Willst du wissen, warum weniger Arbeit Kraftstoff spart?

Ist doch logo. Wenn ich nicht zur Arbeit gehe und der LKW deshalb auf dem Hof stehen bleibt, dann verbraucht er selbstverständlich keinen Kraftstoff.

Wie du richtigerweise vermuten wirst, verbirgt sich hinter der Überschrift von diesem Artikel viel mehr als diese Binsenweisheit.

In diesem Kapitel geht es um die Grundlagen beim Kraftstoff sparen!

Du erfährst, warum sich der Kraftstoffverbrauch verringert, wenn du mit weniger Arbeit am Ziel ankommst. Natürlich gibt es auch Informationen, wie sich die Arbeit reduzieren lässt.

Ich erkläre hier, wie die physikalischen Begriffe: Kraft, Arbeit und Energie, mit dem Kraftstoffverbrauch zusammenhängen.

Dieser Teil der Physik ist eine der wichtigsten Grundlagen für unser Geschäft. Deshalb ergibt es viel Sinn, sich mit dieser Theorie auszukennen.

Vermutlich wird dir einiges bekannt sein, immerhin haben wir das alles mal in der Schule gelernt. Ich werde deshalb nicht nur auf die pure Theorie eingehen, sondern ganz viel über die konkreten Zusammenhänge der Theorie und der Transportpraxis erklären.

Wenn du diese Grundlagen verstanden hast, dann fällt es dir viel leichter, die darauf aufbauende Fahrzeugtechnik, die Fahrweise und die Vorgänge während der Fahrt zuzuordnen.

Es ist keine Raumfahrtwissenschaft, glaube mir. Du kannst diese Zusammenhänge verstehen.

Du wirst erkennen, wann du es im Praxiseinsatz mit Energie und Arbeit zu tun hast. Aus dieser Kenntnis heraus werden dir die Verbesserungsmaßnahmen, die wir konkret besprechen, logisch und gut verständlich erscheinen.

Du bist dann in der Lage, das volle Verbesserungspotential zu erkennen und auszureizen.

Dieser Artikel ist die Basis für alle weiteren Artikel, die sich mit der Optimierung des Kraftstoffverbrauches befassen! Also nimm dir bitte die Zeit und schau ihn dir an.

Was ist eigentlich Arbeit?

Wir haben ja alle eine Vorstellung, was „Arbeit“ sein kann:

  • Telefonieren,
  • nachdenken,
  • in Sitzungen diskutieren,
  • Mitarbeiter beauftragen,
  • hinterm Lenkrad sitzen, auf die Straße schauen und Gas geben,
  • auf- und abladen,
  • Reifen wechseln,
  • …… und noch vieles, vieles mehr.


Alles hat irgendwie gemeinsam, dass man dafür Geld bekommt.

Wenn du den Begriff „Arbeit“ googelst, dann findest du eine Vielzahl an unterschiedlichen Erklärungen. Ich definiere „Arbeit im Allgemeinen“ so:

Arbeit ist der Aufwand, der betrieben werden muss, um ein Ergebnis zu erzielen, das bezahlt wird.

Anstrengungen, die nicht dem Gelderwerb dienen, wie zum Beispiel die Familienwanderung am Wochenende, werden nicht als Arbeit bezeichnet.

Da im geschäftlichen Umfeld der Aufwand in der Regel Geld kostet, geht es also darum, den notwendigen Aufwand zu reduzieren, damit möglichst viel von der Vergütung als Profit übrig bleibt.

Nun habe ich dir aber in der Einleitung angekündigt, dass es hier um physikalische Grundlagen geht. Diese Erklärung von Arbeit hört sich aber überhaupt nicht physikalisch an.

Deshalb legen wir sie mal kurz beiseite und schauen auf die physikalische Definition der „mechanischen Arbeit“ und die lautet so:

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird.

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/mechanische-arbeit

Wir konzentrieren uns hier lieber auf die Variante mit der Bewegung, die bringt uns zum Ziel.

Das mit der Verformung lassen wir mal weg, über Unfälle will ich heute hier nicht reden.

Wie es sich in der Physik gehört, gibt es natürlich auch noch eine Formel dazu:

Formel Arbeit ist Kraft mal Weg

Arbeit ist der zurückgelegte Weg, mal der in Wegrichtung wirkenden Kraft.

Die Maßeinheit für die Arbeit ist Joule. Joule ist das Gleiche wie Newtonmeter, also Newton, die Maßeinheit der Kraft, und Meter, die Maßeinheit vom Weg. Ist ja logisch. Alternativ ist auch die Kilowattstunde (kWh) möglich, diese Maßeinheit kennen wir ja von der Abrechnung der elektrischen Energie. Aber dazu später mehr.

