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06.12.2012 | Motorentechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Pkw-Antriebe im Überblick - Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

Gegenwärtig wird mit Nachdruck an einer signifikanten Verbesserung der Energieeffizienz mobiler Antriebssysteme gearbeitet. Die Wirkungsgradsteigerungen von Verbrennungsmotoren werden durch motorische Maßnahmen, die Ausnutzung der Motorenabwärme, aber auch durch Hybridisierung erfolgen. Die Erforschung und Entwicklung erneuerbarer Kraftstoffe unterstützt dies. Ebenso werden elektrisch betriebene Fahrzeuge vermehrt angeboten werden.

Neben den elementaren Grundbedürfnissen des Menschen ist das Verlangen nach Mobilität ein ebenso bedeutendes Bedürfnis. Der Drang nach persönlicher Mobilität ist ungebrochen und deutlich an den steigenden Zulassungszahlen von privaten Pkw insbesondere in Ländern wie China oder Indien zu sehen. Diese Fahrzeuge sind vorwiegend mit Verbrennungsmotoren ausgestattet. Es ist nachvollziehbar, dass sich die Politik der einzelnen Länder zum Ziel setzt, den Schadstoffausstoß und den Verbrauch der Fahrzeuge zu reglementieren, um dadurch möglichst vielen Personen eine persönliche Mobilität zu ermöglichen.

Alle Fahrzeughersteller versuchen mit umfangreichen Bemühungen auf diese neuen Anforderungen zu reagieren. Dies geschieht durch Optimierung klassischer Antriebskonzepte einerseits und der Einführung neuer Technologien andererseits. Diese Konzepte müssen so-wohl finanziell attraktiv als auch technisch umsetzbar sein. Da sich für diese komplexe Aufgabe bisher noch kein bester Weg herausgestellt hat, existieren eine Vielzahl von Ideen und Einzellösungen, die in verschiedenen Veröffentlichungen erläutert werden. Zu nennen sind Technologien wie: Downsizing, Thermomanagement, Getriebemanagement, Reibleistungsoptimierung und Prozessoptimierung herkömmlicher Verbrennungsmotoren bis hin zu Brennstoffzellen, Hybridanwendungen und reinen „batteriegespeisten“ Elektrofahrzeugen.

Der vorliegende Artikel stellt sich die Aufgabe, den aktuellen Entwicklungsstand der vielen Einzeltechnologien übersichtlich aufzuarbeiten. Anhand einer gegenüberstellenden Darstellung der verschiedenen Technologien bezüglich des CO2-Ausstoßes wird der Versuch unternommen, aktuelle Trends abzuleiten und einen Blick in die Zukunft der mobilen Antriebssysteme zu schlussfolgern.

Konventionelle Verbrennungsmotoren und deren Grenzen im Wirkungsgrad

Verbrennungsmotoren haben als direkter Nachfolger der Dampfmaschine eine lange und sehr erfolgreiche Entwicklungsgeschichte. Bereits um die Jahrhundertwende waren alle grundlegenden Techniken des Hubkolbenmotors bekannt. Selbst die Aufladung durch ATL wurde 1905 durch Alfred Büchi zum Patent angemeldet. Trotzdem ist die Entwicklung der Verbrennungsmotoren weiterhin „rasend“ vorangeschritten und hat das gesellschaftliche Leben stark beeinflusst.

Die thermodynamischen Grundlagen dieser Motorentechnik sind prinzipbedingt stets die-selben geblieben. Die thermodynamischen Prozessführung und der mechanische Aufbau der Aggregate wurden jedoch stetig, bis hin zum Kugelmotor, verbessert. Es ist gleichgültig, ob die Rede von einem Benzin-Hubkolbenmotor beziehungsweise Benzin-Wankelmotor ist oder ob es sich um einen modernen hoch aufgeladenen direkteinspritzenden Dieselmotor handelt, alle Verfahren unterliegen dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre und haben als technologisches Vorbild den in der Praxis nie zu erreichenden Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses.

Der thermodynamische Wirkungsgrad des Carnot-Prozess kann bei realen Motoren nicht erreicht werden, da zum Beispiel die dafür benötigte isentrope Verdichtung und Expansion eine vollkommen reibungs- und verlustfreie Zustandsänderung darstellt. Zu nennen sind bei-spielhaft die Wärmeverluste durch die nötige Bauteilkühlung, die Verluste durch die Reibleistung oder der nicht verlustfreie Ladungswechsel.

