Opel stellt neuen 1,0-Liter-3-Zylinder-Benziner vor

Sauber, kultiviert und leise: Opel hat auf dem Aachener Kolloquium den neu konstruierten 1,0-Liter-3-Zylinder-Benzinmotor vorgestellt. Der Turbo-Direkteinspritzer, der im kommenden Jahr zusammen mit einem ebenfalls komplett neu entwickelten 6-Gang-Schaltgetriebe im Opel ADAM sein Debüt gibt, setzt neue Maßstäbe bei den 3-Zylinder-Motoren. Er ist nicht nur wirtschaftlich und überaus umweltfreundlich, er zeichnet sich auch durch einen außerordentlichen Antriebskomfort aus. Geräusch- und Vibrationsverhalten sowie Laufkultur sind spürbar besser als bei vielen 4-Zylindern.

Mit seinen kompakten Abmessungen entwickelt dieses Kraftpaket eine Leistung von 85 kW/ 115 PS und liefert satte 166 Nm Drehmoment über ein breites Drehzahlband von 1.800 bis 4.700 min^-1. Damit generiert der 1,0-Liter-Turbo mehr Durchzugskraft im niedrigen Drehzahlbereich als größere Triebwerke der gleichen Leistungsklasse. Gleichzeitig ist der neue Motor wesentlich sparsamer im Kraftstoffverbrauch und emittiert weniger CO₂. Im Vergleich zum aktuellen 1,6-Liter-Sauger von Opel bietet der neue 1.0 SIDI Turbo (Spark Ignition Direct Injection = Benzindirekteinspritzung) bei gleicher Maximalleistung ein 30% höheres Drehmoment, senkt aber zugleich den Kraftstoffverbrauch um satte 20%.

Modernste Technologien wie Hochdruck-Direkteinspritzung, ein extrem kompaktes Turboladersystem, variable Ventilsteuerung und ein Leichtbau-Motorblock aus AluMINIum mit in den Zylinderkopf integriertem Auspuffkrümmer zeichnen den neuen Motor aus. Zahlreiche Maßnahmen zur Verbesserung von Laufruhe und Geräuschverhalten helfen, den Motor zum Ideal seiner Leistungsklasse zu machen. Dazu zählen beispielsweise der akustisch optimierte Zylinderblock, die in die Ölwanne integrierte Ausgleichswelle, die strukturelle Isolierung von Einspritzanlage und Kurbelwelle, die Zahnkette und Motorabdeckungen für eine reduzierte Geräuschentwicklung.

Der 1.0 SIDI Turbo ist das erste Mitglied einer neuen, modular aufgebauten Motorenfamilie von 3- und 4-Zylinder-Benzinern im Hubraumbereich bis 1,6 Liter, die die Nachfrage der Kunden nach kompakten, leistungsstarken Motoren erfüllen. Alle Fahrzeuge, in denen der 1,0-Liter-Turbo-Direkteinspritzer eingesetzt wird, verfügen über Start/Stop-Technologie und sollen im kombinierten Zyklus einen CO₂-Ausstoß von deutlich unter 100 g/km erreichen.

Deutsche Ingenieurskunst für klassenbeste Laufruhe und Akustik

Die Ingenieure von Opel und GM begannen die Entwicklung mit dem sprichwörtlichen weißen Blatt Papier. Gemeinsam ist es ihnen gelungen, die von bisherigen 3-Zylindern als negativ bekannten rauen Laufeigenschaften zu eliMINIeren, ohne dabei Abstriche bei der Wirtschaftlichkeit zu machen. Im Ergebnis hört sich der 1.0 SIDI Turbo wie ein laufruhiger 4-Zylinder an – damit setzt er neue Maßstäbe unter den 3-Zylindern.

Im Mittelpunkt des gesamten Entwicklungsprozesses stand für die Ingenieure, mithilfe aufwändiger Modellierungsarbeiten den rauen Motorlauf abzumildern und das Vibrationsverhalten zu verbessern. Gleichzeitig unterliefen alle Bestandteile sowie der Motor insgesamt harte Tests im Prüfstand. Zum weiteren Entwicklungsumfang zählten die Motorsteuerungsfunktionen sowie die Integration des Antriebsstrangs in das Fahrzeug.

