Dieselmotor
Der Dieselmotor ist eine Wärmekraftmaschine die nach dem Verbrenner-Prinzip arbeitet. Es handelt sich um einen Kolbenmotor, der aus folgenden Haupt-Komponenten aufgebaut ist:
Das größte Bauteil ist das sogenannte Kurbelgehäuse, auch Motorblock genannt. Es beinhaltet die Lagerung für die Kurbelwelle und hat die Bohrungsöffnungen, oder auch Zylinder genannt, für den Einbau der Arbeits-Kolben mit Pleuelstange. Je nachdem wie viele Zylinder ein Motorblock hat spricht man dementsprechend von einem Vier-Zylinder Motor, oder einem Sechs-Zylinder Motor usw.
Der Motorenblock wird in einer Eisengießerei hergestellt. In eine vorher angefertigte Sandform die das negative Abbild des Motorblocks ist, wird flüssiger Grauguss eingefüllt. Grauguss ist ein aus Eisen und Stahl durch einschmelzen hergestellter Eisenguss. Die Temperaturen dieser Schmelze liegen bei weit über 1000 Grad und sie wird in eigens dazu hergestellten großen Behältern mit einer feuerfesten Auskleidung durch Erhitzen erschmolzen.
Nach dem Gießvorgang und dem Abkühlen der aufgefüllten Form, muss der Formensand nun von dem fertig gegossenen Motorblock entfernt werden. Der so entstandene Motorblock ist nun in seinem Rohzustand fertig und kann weiter bearbeitet werden.
Auf mechanischen Bearbeitungszentren, wie zum Beispiel auf einer Drehbank oder einem Bohrwerk, werden nun alle Bohrungen die später einmal zur Aufnahme von Lagerungen benötigt werden, zum Beispiel das Kurbelwellenlager, bis auf hundertstel Millimeter genauestens eingearbeitet. Diese genaue Bearbeitung ist für eine hohe Lebensdauer des Motors endscheidend.
Weiterhin werden die bereits im groben eingegossenen Zylinderbohrungen, die später einmal die Kolben aufnehmen werden, genauestens bearbeitet. Auch die Oberfläche dieser Bohrungen muss absolut glatt sein, weil sich hier die Kolben später im Betrieb des Motors mit sehr hohen Geschwindigkeiten auf und ab bewegen werden. Durch das sogenannte Honen, einem hochgenauen Schleifvorgang, werden die Zylinder-Laufflächen feinst-bearbeitet.
Im Zylinderrohr bewegen sich später einmal die Antriebskolben mit einer Geschwindigkeit von über 20 Meter/sec bei einer Drehzahl von ca. 6000 U/min. Die Kolben haben nur einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Zylinder-Bohrungen im Motorblock. Da der Kolben aber dicht im Zylinderrohr laufen muss, sind am Umfang des Kolbens in einer kleinen Nut die sogenannten Kolbenringe eingesetzt. Sie drücken während des Laufens an die Zylinder-Wandung und dichten so den Kolben ab.
Auch alle Anschlussstellen, die später einmal zur Befestigung von Zusatzaggregaten, wie zum Beispiel der Lichtmaschine, Anlasser, Kühlwasserpumpe usw. erforderlich sind werden dementsprechend auf den Bearbeitungszentren eingearbeitet. Die Auflageflächen für den Einbau in die Karosserie sind auch schon vorhanden und bekommen Bohrungen zur Aufnahme weiterer Bauteil für den späteren Einbau in den Motorraum.
Durch sogenanntes Sandstrahlen wird der Motorblock von Gießerei-Rückständen und scharfen Kanten befreit. Während des Sandstrahlens werden kleinste Eisenkugeln unter hohem Druck und großer Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Motorblocks gestrahlt.
Der gesäuberte Motorblock ist nun fertig und kann weiter komplettiert werden.
Moderne Herstellungsverfahren machen es heute möglich, den Motorenblock auch aus einem anderen Material herzustellen, zum Beispiel aus Aluminium-Guss.
Dieses Material hat den besonderen Vorteil gegenüber einem Motorenblock aus Grauguss, dass er erheblich leichter ist und deshalb auch das Gesamtgewicht des Fahrzeugs herabsetzt.
Durch eine konstruktiv günstige Formgebung ist dieses Material auch in der Lage die hohen Innendrücke die während des Verbrennungsprozesses im Zylinderraum entstehen
sicher aufzunehmen.
Auch Zylinderköpfe werden heute serienmäßig nur noch aus Aluminium-Guss hergestellt.
Der Zylinderkopf ist das Bauteil, das auf den oben noch offenen Motorblock aufgeschraubt wird.
