Wie Automobiltechnologie Motorräder, Boote und Geräte verbessert

Ottomotoren in Autos haben eine erstaunliche Entwicklung hinter sich: Zuerst angetrieben vom Wunsch nach mehr Leistung und Komfort, später von strengen Verbrauchs- und Emissionsvorgaben sind sie heute technisch komplexe Systeme und hochgradig für ihren Einsatzzweck optimiert. Dazu haben viele neue Technologien beigetragen, unter anderem Direkteinspritzung, Abgasnachbehandlung, Downsizing und Hybridisierung. Und auch wenn der Trend langfristig in Richtung elektrifizierte Fahrzeuge geht – Ottomotoren werden im Jahr 2050 voraussichtlich noch in 70 Prozent aller Pkws für Antrieb sorgen, dann allerdings meist als Hybridvariante in Kombination mit einem E-Motor.

Motorräder und -roller sowie Boote werden ebenfalls noch lange Ottomotoren nutzen. Allerdings werden auch in diesem Bereich die gesetzlichen Anforderungen schärfer und die Kunden anspruchsvoller. „Bei den Motorrädern hat die EU die Emissionsgrenzwerte bereits stark abgesenkt“, berichtet Klaus Fuoss, Leiter Fachbereich Motor bei Porsche Engineering. „Bis 2020 darf der Kohlenmonoxid-Ausstoß bei maximal 1.000 und der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen bei 100 Milligramm pro Kilometer liegen, was den Pkw-Grenzwerten aus dem Jahr 2005 entspricht.“ Bei den Stickoxiden sind dann nur noch 60 Milligramm pro Kilometer erlaubt, entsprechend dem Pkw-Grenzwert aus dem Jahr 2009.

Eine ähnliche Entwicklung gibt es bei Kleingeräten (Handheld- und Non-Handheld) wie Motorsägen bzw. Rasenmähern. Je nach Hubraum des Motors dürfen Handheld-Geräte gemäß US- und EU-Vorgaben nur noch maximal 50 bzw. 72 Gramm Kohlenwasserstoffe und Stickoxide (kombiniert) pro Kilowattstunde Arbeit ausstoßen. Bei Non-Handheld-Geräten sind zwischen acht und zehn Gramm pro Kilowattstunde erlaubt.

Neben dem Gesetzgeber werden auch die Kunden anspruchsvoller, etwa bei Motorrädern aus dem Hochleistungsbereich. „Hier sind einerseits hohe Leistungen bei hohen Drehzahlen und andererseits bessere Fahreigenschaften bei niedrigen Drehzahlen gefordert“, so Fuoss. In Schwellenländern hingegen sind Millionen Menschen auf Motorroller angewiesen, die robust und effizient sind – und die immer strengere Abgasnormen mit kostengünstiger Technik einhalten können.

Bei den Arbeitsgeräten fordern die Nutzer einen besseren Schutz: Die deutschen Berufsgenossenschaften geben beispielsweise einen Grenzwert von 35 Milligramm Kohlenmonoxid pro Kubikmeter Atemluft vor. Das geruchlose Gas sammelt sich unter anderem in Gruben und hat eine toxische Wirkung. Auch die Kohlenwasserstoffe im Abgas sind problematisch: Sie verbreiten nicht nur einen unangenehmen Geruch, sondern enthalten auch krebserregende Benzolringe.

Der Ottomotor muss also sauberer werden – nicht nur im Pkw. Allerdings verfügen viele Unternehmen aus dem Non-Automotive-Bereich nicht über die großen Entwicklungsbudgets der Automobilhersteller. „Gefragt ist darum der intelligente Transfer reifer Technologien vom Auto in andere Anwendungen“, sagt Fuoss. „Am weitesten sind hier die Motorradhersteller, bei denen die Gesetze meistens sechs bis acht Jahre hinter den Vorgaben für Pkws hinterherhinken.“ Vieles aus dem Auto findet sich darum bereits heute in hochpreisigen Zweirädern, zum Beispiel die mechanische Aufladung mit Kompressoren.

Porsche Engineering ist mit allen Effizienz- und Umweltschutz-Technologien aus dem Ottomotoren-Bereich vertraut und kann Unternehmen aus dem Non-Automotive-Bereich beim Transfer in ihre Produkte unterstützen – immer unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen wie geringe Kosten oder möglichst niedriges Gewicht. Allerdings ist nicht jede Technologie für jedes Produkt sinnvoll. „Eine genaue Analyse muss in jedem Einzelfall zeigen, ob sich die gesteckten Ziele wirtschaftlich sinnvoll erreichen lassen“, sagt Fuoss. Für eine bessere Orientierung haben die Experten von Porsche Engineering Technologien auf ihren Einsatz in Motorrädern sowie Handheld- und Non-Handheld-Geräten untersucht: alternative Kraftstoffe, Einspritzung, Abgasnachbehandlung, variable Ventiltriebe, variable Verdichtung, Down- bzw. Rightsizing, Elektrifizierung und Wasserkühlung.