Aber auch bei idealer Prozessführung nach Vorbild des Carnot-Prozesses kann nicht die gesamte im Kraftstoff gebundene chemische Energie in mechanisch nutzbare Energie gewandelt werden. Es ist sehr bedauerlich, dass nach dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre stets eine Wärmeabfuhr zum Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlich ist. Auch die modernsten Verbrennungsmotoren müssen dieses Defizit hinnehmen. Trotzdem lässt sich für die Praxis ein „Benchmark“-Verbrennungsmotor nach dem aktuellen Stand der Technik definieren. Die in der Praxis dem Wirkungsrad nach besten Verbrennungsmotoren stellen stationär arbeitende Hubkolbenmotoren wie Dieselaggregate in Kraftwerken oder großen Schiffen dar. Diese Motoren sind vom Bauraum und Gewicht im Vergleich zum Pkw-Antrieb wenig limitiert und können durch den stationären Betrieb ebenfalls von der Verbrennungsführung einen bestmöglichen Wirkungsgrad erreichen. So ist es nicht verwunderlich, dass diese Aggregate aus der im Kraftstoff chemisch gebundenen Energie ein derzeitiges Maximum an nutzbarer mechanischer Arbeit aus dem Kreisprozess extrahieren (stationäre Dieselaggregate circa 50 %, Großdieselmotoren circa 54 %). Dies berücksichtigt allein die thermodynamisch aus dem Kreisprozess abgeführte Arbeit und keine weiterführenden Techniken wie zum Beispiel an die Motorkühlung oder Abgasführung angeschlossenen Wärmetauscher.

Bild 1 zeigt das Verbrauchskennfeld eines modernen Pkw-Diesel-Aggregats und im Vergleich dazu den Bestpunkt heutiger Großdieselmotoren. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass ein Pkw-Motor durch die konstruktiven Rahmenbedingungen und besonders durch die thermo-dynamische Auslegung auf eine große Drehzahl-Leistungs-Bandbreite dem stationär arbeitenden und hierauf optimierten Kraftwerksdiesel im Wirkungsgrad nachstehen muss.

Neben den Wirkungsgradunterschieden der verschiedenen Motorenausführungen muss zusätzlich der Betrieb der Aggregate im Verbrauchskennfeld berücksichtigt werden. Pkw-Motoren werden überwiegend instationärer und nicht im Betriebsbestpunkt betrieben und erreichen somit nur einen mittleren Wirkungsgrad, zum Beispiel im NEFZ-Stadtbetrieb. In Bild 2 wurden die Wirkungsgrade verschiedener Antriebssysteme mit konventionellen Verbrennungsmotoren gegenüber gestellt. Es ist zu erkennen, dass aufgrund der unterschiedlichen Randbedingungen eklatante Differenzen zwischen den Antriebssystemen in der Effektivität existieren. Ein für den stationären Betrieb optimierter Großmotor mit Kreuzkopfbau-weise erreicht Wirkungsgrade von bis zu 54 % und wird im Kraftwerk oder Schiffen bevorzugt in diesem Bestpunkt betrieben.

Werden Lkw-Dieselmotoren betrachtet, so sinkt der Bestpunkt aufgrund der Bauart und weiteren Randbedingungen, wie auch die schärferen Schadstoffgrenzwerte, auf circa 45 %.

Pkw-Dieselaggregate mit Turboaufladung erreichen derzeit einen Wirkungsgrad von circa 42 % im Bestpunkt. Dies ist angesichts des eingeschränkten Bauraumes, der Auslegung auf ein großes Leistungsband und den enormen Anforderungen an die Schadstoffemissionen eine enorme Leistung der Automobilindustrie. Zu berücksichtigen ist freilich, dass die tägliche Fahrweise – zum Beispiel innerorts – selten im Betriebsbestpunkt des Kennfeldes verläuft. So erreichen heutige Diesel-Pkw im Stadtbetrieb einen mittleren Wirkungsgrad von in etwa 20 %.

Aufgrund der im Vergleich zum Dieselmotor thermodynamisch schlechteren Prozessführung, erreichen konventionelle Pkw-Ottomotoren (ohne Turboaufladung, keine Schichtladung oder variabler Ventiltrieb) derzeit in etwa 37 % an thermodynamischen Wirkungsgrad im Bestpunkt. Schwerpunktmäßig als Folge der hohen prozessbedingten Drosselung des Benzinmotors im Teillastbereich, fällt der Wirkungsgrad im Stadtverkehr eklatant auf circa 10 bis 15 % ab. Nicht zuletzt deshalb wird an der Adaption der Vorteile des Diesels auf den Ottoprozess (und umgekehrt) gearbeitet.

