Effizienz-wunder: wie motoren immer schlauer werden

Die Motorentechnik steht nicht still. Während sich die Diskussion um Verbrenner und Elektromobilität tobt, arbeiten Ingenieure unermüdlich daran, die Effizienz von Verbrennungsmotoren zu steigern. Doch was bedeutet Effizienz eigentlich und wie weit können wir hier noch gehen?

Die thermodynamik im fokus: was verbirgt sich hinter dem begriff effizienz?

Effizienz, oder auch Wirkungsgrad, beschreibt im Grunde den Anteil der eingesetzten Energie, der tatsächlich in nutzbare Arbeit umgewandelt wird. Bei einem Verbrennungsmotor wird chemische Energie aus dem Kraftstoff in mechanische Energie umgewandelt, die dann die Räder antreibt. Die griechische Variable η (Eta) dient hier als Messlatte: η = (Nutzeffekt) / (Zugeführte Energie). Ein Beispiel verdeutlicht: Liefern wir 300 Joule Arbeit, aber 1.000 Joule Energie in den Motor, beträgt die Effizienz lediglich 30%. Früher waren Werte zwischen 20% und 30% die Regel – heute sind deutlich höhere Zahlen möglich.

Wo bleibt dann die restliche Energie? Ein Großteil geht als Wärme verloren. Hochtemperature Gasabgase, Wärmeabgabe im Kühler, Erwärmung der Motoroberflächen, Reibung zwischen Kolben und Zylindern – all das sind Energieverluste. Selbst die Verbrennung ist selten perfekt, ein Teil des Kraftstoffs wird unvollständig verbrannt und geht ebenfalls verloren.

Diesel versus benziner: ein subtiler unterschied

Traditionell sind Dieselmotoren etwas effizienter als Benziner. Das liegt vor allem an ihrem höheren Verdichtungsverhältnis, das die Verbrennung verbessert. Zudem entzündet sich der Kraftstoff im Dieselmotor durch die Kompression selbst, was zu einer kontrollierteren und effizienteren Verbrennung führt. Und nicht zu vergessen: Dieselkraftstoff besitzt von Natur aus eine höhere Energiedichte als Benzin.

Die neuesten Generationen von Benzinmotoren holen jedoch auf. Effizienzwerte von 35% bis 38% sind keine Seltenheit, und mit Atkinson- oder Miller-Kreisläufen, die eine längere Expansionsphase nutzen, erreichen manche Motoren sogar 40% – insbesondere in Hybridfahrzeugen. Toyota, beispielsweise, erklärte bereits 2015, dass ihre Motoren 38% Effizienz erreichen und strebt mit Atkinson- und Miller-Kreisläufen, Lean-Burn-Technologie (magere Verbrennung mit viel Luft) und reduzierten Reibungsverlusten die 40%-Marke an.

Chinesische innovationen und der traum vom 50%-wirkungsgrad

Die chinesischen Hersteller scheinen hier besonders aktiv zu sein. Byd beispielsweise, bewirbt einen 43,04%-effizienten 1,5-Liter-Motor in ihrem Atto 2 DM-i Hybrid. Noch beeindruckender sind die Angaben von Dongfeng, die mit ihrem Mach 1.5T-Motor in einem Hybrid-System einen Wirkungsgrad von 48,09% erzielen. Auch Omoda & Jaecoo, eine Marke der Chery Group, arbeitet mit einem 44,5%-effizienten 1.5 Tdgi-Motor und zielt auf 48% mit noch höheren Verdichtungsverhältnissen, speziellen Beschichtungen und optimierter Egr-Ventilsteuerung.

Der elektrische vorsprung: die zukunft ist elektrisch?

Trotz aller Fortschritte bei Verbrennungsmotoren bleibt die elektrische Maschine unschlagbar. Mit Wirkungsgraden von bis zu 97% übertrifft sie den Verbrenner haushoch. Der Grund liegt in der fehlenden Verbrennung und den geringeren Reibungsverlusten. Elektromotoren wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um, ohne Zwischenschritte. Nur geringe Verluste durch Wärmeentwicklung in den Wicklungen, magnetische Effekte und mechanische Reibung schmälern die Effizienz.

Gerade deshalb ist die Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor – der Hybrid – so erfolgreich. Im rein elektrischen Betrieb profitiert der Hybrid von der hohen Effizienz des Elektromotors, während ein optimierter Verbrennungsmotor, beispielsweise mit Atkinson- oder Miller-Kreislauf, den Verbrauch weiter senken kann. Plug-in-Hybride erreichen so Effizienzwerte von bis zu 70%, wenn sie regelmäßig geladen und hauptsächlich elektrisch gefahren werden.

Die formel 1 als vorreiter: effizienz auf höchstem niveau

Selbst in der Formel 1, wo Leistung über allem steht, wurden bis 2025 extrem effiziente Power Units eingesetzt. Diese kombinierten einen 1,6-Liter-V6-Verbrenner mit zwei Motoren-Generatoren (MGU-K und MGU-H), die Energie beim Bremsen und durch die Nutzung der Abgasenergie zurückgewannen. Der Gesamtwirkungsgrad lag bei rund 60% – ein beeindruckender Wert für ein Rennmotorrad. Das neue Reglement von 2026 reduziert zwar die Bedeutung der MGU-H, aber die Ingenieure arbeiten weiterhin an der Effizienzsteigerung.

Die Entwicklung der Motorentechnik ist ein Wettlauf um Effizienz und Leistung. Auch wenn der 50%-Wirkungsgrad noch nicht erreicht ist, zeigen die Fortschritte, dass die Ingenieure auf dem richtigen Weg sind. Und solange die Diskussion um die Zukunft der Mobilität weitergeht, wird die Forschung an effizienteren Motoren nicht zur Ruhe kommen.