Ein weiteres wichtiges Bauteil im Diesel-Motor ist die Kurbelwelle. Sie hat die Aufgabe die Auf-und Abwärts-Bewegungen der Kolben im Zylinderrohr über eine sogenannte Pleuelstange in eine Rotationsbewegung zu übertragen. Also eine translatorische in eine rotatorische Bewegung umzuwandeln. Das gleiche Prinzip findet man auch sehr anschaulich bei einer Dampflokomotive. Der vorne im Zylinderrohr hin und her gehende Kolben überträgt über die Pleuelstange diese Bewegung auf das Rad, dass dann in Rotation versetzt wird.
Die Kurbelwelle ist in einem Schmiedeprozess hergestelltes hochfestes Bauteil und hat eine Wellenverlängerung die aus dem Kurbelgehäuse oder Motorblock genannt herausgeführt wird. Diese Antriebswelle leitet dann später über entsprechende Verbindungselemente das erzeugte Motordrehmoment und Drehzahl bei Betrieb des Motors an die weiteren Fahr-und Antriebselementen weiter.
Unter dem Motorblock befindet sich eine Ölwanne, die den nötigen Schmierstoff für den sicheren Betrieb des Motors beinhaltet. Die sich darin befindliche Ölmenge wird mit einer
Ölpumpe, durch einen Öl-Filter und durch einen Ölkühler zu den Stellen im gesamten Motor gefördert, die während des Betriebes zu schmieren und zu kühlen sind. Eine sichere Schmierung und eine gute Öl-Ölqualität garantieren eine lange Lebensdauer des Motors.
Auf den Motorblock oder auch Kurbelgehäuse genannt ist im oberen Teil der sogenannte Zylinderkopf aufgesetzt. Der Zylinderkopf dichtet das Kurbelgehäuse nach außen hin ab und hat die Aufgabe und die nötigen Bauteile die Verbrennungsgas- und Abgassteuerung zu übernehmen. Hier befinden sich auch die Einspritzdüsen die den Dieselkraftstoff für den Verbrennungsvorgang in die Zylinder einspritzen.
Für jeden einzelne Zylinder sind im Zylinderkopf Ventile angeordnet, die durch eine sogenannte Nockenwelle gesteuert und bewegt werden.
Ventile sind Bauteile die einen Strömungskanal entweder öffnen oder abschließen können.
Sie haben die Aufgabe die entsprechenden Kanäle für das Ansaugen von Frischluft und das Ausstoßen von Verbrennungsgasen zu steuern. Die Nockenwelle hat Nocken an ihrem Umfang, die bei einer Drehbewegung der Welle auf die vorgespannten Ventile drücken. Über Ventilstößel werden sie gegen die Federkraft eingebauter Federn bewegt. Dadurch können die entsprechenden Strömungskanäle geöffnet oder geschlossen werden. Wenn der Nocken bei weitere Drehbewegung den Ventilstößel wieder verlässt, wird das Ventil durch die vorgespannte Federkraft wieder geschlossen.
Die Nockenwelle ist über einen Zahnriemen des Motors direkt angetrieben.
Diese Bewegungsabläufe müssen genau mit der entsprechenden Kolbenstellung im Zylinderrohr koordiniert sein.
Die Steuerung ist so aufgebaut, dass die Ventile der einzelne Zylinder zum richtigen Zeitpunkt durch die Nockenwelle betätigt werden und so die notwendigen Kanäle geöffnet oder geschlossen werden die für den Betrieb des Motors erforderlich sind.
Da die Nockenwelle die Ventilsteuerung übernehmen muss ist es erforderlich, dass Motordrehzahl und Nockenwellendrehzahl immer relativ gleich zueinander sind. Deshalb wird hier ein Zahnriemen für den Antrieb gewählt, weil er durch eine Verzahnung immer eine formschlüssige Verbindung zwischen Motordrehzahl und Nockenwellendrehzahl garantiert.
Weiterhin ist jedem einzelnen Zylinder eine Einspritzdüse zugeordnet die den Dieselkraftstoff zu einem bestimmten Zeitpunkt in den oberen Zylinderraum einspritzt.
Dieser Einspritzvorgang wird durch eine sogenannte Einspritzpumpe realisiert, die für den nötigen Einspritzdruck sorgt. Diese Pumpe ist auch über den Motor-Zahnriemen angetrieben.
Der Dieselmotor arbeitet nach folgendem Prinzip:
Beim Starten des Motors durch den elektrischen Antrieb des Anlassers, saugen die Kolben im Zylinder bei ihrem Abwärtshub durch das Öffnen der dementsprechenden Ventile im Zylinderkopf, frische Außenluft über einen Luftfilter an. Bei dem darauf folgenden Aufwärtshub des Kolbens im Zylinderrohr wird die angesaugte Luft durch den Kolben sehr hoch verdichtet.
