Downsizing–ein Beitrag zur Verbrauchsdebatte

by Roland Lewandowski on 25. Januar 2011

10 Comments

Vergleich 2.0FSI 1.8T 1.4TSI Drehmoment Leistung Hubraum

Was ist überhaupt Downsizing?

Betrachten wir mal einen herkömmlichen 2.0L Saugmotor (2.0 FSI von Audi Modelljahr 2001) mit 110kW und 200Nm (ab 3200 U/min). Bereits der zur gleichen Zeit erhältliche 1.8L Turbo hat ebenfalls 110kW und sogar 210Nm (bereits ab 1700U/min). Als aktuelles Beispiel nehmen wir den 1.4L TSI von VW in seiner höchsten Ausbaustufe, welcher mit 118kW mehr Leistung und mit 240Nm deutlich mehr Drehmoment hat. In aktueller Vollendung haben wir quasi 600ccm eingespart und mehr Drehmoment und Leistung bekommen.

Der nächste Schritt ist die Einsparung von ein oder zwei Zylindern. VW hat bereits einen 3-Zylinder im Programm und von Fiat kommt ein 2-Zylinder auf den Markt. Downsizing bedeutet also höhere spezifische Leistung (Leistung pro Hubraum) und somit kann bei gleichbleibender Leistung der Hubraum verringert werden. Das ganze funktioniert natürlich nur in Kombination mit Aufladung. Als Faustformel kann man festhalten: 50kW und 100Nm pro Liter Hubraum bei einem Saugmotor und bis Faktor 2 bei einem Turbomotor (Stand 2010 – Serienfahrzeuge).

Verluste verringern

Was bringt uns Downsizing? Weniger Hubraum bedeutet weniger Reibung, weniger bewegte Massen, Arbeiten im besseren Wirkungsgradbereich und somit weniger Verbrauch. Der geringeren Reibung und bewegten Massen bedarf es sicherlich keiner weiteren Erläuterung, die Arbeit im besseren Wirkungsgradbereich dagegen schon. Schauen wir uns dafür mal ein Kennfeld des effektiven spezifischen Verbrauchs be (be‑Kennfeld) an. Im Speziellen das vom 1.8T 5V von Audi [Quelle – Abb.36]:

be Kennfeld eines Audi 4-Zylinder 5V Turbo

Der Mitteldruck (y-Achse) ist Ausdruck des Drehmoments; der spezifische Verbrauch (Muschelfelder) für den Wirkungsgrad. Der Verbrauchswert ist reziprok zum Wirkungsgrad zu werten, heißt also je niedriger der Wert desto besser.

Zu sehen ist ein Bestpunkt von 246 g/kWh bei 2000 U/min und 10 bar. Was bedeutet das jetzt für die Fahrweise? Kurz und knapp: „gut drauftreten“ und zügig schalten. Zwei deutliche Fakten lassen sich ableiten: hohe Drehzahlen und niedrige Lasten fressen Sprit, da dort der Wirkungsgrad schlechter wird. Also den Gang immer so hoch wie möglich wählen. Bei konstanter Stadtfahrt ruhig den 6. nehmen (knapp über 1000 U/min), sofern man einen hat.

Bei Motoren mit hohem Drehmoment beißt sich beim „gut drauf treten“ jedoch die Katze in den Schwanz. Dann macht einem nämlich der Beschleunigungswiderstand einen Strich durch die Rechnung und treibt den Verbrauch hoch, selbst wenn man im wirkungsgradgünstigsten Bereich fährt. Dazu empfiehlt sich auch dieser Artikel. Und da gilt wieder: Sprit sparen wollen und von Autorennen träumen – das passt nicht zusammen.

Stammtischthese

Der Verbrauch ist immer noch wie vor 20 Jahren!

Wenn wir einmal überlegen, dass ein VW Passat vor 15-20 Jahren mit einem 1.8L Motor mit 90PS zwischen 9 – 11L / 100km verbraucht hat, liegen wir doch mit einem aktuell vergleichbarem Motor dem 1.4L TSI (66kW) von VW mit im Schnitt 7.0L/100km ziemlich gut. Man bedenke auch zusätzlich die gestiegene Komfort- und Sicherheitsausstattung und somit höheres Gewicht. Der Wirkungsgrad des kompletten Antriebstranges ist somit deutlich besser geworden.

Wie auch hier zu sehen, ist der Spritverbrauch insgesamt stetig gesunken.

