon existierenden 2,5 -l-Fünfzylinder-Reihen-TFSI- Motor grundlegend neu gestaltet.
Anlass für den TFSI Generation zwei sind die verschärften Abgasgesetze. Das Ergebnis ist neben niedrigeren Emissionswerten eine höhere Leistung bei reduzierter Motormasse. Eingebaut wird der Motor mit einer Leistung von 294 kW in den neuen Audi TT RS. Das maximale Drehmoment des mit 10 : 1 verdichteten Motors beträgt 480 Nm im Drehzahlbereich zwischen 1700 und 5850/min. Das Diagramm zeigt den Drehmomentverlauf in diesem sehr breiten Drehzahlbereich.
Selbst bei 7000/min stehen noch 400 Nm zur Verfügung.
Durch die Verwendung von Leichtbaumaterialien, speziell beim Zylinderkurbelgehäuse aus der Aluminium-Legierung AlSi-7MgCu0,5, konnte das Gewicht gegenüber dem Vorgänger um 26 kg reduziert werden. Das Kurbelgehäuse wird im Kokillenguss nach dem Rotocast-Verfahren hergestellt, das zu den Kipp-Gießverfahren zählt, bei dem die Kokille mit dem flüssigen Material eine Drehung vollzieht, um die Gießform ruhig und schaumfrei zu befüllen.
Um die Kurbelwellenlagerung der hohen Leistung von 119 kW/l anzupassen, ist das Zylinder- Kurbelgehäuse in Schürzenbauweise, Deep Skirt, gefertigt und die querverschraubten Hauptlagerdeckel sind aus GJS 700, einem Kugelgraphitguss mit einer Zugfestigkeit von 700 N/mm2. Die Kolbenlaufbahnen des Leichtmetall-Kurbelgehäuses sind APS-beschichtet. Vor der Eisen-Kohlenstoff-Beschichtung werden die Zylinder aufgeraut.
Die Eisen-Kohlenstoff-Beschichtung hat eine Dicke von 150 µm. Nach der Beschichtung werden die Zylinder feinstgehont. Im Versuch wurde festgestellt, dass durch die APS-Beschichtung die Stegtemperaturen um 30° C geringer sind. Eine Begründung für diese etwas geringeren Stegtemperaturen ist die verminderte Reibleistung.
Der Belastung angepasst ist die geschmiedete Kurbelwelle aus legiertem Chrom-Molybdänstahl mit der Bezeichnung 42CrMoS4. Um Brüche im Bereich der Lagerstellen zu vermeiden, sind diese induktiv gehärtet, die Radien zur Kurbelwange rolliert. Um das Gewicht der Welle zu verringern, hat Audi die Hub- und Lagerzapfen hohlgebohrt.
Bei Dieselmotoren sind Kühlkanalkolben Stand der Technik, bei Benzinmotoren werden sie seltener eingebaut, der Audi- Fünfzylinder aber hat sie. Der Ölkanal sitzt unterhalb des Kolbenbodens und verringert die maximale Bodentemperatur um fast 30° C. Zur Minderung der Zylinderreibung ist die Vorspannung der Kolbenringe reduziert. Da aus Gewichtsgründen auf ein Lager im Pleuelauge verzichtet wird, ist der Kolbenbolzen verschleißfest ultradünn diamanthart beschichtet.
Das Ölwannenoberteil mit integriertem Ölhobel ist so konstruiert, dass der Motor mit Quer- beschleunigungen bis 1,3 g im Rennbetrieb ohne Ölmangel gefahren werden kann. Auf eine Trockensumpfschmierung hat Audi verzichtet. Der Kettentrieb ist – wie beim Vorgängermodell – zweistufig getriebeseitig angeordnet. Der Primärtrieb übersetzt die Drehzahl der Kurbelwelle zum Antrieb der volumenstromgeregelten Ölpumpe ins Schnelle. Eine Zwischenwelle treibt im Sekundärtrieb die beiden verstellbaren Nockenwellen, die mechanische Vakuumpumpe und – das ist neu – die Hochdruckkraftstoffpumpe an.
Hydraulische Kettenspanner verhindern das Peitschen der beiden unterschiedlichen Kettentypen, der Zahnkette für den Primär- und der Rollenkette für den Sekundärtrieb.