Wenn es also darum geht, die Arbeit zu verringern, dann gibt es zwei Stellhebel:

  • Weniger Kraft aufwenden.
  • Eine kürzere Distanz zurücklegen.

Das schauen wir uns gleich noch im Detail an.

Lass uns erstmal noch etwas bei der Arbeit bleiben.

Auch wenn wir uns jetzt auf die physikalische, mechanische Arbeit konzentrieren, dann ist es ein Aufwand, der betrieben wird, um ein bezahltes Ergebnis zu erhalten.

Was hat das aber mit dem Kraftstoffverbrauch zu tun?

Lass es mich mal so sagen:

Arbeit passiert, wenn der Kraftstoff im Motor verbrennt und dabei Antriebskraft entsteht, mit der die Wegstrecke zum Ziel bewältigt wird.

Da haben wir die Antwort auf die Frage aus der Überschrift:

Wenn eine kleinere Antriebskraft benötigt wird oder die Strecke kürzer ist, dann bedeutet das weniger Arbeit. Gleichzeitig muss für weniger Antriebskraft (in der Größe oder über die Strecke) weniger Kraftstoff verbrannt werden.

Natürlich ist das noch lange nicht alles, was es zu diesem Thema zu wissen gilt. Lass uns also weiter in die Materie eintauchen.

Transport ist mechanische Arbeit in Reinform.

Transport bedeutet eine Nutzlast (Ladung, Personen usw.) von einem Startort zu einem Zielort zu bewegen. Dafür wird in der Regel ein Transportmittel (z.B. ein Fahrzeug) verwendet, welches die zum Transport erforderlichen Kräfte erzeugt bzw. überträgt.

Wenn ein LKW eine Ladung Bierkisten von der Brauerei zum Laden bringt, verrichtet er mechanische Arbeit.

Um so mehr Kraft der LKW dabei aufbringt und um so weiter er fährt, um so mehr Arbeit leistet er.

Für die Berechnung der Arbeit darf nur jeweils die in Wegrichtung wirkende Kraftkomponente benutzt werden. Das ist bei einem Fahrzeug die Antriebskraft.

Du darfst zur Berechnung der Transportarbeit nicht die Gewichtskraft der Nutzlast, also z.B. der Bierkisten, heranziehen!

Die Gewichtskraft zeigt nach unten zur Straße und in dieser Richtung findet kaum Bewegung statt. Der relevante Weg in Richtung dieser vertikalen Kraftkomponente ist der Federweg der Fahrzeugfederung und der Reifen. Er beträgt nur wenige Zentimeter.

In dieser Richtung wird die Kraft vom Fahrzeug ohne viel Arbeit direkt auf die Straße übertragen.

Lass uns das mal beispielhaft ausrechnen:

Arbeit in vertikaler Richtung:

  • 400 kN Fahrzeuggesamtgewicht (40 Tonnen)
  • 0,1 m Federweg (10 cm)
  • 400 kN x 0,1 m = 40 kJ

Arbeit in horizontaler Richtung (Fahrtrichtung):

  • 4 kN Antriebskraft (gerundeter Fahrwiderstand bei 40t Lastzuggewicht auf ebener Straße mit konstant 80 km/h)
  • 100 km Fahrstrecke
  • 4 kN x 100 000 m = 400 000 kJ

Wir können die Arbeit in vertikaler Richtung also vernachlässigen. Die Musik spielt in Fahrtrichtung.

Wenn ich ganz korrekt bin, dann hätte ich eigentlich Radaufstandskraft statt Gewichtskraft schreiben müssen.

Auf geneigten Straßen teilt sich die Gewichtskraft in eine Radaufstandskraft und eine Hangabtriebskraft auf.

Die Radaufstandskraft wirkt in Richtung Straße, die Hangabtriebskraft in oder entgegen der Fahrtrichtung.

Bei den üblichen Straßenneigungen ist die Radaufstandskraft immer deutlich größer, deshalb lassen wir es an dieser Stelle zur Vereinfachung mal so durchgehen.

Ich werde später noch im Detail auf die Hangabtriebskraft eingehen, denn die hat einen deutlichen Einfluss auf den Fahrwiderstand und damit auf den Kraftstoffverbrauch.

Mehr dazu beim „Vorausschauendem Fahren“, den „Kräften am Fahrzeuge“ und beim „Fahrwiderstand“.

Beim Transportieren findet also die größte Bewegung in Fahrtrichtung statt. Deshalb brauchen wir zur Berechnung der Transportarbeit die in Fahrtrichtung wirkende Antriebskraft.

