Antriebskonfigurationen

Transkript

1 Antriebskonfigurationen Potentiale und Umsetzbarkeit Cornel Stan Antriebe was treibt uns morgen an?

2 Antriebskonfigurationen Zukünftige Kolbenmotoren Alternative Kraftstoffe Hybride - Kombinationen von Antriebsformen Das Elektroauto Batterie, Brennstoffzelle, Range Extender Schlussfolgerungen welcher Antrieb wofür?

3 Das Automobil der Zukunft und seine Funktionen Komfort Drehmoment Kommunikation Leistung Ästhetik Akustik Schadstoffe Verbrauch Sicherheit (aktiv, passiv)

4 Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherformen und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe Wasser Sonne Wind Heißes Fluid Luft Elektromotor Gleichstrom Energie-Umwandlung an Bord Gleichstrom Drehstrom Asynchron Asynchron Synchron Energie-Umwandlung Zeit an Bord Energiequellen Energie-Umwandlungsstation Energie-Umwandlungsstation Elektromotor Pb Alkohole Gas, Benzin, Pflanzenöle Diesel Wärmekraftmaschine Energiespeicher Pb NiCd ZiBr Gas, Benzin, Diesel Energie-Umwandlung Energie- Energie-Speicherung + Elektrisch - an Bord Speicherung (thermisch) (thermisch) Otto, Kolben, DE, 4 Takt Energie-Umwandlung Otto, Kolben, an BordDE, 2 Takt Energiespeicher + Elektrisch - Synchron Hybrid NiCd Verbrennungsmotor Diesel, Kolben,DE, 4 Takt ZiBr Wasserstoff Alkohole Heißes Fluid Pflanzenöle Wasserstoff Otto, Diesel, Kolben, Kolben, DE, 4 DE, Takt 2 Takt Otto, Kolben, DE, 2 Takt Wankel Diesel, Kolben,DE, 4 Takt Diesel, Kolben, DE, 2 Takt Stirling Wankel Stirling Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, radial Strömungsmaschine, axial Strömungsmaschine, axial Optimierte thermodynamische Kreisprozesse

5 Alternative Antriebssysteme von der Energieform zu den Antriebsmodulen Beispiele

6 Zukünftige Antriebe Entwicklungsszenarien aus der Sicht der Automobilhersteller wir bauen Hybridantriebe nur für den USA Markt Diesel in USA ist nicht realistisch In Europa ist der Dieselmotor vorteilhafter Vollhybrid ist vorteilhaft für Stadtfahrten Diesel ist besser auf Landstraße und Autobahn Two-Mode-Hybrid in GM-BMW-Daimler nur für USA in Europa ist Diesel vorteilhafter Diesel ist empfehlenswert für Indien, aber nicht für China und USA Dieselanteil in USA 15% in 2015 Dieselantrieb hat einen um 30% niedrigeren Kraftstoffverbrauch im US Fahrzyklus Hybrid (mild/micro) wird den Markt erobern Vollhybrid für Nischenanwendung wegen hohem Preis Brennstoffzelle mit Wasserstoff ist ein Zukunftsszenario 5-6 [kw] [kw] Batterien haben eine niedrige Energiedichte und kurze Lebensdauer Wasserstoff im Kolbenmotor für den Antrieb und Brennstoffzelle als Stromgenerator an Bord

7 Alternative Antriebssysteme Entwicklungstrends weltweit 100 [Mio] 6,8 % Alternative Antriebe 13 % Alternative Antriebe Diesel Diesel Benzin Benzin (68,49 %) (24,66 %) (5,27 %) (0,89 %) (0,33 %) (0,33 %) (0,03 %) (26,37 %) (8,19 %) (3,3 %) (0,99 %) (0,34 %) (0,39 %) (60,44 %) Millionen Fahrzeuge 2015 (Quelle: Bosch 2008) 100 [Mio] Alkohol/ Benzin Hybrid Erdgas (CNG) Flüssiggas (LPG) 40 Elektromotor (Plug In) 30 verkaufte Fahrzeuge pro Jahr Alkohol/ Benzin Hybrid Erdgas (CNG) Flüssiggas (LPG) Elektromotor (Plug In) ,85 3 0,65 0,25 0,25 0,02 0,9 0,3 0,35 7,45 73 Millionen Fahrzeuge 2008

9 Konventionelle und zukünftige Optimierungskonzepte für Fahrzeug-Verbrennungsmotoren

10 Konvergenz der Otto- und Dieselprozesse - Funktionen

11 Konvergenz der Otto- und Dieselprozesse - Module variable Ventilsteuerung Brennverfahren Einspritzsystem Aufladetechnik