Gegenüber der ersten Generation des Fünfzylinders sind erstmals die beiden Nockenwellen komplett in die Zylinderkopfhaube integriert. Vorteilhaft ist, neben der Montagefreundlichkeit, der spannungsfreie Einbau dieser Steuerorgane.
Die Auslassventile des Audi-Valvelift-Systems werden zweistufig geschaltet. Für einen geringen Verbrauch im niedrigen Drehzahlbereich bis zur Teillast liegt der Öffnungswinkel bei 200° Kurbelwinkel (KW). Für schnelle Beschleunigungen und hohe Leistungen schaltet das System um auf Öffnen bei 270° KW.
Wie jeder moderne Turbomotor hat auch der TFSI einen Ladeluftkühler. Die Konstruktion der Lamellen beeinflusst den Wirkungsgrad eines Kühlers erheblich. Bei einem maximalen Luftdurchsatz von 1200 kg/h beträgt der Druckverlust auf der gesamten Strecke nur 0,135 bar. Der Kühlungswirkungsgrad unter Volllast liegt bei mehr als 80 Prozent.
Neu ausgelegt ist der Turbolader. Bei ihm ist die Drehrichtung der Ladergruppe umgekehrt. Bedingt durch die hohe thermische Belastung wird das Ladergehäuse nach einem Motorstopp mithilfe einer Zusatzwasserpumpe gekühlt. Eine modellgestützte Abgastemperaturregelung sorgt dafür, dass die maximal zulässige Abgastemperatur von 1000° C nicht überschritten wird.
Das kombinierte Einspritzverfahren aus Direkteinspritzung FSI und Multipoint-Einspritzung MPI ist vom 2,0-l-TFSI bekannt. Im Warmlauf wird bis zu einer Kühlmitteltemperatur von 70° C direkt eingespritzt, danach indirekt ins Saugrohr. Erst bei höherer Leistungsanforderung wird der Kraftstoff wieder direkt mit maximal 250 bar eingespritzt.
Mercedes-Benz
Auf dem 26. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik stellte Dipl.-Ing. Hubert Schnüpke von Mercedes den neuen 1,4-l-Benzinmotor mit der Bezeichnung M 282 vor.
Die Leistung des mit einer Bohrung von 72,2 mm und einem Hub von 81,3 mm langhubig ausgelegten Motors beträgt 120 kW bei 5500/min, das Drehmoment liegt bei 250 Nm im Drehzahlbereich zwischen 1620 und 4000/min. Der mit 10,6 : 1 verdichtete Turboladermotor ist das Ergebnis eines Projekts im Rahmen der Daimler-Renault-Nissan-Kooperation. Er dient zum Schließen der strategischen Lücke im Angebot kleiner Vierzylindermotoren bei Mercedes-Benz.
Der Motorblock in Open-Deck-Bauweise besteht aus der Aluminium-Silizium-Druckguss-Legierung GD-AlSi9Cu3, einer typischen Multikomponentenlegierung für den Automobilsektor mit guten Gieß-Eigenschaften, hoher Festigkeit, Verschleißbeständigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit. Die Zylinderlaufbahnen sind eisenbeschichtet.
Um die Reibungsverluste zu reduzieren, wurden die Hauptlager-Durchmesser der geschmiedeten Kurbelwelle gegenüber dem Vorgängermotor verkleinert und polymerbeschichtet. Die Beschichtung verhindert eine Mangelschmierung, vor allem bei häufigem Start-Stopp-Betrieb.
Ölspritzdüsen leiten die Wärme vom Kolbenboden in das Motoröl. Die Kolbenringe sind DLC-beschichtet (Diamond-like Carbon) und damit reibungs- und verschleißoptimiert. Die DLC-Schicht besteht aus amorphem Kohlenstoff, hauchdünn aufgetragen, sodass eine anschließende Bearbeitung der Kolbenringe unnötig ist.
