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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
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• 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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• 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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• 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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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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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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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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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 -
PbNiCdLithium
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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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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• 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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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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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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• 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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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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• 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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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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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
Antrieb der Vorderachse
Elektromotor Drehstrommotor Drehstrommotor Drehstrommotor
12,6 PS 28,6 PS 29 PS
Antrieb der Hinterachse
Antrieb der Hinterachse
Antrieb der Vorderachse
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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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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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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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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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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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 -
PbNiCdLithium
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: 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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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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Brennstoffzelle –(BZ mit Otto- oder Dieselkraftstoff als Stromerzeuge r an Bord eines Automobils )
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• 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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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
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…mache die Dinge so einfach wie möglich, aber nicht einfacherAlbert Einstein (1879 – 1955)