Diese Gedankengänge zeigen, dass heutige mobile Systeme mit konventionellem Verbrennungsmotor in der Pkw-Anwendung eine hohe Reserve an möglicher Wirkungsgradoptimierung besitzen. Problematisch im Vergleich zum Großmotor, der zum Beispiel einen Generator mit konstanter Drehzahl und relativ konstantem Drehmoment antreibt, ist die Notwendigkeit einer großen Drehzahl-Leistungs-Bandbreite beim Pkw-Motor. Die Fahrzeuge müssen in angemessener Zeit beschleunigen können und benötigen somit eine entsprechende Leistungsbandbreite. Ideal wäre eine konstante Leistung über die gesamte Drehzahlbandbreite. Zusätzlich dazu wird von den Fahrzeugen gefordert, dass diese sowohl bei kleiner Beladung (zum Beispiel eine Person ohne Gepäck) bis hin zu voller Beladung genügend Leistungsreserve zur Beschleunigung besitzen.

Derzeitige wirkungsgradoptimierte Pkw-Antriebssysteme in der Großserie

Um die im vorangegangenen Kapitel beschriebene Diskrepanz zwischen dem theoretisch möglichen thermodynamischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und dem gemittelten Wirkungsgrad der täglichen Fahrweise der Pkw zu verbessern, wurden die Antriebssysteme stetig weiter entwickelt. Einen Überblick über das Spektrum der Entwicklungen der neueren Zeit zeigt Bild 3. Es wird deutlich, dass Bemühungen in verschiedene physikalische Richtungen existieren.

Zum einen geht es darum, das Brennverfahren der Motoren anzupassen, sodass ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad im Bestpunkt und eine Verbesserung des gesamten Kennfelds erreicht werden. Dies erfolgt primär dadurch, dass die Prozessführung der Verbrennung beispielweise durch bessere Gemischaufbereitung und der Ablauf der Verbrennung selbst optimiert werden. Diese Entwicklung hat zur Folge, dass das Verbrauchskennfeld dem Idealprozess angenähert wird. Die Bemühungen haben eine über hundertjährige Historie, der enorme Unterschied des Bestpunkts heutiger Pkw-Aggregate zum genannten Großdiesel zeigt jedoch die Schwierigkeit der technischen Umsetzung. Weiterhin ist festzuhalten, dass alleine die Kompensation der stetig strenger werdenden Abgasgesetzgebung die erreichten Vorteile zu einem Teil kompensiert.

Zum anderen existieren Bestrebungen den Unterschied zwischen dem durchschnittlichen Wirkungsgrad und dem Bestpunkt des Wirkungsgrades zu verkleinern. Hier wurden in der jüngeren Vergangenheit deutliche Fortschritte, speziell beim Ottomotor, erreicht. Es geht in erster Linie darum, den Verbrennungsmitteldruck im alltäglichen Fahrbetrieb zu erhöhen und somit einen besseren Durchschnittswirkungsgrad zu erzielen. Kleine Benzin-Motoren mit weniger als 1,5 Litern Hubraum erreichen derzeit eine Performance, die vor wenigen Jahren nur von großvolumigen V6 Motoren erreicht wurden. Dies geschieht bei einem erstaunlich guten Wirkungsgrad, der bei entsprechender Fahrweise an den der modernen Dieselmotoren heranreicht. Die Anhebung des durchschnittlichen Mitteldrucks geschieht beim Otto- und beim Dieselmotor durch Aufladung und Verkleinerung der Motoren, sodass die hubraumreduzierten kleinen Aggregate in der Schwachlast im Mittel bei höheren Drücken und ab der Teillast mit zusätzlicher Leistungsausbeute durch die Aufladung gefahren werden. Ein weiterer Vorteil der aufgeladenen Benzinmotoren ist die Reduzierung der Drosselverluste. Länger übersetzte Getriebetechniken oder ebenso sportlich fahrende und lang übersetzende Doppelkupplungsgetriebe tragen gleichermaßen zu einem Betrieb der Verbrennungsmotoren bei erhöhtem Mitteldruck mit den angesprochenen Vorteilen bei.

Ein dritter Bereich der Weiterentwicklung heutiger Großserien Fahrzeugantriebe beschäftigt sich damit, die Reibleistung der Aggregate zu verringern und durch Thermomanagement oder durch Energiemanagement der Nebenaggregate die Effektivität der Aggregate zu erhöhen. Die Vorteile einer geringeren Reibleistung liegen auf der Hand. Weitere Techniken, wie das gezielte Aufheizen der Aggregate durch Thermomanagement und den geregelten Betrieb der Nebenaggregate mit entsprechender Leistungsanpassung zum Beispiel der Öl- und Wasserpumpen an die tatsächlich benötigte Leistung, gehören heute zum Stand der Technik moderner Aggregate.

Bild 4 zeigt die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs am Beispiel des Golfs von Volkswagen. Es ist ersichtlich, dass speziell die Benzinmotoren in der letzten Vergangenheit einen deutlichen Effektivitätsgewinn von über 30% im NEFZ-Verbrauch erreicht haben.

