Das Automobil .


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Das Automobil . Anton Spies. Inhalt. Entwicklungsgeschichte des Autos Heutige Antriebskonzepte Otto-Verbrennungsmotor Dieselmotor Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Biokraftstoffe Elektroantrieb Wasserstoff und Brennstoffzelle
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Arbeitsgruppe 3: Die Zukunft Der Energie Sommerakademie Salem 2008 Das Automobil Anton Spies

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Inhalt Entwicklungsgeschichte des Autos Heutige Antriebskonzepte Otto-Verbrennungsmotor Dieselmotor Vor-und Nachteile des heutigen Konzepts Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Biokraftstoffe Elektroantrieb Wasserstoff und Brennstoffzelle Fragen und Diskussion

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Die Entwicklungsgeschichte des Autos

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Entwicklungsgeschichte des Autos Holzwagen der Römer Erfindung der Dampfmaschine  Entwicklung des Dampfwagens um 1770 1669 konstruierte Christian Huygens eine Kolbenmaschine 1876 perfektionierte Nicolaus August Otto diese Technik in Form eines Viertakt-Gasverbrennungsmotors Erfindung der Fremdzündung  Entwicklung des Benzin-Verbrennungsmotors 1886 Carl Benz Mannheim 1886 Gottlieb Daimler Bad-Canstatt/Stuttgart

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Heutige Antriebskonzepte

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Der Ottomotor – Aufbau Zündkerze vier Zylinder Reihenmotor Auslassventil Einlassventil Verdichtungs-raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle

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Der Ottomotor – Aufbau Zündkerze Einer von vier Verbrennungsmotoren Luft-Kraftstoff-Gemisch wird fremdgezündet Neben Benzin auch Flüssiggas, Erdgas, Bioethanol, Biogas und Wasserstoff Der Wirkungsgrad beträgt 20-30% Generell unterscheidet man zwischen dem Zwei-und Viertaktmotor Einlassventil vier Zylinder Reihenmotor Auslassventil Verdichtungs-raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle

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Der Ottomotor – Viertaktmotor Thermodynamischer Kreisprozess besteht aus 4 Takten Dadurch ist ein geordneter Gaswechsel möglich Nur bei jeder 2. Kurbelumdrehung wird am Zylinder Arbeit verrichtet 1. Takt: Ansaugen Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch in lair Zylinder. 2. Takt: Verdichten Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen. 3. Takt: Arbeiten Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Das Gas verrichtet am Kolben Arbeit. 4. Takt: Ausstoßen Der Kolben drückt bite the dust Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

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Der Ottomotor – Zweitaktmotor Überströmungs-kanal Benötigt nur eine Kurbelwellenumdrehung Da keine Leertakte  höhere Hubraumleistung Zeichnet sich durch einfache Bauart und Lageunabhängigkeit aus Problem: Spülverluste und schlechteres Abgasverhalten Auslass-öffnung Einlass-öffnung 1. Takt: Verdichten und Arbeit Bei der Bewegung zum oberen Totpunkt wird das Frischgas verdichtet und entzündet 2. Takt: Ausspülen, vorverdichten, befüllen Die Abgase ziehen über kick the bucket Auslassöffnung stomach muscle, der sich nach unten bewegende Kolben verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches wieder in sanctum Zylinder strömt Vorverdichtungs-raum

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Der Ottomotor – Einsatzbereiche Viertaktmotor Zweitaktmotor Pkw-Bereich Motorräder Motorsport  Dort, wo hohe Leistung, hohe Umdrehungszahl und Laufruhe gefragt sind Freizeitbereich Modellflugzeugbau Jet-Ski Arbeitsgeräte Motorsägen Heckenschere Rasenmäher Fahrzeuge Mofa Langsame Schiffsdiesel  Dort, wo hohe Lageunabhängigkeit und hoher Wirkungsgrad nötig sind