Es wird hier ein Druck von ca. 40 bar je nach Motor erreicht. Durch diese hohe Kompression entsteht gleichzeitig eine sehr hohe Temperatur der komprimierten Luft. Am Ende des Verdichtungshubes wird, mechanisch oder elektronisch geregelt, Dieseltreibstoff über die Einspritzdüse in den Zylinderraum oberhalb des Kolbens eingespritzt. Dadurch entsteht ein zündfähiges Gemisch, das in der Folge explosionsartig verbrennt.
Hierbei entsteht ein sehr hoher Explosionsdruck der den Kolben im Zylinderrohr abwärts treibt. Auch Arbeitstakt genannt. Ist der Kolben in der unteren Lage angekommen, werden im Zylinderkopf die Auslassventile geöffnet und das verbrannte Gemisch über den anschließend aufwärts gehenden Kolben und über den Auspuff ins Freie ausgestoßen. Ist der Kolben oben angekommen werden die Auslassventile wieder geschlossen und die Ansaugventile geöffnet. Der abwärts gehende Kolben saugt nun wieder frische Luft in den Zylinderraum ein und der Vorgang beginnt von vorne. Der Motor läuft nun eigenständig und der elektrische Anlasser kann abgeschaltet werden.
Welche Antriebsarten gibt es beim Auto:
Ottomotor
Die Funktionsweise und der grundsätzliche Aufbau des Otto-Motors ist in gewisser Weise ähnlich der eines Dieselmotors, jedoch mit einem wesentlichen Unterschied.
Während beim Dieselmotor das komprimierte Gemisch durch die hohe Kompressions-Temperatur beim Einspritzen des Kraftstoffes selbst zündet, wird beim Otto-Motor ein gasförmiges Gemisch aus Luft und Benzin durch einen elektrischen Funken einer Zündkerze zur Explosion gebracht.
Die Arbeitsweise des Otto-Viertakt-Motors ist folgendermaßen:
Beim Starten des Motors durch den elektrischen Anlasser saugen die Kolben durch die Öffnung der Ansaug-Ventile im Zylinderkopf frische Luft über einen Luftfilter in den Zylinderraum ein. Allerdings gelangt sie nicht direkt dorthin, sondern wird vorher noch durch den sogenannten Vergaser geleitet. Hier befindet sich eine Düse im Ansaugkanal die direkt über eine Benzinpumpe mit dem Benzintank verbunden ist. Vor der Düse befindet sich die Vergaser-Drosselklappe. Sie hat die Aufgabe die Drehzahl des Motors zu regulieren und wird durch das Gaspedal gesteuert.
Die Drosselklappe ist im Ansaugrohr gleichen Durchmessers gelagert und kann durch eine Schwenkbewegung den Rohrquerschnitt mehr oder weniger stark reduzieren. Wenn der Kolben nun in seiner Abwärtsbewegung frische Luft über das Vergaserrohr ansaugt, entsteht durch die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Vergaserrohr ein Unterdruck. Dieses Prinzip wurde erstmals von dem Schweizer Mathematiker Bernoulli nachgewiesen.
Der Bernoulli Effekt hat zur Folge, dass die Gasströmung im Ansaugrohr über eine hinter der Drosselklappe liegende Düse Kraftstoff aus dem Benzintank ansaugen kann. Unterstützt wird dieser Vorgang noch durch eine Benzinpumpe die den langen Weg zwischen Motor und Benzintank überbrückt.
Der angesaugte Kraftstoff wird sofort in der strömenden Luft vernebelt. Dieses Benzin-Luftgemisch gelangt jetzt in den Zylinderraum des Motors. Beim nun folgenden Aufwärtshub des Kolbens im Zylinderrohr werden die Ansaugventile wieder geschlossen und das zerstäubte Benzin-Luftgemisch komprimiert. Ist der Kolben in der oberen Stellung des Zylinderrohres angekommen, wird durch einen elektrisch erzeugten Lichtbogen in einer Zündkerze dieses Gemisch entzündet. Die jetzt schlagartig eintretende Explosion erzeugt einen hohen Gasdruck der den Kolben dann wieder abwärts treibt, der sogenannte Arbeitstakt. Bei Hochleistungsmotoren wird die Gemischaufbereitung durch einen Vergaser nicht angewendet. Hier kommt eine drehzahlgeregelte Kraftstoffeinspritzung die zum richtigen Zeitpunkt in den oberen Zylinderraum den Kraftstoff einspritzt zum Einsatz. Die Kraftstoffeinspritzung arbeitet schneller und präziser als eine Vergasersteuerung was zur Folge hat, dass die Motoren eine höhere Leistungsabgabe bei einem auch besseren Gesamtwirkungsgrad haben.