Dass in Wegrichtung wirkende Kraft relevant ist, wissen wir spätestens seitdem unsere Vorfahren versucht haben, das von ihnen erlegten Mammut nach Hause zu schleppen.

Mammuts zu erlegen und nach Hause zu transportieren, war die Arbeit des Urmenschen.

Weil das so beschwerlich war, haben sie das Rad erfunden, um das Mammut mit einem Wagen transportieren zu können. Damit haben sie die Antriebskraft verringert und sind mit weniger Arbeit satt geworden.

— Spaß beiseite —

Für eine hohe Transporteffizienz ist es wichtig, ein möglichst großes Verhältnis von der Gewichtskraft der Nutzlast zur Antriebskraft zu haben.

Lass uns also als nächstes die Kraft anschauen.

Übrigens:

Wenn du die Transportarbeit in Relation zur Zeit setzt, dann wird die Transportleistung daraus.

Auf dieses Thema werde ich im Artikel über den Zusammenhang zwischen Leistung und Kraftstoffverbrauch eingehen.

Kraft hat eine Richtung und die macht einen Unterschied.

Wegweise mit Pfeil und Aufschrift Kraft
Kraft hat eine Richtung

Die Kraft ist eine physikalische Größe, die eine Richtung hat!

Du erlebst das jedes Mal, wenn du eine Tür aufmachst. Je nachdem, um welche Tür es sich handelt, musst du mal drücken und mal ziehen.

Selbst bei gleicher Kraft ist die Wirkung, abhängig von der Richtung, unterschiedlich. In einer Richtung geht die Tür auf, in der anderen Richtung bleibt sie zu.

In einer Richtung findet die Betätigungskraft eine fast beliebig große Gegenkraft am Türrahmen. Sie bewegt sich nicht, die Tür bleibt zu, du kannst nicht durchgehen.

Kehrst du nun die Kraftrichtung um, dann stellt sich der Betätigungskraft nur die Reibungskraft in den Scharnieren und die Trägheitskraft der Tür entgegen. Drückst du stark genug, dann geht die Tür auf.

Die Fahrt eines LKW ist ähnlich wie diese zweite Situation an der Tür.

Die Wirkung und Aufteilung von Kräften sind ganz wichtige Grundlagen für das Verständnis der physikalischen Vorgänge während der Fahrt.

Jede Kraft hat ihre Gegenkraft, auch die Antriebskraft!

Die Größe der Antriebskraft wird von der Größe der Kräfte bestimmt, mit denen sie im Gleichgewicht steht.

Alle Kräfte sind immer im Gleichgewicht! Sobald ein Kräftegleichgewicht gestört wird, taucht sofort weitere Kraft auf, die das Gleichgewicht wiederherstellt oder es verschwindet Kraft, die nicht gebraucht wird.

Soll die Antriebskraft verringert werden, müssen die Kräfte reduziert werden, die der Antriebskraft entgegenwirken.

Die Höhe der Antriebskraft wird nicht vom Motor bestimmt, sondern von den Fahrwiderständen!

Das maximal verfügbare Motordrehmoment bestimmt lediglich den maximalen Fahrwiderstand, der bedient werden kann. Hier ist dann halt Schluss mit schneller fahren.

Antriebskraft und Fahrwiderstand

LKW mit Antriebskraft und Fahrwiderstand

Ist die Antriebskraft groß genug, dann bewegt sich das Fahrzeug mit gleichbleibender oder steigender Geschwindigkeit.

Wie groß „groß genug“ ist, hängt auch von den Fahrwiderständen ab. Es kann auch im Stand ein Gleichgewicht zwischen Antriebskraft und Fahrwiderstand bestehen. Denke an den ersten Moment beim Losfahren.

Fahrwiderstände sind Kräfte. Die Summe der Fahrwiderstände bildet die Gegenkraft zur Antriebskraft und steht mit ihr im Gleichgewicht!

Es gibt genau 4 Fahrwiderstände: Rollwiderstand, Luftwiderstand, Steigungswiderstand und Beschleunigungswiderstand.

Was bedeutet das für die Beantwortung unserer Eingangsfrage?

Wenn wir es schaffen, die Fahrwiderstände zu verkleinern, dann sinkt auch automatisch die erforderliche Antriebskraft

Ist die Antriebskraft bei gleicher Strecke kleiner, dann entsteht weniger Arbeit. Weniger Arbeit bedeutet weniger Kraftstoffverbrauch.

Aus diesem Grund ist die Reduzierung von Fahrwiderständen eines der Hauptstellhebel der Verbrauchsoptimierung. Das ist so viel Stoff, da könnte ich ein eigenes Buch drüber schreiben.

