3 Grundlagen zum konventionellem Antrieb und der Hybridmobilität

Mobilität gilt als Recht der Menschen und ist nach Fachansicht entscheidend für das erfolgreiche Agieren einer modernen Gesellschaft. Die Entwicklung des Automobils in seiner heutigen Variante hat im Jahr 1886 durch Carl Benz einen Entwicklungsschub erhalten. Als konventioneller bzw. klassischer Antrieb von Automobilen zählt in diesem Zusammenhang der so genannte Verbrennungsmotor, der im nächsten Abschnitt erläutert wird.[72]

3.1 Verbrennungsmotor als Antriebskonzept

Als Antriebskonzept von Kraftfahrzeugen hat sich seit mehr als 100 Jahren der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl- bzw. Drehmomentwandler und einer Anfahr- und Schaltkupplung als das dominierende Antriebskonzept durchgesetzt.[73] „Die zum Betrieb von Fahrzeugen benutzten Antriebsaggregate  sind fast ausschließlich Verbrennungskraftmaschinen. (…) Das seit Beginn des Automobilbaus dominierende Antriebselement ist der Viertakt-Hubkolben-Verbrennungsmotor mit Fremdzündung, der Otto-Motor.“[74]

Der Terminus Verbrennungsmotor und seine zu erfüllenden Aufgaben bzw. Funktionen sind Inhalt der weiteren Formulierungen.

3.1.1 Terminus und Historie des Verbrennungsmotors

Bei einem Verbrennungsmotor liegt eine Wärmekraftmaschine vor. Auf dem Weg der Verbrennung von chemischer Energie eines Kraftstoffs in mechanische Arbeit umwandelt.[75] Braess / Seifert (2005) skizzieren den Prozess des Verbrennungsmotors folgendermaßen: „Im Motor wird die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie in einem Arbeitsprozess mit Verbrennung in Wärme und mechanische Arbeit an der Kurbelwelle umgesetzt. (…) Ein Charakteristikum ist die ‚innere Verbrennung‘, d. h. der Verbrennungsvorgang findet innerhalb des von Kolben, Zylinder und Zylinderkopf gebildeten Arbeitsraumes statt. Soll fortwährend eine Arbeit erbracht werden, so muss dieser Prozess zyklisch wiederholt werden.“[76]

Mit Blick auf die Geschichte der Konstruktion von Verbrennungsmotoren kann konstatiert werden, dass der Konstrukteur Otto als die Person gilt, der einen Verbrennungsmotor bzw. Viertaktmotor fertigte. Seit dem Jahr 1862 spezialisierte sich Otto auf die Konzeption von Motoren. Zunächst verbesserte er den bereits bestehenden Gasmotor. Gemeinsam mit den Technikern und Konstrukteuren Daimler und Maybach konzipierte Otto einen Verbrennungsmotor.[77]

Dieser basiert auf dem von Otto im Jahr 1861 realisierten Viertaktprinzip.[78] Bis zum Jahr 2010 ist dieser Motor zum Antrieb von u. a. Automobilen unter dem Terminus Ottomotor bekannt. Im Jahr 1884 erfand Otto „(..) die Magnetzündung, womit Motoren (.) mit Benzin betrieben werden konnten. (…) Ottos Verdienst liegt darin, dass er als Erster der Viertakt-Verbrennungsmotor gebaut und dessen Überlegenheit über alle Vorläufer demonstriert hat.“[79] Die von Otto gebauten Motoren waren jedoch für den Einsatz in einem Personenkraftwagen ungeeignet.

Der Ingenieur Daimler beschäftigte sich mit der Entwicklung des Ottomotors für Automobile. Gemeinsam mit dem Konstrukteur Maybach wurde im Jahr 1889 in Paris das erste Automobil mit Ottomotor vorgestellt. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und insbesondere internationale Vermarktung des Ottomotors sowie der Erfindung des Motorrads zählen zu den Hauptleistungen von Daimler.[80] Maybach überarbeitete den Ottomotor und brachte ihn zur Serienreife. Im Jahr 1900 konstruierte Maybach unter Einsatz von Leichtmetall einen Rennwagen, der unter dem Begriff Mercedes in geringer Auflage realisiert wurde.[81]

Unabhängig von diesen Arbeiten beschäftigte sich der Maschinenbauer Benz mit dem Einbau von Motoren in Fahrzeuge und gründete im Jahr 1871 seine erste Produktionsfabrik in der deutschen Stadt Karlsruhe. Benz realisierte einen eigenen Viertaktmotor auch einen Oberflächenvergaser, die Zündung auf elektrischem Weg,  die Kupplung, die Wasserkühlung und die Gangschaltung. Die Patentanmeldung und öffentliche Präsentation des Motowagens folgten im Jahr 1886.[82]

Von dieser Automobilvariante wurden bis zum Jahr 1900 600 Stück verkauft. Bei der Firma Benz & Co. Sind im dem Zeitraum 1884 bis 1901 etwa 1.200 Großserien-Automobile produziert. Im Jahr 1926 erfolgte die Fusion zwischen Daimler und Benz zur Daimler-Benz AG.[83] Mit Blick auf die Verbreitung und industrielle Entwicklung von Automobilen sind die Personen Opel und Ford anzuführen.

