Dieseldunst
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Samstag, 31. 01 15

31.01.15, 17:52 | 'Maschinen bauen, Mensch bleiben'
Dieser Beitrag erklärt Verbrauchsmessung und Muscheldiagramm und folgt damit auf den Beitrag zur Gesetzgebung.

Verbrauchsmessung
Wir haben gesehen, daß die Gesetzgebung durch die Einführung von Grenzwerten auf den Kohlenstoffdioxid-Ausstoß der verkauften Fahrzeuge direkten Einfluß auf den zulässigen Kraftstoffverbrauch nimmt. Doch wie wird dieser gemessen?
Der Gesetzgeber legt einen Fahrzyklus fest, der von einem Fahrzeug abgefahren werden muß. Dabei werden der Verbrauch und die Abgase gemessen. Ganz einfach, eigentlich, oder? Nein.
Zunächst müssen solche Messungen unter bestimmten Bedingungen durchgeführt werden, um die Ergebnisse belastbar und vergleichbar zu machen. Deshalb werden zusammen mit der Fahrstrecke, dem Zyklus, auch Umgebungsbedingungen festgelegt. In der EU durch die bereits erwähnte Regelung ECE R101. Eine Erneuerung dieses Zyklus durch einen Wechsel zum ist bereits seit Längerem in der Diskussion.
Um die Umgebungsbedingungen wie Wind, Straßenverhältnisse, Temperatur und ähnliches konstant zu halten, werden diese Tests auf Rollenprüfständen gefahren. Diese werden zunächst mit Kalibrierdaten auf das zu messende Fahrzeug eingestellt. Diese Kalibierdaten werden wiederum durch eine Ausrollung erzeugt. Das Fahrzeug wird dabei von einer bestimmten Geschwindigkeit mehrmals bis zum Stillstand ausrollen gelassen, und dabei Zeit und Geschwindigkeit gemessen. Dadurch werden die Kräfte errechnet, die durch Reibung innerhalb des Fahrzeugs, Luftreibung und die Rollreibung der Reifen entstehen. Diese werden anschließend auf dem Rollenprüfstand erzeugt und abgeglichen. Bei einer Beschleunigung wirken weitere Kräfte, die vor allem aus der Fahrzeugmasse und den beschleunigten, sich drehenden Teilen des Fahrzeugs entstehen.


Im Bild nun der Neue Europäische Fahrzyklus aus der ECE R101. Zu sehen ist, daß das Fahrzeug mehrfach beschleunigt und wieder abgebremst wird und dabei eine Strecke von etwa 11 Kilometern zurücklegt. Die Durchschnittsgeschwindigkeit liegt bei knapp über 30 Kilometern je Stunde.

Exkurs: Sinn und Unsinn des Zyklus.
In allen Fahrberichten ist zu lesen, daß die tatsächlichen Verbräuche sich von den zertifizierten Verbräuchen unterscheiden. Und natürlich höher sind. Das hat mehrere Gründe. Zunächst werden selbstverständlich für eine Zertifizierung perfekte Bedingungen geschaffen, die in der Realität nicht darstellbar sind. So ist beispielsweise kein elektrischer Verbraucher aktiv, und auch keine Klimaanlage. So sind zum Beispiel auch keine Dachträger montiert, und es wird ein spezieller Reifensatz aufgezogen und ein Leichtlauföl verwendet. Aber der größte Einfluß ist der Fahrzyklus selbst. Nur für diesen Zyklus wird ein Verbrauch ermittelt. Die Zertifizierung dient lediglich als Einstufung gegenüber dem Gesetzgeber und zum Vergleich verschiedener Fahrzeuge oder Maßnahmen an Fahrzeugen. Schon bei meinem privaten Fahrzeug kommt bei unterschiedlichen Fahrern und Fahrprofilen eine Differenz von über 20% zustande.
Ein großes Manko des Fahrzyklus ist der Umstand, daß die Gangwahl für handgeschaltete Getriebe vorgegeben ist. Dies beeinflußt vor allem Dieselfahrzeug nachteilig, da diese mit höheren Gängen fahren könnten. Automatikgetriebe sind ausgenommen. Ein Zusatz in der Regelung erlaubt eine Verbesserung des Verbrauchswertes, wenn eine Anzeige vorhanden ist, die dem Fahrer einen verbrauchsgünstigen Gang anzeigt. Das ist ein Grund, warum in fast jedem Fahrzeug mittlerweile eine solche Schaltanzeige verbaut ist. Wir gehen von nun also von Automatikgetrieben aus.

