Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 125

kommen zahlreiche zusätzliche Komponenten hinzu (z.B. Registeraufladung,

mehrstufige Aufladung, elektrischer Boost-Betrieb usw.), sodass das benötigte

Bauvolumen und die Komplexität des gesamten Antriebssystems u.U. vergrößert

werden, Abb. 3.41.

3.6.2 Getriebekonzepte

Zur Übertragung der Leistung des Verbrennungsmotors an den Wirkort – dies

kann im engeren Sinne ein Fahrzeug, ein Schiff, ein Generator oder eine sonstige

Arbeitsmaschine sein – sind im Allgemeinen eine mechanische Trennkupplung

oder ein hydrodynamischer Wandler, ein Getriebe sowie weitere Komponenten

des Antriebstranges wie z.B. Gelenke und Antriebswellen nötig. Durch die rasan-

ten Fortschritte in der Elektrik- und Elektronikentwicklung sind in der jüngeren

Vergangenheit auch leistungsfähige, elektrische Motoren/Generatoren als Antrieb-

strangkomponenten in den Fokus gerückt, die im intelligenten Zusammenwirken

mit dem Verbrennungsmotor sowohl die Emissionen als auch den Kraftstoff-

verbrauch reduzieren helfen und viele Komfortmaßnahmen im Fahrzeug erleich-

tern. Davon können im Besonderen Downsizing-Konzepte profitieren, indem die

bekannten Schwachstellen durch eine gezielte Betriebsstrategie des gesamten

Antriebstranges beseitigt oder zumindest deutlich entschärft werden.

Im Rahmen dieses Abschnittes soll aufgezeigt werden, welche Möglichkeiten

außermotorisch bzw. durch Modifikationen des Antriebstranges bestehen, die

Betriebscharakteristik von Downsizing-Konzepten zu verbessern, maximale

Verbrauchspotenziale auszuschöpfen und damit eine höhere Kundenakzeptanz zu

erreichen. Möglichkeiten bestehen in diesem Zusammenhang einerseits getriebe-

seitig, ausgehend von konventionellen Handschaltgetrieben (HSG), durch Auto-

matisierte Schaltgetriebe (ASG), Stufenautomaten (AG) und Stufenlose Getriebe

(CVT) sowie andererseits durch elektrische Zusatzkomponenten in Form von

Starter-Generator-Systemen und Hybridantrieben.

Verbrennungsmotoren sind dadurch gekennzeichnet, dass sie nur in einem be-

grenzten Drehzahlbereich arbeiten, das Motordrehmoment allein zum Fahren nicht

ausreicht und sie nur eine Laufrichtung haben. Das Getriebe kompensiert diese

Schwächen und ermöglicht eine bedarfsgerechte Umwandlung des vom Motor

angebotenen Drehmomentes in Zugkraft des Fahrzeugs. Während konventionelle

Motorkonzepte heute in idealer Weise mit entsprechenden Getrieben kombiniert

werden können, eröffnet konsequentes Downsizing auch getriebeseitig einige

Handlungsfelder, die zu notwendigen Modifikationen bzw. Anpassungen beim

Getriebe führen bzw. neuartige Getriebekonzepte sinnvoll machen. Den mit dem

Downsizing verbundenen Veränderungen der Eingangsparameter für das Getriebe

x geringes Anfahrdrehmoment

x deutlich höhere Volllast-Drehmomente

x ggf. niedrigeres Drehzahlniveau

x höhere Drehungleichförmigkeit

126 3 Downsizing

muss daher entsprechend Rechnung getragen werden. Diese Eigenschaften

verbrauchsgünstiger Motorenkonzepte erfordern die Entwicklung von hochbe-

lastbaren Getrieben mit höherer Übersetzungsvariabilität, zusätzlichen Kompo-

nenten zur Schwingungsentkopplung sowie gesteigerten Getriebespreizungen.

Defizite in der Leistungscharakteristik des Motors können damit zwar nicht be-

seitigt werden, jedoch ermöglicht die Kombination des Motors mit geeigneten

Getrieben eine Verbesserung des gesamten Antriebstranges, sodass die negativen

Eigenschaften von Downsizing-Konzepten weniger spürbar werden.