Bisher einmalig im Motorenbau ist der neue Delta-Zylinderkopf mit seiner extrem kompakten, leichten Bauweise, den minimalen Abständen zwischen den beiden Nockenwellen und dem hoch- effizienten Kühlsystem. Der Abgaskrümmer ist in den Zylinderkopf teilintegriert. Das verkürzt die Wege der Abgase zum Turbolader. Der Injektor für das direkte Einspritzen des Kraftstoffs steht senkrecht im Zylinderkopf. Der Zylinderkopf-Rohling wird im Kokillenguss aus der Primärlegierung AlSi10Mg(Cu)T7, einer Aluminium-Silizium-Magnesium-Kupferlegierung, wärmebehandelt gefertigt.
Mercedes gibt an, dass Motoren mit deltaförmigen Zylinderköpfen wesentlich schmaler und leichter bauen als konventionelle rechteckige Zylinderköpfe und daher speziell für kleine und mittlere Motoren in Fahrzeugen des unteren und mittleren Segments geeignet sind.
Der M 282 ist mit einer Zylinderabschaltfunktion ausgestattet. Bei niedriger Last und geringer Motordrehzahl werden Zylinder 2 und 3 stillgelegt. Die aktiven Zylinder 1 und 4 müssen den Leistungsausfall durch Entdrosselung, das heißt durch weites Öffnen der Ansaugklappe, kompensieren. Dadurch sinkt der Kraftstoffverbrauch ein wenig und ebenso auch die CO2-Emissionen. Das Abschalten geschieht durch Verschieben der Nocken für die Ein- und Auslassventile beider Zylinder. Die Ölversorgung übernimmt eine kettengetriebene zweistufige Flügelzellenpumpe. Vom Motorsteuergerät beeinflusst, wird bei geringer Motorlast und Drehzahl die Pumpenleistung reduziert, und zusätzlich wird die Spritzölkühlung der Kolben abgeschaltet.
Eine riemengetriebene Pumpe fördert das Kühlmittel in den zweigeteilten Kühlkreislauf, gesteuert von einem elektrisch beheizten Zweiventil-Thermostat. In den Kühlkreislauf einbezogen ist der Turbolader. Bei abgestelltem Motor zirkuliert das Kühlmittel sehr effektiv, bedingt durch den Thermosiphon-Effekt, durch das Gehäuse des Turboladers. Beim Thermosiphon-Effekt wirkt das physikalische Gesetz, dass warmes Wasser nach oben und kaltes Wasser nach unten abfließt und dadurch ein in sich geschlossener Kreislauf erzeugt wird.
Der Riemen zum Antrieb von Wasserpumpe, Klimakompressor und Generator hat eine sehr geringe Vorspannkraft. Das reduziert die Reibverluste. Zusätzlich wird durch ein neues Riemenspanner-Konzept, bei dem der Riemenspanner am Generator befestigt ist, das Rutschen des Poly-V-Riemens verhindert.
Die hohe Motorleistung ist dem Monoscroll-Turbolader mit elektrisch gesteuertem Wastegate zu verdanken. Die Turbine ist ausgelegt für eine maximale Temperatur von 950° C. Die deltaförmige Ausführung des Zylinderkopfs begünstigt den schnellen Druckaufbau im Bereich der Turbine. Die Markteinführung des M 282 ist für 2018 geplant.
BMW-Benziner
Unter dem Stichwort "Next Generation" stellte BMW ebenfalls auf dem 26. Aachener Kolloquium die neuen Drei- und Vierzylinder-Benzinmotoren vor. Zum Zielkatalog dieser neuen Generation gehören:
► Minderung des Kraftstoffverbrauchs um mindestens 5%
► Gewichtsreduzierung um mindestens 7 kg
► Geräuschsenkung um mindestens 3 dB
► Drehmomentsteigerung um mindestens 20 Nm
► Leistungssteigerung um mindestens 10 kW
► Qualifizierung für die neuen RDE- und WLTP-Testbedingungen als Basis für die Erfüllung künftiger Emissionsanforderungen.
Um zumindest einige dieser Forderungen zu erfüllen, wurde das Kraftstoffsystem mit einem Einspritzdruck von 350 bar neu entwickelt. Das Befestigungskonzept für die Injektoren wurde beibehalten, nur das Rail und die Leitungen wurden den höheren Drücken angepasst, die Leitungen sind aus Edelstahl gefertigt.
