Der Pumpenpreis traf hart. Sie starren auf das Messgerät, dann auf Ihr Armaturenbrett und fragen sich, ob es an der Zeit ist, Ihr aktuelles Fahrzeug gegen ein Fahrzeug einzutauschen, das weniger Kraftstoff verbraucht. Vielleicht schwitzen Sie auch wegen des CO2-Fußabdrucks, aber der Gedanke, jeden Abend ans Stromnetz zu gehen, scheint für den Moment zu viel Aufwand zu sein.
Betreten Sie das Hybridauto.
Es liegt genau in dieser unbequemen Mitte. Doch bevor Sie Ihren Verbrennungsmotor abschreiben oder einen Leasingvertrag für eine batteriebetriebene Limousine abschließen, müssen Sie die Mechanik verstehen. Wie holt ein Hybrid 20 oder 30 zusätzliche Meilen pro Gallone aus einem Tank heraus? Bedeutet eine bessere Kilometerleistung tatsächlich sauberere Emissionen? Und wo passen Plug-in-Modelle in diese Gleichung?
Wir zerlegen die Anatomie dieser Maschinen. Wir werden uns ansehen, wie die Technologie funktioniert und, was ebenso wichtig ist, wie Sie fahren sollten, um das Beste daraus zu machen.
Benzin vs. Elektro: Die grundlegende Kluft
Ein Benzin-Elektro-Hybrid ist ein Kompromiss. Es ist eine Brücke zwischen der Zuverlässigkeit eines Benzintanks und dem sofortigen Drehmoment eines Elektromotors. Um die Brücke zu verstehen, muss man die Banken verstehen, die sie verbindet.
Ein normales Benzinauto ist unkompliziert. Der Kraftstofftank versorgt den Verbrennungsmotor mit Benzin. Der Motor dreht das Getriebe. Das Getriebe dreht die Räder. Einfach.
Ein Elektroauto (EV) ist anders. Es ist auf einen Akku angewiesen. Die Batterien senden Strom an einen Elektromotor. Der Motor dreht das Getriebe. Das Getriebe dreht die Räder. Keine Verbrennung. Kein Auspuff.
Der Hybrid versucht, das Beste aus beidem zu vereinen. Der Benzintank bleibt für Reichweite und Komfort erhalten. Es fügt elektrische Energie hinzu, um die Effizienz zu steigern und die Emissionen zu senken. Das Ziel besteht darin, Sie an Ihr Ziel zu bringen, ohne ständig zum Tanken anhalten zu müssen, und gleichzeitig Ihre Umweltschuld in Schach zu halten.
Unter der Haube: Die hybride Anatomie
Hybride sind nicht nur ein Benzinmotor mit einer kleinen Batterie. Es sind komplexe Systeme. Hier erfahren Sie, womit Sie es zu tun haben.
Benzinmotor : Dies ist das Herzstück der traditionellen Seite. Allerdings sind Hybridmotoren in der Regel kleiner als ihre Nicht-Hybrid-Pendants. Sie nutzen fortschrittliche Technologien, um Kraftstoff sauberer und effizienter zu verbrennen. Weniger Verdrängung bedeutet oft weniger Reibung und einen besseren thermischen Wirkungsgrad.
Kraftstofftank : Dies ist der Energiespeicher für den Gasmotor. Benzin hat im Vergleich zu Batterien eine enorme Energiedichte. Um es ins rechte Licht zu rücken: Um die gleiche Energiemenge wie eine Gallone (3,8 Liter) Benzin zu speichern, sind etwa 454 kg Batterien erforderlich. Dieser Gewichtsunterschied ist der Grund, warum Hybridfahrzeuge nicht einfach den Motor gegen eine Batterie austauschen. sie brauchen beides.
Elektromotor : Diese Einheiten sind hochentwickelt. Es sind nicht nur Motoren. Fortschrittliche Elektronik ermöglicht es ihnen, die Rollen zu vertauschen. Wenn Sie beschleunigen müssen, fungieren sie als Motor und beziehen Energie aus den Batterien, um das Auto voranzutreiben. Wenn Sie vom Gas- oder Bremspedal gehen, wirken sie als Generator. Dieser als regeneratives Bremsen bezeichnete Prozess erfasst kinetische Energie, die andernfalls als Wärme verloren gehen würde, und sendet sie zurück an die Batterien.
