Antriebe zukünftiger Automobile

Transkript

1 Antriebe zukünftiger Automobile von Diesotto, Synfuel und Hybrid zum Elektroauto Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Cornel Stan Vorstandsvorsitzender Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau 2. März Berlin, 2. März 2010 TÜV Sachverständigentag 2010

2 Das Automobil und seine Funktionen

3 Antriebssysteme und Energiemanagement Diesotto Konvergenz und Divergenz der Funktionen Synfuel - Erdgas, Wasserstoff, Energie aus Pflanzen Hybride - Kombinationen von Antriebsformen Das Elektroauto Batterie, Brennstoffzelle, Range Extender Schlussfolgerungen welcher Antrieb wofür?

4 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

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 100 [Mio] verkaufte Fahrzeuge pro Jahr Benzin (68,49 %) Benzin (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 %) (Quelle: Bosch 2008) Diesel Diesel Alkohol/ Benzin Hybrid Alkohol/ Benzin Erdgas (CNG) Flüssiggas (LPG) 40 Hybrid Erdgas (CNG) Flüssiggas (LPG) Elektromotor (Plug In) Elektromotor (Plug In) ,85 3 0,65 0,25 0,25 0,02 0,9 0,3 0,35 7,45 73 Millionen Fahrzeuge Millionen Fahrzeuge 2015

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 VVT SIDI lean Kombination PDA SIDI Turbo- aufladung +startstop Downsizing + Nox aftertreatment 80 % Diesel Oxi-Kat Common Rail + DPF Low temp. combustion Euro

14 Otto- und Dieselmotoren: Preisentwicklung Kosten + NO x Nachbehandlung + DPF Niedertemp.- verbrennung 200 % Diesel Oxi-Kat Common rail 100 % Ottomotor PFI mit AGR Turboaufladung SIDI VVT PDA SIDI lean Kombination Downsizing +startstop Euro

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

16 Antriebssysteme und Energiemanagement Diesotto Konvergenz und Divergenz der Funktionen Synfuel Erdgas, Wasserstoff, Energie aus Pflanzen Hybride - Kombinationen von Antriebsformen Das Elektroauto Batterie, Brennstoffzelle, Range Extender Schlussfolgerungen welcher Antrieb wofür?

17 Energieressourcen und Energieträger

18 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 < 1,2 3, ,2 14,6-14,7 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, ,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* *...

19 Kraftstoff-Heizwert und Gemischheizwert

20 Erdgas - Gemischbildungssystem

21 Multipoint-Einspritzsystem für LPG

22 Kryogener Wasserstofftank an Bord eines Automobils

23 Ausführungen von Automobilen mit wasserstoffbetriebenem Ottomotor

24 Motorkenngrößen beim Betrieb mit Benzin bzw. mit Wasserstoff

25 Alkohole: Methanol, Ethanol - Gemischbildung und Motorspezifika

26 Umesterung von Ölen

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

28 Antriebssysteme und Energiemanagement Diesotto Konvergenz und Divergenz der Funktionen Synfuel - Erdgas, Wasserstoff, Energie aus Pflanzen Hybride Kombination von Antriebsformen Das Elektroauto Batterie, Brennstoffzelle, Range Extender Schlussfolgerungen welcher Antrieb wofür?

29 Alternative Antriebssysteme von der Energieform zu den Antriebsmodulen Parallelhybrid

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

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

32 Two mode hybrid BMW GM - Daimler

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

34 Parallelhybrid versus Diesel Source: GM

35 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]

37 Alternative Antriebssysteme von der Energieform zu den Antriebsmodulen Elektroantrieb

38 Elektrofahrzeuge - Stand (am Beispiel Tesla Roadster) Masse: 1330 kg Antrieb: Asynchronmotor Leistung: 185 kw Drehmoment: 270 Nm Energiespeicher: Li-Ionen, 53 kwh, 375 V 450 kg Reichweite: 365 km (EPA-Zyklus) v max : 200 km/h Preis: (Quelle:

39 Elektrofahrzeuge Perspektiven (am Beispiel Radnabenmotoren)

40 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]

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

42 Alternative Antriebssysteme von der Energieform zu den Antriebsmodulen Brennstoffzelle

43 Anordnung der Funktionsmodule einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle in einem Automobil

44 Konfiguration einer Brennstoffzelle mit Methanol-Betrieb

45 Brennstoffzelle mit Otto- oder Dieselkraftstoff als Stromerzeuger an Bord eines Automobils

46 Alternative Antriebssysteme von der Energieform zu den Antriebsmodulen Seriellhybrid

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

48 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

49 Range Extender: Stirling-Motor

51 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: Batterie: 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 %) Ni-MH, 140 kg (Quelle:

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

53 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

54 Die Vielfalt der zukünftigen Automobile bedingt die Diversifizierung ihrer Antriebe, derer modulare Auslegung, aber auch derer verknüpfte Funktion