Aber keine Angst, du musst kein Buch kaufen. Du wirst die relevanten Informationen nach und nach in der Kategorie „Verbrauch verbessern“ finden. Und wenn du die Antwort auf eine Frage nicht findest, dann schreib sie unten in den Kommentar und werde nach bestem Wissen antworten.

Und selbstverständlich werde ich das ganze Thema der Kräfte am LKW und der Fahrwiderstände noch ganz genau in eigenen Artikeln erklären.

Antriebskraft und Bremskraft

Was passiert mit der Arbeit, wenn Bremskräfte wirken?

Bremskräfte werden vom Fahrer willentlich eingesetzt, wenn die Fahrwiderstände nicht ausreichen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeuges im gewünschte Maß zu reduzieren.

Ich könnte also im übertragenen Sinne sagen, dass die Bremskraft so eine Art künstlich erzeugter Fahrwiderstand ist.

Die Bremskraft reduziert also auch die Arbeit. Allerdings spart das keinen Kraftstoff, weil in den Situationen, wo die Bremse eingesetzt wird, der Motor keine Antriebskraft liefert.

Das Gegenteil ist der Fall. Vermeiden von Bremsvorgängen spart ganz viel Kraftstoff. Dieses Thema ist so wichtig und umfangreich, dass es mehrere eigene Artikel verdient. Einer dieser Artikel befasst sich mit dem vorausschauenden Fahren, ein anderer mit ecoRoll.

Antriebskraft und Reibkraft

Die Längsbewegung des Fahrzeuges auf der Straße ist leider nicht die einzige Bewegung, die während der Fahrt zum Ziel auftritt.

Um während der Fahrt die Kraft vom Verbrennungsraum im Motor zum Antriebsrad zu übertragen, müssen sich viele Antriebsstrangteile bewegen. Abgesehen vom Kolben, der sich geradlinig bewegt, sind das alles Drehbewegungen.

Immer, wenn sich Teile bewegen, treten Reibkräfte auf und bremsen die Bewegung.

Genau wie die Fahrwiderstände wirken auch die Reibkräfte der Bewegung entgegen und verursachen daher zusätzlichen Kraftbedarf.

Um es nochmal anders zu formulieren:

Die Verbrennung im Motor muss mehr Kraft erzeugen, als zum Antrieb des Fahrzeuges notwendig ist, weil ein Teil auf dem Weg zum Rad verloren geht.

Bei einer Drehbewegung spricht man von Rotationsarbeit. Sie kommt zur Translationsarbeit des Fahrzeuges dazu und deshalb muss zusätzliche chemische Energie (Kraftstoff) investiert werden.

Jede Verringerung der Reibkräfte führt zur Reduzierung der Rotationsarbeit und damit zu Kraftstoffeinsparung.

Das ist eine weitere Grundlage beim Kraftstoffverbrauch, auf die ich noch in vielen weiteren Artikeln eingehen werde.

Merke dir bitte in diesem Zusammenhang den Begriff „Wirkungsgrad“, denn hier geht es um Wirkungsgradverbesserung.

Der kürzeste Weg ist nicht immer der Beste.

Neben der Kraft gibt es ja noch einen weiteren Faktor bei der Arbeit, die Strecke. Schauen wir uns diese auch noch schnell an.

Der kürzeste Weg zwischen zwei Orten ist die Luftlinie – eine gerade Strecke -.

Fahren wir einfach die Luftlinie entlang zum Ziel und die Arbeit ist minimal?

Die Luftlinie zu benutzen schaffen höchstens Flugzeuge, deshalb heißt es auch Luftlinie.

Aber nicht mal Flugzeugen fliegen immer die kürzeste Strecke zum Zielort.

Der LKW kann das erst recht nicht. Er hat nur die Möglichkeit, diejenige Straßenverbindung zu fahren, die der Luftlinie am nächsten kommt.

Wichtig zu beachten:

Es gilt, die Arbeit zu optimieren, nicht nur die Strecke!

Der Streckenverlauf hat einen Einfluss auf die erforderliche Antriebskraft:

  • Wieviel Steigungen hat die Strecke?
  • Wieviel Stop-and-Go Situationen?
  • Wieviel Kurven oder Kreisverkehre?
  • Ist der Fahrbahnbelag unbefestigt?

Diese und viele weitere Faktoren verursachen einen erhöhten Antriebskraftbedarf, der den positiven Effekt einer kürzeren Strecke möglicherweise ins Gegenteil verkehrt.

Oder andersherum gesagt:

Es kann unter Umständen Sinn ergeben, eine länger Strecke zu fahren, wenn auf dieser der Antriebskraftbedarf um so viel geringer ist, dass die Arbeit kleiner ist.