12 Strategien zum Erreichen der EURO 5 Schadstoffrichtlinien HC (g / km) Euro 5 Euro 4 ULEV2 SULEV LEV2 Partikel (g/km) Euro 4 Euro CO (g / km) NOx (g/km) Ottomotoren SULEV/Euro 5 Strategie Dieselmotoren Euro 5 Strategie

13 Otto- und Dieselverfahren: Maßnahmen zur Prozessoptimierung und ihre Wirkung auf die Kohlendioxidemission CO 2 Emission 100 % Ottomotor PFI mit AGR PDA SIDI VVT SIDI lean Kombination Turboaufladung +startstop Downsizing + Nox aftertreatment 80 % Diesel Oxi-Kat Common Rail + DPF Low temp. combustion Euro

14 Otto- und Dieselmotoren: Drehmoment und Leistung max. spezifisches Drehmoment in Nm/l Turbodiesel 2004 Turbodiesel verbesserte Verbrennung 1990 Ottomotor+Turbo 1990 Ottomotor 2004 Ottomotor 2007 Diesel 2-stufige Aufladung 2007 Ottomotor 2004 Ottomotor+Turbo DI 2007 Ottomotor+Turbo SIDI max. spezfische Leistung in kw/l

16 Energieressourcen und Energieträger

17 Eigenschaften konventioneller und alternativer Kraftstoffe für Automobile KRAFTSTOFF STRUKTUR DICHTE 3 [ kg / dm ] VISKOSITÄT (KIN.) [ cst ] HEIZ- WERT (UNT.) [ MJ / kg] STOECH. LUFT- BEDARF [ kgl/ kg Kst] GEMISCH HEIZWERT [ MJ / kg Gem] OKTANZAHL / CETANZAHL VERDAMPFUNGS- ENTHALPIE [ KJ / kg] (25 C/0,1 MPa-Flüss.) (ts/ 0,1 MPa Gas.) KOHLEN- WASSERSTOFFE BENZIN DIESEL ERDGAS (85-95% METHAN) AUTOGAS 50% PROPAN; 50% BUTAN) ALKOHOLE METHANOL C m H n (<C 8 H 18 ) C m H n (<C 8 H 18 ) CH 4 0,72-0,78 0,78-0,84 0,141 (0 C/20MPa) ,5 4,0 ca ,51 (GAS) 0,409 (-150 C/0,1MPa) 0,00079 (0 C/0,1MPa) C 3 H 8 /C 4 H 10 0,00235 GAS ,5 3, ABGAS SPEICHERUNG SCHMIERUNG REICH- KRAFTSTOFF- ENERGIE KLOPF- KALTSTART (0 C/0,1MPa) KOMPONENTEN AN BORD VERKOKUNG WEITE DOSIERUNG DICHTE/ NEIGUNG INNENKÜHLUNG DREHMOMENT LADUNGSMASSE CH 3 -OH ca. 0,5 FLÜSSIG (0 C/0,5 1,0MPa) 0,792 < 1,2 3, , ,6-14,7 14,5 6,47 3,9 3,8 3, *-54* ETHANOL WASSERSTOFF C 2 H 5 -OH H 2 0,785 0,009 (GAS) (-200 C/0,1MPa) 0,071 (FLÜSSIG) (-253 C/0,1MPa) ,00 3, ,3 3,0-436 ÖLE RAPSÖL RAPSÖL- METHYLESTHER C m H n O p R i DIMETHYLÄTHER CH 3 OCH 3 0,92 0,89 0,00197 (15 C/0,1MPa) ,6 12, *-44* ,2 12, *-58* *...

18 Kraftstoff-Heizwert und Gemischheizwert

19 Erdgas - Gemischbildungssystem

20 Multipoint-Einspritzsystem für LPG

21 Alkohole: Methanol, Ethanol - Gemischbildung und Motorspezifika

22 Zeitliche Strahlentwicklung bei Einspritzung von Benzin, Ethanol, Methanol, Gemisch durch eine Zapfendüse stöchiometrische Einspritzmenge

23 Kryogener Wasserstofftank an Bord eines Automobils

24 Ausführungen von Automobilen mit wasserstoffbetriebenem Ottomotor

25 Gemischbildungsvarianten für wasserstoffbetriebene Ottomotoren

26 Umesterung von Ölen

27 Verkokung der Einspritzdüse eines Dieselmotors mit Direkteinspritzung beim Betrieb mit Rapsöl

28 Antriebskonfigurationen Zukünftige Kolbenmotoren Alternative Kraftstoffe Hybride Kombinationen von Antriebsformen Das Elektroauto Batterie, Brennstoffzelle, Range Extender Schlussfolgerungen welcher Antrieb wofür?