Drosseln am jeweiligen Zufluss sollen Druckpulsationen im Rail und in den Leitungen verhindern. Die von der Auslassnockenwelle angetriebene Hochdruck-Kraftstoffpumpe besitzt eine Kappe, um Pumpengeräusche zu unterdrücken.
Die auf Mehrfacheinspritzung ausgelegten Einspritzventile sind Neuentwicklungen. Das Nachtropfen von Kraftstoff in den Brennraum verhindert eine spezielle Beschichtung des Düsensitzes. Die veränderte Lochgeometrie verbessert den Spritzstrahl und seine Zerstäubung. Das Ergebnis ist die Verringerung der Partikel-Emission um mehr als 50 Prozent gegenüber dem mit maximal 200 bar einspritzenden Vorgängermotor.
Ein einteiliger Kettentrieb versetzt beide Nockenwellen in Rotation. Gegenüber dem zweiteiligen Antrieb des Vorgängers ist die Reibung durch neue Kettenführungselemente um 30 Prozent geschrumpft, die Zähnezahl auf der Kurbelwelle wurde von 24 auf 23 verringert.
Ebenfalls neu ist das gesplittete Kühlsystem mit einem gesonderten Kühlkreislauf für die Abgasanlage. Ein Thermomanagement-Modul regelt den Volumenstrom des Kühlmittels durch das Kurbelgehäuse, völlig unabhängig vom Durchfluss im Zylinderkopf. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Volumenstrom im Zylinderkurbelgehäuse vor allem im Niedrig- und Teillastbereich des Motors zu unterbinden oder – bei Bedarf – den Durchfluss mehrstufig zu regeln.
Für eine homogene Temperaturverteilung sorgen neue, Y-förmige Kühlmittel-Bohrungen zwischen jeweils zwei Zylindern. Ein sehr schnelles Aufheizen des Blocks und eine gegenüber dem Vorgängermotor insgesamt höhere Betriebstemperatur zugunsten einer verringerten Kolbenreibung und Partikelbildung sind die Resultate dieser Maßnahmen.
Eine ungleiche Verteilung der Brennraumtemperatur im Zylinder bei betriebswarmem Motor führt zu unterschiedlichen Durchmessern im Bereich vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt. Eine symmetrische Vergrößerung des Zylinders bis zum unteren Totpunkt mithilfe einer rotiersymmetrischen Honung sorgt für einen Ausgleich. Das Ergebnis: Im betriebswarmen Zustand des Zylinderkurbelgehäuses ist der Zylinderdurchmesser auf der gesamten Laufbahnlänge des Kolbens trotz hoher Brennraumtemperaturen im OT-Bereich gleich.
Vom Vorgänger übernommen und weiterentwickelt ist das Thermo-Modul. Ein wesentliches Bauteil dieses Moduls ist der von einem Elektromotor betätigte Drehschieber. Mit ihm wird der Volumenstrom des Kühlmittels gesteuert. Im gleichen Gehäuse des Thermomanagement-Moduls befindet sich das Split-Cooling-Ventil. Je nach Anforderung schaltet das Ventil den Kühlmittelstrom für den Zylinderkopf und den Zylinderblock zu oder ab.
Der in den Zylinderkopf integrierte Abgaskrümmer ist ebenfalls vom Kühlwasser umspült. Dadurch wird die Abgastemperatur gesenkt, zugleich wird die Kühlflüssigkeit und damit der Motor schneller erwärmt, beides zugunsten eines niedrigeren Verbrauchs und geringerer Abgas-Emissionen.
BMW-Diesel
Auch die Drei- und Vierzylinder- Dieselmotoren von BMW sind überarbeitet worden. Der 1,5-l-Dreizylinder hat genauso wie die Vierzylinder weiterhin einen Hubraum von 499 cm3 pro Zylinder. Dieses Volumen sieht BMW als thermodynamisch ideal an. Die Bohrung beträgt 84 mm, der Hub 90 mm, die Verdichtung 16,5 : 1. Je nach Ausführung hat der Dreizylinder eine Leistung von 40 oder 85 kW bei einem Drehmoment von 220 oder 270 Nm. Der Vierzylinder im 18d leistet 110 kW, im 20d 140 kW. Die entsprechenden Drehmomente betragen 350 Nm und 400 Nm.
