Reduzierung des Luftwiderstandes -
volle Wirkung mit regenerativem Bremsen

Der Luftwiderstand eines Autos scheint für die Entwickler kein Thema mehr zu sein. Seine Reduzierung lohne sich nicht, die Auswirkung auf den Verbrauch sei zu klein, sagen sie. Macht man jedoch von der regenerativen Bremse Gebrauch, dann ändert sich das Bild total. Wie das?

Die Verkleinerung des Luftwiderstands ist kein Selbstzweck. Es kommt allein darauf an, was man daraus macht. Zwei ganz unterschiedliche Ziele lassen sich damit verfolgen: entweder die Senkung des Verbrauchs - und damit implizit der CO2-Emissionen - oder die Erhöhung der Spitzengeschwindigkeit. Derzeit geht es fast ausschließlich um ersteres, darum, mit möglichst wenig Sprit auszukommen.

Wie stark sich der cW-Wert auf den Verbrauch auswirkt, hängt davon ab, wie dieser ermittelt wird. Darüber haben wir ausführlich berichtet (AR Nr. 49 vom 3. Dezember 2008). Amtlich erfolgt die Messung des Verbrauchs auf einem Rollenprüfstand im sogenannten „Neuen Europäische Fahrzyklus“ (NEFZ). Der hat mit dem, wie der normale Fahrer unterwegs ist, herzlich wenig zu tun. Mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 32,5 km/h ist er extrem langsam. Bei einem solchen Zuckeltrab wirkt sich eine Senkung des Luftwiderstandes nur äußerst schwach auf den Verbrauch aus: ein 10%iger Widerstandsabbau wird im NEFZ mit einem Minderverbrauch von nur 2,5 % honoriert. Diese marginale Verbesserung, so die Meinung manches Autobauers, lohne die Mühe nicht, den cW-Wert zu senken.

Eine Möglichkeit, dieses enttäuschende Ergebnis zu verbessern, besteht darin, die Motorleistung P1 nach der Reduzierung des Luftwiderstands von cW1 auf cW2 um den Betrag P auf P2 zurückzunehmen und zwar gerade soweit, dass die Spitzengeschwindigkeit Vmax1 unverändert bleibt, siehe Bild 1. Hält man dabei aber die Masse des Fahrzeuges konstant, dann hätte das zur Folge, dass dessen Beschleunigungsvermögen abnimmt. Ein Ergebnis, das von der Kundschaft kaum goutiert würde. Und die daraufhin regelmäßig erhobene Forderung, dann doch endlich auch die Masse des Fahrzeugs abzuspecken, bleibt ein frommer Wunsch. Denn trotz aller Bemühungen um Leichtbau nimmt die Masse der Pw von einer Generation zur nächsten zu. Die Sicherheit und vor allem der Komfort fordern ihren Tribut.

Beschleunigt wird jedoch immer nur kurzzeitig und nur dann wird die „alte“ Motorleistung P1 benötigt. Gesucht ist also ein System, das diese Leistung P1 für eine begrenzte Zeit zur Verfügung stellt und auf die angetriebene Achse überträgt. Die Lösung heißt regeneratives Bremsen. Wie das funktioniert, geht aus dem Schema in Bild 2 hervor. Tritt der Fahrer auf die Bremse, dann wird nicht, wie bisher, kinetische Energie in Wärme umgewandelt – sei es durch Schleppen des Motors oder mit der Reibungsbremse und durch den Luftwiderstand. Sie wird vielmehr in einem Energiewandler derart umgesetzt, dass sie in einem Energiespeicher gespeichert werden kann. Wird nun zum Beschleunigen die zusätzliche Leistung P benötigt, dann liefert diese ein weiterer Energiewandler, der seinerseits auf den Speicher zugreift.

Favorit für das regenerative Bremsen ist der elektrische Weg. Der eine Wandler (unten im Schema) ist ein Generator, den Speicher bildet ein Akku, und der zweite Wandler ist ein Elektromotor, der die gleiche Maschine sein sollte, wie der Generator. Von einer derartigen Einrichtung kann eine „Effizienz“ von bis zu 60% erwartet werden, d.h. 60% der Energie, die bei einer konventionellen Bremsung verheizt wird, kann kurzzeitig für den Antrieb nutzbar gemacht werden. Und das, ohne dass dabei zusätzlich Kraftstoff verbraucht wird. Denkbar sind auch mechanische Systeme wie z.B. Schwungrad oder Druckluft.

Dieser Weg – Leistung verringern und die regenerative Bremse nutzen - schließt einen weiteren Vorteil ein. Die um P niedrigere Nennleistung des Verbrennungsmotors hat zur Folge, dass im Fahralltag die Betriebspunkte im Motorkennfeld (Muscheldiagramm) in den Bereich niedrigerer spezifischer Verbräuche verschoben werden, Bild 3. Dadurch sinkt der Verbrauch nochmals. Und einen zusätzlichen Vorteil bietet der kleinere Luftwiderstand: er bremst weniger. Das verbessert, wenn auch nur geringfügig, die Effizienz.

Mit der regenerativen Bremse - auch als „milder Hybrid“ bezeichnet - lässt sich der Triebstrang eines Pw optimal auf eine Senkung des Luftwiderstandes abstimmen und damit die Wirksamkeit dieser Maßnahme voll ausschöpfen. Geschätzt wird, dass damit selbst im langsamen NEFZ eine 10%ige Widerstandsreduzierung mit einer ca. 5%igen Verbrauchsersparnis honoriert wird. Das ist rund doppelt so viel, wie bei einer konventionellen Bremse. Und wie man zu einer signifikanten Verringerung des Luftwiderstandes gelangt, dazu haben wir in der AR Nr. 5 vom 30. Januar 2008 einen Vorschlag unterbreitet.

Wolf-Heinrich Hucho 5.9.2009