Alternative Antriebe fur Automobile: Hybridsysteme, Brennstoffzellen, alternative Energietrager

316 Pages·2005·22.5 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Cornel Stan (auth.)

Cornel Stan
Alternative Antriebe
für Automobile
Cornel Stan
Alternative Antriebe
für Automobile
Hybridsysteme, Brennstoffzellen,
alternative Energieträger
Mit 178 Abbildungen
1 3
Professor Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Cornel Stan
Professor an den Universitäten von Paris,
Pisa, Perugia und an der
Westsächsischen Hochschule Zwickau
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Satz: Digitale Druckvorlage des Autors
Herstellung: medionet AG, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020 5 4 3 2 1 0
Vorwort
„Proportion ist in jeder Kraft, welche immer es sei“
Leonardo da Vinci (1452 – 1519)
Vorwort
... welche immer es sei, die Proportion oder die Kraft?
Das seit einigen Jahren meist debattierte Thema in der Kraftfahrzeug-
technik ist der Zukunftsantrieb.
Meinungen, Interessenlager, sogar nationale Trends zeigen eine Diver-
genz, die kaum zu übertreffen ist: Eine oft vertretene Richtung ist, dass der
klassische, bewährte Kolbenmotor in der jetzigen Form noch mindestens
30-40 Jahre als Antrieb für Automobile bestehen wird. Diese Richtung
zeigt zumindest eine Konvergenz mit einigen Prognosen, nach denen das
Erdöl so gut wie unerschöpflich sei, obwohl andere Trends von einer Res-
sourcenbegrenzung auf 30-36 Jahre ausgehen. Ungeachtet dessen, setzen
die Einen voll auf Wasserstoff als absolute Lösung für die Zukunft – ob-
wohl derzeit Wasserstoff fast ausschließlich aus einem fossilen Energie-
träger hergestellt wird – aber auch dort sind die Richtungen geteilt: Was-
serstoff im Verbrennungsmotor oder in der Brennstoffzelle? Die Anderen
sehen Alkohole und Pflanzenöle als die bessere Alternative. In den USA
und in Japan gewinnen Hybridantriebe, gebildet von Elektro- und Ottomo-
tor, eindeutig an Popularität, was die wachsende Modellpalette und die
Verkaufszahlen belegen; in Europa wird der Hybrid dagegen so gut wie
abgelehnt, es wird als Alternative auf die Weiterentwicklung des Diesel-
VI Vorwort
motors gesetzt, der wiederum in den USA und in Japan keine Akzeptanz
findet.
Die Meinungen sind in einer Richtung – der Kenngrößen des zukünfti-
gen Antriebs – einig: Große Leistung, hohes Drehmoment, geringer
Verbrauch, extrem stark verringerte Schadstoffe, geringe Masse und Ab-
messungen, geringe Kosten.
Ein universell einsetzbarer Antrieb der Zukunft ist genauso unwahr-
scheinlich wie ein universell einsetzbares Automobil anstatt der Vielfalt
von der Kompakt- bis zur Oberklasse. Erkennbar ist jedoch eindeutig die
Tendenz zu einem effizienten Energiemanagement zwischen Antrieb und
Energieversorgung an Bord des Automobils. Die modulare Funktionsver-
teilung innerhalb des Energiemanagements führt oft zu einem Rollenaus-
tausch, der neue Potentiale aufdeckt: Die Rolle der Brennstoffzelle als mo-
derner Stromerzeuger für einen Elektroantrieb kann sehr effizient auch von
einem Wankel- oder Zweitaktmotor im Stationärbetrieb erfüllt werden;
Wasserstoff kann durch Umwandlung aus einem Alkohol an Bord mögli-
cherweise effektiver als die kryogene Speicherung sein.
Ziel des Buches ist es, auf Basis fundierter Kriterien zur Qualität eines
Antriebs - wie Leistungsdichte, Drehmomentverlauf, Beschleunigungscha-
rakteristik, spezifischer Energieverbrauch sowie Emission chemischer
Stoffe und Geräusche – als auch umrahmender Kriterien – wie Verfügbar-
keit, Umweltverträglichkeit und Speicherfähigkeit vorgesehener Energie-
träger sowie technische Komplexität, Kosten, Sicherheit, Infrastruktur und
Service, die Bewertung, Gestaltung und Optimierung alternativer Antriebe
für Automobile zu ermöglichen.