Ist der Kolben nun wieder unten angekommen, werden die Auslassventile geöffnet und der Kolben schiebt die verbrannten Abgase bei seinem Aufwärtshub im Zylinderrohr dann über den Schalldämpfer ins Freie. Nun werden wieder die Auslassventile geschlossen und die Ansaugventile geöffnet und der Vorgang beginnt von vorne. Der elektrische Anlasser kann jetzt abgeschaltet werden da der Motor eigenständig weiter laufen kann.
Bei einem Mehrzylindermotor, gehen wir einmal von einem Vier-Zylinder Motor aus, werden die Arbeitstakte der einzelnen Zylinder nicht alle zur gleichen Zeit gestartet sondern sie werden paarweise oder auch einzeln hintereinander wirksam. Zwischen den einzelnen Arbeitstakten vergeht also immer eine gewisse Zeit, in der überhaupt gar kein Antrieb durch einen Arbeitstakt stattfindet. Dieser Leerlauf würde sich so in einem sehr unruhigen Lauf des Motors bemerkbar machen. Um diesen Effekt zu verhindern hat die Kurbelwelle an Ihrem Ausgang eine Schwungmasse angebracht die mehrere Kilogramm schwer ist. Sie dreht sich mit und hat dadurch ein sehr hohes Schwungmoment. Kommt der Motor nun bei seiner Arbeitsweise an den Punkt an dem kein Arbeitstakt stattfindet, wird dieses sogenannte „Drehmomententloch“ durch das hohe Trägheitsmoment der sich drehenden Schwungmasse überbrückt, so dass dadurch wieder ein gleichmäßiger Lauf des Motors erreicht wird.
Diese Konstruktion wird auch bei den Motoren, die nach dem Dieselprinzip arbeiten angewendet. Bei den Otto-Motoren haben sich mehrere Varianten durchgesetzt.
Man unterscheidet zwischen Reihen-Motor, V-Motor und Boxer-Motor.
Beim Reihen-Motor sind die Zylinder in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Diese Bauweise ist sehr platzsparend und wird vielfach bei kleineren Fahrzeugen eingesetzt.
Die Anordnung der Zylinder in V-Motor-Bauweise ist von der Seite aus betrachtet v-förmig. Bei einem 4-Zylindermotor sind dann jeweils 2 Zylinder schräg nach rechts und links weisend zueinander angeordnet.
Beim Boxer-Motor liegen die Zylinder flach und arbeiten symmetrisch gegeneinander. Bei einem 4-Zylinder-Motor sind dann 2 Zylinder rechts und 2 Zylinder links neben der Kurbelwelle angeordnet. Durch diese Konstruktion hat der Boxer-Motor gegenüber den anderen Bauweisen im Betrieb die größte Laufruhe, weil sich die Massen-Beschleunigungen der gegenüber liegenden Kolben während des Betriebes gegenseitig ausgleichen. Bekannt wurde der Boxermotor, durch den Einbau im VW-Käfer und in Porsche Fahrzeugen.
Welche Antriebsarten gibt es beim Auto:
Hybridantriebe
Hybrid ist aus dem lateinischen Sprachgebrauch und bedeutet übersetzt eine Kombination von unterschiedlichen Elementen zu einer neuen Einheit die aber auch wieder getrennt werden kann in ihre Einzelelemente.
Bei einem Hybridantrieb in der Fahrzeugtechnik spricht man, wenn mehrere Antriebsvarianten für den Betrieb des Fahrzeuges je nach Einsatzart kombiniert werden können.
Im Automobilbau aber auch bei Antrieben von Lokomotiven im Eisenbahn-Fahrzeugbau sind Kombinationen von Elektromotoren mit Verbrennungsmotoren die meist gebautesten Antriebsvarianten. Der große Vorteil bei Antrieben mit zwei verschiedenen Motorsystemen besteht darin, dass man von der Energiequelle unabhängiger wird und bei Zusammenschalten beider Systeme über mechanische Kupplungen eine höhere Leistung erzielen kann. Weiterhin kann man die einzelnen Antriebe effektiver ausnutzen. Hierdurch lässt sich dann auch der erforderliche Energiebedarf für den Antrieb reduzieren.
Zum Beispiel gibt es Eisenbahnstrecken die nur teilweise mit einer stromführenden Oberleitung ausgestattet sind und auf gewissen Teilstrecken keine Oberleitung zur Verfügung steht. Lokomotiven die hier eingesetzt werden können haben dann einen Verbrennungsmotorantrieb und einen Elektromotorantrieb die dann je nach Fahrstrecke zugeschaltet werden.