Generator : Ähnlich einem Motor, erzeugt jedoch nur Strom. Sie werden dies hauptsächlich bei Serienhybriden sehen. Es wandelt mechanische Energie vom Gasmotor in elektrische Energie um, um die Batterien aufzuladen oder den Elektromotor anzutreiben.
Batterien : Diese speichern Energie für den Elektromotor. Im Gegensatz zum Kraftstofftank, der nur den Gasmotor mit Energie versorgt, ist das Batteriesystem bidirektional. Der Elektromotor kann daraus Energie schöpfen und das regenerative Bremssystem kann ihm Energie zurückgeben.
Übertragung : Dieser Teil variiert stark. Einige Hybridfahrzeuge, wie der Honda Insight, verwenden konventionelle Getriebe, die vertraut aussehen und sich auch so anfühlen. Andere, wie der Toyota Prius, verwenden völlig andere Konfigurationen, wie zum Beispiel ein stufenloses Getriebe (CVT) oder ein e-CVT, das überhaupt keine festen Gänge hat.
Parallele Hybride: Das häufigste Setup
Die meisten Hybridfahrzeuge, die Sie auf der Straße sehen, sind Parallelhybride. Der Name beschreibt den Kraftfluss.
Sie haben einen Kraftstofftank, der den Benzinmotor versorgt. Sie haben Batterien, die den Elektromotor versorgen. Beide Kraftquellen können das Getriebe gleichzeitig antreiben. Sie arbeiten parallel.
Dieses Setup ermöglicht Flexibilität. Bei niedrigen Geschwindigkeiten könnte der Elektromotor die ganze Arbeit erledigen. Bei Autobahngeschwindigkeit übernimmt der Benzinmotor. Bei starker Beschleunigung zünden möglicherweise beide gleichzeitig, um das maximale Drehmoment bereitzustellen. Das Getriebe leitet die gebündelte Kraft einfach an die Räder weiter.
Serienhybride: Die Generatorschleife
Serienhybride funktionieren anders. Sie sind in herkömmlichen Personenkraftwagen weniger verbreitet, in größeren Lastkraftwagen und Bussen jedoch weit verbreitet.
Bei einem Serienhybrid dreht der Benzinmotor die Räder nie direkt. Stattdessen dreht es einen Generator. Dieser Generator erzeugt Strom. Der Strom lädt entweder die Batterien auf oder treibt einen Elektromotor an. Dieser Elektromotor ist der einzige Antrieb für das Getriebe.
Stellen Sie sich das wie einen gasbetriebenen Generator im Auto vor. Der Motor läuft mit einer gleichmäßigen, effizienten Drehzahl, um Strom zu erzeugen, der dann den Fahrmotor antreibt. Der Gasmotor ist von den Rädern entkoppelt. Dadurch kann der Motor häufiger in seiner effizientesten Zone arbeiten, unabhängig davon, wie schnell das Auto fährt.
Warum das eine dem anderen vorziehen? Parallelhybride sind bei hohen Geschwindigkeiten im Allgemeinen effizienter, da sie den Elektromotor vollständig umgehen können. Serienhybride zeichnen sich im Stop-and-Go-Verkehr aus, weil sie die Ineffizienzen beim Gangwechsel und im Leerlauf beseitigen.
Die Technologie entwickelt sich weiter. Plug-in-Hybride (PHEVs) basieren auf dieser Grundlage und verfügen über einen größeren Akku, der über eine externe Steckdose aufgeladen werden kann. Dies ermöglicht größere rein elektrische Reichweiten und verwischt die Grenze zwischen Hybrid und Elektro. Die Grundprinzipien bleiben jedoch dieselben: Energie erfassen, speichern und sinnvoll nutzen.
Sie sehen ein System, das darauf ausgelegt ist, weniger Verschwendung zu verursachen. Jedes Bremslicht ist eine Chance zum Aufladen. Jede freie Minute ist eine Chance, Kraftstoff zu sparen. Aber die Art und Weise, wie Sie fahren, ist immer noch wichtiger als die Hardware. Wir werden das als nächstes behandeln.
