Warum der Miller-Zyklus jetzt immer wichtiger wird

Die Luft für den Verbrenner wird dünn – buchstäblich. Um die extremen Grenzwerte der kommenden Abgasnorm Euro 7 zu knacken, darf der Motor in keinem Betriebszustand mehr "fett" laufen. Früher war das für die Kats optimale Sprit-Luft-Verhältnis von Lambda 1 nur im Teillastbereich Pflicht. Mit Euro 7 muss der Motor dieses präzise Gleichgewicht in fast jeder Lebenslage halten – egal ob beim Kaltstart oder bei Tempo 200.

Das Problem: Ohne die kühlende Wirkung von zusätzlichem Sprit bricht im Motorraum thermisches Chaos aus. Kolbenböden, Auslassventile, Turbolader und sogar die Partikelfilter werden dann zu heiß. Die Lösung finden viele Motorenhersteller mittlerweile im sogenannten Miller-Zyklus. Durch diesen simpel klingenden Ventil-Trick verlieren die Motoren zwar Leistung, doch die niedrigere Temperatur rettet das Lambda-1-Diktat. Doch wie genau funktioniert das?

Beispiel BMW M5 (2026): minus 41 PS

Um die Euro-7-Norm im gesamten Kennfeld zu erfüllen, opfert BMW beim neuen M5 (G90) ab März 2026 signifikante Anteile der Verbrennerleistung: Durch den Verzicht auf die kühlende Gemischanreicherung unter Volllast und die Umstellung auf das thermisch effizientere Miller-Brennverfahren sinkt die reine Leistung des V8-Biturbo (S68) von ursprünglich 585 PS auf nur noch 544 PS. Dieser nominelle Verlust von 41 PS am Verbrennungsmotor wird jedoch durch eine aggressivere Ansteuerung des 197 PS starken Elektromotors im Hybrid-System aufgefangen. Die prestigeträchtige Systemleistung von 727 PS bleibt auf dem Papier unangetastet, der Anteil des fossilen Herzstücks am Gesamtvortrieb schrumpft jedoch spürbar.

Was genau ist Lambda 1?

Eine zentrale Voraussetzung für moderne Ottomotoren ist der Betrieb mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis, also Lambda 1. Lambda beschreibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich im Zylinder vorhandenen Luftmenge und der Luftmenge, die für eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffs theoretisch notwendig ist.

• Lambda = 1: stöchiometrisches Gemisch
• Lambda < 1: fettes Gemisch (zu viel Kraftstoff)
• Lambda > 1: mageres Gemisch (zu viel Luft)

Der Betrieb bei Lambda 1 ist besonders wichtig für die Abgasreinigung. Nur bei diesem Verhältnis kann der Dreiwege-Katalysator gleichzeitig Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide wirksam umwandeln.

In klassischen Ottomotoren wurde bei hoher Last häufig ein fetteres Gemisch verwendet. Diese sogenannte Anfettung senkte die Verbrennungstemperatur und schützte Bauteile wie Turbolader oder Auslassventile vor Überhitzung. Moderne Triebwerke müssen die Verbrennungstemperatur bereits im Zylinder reduzieren. Dadurch kann der Motor auch unter hoher Last näher an Lambda 1 betrieben werden, was die Effizienz und die Abgasnachbehandlung verbessert.

Frühere Ventil-Schließung

Das zentrale Merkmal des Miller-Zyklus ist eine veränderte Ventilsteuerzeit. Im Gegensatz zum klassischen Ottomotor schließen die Einlassventile deutlich früher – noch bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Während des Ansaugtaktes strömt zunächst Frischgas in den Zylinder. Wenn das Einlassventil jedoch früh schließt und der Kolben sich weiterhin nach unten bewegt, vergrößert sich das Volumen im Zylinder weiter. Das eingeschlossene Gas dehnt sich aus, wodurch Druck und Temperatur sinken.

Die eigentliche Verdichtung beginnt deshalb erst später im Kolbenhub. Der Motor muss folglich weniger Arbeit aufbringen, um das Gemisch zu komprimieren. Gleichzeitig bleibt der Arbeitstakt nach der Zündung unverändert: Der Kolben nutzt also den gesamten Hub, um die Verbrennungsgase expandieren zu lassen. Das Expansionsverhältnis ist also größer als das effektive Verdichtungsverhältnis. Dadurch kann ein größerer Anteil der Verbrennungsenergie in mechanische Arbeit umgesetzt werden.

