Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung. Dr.-Ing. Klaus Herzog
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- Maria Lichtenberg
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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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
4 Primärenergie Rohöl Erdgas Kohle Uran Biomasse Wasserenergie Windenergie Sonnenenergie Geothermie Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
5 Sekundärenergie (Beispiele) Benzin Diesel Briketts Biokraftstoffe Strom Wasserstoff Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
6 Weltweiter Verbrauch an Primärenergie und nachgewiesene Ressourcen Verbrauch 2016 in Millionen Tonnen Öläquivalent Nachgewiesene Ressourcen 2016 in Millionen Tonnen Öläquivalent Öl 4 418, Erdgas 3 204, Kohle 3 732, Kernenergie 592, (bei Gewinnungskosten von 40$ je kg, Stand 2007) Wasserkraft 910,3 erneuerbar Quellen: bp, BWI Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
7 Weltweiter Verbrauch an Primärenergie Kohle Erneuerbare Energien Wasserkraft Kernenergie Erdgas Erdöl Verbrauch in Millionen Tonnen Öläquivalent Jahr Quelle: bp Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
8 Struktur desprimärenergieverbrauchs in Deutschland 2016 Quelle: BMWi Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
9 Anteil erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
10 Entwicklung der energiebedingten O 2 - Emissionen in Deutschland Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
11 Thermische Wirkungsgrade der Kraftstoffherstellung in % Primärenergie Kraftstoff Benzin Diesel Methanol Ethanol Erdöl Erdgas Kohle olz Zuckerrohr Mais Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
16 Alkine Alkine n 2n-2 (Acetylene) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung Ethin 2 2 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
17 Zykloalkane Zykloalkane n 2n (Naphtene) Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen Zyklopropan 3 6 Zyklohexan 6 12 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
18 Aromaten Aromaten Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen Grundbaustein ist der Benzolring Benzol 3 3 1,3-Dimethylbenzol Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
19 Alkohole Alkohole, R-O enthalten eine ydroxylgruppe -O O Methanol 3 O O Ethanol 2 5 O Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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)... α-methylnaphthalin (Z=0) 3 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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) Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
23 Stöchiometrischer Luftbedarf Stöchiometrischer Luftbedarf L St = m Lst / m B m Lst = Luftmasse, die zu vollständigen Verbrennung benötigt wird m B = Brennstoffmasse Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
24 Verbrennung eines hypothetischen Brennstoffs mit der Zusammensetzung x y S q O z y z y xysqoz + (x + + q ) O2 x O2 + 2O q SO2 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
25 Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs mo Massenanteil Sauerstoff in Luft ξ L,O = 2 = 0, ml 1 mo,st 1 MO no,st Lst = 2 = 2 2 ξl,o mb ξl,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 ) ξl,o MB Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
26 Stöchiometrischer Luftbedarf in Abhängigkeit der Massenanteile L st = 1 MO M M 2 1 O c + 2 O h + 2 s ξ o L,O M 4 M MS 2 oder als Zahlenwertgleichung 1 L st = 2,664 c + 7,937 h + 0,998 s 0,232 ( o) Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
29 Kraftstoffeigenschaften Benzin Diesel Methanol Ethanol Methan Biogas 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, Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
31 Gewicht verschiedener Arten der Energiespeicherung Gewicht eines Energiegehaltes entsprechend 50l Benzin Gewicht in kg Benzin Methanol Ethanol Flüssiggas Wasserstoff Blei- Akkumulator Lithium- Ionen- Akkumulator Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 ). Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
33 Luftverhältnis λ Luftverhältnis λ = m L m Lst m L = angesaugte Luftmenge m Lst = Luftmasse, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung notwendig wäre Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
34 Gemischheizwert Ottomotoren Gemischheizwert u = eizwert G V G = Gemischvolumen mb = V mg 1 m V (m m ) B G = = L + B = (Lst λ + 1) ρ ρ ρ G G ρ G = Dichte des Gemisches m G = Masse des Gemisches G u G G = u ρg λ L + 1 st Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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 ρ L st λ = Dichte der Luft G u ρ = λ L L st Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung 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. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
37 Gemischheizwert verschiedener Kraftstoffe Benzin Diesel Methanol Ethanol Methan Biogas Pflanzenöl Flüssiggas Wasserstoff Gemisch- eizwert in kj/m 3 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung. Dr.-Ing. Klaus Herzog
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