Kleinkunst
Toyota kündigt Verbesserungen an seinen kleinen Ottomotoren mit 1,0 und 1,3 Litern Hubraum an. So soll der Atkinson-Zyklus auch in konventionellen Autos ohne Hybridisierung eingeführt werden. Ziel ist ein Wirkungsgrad von 38 Prozent
Toyota City (Japan) 10. April 2014 – Toyota kündigt Verbesserungen an seinen kleinen Ottomotoren mit 1,0 und 1,3 Litern Hubraum an. So soll der Atkinson-Zyklus auch in konventionellen Autos ohne Hybridisierung eingeführt werden. Der Verzicht auf eine Aufladung soll die Produktionskosten im preissensiblen Segment der Kleinst- und Kleinwagen im Zaum halten und hat zudem das Potenzial, die Folgekosten für den Halter überschaubarer zu gestalten. Ziel ist ein Wirkungsgrad von 38 Prozent.
Der thermische Wirkungsgrad der kleinen Motoren soll einerseits durch eine effizientere Verbrennung, andererseits mithilfe weiterer Entdrosselung erreicht werden, eine Kombination, die Toyota bereits in seinen Hybrid-Fahrzeugen über viele Jahre perfektioniert hat und die dort eine Effizienzsteigerung von bis zu zehn Prozent erzielen. Die bereits bestehenden 1,3- und 1,0-Liter-Motoren mit vier repektive drei Zylindern sollen dafür mit insgesamt 14 Einzelmaßnahmen ertüchtigt werden. Von Toyota als "teilweise Neukonstruktion" bezeichnet, soll es 2015 weltweit in Serie gehen. Ob das auch europäische Modelle betreffen wird, wurde nicht kommuniziert, ist aber wahrscheinlich.
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Aus guten Gründen ohne Aufladung
Die 1,3-Liter-Maschine wird im Atkinson-Zyklus (mit verkürztem Verdichtungshub) mit einer bemerkenswert hohen Verdichtung von 13,5:1 laufen, was weit oberhalb der im Serienbau üblichen Werte und nur knapp unterhalb der bisher in Serie erreichten 14:1 der Skyactiv [3]-Ottomotoren von Mazda liegt. Der 1,5 Liter große Vierzylinder im Toyota Yaris Hybrid läuft zwar bereits mit 13,4:1, allerdings eben mit Elektro-Unterstützung, was es den Konstrukteuren einfacher gemacht haben dürfte.
Um aber bei solchen Verdichtungsverhältnissen und hoher Drehmomentabgabe, wie sie ohne elektrischen Boost gefragt ist, die Verbrennung sicher klopffrei [4] beherrschen zu können, bedarf es einiger Tricks, Toyota spricht von einer geänderten Führung des Kühlmittelmantels um den Zylinder. Einen anderen können wir auf dem mitgelieferten Bildmaterial deutlich erkennen, es ist ein 4-in-2-in-1-Auspuffkrümmer.
Er verhindert, dass Abgas vom Nachbarzylinder zurückgesaugt werden kann und garantiert damit stabile Temperatur- und Schwingungsverhältnisse. Man könnte jetzt sagen, Toyota kocht hier auch nur mit Wasser, Tatsache ist aber, dass der Motoren-Pionier Mazda [5] beim Skyactiv genau das (naheliegende) Gleiche tut. Im Übrigen ist dieses Prinzip seit über hundert Jahren bekannt und wurde in der Großserie nur aus Kostengründen nicht umgesetzt.
An der Grenze des Machbaren
Mit so einer extremen Verdichtung und einer beschleunigten Verbrennung können die Wärmeverluste noch einmal deutlich eingeschränkt werden. Um eine gute Füllung über einen möglichst weiten Last- und Drehzahlbereich zu erreichen, soll eine variable Ventilsteuerung [6] auf Ein- und Auslasseite (Variable Valve Timing-intelligent Electric, VVT-iE mit einem elektrischen Aktuator auf der Einlassnockenwelle und einem hydraulischen auf der Auslasseite) eingesetzt werden. Unverzichtbar für einen Motor im Atkinson-Zyklus mit zeitgemäßem Drehmomentverlauf ist laut Toyota die weitere Spreizung der Steuerzeiten durch VVT-iE.