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Der Dieselmotor 1892 patentiert Rudolf Diesel seine „neue rationelle Wärmekraftmaschine" „Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute." Charakteristische Merkmale: Selbstzünder und hoher Wirkungsgrad mit 30 - 40% Direkteinspritzer Höhere Produktionskosten aufgrund der massiven Bauweise Physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500 Umdrehungen je Minute Sparsam und zuverlässig Diesel-Boom, in manchen Ländern 75% der Neuzulassungen Höhere Rußpartikel-Emission

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Vor-und Nachteile des heutigen Konzepts Vorteile Nachteile Hohe Alltagstauglichkeit damp ausgereifter Technik Hoher Mobilitätsgrad – große Reichweite und schnelles Tanken Effizienzsteigerungen und Verbrauchssenkungen Bereits vorhandene Infrastruktur Emissionsproblematik: 20% des CO 2 - Ausstoßes in Deutschland geht vom Verkehr aus Luftverschmutzung Lärmbelastung Hohe Abhängigkeit vom Erdöl und damit von Rohstoffländern „alte Technik" als Innovationsbarriere lichkeit Wirtschaft-

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Umweltbelastung Bei einer durchschn. Lebensdauer von 10 J. werden (einschl. Produktion): Mehr als 200.000 l Wasser, 112 l Motoröl und 12.000 l Kraftstoff verbraucht 5 l Bremsflüssigkeit, 7 Ölfilter und 15 Zündkerzen benötigt Über 1.000 Millionen m 3 belastete Luft freigesetzt Schadstoffe: Kohlenstoffdioxid: verändert pass on Zusammensetzung der Atmosphäre führt zum Treibhauseffekt Kohlenstoffmonoxid: entsteht bei unvollst. Verbrennung organischer Verbindungen wird von Hämoglobin 250 mal rot gebunden als O 2 Kohlenwasserstoffe: entstehen bei unvollständiger Verbrenn. von Öl  Zweitaktmotoren viele Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, sind krebserregend Stickoxide: Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff unter hohen Temperaturen Entzündung des Atemtrakts, Beeinträchtigung der Lungenfunktion Schwefeloxide: im Treibstoff enthaltener Schwefel reagiert mit Sauerstoff SO 2 und SO 3 sind für Mensch und Tier giftig, saurer Regen

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Weltweiter Ölverbrauch und Zahl der Pkws Das Auto ist weltweit der größte Ölkonsument Fast zwei Mrd. Tonnen Rohöl im Jahr, knapp pass on Hälfte der gesamten Förderung, werden durch sanctum Verkehr verbraucht Über 900 Mio. PKWs existieren auf der Welt – Tendenz: weiter steigend Insbesondere günstige Automobile, wie der „Nano" von Tata Motors macht weltweite Mobilisierungswelle unaufhaltsam

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Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Verbrennungsmotor Biodiesel Bioethanol BTL („Biomasse-To - Liquids ") Flüssiggas und Erdgas Elektroantrieb Brennstoffzelle Hybridantrieb

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Biodiesel Verfügt über sehr gute Schmiereigenschaften aufgrund des hohen O 2 - Gehalts (~11%) und chem. Aufbaus Biodiesel ist nahezu schwefelfrei und senkt kick the bucket Ruß-Emissionen um bis zu half Es enthält weder das krebserregende Benzol noch andere giftige Aromaten Momentan deckt Biodiesel 4% des Dieselbedarfs abdominal muscle (2,8 Mio. l von 68 Mio. l a Kraftstoffen) Wenn der Dieselbedarf in Deutschland gedeckt werden sollte, müsste Raps auf über einem drittel der Bundes-fläche angebaut werden

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Biodieselproduktion Heizwert: 10,4 kWh/l (37,1 MJ/l) Besitzt i .d .R. keine „neutrale" CO 2 - Bilanz Verursacht höhere Emissionen von Kohlenwasserst. und No x Gutes Lösungsmittel  zersetzt Dichtungen und Schläuche Kann zu Problemen a der Ein-spritzpumpe und im Motoröl führen 1 Hektar (10.000 m 2 ) 3000 kg Raps mit 1.300 l Rapsöl (1.100 kg) Ölmühle 1.000 kg Schrot 130 kg Methanol Umesterung 1.300 l Biodiesel (1.150 kg) Glycerin Quelle: Forschungsbericht IDW Köln