Muscheldiagramm
Wir haben gesehen, daß zum Bewegen eines Kraftfahrzeugs eine Leistung erforderlich ist. Diese setzt sich zusammen aus den Verlusten an diversen Reibstellen und aus der Beschleunigung. Beim Bremsen, also einer negativen Beschleunigung, wird Energie frei, die als Bremsleistung durch die Bremsen in Wärme umgewandelt wird.


Im Bild das Muscheldiagramm eines Verbrennungsmotors nach Wikipedia, Bearbeitung von mir.
Dieses Bild ist zunächst ein wenig gewöhnungsbedürftig. Es ist das statische Verbrauchskennfeld eines Verbrennungsmotors. Auf der waagrechten Abszisse ist die Drehzahl des Motors aufgetragen, auf der senkrechten Ordinate das Drehmoment. (Die Bezeichnung pe steht für den effektiven Mitteldruck, der sich mit dem Hubraum und der Zylinderzahl direkt in das Drehmoment übersetzen lässt. Die Drehzahl wiederum ist eine direkte Entsprechung zur Winkelgeschwindigkeit.)
Aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl (in den richtigen Einheiten!) erhält man die Leistung, die der Verbrennungsmotor abgibt. Im Bild angedeutet sind eine niedrige und eine hohe Leistung, die untere und die obere grüne Hyperbel.
Die rote Linie stellt die Momentengrenze des Motors dar, die sogenannte Vollastlinie. Dies ist das maximale Moment, das der Verbrenner zu jeder Drehzahl abgeben kann. Die blauen Linien sind Linien gleichen Verbrauchs. Dieser wird üblicherweise in Gramm Kraftstoff je Kilowattstunde (g/kWh) angegeben.

Zunächst erkennen wir, daß ein Verbrauchsunterschied zwischen etwa 200 g/kWh und gut 400 g/kWh dargestellt ist. Das heißt, der Motor verbraucht für die Abgabe der gleichen Menge an mechanischer Energie die doppelte Menge Kraftstoff! (Warum das so ist, erkläre ich gern separat.)
Weshalb wird nun der Verbrennungsmotor nicht einfach immer im Bestpunkt betrieben? Dies liegt am Fahrzyklus, oder besser daran, daß jede Fahrsituation eine andere Leistungsanforderung an das Fahrzeug stellt. Bei hohen Geschwindigkeiten oder starker Beschleunigung wird eine hohe Leistung gefordert, und bei gleichmäßiger, langsamer Fahrt nur eine niedrige. Und der Verbrennungsmotor kann nur die Leistung abgeben, die vom Fahrer auch angefordert wird. Andernfalls wäre eine ungewünschte Beschleunigung und damit ein Verlassen des Fahrprofils die Folge. Beim Stillstand des Fahrzeugs muß sich der Motor lediglich selbst am Leben erhalten und einige Nebenaggregate antreiben. Die Hydraulikpumpe, den Generator und ähnliche.