Bei Güterzug-Lokomotiven gibt es Kombinationen aus Verbrennungsmotor, Generator und Elektromotor. Der Verbrennungsmotor, in den meisten Fällen ist der ein Dieselmotor, treibt einen stromerzeugenden Generator an. Die erzeugte elektrische Energie wird dann den Elektromotoren die in den Antriebs-Drehgestellen eingebaut sind, zugeführt.
Dieses System hat unter anderem auch den Vorteil, dass man den Verbrennungsmotor ständig bei einer gleichbleibenden Drehzahl betreiben kann die im Bereich des günstigsten Wirkungsgrades des Antriebsaggregates liegt. Das wirkt sich dann auch auf den Wirkungsgrad des gesamten Antriebes positiv aus.
Im Automobilbau gibt es mehrere Varianten in der Kombination von Elektro-Antrieb und Verbrennungsmotor-Antrieb. Die meisten realisierten Varianten sind im Folgenden beschrieben.
Variante 1: der sogenannte serielle Hybrid.
Hier gibt es zwei Antriebsmotoren im Fahrzeug, ein Verbrennungsmotor der ein Dieselmotor sein kann aber auch ein Ottomotor. Das zweite Aggregat ist ein Elektromotor.
Der Antrieb des Fahrzeugs kann wahlweise entweder elektrisch oder über den Verbrennungsmotor erfolgen. Wenn der Elektromotor zugeschaltet ist, wird der Verbrennungsmotor bei niedrigen Drehzahlen auch dazu genutzt über einen Generator den Akkumulator für den E-Antrieb wieder aufzuladen. Siehe auch Variante 3.
Variante 2: der sogenannte parallele Antrieb.
Bei dieser Variante sind ständig beide Motoren, also der Verbrennungsmotor und der Elektromotor über ein mechanisches Getriebe miteinander verbunden, im Einsatz.
Bei dieser Variante gibt es den Vorteil, dass die Abmessungen und die Leistungen der beiden einzelnen Motoren reduziert werden können. Dadurch kann Platz für andere Einbauteile im Fahrzeug geschaffen werden. Trotzdem entsteht durch die Addition beider Leistungen die gewünschte Gesamtleistung für den Fahrzeug-Antrieb zur Verfügung.
Variante 3: Mischhybrid
Bei dieser Variante gibt es ein weiteres elektrisches Bauteil, den Generator. Folgende Fahrkombinationen sind hier möglich:
In der ersten Kombination treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator an der dann die elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs über einen Elektromotor im Antriebsstrang erzeugt. Der Vorteil ist hier, dass der Verbrennungsmotor immer bei gleicher Drehzahl in seinem günstigsten Wirkungsgradbereich laufen kann, trotz unterschiedlichen Belastungsfällen des Fahrzeugs. Das wirkt sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch und die Lärmentwicklung aus.
In der zweiten Kombination ist der Verbrennungsmotor direkt über ein Getriebe und den Antriebselementen mit dem Fahrzeug verbunden. Hier steht dann die volle Motorenleistung des Verbrenners zur Verfügung. Der Fahrer kann diese beiden Antriebsmöglichkeiten bei der Bedienung des Fahrzeugs vorwählen.
Welche Antriebsarten gibt es beim Auto:
Elektromotoren
Automobile mit elektrischem Motorenantrieb sind heute bereits mit hoher Stückzahl im Straßenverkehr zu sehen. Sie haben den großen Vorteil, dass sie völlig emissionsfrei während des Betriebes sind. Das heißt also, dass keine Belastungen durch umweltschädliche Schadstoffe entstehen. Auch die Fahrgeräusch- Emissionen des gesamten Fahrzeugs sind erheblich geringer. Ein weiterer Vorteil gegenüber einem Automobil mit Verbrennungsmotor ist der, dass bei einem E-Fahrzeug wesentlich weniger Bauteile für den Antriebsstrang erforderlich sind. Der Antriebsstrang beinhaltet alle notwendigen Bauteile, die notwendig sind das erzeugte Motordrehmoment auf die Antriebsräder zu übertragen. In der Hauptsache sind das die Kardanwelle und die Antriebswellen.
Durch die ständig weiter gehende Entwicklung stehen auch immer mehr Varianten bezüglich der Anordnung der Elektromotoren zur Auswahl. Im Folgenden sind kurz einige Varianten beschrieben.
