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Auto-Technik: So sparen moderne Motoren Sprit

08.09.2014 | 10:06 Uhr |

Downsizing, Zylinderabschaltung, Turbo-Aufladung, Leichtbau, Aerodynamik - wir stellen die interessantesten Techniken vor, mit denen moderne Autos Kraftsstoff sparen. Und erklären Vorteile und Nachteile.

Im guten alten Verbrennungsmotor steckt noch viel Potential, um Sprit und damit auch Geld zu sparen. Wenn Sie über die Anschaffung eines neuen PKWs nachdenken und dabei sowohl sparen als auch etwas für die Umwelt machen möchten, dann müssen Sie nicht zwangsläufig auf ein Elektro- oder Hybridauto setzen. Wir stellen Ihnen die interessantesten Spritspartechniken bei modernen Verbrennungsmotoren vor und verraten, was dahinter steckt.

Downsizing (3- oder 2-Zylinder)

Das Prinzip: Große Motoren brauchen viel Kraftstoff. Ganz nach diesem Motto wird nicht nur der Hubraum pro Zylinder verringert, sondern auch die Zylinderanzahl insgesamt reduziert. Bei diesem sogenannten Downsizing achten die Automobil-Hersteller in der Regel darauf, dass der neue, kleinere Motor eine gleiche oder sogar höhere Leistung als der alte, große Motor liefert. Das ist schon allein aus dem Grund notwendig, um die kleineren und damit auf den ersten Blick schwächer erscheinenden Motoren den Kunden, die Hubraum-starke Motoren gewohnt sind (und die das Jahrzehnte alte Motto kennen: "Hubraum ist nur durch noch mehr Hubraum zu ersetzen"), schmackhaft zu machen.

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Die Technik: Das Downsizing wird ermöglicht durch verbesserte Werkstoffe (z.B glattere Oberflächen und dadurch reibungsfreier; weniger Gewicht), verbesserte Motorsteuerung oder auch durch Turboaufladung, auf die wir nachher noch genauer eingehen werden. Die Einsparung wird bei diesem Downsizing durch die Verringerung der Reibung im Motor, durch die geringere Abwärme durch die kleineren Flächen und die geringeren zu bewegenden Massen erreicht. Bei 3-Zylindermotoren reibt ein Kolben weniger an der Zylinderwand als es bei vier Zylinder-Motoren der Fall ist. Zudem wird damit auch am Gewicht gespart, der Motor wiegt weniger und dadurch reduziert sich das Gesamtgewicht des Wagens.

Mini mit einem um einen Zylinder verringertem 3-Zylindermotor.
Vergrößern Mini mit einem um einen Zylinder verringertem 3-Zylindermotor.
© BMW AG

Nicht nur Licht, sondern auch Schatten: Zwar versprechen Downsizing-Motoren ein großes Sparpotential im Teillast betrieb; allerdings ist es bei einigen verkleinerten Motoren durchaus der Fall, dass diese im Volllast betrieb wie zum Beispiel beim Beschleunigen, bei „Vollgasfahrten“ auf der Autobahn oder bei Bergfahrten sogar mehr Kraftstoff als ein größerer Motor mit gleicher Leistung verbrauchen. Zudem wird der Motorlauf durch weniger Zylinder unruhiger, wodurch häufig größere Mengen von Dämmmaterial verbaut werden, welche schnell das gesparte Gewicht wieder aufwiegen.

Wer also besonders großen Wert auf einen ruhigen, angenehmen Motorlauf legt, für den sind 3-Zylinder-Motoren zumindest nach dem bisherigen Stand der Technik keine optimale Lösung. Ebenso eignen sich 3-Zylinder-Fahrzeuge bisher eher weniger gut für Autofahrer, die ständig mit hohem Tempo auf der Autobahn unterwegs sind. Möglicherweise wird sich das aber bald ändern, BMW verkauft mit dem Active Tourer nun ja erstmals ein eigenes Fahrzeug mit 3-Zylindermotor - die sportlichen Bayern können es sich nicht erlauben, ihren Kunden einen BMW zu verkaufen, dessen Fahrkultur nicht überzeugt und der gerade bei höheren Geschwindigkeiten überdurchschnittlich durstig wird...

