Zylinderabschaltung - ZAS

Weniger ist manchmal mehr – Die Zylinderabschaltung

Zylinder abzuschalten ist an und für sich nichts Neues. Denn bereits in den 80er und 90er Jahren sorgten Mercedes bei der S-Klasse und BMW bei den 7er und 8er Modellreihen dafür, dass Brennräume Pausen verordnet bekamen. In den USA war und ist die Abschaltung von Zylindern z.B. im Chrysler Konzern (Hemi-V8-Motoren mit 5,7 Liter Hubraum) sehr verbreitet, in Deutschland kam man davon jedoch wieder ab (Mercedes bis 2005 im 5l V8). Nun erhält die temporäre Abschaltung von Zylindern bei Audi, VW und Mercedes eine kleine Renaissance.

Im Frühjahr 2012 debütieren die Audi S8, S7 sowie S6 und S6 Avant mit Motoren, die bei Bedarf die Hälfte ihrer Zylinder abschalten (Quelle: Audi)

Aber warum konnte sich die abgekürzt ZAS bezeichnete Technik bisher nicht richtig durchsetzen?

 Es gab dafür mehrere Gründe: Zum einen war die technische Umsetzung sehr aufwändig aber der Nutzen durch einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch in der Praxis nicht so deutlich wie erhofft, und zum anderen konnte und wollte sich der Kunde dafür nicht begeistern lassen. Schließlich zahlt er für die Kraft seiner 8 Zylinder viel Geld und die PS will der dann auch ständig verfügbar haben, ob nötig oder nicht. Den sonoren Klang des Motors wollte er dazu ebenfalls nicht missen.

Der neue V8 4.0 TFSI von Audi – Mit Start-Stopp und Zylinderabschaltung spart er mindestens 10% Sprit (Quelle: Audi)

War der alte S8 noch mit einem ebenso leistungsstarken wie soundgewaltigen Zehnzylinder mit 5,2 Litern Hubraum ausgestattet, so kommt die neue Generation mit acht Brennkammern und „nur“ vier Litern Volumen aus. Im Teillastbereich schaltet der Biturbo-V8 vier Zylinder ab, dadurch sinkt sein Konsum im NEFZ-Zyklus um rund fünf Prozent, was etwa 10 bis 12 Gramm CO2 pro km entspricht. Rechnet man das bei den S-Modellen von Audi eingesetzte Start-Stopp-System hinzu, das den Motor im Stillstand deaktiviert, beträgt die Einsparung bis zu 24 Gramm CO2 pro km.

Dynamisches Downsizing

 Die Zylinderabschaltung (engl.: Cylinder deactivation) wird auch als dynamisches Downsizing bezeichnet und ist ein System zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren. Ein Motor braucht seine komplette Leistung ja nur selten. Besonders PS-starke Boliden sollen nur dann mehr Kraftstoff brauchen, wenn sie auch ihre Mehrleistung benötigen. In den anderen Situationen können Zylinder einfach abgeschaltet werden, soll heißen, die Kraftstoffzufuhr wird unterbrochen, besser gesagt an den betreffenden Zylindern wird kein Kraftstoff eingespritzt. Würde man jedoch nur die Einspritzung und die Zündung abschalten, würden die Zylinder wie Luftpumpen arbeiten und die Lambdaregelung gehörig außer Tritt bringen. Deshalb, und um Gaswechselverluste zu vermeiden, müssen die Ein- und Auslassventile dieser Zylinder ebenfalls geschlossen werden. Je nach System kann man eine komplette Zylinderbank abschalten (V-Motor) oder bei Reihenmotoren auch einzelne Zylinder (Einzelzylinderabschaltung).

Leistungs- und Drehmomentdiagramm des 4.0 TFSI. Die Zylinderabschaltung wirkt bei einem Drehmomentbedarf von 120 – 150 Nm innerhalb von 960 bis 3500 1 /min (Quelle: Audi)

Der neue Vierliter-V8 kommt 2012 auch im Bentley Continental GT zum Einsatz, wo sich der Verbrauch im Vergleich zum bisherigen V12 im NEFZ-Zyklus um bis zu 40 Prozent reduziert. Bentley war in den Entwicklungsprozess dieser Technologie involviert und verwendet bereits bei seinem "großen" V8 mit 6,75 Liter Hubraum und über 1000 Nm im Mulsanne ein ähnliches System.

