Wie Hybridautos funktionieren: Die Mechanismen hinter besserem MPG

Der Pumpenpreis ist gerade wieder gestiegen. Sie starren auf die Düse, rechnen im Kopf nach und fragen sich, ob es an der Zeit ist, den Verbrennungsmotor endgültig aufzugeben. Vielleicht kommt Ihnen der Gedanke, Ihren täglichen Fahrer gegen ein Plug-in-Elektrofahrzeug (BEV) einzutauschen. Aber Reichweitenangst ist real. Sie wollen Effizienz. Sie wollen geringere Emissionen. Sie möchten nach einer Autofahrt nicht drei Stunden lang an einer Ladestation hängen bleiben.

Betreten Sie das Hybridauto.

Es ist der Mittelweg. Aber was passiert eigentlich unter der Haube, um 20 oder 30 zusätzliche Meilen pro Gallone aus einer Tankfüllung herauszuholen? Bedeutet eine bessere Kilometerleistung automatisch einen saubereren Fußabdruck? Und wo passt der Plug-in-Hybrid in diese Gleichung?

Wir zerlegen die Mechanik des Benzin-Elektro-Hybrids. Wir werden uns ansehen, wie diese Systeme Stromquellen kombinieren und wie Sie sie antreiben können, um die Effizienz zu maximieren.

Benzinstrom vs. Strom

Ein Hybrid ist im wahrsten Sinne des Wortes ein Hybrid. Es nutzt das Beste aus der Welt der Verbrennungsmotoren und kombiniert es mit dem elektrischen Antriebsstrang. Um den Kompromiss zu verstehen, muss man die Extreme betrachten.

Das Benzinauto:
1. Der Kraftstofftank fasst Benzin.
2. Benzin speist den Motor.
3. Der Motor dreht das Getriebe.
4. Das Getriebe dreht die Räder.

Das Elektroauto:
1. Der Akku speichert Strom.
2. Batterien versorgen den Motor.
3. Motor dreht das Getriebe.
4. Das Getriebe dreht die Räder.

Der Hybrid versucht, den Komfort des Tankens an einer Tankstelle beizubehalten und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch der ersten Option zu senken. Es ist ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und elektrischem Drehmoment.

Die Anatomie eines Benzin-Elektro-Hybrids

Hybride sind nicht nur ein Benzinmotor mit einer kleinen Batterie. Es sind komplexe Systeme. Hier sind die Kernkomponenten, die die Magie möglich machen.

Der Benzinmotor
Es sieht aus wie ein Standardmotor, ist aber anders abgestimmt. Hybride verwenden typischerweise kleinere Motoren – manchmal Vierzylinder, wo ein V6 in einem herkömmlichen Auto untergebracht wäre. Sie nutzen fortschrittliche Technologie, um sauberer und effizienter zu verbrennen. Der Motor ist nicht immer der Hauptantrieb.

Der Kraftstofftank
Hier kommt es auf die Energiedichte an. Benzin hat im Vergleich zu Batterien eine gewaltige Leistung. Um die gleiche Energiemenge wie nur eine Gallone Benzin zu speichern, bräuchte man etwa 1.000 Pfund Batteriezellen. Dieses Gewicht ist für die meisten Personenkraftwagen unerschwinglich. Der Kraftstofftank bleibt die wichtigste Energiequelle für große Entfernungen.

Der Elektromotor
Das sind keine einfachen Starter. Es handelt sich um hochentwickelte Einheiten, die von fortschrittlicher Elektronik gesteuert werden. Ein Elektromotor in einem Hybrid ist eine Einbahnstraße. Es fungiert als Motor und bezieht Strom aus den Batterien, um das Auto zu beschleunigen. Es kann aber auch als Generator fungieren. Wenn Sie vom Gas gehen oder auf die Bremse treten, kehrt der Motor seine Funktion um. Es erfasst kinetische Energie und speist sie wieder in die Batterien ein. Dabei handelt es sich um regeneratives Bremsen in Aktion.

