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Der technische Zusammenhang zwischen Drehzahlreglern und Kraftstoffverbrauch
Wie sich Motorlast, Luftwiderstand und Verbrennungseffizienz mit der Geschwindigkeit verändern
Der Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors hängt von drei miteinander verbundenen Faktoren ab, die durch die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden. Erstens wird bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit ein Phänomen namens Luftwiderstand signifikant. Dies ist eine Folge der Fahrzeuggeschwindigkeit. Verdoppelt sich die Geschwindigkeit, steigt der aerodynamische Widerstand um den Faktor vier. Der Luftwiderstand stellt oberhalb einer Geschwindigkeit von 55 mph eine erhebliche Belastung für den Energiehaushalt dar. Zweitens liegt die optimale Motoreffizienz bei etwa 1200–1800 Umdrehungen pro Minute. Kraftstoff-, Luft- und Turboladerdruckbedingungen ermöglichen die beste Verbrennung und Druckregelung. Unterhalb von 40 mph erreicht der Motor einen Zustand schlechter Verbrennung, wobei Ruß und Kohlenwasserstoffe entstehen. Drittens wird der Motor oberhalb von 70 mph ineffizient, und die für die Überwindung der Fahrzeugreibung aufgewendete Energie wird erheblich.
Die von einem Motor verrichtete Arbeitsmenge variiert je nachdem, wie weit das Gaspedal durchgetreten wird und wie viel Kraftstoff in jeden Zylinder eingespritzt wird. Diese Faktoren werden durch Regler gesteuert, die darauf abzielen, die Vorgänge so zu kontrollieren, dass übermäßige mechanische Belastungen und thermische Probleme minimiert werden. Wenn beispielsweise ein Lkw eine Höchstgeschwindigkeit von 65 statt 75 mph besitzt, ergibt sich daraus etwa ein Drittel geringerer Luftwiderstand, wodurch der Motor länger im Bereich seines maximalen Wirkungsgrads betrieben werden kann.
Was ist an der Kraftstoffeffizienz-„Sweet Spot“ für Dieselantriebe so besonders?
Die Einhaltung des optimalen Kraftstoffverbrauchs-Bereichs eines Dieselmotors von 50 bis 65 Meilen pro Stunde führt zum besten Ergebnis hinsichtlich des „bremsenspezifischen Kraftstoffverbrauchs“ (BSFC) des Motors. Dieses Ergebnis ergibt sich durch die beste thermische Balance im Inneren des Motors, eine optimale Luftströmung um die Fahrzeugkarosserie herum sowie eine hohe Effizienz der Antriebsstrangkomponenten. Bei Geschwindigkeiten unter 50 mph verlässt der Dieselmotor seinen optimalen Leistungsbereich, und der Antriebsstrang arbeitet in niedrigeren Gängen, was zu erhöhten Reibungsverlusten führt. Bei Geschwindigkeiten über 65 mph verschlechtert sich der Kraftstoffverbrauch aufgrund des zunehmenden Luftwiderstands; bei 70 mph entfallen hierauf etwa zwei Drittel der zur Aufrechterhaltung dieser Geschwindigkeit erforderlichen Leistung. Daher erreichen dieselbetriebene Fahrzeuge den optimalen Kraftstoffverbrauch, indem sie in diesem „mittleren Geschwindigkeitsbereich“ betrieben werden – dem sogenannten wirtschaftlichsten Kraftstoffverbrauchsbereich.
Turbolader bieten eine kontinuierliche und effiziente Ladedruckerhöhung von 15–25 psi
Hochdruck-Einspritzsysteme mit gemeinsamer Einspritzleitung arbeiten an den Grenzen des volumetrischen Wirkungsgrads
Der Rollwiderstand bleibt weitgehend unverändert
Getriebe ermöglichen einen kontinuierlichen Betrieb im höchsten Gang bei 1200–1800 U/min
Diese Konvergenz führt im Vergleich zum uneingeschränkten Betrieb bei 75 mph zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 30 %. Geschwindigkeitsbegrenzer setzen dies zuverlässig durch – insbesondere bei schweren Nutzfahrzeugen, deren aerodynamischer Widerstandsbeiwert aufgrund ihrer kastenförmigen Bauweise und der Anhänger-Konfiguration über 0,65 liegt.
Die Auswirkung verschiedener Geschwindigkeitsbegrenzer auf die Kraftstoffeffizienz im realen Einsatz
Die Positionierung von Geschwindigkeitsbegrenzern kann entweder als harte oder als weiche Grenze erfolgen und wirkt sich daher entweder einschränkend oder entlastend auf die Drosselklappenstellung sowie darauf aus, wie die Motorsteuerung (ECU) den Kraftstofffluss regelt.
