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Rightsizing – was wirklich dahintersteckt

Ein bisschen hochtrabend nennen sie es „Rightsizing“, weil das „Downsizing“ irgendwie in Verruf geraten ist. Dabei hätte der neue Motor solche Marketingsprüche gar nicht nötig. Er steht zum ersten Mal seit langem für Vorsprung durch Technik. Wir erklären weshalb.

13.08.2015 Online Redaktion

Der Miller-Zyklus ist ein unbekanntes Wesen. Man kennt ihn vor allem im Zusammenhang mit dem Toyota Prius. Dort und in anderen sparsamen Hybriden macht er vor allem durch latente Durchzugsschwäche auf sich aufmerksam.

Was steckt dahinter? Im Kern der geizige James Atkinson. Ihm waren damals die Patente von Nikolaus Otto und seinem Viertaktmotor zu teuer. Er erfand deshalb seinen eigenen Prozess, bei dem der Kolben nicht wie bei Otto für Ansaug- und Expansionstakt dieselbe Strecke zurücklegt. Atkinson verlängerte einfach den Expansionstakt. Der Vorteil des größeren Hubes beim Arbeiten liegt daran, dass durch eine größere Entspannung des Abgases mehr Energie gewonnen wird. Weil es unter weniger Druck und weniger Temperatur aus dem Zylinder gelangt.

Länger ausstoßen als ansaugen – der thermodynamische Trick

Atkinson hatte also nicht nur das Patentgeld gespart, sondern obendrein noch ein paar Wirkungsgradprozente gefunden. Der Haken an der Sache: Sein Kurbeltrieb zur Realisierung der unterschiedlichen Hübe war maßlos komplex. Selbsterklärend deshalb, dass er – zumindest was die Anwendung im Automobil betraf – ein Rohrkrepierer wurde.

Diesen Komplexitätsmakel auszubügeln schickte sich der Amerikaner Ralph Miller Ende 1957 an. Auch er fand Gefallen am Gedanken den Wirkungsgrad durch eine längere Expansion zu verbessern. An Stelle der aufwändigen Kurbelwellen-Sonderkonstruktion ließ er einfach die Einlassventile über den unteren Totpunkt hinaus geöffnet. So konnte der sich in der Aufwärtsbewegung befindliche Kolben einen Teil des vorher angesaugten Gemischs wieder ausschieben. Er (oder ein benachbarter Zylinder) würde es im nächsten Arbeitsspiel ja eh wieder ansaugen, es ist also nicht ganz verloren.

Was auf den ersten Blick dennoch wenig verständlich wirkt – warum sollte ein Motor sein mühsam angesaugtes Gemisch wieder zum Fenster hinaus schieben? – bringt es dennoch auf den Atkinson-Effekt: Am Ende der Verdichtung ist weniger Inhalt im Zylinder. Das Triebwerk verhält sich so, als hätte es einen kleineren Hubraum. Im Arbeitstakt hingegen kann es den vollen Hubraum ausschöpfen und hier versteckt sich die Asymmetrie, die am Ende zum Sprung im Wirkungsgrad führt. Doch auch der Miller-Zyklus kommt nicht ohne Preis. Das bewusste Nichtausschöpfen des vollen Hubraums kostet Leistung.

Der neue 2.0 TFSI der Generation 3B:

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© Bild: Audi

Was also, wenn man nicht auf Leistung verzichten möchte und sich dennoch die Vorteile der beiden Prinzipien zu Nutze machen will? Man muss tief in die Trickkiste greifen. Freiheitsgrade nennt der Ingenieur das dann. Hier kommt Audi ins Spiel, denn in Ingolstadt scheint man sehr frei. So frei, dass man neben Atkinson und Miller noch einen dritten Zyklus entworfen hat, der für eine längere Expansionsphase sorgt.

Das Geheimnis liegt bei Audi, im Unterschied zu den beiden anderen Tüftlern, im sehr frühen Schließen der Einlassventile. Dadurch gelangt analog zum Miller-Zyklus weniger Gemisch in den Zylinder. Im Gegensatz zum bisherigen Verfahren befindet sich das an der Verbrennung teilnehmende Gemisch allerdings schon vor dem unteren Totpunkt im Zylinder. Der Druck im Zylinder verringert sich also während der fortlaufenden Motorumdrehung im restlichen Ansaugtakt.

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© Bild: Audi

Der dadurch verringerte Mitteldruck ermöglicht wiederum ein gesteigertes Verdichtungsverhältnis, soll am Ende der Kompression doch ein ähnliches Spitzendruckniveau (man will ja eine ähnliche Leistung wie bisher!) im Vergleich zum konventionellen Motor erreicht werden. Dass man bei einer höheren Verdichtung zusätzlich ein paar Prozentpunkte beim Wirkungsgrad gewinnt – eh klar und ein durchaus gewollter Nebeneffekt.

Kritisch ist die hohe Verdichtung allerdings auch: Im Falle der Volllast ist man schneller an der Klopfgrenze. Drücke und Temperaturen werden zu hoch und sind nicht mehr sicher zu beherrschen, sollte der Motor mit voller Füllung gefahren werden. Der neue Audi-Zyklus kann also tatsächlich nicht das volle Potenzial seines technischen Hubraums nutzen, ist er durch das vom Steuerzeitentrick ermöglichte Verdichtungsverhältnis doch quasi „zu scharf“ ausgelegt.

