Der Wandel in der Verbrennungsmotorenszene
„Hubraum ist durch nichts zu ersetzen. Außer…durch noch mehr Hubraum!“ ist ein oft zitierter Spruch in den letzten Jahren in der traditionellen Autoszene gewesen. Und wenn man die Entwicklungen in den letzten Jahrzehnten beobachtet hat, haben die Hersteller bis dato die Hubräume und die Anzahl der Zylinder dem Zeitgeist angepasst. Der Sechszylinder war spätestens ab der Oberklasse die häufigste Motorisierung wie zum Beispiel beim BMW 520 oder Mercedes E 230 oder E 280. Der Zeitgeist und die strengeren Abgasnormen hauchen den konventionellen Motoren neue Konzepte unter die Motorhaube. Ein Blick auf die Trends im konventionellen Verbrennungsmotor.
Downsizing als globaler Trend
Die großvolumigen Sechs-, Acht- oder Zwölfzylinder gibt häufig nur noch in der Kombination mit den absoluten Top-Ausstattungsvarianten. Hier greifen die Kunden entsprechend tiefer in die Taschen für Luxus und Prestige. Wer im Zeitgeist mitschwimmen möchte, hat inzwischen auch eine deutlich größere Auswahl bei ökonomisch und abgasärmeren 4-Zylinder-Varianten.
„Downsizing“ ist das Schlagwort im Hinblick auf kritischere und umweltbewusste Kunden im Neuwagensektor. Jeep als traditioneller Verfechter großvolumigen und leistungsstarker Motoren verwendet auch gerne das seichtere „Rightsizing“. So fahren
die neuen Modellen des Compass, Renegade oder Wranger ausschließlich mit kompakten 3- oder 4-Zylinder-Mottoren. Damit werden die strengeren Abgasnormen nach den WLTP-Verfahren leichter eingehalten.
So weist Rainer Golloch, Autor des VDI-Buches „Downsizing bei Verbrennungsmotoren“ (Springer 2005) in den Berichterstattungen der VDI Nachrichten darauf hin, dass einerseits das Image bei Personenkraftwagen eine große Rolle spiele und bestimmte Vorzüge der größeren Motoren nicht wegzudiskutieren seien. „Der seidige Motorlauf eines 6-, 8- oder gar 12-Zylinders lässt sich nicht mit einem 4-Zylinder vergleichen.“ Allerdings, so Golloch, weisen heutige, aufgeladene Motoren eine teils spürbar bessere Elastizität auf als großvolumige Saugmotoren. Das Drehmoment als Motorkennwert trage erheblich zu einem erlebbaren Fahrgefühl bei und werde von den Fahrern als wichtig eingestuft. „Die Charakteristik der Leistungsentfaltung wird bei modernen, aufgeladenen Motoren als sehr angenehm empfunden.“
Der Trend geht aber auch in der Oberklasse zu kleineren, energiesparenden Motoren hin. Die gesetzlichen Vorgaben zwingen die Hersteller dazu, die Verbrauchs- und Emissionswerte deutlich zu senken. Mit der Einführung der CO2-Steuer 2021 wird gerade die Senkung der Verbrauchswerte in Zukunft eine immer bedeutendere Rolle spielen. Entsprechend werden die kleiner dimensionierten Motoren immer häufiger in der Oberklasse anzutreffen sein. Ein entscheidender Kauffaktor sind umfassende Maßnahmen zur Geräusch- und Vibrationsminderung, damit die Akzeptanz beim Kunden erhöht wird. In den Nischen werden wohl auch noch 8- und 12-Zylinder-Motoren ihre eigene Klientel finden.
Die Ingenieure im Motorenbau haben sich schon auf die spezifischen Beanspruchungen kleiner, aufgeladener Motoren zugewendet. Der Einsatz verschleißfester Werkstoffe, die neuen Möglichkeiten in der Fertigungstechnologie und die Testläufe in der Entwicklungsphase nehmen qualitativ zu. Technisch sind die neuen Herausforderungen schon in den vergangenen Jahrzehnten jeweils den neuen Bedingungen angepasst worden.
In der Sprachregelung der Hersteller wird der Begriff Downsizing eher gemieden. Hier werden dann eher Begriffe wie „Rightsizing“ oder „Technologisches Upgrading“ in den Vordergrund gestellt. Die Hersteller stellen sich auf die Anforderungen der Kunden nach mehr Leistung und Drehmoment bei weniger Verbrauch ein.
