Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung. Dr.-Ing. Klaus Herzog

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Catrin Krause
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1 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Dr.-Ing. Klaus erzog

2 Inhalt der Vorlesungsreihe Kraftfahrzeugantriebe Weltenergieressourcen und Energieträger Energiewandlung Energiebedarf eines Kraftfahrzeugs ubkolbenmotoren Getriebe und Wandler Elektromotoren ybridantriebe Brennstoffzellen erzog

3 Energieformen Primärenergie: Natürlich vorkommende Energiequellen oder Energieformen Sekundärenergie oder Energieträger: Energie bzw. Energieträger, die erst durch einen mit Verlust behafteten Umwandlungsprozess aus der Primärenergie entstehen Endenergie: Energie, die nach weiteren Übertragungsverlusten vom Verbraucher nutzbar ist erzog

4 Primärenergie Rohöl Erdgas Kohle Uran Biomasse Wasserenergie Windenergie Sonnenenergie Geothermie erzog

5 Sekundärenergie (Beispiele) Benzin Diesel Briketts Biokraftstoffe Strom Wasserstoff erzog

6 Weltweiter Verbrauch an Primärenergie und nachgewiesene Ressourcen Verbrauch 2012 in Millionen Tonnen Öläquivalent Nachgewiesene Ressourcen 2012 in Millionen Tonnen Öläquivalent Öl 4 130, Erdgas 2 987, Kohle 3 730, Kernenergie 560, (bei Gewinnungskosten von 40$ je kg, Stand 2007) Wasserkraft 831,1 erneuerbar Quelle: bp erzog

7 Verbrauch in Millionen Tonnen Öläquivalent Weltweiter Verbrauch an Primärenergie Kohle Erneuerbare Energien Wasserkraft Kernenergie Erdgas Erdöl Jahr Quelle: bp erzog

8 Struktur des weltweiten Primärenergieverbrauchs 2005 erzog

9 Anteil erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland erzog

10 Entwicklung der energiebedingten O 2 - Emissionen in Deutschland erzog

11 Thermische Wirkungsgrade der Kraftstoffherstellung in % Primärenergie Kraftstoff Benzin Diesel Methanol Ethanol Erdöl Erdgas Kohle olz Zuckerrohr Mais erzog

12 Verbrennung und Kraftstoffe (Wiederholung aus der Vorlesung Kolbenmaschinen) Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren werden überwiegend aus Destillation von Mineralöl gewonnen. Diese Kraftstoffe bestehen aus über 200 verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren einzelne Anteile wesentlich die Kraftstoffeigenschaften bestimmen. erzog

13 Einteilung von einfachen Kohlenwasserstoffverbindungen Alkane (früher: Paraffine) Normal-Paraffine Iso-Paraffine Alkene (früher: Olefine) Alkene (Monoolefine) Alkadiene (Diolefine) Alkine (früher: Acetylene) Zyklo-Alkane (früher Naphtene) Aromaten Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen Alkohole, R-O Ether, R1-O-R2 Ketone, R1-O-R2 Aldehyde, R-O erzog

14 Alkane Alkane n 2n+2 (Paraffine) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit nur Einfachbindungen Normal-Paraffine (grade kettenförmig) Ethan 2 6 n-eptan 7 16 Iso-Paraffine (verzweigt kettenförmig) 3 3 2,2 Dimethylpropan (iso Pentan) 5 12 erzog

15 Alkene Alkene (Olefine) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen Alkene n 2n (Monoolefine, eine Doppelbindung) Ethen epten 7 14 Alkadiene n 2n-2 (Diolefine, zwei Doppelbindungen) Propadien 3 4 erzog

16 Alkine Alkine n 2n-2 (Acetylene) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung Ethin 2 2 erzog

17 Zykloalkane Zykloalkane n 2n (Naphtene) Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen Zyklopropan 3 6 Zyklohexan 6 12 erzog

18 Aromaten Aromaten Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen Grundbaustein ist der Benzolring Benzol 3 3 1,3-Dimethylbenzol erzog

19 Alkohole Alkohole, R-O enthalten eine ydroxylgruppe -O O Methanol 3 O O Ethanol 2 5 O erzog

20 Zündverhalten von Kraftstoffen Zündwilligkeit Dieselkraftstoffe müssen im Gegensatz zu Ottokraftstoffen eine hohe Zündwilligkeit besitzen Die Zündwilligkeit steht in enger Beziehung zur Zündverzugszeit (Zeit zwischen Einspritzbeginn und Druckanstieg infolge Verbrennung) Das Maß für die Zündwilligkeit ist die etanzahl (Z) Klopffestigkeit Ottokraftstoffe sollen geringe Zündwilligkeit besitzen Selbstzündende Gemischreste führen im Zylinder zu starken Gasdruckschwingungen (Klopfen) Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl erzog

21 etanzahl (Z) Zur Bestimmung der etanzahl wird das Zündverhalten eines Kraftstoffes in einem 1-Zylinder Prüfdieselmotor (z.b. BASF DIN 51773) untersucht. Das Zündverhalten wird mit einem Zweikomponenten-Ersatzbrennsoff bestehend aus α-methyl-naphtalin (Z=0) und etan (Z=100) verglichen. Die etanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils etan des Ersatzbrennstoffes. etan (Z=100)... -Methylnaphthalin (Z=0) 3 erzog

