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Downsizing von Verbrennungsmotoren

Mit dem Downsizing z. B. von Verbrennungsmotoren ist die Reduktion ihrer Größe und ihres Gewichts gemeint, und zwar häufig auf eine Weise, die einen Verlust an Antriebsleistung vermeidet. Dies ist vor allem bei Motoren für den Antrieb von Fahrzeugen von Interesse, und zwar aus den folgenden Gründen:

• Ein reduziertes Gewicht des Motors bedeutet eine Einsparung an Material und ermöglicht zusätzlich eine Einsparung von Kraftstoff im Betrieb.
• Eine reduzierte geometrische Größe erlaubt den Bau eines verkleinerten Motorraums und eventuell weitere Gewichtsreduktionen bei tragenden Bauteilen, was eine weitere Gewichts- und Kraftstoffeinsparung ergibt.
• Die Erzeugung der gleichen Leistung in einem Motor mit reduziertem Hubraum bedeutet zwingend den Betrieb mit einem entsprechend höheren effektiven Mitteldruck, soweit nicht stattdessen die Drehzahl erhöht wird. Diese Betriebspunktverlagerung ergibt meistens einen höheren Wirkungsgrad des Motors.

Das Downsizing kann also vor allem eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und damit auch der klimaschädlichen CO₂-Emissionen ermöglichen. Eine Reduktion der Herstellungskosten erfolgt jedoch trotz reduziertem Materialeinsatz nicht unbedingt; Maßnahmen für Erzielung der gleichen Leistung aus kleinerem Hubraum können das Antriebssystem sogar verteuern.

Bei stationären Verbrennungsmotoren wird das Downsizing kaum praktiziert, da hier die spezifischen Vorteile geringer sind. Ähnliches gilt für Elektromotoren; bei diesen gibt es häufig sogar einen Kompromiss zwischen möglichst geringer Baugröße und einem möglichst hohen Wirkungsgrad.

Technische Maßnahmen für das Downsizing

Das Downsizing ohne Leistungsverlust, also die Erhöhung der hubraumspezifischen Leistung, kann durch unterschiedliche Maßnahmen erzielt werden, von denen die wichtigsten im Folgenden genannt werden:

• Ein Motor kann mit einer Turboaufladung betrieben werden, oder alternativ mit Aufladung über einen Kompressor. Dies ermöglicht nämlich die Zufuhr einer erhöhten Menge von Kraftstoff und Verbrennungsluft. Bei Dieselmotoren bietet sich diese Maßnahme besonders an, während bei Ottomotoren stärker begrenzende Faktoren wirken.
• Auch ohne Aufladung kann der sogenannte Liefergrad ein Stück weit durch die Optimierung der Gemischzuführung (inkl. Ventilsteuerung) erhöht werden.
• Bei Dieselmotoren ermöglicht eine Kraftstoffdirekteinspritzung mit einem erhöhten Einspritzdruck (heute z. T. über 1000 bar, zukünftig voraussichtlich auch 2000 bar) nicht nur eine vollständigere Verbrennung, sondern auch eine gewisse Erhöhung der Kraftstoffmenge bei einer gegebenen Luftmenge und damit eine Steigerung der Leistung. Auch bei Ottomotoren ist durch die Direkteinspritzung eine deutliche Leistungserhöhung möglich.
• Bei allen Hubkolbenmotoren sind gewisse Leistungssteigerungen durch die Mehrventiltechnik möglich.

Es können auch Maßnahmen eingesetzt werden, die die spezifische Leistung des Motors nur kurzzeitig erhöhen können, beispielsweise weil sonst Belastungsgrenzen überschritten würden. Eine kurzzeitige Leistungserhöhung ist nämlich häufig für die Anwendung völlig ausreichend, beispielsweise für Überholmanöver. Eine Sonderform dieses Ansatzes ist die Verwendung von Energie aus einer Batterie im Falle eines Hybridantriebs.