Neue Konzeptansätze bei Getrieben gehen auf die Eigenschaften des jeweiligen

Motors ein, sodass die Betriebsstrategie in Abhängigkeit des Lastenheftes hin-

sichtlich der Fahrleistung und Fahrdynamik, des Anfahrverhaltens, des Komforts

und des Kraftstoffverbrauchs angepasst wird. Durch den hohen technischen Stand

der Elektronik eröffnen sich hier gänzlich neue Möglichkeiten zur Einflussnahme,

sodass zahlreiche neuartige Getriebekonzepte innerhalb der letzten Jahre Einzug

in die Serie gehalten haben. Die Eigenschaften und Vorteile dieser Konzepte im

Hinblick auf Synergien mit Downsizing-Konzepten sollen im Folgenden aufge-

zeigt werden.

Handschaltgetriebe

Neben einer am Motor durchgeführten Hubraumverkleinerung kann eine Last-

punktverschiebung auch getriebeseitig mit Hilfe einer Anpassung der Übersetzung

erfolgen. Hierbei verläuft die Betriebspunktverlagerung stets bei konstanter Leis-

tung, sodass die Lastpunkterhöhung immer mit einer Drehzahlsenkung und einer

Reduzierung der Drehmomentreserve verbunden ist. Für ein konventionelles

Handschaltgetriebe (HSG) ergibt sich daher stets ein Trade-Off zwischen dem

Anfahrverhalten, der Fahrdynamik (Volllastbeschleunigung) und dem Kraftstoff-

verbrauch.

Infolge des bei hochaufgeladenen Motoren kritischen Anfahrverhaltens besteht

nur die Möglichkeit einer verkürzten Getriebeübersetzung in den unteren Gängen,

die den Kraftstoffverbrauch jedoch negativ beeinflusst. Bei verbrauchsbetonter

Auslegung der oberen Gangstufen wird die mögliche Höchstgeschwindigkeit in

diesen Gängen u.U. nicht erreicht, sodass hier Einbußen in der Fahrdynamik spür-

bar werden. Eine weitere Beeinflussung ist mit manuellen Handschaltgetrieben

nicht möglich, sie können jedoch eine sehr verlustarme Leistungsübertragung mit

Wirkungsgraden bis zu 99% [BRA00] realisieren. Bezüglich des gesamten An-

triebstrangwirkungsgrades sind damit sehr hohe Werte darstellbar.

Automatisierte Schaltgetriebe und Doppelkupplungsgetriebe

Automatisierte Schaltgetriebe (ASG) und Doppelkupplungsgetriebe (DKG) bieten

die Möglichkeit einer vom Fahrer weitgehend unabhängigen Wahl der Getriebe-

übersetzung sowie der Schaltzeitpunkte. Damit ist grundsätzlich ein Motorbetrieb

in wirkungsgradgünstigeren Bereichen möglich, wobei auch hier der Kompromiss

zwischen Fahrdynamik und Verbrauch bestehen bleibt. Über die Getriebeelektro-

3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 127

nik, die eng mit der Motorsteuerung vernetzt ist, werden die Schaltvorgänge be-

rechnet und geführt.

Beim ASG bildet ein bestehendes Handschaltgetriebe die Basis. Dieses wird

mit elektrohydraulischen oder elektromechanischen Aktuatoren für die Getriebe-

und Kupplungsbetätigung sowie einer elektronischen Getriebe- und Systemsteue-

rung kombiniert. Es verbindet damit den guten Wirkungsgrad von Handschaltge-

trieben mit ökonomisch ausgelegten Schaltprogrammen, weist jedoch infolge der

deutlich spürbaren Zugkraftunterbrechung beim Schalten sowie durch lange

Schaltphasen Nachteile auf. Im Gegensatz zum konventionellen HSG wird diese

Zugkraftunterbrechung vom Fahrer subjektiv als sehr störend empfunden, da er

nicht aktiv am Schaltvorgang beteiligt ist. Aus diesem Grund hat das ASG bisher

nur in schweren Nutzfahrzeugen sowie in Pkw-Fahrzeugmodellen der unteren

Klassen Einzug gehalten, wo besonderer Wert auf niedrigen Kraftstoffverbrauch

gelegt wird und Komfortanforderungen nicht oberste Priorität haben. Insofern ist

ein Einsatz vorwiegend bei verbrauchsbetonenden Downsizing-Konzepten in

kostensensiblen Fahrzeugsegmenten zu sehen.