Der Generator
Im Gegensatz zum Fahrmotor besteht die einzige Aufgabe dieser Komponente darin, Strom zu erzeugen. Man findet es vor allem in Serien-Hybrid-Setups. Es dreht die Räder nicht direkt.

Die Batterien
Diese speichern die Energie für den Elektromotor. Im Gegensatz zum Kraftstofftank, der nur Energie abgibt, kann die Hybridbatterie Energie aufnehmen. Beim Abbremsen gibt der Elektromotor die Leistung wieder zurück, während der Benzinmotor sie während der Fahrt aufladen kann.

Die Übertragung
Hier gehen die Designs stark auseinander. Einige Hybride verwenden herkömmliche Zahnradgetriebe. Der Honda Insight beispielsweise nutzt eine Mehrgang-Automatik. Andere, wie der Toyota Prius, verwenden eine grundlegend andere Architektur, die Motor und Motoreingang kontinuierlich miteinander verbindet.

Parallele Hybride

Bei einem Parallelhybrid sind beide Energiequellen mit den Rädern verbunden. Der Gasmotor kann das Getriebe drehen. Der Elektromotor kann auch das Getriebe drehen. Sie können zusammenarbeiten.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten könnte der Elektromotor die ganze Arbeit erledigen. Bei Autobahngeschwindigkeiten oder starker Beschleunigung springen Motor und Motor gleichzeitig an. Es ist ein unkomplizierter Ansatz. Sie profitieren von den Vorteilen des elektrischen Drehmoments ohne aufwändigen Serienaufbau.

Serienhybriden

Serienhybride funktionieren anders. Der Benzinmotor treibt die Räder nie direkt an. Stattdessen fungiert es als Range Extender.

Der Gasmotor treibt einen Generator an. Dieser Generator erzeugt Strom. Dieser Strom lädt entweder die Batterien auf oder treibt den Elektromotor an, der das Getriebe antreibt. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Elektroauto mit einem benzinbetriebenen Generator an Bord. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Motor, unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit konstant mit der effizientesten Drehzahl zu laufen, führt jedoch zu Effizienzverlusten beim Umwandlungsprozess.

Das Effizienzparadoxon kleinerer Motoren

Das Geheimnis einer Performance-Hybridauto-Strategie besteht nicht nur darin, Elektrizität hinzuzufügen; Es geht darum, den Verbrennungsmotor kleiner zu machen. Ein herkömmliches Auto benötigt einen großen, durstigen Motor, um genügend Drehmoment für eine schnelle Beschleunigung zu erzeugen. Ein Hybrid tauscht den V8 gegen einen kompakten Vierzylinder oder sogar einen Dreizylinder.

Warum steigert die Verkleinerung des Motors die Effizienz? Es kommt auf Physik und Reibung an. Ein großer Motor ist schwer. Jedes Mal, wenn Sie beschleunigen oder einen Hügel erklimmen, schleppen Sie zusätzliches Metall mit sich herum. Im Inneren des Blocks benötigen größere Kolben und Kurbelwellen mehr Energie, um sich auf und ab zu bewegen. Ein größerer Zylinderhubraum bedeutet, dass pro Hub mehr Kraftstoff eingespritzt wird. Und vergessen wir nicht die Zylinder selbst – jeder einzelne zündet und verbrennt Kraftstoff, selbst wenn das Auto im Leerlauf läuft oder im Leerlauf läuft.

Zwei identische Autos, unterschiedliche Motoren. Auf der Autobahn mit 65 Meilen pro Stunde benötigen beide die gleiche Leistung, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Aber der kleinere Motor verbraucht weniger Kraftstoff, nur um sich selbst zu betreiben. Er arbeitet näher an der Spitzenlast, wo die thermische Effizienz am höchsten ist, während der große Motor mit niedrigen, ineffizienten Drehzahlen läuft.

