Übungsfragen

Automobil setzt sich aus den beiden Begriffen „autos“ und „mobilis“ zusammen. „Autos“ ist das griechische Wort für „selbst“, während „mobilis“ das lateinische Wort für „beweglich“ ist. Zusammengesetzt bedeutet Automobil also „selbstbeweglich“.

Etienne Lenoir entwickelte den ersten Gasmotor mit Leuchtgas im Jahr 1860.

Das erste Automobil wurde 1769 von dem Franzosen Nicolas Cugnot vorgestellt. Es wurde noch per Dampfkraft angetrieben.

Das Auto musste alle 10- 15 Minuten anhalten, um Dampfkraft aufzubauen. Außerdem fügten die genutzten Dampfmaschinen dem Auto so viel Gewicht hinzu, dass sie sich als schlechtes Design für Straßenfahrzeuge herausstellten. Allerdings wurden die Dampfmaschinen sehr erfolgreich in Lokomotiven eingesetzt.

Nikolaus Otto stellte 1876 den ersten Motor mit Viertaktverfahren vor.

Am 29. Januar 1886 reichte Carl Benz das Patent für das erste Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ein. Es hatte eine Motorleistung von 0,29 PS.

Der erste Dieselmotor mit Luftverdichtung wurde von Rudolf Diesel im Jahr 1897 vorgestellt.

Henry Ford hat 1913 die Fließbandarbeit in der Automobilindustrie eingeführt. Am Fließband wurde das T- Modell von Ford gebaut.

Felix Wankel entwickelte im Jahr 1964 den ersten serienreifen Rotationskolbenmotor, auch Wankelmotor, genannt.

Die sieben Pioniere der KFZ- Technik heißen:

Nikolaus August Otto: Entwicklung erster Verbrennungsmotor

Robert Bosch:

Rudolf Christian Karl Diesel: 1. Dieselmotor mit Luftverdichtung

Gottlieb Daimler: entwickelte zusammen mit Wilhelm Maybach den ersten Schnelllaufenden Ottomotor + vierrädrige Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor

Carl Friedrich Benz: Patent für das erste Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

Wilhelm Maybach:  entwickelte zusammen mit Gottlieb Daimler den 1. Schnelllaufenden Ottomotor + vierrädrige Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor

Henry Ford: Einführung der Fließbandarbeit in der Automobilindustrie

Die Diversifizierung und Elektrifizierung des Antriebsstranges geht einerseits in die Richtung der elektrischen Leistung und andererseits in die Richtung des Funktionsumfangs. Auf der Seite der „Elektrischen Leistung“ findet man reine Elektrofahrzeuge, verschiedene Arten der Hybrid-Fahrzeuge (Plug-In-Hybrid, Full- Hybrid,Full-Hybrid,etc.) oder auch nur die Optimierung des konventionellen Verbrennungsmotors. Die Seite des Funktionsumfangs beschäftigt sich mit der Start- Stopp Funktion für den Verbrennungsmotor, der Rückgewinnung von Bremsenergie, der Drehmomentunterstützung beim Beschleunigen, etc.

Das Ziel der Abgasgesetzgebung ist die Reduzierung von Schadstoffen in der Luft, um Gefahren, erhebliche Nachteile oder erhebliche Belastungen für Menschen, Tiere und Pflanzen zu verhindern.

Die USA, genauer Kalifornien, Japan und Europa haben als erste eine Abgasgesetzgebung im Hinblick der Fahrzeuge implementiert.

In der Abgasgesetzgebung werden vor allem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe betrachtet, zu welchen auch zuerst eine einheitliche Vorschrift mit Grenzwerten zu den beiden Stoffen erschien.

Außerdem werden noch Stickoxide, Partikelmassen und Partikelanzahlen und Nichtmethankohlenwasserstoffen betrachtet.

Bei der EURO-6-Norm werden die Schadstoffe:

            - Kohlenwasserstoffe

            - Kohlenmonoxid

            - Stickoxide

            - Partikelmassen

            - Nichtmethankohlenwasserstoffen

Betrachtet.

Dieselfahrzeuge dürfen laut der EURO-6-Norm nur 0,08 g/km NOX ausstoßen.

Die möglichen reversiblen Zustandsänderungen idealer Gase bei Vergleichsprozessen sind:

-         Isochor (gleiches Volumen)

-         Isobar (gleicher Druck)

-         Isotherm (gleiche Temperatur)

-         Isentrop (gleiche Entropie)

Der Gütegrad wird wie folgt definiert:

        G= Wirkungsgrad realer Prozess/Wirkungsgrad des idealen Prozes

Anforderungen an einen idealen Kreiszprozess sind:

- Reversible Zustandsänderungen

- Wärmezufuhr erfolgt von außen

-> keine chemische Umwandlung der Brennstofe im Brennraum

- Wärmeabfuhr erfolgt nach außen

-> kein Ladungswechsel

- Ideales Gas als Arbeitsmedium

-> meist Luft

- Gleiche Abmessungen wie beim realen Motor

- Nur reine Ladung (kein Restgas) im Zylinder

- Luftverhältnis λ (zugeführte Luftmenge/erforderliche Luftmenge) wie bei realem Motor

- Kraftstoff verbrennt vollständig (λ > 1)

-  Verbrennung folgt thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten

- Kein Wärmeaustausch zwischen Arbeitsgas und umgebenden Wänden

- Keine Strömungsverluste bei Ein- und Ausströmen von Frisch- und Abgasen

-  Keine Gasverluste aufgrund von Undichtigkeiten

- Arbeitsgas ist ideal

->spez. Wärmekapazität unabhängig von der Temperatur, keine Dissoziation der Moleküle bei hohen Temperaturen

-> spez. Wärmekapazität abhängig von der Temperatur, keine Dissoziation der Moleküle

- Arbeitsgas ist real

-> spez. Wärmekapazität ist abhängig von Druck und Temperatur, keine Dissoziation der Moleküle

Das Verdichtungsverhältnis in einem Verbrennungsmotor berechnet man nach nachfolgender Formel:

e = Volumen unterer Totraum/ Volumen oberer Totraum

e = Hubvolumen + Volumenschadraum/ Volumenschadraum

Der Hubraum (VH) eines Zylinders ist der Raum zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens.

VH = d2/4 * pi * h

Beschreiben Sie den idealen Ottoprozess mittels der Zustandsänderungen.

1 -> 2: isentrop

2 -> 3: isochor

3 -> 4: isentrop

4 -> 1: isochor

1 -> 2: isentrop

2 -> 3: isobar

3 -> 4: isentrop

4 -> 1: isochor

1 -> 2: isentrop

2 -> 3: isochor

3 -> 4: isobar

4 -> 5: isentrop

5 -> 1: isochor

Es müssen insgesamt 5 Zustandsänderungen durchlaufen werden.

Der wirkliche Arbeitsprozess wird mit dem Indikator aufgenommen. Dieser zeichnet den Druck im Zylinder über den Kurbelwinkel auf. Daraus kann dann auf den Kolbenweg und das Volumen geschlossen werden.

Mit dem Indikatordiagramm lassen sich die Abweichungen des realen Prozesses vom Vergleichs- bzw. Idealprozess ableiten.

Die theoretische Arbeit umfasst die Arbeit des vollkommenen Motors ohne rgendwelche Einflüsse und Verlusten, neben den thermodynamisch begründeten. Die indizierte Arbeit allerdings berücksichtigt allerdings innere Verluste, wie z.B. die Wandwärme, Blow- By, Ladungswechsel und Prozessabweichungen.

Das Viertaktverfahren erstreckt sich über 4 Hübe oder 2 Kurbelumdrehungen.

Im ersten Takt wird angesaugt, im zweiten Takt wird das Benzin-Luft- Gemisch verdichtet und entzündet. Im dritten Takt wird Arbeit verrichtet (Durch die „Explosion“ wird der Kolben nach unten gedrückt). Im vierten Takt wird das Abgas ausgestoßen.

Unter Aufladung fasst man alle technischen Maßnahmen zusammen, die dazu dienen, den Druck im Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors zu steigern.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten die Aufladung durchzuführen:

Mechanische Aufladung: Verdichter wird von der Kurbelwelle angetrieben

Abgasturbaufladung (Stauaufladung, Stoßaufladung): Verdichter wird von einer Turbine angetrieben

Aufladung durch Druckschwingungen

1 -> 2

2 -> 3

3 -> 4

4 -> 1

Wird die Fläche des Indikatordiagramms in ein flächengleiches Rechteck verwandelt, so entspricht die Höhe des Rechtecks dem Mitteldruck.

Der Mitteldruck stellt die spezifische abgegebene Kolbenarbeit dar und hat die Dimension eines Druckes.

Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor, von dem es zwei Ausführungen gibt. Es gibt ihn einmal als Drehkolben-Wankelmotor und einmal als Kreiskolben-Wankelmotor.

Der Wankelmotor folgt dem Viertaktverfahren:

1.      Der Einlasskanal ist frei und das Gemisch strömt ein

2.      Der Läufer bewegt sich weiter und verdichtet dabei das Gemisch.

3.      Das Gemisch wird gezündet.

4.      Durch das „Drehen“ des Läufers werden die Abgase ausgeschoben. 

Der epitrochoidenförmige Motorraum hilft dem dreieckigen Läufer einzelne kleinere Brennräume zu kreieren.

Der Wankelmotor folgt dem Viertakt-Verfahren.

Der Sterlingmotor arbeitet mit äußerer Vebrennung, d.h., dass die Verbrennung des Brennstoffs außerhalb des Arbeitszylinders stattfindet.

1 -> 2 isotherme Kompression

2 -> 3 isochore Verschiebung

3 -> 4 Isotherme Expansion

4 -> 1 isochore Verschiebung

Sterlingmotoren weden nach der Art der Arbeitsraumkonfiguration und nach der Art der mechanischen Kolbensteuerung unterschieden.

Es gibt die:

·       α-Maschine

·       β-Maschine

·       γ-Maschine

·       Maschinen mit kinematischem Getriebe (Kurbelgetriebe)

·       Freikolben-Maschinen

·       Hybrid-Maschinen

Es gibt folgende Elektrofahrzeugtypen:

(Reines) Elektrofahrzeug: Antrieb mit Elektromotor mit am Netz aufladbaren Akku

Elektrofahrzeug mit Reichweitenverlängerung: Elektrofahrzeug mit zusätzlichem Verbrennungsmotor oder Brennstoffzelle zur mobilen Aufladung des Akkus

Plug-In-Hybrid: Kombination aus Elektroantrieb und Verbrennungsmotor, der Akku ist am Netz aufladbar

Hybridfahrzeug: Verbrennungsmotor plus Elektromotor, Akku nicht am Netz aufladbar

Brennstoffzellenfahrzeug: Elektromotor + Brennstoffzelle zur Energiegewinnung

Man unterscheidet den Antrieb des Hybridmotors in drei unterschiedliche Arten:

Serieller Hybridantrieb: zwei Motoren, ein Antrieb

Ein serieller Hybridantrieb besteht aus einem Verbrennungsmotor, der mit einem Generator gekoppelt ist. Dazu kommt eine Elektromaschine zum Antrieb der Räder. Der Verbrennungsmotor hat nur die Aufgabe, den Generator anzutreiben, der den Strom erzeugt. Mit diesem Strom treibt entweder ein Elektromotor mit Achsdifferenzial das Fahrzeug an, oder es sorgen zwei Fahrmotoren pro Achse ohne Differenzial für Vortrieb.

o   Verbrennungsmotor lädt Batterie

o   Rein elektrisches Fahren bei abgestelltem Verbrennungsmotor durch gespeicherte Energie der Batterie

o   Verbrennungsmotor als Range-Extender

Beim seriellen Hybridantrieb arbeitet während der Fahrt immer nur ein Motor – entweder der Verbrenner oder der Elektromotor. Wird der Elektromotor für die Fahrt genutzt, bleibt der Verbrennungsmotor dennoch aktiv. Er treibt in diesem Modus einen Generator an, der Strom erzeugt und den Akku lädt.

Seriell-paralleler Hybridantrieb: drei Motoren

Eine Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid stellt der leistungsverzweigte Hybrid dar. Bei ihm ist die Leistung des Verbrennungsmotors in eine mechanische und in eine elektrische Komponente aufgeteilt. Herzstück heute üblicher Seriensysteme ist ein Planetengetriebe – neben dem Verbrennungsmotor und zwei Elektromaschinen. Eine der E-Maschinen fungiert als Motor, die andere als Generator. In diesem System überträgt der Verbrenner einen Teil seiner Leistung direkt an die Räder, während der Generator den Rest zeitgleich in elektrische Energie umwandelt. Eine Batterie speichert diese Energie und leitet sie bei Bedarf an den Elektromotor, der in den Kraftfluss der Räder integriert ist. Damit ist einerseits rein elektrisches Fahren möglich, andererseits lässt sich der Verbrennungsmotor in verbrauchsoptimalen Drehzahl- und Lastbereichen betreiben, da temporär nicht für den Antrieb benötigte Energie zwischengespeichert wird. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften eines Planetengetriebes sind die Leistungen von Verbrennungs- und Elektromotor bei dieser Hybridkonfiguration allerdings sehr genau aufeinander abzustimmen. 

