Funktionsweise eines Hybridmotors, Vor- und Nachteile eines sparsamen Motors
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Das Aufkommen von Hybridfahrzeugen ist zu einer zwingenden Maßnahme der Automobilhersteller beim Übergang von Verbrennungsmotoren (ICE) auf Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe zu saubereren Kraftwerken geworden. Die Technologie hat die Entwicklung eines vollwertigen Elektroautos, eines Brennstoffzellenautos oder eines anderen aus einer großen Liste theoretisch möglicher Richtungen für die Entwicklung des autonomen Transports noch nicht ermöglicht, und der Bedarf ist bereits gereift.
Die Regierungen begannen, mit Umweltauflagen energisch gegen die Automobilindustrie vorzugehen, und die Verbraucher wollten einen qualitativen Fortschritt sehen und nicht eine weitere mikroskopische Verbesserung eines Motors, der seit mehr als einem Jahrhundert für eines der Ölraffinerieprodukte bekannt ist.
Welches Auto wird als „Hybrid“ bezeichnet?
Das Antriebsaggregat der Zwischenstufe begann eine Kombination aus einer bereits bewährten Konstruktion eines Verbrennungsmotors und eines oder mehrerer Elektromotoren zu sein.
Der elektrische Teil der Traktionseinheit wird von Generatoren angetrieben, die mechanisch mit einem Gas- oder Dieselmotor, Batterien und einem Rückgewinnungssystem verbunden sind, das die beim Bremsen des Fahrzeugs freigesetzte Energie in den Antrieb zurückführt.
Alle zahlreichen Schemata zur praktischen Umsetzung der Idee werden als Hybride bezeichnet.
Manchmal führen Hersteller ihre Kunden in die Irre, indem sie Hybridsysteme nennen, bei denen der Elektroantrieb nur zum Starten des Hauptmotors im Start-Stopp-Modus dient.
Da es keinen Zusammenhang zwischen Elektromotoren und Rädern und die Möglichkeit des Fahrens mit Elektroantrieb gibt, ist es falsch, solche Autos Hybridfahrzeugen zuzuordnen.
Das Funktionsprinzip von Hybridmotoren
Bei aller Designvielfalt weisen solche Maschinen Gemeinsamkeiten auf. Doch technisch gesehen sind die Unterschiede so groß, dass es sich tatsächlich um unterschiedliche Autos mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen handelt.
Gerät
Jeder Hybrid beinhaltet:
- Verbrennungsmotor mit Getriebe, Niederspannungsbordnetz und Kraftstofftank;
- Fahrmotoren;
- Speicherbatterien, meist Hochspannungsbatterien, bestehend aus in Reihe und parallel geschalteten Batterien;
- Stromverkabelung mit Hochspannungsschaltung;
- elektronische Steuergeräte und Bordcomputer.
Die Sicherstellung aller Betriebsmodi eines integrierten mechanischen und elektrischen Getriebes erfolgt in der Regel automatisch, nur die allgemeine Verkehrskontrolle wird dem Fahrer anvertraut.
Arbeitspläne
Es ist möglich, die elektrischen und mechanischen Komponenten auf unterschiedliche Weise miteinander zu verbinden; im Laufe der Zeit haben sich bewährte spezifische und häufig verwendete Schemata durchgesetzt.
Dies gilt nicht für die spätere Klassifizierung des Antriebs nach dem konkreten Anteil der elektrischen Traktion an der Gesamtenergiebilanz.
konsistent
Das allererste Schema, das logischste, aber jetzt in Autos kaum noch verwendet.
Seine Hauptaufgabe bestand darin, in schweren Geräten zu arbeiten, wo kompakte elektrische Komponenten das sperrige mechanische Getriebe, das zudem sehr schwer zu kontrollieren ist, erfolgreich ersetzt haben. Der Motor, meist ein Dieselmotor, wird ausschließlich über einen elektrischen Generator belastet und ist nicht direkt mit den Rädern verbunden.
Der vom Generator erzeugte Strom kann zum Laden der Traktionsbatterie verwendet werden und wird, wenn er nicht bereitgestellt wird, direkt an die Elektromotoren weitergeleitet.
Es kann eines oder mehrere davon geben, bis hin zur Montage an jedem Rad eines Autos nach dem Prinzip der sogenannten Motorräder. Die Schubkraft wird durch das Leistungselektroaggregat reguliert und der Verbrennungsmotor kann stets im optimalen Modus arbeiten.
Parallel
Dieses Schema ist mittlerweile das gebräuchlichste. Dabei arbeiten Elektromotor und Verbrennungsmotor für ein gemeinsames Getriebe, und die Elektronik regelt das optimale Verhältnis der Energieaufnahme der einzelnen Antriebe. Beide Motoren sind mit den Rädern verbunden.
Unterstützt wird der Rekuperationsmodus, bei dem beim Bremsen der Elektromotor zum Generator wird und den Akku wieder auflädt. Für einige Zeit kann sich das Auto nur mit seiner Ladung fortbewegen, der Hauptverbrennungsmotor ist gedämpft.
In einigen Fällen wird eine Batterie mit beträchtlicher Kapazität verwendet, die mit der Möglichkeit einer externen Aufladung über ein Haushalts-Wechselstromnetz oder eine spezielle Ladestation ausgestattet ist.
Im Allgemeinen spielen Batterien hier nur eine geringe Rolle. Ihr Schalten ist jedoch vereinfacht, gefährliche Hochspannungskreise sind hier nicht erforderlich und die Masse der Batterie ist deutlich geringer als bei Elektrofahrzeugen.
