Strömungswiderstand und Energieeffizienz

RioMare · Anmeldungsdatum: 27.12.2020 Beiträge: 5

Meine Frage:
Guten Tag

Bei einem Fahrzeug (7.5t) habe ich herausgefunden, dass bei den Geschwindigkeiten von v=100km/h (37N), bei v=80km/h (25N) und bei 50 km7h (50N) die Widerstandskräfte (Werte in Klammern) reduziert werden kann. Es kann angenommen werden, dass das Fahrzeug rund 16'000 Kilometer im Jahr fährt. Die Kilometer-Aufteilung der drei Geschwindigkeiten zu je 1/3 gemacht werden.
Viele Unterlagen beschreiben, dass für die Widerstandsarbeit "nur" die Widerstandskraft multipliziert mit dem Weg ist. Dabei würde eine Einsparung von lediglich etwas unter 100 Liter Diesel resultieren.

Doch die Frage stellt sich doch: Wieviel Mehrenergie müsste ich aufbringen, um diese Differenz herzustellen?

Meine Ideen:
Da spielt doch die Antriebskraft (m*v), Rollreibungskraft (My*m*g*v) und die verschiedenen Wirkungsgrade auch eine Rolle?

A.T. · Anmeldungsdatum: 06.02.2010 Beiträge: 343

Mathefix · Anmeldungsdatum: 05.08.2015 Beiträge: 5863 Wohnort: jwd

1. Frage von A.T.
2. Wie kommst Du auf 100 l Diesel?

RioMare · Anmeldungsdatum: 27.12.2020 Beiträge: 5

Gerne gerne komme ich zu den Fragen.

1.
Das sind die Ergebnisse aus einer CFD-Simulation. Es zeigt sich, dass bei 50km/h die Turbulenzen am besten reduziert werden. Daher ist hier die Verbesserung des Strömungswiderstandes am Besten.

2.
Berechnung Widerstandsarbeit:
(50N*1/3*16'000km)+(25N*1/3*16'000km)+(37N*1/3*16'000km)
Heizwert Diesel = 9.7 (kW*h)/L

Effizienz = Gesparte Widerstandsarbeit (kW*h) durch Heizwert Diesel (kW*h)/L

Danke für eure Unterstützung.

Mathefix · Anmeldungsdatum: 05.08.2015 Beiträge: 5863 Wohnort: jwd

Du gehst davon aus, dass die Energie (Heizwert) des Dieselkraftstoffs vollständig der Widerstandsarbeit entspricht. Der Antrieb, der die Energie aufbringt, hat aber einen Wirkungsgrad. Das musst Du berücksichtigen. Die Einsparung ist entsprechend höher. Ich schätze mindestens um den Faktor 3 - 4.

RioMare · Anmeldungsdatum: 27.12.2020 Beiträge: 5

Vielen dank schon mal für die klärende Antwort.

Ich habe noch eine Darstellung der Kräfte am Fahrzeug gefunden und diese dem Mail angehängt.
Spielt denn bspw. die Masse*v des Fahrzeugs keine Rolle, die bei dieser Differenz gespart werden kann?
D.h. mit einem schwereren Fahrzeug braucht es mehr Energie, um diese Differenz herzustellen?

Mathefix · Anmeldungsdatum: 05.08.2015 Beiträge: 5863 Wohnort: jwd

Auf den Strömungswiderstand hat die Masse des Fahrzeugs keinen Einfluss. Ausschlaggebend ist die Querschnittssfläche A des Fahrzeugs und der Luftwiderstandsbeiwert c_w, welcher die Form des Fahrzeugs berücksichtigt.

Auch nicht der Impuls m x v, falls Du das gemeint hast.

Die Masse beeinflusst die Beschleunigungskraft und die Rollreibungskraft, ist also der Parameter, welcher grossen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch hat.

Noch Fragen?

Henry345 · Anmeldungsdatum: 22.09.2020 Beiträge: 77

Hier mal ein kleiner Verbrauchs-Rechner, realisiert für Excel.
Mit unterschiedlichen Streckenprofilen, da sieht man sehr gut was die einzelnen Parameter wie Masse, rotatorische Massenträgheitsmomente, CW Wert für Auswirkungen auf den Verbrauch haben:

BEV
https://www.dropbox.com/scl/fi/k4tgv2yfnmipa7yowqudr/Verbrauch-Elektro-PMSM.xlsx?dl=0&rlkey=0t0fc81uem9e5g54vaq6o14dh

Verbrenner
https://www.dropbox.com/scl/fi/apsb18zr5c668xhpm4kj9/Verbrauch-TFSI.xlsx?dl=0&rlkey=2mub02a31q4lxwbjwss51wv4j

Rechne einfach deine reduzierten Kräfte in einem CW-Verhältnis um, also einfach (Geschwindigkeit² * Stirnfläche * CW * 1/2 * roh - 37 N)/ (Geschwindigkeit² * Stirnfläche* CW * 1/2 * roh)

Ebenso kannst Du bezüglich dem Verbrauchs-Rechner eine weitere Spalte erstellen, in der der CW Wert bzw. das Verhältnis abhängig von der Geschwindigkeit ist.

RioMare · Anmeldungsdatum: 27.12.2020 Beiträge: 5

Vielen Dank für die Antworten und die ausführlichen Excel-Files.

Hmm..leider kann ich nicht alle Parameter für einen Berechnungsgang ausfindig machen.
Ich habe eine CFD-Vergleichssimulation gemacht, und dabei sind die erwähnten Verbesserungen der Widerstandskräfte resultiert.
Somit kann ich "nur" die Wirkungsgrade anrechnen?

P.S.: Das Department of US Energy gibt einen Wirkungsgrad (Tank to Wheel) für ein Fahrzeug von 12.6% an.

Henry345 · Anmeldungsdatum: 22.09.2020 Beiträge: 77

Also wenn Du eine CFD Simulation durchfgeführt hast, dann ist ja die Silhouette und somit die Fäche bekannt, kann man in jeden Pre-Processing einfach über Auswahl auslesen. Die Strömungsgeschwindigkeit ist ebenso bekannt, da man diese eigenständig als Randbedingung definiert hat. Die Dichte ist als Materialkonstante auch bekannt. Wer noch die Energieerhaltung einbezogen und somit die ideale Gasgleichung anwendet, der liest die Dichte als mass average einfach im Postprocessing aus. Die Kraft wird in CFD als einer der Hauptgröße ausgegeben. Somit kann man ganz einfach den CW Wert ermitteln und daraus das Verhältnis, was dies alles mit den Wirkungsgrad zu tun haben sollte, kann ich so nicht nachvollziehen.

RioMare · Anmeldungsdatum: 27.12.2020 Beiträge: 5

Danke für die Information.
Sobald der aktuelle Berechnungsgang durch ist, werde ich das einmal versuchen.
Gibt es eigentlich Literatur, Fachberichte, etc. über diese Berechnung? Damit könnte ich das in einem Berechnungsbericht referenzieren.