Vollhybridautos
Das Angebot an Vollhybridautos steigt kontinuierlich. Neben den Pionieren von Toyota mit dem Premium-Segment Lexus sind auch viele andere Global-Player in das Segment eingestiegen. Autofahrer, die Wert auf eine hohe Reichweite oder einen Anhängerbetrieb legen, entscheiden sich meistens für die Hybridautos. Die Vollhybridautos liegen stark im Trend. Wahrscheinlich liegt es an dem Vorteil, keinerlei elektrische Lademöglichkeiten zu benötigen und mithilfe der Rekuperation Kurzstrecken ohne Verbrennungsmotor zurückzulegen. Was ist beim Kauf zu beachten?
Für viele Käufer ist die rein elektrische Reichweite interessant. Hierbei sind die eingebaute Akkukapazität und der Verbrauch im Elektrobereich maßgebend für die tatsächliche Reichweite im Kurzstreckenbereich. Die Akkukapazitäten variieren nach Bauart und dem Einbau innerhalb des Fahrzeugs. Häufig erfolgt der Einbau unterhalb der Mittelkonsole, unter der hinteren Sitzbank oder im Kofferraum.
Energierückgewinnung über die Rekuperation
Die originäre Rückgewinnung erfolgt bei allen Fahrzeugen in erster Linie beim Bremsen des Fahrzeuges. Bei Fahrzeugen mit relativ kleinen Akkus lässt sich die Energierückgewinnung häufig schon bei kräftigen Bremsvorgängen zum Beispiel aus hoher Geschwindigkeit sehr gut in den Displayanzeigen nachvollziehen. Anhand der Digitalanzeigen kann man anhand der Skala oder des Energiemonitors die eingespeiste Energie in den Akku direkt ablesen. Umweltbewusstes Fahren wird meistens anhand der gewonnen oder eingesparten Energie erfahrbar.
Für die elektrische Reichweite sind der Temperaturbereich und die Akkukapazität von entscheidender Bedeutung. Bei warmen äußeren Bedingungen liegt man bei moderater Fahrweise im Kurzstreckenbereich bei 10 bis 15 kWh pro 100 km; bei winterlichen Bedingungen auch gerne bei den doppelten Werten aufgrund der eingeschalteten Verbraucher. Die Akkukapazitäten bei den Vollhybridautos ist meistens knapp bemessen, um Gewicht und Platz einzusparen. Übliche Bauarten sind Batterien, die eine gute Haltbarkeit versprechen.
Wichtig für den Akkubetrieb ist eine möglichst geringe Standzeit. So kann die Batterie bei einer Standzeit von mehr als einem Jahr Schaden nehmen. Die konstante Nutzung des Fahrzeuges ist auch für eine möglichst lange Nutzungsdauer des Akkus entscheidend. Im Normalfall ist der Akku auf die Lebensdauer des Autos ausgelegt, bei den verbauten Akkus werden unterschiedliche Garantien bis zu einer definierten Laufleistung angeboten. Hier lohnt sich ein Blick in die genauen Garantiebedingungen der Hersteller.
Wertstabilität
Die Diskussion um die Schadstoffbelastung der konventionellen Antriebe brachte auch jetzt schon den ersten Generationen von Toyota-Hybridmodellen eine messbare Wertstabilität. Die Faktoren Nachhaltigkeit und geringe Umweltbelastung spielen in Zukunft eine wichtige Rolle beim Gebrauchtwagenverkauf. Die jüngst beschlossenen Dieselfahrverbote und der Trend weg vom Diesel stützt eine hohe Wertstabilität beim Gebrauchtwagenverkauf von Hybridautos. Die Hersteller bieten häufig auch beim Neuwagenkauf eine verlängerte Herstellergarantie an. Das ist auf jeden Fall auch ein Argument beim Wiederverkauf des Fahrzeuges.
