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04.07.2013 | Leichtbau | Im Fokus | Onlineartikel

Exakte Berechnung des Minderverbrauchs bei Gewichtsminimierung

Autor:
Andreas Burkert
3 Min. Lesedauer

Maßnahmen zur Gewichtseinsparung im Automobil sind teuer. Eine Kosten/Nutzenrechnung daher unerlässlich. Mit einer einfachen physikalischen Berechnung kann nun der Minderverbrauch schnell und genau bestimmt werden.

Ein hohes Fahrzeuggewicht wirkt sich mittelbar auch auf den Kraftstoffverbrauch aus. Weil aber schlechte NEFZ-Angaben den Wert eines Fahrzeugs mindern, investieren die Automobilhersteller hohe Summe unter anderem in Leichtbaumaßnamen. Allerdings stellt sich die Frage, welche Maßnahmen sich wirtschaftlich rechnen.

Um in der frühen Projektphase belastbare Aussagen zu den Auswirkungen geplanter Gewichtsoptimierungen auf den Kraftstoffverbrauch zu geben, genügt laut Dr.- Ing. Klaus Rohde-Brandenburger von Volkswagen ein einfaches Verbrauchsmodell. Auch wenn dafür das Motorenkennfeld nicht benötigt wird, sind genügend genaue Vorhersagen möglich. Und die Übertreffen in jeder Hinsicht die wagen Schätzungen, wie sie in der Literatur zu finden sind. Dort kursieren Aussagen zum Minderverbrauch für 100 kg von etwa 0,3 bis 0,7 l/100km.

Dabei handelt es sich um geschätzte Werte ohne physikalische Herleitung und ohne Angabe eine Fahrprofils. Für den Leiter der Abteilung Fahrzeugtechnik bei Volkswagen in Wolfsburg allerdings sind verlässliche Angaben zur Gewichtsauswirkung auf den Verbrauch von größter Bedeutung. Denn nur dann sind Produktentscheidungen für Verbrauchsmaßnahmen möglich, die auf Basis einer belastbaren Kosten/Nutzen-Rechnung gefällt werden.

Wirksamkeit einer Gewichtsminderungsmaßnahme

Als Kalkulationsbasis nutzt Rohde-Brandenburger den sogenannten Fuel Reduction Value (FRV). Dieser Wert beschreibt die Wirksamkeit einer Gewichtsminderungsmaßnahme auf den Verbrauch zum Beispiel in der Dimension l/100 km pro 100 kg. Der FRV kann im Übrigen auch für die Wirksamkeit einer Roll- oder Luftwiderstandsreduktion stehen. Die Unterscheidung erfolgt dabei mit den Indizes m, L und R für Masse, Luftwiderstand und Rollwiderstand. Zur Bestimmung des Masseabhängigen FRVm muss nur das Verhältnis von Differenzenergiebedarf zu Differenzverbrauch für eine Massenänderung ermittelt werden.

Die Berechnung für die drei wesentlichen Fahrwiderstände im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) erfolgt anhand eines Beispielfahrzeugs mit vorgegebenen Kenndaten, wie sie im Beitrag "Was bringen 100 kg Gewichtsreduzierung im Verbrauch?" genauer definiert sind.

Die Bestimmung des Mehrverbrauchs für einen Differenzenergiebedarf erfolgt dann anhand eines vereinfachten Motormodells. Dies genügt: Denn das Motormodell nutzt die Tatsache, dass es bei einer Lastverschiebung einen relativ konstanten Proportionalitätsfaktor zwischen Differenzleistung und Differenzverbrauch gibt, obwohl die Gesamtwirkungsgrade zwischen den Betriebspunkten sehr verschieden sind.

Verbrauchsmodellabweichungen bei verschiedenen Motoren
In dem Fachaufsatz hat Rohde-Brandenburger den Mehrverbrauch für 100 kg Differenzmasse für folgende Fahrzustände berechnet:

  • Konstant (konstante Fahrt in der Ebene)
  • NEFZ
  • NEFZ_mod. (NEFZ modifiziert, Beschleunigungsarbeit und Schubweg verdoppelt)
  • NEFZ_AA (angepasster Antriebsstrang über Hubraum oder Übersetzung).

Die dabei von ihm verwendete Proportionalitätskonstante gilt für alle Otto-Saugmotoren mit λ = 1-Betrieb und üblichen Nockenwellensteuerungen. Abweichungen ergeben sich laut Beitrag bei Magerbetrieb oder bei speziellen Nockenwellensteuerungen, die zum Beispiel einzelne Zylinder abschalten können. Diese Besonderheiten wirken vornehmlich im untersten Lastbereich. Mit steigender Last nähert sich das Verfahren wieder dem herkömmlichen Betrieb an. In diesem Übergangsbereich kann die Proportionalitätskonstante von 0,264 l/kWh stärker nach oben abweichen.

Das Verbrauchsmodell macht anschaulich deutlich, dass kleine Gewichtsoptimierungen primär nur zu relativ kleinen Verbrauchseffekten führen. Gewichtseinsparungen sollten in Summe immer so groß sein, dass die sekundären Vorteile einer Übersetzungsänderung oder einer Hubraumverkleinerung genutzt werden können. Damit steigt die Wirksamkeit der Gewichtsreduktion im NEFZ auf mehr als das Doppelte.

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Quelle:
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