Start-Stopp-System, Rückgewinnung von Bremsenergie und mehr

Stellen Sie sich vor, Sie wären Pferdezüchter, und das Futter würde knapp. Was tun Sie? Sie könnten sich von den Pferden verabschieden und mit Ponys vorlieb nehmen – die fressen weniger. Oder Sie könnten versuchen, die Pferde auch mit weniger Futter durchzubringen. Bei BMW versucht man Letzteres: ,Der Umstieg auf Ponys wäre nicht Premium," sagt zum Beispiel Dr. Klaus Draeger, Chef der Motorenentwicklung bei BMW. Was das mit Autos zu tun hat? Nun, der UN-Klimabericht und die dadurch angestoßene Debatte um Kohlendioxid-Grenzwerte haben den Druck auf die Autoindustrie erhöht, sparsamere Autos anzubieten. Motoren sollten mit ihrem Futter so sparsam wie möglich umgehen. BMWs Strategie: nicht die individuelle Auto-Mobilität verringern, sondern den Fahrspaß erhalten und gleichzeitig die Effizienz der Motoren erhöhen.

Stärker und sparsamer
Diese Linie kommt auch beim kürzlich erfolgten Modellwechsel des 1er zum Ausdruck. Dabei wurde das Auto nicht nur PS-stärker, sondern auch sparsamer. Man nutzt also den technischen Fortschritt nicht ausschließlich für die Verbrauchsminderung, sondern spendiert dem Neuling auch mehr Power. Ähnlich ist es zum Beispiel auch bei der neuen Mercedes C-Klasse. Offenbar wäre es den Käufern schwer zu vermitteln, dass der Nachfolger eines Modells mal nicht stärker wird.

Zwei neue Benziner und zwei neue Diesel
Das Einstiegsmodell des BMW-Kompaktmodells bleibt der unveränderte und nur im Fünftürer angebotene 116i mit 115 PS. Er ist mit einem Verbrauch von 7,5 Litern auf 100 Kilometer beileibe kein Spritsparmodell. Und auch das 265 PS starke Topmodell 130i besitzt unverändert einen Verbrauch von 8,3 Litern. Neu sind aber die beiden Zweiliter-Benziner im 118i und 120i, und hier gibt es wesentliche Verbesserungen. Der 118i hat nun 14 PS mehr und verbraucht dennoch 1,4 Liter weniger; der 120i wurde 20 PS stärker und um 1,1 Liter sparsamer. Auf der Dieselseite dasselbe Phänomen: Der 118d wird 21 PS stärker und spart 0,9 Liter Sprit gegenüber dem Vorgänger, der 120d ist nun 14 PS stärker und 0,8 Liter sparsamer. Die Verbesserung fällt also deutlich aus.

Deutlich sparsamer als die Konkurrenz
Verbesserungen gegenüber dem Vorgänger sind nicht schlecht, aber wie steht der 1er im Vergleich zur Konkurrenz da? Nehmen wir die A-Klasse vom Erzkonkurrenten Mercedes, die ebenfalls in der Kompaktklasse antritt: Der 118i ist von der Motorisierung her mit dem ähnlich starken A 200 vergleichbar. Dieser verbraucht jedoch 7,2 Liter – also über einen Liter mehr als der 118i, der mit 5,9 Litern auskommt. Beim Audi A3 braucht sogar der deutlich schwächere 1.6 FSI mit 115 PS mehr als der BMW, nämlich 6,6 Liter auf 100 Kilometer. Und auch der 140 PS starke TSI im VW Golf benötigt mit 7,0 Litern deutlich mehr. Sehen wir uns noch den Diesel-Einstiegsmotor 118d an. Mit seinen 143 PS verbraucht er 4,7 Liter auf 100 Kilometer. Der ähnlich starke A 200 CDI benötigt 0,7 Liter mehr, der A3 2.0 TDI und der identisch motorisierte Golf 2.0 TDI sogar 0,8 Liter. Den BMW-Ingenieuren gebührt also wirklich eine gehörige Portion Respekt – sowohl den Benziner- wie den Dieselmännern.