Im Gegensatz zu seinen großen Brüdern – dem Plug-in-Hybrid und dem Vollhybrid – sind die Mildhybride nicht in der Lage Strecken rein elektrisch zu fahren. Der Verbrennungsmotor wird beim Mildhybrid für den Antrieb benötigt und wird meist von einem schwachen Elektromotor unterstützt. Die elektrische Maschine dient als Generator und E-Maschine und kann gleichzeitig auch die Lichtmaschine ersetzen. Während „echte“ Hybridfahrzeuge oder Elektroautos mit einem Hochspannungsnetz von mindestens 110 Volt (üblich sind 400-Volt-Systeme) ausgerüstet sind, wird auch die gegenläufige Entwicklung mit einem 48-Volt-Antrieb weiterentwickelt. Die als Mildhybrid bezeichneten Systeme können in Zukunft dabei helfen, den Kraftstoffverbrauch drastisch zu senken – rein elektrisch fahren ist aber (noch) nicht möglich.
Ab 60 Volt spricht man beim Bordnetz eines Autos von der Hochvolttechnik. Diese implementiert besonders für Werkstätten eine besondere Vorsicht bei der Arbeit am Fahrzeug. Beim 48-Volt-System handelt es sich dagegen um ein Niedervoltsystem, für das deutlich geringere Sicherheitsstandards gelten. In üblichen Benzin- und Diesel-Fahrzeugen eingesetzte 12-Volt-Antriebe können einen kleinen Teil der Bremsenergie gewinnen und damit den Blei-Akku laden, was nur der Stromversorgung an Bord zugutekommt. Im Gegensatz dazu kann die gewonnene elektrische Energie eines 48-Volt-Systems in einem Lithium-Ionen-Akku gepuffert und dann nicht nur für elektrische Nutzer im Auto, sondern auch für den Antrieb genutzt werden. Durchschnittlich können bis zu 18 Prozent Kraftstoff durch diese Bremsenergierückgewinnung gespart werden.
48-Volt Mildhybrid
Die mittlerweile weltweit aufkommende Produktion von 48-Volt-Hybriden ist angesichts der strengen Regulierungen und CO2-Grenzwerten sowie drohenden Diesel-Fahrverboten nicht verwunderlich. Um die Anforderungen ab dem Jahr 2020 einhalten zu können, sind die Autobauer bestrebt, Technologien zu entwickeln, die nicht nur zur Senkung des CO2-Ausstoßes und einer Verbesserung der Kraftstoffeffizienz beitragen, sondern zudem noch verhältnismäßig geringe Kosten aufweisen.
Das 48-Volt-Mildhybridsystem ist eine solche relativ günstige Technologie. Der 48-Volt-Startergenerator, welcher als Elektromotor dient, ersetzt sowohl die Lichtmaschine als auch den 12-Volt-Anlasser. Das hat den Vorteil, dass der Startvorgang des Motors auf wenige Zehntel Sekunden reduziert wird, während es beim normalen 12-Volt-Bordnetz ein bis zwei Sekunden dauert, den Motor zu starten, was besonders bei Start-Stopp-Systemen sehr vorteilhaft ist.
Der 48-Volt-Anlasser kann das Drehmoment des Verbrennungsmotors zudem soweit unterstützen, dass die Effizienz bei der Beschleunigung verbessert wird (Boosten). Auch ein Segelbetrieb, bei dem der Verbrennungsmotor während der Fahrt abgeschaltet wird, ist mit dem 48-Volt-Hybridsystem möglich.
Besonders bei Stadtfahrten wirkt sich das Mildhybridsystem vorteilhaft aus: Beim Beschleunigen und Anfahren unterstützt die elektrische Maschine den Verbrennungsmotor zusätzlich. Während des Bremsens oder im Schubbetrieb kann die Kurbelwelle dann über Riemen den Elektromotor antreiben, welcher als Generator dient, um Strom zu erzeugen, welcher dann im 48-Volt-Akku gespeichert wird.
Das 48-Volt-Bordnetz wird entweder zusätzlich zum bereits verwendeten 12-Volt-Bordnetz in das Fahrzeug eingebaut, um eine bidirektionale Leistungsübertragung zu gewährleisten, oder als alleiniges Bordnetz.
Wesentliche Bestandteile des 48-Volt-Systems sind neben der 48-Volt-Batterie (Lithium-Ionen) ein 48-Volt-Startergenerator und ein DC/DC-Wandler. Die übliche 12-Volt-Lichtmaschine und der 12-V-Anlasser werden durch den 48-Volt-Startergenerator ersetzt, welcher nicht nur den Motor startet, sondern als eine Art Dynamo die Drehenergie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie umwandelt. Bei Bremsvorgängen wird durch die Bewegungsenergie der Generator zum Rotieren gebracht – er kann so eine Leistung von bis zu 15 kW erzeugen, die dann im 48-Volt-Akku gespeichert wird.
