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Druckluft-Hybridantrieb

Sprit sparen mit Druckluft

Hybridantrieb, Hydraulik-Hybrid Foto: Bosch 5 Bilder

Herkömmliche Hybride mit E-Motor und Akkus sind teuer und recht kompliziert in der Herstellung. Bosch hat mit Peugeot und Citroën deswegen ein Hybridsystem mit Druckluft-Hydraulik-Einheit entwickelt, das im Stadtverkehr enorm effizient sein soll.

23.12.2014 Annette Napp

Schauen wir uns mal die Zahlen an: Hybrid-Autos liegen im Trend, die Verkaufszahlen für diesen alternativen Antrieb wachsen stetig. Anfang 2014 waren insgesamt 85.575 Fahrzeuge mit Hybridantrieb in Deutschland zugelassen, zwischen Mai 2013 und Mai 2014 stieg die Zahl der Neuzulassungen um 25,6 Prozent. Dazu gehören bislang ausschließlich die sogenannten Hybrid-Elektrofahrzeuge. Also solche, die einen Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor kombinieren und die Energie in Akkus speichern. Einige Hersteller forschen jedoch schon seit geraumer Zeit an Alternativen. So entwickelte der PSA-Konzern (Peugeot und Citroën) zusammen mit Bosch seit 2009 einen Druckluft-Hybridantrieb zur Serienreife.

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Technik Hybridantriebe Der Luft-Antrieb
auto motor und sport 24/2014
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Dessen Vorteile sollen darin liegen, günstiger und etwa 40 Prozent leichter als ein herkömmlicher, vergleichbarer Hybrid zu sein sowie keine spezielle Infrastruktur zu brauchen, wie sie bei reinen Elektrofahrzeugen nötig ist. Außerdem sind die verwendeten Werkstoffe im Gegensatz zu Akkus leicht recycelbar, und die zusätzliche Technik soll weder das Raumangebot noch die Variabilität oder das Tankvolumen einschränken. Dabei umfasst das System mehr als die beiden Zusatztanks für das zu komprimierende Gas. Der Name Druckluft-Hybrid erklärt nämlich nur die Hälfte, vielmehr ist der zweite Antrieb eine Kombination aus Druckluft und Hydraulik.

Außer Luft ist auch Öl im Spiel

Der eigentliche Energiewandler, der die Leistung erzeugt und an die Antriebsachse abgibt, ist ein Hydraulikmotor. Die mit Stickstoff gefüllten Drucklufttanks dienen lediglich als Energiespeicher.

Ist während der Fahrt, zum Beispiel beim Bremsen, überschüssige Energie vorhanden, schiebt eine Hydraulikpumpe das Öl in den Druckspeicher und verdichtet somit den Stickstoff darin. Das Verdichten von Gas ist vergleichbar mit dem Zusammendrücken einer Feder. Wird nun für das Anfahren oder Beschleunigen des Fahrzeugs Energie benötigt, dehnt sich das Gas wie eine Sprungfeder aus und verdrängt dabei mithilfe des Trennkolbens die Hydraulikflüssigkeit. Diese wiederum treibt mit ihrer Bewegung den Hydraulikmotor an, der die erzeugte Leistung an die Antriebsachse abgibt. Um für das ständige Verdichten und

Ausdehnen des Gases genügend Volumen zu haben, besteht das System aus zwei Druckbehältern. Der Niederdruckspeicher über dem Hinterachsquerträger dient dabei als Reservoir, wenn sich das System entlädt und der Stickstoff sich ausdehnt. Der Drucktank im Mitteltunnel dagegen ist für Drücke von über 300 bar ausgelegt.

Wechsel zwischen drei Fahrmodi

Da das Speichervolumen des Drucktanks und damit die Reichweite begrenzt ist, dient ein herkömmlicher Verbrennungsmotor als Hauptantriebsquelle. Ein Steuergerät regelt über ein stufenloses Planetengetriebe die Anteile der Antriebsenergien. Dank Powersplit-Konzept sind so drei verschiedene Fahrmodi möglich. Ist der Druckspeicher vollständig gefüllt, kann das Auto im Luftbetrieb ausschließlich mit der Energie aus dem Drucklufttank angetrieben werden. Einige Hundert Meter kann es sich dann ohne Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen fortbewegen. Sobald der Energiespeicher nicht mehr ausreicht, schaltet sich automatisch der Verbrenner zu. Bei Fahrten mit konstanter Geschwindigkeit auf der Autobahn oder Landstraße übernimmt er den Antrieb komplett. In Übergangsphasen, wenn also oft gebremst und wieder beschleunigt wird, tritt der Mischbetrieb in Kraft. Dabei sorgen sowohl Verbrenner als auch Hydraulikmotor für Vortrieb.

