Zylinderabschaltung: Das Einschlafen einer Hälfte des Motors

Ein Motor, der unnötiger Leistung hinterherjagt, verbrennt Kraftstoff umsonst; die Zylinderabschaltung schläft genau diese Leere ein und schafft so Einsparungen.
Ein Motor, der unnötiger Leistung hinterherjagt, verbrennt Kraftstoff umsonst; die Zylinderabschaltung schläft genau diese Leere ein und schafft so Einsparungen.

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Die Zylinderabschaltung ist eine Effizienztechnologie, die in Momenten, in denen der Motor keine volle Leistung benötigt, bestimmte Zylinder durch Schließen ihrer Ventile deaktiviert und dem Motor ermöglicht, faktisch mit einem kleineren Hubraum zu laufen. Im Leerlauf, bei Autobahnfahrt oder bei leichtem Gasdruck wird in den nicht genutzten Zylindern kein Kraftstoff eingespritzt; so verschwendet der Motor keinen Kraftstoff für Leistung, die nicht benötigt wird. In modernen Anwendungen ist dieser Übergang so sanft, dass ihn die meisten Fahrer nicht bemerken, und er sorgt je nach Bedingungen für messbare Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch.

Highlights

  • Die Zylinderabschaltung deaktiviert typischerweise die Hälfte des Motors: Aus einem V8 werden vier Zylinder, ein Vierzylinder fällt auf zwei Zylinder zurück.
  • Das US-Energieministerium schätzt die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit auf etwa 7,5%; unter Autobahnbedingungen liegt die Reduzierung im Bereich von 8-25% .
  • In den abgeschalteten Zylindern entsteht ein Luftfedereffekt; das eingeschlossene Abgas lastet den Motor nicht zusätzlich.
  • Die Technologie ist seit dem Versuch von 1981 mit dem Cadillac V8-6-4 zusammen mit der elektronischen Steuerung gereift.
  • Offizielle Rückrufe (Mercedes, Mazda) zeigen, dass das System im Fehlerfall schwerwiegend sein kann.

Wie funktioniert die Zylinderabschaltungstechnologie?

Şehir içinde giden bir aracın gücüne aslında yarım motor yeter; kalan silindirler vanaları kapalı olarak boşuna yakıt yakmaz.

Die grundlegende Logik ist einfach: Ein Mehrzylindermotor benötigt meist nur einen Teil der Leistung. Um ein Fahrzeug zu halten, das mit konstanter Geschwindigkeit auf ebener Strecke fährt, sind vier oder sechs Zylinder mehr als ausreichend. Genau an diesem Punkt greifen Zylinderabschaltungssysteme ein und unterbrechen die Kraftstoffeinspritzung in bestimmte Zylinder, indem sie deren Einlass- und Auslassventile geschlossen halten. Sind die Ventile geschlossen, scheidet der betreffende Zylinder aus dem Zündzyklus aus; der Motor läuft, als hätte er einen kleineren Hubraum.

Was aber macht der Kolben in einem Zylinder mit geschlossenen Ventilen? Das Abgas ist in dem Brennraum eingeschlossen und wird beim Hochfahren des Kolbens komprimiert, beim Herunterfahren dehnt es sich wieder aus. Dieser „Luftfeder"-Effekt gleicht sich in beide Richtungen aus; der abgeschaltete Zylinder lastet den Motor nicht zusätzlich. Die abgeschalteten Zylinder bremsen den Motor also nicht, sondern werden stillschweigend beurlaubt.

Die Entscheidung trifft das Motorsteuergerät (ECU). Das ECU, das Sensordaten wie Geschwindigkeit, Motorlast und Drosselklappenposition kontinuierlich überwacht, deaktiviert die Zylinder bei geringer Last; wenn der Fahrer aufs Gas tritt, zündet das System innerhalb von Millisekunden alle Zylinder wieder. Beim Benziner besteht das Ziel darin, die Drosselverluste zu reduzieren: Bei leichter Last ist die Drosselklappe fast geschlossen, und der Motor leistet unnötige Arbeit, um Luft anzusaugen. Wenn weniger Zylinder arbeiten, wird jeder Zylinder stärker beansprucht, die Drosselklappe muss weiter offen stehen, und der Motor arbeitet in einem effizienteren Bereich.

