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Formel 1 / Hintergrund

Zu Besuch: Geburtsstätte der Mercedes Power Units

Die Power Units sind ein Meisterwerk moderner Ingenieurskunst. Motorsport-Magazin.com durfte Mercedes AMG High Performance Powertrains in Brixworth besuchen.
von Christian Menath

Motorsport-Magazin.com - 1989 wird der Fiat Tipo Auto des Jahres. Den kleinen Italiener gibt es mit Reihenvierzylinder-Motoren zwischen 1,1 und 2,0 Liter Hubraum. Im gleichen Jahr dominiert McLaren die Formel 1 mit 3,5-Liter V10-Motoren von Honda. Es war die erste Saison nach den Turbo-Monstern. Die Gemeinsamkeiten zwischen Tipo und MP4/5 beschränken sich auf die Anzahl der Reifen.

Bis 2009 hat sich beim Motorenreglement in der Formel 1 nicht viel getan: Hubraum und Zylinder wurden mit der Zeit beschnitten, das Konzept aber blieb: hochdrehende Saugmotoren. 20 Jahre Stillstand. Dann endlich wurde die Formel 1 hybridisiert: Mit KERS hielt die Hybrid-Technik in die Königsklasse Einzug. Allerdings noch immer mit hochdrehenden Saugmotoren kombiniert. Auto des Jahres wurde der Opel Insignia, der fast ausschließlich mit Turbo-Motoren angeboten wurde.

"2009 war mit KERS ein kleiner Schritt", erinnert sich Mercedes-Motorenchef Andy Cowell zurück, während sein Blick auf jenes Wunderwerk der Technik schweift, das unter seiner Regie in Brixworth entwickelt wurde. Zum zweiten Mal seit der Einführung der Power Units lud Mercedes Anfang des Jahres eine kleine Gruppe von Journalisten in die strenggeheime Motorenschmiede. Seit dem ersten Besuch vor gut zwei Jahren hat sich einiges getan. Während die Power Unit damals nur hinter einer dicken Glaswand auf dem Motorenprüfstand zu sehen war, steht nun die letzte Ausbaustufe der 2015er Generation im Besprechungsraum. Es ist jenes Exemplar, mit dem Lewis Hamilton die Weltmeisterschaft in Austin gewann.

KERS war im Vergleich zur Power Unit Kindergarten - Foto: Mercedes-Benz

Aber nicht nur technisch hat sich einiges getan - auch politisch. Die Formel 1 diskutiert seit dem ersten Rennen mit der neuen Technologie über Sinn und Unsinn der Power Units. Zu teuer, zu leise - das sind die Kritikpunkte. Für einen Ingenieur ist diese Diskussion ein Schlag in die Magengrube. Sofern Entwicklungsmittel vorhanden sind, interessiert einen Techniker das Geld nicht. Der Sound erst recht nicht, er ist nur verschwendete Energie.

Entsprechend geht es in Cowells Vortrag um Effizienz - das einzige Mittel, Motoren sinnvoll miteinander zu vergleichen. Verbrauchs- oder Emissionswerte eigenen sich nicht, weil die Leistung nicht berücksichtigt wird. Leistungsdaten eignen sich ebenso wenig, weil die dafür benötigte Energie nicht mit in das Ergebnis einfließt. Effizienz bezeichnet hingegen die Kosten-Nutzen-Relation. Im konkreten Fall ist der Wirkungsgrad das Verhältnis aus abgegebener Leistung und hinzugeführter Energie in Form von Benzin.

1876 weist der erste Ottomotor einen Wirkungsgrad von rund 17 Prozent auf. In den folgenden 137 Jahren steigt die Effizienz immer weiter, ein Wert von knapp 30% im Jahr 2013 bedeutet aber noch immer, dass weniger als ein Drittel der hineingesteckten Energie sinnvoll umgewandelt wird. Nach mehr als einem Jahrhundert Entwicklung. "Diesen Wert hatten etwa die V8-F1-Motoren und auch Serienfahrzeuge", erklärt Cowell.

Power Units mit mehr als 50 Prozent Wirkungsgrad

Die radikale Motorenreform 2014 änderte alles. "Als wir angefangen haben, zu entwickeln, wollten wir auf 40% thermische Effizienz kommen. Viele Leute haben gesagt, das sei unmöglich." Der Anfang ist inzwischen fünf Jahre her. 2011 begann Brixworth an den aktuellen Power Units zu entwickeln. Von 40% thermischer Effizienz spricht heute niemand mehr. Mit Stolz zeigt Cowell ein Diagramm. Auf der einen Achse ist die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute angetragen, auf der anderen Achse die Leistung. Die Aufmerksamkeit steigt, Diagramme gibt es eigentlich nie. Daten sind streng geheim.

