Alternative Antriebe für Automobile. Hybridsysteme, by Cornel Stan

By Cornel Stan

Über die Realisierungsmöglichkeiten zukünftiger Antriebskonzepte – von Hybridsystemen Elektro-/Verbrennungsmotor über Brennstoffzellen bis zu alternativen Energieträgern wie Wasserstoff oder Alkohol – werden fundierte Kriterien der Qualität eines Antriebs entscheiden. