Moderne Fahrzeugantriebe Präsentation von Axel Rombach RST, Klasse 9c 2006

Inhaltsverzeichnis Historie des Automobils Verbrennungsmotoren Erdgas Antrieb Elektro- Antrieb Hybride Antrieb Abschluss Brennstoffzellen Antriebe Umweltvergleich verschiedener Energieträger

1. Historie des Automobils Das erste Auto von Karl Benz um 1886, mit einem 1 Zylinder Vier-Takt-Motor

Meilensteine 1860 Jean Joseph Étienne Lenoir konstruiert den ersten Gasmotor. 1885 Carl Benz konstruiert einen Dreiradkraftwagen mit Viertaktbenzinmotor. 1886 Gemeinsam mit Wilhelm Maybach baut Daimler den ersten Vierradkraftwagen. 1890 Rudolf Diesel lässt sich seine theoretischen Arbeiten für einen Verbrennungsmotor patentieren. 1913 Beginn der Fließbandproduktion von Henry Fords "Model T". 1933 Felix Wankel baut den ersten funktionstüchtigen Drehkolbenmotor 1952 Erste Benzineinspritzanlage für Viertaktmotoren 1967 Einführung der ersten elektronischen Benzineinspritzsysteme 1998 Erste serienmäßige Produktion von Fahrzeugen mit Hybridmotoren durch Toyota

Aufbau eines Kraftfahrzeugs

2. Verbrennungsmotoren Dieselmotor: Ottomotor Erfinder: Nikolaus August Otto konstruierte gemeinsam mit E. Langen einen Gasmotror aus dem kurz danach der Viertaktverbrennungsmotor hervorgieng. Merkmale: -Hohe Leistungsdichte - einfacher Aufbau Dieselmotor: -Erfinder: Rudolf Christian Karl Diesel (1858-1913) Er erfand den Dieselmotor der später nach ihm benannt wurde Merkmale: -Selbstzündung -hoher Wirkungsgrade (geringerer Verbrauch) -lange Lebensdauer

Vergleich Otto und Dieselmotor Wichtige Leistungsdaten Ottomotor Dieselmotor Zündung Fremdzündung (über Zündkerzen!) Selbstzündung Verdichtungsverhältnis 18-23 8-12 Wirkungsgrad 26-30 33-37Kammermotoren 35-45Direkteinspritzung Abgastemperatur 700-1000 500-600 Drehmoment hoch niedrig Partikel-Emission

Erdgasantrieb Vorteile: -Geringere Schafstoffbelastung -kostengünstig (nur geringe Änderungen an Otto-Motoren notwendig) Vergleich: Auf deutschen Straßen waren Anfang 2000 rund 6000 Erdgasbetriebene Autos unterwegs (Italien 250´000). Nutzfahrzeuge: Deutsche Bushersteller bieten Erdgasbetriebene Busse zum Verkauf an (Mercedes, MAN, Neoplan). PKW und Kleintransorter in bivalenter oder monovalenter Ausführung z.B.: -Mercedes C-Klasse bivalent -Fiat Multipla sowohl monovalent (Bluepower) als auch bivalent (BiPower) an. -Ford (bivalent) -Honda Civic GX (monovalent) -VW (bivalent)

Mono- und bivalenter Betrieb Bivalente Erdgasantrieb: Diese umgebauten Motoren nutzen die spezifischen Vorteile (hohe Klopffestigkeit, schadstoffarme Verbrennung) des Erdgases jedoch nicht voll aus! Vorteil: Umschaltung zwischen Benzin und Erdgas Monovalente Erdgasantrieb: Antriebe die ausschließlich für Erdgas konzipiert sind werden Vorteil: hoher Wirkungsgrad, geringe Schadstoffbelastung

Muss nur gefördert werden Keine erneuerbare Energie, lange Tankzeit Vergleich mit anderen Gaskraftstoffen Flüssiggas (LPG) Erdgas Biogas Hauptbestandteile Propan und Butan Methan (CH4) Methan (65%) Weitere Bestandteile Erdöl, CO2 CO, NOx CO2, Stickstoff, Schwefelwasserstoff Herstellung Aus Hydrierprozessen Nebenprodukt der Erdölgewinnung Muss nur gefördert werden Naturprodukt, Vorteil Größere Reichweite Sehr sauber Nachwachsender Rohstoff Nachteil Kaum Infrastruktur, nicht ganz so sauber Keine erneuerbare Energie, lange Tankzeit Kann den Bedarf nicht decken

Elektroantrieb Seit Beginn der Fahrzeugtechnik ist man immer wieder bestrebt, den Verbrennungsmotor durch den Elektromotor zu ersetzen Probleme: -Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterie -Die Batterie muss aufladbar sein Hohe Anforderungen an Umweltbedingungen an Batterie (Temperatur, Vibration) Je höher die Energiedichte desto mehr elektrische Arbeit kann verrichtet werden, folgende Werte haben Batteriesysteme: Bleisäure System: 25...30 Wh/kg Nickel Systeme: 35….100 Wh/kg Lithium-System 60...150 Wh/kg Natrium- System 90...200 Wh/kg Elektromotoren: Drehstrommotoren Asynchronmotor Synchronmotor

Vergleich gegenüber konventionelle Fahrzeuge Die Kosten sind höher als im Vergleich zu einem herkömmlichen Auto, folgende Daten werden angegeben: Ca. 500 DM/kWh (Bleibatterie) Ca. 1300 DM/kWh (Nickelbatterie) Ca. 6000 DM/12kWh (Golf- City Stromer) Vor- und Nachteile im Überblick: Vorteile Nachteile Lokale Emissionsfreiheit Geringer Lärmpege Wartungsarmer Betrieb Senkung der globalen Umweltbelastung durch Schadstoffe wie CO, HC, NOX mit Ausnahme von SO2 Lösung vom Primärenergieträger Öl im mobilen Sektor Niedrige Energiedichte der Batterie Geringe Reichweite Geringe Nutzlast Hoher Preis Eingeschränkte Verfügbarkeit durch lange Aufladezeiten

Hybride-Antrieb Antriebe in Kombination mit Verbrennungs- und Elektromotor werden als Hybride-Antriebe bezeichnet. Vorteile: - Man kann die begrenzte Reichweite des Elektromotors vergrößern Die Energiespeicher (Batterie, Kondensator) wird bei Bewegung (Bremsenergie..) wieder aufgeladen

Der Vollhybrid (Toyota-Aufbau) Bremsen Allradamtrieb

Aufbau Toyota Prius Otto-Motor / 1,5ltr-58PS Batterie-Bank und Elektromotor mit 40PS Batterie-Bank Spezielle Kapazitäten Benzintank CVT / stufenloses Getriebe Starterbatterie für Ottomotor

Der milde Hybrid Der Milde Hybride von Honda braucht stehts den Verbrennungsmotor.

Versuch zum Hybridantrieb Generator-betrieb Umwandlung mechanische (Motor) in elektrische Energie (Kondensator) Motorbetrieb Umwandlung elektrische (Kondensator) in mechanische Energie (Motor)

Brennstoffzellenantrieb Abschluss Brennstoffzellenantrieb Mercedes-Benz / Studie F 600 HY-Genius, der Antrieb besteht aus: Wasserstofftank Brennstoffzelle Elektromotor elektronischem Turbolader Lithium-Ionen-Batterien

Kathodenreaktion: O2 + 4 e- → 2 O2-. „Zero Emission Vehicle“ mit Brennstoffzellen, chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt Strom und treiben damit einen Elektromotor an Anodenreaktion: 2 H2 + 2 O2- → 2 H2O + 4 e-. Kathodenreaktion: O2 + 4 e- → 2 O2-.

Umweltvergleich verschiedener Energieträger

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