Technologietransfer: So kommt Renntechnik auf die Straße

(Motorsport-Total.com) - Der schonungslose Wettkampf auf der Rennstrecke besitzt bei Porsche Tradition: Seit Gründung des Unternehmens erprobt der Hersteller neue Technologien und Detaillösungen im Motorsport. Vieles, was sich dort bewährt, kommt wenig später den Serienmodellen zugute. Eine der wichtigsten Teststrecken für Porsche liegt gut 200 Kilometer südwestlich von Paris. Sie ist 13,629 Kilometer lang und steht nur zweimal im Jahr zur Verfügung: der "Circuit des 24 Heures? in Le Mans.

Das berühmteste Langstreckenrennen der Welt und der dazugehörige Testtag gut zwei Wochen zuvor dienen Porsche als ultimatives Versuchslabor. Neue Technologien werden 24 Stunden lang in einem harten Wettbewerb extremen Bedingungen ausgesetzt. Mehrmals pro Runde erreichen die Rennwagen Geschwindigkeiten deutlich jenseits der 300 km/h, werden hart zusammengebremst und gnadenlos über hohe Randsteine getrieben; bei sengender Mittagshitze ebenso wie in der Kühle der Nacht oder bei strömendem Regen und stets vor den Augen hunderttausender Zuschauer.

2015 hat Porsche in Le Mans mit dem innovativen 919 Hybrid den 17. Gesamtsieg der Unternehmensgeschichte errungen. Die Sportwagenmarke bleibt damit unangefochten Rekordsieger in Le Mans. Zudem konnte das Porsche Team am Ende seiner erst zweiten LMP1-Saison in der Langstrecken-Weltmeisterschaft (WEC) beide Titel gewinnen.

Schnell für die Zukunft: Porsche 919 Hybrid

Seit Beginn der Saison 2014 gilt in der LMP1-Topkategorie der WEC und damit auch in Le Mans ein neues, besonders fortschrittliches Technikreglement. Als limitierender Faktor für die Antriebsleistung der Werksautos dient die Energiemenge, die pro Runde zur Verfügung steht. Zugleich ist für Hersteller mindestens ein Hybridsystem vorgeschrieben - welcher Art dies ist und wie die rekuperierte elektrische Energie zwischengespeichert wird, stellen die Regelmacher ebenso frei wie die Wahl des Motorkonzepts, des Hubraums und der Kraftübertragung.

Dabei steht der zulässige Kraftstoffverbrauch in umgekehrt proportionalem Verhältnis zu der elektrischen Energie, die pro Runde in Vortrieb zurückinvestiert werden darf. Für die Suche nach der bestmöglichen Effizienz und dem höchsten Wirkungsgrad bieten sich den Ingenieuren von Porsche hierdurch große Freiräume für neue und kreative Ansätze. Genau diese Möglichkeiten lieferten Porsche das entscheidende Argument für die Rückkehr in den Spitzen-Motorsport.

Das Ergebnis ist der 919 Hybrid - der komplexeste Rennwagen, den die Marke bis heute auf die Räder gestellt hat. Er rückt Technologien in den Vordergrund, die auch für die Entwicklung von Serienfahrzeugen zukunftsweisende Bedeutungen besitzen, also relevant sind. Der Gewinner der 24 Stunden von Le Mans setzt auf einen nur 2,0 Liter großen, aber nahezu 500 PS starken Turbo-Vierzylinder in V-Konfiguration.

Damit hat sich jene Vierzylinder-Technik bereits im harten Rennbetrieb bewährt, die ab sofort den neuen Porsche 718 Boxster antreibt - dort in klassischer Boxer-Geometrie und in der 2,0-Liter-Serienvariante 300 PS stark. Technologiebausteine wie der Zylinderabstand, die kurzhubige Auslegung, die zentrale Benzindirekteinspritzung und vieles mehr wurden direkt vom 919 übernommen.

