Die Effizienz-Baukästen

Mit viel Detailarbeit verringern Autohersteller den Verbrauch ihrer Motoren. Toyota nennt sein Maßnahmenpaket „Optimal Drive“, Audi verwendet einen „modularen Effizienzbaukasten“. Was steckt drin?

Der japanische Autohersteller Toyota hat seine neuen Ottomotoren von der ersten Schraube an im Sinne der Optimal-Drive-Strategie entwickelt, teilte das Unternehmen Anfang Mai mit einem Anflug von Stolz mit. Dabei galt es, „den Wirkungsgrad zu verbessern und möglichst viel Vortrieb aus der Wärmeenergie des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu erzielen“.

Das sollte eigentlich bei jeder technischen Entwicklungsaufgabe selbstverständlich sein – angehende Ingenieure lernen diese Maxime bereits im ersten Semester. Handelt es sich bei den „Effizienzpaketen“, die heute praktisch jeder Autohersteller unter fantasievollen Namen anbietet, also nur um Marketinggetrommel? Oder hat Toyota (ebenso wie alle anderen) seine Autos früher nicht auf einen möglichst guten Wirkungsgrad hin entwickelt?

Vielleicht aber gibt der technische Fortschritt den Ingenieuren heute auch bessere Werkzeuge an die Hand, die bei gleicher Leistung einen geringeren Verbrauch als früher zulassen. Am Beispiel des Toyota Optimal Drive und des Audi-Effizienzbaukastens wollen wir diese Frage untersuchen.

Kampf gegen die inneren Verluste

Toyota hat vier Arten von innermotorischen Energieverlusten erkannt: die mechanischen Verluste, die Wärme- und Abgasverluste, die Kühlverluste und die Pumpverluste. Der Kampf gegen die mechanischen Verluste begann schon bei der Grundkonstruktion des Motors.

Der Motor muss so verwindungssteif wie möglich sein, weil jede Verformung die Reibung an den bewegten Teilen erhöht. Moderne, computergestützte Konstruktionsverfahren helfen dabei, dass der Motorblock trotz hoher Festigkeit nicht zu schwer wird. Kurbelwellengleitlager mit Mikrorillen sowie beschichtete Kolben und Kolbenringe tragen ebenfalls zu einem besonders weichen und reibungsarmen Lauf bei. Einen weiteren Beitrag liefern Rollenstößel an der Nockenwelle. Sie sorgen für eine widerstandsarme Rollreibung statt der sonst üblichen Gleitreibung.

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Wärmeverluste treten vor allem in der Warmlaufphase auf. Die kalte Zylinderwand entzieht der Verbrennung Energie, die deshalb nicht mehr für den Vortrieb zur Verfügung steht. Der Motor muss sich also möglichst schnell erwärmen – das ist vor allem wichtig, um im Neuen Europäischen Fahrzyklus gute Verbrauchs- und Abgaswerte zu erzielen.

Ein leichter Motor sowie ein leichter Zylinderkopf verringern die Wärmeverluste, weil sie sich schnell aufheizen. Toyota fertigt deshalb wie fast alle Wettbewerber beide Komponenten aus Leichtmetall. Auch der Abgasstrang muss leicht sein und sich schnell erwärmen, damit der Kat zügig auf Betriebstemperatur kommt. Dafür verwendet Toyota einen leichten Krümmer aus Edelstahl.

Schnelle Erwärmung gewünscht

Die dritte innermotorische Maßnahme bei Toyota Optimal Drive gilt der Verringerung der Kühlverluste. Damit die Zylinder gleichmäßiger und schneller erwärmt werden, besitzen alle Kühlkanäle einen Kunststoffeinsatz, der das Kühlwasser gezielt zu- und ableitet. Die Gestaltung dieser Kanäle stellt sicher, dass immer genügend, aber nie zu viel Wärme abgeleitet wird und die Zylinder sich schneller und vor allem gleichmäßiger erwärmen.

Pumpverluste im Motor entstehen dadurch, dass der Kolben bei seiner Abwärtsbewegung im Zylinder Frischgas gegen die Drosselklappe ansaugen muss. Um ihm diese Arbeit zu erleichtern, setzt Toyota bei den neuen Vierzylindermotoren auf eine vollvariable Ventilsteuerung. Diese Valvematic genannte Konstruktion variiert den Einlassventilhub stufenlos zwischen einem und elf Millimetern. Dadurch muss die Drosselklappe nicht mehr so weit schließen, in der Folge ist der Unterdruck im Ansaugtrakt geringer und der Kolben benötigt weniger Arbeitsleistung für den Ansaugvorgang.

Hohe Verdichtung, hoher Wirkungsgrad

Um eine effiziente Verbrennung und damit einen hohen thermischen Wirkungsgrad zu erreichen, sind ein hohes Verdichtungsverhältnis und eine gute Vermischung von Kraftstoff und Luft notwendig. Die Techniker haben deshalb das Verdichtungsverhältnis im Vergleich zu den Vorgänger-Motoren um 0,2 bis 0,5 Punkte angehoben.

Die beiden Einlasskanäle für jeden Zylinder münden in einen herzförmigen Einspritzraum vor den Einlassventilen. In diesen Raum hinein injiziert eine Einspritzdüse mit zwölf Bohrungen den Kraftstoff. Dadurch sind die einzelnen Kraftstoffpartikel schon sehr fein zerstäubt und können sich leichter mit der Luft mischen.

Das sorgt für eine effektivere Verbrennung und geringeren Verbrauch. Quasi als Nebenprodukt steigt die Leistung um bis zu 16 kW/22 PS und das maximale Drehmoment um bis zu zehn Newtonmeter. Eine Direkteinspritzung verwendet Toyota allerdings nicht.

Die Politik der kleinen Schritte setzte Toyota auch bei den Nebenaggregaten fort. Die Fördermenge der Ölpumpe richtet sich nach der jeweiligen Drehzahl und den Arbeitsbedingungen des Motors. Dadurch muss sie besonders bei niedrigen Drehzahlen weniger arbeiten und die Verlustleistung sinkt.

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