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In der Modell-Palette von Mini ist ebenfalls ein 3-Zylinder-Motor vorhanden. Und zwar mit 1500 ccm Hubraum und einer Leistung von 136 PS, welcher den Verbrauch bei gleichbleibendem Fahrspaß senken soll, wie BMW verspricht. Der Verbrauch soll laut Hersteller nur 4,5 Liter auf 100 km betragen. Zumindest in der Theorie nach dem praxisfremden NEFZ.

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Dynamisches Downsizing (Zylinderabschaltung)

Neben der permanenten Entfernung eines Zylinders gibt es die Technik der Situations-abhängigen Zylinderabschaltung. Bei diesem dynamischen Downsizing wird die Kraftstoffzufuhr zu einem oder mehrere Zylindern, im Fall von V-Motoren sogar zu ganzen Zylinderbänken, unterbrochen und somit Kraftstoff eingespart. Diese Technik ist vor allem bei großen Motoren wie den V8-Motoren von Chrysler, Jeep und Dodge (5,7 Liter Hubraum) oder dem V8-Motor der Mercedes-Tochter AMG verbreitet.

Allerdings nutzen andere Hersteller diese Technik auch für kleinere Motoren. So bietet zum Beispiel VW die Technik nicht nur beim V8 4.0 TFSI (in Premiumfahrzeugen wie dem Audi A8/VW Phaeton oder Bentley) an, sondern auch bei den kleinen 1.4-TSI-Motoren. Hier schaltet die Technik einige Zylinder der Vierzylindermotoren ab. Dadurch wird zwar nicht, wie es beim permanenten Downsizing der Fall, ist am Gewicht gespart, allerdings behält der Motor eine Mindestlaufruhe und ist somit zum Beispiel auch auf langen Autobahnfahrten mit hoher Geschwindigkeit angenehmer zu fahren.

Nutzen ist fraglich

Ob diese Technik allerdings bei Vierzylindermotoren viel nützt ist fraglich. Zudem werden immer die gleichen Zylinder abgeschaltet wodurch die aktiven stärker abgenutzt werden. Das Spritsparpotential bei dieser Technik hält sich bei kleinen Motoren eher in Grenzen, wodurch der Sinn dieses Kompromisses fraglich ist.

Seat Leon mit dem 1.4 TSI Motor mit Zylinderabschaltung.
Vergrößern Seat Leon mit dem 1.4 TSI Motor mit Zylinderabschaltung.
© SEAT Deutschland GmbH

Bei großen Motoren wie einem V8 lässt sich durch diese Technik dagegen relativ viel Kraftstoff einsparen

Gesamtbewertung der dynamischer Zylinderabschaltung: Da große Motoren mit Zylinderabschaltung ohnehin nicht zu den sparsamsen Triebwerken gehören und bei kleinen Motoren die dynamische Zylinderabschaltung wenig bis sehr wenig nützt, senkt das dynamische Downsizing den globalen Spritverbrauch insgesamt nur wenig.

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Turbo-Aufladung

Häufig werden Motoren durch Turbolader leistungsstärker gemacht, um mit einem kleineren Motor eine ähnliche Leistung zu erzielen, wie es sonst nur mit einem Motor mit deutlich mehr Hubraum und mehr Zylindern möglich ist. Durch den kleineren Hubraum sinkt der Verbrauch. Der Turbolader verringert die Ansaugarbeit des Kolbens im Zylinder mit Hilfe des Abgasdrucks und verringert somit die zu verrichtende Arbeit.

Der größte Nachteil dieser Technik ist allerdings, dass kleinere Motoren größeren Kräften ausgesetzt sind und dadurch entweder kostenaufwändig verstärkt werden müssen oder aber deren Haltbarkeit reduziert wird. Zudem ist ein leistungsfähigeres Kühlsystem notwendig, um die höheren Temperaturen abzuführen. Ebenfalls muss der Querschnitt der Abgasanlage vergrößert werden, um den Gegendruck zu verringern. Durch diese Anpassungen steigt das Fahrzeuggewicht teilweise nicht unerheblich. Turbolader sind außerdem häufig von Hitzerissen und Lagerschäden betroffen, was zu teuren Reparaturen führen und/oder den Austausch des Laders notwendig machen kann.

Fiats TwinAir Technologie im Fiat 500.
Vergrößern Fiats TwinAir Technologie im Fiat 500.
© Fiat group automobiles GERMANY a.G.