Hinzu kommt: Der 718 Boxster S kombiniert zwei VTG-Lader mit variabler Turbinen-Geometrie erstmals mit einem sogenannten Wastegate-Ventil zur weiteren, noch exakteren Regulierung des Systemdrucks im Abgasstrang. Dies steigert die Effizienz des gesamten Antriebs. Denn jetzt ist gewährleistet, dass der Motor selbst nicht gegen einen möglichen Überdruck im Abgasstrang arbeiten muss. Im 919 Hybrid geht Porsche noch einen großen Schritt weiter und nutzt Überdrücke im System zum Antrieb eines VTG-Laders, der direkt mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Dieser Generator leitet den dadurch erzeugten Strom an eine Lithium-Ionen-Batterie weiter - ein Technologie-Highlight, das alleine der Le-Mans-Sieger von 2015 einsetzt.

Beispiel Aufladung

Ermöglichte sie bislang nur in den jeweiligen Topmodellen von Porsche neue Bestwerte in puncto Leistung und Verbrauch, so profitieren nun auch die Sechszylinder- Boxermotoren des 911 Carrera von der ursprünglich im Motorsport entwickelten und vielfach siegreichen Turbo-Technologie. Ihr konzeptioneller Vorteil liegt in der höheren spezifischen Leistung, die eine Anpassung des Hubraums erlaubt. Dabei setzt Porsche dem derzeit vorherrschenden Trend zum Downsizing - also extrem verkleinerten Aggregaten - das Rightsizing entgegen und wählte einen vergleichsweise großen Hubraum von 3,0 Litern.

Beispiel Hybridantrieb

Anders als seine direkten Wettbewerber in der WEC setzt der 919 auf zwei verschiedene Konzepte. Das erste kommt in ähnlicher Form bereits im Porsche 918 Spyder zum Einsatz: In Bremsphasen verwandelt ein Generator an der Vorderachse kinetische in elektrische Energie. Das zweite ist dagegen einzigartig: Eine zusätzliche, parallel zum Leistungs-Turbolader geschaltete Turbinen-Generator-Einheit greift auf die überschüssige Energie des Abgasstroms zu - auf diese Weise gewinnt der Porsche 919 Hybrid elektrische Energie nicht nur beim Bremsen, sondern auch unter Vollgas zurück.

Beispiel Speichertechnik

Porsche entwickelt die flüssigkeitsgekühlte Lithium-Ionen-Batterie des 919 Hybrid selbst, bei der Zellentechnologie kooperiert der Hersteller eng mit Partner A123 Systems. Dank permanenter Weiterentwicklung unter dem hohen Wettbewerbsdruck des Motorsports hat Porsche bisher nicht gekannte Leistungsdichten erreicht. In der vergangenen Saison ging der 919 als erster und einziger LMP1-Rennwagen in der 8-MJ-Topklasse an den Start - obwohl das Gesamtgewicht des Prototypen gegenüber 2014 deutlich reduziert wurde. Inzwischen folgen auch die Mitbewerber dem Konzept von Porsche und greifen für die Saison 2016 zu Lithium-Ionen-Batterien.

Dabei leistete Porsche einmal mehr Pionierarbeit und setzte im 919 Hybrid erstmals die 800-Volt-Technik ein. Die Spannungsverdoppelung gegenüber konventionellen Systemen mit 400 Volt verkürzt Ladezeiten und spart Gewicht, da zum Beispiel leichtere Kabel mit reduziertem Querschnitt zum Energietransport ausreichen. Die Mehrheit der hierfür erforderlichen Komponenten musste eigens neu entwickelt werden.

Mit der viersitzigen Konzeptstudie Mission E hat Porsche auf der Internationalen Automobil-Ausstellung (IAA) 2015 die Vorteile der zukunftsweisenden 800-Volt-Technologie aufgezeigt. Im Rahmen des Projekts "e-volution? steht inzwischen sogar ein erstes 800-Volt-Versuchsfahrzeug auf Basis des Porsche Cayman auf den Rädern. Es profitiert unmittelbar vom Know-how das die Entwicklung und der Einsatz des Le-Mans-Prototypen erzeugt hat.

Auch die beiden permanent-erregten Synchronmotoren der Studie Mission E haben als Motor-Generator-Einheit (MGU) ihre Bewährungsprobe im 919 Hybrid bestanden. Den ersten rein elektrisch angetriebenen Sportwagen von Porsche treiben sie mit einer Systemleistung von über 440 kW (600 PS) an und vereinen dies mit einer Reichweite von mehr als 500 Kilometern bei einer Ladezeit von 15 Minuten für 80 Prozent der elektrischen Energie. Die Entwicklung und Produktion einer Serienversion auf Basis der Konzeptstudie Mission E bis zum Ende des Jahrzehnts sind bereits beschlossene Sache.