Der V8 Motor des Mercedes SLK 55 AMG setzt ebenfalls die Zylinderabschaltung ein (Quelle: AMG)

Wenn der Fahrer des V8-Saugers mit 310 kW (422 PS) Leistung und 540 Nm Drehmoment per Knopfdruck auf der Mittelkonsole den "Controlled Efficiency"-Modus auswählt, dann schalten sich im Teillastbereich zwischen 800 und 3600 Touren die Zylinder zwei, drei, fünf und acht ab. Im Vierzylindermodus stehen dann noch 230 Newtonmeter Drehmoment zur Verfügung. Der Übergang vom Vier- in den Achtzylindermodus soll für den Piloten bei 3600 Umdrehungen völlig unbemerkt und innerhalb von 30 Millisekunden von statten gehen. Das Display zeigt mit Hilfe der Symbole "Eco4" und "Eco8" den jeweiligen Zustand des Motors an. Im Sportmodus und im manuellen Modus ist die Zylinderabschaltung außer Funktion.

 In der Formel 1 ist die Zylinderabschaltung ebenfalls bekannt. Hier stellt die Elektronik die Kraftstoffeinspritzung beim Boxenstopp oder in der Safety-Car-Phase ab.

Durch die Nockenhubumschaltung können die Ventile komplett geschlossen werden (Quelle: VW)

Die Technik im VW ist prinzipiell mit der des Audi vergleichbar und wird nachfolgend noch erläutert. Nur wenn der Fahrer im Display der Multifunktionsanzeige den Momentanverbrauch abfragt, erhält er den Zweizylinder-Status angezeigt. Sonst würde er ihn kaum wahrnehmen – auch mit zwei Zylindern läuft der exzellent ausbalancierte 1.4 TSI noch sehr leise und vibrationsarm.

Volkswagen gibt an, dass sich bei 50 km/h im dritten oder vierten Gang eine Einsparung von nahezu einem Liter auf 100 Kilometern ergeben soll (Quelle: VW)

Arbeitsweise ZAS

 Die nähere Arbeitsweise einer modernen Zylinderabschaltung soll am Beispiel des Audi V8 erläutert werden. Die Zylinderabschaltung arbeitet im 4.0 TFSI bei geringer Last. Die Obergrenze dafür liegt, abhängig von der Drehzahl, zwischen etwa 25 und 40 Prozent des maximalen Drehmoments, etwa 120 bis 250 Nm; der effektive Mitteldruck beträgt hier bis zu acht bar. Der Drehzahlbereich beginnt über der Leerlaufdrehzahl bei 960 1/min und reicht bis 3500 1/min. Die Zylinderabschaltung ist vom dritten bis zum 8. Gang an aktiv, sobald das Kühlwasser über 30 Grad erwärmt ist. Wenn diese Voraussetzungen gegeben sind, schließt das System pro Bank die Ein- und Auslassventile von jeweils zwei Zylindern. Der V8 arbeitet jetzt, weiterhin mit regelmäßiger Zündfolge, als V4, zündet jedoch pro Kurbelwellenumdrehung nur noch zwei- statt viermal. Statt 1 – 5 – 4 – 8 – 6 – 3 – 7 – 2 lautet die Zündfolge jetzt 1 – 4 – 6 – 7; in den aktiven Zylindern erhöht sich der Wirkungsgrad, weil sich die Betriebspunkte zu höheren Lasten hin verlagern.

Das weiterentwickelte Audi valvelift system (AVS) verwendet einen Nullhubnocken, der im Grundkreis läuft. Wird dieser elektromagnetisch zugeschaltet, bleiben die Ventile geschlossen (Quelle: Audi)

Diese Nockenstücke tragen neben dem herkömmlichen Vollprofil einen Nullhubnocken als zusätzliches Profil. Während die Vollprofile im Achtzylinderbetrieb die Rollenschlepphebel und über sie die Ventile betätigen, sich also wie ganz konventionelle Nocken verhalten, rotieren die Nullhubnocken über den Schlepphebeln, sie betätigen sie nicht, die Ventilfedern halten die Ventile geschlossen. In die Außenseiten der rotierenden Nockenstücke sind spiralförmige Nuten eingefräst, über die sich die Hülsen blitzschnell um einige Millimeter auf den Wellen verschieben lassen: Bekommen elektromagnetische Aktuatoren in der Zylinderkopfhaube durch die Motorsteuerung ein Signal, greifen zwei integrierte Metallstifte von außen in die Nuten ein und bringen sie in Endposition. Von federbelasteten Kugeln werden die Nockenstücke schließlich arretiert. Gleichzeitig legt das Motormanagement die Einspritzung still. Alle mechanischen Umschaltvorgänge laufen dabei innerhalb einer halben Nockenwellenumdrehung ab; je nach Drehzahl dauern sie 9 bis 31 Millisekunden. Flankierende Eingriffe an Zündung und Drosselklappe glätten sie.