Bremsenergie-Rückgewinnung
Wie haben es die Münchner Mannen geschafft, den Hunger der Motoren derartig zu dämpfen? Mit einem ganzen Maßnahmenkatalog. Zunächst besitzen alle neuen Benzin- und Dieselvarianten sowie der 130i eine Bremsenergie-Rückgewinnung – in Fachkreisen als Rekuperation bekannt. Sie ist für zwei bis drei Prozent Spriteinsparung verantwortlich. Bei einem normalen Auto gibt der Generator immer Energie an die Batterie sowie ans Bordnetz ab. Das kostet natürlich Sprit beziehungsweise Leistung. Beim BMW-Sparsystem geschieht das nur im Schiebebetrieb, also wenn der Schwung des Fahrzeugs den Motor dreht. Im Zugbetrieb, also wenn der Antrieb das Auto aktiv auf Trab hält, steht mehr Leistung für den Vortrieb zur Verfügung. Nötig dafür ist eine besonders zyklenfeste Batterie, das heißt eine, die sich öfter leeren und wieder aufladen lässt, ohne ihre Speicherfähigkeit einzubüßen. BMW setzt eine so genannte AGM-Batterie (Absorbent Glass Mat) ein, bei der die Schwefelsäure in Matten aus Mikroglasfasern zwischen den Bleischichten gebunden ist.

Zyklenfeste Batterie
Damit das Auto genug elektrische Energie bekommt, bremst die Lichtmaschine den Motor im Schiebebetrieb stärker als sonst. Der Fachmann spricht von einer höheren Generatorerregung. Wir haben das System am Beispiel des 120d erprobt. Dabei ließ sich der größere Bremseffekt nicht spüren – nicht einmal, wenn man bei Tempo 160 das Gas wegnimmt. Das gefällt, da man nicht das Gefühl bekommt, gebremst zu werden, wenn man vom Gas geht. Das schöne System ist allerdings auf der Autobahn nur dann von Nutzen, wenn es Gelegenheit für den Schiebebetrieb gibt: Wer nachts bei konstantem Tempo und auf ebener Strecke Vollgas fährt, wird davon nicht profitieren.

Null Verbrauch beim null km/h
Ein weiterer Spritsparfaktor im 1er ist das Start-Stopp-System. Es ermöglicht, den Verbrauch von Kraftstoff im Stillstand zu vermeiden. Flapsig ausgedrückt: null Verbrauch bei null km/h. Je nachdem, wie oft man anhält, variiert der Spareffekt natürlich. Im standardisierten EU-Verbrauchszyklus kann man etwa drei Prozent Sprit einsparen, bei reinem Stadtverkehr deutlich mehr. Das System wird ausschließlich in den handgeschalteten Versionen der neuen Vierzylinder serienmäßig eingesetzt. Um die neue Funktion zu nutzen, genügt es, beim Halten vor einer Ampel oder auch im Stau den Schalthebel in Leerlaufposition zu bringen und das Kupplungspedal loszulassen. Der Motor wird dann abgestellt und erst beim Treten der Kupplung wieder angelassen. Wir haben das Start-Stopp-System im 120d ausprobiert. Dass der Motor im Stand ausgeht, stört keineswegs. Der 1er springt auch tatsächlich sehr schnell wieder an.

Kein Zwangsstopp
Dabei hatte das Auto keineswegs ideale Bedingungen: Die Außentemperatur lag bei nur vier Grad. Wäre die Temperatur unter drei Grad gesunken, hätte die Elektronik den Motorstopp abgeschaltet. Denn bei derartig niedrigen Temperaturen wird die Motorauskühlung kritisch: Einerseits würde dann beim Anlassen vermehrt Emissionen auftreten, andererseits wäre die Innenraumheizung nicht mehr möglich. Analog wird der Motorstopp über 30 Grad verhindert, da sonst der Klimakomfort der Insassen leiden würde. Schließlich wird der Motor auch bei stark entladener Batterie nicht abgeschaltet, wenn die Innentemperatur noch nicht den per Klimaanlage gewählten Wert erreicht hat, oder wenn Heizleistung benötigt wird, um die Frontscheibe zu enteisen. Darüber hinaus kann die Auto-Start-Stopp-Funktion vom Fahrer mittels Tastendruck deaktiviert werden.