Überbrückung der Machtlücke

Wie kann also ein kleiner Motor mit einem Camaro ZL1 mithalten? Das ist nicht der Fall. Und das muss auch nicht sein.

In einem herkömmlichen Auto ist der Motor auf Spitzenleistung ausgelegt. Sie stellen es auf eine Autobahnauffahrt und der große V8 schreit nach maximalem Drehmoment. Aber hier ist die harte Wahrheit: Die meisten Fahrer nutzen diese Spitzenleistung in weniger als 1 % der Zeit. Der Rest der Fahrt besteht aus Pendeln, Cruisen und Leerlauf.

Hybride entkoppeln Leistung von der Notwendigkeit. Der Benzinmotor ist für durchschnittliche Leistungsanforderungen ausgelegt – genug, um das Auto bei Autobahngeschwindigkeit in Bewegung zu halten. Wenn Sie schnell einfädeln oder ein steiles Gefälle erklimmen müssen, schaltet sich der Elektromotor ein. Er liefert sofort das Drehmoment, das dem kleinen Benzinmotor fehlt. Diese Synergie bedeutet, dass der Motor für seltene Ereignisse mit hoher Nachfrage nie überdimensioniert werden muss.

Fünf Taktiken zur Maximierung des MPG

Über den Motorwechsel hinaus nutzen Hybridfahrzeuge spezielle Technologien, um jede Meile aus einer Gallone herauszuholen. Bei einigen handelt es sich um Standard-Effizienztricks; andere sind hybrid-exklusiv.

1. Regeneratives Bremsen: Abwärme einfangen

Wenn Sie bremsen, verschwenden Sie im Wesentlichen Energie. Kinetische Energie wird in den Bremsbelägen in Wärme umgewandelt und an die Luft abgegeben. Bei einem Hybrid geht diese Energie nicht verloren.

Das System nutzt regeneratives Bremsen. Wenn Sie vom Gaspedal gehen oder die Bremse betätigen, kehrt der Elektromotor seine Funktion um. Anstatt Energie zu verbrauchen, um die Räder zu drehen, fungiert es als Generator. Der Widerstand bremst das Auto ab und lädt gleichzeitig die Hochvoltbatterie auf. Sie fangen Energie ein, die sonst verschwunden wäre.

2. Auto Start-Stop: Leerlauf beenden

Leerlauf ist Kraftstoffverschwendung. Es wird nicht gearbeitet, aber der Motor verbrennt Benzin. Hybridfahrzeuge mit fortschrittlichen Start-Stopp-Systemen schalten den Motor vollständig ab, wenn das Auto zum Stillstand kommt – etwa an einer roten Ampel oder bei starkem Verkehr. Sobald Sie die Bremse lösen, schaltet sich der Elektromotor oder Anlasser ein, um den Motor sanft neu zu starten. Bei stehendem Auto wird kein Gas verbrannt.

3. Reduzierung des Luftwiderstands

Bei Autobahngeschwindigkeiten ist der Luftwiderstand der Feind. Die Hauptaufgabe des Motors besteht nicht darin, das Auto zu bewegen; Es schiebt das Auto durch die Luft.

Hybridfahrzeuge verfügen oft über niedrigere Dachlinien, glattere Unterbodenverkleidungen und sogar abgedeckte Radkästen. Diese Designentscheidungen reduzieren die Frontfläche und sorgen für einen reibungslosen Luftstrom. Weniger Luftwiderstand bedeutet, dass der Motor nicht so hart arbeiten muss, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, was sich direkt auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.

4. Reifen mit geringem Rollwiderstand

Standardreifen sind ein Kompromiss. Sie müssen leise, bequem und griffig bei Regen oder Schnee sein. Sie sind nicht auf Effizienz ausgelegt. Hybridautos verwenden spezielle Reifen mit geringem Rollwiderstand. Sie sind steifer und laufen oft bei höheren Drücken. Dies verringert die Biegung der Seitenwände und die Reibung an der Aufstandsfläche, sodass das Auto mit weniger Leistung weiter rollen kann.