Beispiel Verbrennungsmotor

Der direkteinspritzende Turbobenziner des 919 Hybrid setzt auf ein unkonventionelles V4-Layout und den vergleichsweise geringen Hubraum von 2,0 Litern. Er ist er das fortschrittlichste und effizienteste Downsizing-Triebwerk, das Porsche bislang gebaut hat. In puncto Einspritztechnik übernimmt es eine Vorreiterfunktion. Auch im Hinblick auf Reibungsverluste überzeugt der Vierzylinder mit einem hohen Wirkungsgrad. Für 2015 wurde der Motor umfassend optimiert. Trotz geringerem Gewicht und höherer Steifigkeit bot er fortan eine nochmals höhere Verbrennungseffizienz. Nach Reglementseinschränkungen startet er mit fast 500 PS in die Saison 2016.

Von der 800-Volt-Technik über Zellentwicklung und Batteriemanagement bis hin zu Kühlsystemen, Packaging und Motortechnologie: Das in der WEC gewonnene Know-how entsteht und verbleibt bei Porsche. Die Serienentwicklung kann auf die Daten des LMP1-Projekts zugreifen. Einige Ingenieure arbeiten sogar in einer Doppelfunktion sowohl für das Rennsportprogramm als auch für die Straßenfahrzeuge. Damit ist unmittelbarer Informations- und Erfahrungsaustausch gesichert.

Auf direktem Weg in die Serie - Porsche 911 RSR

Neben dem 919 Hybrid war Porsche in der WEC bis 2015 auch mit einem GT-Werksteam vertreten, das den 911 RSR einsetzt. Während der Klasse-1-Prototyp einen Blick in die mögliche Zukunft erlaubt und in erster Linie der Vorausentwicklung dient, bietet der 911 RSR unmittelbare und schneller umsetzbare Erkenntnisse für die Serienproduktion. Innovationen, die für ihn entwickelt werden, kommen oftmals schon nach kurzer Zeit dem 911 GT3 RS zugute, bevor weitere Straßenmodelle profitieren. Dabei stehen in erster Linie relevante Technologien und Effizienz im Vordergrund.

Stichwort Aerodynamik

Viele Details des Rennfahrzeugs spiegeln sich bereits im Serienprodukt wider. Dies reicht von der Ausformung der Frontspoiler-Lippe über die Gestaltung von Kühlluftkanälen und des Temperaturmanagements bis hin zur Ausführung des strömungsgünstigen Unterbodens und beider Heckflügel.

Stichwort Fahrdynamik

Das Konzept für die dynamischen Motorlager, die der aktuelle GT3 RS serienmäßig besitzt, wurden ebenfalls aus dem 911 RSR abgeleitet. Das elektronisch geregelte System unterbindet unerwünschte Bewegungen des Motors, die bei sportlicher Fahrweise Unruhe ins Eigenlenkverhalten bringen könnten. Effekt: Der GT3 RS reagiert weniger auf Lastwechsel und liegt in schnellen Kurven deutlich stabiler. Zugleich reduzieren die dynamischen Lager speziell im Leerlauf die Übertragung von Schwingungen und Geräuschen auf die Karosserie und tragen so zur Laufkultur bei.

Stichwort Leichtbau

Der 911 GT3 RS ist zehn Kilogramm leichter als der 911 GT3 und damit ein Musterbeispiel für konsequente Gewichtsreduzierung. Motor- und Kofferraumhaube bestehen aus Kohlefaser, die Heckscheibe aus dünnem Polycarbonat und weitere Leichtbauteile aus alternativen Werkstoffen - Komponenten, die im 911 RSR erprobt und von ihm abgeleitet wurden. Auch das Magnesiumdach des GT3 RS folgt einer Idee aus dem RSR. Das gleiche gilt für die gewichtsoptimierte 12-Volt-Leichtbaubatterie, die herkömmliche und wesentlich schwerere Bleiakkus ersetzt.

Effizienz als entscheidender Parameter für Serie und Rennsport

Porsche testet und erprobt mit dem 919 Hybrid ebenso wie mit dem 911 RSR relevante Technologien. In Zeiten zunehmend strenger Abgas- und Verbrauchsnormen, die speziell Hersteller leistungsstarker Sportwagen vor große Herausforderungen stellen, geht es dabei vor allem um eines: Effizienz, also die bestmögliche Relation zwischen Aufwand und Ergebnis.