Skizze von Leistungskurven der verschiedenen Motorenkonzepte - Foto: Motorsport-Magazin.com

Cowell hat sich zwar die Mühe gemacht, die Drehzahl-Achse auf den tatsächlich genutzten Bereich zu verkleinern, doch gleichzeitig hat er auch die Skala an der Leistungs-Achse entfernt. Zahlen gibt es also nicht, nur Vergleiche. Drei Kurven sind auf dem Millimeterpapier zu sehen. Eine, weit abgeschlagen, ist der V8-Motor mit KERS. Die anderen beiden sind der V10-Motor aus dem Jahr 2005 und die 2015er Power Unit. Die Spitzenleistung der Power Unit liegt über jener des V10-Saugers. "Es ist der stärkste F1-Motor, den wir bei Mercedes je gebaut haben", sagt der Motorenchef stolz.

Die Systemleistung beläuft sich auf knapp 950 PS. Doch der wahre Maßstab ist die Effizienz: 1.240 Kilowatt werden dem Verbrennungsmotor in Form von Benzin zugeführt. Das sind theoretisch 1.685 PS, wodurch die Effizienz einen atemberaubenden Wert von über 50% erreicht. "100% - das ist das ultimative Ziel", sagt Cowell selbstbewusst. Das ursprüngliche Ziel von 40% ist schon längst überflügelt. "Wir sind jetzt zur Hälfte bei unmöglich! Das ist die Reise, die wir in den letzten Jahren gemacht haben."

Von 30% umgewandelter Energie auf mehr als 50% - das gelang nur mit einer radikalen Regeländerung. Zum ersten Mal seit 30 Jahren passt sich die Formel 1 wieder der Serie an und fährt nun technisch voraus. Direkteinspritzung, Turboaufladung, Downsizing und Elektrifizierung - diese vier Faktoren haben aus verstaubter Motorentechnik hochentwickelte Power Units gemacht.

Wie groß der Paradigmenwechsel in Brixworth war, zeigt das Personal. "Wir hatten 2011 nur zwei Mitarbeiter, die mit Turbo-Motoren zu tun hatten: der eine hatte gerade den Turbolader an seinem Subaru gewechselt - der dann kaputt gegangen ist -, der andere entwickelte an Ethanol-betrieben Kart-Motoren." Die Motorenschmiede holte sich Know-how von Daimler.

Truck-Turbolader im Formel-1-Auto

Doch nicht etwa die Entwicklungs-Ingenieure des SLS AMG konnten Brixworth helfen, sondern die Truck-Abteilung. "Unsere Rahmenbedingungen sind ähnlich wie bei Trucks", erklärt Andy Cowell. Damit meint er nicht nur das Streben nach Effizienz, das in der Logistik besonders wichtig ist. "In der Transport-Industrie geht es vor allem um Benzinrechnungen. Aber auch die Nutzung ist ähnlich wie in der F1: Wegen der großen Zuglast und dem hohen Luftwiderstand brauchen Trucks viel Leistung. Es geht um die thermische Effizienz bei Volllast."

Die LKW-Ingenieure halfen ihren Kollegen in Großbritannien vor allem bei thermodynamischen Fragen und der Auslegung des Turboladers. Das Reglement schreibt einen einzelnen Turbolader vor. Bei Straßenfahrzeugen bauen Hersteller inzwischen bis zu vier ein. "Das ist keine Straßenfahrzeugtechnologie, das ist Truck-Turbo-Größe."

Die Serie profitiert von der Formel-1-Entwicklung - Foto: Mercedes-AMG

Beim Anheben der Turbine verwechselt man die Hallen der hypermodernen Motorenfabrik fast mit einem Fitnessstudio. Ein Truck-Turbolader, der sich bis zu 125.000 Mal pro Minute dreht. Damit vom Turbolader bei einem Defekt keine Gefahr ausgeht, muss das Gehäuse entsprechend sicher sein. Die FIA verlangt einen gesonderten Crashtest dafür. 20.000 Pfund kostet jeder Versuch. Beim Anblick der filigranen Schaufeln des Laders gerät das Gewicht in Vergessenheit. "Es ist Kunst", schwärmt Cowell. "Ich bewundere immer die Frontflügel der Autos. Es ist bei der Turbine genau das gleiche: wir haben sie nicht vor dem Auto ausgestellt, aber sie ist wunderschön."