Beim Diesel ist das Ziel anders

Die eigentliche Motivation der Zylinderabschaltung bei Dieselmotoren ist die Erwärmung des Abgases. Dieselmotoren haben es bei niedriger Last schwer, die Abgastemperaturen auf ein ausreichendes Niveau zu bringen; wenn die verbleibenden Zylinder unter höherer Last arbeiten, wird mehr Wärme erzeugt. Diese Wärme bringt die Abgasnachbehandlung schneller auf ihre Betriebstemperatur und reduziert die Emissionen. Bei Nutzfahrzeuganwendungen kann der Wechsel von 6 auf 4 Zylinder eine Verbesserung des Leerlaufverbrauchs von 14-18 % bewirken.

Unter welchen Bedingungen werden welche Zylinder abgeschaltet?

Die meisten Systeme schalten gleichzeitig die Hälfte der Zylinder ab: Ein V8-Motor fällt auf vier Zylinder zurück, ein V6 auf drei, ein Vierzylinder auf zwei. Ziel ist es, den Zündabstand beizubehalten, ohne das Gleichgewicht des Motors zu stören; deshalb werden ausgeglichene Paare statt einer unregelmäßigen Verteilung gewählt. Dennoch ist der Ansatz jedes Herstellers nicht derselbe.

Schon frühe Beispiele zeigen diese Vielfalt. Mitsubishi MD (1982) schaltete bei Geschwindigkeiten unter 70 km/h, im Leerlauf und beim Verzögern die Zylinder 1 und 4 ab; der Verbrauch verbesserte sich um etwa 20 % aber der Motor lief im Zweizylindermodus ruckelig. Hondas VCM-System (ab 2003) kann durch Abschalten von Zylinderbänken zwischen sechs, vier und drei Zylindern wechseln. Noch interessanter ist GMs 2018 eingeführtes Dynamic Fuel Management: Dieses auf Tula Technologys "Dynamic Skip Fire"-Ansatz basierende System kann je nach Bedarf eine beliebige Anzahl von Zylindern in unterschiedlichen Kombinationen abschalten - das heißt, alle Zylinder der Zündfolge können einzeln übersprungen werden.

Mazda bevorzugte bei ihrem 2,5-Liter-Saugmotor, dass die mittleren Zylinder weiterzünden: Bei geringer Last werden die Zylinder 1 und 4 abgeschaltet, während 2 und 3 weiterlaufen.

Merkt der Fahrer etwas? Vibrations- und NVH-Engineering

Die Antwort auf diese Frage hat sich im Laufe der Geschichte der Technologie stark verändert. Bei den ersten Systemgenerationen war es nicht schwer, den Wechsel zu bemerken - es war sogar leicht. Cadillac V8-6-4 (1981) zeigte bei den Übergängen Rauheit und Verzögerungen; trotz 13 Software-Updates wurde es nach nur einem Modelljahr eingestellt und in Fahrzeugen des Vorjahres das System dauerhaft deaktiviert. Auch Mitsubishis erstes MD-System musste mit dem Ruckeln des Zweizylindermodus kämpfen: Es wurden Maßnahmen wie spezielle hydraulisch gedämpfte Motorlager, ein flexibler Abgasrohrabschnitt, ein 70 % schwereres Schwungrad und die Bedingung, dass das System erst aktiviert wird, wenn das Kühlwasser 70 °C erreicht, ergriffen.

Mitsubishis zweite Generation des MIVEC-MD-Systems von 1993 machte den Wechsel von 4 auf 2 Zylinder dank verbesserter elektronischer Steuerung fast unmerkbar - hier entstanden die Vorfahren der heutigen Systeme. Bei modernen Systemen sind die Übergänge nahezu augenblicklich und werden durch Zündzeitpunktverstellung, Nockenwellenverstellung und elektronische Drosselklappenanpassungen abgemildert. Bei V6-Motoren bleiben aufgrund der Zündfolge und Drehmomentschwankungen ernsthafte NVH-Herausforderungen (Geräusch, Vibration, Härte) bestehen, weshalb diese Konfigurationen zu den engineeringtechnisch anspruchsvollsten gehören.

Wie werden V-Motoren abgeschaltet?