Am schnellsten ließen sich die Emissionen und der Kohlendioxid-Ausstoß durch den Einsatz alternativer Kraftstoffe senken, etwa durch Methan als Benzin-Ersatz: Wegen des günstigen Verhältnisses von Wasserstoff- zu Kohlenstoffatomen würden Ottomotoren rund 25 Prozent weniger CO₂ ausstoßen. Regenerativ erzeugtes CH₄ – etwa per Elektrolyse aus erneuerbarem Strom und anschließender Methanisierung produziert – wäre sogar völlig klimaneutral. Hinzu kommt: In dem alternativen Kraftstoff sind weniger gesundheitsgefährdende Bestandteile enthalten. „Technisch ist es absolut sinnvoll, Benzin durch solche Alternativen zu ersetzen“, so Fuoss. „Zudem sind bei den Motoren nur minimale Anpassungen erforderlich.“

Auch die Einspritzung gehört zu den vielversprechenden Technologien für Non-Automotive-Anwendungen – selbst in Motorsägen. Die Technologie verspricht durch ein genaueres Timing und eine präzisere Gemischbildung mehr Performance bei verringertem Kraftstoffverbrauch und sinkenden Emissionen. Vor allem der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen ließe sich senken. Was sich bei Motorrädern und Jet-Booten bereits bewährt hat, könnte in Zukunft also auch in Handheld- und Non-Handheld-Geräte Einzug halten. „Der Entwicklungsaufwand ist vertretbar, und auch das Zusatzgewicht von 100 bis 200 Gramm ist selbst bei Handheld-Geräten noch akzeptabel“, so Fuoss. „Wann und wie schnell die Einspritzung in diesem Bereich kommt, hängt aber entscheidend von den künftigen Emissionsgrenzwerten ab.“

Besonders sinnvoll wäre ihr Einsatz in Verbindung mit Abgasnachbehandlung. Dreiwegekatalysatoren sind heute bei Motorrädern schon im Einsatz und reduzieren dort die Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Stickoxidemissionen. Im Prinzip ließen sich mit ihnen auch Handheld-Geräte und stationäre Arbeitsmaschinen umweltfreundlicher machen. Allerdings hat das einen Preis: Durch die Begrenzung der Abgastemperatur sinkt die Leistung, außerdem nimmt der Kraftstoffverbrauch zu. „Wegen der teuren Edelmetalle in den Katalysatoren steigen auch die Kosten“, erklärt Fuoss. „Technisch gibt es zwar keine Hürden für die Abgasnachbehandlung in Handheld- und Non-Handheld-Geräten – sie wird aber ebenfalls nur kommen, wenn der Gesetzgeber das vorschreibt.“

Variable Ventiltriebe sind eine interessante Technologie für leistungsstarke Motorräder. Sie ermöglichen mehr Flexibilität beim Ladungswechsel, was zu einer höheren Performance, weniger Emissionen und einem sinkenden Kraftstoffverbrauch führt. Für Handheld- und Non-Handheld-Geräte sind variable Ventiltriebe wegen der hohen Kosten allerdings keine Option. Ein ähnliches Bild ergibt sich für Motoren mit einem variablen Verdichtungsverhältnis: „Der Wirkungsgradvorteil von vier bis acht Prozent könnte für Motorräder in Zukunft interessant werden“, sagt Fuoss. „Hinzu kommt die Möglichkeit, in Verbindung mit dem Miller-Verfahren und Aufladung die Emissionen deutlich zu senken.“ Für Handheld- und Non-Handheld-Geräte ist diese Technologie aber ebenfalls zu komplex und zu teuer. Down- bzw. Rightsizing kann bei Motorrädern – ähnlich wie bei Autos – zu einem sinkenden Kraftstoffverbrauch führen.

Lokal völlig emissionsfrei werden Motorräder und Arbeitsgeräte durch elektrische Antriebe. Hier stellen sich aber noch viele Fragen, etwa nach der Betriebsdauer. „Elektrisch angetriebene Motorräder glänzen zwar mit hohen Beschleunigungen, bieten im Moment aber nur geringe Reichweiten – was schlecht für lange Touren ist“, erklärt Fuoss. „Darum ist es im Moment schwer zu sagen, ob sie Erfolg haben werden.“ Wer Handheld- und Non-Handheld-Geräte elektrisch betreiben will, muss eine ausreichende Betriebsdauer eventuell durch den Einsatz mehrerer Akkus erkaufen – was die Kosten in die Höhe treibt.

Wasserkühlung trägt ebenfalls zur Effizienzsteigerung bei Verbrennungsmotoren bei und ist in nahezu allen Powersport-Anwendungen (unter anderem Motorräder, Boote und Quads) bereits im Einsatz. Kleingeräte nutzen vereinzelt vereinfachte Wasserkühlungssysteme, die sich aufgrund von Kosten und Gewicht jedoch noch nicht durchgesetzt haben.

Somit spricht aus Sicht der Experten von Porsche Engineering vieles dafür, dass Ottomotoren auch jenseits des Autos noch lange ihre Berechtigung haben werden. Umso wichtiger ist es, innovative und ökonomisch sinnvolle Effizienztechnologien aus dem Pkw-Bereich in neue Anwendungen zu transferieren.

Ähnlich wie im Automotive-Bereich gelten auch bei Motorrädern, Handheld- und Non-Handheld-Geräten Grenzwerte für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide, die zunehmend verschärft werden. Um sie einhalten zu können, ist der Transfer von Effizienztechnologien aus dem Pkw-Bereich erforderlich.

Nicht jede Effizienztechnologie aus dem Pkw-Bereich eignet sich für den Transfer in andere Anwendungen. Faktoren wie Kosten, Gewicht oder Bauraum geben im Einzelfall den Ausschlag.

Text erstmals erschienen im Porsche Engineering Magazin, Ausgabe 1/2019.

Text: Christian Buck

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