Teillastbetrieb

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Aktuelle Version vom 21. Mai 2015, 15:21 Uhr

Teillastbetrieb ist ein Betriebszustand, bei dem nicht die volle Motorleistung des Fahrzeugs (= Volllastbetrieb) abgerufen wird, sondern eben nur ein Teil derselben. Die Menge des eingespritzten Treibstoffs wird hierzu reduziert. Bei Benzinmotoren (Ottomotoren) ist dabei die Drosselklappe teilweise geschlossen, um die Luftmenge, die dem Motor zugeführt wird, entsprechend zu reduzieren, da ein Benzinmtor (und insbesondere dessen Katalysator-System) bei Luftüberschuss nicht gut arbeitet. Leider verursacht die Drosselklappe dann aber sogenannte "Drosselverluste" (auch Pumpverlust genannt), also einen erheblichen Abfall des Wirkungsgrads gegenüber dem Volllastbetrieb. Dieselmotoren dagegen benötigen keine Drosselklappe, da sie auch mit Luftüberschuss arbeiten können, wodurch der Wirkungsgrad bei Teillast weniger stark abfällt.

Teillastbetrieb tritt bei Automotoren in der Praxis fast immer auf, z. B. bei gleichmäßiger Fahrt auf ebener Fahrbahn mit mäßiger Marschgeschwindigkeit (Cruising Speed). Zu überwinden sind hauptsächlich der Luftwiderstand (bestimmt durch cw-Wert, Querschnittsfläche und Geschwindigkeit) sowie der Rollwiderstand des Fahrzeugs. Der günstigste Verbrauch ergibt sich bei einer mittleren Geschwindigkeit, die einen guten Kompromiss zwischen Luftwiderstand und Motorwirkungsgrad bietet.

Um den Wirkungsgradabfall bei Teillast zu begrenzen, reduziert man die Motorleistung besser über eine Absenkung der Motordrehzahl als über das Schliessen der Drosselklappe. Bei einem Fahrzeug mit Schaltgetriebe bedeutet dies, besser mit viel Gas im hohen Gang zu fahren als mit wenig Gas im niedrigen. Dies ist der Kern der sogenannten Ecodrive-Strategie. Andere Strategien, um den Wirkungsgrad bei Teillast einigermassen zu bewahren, sind die Verwendung eines nicht zu starken Benzinmotors (beim Hybridfahrzeug mit Bewahrung guter Beschleunigung durch kurzzeitige Unterstützung des Elektromotors), eine optimierte Ventilsteuerung (beim Prius mit dem Namen VVT-i), der Einsatz eines Dieselmotors, und bei manchen großen Motoren (vor allem mit vielen Zylindern) die Abschaltung eines Teils der Zylinder (Zylinderabschaltung).

Hybridfahrzeuge

Der Prius realisiert die Ecodrive-Strategie automatisch: Bei mittlerem Leistungsbedarf läuft der Motor mit relativ niedrigerer Drehzahl bei offener Drosselklappe, und erst bei sehr niedriger Leistung wird die Drosselklappe geschlossen. (Die Drosselklappe ist beim Prius nicht wie sonst mit dem Gaspedal verbunden, sondern wird vom Bordcomputer gesteuert.) Nach Möglichkeit wird der ineffiziente Betrieb mit fast geschlossener Drosselklappe vermieden, indem entweder ganz auf elektrischen Betrieb umgestellt wird, oder aber mehr Leistung erzeugt und der Überschuss in die Batterie eingespeist wird.

Vollhybridfahrzeuge haben gerade im Teillastbetrieb gegenüber konventionellen Fahrzeugen erhebliche Vorteile, da sie bei geringem Leistungsbedarf auch rein elektrisch gefahren werden können. Hinzu kommt beim Prius die oben erwähnte Optimierung des Teillastbetriebs durch Drehzahlabsenkung. Dies ist trotz des Fehlens eines Schaltgetriebes auch bei hohen Geschwindigkeiten möglich durch eine Art "Overdrive"-Modus, in dem MG1 als Elektromotor arbeitet, um eine niedrigere Drehzahl der ICE zu ermöglichen. Hierbei wird der nötige Strom von MG2 als Generator erzeugt, und die ICE muss dazu natürlich ein höheres Drehmoment liefern. (Siehe auch den Artikel über PSD.) Dieser Modus wurde von US-Prius-Fahrern auch als "heretical mode" bezeichnet, da er von Toyota offiziell nicht dokumentiert ist und bisher akzeptierten Vorstellungen widerspricht.

Entgegen einer weit verbreiteten Meinung resultiert der Verbrauchsvorteil eines Hybridantriebs wie des Prius meist zum grössten Teil aus der Vermeidung ineffizienten Teillastbetriebs der ICE und nur zu einem geringeren Teil aus der Möglichkeit der Rekuperation von Bremsenergie. Unter bestimmten Umständen (Stadtverkehr, bergiges Gelände) kann die Rekuperation jedoch auch wichtig werden. Bei Volllast ist ein Hybridantrieb übrigens nicht von Vorteil, und der oben genannte Overdrive-Modus ist weniger effizient als ein Schaltgetriebe mit 5 oder gar 6 Gängen. Deswegen hat der Prius bei hohen Geschwindigkeiten keinen sehr niedrigen Verbrauch, während er vor allem im Stadtverkehr glänzt.

Der Einsatz der Hybrid-Batterie des Prius wird vom Bordcomputer nicht nur gemäss der Leistungsanforderung bestimmt, sondern auch vom Batterie-Ladezustand (SOC). Bei hohem SOC steigt die Tendenz, Strom aus der Batterie zu verwenden (im reinen Elektro-Modus oder als Unterstützung), damit die Batterie später beim Bremsen Energie aufnehmen kann. Umgekehrt wird bei niedrigem SOC eher überschüssige Leistung in die Batterie eingespeist, um eine Energiereserve für Elektrobetrieb zu gewinnen.

Die IMA-Fahrzeuge von Honda laden die Hybrid-Batterie im Teillastbetrieb nur, wenn deren SOC unter den unteren Schwellwert abgesunken ist. Im Normalfall treibt jedoch der Benzinmotor den Wagen ganz alleine an. Der Civic Hybrid (ab Modelljahrgang 2006) arbeitet bei Teillast in einem speziellen Ventilsteuerungsmodus, der den Pumpverlust reduziert.

Beim Honda Accord V6 IMA wird im Teillastbetrieb mit Zylinderabschaltung gearbeitet.