Der Mechanismus variiert je nach Ventilsteuerung des Motors:

  • Motoren mit Stößelstangen (Pushrod): Die Magnetventile verändern den Öldruck, der an die Verriegelungsstifte in den Hydrostößeln geleitet wird; sobald der Stift heraustritt, kollabiert der Stößel und das Ventil bleibt geschlossen.
  • Motoren mit obenliegender Nockenwelle (Overhead Cam): Für jedes Ventil wird ein paararig verriegeltes Doppelkipphebel-System verwendet; gibt der solenoidgesteuerte Öldruck den Verriegelungsstift frei, folgt einer der Kipphebel dem Nocken, während der andere bewegungslos bleibt.
  • Mazdas Lösung: Ein an den hydraulischen Ventilverstellern angebrachter Schlüssel verändert die Pivot-Punkt-Position des Kipphebels und stoppt so die Bewegung des Ventils.

Wie hoch ist die realistische Einsparung beim Kraftstoffverbrauch?

Die Zahlen bewegen sich je nach Anwendung und Bedingungen in einem weiten Bereich. Das US-Energieministerium schätzt die Verbesserung der Kraftstoffeffizienz auf etwa 7,5 %; Hersteller behaupten dagegen bis zu 20 % Effizienzsteigerungen. Unter Autobahnbedingungen soll der Verbrauchsrückgang zwischen 8 und 25 % liegen. Auf der Diesel-Seite werden mit CDA- und frühen Auslassventil-Schließtechniken Verbrauchsreduzierungen im Bereich von 5 bis 25 % angestrebt.

Tests in der realen Welt können bescheidenere Ergebnisse liefern. Bei einem schweren Nutzfahrzeug-Diesel wurden in Standardkraftstofftests 2,76 % gemessen, auf einer Auslieferroute 2 % Einsparung - im Alltag erschweren wechselnder Verkehr, Ladung und Klimabedingungen das Erreichen der Obergrenze des Laborbereichs. Auch historische Behauptungen zeichnen ein ähnliches Bild: Der Cadillac V8-6-4 versprach Verbesserungen von bis zu 15 %; der Alfa Romeo Alfetta CEM (1983) maß 12 % weniger gegenüber der Version ohne variable Verdrängung und fast 25 % weniger gegenüber dem Fahrzeug mit Vergaser. Zusammengefasst: Die Einsparung ist real, aber ihre Größe hängt völlig davon ab, wie lange Sie mit abgeschalteten Zylindern fahren können - ein Fahrer, der im dichten Stadtverkehr ständig beschleunigt und bremst, profitiert weitaus weniger als jemand, der mit konstanter Geschwindigkeit auf der Autobahn unterwegs ist.

Unterschiede in der Anwendung bei Saug- und Turbomotoren

Die Zylinderabschaltung bietet gewissermaßen einen alternativen Ansatz zu kleinvolumigen Turbomotoren: Beide zielen auf das Ziel "stark bei Bedarf, effizient wenn unnötig" ab. Der Turboansatz verwendet von vornherein einen kleinen Motor; die Zylinderabschaltung dagegen nimmt von vornherein einen leistungsstarken Motor und verkleinert ihn bei leichter Last faktisch. Obwohl beide Vor- und Nachteile haben, bietet die Abschaltungstechnologie einen anderen Ausgleichspunkt als die dem Turbolading innewohnenden Verzögerungs- und Ansprechprobleme.

Auch der Anwendungsumfang ist erstaunlich gewachsen. Der 2016 vorgestellte Dreizylinder- Ford EcoBoost mit einem abschaltbaren Zylinder ist der kleinste bekannte Motor, der diese Technologie trägt. Der Mazda Skyactiv-G 2.5 wurde ab 2018 zu einem der Beispiele für Zylinderabschaltung in einem Saugmotor. Auf der Diesel-Seite wurde gezeigt, dass die Abschaltung bei niedriger Last ohne Einbußen bei Drehmoment- und Leistungsfähigkeit angewendet werden kann und keine negative Auswirkung auf das Motoransprechen gefunden wurde.

Eine konkrete Skala zur Verbreitung der Technologie: Im Modelljahr 2020 wurden in den USA etwa 15 %'fand eine Zylinderabschaltung statt; der Großteil davon waren Produkte von Mazda, GM, Honda und FCA.

Langzeitzuverlässigkeit: Verschleißt das System den Motor wirklich?