Zwar ist die Energiekapazität des Drucktanks deutlich geringer als die eines modernen Lithium-Ionen-Akkus, dafür ist die Ladezeit weitaus kürzer. Nach nur wenigen Sekunden ist genügend Stickstoff komprimiert, um Energie für den Antrieb zu liefern. Die maximale Speicherkapazität ist nach zehn Sekunden erreicht.

Dabei stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, die Energiespeicher wieder aufzuladen. Im Schubbetrieb wird das Fahrzeug nicht nur durch die Motorbremswirkung des Verbrenners verzögert, sondern auch durch den Widerstand, den der Stickstoff beim Verdichten entgegensetzt. Alternativ trägt der Verbrennungsmotor einen Teil seiner Leistung dazu bei, das Gas zu komprimieren. Das ist durchaus sinnvoll, wenn der Verbrenner durch die Last, die der Fahrer abfordert, nicht in einem verbrauchsgünstigen Bereich arbeitet. So bewegt sich der Motor möglichst oft in seinem optimalen Betriebsbereich und gibt überschüssige Energie an die Hydraulik-Einheit ab.

Hybrid-System von Peugeot und Citröen

Das Grundkonzept ist übrigens nicht völlig neu. Bosch bietet bereits speziell für Müllfahrzeuge, die sich oft im verbrauchsungünstigen Stop-and-go-Modus bewegen, einen hydraulischen Hybrid an. Für Pkw liegen die größten Potenziale des Systems klar im Stadtverkehr mit seinen vielen Ampelstopps, Brems- und Anfahrvorgängen. Für den neuen europäischen Fahrzyklus gibt PSA im städtischen Bereich bis zu 45 Prozent Verbrauchsvorteil – und damit CO2-Ersparnis – gegenüber dem herkömmlichen Serienfahrzeug an. Und der Zeitanteil, während dessen rein mit Druckluft-Energie gefahren wird, soll in der Stadt sogar bei bis zu 80 Prozent liegen.

Bei Testfahrten überrascht, wie oft sich der Verbrenner tatsächlich abschaltet. Auch lädt sich das System unerwartet schnell wieder auf, weshalb die prognostizierten 45 Prozent CO2-Ersparnis realistisch wirken. Insgesamt soll der CO2-Ausstoß im NEFZ-Zyklus um bis zu 30 Prozent sinken.

Dass das System schon serienreif ist, beweisen die Franzosen mit ihrem Prototyp Peugeot 208 Hybrid Air 2L. Basierend auf dem Serien-208, ist er nicht nur mit dem Druckluft-Hybridantrieb ausgerüstet, sondern dank verschiedener Leichtbautechniken auch 100 Kilogramm leichter. Bei der Typprüfung verbrauchte der Hybrid aus 82 PS starkem Dreizylinder und Hydraulik-Einheit im NEFZ-Zyklus lediglich 2,9 Liter Benzin auf 100 Kilometer. Das entspricht einem CO2-Ausstoß von 69 Gramm pro Kilometer.

Unter dem Namen Hybrid Air möchten Peugeot und Citroën das System vor allem bei Klein- und Kompaktwagen sowie leichten Nutzfahrzeugen verbreiten. Nach wie vor sind die Franzosen jedoch auf der Suche nach einem weiteren Kooperationspartner, der den Druckluft-Hydraulik-Antrieb in seine Fahrzeuge einbaut. Denn die von Peugeot und Citroën voraussichtlich benötigten Stückzahlen reichen dem Hersteller Bosch nicht für eine profitable Produktion. So bleibt noch abzuwarten, wann der Druckluft-Hybrid dazu beiträgt, in der Zulassungsstatistik den Erfolg des Hybridantriebs mit Zahlen zu untermauern.