Auf jeden Fall ist eine penible und genau überlegte Routenplanung eine Möglichkeit, die Arbeit und damit den Kraftstoffverbrauch zu optimieren.

An einer Stelle musst du aufpassen:

Dummerweise tritt der Aspekt der Streckenoptimierung bei der Betrachtung des relativen Kraftstoffverbrauches nicht richtig zutage. Die leichte Strecke zeigt einen "besseren Kraftstoffverbrauch" egal wie lang sie ist, weil hier die Strecke normiert ist. 

Um die Streckenalternativen korrekt zu vergleichen, muss der absolute Kraftstoffverbrauch verwendet werden.

Jetzt wissen wir also, was mechanische Arbeit ist, als nächstes schauen wir uns die Energie an.

Wie hängen Arbeit und Energie zusammen?

Was ist Energie?

Energie ist die Fähigkeit, mechanische Arbeit zu verrichten, Wärme abzugeben oder Licht auszustrahlen.

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/energie
Energie ist in verschiedenen Formen anzutreffen. Mechanische Arbeit entsteht, wenn Energie von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt wird und dabei Kraft auftritt. 

Anders gesagt: — Ohne Energie keine mechanische Arbeit! — Wenn keine Energie da ist, kann auch keine umgewandelt werden und damit kann keine Arbeit geleistet werden.

Damit ein Fahrzeug fahren kann, muss es mit Energieformen aufgeladen sein, bei deren Umwandlung Arbeit geleistet werden kann.

Eine kleine Eselsbrücke:

Stelle dir Energie als eine Flüssigkeit vor, die sich in unterschiedlichen Tanks befindet.

Alle Tanks sind durch Leitungen miteinander verbunden. Die Tanks selbst stehen für die verschiedenen Energieformen.

Wenn du den Füllstand in einem Tank erhöhst, wird zwangsweise der Füllstand in den anderen Tanks sinken. (Das besagt der Energieerhaltungssatz)

Die mechanische Arbeit und die Wärme kannst du dir als Pumpen vorstellen, welche die Flüssigkeit von einem Tank in einen anderen befördern.

Die Pumpe „mechanische Arbeit“ wird von Kraft angetrieben.

Die Pumpe „Wärme“ wird von einem Temperaturunterschied angetrieben.

Ich hoffe, diese kleine Eselsbrücke wird dir helfen, wenn wir uns gleich die Energieflüsse anschauen.

Vorher müssen wir aber erst die Energieformen betrachten.

Welche Energieformen spielen beim Transport mit Fahrzeugen eine Rolle?

Chemische Energie

Sprechen wir im Zusammenhang mit Fahrzeugen über Energie, dann denken wir heute sofort an den Kraftstoff.

Kraftstoff ist ein Medium, dass die Energieform „chemische Energie“ beinhaltet. Er bekam seinen Namen, weil durch Verbrennung dieser Stoffe Kraft generiert werden kann.

Von Kraftstoffen spricht man, wenn bei der Verbrennung der Stoffe mechanische Arbeit geleistet werden soll, wofür Kraft erzeugt werden muss.

Soll bei der Verbrennung nur Wärme entstehen, dann spricht man von Brennstoffen.

Chemisch können das die identischen Stoffe sein.

In Fahrzeugen verwendeter Kraftstoff ist Diesel, Benzin oder auch brennbares Gas, wie zum Beispiel Propan-, Bio- oder Erdgas. Diese Kraftstoffe enthalten alle chemische Energie.

Die Energieform „chemische Energie“ bietet eine praktikable Möglichkeit, ein Fahrzeug mit Energie aufzuladen. Praktikabel deshalb, weil das Einfüllen schnell und einfach vonstattengeht.

Diesel ist deshalb so unglaublich beliebt, weil er sehr viel Energie auf kleinem Volumen, mit wenig Gewicht enthält.

Er ermöglicht es sehr viel Energie mit auf die Tour zu nehmen. Mit Diesel kannst du sehr weit fahren, ohne nachtanken zu müssen. Da kommen die anderen Kraftstoffe nicht ran.

Elektrische Energie

Handelt es sich um ein Fahrzeug mit batterieelektrischem Antrieb, dann ist die eingefüllte Energieform elektrische Energie.

Elektrische Energie hat die Eigenschaft, dass sie sich nur sehr schwierig speichern lässt. Sie muss in einem Speichermedium in eine andere, speicherbare Energieform umgewandelt werden.

Die elektrischste Speicherform für elektrische Energie ist ein elektrisches Feld. Dafür werden Kondensatoren verwendet. Technisch sind Kondensatoren heute nicht in der Lage, die fürs Fahren notwendige Energiemenge aufzunehmen.