Zusammenfassend wird postuliert, dass die heutigen Pkw-Antriebe bezogen auf den Wirkungsgradbestpunkt den Großaggregaten immer noch nachstehen. Es hat viele Entwicklungen zur Optimierung mit steten Fortschritten gegeben, die Erfüllung der von der Politik geforderten Reduzierung des Energieverbrauchs der Aggregate wird aber durch diese Technologieoptimierung alleine nicht erreicht werden. Selbiges gilt für die Entwicklung zur Reduzierung der Reibleistung und zum Energiemanagement. Alle diese Techniken können einen Anteil der Zielerfüllung ausmachen. Deutlich aussichtsreicher ist die Tendenz zur Erhöhung der Verbrennungsmitteldrücke in der Teillast. Hierdurch werden spürbare Verbrauchseinsparungen speziell bei den Benzinmotoren erreicht, die aber ohne weitere Maßnahmen ebenfalls nicht hinreichend sein werden.

Hybridantriebe zur weiteren Annäherung an den thermodynamischen Bestpunkt des Verbrennungsmotors

Die im vorangegangenen Abschnitt beschriebene Weiterentwicklung der Verbrennungsmotoren hat zu deutlich sparsameren Aggregaten geführt. Trotzdem ist der mittlere Wirkungs-grad dieser Antriebe immer noch eklatant vom Betriebsbestpunkt entfernt. Eine Technologie, um diese Lücke weiter zu schließen, stellt die Kombination aus Antrieben mit kombinierten Verbrennungsmotoren und elektrischen Maschinen, die sogenannte Hybridtechnologie, dar.

Bezogen auf den Wirkungsrad ist es das Ziel des Hybridantriebs, den Verbrennungsmotor mit durchschnittlich höherem Mitteldruck in Richtung des Verbrauchsbestpunktes zu betreiben. Hierdurch wird mehr mechanische Energie an der Kurbelwelle erzeugt als für den Fahrzeugantrieb nötig wäre. Allerdings geschieht dies bei einem verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad und idealerweise im Betriebsbestpunkt. Die zusätzliche und mit besserer Kraftstoffausnutzung gewonnene mechanische Energie wird in elektrische Energie gewandelt und zumeist in den Akkumulatoren gespeichert.

Die ersten kommerziell angebotenen Hybridfahrzeuge basierten vorwiegend auf nicht aufgeladenen Benzinmotoren, die mit mindestens einer zusätzlichen elektrischen Maschine aus-gestattet waren. Die dafür verwendeten Verbrennungsmotoren waren leistungsstarke Aggregate, die im ursprünglichen Betrieb hauptsächlich mit niedrigem mittlerem Wirkungsgrad in gedrosselter Betriebsweise eingesetzt wurden. Läuft das Aggregat im leistungsreduzierten und stark gedrosselten Bereich, so wird beim Hybridantrieb eine Mitteldruckanhebung durch die zusätzlich betriebene E-Maschine im Generatorbetrieb vorgenommen. Dies beinhaltet beim Benzinmotor eine Verringerung der Drosselleistung und den Betrieb bei besserem Wirkungsgrad. Die erzeugte und in Akkumulatoren gespeicherte Energie wird dann für den Betrieb ohne Verbrennungsmotor oder auch für eine zusätzliche kurzzeitige Beschleunigung, den sogenannten „Boost“, bei laufendem Verbrennungsmotor benutzt. Die Energiespeicherung ist selbstverständlich auch durch mechanische Systeme, wie zum Beispiel durch einen Schwungradspeicher, möglich. Zusätzlich dazu kann durch die E-Maschine bei Bremsverzögerung elektrische Energie durch Rekuperation zurück gewonnen werden. Diese Vorgehensweisen stellen gesamtheitlich eine tiefgehende Verbesserung des Wirkungsgrades der Antriebe dar.

Nachdem die ersten Hybridantriebe aus den genannten Gründen vorzugsweise mit großvolumigen Benzinmotoren kommerzialisiert wurden, erfolgt seit neuerer Zeit ebenso die Einführung dieser Technik im Mittelklassesegment. Bild 5 zeigt die Wirkungsgradvorteile. Bei den CO2-Angaben des NEFZ gilt es zu beachten, dass der bekannte Normzyklus zweimal durchlaufen wird. Der erste Durchlauf erfolgt mit bereits geladener Batterie, deren Energieaufladung nicht in den Normverbrauch eingeht.

Es ist nachvollziehbar, dass durch die beschriebene Technik nicht exakt der Wirkungsgrad erreicht werden kann, den das konventionelle Antriebssystem ohne Hybridisierung bei permanentem Betrieb im Verbrauchsbestpunkt hätte, da bei der Wandlung und der Speicherung der mechanischen beziehungsweise elektrischen Energie entsprechende Verluste anfallen. Je großvolumiger die ursprüngliche Verbrennungskraftmaschine desto mehr profitiert das Hybridsystem von der Annäherung des mittleren Wirkungsgrades an den Verbrauchs-bestpunkt. Einen Sonderfall stellen Fahrzeuge mit hohen Brems- und Beschleunigungsanteilen dar, welche durch die beim Verzögern zurückgewonnene Energie einen nicht zu vernachlässigenden Verbrauchsvorteil erlangen.