Bei den meisten Fahrzeugen ist das Antriebsmodul incl. Untersetzungsgetriebe im vorderen Fahrzeug Bereich angeordnet. Es werden dann die Vorderräder über Antriebswellen und ein Differenzialgetriebe angetrieben. Die Leistungselektronik kann sich im hinteren Teil des Fahrzeugs befinden. Hierdurch ist auch dann eine gute Zugänglichkeit zu den Komponenten realisiert.
Eine weiter mögliche Anordnung ist der Einbau des Antriebsmoduls in der Hinterachse.
Hier wird dann allerdings auch wieder ein Differenzialgetriebe benötigt.
Das Differenzialgetriebe hat die Aufgabe Drehzahlunterschiede der beiden Räder auszugleichen. Zum Beispiel durchläuft bei Kurvenfahrt das kurvenäußere Rad einen größeren Kreis als das kurveninnere Rad. Die Folgen sind dann unterschiedliche Drehzahlen an beiden Rädern. Im Differenzialgetriebe werden diese dann ausgeglichen. Außerdem wird durch das Differenzialgetriebe das Antriebsdrehmoment, das von dem vorgebauten Antriebmodul erzeugt wird gleichmäßig auf die beiden Räder aufgeteilt. Das ist erforderlich, weil sonst bei unterschiedlichen Straßenverhältnissen unter den beiden Rädern ein gleichmäßiger Antrieb nicht gewährleistet wäre.
Eine Kombination auch von zwei Antrieben ist möglich. Er besteht dann aus einem Hauptantrieb in einer Achse integriert und einem zuschaltbaren weiteren Antrieb in der anderen Achse. Der Zusatzantrieb kann dann wahlweise automatisch von Hand oder auch, über Sensoren gesteuert bei hohen gewünschten Anfahr-Beschleunigungen zugeschaltet werden.
Im Rennsport zum Beispiel bei den heutigen Forme 1 Fahrzeugen gibt es diese zuschaltbaren Elektroantriebe, wenn hohen Beschleunigungen notwendig werden. Durch einen eingebauten Generator wird die Batterie für diesen Zusatzantrieb dann wieder aufgeladen.
Ein weiterer Vorteil entsteht durch die Anordnung eines Elektroantriebes an jedes einzelne Rad. Eine relativ kleine Bauweise dieser Antriebe lässt es zu diese problemlos direkt am Rad anzubauen. Es entfallen dann weitere Bauteil wie zum Beispiel Antriebswellen und Differenzialgetriebe. Das Antriebsdrehmoment, über eine Sensortechnik gesteuert, wird dann gleichmäßig auf alle vier Räder aufgeteilt. Die Sensoren befinden sich an jedem Rad und messen die auftretenden Parameter des augenblicklichen Fahrzustandes und geben diese Informationen dann an die Steuerungseinheit weiter. Hier werden die entsprechenden Informationen ausgewertet und in der Folge dann die richten Signale zu den Antrieben zurückgegeben. Unterschiedliche Fahrbahn-Beschaffenheit unter den Rädern können so erfasst und berücksichtigt werden. Besonders sicher wirkt sich diese Technik im Winterbetrieb bei Eis und Schnee aus. Die Räder können nicht mehr „Durchdrehen“. Die Fahrsicherheit wird hierdurch erheblich erhöht. Auch für ungeübte Autofahrer wird es erheblich einfacher bei diesen Verhältnissen ein Auto zu steuern.
Die notwendigen drei Hauptkomponenten für den elektrischen Antrieb bestehen aus folgenden Bauteilen:
Als wichtigstes Bauteil ist das elektrische Antriebsmodul zu nennen. Dieses Aggregat besteht aus dem eigentlichen Elektromotor und einem bereits im gleichen Gehäuse eingebauten Untersetzungs-Getriebe, das die hohe Drehzahl des E-Motors im Betrieb in eine Drehzahl übersetzt die direkt für den Antrieb genutzt werden kann. Auch wird hier das Motordrehmoment durch die Untersetzung der Drehzahl im Getriebe erhöht. Es ist also kein Schaltgetriebe mehr notwendig.
Ein Elektro-Automobil hat nur einen Gang der immer fest zur Verfügung steht und mit den Antriebswellen der Räder direkt mechanisch verbunden ist.
Weiterhin ist dieses Modul bei der heutigen vielfach angewendeten Technik auch in der Lage als Generator zu arbeiten. Das bedeutet, dass zum Beispiel bei Bremsvorgängen der Antriebsmotor auch als Generator, also als Stromerzeuger betrieben werden kann und dadurch die Batterie während der Fahrt wieder aufgeladen wird. Das ist ein großer Vorteil weil die Anteile von Bremsvorgängen, zum Beispiel im Stadtverkehr, doch erheblich sind und diese Energie sonst verloren gehen würde.
