Alternative Antriebe f r Automobile - tu- · PDF fileLeipzig, 13. April 2010 2....

Leipzig, 13. April 2010 2. Internationaler AMI Kongress

Prof. Dr. Stan

Alternative Antriebe fAlternative Antriebe fAlternative Antriebe fAlternative Antriebe füüüür Automobiler Automobiler Automobiler Automobile

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h.c. Cornel St an

VorstandsvorsitzenderForschungs- und Transferzentrum e. V.an der Westsächsischen Hochschule Zwickau



Prof. Dr. Stan

• zukünftige Verbrennungsmotoren –Funktionsdienstleister um die Verbrennung

• zukünftige Energieträger für Verbrennungsmotoren –Erdgas, Flüssiggas,Wasserstoff, Alkohole, Öle

• Elektromotoren und Verbrennungsmotoren –zwischen Konkurrenz und Partnerschaft

• was treibt uns morgen an? –Universallösung oder Vielfalt?

• zukünftige Automobile –Anforderungen und Potentiale


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Broken Hill

Brüssel


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Das Automobil für die Megacity

VerkehrsdichteAuto: kompakt, geringe Trägheit bei Beschleunigen/Bremsen

Treibhauseffektkein e(lokale)Kohlendioxid emission

Schadstoff- und Geräuschemission keine/extrem gering


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Elektrofahrzeuge – Perspektiven (am Beispiel Radna benmotoren)


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Fahrzeug -Freiheitsgrade mit intelligenten Antriebs rädern


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Einfluß der Batterie-Speicherkapazität auf das Auto

Masse x Beschleunigung = Kraft

Kraft x Strecke = Arbeit (Energie)

Energie = Leistung x Dauer

8 kW (rund 11 PS) x 1 StundeOpel Ampera /VDI Nachrichten 19. März 2010

16 kWh (nur 8 kWh effektiv genutzt)

200 Li Ion Zellen/ 114 kg Batterie/ 34000 Euro


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Verkehrströmung bei unterschiedlicher Beschleunigung


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Komfort

(Heizung, Klima)

Leistung

Drehmoment

Schadstoffe

Verbrauch

Sicherheit (aktiv, passiv)

Das Automobil ist mehr als eine Struktur um den (El ektro) Antrieb herum


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Vielfalt der gegenwärtigen und zukünftigen Automobi le

SUV Limousine Coupé

Pick up

Cabriolet

Oberklasse Mittelklasse Preiswerter Allzweckwagen

Stadtwagen Kombi


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Übersicht der Antriebssysteme, Energiespeicherforme n und Energieumwandlungskonzepte für Fahrzeugantriebe

Antrieb

SonneWasser

Wind

Energie-quellen Luft

Zeit

Brennstoffzelle WasserstoffHeißes Fluid

Alkohole

Gas, Benzin, DieselPflanzenöle

Optimiertethermodynamische

Kreisprozesse

Energiespeicher+ Elektrisch -

PbNiCdLi-Ionen

Energie-Unwandlungs-station

Elektromotor

GleichstromDrehstrom

AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine

Otto, Kolben, DE, 4 TaktOtto, Kolben, DE, 2 Takt

Diesel, Kolben,DE, 4 TaktDiesel, Kolben, DE, 2 Takt

StirlingStrömungsmaschine, radial

Strömungsmaschine, axial

Generator

Energiespeicherung(thermisch)


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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLithium


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLi-Ionen


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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Optimierung der Prozesse in zukünftigen Verbrennung smotoren


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Gemischbildung und Verbrennung – Überlagerung der Pr ozessabschnitte


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Direkteinsprizung in Brennraum eines Dieselmotors - Proz esssimulation

5 Energiemanagement: Kombinationen von Antriebssysteme n, Energieträgern, -wandlern und -speichern


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Dieselmotor – Einspritzstrahl- und Temperaturentwicklung i m Brennraum


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Funktionsmodule eines Verbrennungsmotors mitAktivierungsenergie von einer stationär arbeitenden Brennstoffzelle an Bord