Aber auch kleine Verbrennungsmotoren erreichen Verbrauchsvorteile durch die dargestellte Antriebstechnik. Hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass der mittlere Wirkungsgrad bei kleinen Motoren näher am Bestpunkt liegt als bei den großvolumigen Motoren. Die Wirkungsgraderhöhung der kleinen Verbrenner durch einen Hybridantrieb ist demnach geringer.

Eine weitere Technologie der Hybridisierung stellt der sogenannte Range Extender dar. Bei diesem Antrieb wird der Akkumulator von einer im Generatorbetrieb arbeitenden E-Maschine gespeist. Diese wird durch einen im Bestpunkt laufenden Verbrennungsmotor an-getrieben. Der Verbrennungsmotor ist hierbei mechanisch nicht mehr mit dem Antriebsstrang verbunden. Bei der Betrachtung dieses mobilen Systems ist der Wirkungsgradverlust zum Wandeln der Energien und zu deren Speicherung zu kalkulieren, Bild 6.

Ein Range Extender stellt im Grunde nach ein Elektrofahrzeug mit einem mobilen verbrennungsmotorisch betriebenen Generator dar.

Zusammenfassend lässt sich folgern, dass die Hybridkonzepte einen wertvollen Beitrag zur Anpassung der Lücke zwischen dem mittleren Wirkungsgrad und dem Wirkungsgradbestpunkt der mobilen Systeme mit Verbrennungsmotor ermöglichen. Die Technik der Hybride steht im Vergleich zur Entwicklungsgeschichte des konventionellen Verbrennungsmotors erst am Anfang. Von der Logik her ist aus technischer Sicht ein Hybridantrieb eine sehr zukunftsträchtige Lösung den Wirkungsrad der Verbrennungsmotoren deutlich zu erhöhen. Aufgrund der sich rasch ändernden Bedingungen, wurden Invest, Nutzlast und Nutzraum der benötigten Akkumulatoren nicht diskutiert. Beide Dinge stellen heute die limitierenden Größen der Hybridantriebe dar.

Elektrisch angetriebene Fahrzeuge

Rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge besitzen einen großen Charme. Sie emittieren bei der Ausklammerung der für den Ladestrom der Akkumulatoren benötigten Energieerzeugung lokal gesehen keine Schadstoffe und kein Kohlendioxid. Besonders für den Betrieb in umweltkritischen Regionen, zum Beispiel in Großstädten, stellt dies einen Vorteil dar. Die Antriebe laufen praktisch geräuschfrei, die Reichweiten sind aufgrund der kurzen Wege innerhalb der Metropole durch heutige Energiespeicher abdeckbar. Auch für Fahrten außer-halb der Ballungszentren eignen sich rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, wobei der Mobilitätsradius aufgrund der Ladekapazität der Akkumulatoren begrenzt ist. Zusätzlich ist zu bedenken, dass die beim Verbrennungsmotor im „Überfluss“ vorhandene Abwärme zum Heizen des Innenraums verwendet werden kann. Diese Möglichkeit entfällt beim Batteriefahrzeug.

Die Form des rein elektrischen Antriebs ist noch stärker als bei den Hybridfahrzeugen von der Höhe der speicherbaren Energie und der Kosten des Energiespeichers abhängig. Gelingt die nennenswerte Anhebung der Speicherkapazitäten bei niedrigeren Preisen für die Großserie, so werden rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge auch über den Nahverkehr hinaus hoch interessant werden.

Auf einem anderen Blatt stehen die nicht zu vernachlässigenden Aufwendungen für die Erzeugung der elektrischen Energie. Nur wenn der Ladestrom CO2-neutral herzustellen ist, zum Beispiel aus Windkraft, Wasserkraft, Sonnenenergie oder durch die Nutzung von zum Beispiel nächtlichen Überkapazitäten der Kraftwerke, stellt diese Antriebstechnik global gesehen eine Lösung für nachhaltige Mobilität dar. Ebenso ist beim Einsatz fossiler Energieträger zu überdenken, ob die im Kraftwerk und zum Fahrzeug geleitete elektrische Energie mit einem besseren Wirkungsgrad als durch die direkte Erzeugung im Range Extender herzustellen ist.

