Der Verbrennungsmotor im Pkw. Zeiten?

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1 Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen ge e Zeiten? Eltern auf dem Campus 10. Oktober 2009 Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner Hochschule Konstanz Labor für Verbrennungsmotoren

2 Typische Der Verbrennungsmotor ist out. Aussagen aus der Wo gibt es das noch, dass man ein Produkt Presse einsetzt, das schon über 100 Jahre alt ist? Die deutsche Autoindustrie hat die Entwicklung hin zum Elektromotor verschlafen. Der einzige innovative Konzern ist Toyota. Wir sollten schon längst Elektromotoren in unseren Pkws haben. Wenn es schon nicht der reine E-Antrieb ist, dann sollte es doch wenigstens ein Hybrid-Fahrzeug sein. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 2

3 Abgrenzung des Themas und Inhalt des Vortrags Es geht nicht um die Frage, ob Pkws sinnvoll sind. Es geht nicht um die Frage, ob der öffentliche Personennahverkehr mehr gefördert werden sollte. Es geht nicht um die Frage nach Abhängigkeiten g von weltweiten Energielieferanten. Es geht um die Frage, welcher Antrieb in einem Pkw heute technisch sinnvoll, ökologisch akzeptabel und ökonomisch machbar ist. Inhalt des Vortrags: Verbrennungsmotor kennen lernen E-Antrieb kennen lernen Hybrid-Antrieb kennen lernen Prognose über die Entwicklung der Antriebsvarianten geben Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 3

4 Gliederung Einleitung Pkw mit Verbrennungsmotor Pkw mit Elektroantrieb Pkw mit Hybridantrieb Ausblick Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 4

5 Beispiel Motor Opel Astra Turbo Turbo Turbo GTC Leistung in kw v max in km/h Beschleuni- gung bis auf 100 km/h in s V S in l/(100 km): Stadt V S in l/(100 km): Land V S in l/(100 km): gesamt CO 2 -Emission in g/km 13,6 11,6 10,1 8,2 7,8 6,4 80 8,0 87 8,7 97 9,7 10,3 13,11 13,0 5,0 5,2 5,6 6,2 7,1 7,0 6,1 6,5 7,1 7,7 9,3 9, Je stärker der Motor ist, umso höher ist der Verbrauch. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 5

6 Der neue euro- päische Fahrzyklus (NEFZ) mal Stadtzyklus Überland-Zyklus v in km/h Zeit in s Dauer: 1180 s Strecke: 10,9 km mittlere Geschwindigkeit: 33,3 km/h maximale Geschwindigkeit: 120 km/h Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 6

7 Fahrwider- stände F cw F roll Luftwiderstandskraft: Rollwiderstandskraft: Steigungskraft: F masse = m g F 2 cw c A v 2 W F m g cos roll F steig m g sin Newtonsches Gesetz: F m a Beschleunigung: a F Fcw F F Motor an Rad roll m steig Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 7

8 Leistungsbedarf eines Astra GTC Leistung am Rad: Motorleistung: P F v P Rad Motor Rad P Rad 2 π n M Antriebsstrang Motor v in P Motor in km/h kw otor in kw P Mo Bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ist der Leistungsbedarf relativ gering v in km/h Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 8

9 Leistungsbedarf des Astra GTC beim neuen 40 europäischen 0 Fahrzyklus (NEFZ) Zeit in s v in km/ /h P motor in kw Zeit in s Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 9

10 Motorkennfeld des Astra GTC 1.4 im 5. Gang Beschleunigung 8 % Steigung von 50 km/h auf Bergfahrt 80 km/h bei 80 km/h 150 Leerlaufdrehzahl Volllastlinie max. Drehzahl in Nm 100 M Motor 50 0 Momentenbedarf auf ebener Strecke im 5. Gang v in km/h Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 10

11 NEFZ im Motor- kennfeld des Astra GTC M Motor in Nm 350 Astra GTC Turbo optimaler Wirkungsgrad von ca. 37 % Astra GTC schlechtester Wirkungsgrad von 0 % n in 1/min Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 11