Beim DKG arbeiten zwei Teilgetriebe – das eine bildet die geraden, das andere

die ungeraden Gangstufen – Hand in Hand. Abb. 3.42 zeigt das Wirkprinzip die-

ses unter Last schaltenden Getriebes. Die beiden Eingangswellen sind über je eine

trocken- oder nasslaufende Lamellenkupplung mit den beiden Teilgetrieben ver-

bunden. Im jeweiligen nicht-leistungsführenden bzw. lastfreien Teilgetriebe wird

der nächste Gang vorgewählt.

Abb. 3.42. Prinzipdarstellung eines Doppelkupplungsgetriebes

Der eigentliche Schaltvorgang erfolgt durch zeitgleiches Trennen der einen und

Schließen der anderen Kupplung, sodass das Drehmoment kontinuierlich und

damit ohne Zugkraftunterbrechung vom einen auf das andere Teilgetriebe übertra-

gen wird. Ähnlich wie beim ASG werden hierzu elektrohydraulische oder elekt-

romechanische Aktuatoren eingesetzt. Die vollelektronische Getriebesteuerung

bestimmt die Schaltpunkte bei Bedarf vollautomatisch, steuert Schalt- und Kupp-

lungsvorgänge und beeinflusst das Motormanagementsystem im Hinblick auf

Drehzahl und Drehmoment während des Schaltvorgangs [HER04]. Das DKG ist

im Wirkungsgrad einem ASG nahezu ebenbürtig, vermeidet aber dessen lange

Schaltpausen sowie die Zugkraftunterbrechung. Damit bietet es generell einen

vergleichbaren Komfort wie ein Stufenautomat, weist jedoch deutliche Vorteile

hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Fahrleistungen auf, da kein Dreh-

momentwandler als Anfahrelement benötigt wird. Sogar im Vergleich zum Hand-

128 3 Downsizing

schaltgetriebe sind bezüglich Verbrauch und Beschleunigungsvermögen spürbare

Verbesserungen realisierbar, die aus der fehlenden Zugkraftunterbrechung resul-

tieren. Aufgrund der vielen Vorteile von DKG ist mittelfristig mit einem deutli-

chen Anstieg des Marktanteils in allen Fahrzeugklassen zu rechnen.

Die unterbrechungslose Kraftübertragung bietet bei hochaufgeladenen Motoren

grundsätzliche Vorteile, da sich der Betriebspunkt im Motorkennfeld während des

Schaltvorgangs im Idealfall nur unwesentlich ändert und damit ein nahezu statio-

närer Motorbetrieb möglich ist. Der Zeitanteil, in dem auch das Aufladesystem

transienten Belastungen unterworfen ist, kann dadurch deutlich reduziert werden.

Durch die von der Getriebesteuerung vorgewählten Gangstufen kann somit bereits

zu Beginn von Beschleunigungsvorgängen ein höherer Abgasmassenstrom vor-

gehalten werden. Dieser ermöglicht über das Aufladesystem die frühzeitige Be-

reitstellung eines ausreichenden Ladedruckes und gestattet den Betrieb in günsti-

geren Kennfeldbereichen sowohl des Verdichters als auch der Abgasturbine. DKG

bieten daher für Downsizing-Konzepte durchaus deutliche Vorteile im Fahrverhal-

ten und im Komfort bei gleichzeitiger Senkung des Kraftstoffverbrauchs.

Stufenautomatgetriebe

Stufenautomatgetriebe sind mit hydrodynamischem Drehmomentwandler und

Mehrgang-Planetengetriebe lastschaltbar ausgeführt und haben heute einen sehr

hohen Reifegrad erreicht. Die exzellente Schaltqualität, die wandlerbedingte

Schwingungsentkopplung sowie elektronisch gesteuerte und adaptive Fahrpro-

gramme bewirken einen hohen Fahrkomfort auch bei wechselnden Umgebungs-

und Einsatzbedingungen. Um den Kraftstoffverbrauch abzusenken, kommen

Wandlerüberbrückungskupplungen zum Einsatz, die den leistungsmindernden

Schlupf im Wandler eliminieren, zur Schwingungsdämpfung jedoch zusätzliche

Dämpferelemente benötigen.