Direkteinspritz-system

Variable Ventil-steuerung

Wasserpumpe

Turboaufladung


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Energieressourcen und Energieträger


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Erdgas - Direkteinspritzung


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Piloteinspritzung von Dieselkraftstoff in ein Gemis ch von gasförmigem Kraftstoff und Luft


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Multipoint-Einspritzsystem für LPG


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Aufbau eines kryogenen Wasserstofftanks zur Anwendu ng im Automobil

pV = mRT

R = 8314/M

M=2 kg/kmol


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Gemischbildungsvarianten für wasserstoffbetriebene Ottomotoren

großes Einspritzvolumen trotz geringer Einspritzmasse

unkontrollierte Zündung >> Verdichtung senken >> Wirkungsgrad sinkt

NOx Emission hoch wegen Reaktionstemperatur


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107 aus buch aa

Verfahren zur Ehtanolherstellung aus Abfällen


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• was treibt uns morgen an ? –Universallösung oder Vielfalt?



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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLi-Ionen


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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


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Two mode hybrid – BMW – GM - Daimler


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Parallelhybrid – Peugeot 3008 Hybrid4(Antriebsstrategie analog Audi 100 duo 1.Generation )

1 Elektromotor (Hinterachse) 2 Hochspannungsbatterie3 Automatische Antriebssteuerung PTMU

(Powertrain Management Unit)4 Elektronische Leistungseinheit

(Wechselrichter und Spannungswandler)5 Stop- und Startautomatik6 Automatisiertes Sechsgang-Schaltgetriebe7 Verbrennungsmotor (Vorderachse)

(Quelle: Peugeot)

Verbrennungsmotor: 2,2 l Diesel120 kW

Elektromotor: 27 kWVerbrauch: 3,8 l/100 km (-35 %)CO2-Emission: 99 g/km

Antriebsstrategie: nur Elektro-(3 – 4 km Reichweite) bzw.Verbrennungsmotorund Parallelbetrieb möglich


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Parallelhybrid – Audi duo

1989 1991 19971989 Audi 100 duo 1991 Audi 100 duo 1997 Audi A4 duo

Verbrennungsmotor 2,3 l 5 Zylinder 2,0 l 4 Zylinder 1,9 l 4 Zylinder TDI

136 PS k. A. 90 PS

Antrieb der Vorderachse

Antrieb der Vorder-und Hinterachse


Elektromotor Drehstrommotor Drehstrommotor Drehstrommotor

12,6 PS 28,6 PS 29 PS

Antrieb der Hinterachse

Antrieb der Hinterachse


Batterie Ni-Cd Ni-Cd Blei-Gel


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Ottomotor mit Kompressor und Turboaufladung


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Eng

ine

torq

ue [N

m]

0

50

100

150

200

250

Engine speed [rpm] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

1.4l compressor + turbocharger 1.4l turbocharger

1.6l normal aspirated 1.4l normal aspirated

Parallelhybrid oder kompakter Verbrennungsmotor mit Aufladung in Stufen ?SAE Paper 2009-24-0075 Stan /Täubert


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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLi-Ionen


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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Automobile mit Elektroantrieb und Batterien – Masse, Leistung, Reichweite

Masse: 1330 kg 825…875 kg 1113 kgAntrieb: AsynchronmotorLeistung: 185 kW 30 kW 30 kWDrehmoment: 270 NmEnergiespeicher: Li-Ionen, 53 kWh, 375 V NaNiCl2(250°) NaNiCl(300°)

450 kg 278 kgReichweite: 365 km (EPA-Zyklus) 180 kmvmax: 200 km/hPreis: 99.000 €

Tesla Roadster

Daimler E SmartFord Think City


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Batterie Pb-PbO2 Ni-Cd Ni-MH Zn-Br2 Na-NiCl2 Na-S Li-Ion

Energiedichte-bei 2 Stunden

Entladung-[Wh/kg]

20...30 40...55 50...60 50...70 80...100 90...120 90...140

Beispiele: Pb - 20 kW für 1 Stunde = 1000 kg Batterie

Li-Ion 200 kg Batterie

Auto A: 1 Stunde Fahrt mit 20 kW=27 PS……..80 bis 100 Kilometer

Auto B: – 200kg Diesel= 250 Liter Diesel – 4 volle Tanks

Leipzig-Paris und zurück…… 2 mal !! (mit Volldampf!!!)

