Mercedes S-Klasse mit Zylinderabschaltung

Va­riable  An­saugsysteme, mehr Aufla­dung, reduzierter Hub­raum oder flexible Ventil­steue­rung: Maßnahmen, die den Wirkungsgrad des Motors erhöhen sollen und damit letztlich den Kraftstoffverbrauch senken. Zu diesen vielversprechenden Ideen gehört auch die Zylinderabschaltung, wie sie im 500er der neuen S-Klasse von Mercedes-Benz zu finden ist.Mit der Zylinderabschaltung läßt sich vor allem der sogenannte Teillastbetrieb des Motors nachhaltig verbessern. Denn im unteren Lastbereich fällt der Wirkungsgrad aufgrund der geringen Turbulenzen in den Brennräumen, der geringeren Zylinderfüllung und der hohen Ladungswechselverluste üblicherweise ab.

Auch von den acht Zylindern des S 500 arbeiten zeitweise nur vier. Denn in der dritten, vierten und fünften Fahrstufe des Automatikgetriebes schaltet die Elektronik  die Hälfte der Zylinder ab. Allerdings nur dann, wenn der Motor zwischen 1000 und 3500 mal je Minute dreht, entsprechend dem Tempobereich 40 bis 160. In diesem Teillastbereich arbeitet der S-Klasse-Motor nur noch mit den Brennräumen 1 und 4 auf der rechten Zylinderseite und 6 und 7 auf der linken. Ein- und Auslaßventile sowie die Kraftstoffzufuhr für die jeweiligen Zylinder sind dann abgeschaltet. Parallel dazu gleicht die Elektronik einen möglichen Drehmomentsprung aus, indem sie die Drosselklappen und den Zündzeitpunkt entsprechend steuert.

Der Effekt dieses automatischen Schließvorgangs ist groß: Im Teillastbereich vermindert sich der Kraftstoffverbrauch bei Fahrten mit konstant 120 km/h um mehr als 12%, bei 90 km/h um 15%. Maximal 20 % Ersparnis sind bei konstanten 60 km/h möglich. Trotzdem soll die Drehmoment-Charakteristik des Triebwerks in vollem Umfang erhalten bleiben. Lediglich die Nennleistung verringert sich geringfügig von 5  (7PS)  auf 220 kW (299 PS).

Das Prinzip der Zylinderabschaltung ist in Serienfahrzeugen nicht neu. Cadillac startete schon 1981 mit dem „Fleetwood“ das „Cylinder Cut-off“. Das sogenannte Cadillac-Eaton-System schaltet dabei die nicht benötigten Zylinder ab. So sind in der Anfangsphase noch alle Achtzylinder aktiv, doch bei einer Geschwindigkeit zwischen 43 und 76 km/h arbeiten nur noch vier. Nach 120.000 verkauften Fahrzeugen mußte die Produktion allerdings eingestellt werden. Grund: die unzuverlässige Elektronik.

Auch in der Porsche-Forschungszentrale in Weissach beschäftigen sich die Ingenieure mit der Zylinderabschal­tung.  Bald soll eine Porsche-Zylinderabschaltung serienreif sein. Schon beim   Sechszylinder-Boxermotor des letzten 911er waren 13 Prozent Einsparung möglich. Unter optimalen Testbedingungen erreichte man im Leerlauf eine Kraftstoffersparnis von 41 Prozent.  Doch spürten die Entwicklungsingenieure bei hohen Lasten und niedrigen Drehzahlen Fahrzeugschwingungen. Dies gehört mittlerweile der Vergangenheit an.

Ohne Einbußen im Bereich Laufruhe und Geräuschentwicklung soll es auch beim Mercedes S 500 zugehen, wenn die Hälfte der Zylinder ruht. Mercedes-Benz setzt sogar weiter auf dieses System: Im Topmodell Maybach arbeitet ein V12-Triebwerk mit knapp sechs Litern Hubraum und Zylinderabschaltung im Teillastbereich. Marketingexperten stellen allerdings skeptisch die Frage, ob einem Maybach-Käufer, der für seinen 12-Zylinder-Traumwagen mehrere hunderttausend Mark hinblättert, temporär auch 6 Zylinder reichen?