Alternative Kraftstoffe

Ein nicht zu vernachlässigender Weg, um den effektiven Ausstoß an Kohlendioxid zu verringern, ist in alternativen Kraftstoffen zu sehen. Prinzipiell sind die thermodynamischen Kreisprozesse sowohl bei den Benzin- als auch bei den Dieselmotoren nicht auf die genormten und an der Zapfsäule erhältlichen Betriebsstoffe eingeschränkt. Beim Verbrennungsmotor besteht das hauptsächliche Ziel darin, chemisch gebundene Energie in Wärme und Druck umzusetzen und so in mechanisch nutzbare Arbeit zu transferieren. Dies funktioniert mit allen brennbaren Energieträgern vom „Kohlenstaub“ (bereits von Rudolph Diesel angedacht) über Erdgase bis hin zu Alkoholen ist jeder Brennstoff prinzipiell geeignet. Es gilt lediglich das jeweilige Aggregat technisch auf den entsprechenden Treibstoff abzustimmen.

Im Hintergrund des Klimawandels und dem Drängen nach einem verringertem CO2-Ausstoß sind alternative und „CO2-neutrale“ Kraftstoffe hoch interessant geworden. Diese sind nicht nur in der Bilanz von der Erzeugung bis hin zur Verbrennung („well-to-wheel“) bezogen auf das produzierte CO2 neutral, sondern sind zusätzlich ohne Einschränkung nachproduzierbar. Anders als fossile Energieträger, welche endlich sind und deren gebundener Kohlenstoff bei der Verbrennung stetig in den natürlichen CO2-Haushalt emittiert wird, sind alternative CO2-neutrale Energieträger ein entsprechend interessantes Forschungsfeld. Ein weiterer Vorteil ist die Entkopplung des Verkehrs von der Erdölabhängigkeit.

Fahrzeuge mit alternativen Antriebsquellen

Zum Antrieb heutiger Fahrzeuge finden vorrangig Verbrennungsmotoren Anwendung. Hybridantriebe oder auch rein elektrisch betriebene Fahrzeuge bilden nur einen geringen Teil der derzeitigen Mobilität ab. Neben dem Einsatz der Hubkolbenmotoren und den elektrischen Antrieben ist aus wissenschaftlicher Sicht die Frage zu stellen, ob weitere Technologien zur besseren Ausnutzung der Betriebsstoffe existieren?

Die Verbrennungsmotoren und hier ausdrücklich die Hubkolbenmotoren blicken auf eine lange Entwicklungsgeschichte zurück. Die höchsten thermodynamischen Wirkungsgrade der Hubkolbenmotoren werden bei den anfangs beschriebenen Großdieselmotoren mit einem thermodynamischen Wirkungsgrad von circa 54 % erreicht. Pkw-Aggregate erwirken derzeit je nach Verbrennungsprozess Wirkungsgrade von bis zu 42 % im Betriebsbestpunkt, wobei der mittlere Wirkungsgrad der täglichen Betriebsweise je nach Fahrzeug deutlich drunter liegt. Durch die beginnende Hybridisierung der Verbrenner wird eine Verbesserung erreicht, ein höherer Wirkungsgrad als der Betriebsbestpunkt ist jedoch Prinzip bedingt nicht möglich.

Die Problematik, dass dynamisch betriebene mobile Systeme wie ein Pkw-Antrieb selten im Bestpunkt laufen, ist größtenteils auch auf andere Antriebsformen übertragbar. Neben dem Hubkolbenmotor existieren für den Antrieb mobiler Systeme diverse weitere Technologien.

So wurde bis in die jüngste Zeit der Wankelmotor durch die Firma Mazda weiterentwickelt und in einem kommerziellen Fahrzeug angeboten. Bei näherer Betrachtung ist abzuleiten, dass diese technisch hoch interessante Antriebsart vom Wirkungsgrade her den Hubkolbenmotoren deutlich unterlegen ist, Bild 7, und deshalb zur Lösung des CO2-Problems keine Alternative darstellt. Diese Situation könnte sich durch die Verwendung des Wankelmotors in einem Range Extender grundlegend ändern, da der Wankelmotor zum weitgehend stationären Antrieb eines Generators durchaus seine Vorteile bietet.

Weiterhin wurden verschiedene Forschungs- und Kleinserienfahrzeuge mit unterschiedlichen alternativen Antriebstechnologien entwickelt und getestet. Die Bandbreite reicht von elektrischer Energiegewinnung durch Brennstoffzellen, Dampfkreisprozesse bis hin zu Gasturbinenantrieben und Stirlingmotoren. Auch hier muss für eine vollständige Bewertung die CO2-Bilanz von der Herstellung bis zum Verbrauch berücksichtigt werden. Weiterhin sind Faktoren wie die Notwendigkeit von Düngemitteln als notwendige Ressource oder die Gefahr von Monokulturen bedacht werden. Weiterhin sei angemerkt, dass es technisch ohne Probleme möglich ist, auch den Hubkolbenmotor mit Wasserstoffgas oder Alkoholkraftstoffen zu betreiben.