Der große Vorteil von Turbo-Aufladungen ist eben das Kraftstoffsparpotential. Ein Extrembeispiel hierfür ist die Twin-Air-Technik von Fiat. Hier wurde der Motor im Fall des Fiat 500 auf nur noch 2-Zylinder mit 875 ccm Hubraum mit Turboaufladung reduziert. Der neue Cinquecento Twin-Air bietet mit seinen 63 kW (85 PS) ausreichend Leistung für einen Kleinstwagen bei einem kombinierten Verbrauch von nur 4,2 Liter/100 km (nach dem theoretischen NEFZ-Modus).

Hybridantrieb (Unterstützung durch Elektromotor)

Viele Hersteller bieten Hybridfahrzeuge an, bei denen der Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor unterstützt wird und dadurch ein deutlich reduzierter Verbrauch erzielt soll. Hierbei kann der Elektromotor a) entweder nur als Start-Stop-Hilfe, b) zur Unterstützung des Verbrennungsmotors oder c) sogar als vollwertige Antriebsquelle genutzt werden - letzteres ist zum Beispiel beim Toyota Yaris Hybrid der Fall.

BMWs Elektro- bzw (mit Range Extender) Hybridauto i3.
Vergrößern BMWs Elektro- bzw (mit Range Extender) Hybridauto i3.
© BMW AG

Zur genauen Funktion und zum Einsparpotential von Hybrid- und Elektrofahrzeugen lesen Sie unseren Artikel „Erfahren Sie alles über Hybrid- & Elektro-Autos“ .

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Verdichtungsreduzierung (Diesel) und Verdichtungserhöhung (Benzin)

Bei Dieselmotoren lässt sich durch Verringerung der Verdichtung die Verbrennung besser steuern und somit im Fall von Mazdas Skyactiv-Dieselmotoren bis zu 20 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen und zudem 20 Prozent weniger C0 2 ausstoßen. Die Verdichtung beträgt hier nur 14:1 im Gegensatz zu den üblichen zirka 21:1 bei nicht aufgeladenen Dieselmotoren und zirka 16:1 bei Dieselmotoren mit Turboaufladung. „Mazdas 3er“ verbraucht mit seinen 2,2 Liter Hubraum laut NEFZ 3,9 Liter Diesel/100 km.

Verdichtungsänderung bei Mazdas SkyActiv Technologie.
Vergrößern Verdichtungsänderung bei Mazdas SkyActiv Technologie.
© Mazda Motors (Deutschland) GmbH

Allerdings hat Mazda nicht nur die Verdichtung seiner Dieselmotoren gesenkt, sondern auch die seiner Skyactiv-Benzinmotoren erhöht und zwar ebenfalls auf 14:1 im Gegensatz zu den für Benzinmotoren heute üblichen rund 12:1. Der 2,0-Liter-Skyactiv-Benzinmotor soll 15 Prozent weniger Kraftstoff verbrauchen und 15 Prozent mehr Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich bieten. Das Problem von möglichen Selbstzündungen durch die hohe Kompression will Mazda unter anderem durch ein sogenanntes 4-2-1-Abgassystem behoben haben. Der Mazda 3 mit 2,0 Liter Hubraum soll bei einer Leistung von 88 kW/120 PS nur 5,1 Liter Benzin/100 km benötigen (laut NEFZ).

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Aerodynamik: Luftwiderstandsbeiwert und Luftwiderstand

Da bei hoher Geschwindigkeit noch immer der Luftwiderstand den größten Teil des Verbrauchs ausmacht, ist die Aerodynamik auch bei Kleinwagen und Kompaktwagen mittlerweile ein großes Thema. So hatte der Golf 1 zu seiner Zeit einen cw-Wert (das cw steht für Strömungswiderstandskoeffizient alias Luftwiderstandsbeiwert alias Widerstandsbeiwert) von 0,42 im Gegensatz zu den 0,27 des aktuellen Golf 7 (Der cw-Wert errechnet sich wie folgt: Widerstandskraft/Staudruck*Referenzfläche).

Verbesserte Aerodynamik und moderneres Design beim Golf.
Vergrößern Verbesserte Aerodynamik und moderneres Design beim Golf.
© Volkswagen

Mit den immer größer werdenden Frontflächen der Fahrzeuge steigt allerdings der Luftwiderstand im Gegensatz zu älteren Fahrzeugen immer weiter, weshalb von den Herstellern gerne nur der gemessene cw-Wert und nicht der relevantere Luftwiderstand, also das Produkt aus cw-Wert und Stirnfläche und Staudruck, angegeben wird.