Auswirkungen der möglichen Energiedichten in Batter ien


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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLi-Ionen


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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Brennstoffzellenfahrzeug – Audi A2H2

Masse: 1400 kgAntrieb: Synchronmotor

FrontantriebLeistung: 105 kW (66 kW PEM-Brennstoffzelle +39 kW Batterie)Drehmoment: 425 NmEnergiespeicher: Ni-MH – Batterie

+ H2 Tank (350 bar; 1,8 kg H2)Reichweite: 220 km (NEFZ)vmax: 175 km/hPreis: k. A.


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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLithium


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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• Antrieb: Elektromotor– 120 kW / 320 Nm

• Energie-Speicher: Li-Ion Batterie– 136 kW– 16 kWh

• Generator: Ottomotor– 1.0L 3-Zylinder, 53 kW– Turboaufladung

Range Extender:Chevy “volt”


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Range Extender: Mazda– Wankelmotor mit H 2-Einspritzung und Li-Ionen-Batterie


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AVL – Pure Range Extender

Verbrennungsmotor: Einscheiben-Rotationskolbenmaschine 250 cm³stationärer Betrieb bei 5000 min-1

Elektromotor: Permanent-erregte SynchronmaschineLeistung: 15 kW spezif. Verbrauch: 260 g/kWh

Systemmasse: 65 kg

(Quelle:www.avl.com)


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Range Extender: Citroen Saxo Dynavolt mit Elektroan trieb und Zweitaktmotor mit Direkteinspritzung als Stromg enerator


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Range Extender: Stirling-Motor


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Antrieb

SonneWasser

Wind


Zeit


Alkohole



Kreisprozesse


PbNiCdLi-Ionen


Elektromotor


AsynchronSynchron

Wankel

Wärmekraftmaschine





Generator



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Brennstoffzelle –(BZ mit Otto- oder Dieselkraftstoff als Stromerzeuge r an Bord eines Automobils )


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• was treibt uns morgen an ? –Universallösung oder Vielfalt?



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Oberklassewagen / SUV: Strong Hybrid

Verbrennungsmotor:4,2 l FSI V8257 kW (350 PS), 440 Nm

Elektromotor:bis 30 km/h alleiniger Antrieb32 kW (44 PS), 200 Nm

Fahrleistung:2400 kg FahrzeugmasseAllradantrieb0 – 100 km/h in 6,8 s (- 0,6 s)80 – 120 km/h in 7 s (- 2 s)Verbrauch 12 l/100 km (- 13 %)

Batterie:Ni-MH, 140 kg

(Quelle: www.audi.de)


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Mittelklassewagen: Antrieb durch Verbrennungsmotor, Elektroenergie an Bord mittels Brennstoffzelle

Antrieb durch Verbrennungskraftmaschine

Elektroenergie an Bord mittels Brennstoffzelle

(gleicher Kraftstoffwie Antriebsmotor)


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Stadtwagen: Elektroantrieb, Elektroenergie mittels Wärmekraftma schine(Otto-, Diesel-, Stirling- oder Joule-Kreisprozess)

Heise Quelle (Expansionskammer)

Wärmetauscher

Abmessung– Länge: 91 cm– Durchmesser: 41 cm– Masse: 41 kg

Leistung: 24kWGeschwindigkeit: 96000 U/minVerdichtungsverhältnis: 3:1

Kraftstoffe: – Methan, Propan, Butan– Gasoline, Methanol, Ethanol

Kalte Quelle(Kompressions-kammer)


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Fazit


Prof. Dr. Stan

…mache die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacherAlbert Einstein (1879 – 1955)

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