5. Gewichtsreduktion

Gewicht ist der Killer für den Kraftstoffverbrauch. Ein leichteres Auto benötigt weniger Energie zum Beschleunigen und weniger Energie zum Bergauffahren. Hersteller verwenden leichte Materialien wie Aluminium, Magnesium und Verbundkunststoffe für Karosserie und Chassis. Jedes verlorene Pfund bedeutet einen leichten, aber kumulativen Zuwachs in Meilen pro Gallone.

Der Herzschlag des Prius

Das Leistungsverzweigungsgerät ist das eigentliche Herzstück des Toyota Prius. Das muss man respektieren. Es handelt sich um ein cleveres Getriebe, das den Benzinmotor, den Generator und den Elektromotor zu einem festen Knoten verbindet. Hier geschieht die Magie. Dadurch kann das Auto wie ein Parallelhybrid betrieben werden. Der Elektromotor kann das Auto alleine antreiben, der Benzinmotor kann das Auto alleine antreiben oder beide können das Auto gemeinsam antreiben. Es ist flexibel.

Es verhält sich auch wie ein Serienhybrid. Der Benzinmotor kann unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit betrieben werden. Es lädt lediglich die Batterien auf oder versorgt die Räder je nach Bedarf mit Strom. Das ist effizient.

Die Leistungsverzweigungsvorrichtung fungiert gleichzeitig als stufenloses Getriebe. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines manuellen oder automatischen Getriebes. Keine Verschiebung. Kein Kupplungspedal. Einfach eine reibungslose Leistungsabgabe. Da die Leistungsverzweigung es dem Generator ermöglicht, den Motor zu starten, benötigt das Auto schließlich keinen Anlasser. Dieser Teil existiert einfach nicht.

Die Leistungsverzweigungseinrichtung ist ein Planetenradsatz. Es ist komplex, aber elegant. Der Elektromotor ist mit dem Hohlrad des Zahnradsatzes verbunden. Es ist auch direkt mit dem Differential verbunden. Dieses Differential treibt die Räder an. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs hängt also von der Geschwindigkeit ab, mit der sich der Elektromotor und der Zahnkranz drehen. Einfache Physik. Starke Ergebnisse.

Das mechanische Herzstück des Toyota-Hybridsystems ist die Leistungsverzweigung, ein Planetenradsatz, der den Energiefluss zwischen Motor, Generator und Traktionsmotor regelt. Es handelt sich nicht um ein herkömmliches Getriebe mit schaltbaren Gängen. Stattdessen handelt es sich um einen stufenlosen Mechanismus, bei dem das Sonnenrad mit dem Generator und der Planetenträger mit dem Benzinmotor verbunden ist. Der Zahnkranz? Das hängt mit der Abtriebswelle zusammen, die letztendlich die Räder antreibt.

Da diese drei Komponenten mechanisch miteinander verbunden sind, können sie sich nicht unabhängig voneinander bewegen. Die Geschwindigkeit des Zahnkranzes ist die Summe der Bewegungen der beiden anderen. Sie müssen sich ständig koordinieren. Wenn einer schneller wird, müssen die anderen ihre Rotation anpassen, um die Physik aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise regelt das System die Abtriebsgeschwindigkeit ohne herkömmliche Kupplung oder Getriebe.

Beim Betätigen des Gaspedals aus dem Stand bleibt der Benzinmotor ausgeschaltet. Der Elektromotor und der Akku übernehmen die ganze schwere Arbeit. Der Elektromotor ist mit dem Zahnkranz verbunden, sodass er sich sofort zu drehen beginnt und das Auto vorwärts schiebt. Aber hier ist der Clou: Der am Motor befestigte Planetenträger steht still. Der Motor läuft noch nicht.