Hinsichtlich des Anfahrverhaltens, welches bei hochaufgeladenen Motoren oh-

ne Zusatzmaßnahmen generell als kritisch zu bewerten ist, können Automatgetrie-

be durchaus Vorteile bieten. Das Anfahrverhalten eines Saugmotors im Vergleich

mit einem Turbomotor gleicher Leistung weist ein sehr differentes Verhalten auf,

das grundsätzlich auch bei Kombination mit einem Stufenautomatgetriebe gilt.

Trotzdem bietet das Automatgetriebe generelle Vorteile. Abb. 3.43 zeigt die Mo-

tor- und Wandlerkennlinien im Motorkennfeld eines turboaufgeladenen Ottomo-

tors. Die Wandlerkennlinie beschreibt dabei das vom Motor auf das Getriebe

übertragbare Drehmoment in Abhängigkeit der Motordrehzahl. Bei stehendem

Fahrzeug liegen die Motorbetriebspunkte auf dieser Wandlerkennlinie.

Der Schnittpunkt von Wandlerkennlinie und Volllast-Drehmoment des Motors

wird als Festbremspunkt bezeichnet. Dieser bestimmt die maximal mögliche Mo-

tordrehzahl zum Anfahren bei stehenden Antriebsrädern. Eine „weiche“ Wandler-

kennlinie ermöglicht bei gleichem Getriebeeingangsmoment eine höhere Motor-

drehzahl, sodass sich genügend Ladedruck aufbauen kann und das Anfahrmoment

entsprechend hoch ist. Bei einer „steifen“ Wandlerauslegung ist das entsprechende

Anfahrdrehmoment deutlich niedriger.

3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 129

Abb. 3.43. Verlauf unterschiedlicher Wandlerkennlinien im Kennfeld eines turboaufgela-

denen Ottomotors

Liegen darüber hinaus extreme Randbedingungen (Kälte, hohe geodätische

Höhe) vor, ist das Drehmoment des aufgeladenen Motors aufgrund der niedrigen

Luftdichte sowie der geringen Abgasenthalpie stark reduziert. In Verbindung mit

der infolge der tiefen Temperaturen steifen Wandlerkennung liegt der Festbrems-

punkt bei sehr niedrigen Drehzahlen, sodass das Anfahrvermögen des Fahrzeugs

z.B. am Hang stark eingeschränkt wird. Diese Problematik muss bei aufgeladenen

Motoren stets berücksichtigt werden. Sie benötigen daher eher eine „weiche“

Abstimmung des Drehmomentwandlers, bei der die Kupplung erst dann geregelt

schließt, wenn der Motor sein Drehzahl- bzw. Ladedruckniveau erreicht hat. Diese

Wandlerauslegung gewährleistet den Anfahrvorgang bei allen Umgebungsbedin-

gungen, muss jedoch mit einem höheren Kraftstoffverbrauch erkauft werden.

Die durch den hydrodynamischen Drehmomentwandler mögliche, sogenannte

Wandlerüberhöhung kennzeichnet die Tatsache, dass das Getriebeeingangsmo-

ment (Turbinenmoment) größer ist als das vom Pumpenrad aufgenommene Mo-

ment. Die Wandlerüberhöhung – je nach Wandlerauslegung liegt diese im Bereich

von 1,7-2,4 – äußert sich in einer im Vergleich zu manuellen Stufengetrieben

höheren Zugkraft am Rad bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten und gestattet unter

gewöhnlichen Umgebungs- und Randbedingungen ein problemloses Anfahren,

siehe Abb. 3.44. Hierbei muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Motordreh-

zahl und der Kraftstoffverbrauch entsprechend erhöht sind.

Während das Zusammenspiel Motor/Wandler beim Saugmotor recht stabil ist,

führt der instationäre Betrieb von aufgeladenen Motoren aufgrund des Unter-

schieds zwischen stationärer und instationärer Drehmomentcharakteristik jedoch

zu instabileren Verhältnissen. Abb. 3.45 zeigt beispielhaft einen Vergleich des

zeitlichen Anfahrverhaltens von einem Otto-Saugmotor mit einem leistungsglei-

chen, aufgeladenen Dieselmotor. Das maximale Moment wird beim Saugmotor

bereits nach sehr kurzer Zeit erreicht.