Die Zylinderblöcke aus der Leichtmetall-Legierung AlSi8Cu3 haben einen zweiteiligen Wassermantel. Die Closed-Deck- und Deep-Skirt-Konstruktionen sind dafür geeignet, die hohen Verbrennungsdrücke aufzunehmen. Die Kolbenlaufbahnen sind – wie beim Benziner der neuen Generation – eisenbeschichtet und formgehont. Der Antrieb der beiden Ausgleichswellen ist gerade verzahnt, wodurch das Trägheitsmoment reduziert wird.
Besonderen Wert legt BMW auf den Antrieb der Nebenaggregate. Bei den Motoren mit geringerer Leistung hat der Torsionsschwingungsdämpfer der Kurbelwelle eine Nabe mit Gummielementen. Bei den Motoren mit höherer Leistung wird ein viskoser Torsionsschwingungsdämpfer eingebaut. Während der Startphase des Motors wird der Antrieb entkoppelt. Läuft der Motor, werden die Nebenaggregate wieder zugeschaltet. Dadurch ist der Motorstart geschmeidiger. Das fällt vor allem bei häufigen Starts im Start-Stopp-Modus auf, wo die aktuellen Dreizylinder etwa rappelig wieder anspringen. Das sollen die neuen Motoren besser können, obwohl auch sie nach wie vor über den herkömmlichen Starter angelassen werden und nicht auf die komfortable, schnelle und leise Weise eines riemengetriebenen Starters oder Generators.
Für die Schmierung des Motors sorgt eine Drehschieberpumpe mit stufenloser Volumenstromregelung zwischen minimaler und maximaler Fördermenge. Die Spritzölkühlung der Kolben kann je nach Leistungsanforderung des Motors durch ein elektrisch geschaltetes Regelventil zu- oder abgeschaltet werden.
Erstmalig eingesetzt wird bei den stärkeren Motoren ein zweistufiger Turbolader mit regelbarer Niederdruck-Turboaufladung durch verstellbare Leitschaufeln und nicht regelbarem Hochdrucklader.
Der elektrische Stellantrieb des Niederdruckladers sorgt für eine schnelle Einstellung der variablen Leitschaufeln mit dem Ergebnis eines optimalen Boostens. Der gesamte Abgasstrom wird durch ein pneumatisch betätigtes Abgasregelventil auf die beiden Abgasturbolader aufgeteilt. Je nach Betriebsbereich des Motors durchströmt das Abgas sowohl die Hoch- als auch die Niederdruckstufe und trägt damit zum Ladedruckaufbau bei.
Nur im oberen Drehzahlbereich des Motors ist der Niederdruck-Turbolader für die Leistungsentwicklung des Motors verantwortlich. Die Ladeluft umgeht dabei den Hochdruck-Turbo durch ein pneumatisch betätigtes Bypassventil des Verdichters und wird direkt in den Brennraum geleitet. Das Ergebnis ist ein deutlich gesteigerter Wirkungsgrad mit Verbrauchsvorteil im Teillastbereich und einem Drehmomentanstieg im Volllastbereich bei verbesserter Fahrdynamik.
Die Einkolben-Hochdruckpumpe stellt den maximalen Einspritzdruck von 2200 bar – für die leistungsschwächere Variante – und 2500 bar an den Magnetventil-Injektoren zur Verfügung. Im Vergleich zur Vorgängerpumpe wurden Hub und Nockenprofil geändert. Mit dem vergrößerten Hub wird die Einspritzmenge angepasst, das veränderte Profil senkt die Belastung des Pumpenantriebs. Der höhere Einspritzdruck ist verbunden mit einem kleineren Lochdurchmesser der Düse, zugunsten geringerer HC- und CO-Emissionen.
Das AGR-Ventil leitet das Abgas über ein Umschaltventil entweder gekühlt oder ungekühlt ins Ansaugrohr. Als "heißes Anbauventil" vor dem AGR- Kühler eingebaut, ist es einer hohen Temperatur ausgesetzt und wird daher an den Kühlkreislauf angeschlossen.