Der grundlegende Trick hinter einem Hybrid ist einfach, aber tiefgreifend: Sie können den Benzinmotor drastisch verkleinern, weil Sie ihn nicht für die ganze schwere Arbeit benötigen. Herkömmliche Fahrzeuge benötigen große, durstige Motoren, um sofort das für eine schnelle Beschleunigung erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Hybride umgehen dies. Sie verwenden kleinere, leichtere Komponenten, weniger Zylinder und betreiben den Verbrennungsmotor näher an seinem maximalen Lasteffizienzpunkt.
Das Ergebnis ist ein Antriebsstrang, der den Kraftstoff nur schlürft, anstatt ihn zu schlucken.
Warum kleinere Motoren weniger Kraftstoff verbrauchen
Es kommt auf Physik und Trägheit an. Ein massiver V8-Motor ist schwer. Jedes Mal, wenn Sie beschleunigen oder einen Hügel erklimmen, verschwenden Sie Energie, indem Sie das tote Gewicht herumbewegen. Schwerere Kolben und Kurbelwellen benötigen mehr Energie, um in der Zylinderbohrung auf und ab zu schwingen.
Dann gibt es eine Verschiebung. Größere Zylinder benötigen mehr Kraftstoff pro Hub. Mehr Zylinder bedeuten mehr Verbrennungsereignisse, selbst wenn das Auto im Leerlauf läuft oder im Verkehr kriecht. Aus diesem Grund ergeben zwei Autos desselben Modells, aber mit unterschiedlichen Motoroptionen, völlig unterschiedliche MPG-Werte.
Auf der Autobahn müssen beide Motoren die gleiche Leistung erbringen, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Der kleinere Motor verbraucht jedoch weniger Energie, um seine eigene innere Reibung und sein eigenes Gewicht anzutreiben. Die zusätzliche Energie wird vollständig für die Fortbewegung des Fahrzeugs verwendet.
Genügend Leistung aus einem kleinen Motor herausholen
Wie kann also ein kleiner Hybridmotor mit einem Muscle-Car mithalten? Vergleichen Sie einen Chevrolet Camaro mit seinem riesigen V8 mit einem typischen Hybrid. Der Motor des Camaro ist zum Cruisen übertrieben. Es ist für Spitzenleistungsszenarien konzipiert – jene Sekundenbruchteile, in denen Sie das Gaspedal durchtreten. Tatsächlich nutzen die meisten Fahrer die maximale Motorleistung in weniger als einem Prozent der Zeit.
Hybridfahrzeuge dimensionieren ihre Benzinmotoren für den durchschnittlichen Leistungsbedarf, nicht für Spitzenleistungen. Der Benzinmotor meistert Autobahnfahrten problemlos. Doch wenn Sie auf eine Autobahn einfahren oder eine steile Steigung erklimmen müssen, bittet der kleine Motor um Hilfe.
Die Hilfe kommt vom Elektromotor und der Hochvoltbatterie. Das System setzt sofort ein und sorgt für den Drehmomentüberschuss, der dem kleinen Benzinmotor fehlt. Es ist eine Übergabe. Der Gasmotor übernimmt die gleichmäßige Arbeit; Der Elektromotor macht die Stöße.
Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs auf 5 verschiedene Arten
Über den Motortausch hinaus nutzen Hybridfahrzeuge eine Reihe von Effizienz-Hacks. Bei einigen handelt es sich um universelle Verbesserungen im Automobilbereich, andere sind spezifisch für die Hybridarchitektur.
1. Energie zurückgewinnen und in der Batterie speichern
Bremsen ist im Wesentlichen der Akt der Energievernichtung. Kinetische Energie wird über Reibbeläge in Wärme umgewandelt. Diese Wärme entweicht in die Atmosphäre und ist für immer verschwunden. Hybride fangen einen Teil dieser verlorenen Energie auf.
Durch regeneratives Bremsen kehrt der Elektromotor seine Rolle um. Anstatt Batteriestrom zum Drehen der Räder zu verbrauchen, fungiert es als Generator. Der Motor widersteht der Drehung der Räder, verlangsamt das Auto und lädt gleichzeitig die Batterie auf. Sie gewinnen Energie zurück, die sonst verschwendet würde.
