Mercedes F 700: Motorischer Zwitter in der Praxis

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Sevilla (Spanien), 13. Juni 2008 – Das Rennen um effiziente und umweltfreundliche Antriebe nimmt an Fahrt auf. Zuletzt haben sich die Stimmen gemehrt, dass dem Elektrofahrzeug die Zukunft gehört. Doch welche Antriebskonzepte sich durchsetzen, ob Elektroauto, Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeug – oder eben moderne Motorentechnik, kann niemand sicher voraussagen. Einiges spricht dafür, dass es mehrere Antriebskonzepte geben wird, abhängig vom Einsatzzweck. So macht es Sinn, dass Daimler seine Entwicklungen am Diesotto-Motor weitertreibt, der technisch alles andere als anspruchslos ist. Wir konnten im Forschungsfahrzeug Mercedes F 700 „erfahren“, wie sich die neue Technik auf der Straße anfühlt.

Vollgestopft mit Technik

Die Stuttgarter Ingenieure haben den F 700 geradezu mit Technik vollgestopft. Dazu gehört nicht nur der Diesotto-Motor, der, wie sein Name schon sagt, die Brücke zwischen Diesel- und Ottomotor schlägt. Er wird unterstützt von einer kleinen Elektromaschine, die das Fahrzeug zu einem Mild-Hybrid macht. Zudem hat das Fahrzeug ein so genanntes Prescan-Fahrwerk. Während der Serieneinsatz des Hybridantriebs bereits geplant ist, sind die weiteren Innovationen noch Zukunftsmusik. Dennoch konnten wir alles zusammen bereits im F 700 und verschiedenen Forschungsfahrzeugen erproben.

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Technologischer Zwitter: Der Mercedes F 700 mit Diesotto-Motor und Mild-Hybrid-Konzept

Mit Turboaufladung und Hybridmodul

Während in der S-Klasse die kleinste Motorisierung ein Sechszylinder ist, wird der über fünf Meter lange F 700 von einem bescheidenen Vierzylindermotor angetrieben. Und der ist mit einem Hubraum von 1,8 Liter nicht mal besonders groß, trägt den F 700 aber mit nur 5,3 Liter Benzin 100 Kilometer weit – ein Wert wie aus einem Kleinwagenprospekt. Dennoch gebietet der Fahrer über 258 PS. Der Hauptteil, nämlich 238 PS, stammt aus dem Verbrennungsmotor mit zweistufiger Turboaufladung. 15 kW (20 PS) trägt ein kleiner Elektromotor bei. Es ist das gleiche System, das im Jahr 2009 im S 400 BlueHybrid auf den Markt kommen wird. Als Batterien werden erstmals in einem Serienauto Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt. Sie speisen einen kleinen Elektromotor, der kein rein elektrisches Fahren ermöglicht, sondern nur unterstützend eingreift. So stehen vom Start weg 160 Newtonmeter zur Verfügung. Etwas später greift dann der Turbo ein – das berüchtigte Turboloch elegant umschifft.

Mercedes F 700: Motorischer Zwitter in der Praxis

Homogene Kompressionszündung

Die Hauptneuheit des F 700 ist jedoch der Diesotto-Motor, der gleich mehrere Innovationen miteinander verbindet. Kern ist die homogene Kompressionszündung, die derzeit bei Opel (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI), bei VW als CCS (Combined Combustion System) sowie als GCI (Gasoline Combustion System) und eben bei Mercedes als Diesotto entwickelt wird. Bei diesem Verfahren werden die Eigenschaften von Diesel- und Ottomotor gewissermaßen miteinander verschmolzen. VW verfolgte eine Zeit lang bei CCS eine Diesel-Strategie, die jedoch den synthetischen Spezialkraftstoff Sundiesel nötig machte. Inzwischen ist man auf Ottokraftstoff umgeschwenkt und nennt das Verfahren GCI.

Normaler Ottokraftstoff

Denn einfacher zu erreichen ist eine homogene Kompressionszündung mit Ottokraftstoff. So verwendet auch Mercedes normales Benzin. Beim Start und bei Volllast arbeitet der Motor wie ein gewöhnlicher Benziner mit Direkteinspritzung. Die Mischung wird per Zündkerze gezündet. Das Gemisch ist dabei stöchiometrisch, der Lambda-Wert liegt bei eins, also das normale Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff. Anders sieht es bei Teillast aus. Hierbei wird das Gemisch durch Kompression gezündet wie beim Diesel. Voraussetzung dafür ist ein besonders homogenes Gemisch, denn eine ungleichmäßig zusammengesetzte Mischung würde zu einer klopfenden Verbrennung führen.