Die Kraftstoffzufuhr zum Motor wird vollständig unterbrochen, sobald die harten Drehzahlbegrenzer aktiv werden, was zu dem vom Fahrer spürbaren abrupten Verlust der Drosselklappenreaktion führt und sich insbesondere bei Autobahnfahrten besonders deutlich bemerkbar macht. Diese plötzliche Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr beeinträchtigt die Motorstabilität und führt dazu, dass das Fahrzeug den Kraftstoff ineffizienter verbraucht. Die Kraftstoffeffizienz kann im Vergleich zu einem ordnungsgemäß funktionierenden System um bis zu 12 % bis 8 % negativ beeinflusst werden. Genau hier unterscheiden sich weiche Drehzahlbegrenzer. Diese Systeme nutzen einen Mechanismus, bei dem die Steuergeräteeinheit (ECU) vorausschauend so kraftstoffoptimiert abgebildet ist, dass ein Anstieg der Kraftstoffzufuhr verhindert wird. Dieser Mechanismus bewahrt die Betriebsintegrität und Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs – sowohl offensiv beim Überholen als auch defensiv bei aggressiver Beschleunigung zur Reduzierung der gesamten Motordrehzahl.
Drehmomentanforderung, Straßensteigung und Nutzlastdaten für die adaptive Abstimmung des Geschwindigkeitsreglers.
Als Beispiel verwenden moderne Geschwindigkeitsregelungssysteme IMUs (Inertial Measurement Units) und Achslastdaten, um die Höchstgeschwindigkeit dynamisch an den Drehmomentbedarf des Fahrzeugs anzupassen. Diese intelligenten Systeme wissen beispielsweise, dass sie bei der Durchfahrt einer 5-prozentigen Steigung die Verweildauer in einem bestimmten Gang verlängern sollten, um übermäßiges Zurückschalten und eine zu hohe Motordrehzahl zu vermeiden. Flottenbetreiber berichten empirisch beobachtbare Systemeinsätze auch umgekehrt: Basierend auf der Last, die die Lkw transportieren, reduziert das Geschwindigkeitsregelungssystem die zulässige Höchstgeschwindigkeit. Nach der Auswertung von Telematikdaten mehrerer großer nordamerikanischer Speditionsflotten zeigte sich, dass dieser Ansatz den gesamten Kraftstoffverbrauch um 3,1 Gallonen pro 1.000 Meilen Fahrt senkt. Im Gegensatz dazu ist der traditionelle Ansatz, für ein bestimmtes Straßenstück auf Grundlage historischer Daten eine feste Geschwindigkeitsbegrenzung vorzugeben – unabhängig vom Gefälle des Abschnitts oder der vom Lkw transportierten Last – übermäßig vereinfachend. Diese neuen adaptiven Systeme haben die Geschwindigkeitsregelung von einem simplen Ansatz hin zu einer dynamischen Anpassung an die tatsächlichen Leistungsanforderungen unter realen Einsatzbedingungen transformiert. Kraftstoffeinsparungen durch den Einsatz von Geschwindigkeitsreglern.
Kalibrierte Geschwindigkeitsbegrenzer haben gezeigt, dass Kraftstoffeinsparungen im gewerblichen Fuhrparkbetrieb erzielbar sind. Durch die Begrenzung der Geschwindigkeit auf einen Bereich mit hoher Dieseleffizienz (80–105 km/h) lässt sich der Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum ungebremsten Betrieb um 10–15 % senken. Diese Einsparungen resultieren sowohl aus einer Verringerung des Luftwiderstands als auch aus einer stabilisierten Verbrennung.
Kraftstoffeinsparungen durch den Einsatz von Geschwindigkeitsbegrenzern bei gewerblichen Fuhrparks lassen sich auf folgende Faktoren zurückführen:
- Luftwiderstandseinsparungen: Je höher die Fahrgeschwindigkeit innerhalb des Bereichs von 80–105 km/h, desto signifikanter die Kraftstoffeinsparung.
- Aufrechterhaltung eines stationären Betriebszustands: Die konstante Einhaltung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit verhindert Änderungen der Drosselklappenstellung und bewahrt den optimalen Zeitpunkt für die Kraftstoffeinspritzung durch die Einspritzdüse sowie die optimale Reaktion des Turboladers.
- Bei Flotten mit 100 Lastkraftwagen, die im Durchschnitt 160.000 Kilometer pro Jahr zurücklegen, können jährlich 567.800 Liter Diesel eingespart werden. In Kombination mit Fahrerschulungen und Routenoptimierung lassen sich diese Einsparungen erzielen, ohne die Fahrzeit zu verlängern, und gleichzeitig werden die CO₂-Emissionen reduziert.