Das 2014 neu geschaffene, revolutionäre Effizienzreglement in der WEC ermöglicht besonders große Entwicklungssprünge. Eine Beispielrechnung zeigt dies: 2014 legte der bestplatzierte 919 Hybrid 348 Rennrunden zurück und verwandelte dabei 585 Kilowattstunden rekuperierter Energie wieder in Vortrieb. Mit dieser Energiemenge hätte der Volkswagen e-Golf mehr als 4.600 Kilometer zurücklegen können - in etwa die Strecke von New York bis nach Los Angeles. 2015 hat der 919 Hybrid in der 8-MJ-Klasse 780 Kilowattstunden geboostet. Mit dem Plus von über 30 Prozent fährt der e-Golf weitere 1.500 Kilometer.

Technologietransfer im Rückspiegel

Die Rennstrecke ist seit sieben Jahrzehnten die gnadenlose Erprobungsplattform für die Sportwagentechnik. Beispiele für den Technologietransfer sind Mittelmotor, Aerodynamik, Turboaufladung, PDK, geregelter Allradantrieb und Hybridisierung.

Mittelmotor, Synchronisierung, Doppelzündung

Der Porsche 550 entstand für den ersten werksseitigen Renneinsatz und gewann 1953 auf Anhieb auf dem Nürburgring. Durch die Platzierung des Vierzylinder-Boxermotors vor der Hinterachse erwies sich der Spyder als besonders agil. Im Boxster wurde das Mittelmotorkonzept 1996 fortgeführt. Als Kraftübertragung diente im 550 erstmals ein Fünfganggetriebe mit Porsche-Synchronisierung, das in ähnlicher Bauart 1963 im 901/911 in Serie ging. Oben - drein sorgten im 550 zwei Zündkerzen pro Brennraum für eine optimierte Verbrennung - 1988 kam die Doppelzündung im 911 Carrera (Typ 964) erstmals in einen Großserien-Porsche.

Abrisskante, Entenbürzel, aktive Aerodynamik

Ferdinand Alexander Porsche zeichnete das 904 Carrera GTS Coupé von 1963 mit einer Abrisskante am Heckabschluss. Bereits 1971 folgte der erste Frontspoiler im 911 S. Er beschleunigte den Luftstrom unter dem Fahrzeug, leitete einen Teil der Luft seitlich vorbei und reduzierte so den Auftrieb des Vorderwagens. 1972 setzte der für den Motorsport konzipierte Carrera RS 2.7 Maßstäbe: Er war nicht nur mit einer tief heruntergezogenen Frontschürze ausgestattet, sondern trug über der Motorhaube einen markanten Spoiler - den legendären "Entenbürzel?.

Der überragende Technologieträger der 1970er-Jahre war allerdings auch in aerodynamischer Hinsicht der Porsche 917. Den Zwölfzylinder-Rennwagen gab es in zwei Ausführungen: mit kurzem Heck und hohem Anpressdruck für kurvenreiche Rennstrecken und mit langem, luftwiderstandsoptimiertem Heck für Hochgeschwindigkeitskurse. Um den Anpressdruck in den Kurven zu erhöhen, waren am Heck bewegliche Klappen angebracht, die über ein Gestänge mit den Radaufhängungen verbunden waren. Lenkte der Fahrer in eine Kurve, fuhr die Klappe über dem entlasteten kurveninneren Hinterrad aus und erhöhte so über den Winddruck Radlast und Stabilität.

Damit war der erste Schritt zur aktiven Aerodynamik getan, die Porsche 1988 mit dem automatisch ausfahrenden Heckspoiler des 911 Carrera in die Serienfahrzeuge einführte. Beim 2013 präsentierten 911 Turbo stellte Porsche Active Aerodynamic (PAA) den Heckflügel und erstmals auch den Bugspoiler ein. Das umfangreiche System variabler Aerodynamikelemente im 918 Spyder ist pure Renntechnik auf der Straße.