Dass die Verwendung alternativer Antriebsquellen als Ersatz für die über lange Zeit stetig weiter entwickelten Hubkolbenmotoren schwierig ist, verbildlicht der Vergleich heutiger Großkraftwerke zur Stromerzeugung mit den Antrieben aktueller mobiler Systeme mit Verbrennungsmotor. So erreichen zum Beispiel heutige konventionelle Dampfkraftwerke Wirkungsgrade von circa 43 %. Zukünftige Dampfkraftwerke mit „überkritischen Dampfparametern“ (hohe Drücke und Temperaturen) werden durch den Einsatz neuer Werkstoffe Wirkungsgrade von bis zu circa 50 % erreichen. Werden die Kraftwerke weltweit betrachtet und somit auch ältere Anlagen einbezogen, sollte der aktuelle mittlere Wirkungsgrad auf circa 30 % geschätzt werden.

Auch Gasturbinenkraftwerke sind aufgrund des Deltas zwischen der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur im thermodynamischen Wirkungsgrad eingeschränkt und erreichen Wirkungsgrade von bis zu circa 42 %. Eine Kombination aus Gas- Dampfprozessen (die hohe Austrittstemperatur aus der Gasturbine wird für den Dampfkreislauf genutzt) erreicht weitere Verbesserungen. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass kleine Gasturbinen oder Dampfkreisprozesse für die Pkw-Anwendung vom Wirkungsgrad aufgrund der nicht stationären Betriebsweise und der konstruktiven Randbedingungen unterhalb dieser Wirkungsgrade liegen müssen. Bild 8 gibt einen generellen und Überblick der Wirkungsgradkette mit qualitativen Werten der Einzelwirkungsgrade.

Über den thermodynamischen Bestpunkt hinausreichende Technologien

In Wissenschaft und Technik finden sich weitere Ansätze, den Wirkungsgrad der mit Verbrennungsmotoren ausgestatteten Antriebe, zu erhöhen, ohne den thermodynamischen Wirkungsgrad selber zu beeinflussen. Dies erfolgt zum einen durch einen dem Aggregat nachgeschalteten Abgaswärmetauscher oder durch einen an das Kühlsystem angeschlossenen Wärmetauscher. Blockheizkraftwerke erreichen hierdurch einen hohen Gesamtwirkungsgrad von je nach Ausführung und Anlagengröße über 80 %.

Mobile Antriebssysteme haben jedoch in der Regel einen deutlich geringeren Bedarf an Heizleistung als durch mögliche Wärmetauscher bereitgestellt werden könnte. Das Angebot übersteigt die Nachfrage bei Weitem.

Ein sehr innovatives Vorgehen dennoch die Abwärme der Verbrenner für den Gesamtwirkungsgrad nutzbar zu machen, stellen zwei Forschungsprojekte der Firma BMW dar [4].

Eine der beiden Studien beschäftigt sich damit, den Abgasenergiestrom durch einen sogenannten thermoelektrischen Generator anteilsweise nutzbar zu machen. Hierbei werden Thermoelemente in die Abgasanlage eingebracht, die mithilfe des Seebeck-Effektes thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Diese Generatoren liefern erst wenige 200 bis 600 Watt, die enorme Abwärmeenergie des Verbrennungsmotors bietet jedoch reichlich Potenzial zur Verbesserung. Eine der größten Herausforderungen für den Serieneinsatz sind derzeit die Materialkosten und die Erhöhung der Hochtemperaturbeständigkeit, um das gesetzte Ziel von 1000 Watt Leistung zu erreichen. Nahezu jedes Gramm Brennstoff, welches nicht unter Berücksichtigung des thermodynamischen Wirkungsgrads in mechanische Energie (inklusive der Reibleistung zum Beispiel am Nebentrieb) umgewandelt wird, geht derzeit in Abwärme durch die Motorkühlung und durch die Abgaswärme verloren. Eine Ausnahme stellt die Innenraumheizung über Wärmetauscher dar.

Eine weitere zweite Forschungsarbeit der Firma BMW zielt ebenfalls auf die partielle Verwendung der ungenutzten Abgasenergie ab. Einsatz findet hier der sogenannte Turbosteamer, welcher einen Miniatur-Dampfkreislauf analog einer großen Kraftwerksanlage darstellt. Ein Arbeitsmedium wird durch die Abgaswärme aufgeheizt und zum Verdampfen gebracht und treibt im Anschluss eine Dampfturbine zur Stromerzeugung an. Den Forschern ist es gelungen am Prototypen bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h 600 Watt elektrische Leistung darzustellen. Weiterhin wurden bis über 1000 Watt elektrische Leistung bei höherer Abgasenthalpie nachgewiesen.