130 3 Downsizing

Abb. 3.44. Zugkraftdiagramm eines Motors mit Stufenautomat sowie eines Motors mit

manuellem Handschaltgetriebe

Das Drehmoment weist durch die Wanderüberhöhung einen typischen, sehr

spitzen Verlauf auf, der zu einer spontanen Anfahrbeschleunigung führt. Im Ge-

gensatz dazu beginnt der Drehmoment-Verlauf des aufgeladenen Dieselmotors auf

einem sehr viel niedrigeren Niveau, sodass trotz Wandlerüberhöhung zunächst nur

eine moderate Beschleunigung erreicht wird. Mit dem Aufbau des Laderuckes

steigt die Beschleunigung stark an, und die Wandlerüberhöhung hat nur noch

einen geringen Einfluss. Insgesamt zeigt sich, dass Stufenautomaten das Anfahr-

verhalten von aufgeladenen Motoren deutlich verbessern können. Da das Zusam-

menspiel von instationärem Motorverhalten und Wandlerkennung komplexer

ausfällt als bei Saugmotoren, kommt der Auswahl einer geeigneten Wandlercha-

rakteristik eine besondere Bedeutung zu.

Abb. 3.45. Vergleich des Volllast-Anfahrverhaltens von Otto-Saug- und Turbodieselmotor

bei Kombination mit einem Stufenautomaten [HAL02]

3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 131

Stufenlose Getriebe

Getriebe mit stufenloser Übersetzung (CVT – Continuously Variable Transmissi-

on) bieten die höchste Anzahl von Freiheitsgraden bei der Drehmoment-Drehzahl-

Wandlung, da die starre Kopplung zwischen Motordrehzahl und Fahrgeschwin-

digkeit für einzelne Gangstufen aufgehoben wird. Die Übersetzung kann damit

stets gezielt auf die vorhandene Motorcharakteristik und die gewünschte Betriebs-

strategie eingestellt werden, sodass sich die Eigenschaften

x Kraftstoff sparender Fahrbetrieb

x Maximale Zugkraft bei allen Fahrgeschwindigkeiten

x Hohe Beschleunigungsreserven

im praktischen Fahrbetrieb realisieren lassen. Durch den Verbund von Getriebe

und Verbrennungsmotor ist damit entweder ein hohes Maß an Fahrdynamik oder

ein Betrieb bei geringen Verbrauchswerten und gutem Komfort möglich. Die

Spannweite wird durch die Getriebespreizung, die bei heutigen CVT-Getrieben

Werte bis etwa sechs erreicht, bestimmt.

Abbildung 3.46 zeigt theoretisch mögliche Betriebsstrategien des stufenlosen

Getriebes im Motorkennfeld am Beispiel eines direkteinspritzenden Dieselmotors

auf. Die verbrauchsoptimale Betriebslinie ergibt sich aus den Schnittpunkten der

Leistungshyperbeln mit den Isolinien des jeweils niedrigsten, spezifischen Kraft-

stoffverbrauchs. Da jedoch auch andere Aspekte wie z.B. Schaltnervosität, Emis-

sionsverhalten, Mindestdrehzahlen, Fahrzeugakustik und Drehmomentreserve zu

berücksichtigen sind, müssen die Betriebsbereiche eines stufenlosen Getriebes in

der Praxis zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Die Betriebsstrategien sind

also stets kompromissbehaftet, und die Betriebslinien liegen in einem begrenzten

Betriebsbereich.

Abb. 3.46. Betriebsbereiche des Motors in Verbindung mit einem CVT-Getriebe

132 3 Downsizing

Um die für die Fahrzeugbeschleunigung nötige Drehmomentreserve möglichst

hoch zu halten, können die Betriebsbereiche durch Verkürzung der Übersetzung in

höhere Drehzahlbereiche verlagert werden. Das hierfür nutzbare Potenzial wird

einerseits von der Getriebespreizung und andererseits von der Verstelldynamik

bestimmt. Infolge der stufenlosen Übersetzung kann während des Beschleuni-

gungsvorganges theoretisch die Zugkrafthyperbel bei Nennleistung nachgefahren

werden, sodass im Vergleich zum gestuften Handschaltgetriebe eine Ausfüllung

der Zugkraftlücken und damit ein Fahrleistungsgewinn möglich ist. Das CVT-

Getriebe bietet somit die Voraussetzung, mit einem Getriebe sowohl verbrauchs-

betont als auch bei Bedarf sportlich zu fahren.