Das Abgas-Nachbehandlungssystem besteht aus einem NOX -Speicherkatalysator mit beschichtetem Partikelfilter und – das ist neu beim Dreizylinder-Diesel – einem nachgeschalteten SCR-System mit Reduktions-Katalysator. Ein speziell entwickelter Mischer sorgt für eine optimale Verteilung der Harnstofflösung mit dem Abgas. Die Motoren erlangen damit natürlich die Einstufung nach Euro 6c.
Mercedes-Plug-in-Hybrid
Eine interessante Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor wurde von Mercedes auf dem Aachener Kolloquium vorgestellt. Es handelt sich um einen Diesel-Plug-in- Hybrid in Kombination mit einem Elektromotor.
Die Leistung des neuen Vierzylinder-Dieselmotors OM 654 beträgt 143 kW (es gibt weitere Varianten in anderen Mercedes-Modellen) und die des Elektromotors 90 kW, sodass eine System-Gesamtleistung von 233 kW mit einem maximalen kurzzeitigen Drehmoment von über 800 Nm zur Verfügung steht.
Wir möchten die nicht missen die wesentlichen Neuerungen des Motors des OM 654 hier beschreiben. Mit einer Bohrung von 82 mm und einem Hub von 92,3 mm ist der 15,5 : 1 verdichtende Motor langhubig ausgelegt. Die Kolbenlaufbahnen des Aluminiumkurbelgehäuses sind nach dem Nanoslide-Verfahren beschichtet. Dabei werden in einem elektrisch erzeugten Lichtbogen Drähte aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung aufgeschmolzen und mit einem Gasstrom an die Zylinderwand gespritzt. Es entsteht eine lamellare, nanokristalline Schicht, die anschließend mithilfe eines eigens entwickelten Spiegelhonverfahrens geglättet wird. Die Schichtstärke liegt zwischen 0,1 und 0,15 Millimetern. Für den Betrachter wirkt die Lauffläche tatsächlich wie ein Spiegel. Winzige Poren auf der Oberfläche nehmen Öl auf, sodass die Reibung gegenüber einer gehonten Grauguss-Lauffläche um 50 Prozent gesenkt wird.
Ein Novum im Pkw-Motorenbau ist die Verwendung von Stahlkolben. Premiere hatten diese Kolben im Sechszylinder der Baureihe OM 642. Eingebaut wird ein geschmiedeter und geschweißter Stahlkolben aus 42CrMo4, einem legierten Vergütungsstahl mit 0,42 Prozent Kohlenstoff, 1,10 Prozent Chrom und 0,25 Prozent Molybdän.
Das Bild zeigt den Vergleich zwischen Aluminium- und Stahlkolben.
Da Stahlkolben thermisch höher belastbar sind, konnte der Feuersteg zugunsten der Höhe des Zylinderblocks um mehr als 50 Prozent, die Kolbenringzone um fast 30 Prozent reduziert werden. Positiv ist, dass durch den schmalen Feuersteg das Schadvolumen vom Kolbenboden bis zum ersten Kolbenring wesentlich kleiner ist als beim Alukolben. Eine gestufte Ausnehmung im Kolbenboden verbessert nicht nur den Verbrennungsvorgang, sie senkt zudem die thermische Belastung der kritischen Bauteile und minimiert den Eintrag von Ruß ins Motoröl.
Ein weiteres Merkmal des OM 654 ist der Versatz der Kurbelwellenmitte um 12 mm zur Gegendruckseite.
Dadurch konnte die Pleuelstange etwas verlängert werden, ohne dass der Motor höher wurde. Lange Pleuel verringern die Seitenkräfte des Kolbens im Zylinder ebenso wie großer Hub im Vergleich zur Bohrung. Mercedes beziffert die Seitenkraftverringerung mit 75 Prozent.
Ein Effekt der außermittigen Kurbelwellenverlagerung: Der obere und der untere Totpunkt – im vorigen Bild mit "OT" und "UT" bezeichnet – werden bei einer Winkelstellung der Kurbelwangen erreicht und nicht in senkrechter Stellung.