Abgasturbolader und Ladeluftkühlung

Für die amerikanische CanAm-Serie entwickelte Porsche das 917 Coupe zum offenen Spyder weiter, doch mit 560 PS war der 4,5-Liter-V12-Motor den 750-PS-Hubraumriesen der US-Konkurrenz unterlegen. Porsche reagierte und entwickelte sowohl einen Sechzehnzylinder-Motor als auch eine Zwangsbeatmung für den Zwölfzylinder. Wichtig war dabei, den Druckaufbau so zu steuern, dass er für die hochdynamischen Last- und Drehzahlwechsel im Rennmotor geeignet war. Die Ingenieure wandten sich ab von der ansaugseitigen Steigerung des Ladedrucks und hin zum Abgasturbolader.

Unerwünschter Überdruck wurde über das Bypassventil am Lader vorbeigeleitet. Der 917/10 mit anfänglich 850 PS wurde der dominierende Rennwagen in der CanAm-Serie, und auch die Turboeinführung in die Porsche-Seriensportwagen wurde zur Legende: 1974 ging der 911 Turbo in Serie. Die Turbotechnik im 917/10 war indes schon einen Schritt weiter: Ladeluftkühler senkten die Temperatur der komprimierten Luft zur besseren Zylinderfüllung und Leistungssteigerung. 1977 profitierte der 911 Turbo 3.3 von dieser Technik.

Porsche-Doppelkupplungsgetriebe

Bereits 1964 hatte Porsche an einem lastschaltbaren Doppelkupplungsgetriebe gearbeitet, vier Jahre später folgten Versuche mit einem automatischen Viergang-Getriebe nach dem Doppelkupplungsprinzip und 1979 weitere Konstruktionen. 1981 schließlich entstand das Porsche-Doppelkupplungsgetriebe PDK. Das lastschaltbare, elektronisch gesteuerte Stirnradgetriebe wurde bis 1986 parallel im Gruppe-C-Rennsportwagen Porsche 956 sowie in Seriensportwagen erprobt.

Schalten ohne Zugkraftunterbrechung war besonders für Turbomotoren von Vorteil, weil der Fahrer beim Schalten auf dem Gas bleiben konnte und so der Einbruch des Ladedrucks vermieden wurde. Der erste Versuchseinsatz des Direktschaltgetriebes erfolgte 1983 im Gruppe-C-Rennwagen Porsche 956.003, 1986 gewann der 962 C PDK den WM-Lauf in Monza. Den Serieneinsatz machten erst die Fortschritte in der Steuerungselektronik möglich. 2008 präsentierte Porsche das PDK im 911 Carrera.

Geregelter Allradantrieb

Der 1983 für die damalige Gruppe B entwickelte 959 besaß einen fortschrittlichen Allradantrieb mit stufenlos geregelter Längssperre, die Verteilung der Momente auf die beiden Achsen erfolgte in Abhängigkeit von Radlast und Reibwerten der Räder. Diese Regelstrategie erwies sich als so erfolgreich, dass Porsche sie weiterentwickelte und 1988 im Carrera 4 adaptierte.

Ihn statteten die Ingenieure zur weiteren Optimierung der Fahrdynamik mit einer Grundverteilung der Momente über ein Planeten-Verteilergetriebe von 31 zu 69 Prozent (Vorder- zu Hinterachse) aus. Dazu gab es eine hydraulisch betätigte Längs- und Quersperre für ein nahezu stufenloses Ändern des Verteilungsverhältnisses. Deren Funktion wurde von einer Elektronik gesteuert, in der das Know-how aus dem 959 steckte.

Rennwagen mit Hybridantrieb

2010 wäre Porsche mit dem zukunftsträchtigen 911 GT3 R Hybrid fast die Sensation gelungen: Bis zwei Stunden vor dem Ziel des 24-Stunden-Rennens auf dem Nürburgring lag dieser GT3 mit einem rund 465 PS starken Vierliter-Sechszylindermotor im Heck und zwei jeweils 75 kW leistenden Elektromotoren an der Vorderachse in Führung. Eben dieser innovative Vorderradantrieb war gleichzeitig Erprobungsobjekt: Das Hybridkonzept des 918 Spyder, das ebenfalls einen elektrischen Vorderachsantrieb umfasst, ist eine direkte Weiterentwicklung aus dem 911 GT3 R Hybrid. Der 919 Hybrid schreibt die Geschichte fort.