Dazu kommt eine drallerzeugende Form des Einlasskanals. Mit einem horizonalen Wirbel soll eine möglichst gute Durchmischung des eingespritzten Kraftstoffs mit der Luft und dadurch eine schnellere, thermisch effizientere Verbrennung erreicht werden. Darüber hinaus will Toyota Scavenging einsetzen, also eine erweiterte Ventilüberschneidung zur besseren Füllung des Zylinders. Die beim Scavenging erwünschte Restgasausspülung wird durch die Pulsation im 4-in-2-in-1-Auspuffkrümmer unterstützt, Ventilüberschneidung und Resonanz im Krümmer sind aufeinander abgestimmt.
Um Drosselverluste in Teillast zu reduzieren und eine gute Rohabgasqualität zu erreichen, will Toyota die Möglichkeiten der gekühlten Abgasrückführung weiter ausreizen. Damit soll der thermische Wirkungsgrad nach eigenen Berechnungen 38 Prozent erreichen. Mit Stopp-Start-Funktion und anderen, nicht motorseitigen Maßnahmen (Toyota nennt Aerodynamik und Leichtbau) will man die Effizienz eines Fahrzeugs mit dieser Motorisierung um 15 Prozent heben.
Die Zahlen beziehen sich zwar jeweils auf den japanische Zyklus "JC08" des Ministeriums für Land, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus (MLIT), im europäischen NEFZ sollten aber keine allzu großen Abweichungen zu erwarten sein.
Kleinwagen – ein großes, ungehobenes Potenzial
Weitere motorseitige Maßnahmen dienen der weiteren Reibungsminimierung, wie beispielsweise eine Lagerbeschichtung aus Kunststoff, modifizierte Kolbenhemden, eine Ölpumpe mit reduziertem Fördervolumen und verkleinerte Umschlingungswinkel im Riementrieb für die Nebenaggregate.
Auch der 1,0-Liter-Dreizylinder aus der Kooperation mit der Tochterfirma Daihatsu Motor Co., Ltd. soll nach eigenen Berechnungen bereits 37 Prozent thermischen Wirkungsgrad erreicht haben. Hier nennt Toyota die gleichen Maßnahmen, schweigt sich über die ebenfalls stark erhöhte Verdichtung aber noch aus. Mit den fahrzeugseitigen Maßnahmen will man den Verbrauch in vergleichbaren Fahrzeugen um stattliche 30 Prozent verringert haben. Diese vergleichsweise riesige Zahl ist gar nicht so ungewöhnlich, wenn man sie mal mit den spezifischen Verbräuchen über alle Fahrzeugklassen in Beziehung setzt. Danach wird klar, dass bisher eigentlich alle Kleinstwagen arge Säufer sind. Grund sind natürlich die Produktionskosten. Toyota kann als Groß-Hersteller nun seine erprobten Spartechnologien – wie beispielsweise VVT-iE aus dem 2007er Lexus 460 [7] – erstmals in dieses Segment einführen und damit ein bisher vernachässigtes Potenzial heben. (fpi [8])
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[3] https://www.heise.de/news/Mazda-Skyactiv-Benziner-und-Diesel-mit-Verdichtung-14-1-1256556.html
[4] https://www.heise.de/news/Ausgeknockt-1842988.html
[5] https://www.heise.de/news/Jenseits-von-Otto-und-Diesel-2152256.html
[6] https://www.heise.de/news/Nockenwellenreiter-1828417.html
[7] https://www.heise.de/news/Nischenangebot-1864494.html
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