Üblich sind Batterien. Wenn Batterien geladen werden, dann finden chemische Veränderungen an den Elektroden statt. Eigentlich speichert eine Batterie also auch chemische Energie. Beim Entladen gibt sie aber klaglos und mit geringen Verlusten elektrische Energie zurück.

Elektrische Energie rein – elektrische Energie raus, wir machen uns häufig keine Sorgen darum, was innerhalb der Batterie passiert.

Bewegung ist Energie

Wusstest du schon, dass Bewegung auch eine Form von Energie ist?

Bewegung bedeutet Bewegungsenergie, in fachchinesisch „kinetische Energie“ genannt.

Beim Transport ist Bewegungsenergie die Zielenergieform. 
Das Fahrzeug soll sich mit einer Geschwindigkeit nach vorn bewegen. Dafür muss es mit Bewegungsenergie aufgeladen sein. 
Mithilfe des Antriebsstranges wird die Kraft erzeugt, die diesen Zustand herstellt und aufrechterhält. 

Wir bezeichnen die Bewegungsenergie landläufig auch als Trägheit oder Schwung.

Der LKW ist selbst ein Energiespeicher. Er besitzt eine Masse. Hat er auch eine Geschwindigkeit, dann ist er mit Bewegungsenergie aufgeladen.

Beim Transport ist es das Ziel, den LKW mit Bewegungsenergie aufzuladen und möglichst wenig davon wieder zu verlieren.

Am schönsten wäre es, wenn sich die Energie aus dem Kraftstoff komplett in Bewegungsenergie umwandeln lassen würde.

Leider ist die Welt so nicht eingerichtet. Es existieren noch andere Energieformen, die einen signifikanten Teil der Kraftstoffenergie für sich abzweigen, ohne dass wir das verhindern können.

Lageenergie

Der LKW kann, aufgrund seiner Masse, noch eine andere Energieform speichern. Es ist die Lageenergie, auch „potenzielle Energie“ genannt.

Die Gravitation zieht den LKW in Richtung Erdmittelpunkt. Um so weiter er von diesem entfernt ist, um so mehr Lageenergie besitzt er. 

Fährst du eine Steigung hinauf, nimmt der Abstand des LKW vom Erdmittelpunkt zu und seine Lageenergie wird größer.

Um den LKW auf den Berg hoch zu bewegen, ist natürlich auch wieder Kraft erforderlich.

Ein LKW ist in der Lage, die Bewegungsenergie und die Lageenergie wieder herzugeben. Das Problem ist nur, wohin damit.

Im ungünstigsten, aber leider sehr häufig auftretenden Fall, werden sie in die nächste Energieform umgewandelt.

Thermische Energie

Alles, was eine Temperatur hat, besitzt thermische Energie. Sie wird auch als „innere Energie“ bezeichnet.

Wenn man genau reinschaut, dann ist es die Bewegungsenergie der Molekularteilchen in jedem Stoff.

Die thermische Energie, die in einen Stoff hinein- oder herausgeht, bezeichnet man als Wärme.

Fließt Wärme in einen Körper hinein, dann steigt seine Temperatur an.

Immer wenn ein Temperaturunterschied zwischen Stoffen besteht, gleicht sich dieser aus, indem Wärme übertragen wird. Das geht von ganz alleine.

Häufig das aber nicht wünschenswert und dann versucht der Ingenieur den Wärmefluss durch Isolation zu behindern.

In anderen Fällen ist es wiederum notwendig, die Wärmeübertragung zu beschleunigen, um die Temperaturen unterhalb eines erträglichen Limits zu halten. Das nennt man dann Kühlung.

Der komplette Kraftstoff, den wir in das Fahrzeug einfüllen, endet früher oder später als Wärme in der Umgebungsluft. Warum das so ist, sehen wir gleich.

Fahrzeuge sind Energieumwandlungsmaschinen

Ein Fahrzeug ist eine Maschine, die in Kraftstoffen oder Batterien gespeicherte Energie in Bewegung umwandelt, um Lasten zu transportieren.

Fahrzeuge mit Elektroantrieb sind noch nicht sehr weit verbreitet. Ich beziehe sie trotzdem schon mit ein. Ich bin der festen Überzeugung, dass batterieelektrische Fahrzeuge demnächst in unserem Straßenbild in signifikanter Menge zu sehen sein werden.

Damit ein Fahrzeug transportieren kann, muss es also bestimmte Energien besitzen.

Ich werde im Folgenden erklären, welche Energie im Fahrzeug drin steckt, wie sie da reinkommt und warum sie auch wieder aus dem Fahrzeug verschwindet.