Grundsätzlich kann die stufenlose Kraftübertragung durch unterschiedliche

Prinzipien dargestellt werden. Im Pkw-Bereich haben sich mechanisch-stufenlose

Getriebe in Form sogenannter Umschlingungsgetriebe durchgesetzt. Abb. 3.47

zeigt das Prinzip dieser Getriebeart auf. Der aus zwei axial verstellbaren Kegel-

scheibenpaaren bestehende Variator stellt das zentrale Bauelement dar. Die Kraft-

übertragung zwischen Kegelscheibenpaar und Schubgliederband erfolgt durch

Reibung, wobei die Übersetzung über den axialen Abstand der Scheiben durch

elektronisch gesteuerte und hydraulisch wirkende Aktuatoren eingestellt wird. Als

Anfahrelement kommen neben dem klassischen Drehmomentwandler auch Kupp-

lungen zum Einsatz.

Abb. 3.47. Prinzipdarstellung eines CVT-Getriebes in Form eines Umschlingungsgetriebes

Derzeit weisen CVT-Getriebe im Vergleich zu konventionellen Handschaltge-

trieben jedoch deutliche Nachteile im Getriebe-Wirkungsgrad auf, sodass sich das

Verbrauchspotenzial trotz günstiger Betriebsbereiche im Motorkennfeld noch

nicht vollständig erschließen lässt. Selbst im Bestpunkt liegen die Wirkungsgrade

unterhalb von 90%. Hauptverlustquellen sind die Hydraulikpumpe sowie die Rei-

bungsverluste der Übertragungselemente des Umschlingungsgetriebes. Besonders

im Teillastbetrieb führen die Verlustquellen zu einen starken Wirkungsgradabfall

[ELL00]. Hinsichtlich der Drehmomentkapazität sind Umschlingungsgetriebe bis

ca. 400 Nm einsetzbar. Höhere Drehmomentbereiche können durch Toroidgetrie-

3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 133

be – die Leistungsübertragung erfolgt hierbei punktförmig mit Hilfe hydrodyna-

mischer Reibung – abgedeckt werden [GOL03b].

[WIL00] berichtet über ein CVT-Getriebe nach dem „geared-neutral-Prinzip“.

Hierbei wird die Motorleistung auf zwei getrennte Pfade aufgeteilt, von denen ein

Pfad stufenlos verstellbar ist. Im Sammelgetriebe (Planetensatz) wird die Leistung

wieder zusammengeführt. Bei richtiger Auslegung lässt sich der stufenlose Zweig

so einstellen, dass am Getriebeausgang trotz drehendem Antrieb Stillstand

herrscht. In diesem Betriebsbereich führen kleine Eingangsleistungen bereits zu

sehr hohen Abtriebsmomenten, die fahrzeugseitig im Anfahrbereich zu ausgespro-

chen hohen Zugkräften führen, wobei im übrigen Fahrbereich die jeweils

günstigste Übersetzung eingestellt werden kann. Das GN-CVT-Getriebe befindet

sich derzeit allerdings noch im Vorentwicklungsstadium.

In der Summe bieten CVT-Getriebe auch in Verbindung mit Downsizing-

Konzepten deutliche Vorteile. Das geringe Drehmoment bei niedrigen Motordreh-

zahlen von turboaufgeladenen Motoren kann durch hohe Übersetzungen bei nied-

rigen Fahrgeschwindigkeiten in der Wirkung auf Anfahrverhalten und Beschleu-

nigung verbessert werden, ohne dass in den übrigen Bereichen auf eine kraftstoff-

verbrauchsorientierten Fahrbetrieb verzichtet werden muss. Die Verbesserungen

durch neuartige Getriebekonzepte resultieren im Vergleich zum klassischen Hand-

schaltgetriebe nicht aus höheren Wirkungsgraden der Getriebe selbst, sondern aus

der günstigeren Betriebsstrategie in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor. So

werden einerseits die z.B. Schaltzeiten reduziert (DKG), die Schaltzeitpunkte bei

festen Übersetzungsstufen optimal ausgelegt (ASG) und andererseits die Überset-

zungen stufenlos angepasst (CVT), sodass der Betrieb in wirkungsgradgünstigen

Kennfeldbereichen des Motors erfolgen kann. Die möglichen Einsparpotenziale

hängen damit auch direkt vom Motorenkonzept ab.

