Alternative Antriebe für Automobile

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1 Alternative Antriebe für Automobile Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Cornel Stan Vorstandsvorsitzender Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau 13. April

2 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

3 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

4 Broken Hill Brüssel

5 Das Automobil für die Megacity Verkehrsdichte Auto: kompakt, geringe Trägheit bei Beschleunigen/Bremsen Treibhauseffekt keine(lokale)kohlendioxid emission Schadstoff- und Geräuschemission keine/extrem gering

6 Elektrofahrzeuge Perspektiven (am Beispiel Radnabenmotoren)

7 Fahrzeug -Freiheitsgrade mit intelligenten Antriebsrädern

8 Einfluß der Batterie-Speicherkapazität auf das Auto Masse x Beschleunigung = Kraft Kraft x Strecke = Arbeit (Energie) Energie = Leistung x Dauer 8 kw (rund 11 PS) x 1 Stunde Opel Ampera /VDI Nachrichten 19. März kwh (nur 8 kwh effektiv genutzt) 200 Li Ion Zellen/ 114 kg Batterie/ Euro

9 Verkehrströmung bei unterschiedlicher Beschleunigung

10 Das Automobil ist mehr als eine Struktur um den (Elektro) Antrieb herum Komfort (Heizung, Klima) Leistung Drehmoment Schadstoffe Verbrauch Sicherheit (aktiv, passiv)

11 Vielfalt der gegenwärtigen und zukünftigen Automobile SUV Limousine Coupé Cabriolet Pick up Stadtwagen Kombi Oberklasse Mittelklasse Preiswerter Allzweckwagen

12 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

13 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

14 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

15 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

16 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Lithium NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

17 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

18 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

19 Optimierung der Prozesse in zukünftigen Verbrennungsmotoren

20 Gemischbildung und Verbrennung Überlagerung der Prozessabschnitte

21 Direkteinsprizung in Brennraum eines Dieselmotors - Prozesssimulation 5 Energiemanagement: Kombinationen von Antriebssystemen, Energieträgern, -wandlern und -speichern

22 Dieselmotor Einspritzstrahl- und Temperaturentwicklung im Brennraum

23 Dieselmotor Einspritzstrahl- und Temperaturentwicklung im Brennraum

24 Funktionsmodule eines Verbrennungsmotors mit Aktivierungsenergie von einer stationär arbeitenden Brennstoffzelle an Bord Direkteinspritzsystem Variable Ventilsteuerung Wasserpumpe Turboaufladung

25 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

26 Energieressourcen und Energieträger

27 Erdgas - Direkteinspritzung

28 Piloteinspritzung von Dieselkraftstoff in ein Gemisch von gasförmigem Kraftstoff und Luft

29 Multipoint-Einspritzsystem für LPG

30 Aufbau eines kryogenen Wasserstofftanks zur Anwendung im Automobil pv = mrt R = 8314/M M=2 kg/kmol

31 Gemischbildungsvarianten für wasserstoffbetriebene Ottomotoren großes Einspritzvolumen trotz geringer Einspritzmasse unkontrollierte Zündung >> Verdichtung senken >> Wirkungsgrad sinkt NOx Emission hoch wegen Reaktionstemperatur

32 Verfahren zur Ehtanolherstellung aus Abfällen 107 aus buch aa

33 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

34 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

35 Querschnitt durch das Hybridantriebssystem (Ottomotor - Elektromotor) eines Automobils: Toyota Prius, 2. Generation

36 Two mode hybrid BMW GM - Daimler

37 Parallelhybrid Peugeot 3008 Hybrid4 (Antriebsstrategie analog Audi 100 duo 1.Generation) Verbrennungsmotor: 2,2 l Diesel 120 kw Elektromotor: 27 kw Verbrauch: 3,8 l/100 km (-35 %) CO 2 -Emission: 99 g/km Antriebsstrategie: nur Elektro- (3 4 km Reichweite) bzw. Verbrennungsmotor und Parallelbetrieb möglich (Quelle: Peugeot) 1 Elektromotor (Hinterachse) 2 Hochspannungsbatterie 3 Automatische Antriebssteuerung PTMU (Powertrain Management Unit) 4 Elektronische Leistungseinheit (Wechselrichter und Spannungswandler) 5 Stop- und Startautomatik 6 Automatisiertes Sechsgang-Schaltgetriebe 7 Verbrennungsmotor (Vorderachse)

38 Parallelhybrid Audi duo Audi 100 duo 1991 Audi 100 duo 1997 Audi A4 duo Verbrennungsmotor 2,3 l 5 Zylinder 2,0 l 4 Zylinder 1,9 l 4 Zylinder TDI 136 PS k. A. 90 PS Antrieb der Vorderachse Antrieb der Vorderund Hinterachse Antrieb der Vorderachse Elektromotor Drehstrommotor Drehstrommotor Drehstrommotor 12,6 PS 28,6 PS 29 PS Antrieb der Hinterachse Antrieb der Hinterachse Antrieb der Vorderachse Batterie Ni-Cd Ni-Cd Blei-Gel