Die Elektromotoren sind sogenannte Synchron-oder Asynchron- Motoren die mit Wechselstrom betrieben werden.
Diese Motorentechnik zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Auch kann dieser Motor im Betrieb rechts, bzw. links herum drehend betrieben werden. Ein separater Rückwärtsgang ist also nicht notwendig. Der Fahrer betätigt lediglich nur einen Vorwahlschalter für die Vor-oder Rückwärtsfahrt.
Der Wirkungsgrad ist eine Größe die angibt wie groß das Verhältnis von einer eingespeisten Energie, zum Beispiel in Form von Strom in ein Antriebssystem, zu der dann am Ausgang zur Verfügung stehenden mechanischen Leistung ist. Bei Elektromotoren ist dieses Verhältnis sehr hoch. Es kann bis zu 95% betragen.
Also 95% des Batteriestromes werden in mechanische Energie umgewandelt und sind zum Antrieb des Fahrzeugs nutzbar. Nur 5% gehen in Form von Wärme und Reibungsverluste im inneren des E-Motors verloren.
Im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor der nur einen Wirkungsgrad von ca. 38% hat. Die verbleibenden 62% gehen in Form von Wärme-Abstrahlung und innerer Reibung im Motor während des Betriebes verloren.
Das bedeutet, dass von 100 Liter getanktem Treibstoff nur ca. 38 Liter für den Antrieb zur Verfügung stehen. Die restlichen 62 Liter werden an die Umgebung in Form von Wärmeabstrahlung und Reibungsverlusten während des Betriebes abgegeben und
können nicht genutzt werden. Eine Dampfkraftmaschine, zum Beispiel in einer Dampflokomotive, hat noch einen geringeren Wirkungsgrad. Er liegt bei nur ca. 25%
Die für den Betrieb notwendige Energie bei einem Elektroautomobil wird in einer Lithium-Ionenbatterie gespeichert, das nächste wichtige Bauteil. Fahrzeugbatterien liefern sogenannten Gleichstrom. Diese Batterietechnik zeichnet sich durch ein günstiges Leistungsgewicht aus, das heißt also das Verhältnis von zur Verfügung stehenden Strom zum Batteriegewicht. Batterien haben allerdings immer noch den größten Gewichts-Anteil bei Elektro-Fahrzeugen.
Auch der notwendige Platzbedarf ist noch sehr hoch. Bei den meisten Automobil-Typen ist diese Batterie in der Bodenplatte des Fahrzeugs eingebaut. Die Entwicklung von neuen Batterien die leichter sind und weniger Einbauraum benötigen, wird sehr stark vorangetrieben, um diese Fahrzeuge durch Gewichtsreduzierung noch effektiver betreiben zu können.
Die wichtigsten Materialien zur Herstellung von Batterien, oder auch Akkumulatoren genannt, sind Kobalt und Lithium. Diese beiden Rohstoffe sind allerdings nur begrenzt auf der Welt vorhanden und können nur unter schwierigen Bedingungen abgebaut werden. Das könnte dazu führen, dass durch die Verknappung dieser Rohstoffe und durch die stetig wachsende Zahl von E-Automobilen auch die Preise speziell für die erforderlichen Materialien ansteigen werden. Es ist also notwendig in der Forschung Materialien zu finden die einfacher zur Verfügung stehen und sich zum Bau von Akkumulatoren eignen.
Das dritte wichtige Bauteil ist das sogenannte Leistungsteil. Es hat die Aufgabe die elektrischen Komponenten bestehend aus Elektromotor und der Fahrzeugbatterie sowie die Ladestation zur Wiederaufladung der Batterie miteinander zu verbinden. Hier gehen auch die Signale die der Fahrer für seine Fahrweise benötigt ein und werden dementsprechend an den E-Motor weitergegeben, zum Beispiel bei Geschwindigkeitsänderungen über das sogenannte Gaspedal. Hier allerdings müsste es „Strom-Pedal“ heißen
Im Leistungsteil werden die verschiedenen Stromarten in die notwendigen Spannungsebenen umgewandelt. Hier wird auch der Ladevorgang für die Batterie zugeschaltet wenn der Antriebsmotor im Generatorbetrieb läuft. Also beim Abbremsen oder bei Talfahrt des Fahrzeuges. Der im Generatorbetrieb erzeugte Wechselstrom wird dann wieder in Gleichstrom umgewandelt.
Der im Leistungsteil verwendete Wechselrichter, auch Ladegerät oder AC/DC Wandler genannt, wandelt die an der Ladestation vorhandene Wechselspannung in die für die Batterie notwendige Gleichspannung beim Ladevorgang um.