2. Manchmal den Motor abstellen
Warum Kraftstoff verbrennen, wenn man sich nicht bewegt? Für einen Hybrid mit Verbrennungsmotor gibt es eine Alternative: den Elektromotor. An einer Ampel oder bei starkem Verkehr kann das System den Benzinmotor komplett abschalten. Kein Leerlauf. Keine Kraftstoffverschwendung. Der Elektromotor sorgt dafür, dass das Zubehör läuft und das Fahrzeug fahrbereit bleibt.
3. Verwendung fortschrittlicher Aerodynamik zur Reduzierung des Luftwiderstands
Das Fahren auf der Autobahn ist ein Kampf gegen den Luftwiderstand. Der Luftwiderstand verbraucht bei hoher Geschwindigkeit den größten Teil der Leistung eines Autos. Sie können diesen Widerstand reduzieren, indem Sie die Frontfläche minimieren. Ein SUV drückt eine viel größere Luftwand als ein Sportwagen.
Hybridfahrzeuge verfügen häufig über glattere Unterbodenbleche, abgedeckte Radkästen und engere Karosserieabstände. Diese Details steuern den Luftstrom und reduzieren Turbulenzen und Luftwiderstand. Es geht nicht nur um das Aussehen; Es geht darum, mit minimalem Widerstand durch die Luft zu gleiten.
4. Verwendung von Reifen mit geringem Rollwiderstand
Standardreifen sind ein Kompromiss. Sie legen Wert auf Fahrkomfort, Geräuschreduzierung und Traktion bei nassem Wetter gegenüber Effizienz. Aber die Durchbiegung des Reifens erzeugt Rollwiderstand – eine Form des Luftwiderstands, die Kraftstoff frisst.
Hybridfahrzeuge verwenden spezielle Reifen mit geringem Rollwiderstand. Sie sind steifer und laufen bei höheren Drücken. Dies reduziert den Energieverlust durch Reifenverformung. Der Kompromiss ist ein strafferes Fahrverhalten, aber die Kraftstoffeinsparungen sind real.
5. Verwendung leichter Materialien
Gewicht ist der Feind der Effizienz. Ein leichteres Auto benötigt weniger Energie zum Beschleunigen und weniger Kraft zum Bergauffahren. Hybride enthalten oft leichte Materialien, um Gewicht zu verlieren. Aluminium-, Magnesium- und manchmal Kohlefaserverbundwerkstoffe ersetzen schwerere Stahl- und Kunststoffkomponenten. Weniger Masse bedeutet bessere Kilometerleistung.
Es ist ein ganzheitlicher Ansatz. Jedes eingesparte Gramm, jeder reduzierte Luftwiderstandsbeiwert, jedes zurückgewonnene Joule kinetische Energie summiert sich. Der Benzinmotor ist nur die Spitze des Eisbergs. Der Rest ist ein komplizierter Tanz aus Physik und Elektronik, der darauf ausgelegt ist, Sie in Bewegung zu halten und dabei so wenig Energie wie möglich zu verschwenden.
Die Frage ist nicht, ob Hybride funktionieren. Es geht darum, ob wir bereit sind zu akzeptieren, dass die Art und Weise, wie wir seit einem Jahrhundert fahren, grundsätzlich ineffizient ist.
Das Planetengetriebe im Kern
Vergessen Sie das herkömmliche Automatik- oder Handschaltgetriebe. Im Inneren des Prius gibt es kein Kupplungspaket, das durchrutschen könnte, keinen Drehmomentwandler, der nach einer Überbrückung suchen müsste, und keine Schaltpunkte, die man fühlen könnte. Stattdessen hat Toyota die gesamte Getriebearchitektur in einer einzigen, dichten mechanischen Einheit untergebracht: dem Power-Split-Gerät. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes das Herzstück des Hybridsystems.
Dies ist nicht nur ein cleveres Add-on. Es handelt sich um ein Planetengetriebe, das den Benzinmotor, den Generator (Motor G) und den Antriebsmotor (Motor A) physisch zu einem untrennbaren Knoten verbindet.