Die Konstruktion des vollständig aus AluMINIum bestehenden Motorblocks ist nicht nur leicht, sie dämmt auch die Abstrahlung von Luftschall- und strukturbedingten Triebwerksgeräuschen ein. Durch die konstruktive Optimierung der akustischen Parameter kann auf zusätzlichen Aufwand für den Innenraum-Schallschutz weitestgehend verzichtet werden; komplexe Motoraufhängungs- und Hilfsrahmenlösungen erwiesen sich als unnötig. Die konsequente Reduzierung unerwünschter Motorgeräusche bot den Ingenieuren zudem die Möglichkeit, das Geräuschverhalten von Ansaug- und Abgasanlage noch besser auf die ErFordernisse der jeweiligen Fahrzeuganwendungen abzustimmen.

Das Ergebnis dieser aufwändigen Arbeit: Der neue 1.0 SIDI Turbo ist nicht nur laufruhiger als ähnliche 3-Zylinder, er ist auch leiser als viele 4-Zylinder-Motoren. Vergleichstests während der Entwicklung haben gezeigt, dass das Geräuschniveau der Neuentwicklung bei Volllast über das gesamte Drehzahlband hinweg niedriger ist als bei gleichstarken Turbobenzinern bis 1,6 Liter Hubraum.

Weitere konstruktive Maßnahmen, die zur beeindruckenden Laufruhe des Motors beitragen, sind:

• Eine kleine, längs in die Ölwanne integrierte Ausgleichswelle. Angetrieben von einer Zahnkette für besonders leisen Lauf, dreht sich die Welle gegenläufig zur Kurbelwelle. Dank des sorgfältigen Massenausgleichs werden die für einen 3-Zylinder üblichen Eigenvibrationen nahezu vollständig unterdrückt.
• Die Hochdruck-Einspritzanlage ist vom Zylinderkopf isoliert. Auf diese Weise wird jeglicher Metallkontakt und damit die Übertragung von Schwingungen durch die Motorkonstruktion vermieden. Selbst die Kraftstoffpumpe und die Kraftstoffleitungen wurden akustisch optimiert.
• Die Nockenwellen-Steuerung per Zahnkette senkt die Geräuschentwicklung weiter. Die gesamte Kettenarchitektur, einschließlich Spannung und Führungen, ist auf eine optimale Akustik und die Vermeidung von Störgeräuschen ausgelegt.
• Die Integration einer abgeflachten Stahlplatte in den Boden der AluMINIum-Ölwanne verringert die Geräuschabstrahlung weiter.
• Als weitere Maßnahmen kommen zum Einsatz: akustisch optimierte Abdeckungen vorne und oben am Motor, die spezielle Ausführung von Ansaugkrümmer und Nockenwellengehäusen, die isolierte Kurbelwelle mit Metall-Hauptlagerschalen und der leise laufende Verdichter im Turbolader.

Gewichtsparende VollaluMINIum-Konstruktion

Im Zentrum der Motorkonstruktion stand geringes Gewicht, deshalb sind Zylinderblock, Zylinderkopf und Kurbelwellengrundplatte aus VollaluMINIum-Druckguss gefertigt. Block und Grundplatte wiegen gerade einmal 15,5 kg.

Die langhubige Auslegung mit 77,4 mm Kolbenhub und einer vergleichsweise kleinen Bohrung von 74,0 mm trägt zum starken Durchzug bei. Für hohe Leistung sorgt die Kombination aus einem Verdichtungsverhältnis von 10,5:1 mit Turboaufladung und Hochdruck-Direkteinspritzung.

Der wassergekühlte Auspuffkrümmer ist in den AluMINIum-Zylinderkopf integriert. Diese kompakte, einteilige Lösung bietet mehrere Vorteile: Die Warmlaufphase des Motors verkürzt sich, die Lebensdauer verlängert sich durch den Wegfall der sonst nötigen Dichtung an den Auslasskanälen, zugleich ergeben sich Packaging-Vorteile im Motorraum.

Für eine hohe strukturelle Steifigkeit verfügt der Motorblock über eingegossene Stahlzylinderbuchsen. Dabei begünstigen AluMINIumkanten die Zylinderkopfdichtung. Zur Erhöhung der örtlichen Steifigkeit sind in die Spanten der Grundplatte Einsätze aus Sphäroguss eingegossen; die Ölwanne besteht aus AluMINIum-Druckguss.

Die Schmiedestahl-Kurbelwelle mit sechs Ausgleichsgewichten überträgt die hohe spezifische Leistung des 1,0-Liter-SIDI-Turbos mit geringsten Vibrationen ans Getriebe. Die vorderen oberen Hauptlager sind zur Erhöhung der Lebensdauer, insbesondere im Start/Stop-Betrieb, polymerbeschichtet.