 

10 Comments

  1. Hallo Roland,
    Ich muss hier mal einspringen, weil dies meiner bescheidenen Meinung nach nur die halbe Wahrheit darstellt. Es wird hier vom be-Kennfeld in Verbindung mit Fahrweise berichtet. Das hat zwar alles seine Richtigkeit; die Aussagefähigkeit verblasst allerdings leicht wenn man den Blickwinkel auch auf das, was nach der Kurbelwelle alles noch so dreht, erweitert.
    Der Fahrer ist ja meist mit dem kompletten Fahrzeug unterwegs und sein Ziel wird es nur in den seltensten Fällen sein, mal eine Stunde unterwegs zu sein. Dementgegen steht der tägliche Versuch eine Strecke von A nach B zurückzulegen.
    Ergo ist für den Großteil der Sparfüchse der Verbrauch pro Strecke und nicht pro Zeiteinheit die relevante Größe.
    Bedeutet im Klartext: bei 2000 Umdrehungen und 10 bar eff. Mitteldruck habe ich zwar den niedrigsten spezifischen Verbrauch (264g/kwh), lege aber beispielsweise bei 4000 Umdrehungen und 10 bar eff. Mitteldruck (270g/kwh) deutlich mehr Kilometer in derselben Zeit zurück (Ausgegangen vom selben Gang).
    In den Tagen der grauen Vorzeit durfen sich unsere Väter mit dem Jante NFD mit Verbrauchskennlinien abmühen. Dies ist aber inzwischen, nicht zuletzt wegen der Abmaße (Anmerkung: So ein Diagramm kann schon mal schnell mehrere m² groß werden, um noch etwas erkennen zu können), auf den Abstellgleis geraten.
    Fazit für mich: Bezogen auf den Motor allein ist dieses be-Kennfeld repräsentativ und absolut korrekt. Bezogen auf das Gesamtfahrzeug muss der sparsamste Betriebspunkt allerdings nicht jener sein, der im be-Kennfeld mit 2000 1/min und 10 bar eruiert wurde.

    Hochachtungsvoll,
    Ihr ehemaliger Studienkollege

  2. Hallo Frank,

    was du sagst ist korrekt, keine Frage.

    Ich schreibe jedoch, das immer der höchstmögliche Gang zu wählen ist. Und somit falle ich ja wieder in meiner Drehzahl und der Verbrauch sinkt.

    Deine Argumentation hat noch einen Haken, denn du gehst vom gleichen Gang aus. Da könntest du ja mit dem 3. anfahren und dann dort bleiben, wenn du 50 fährst. Dein Verbrauch pro Sekunde würde dann im Vergleich von 30 auf 50 wahrscheinlich fallen. Aber schaltest du dann in den 5. verbrauchst du plötzlich bei 50 weniger als im 3. bei 30. Oder hab ich da was falsch verstanden?
    Weiterhin sage ich ja auch nicht, dass der 2000 / 10bar Punkt der sparsamste ist, sondern nur der mit dem höchsten Wirkungsgrad. Daher habe ich auch dort weiter geschrieben, dass es eine Diskrepanz zwischen „stark“ beschleunigen und „verbrauchsarm“ beschleunigen bei Motoren mit höherem Drehmoment gibt. Denn dann rufe ich viel Drehmoment (kWh) ab und brauche somit viel Kraftstoff.
    Wenn ich davon ausgehe, mich an die vorgeschriebene Geschwindigkeit zu halten und sie auch meistens fahren kann, dann zählt für mich jedoch der Verbrauch pro gefahrener Strecke (l/km) und nicht der pro Zeit.

    Generell für Konstantfahrten gilt jedoch, dass der Gang immer so hoch (bzw. die Drehzahl so niedrig) wie möglich zu wählen ist. Dadurch ist das erforderliche Drehmoment hoch und der spez. Verbrauch geringer. Die benötigte Leistung P ändert sich ja nicht. Durch P = M * 2*Pi*n (danke Prof. Zikoridse :-).

    Sicherlich gibt es Punkte in denen es verbrauchsgünstiger ist, den niedrigeren Gang zu wählen. Das diese Punkte im normalen Fahrzyklus auftreten wage ich jedoch zu bezweifeln.