Nehmen wir nun an, wir fahren mit einer konstanten Leistungsanforderung im niedrigen Bereich. Dies wird durch die untere grüne Hyperbel dargestellt. Nun muß die Leistung des Verbrennungsmotors an die Antriebsachse übertragen werden. Dies erledigt das Getriebe mit üblicherweise fünf, sechs oder sieben Gängen. Diese Gänge stellen Übersetzungsverhältnisse zwischen der Raddrehzahl und der Drehzahl des Verbrenners dar. Die Fahrgeschwindigkeit beeinflußt also die Motordrehzahl. Wir können nun beispielsweise im ersten Gang mit hoher Drehzahl fahren, (rechter Stern auf der unteren Linie) oder in einem höheren Gang mit niedrigerer Drehzahl (linker Stern auf der unteren Linie). Die erzeugten Leistungen sind identisch, die Verbräuche nicht. Bei einer Stunde Fahrt mit einer Leistungsanforderung von 10 kW (mechanische Energie 10kWh) kämen so entweder Verbräuche von 4,5 kg Kraftstoff oder 2,4 kg Kraftstoff zustande. (Wir unterschlagen an dieser Stelle, daß die Getriebeverluste auch von Drehzahl und Drehmoment abhängig sind.)
Bei höherer Geschwindigkeit kämen entsprechend der oberen Linie bei einer Leistungsanforderung von 50 kW Verbräuche von 14 kg oder 10,5 kg zustande. Allein diese hohen Verbrauchszahlen zeigen bereits, daß Dauerleistungen um die 50kW nicht die Lösung unseres Verbrauchsproblems sein können.

Was können wir also tun? Wir können die Übersetzungen unserer Gänge benutzen und auf das bekannte Fahrprofil hin optimieren. Das heißt, wir verändern unsere Übersetzungen so, daß wir möglichst oft in günstigen Bereichen des Verbrauchsdiagramms fahren. Dies ist allerdings nur eingeschränkt machbar, da die Wahl der Übersetzungen den Komfort und die Fahrbarkeit des Fahrzeugs stark beeinflußt. Wäre der erste Gang eines Fahrzeugs zum Beispiel "doppelt so schnell", müßten wir bei langsamer Fahrt stets die Kupplung schleifen lassen oder den Motor abwürgen. Für einen Gangwechsel wäre es unter Umständen nötig, den Motor sehr hoch zu drehen. Auch die gewünschte Höchstgeschwindigkeit hängt von den zur Verfügung stehenden Übersetzungen ab. Die Möglichkeiten sind da also begrenzt.
Was nun? Mehr Gänge? Im Prinzip ja, aber es zeigt sich, daß bei der derzeitig erreichbaren Anzahl von Gängen der Verbrauch nicht mehr bedeutend verbessert werden kann. Denn mehr Gänge sind üblicherweise aufwendigere Getriebe, die mit ihren höheren Verlusten den geringen Verbrauchsvorteil zum großen Teil wieder auffressen.