Unter dieser Überschrift ist ein differenzierter Bild die ehrlichste Herangehensweise. Einerseits nimmt das regelmäßige Arbeiten aller Zylinder das System für die meisten Nutzer aus der Problematik; andererseits bringt das System selbst mit seinen zusätzlichen Mechanismen neue Fehlerquellen mit sich.

Was sagen die offiziellen Rückrufe?

Zwei große Beispiele zeigen die möglichen Fehlermodi des Systems. Mercedes rief 26.200 Fahrzeuge der Modelljahre 2021-2023 zurück: S580 und Maybach-Limousinen: Im Falle eines Ausfalls des Camtronic-Systems bestand die Gefahr, dass die Injektoren zu viel Kraftstoff einspritzten und den Katalysator beschädigen konnten, im schlimmsten Fall bestand sogar die Gefahr eines Motorabstalls. Mazda rief 262.000 Fahrzeuge zurück, darunter CX-5, Mazda 6 und Mazda 3; eine Störung beim Übergang vom Abschaltmodus zur vollen Leistung konnte das Fahrzeug zum Stillstand bringen und einen Neustart unmöglich machen.

Nutzerbeschwerden und die Wartungsrealität

Die aus dem Feld gemeldeten Probleme sind häufiger, jedoch mit einem geringeren Verifizierungsgrad. Das Ausfallen der Stößel in GMs AFM-Systemen ist ein häufiges Beschwerdethema; wird es nicht früh erkannt, kann dies zur Verbiegung der Stoßstange führen, und die Reparaturkosten können in die Tausende Dollar gehen. Zu den weiteren gemeldeten Problemen zählen übermäßiger Ölverbrauch, Kohlenstoffablagerungen und Vibrationen im Übergangsmoment - einige Mazda CX-30-Besitzer berichten, dass sie den rauen Übergang zwischen dem 2- und 4-Zylinder-Modus akustisch und haptisch wahrgenommen haben. Da es sich um forum-basierte, individuelle Nutzererfahrungen handelt, wäre eine Verallgemeinerung auf jedes Fahrzeug irreführend.

Auf der Wartungsseite gibt es einige praktische Punkte zu wissen. Bei manchen Systemen aktiviert der Computer die Zylinderabschaltung als Sicherheitsmaßnahme nicht, wenn die Wartung des Fahrzeugs versäumt wurde - das heißt, nicht das System ist das Problem, der Wartungszustand kann ausschlaggebend sein. Die softwareseitige Deaktivierung des Systems ist eine zweischneidige Entscheidung: Einerseits scheint das Risiko eines Stößeldefekts zu verschwinden, andererseits kann das Durchlaufen aller Zylinder in jedem Verbrennungszyklus die Lebensdauer der Teile theoretisch verkürzen. Die vernünftigste Haltung ist, das System so zu akzeptieren, wie es ist, regelmäßige Wartungen nicht zu versäumen und den Ölstand regelmäßig zu kontrollieren; auf Stößel und Öldruck basierende Mechanismen gehören zu den Teilen, die am stärksten durch schmutziges oder unzureichendes Öl beeinträchtigt werden.

Fazit: Die ausgereifte Form einer klugen Idee

Die Zylinderabschaltung ist das Ergebnis einer langen Reifegeschichte, die von den "Hit-and-Miss"-Motoren des späten 19. Jahrhunderts über das verheerende Cadillac-Experiment von 1981 bis hin zu den heutigen Systemen reicht, die in Millionen von Fahrzeugen unbemerkt arbeiten. Ihre Grundlogik - keine nicht benötigte Leistung zu erzeugen - ist gesunder Menschenverstand in Vollkommenheit; alles Übrige war eine Frage der Ingenieursdetailarbeit, die den Übergang unmerklich machen sollte, und die moderne Elektroniksteuerung hat diese Hürde weitgehend überwunden. Die realistischen Einsparungen variieren je nach Bedingungen: auf der Autobahn deutlicher, im Stadtverkehr bescheiden. Die Zuverlässigkeitsdebatte ist durchaus berechtigt, sollte aber ohne Übertreibungen gelesen werden: Die offiziellen Rückrufe waren zwar ernst, wurden jedoch behoben, und die Technologie existiert heute als Standardlösung in einem breiten Fahrzeugspektrum.

Quellen