Wie Autos zwei Drittel ihres Kraftstoffs „verschwenden“.

Da der Anstieg der Benzinpreise nicht nachzulassen scheint, scheint es an der Zeit zu sein, uns zu fragen: Sind unsere Autos nicht effizient genug? Europa hat sich dafür entschieden Verbot der Produktion neuer Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bis 2035aber die meisten Personenkraftwagen, die derzeit in Frankreich und auf der ganzen Welt auf den Straßen fahren, fallen immer noch unter diese Kategorie.

Ihre Motoren arbeiten, indem sie Benzin oder Dieselkraftstoff verbrennen und die entstehende Wärmeenergie in mechanische Energie umwandeln, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Maximal 50 % der zugeführten Leistung wird in mechanische Energie umgewandelt, der Rest aber als Wärme abgegeben. Außerdem wird fast nicht die gesamte mechanische Energie an die Räder abgegeben 30 % gehen durch Reibung verloren.

Am Ende beträgt die tatsächliche Energie, die zum Bewegen des Fahrzeugs verwendet wird, ungefähr 30% der gesamten Energie, die durch Kraftstoff geliefert wird. Wo also entsteht all dieser Abfall, können wir ihn reduzieren und wie viel können wir vernünftigerweise mit einer Einsparung beim Kraftstoffverbrauch rechnen?

Wie ein Verbrennungsmotor funktioniert

In einem Verbrennungsmotor wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft in dem als Brennkammer bezeichneten Teil verbrannt. Dadurch erhöht sich das Gasvolumen in der Kammer und der entstehende Druck drückt die Kolbenkomponente nach unten. Der Kolben ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden, die die vertikale Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umwandelt. Als nächstes wird diese Drehung von der Kurbelwelle auf die mechanische Übertragung (einschließlich des Getriebes) und dann auf die Räder übertragen.

Dann öffnen und schließen sich eine Reihe von Motorventilen, lassen Abgase heraus und dann eine frische Dosis Luft und Kraftstoff hinein. Ein begrenzter Teil (40 bis 50 %) der aus der Verbrennung resultierenden thermischen Energie wird in mechanische Energie umgewandelt. Der Rest wird verschwendet, durch die heißen Gase aus dem Auspuffrohr und durch den Kühler abgeführt, der den Motor kühl hält. Durch die Verbesserung der Verbrennung und den Einbau von Energierückgewinnungssystemen können wir jedoch möglicherweise die Menge an nutzbar umgewandelter Energie erhöhen und den Kraftstoffverbrauch um fast 30 % senken.

Kraftstoffverschwendung durch Reibung

Erwähnenswert ist, was mit „Reibung“ gemeint ist. Der Begriff bezieht sich auf die Kraft, die der Gleitbewegung zwischen zwei Objekten entgegenwirkt, wenn sie miteinander in Kontakt gebracht werden. Zum Beispiel ermöglicht uns die Reibung zwischen unseren Schuhen und dem Boden ein rutschfreies Gehen. Bei geringer Reibung, z. B. bei eisigem Untergrund, rutschen unsere Schuhe leichter auf dem Boden und das Gehen wird deutlich erschwert. Wir könnten uns jedoch dafür entscheiden, Schlittschuhe zu tragen, die ihre geringe Reibung mit dem Boden nutzen, um es uns zu ermöglichen, uns durch Rutschen fortzubewegen.

Wenn zwei Objekte aneinander geschoben (oder gerieben) werden, tritt die resultierende Widerstandskraft im Wesentlichen aufgrund der Reibung auf. Dies führt zu einem Energieverlust durch Wärme, was wir zum Beispiel beim Reiben unserer Hände beobachten können. In einem Auto tritt genau das gleiche Phänomen zwischen den beweglichen Motorteilen und dem mechanischen Getriebe auf. Als Forscher wollen wir die Auswirkungen dieses Phänomens bewerten.

„Tribologie“ ist ein Wissenschaftszweig, der sich mit Kontakt, Reibung und deren Minderung befasst. Neuere Forschung auf diesem Gebiet hat dazu beigetragen, die Energieverluste abzuschätzen, die durch die Reibung entstehen, die im Verbrennungsmotor eines Autos und in dem mit seinen Rädern verbundenen Getriebe auftritt. Im obigen Diagramm sind die Kontaktbereiche, an denen Reibungsverluste auftreten, gelb dargestellt. Die größten Energieverluste treten um den Kolben herum auf (bei etwa 45 % der Verluste); gefolgt von den Verbindungen zwischen Pleuelstange, Kurbelwelle und Zylinderblock (etwa 30 %); und um die Ventile und deren Betätigungssystem (ca. 10 %). Die restlichen 10 % gehen durch andere Motoreinbauten verloren.

CC DURCH„>

Die nutzbare mechanische Energie des Motors ist weiter eingeschränkt durch Verluste im mechanischen Getriebe, insbesondere verursacht durch Reibung zwischen den Zahnrädern. All diese Verluste führen letztendlich zu einer Verschwendung von rund 30 % der vom Verbrennungsmotor gelieferten mechanischen Energie unter durchschnittlichen Fahrzeugbetriebsbedingungen.