12 Ergebnis Teil 1 Der max. Leistungsbedarf für den NEFZ ist relativ gering. Das führt dazu, dass der Motor beim NEFZ nur im Teillastbereich betrieben wird und nie bei Volllast. Je stärker der Verbrennungsmotor ist, umso mehr wird er beim NEFZ im leistungsschwachen Bereich betrieben. Ein Verbrennungsmotor erreicht seinen besten Wirkungsgrad (ca. 37 % bei Ottomotoren und ca. 42 % bei Dieselmotoren) bei einer mittleren Drehzahl und nahezu Volllast. Dieser Bereich wird im NEFZ aber nie durchfahren. Je schwächer der Motor ist, umso mehr muss er sich beim NEFZ anstrengen und umso eher wird der Motor bei einem guten Wirkungsgrad betrieben. Deswegen gilt die Grundregel, dass der Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeuges umso schlechter wird, je stärker der Verbrennungsmotor ist. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 12

13 Motor Audi Q7 mit alter- nativem Antrieb 12-Zyl.- Motor Smart- Motor Leistung in kw Hubvolumen in l 5,93 1,49 Zylinderzahl 12 3 Beschleunigung von 0 km/h auf 100 km/h in s Höchstgeschwindigkeit in km/h 5, V S in l/(100 km): Stadt 14,8 79 7,9 V S in l/(100 km): Land 9,3 6,5 V S in l/(100 km): gesamt 11,3 7,0 Wenn man in den schweren Audi Q7 einen kleinen Smart- Motor einbauen würde, so könnte man trotz des hohen Fahrzeuggewichtes sehr viel Kraftstoff sparen. Allerdings würde man nur 150 km/h schnell fahren können und auch keine guten Beschleunigungswerte erreichen. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 13

14 Wie viel Leistung benötigt t ein Pkw- Fahrer? Man benötigt eine hohe Motorleistung für eine hohe Fahrgeschwindigkeit. Der Leistungsbedarf nimmt fast mit der 3. Potenz der Fahrzeuggeschwindigkeit zu: Die doppelte Geschwindigkeit benötigt also annähernd die 8-fache Motorleistung. Viele leistungsstarke Fahrzeuge werden aber in Deutschland bei einer Geschwindigkeit von 250 km/h elektronisch begrenzt. Man benötigt die hohe Motorleistung also nicht nur für das schnelle Fahren. Der Hauptgrund für eine hohe Motorleistung ist das gewünschte Beschleunigungs- vermögen des Fahrzeuges. Dann ergibt sich automatisch auch eine große Maximalgeschwindigkeit. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 14

15 Typische Beschleu- nigung eines Pkws Typische, nicht besonders sportliche Beschleunigung: 50 km/h auf 100 km/h innerhalb von 10 s am Ortsende Leistungsbedarf bei einem typischen Mittelklasse- Fahrzeug mit einem Gewicht von 1500 kg: 50 kw 60 kw Diese Leistung schafft jede handelsübliche Motorisierung. Ein schwacher Motor kann diese Leistung aber nur bei großer Drehzahl bereitstellen. Die Motorleistung nimmt linear mit der Drehzahl zu. Wenn man also schaltfaul bei einem Drittel der max. Drehzahl beschleunigen möchte, dann benötigt t man einen Motor mit einer Leistung von ca. 180 kw. Mit dieser Leistung erreicht man aber auch eine Maximalgeschwindigkeit von ca. 250 km/h. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 15

16 Ergebnis Teil 2 In Deutschland werden relativ stark motorisierte Fahrzeuge gekauft, weil man nicht nur eine hohe Geschwindigkeit, sondern auch ein hohes Beschleunigungsvermögen haben möchte. Diese hohe h Beschleunigung soll auch bei kleinen Drehzahlen, also im großen Gang möglich sein, damit man schaltfaul fahren kann. Eine hohe Leistung bei kleinen Drehzahlen erreicht man nur mit einem hohen Drehmoment. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 16

17 Maßnahmen für ein hohes Dreh- moment bei kleinen Motor- drehzahlen großes Hubvolumen eher Dieselmotor als Ottomotor Aufladung, am besten mit Ladedruckbegrenzung durch Wastegate oder variable Turbinengeometrie Vierventiltechnik ik speziell Dieselmotor: hoher Einspritzdruck Common-Rail-Einspritzung Drallklappen speziell Ottomotor: t variable Saugrohrlänge, Resonanzaufladung variable Ventilöffnungszeiten, Ventilabschaltung Tumble-Klappen Benzindirekteinspritzung Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 17