Die Technik der Mildhybride
Der bidirektionale Spannungswandler dient dazu, das vorhandene 12-Volt-Bordnetz mit dem 48-Volt-Bordnetz zu verbinden. Das 48-Volt-System liefert eine Leistung von bis zu 3,5 kW an das 12-Volt-System; in manchen Fällen kann das 12-Volt-Bordnetz aber auch das 48-Volt-Bordnetz versorgen. Durch den Einsatz des 48-Volt-Systems wird nicht nur für eine bessere Beschleunigung gesorgt, sondern die Effizienz des Motors wird deutlich verbessert.
Die ersten Serienfahrzeuge, welche mit dem 48-Volt-Hybridantrieb ausgestattet wurden, stammen aus dem Continental-Werk Nürnberg. Die Dieselvarianten des neuen Renault SCENIC und des Grand SCENIC wurden vom Zulieferer Continental mit dem Niedervoltsystem elektrifiziert. Renault hat seiner Form des Mildhybrids den Namen „Hybrid Assist“ gegeben. Auch weitere Autobauer haben schon erste Fahrzeuge im neuen Segment der Mildhybride auf den Markt gebracht oder planen einen Marktstart. Mercedes kündigte schon Ende des Jahres 2016 an, dass der neu entwickelte Sechszylinder-Benzinmotor M 256 mit einem 48-Volt-Bordnetz ausgerüstet werde und konsequent für die Elektrifizierung ausgerüstet wird. Die Leistungen des Sechszylinder-Motors sollen im Bereich des Achtzylinders liegen, also bei über 300 kW (408 PS) und mehr als 500 Nm. Die CO2-Emissionen konnten im Vergleich zum V6-Vorgänger um ca. 15Proze nt reduziert werden. Als erstes Modell wird wohl die S-Klasse mit dem 48-Volt-Bordnetz und dem neuen M256-Motor ausgerüstet werden.
Zulieferer Continental und Schaeffler präsentierten bereits einen 48-Volt-Mildhybridantrieb, welcher eine Kraftstoffersparnis von bis zu 25 Prozent zu einem Vergleichsfahrzeug mit normalem Antrieb verspricht. Der in Zusammenarbeit mit Hersteller Ford entwickelte „Spar-Focus“ wurde zusätzlich mit einem elektrisch heizbaren 48-Volt-Katalysator ausgestattet, welcher dazu beiträgt, die Abgasnorm EURO 6c einzuhalten.
Der japanische Hersteller Suzuki hat 2017 mit dem Suzuki Ignis ein Mildhybridsystem auf den deutschen Markt gebracht. Das SHVS (Smart Hybrid Vehicle by Maruti Suzuki ) genannte 48-Volt-System bietet im Vergleich zum normalen Antrieb eine Kraftstoffersparnis von 0,3 Liter/100 km und eine CO2-Ersparnis von knapp 7 g/km. Die bei der Rekuperation eingesparte Energie soll bei Beschleunigungsphasen eine zusätzliches Drehmoment von bis zu 6 Nm erbringen.
Audi kündigte schon im Jahr 2015 an, dass bis zum Jahr 2025 alle neuen Modelle außer den e-tron-Modellen mit einem 48-Volt-Bordnetz angeboten werden. Anfang Juni gaben die Ingolstädter bekannt, dass ab Mitte 2017 die neuen Mild-Hybrid-Antriebe in die Modellpalette einziehen werden. So ist die neue Generation des Audi A8 mit einem 48-Volt-Netz ausgerüstet sein. Inzwischen gibt es eine breite Palette an Fahrzeugen, die wir in der Übersicht vorstellen.b
In der Zukunft werden wohl noch weitere 48-Volt-Antriebe entwickelt und auf den Markt gebracht werden – die sanfte Elektrifizierung zu relativ geringen Kosten birgt für Autobauer ein großes Potenzial.
Fazit
Der Trend bei den traditionellen Verbrennungsmotoren geht zu kleinvolumigen Motoren, die deutlich weniger verbrauchen werden und die Emissionswerte senken. In diesem Jahr wird das Angebot an 48-Volt-Mildhybrid-Varianten zunehmen. Die Vollhybridautos werden weiterhin bei Toyota im Fokus stehen.
Addendum
Titelbild – Sechszylinder Symbolbild – ©kidcanevil – stock.adobe.com
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