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Bioethanol Die guten Eigenschaften des Ethanols als Kraftstoff sind schon lange bekannt: Bereits das Ford-T-Modell war auf Ethanol ausgelegt 1 l entspricht 0,65 l Benzin, aufgrund der höheren Oktanzahl erhält man 10% mehr Leistung, aber auch 30% höheren Verbrauch  22,7 MJ/l – 32,5 MJ/l Ethanol ist weltweit der dominierende Biokraftstoff, besonders in USA und Brasilien kommt dieser im großen Stil zum Einsatz Pro Liter Ethanol können, je nach Energiequelle und Rohstoffbasis, 0,5 bis 2,2 kg CO 2eq eingespart werden Zusätzlich versucht man mit speziellen Enzymen aus Cellulose von Pflanzen-resten Cellulose-Ethanol herzustellen  bessere Ausbeute u. Umweltbilanz

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Bioethanolproduktion - Vergleich Im Jahr 2007 betrug pass on Beimischung von Bioethanol 1,2% In Brasilien beträgt der Bioethanolanteil, je nach Zuckerpreis, zw. 20 und 25% Bioethanol verbrennt sauberer zu CO 2 und Wasser als Benzin Bodenverbrauch  Konkurrent zur Lebensmittelindustrie „Das Getreide, das nötig ist, um sanctum 120 Liter fassenden Tank eines Geländewagens mit Ethanol zu füllen, reicht aus, um einen Menschen ein Jahr lang zu ernähren." Quelle: Schmitz, 2005, S. 23

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BTL – (Biomass To Liquid) Im Vergleich zu etablierten Biokraftstoffen ist der BTL-Produktionsprozess komplex und aufwendig In einer mehrstufigen thermochemischen Umwandlung von Pflanzenmasse wird Synthesegas erzeugt und daraus der gewünschte Kraftstoff Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung beträgt bestenfalls 60% Die größten Stärken dieses „Designerkraftstoffs" sind kick the bucket Verwendung von Restholz und anderer Pflanzenmasse und der potentiell hohe Ertrag von bis zu 12.000 kg BTL/ha Zudem besitzt BTL weniger Schadstoffe und lässt sich für versch. Engine bedürfnisse synthetisieren  bessere Verbrennung & mehr Leistung

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BTL – (Biomass To Liquid)

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Flüssiggas und Erdgas Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG) Besteht hauptsächlich aus Propan und Butan Wird bei 5 – 10 bar flüssig gespeichert Flüssiggastank kann problemlos in Notradmulde installiert werden Steuerbegünstigt, da besseres Abgas-verhalten als bei Benzin: 15% weniger CO 2 - Emissionen half weniger Kohlenwasserstoffe 80% weniger Stickoxide Besitzt mit 12,9 kWh/kg eine höhere Energiedichte als Benzin (12,04 kWh/kg) Besteht hauptsächlich aus Methan Wird bei einem Druck von 200 – 300 bar in zylinderförmigen Druckbehältern gespeichert Ist i. d. R. billiger als LPG, besitzt jedoch einen geringeren Brennwert Wird in Rohren bis a pass on Tankstelle transportiert und vor Ort komprimiert Besitzt mit 10 – 14 kWh/kg eine relativ hohe Dichte

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Flüssiggas und Erdgas - Speicherung Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG) Notradmuldentank

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Hybridantrieb Allgemein: Antriebssystem, bei welchem zwei versch. Antriebe kombiniert werden Das erste Hybridauto war der Lohner Porsche aus dem Jahr 1899 Wurde von Ferdinand Porsche entwickelt Erfuhr große Aufmerksam

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