In diesem Artikel erkläre ich die Vorgänge bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Beim Elektroantrieb ist es im Prinzip genauso, mit drei wichtigen Unterschieden:

  • Statt chemischer Energie und Diesel musst du elektrische Energie und Batterie setzten.
  • Das Verhältnis von Arbeit zu Wärme ist deutlich größer. Bei gleicher Arbeit fällt signifikant weniger Wärme an.
  • Bewegungs- und Lageenergie kann beim Bremsen in elektrische Energie zurückverwandelt werden.

Was passiert bei der Energieumwandlung während der Fahrt?

Wir haben also betrachtet, was Arbeit ist und welche Energien es gibt.

Jetzt ist es an der Zeit, uns mit dem Zusammenhang von Arbeit und Energie genauer zu befassen. Immerhin ist das die wesentliche Grundlage für das Kraftstoffsparen, denn hier entstehen die Verluste.

Ich werde im Folgenden die Fahrsituationen betrachten, mit denen wir es in der Praxis zu tun haben. Für jede Fahrsituation werde ich beschreiben, wie die Energieströme fließen.

Auch wenn ich gleich beschreibe von wo nach wo die Energie fließt, musst du beachten, dass es ein Pull-Prinzip ist. Die Menge an Energie, die zufließt, wird immer davon bestimmt, wie viel im Folgeschritt abfließt.

Wenn du Energie sparen willst, musst du also von hinten anfangen.

Ich denke, das wird gleich klarer. Fangen wir also beim Losfahren an.

Beschleunigung und Konstantfahrt

Energiefluss während der Beschleunigung und Konstantfahrt

Während der Beschleunigungsphasen und während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit wird chemische Energie zu Bewegungsenergie des Fahrzeuges und zu thermischer Energie der Umgebungsluft umgewandelt. Das geht so:

Ist das Fahrzeug in Bewegung, dann wirken immer Roll- und Luftwiderstand und bremsen die Bewegung. Diese beiden Fahrwiderstände reduzieren die Bewegungsenergie des Fahrzeuges, indem sie Wärme an die Umgebungsluft übertragen.

Der Luftwiderstand erwärmt die Luft direkt.

Der Rollwiderstand erwärmt erst die Räder, die dann auskühlen, indem sie die Wärme an die Umgebungsluft abgeben.

Wenn die Geschwindigkeit und damit die Bewegungsenergie des Fahrzeuges gleich bleiben soll, muss dieser Energieverlust durch mechanische Arbeit nachgefüllt werden.

Die Quellenergie für diese Arbeit ist die chemische Energie im Diesel, sie wird dadurch weniger.

Wenn du die Geschwindigkeit erhöhst, dann wirkt dem ein Beschleunigungswiderstand entgegen. Er erhöht die Arbeit, die Energie bleibt aber als gestiegene Bewegungsenergie im Fahrzeug.

Die in höhere Geschwindigkeit investierte chemische Energie ist nicht verloren, solange bis die Geschwindigkeit wieder sinkt.

In beiden Fällen wird chemische Energie durch Verbrennung in eine andere Energieform (Bewegungsenergie) umgewandelt, dabei entsteht immer Wärme.

Diese Wärme wird direkt vom Motor an die Umgebung abgeleitet.

Damit durch diese Wärme die Bauteiltemperaturen des Fahrzeuges nicht so groß werden, dass die Teile Schaden nehmen, sind Kühleinrichtungen aktiv, welche die Wärme schnell an die Umgebungsluft weitergeben. Das ist für den Energieverbrauch schlecht, aber nicht zu vermeiden.

Diese Energieflüsse treten beim E-LKW ähnlich auf. Statt Diesel musst du Batterien und statt chemischer Energie musst du elektrische Energie setzen.

Bei E-Antrieben entsteht deutlich weniger Abwärme, weil die Energiewandlung nicht als Verbrennung erfolgt. Aber auch sie müssen gekühlt werden.

Möglichkeit der Verbrauchsreduzierung in dieser Fahrsituation:

  • Eine Verringerung von Roll- und Luftwiderstand reduziert den Verlust an Bewegungsenergie und damit die Menge an Arbeit, die zum Ersatz erforderlich ist.
  • Die verringerte Arbeit hat eine kleinere Verlustwärmemenge bei der Energiewandlung als positiven Nebeneffekt.

Fahrt Berg auf

Energiefluss bei der Fahrt Bergauf

Befährt das Fahrzeug eine Steigung, dann vergrößert sich die geografische Höhe, auf der sich das Fahrzeug befindet. Die Lageenergie des Fahrzeuges nimmt zu.

Die Quelle für diese Energie ist erstmal die Bewegungsenergie.

Du kennst das, wenn du in eine Steigung hinein rollst, dann wird das Fahrzeug langsamer. Bewegungsenergie verwandelt sich in Lagerenergie. Dafür ist keine Umwandlungsmaschine erforderlich, das passiert einfach so, ohne Verluste.