Unmittelbar vor dem Schließen der Ventile werden die Brennräume noch einmal mit Frischluft gefüllt. Dieser Frischgaseinschluss bedeutet einen geringeren Druck im Zylinder und einen entsprechend niedrigen Energieaufwand – ein wichtiger Faktor für die Effizienzsteigerung. Die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung werden durch das Motormanagement still gelegt. In den deaktivierten Zylindern bewegen sich die Kolben durch den Antrieb von der Kurbelwelle, werden also geschleppt.

Ist der Fahrer mit 4 statt 8 Zylindern unterwegs, wird ihm dies per grünem Balken und Texthinweis angezeigt (Quelle: Audi)

Sobald der Fahrer kräftig Gas gibt, schalten sich die deaktivierten Zylinder wieder zu. Die Rückkehr in den Achtzylinderbetrieb verläuft, ebenso wie das Abschalten, so geschmeidig und schnell, dass sie de facto nicht zu spüren ist; sie nimmt im Schnitt gerade mal 300 Millisekunden in Anspruch. Prinzipiell sind die Umschaltungen jedoch mit kurzzeitigen Wirkungsgrad-Nachteilen verbunden, so dass erst ab Abschaltzeiten von über drei Sekunden ein Verbrauchsvorteil entsteht. Audi hat deshalb eine Steuerungslogik entwickelt, welche die Gaspedal-, Bremspedal- und Lenkbewegungen des Fahrers beobachtet. Wenn sie aus ihnen ein ungleichmäßiges Muster erkennt, unterlässt sie die Abschaltung in bestimmten Situationen, etwa bei einer Fahrt im Kreisverkehr oder bei sportlicher Gangart auf der Landstraße. Eine Deaktivierung von nur wenigen Sekunden Dauer würde den Verbrauch eher erhöhen als senken.

 Das System cylinder on demand ist permanent betriebsbereit, auch im S-Modus des Automatikgetriebes und im Kennfeld dynamic von Audi drive select. Die größten Einsparungen erzielt es bei konstanter Fahrt mit moderater Geschwindigkeit, wie sie auf vielen Schnellstraßen üblich ist. So beträgt bei 80 km/h für alle S-Modelle der Effizienzgewinn zwölf Prozent und selbst bei 130 km/h werden noch sieben Prozent eingespart. Im NEFZ-Zyklus beträgt die Effizienzsteigerung wie bereits erwähnt ca. fünf Prozent, mit Startstopp ca. 10%.

ZAS ohne Komforteinbußen

 Leider beinhaltet das Abschalten von Zylindern auch ein paar den Komfort betreffende Nachteile. Achtzylinder-Motoren sind neben der Durchzugskraft und der harmonischen Kraftentfaltung auch für ihr ruhiges Laufverhalten bekannt. Wo ein Vierzylinder Ausgleichwellen braucht, kann ein Achtzylinder für gewöhnlich darauf verzichten. Und vier Zylinder laufen nun mal bekanntlich rauer als acht. Wenn der V8 als V4 arbeitet, produziert sein Kurbeltrieb, abhängig von der Last und der Drehzahl, höhere Drehschwingungen; diese dringen als Luftschall auch in den Innenraum. Die groß dimensionierte Abgasanlage emittiert ebenfalls gewisse Brummgeräusche, die sich trotz einer intelligenten Klappen-Steuerung nicht vermeiden lassen. Von all diesen Störgeräuschen sollen die Fahrer und Passagiere natürlich nichts hören. Wenn der 4.0 TFSI im Vierzylinderbetrieb läuft, sorgen deshalb die Active noise control (ANC) und zum anderen aktive Motorlager dafür, dass unerwünschte Geräusche im Innenraum oder Schwingungen dem Kunden nicht die Fahrt verderben.

Fazit

.Wenn es darum geht Kraftstoff und CO2 einzusparen, ist Downsizing in aller Munde Wenn man dies nur temporär tut, in dem man dafür Zylinder abschaltet (dynamisches Downsizing), dann schlägt man scheinbar zwei Fliegen mit einer Klappe. Leistung und Drehmoment, stehen durch die wartenden Zylinder auf Abruf zur Verfügung (cylinder on demand) und im Teillastbereich wird Sprit gespart. Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass die Zylinder weiterhin mitgeschleppt werden müssen! Es scheint, dass die Zeit nun reif für die Zylinderabschaltung ist, nicht zuletzt dadurch, dass entsprechende Komfortmaßnahmen wie die Active Noise Control und Aktive Motorlager dies dem Kunden schmackhaft machen, weil er es vielleicht gar nicht mitbekommt, wenn ihm Zylinder fehlen.

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Johannes Wiesinger
bearbeitet: 23.01.2012
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