Ein effizientes Abgasrückführungssystem aus Hochdruck- und Niederdruck-AGR reduziert die Roh-Emissionen über einen breiten Leistungsbereich. Zur Abgasnachbehandlung gehören Partikelfilter mit Oxikat und das motornahe SCR-System mit einem neuen Mischkonzept für eine sehr effiziente AdBlue-Verdampfung.
Der Elektromotor des Prototypen ist dem Neungang-Automatikgetriebe vorgeschaltet. Der Wandler mit der Überbrückungskupplung befindet sich zwischen Elektromotor und Getriebe. Zwei Schwingungsdämpfer, eingebaut zwischen Motor und Getriebe beziehungsweise in den Drehmomentwandler, dämpfen die vom Verbrennungsmotor erzeugten Schwingungen.
Die Leistung der permanenterregten Synchronmaschine beträgt 90 kW mit einem maximalen Drehmoment von 440 Nm. Die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie gibt Mercedes mit 13,5 kW an. Die Kapazität des Onboard-Ladegeräts wurde gegenüber dem Vorgängermodell von 3,6 auf 7,2 kW erhöht und die Ladezeit damit auf unter zwei Stunden verkürzt. Wird das Fahrzeug an eine normale Haushaltssteckdose angeschlossen, beträgt die Ladezeit aber immer noch bis zu sieben Stunden. Mit der Batterie wird auch der elektrische Klimakompressor angetrieben. Ein DC/DC-Wandler speist die 12V-Bordnetzspannung, den Anlasser, die Pumpe für die Lenkung und die Vakuum-Pumpe für das regenerative Bremssystem.
Ein intelligentes Antriebsmoment verwendet die Informationen des Navigationssystems, ergänzt von den Daten der Onboard-Kamera und des Radarsensors zu Routenverlauf, Geschwindigkeitsprofil und Topografie der gefahrenen Strecke. Aus diesen Informationen wählt das System den optimalen Antrieb zwischen rein elektrischer Fahrweise oder verbrennungsmotorischer Fahrweise sowie die jeweilige Lade-, Schalt- und Kühlstrategie, um dadurch den rein elektrischen Fahrzyklus zu maximieren. Mit diesem System besteht auch die Möglichkeit, das Regenerieren des Dieselpartikelfilters so zu steuern, dass ein schneller Rußabbrand während einer Autobahnfahrt anstatt innerhalb der Stadt erfolgt.
Dieselhybride sind immer noch ziemlich selten, obwohl gerade mit der Kombination dieser beiden Antriebe die maximale Effizienz erreicht werden kann. Benzinhybride sind im Stadtverkehr zweifellos sinnvoll, wenn sie extern mit sauberem Strom geladen werden. Auf langen und schnellen Strecken übernimmt aber der Benzinmotor den alleinigen Vortrieb – mit dem gravierenden Nachteil des hohen Verbrauchs vor allem bei höheren Geschwindigkeiten. Besonders bei relativ schweren Hybridfahrzeugen ist der Diesel da wesentlich effizienter.
Fazit
Nach Auskunft des VW-Konzerns wird an einer Entwicklung von neuen Dieselmotoren nicht mehr gearbeitet. Das bedeutet den mittelfristigen Abschied vom derzeit effizientesten Verbrennungsmotor.
Andere Hersteller haben sich bisher nicht so klar geäußert. Im Gegenteil, es wird intensiv daran gearbeitet, speziell den NOX-Ausstoß zu reduzieren. Und für die Entstehung von Feinstaub sind keineswegs nur die Verbrenner verantwortlich. Einen großen Anteil hat der Reifen- und Bremsenabrieb, den natürlich auch Elektroautos haben.
Zumindest als Übergangslösung für Fahrzeuge, die nicht nur innerstädtisch eingesetzt werden, ist der Hybrid eine Alternative zum Elektroantrieb, genauso wie der mit Erdgas gespeiste Verbrenner.
Eine spannende Lösung hat Mazda für 2019 angekündigt: Die Japaner wollen dann ein Projekt realisieren, das Audi vor einigen Jahren längst entwickelt hat, aber auf Konzerngeheiß nicht in Serie bringen durfte, nämlich ein Hybridfahrzeug mit einem Wankelmotor als Range Extender.