29 Hybridantriebssystem (Verbrennungsmotor Elektromotor) Toyota Prius 2. Generation (Quelle: Toyota) Elektromotor Verbrennungsmotor Generator Leistungsaddition

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

31 Toyota Lexus RX 400h - SUV mit Hybridantrieb - Powermeter: zur Anzeige der Leistungsverzweigung Modell Lexus 2005 Energiefluss Leistungsverzweigung Ummsetzungstiefe Strong Hybrid Masse 2100 kg P VM 3,3 l V6 155 kw P EM 123 kw 50 kw Verbrauch 8,1 l / 100 km CO 2 -Emisson 192 g/km Preis km/h 7,6 s

32 Toyota Lexus RX 400h - SUV mit Hybridantrieb L 24-V DOHC V-6 Engine with VVT-i 2 Electric Motor / Generator (MG1 ) 3 Front Electric Motor / Generator (MG2) 4 Rear Electric Motor / Generator (MGR) 5 Nickel Metall Hybrid Battery, 288 V 6 Inverter 7 Hybrid Electronic Control System 8 Regenerative Braking System 9 Elec. controlled Contin. Variable Transmission (ECVT) Volt Battery

33 Addition der Antriebsdrehmomente des Kolben- und Elektromotors in einem parallelen Hybridantrieb Simulation GT-Power Drehmoment, spez. Kraftstoffverbrauch mit und ohne Aufladung b e [g/kwh] Drehmoment [Nm] l Kompressor + ATL 1.4l ATL 1.6l ohne Aufladung l ohne Aufladung Motordrehzahl [U/min]

34 Two mode hybrid BMW GM - Daimler

35 Paralleles Hybridantriebssystem (Dieselmotor-Elektromotor) von DaimlerChrysler für hohe Leistungsdichte

36 Source: GM

38 Automobil mit Radnaben-Elektromotoren Mitsubishi Name Propulsion Type MIEV-Colt EV Wheel Hub Propulsion (Rear Wheel Drive) Power 2 x 20 kw Torque 400 Nm Max. Speed 150 km/h Fuel Cell - Tank Type Lithium-Ion-Battery Cruising Range 150 km

39 Hauptkenngrößen elektrischer Energiespeicher (Batterien) System Pb-PbO 2 Ni-Cd Ni-MH Zn-Br 2 Na-NiCl 2 Na-S Li-Ion Betriebstemperatur [ C] Energiedichte 2h Entl. [Wh/kg] Zellspann. U 0 [V] 2,1 1,35 1,35 1,79 2,58 2,08 3,6

40 Alternatives Antriebssystem von der Energiequelle zu den Antriebsmodulen Tesla Roadster Hersteller Tesla Modell Roadster Sitzplätze 2 Masse [kg] 1330 Konzept EV Antrieb ASM el. Leistung [kw] / [Nm] 185 / 270 Energiespeicher / -wandler Li-Ion (375V, 53kWh, 450kg) Reichweite [km] 365 (EPA cycle) Geschwindigkeit [km/h] 200 Entwicklungsstand Serie Preis EUR (Quelle: 40

41 Anordnung der Funktionsmodule einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle in einem Automobil

42 Konfiguration einer Brennstoffzelle mit Methanol-Betrieb

43 Tulip Park-and-Charge System für Automobile mit elektrischem Antrieb

44 Serielles hybrid: Chevy volt Elektromotor 120 kw / 320 Nm (spitze) Li-Ion Batterie Einheit 136 kw Spitzenleistung 16 kwh Energie 53 kw Generator Verbrennungsmotor 1.0L 3-Zylinder mit Turbolader

45 Citroen Saxo Dynavolt mit Elektroantrieb und Zweitaktmotor mit Direkteinspritzung als Stromgenerator

47 Oberklassewagen / SUV: Strong Hybrid Powermeter: zur Anzeige der Leistungsverzweigung Modell Lexus 2005 Energiefluss Leistungsverzweigung Ummsetzungstiefe Strong Hybrid Masse 2100 kg P VM 3,3 l V6 155 kw P EM 123 kw 50 kw Verbrauch 8,1 l / 100 km CO 2 -Emisson 192 g/km Preis km/h 7,6 s

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

49 Funktionsmodule eines Verbrennungsmotors, Aktivierungsenergie von Brennstoffzelle Direkteinspritzsystem Variable Ventilsteuerung Wasserpumpe Turboaufladung

50 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 Wärmetauscher Kraftstoffe: Methan, Propan, Butan Gasoline, Methanol, Ethanol

51 Globalisierter Automobilbau zwischen Anforderungen und Voraussetzungen Technisches Know-How Technologische Ausrüstung Soziale Struktur Kulturelle Spezifika Wirtschaftliche und politische Struktur