Dank der Leistungsverzweigung kann das Auto gleichzeitig als Parallelhybrid, Serienhybrid und CVT betrieben werden.
Die Technik hier ist brutal in ihrer Einfachheit, aber brillant in ihrer Ausführung. Durch die Befestigung dieser drei Komponenten an bestimmten Punkten des Planetenradsatzes machte Toyota einen separaten Anlasser überflüssig. Der Generator startet den Motor. Außerdem entfällt die Notwendigkeit eines Schalthebels, eines Drehmomentwandlers oder eines herkömmlichen Getriebegehäuses. Das Ergebnis ist ein Antriebsstrang, der sich schwerelos anfühlt.
Wie die Planetengetriebe den Kraftfluss steuern
Um zu verstehen, wie das funktioniert, muss man sich die Geometrie der Zahnräder ansehen. Ein Standard-Planetenradsatz besteht aus drei beweglichen Hauptteilen: dem Sonnenrad, den Planetenrädern (die sich auf einem Träger drehen) und dem Hohlrad. In der Prius-Konfiguration sind diesen bestimmte Rollen zugewiesen.
Der Benzinmotor ist direkt mit dem Sonnenrad verbunden. Das ist die Eingabe. Wenn sich der Motor dreht, treibt er das Sonnenrad an, das wiederum die Planetenräder antreibt.
Der Zahnkranz ist mit dem elektrischen Antriebsmotor verbunden. Es ist aber auch direkt mit dem Achsantriebsdifferential verbunden. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Zahnkranzes die Geschwindigkeit der Räder bestimmt. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Elektromotor und der Zahnkranz drehen, bestimmt, wie schnell sich das Auto bewegt.
Der Planetenträger ist der Ort, an dem der Generator befestigt ist.
Dieses Layout schafft eine einzigartige mathematische Beziehung zwischen den drei Komponenten. Die Drehzahlen des Sonnenrads (Motor), des Hohlrads (Räder/Motor) und des Planetenträgers (Generator) sind durch die Übersetzungsverhältnisse miteinander verbunden. Sie können eines nicht ändern, ohne die anderen zu beeinflussen.
Serie vs. Parallel: Die geteilte Entscheidung
Durch diese mechanische Verbindung kann das Auto nahtlos zwischen den Hybridbetriebsmodi wechseln, ohne dass es zu einer Unterbrechung der Leistungsabgabe kommt.
Im Serienbetrieb läuft der Benzinmotor mit fester Drehzahl zur Stromerzeugung. Der Motor dreht das Sonnenrad. Der Planetenträger (Generator) dreht sich und erzeugt Strom, der die Batterie lädt oder den Antriebsmotor speist. Der Antriebsmotor dreht dann den Zahnkranz, um die Räder zu drehen. Der Motor hat keine direkte mechanische Verbindung zu den Rädern. Es handelt sich um einen reinen Generator.
Im Parallelmodus liefert der Benzinmotor über das Planetengetriebe direkte mechanische Kraft an die Räder. Der Motor dreht das Sonnenrad, das gleichzeitig den Planetenträger und das Hohlrad antreibt. Der Elektromotor kann diese Kraft unterstützen oder ihr entgegenwirken, um Energie zurückzugewinnen.
Durch die Leistungsaufteilung kann das Auto wie ein Parallelhybrid betrieben werden: Der Elektromotor kann das Auto alleine antreiben, der Benzinmotor kann das Auto alleine antreiben oder sie können das Auto gemeinsam antreiben.
Dadurch kann das Auto aber auch wie ein Serienhybrid betrieben werden. Der Benzinmotor kann unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit arbeiten und je nach Bedarf die Batterien laden oder die Räder mit Strom versorgen.
Das mechanische Herzstück des Systems beruht auf einer bestimmten Getriebeanordnung. Der Generator ist am Sonnenrad befestigt, während der Motor am Planetenträger befestigt ist. Die Drehzahl des Zahnkranzes bestimmt die Leistung, d. h. alle drei Komponenten müssen ständig aufeinander abgestimmt sein. Sie können nicht isoliert arbeiten.