Ansonsten lässt sich in Sachen Aerodynamik lediglich an einigen modernen Kombi-Fahrzeugen durch das nach hinten hin abfallende Dach die Annäherung an die optimale „Tropfenform“ erkennen, was allerdings den Nutzen eines solchen Fahrzeugs beim Beladen erheblich verringert.

Leichtbau

Mit steigenden Sicherheitsstandards und wachsendem Komfortbedürfnis stiegen auch das Fahrzeuggewicht und damit der Verbrauch. Wo Kleinwagen vor 15 Jahren noch mit einer Tonne Gewicht auskamen, ist der Standard mittlerweile bei mehr als 1,2 Tonnen und in der Mittel-, Ober- und Premiumklasse ist der Anstieg noch gravierender. Um den Gewichtsanstieg dennoch in Grenzen zu halten setzen viele Hersteller vermehrt auf Leichtbau, wie Aluminium und Glasfaser verstärkte Kunststoffe (GFK).

Audi (Werbeslogan: "Vorsprung durch Technik") setzte bereits im Jahr 2000 mit dem im Audi A2 eingesetzten Audi Space Frame (ASF) auf einen leichten Voll-Aluminium-Rahmen und konzipierte damit einen leichten ökologischen Kleinwagen. Das Konzept des ASF setzte sich im Audi TT und Audi R8 im Sportwagen-Segment und in der Premiumklasse im Audi A8, um damit unter zwei Tonnen Gewicht zu bleiben, fort.

Diese Rahmen würden sich auch in der Kompaktklasse, zum Beispiel im Audi A3 anbieten, sind aber derzeit dafür zu teuer. Zumal als weiteres größeres Problem das Recycling des hochwertigen Aluminiums hinzu kommt, welches nach dem Einschmelzen bei der Verschrottung des PKWs nur noch minderwertiges Aluminium, zum Beispiel für wenig belastete Gußteile, liefert. Damit wird der Markt aber ohnehin überschwemmt. Somit bleibt der großflächige Einsatz von Aluminium höherpreisigen Premiumfahrzeugen vorbehalten.

Gewichtseinsparung bei Audi durch Spaceframe-Alurahmen.
Vergrößern Gewichtseinsparung bei Audi durch Spaceframe-Alurahmen.
© AUDI AG

Motoren aus Aluminiumguß kommen mittlerweile nicht mehr nur im Motorsport (bessere Fahreigenschaften durch geringeres Motorgewicht) zum Einsatz. VW verbaute solche Alu-Motorblöcke schon im Kleinstwagen Lupo, sowie im älteren Polo, im Golf 4 und in Fahrzeugen seiner Tochterunternehmen.

Einige Bauteile, die früher aus Metalle gefertigt wurden, werden heute meist aus Kunststoffen oder Faser-Verbund-Kunststoffen gefertigt. Damit lässt sich nicht nur erheblich an Gewicht sondern auch bei den Produktionskosten sparen.

Efficiency-Tainment-Geräte

Moderne Navigationsgeräte wie von TomTom oder Garmin bieten neben der schnellsten oder kürzesten auch die energieeffizienteste Route an. Das heißt mit den wenigsten Ampeln, größeren Straßen, kurz gesagt den Weg, auf dem Sie am wenigsten Stop & Go-Verkehr haben.

Viele Automobil-Hersteller bieten mittlerweile sogar Efficiency-Tainment-Systeme an, die den Fahrern Spaß beim Einsparen von Kraftstoff bereiten sollen. Denn Zylinderabschaltung und Turboaufladung helfen wenig, wenn Sie das Gaspedal stets bis zum Anschlag durchdrücken. Deshalb setzen immer mehr Hersteller auf die Erziehung des Fahrers durch Spielereien wie im Display wachsende Blümchen und Bäumchen oder virtuelle Tiere, deren „Lebenskomfort“ mit effizienterer Fahrweise steigt.

Efficiency-Tainmentsystem im Mini.
Vergrößern Efficiency-Tainmentsystem im Mini.
© BMW AG

Durch diese spielerischen Herausforderungen sollen bis zu 15 Prozent Kraftstoff eingespart werden. Diese Techniken reichen von veränderter Beleuchtung (Honda) bis hin zu einem schwimmenden Goldfisch im Mini Connect System, mit der App „Minimalism Analyser,“ dem Sie durch ökologisches Fahren mehr Wasser in sein Glas füllen, oder aber durch rasante Fahrweise auf dem Trockenen sitzen und Sie vorwurfsvoll anblicken lassen können. Auch der Mini von BMW bietet solche Spaß-Apps, die zum richtigen Fahrverhalten anspornen sollen.