Die Struktur des Buches weist horizontale Ebenen und vertikale Säulen
auf:
- Die horizontalen Ebenen entstehen durch zum Teil alternative Kombi-
nationen von Antriebsmodulen, Energieträgern sowie Energiewand-
lern und -speichern, nach Szenarien, welche die aufgestellten Bewer-
tungskriterien – von der Umweltverträglichkeit bis zur technischen
Umsetzbarkeit – konsequent verfolgen.
- Die vertikalen Säulen gehen von der Prozessanalyse innerhalb einer
gegebenen Konfiguration über ihre funktionellen und technischen Be-
sonderheiten bis hin zu Einsatz- und Ergebnisbeispielen.
Diese Struktur wurde im Sinne einer ausreichenden Übersichtlichkeit
komplexer Energiemanagement-Systeme im Automobil entwickelt: Die
Elemente in der horizontalen Ebene, ihre Definition, Betonung und einige
Vorwort VII
besonderen Verknüpfungen entstanden insbesondere durch interaktive Ar-
beit mit Studenten, im Rahmen der Vorlesungsreihe „Alternative Antriebe
für Automobile“, die der Autor seit 1992 an mehreren europäischen Uni-
versitäten und Hochschulen hält, weiterentwickelt und ständig aktualisiert.
Die vertikalen Säulen wurden in vielen Fällen auf Forschungskooperati-
onsvorhaben mit Industriepartnern aufgebaut – einige Beispiele sind im Li-
teraturverzeichnis aufgeführt – die daraus abgeleiteten Erfahrungen sind
für eine solches Vorhaben so gut wie unerlässlich gewesen.
Durch die Verknüpfung theoretischer Grundlagen, der Analyse von Po-
tentialen und Grenzen sowie zahlreicher Ausführungsbeispiele wird den
Forschungs- und Entwicklungsingenieuren der Automobilindustrie, den
Studenten der Kraftfahrzeugtechnik, aber auch den vom Automobil begeis-
terten Nicht-Technikern eine Basis zur Bewertung der Entwicklungstrends
der automobilen Antriebe geboten. Darüber hinaus wurden einige an sich
bekannten Funktionsmodule in etwas unerwarteter Form verbunden, wor-
aus interessante Ansätze entstanden: Der Autor hat sie jeweils bis zu einer
gewissen Konfiguration geführt, allerdings – fest überzeugt von ihrem
praktischen Nutzen – ihre weitere, konkrete Gestaltung in manchen Fällen
der Kreativität des Lesers, als Investition in die Zukunft überlassen.
Januar 2005 Cornel Stan
Inhaltsverzeichnis
Liste der Formelzeichen.........................................................................XI
1 Mobilität – Bedingungen, Anforderungen, Szenarien.........................1
1.1 Entwicklungsbedingungen................................................................1
1.2 Entwicklungsanforderungen.............................................................4
Energieverfügbarkeit..........................................................................4
Umweltbeeinflussung durch Energieumwandlung.............................9
Technische Umsetzbarkeit................................................................13
1.3 Entwicklungsszenarien innerhalb eines Energiemanagements.......16
2 Thermische Antriebe............................................................................23
2.1 Thermodynamische Prozesse – Umsetzbarkeit und Grenzen.........23
2.2 Viertakt- Kolbenmotoren – Potentiale und Trends.........................47
2.2.1 Verbesserung konventioneller Funktionen..............................47
2.2.2 Verbesserte Prozessführung....................................................53
2.2.3 Konvergenz der Prozesse in Otto- und Dieselmotoren..........118
2.3 Alternative Wärmekraftmaschinen...............................................126
2.3.1 Zweitaktmotoren....................................................................126
2.3.2 Wankelmotoren.....................................................................138
2.3.3 Strömungsmaschinen (Gasturbinen)......................................141
2.3.4 Stirling- Motoren...................................................................151
3 Alternative Kraftstoffe.......................................................................157
3.1 Energieträger: Ressourcen, Potentiale, Eigenschaften.................157