Die Schaufeln des Turbinenrades stehen stellvertretend für die gesamte Power Unit. Sie sind ein Meisterwerk moderner Ingenieurskunst. Das fällt jedoch nicht vom Himmel. Kontinuierliche Weiterentwicklung hat aus der Power Unit das gemacht, was moderne F1-Autos auf Geschwindigkeiten von über 370 km/h beschleunigt. 600 CFD-Simulationen hat es gebraucht, bis bei Mercedes das Design der ersten Power Unit stand. Das erste Exemplar, das schon Ende 2012 auf dem Prüfstand werkelte, wog noch 262 kg. "Alle Teile sahen so aus, als hätten sie gerade ein Weihnachtsdinner hinter sich", sagt Cowell scherzhaft.

Zwei Jahre lang erwies GB, wie die nur für die Fabrik bestimmte Power Unit intern genannt wird, ihre Dienste auf dem Prüfstand. Kaum vorstellbar, aber selbst Mercedes hatte mit Zuverlässigkeitsproblemen zu kämpfen. Auch hier konnten Daimlers Truck-Ingenieure helfen. Das aktuelle Aggregat ist eine konsequente Weiterentwicklung der übergewichtigen GB.

Power Unit besteht aus 10.000 Einzelteilen

Dass selbst Weltkonzerne wie Renault und Honda mit der Technik größere Probleme haben, ist für viele das Signal, dass die Technik zu kompliziert ist. "Es gibt aber nichts in dieser Power Unit, das unmöglich zu schaffen wäre", wirft Cowell ein. "Es gibt nichts Kryptisches darin. Es sind Aluminium-Materialien, die in der Luftfahrt und in der Automobilindustrie verwendet werden. Die Formen wurden entwickelt, aber es sind alles Formen, auf die jeder andere kommen könnte. Die elektrischen Maschinen wurden entwickelt. Es gibt keine magischen Mechanismen. Man kann über alles auf Wikipedia nachlesen." Das Prinzip der Power Unit ist es, verschiedene Komponenten miteinander zu kombinieren. Während der V8 mit KERS aus rund 4.000 Einzelteilen bestand, weiß heute nicht einmal Cowell genau, wie viele Teilchen das Gesamtkunstwerk ergeben. "Aber es werden etwa 10.000 Einzelteile sein."

Die Power Unit besteht aus rund 10.000 Einzelteilen - Foto: Mercedes AMG

Der Verbrennungsmotor alleine ist kein Quantensprung. Ein V6-Motor mit 90-Grad Zylinderwinkel ist nichts Außergewöhnliches. Einzelne Komponenten wurden sogar exakt vom V8-Motor übernommen. Der Turbolader ist für die moderne Formel 1 Neuland. Wie das Truck-Beispiel verdeutlicht, aber keine neue Technologie. KERS gibt es schon seit 2009 und es wurde seither stetig weiterentwickelt. Die MGU-H ist das einzig wirklich neue Element in der Power Unit, aber auch hier wird auf Erfahrungen zurückgegriffen. Elektromotoren und Generatoren sind gebräuchliche Bauteile, die für den Einsatzzweck angepasst werden mussten.

Eine der schwierigsten Aufgaben kommt der Software zu, die Schaltzentrale zwischen Verbrennungsmotor, MGU-K, MGU-K und Batterie ist. "Wir wissen, was der Fahrer macht. Und das wissen wir, weil wir über 20 Jahre Daten gesammelt haben. Wir wissen, was das Auto braucht: Drehmomentabgabe an einem bestimmten Ort - es muss viel Drehmoment kommen und präzise. Alles dazwischen darf nicht kämpfen. Es muss in Harmonie zusammenarbeiten. Es muss mit dem Ansprechverhalten passieren, das ein F1-Fahrer braucht."

Auch hier gibt es interessante Parallelen zwischen Serie und Rennsport: Intelligente Hybrid-Fahrzeuge wissen genau, wo sie sich gerade befinden. Ist das Auto am Fuße eines Berges, sollte die Batterie möglichst aufgeladen sein. Nicht nur das Kartenmaterial und GPS-Koordinaten können verwendet werden, sondern auch Daten, die vom Fahrer gesammelt werden. Auch in der Formel 1 lernt die Software mit jeder Runde dazu.

Motoren-Reglement macht Formel-1-Einstieg leichter

"Es ist alles machbar", fasst Cowell zusammen, auch wenn die Hürden für einen Einstieg hoch sind: "Man muss die richtige Gruppe Leute zusammenstellen, man braucht die richtigen Ziele und sollte die richtige Herangehensweise haben. Man braucht vier oder fünf Prüfstände, ein paar Maschinen und man muss sich mit den Schlüssellieferanten verbinden. Ja, alle das muss man machen, aber es ist nicht unmöglich."