Wir gehen nun systematisch vor. Wann ist der Verbrenner besonders schlecht? Bei geringen Leistungen. Wo sind die geringen Leistungen? Im Stillstand. Die Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs ist sogar null, und trotzdem verbrauchen wir Kraftstoff! Und wir stehen ziemlich viel herum in einem NEFZ.
Der erste Schritt sind also: Stop-Start-Systeme. Und für die treibt man schon einen gehörigen Aufwand. Da müssen Anlasser ganz andere Belastungen aushalten, weil sie um ein Vielfaches häufiger benutzt werden. Da müssen Batterien größer ausgelegt werden, damit im Stillstand das Radio und das Licht noch funktioniert. Da muß im Fahrbetrieb diese Batterie auch wieder geladen werden.
Wo ist noch etwas zu holen? Beim Bremsen! Wie wäre es, beim Bremsen die Batterie stärker zu laden? Was kann man beim Bremsen noch tun? Da gibt es die verschiedensten Ideen. Zunächst wird der Verbrenner ja mitgeschleppt. Also Schubabschaltung, das heißt, es wird kein Kraftstoff eingespritzt. Aber warum nicht gleich auskuppeln und abschalten? Oder nur auskuppeln und im Standgas betreiben? (Über den sogenannten Segelbetrieb gibt es verschiedenste Ansichten, die wir uns ersparen können: Der NEFZ bremst so, daß Segeln nicht nötig ist.) Aber was passiert dann mit der Bremskraftverstärkung und der Lenkung? Die müssen elektrifiziert werden, damit sie auch ohne Verbrennungsmotor funktionieren. Und wie starten wir den Verbrenner wieder zu, wenn sich der Fahrer umentscheidet und plötzlich wieder Gas gibt?
Und jetzt folgt der nächste Schritt ganz logisch: Hybridantrieb. Wir fahren bei geringen Lasten und Geschwindigkeit elektrisch mit der Energie aus einer großen Batterie. Dazu brauchen wir einen etwa fünf bis zehn Mal so großen Elektromotor wie er als Lichtmaschine sowieso schon verbaut wird, und die Batterie muß eben auch noch ein Stückchen wachsen. Wir sparen uns dafür die Lichtmaschine! Und wir können mit diesem großen Elektromotor die Batterie laden, wenn wir bremsen. Dieser Vorgang nennt sich Rekuperation. Wir können außerdem die Batterie laden, wenn wir mit dem Verbrenner fahren. Dabei wird der Verbrenner auch noch in besseren Verbrauchsbereiche gefahren, da er ja bei gleicher Drehzahl ein höheres Moment und damit eine höhere Leistung erzeugen muß (orangefarbener Pfeil). So seltsam es klingt: Dadurch wird die Energie mit geringerem spezifischem Verbrauch gewandelt.
Oder wir können die Leistungen von Verbrenner und Elektromotor addieren, wenn wir stark beschleunigen wollen. Dann können wir ein sportliches Fahrzeug mit einem vergleichsweise kleinen Verbrennungsmotor anbieten.

Alles super? Oder ergeben sich neue Probleme durch die Hybridisierung? Und wie machen das die Hersteller nun genau? Wie ordnen sie die Maschinen an, wie viele davon brauchen sie? Und warum kann man manche Hybridfahrzeuge laden und andere nicht?
# |  Rauchfrei | Gas geben


31.01.15, 16:40 | 'Maschinen bauen, Mensch bleiben'
Dies ist eine Fortsetzung zur Definition des Hybridfahrzeugs.

Warum also Hybridfahrzeuge?
Nun, da kommen natürlich mehrere Faktoren zusammen. Einerseits ist der Hybrid eine Innovation, und die lässt sich gern vom Markt treiben, und von der Frage, was den Kunden dazu bewegen könnte, ein bestimmtes Fahrzeug zu kaufen.
Ein weiterer, sehr starker Treiber für die Entwicklung von Hybridfahrzeugen ist der Gesetzgeber. So werden in allen Teilen der Welt die Emissionen von Kraftfahrzeugen reguliert. In Europa übernimmt das die EU auf mehrere Arten: Schädliche Abgase wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und diverse andere wie Schwefeloxide oder Feinstäube werden in ihrer zulässigen Menge begrenzt. Einen Überblick liefert hier das Umweltbundesamt. Zur Behandlung dieser Schadstoffe wurden diverse Techniken entwickelt. Dies sind beispielsweise klassische Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter und neuerdings auch Katalysatoren, die mit zusätzlich eingespritzten Harnstoff arbeiten und so Stickoxide chemisch reduzieren - wobei die Reduktion hier als die Gegenreaktion zur Oxidation verstanden wird. Die Schadstoffe werden so in weniger schädliche Stoffe umgewandelt.
Nun kommt das Kohlenstoffdioxid als weiterer "Schadstoff" ins Spiel. Kohlenstoffdioxid ist im Gegensatz zum Kohlenstoffmonoxid zwar in den üblichen Konzentrationen ungiftig, hat allerdings eine Wirkung als Treibhausgas. Die Treibhausgase tragen (sehr grob gesagt) zur Erwärmung der Atmosphäre bei. Diese Wirkung zu quantifizieren, ist Gegenstand der aktuellen Forschung. In [1] wird der Treibhauseffekt von Kohlenstoffdioxid mit dem von Sauerstoff und Wasserdampf verglichen. Die Diskussion dieser Wirkungen soll an dieser Stelle jedoch nicht vertieft werden.
Kohlenstoffdioxid ist Ergebis der Verbrennung von Kraftstoff. Die Energie im Kraftstoff ist in Form von Kohlenstoffverbindungen gespeichert, und diese werden verbrannt, also oxidiert, zu Kohlenstoffdioxid. Dieses lässt sich also nich durch Katalysatoren mengenmäßig verringern, sondern ist das direkte Ergebnis der eingesetzten Kraftstoffmenge. Diese Gesetzgebung nimmt also direkten Einfluß auf den zulässigen Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs.
Wie genau diese Richtlinien funktionieren, ist sehr unterschiedlich. In der EU wird ein sogenannter Flottenverbrauch eingeführt, den jeder Fahrzeughersteller einzuhalten hat. Dieser wird aus den Verkaufszahlen und den Verbräuchen der einzelnen Fahrzeuge errechnet, wobei auch Faktoren wie die Fahrzeugmasse einen Einfluss haben. Bei höheren Fahrzeugmassen sind höhere Kohlenstoffdioxidemissionen zulässig (Seite 12. Bei einer Überschreitung des Flottenverbrauchs können Strafzahlungen des Herstellers angeordnet werden. In anderen Teilen der Welt werden ähnliche Regelungen eingeführt, etwa die Corporate Average Fuel Economy (CAFE) in den USA.