Beschleunigung beginnt mit Elektrizität. Der Elektromotor und die Batterien sorgen für den Anfangsschub. Da der Zahnkranz mit dem Motor verbunden ist, beginnt er sofort zu drehen. Der Planetenträger bleibt stehen. Der Motor ist ausgeschaltet, der Träger steht also still. Aber der Zahnkranz bewegt sich. Dadurch werden die Planetenräder in Rotation versetzt, was das Sonnenrad und den Generator in Drehung versetzt. Der Generator dreht sich mit der erforderlichen Drehzahl, um den Motor im Ruhezustand zu halten.
Der Motor erwacht erst bei etwa 40 mph (64 km/h). Die Geschwindigkeit des Generators ändert sich plötzlich. Durch diese Veränderung dreht sich der Planetenträger und der Benzinmotor startet. Sobald der Motor läuft, hält er eine konstante Drehzahl. Der Generator variiert seine eigene Drehzahl, um sie an die Leistungsanforderungen des Elektromotors anzupassen.
Starkes Beschleunigen entzieht den Batterien zusätzliche Energie. Bei Autobahngeschwindigkeit fährt das Auto mit einem Gemisch aus Benzin und Strom. Der gesamte Strom kommt zu diesem Zeitpunkt vom Generator und nicht vom Batteriepaket.
Das Pferdestärken-Paradoxon
Bei den meisten Fahrten wird nur ein Bruchteil der Gesamtleistung eines Autos beansprucht. Eine Fahrt mit 60 mph (96,6 km/h) erfordert nur drei Dinge:
- Überwindung des Luftwiderstands
- Wirkt der Reibung in Reifen, Getriebe, Achsen und Bremsen entgegen
- Betriebszubehör wie Klimaanlage, Servolenkung und Beleuchtung
Bei den meisten Fahrzeugen beträgt die Gesamtleistung weniger als 20 PS. Warum also einen 200-PS-Motor kaufen? Sie brauchen diese Reserve für Momente, in denen Sie richtig Gas geben können. In der restlichen Zeit verbrauchen Sie deutlich weniger Strom als zur Verfügung steht.
Maximierung der Hybrid-Kilometerleistung
Der Wunsch nach schneller Beschleunigung tötet die Effizienz. Ein schwächerer Motor hat oft einen besseren Kraftstoffverbrauch als ein identisches Modell mit mehr Leistung. Schauen Sie sich die Fensteraufkleber bei jedem Händler an. Der Unterschied ist krass.
Streben nach Effizienz
Mit einem Hybridfahrzeug erzielen Sie die beste Kilometerleistung, wenn Sie Gewohnheiten anwenden, die auch Benzinautos zugute kommen.
- Fahren Sie langsamer. Der Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit dramatisch zu. Der Luftwiderstand ist bei 70 mph (113 km/h) etwa doppelt so hoch wie bei 50 mph (81 km/h). Niedrigere Geschwindigkeiten bedeuten eine bessere Kilometerleistung.
- Konstante Geschwindigkeit beibehalten. Jede Beschleunigung verbraucht Energie. Ein Teil dieser Energie wird verschwendet, wenn Sie langsamer werden. Durch die konstante Geschwindigkeit wird der Kraftstoff effizient genutzt.
- Vermeiden Sie abrupte Stopps. Der Elektromotor des Hybrids fungiert beim Bremsen als Generator. Es gewinnt Energie zurück, wenn das Auto langsamer wird. Bei schnellem Anhalten übernehmen die mechanischen Bremsen die meiste Arbeit. Diese Energie wird verschwendet. Dies gilt auch für Benzinautos. Abrupte Stopps verschwenden Energie.
Quellen
- „Dieselbasierte Hybridautos.“ Die Daily Times. http://www.dailytimes.com.pk/default.asp?page=2006%5C01%5C09%5Cstory_9-1-2006_pg6_13
- FuelEconomy.gov http://www.fueleconomy.gov/
- Honda Insight http://automobiles.honda.com/models/specifications_full_specs.asp? ModelName=Insight&Category=ALL
- HybridCars.com http://www.hybridcars.com/
- Toyota Prius http://www.toyota.com/prius/specs.html