19 Abschätzung des Energiebedarfs bei NEFZ- Fahrweise am Beispiel des Astra 1.4 Kraftstoffverbrauch bei NEFZ- Fahrweise Energieinhalt (Heizwert) von Benzin Dichte von Benzin 6,1 l / (100 km) 42 MJ/kg 0,76 kg/l Energieverbrauch bei NEFZ-Fahrweise 194 MJ / (100 km) Typischer Wirkungsgrad eines Mittelklasse-Pkw mit schwacher 16 % Benzin-Motorisierung im NEFZ 31 MJ / (100 km) Energiebedarf bei NEFZ-Fahrweise Fahrweise = 9 kwh / (100 km) Bei verlustfreier Energiespeicherung und nutzung benötigt ein Opel Astra GTC ca. 9 kwh pro 100 km, wenn man ein Fahrprofil gemäß dem NEFZ fährt. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 19

20 Auslegung Energiebedarf bei NEFZ-Fahrweise 9 kwh / (100 km) eines Geschätzter Gesamtwirkungsgrad g Elektro-ant t 80 % eines Elektroantriebes im Pkw riebs für den Opel Nutzbarer Anteil der Batteriekapazität 70 % Astra GTC Benötigte Batteriekapazität 16 kwh / (100 km) Kosten eines Li-Ionen-Akkus für ein Elektrofahrrad (Stand Sommer 2009) Spezifisches Gewicht eines Li-Ionen- Akkus (Beispiel E-Mini) Gewünschte Reichweite Kosten der Akkus für den E-Astra Gewicht der Akkus für den E-Astra Gewicht des Benzins für 100 km 1250 EUR / kwh 7 kg/kwh 100 km EUR 112 kg 5 kg Bei einer gewünschten Reichweite von 100 km würde der Akku eines elektrisch betriebenen Opel Astra GTC heute etwa EUR kosten und mehr als 100 kg wiegen. Optimisten gehen davon aus, dass der Akku-Preis 2020 nur noch ein Drittel beträgt. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 20

21 Vergleich der Betriebskosten beim Opel Astra GTC Reichweite: 100 km benötigte Menge an Energieträger 1.4-l- Benzinmotor E-Antrieb 6,1 l 11 kwh spez. Kosten der Energie 1,4 EUR/l 0,2 EUR/kWh Kosten der Energie 8,50 EUR 2,20 EUR Energiesteuer auf Benzin (einschl. Umsatzsteuer) Stromsteuer (einschl. Umsatzsteuer) Kosten der Energie ohne Energiesteuer 0,779 EUR/l 2,44 Ct/kWh 3,80 EUR 1,90 EUR Wenn man die Energiesteuern außer Acht lässt, dann unterscheiden sich beim Opel Astra GTC die Energiekosten von Benzinantrieb und E-Antrieb um etwa 50 %. Bislang gibt es noch keine Batterien, die so lange wie ein Pkw leben. Das führt zu sehr hohen Extrakosten beim einmaligen oder mehrmaligen Batterieersatz. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 21

22 Vergleich der CO 2 - Emissionen i beim Opel Astra GTC Reichweite: 100 km Verbrauch an Benzin bzw. Strom spez. CO 2 -Emissionen CO 2 -Produktion bei einer Reichweite von 100 km 1.4-l- Benzin- motor E-Antrieb 6,1 l 11 kwh 2,4 kg/l ca. 0,6 kg/kwh (Strommix in Deutschland in den letzten Jahren gemäß UBA) 14,6 kg 6,6 kg Der Opel Astra GTC würde bei rein elektrischem Antrieb etwa die Hälfte an CO 2 Produktion verursachen. Mit Elektro-Pkws kann man die CO 2 -Produktion dann in großem Maße reduzieren, wenn der Strom regenerativ erzeugt wird. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 22

23 Ergebnis Teil 3 Der reine Elektroantrieb ist in den nächsten Jahren (mit Ausnahme von Nischenanwendungen) noch keine echte Konkurrenz für den Verbrennungsmotor. Das Hauptproblem des Elektroantriebs ist die Batterie: e Sie ist viel zu schwer, viel zu teuer und hält nicht so lange wie ein Pkw. Als Erstes wird der reine Elektroantrieb wohl im Stadtverkehr zum Einsatz kommen, wo man einerseits nur geringe Reichweiten benötigt und andererseits keine hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen erreichen muss. Bei den Elektro-Pkw-Studien, die derzeit in der Presse zu finden sind, werden fast nie Verkaufspreise angegeben. Ein typischer Preis könnte sein: Kleinwagen der EUR-Klasse, 200 km Reichweite bei relativ langsamer Fahrt: EUR bis EUR als E-Pkw Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 23