Auch wenn sich über den Sinn solcher Spielereien streiten lässt, sind sich die Automobil-Hersteller doch darin einig, dass sich diese Ansätze zum Sprit sparen und zur Änderungen des Fahrverhalten durchaus lohnen können. Außerdem schadet es ja nicht beim Sparen ein wenig Spaß zu haben.

Erdgas und Autogas für PKWs im Vergleich

Erdgas

Eine kostengünstige Alternative zu Benzin und Diesel ist Erdgas. Einige Automobil-Hersteller bietet Fahrzeuge serienmäßig mit Erdgas-Antrieb ab Werk an. Derzeit sind die Kraftsstoffkosten mit Erdgas um rund ein Viertel günstiger als mit Diesel. Da viele Fahrzeuge alternativ mit Erdgas-Systemen angeboten werden, lohnt sich diese Überlegung bei einer Neuanschaffung. Auch wenn die Fahrzeuge, die für den Erdgas-Betrieb ausgelegt sind, meist etwas teurer sind, kann sich der Aufpreis bei Vielfahrern schnell bezahlt machen.

Erdgas betriebener Stadtzwerg Citigo von Skoda.
Vergrößern Erdgas betriebener Stadtzwerg Citigo von Skoda.
© ŠKODA AUTO Deutschland GmbH

Interessante Vertreter, die serienmäßig als Erdgasfahrzeuge angeboten werden, sind die Kleinwagen des VAG-Konzerns VW Eco UP (12.950 Euro Grundpreis), Seat Mii Ecofuel (12.000 Euro) und Skoda Citigo Green Tec (12.500 Euro). Drei Drillinge haben neben ihren Erdgastank auch noch einen 10-Liter Reserve-Benzintank, wodurch sie nicht zwangsläufig auf Erdgastankstellen angewiesen sind.

Die Verbrauchsangabe gestaltet sich bei Erdgas allerdings etwas kompliziert, da Erdgas in Kilogramm und nicht in Litern angegeben wird. Im Fall des Öko-Citigo beträgt der Verbrauch 2,9 kg Erdgas/100 km, was „umgerechnet“ ungefähr 4,5 Liter Benzinverbrauch entspricht, da 1 kg Erdgas in etwa 1,5 Liter Benzin entspricht.

Welche Technik bringt am meisten?

Auch wenn moderne Systeme mit immer geringeren Kraftstoff-Verbräuchen (nach dem theoretischen und völlig praxisfernen Verbrauchsermittlungsverfahren NEFZ) um die Gunst der Käufer buhlen, liegen die realen Werte im Alltag häufig weit darüber. Denn kleine Motoren mögen im Stadtverkehr großes Potential zum Sparen bieten, aber unter Volllast auf der Autobahn wird ein turboaufgeladener-Minimotor durch seine zwangsläufig hohe Drehzahl weit mehr als herkömmliche Saug-Motoren verbrauchen.

Bei der Gewichtseinsparung scheinen die Automobil-Konzerne eher darauf zu achten, dass Ihre Oberklasse-SUVs und Luxus-Limousinen wie die S-Klasse nicht die 2,5 Tonnen-Grenze überschreiten, anstatt auf deutliche Gewichtseinsparungen bei der viel größeren Zahl der Kompakt- und Mittelklassefahrzeuge abzuzielen. Bei den beiden letzteren Fahrzeugklassen ließe sich aber global gesehen insgesamt viel mehr Kraftsstoff sparen.

Sicher ist aber: Die Hersteller sind auf dem richtigen Weg und die Zeit des Verbrennungsmotors ist trotz BMW i3 und Konsorten noch lange nicht vorbei. Denn das Potential für sparsamere Fahrzeuge ist bei Weitem noch nicht ausgeschöpft.

Der wichtigste Faktor beim Spritsparen bleibt allerdings der Fahrer. Denn unnötige Überholmanöver, rasantes Anfahren und Hochgeschwindigkeitsfahrten können die mühselige Arbeit cleverer Ingenieure schnell zunichte machen.

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