Technik: Dem Downsizing sind Grenzen gesetzt - Kleine Motoren mit großer Leistung

Darmstadt/München - Blubbernder V8-Sound oder geschmeidig laufende Sechszylinder - der satte Klang großvolumiger Motoren wird seltener. Europäische Abgasvorschriften zwingen die Autohersteller zu kleineren, sparsameren Antrieben. Nach 2020 dürfen neue Pkw im Durchschnitt nur noch maximal 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen - derzeit sind es 130 Gramm.

Weniger und kleinere Zylinder

In der A-Klasse von Mercedes kommen Diesel ab 1,5 Litern Hubraum zum Einsatz. Quelle: Daimler

Für das sogenannte Downsizing, das die Verkleinerung des Hubraums konventioneller Verbrennungsmotoren meint, gibt es zwei Möglichkeiten: entweder wird das Volumen der Zylinder verringert oder die Anzahl der Zylinder - oft passiert beides.

"Kleinere Motoren haben im Vergleich zu großvolumigen Motoren den Vorteil, dass sie weniger Reibung aufweisen und leichter sind", sagt Prof. Christian Beidl, Leiter des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe an der TU Darmstadt. Doch sie spielen ihre Vorteile nur im niedrigen Lastbereich aus, also bei niedrigen Drehzahlen. "Der Wirkungsgradvorteil wird kleiner, je mehr die Motoren in einen höheren Lastbereich kommen", sagt Beidl. Bei Vollgas-Etappen auf der Autobahn geht der Kraftstoffverbrauch also in die Höhe.

Viele Hersteller greifen zur Turboaufladung

Um aus den Motoren ausreichend Leistung zu quetschen, müssen die Ingenieure ein paar Tricks anwenden. Weit verbreitet ist der Einsatz von Turboladern. Damit wird bei niedrigen Drehzahlen mehr Luft für eine bessere Verbrennung in die Brennräume gepresst - Leistung und Drehmoment steigen. Der Emissionsausstoß ließe sich zwar auch mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen minimieren. "Doch im Vergleich zu Hybrid- oder Elektrofahrzeugen lassen sich Kraftstoffeinsparung und der minimierte CO2-Ausstoß kostengünstig ermöglichen", sagt René Nast, Technikexperte vom TÜV Süd.

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Hatten Turbomotoren früher ein schlechtes Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen, also ein ausgeprägtes "Turboloch", ist das heute laut Carsten Graf, Technikexperte des ADAC, kaum noch der Fall. "Die ersten Downsizing-Motoren fielen durch schlechte Gasannahme und Schubkraftschwankungen auf. Mittlerweile haben die Hersteller das im Griff, und die Motoren fahren ruhig und kraftvoll", sagt er. Grundsätzlich steige durch den Einsatz von Turboladern das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. "Das ist gut für niedertouriges Fahren, was den Verbrauch reduziert", sagt Graf.

Das Problem: Laufruhe und Langlebigkeit

Doch das Downsizing-Konzept hat auch Nachteile. Gerade die Reduzierung der Zylinderzahl reduziert auch die Laufruhe gegenüber Motoren mit mehr Zylindern. Zudem sieht René Nast bei der Dauerhaltbarkeit noch Entwicklungspotenzial. "Die mechanische Belastung an kleineren Motoren und Bauteilen ist zum Teil sehr hoch. Dadurch werden die Motoren und deren Komponenten anfällig", sagt er. Auch die Turbolader, die mit rund 300.000 Umdrehungen rotieren können, und deren Komponenten werden stark belastet.

Christian Beidl indes hält Downsizing-Motoren nicht für anfälliger. Sie durchlaufen schließlich die gleichen Entwicklungsprozesse wie größere Motoren, und ihre höhere Belastung werde bei der Entwicklung berücksichtigt. Ähnlich sieht das ADAC-Experte Graf: "Motoren mit weniger Zylindern können genauso lange halten wie konventionelle Motoren. Letztendlich hängt die Haltbarkeit von der Konstruktion und den Materialien ab", sagt er.

Drehmoment baut sich langsamer auf

Konstruktionsbedingt kämpfen kleinere Turbomotoren jedoch immer noch mit einer Anfahrtsschwäche. "Kleinvolumige Turbomotoren benötigen länger als Saugmotoren, um Drehmoment aufzubauen. Die Motoren fühlen sich für den Fahrer manchmal träge an", sagt Beidl. Eine zweistufige Aufladung könne die Anfahrschwäche zwar minimieren, nicht jedoch völlig kompensieren. Mit einem elektrischen Verdichter, der von einigen Herstellern erprobt wird, würde das Fahrverhalten verbessert. Dieser kann schon bei niedriger Drehzahl ausreichend Druck aufbauen.

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Um die gesetzlichen Vorgaben zu erreichen, werden die Hersteller weiter sparsame Motoren entwickeln. Zwar gibt es keine Hubraumgrenze nach unten, die meisten Downsizing-Motoren pendeln sich aber bei drei Zylindern und einem Gesamthubraum zwischen einem und 1,5 Liter ein. "Der Trend geht zum Dreizylindermotor. Er ist schwingungstechnisch gut zu beherrschen und lässt sich gut aufladen", sagt Beidl. Außerdem reichen die Motoren für Kleinwagen und Autos der Mittelklasse.

Downsizing kann nicht endlos betrieben werden

Dabei können aber auch Vierzylinder temporär zu Dreizylindern umfunktioniert werden. Rudolf Flierl, Professor für Verbrennungskraftmaschinen an der Technischen Universität Kaiserslautern, forscht an einem solchen Motor. Der arbeitet meist wie ein Dreizylinder, und nur wenn der Fahrer mehr Leistung verlangt, schaltet sich ein vierter Zylinder zu. Das Fahrverhalten soll dadurch einem normalen Vierzylinder gleichen.

Nach unten sind dem Downsizing Grenzen gesetzt. Bauteile wie Einspritzdüsen, Ventile und Nockenwelle müssen schließlich noch untergebracht werden. Und Motoren mit weniger Zylindern laufen konstruktionsbedingt unrund. Deshalb hält Beidl Einzylinder wie bei manchen Motorrädern als Hauptantrieb für Autos für unwahrscheinlich. Wenn, dann nur als sogenannte Range-Extender für die Aufladung der Batterien eines Elektroantriebes.

Auch wenn Elektro- und Hybridfahrzeuge öfter auf den Straßen zu sehen sind: In den nächsten 20 Jahren sieht Beidl den Verbrennungsmotor weiter als Volumenantrieb unter der Haube. Die Zeit der Acht- und Zwölfzylindermotoren neigt sich aber definitiv dem Ende.

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