Wer's nicht mag, lässt den Gang drin
Auch wenn der Motorstart klaglos und sehr schnell erfolgt: In manchen Situationen möchten viele Fahrer das Aggregat laufen lassen. Beim Linksabbiegen zum Beispiel, wenn man bei starkem Gegenverkehr auf eine Lücke wartet, sollte das Auto so schnell wie möglich antreten. Kein Problem beim 1er: Man lässt einfach den Gang drin, und kann die Lücke schnellstmöglich nutzen. Bei Autos, die ein Motor-Start-Stopp-System mit einer Automatik oder einem automatisierten Schaltgetriebe koppeln, ist das anders. Der Citroën C2 Start & Stop etwa besitzt ein automatisiertes Schaltgetriebe. Hier geht der Motor auf jeden Fall automatisch aus, wenn man anhält. Lässt man die Bremse los, springt das Aggregat wieder an. Sicher, im C2 man kann die Funktion deaktivieren, aber die intuitive Lösung von BMW gefällt uns besser. Das ist wohl auch der Grund, dass man das System nur bei den Schaltvarianten anbietet.

Hybridmodell erst mittelfristig angestrebt
Die Bremsenergie-Rückgewinnung wird von den Ingenieuren auch als passives Boosten oder Mikro-Hybridisierung bezeichnet. Mittelfristig strebt BMW eine weitergehende Beteiligung elektrischer Komponenten an. Ein derartiges Hybridkonzept wird derzeit gemeinsam mit General Motors und DaimlerChrysler entwickelt. Dabei handelt es sich um eine vollständig integrierte Kombination zweier Elektromotoren und eines Getriebes mit festen Übersetzungsverhältnissen. Das so genannte Two-Mode-Konzept ist darauf ausgerichtet, für unterschiedliche Lastbereiche den jeweils verbrauchsgünstigsten Fahrmodus bereitzuhalten. Ein derartiges Hybridfahrzeug könnte entweder nur von den beiden Elektromotoren, nur vom Verbrennungsmotor oder mit beiden Antrieben beschleunigt werden. Das gemeinsam entwickelte Hybridgetriebe könnte mit bereits bestehenden Verbrennungsmotoren kombiniert werden.

Schaltpunktanzeige
Auch während der Fahrt sollen die neuen Vierzylindervarianten des 1er möglichst effizient mit dem Kraftstoff umgehen. Sobald die Möglichkeit besteht, verbrauchsgünstig in einem höheren Gang und bei niedrigerer Drehzahl unterwegs zu sein, weist die neue Schaltpunktanzeige den Fahrer auf den idealen Zeitpunkt für einen entsprechenden Wechsel der Fahrstufe hin. Dabei wird neben einem Pfeilsymbol der derzeit optimale Gang angezeigt. Das kann auch oft mal eine niedrigere Schaltstufe sein, denn bei zu niedriger Drehzahl verbraucht man ja auch mehr Sprit als nötig.

Elektrische Servolenkung
Einige weitere Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung erfolgen ohne Einfluss des Fahrers. Im neuen BMW 1er können mehrere über Riemen oder Zahnräder angetriebene Nebenaggregate vom Motor abgekoppelt werden, um den Energieverlust in den Phasen zu reduzieren, in denen die Aggregate nicht benötigt werden. So liefert die Lenkung des 1er einen Beitrag zur Effizienz. Die Servounterstützung arbeitet nun elektrisch statt hydraulisch wie beim alten 1er. Vorteil: Sie braucht nur dann Energie, wenn gelenkt wird. Dann unterstützt die Elektrik die Lenkbewegung. Anders als bei der elektrohydraulischen Servolenkung, wie sie etwa im alten Mini eingesetzt wurde, gibt es hier kein Hydrauliköl. Bei der konventionellen, hydraulischen Servolenkung gibt es eine Pumpe, die beim Lenken das Hydrauliköl zum Hydraulikzylinder drückt. Diese Pumpe läuft allerdings immer mit, also auch, wenn nicht gelenkt wird. Und die passiv mitlaufende Pumpe bremst den Motor ein klein wenig. Beim neuen 1er fällt diese eingebaute Bremse weg, und man spart etwa zwei Prozent Sprit.

Sparsame Kühlmittelpumpe
Auch die elektrische Kühlmittelpumpe läuft drehzahlunabhängig und temperaturabhängig gesteuert nur dann, wenn sie wirklich benötigt wird. Normalerweise läuft die für das Kühlwasser benötigte Pumpe immer mit. Die bedarfsgesteuerte Pumpe trägt ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrads des Motors bei. Mit einer Leistungsaufnahme von nur 200 Watt beansprucht sie nur etwa ein Zehntel der für konventionelle Pumpen üblichen Antriebsenergie.