Gemischt
Durch die Entwicklung der elektrischen Antriebstechnik und Speicherkapazität hat die Rolle von Elektromotoren bei der Erzeugung der Zugkraft zugenommen, was zur Entstehung modernster Serien-Parallel-Systeme geführt hat.
Dabei erfolgt das Anfahren aus dem Stand und die Fortbewegung bei niedrigen Geschwindigkeiten mit elektrischer Traktion, wobei der Verbrennungsmotor nur dann zugeschaltet wird, wenn eine hohe Leistung erforderlich ist und die Batterien erschöpft sind.
Beide Motoren können im Antriebsmodus betrieben werden und eine durchdachte Elektronikeinheit entscheidet, wohin und wie die Energieströme geleitet werden. Der Fahrer kann dies auf dem grafischen Informationsdisplay verfolgen.
Dabei kommt wie in einer Reihenschaltung ein zusätzlicher Generator zum Einsatz, der Elektromotoren mit Energie versorgen oder eine Batterie laden kann. Die Bremsenergie wird durch den Rückwärtsgang des Fahrmotors rekuperiert.
So sind viele moderne Hybride aufgebaut, insbesondere einer der allerersten und bekanntesten – der Toyota Prius
Wie funktioniert ein Hybridmotor am Beispiel des Toyota Prius?
Dieses Auto befindet sich mittlerweile in der dritten Generation und hat einen gewissen Grad an Perfektion erreicht, obwohl konkurrierende Hybridfahrzeuge die Komplexität und Effizienz der Konstruktionen immer weiter steigern.
Grundlage des Antriebs ist dabei das Prinzip der Synergie, nach dem ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor in beliebiger Kombination an der Drehmomenterzeugung an den Rädern beteiligt sein können. Die Parallelität ihrer Arbeit sorgt für einen komplexen Mechanismus vom Planetentyp, bei dem die Kraftflüsse gemischt und über das Differential auf die Antriebsräder übertragen werden.
Das Anfahren und die Anfahrbeschleunigung übernimmt ein Elektromotor. Stellt die Elektronik fest, dass ihre Leistungsfähigkeit nicht ausreicht, wird ein sparsamer Benzinmotor nach dem Atkinson-Zyklus zugeschaltet.
In herkömmlichen Autos mit Ottomotoren kann ein solcher thermischer Zyklus aufgrund transienter Bedingungen nicht genutzt werden. Hier werden sie jedoch von einem Elektromotor bereitgestellt.
Der Leerlaufmodus ist ausgeschlossen, wenn der Toyota Prius automatisch den Verbrennungsmotor startet, dann wird sofort Arbeit dafür gefunden, um beim Beschleunigen zu helfen, die Batterie aufzuladen oder für die Klimatisierung zu sorgen.
Bei konstanter Belastung und optimaler Geschwindigkeit minimiert es den Benzinverbrauch und befindet sich am günstigsten Punkt seiner äußeren Geschwindigkeitskennlinie.
Es gibt keinen herkömmlichen Anlasser, da ein solcher Motor nur gestartet werden kann, indem er auf eine erhebliche Drehzahl gebracht wird, was bei einem reversiblen Generator der Fall ist.
Batterien haben unterschiedliche Kapazitäten und Spannungen, in der komplexesten wiederaufladbaren Variante des PHV sind es bei Elektrofahrzeugen bereits durchaus übliche 350 Volt bei 25 Ah.
Vor- und Nachteile von Hybriden
Wie jeder Kompromiss sind Hybride reinen Elektrofahrzeugen und den üblichen klassischen Ölfahrzeugen unterlegen.
Aber gleichzeitig verschaffen sie demjenigen, der als Hauptobjekt fungiert, einen Gewinn an einer Reihe von Eigenschaften:
- Vereinfachung der Mittel zur Bekämpfung schädlicher Emissionen von Verbrennungsmotoren;
- eine gewisse Kraftstoffeinsparung zu erreichen, wie umstritten sie auch sein mag;
- die Möglichkeit der Fortbewegung mit reinem Elektroantrieb, wenn der Einsatz von Verbrennungsmotoren verboten ist;
- eine ziemlich einfache Erhöhung der angegebenen Kapazität;
- die Unmöglichkeit, im Gegensatz zu einem Elektroauto, ohne Energie außerhalb des Stromnetzes zu bleiben.
Alle Nachteile sind mit der Komplikation der Technologie verbunden:
- der Bedarf an kompetentem Personal, das speziell für die Arbeit mit Hybriden ausgebildet ist;
- eine Zunahme der Masse des Fahrzeugs, die auch Kraftstoff verbraucht;
- höherer Preis des Autos;
- Verluste bei Elektrofahrzeugen durch den Erhalt des Verbrennungsmotors und allem, was damit zusammenhängt;
- immer noch unzureichend entwickelte Technologien und das Fehlen eines einheitlichen Designansatzes;
- mangelnde Umweltfreundlichkeit bei der Herstellung von Batterien und deren Entsorgung.
Es ist möglich, dass die Produktion von Hybridfahrzeugen auch nach dem völligen Verschwinden der Oldtimer weitergeführt wird.
Dies wird jedoch nur möglich sein, wenn ein einziger kompakter, sparsamer und gut kontrollierter Kohlenwasserstoffmotor geschaffen wird, der eine gute Ergänzung zum Elektroauto der Zukunft darstellt und dessen noch unzureichende Autonomie deutlich erhöht.