Könnten wir den Kraftstoffverbrauch senken, indem wir die Energieverluste durch Reibung begrenzen?

Da etwa 30 % des Kraftstoffs eines Autos verwendet werden, um die Reibung zwischen seinen beweglichen mechanischen Teilen zu überwinden, könnte die Reduzierung dieser Verluste zu erheblichen Kraftstoffeinsparungen führen. Daher müssen wir uns die Elemente ansehen, die Reibung ausgesetzt sind, um mögliche Verbesserungen zu diskutieren. Die Motor- und Getriebekomponenten sind bereits mit Öl geschmiert, das zwischen die Oberflächen eingebracht wird, um Reibung und Verschleiß zu verhindern.

Mit dem Ziel, Energieverluste durch Reibung weiter zu reduzieren, umfasst die Tribologieforschung zwei Hauptbereiche. Die erste befasst sich mit der Verbesserung von Schmiermitteln. Diese Forschung zielt darauf ab, zu steuern, wie bestimmte Eigenschaften von Schmiermitteln, wie z. B. die Viskosität, durch die Temperatur beeinflusst werden. Im Allgemeinen nimmt die Reibung ab, wenn ein weniger viskoses Schmiermittel verwendet wird, aber sein Ölfilm kann zu dünn sein, was zu mehr Kontakt zwischen unebenen Oberflächenbereichen und schnellerem Verschleiß führt. Um dem entgegenzuwirken, zielt ein Forschungszweig darauf ab, neue Additive für Schmierstoffe zu entwickeln, die Oberflächen mit schützenden, reibungsarmen Schichten überziehen können.

Der zweite Forschungsbereich betrifft die Verbesserung der Oberflächen selbst durch die Schaffung neuer (insbesondere kohlenstoffbasierter) Beschichtungen, die die miteinander in Kontakt kommenden Oberflächen schützen und zu einer geringeren Reibung führen. Alternativ können Oberflächen mit einem Netz von Löchern strukturiert werden, die die optimalen Abmessungen für eine effektivere Schmierung haben.

Wir haben kürzlich eine durchgeführt Forschungsprojekt am Institut Pprime in Poitiers (unter der Leitung von CNRS, University of Poitiers und ISAE Ensma), das gezeigt hat, dass die Reibung einiger Kontakttypen durch die Verwendung von Oberflächentexturierung um 50 % verringert werden kann.

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben darüber hinaus mehrere Studien bereits bestätigt, dass diese neue Technologie die Energieverluste durch Reibung mittelfristig um 50 bis 60 % reduzieren kann, was etwa 15 % weniger Kraftstoffverbrauch entspricht. In Kombination mit verbesserten Motoren und kleineren, leichteren Fahrzeugen – und letztendlich schmaleren Reifen – könnte diese scheinbar geringe Menge an eingespartem Kraftstoff potenziell reichen Zahlen um die 50 %. Der expandierende SUV-Sektor auf dem Automobilmarkt zeigt uns jedoch, dass dieser Weg zur Kraftstoffeinsparung von den Autoherstellern in den letzten Jahren leider nicht genutzt wurde.

Was sind also unsere Sofortlösungen zur Kostensenkung? Ausgenommen bei Neuwagenkäufen ist die Verwendung von effizientere Schmierstoffe kann den Verbrauch um ein paar Prozent senken, was angesichts steigender Kraftstoffpreise ein dürftiger Betrag ist. Hinzu kommt, dass es für den Einzelnen schwierig sein kann, sich für ein Schmiermittel zu entscheiden, da Vergleichsstudien derzeit nur in der wissenschaftlichen Literatur und damit auf ein Fachpublikum verfügbar sind.

Trotzdem sollten wir nicht vergessen, dass Autos dafür gemacht sind, mehrere Passagiere zu transportieren. Wenn der Kraftstoffverbrauch auf mehrere Passagiere aufgeteilt wird, kann Fahrgemeinschaften den Verbrauch um das Zwei-, Drei-, Vierfache und darüber hinaus senken. Aber wenn es darum geht, die Kraftstoffkosten zu senken, bleibt weniger Autofahren die effizienteste und einfachste Lösung.

Könnte das jetzt weithin gelobte Elektroauto längerfristig eine effektivere Lösung zur Reduzierung von Energieverlusten aufgrund von Reibung sein? Da viel weniger mechanische Komponenten Reibung ausgesetzt sind, wurden die Energieverluste in Elektroautos auf weniger als 5 % geschätzt. Aber bevor es als Wunderlösung gefeiert werden kann, müssen wir darüber nachdenken alle anderen Muttern und Schraubeneinschließlich des Gewichts des Autos, seiner Batteriekosten und der Gewinnung und Wiederverwertung seiner Herstellungsmaterialien.

Dieser Artikel wird neu veröffentlicht von Die Unterhaltung unter einer Creative-Commons-Lizenz. Lies das originaler Artikel.