Am Beispiel des OEM Ford Werke GmbH lässt sich die Entwicklung vom Serienproduzenten zum internationalen Konzern veranschaulichen. Im Jahr 1903 gründet Henry Ford die ‚Ford Motor Company’ in Detroit.[84] Ein klassisches Beispiel zur Massenproduktion ist das Fahrzeug Tin Lizzy (Model T) von Henry Ford aus den 1920er Jahren.[85] Die Zielsetzung hat darin bestanden, einen genormten und einfachen Gebrauchsnutzen zu günstigem Preis nahezu jedem potenziellen Autokäufer anzubieten bzw. bereit zu stellen.[86] Ab dem Jahr 1908 wurde das Modell T gefertigt. Im Jahr 1925 erreichte die Tagesproduktion den Rekordwert in Höhe von 9.109 produzierten Automobilen. Dabei glich ein Fahrzeug dem anderen. Der Konzern Ford bietet heute mit mehreren Tochtergesellschaften über 60 verschiedene Automobilmodelle mit jeweils mehreren Varianten an.[87]

Die Produktion von Automobilen in der deutschen Stadt Rüsselsheim beschloss die Familie Opel im Jahr 1899. Mit mehr als 42.000 produzierten Fahrzeigen mit einem Verbrennungsmotor erreichte das Unternehmen im Jahr 1928 einen Marktanteil von 37,5 Prozent, womit die Marktführerschaft einherging. Diese Position nahm Opel bis in die 1960er Jahre ein.[88]

Der Konstrukteur Diesel realisierte den so genannten Dieselmotor als Variante des Verbrennungsmotors. Im Jahr 1892 wurde diese Verbrennungsmotor-Variante patentiert. Dieser Motor vollzog eine zügige Verbreitung als stationärer Motor und Schiffsmotor. Im Jahr „1908 fuhr der erste Lastwagen mit einem Dieselmotor. (…) Erst im Jahr 1936 wurde er im [Personenkraftwagen] eingebaut.

Heute ist der Dieselmotor so weit entwickelt, dass er ebenso verbreitet ist, wie der Ottomotor. (.) Diesel hat mit seiner Erfindung wesentlich zu einer wirtschaftlicheren Nutzung des Verbrennungsmotors beigetragen.“[89] Das zentrale Charakteristikum eines Dieselmotors liegt in der Selbstzündung des eingespritzten Benzins in der Verbrennungsluft.[90] Der Verbrennungsmotor als Antriebskonzept hat bis zum Jahr 2010 vielfältige Aufgaben und Funktionen zu erfüllen. In einem Überblick stehen diese nachfolgend im Mittelpunkt.

3.1.2 Aufgaben und Funktionen des Verbrennungsmotors im Überblick

Als zentrale technische Anforderungen an einen konventionellen Verbrennungsmotor gelten:

Aus dem Stillstand muss ein Fahrzeug anfahren können und bis zu einer definierten Endgeschwindigkeit jede vom Fahrer gewünschte Geschwindigkeit einstellen lassen.

Zur Realisierung dynamischer Fahrvorgänge müssen Antriebsdrehmoment und

-drehzahl schnell regelbar sein.

Zur Realisierung dynamischer Fahrvorgänge müssen Antriebsdrehmoment und

-drehzahl schnell regelbar sein.[91]

„Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt bereitstellen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.

Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.

Das gesamte System muss Erschütterungen und Bewegungen ertragen können.

Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.“[92]

Mit Blick auf den Status Quo konventioneller Verbrennungsmotoren lässt sich die Optimierung dieser Produkte als zentraler Treiber der zurückliegenden Jahre identifizieren.[93] Ausgewählte Ansätze stehen im Fortgang im Fokus.

3.1.3 Status Quo des Verbrennungsmotors für OEM

Sowie im Segment der Benzin als auch der Dieselmotoren befinden sich neue Technologien zur Verminderung des Verbrauchs von Kraftstoff und der Emissionen im Einsatz. Zur Optimierung konventioneller Antriebe gelten nachfolgende Technologien. Dabei werden in Abbildung 9 ebenfalls Einsparpotenziale der jeweiligen Verfahren in Prozent angegeben. In Anlehnung an Wallentowitz / Freialdenhoven / Olschewski...