Seite 4: Motorenwirkungsgrad

Viele Leute halten die Wirkungsgrade von Verbrennungsmotoren für unakzeptabel schlecht und meinen in der Natur wären die Dinge allgemein effizienter. Verbrennungsmotoren erreichen im Bestpunkt Wirkungsgrade zwischen 25% und 40%, im Bereich der Großmotoren (z.B. Schiffahrt) werden auch Wirkungsgrade von über 50% berichtet. Damit bräuchten sich Verbrennungsmotoren nicht verstecken. Ein Fahrradfahrer hat bezüglich der zusätzlich aufgrund der erbrachten mechanischen Leistung (Antrieb der Tretkurbeln mit den Beinen) zugeführten Energie einen Wirkungsgrad von etwa 25%.

Brennstoffe lassen sich aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten kaum mit höheren Wirkungsgraden in mechanische Energie umsetzen. Es gibt theoretische, so genannte Kreisprozesse, die einen idealen Verbrennungsmotor darstellen und die seinen maximal denkbaren Wirkungsgrad beschreiben. Die heutigen Motoren kommen diesen idealen, theoretisch maximal erzielbaren Wirkungsgraden bereits recht nahe. Selbst die Natur kann das nicht merklich besser. Bei Elektromotoren verhält es sich anders, weil elektrische Energie sich mit hohen Wirkungsgraden (bis über 90%) in mechanische Energie umwandeln lässt. Dafür erfolgt die Herstellung elektrischer Energie aus Brennstoffen ebenfalls wieder mit entsprechend schlechten Wirkungsgraden. Elektrische Energie ist also in Bezug auf viele Anwendungen die "höherwertige" Energieform im Vergleich zu Brennstoffen.

Wir wollen jedoch im Folgenden vorrangig den Verbrennungsmotor behandeln.

Ganz allgemein hat die Technik der Verbrennungsmotoren Wirkungsgrade erreicht, bei denen mir erhebliche Effizienzsteigerungen mittelfristig kaum machbar erscheinen. Kleine Schritte lassen sich beispielsweise mit teurer Ventiltechnik, mit mehreren variablen Turboladern und mit Zwischenkühlern erzielen. Diese Techniken sind bekannt, werden auch umgesetzt, sind aber teuer und werden daher nicht bei allen Autos verbaut.

Ich habe aus meiner Zeit bei Loremo sehr viele Kontakte zu Erfindern und Motorenentwicklern gehabt. Mir sind permanent Geschichten von Motoren begegnet, die um 20% oder 30% bessere Wirkungsgrade hätten haben sollen als herkömmliche Verbrennungsmotoren. Stichworte wie "Gegenkolbenmotor", 2Knickpleuel-Motor" oder diverse Drehkolbenmotoren wurden erwähnt.

Mir war mit meinem geringen Motoren- und Physikwissen zu keinem Zeitpunkt ersichtlich, woher diese Verbesserungen hätten resultieren sollen. Einzig der Elsbeth-Motor mit seinem speziellen Wirbelverfahren zur Einleitung der Frischluft in einen Dieselmotor hatte seinerzeit im Vergleich zur damaligen Technik ein gewisses Potential. Dieses Potential ist aber auch in den Augen seiner Nachfahren durch die moderne Dieseltechnik im Wirkungsgrad geringfügig überholt.

Der Dieselmotor hat gegenüber dem Benziner ein merkliches Energieeinsparpotential. Die gegenwärtige Hetze gegen den Dieselmotor erachte ich als gezielten Versuch, den effizienten Dieselmotor insbesondere im Kleinwagenbereich aus dem Markt zu zwingen.

Ich halte die gegenwärtige Abgasgesetzgebung aus ökologischer Sicht für überzogen und kontraproduktiv. Insbesondere dem Dieselmotor werden Vorgaben auferlegt, die zu hohen Kosten einzuhalten sind und die daher die Verbreitung des effizienten Diesels zurückdrängen. Mehr hierzu finden Sie auch hier.

Einen revolutionären Verbrennungsmotor erwarte ich nach meiner Kenntnis mittelfristig nicht. Bedeutsamer ist der sinnvolle Einsatz des vorhandenen Verbrennungsmotors im jeweiligen Fahrbetrieb. Hier geht es auch um das technische Verständnis der Autofahrer und dazu will ich im Folgenden etwas beitragen:

Leider läuft ein Verbrennungsmotor nur selten im Bestpunkt seines Wirkungsgrades. Dieser Bestpunkt liegt bei Automotoren in der Regel bei etwas 2.000 Umdrehungen pro Minute (bzw. ca. 33 Umdrehungen pro Sekunde) und bei zu 80% bis 90% durchgedrückten Gaspedal bzw so genanntem "Mitteldruck" oder Drehmoment des Motors, was vereinfacht gesagt ungefähr das selbe ist.

Zwei Gründe bewirken, dass die Verbrennungsmotoren meist mit erheblich schlechteren Wirkungsgraden betrieben werden:

Der wichtigste Grund besteht darin, dass die Motoren bei weitem überdimensioniert sind. In den allermeisten Fahrsituationen wird einem Motor gerade einmal 10% bis 20% seiner maximalen Motorleistung abverlangt. Aber der ganze Motor muss gleichwohl permanent mit bewegt werden. Eine sehr viel ältere Publikation nahm an, dass der Verbrauch mit jeder Verdoppelung der Leistung ungefähr um jeweils 35% zunähme. Viel PS bedeutet somit viel Verbrauch. Diese einfache Formel ist den meisten Menschen bekannt.

Der zweite und kaum weniger bedeutsame Grund liegt darin, dass wir von Filmvorbildern, Fahrlehrern und "sportlichen" Vorstellungen dazu verleitet werden, hochtourig zu fahren. Durch hohe Umdrehungszahlen wird unnötig Treibstoff verbraucht. Bei ungefähr 2.000 Umdrehungen ist, wie gesagt, ein Automotor am effizientesten. Aber nur, wenn man das Gaspedal fast durchdrückt.

Da jedoch in einem höheren Gang mehr Drehmoment benötigt wird, steigt der Wirkungsgrad des Motors beim Hochschalten bzw. beim niedertourigen Fahren auch bis hin zur Leerlaufdrehzahl oft noch an. Der Grund liegt darin, dass das Gaspedal im hohen Gang weiter durchgedrückt werden kann, ohne zu schnell zu werden. Man kann sich diesen positiven Effekt niedriger Drehzahlen auch verbildlichen, wenn man sich vorstellt, dass der Motor auch Energie benötigt, um einfach selbst gedreht zu werden. Und diese "sinnlos" verpulverte Energie wird teilweise eingespart, wenn der Motor nicht so schnell gedreht werden muss.