Die Unterschiede bei Hybridsystemen

Aufbau des parallelen Hybridantriebs: Elektro- und Verbrennungsmotor wirken gemeinsam auf den Antriebsstrang und geben ihre Kräfte und Drehmomente je nach Betriebszustand gleichzeitig ab. So können beide Motoren kleiner dimensioniert werden, was Kosten, Gewicht und Bauraum spart.

Systemstruktur des seriellen Hybrids: Nur einer der beiden Motoren hat eine mechanische Verbindung zur Antriebsachse. In der Regel dient der Verbrennungsmotor ausschließlich zur Stromerzeugung. Daher werden weder Getriebe noch Kupplung benötigt. Ein Range Extender arbeitet nach diesem Prinzip.

Unterschiede von Mild- und Vollhybrid: Mildhybride nutzen zurückgewonnene Bremsenergie, um den Verbrennungsmotor kurzzeitig zu unterstützen. Vollhybride dagegen können mit einer elektrischen Leistung von rund 20 kW kurze Strecken auch rein elektrisch fahren. Das bringt vor allem im Stadtverkehr Vorteile.

Kennzeichen des Plug-in-Hybrids: Ähnlich wie ein Vollhybrid fährt er streckenweise rein elektrisch, dank größerer Akkukapazität aber mitunter sehr viel weiter. Außerdem können die Akkus nicht nur vom Verbrennungsmotor, sondern auch stationär über das externe Stromnetz aufgeladen werden.

Porsche und Volvo beschäftigen sich mit Schwungrad-Hybrid

Nicht nur Akkus und gepresste Luft können Energie speichern, sondern auch sich drehende Scheiben. Porsche experimentierte deshalb 2010 mit einem Hybridantrieb mit Schwungmassenspeicher. Das Versuchsfahrzeug 911 GT3 R Hybrid ist an der Vorderachse mit zwei Elektromotoren ausgerüstet, die im Generatorbetrieb mit rekuperierter Bremsenergie ein Schwungrad in Bewegung setzen. Beim Beschleunigen des Wagens erzeugen die beiden E-Motoren aus der Rotationsbewegung der Schwungmasse elektrische Leistung, und zwar bis zu 150 Kilowatt. Weiterer Vorteil des Systems: Es ist innerhalb weniger Sekunden geladen. Voll beschleunigt dreht sich der Rotor mit bis zu 36.000 Umdrehungen pro Minute. Um Reibungsverluste und -wärme möglichst gering zu halten, bewegt sich die in Keramiklagern gebettete Schwungmasse im ständigen Vakuum. Bedenken, die Rotationsbewegung könne die Fahrdynamik negativ beeinflussen, bestätigten sich nicht.

Während der Schwungmassenspeicher im Rennwagen an der Stelle des Beifahrersitzes platziert ist, zeigten Versuche, bei denen er vorne im Kofferraum oder hinten bei der Hutablage montiert wurde, keine negativen Auswirkungen auf die Fahrstabilität. Allerdings ist die mit dem Schwungmassenspeicher erzielbare rein elektrische Reichweite nur sehr gering, weswegen der Sportwagenhersteller den Prototyp von Anfang an nur als fahrendes Versuchslabor sah. Ein Serieneinsatz des Systems auf der Straße war nie geplant. Den Schwerpunkt legten die Entwickler auf die elektrische Maschine und den Regelalgorithmus. Die gewonnenen Erkenntnisse flossen in den neuen Cayenne S E-Hybrid und den aktuellen LMP1-Rennwagen 919 Hybrid. Volvo hingegen arbeitet an einer Schwungrad-Technik für den Straßenverkehr. Die Schweden nutzen ebenfalls Bremsenergie, beschleunigen die Schwungmasse jedoch rein mechanisch auf bis zu 60.000 Umdrehungen pro Minute. Auch umgekehrt gibt der Rotor seine Energie über ein CVT-Getriebe direkt an die Hinterräder weiter. Bis zu 80 Zusatz-PS soll das rund sechs Kilogramm schwere Schwungrad aus Kohlefaser liefern und besonders im Stadtverkehr den Verbrennungsmotor effizient unterstützen. Dieser soll im NEFZ-Zyklus die Hälfte der Zeit abgeschaltet sein.

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