Die Stahlpleuel sind aus Pulvermetall geschmiedet. Diese Technologie bietet gegenüber herkömmlichen Schmiedeverfahren gleichwertige und sogar verbesserte Festigkeit bei geringerer Masseschwankung. Eine Ölnut in Kombination mit einem optimierten Kegelwinkel am Pleuelkopf verringert den Verschleiß der Buchse. Die AluMINIumkolben werden durch Ölspritzdüsen gekühlt, was zudem für zusätzliche Schmierung sorgt. Das wiederum reduziert die Motorgeräusche beim Kaltstart.

Zwei obenliegende, hohle Nockenwellen, welche vier Ventile je Zylinder über reibungsarme hydraulische Rollenschlepphebel steuern, sparen weiteres Gewicht ein. Der Antrieb erfolgt über eine Steuerkette mit dauerhafter automatischer, hydraulischer Spannung. Nockenwellenversteller aus AluMINIum ermöglichen eine variable Steuerung beim Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile. Dies kommt dem Kraftstoffverbrauch, der Leistungsabgabe sowie den Emissionen bei allen Motorlasten zugute.

Direkteinspritzung für höhere Leistung und weniger Kraftstoffverbrauch

Der 1.0 SIDI Turbo hat es in sich. Er entwickelt ein um 30% höheres Drehmoment als der aktuelle 1,6-Liter-Sauger von Opel und bietet dabei die gleiche Leistung von 85 kW/ 115 PS. Das maximale Drehmoment von 166 Nm steht in einem breiten Drehzahlband von 1.800 min^-1 bis 4.700 min^-1 zur Verfügung; die Nennleistung liegt bei 5.200 min^-1 an. Größenmäßig ist der neue Motor ein Zwerg – leistungsmäßig ist er ein Riese.

Der 1.0 SIDI Turbo ist zudem extrem genügsam: Er verbraucht 20% weniger Benzin als der 1,6-Liter-Sauger. Der Opel ADAM wird damit CO₂-Emissionswerte von weniger als 100 g/km erreichen, was einem Kraftstoffverbrauch von knapp vier Litern auf 100 Kilometer entspricht.

Der Schlüssel für die außerordentliche Leistung und Sparsamkeit liegt in der Hochdruck-Einspritzung, die den Energiegehalt des Kraftstoffs optimal ausnutzt. Die Einspritzdüsen mit je sechs Öffnungen arbeiten mit einem Maximaldruck von 200 bar und sind genau mittig über dem Verbrennungsraum angeordnet. Sie bilden einen feinen, homogenen Kraftstoffnebel, ohne unnötigerweise die Einlassventile oder die Wandung zu befeuchten. Die Einspritzanlage ist so ausgelegt, dass sie auch mit Mehrfacheinspritzungen geringster Kraftstoffmengen umgehen kann.

Zwischen Zylinderkopf und Kraftstoffverteiler oder Einspritzdüsen kommt es zu keinem Metallkontakt. Diese sorgfältige Entkopplung sorgt dafür, dass die eigentlich strukturbedingten Betriebsgeräusche der Einspritzanlage kein Thema mehr sind. Der Kraftstoffverteiler ist über einen Gummi-Stahl-Dämpfer entkoppelt, die Einspritzdüsen sind im Verbrennungsraum durch carbongefüllte Teflondichtungen isoliert. Der Akustik dient auch die Schaumstoffkapselung der Hochdruck-Kraftstoffpumpe, deren Nadelventil per Softwaresteuerung zudem besonders geräuscharm arbeitet.

Die langen Zündintervalle bei 3-Zylindern ermöglichen den Einsatz breiterer Nockenprofile als bei 4-Zylindern, was die Ventilöffnungszeit verlängert und die Zylinderspülung (Gasaustausch) für eine vollständigere Verbrennung verbessert.

Um den Kraftstoffverbrauch weiter zu reduzieren und den Motorbetrieb noch effizienter zu machen, erfolgt die Ölführung über eine bedarfsgerecht arbeitende, zweistufige Ölpumpe. Sie läuft mit hohem oder niedrigem Druck und verfügt über eine Ein-Ausschaltfunktion der Kolbenboden-Spritzölkühlung. Die im kalten Motorzustand zur Verkürzung der Warmlaufphase abschaltende Wasserpumpe trägt ebenso zum sparsamen Verbrauch bei. Der Nebenantrieb – hier kommt ein fünfrippiger Riemen zum Antrieb von Wasserpumpe, Lichtmaschine und Klimakompressor zum Einsatz – entkoppelt Schwingungen der Kurbelwelle durch eine mechanische Lösung und verbessert nicht nur die Laufruhe, sondern benötigt auch eine geringere Spannung, was die Reibung reduziert und den Wirkungsgrad steigert.