39 Ottomotor mit Kompressor und Turboaufladung

40 Parallelhybrid oder kompakter Verbrennungsmotor mit Aufladung in Stufen? SAE Paper Stan /Täubert Engine torque [Nm] l compressor + turbocharger 1.4l turbocharger 1.6l normal aspirated 1.4l normal aspirated Engine speed [rpm]

41 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

42 Automobile mit Elektroantrieb und Batterien Masse, Leistung, Reichweite Daimler E Smart Ford Think City Tesla Roadster Masse: 1330 kg kg 1113 kg Antrieb: Asynchronmotor Leistung: 185 kw 30 kw 30 kw Drehmoment: 270 Nm Energiespeicher: Li-Ionen, 53 kwh, 375 V NaNiCl2(250 ) NaNiCl(300 ) 450 kg 278 kg Reichweite: 365 km (EPA-Zyklus) 180 km v max : 200 km/h Preis:

43 Auswirkungen der möglichen Energiedichten in Batterien Batterie Pb-PbO 2 Ni-Cd Ni-MH Zn-Br 2 Na-NiCl 2 Na-S Li-Ion Energiedichte -bei 2 Stunden Entladung- [Wh/kg] Beispiele: Pb - 20 kw für 1 Stunde = 1000 kg Batterie Li-Ion 200 kg Batterie Auto A: 1 Stunde Fahrt mit 20 kw=27 PS..80 bis 100 Kilometer Auto B: 200kg Diesel= 250 Liter Diesel 4 volle Tanks Leipzig-Paris und zurück 2 mal!! (mit Volldampf!!!)

44 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

45 Brennstoffzellenfahrzeug Audi A2H2 Masse: Antrieb: Leistung: 105 kw 1400 kg Synchronmotor Frontantrieb (66 kw PEM-Brennstoffzelle +39 kw Batterie) Drehmoment: Energiespeicher: 425 Nm Ni-MH Batterie + H 2 Tank (350 bar; 1,8 kg H 2 ) Reichweite: 220 km (NEFZ) v max : 175 km/h Preis: k. A.

46 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Lithium NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

47 Range Extender: Chevy volt Antrieb: Elektromotor 120 kw / 320 Nm Energie-Speicher: Li-Ion Batterie 136 kw 16 kwh Generator: Ottomotor 1.0L 3-Zylinder, 53 kw Turboaufladung

48 Range Extender: Mazda Wankelmotor mit H 2 -Einspritzung und Li-Ionen-Batterie

49 AVL Pure Range Extender Verbrennungsmotor: Einscheiben-Rotationskolbenmaschine 250 cm³ stationärer Betrieb bei 5000 min -1 Elektromotor: Permanent-erregte Synchronmaschine Leistung: 15 kw spezif. Verbrauch: 260 g/kwh Systemmasse: 65 kg (Quelle:

50 Range Extender: Citroen Saxo Dynavolt mit Elektroantrieb und Zweitaktmotor mit Direkteinspritzung als Stromgenerator

51 Range Extender: Stirling-Motor

52 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Energiequellen Energie-Unwandlungsstation Luft Brennstoffzelle Zeit Energiespeicher + Elektrisch - Li-Ionen NiCd Pb Heißes Fluid Wasserstoff Alkohole Pflanzenöle Gas, Benzin, Diesel Energiespeicherung (thermisch) Elektromotor Gleichstrom Drehstrom Asynchron Synchron Antrieb Generator Wärmekraftmaschine Otto, Kolben, DE, 4 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

53 Brennstoffzelle (BZ mit Otto- oder Dieselkraftstoff als Stromerzeuger an Bord eines Automobils )

54 zukünftige Automobile Anforderungen und Potentiale zukünftige Verbrennungsmotoren Funktionsdienstleister um die Verbrennung zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle Elektromotoren und Verbrennungsmotoren zwischen Konkurrenz und Partnerschaft was treibt uns morgen an? Universallösung oder Vielfalt?

55 Oberklassewagen / SUV: Strong Hybrid Verbrennungsmotor: 4,2 l FSI V8 257 kw (350 PS), 440 Nm Elektromotor: bis 30 km/h alleiniger Antrieb 32 kw (44 PS), 200 Nm Fahrleistung: 2400 kg Fahrzeugmasse Allradantrieb km/h in 6,8 s (- 0,6 s) km/h in 7 s (- 2 s) Verbrauch 12 l/100 km (- 13 %) Batterie: Ni-MH, 140 kg (Quelle:

56 Mittelklassewagen: Antrieb durch Verbrennungsmotor, Elektroenergie an Bord mittels Brennstoffzelle Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine Elektroenergie an Bord mittels Brennstoffzelle (gleicher Kraftstoff wie Antriebsmotor)

57 Stadtwagen: Elektroantrieb, Elektroenergie mittels Wärmekraftmaschine (Otto-, Diesel-, Stirling- oder Joule-Kreisprozess) Heise Quelle (Expansionskammer) Kalte Quelle (Kompressionskammer) Leistung: 24kW Geschwindigkeit: U/min Verdichtungsverhältnis: 3:1 Abmessung Länge: 91 cm Durchmesser: 41 cm Masse: 41 kg Kraftstoffe: Methan, Propan, Butan Gasoline, Methanol, Ethanol Wärmetauscher

58 Fazit

59 mache die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacher Albert Einstein ( )

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