Mögliche Nachteile des Downsizing

Je nachdem, auf welche Weise die hubraumspezifische Leistung eines Motors erhöht wird, können auch gewisse Nachteile auftreten:

• Wenn das maximale Drehmoment reduziert wird, kann gelegentlich der Betrieb mit einer erhöhten Drehzahl notwendig werden, was die Lärmerzeugung und den Verschleiß erhöht, unter Umständen auch den Kraftstoffverbrauch.
• Ein erhöhter effektiver Mitteldruck bedeutet eine verstärkte Belastung des Kurbeltriebs, die auf Kosten der Lebensdauer gehen kann.

Wenn das Downsizing mit einer gewissen Reduktion der Motorleistung einhergeht, sind weitere Nachteile möglich:

• Die Fahrleistungen können verschlechtert werden; insbesondere Einbußen beim Beschleunigungsvermögen werden von vielen Fahrern nicht akzeptiert.

• Wenn ein Benzinmotor deswegen häufiger mit Vollgas betrieben wird, kann die dann häufig eingesetzte Volllastanreicherung schwere Nachteile bei der Abgasqualität und beim Kraftstoffverbrauch verursachen. Bei Dieselmotoren dagegen können die Stickoxidemissionen bei Vollgas massiv ansteigen.
  Man beachte, dass die Hersteller zwar dem Zwang zur Einhaltung strenger Abgas- und Verbrauchsvorschriften unterliegen, dass sie dadurch aber nicht unbedingt gezwungen sind, schwere Nachteile bei Vollgasbetrieb zu vermeiden. Die bislang geltenden Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte sind nämlich so angelegt, dass der Vollgasbetrieb dort gar nicht vorkommt.

Inwieweit solche Nachteile auftreten, hängt natürlich stark von den Prioritäten bei der Gestaltung des Antriebs ab. Beispielsweise treten entsprechende Nachteile in höherem Maße auf, wenn ein Hersteller prioritär die Kosten minimiert und deswegen die Volllastanreicherung nur insoweit vermeidet, wie es zur Einhaltung der Vorschriften nötig ist, auf den praktischen Fahrbetrieb hingegen keine Rücksicht nimmt.

Es sei auch angemerkt, dass Downsizing nicht zwangsläufig die Energieeffizienz erhöht, und dass umgekehrt auch manche Verfahren zur Erhöhung der Effizienz den Motor sogar eher vergrößern. Beispielsweise gilt dies für die Realisierung eines sogenannten Atkinson-Motors und ebenfalls für die Verwendung von Dieselmotoren anstelle von Ottomotoren.

Optimierung aus ökonomischer und ökologischer Sicht

Wenn Kraftfahrzeuge überwiegend nach ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten optimiert würden, würde daraus gegenüber heute üblichen Fahrzeugen ein erhebliches Downsizing resultieren, und zwar unter Inkaufnahme einer erheblich reduzierten Motorleistung. Der Antrieb würde dann so ausgeführt, dass bei einer Fahrgeschwindigkeit von z. B. 120 km/h bereits der wirkungsgradoptimale effektive Mitteldruck im Motor auftreten würde, d. h. dass ein Großteil der verfügbaren Leistung abgerufen würde. Bei heutigen Fahrzeugen dagegen ist der Motor beispielsweise bei einer konstanten Geschwindigkeit von 100 km/h (und erst recht bei niedrigeren Geschwindigkeiten) selbst bei Wahl eines relativ hohen Getriebegangs unzureichend ausgelastet, sodass er seinen maximalen Wirkungsgrad nicht annähernd erreicht.

Der beschriebene Ansatz hätte freilich zur Folge, dass wesentlich höhere Spitzengeschwindigkeiten nicht mehr möglich wären und dass das Beschleunigungsvermögen spürbar geringer wäre. Vor allem letzterer Effekt könnte freilich dadurch reduziert werden, dass die durch das Downsizing mögliche Gewichtsersparnis bei Motor und anderen Komponenten des Fahrzeugs konsequent realisiert würde. Die Bedeutung der reduzierten Spitzengeschwindigkeit wäre ohnehin geringer – in fast allen Ländern der Erde gibt es schließlich ein generelles Tempolimit auf Autobahnen, welches die technisch mögliche Spitzengeschwindigkeit irrelevant macht.

Siehe auch: Verbrennungsmotor, Hubraum, Turboaufladung, Kraftstoffeinspritzung, Volllastanreicherung