Mehr als einfache Geschwindigkeitsbegrenzung: Intelligente Geschwindigkeitsassistenz als fortschrittliche Form des Geschwindigkeitsreglers
Von reaktiver Geschwindigkeitsregelung zu vorausschauendem Eco-Cruise, angetrieben durch GNSS, HD-Karten und V2X
Die intelligente Geschwindigkeitsassistenz ist eine prädiktive Alternative zu herkömmlichen Tempomat-Systemen und deren reaktiven Betriebsarten. Herkömmliche Geschwindigkeitsbegrenzer greifen erst EIN, NACHDEM die zulässige Höchstgeschwindigkeit überschritten wurde, und zwar auf störende und ineffiziente Weise, was zu plötzlichen Leistungsabfällen und Geschwindigkeitsschwankungen führt. Das System der intelligenten Geschwindigkeitsassistenz ermöglicht dank der Integration von GNSS, detaillierten Straßenkarten sowie Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation ein prädiktives ökologisches Fahren. Durch dieses prädiktive ökologische Fahren können diese Systeme proaktiv agieren und Hindernisse auf der Straße bereits im Voraus antizipieren – basierend auf dem Gelände (Steigungen, Kurven), dem Verkehrsaufkommen und den Geschwindigkeitsbegrenzungen bis zu einer Entfernung von 3 km. Dadurch wird eine optimale Leistungssteuerung an die Räder ermöglicht und Probleme werden präventiv vermieden, statt erst reaktiv darauf zu reagieren.
Beschleunigungsalgorithmen, adaptiver Tempomat und integrierte Verkehrssteuerungssysteme führen zu einer Glättung der Fahrzeuggeschwindigkeitsprofile und zur Optimierung des gesamten Fahrzyklus aus Sicht des Energieverbrauchs. Das Ergebnis der Kombination dieser Technologien ist eine Reduzierung der Geschwindigkeitsvarianz um 15–20 %, die traditionell als kraftstoffverschwendend durch diese reaktiven Systeme angesehen wird, sowie ein Anstieg kraftstoffsparender Technologien, die einen intelligenten Ansatz verfolgen – anstatt den mechanischen Baustein-Ansatz lediglich eines Geschwindigkeitsbegrenzers zu nutzen.
Frequently Asked Questions (FAQ)
Welche Faktoren beeinflussen den Kraftstoffverbrauch bei Dieselmotoren?
Diese Variablen hängen von einer Kombination aus Fahrzeuggeschwindigkeit, Luftwiderstand und Motordrehzahl ab. Der Zusammenhang dieser Variablen ist folgender: Bei hohen Geschwindigkeiten steigt der Luftwiderstand exponentiell an, während bei niedrigen Geschwindigkeiten die Motordrehzahl zu einer höheren Effizienz führen kann.
Welcher Grund spricht dafür, dass der Geschwindigkeitsbereich von 50–65 mph als der besonders treibstoffsparende Bereich für Dieselmotoren gilt?
In diesem Geschwindigkeitsbereich besteht ein optimales Gleichgewicht zwischen Motor und mechanischen Komponenten des Antriebsstrangs für den besten Kraftstoffverbrauch.
Was versteht man unter harten und weichen Grenzwerten im Zusammenhang mit Drehzahlschaltern?
Harte Grenzwerte führen zu plötzlichen Einschnitten bei der Kraftstoffzufuhr, was zu unregelmäßigem Motorverhalten und Einbußen beim Kraftstoffverbrauch führt; weiche Grenzwerte hingegen ermöglichen eine Optimierung der Kraftstoffzufuhr und gewährleisten einen stabilen Betrieb auf effizientem Niveau mit minimalen Kraftstoffverlusten, da sie Kraftstoffanpassungen prädiktiv abbilden.
Auf welche Weise können adaptive Geschwindigkeitsbegrenzer den Kraftstoffverbrauch verbessern?
Die adaptive Systemart passt ihre Geschwindigkeitsgrenzen an wechselnde Straßenbedingungen und das Gewicht der Nutzlast an, wodurch eine optimale und maßgeschneiderte Systemleistung sowie eine geringere Kraftstoffverschwendung erreicht werden, da das System stets den jeweiligen Leistungsanforderungen des Fahrzeugs entspricht.
Was ist die intelligente Geschwindigkeitsunterstützung (ISA) und wie unterscheidet sie sich von herkömmlichen Geschwindigkeitsbegrenzern?
Die ISA kombiniert die Geschwindigkeitsregelung mit der Vermeidung kraftstoffverschwendender Ereignisse und einer insgesamt verbesserten Energieeffizienz – jenseits der reinen Geschwindigkeitsbegrenzung – unter Einsatz fortschrittlicher Technologien wie externer Karten, Satellitenpositionierung und Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation.