24 Optimierung des Pkws mit Verbrennungs- motor Im NEFZ fährt ein Verbrennungsmotor meistens im Teillastgebiet. Dadurch wird er in Bereichen betrieben, in denen der Wirkungsgrad relativ schlecht ist. Typische Zahlenwerte: Fahrzeugauslegung Kleinwagen mit schwachem Dieselmotor Mittelklassewagen mit Benzinmotor Sportwagen mit Benzinmotor mittlerer. Wirkungsgrad im NEFZ bester Wirkungsgrad im Kennfeld 20 % 42 % 15 % 37 % 10 % 37 % Wenn es gelingt, den Verbrennungsmotor im Optimum zu betreiben, dann kann man den Kraftstoffverbrauch halbieren. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 24

25 Idee Start-Stopp- System Rekuperatives Bremsen Ideen zur Optimie- rung des Pkws mit Verbren- nungsmotor zwei Verbrennungs- Motoren Hybridantrieb Details Der V-Motor wird immer dann ausgeschaltet, wenn er nicht benötigt wird (z. B. beim Ampelstopp) Die Lichtmaschine wird nur dann angetrieben, wenn sich der Motor gerade im Schubbetrieb befindet Zwei V-Motoren (groß und klein) werden eingebaut. Der größere wird nur bei Bedarf eingeschaltet (einfache Variante: Zylinderabschaltung bei einem Mehrzylindermotor) Der V-Motor wird im Bestpunkt betrieben und die überschüssige Energie gespeichert (in einer Schwungmasse oder als elektrische Energie in einer aufladbaren Batterie) Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 25

27 Funktion Fünf Vorteile des Hybridsystems (V-Motor und E-Motor) Start- Stopp- Funktion Rekuperatives Bremsen Boost- Funktion Betriebspunkt- verschiebung Hochspannung an Bord Details Bei jedem Stopp wird der V-Motor ausgeschaltet. Der Pkw fährt rein elektrisch an. Der V-Motor wird erst danach zugeschaltet. Beim Bremsen lädt der E-Motor die Batterie auf. Beim Beschleunigen werden sowohl der V-Motor als auch der E-Motor verwendet. Der V-Motor wird immer im Bestpunkt betrieben. Die überschüssige Energie wird genutzt, um mit dem E- Motor die Batterie aufzuladen. Wenn die Batterie voll ist, dann wird der V-Motor ausgeschaltet und der Pkw fährt rein elektrisch. Bei heutigen Pkws ist die 12-V-Batterie das schwächste Bauteil. Hybridfahrzeuge haben Batterien mit ca. 500 V. Wenn Hochspannung an Bord ist, dann kann man elektrische Verbraucher vorsehen, die heute nicht möglich sind (z. B. elektr. Klimaanlage, elektr. Katalysator, ) Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 27

28 Funktion Bei jedem Mikro- Stopp wird der V-Motor ausgeschaltet. Der Pkw fährt Hybrid rein elektrisch an. Der V-Motor wird erst danach zugeschaltet. Mild- Hybrid Beim Bremsen lädt der E-Motor die Batterie auf. Voll- Hybrid Beim Beschleunigen werden sowohl der V-Motor als auch der E-Motor verwendet. Fünf Vorteile des Hybridsystems (V-Motor und E-Motor) Start- Stopp- Funktion Rekuperatives Bremsen Boost- Funktion Betriebspunkt- verschiebung Hochspannung an Bord Details Der V-Motor wird immer im Bestpunkt betrieben. Die überschüssige Energie wird genutzt, um mit dem E- Motor die Batterie aufzuladen. Wenn die Batterie voll ist, dann wird der V-Motor ausgeschaltet und der Pkw fährt rein elektrisch. Bei heutigen Pkws ist die 12-V-Batterie das schwächste Bauteil. Hybridfahrzeuge haben Batterien mit ca. 500 V. Wenn Hochspannung an Bord ist, dann kann man elektrische Verbraucher vorsehen, die heute nicht möglich sind (z. B. elektr. Klimaanlage, elektr. Katalysator, ) Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 28

