Motoren aus technischer Sicht/ Hybridmotoren

Hybridantrieb

Einleitung

Aufgrund der heute immer lauter werdenden Umweltschutzforderungen, den steigenden Treibstoffpreisen und den in Kalifornien im Jahre 2005 in Kraft getretenen strengeren Abgasnormen wird es in Zukunft nötig sein, alternative Antriebssysteme auf den Markt zu bringen. Eine Alternative ist der Hybridantrieb, welcher sehr sparsam und im Vergleich zum Diesel sauberer für die Umwelt ist.

Arbeitsweise

Verbrauchskennfeld eines Dreizylinder-Dieselmotors mit 1,5 l Hubraum

Beim Hybridantrieb wirken verschiedene Antriebe gleichzeitig oder einzeln. Dabei ist ein Verbrennungsmotor an einen Elektromotor gekoppelt. Einer oder zwei leistungsfähige Generatoren sowie eine Batterie (Traktionsbatterie dienen beim Hybridmotor als Zwischenelemente zur Energietransformation und -speicherung. Der Elektromotor ist bei niedrigen Geschwindigkeiten wie im Ortsverkehr überwiegend alleine aktiv, während bei höheren Geschwindigkeiten oder zur Neige gehender Batterie der Verbrennungsmotor zugeschaltet wird. Der Verbrenner ist bei hohen und gleichmäßigen Geschwindigkeiten aktiv. Bei Bedarf kann der Elektromotor zur Beschleunigung zugeschaltet werden, um das Drehmoment zu erhöhen. Mit Hilfe eines Verteilergetriebes wird es erreicht, dass der Verbrennungsmotor stets in einem günstigen Drehzahlbereich arbeiten kann, wobei er neben der Antriebsleistung gleichzeitig auch Ladeenergie an die Batterie sowie an den Elektromotor liefern kann. Trotz der teilweise doppelten Wandlung der Leistung von mechanisch auf elektrisch und wieder zurück in Bewegung, verbraucht der Verbrennungsmotor damit weniger Kraftstoff, weil er entweder im optimalen Drehzahl- und Lastbereich gehalten- oder gänzlich abgeschaltet wird. Dieser Betriebsbereich bewegt sich im Bereich des Tiefpunkts des Verbrauchskennfeldes, welches auch Muscheldiagramm genannt wird. Benzinmotoren haben dort einen Wirkungsgrad von ca. 40%, Dieselmotoren von 45%. Dieser Wirkungsgrad sinkt aber bei geringen Drehzahlen und Belastungen auf bis zu einem Viertel. Elektromotoren haben generell einen viel höheren Wirkungsgrad bis zu 90% und zudem ihr höchstes Drehmoment bei geringen Geschwindigkeiten. Damit können sie Verbrennungsmotoren prinzipiell sehr gut ergänzen. Dies ist der wesentliche Faktor der Kraftstoffersparnis bei Hybridfahrzeugen. Hinzu kommt gerade bei häufigem Stop-and-Go-Verkehr die Rekuperation , also die Rückgewinnung der Bewegungsenergie, bei welcher der Generator das Fahrzeug bremst und die die Batterie lädt. Die Ladeenergie, die der Benzinmotor der Batterie im optimalen Drehzahlbereich bei Teillast bereitstellt, sowie die Bremsenergie, die bei der Bremsarbeit über den Generator der Batterie zurückgeführt wurde, wirken insgesamt vergleichmäßigend auf den Leistungsbedarf des Farhzeugs, d.h. Minderlasten und auch Spitzenlasten werden auf den normalen Fahrbetrieb verteilt, wodurch man bei gleichen Fahrleistungen mit einem kleiner dimensionierten Verbrenner auskommen kann, welcher ebenfalls wieder etwas weniger verbraucht und auch leichter ist.

Die typischen Auswirkungen eines Hybridantriebs auf den effektiven Energiebedarf eines Fahrzeugs lassen sich anhand des Toyota Prius schön illustrieren:

	Toyota Prius	gleichwertiger Benziner
Verbrauch im Stadtverkehr	$\approx$ 6 l / 100 km	$\approx$ 10 l / 100 km
Verbrauch insgesamt	$\approx$ 5 l / 100 km	$\approx$ 7 l / 100 km
CO2-Emissionen im Mittel	$\approx$ 104 g / km	$\approx$ 150 ... 250 g / km

Somit verbraucht ein Hybridantrieb vor allem im Stadtverkehr nicht nur deutlich weniger Treibstoff, sondern die CO₂-Emissionen werden drastisch vermindert.