 

 

Zylinderabschaltung – Update

In  den  Bereich  großvolumiger  V-Motoren  mit Zylinderabschaltung  reihte  sich  2003  auch  Honda  mit  einem  3,5l-V6-Motor ein, DaimlerChrysler 2004 mit einem 5,7l-V8-Motor und 2009 Bentley mit einem 6,75l-V8-Motor. 2011 brachte Mercedes-AMG  einen 5,5l-V8 Saugmotor auf den Markt. Jüngst wurden weitere Motoren mit Zylinderabschaltung von Audi (4l-V8) und VW (1,4l-I4) angekündigt, die schon bald auf den Markt kommen werden.

Historie: ESP auf dem Siegeszug

Die A-Klasse von Mercedes und der legendäre Elchtest haben ESP (Electronic Stability Program) zu einem hohen Bekanntheitsgrad verholfen. Mittlerweile hat die Robert Bosch GmbH das 1.000.000-ESP-System ausgeliefert. Jetzt veröffentlichte der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) die ersten wissenschaftlichen Daten zum Verkehrssicherheitspotenzial von ESP und die Entwickler von Bosch erhielten sogar eine Auszeichnung für ihre Arbeit. ESP ist auf dem Siegeszug.

Verkehrssicherheitspotenzial wurde bewertet

Den höchstdotierten Technikerpreis Europas, den “Professor-Ferdinand-Porsche-Preis” der Technischen Universität Wien erhielten im Oktober 1999 der Niederländer Dr. Anton Theodor van Zanten und der Dipl. Ing. Armin Müller für die Entwicklung des ESP und dessen ersten Serieneinsatz in der Autoindustrie.

Van Zanten, Techniker bei Bosch, gelang es in Zusammenarbeit mit der DaimlerChrysIer AG auf Basis ABS und ASR ein komplexes Sicherheitssystem zu entwickeln. Dipl.Ing. Armin Müller lieferte bei DaimlerChrysIer den entscheidenden Beitrag für den erstmaligen Serieneinsatz von ESP in der Mercedes S-Klasse. Wir sprachen mit dem “Vater” des ESP.

Interview mit Herrn Anton Th. van Zanten, Abteilungsleiter Systementwicklung ESP bei der Robert Bosch GmbH

(1) Die Fahrdynamik umfasst das Verhalten Fahrer-Fahrzeug-Umwelt. Welche Grundlagen haben Sie genutzt um auf diesen teils “unsicheren” Faktoren ESP zu entwickeln?

Antwort: Das Verhalten des Fahrers wird wie folgt gemessen: Der Lenkradwinkelsensor ermittelt den Lenkwunsch des Fahrers, der Bremsdrucksensor den Bremswunsch und das Motormanagementsystem liefert die Information über den Antriebswunsch des Fahrers. ESP beurteilt nicht das Verhalten des Fahrers, sondern interpretiert seine Vorgaben zur optimalen Umsetzung in eine gewünschte Fahrzeugbewegung. Schätzalgorithmen im Steuergerät liefern Daten über die Fahrbahn, die bei der Berechnung des erforderlichen Giermoments und damit der notwendigen Reifenkräfte benötigt werden. Bei der Berechnung der Fahrzeugbewegung kommen neben modernen Schätztechniken, beispielsweise einen ´Beobachter´ für die Schätzung der Fahrzeugquerbewegung, auch physikalische Daten des Fahrzeugs zum tragen.

(2) Zu den “geschätzten” Werten: Sehen Sie Wege, diese Werte künftig beispielsweise direkt am Reifen abzunehmen?

