Wie Automotoren funktionieren: Verbrennungsmotoren vs. Elektromotoren erklärt

Zwei sehr unterschiedliche Maschinen bewegen heute die meisten Autos auf der Straße. Eine verbrennt flüssigen Kraftstoff in Metallzylindern; die andere verwendet Strom, um Magnete zu drehen. Das Verständnis, was unter der Motorhaube passiert, erklärt, warum sich diese Fahrzeuge so unterschiedlich anfühlen, klingen und warten lassen.

Wie ein Verbrennungsmotor funktioniert

Nach dem U.S. Department of Energy besteht ein Verbrennungsmotor (ICE) aus einem festen Zylinder und einem beweglichen Kolben. Der Kraftstoff verbrennt im Zylinder, und die ausdehnenden Gase drücken den Kolben, der die Kurbelwelle dreht und letztendlich die Räder des Fahrzeugs antreibt.

Die meisten ICE-Fahrzeuge laufen nach einem Viertakt-Zyklus, wie das Department of Energy erläutert: Ansaugen, Verdichtung, Verbrennung/Leistung und Auspuff. Beim Ansaugen bewegt sich der Kolben nach unten, während ein Einlassventil sich öffnet, um Luft und Kraftstoff aufzunehmen. Bei der Verdichtung schließt sich das Ventil und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch zusammengepresst wird. Im Leistungshub zündet das komprimierte Gemisch — und drückt den Kolben nach unten zurück — und beim Auspuffhub hebt sich der Kolben wieder, während sich ein zweites Ventil öffnet, um verbrauchte Gase auszustoßen.

Das Department of Energy unterscheidet zwei Hauptmotordesigns: Fremdzündungs-Benzinmotoren, bei denen eine Zündkerze das Luft-Kraftstoff-Gemisch zündet, und Kompressionszündungs-Dieselmotoren, bei denen sich der Kraftstoff in heißer, hochkomprimierter Luft selbst entzündet. ICEs können auch mit alternativen Kraftstoffen wie Erdgas, Propan, Biodiesel oder Ethanol betrieben werden und können in Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Systemen mit elektrischen Komponenten kombiniert werden.

Wie ein Elektromotor eines Elektroautos funktioniert

Vollelektrische Fahrzeuge ersetzen den Motor durch einen oder mehrere Elektrotraktionsmotoren, die von einem wiederaufladbaren Batteriepaket angetrieben werden, nach Angaben der fueleconomy.gov der U.S.-Regierung und des Alternative Fuels Data Center (AFDC) des Department of Energy. Der AFDC listet die Kernkomponenten auf: eine Traktionsbatterie, die Energie speichert, ein Ladeanschluss und ein Bordladegerät, das eingehenden Wechselstrom für das Laden in Gleichstrom umwandelt, einen DC/DC-Wandler, der die Spannung für Zubehör reduziert, einen Stromrichter, der die Motorgeschwindigkeit und das Drehmoment verwaltet, und den Elektrotraktionsmotor selbst, der die Räder antreibt (in den meisten Designs über ein Getriebe).

Der Stromrichter verwaltet, von der Traktionsbatterie angetrieben, wie viel elektrische Energie den Elektrotraktionsmotor erreicht, und steuert die Geschwindigkeit des Motors und das Drehmoment, das er erzeugt, so der AFDC. Ein separates Kühlsystem hält die Batterie, den Motor und die Elektronik in ihrem ordnungsgemäßen Betriebstemperaturbereich, bemerkt der AFDC.

Rekuperatives Bremsen: Der Motor arbeitet rückwärts

Eine Funktion ohne Entsprechung in einem herkömmlichen ICE-Fahrzeug ist das rekuperative Bremsen. Wie Mazdas Seiten zur Verbrauchertechnik beschreiben, unter Berufung auf Schätzungen des Department of Energy, wenn der Fahrer das Gaspedal loslässt, bremst oder einen Abhang hinunterrollt, kehrt der Elektromotor seine Rolle um: anstatt Batteriestrom zu verbrauchen, um die Räder zu drehen, drehen die rotierenden Räder den Motor, der nun als Generator fungiert und Strom zurück in die Batterie sendet. Das Department of Energy schätzt, so Mazda, dass dieser Prozess etwa 22% der Fahrtenergie in Elektrofahrzeugen beim kombinierten Stadt- und Autobahnfahren zurückgewinnt (gegenüber 5–9% bei Hybriden). Da das rekuperative Bremsen nicht die Bremsleistung bietet, die in Notfällen erforderlich ist, bleiben konventionelle Reibungsbremsen als Backup bestehen, bemerkt Mazda.

Warum sich die beiden Systeme in Effizienz unterscheiden

Fueleconomy.gov erklärt, dass Elektrofahrzeuge über 77% der aus dem Stromnetz gezogenen elektrischen Energie in Leistung an den Rädern umwandeln, während herkömmliche Benzinautos nur etwa 12% bis 30% der in Benzin gespeicherten Energie in Leistung an den Rädern umwandeln — der Rest geht hauptsächlich als Wärme und durch Motorreibung verloren. Fueleconomy.gov bemerkt auch, dass EV-Batterien in gemäßigten Klimazonen 12 bis 15 Jahre und in extremen Klimazonen 8 bis 12 Jahre halten können, und dass eine vollständige Aufladung normalerweise 3 bis 12 Stunden dauert, wobei Schnellladen in etwa 30 Minuten 80% Kapazität erreicht.

Häufig verwendete Begriffe erläutert

• Kurbelwelle: die rotierende Welle, die die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens in Rotationsbewegung umwandelt, gemäß dem Department of Energy.
• Traktionsbatterie: das wiederaufladbare Batteriepaket, das Energie für den Elektrotraktionsmotor speichert, gemäß dem AFDC.
• Stromrichter: die Komponente, die verwaltet, wie elektrische Energie aus der Batterie fließt und die Geschwindigkeit und das Drehmoment des Motors steuert, nach Angaben des AFDC.
• Rekuperatives Bremsen: Verwendung des Elektromotors als Generator während der Verzögerung, um Energie zurück in die Batterie zu senden, wie von Mazda beschrieben, mit Verweis auf Schätzungen des Department of Energy.