Es gibt verschiedene Ladestation. Der Unterschied liegt hier in der max. Ladeleistung für die Batterie, also vereinfacht gesagt: die Strom Auflademenge pro Zeiteinheit.
Die meisten Ladestationen können die Batterie eines Mittelklassewagens in ca. 5 bis 8 Stunden wieder voll aufladen. Es gibt aber auch Ladestationen, die wesentlich schneller aufladen können. Sie benötigen dazu allerdings auch erheblich mehr Ladestromkapazität die alleine schon durch entsprechende Kabelquerschnitte, die sehr groß sein müssen, nicht überall aufgestellt werden können.
Die Lebensdauer einer Batterie wird allerdings sehr stark von der Aufladezeit beeinflusst. Je länger diese sein kann, desto günstiger wirkt sich das auf die Lebensdauer der Batterie aus.
Außer der Antriebsbatterie hat ein Elektroautomobil aber auch noch eine herkömmliche 12- Volt Batterie. Sie übernimmt die Aufgabe alle konventionellen Verbraucher wie zum Beispiel die Türverriegelung, Radio, Navigationsgerät, Heizung usw. zu versorgen. Das Elektroauto wird quasi durch einen Starterknopf gestartet der dann über die 12 Volt Batterie alle elektrischen Systeme aktiviert. Diese 12 Volt Batterie wird auch über das Leistungsteil wieder aufgeladen.
Eine Elektroauto-Batterie hat im aufgeladenen Zustand eine sehr hohe Energiedichte. Bei der Konstruktion dieser Fahrzeuge sind deshalb weitreichende sicherheitsrelevante Anforderungen zu beachten.
Zum Beispiel muss gewährleistet sein, dass die elektrische Energie sicher vom Fahrzeug getrennt werden kann über dementsprechende elektrische Absicherungen und Trennschalter.
Ein weiteres Problem ist eine Beschädigung die bei einem verunfallten Fahrzeug im Batteriebereich auftreten kann. Hier muss darauf geachtet werden, dass das Risiko für Fahrzeuginsassen und Rettungskräfte so gering wie möglich gehalten werden kann.
Verunfallte Fahrzeuge werden heute nur noch von zertifizierten Abschlepp-Unternehmen geborgen. Sie sind darauf spezialisiert den Abtransport dieser Fahrzeuge sicher durchzuführen. Auch im Brandschutz gibt es bei Elektroautomobilen neue Anforderungen für die Feuerwehren. Batterien sind mit eigens dafür zugelassenen Löschmitteln bei einem Brand zu löschen. Bei besonders starken Batteriebränden wird das komplette Fahrzeug in eine eigens dazu hergestellte Box gezogen die dann komplett mit Wasser geflutet wird. Nur so lässt sich der Brand sicher und dauerhaft löschen. Das Fahrzeug verbleibt dann für einige Stunden in dieser gefluteten Box.
Folgend einige Leistungsangaben die bei Elektroautomobilen genannte werden.
Die Leistung einer Batterie wird in kWh, also Kilowatt / Sunde angegeben. Eine Batterie die zum Beispiel nach Prospektangabe eine Leistung von 85 kWh hat, bedeutet,
dass diese Batterie eine Stunde lang eine Leistung von max. 85 kW abgeben kann.
Je nach Herstellerangaben und Fahrzeugtyp hat ein Elektroantrieb einen durchschnittlichen Leistungsbedarf von ca. 7-20 kWh / 100 km. Die erzielten Reichweiten liegen je nach Typ bei ca. 380 km. Dieser Wert ist aber sehr durch eine dementsprechende vorsichtige Fahrweise günstig zu beeinflussen und kann dementsprechend stark variieren. Die beim Antriebsmotor verwendete Spannung kann bis zu 400 Volt sein. Man spricht hier auch von Hochvoltmotoren. Bei Fahrzeugen mit einem hohen Fahrzeuggewicht können sogar bis zu 800 Volt für den Antriebsmotor zur Verfügung stehen. Dadurch werden höchste Beschleunigungswerte für diese Fahrzeuge erreicht. Der Drehmomenten Verlauf bei einem Elektroantrieb ist sehr effektiv für das Beschleunigungsvermögen aus dem Stand.
Das liegt daran, dass ein Elektromotor aus dem Stillstand heraus das höchste Antriebsdrehmoment hat. Bei weiterer Drehzahlerhöhung fällt das Drehmoment stetig ab.
Ein Drehmoment ist ein Maß für die Kraft an einem Hebelarm von 1 Meter. Das bedeutet, dass bei einer Drehmoment-Angabe von zum Beispiel 90 Nm ( Newton/Meter ) an einem Hebelarm von 1 Meter eine Kraft von 90 N ( Newton ) wirksam ist.
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