Antwort: In der Kfz-Industrie wird momentan der Ansatz eines intelligenten Reifen diskutiert, mit dem es möglich sein soll, Reifenkräfte zu messen. Ob die Genauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit der Signale für die ESP-Regelung ausreicht, muss noch nachgewiesen werden. Die integrierte Intelligenz muss auch genormt werden, damit die Regelsysteme mit allen freigegebenen Reifen funktionieren. Da der Reifen ein Verschleißteil ist, wird zwangsläufig mit dem Reifen auch die integrierte Intelligenz ersetzt. Weiter gibt es noch andere Möglichkeiten, Reifenkräfte zu messen, zum Beispiel direkt an der Radachse.

(3) Der Gierwinkelsensor stellt in Aufbau und Messprinzip ein absolutes Novum im Automobilbau dar. Worin lag die Herausforderung?

Antwort: Den ersten Giergeschwindigkeitssensor haben wir teuer eingekauft. Dieser Sensor zeichnete sich durch folgende Vorzüge aus: Robustheit für den Kfz-Gebrauch, hohe Auflösung und Selbsttestfähigkeit. Allein über das Steuergerät prüft sich der Sensor 25 mal in der Sekunde selbst. Die große Herausforderung lag nun darin, die Kosten für den Sensor in den üblichen Bereich der Kosten für KFZ-Sensoren herunter zu bringen. In einem zweiten Schritt haben wir 1998 den ursprünglich feinmechanischen durch einen mikromechanischen Sensor ersetzt und damit die Kosten noch weiter gesenkt.

(4) Schwierigkeiten bereitet auch der schnelle Druckaufbau der Bremsflüssigkeit bei niedrigen Temperaturen. Wie haben Sie dieses Problem gelöst?

Antwort: Zum schnellen Druckaufbau haben wir anfänglich eine Vorladepumpe eingesetzt. Die Vorladepumpe ähnelt eine Zahnradpumpe und hat deshalb kein Einlassventil, weiter saugt sie direkt aus dem Vorratsbehälter, so dass der Strömungswiderstand im Ansaugtrakt minimal ist. Letztlich beliefert die Vorladepumpe die Rückförderpumpe des ESP-Hydroaggregats mit Bremsflüssigkeit, deren Druck etwa 15 bar beträgt, und den Bremsdruck in den Rädern auch bei Tieftemperaturen schnell aufbaut. Als Alternative zur Vorladepumpe wird heute auch der `smart Booster` eingesetzt. Durch Aktivierung des smart Boosters vom ESP aus gelangt die Bremsflüssigkeit aus dem Hauptbremszylinder mit dem gleichen Druck zur Rückförderpumpe.

(5) In der neuesten Generation des ESP entfallen die Vorladepumpe und die Ladekolbeneinheit. Wie viel Gewicht und Bauraum konnten Sie dadurch einsparen?

Antwort: Die Vorladepumpe hat ein Gewicht von etwa 2,5 Kilogramm und ein Boxvolumen von etwa 500 Kubikzentimeter. Die Ladekolbeneinheit etwa 1,5 Kilogramm und ein Boxvolumen von 300 Kubikzentimeter. Durch Reduzierung der Abmessungen des ESP-Hydroaggregats konnten wir in den letzten drei Jahren weitere Einsparungen erreichen: beim Gewicht 1 Kilogramm und beim Boxvolumen 700 Kubikzentimeter.

(6) Das erste in Serie gegangene ABS kam noch mit 4 Kilobyte ROM- und 128 Byte RAM-Speicher aus. Was benötigt das heutige ESP?

Antwort: Der erste ESP-Regler benötigte 48 KByte ROM und etwa 1000 Byte RAM. Durch Erweiterungen der Software ist der ROM-Bedarf auf ungefähr 128 KByte und der RAM-Bereich auf 4kByte gestiegen. Zur Abdeckung der verschiedenen Fahrzeugvarianten werden die Reglerdaten für jede Variante in ROM gespeichert. Der jetzige Rechner hat eine ROM-Größe von 256 KByte.