Turbolader – ultrakompakt und schnell

Während die Hochdruck-Direkteinspritzung die Verbrennungsräume des Motors mit einem feinen Kraftstoffnebel füllt, versorgt der ultrakompakte Turbolader die Zylinder mit Luft. Dank der Integration des Auspuffkrümmers in den Zylinderkopf entsteht beim 1.0-SIDI-Turbolader eine engere Anbindung an den Motor als bei allen anderen Triebwerken – für ein unmittelbares, kraftvolles Ansprechverhalten.

Die Integration des wassergekühlten Auspuffkrümmers in den Zylinderkopf und die Konstruktion des ebenfalls wassergekühlten, kleinvolumigen Turboladers mit seiner geringen Masse ist ein Paradebeispiel für die Präzisionsarbeit der Ingenieure.

Die sorgfältige Dimensionierung des Turboladers ermöglicht ein ausgewogenes Gleichgewicht zwischen starkem Durchzug im niedrigen Drehzahlbereich, schnellem Ansprechverhalten, reduziertem Kraftstoffverbrauch und hoher Spitzenleistung. Als optimale Konfiguration wählten die Ingenieure einen einstufigen, einflutigen Turbolader mit 1,5 bar maximalem Ladedruck, Ladeluftkühler und druckgesteuertem Wastegate. Der Durchmesser des Turbinenrades beträgt gerade einmal 35 mm, die Breite des geräuscharmen Verdichters nicht mehr als 40 mm. Mit dieser Kombination konnten die Ingenieure ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten realisieren: 90% des maximalen Drehmoments stehen ab gerade einmal 1.500 min^-1 innerhalb von 1,5 Sekunden zur Verfügung. Das bedeutet eine Erhöhung des Zylinderdrucks um das sechsfache und eine Drehzahl der Turbowelle von bis zu 250.000 min^-1.

Die Wasserkühlung des Abgaskanals senkt die Temperatur und damit die Emissionen, gleichzeitig wird der Wärmekonzentration im Bereich der Turbine entgegengewirkt. Damit ist die Verwendung eines Inconel-Turbinenrades sowie eines Turbinengehäuses aus austenitischem Stahl mittlerer Güte möglich. Die Dichtung zum Zylinderkopf ist in eines der Hitzebleche integriert. V-Spannbänder und eine gewichtsoptimierte Konstruktion tragen zur leichten Architektur des Turboladers bei.

Der Lader versorgt den Motor über Hightumble-Einlasskanäle für einen frühen Verbrennungsbeginn, kurze Brenndauer und hohe Verbrennungsstabilität. Um Klopfgeräusche oder schädliche Frühzündungen zu vermeiden, muss bei den meisten Motoren mit Turbolader der Zündzeitpunkt verzögert werden. Ein Einlass mit hoher Ladungsbewegung MINImiert die Notwendigkeit dieser Maßnahme.

Gerüstet für aktuelle und zukünftige Ansprüche

Die Einführung des 1.0 SIDI Turbo ist der jüngste Schritt zur Rundumerneuerung des Opel-Antriebsportfolios. Dabei werden zwischen 2012 und 2016 insgesamt 13 neue Motoren sowie eine Vielzahl neuer Getriebe auf den Markt kommen.

Dieses Programm hat bereits mit der Markteinführung der ersten 1,6-Liter-Turbotriebwerke der neuen Generation mittelgroßer Benziner und Diesel begonnen. Hinzu kommt nun der 1.0 SIDI Turbo als erstes Mitglied der modular aufgebauten Benzinerfamilie mit kleinem Hubraum, die 3- und 4-Zylinder mit weniger als 1,6 Liter Hubraum umfasst. Alle Aggregate laufen im ungarischen Opel-Werk Szentgotthárd auf einer gemeinsamen Montagelinie vom Band.

Der neue 1,0-Liter-Turbo-Direkteinspritzer gibt sein Debüt im kommenden Jahr im Opel ADAM, kann aber weltweit in einer Vielzahl von GM-Fahrzeugen, einschließlich größerer Modelle, in Kombination mit Schalt- und Automatikgetriebe eingesetzt werden.

Wie mit allen Triebwerken der neuen Generation hat Opel mit dem 1.0 SIDI Turbo die Kunden fest im Blick. Er ist die passende Antwort auf den wachsenden Bedarf an kleinvolumigen Motoren mit niedrigem Verbrauch und geringen CO₂-Emissionen, bietet dabei aber eine Leistung und Laufkultur, welche die Kunden üblicherweise nur von Aggregaten mit größerem Hubraum gewohnt sind.