29 Grenzen der Hybridsysteme Nur der Vollhybrid nutzt alle Vorteile des Hybridsystems und spart somit am meisten Kraftstoff. Die Kosten des Hybridsystems werden weitgehend davon bestimmt, wie groß die Batterie ist und weit man damit elektrisch fahren kann. Beim bisher aktuellen Toyota Prius 2 beträgt die Reichweite bei rein elektrischer Fahrt zwei Kilometer. Die neu vorgestellten deutschen Hybridfahrzeuge (z. B. S-Klasse) sind keine Vollhybride und deswegen relativ preiswert, aber auch mit nur mäßigem Nutzen. Die EfficientDynamics-Technologien von BMW stammen teilweise i aus dem Bereich der Mild-Hybride. id Die Vorteile des Hybrid-Systems kann man am besten im dynamischen Betrieb nutzen. Bei konstanter Geschwindigkeit auf der Autobahn bringt es relativ wenig. Hybrid-Systeme sind besonders effektiv, wenn sie mit GPS gekoppelt sind und vorplanen können. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 29

31 Verlustquellen beim Verbrennungs- motor Verlustquelle nicht-ideale Verbrennung Ladungswechsel Reibung Abhilfe Ottomotor: zentral sitzende Zündkerze, Turbulenz (Tumble) Dieselmotor: zentrale Einspritzdüse, hoher Einspritzdruck, Drall 4-Ventil-Technik, vollvariable Ventile, Benzindirekteinspritzung Hilfsantriebe i Geregelte Öl-, Kraftstoff- t ff und Wasserpumpen sowie Klimakompressor, elektrischer Antrieb reduzierte Reibung bei Kolben-Ring- Laufbuchse, Ventilen und Lagern, reduzierte Drehzahlen Wärmeverluste optimierte Kühlkreisläufe Abgasenergie g Turboaufladung, Kühlkonzepte, Turbosteamer nicht-idealer Zylinderabschaltung, Downsizing mit Betriebspunkt variabler Aufladung Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 31

32 Ökobilanz von Fahrzeugen Interessante Website: /www2.daimler.com/sustainability/optiresource/ Berechnung des Energieverbrauchs und der CO 2 - Emissionen bei unterschiedlichen Energieträgern und Antriebskonzepten anhand der europäischen Well-to- Wheel-Studie Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 32

33 Prognose des Markt- anteils der E-Pkws Bundeskanzlerin Merkel: 1 Mio. E-Autos in D bis 2020 (AMS 17/2009) Kanzlerkandidat Steinmeier: 1 Mio. E-Autos in D bis 2015 (AMS 16/2009) RWE: 2,5 Mio. E-Autos in D in 2020 (ADAC 7/2009) Roland Berger: 10 Mio. jährlich, also 20 % der Neuwagen in der EU in 2020 als Hybrid oder E-Auto (Batterie: 225 EUR/kWh) Aussage von Mahle (MTZ 9/2009): 80 % bis 90 % dessen, was man mit einem Vollhybriden sparen kann, kann man mit deutlich weniger Kosten durch Motoroptimierungen erreichen. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 33

34 Zusammen- fassung Solange es keine preiswerten und serientauglichen Batterien für Pkws gibt, gibt es (mit Ausnahme von Nischenanwendungen) keine Alternative ti zu Verbrennungsmotoren. Solange die elektrische Energie konventionell und damit relativ preiswert bereitgestellt wird, bringt der E- Antrieb keinen wesentlichen Durchbruch hinsichtlich der CO 2 -Einsparung. Hybrid-Fahrzeuge kombinieren den Verbrennungsmotor mit einem Elektromotor. Die Vorteile können aber nur dann in größerem Umfang genutzt werden, wenn eine entsprechend große Batterie eingebaut wird. Diese ist aber noch sehr teuer. Auch Verbrennungsmotoren bieten noch ein deutliches Optimierungspotenzial. Schon heute können die Verbraucher Energie sparen, indem sie ein möglichst leichtes und kleines Fahrzeug mit einem leistungsschwachen Motor fahren. Klaus Schreiner Der Verbrennungsmotor im Pkw ein Relikt aus längst vergangenen Zeiten? Bild 34