Aktiv bewegliche Luftklappen
Außerdem ist der neue 1er mit einer aktiven Steuerung der Luftklappen im Kühlergrill versehen. Die Luftzufuhr durch den Grill und die Lufteintrittsöffnungen in der Schürze werden nur bei sehr hoher Last – also im Anhängerbetrieb oder bei Vollgas auf der Autobahn benötigt. Bei geringerem Kühlbedarf des Motors werden deshalb beim neuen 1er die Klappen geschlossen, was eine messbare Verbesserung der Aerodynamik und damit eine weitere Verbrauchsreduzierung zur Folge hat. Im EU-Verbrauchszyklus sind die Klappen stets geschlossen, sodass sich diese Maßnahme direkt auf den Herstellerverbrauch durchschlägt: Ein Prozent Sprit spart auch dieses System.

Klimaanlage mit Kupplung
Ein weiteres Aggregat, das bei herkömmlichen Konstruktionen unnötig Energie verbraucht, ist der von einem Riemen angetriebene und dadurch stets mitlaufende Kompressor der Klimaanlage. Im neuen 1er ist der Riemenantrieb des Klimakompressors mit einer Kupplung versehen. Wird die Klimaanlage ausgeschaltet, wird der Kompressor abgekoppelt. Auf diese Weise wird das Schleppmoment des Kompressors auf ein Minimum reduziert.

Spezielle Ölung
Weitere Verbrauchsminderungen werden durch druckgeregelte Kraftstoffpumpen, spezielle Leichtlauföle im Getriebe und eine reduzierte Ölmenge im Hinterachsgetriebe erreicht. Außerdem ist der neue 1er serienmäßig mit rollwiderstandsarmen Reifen ausgerüstet. Das optionale Automatikgetriebe verfügt über eine neue Wandlertechnik mit integriertem Torsionsdämpfer, die Energieverluste reduziert und außerdem kürzere Reaktions- und Schaltzeiten ermöglicht.

Zwei neue Benziner mit High Precision Injection
Bei den Benzinern trägt auch das Funktionsprinzip des Motors selbst zum geringen Spritverbrauch bei. Die High Precision Injection (HPI), bisher nur in den Sechszylindern bekannt, wird beim 1er erstmals in Vierzylindern eingeführt – im 118i und im 120i. Die Motoren verfügen über eine Benzin-Direkteinspritzung der zweiten Generation. Bei der ersten Generation hat BMW noch nicht mitgemacht und sich stattdessen für die Valvetronic entschieden. Audi hat sich inzwischen ebenfalls von diesem Prinzip abgewendet, doch die ersten FSI-Motoren setzten diese Direkteinspritzung ein. FSI bedeutete Fuel Stratified Injection, also etwa ,geschichtete Treibstoffeinspritzung". Dabei wurde der Treibstoff schräg in den Zylinder gespritzt, wobei eine Art Schnecke durch eine Verwirbelung dafür sorgte, dass sich eine Schichtung ausbildete: Um die Zündkerze herum entstand ein zündfähiges Gemisch, während der Rest des Kolbens mit einem mageren Gemisch gefüllt wurde.

Magerbetrieb auch bei hoher Last
Dass in diesem Magermodus, den der Techniker mit dem Ausdruck Lambda < 1 bezeichnet, Sprit gespart wird, liegt auf der Hand. Das Problem war nur, dass der Magerbetrieb, bei dem der Benzinanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch extrem sparsam dosiert wird, nur bei niedriger Last und geringen Drehzahlen aufrecht erhalten werden konnte. Anders ist das bei der HPI-Einspritzung: Rund 85 Prozent des EU-Zyklus werden im geschichteten Magerbetrieb gefahren. Bei HPI handelt sich um ein strahlgeführtes Verfahren, nicht ein wandgeführtes wie bei der ersten Generation. Das heißt, bei HPI bestimmt der Kraftstoffstrahl, wo der Sprit hinkommt. So bleiben auch die mit der Wandbenetzung einhergehenden Kraftstoff-Streuverluste aus – ein Problem der ersten Generation der Benzin-Direkteinspritzung.

Mehrere Einspritzungen
Vereinfacht gesagt, wird die Schichtung hier folgendermaßen erreicht: Bei einer ersten Einspritzung ohne Zündung wird der untere Bereich des Zylinders mit magerem Gemisch gefüllt. Die zweite, eingespritzte Menge ist fetter und bildet das zündfähige Gemisch um die Zündkerze herum. Das funktioniert deshalb so gut, weil BMW Piezodüsen verwendet, die besonders exakt und mit hohem Druck einspritzen. Zweitens ist es BMW gelungen, die Zündkerze sehr dicht neben das Einspritzventil zu positionieren. Wegen der unter Magerbedingungen vermehrt entstehenden Stickoxide schaltet BMW einen DeNOx-Speicherkat auf Bariumoxid-Basis nach.