Mehr Ladedruck als Pflicht

Das frühe Schließen des Einlassventils hat jedoch einen entscheidenden Nebeneffekt. Da das Ventil schon während des Ansaugvorgangs schließt, gelangt weniger Luft in den Zylinder. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde dadurch die Motorleistung deutlich sinken. Moderne Miller-Motoren kompensieren diesen Effekt durch Turboaufladung. Der Turbolader erhöht den Druck der angesaugten Luft und sorgt dafür, dass trotz der verkürzten Ansaugphase ausreichend Frischgas in den Zylinder gelangt.

Gleichzeitig senkt eine Ladeluftkühlung die Temperatur der verdichteten Luft und erhöht deren Dichte. Erst durch diese Kombination aus hohem Ladedruck, effizienter Kühlung und variabler Ventilsteuerung kann der Miller-Zyklus in modernen Serienmotoren seine Vorteile ausspielen. Die Motorsteuerung passt die Ventilzeiten dabei ständig an Last, Drehzahl und Temperatur an.

Vorteile des Miller-Zyklus

Der wichtigste Vorteil des Miller-Verfahrens liegt im höheren thermischen Wirkungsgrad. Da die Kompressionsarbeit reduziert wird, muss der Motor weniger Energie aufwenden, um das Gemisch zu verdichten. Gleichzeitig kann die bei der Verbrennung freigesetzte Energie über einen längeren Expansionsweg in mechanische Arbeit umgewandelt werden.

Ein weiterer Vorteil ist die geringere Verbrennungstemperatur. Durch die Expansion des Frischgases während des Ansaugvorgangs kühlt sich das Gemisch ab. Dadurch sinkt die Neigung zur klopfenden Verbrennung, und das geometrische Verdichtungsverhältnis kann erhöht werden. Auch aus emissionsseitiger Sicht bietet der Miller-Zyklus Vorteile. Da Stickoxide hauptsächlich bei sehr hohen Temperaturen entstehen, führt die kühlere Verbrennung zu geringeren NOx-Emissionen. Gleichzeitig ermöglicht der stabilere Betrieb bei Lambda 1 eine effizientere Abgasnachbehandlung.

Nachteile des Miller-Zyklus

Trotz seiner Vorteile bringt der Miller-Zyklus auch technische Herausforderungen mit sich. Der wichtigste Nachteil ist der Füllungsverlust im Zylinder. Durch das frühe Schließen der Einlassventile wird weniger Luft angesaugt, was ohne Aufladung zu einem spürbaren Leistungsverlust führen würde.

Um diesen Effekt auszugleichen, benötigen Miller-Motoren, wie oben beschrieben, meist leistungsfähige Turbolader. Diese müssen einen höheren Ladedruck aufbauen, um die reduzierte Ansaugphase zu kompensieren. Das erhöht die Komplexität und den technischen Aufwand des Motors. Ein weiterer Punkt ist die aufwendige Motorsteuerung. Damit der Miller-Effekt in verschiedenen Betriebszuständen funktioniert, sind häufig variable Ventilsteuerungen notwendig. Sie erlauben es, die Steuerzeiten an Drehzahl und Last anzupassen.

Schließlich kann das Konzept bei sehr hohen Drehzahlen an seine Grenzen stoßen. Die verkürzte Ansaugphase erschwert den Gaswechsel, wodurch das Drehzahlpotenzial eingeschränkt sein kann. Und da der Motor auf den Aufbau des hohen Ladedrucks angewiesen ist, leiden Miller-Motoren oft unter einer ausgeprägten Anfahrschwäche oder einem verzögerten Ansprechverhalten. Hybrid-Komponenten könnten diesen Nachteil kaschieren.

Unterschied zum Atkinson-Zyklus

Der Miller-Zyklus wird häufig mit dem Atkinson-Prinzip verglichen, da beide Konzepte ein ähnliches Ziel verfolgen: eine bessere Ausnutzung der Verbrennungsenergie. Der ursprüngliche Atkinson-Motor wurde bereits 1882 vom britischen Ingenieur James Atkinson entwickelt. Beim historischen Atkinson-Motor wurde ein spezieller Kurbeltrieb verwendet, der einen längeren Arbeitshub als Verdichtungshub ermöglichte. Dadurch konnte die Expansion der Verbrennungsgase länger genutzt werden.

Moderne Motoren erreichen einen ähnlichen Effekt allerdings meist über die Ventilsteuerung. Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Verfahren liegt im Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile. Beim Miller-Zyklus schließen die Einlassventile früh, also noch während der Kolben sich im Ansaugtakt nach unten bewegt. Beim Atkinson-Zyklus dagegen schließen sie deutlich später, oft erst, nachdem der Kolben den unteren Totpunkt bereits passiert hat. Ein Teil des angesaugten Frischgases wird dabei wieder in den Ansaugtrakt zurückgedrückt.