Da sich das Hohlrad dreht und der Planetenträger festsitzt, müssen sich die Planetenräder um ihre eigene Achse drehen. Diese Drehbewegung dreht das Sonnenrad. Das Sonnenrad ist mit dem Generator verbunden. Wenn Sie also im Elektromodus beschleunigen, dreht sich der Generator hoch. Es erzeugt noch keinen Strom für die Batterie; Es dreht sich nur, um den Motor ausgekuppelt zu halten. Der Generator dreht sich mit genau der Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um die Bewegung des Hohlrads relativ zum Planetenträger aufzuheben. Dadurch bleibt die Motorwelle völlig ruhig. Es ist ein eleganter mechanischer Trick.

Wenn der Motor anspringt

Dieser rein elektrische Modus hält an, bis Sie etwa 64 km/h erreichen. An diesem Punkt entscheidet das System, dass es an der Zeit ist, den Benzinmotor in den Mix einzubeziehen. Der Generator ändert plötzlich seine Drehzahl. Diese Änderung stört das Gleichgewicht des Planetenradsatzes. Die über die Zahnräder übertragene Kraft bewirkt nun, dass sich der Planetenträger dreht.

Der Planetenträger ist an der Kurbelwelle des Motors befestigt. Sobald es sich also zu drehen beginnt, beginnt der Motor zu laufen. Es handelt sich um einen reibungslosen Übergang, da der Motor bereits vor dem Start durch den Antriebsstrang gedreht wird. Es ist kein Anlasser erforderlich, um den Motor in Gang zu setzen; Das Hybridsystem fungiert als Starter.

Sobald der Motor im Leerlauf läuft und läuft, stellt er eine konstante Drehzahl ein. Der Generator ändert nun kontinuierlich seine Drehzahl, um sie an den Leistungsbedarf des Fahrmotors und der Räder anzupassen. Dadurch kann der Motor unabhängig von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs in seinem effizientesten Drehzahlbereich arbeiten. Der Generator passt seine Drehzahl an die Ausgangsdrehzahl des Elektromotors an und stellt so sicher, dass der Motor nicht schleppen oder wild hochdrehen muss.

Wenn Sie das Gaspedal durchtreten, bezieht der Elektromotor zusätzlichen Strom aus der Hochvoltbatterie, um das Drehmoment zu steigern. Sobald Sie jedoch Autobahngeschwindigkeit erreichen, fährt das Auto mit einer Mischung aus Benzin und Strom. Der gesamte zu diesem Zeitpunkt verbrauchte Strom stammt vom Generator, der vom Motor angetrieben wird. Die Batterie ist im Wesentlichen ein Puffer, der beim Bremsen Energie speichert und beim Beschleunigen wieder abgibt.

Wie viel PS brauchen Sie tatsächlich?

Es besteht eine massive Diskrepanz zwischen der auf der Plakette eines Autos angegebenen Leistung und der Leistung, die tatsächlich erforderlich ist, um die Geschwindigkeit auf der Autobahn aufrechtzuerhalten. Das meiste, was ein Auto auf der Straße leistet, verbraucht nur einen winzigen Bruchteil seiner Gesamtleistung.

Wenn Sie mit 60 mph (96,6 km/h) auf einer ebenen Straße fahren, kämpft Ihr Motor mit drei Hauptkräften:

1. Aerodynamischer Widerstand. Der Luftwiderstand steigt mit dem Quadrat Ihrer Geschwindigkeit. Sich durch die Luft zu bewegen erfordert Kraft.
2. Mechanische Reibung. Dazu gehören der Rollwiderstand der Reifen, die Reibung im Getriebe, in den Achsen und in den Bremssätteln.
3. Zusatzverbraucher. Der Klimakompressor, die Servolenkungspumpe und die elektrischen Systeme beziehen alle Energie vom Motor.

