Energien effizienter nutzen: Motor zieht sich warm an

Die Restwärme-Energie im Fahrzeug soll zukünftig genutzt werden© Hersteller/Press-inform

Wer im Physikunterricht aufgepasst hat, weiß ja, wie es um die Energie bestellt ist: Wirklich verloren geht sie nicht. Sie ändert nur ihre Erscheinungsform. Die Energie bewegter Luftmassen zum Beispiel kann in Strom umgewandelt werden. Elektrizität wird als Wärme oder Licht nutzbar gemacht. Aus der chemischen Energie, die im Kraftstoff steckt, wird im Auto kinetische Energie – in Bewegung, die für Vortrieb sorgt. Doch selbst die modernsten Verbrennungsmotoren können nur ein Drittel der Energie, die der Kraftstoff liefert, für den eigentlichen Fahrvorgang nutzbar machen. Das Gros entweicht über Abgas und Kühler als Wärme. Und weil sich an diesen Stellern niemand eine Suppe kocht, Wäsche trocknet oder Haare föhnt, ist die Energie zwar physikalisch gesehen nicht verloren – aber praktisch futsch.

Bis vor ein paar Jahren hat sich die Autobauerzunft daran kaum gestört. Seitdem politisch verordnete Klimaschutzziele und CO2-Vermeidungsstrategien bei den Konzernen ganz oben auf der Agenda stehen, ist das ungünstige Eindrittel-Zweidrittel-Verhältnis ins Visier der Entwickler gerückt. Die Restwärme-Energie im Fahrzeug soll zukünftig genutzt werden.

Ein Mantel für den Motor

Experimentierfeld Nummer eins kreist um den Kaltstart, erläutert Matthias Linde von der BMW Forschungsgruppe Wärmemanagement. Im Vergleich zu einem warmgelaufenen Motor verbraucht das Aggregat beim Kaltstart bis zu zehn Prozent mehr Sprit. Grund dafür sind die innere Reibung sowie die Zähflüssigkeit des kalten Motoröls. "Es macht also Sinn, den Kaltstart zu vermeiden, beziehungsweise die Warmlaufzeit des Motors deutlich zu verkürzen", so Neugebauer. Um das zu erreichen, soll das Triebwerk künftig zwischen zwei Fahrten warmgehalten werden - mit Hilfe der vom Motor abgegebenen Restwärme. Die Lösung klingt ebenso einfach wie verblüffend: Die BMW-Ingenieure haben das Aggregat völlig eingekapselt – dem Motor einen Mantel angezogen. Durch diese Kapselung kühlt ein 80 Grad Celsius warmer Motor nach der Fahrt wesentlich langsamer ab. "Selbst nach zwölf Stunden ist er immer noch 40 Grad warm und mit jedem Grad Celsius, das bis zum nächsten Start erhalten bleibt, verringert sich der Kraftstoffverbrauch um 0,2 Prozent", sagt Linde. Untersuchungen zum Kundenverhalten hätten ergeben, dass ein BMW-Fahrer sein Auto im Durchschnitt für acht Stunden abstellt. Lediglich zwölf von hundert Abstellzeiten dauern länger als 16 Stunden.

Matthias Linde von der BMW Forschungsgruppe Wärmemanagement© Hersteller/Press-inform

Geeigneten Stoff für den Motorenmantel haben die Entwickler in den Isolationsmaterialien gefunden, die sich bereits beim Fahrzeugunterbau bewährt haben. Das effektive Kühlungssystem verhindert, dass der Motor mit Thermoanzug überhitzt. Die Isolierung sei sogar vorteilhaft für das Klima im Motorraum. Motornahe Bauteile, die in den aktuellen Fahrzeugen aufwendig gekühlt werden müssen, sind durch die Ummantelung des Aggregats besser vor zu viel Motorhitze geschützt. Diese Thermoschicht macht viele Maßnahmen zur Geräuschdämmung im Motorraum überflüssig, da die Schallquelle Motor direkt isoliert werde.

Direkte Nutzung der Abwärme

Wie sich Abgaswärme intelligent nutzen lässt, hängt von den Eigenarten des Antriebes ab. Bei Ottomotoren bietet sich die Verwendung eines Abgaswärmetauschers an, um die Warmlaufphase möglichst kurz zu halten. Der Wärmetauscher sorgt sofort nach Fahrtantritt für eine direkte Nutzung der Abwärme aus dem Abgasstrang, um beispielsweise das Getriebeöl aktiv zu erwärmen und damit die Reibung im Getriebe schnellstmöglich zu minimieren.

Bei Dieselmotoren liegt das Einsparpotenzial eines Abgaswärmetauschers in erster Linie in der Beheizung des Innenraums. Denn moderne Dieselmotoren arbeiten inzwischen so effizient, dass die an den Kühlkreislauf und damit die Heizung abgegebene Wärmemenge nicht immer ausreicht, um den Innenraum so kuschelig aufzuheizen, wie es der Kunde wünscht. Die aktuellen Einser, Dreier, Fünfer und Siebener aus dem Hause BMW tragen daher ein zusätzliches elektrisches Heizaggregat mit 1000-Watt-Leistung unterm Blech. Bei winterlicher Witterung verbraucht das Auto damit leicht mal einen zusätzlichen Liter pro hundert Kilometer. Durch den Einsatz eines Abgaswärmetauschers ließe sich dieser Mehrverbrauch sparen, sind die BMW-Entwickler überzeugt. Wenn die Verlustwärme aus dem Abgasstrang zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt würde, wäre das zusätzliche Heizmodul überflüssig.

Nur eine Zwischenlösung

Einen anderen Ansatz der Energiegewinnung aus Wärme wird mit dem thermoelektrischen Generator verfolgt. Der basiert auf einer Technologie, die schon die Raumfahrt in den 1960ern vorgemacht hat - Verlustwärme in Strom zu wandeln. Im Automobilbereich wurde der thermoelektrische Generator, TEG genannt, zunächst als einzelnes Bauteil im Unterboden des Fahrzeugs neben dem Katalysator platziert. Jetzt präsentieren die Ingenieure eine andere Lösung. Der neue TEG-Prototyp sitzt im Motorraum, im Kühler der Abgasrückführung, der bei modernen Dieselmotoren als Standardkomponente zur Emissionssenkung eingesetzt wird.

Das Abgasrückführungssystem bietet nämlich bereits viele der baulichen Voraussetzungen, die den Einbau des Generators ohne großen Zusatzaufwand ermöglichen. Wenn das System in Serie geht, und das soll es schon bald, werde es mit 250 Watt knapp die Hälfte des Bordnetzverbrauchs eines 5ers liefern und somit den Verbrauch um bis zu zwei Prozent drosseln, versprechen die Ingenieure der bayrischen Autoschmiede. Doch das ist nur eine Zwischenlösung. Auf längere Sicht soll der Generator, der Wärme zu Strom werden lässt, wieder in den Unterboden oder den Katalysator integriert werden, weil er dort mehr Potenzial entfalten kann. Doch das erfordert noch jede Menge Tüftelei.