(7) Elektronik ist anfällig. Was passiert bei einer Fehlermeldung, wenn das ESP kurzzeitig nicht richtig funktioniert oder wenn es ganz versagt?

Antwort: Kurzzeitige Fehler, die vielleicht in Sensorsignalen durch äußere Einflüsse entstehen, können ausgefiltert werden ohne den Regler abzuschalten. Bei Fehlern anderer Kategorien wird je nach Fehlerart entschieden, welche Funktion noch beibehalten bleiben kann: bei Ausfall der Vorladepumpe beispielsweise muss ESP für den gesamten Bremsbereich weiterhin verfügbar sein, fällt die Rückförderpumpe des Hydroaggregats aus, bleibt die Betriebsbremse ohne Einschränkung erhalten, fällt ein Raddrehzahlsensor aus, dann bleibt die Elektronische Bremskraftverteilung noch erhalten.

(8) Wo und zu welchem Zeitpunkt kam Ihnen die Idee zu einer Fahrdynamikregelung mit Ziel ESP?

Antwort: Bereits 1972 habe ich in meiner Doktorarbeit an der Cornell Universität in Ithaca (USA) berechnet, wie die Brems- und Seitenführungskräfte verteilt sein müssen, damit das Fahrzeug einer vorgegebenen Spur optimal und mit optimaler Stabilität folgt. Bei Bosch konnte ich diese Gedanken 1983 wieder aufgreifen. 1985 fingen wir an, einen Algorithmus für die Vollbremsung, dem späteren ABS zu entwickeln, mit dem wir Seitenführungskräfte präzise schätzen und einstellen konnten. Es entstand ein neuer ABS-Regler: der Schlupfregler. 1988 haben wir den Schlupfregler in einen ´Fahrzeugregler` eingebettet, der die Bewegung durch eine genaue Einstellung des Reifenschlupfs an jedem Rad regeln konnte. Das war dann der Anfang des jetzigen ESP-Konzepts.

Vielen Dank für das Gespräch

Studie: Mehr Verkehrssicherheit mit ESP

Nach den Ergebnissen einer Studie der GDV-Unfallforschung ist von ESP ein entscheidender Schritt zu mehr Verkehrssicherheit zu erwarten. Bei einem Workshop im Bosch-Prüfzentrum Boxberg forderte Unfallforscher Professor Klaus Langwieder, Leiter des Instituts für Fahrzeugsicherheit im GDV (Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft), möglichst alle Fahrzeuge serienmäßig mit dem Fahrzeugstabilitätsprogramm ESP auszustatten. Dann lassen sich nicht nur gefährliche Schleuderunfälle reduzieren, sondern auch die Gefahr der Risikokompensation verringern (ESP gehört dann wie selbstverständlich zur normalen Ausstattung). Mit ESP lässt sich laut Langwieder “ein Sprung auf ein neues Niveau der Fahrsicherheit” erwarten: Mit 20 bis 25 Prozent haben Schleuderunfälle einen wesentlich höheren Anteil an Pkw-Unfällen mit schweren Verletzungsfolgen als bisher angenommen. Bei Unfällen mit tödlichen Verletzungen ist sogar von einem Anteil von mindestens 30 Prozent auszugehen. Das erhöhte Risiko, verletzt oder getötet zu werden, ist demnach darauf zurückzuführen, dass der Unfallverursacher oft in schwere Seitenkollisionen verwickelt wird.

Studie wertet 1000 Unfälle aus

Langwieders Erkenntnisse basieren auf der Unfallstudie RESIKO (REtrospektive Sicherheitsanalyse von Pkw-KOllisionen mit Schwerverletzten), in der umfangreiche Unfalldaten ausgewertet wurden. In der Analyse von Schadenakten aller deutschen Versicherungsgesellschaften wurden 15.000 Pkw/Pkw-Unfälle und 1.000 Pkw-Alleinunfälle unter die Lupe genommen. Aus diesem Material filterten die Experten alle Fälle mit schweren oder tödlichen Insassenverletzungen: 1.100 Pkw/Pkw- und 524 Pkw-Alleinunfälle. Dieses Material enthält somit Daten über Unfallverursacher und Beteiligte, über alle Altersgruppen und alle Pkw-Unfallarten.