Bei den meisten modernen Limousinen sind zur Überwindung dieser Kräfte bei 60 Meilen pro Stunde weniger als 20 PS erforderlich. Warum bauen Hersteller also Motoren mit 200 PS? Denn Sie benötigen diese Leistungsreserven zum Überholen, beim Einfahren auf Autobahnen oder beim Beschleunigen aus Kreuzungen. Dieser Moment, in dem es richtig losgeht, ist das einzige Mal, dass Sie auch nur annähernd die volle Leistung nutzen. Bei den meisten Fahrten verbrauchen Sie einen kleinen Prozentsatz der verfügbaren Leistung.

Diese Effizienzlücke ist der Grund, warum Hybridfahrzeuge so überzeugend sind. Sie nutzen den Elektromotor, um die Anforderungen bei niedriger Drehzahl und hohem Drehmoment zu bewältigen, die andernfalls Kraftstoff verschwenden würden.

Hybrid-Kilometer-Tipps: Fahren Sie auf Effizienz

Der Wunsch nach schneller Beschleunigung ist der Feind des Kraftstoffverbrauchs. Das ist Ihnen wahrscheinlich schon beim Händler aufgefallen. Ein Auto mit einem kleineren, weniger leistungsstarken Motor hat oft bessere MPG-Werte in der Stadt und auf der Autobahn als ein identisches Modell mit einem Turbomotor oder einem größeren Motor. Mehr Leistungspotenzial bedeutet, dass mehr Kraftstoff verbrannt wird, um dieses Potenzial zu schaffen, auch wenn Sie es nicht nutzen.

Um die beste Laufleistung eines Hybridfahrzeugs zu erzielen, benötigen Sie kein neues Auto. Du brauchst einfach andere Gewohnheiten. Die Prinzipien sind die gleichen wie bei jedem Benzinauto, aber das Hybridsystem steigert die Vorteile.

Fahren Sie langsamer

Der Luftwiderstand ist der größte Faktor für die Effizienz auf Autobahnen. Der Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit dramatisch zu. Bei 70 mph (113 km/h) ist der Luftwiderstand etwa doppelt so hoch wie bei 50 mph (81 km/h). Eine Verdoppelung des Luftwiderstands verdoppelt zwar nicht die benötigte Leistung, erhöht sie aber deutlich. Wenn Sie Ihre Geschwindigkeit niedrig halten, selbst um 5 oder 10 Meilen pro Stunde, können Sie messbare MPG-Zuwächse erzielen.

Halten Sie eine konstante Geschwindigkeit ein

Jedes Mal, wenn Sie beschleunigen, verbrennen Sie Energie, um die kinetische Energie zu erhöhen. Beim Bremsen wird diese Energie als Wärme abgegeben. Bei einem Hybrid wird durch regeneratives Bremsen ein Teil davon wiederhergestellt, aber nicht alles. Durch die Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit minimieren Sie den Energieverlust durch Brems- und Beschleunigungszyklen. Der Tempomat hilft, aber Ihrem Fuß geht es oft besser. Rechnen Sie mit dem Verkehrsfluss und halten Sie das Pedal ruhig.

Vermeiden Sie abrupte Stopps

Hier glänzen Hybriden. Beim sanften Bremsen fungiert der Elektromotor als Generator. Es widersteht der Drehung der Räder, verlangsamt das Auto und wandelt gleichzeitig kinetische Energie wieder in Elektrizität um, die in die Batterie fließt. Je stärker und schneller Sie anhalten, desto mehr übernehmen die mechanischen Bremsen. Mechanische Bremsen wandeln diese Energie in Wärme um und verschwenden sie vollständig.

Gibt man dem Elektromotor Zeit, das Fahrzeug abzubremsen, gewinnt er mehr Energie zurück. Das gilt auch für Benzinautos, bei Hybridfahrzeugen ist der Effekt jedoch stärker ausgeprägt, da die zurückgewonnene Energie direkt für die nächste Beschleunigung genutzt werden kann. Bei reibungslosen Eingaben geht es nicht nur um Komfort. Es geht ihnen um Effizienz.

Quellen

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