Raumzündverbrennung

Bei der so genannten Raumzündverbrennung bleibt ein Teil des verbrannten Gemisches im Brennraum: Im Auslasstakt werden die Ventile nur kurz geöffnet, sodass nur die Hälfte der Abgase entweichen kann. Der Rest bleibt im Brennraum und damit auch ein großer Teil der Wärme. Um die Temperatur weiter zu steigern, wird eine kleine Menge Treibstoff eingespritzt, die zwar nicht zündet, aber thermisch mit dem heißen Restgas reagiert. Im nachfolgenden Einlasstakt erfolgt dann die Haupteinspritzung. Anschließend öffnet das Einlassventil und lässt Frischluft einströmen, das sich mit dem Restgas vermischt. Dabei wird die Luftmenge so großzügig bemessen, dass sich ein mageres Gemisch bildet; der Lambda-Wert liegt im Raumzündungsmodus bei etwa 1,5, was zu einer effektiven Verbrennung und niedrigem Verbrauch führt.

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Die Verbrennung steuern

Im Verdichtungstakt steigt die Temperatur des Gemischs dann weiter an. Sobald die Hitze einen bestimmten Punkt erreicht hat, setzt die Selbstzündung ein – der Arbeitstakt hat begonnen. Die Schwierigkeit bei den vier Takten des Raumzündverfahrens besteht darin, den Verbrennungszeitpunkt über die Kraftstoffmengen und Einspritzzeitpunkte zu steuern. Die Daten dafür liefern Drucksensoren in jedem der vier Zylinder. Im Unterschied zu Motoren ohne Drucksensoren ist dadurch der Druck im Brennraum bekannt, sodass man Parameter wie die Einsritzmenge sinnvoll steuern kann. Da die Verdichtung deutlich geringer ist als beim Diesel, läuft der Prozess bei niedriger Temperatur ab. Durch die exakte Steuerung wird das Gemisch sehr homogen, sodass keine Hitzenester entstehen. Durch diese „kühlere“ Verbrennung entstehen deutlich weniger Stickoxide, die bei den bisher üblichen Magermotoren unvermeidlich waren. Eine aufwendige Nachbehandlung der Stickoxide ist deshalb ebensowenig erforderlich wie ein Partikelfilter beim Diesel, glaubt man bei Mercedes.

Variable Verdichtung

Eine weitere Innovation des Diesotto-Motors im F 700 ist die variable Verdichtung. Diese wird durch einen verstellbaren Kurbeltrieb ermöglicht, der die Verdichtung stufenlos einstellt. Bei Teillast im Raumzündungsmodus liegt die Verdichtung bei etwa 14:1, im Modus mit Fremdzündung dagegen bei etwa 7:1. Zum Vergleich: Ein Diesel liegt typischerweise bei etwa 20, ein nicht besonders sportlicher Benziner bei etwa neun. Schließlich werden durch eine variable Ventilsteuerung auch die Ventilöffnungszeiten sowie der Ventilhub optimal auf den gerade herrschenden Betriebspunkt eingestellt. Dazu haben die Nockenwellen für jedes Ventil zwei unterschiedlich große Nocken. Bei hoher Last und hohen Drehzahlen wird damit ein großer Hub eingestellt, bei Teillast ein kleiner.

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In der Praxis: Unmerklicher Übergang

In der Praxis merkt man von den beiden Modi nichts. Der Übergang, der je nach Last bei etwa 3000 U/min erfolgt, bleibt im Verborgenen. Weder im F 700 noch in einem Versuchsfahrzeug auf Basis einer langen S-Klasse ist der Übergang zwischen den beiden Betriebsszuständen zu spüren oder zu hören. Die Versuchsingenieure sagen, sie könnten den Unterschied allenfalls hören, wenn sie mit geöffnetem Fenster nahe an einer Mauer vorbei fahren. Auch von diesem Übergang abgesehen, ist der Diesotto absolut unauffällig – man muss schon gesagt bekommen, dass man mit dieser Motorart unterwegs ist, sonst merkt man es nicht. Die Kraft, die im F 700 zur Verfügung steht, ist jedenfalls mit der eines Sechszylinders durchaus vergleichbar.

Fazit: Spannende Zeiten

Benziner und Diesel sind heute noch die herrschenden Antriebskonzepte. Doch schon „mittelfristig“, also wohl in etwa einem halben Jahrzehnt, könnte eine Mischform dazukommen, die halb Benziner, halb Diesel ist. Wir leben in einer spannenden Zeit des automobilen Übergangs. Oder sollte sich das Ganze etwa eines Tages in Luft auflösen? Es wäre nicht das erste Mal, dass ein neuer Motortyp zuerst von einem Hersteller in den Himmel gelobt wird, um dann sang- und klanglos beerdigt zu werden. Ob der Diesotto wirklich so kommt, wie er heute erprobt wird, oder ob er ganz anders wird, wissen wir heute noch nicht. Aufregend ist die Technik aber in jedem Fall. (imp)