Viele Alleinunfälle bei jungen Fahrern

40 bis 60 Prozent der Schleuderunfälle waren es Alleinunfällen, besonders häufig verursacht von jungen Fahrern. Bei Pkw/Pkw-Unfällen mit Personenschaden ist der Anteil der Schleuderunfälle etwa 12 %. Langwieder schätzt, dass mindestens 20 bis 25 % aller Unfälle so genannte Schleuderunfälle sind.

Weitere Untersuchungen zeigen, dass zudem der Anteil der Schleuderunfälle mit der Unfallschwere ansteigt: Bei tödlichen Unfällen ist mit einem Anteil von mindestens 30 %, möglicherweise sogar 40 %, zu rechnen.

Versicherer fordern Stabilitätsprogramm für alle Autos

Die Forderung nach einem serienmäßigen elektronischen Stabilitätsprogramm wird nach Langwieders Ansicht auch dadurch bestärkt, dass elektronische Fahrdynamikregler nicht nur die aktive Sicherheit verbessern, sondern auch einen Beitrag zur passiven Sicherheit liefern: Selbst wenn eine Kollision wegen der physikalischen Grenzen nicht mehr vermeidbar ist, so erhöht ESP zumindest die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit der Fahrzeugfront, da soweit möglich das Fahrzeug “auf Kurs” bleibt ohne quer zu schleudern.

ESP-Zukunft

ESP (Electronic Stability Program) ergänzt ABS und ASR mit weiteren Sensoren, die die Schleuderbewegungen des Wagens berechnen. Genau dosierte Bremsimpulse an einem oder mehreren Rädern und/oder ein verringertes Drehmoment korrigieren Fahrfehler wie auch Schleuderbewegungen. Die Stabilisierung erfolgt permanent. Nachdem ESP vor einigen Jahren in der Oberklasse für etwa 2.500 DM zu haben war, ist es derzeit schon für unter 1.000 DM in der Kompaktklasse zu finden. Mittlerweile hat Bosch mehr als eine Million ESP-Systeme produziert. Nach Ansicht der Boschexperten wird in etwa drei Jahren ESP auch in Kleinwagen einziehen.

Porsche-Preis für ESP-Entwickler

Zum elften Mal vergab die Technische Universität Wien den von Louise Piech, der Tochter Ferdinand Porsches, gestifteten Automobil-Technikerpreis. Der von der Porsche Holding (Salzburg) und der Porsche AG mit 50.000 DM dotierte “Ferdinand-Porsche-Preis” gilt als herausragende Auszeichnung für Techniker, deren technische Innovationen die Entwicklung des Automobils nachhaltig beeinflussten. Bisherige Preisträger entwickelten beispielsweise das ABS oder die Aluminium-Karosserie.

TU Wien vergibt Porsche-Preis

Der Preis wurde von Louise Piech zum Gedenken an ihren Vater Ferdinand Porsche gestiftet und 1979 erstmals verliehen. Nach ihrem Tod im vergangenen Februar übernahm ihr Sohn Ferdinand Piech den Vorsitz der Jury, zu der Porsche-Chef Wendelin Wiedeking und drei Professoren der TU. Die Verbindung der Familie Porsche und ihres Piech-Zweiges mit der TU Wien hat Tradition: Schon vor 80 Jahren ernannte die Technische Hochschule Wien Ferdinand Porsche zum Doktor der Technischen Wissenschaften, vor 15 Jahren erhielt Ferdinand Piech von der TU Wien den Doktortitel ehrenhalber verliehen.