Auch die Diesel sparen
Auch für die Vierzylinder-Dieselmotoren steht ein Generationswechsel an. Der neue 1er profitiert als erstes Modell von den damit verbundenen Leistungssteigerungen und Verbrauchsreduzierungen. Erzielt wurden sie unter anderem durch Modifizierungen an den Brennräumen, der Luftführung, der Aufladung mit variabler Turbinengeometrie sowie am Common-Rail-Einspritzsystem. Darüber hinaus führt die Verwendung eines Aluminium-Kurbelgehäuses zu einem um 17 Kilo niedrigeren Gewicht. Der neue Vierzylinderdiesel mit einem Hubraum von 2,0 Litern steht für den 1er in zwei Leistungsstufen zur Verfügung: Der 118d leistet 143, der 120d 177 PS.

Erster Variable Twin Turbo mit vier Zylindern
Aufbauend auf den beiden Zweiliterdieseln im 118d und 120d soll noch im Jahr 2007 ein dritter Diesel auf den Markt kommen. In welchem Auto, das sagt BMW noch nicht, es könnte aber das kommende 1er Coupé sein. Der dritte Diesel ist mit 204 PS nicht nur die stärkste Variante dieser Motorenreihe, sondern bietet auch ein technisches Highlight: Es handelt sich um einen Variable Twin Turbo. Diese Stufenaufladung wurde im Dreiliter-Sechszylinder-Diesel des 535d eingeführt. Der nun präsentierte Motor ist der erste Vierzylinder mit diesem Prinzip. Der Variable Twin Turbo besitzt einen kleinen und einen großen Abgasturbolader. Der kleine Lader tritt aufgrund seines geringeren Trägheitsmoments bereits knapp über der Leerlaufdrehzahl in Aktion. Bei höheren Drehzahlen nimmt zusätzlich der größere Lader die Arbeit auf. Dank dieser Konfiguration soll der Turboeffekt ohne Zeitverzug einsetzen. Das Turboloch entfällt also, und schon bei leichten Bewegungen des Gaspedals wird Schub erzeugt. Eine Turbinenregelklappe verteilt den Abgasstrom variabel auf beide Turbolader. Für die exakte Steuerung des Übergangs und des Zusammenwirkens beider Lader ist eine speziell entwickelte und besonders leistungsfähige Motorelektronik zuständig.

Fazit: Kleinvieh macht auch Mist
Um den neuen 1er zum Spritsparer zu machen, schnürten die Ingenieure ein ganzes Bündel von Maßnahmen zusammen. Dazu zählt die HPI-Benzin-Direkteinspritzung, die bisher nur BMW einsetzt, sowie die im Detail verbesserten Diesel. Außerdem tragen einzelne Hybridfunktionen wie die Bremsenergie-Rückgewinnung sowie die Start-Stopp-Automatik zum Spritsparen bei. Hinzu kommen noch eine energieeffiziente Lenkung, Leichtbaumaßnahmen und Aerodynamik-Feinschliff. Die einzelnen Maßnahmen mögen teilweise technisch nicht besonders revolutionär erscheinen. Das Ergebnis, nämlich die Verbrauchsdaten des 1er, ist es jedoch. Allerdings sind noch nicht aller 1er sauber: Neben dem PS-starken Topmodell emittiert auch der Einstiegsmotor noch sehr viel Kohlendioxid. Der 116i ist mit 7,5 Litern beileibe kein Sparwunder. Gut, dass BMW diesen demnächst durch einen 1,6-Liter-Vierzylinder mit HPI-Einspritzung und 122 PS ersetzen will. Und was spricht eigentlich gegen einen hoch effizienten 80-PS-Motor im 1er für eingefleischte Spritsparer? Die größeren Motoren gehen effizient mit dem Kraftstoff um, doch hätte BMW sie noch sparsamer machen können, wenn man auf den Leistungszuwachs gegenüber dem Vorgänger verzichtet hätte. Aber ob die BMW-Fahrer so viel Spritsparen auf einmal verkraftet hätten? Vielleicht sind die Käufer noch nicht so weit.

Pferde, nicht Ponys