Was bewirkt nun eine solche Gesetzgebung?
Ein Hersteller kann nun schulterzuckend die Strafen an seine Kunden über den Kaufpreis weitergeben, weil er davon ausgeht, daß seine Fahrzeuge beispielsweise luxuriös genug sind, um auch bei höheren Preisen verkauft zu werden. Ein Nischenhersteller kann unterhalb eines Grenzwertes an verkauften Fahrzeugen den Strafzahlungen entgehen.
Hersteller von Kleinwägen haben vielleicht bis zur nächsten Verschärfung der Grenzwerte den Vorteil, daß ihre Kleinfahrzeuge schon verbrauchsgünstig genug sind, damit die Grenze eingehalten wird. Durch die Massenabhängigkeit der Grenzwerte geraten allerdings auch diese Fahrzeuge unter Druck.
Für alle anderen gilt es nun, den Flottenverbrauch zu senken. Dazu sind verschiedene Maßnahmen möglich. In die Berechnung gehen zum Beispiel auch Elektrofahrzeuge ein. Allerdings sind die verkauften Stückzahlen dabei gering und stark von einer staatlichen Förderung abhängig, wie beispielsweise in Skandinavien.
Eine Verbrauchssenkung wird beispielsweise durch Entwicklungen am Fahrzeug erreicht. Dies geht von neuen Reifen mit geringerem Rollwiderstand über eine vebesserte Aerodynamik und Getriebe mit geringeren Verlusten bis zu Verbesserungen am Verbrennungsmotor. Einsparungen an der Fahrzeugmasse bergen trotz der bereits erwähnten Massenabhängigkeit der Verbrauchsgrenzen noch Potentiale für viele schwerere Fahrzeuge. Diese müssen allerdings teuer erkauft werden, da die Fahrzeugsicherheit und der Komfortzuwachs stets neue Bauteile mit zusätzlicher Masse ins Fahrzeug einbringen.
Reichen diese Maßnahmen nun nicht aus, um die Kohlenstoffdioxid-Grenzwerte einzuhalten und damit den Kraftstoffverbrauch zu senken oder ist eine weitere Innovation gewünscht, liegt es also nahe, die Fahrzeuge zur Kraftstoffeinsparung zu hybridisieren.
Aber warum spart ein Hybridfahrzeug trotz zusätzlicher Masse Kraftstoff? Dies liegt an einer Eigenschaft des Verbrennungsmotors, die ich im nächsten Beitrag beschreiben werde, und an der Art, wie der Kraftstoffverbrauch zur Zertifizierung durch den Gesetzgeber gemessen wird.
# |  Rauchfrei | Gas geben


31.01.15, 16:01 | 'Maschinen bauen, Mensch bleiben'
Ich beschäftige mich beruflich mit Hybridfahrzeugen, und vor einer Weile hatte ich mal die Idee, davon zu erzählen. Nun also.