Einfacher macht es das Reglement. Acht Seiten nehmen heute alleine die Regeln für die Power Unit ein. Früher reichte eine Seite, um die Ingenieure im Zaum zu halten. "Es wird sehr viel vorgeschrieben: Vor 20 Jahren musste man tagelang darüber nachdenken, wie groß die Bohrungen sein sollten. Man hat ewig darüber nachgedacht, wie viele Zylinder es werden sollten. Heute steht alles in den Regeln."

Glühende Bremsscheiben kann Andy Cowell nicht sehen - Foto: RenaultF1

So faszinierend und genial die Technik ist, so umstritten ist sie aber auch. Die Formel 1 ist eine Show und der durchschnittliche Fan kann und will mit Benzinfluss, MGU-H & Co. nichts anfangen. Er will Spektakel sehen. Deshalb sollen die Autos schneller werden und spektakulärer aussehen. Das aktuelle Performance-Problem sind Aerodynamik und Reifen. Deshalb sind die Boliden auf manchen Strecken deutlich langsamer als zu Beginn der 2000er Jahre, nicht wegen des Antriebs.

Zur kommenden Saison tritt ein neues Chassis-Reglement in Kraft. Die Autos werden breiter, die Reifen ebenfalls. Über Flügel und Unterboden wird deutlich mehr Abtrieb generiert. Von breiteren Autos und Pneus träumen die Fans seit Jahren. Und genau hier zeigt sich erneut das Problem: Cowell würde die Autos lieber mit einer Erweiterung der Power Unit schneller machen. Der Ingenieur will nichts Spektakuläres, sondern etwas Perfektes. "Die Aerodynamik eines F1-Autos hat absolut nichts mit der eines Serienfahrzeugs zu tun", schimpft Cowell.

Für ihn ist die Entwicklung in diese Richtung sinnlos. Stattdessen würde er die Power Unit lieber noch effizienter machen. "Wenn ich glühende Bremsscheiben sehe, tut mir das weh." Der Ingenieur würde gerne Energierückgewinnung an der Vorderachse haben. Viel komplizierter würde das System damit nicht, meint er. Doch der Widerstand dürfte hier groß sein, gilt es doch ersteinmal die aktuellen Probleme zu lösen. Die Konkurrenz muss auf Mercedes aufschließen, die Motoren müssen billiger werden.

Cowell: Motoren-Entwicklung wie Gold-Suche

Die Entwicklung steht derweil nicht still. Cowell zeigt - versehentlich oder auch nicht - einen Grafen mit Entwicklungssprüngen bei der Power Unit. Für 2016 war bereits ein großer Sprung eingezeichnet, danach geht eine gestrichelte Linie fast mit gleicher Steigung weiter. "Vielleicht ist es auch eine logarithmische Skala", versucht er, Nachfragen charmant abzuweisen.

"Die Effizienz wird nicht aufhören, nach oben zu gehen. Wird es schwierig, große Sprünge zu finden? Ja, es wird schwieriger, aber es gibt viele Bereiche, in denen man kleine Schritte macht. Es ist ein bisschen wie bei der Goldsuche: Man arbeitet verdammt hart und bekommt viel Staub, aber dann findet man ein Nugget, der einen zum Lachen bringt. Wir finden diese Nuggets noch immer. Wir haben über die letzten Jahre gute Schritte gemacht, aber ich sehe nicht, dass das Ende schon erreicht ist."

Für 2017 fällt die ungeliebte Token-Regelung nun komplett weg - die Ingenieure dürfen wieder frei entwickeln. Allerdings hat der Regelhüter im Gegenzug Regelungen zur Leistungsangleichung eingeführt. Bestimmte Bauteile dürfen gewisse Maße und Gewichte nicht über- beziehungsweise unterschreiten. Keiner der Motorenhersteller muss deshalb etwas ändern, allerdings brauchen gewisse Komponenten nicht mehr weiter ans Limit getrieben werden - weil sie dort schon sind.

Motorenangleichung für 2017

Gewicht MGU-K mindestens 7 Kilogramm
Gewicht MGU-H mindestens 4 Kilogramm
Durchmesser Kurbelwellenlager-Hauptzapfen mindestens 43,95 Millimeter
Geometrisches Verdichtungsverhältnis maximal 18,0
Gewicht Kolben (inkl. Anbauteile) mindestens 300 Gramm
Gewicht Pleuel (inkl. Anbauteile) mindestens 300 Gramm
Gewicht Kurbelwellen-Baugruppe gesamt mindestens 5.300 Gramm
Anteil Platin- und Ruthenium-Gehalt in Legierungen maximal 5 Prozent
Dicke Beschichtungen mit Gold, Platin,
Ruthenium, Iridium & Rhenium
maximal 0,035 Millimeter

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Beschleunigung vs. Höchstgeschwindigkeit - Foto: Mercedes/Porsche

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