Zusammenfassung

Die Betrachtung derzeitiger und zukünftiger mobiler Antriebssysteme zeigt, dass mit Nachdruck an einer signifikanten Verbesserung der Energieeffizienz der Systeme gearbeitet wird.

Herkömmliche Verbrennungsmotoren wurden und werden stetig weiter entwickelt, wobei in der jüngsten Vergangenheit besonders der mittlere thermodynamische Wirkungsgrad der Benzinmotoren verbessert werden konnte. Die Kombination der Verbrennungsmotoren mit elektrischen Antrieben als Hybridantrieb stellt eine weitere Verringerung der Diskrepanz zwischen dem thermodynamischen Bestpunkt der Verbrennungsmotoren und dem mittleren Wirkungsgrad dar. Diese Entwicklung steht erst am Anfang, die Anwendung auch für das Kleinwagensegment wurde erst kürzlich kommerzialisiert.

Neben dem Einsatz der Verbrennungsmotoren oder Hybridantriebe sind ebenfalls rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge in der Weiterentwicklung. Der eingeschränkte Aktionsradius und die Kosten dieser Systeme sind die momentanen Entwicklungsschwerpunkte. Der Einsatz eines Range Extenders mit einer mobilen Ladestation in Form eines im Bestpunkt laufenden Verbrennungsmotors ist eine der verfolgten Lösungen. Bei den Überlegungen gilt es die Effektivität der Energieerzeugung im Kraftwerk zu berücksichtigen.

Ein großes Potenzial zur Reduktion des CO2-Ausstoßes stellen alternative (zum Beispiel auch Methanhydrat) und nachwachsende Energieträger dar. Diese reichen von regenerativ erzeugtem Strom, über Wasserstoffgas bis hin zu Biokraftstoffen der dritten Generation.

Auch alternative Antriebe zur Energiewandlung wie der Wankelmotor, der Stirlingmotor, der Kugelmotor, Brennstoffzellen, Gas- oder Dampfturbinen sind in Entwicklung und Untersuchung. Ein naher Serieneinsatz mit deutlicher Wirkungsgradverbesserung ist bisher nicht erkennbar.

Eine weitere Möglichkeit den auf Verbrennungsmotoren basierenden Systemen weitere Effektivität abzuringen, ist die Nutzung der Abgaswärme und der Motorkühlleistung. Über 2/3 der im Kraftstoff gebundenen Energie werden derzeit als Abwärme nicht genutzt. Eine partielle Erschließung dieser Ressource stellen ein thermoelektrischer Generator oder ein Miniaturdampfkreislauf zur Erzeugung elektrischer Energie dar. Diese Technologien sind derzeit Forschungsgegenstand der Firma BMW.

Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass Verbrennungsmotoren mindestens in der näheren Zukunft eine wichtige Bedeutung beibehalten werden. Die Wirkungsgradsteigerung dieser Antriebe wird durch motorische Maßnahmen, die Ausnutzung der Motorenabwärme aber auch durch Hybridisierung erfolgen. Die Erforschung und Entwicklung erneuerbarer Kraftstoffe unterstützt dies. Ebenso werden rein elektrisch betriebene Fahrzeuge vermehrt angeboten werden, wobei stets auf den effektiven Wirkungsgrad von der Stromerzeugung bis hin zum Fahrzeugantrieb und auf die Gesamtkosten des Fahrzeugs geachtet werden muss.

Literatur

[1] Bischoff, M.; Eiglmeier, C.; Werner, T.; Zülch, S.: Der neue 3,0-l-TDI-Biturbomotor von Audi – Teil 2 Thermodynamik und Applikation. MTZ Motortechnische Zeitschrift 12/2012

[2] Basshuysen, R.: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 6., aktualisierte und erw. Aufl. Springer Vieweg / Teubner. 2012

[3] Schreiner, K.: Basiswissen Verbrennungsmotor. 1. Aufl. Springer Vieweg / Teubner, 2011

[2] BMW Presseinformation: Auf der Suche nach dem nächsten Gramm. Unternehmenskommunikation. BMW München. 24.08.2011

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2009 | OriginalPaper | Buchkapitel

Der Hubkolbenmotor

Quelle:
Grundlagen Verbrennungsmotoren

2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

Aufladung von Verbrennungsmotoren

Quelle:
Basiswissen Verbrennungsmotor

2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Quelle:
Basiswissen Verbrennungsmotor

2010 | OriginalPaper | Buchkapitel

Hybridantriebe

Quelle:
Konventioneller Antriebsstrang und Hybridantriebe

2012 | OriginalPaper | Buchkapitel

Alternative Kraftstoffe

Quelle:
Alternative Antriebe für Automobile

2011 | OriginalPaper | Buchkapitel

Kraftstoffe und Stöchiometrie

Quelle:
Basiswissen Verbrennungsmotor

21.09.2012 | Motorentechnik | Im Fokus | Onlineartikel

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