Häbrid?
Was sind eigentlich Hybridfahrzeuge? Nach der ECE-Richtlinie R101 [1] sind das alle Fahrzeuge, die zwei unterschiedliche Energiespeicher und Energiewandler mitführen, die beide zur Fortbewegung des Fahrzeugs dienen.
Ideen für alternative Antriebe gibt es so einige. So gab es vor gut zehn Jahren mal ein Forschungsprogramm, bei dem mehr als 100 Traktoren auf unverändertes Pflanzenöl umgerüstet wurden [2]. Dieses Pflanzenöl ist sehr einfach zu erzeugen, verursacht allerdings diverse Probleme. So ist es zum Beispiel bei kalten Temperaturen sehr viskos, unter Umständen wachsartig. Außerdem ist es nicht stabil, sondern entmischt und zersetzt sich vergleichsweise schnell. Die Fahrzeuge wurden also meist mit Diesel gestartet und warmgefahren, und im laufenden Betrieb auf Pflanzenöl umgestellt. Vor dem Betriebsende wird üblicherweise wieder mit Diesel gefahren, um Rückstände in den Leitungen zu verhindern, damit sich diese nicht zusetzen. Dies erklärt auch, warum gerade Traktoren umgerüstet wurden: Diese Fahrzeuge werden üblicherweise über längere Zeit am Stück und mit hohen Leistungsanforderungen betrieben. Nun, die Ergebnisse waren eher mittelmäßig, es traten diverse Schäden an den Motoren und Einspritzsystemen auf. Die Biokraftstoffe an Tankstellen sind übrigens raffiniert, wodurch sie in ihren Eigenschaften viel näher an herkömmlichen Kraftstoffen liegen und mit vielen Fahrzeugen betrieben werden können. Allerdings bedeutet die Raffination einen zusätzlichen Energieaufwand für den Kraftstoff.
Ein derart umgerüstetes Fahrzeug ist übrigens kein Hybridfahrzeug, da es nur über einen Energiewandler - den Verbrennungsmotor - verfügt. Auch ein klassisches Verbrennerfahrzeug ist kein Hybrid. Es verfügt zwar über einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, eine Batterie und einen Elektromotor, aber der eignet sich nicht zum Fahren, auch wenn man bei älteren Fahrzeugen durchaus den einen oder anderen Meter auf dem Anlasser hoppeln kann.
Ein reines Elektrofahrzeug wie die Modelle von Tesla ist ebensowenig ein Hybrid.
Was ist dann ein Hybrid? Ein Fahrzeug mit einem Benzin- und einem Dieseltank und zwei für den jeweiligen Kraftstoff geeigneten Motoren wäre theoretisch ein Hybridfahrzeug. Aber kein besonders sinnvoller, deshalb gibt es so etwas meines Wissens nicht. Stattdessen gibt es Vielstoffmotoren, die verschiedenste Kraftstoffe verbrennen können. Verwendet werden solche Motoren hauptsächlich im militärischen Bereich. Verbrauch und Abgase sind dort eher nachrangige Probleme.
Es gibt noch einige andere Speicher für Energie in Fahrzeugen. So gibt es Konzepte für Druckluft- oder Öldruckspeicher ebenso wie für Wasserstoff. Oder eben Batterien.
Hybridfahrzeuge mit Batterien und einem oder mehreren Elektromotoren zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor mit Kraftstofftank sind also üblicherweise gemeint, wenn von Hybridfahrzeugen die Rede ist. Und daß es überhaupt zur Entwicklung von Hybridfahrzeugen kam, ist eine Folge von Eigenheiten des Verbrennungsmotors, auf die ich gleich noch eingehen werde.
# |  1 RauchzeichenGas geben