Paralleler Hybridantrieb: zwei Motoren, zwei Antriebe

Im Gegensatz zum seriellen Hybrid besteht beim Parallelhybrid eine mechanische Verbindung zwischen Verbrennungsmotor und Rad. Der verbrennungsmotorische und der elektrische Antriebsstrang lassen sich flexibel im Kraftfluss schalten: Das Fahrzeug lässt sich dann entweder rein elektrisch, rein verbrennungsmotorisch oder in einer Mischform mit beiden Antrieben gleichzeitig betreiben. Beim parallelen Hybrid addieren sich die Leistungen von Elektro- und Verbrennungsmotor zu einer Gesamtleistung. Derartige Hybridantriebe benötigen neben dem Verbrennungs- und Elektromotor auch ein oder mehrere Getriebe, Kupplungen oder Freiläufe. 

Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden (Anode & Kathode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Der Elektrolyt ist nur für Ionen durchlässig. Die Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis miteinander verbunden.

• hohe Temperaturbeständigkeit

„Klopfen“ bei Ottomotoren ist eine unkontrollierte Selbstzündung der Ladung im Brennraum nach vorausgegangener Fremdzündung:

• Weniger klopffeste Verbindungen sind unverzweigte Alkane

• Klopffeste Verbindungen sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe und Aromaten

Dieselkraftstoffe bestehen aus zündwilligen, langkettigen Kohlenwasserstoffen. Ziel dabei ist, eine hohe Zündwilligkeit und eine geringe Zündungsverzugszeit zu haben.

Ottokraftstoffe bestehen aus klopffesten (verzweigten, rinförmigen und aromatischen) zündunwilligen Kohlenwasserstoffen. Ziel dabei ist es, eine hohe Klopffestigkeit und eine geringe Zündwilligkeit zu haben.

• n-Heptan + i-Oktan

Vier alternative und zum Teil regenerative Kraftstoffe sind:

Fettsäuremethylester

•  Umesterung von pflanzenölen zu Biodiesel

• Raps, Soja, Sonnenblumen & Palmöl als Rohstoffe

Synthetisches Erdgas

Alkohole

Wasserstoff

Bei der Verbrennung ist auf eine geringe Schadstoffemission zu achten.

Bei der Kraftstoffverbrennung können folgende Schadstoffe enstehen:

-         CO

-         NOX

-         CXHY

-         Ruß (bei Dieselmotoren)

-         Begrenzt: SO2

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Abgasbehandlung:

-         Drei-Wege-Katalysator

-         Rußfilter

Die freiwerdende Reaktionsenthalpie beträgt -3.853,3 kJ/mol = -3,85 MJ/mol.

Ein Verdichter ist eine Arbeitsmaschine zur Verdichtung von gas- und dampfförmigen Medien von einem niedrigen Anfangsdruck auf einen höheren Enddruck.

Anfangsdruck und Enddruck können gegenüber dem Atmosphärendruck im Unterdruckgebiet und/oder Überdrückgebiet liegen. Der Aggregatzustand des Fluids wird dabei nicht verändert.

Verdichter werden nach ihrer Anwendung unterschieden:

Überdruckgebiet:

o   Kolbenverdichter

o   Turboverdichter

Unterdruckgebiet:

o   Vakuumpumpe

Allgemeine Einteilung der Verdichter nach Druckverhältnis:

-         Ventilatoren:        π bis 1,1

-         Gebläse:                π 1,1 bis 2,0

-         Verdichter:            π größer 2,0

Verdichter werden in Verdichter mit Schadraum und ohne Schadraum eingeteilt.

Ein reales Verhalten wird erreicht durch:

• Ventilschwingungen (dadurch Druckschwingungen im Arbeitszylinder)

• Druckverluste durch strömendes Fluid

• Druckschwankungen außerhalb des Arbeitszylinders

• Undichtigkeiten

• Wärmeaustausch zwischen Fluid, Kolben, Zylinderwand

Es gibt folgende Bauausführungen von Ventilen:

-         Ringplattenventile

-         Streifenventile

-         Zungenventile

-         Kanalventile

-         Lamellenventile

-         Einzelringventile