Ein Turbomotor mit der Verdichtung eines Saugers – dank besonderer Steuerzeiten

Doch dieser kleine Nachteil wird in der Teillast – und damit dem Bereich, in dem sich ein Motor den Großteil seines Lebens bewegt, mehr als ausgeglichen. Denn durch den angesprochenen niedrigeren Mitteldruck des neuen Audi-Triebwerks, kann ein weiterer Kniff angewendet werden. In sicherer Entfernung der Volllastdrücke kann nun der Ladedruck bei kurzer Ventilöffnungszeit solange erhöht werden, bis sich der gleiche Mitteldruck wie bei einem konventionellen Motor einstellt. Im Ergebnis bringt das eine deutliche Entdrosselung und somit weniger Verluste auf der Ansaugseite.

Konstruktion

Auf der Habenseite verbucht die Neuentwicklung also bessere Wirkungsgrade beim Ansaugen durch die Entdrosselung, Bei der Kompression durch das höhere Verdichtungsverhältnis und bei der Expansion durch den längeren Arbeitshub.

Ein kleiner Makel bleibt die etwas geringere Spitzenleistung, die allerdings nicht so dramatisch wie bei bisher bekannten Motoren mit Miller-Zyklus ausfallen. Audi gibt für den neuen EA888 Generation 3B genannten 2.0 TFSI-Motor 190PS und 320Nm an. Der konventionelle Motor der zweiten EA888-Generation schaffte hier zum Vergleich 211PS und 350Nm. Beim Verbrauch allerdings liegt das neue Aggregat unter fünf Litern pro 100 Kilometer.

Und bedenkt man die konstruktiven Grenzen des Systems – die höheren Anforderungen an die Aufladetechnik durch den gesteigerten Ladedruck, sowie die Klopfgrenze bei hohen Lasten, so haben die Ingolstädter mit weiteren Eigenentwicklungen in naher Zukunft zwei gute Antworten parat: ihren hochoktanigen synthetischen Kraftstoff, den sie aus Windenergie und Elektrolyse gewinnen und ihren elektrischen Turbolader, der den Zielkonflikt zwischen hohem Ladedruck und hohen Abgasgegendrücken elegant löst.

Es scheint also, als hätten sie in Ingolstadt derzeit tatsächlich Vorsprung durch Technik.

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  • Carnot

    Hmm. Mit sehr viel Selbstbewusstsein geschrieben aber leider im Falle des Miller-Zyklus nicht korrekt. Der ursprüngliche Miller-Zyklus schließt die Ventile genauso früher vor dem unteren Totpunkt wie es auch Audi jetzt tut. Das hochtrabend einen dritten Zyklus zu nennen ist doch etwas weit hergeholt. Moderne variable Ventiltriebe erlauben eben viel Freiheit. Ich hätte mir in der Auto Revue auch einen pointierteren Erklärungsstil gewünscht.

  • melaw

    „In sicherer Entfernung der Volllastdrücke kann nun der Ladedruck bei
    kurzer Ventilöffnungszeit solange erhöht werden, bis sich der gleiche
    Mitteldruck wie bei einem konventionellen Motor einstellt.“

    Ähm nein? Der Mitteldruck ist bei Atkinson höher als bei klassischem Ottozyklus. Bei Miller unverändert. Man kann lediglich mit dem Ladedruck höher gehen als im Atkinsonzyklus. Effektiv ist hier aber auch rein garnichts technisch Neues zu entdecken.
    Es ist nicht schwer eine Simulation laufen zu lassen, die sämtliche halbwegs sinnvollen Ventilöffnungszeiten durchspielt, um den besten Wirkungsgrad zu finden. Das hat wohl schon jeder Motorenbauer getan.
    Leider zielen alle Bemühungen auf ein sehr schmales sehr effektives Drehzahlband. Verlässt man diese „comfort zone“ sind die Vorteile ehr Nachteile. Das Ergebnis sind kurzlebige und empfindliche aber gleichzeitig technisch komplizierte und anfällige Aggregate.
    Oder warum gibt es in den letzten Jahren so viele Motorschäden, wohingegen solide Motoren Jahrzehnte laufen, auch wenn sie getreten und vernachlässigt wurden?
    Ich denke der technische Stand um 2005 mit den Materialien von heute ist eine sinnvolle Mitte. Danach kam (zumindest bei Benzinern) nur noch Marketing und Statistikjagd.

  • Sigfried

    ganz korrekt ist das oben geschriebene leider nicht ….es gibt das ursprüngliche Atkinson-Prinzip (Darstellung über den Kurbeltrieb), den Miller-Zyklus (Darstellung über Ventiltrieb, FRÜHER Einlassschluss), den Atkinson-Zyklus (Darstellung über Ventiltrieb, SPÄTER Einlassschluss) ….zudem ist der frühe Einlassschluss nicht von Audi jetzt das erste Mal in Serie umgesetzt worden, sondern gibt es 1995 schon in verschiedensten Mazda und Subaru Modellen

  • Martin Kubik

    „Er steht das erste Mal seit langem für Vorsprung durch Technik“ trifft es auf den Punkt. Vielleicht schaffen sie es ja mal ihren Werbespruch in de Tat umzusetzen.

  • Marcus

    Die haben sich echt Gedanken gemacht!
    Ich bin schon gespannt, was die ersten Besitzer des A4 Ultra berichten werden!

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