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Verbrennungsmotoren: Viele kleine Schritte zur CO2-Reduzierung

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Verbrennungsmotoren  

Viele kleine Schritte zur CO2-Reduzierung

21.11.2014, 15:28 Uhr | Richard Backhaus / Springer

Verbrennungsmotoren: Viele kleine Schritte zur CO2-Reduzierung. Mahle-Stahlkolben (Quelle: Hersteller/Mahle)

Mahle-Stahlkolben (Quelle: Mahle/Hersteller)

Die großen Sprünge bei der CO2-Reduktion des rein verbrennungsmotorischen Antriebs sind vorbei. Künftig sind es viele kleine Schritte, die zusammengenommen deutliche Einsparungen erbringen sollen. Wir zeigen Beispiele für Maßnahmen, die noch Potenziale bieten.

In der Europäischen Union (EU) sollen die CO2-Emissionen von neuen Pkw ab 2020/2021 auf 95 Gramm CO2 pro Kilometer gesenkt werden. Das ist der weltweit strengste CO2-Grenzwert und entspricht einem Kraftstoffverbrauch von rund vier Litern Benzin beziehungsweise etwa 3,6 Litern Diesel auf 100 Kilometern. Dabei kommt dem Verbrennungsmotor auch weiterhin die Rolle des Schrittmachers für CO2-arme Mobilität zu. Denn durch die geringe Verbreitung von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird deren Einfluss auf die CO2-Bilanz der Fahrzeugflotte in den nächsten Jahren noch kaum spürbar sein, ganz ungeachtet der Frage, wie hoch die CO2-Belastung durch die Erzeugung der elektrischen Energie tatsächlich ist.

In Summe großes Potenzial

Alleine durch Modifikationen an Grundmotor, Ladungswechsel, Verbrennung, Abgasnachbehandlung, Motormanagement und Thermomanagement erwarten Experten noch große Potenziale zur CO2-Reduzierung bei Otto- und Dieselmotoren. Allerdings hat die Sache einen kleinen Haken, denn die Optimierungsmaßnahmen, die große CO2-Einsparungen mit wenig Aufwand bewirken, sind zumeist schon umgesetzt.

Für die Motorenentwickler bedeutet dies, unzählige kleine Optimierungen an vielen einzelnen Systemen und Bauteilen vorzunehmen, die zusammengenommen große Schritte bewirken. In Summe kann sich das CO2-Potenzial allerdings sehen lassen: "Beim Ottomotor sehe ich rund 20 Prozent und beim Dieselmotor eine Größenordnung von 15 bis 20 Prozent, die durch konventionelle Techniken zu heben sind", erklärt beispielsweise Professor Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Direktor des Instituts für Thermodynamik der RWTH Aachen University und Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen. Im Folgenden sind einige Beispiele von Entwicklungen aufgeführt, die Diesel- und Ottomotoren künftig sauberer und sparsamer machen.

Motor-Downsizing

Ein wesentlicher Treiber ist das Motor-Downsizing. Einerseits wird dabei der Hubraum verkleinert, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, andererseits sorgt die Aufladung für eine Leistung auf dem Niveau hubraumgrößerer Motoren. Künftig wird der Downsizing-Grad weiter zunehmen, die Hubräume werden also noch kleiner.

Auf der Aufladeseite führt das zu aufwendigen, mehrstufigen Turboladersystemen, wie es BMW mit dem dreistufig aufgeladenen Sechszylinder-Dieselmotor vormacht. Unter anderem Audi arbeitet als Alternative an elektrisch unterstützten Aufladungen, bei denen ein Elektromotor den Ladedruck in Beschleunigungsphasen kurzfristig anhebt, das berüchtigte "Turboloch" gehört damit wohl endgültig der Vergangenheit an.

Stahlkolben halten Einzug

Wie auch immer das Aufladesystem gestaltet wird: Die Zunahme der Ladedrücke führt zu einer höheren Belastung der Kolben. Bei Pkw-Dieselmotoren werden daher künftig vermehrt Kolben aus Stahl statt wie heute üblich aus Aluminium Einzug halten. Durch neue Konstruktionsansätze sind diese genauso schwer wie die aktuellen Kolben aus Aluminium.

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Allerdings ist der Wechsel von Aluminium auf Stahl an sich kein Allheilmittel. Vielmehr muss die gesamte Motorkonstruktion auf die spezifischen Vorteile der Stahlkolben ausgelegt werden, damit sie gehoben werden können.

Reibungsreduktion

In den vergangenen Jahren wieder stärker ins Interesse der Entwickler gerückt ist die Reibungsreduktion der bewegten Bauteile im Motor. Durch weniger Reibung nimmt die Verlustleistung ab und in der Folge sinkt der Kraftstoffverbrauch. Hier ist das Kolbensystem - also Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbahn - im Fokus, da es mit rund 50 Prozent den Hauptteil der Gesamtreibung des Motors verursacht. Innovative Beschichtungen verringern Reibung und Verschleiß, beispielsweise verspricht Federal-Mogul eine CO2-Reduzierung bis zu drei Gramm pro Kilometer durch die neue "DuroGlide"-Kolbenringbeschichtung.

Konstruktionsseitig versuchen die Motorenentwickler unter anderem die Spannung, mit der die Kolbenringe gegen die Zylinderlaufbahn drücken, so klein wie möglich auszulegen. Dabei bewegen sie sich auf einem schmalen Grad, denn bei zu geringer Kolbenringspannung kann Öl am Kolben vorbei in den Brennraum gelangen und dort die Verbrennung negativ beeinflussen. Umgekehrt können Blow-by-Gase aus dem Brennraum das Öl schneller altern lassen. Ein weiterer Weg zur Reduzierung der Reibung führt über möglichst kleine und schmale Kurbelwellenlagerungen.

Lesen Sie mehr zu Verbrennungsmotoren-Entwicklung auf Seite 2.

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