Abbildung 3.48 zeigt einen Vergleich der unterschiedlichen Getriebekonzepte

in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch und die Fahrzeugdynamik.

Abb. 3.48. Pkw-Getriebesysteme im Vergleich [MOT04]

134 3 Downsizing

Basis ist das klassische Handschaltgetriebe. Liegt der Fokus auf niedrige

Kraftstoffverbräuche, schneiden das ASG sowie das DKG am besten ab. Das CVT

bietet zwar grundsätzlich die höchsten Einsparpotenziale, jedoch hängt die prakti-

sche Ausnutzung dieses Potenzials von der Entwicklung des Getriebewirkungs-

grades ab, der im Vergleich zu anderen Getriebekonzepten vergleichsweise nied-

rig ist. Der Stufenautomat bietet heute einen hohen Schalt- und Fahrkomfort, weist

jedoch Nachteile im Verbrauch und in der Fahrdynamik auf. Für Downsizing-

Konzepte hat die Kombination mit dem CVT-Getriebe Vorteile, da die Anfahr-

schwäche u.U. deutlich verbessert werden kann, ohne im übrigen Fahrbetrieb auf

eine den Kraftstoffverbrauch senkende Getriebecharakteristik verzichten zu müs-

sen.

3.6.3 Hybride Antriebssysteme

Neben dem Verbrennungsmotor als alleiniges Antriebsaggregat für Fahrzeuge

sind mit dem Ziel eines geringen Kraftstoffverbrauchs bzw. niedriger CO

Emissionen auch andere bzw. alternative Antriebskonzepte Erfolg versprechend.

Sogenannte Hybridantriebe kombinieren zwei unterschiedliche Antriebssysteme –

in der Regel Verbrennungsmotor und Elektromaschine – miteinander und bieten

durch die Realisierung zusätzlicher Funktionen grundsätzlich mehr Freiheitsgrade,

die Vorteile des jeweiligen Antriebssystems bevorzugt im praktischen Fahrbetrieb

auszunutzen.

Neben dem Verbrennungsmotor als Energiewandler und dem Kraftstoff als E-

nergiespeicher bestehen Hybride zusätzlich aus einem Elektromotor bzw. Genera-

tor, der Leistungselektronik sowie Batterien als Energiespeicher. Die Batterie

stellt dabei aufgrund der hohen Anforderungen (Speichervermögen, Gewicht,

Bauvolumen, Lade-/Entladezyklen, Lebensdauer) den größten Kostenfaktor dar.

Bei den sogenannten seriellen Hybriden werden die Räder des Fahrzeugs stets

elektrisch angetrieben. Die dafür erforderliche elektrische Energie wird von dem

Verbrennungsmotor erzeugt, indem dieser einen Generator antreibt. Parallele

Hybride können die Räder entweder durch den Verbrennungsmotor oder durch die

Elektromaschine oder auch kombiniert antreiben. Darüber hinaus gibt es Misch-

hybride, bei denen sich der Leistungsfluss verzweigt. Da die Verluste der Ener-

gieübertragung auf dem elektrischen Weg mehr als eine Zehnerpotenz höher lie-

gen, als auf dem mechanischen Weg [HOF02], eignen sich für Pkw-

Verbrauchskonzepte in erster Linie Parallel-Hybride. Hierbei durchläuft die vom

Verbrennungsmotor abgegebene Leistung nicht die gesamte elektromotorische

Wirkungsgradkette, bevor sie den Antriebsrädern zugeführt wird.

Generell eröffnet die Kombination von Verbrennungsmotor und Elektroma-

schine völlig neuartige Antriebstrang-Funktionen, die sich sowohl auf den Kraft-

stoffverbrauch und die Fahrdynamik, als auch auf die Schadstoff- und Ge-

räuschemissionen positiv auswirken:

x Motorstart (sehr schnelles, geräuschloses, emissionsarmes und ver-

schleißfreies Starten auf Leerlaufdrehzahl)