    Ich hoffe, ich habe dich soweit richtig verstanden … falls etwas unklar oder sogar falsch ist, raus damit :-) …an alles denken / beschreiben kann man in so einem Artikel eben nicht. Sonst würde ich es als Buch drucken lassen :-)

    Viele Grüße aus Ingolstadt und Danke für die Anregung.
    Roland

  3. Hallo Leute,
    das hört sich rein wissenschaftlich völlig überzeugend an. Die Praxis aber sieht anders aus! Meine Erfahrungen mit einem downsized-Motor bezieht sich auf meinen neuen Opel Meriva B 1,4 ecoflex, 120 PS. Nach eingehender Information erschien mir diese neue Technik überzeugend und zeitgemäß. Einen guten Vergleich habe ich in meinem alten Meriva 1,6l 105 PS (Twinport ecotech). Der alte ließ sich deutlich verbrauchsärmer fahren, wenn man sich bei Überlandfahrten richtig Mühe gegeben hat, dann waren weniger als 6 Liter/100km drin. Beim neuen Meriva sind wir im günstigsten Fall bei teilweise schon verkehrsbehindernder Fahrweise :-) auf minimal 7,1 Liter gekommen. Frühes Hochschalten quittiert der Motor mit gequältem Brummen. Im 4. Gang läuft er bei Tempo 50 mit etwa 1700U/min. Diese Drehzahl tut ihm offenbar nicht gut. Im alten Meriva konnte man selbst im 5. Gang bei Tempo 50 „gleiten lassen“, ohne dass es unangenehm brummte. Der Wagen war sogar durch vorsichtiges Gas genen noch zu beschleunigen. Davon kann bei der neuen Technik in der Konstellation nicht mehr die Rede sein!
    Gerne wünschten wir uns den neuen Meriva mit seinem alten Motor zurück. Das Auto ist abgesehen vom Motor nämlich wirklich pfiffig und innivativ!

    Ein enttäuschter Opel-Kunde.

    lakritz

  4. Hallo lakritz,

    erstmal danke für dein Statement.
    Die älteren Ecotec-Motoren von Opel waren wirklich sehr gute Sauger! Für kleinere Autos wirklich sehr gut in Verbrauch und Fahrleistung. Im Bereich Downsizing hat Opel allerdings noch einiges aufzuholen. Sie haben ja auch erst etwas später mit der Turboentwicklung angefangen. Weiterhin ist mir aufgefallen, dass er keinen 6. Gang hat. Sicherlich auch ein Grund warum der Meriva bei realer Fahrweise, also nicht nach Normzyklus, mehr verbraucht. Dein Verbrauch korreliert gut mit dem im Netz verbreiteten Durchschnittsverbräuchen.
    Dass der Motor bei 1700 brummt, kann viele Gründe haben. Konstruktionstechnisch, also z.B. Ausgleichswellen, applikativ (unpassender Zündwinkel), etc. …wie gesagt, ich denke, dass die Opel-Ingenieure auch noch lernen müssen. Andere OEMs haben das mittlerweile besser drauf. Allerdings braucht er bei 50km/h auch noch keine Turbounterstützung, was es noch merkwürdiger erscheinen lässt.
    Weiterhin ist noch die Frage, ob du auch wirklich genauso fährst mit dem neuen, wie mit dem alten Motor. Denn das deutlich höhere Drehmoment des aufgeladenen neuen Motors, wird meistens auch unbewußt mehr ausgekostet und bedarf somit mehr an Sprit. Höhere Beschleunigungen, welche dem alten Motor merklich! mehr Anstrengung kostete, hat man automatisch eher gemieden, da die höhere Last deutlich mehr aufgefallen ist, als im neuen.
    Hast du mal die Masse des alten und neuen Autos verglichen? Die Übersetzungen der einzelnen Gänge? Alte Normverbrauchsangabe zu Realverbrauch?

    Wichtig für verbrauchsarmes Fahren auf der Landstraße ist nicht Fahren mit geringer Geschwindigkeit, sondern eher gediegenes, nicht zu schwaches, zügiges Beschleunigen mit frühem Hochschalten. Da kommt dir wahrscheinlich jedoch wieder das Brummem bei 1700 entgegen, dass du mit späterem Hochschalten gerne umgehst, richtig?!

    In Summe: dass die Verbrauchsangaben der Hersteller nicht mit realen Werten vereinbar sind, weiß ja mittlerweile jeder. Das liegt an dem Normzyklus (MVEG, bzw. NEFZ), welcher ja nicht viel mit der Realität zu tun hat.

