Toyota Optimal Drive: Mehr Leistung durch innermotorischen Feinschliff

Welches Potenzial auch heute noch im Verbrennungsmotor steckt, zeigt sich, wenn man ihn im Detail betrachtet. Die neuen 4-Zylindermotoren mit 1,6, 1,8 und 2,0 Litern Hubraum, die Toyota im Avensis und nun auch im Auris und Verso einsetzt, wurden von der ersten Schraube an im Sinne der Toyota Optimal Drive Strategie entwickelt. Dabei galt es, den Wirkungsgrad zu verbessern und möglichst viel Vortrieb aus der Wärmeenergie des Kraftstoff-Luft-Gemischs zu erzielen.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die innermotorischen Energieverluste MINImiert werden. Die Techniker unterscheiden hier primär 4 Aufgabengebiete: die mechanischen Verluste, die Wärme- und Abgasverluste, die Kühlverluste und die Pumpverluste. Die Reduzierung der mechanischen Verluste beginnt schon bei der Grundkonstruktion des Motors. Die Gestaltung des Motorblocks lässt sich heute am Computer genau berechnen. Ziel ist es, ihn so verwindungssteif wie möglich zu gestalten, um die Reibung schon im Ansatz zu MINImieren. Kurbelwellengleitlager mit Mikrorillen sowie beschichtete Kolben und Kolbenringe tragen ebenfalls zu einem besonders weichen und reibungsarmen Lauf bei. Einen weiteren Beitrag liefern Rollenstößel an der Nockenwelle. Sie sorgen für eine widerstandsarme Rollreibung statt der sonst üblichen Gleitreibung.

Toyota setzt bei den 3 neuen Ottomotoren einen geregelten Ölkreislauf ein. Die Fördermenge der Pumpe wird zielgenau der jeweiligen Drehzahl und den Arbeitsbedingungen des Motors angepasst. Dadurch wird besonders bei niedrigen Drehzahlen die geförderte Ölmenge reduziert: Die Pumpe muss weniger arbeiten und die entsprechende Verlustleistung durch den Betrieb der Ölpumpe sinkt.

Weitere Voraussetzungen zur Reduzierung von Abgaswärmeverlusten sind ein leichter Motor sowie ein leichter Zylinderkopf. Toyota fertigt beide Komponenten aus Leichtmetall. Je geringer die Masse, desto schneller wird die richtige Arbeitstemperatur erreicht. Das gilt auch für den Abgasstrang. Hier setzt Toyota einen leichten Krümmer aus Edelstahl ein, der sehr schnell Temperatur annimmt und dabei hilft, den Katalysator möglichst rasch auf seine Arbeitstemperatur zu bringen. Außerdem haben die Techniker das Verdichtungsverhältnis um 0,2 bis 0,5 Punkte angehoben.

Die dritte innermotorische Maßnahme bei Toyota Optimal Drive gilt der Verringerung der Kühlverluste. Damit die Zylinder gleichmäßiger und schneller erwärmt werden, besitzen alle Kühlkanäle einen Kunststoffeinsatz, der das Kühlwasser gezielt zu- und ableitet. Durch die Gestaltung dieser Kanäle wird sichergestellt, dass immer genügend, aber nie zu viel Wärme abgeleitet wird und die Zylinder sich schneller und vor allem gleichmäßiger erwärmen.

Pumpverluste im Motor entstehen dadurch, dass der Kolben bei seiner Abwärtsbewegung im Zylinder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugen muss. Das Gemisch bildet sich im Ansaugtrakt und wird durch ein Ventil eingelassen. Innerhalb des Ansaugtraktes herrscht aber durch die Drosselklappe ein starker Unterdruck, der durch die Kolbenbewegung überwunden werden muss. Um diese Arbeit zu erleichtern, setzt Toyota bei den neuen Vierzylindermotoren auf eine vollvariable Ventilsteuerung. Diese Valvematic genannte Lösung ermöglicht es nun, auch den Einlassventilhub stufenlos zwischen einem und 11 mm zu variieren. Dadurch muss die Drosselklappe nicht mehr so weit schließen, in der Folge ist der Unterdruck im Ansaugtrakt geringer und der Kolben benötigt weniger Arbeitsleistung für den Ansaugvorgang. Zur besseren Zylinderfüllung dient das ACIS-System. Das Kürzel ACIS steht für Acoustic Control Induction System. Die Akustik ist technisch betrachtet eine Schallschwingung, in diesem Fall die Schwingung der Luft im Ansaugrohr. Je nach Einsatzbedingung ist es sinnvoll, diese Schwingung zu verkürzen oder zu verlängern. Dazu setzt Toyota Luftklappen im Ansaugrohr ein, um die Länge der Luftsäulen den motorischen ErFordernissen anzupassen.

Eine möglichst hohe Energieeffizienz erFordert eine besonders gute Vermischung von Kraftstoff und Luft. Um diese zu gewährleisten, hat Toyota die Einlasskanäle für jeden Zylinder in einem herzförmigen Einspritzraum zusammengeführt. In diesen Raum hinein injiziert eine Einspritzdüse mit 12 Bohrungen den Kraftstoff. Dadurch sind die einzelnen Kraftstoffpartikel schon sehr fein zerstäubt und können sich leichter mit der Luft mischen. In dem Augenblick, indem sich das Einlassventil öffnet, entsteht, durch den variablen Hub des Ventils befördert, ein starker Ansaugluftstrom. Dieser wiederum sorgt für eine besonders gute Vermischung des Kraftstoffs im Brennraum. So wird aus der gleichen Menge Kraftstoff mehr Bewegungsenergie gewonnen: Die Leistung des Motors steigt um bis zu 16 kW in der Spitze. Das maximale Drehmoment wird um bis zu 10 Nm gesteigert. Gleichzeitig sinkt der Verbrauch. Toyota Optimal Drive setzt mit Erfolg bereits bei der Konstruktion des Motors an, um eine möglichst kraftstoffeffiziente Mobilität zu gewährleisten.