22 Oktanzahl (OZ) Zur Bestimmung der Oktanzahl wird das Klopfverhalten eines Kraftstoffes in einem 1-Zylinder Prüfmotor untersucht. Das Klopfverhalten wird mit einem Zweikomponenten-Ersatzbrennsoff bestehend aus n-eptan (OZ=0) und Iso-Oktan (OZ=100) verglichen. Die Oktanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils von Iso-Oktan des Ersatzbrennstoffes. Iso-Oktan 8 18 (OZ=100) n-eptan 7 16 (OZ=0) erzog

23 Stöchiometrischer Luftbedarf Stöchiometrischer Luftbedarf L St = m Lst / m B m Lst = Luftmasse, die zu vollständigen Verbrennung benötigt wird m B = Brennstoffmasse erzog

24 Verbrennung eines hypothetischen Brennstoffs mit der Zusammensetzung x y S q O z xysqoz (x y 4 q z ) 2 O2 x O2 y 2O q SO2 2 mit den stöchiometrischen Koeffizienten M M M M x B c, y B h, q B s, z B o M M MS MO M B, M, M, M S, M O Molmassen von Brennstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff c, h, s, o Massenanteile von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff erzog

25 Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs mo Massenanteil Sauerstoff in Luft L,O 2 0, ml 1 mo,st 1 MO no,st Lst L,O mb L,O MB n 2 2 B M O2, M B no 2,st, nb Molmassen von O 2 bzw. vom Brennstoff Anzahl der einzelnen Atome bzw. Moleküle (Stoffmengen) y z mit no 2,st x q und nb 1 ergibt sich: MO y z Lst 2 (x q ) L,O MB erzog

26 Stöchiometrischer Luftbedarf in Abhängigkeit der Massenanteile L st 1 L,O 2 M M O 2 c 1 4 M O M 2 h M O M S 2 s o oder als Zahlenwertgleichung 1 L st 2,664 c 7,937 h 0,232 0,998 s o erzog

27 Übungsaufgabe Berechnen Sie den stöchiometrischen Luftbedarf von Methanol ( 3 O). Molmasse : 12 g/mol Molmasse : 1 g/mol Molmasse O: 16 g/mol erzog

28 eizwert Definition: Der eizwert ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers kommt. Der eizwert wird auf die Masse des eingesetzten Brennstoffs bezogen. erzog

29 Kraftstoffeigenschaften Methan Biogas Benzin Diesel Methanol Ethanol Pflanzenöl Flüssiggas Wasserstoff eizwert in kj/kg L St 14,7 14,5 6,46 9,0 12,7 15,5 17,2 6,1 34 Dichte in kg/m flüssig 2,06 gasf. 540 flüssig 2,06 gasf. 1,20 gasf. 71 flüssig 0,09 gasf. Dampfdruck in bar Verdampfungswärme in kj/kg 0,45 0,90 0,37 0, erzog

30 Übungsaufgabe Berechnen Sie Tankvolumen und masse entsprechend eines Energiegehaltes von 50 l Benzin für Methanol, Ethanol, Flüssiggas und Wasserstoff. Berechnen Sie die Masse eines Blei- und eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit dem gleichen Energiegehalt. Energiedichte Blei-Akkumulator: Energiedichte Lithium-Ionen-Akku: 30 Wh/kg 130 Wh/kg erzog

31 Benzin Methanol Ethanol Flüssiggas Wasserstoff Blei- Akkumulator Lithium- Ionen- Akkumulator Gewicht in kg Gewicht verschiedener Arten der Energiespeicherung Gewicht eines Energiegehaltes entsprechend 50l Benzin erzog

32 Übungsaufgabe Berechnen Sie für die in der vorherigen Aufgabe bestimmten Kraftstoffmassen die Mengen an O 2, die bei einer vollständigen Verbrennung entstehen. Verwenden Sie als Repräsentant für Benzin Isooktan ( 8 18 ) und für Flüssiggas Propan ( 3 8 ). erzog

33 Luftverhältnis λ Luftverhältnis λ = m L m Lst m L = angesaugte Luftmenge m Lst = Luftmasse, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung notwendig wäre erzog

34 Gemischheizwert Ottomotoren Gemischheizwert u = eizwert G V G = Gemischvolumen mb V G u V G m G G 1 G (m L m B ) m ρ G = Dichte des Gemisches m G = Masse des Gemisches B G (L st 1) G u G L 1 st erzog

35 Gemischheizwert Diesel- bzw. direkteinspritzende Ottomotoren Gemischheizwert u = eizwert V L = Luftvolumen G mb V L u V L ρ L m B L L st = Dichte der Luft G u L L st erzog

36 Übungsaufgabe Berechnen Sie den Gemischheizwert für einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung sowie für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Gehen Sie von einer Luftdichte von 1,3 kg/m 3 und einem Lambdawert von 0,92 aus. erzog

37 Gemischheizwert verschiedener Kraftstoffe Methan Biogas Benzin Diesel Methanol Ethanol Pflanzenöl Flüssiggas Wasserstoff Gemisch- eizwert in kj/m 3 erzog

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