Da du ja aber den Geschwindigkeitsverlust nicht haben willst, musst du die Bewegungsenergie aus der chemischen Energie nachfüllen.

Der Abfluss von chemischer Energie, also der Kraftstoffverbrauch, vergrößert sich also am Berg deutlich, weil neben dem Roll- und Luftwiderstand auch noch der Steigungswiderstand die Bewegungsenergie absaugt.

Möglichkeit der Verbrauchsreduzierung in dieser Fahrsituation:

  • Roll- und Luftwiderstand wirken am Berg prinzipiell genauso, wie in der Ebene. Sinkt allerdings die Geschwindigkeit, wird auch der Luftwiderstand kleiner.
  • Durch vorausschauendes Fahren und den Einsatz von EcoRoll kannst du die erforderliche Arbeit und damit auch die Verlustwärmemenge, deutlich verringern.

Fahrt Berg ab

Energiefluss bei der Fahrt Begab

Rollt das Fahrzeug den Berg wieder herunter, dann verringert sich die Höhe und die Lageenergie des Fahrzeuges nimmt ab.

Diese Lageenergie verwandelt sich unvermeidlich in Bewegungsenergie. Das Fahrzeug wird schneller.

Aus Gründen der Fahrsicherheit kannst du die Geschwindigkeit nicht unbegrenzt ansteigen lassen. Die Bewegungsenergie darf also einen maximalen Wert nicht übersteigen. Diese überschüssige Bewegungsenergie musst du in eine andere Energie umwandeln.

Dafür nutzt du die im Fahrzeug installierten Bremseinrichtungen. In erster Linie die Motorbremse und den Retarder.

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor steht nur die thermische Energie der Umgebung zum Energieabfluss zur Verfügung. Bewegungsenergie kann nicht in Diesel zurückverwandelt werden kann. Diese Energie ist unwiederbringlich weg.

Elektrofahrzeuge haben demgegenüber die Möglichkeit, die überschüssige Bewegungsenergie in elektrische Energie zurück zu verwandelt und in der Batterie einzuspeichern.

Möglichkeit der Verbrauchsreduzierung in dieser Fahrsituation:

  • Durch vorausschauendes Fahren und den Einsatz von EcoRoll kannst du die erforderliche Arbeit und damit auch die Verlustwärmemenge deutlich verringern.
  • Bei Elektrofahrzeugen steht dir zusätzlich die Möglichkeit der Rekuperation zur Verfügung. Rekuperation ist die Rückverwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie

Anhalten

Die Geschichte vom Anhalten ist schnell erzählt.

Soll das Fahrzeug zum Stillstand gebracht werden, dann muss die Bewegungsenergie auf null sinken.

Das erledigst du durch Ausrollen, durch Bremsen oder, beim Elektrofahrzeug, durch Rekuperieren.

Möglichkeit der Verbrauchsreduzierung in dieser Fahrsituation:

  • Musst du anhalten oder die Fahrt verlangsamen, dann solltest du so zeitig wie möglich die vom Motor geleistete Arbeit abstellen und die Fahrwiderstände bremsen lassen.
  • Bei Elektrofahrzeugen kannst du die Rekuperation nutzen, um Elektroenergie zurückzugewinnen.

Zusammenfassung

  • Arbeit ist der Aufwand, mit dem ein bezahltes Ergebnis erreicht wird.
  • Wenn ein Körper durch eine Kraft bewegt oder verformt wird, ist das mechanische Arbeit. (z.B. Transport mit einem LKW)
  • Ein großes Verhältnis von Gewichtskraft zu Antriebskraft ist Voraussetzung für hohe Transporteffizienz.
  • Die Größe der Antriebskraft wird von den Fahrwiderständen bestimmt.
  • Reduzierung der Antriebskraft bewirkt weniger Arbeit.
  • Reibkräfte im Antriebsstrang verursachen Rotationsarbeit und verschlechtern deshalb den Wirkungsgrad.
  • Energie ist die Voraussetzung für mechanische Arbeit.
  • Ein Fahrzeug ist eine Energieumwandlungsmaschine zur Erzeugung von Bewegungsenergie.
  • Beim Transport muss das Fahrzeug mit Bewegungsenergie geladen sein. Um das zu erreichen, muss mechanische Arbeit geleistet werden.
  • Während der Fahrt finden unterschiedliche Energieumwandlungen statt, die Energieeinsparmöglichkeiten bieten.

Schreib mit doch bitte im Kommentar, wie dir der Aritkel gefallen hat, damit ich die nächsten Artikel noch besser schreiben kann.

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