3.2 Erdgas...........................................................................................169
3.3 Autogas.........................................................................................180
3.4 Alkohole: Methanol und Ethanol..................................................183
3.5 Wasserstoff...................................................................................199
3.6 Pflanzenöle...................................................................................208
3.7 Dimethylether...............................................................................214
3.8 Synthetische Kraftstoffe...............................................................217
X Inhaltsverzeichnis
4 Elektrische Antriebe...........................................................................223
4.1 Elektromotoren.............................................................................223
4.2 Elektroenergiespeicher: Batterien.................................................229
4.3 Elektroenergiewandler am Bord: Brennstoffzellen......................233
4.4 Automobile mit elektrischem Antrieb..........................................255
5 Energiemanagement: Kombinationen von Antriebssystemen,
Energieträgern, -wandlern und -speichern.......................................261
6 Energiemanagement als komplexe Struktur....................................293
Literatur.................................................................................................299
Sachwortverzeichnis..............................................................................303
Liste der Formelzeichen
Liste der Formelzeichen
[ ]
A m2 Fläche
(cid:170)m(cid:186)
c Geschwindigkeit
(cid:171) (cid:187)
(cid:172) s (cid:188)
(cid:170) kgC (cid:186) Kohlenstoffanteil im Kraftstoff (Kst.) bei
c
(cid:171) (cid:187)
kgKst Verbrennung
(cid:172) (cid:188)
(cid:170) kJ (cid:186) spezifische Wärmekapazität bei konstantem
c
p (cid:171)kgK(cid:187) Druck
(cid:172) (cid:188)
(cid:170) kJ (cid:186) spezifische Wärmekapazität bei konstantem
c
V (cid:171)kgK(cid:187) Volumen
(cid:172) (cid:188)
[ ]
d m Durchmesser
[ ]
E J,kJ Energie
[ ]
F N Kraft
[ ]
f Hz Frequenz
[ ]
G J,kJ freie Enthalpie bei Verbrennung
[ ]
H J,kJ Enthalpie
[ ]
H* J,kJ Ruheenthalpie
(cid:170)kJ(cid:186) unterer Heizwert von Kraftstoffen bei
H
U (cid:171)kg(cid:187) Verbrennung
(cid:172) (cid:188)
(cid:170)kJ(cid:186) Gemischheizwert (massenbezogen) bei
H
G (cid:171)kg(cid:187) Verbrennung
(cid:172) (cid:188)
(cid:170)kJ (cid:186) Gemischheizwert (volumenbezogen) bei
H
g (cid:171)(cid:172)m3(cid:187)(cid:188) Verbrennung
(cid:170) J kJ(cid:186)
h (cid:171) , (cid:187) spezifische Enthalpie
kg kg
(cid:172) (cid:188)
XII Liste der Formelzeichen
(cid:170) J kJ(cid:186)
h* (cid:171) , (cid:187) spezifische Ruheenthalpie
kg kg
(cid:172) (cid:188)
(cid:170)W (cid:186)
I Strahlungsintensität bei Wärmestrahlung
λ (cid:171)(cid:172)m3(cid:187)(cid:188)
[ ]
−
k Isentropenexponent
(cid:170)kgLuft(cid:186) stöchiometrischer Luftbedarf bei Verbren-
L
(cid:171) (cid:187)
st kgKst nung
(cid:172) (cid:188)
[ ]
l m Länge
(cid:170) kg (cid:186)
M (cid:171) (cid:187) molare Masse
(cid:172)kmol(cid:188)
[ ]
n s−1,min−1 Drehzahl
[ ]
P W,kW Leistung
(cid:170) N (cid:186)
p
Druck
(cid:171)(cid:172)m2(cid:187)(cid:188)
[ ]
Q J,kJ Wärme
[ ]
Q(cid:6) W,kW Wärmestrom
(cid:170) J kJ(cid:186)
q (cid:171) , (cid:187) spezifische Wärme
kg kg
(cid:172) (cid:188)
(cid:170) J (cid:186) universelle (molare, allgemeine) Gaskon-
R (cid:171)(cid:172)kmolK(cid:187)(cid:188) stante
(cid:170) J (cid:186)
R (cid:171) (cid:187) spezifische Gaskonstante
kgK
(cid:172) (cid:188)
[ ]
r m Radius
(cid:170) J kJ(cid:186)
r (cid:171) , (cid:187) spezifische Verdampfungsenthalpie
kg kg
(cid:172) (cid:188)
(cid:170)J kJ(cid:186)
S , Entropie
(cid:171) (cid:187)
(cid:172)K K (cid:188)
(cid:170) J kJ (cid:186)
s (cid:171) , (cid:187) spezifische Entropie
kgK kgK
(cid:172) (cid:188)
[ ]
T K Temperatur
[ ]
t °C Temperatur