    Schreibe doch einfach mal an Opel.

    Grüße
    Roland

  5. Hi,
    Daumen hoch finde ich sehr interessant!
    Aber wirklich interessant wäre ein theoretischer und praktischer Vergleich mit dem Gegenteil vom DS (siehe zb ETA von BMW).

    Gruss
    Manuel

  6. Hallo Manuel,

    sorry, für die späte Antwort.
    Ich mußte mich auch erstmal informieren, was denn der ETA von BMW ist …
    hier bin ich fündig geworden.
    Die Aussagen: Drehmomenterhöhung im unteren Drehzahlbereich und Verlängerung der Übersetzung ist ja vergleichbar zum Downsizingkonzept.
    Umgesetzt auf einen Saugmotor gibt es eine ähnliche Idee beim 3.2L V6 von Audi. Dieser hat durch ein Schaltsaugrohr (Velängerung der Ansaugwege im niedrigen Drehzahlbereich) und eine 2-fach schaltbare Einlasswellen-Nockenkontur (Verkürzung des Einlassevents im unteren Drehzahlbereich, vergleichbar zum ETA), folglich eine Drehmoment- und Wirkungsgraderhöhung im unteren Drehzahlbereich. Dieser Motor lässt sich ebenfalls mit 7-8 über die Autobahn bewegen, ohne konst. 120 fahren zu müssen ;-) …bei Vollgas sind auch nicht mehr als 12 drin.
    Ein Vergleich zu heute ist trotzdem schwer zu ziehen, da der Motor ja schon 25 Jahre alt ist. Die Ideen sind im Ansatz die gleichen.
    Ich würde nicht sagen, dass ETA das Gegenteil vom Downsizing ist. Die Systeme sind eher kongruent, in Grundideen gleich in den Umsetzungen teilweise divergent.

    gleich:
    Drehmoment- und Wirkungsgraderhöhung „untenrum“, Drehzahlabsenkung durch Übersetzungserhöhung, Verkürzung des Einlassevents

    unterschiedlich:
    Hubraum: beim Turbo kleiner, beim Sauger größer

    Wirklich interessant wäre natürlich ein be-Kennfeld vom ETA-Motor :-)

    Gruß
    Roland

  7. Hallo zusammen,

    mich würde einmal interessieren, warum ein Turbomotor bei Volllast (Autobahn) mehr verbraucht als ein vergleichbarer Saugmotor. Dazu hab es auch einen Vergleich in einer Autozeitung.

    Warum verbraucht der Turbo mehr bei Volllast?

    Danke!
    Alex

  8. Hallo Alex,

    dies hat mehrere Gründe:
    1. bis auf wenige Ausnahmen (z.B. der vor kurzem erschiehene 2.0 TFSI von Audi mit integriertem Abggaskrümmer) müssen alle Turbomotoren bei hohen Drehzahlen und Lasten anfetten um den Turbolader durch die hohen Abgastemperaturen nicht zu zerstören. D.h. der Turbo wird mit Kraftstoff gekühlt! Das ist der Hauptgrund warum Turbomotoren mit gleichen Eckdaten mehr verbrauchen bei Volllast, als leistungsgleiche Saugmotoren.
    2. Aufgrund der deutlich gesteigerten Mittel- und Maximaldrücke bei Turbomotoren, welche benötigt werden um die Leistung / Drehmoment zu schaffen, geht der Wirkungsgrad der Verbrennung (Umsetzung von Kraft in Energie) in die Knie.
    3. Durch hohe Abgasmassenströme in diesen Punkten erhöht sich auch der Gegendruck vom Turbolader, da das Abgas ja da durch muss. Dieser höhere Gegendruck bedingt zusätzlich Arbeit vom Kolben um das verbrannte Gas aus dem Zylinder zu bekommen. Auch das senkt den Wirkungsgrad. Der Saugmotor kann ja einfach „ins Freie“ pusten.

    Das alles erkennst du schön an den Muschelkurven oben im Beitrag. Diese gehen im be (Ausdruck des Wirkungsgrades) in Richtung hohe Drehzahl und hohe Lasten deutlich nach oben, was letztlich schlecht für den Verbrauch ist. Beim Saugmotor sind diese Schritte kleiner und die Muschelkurven sind breiter gefächert. Der Wirkungsgrad bei hohen Drz. und Lasten nimmt geringfügiger ab.

    Frage beantwortet? :-)

    Gruß
    Roland

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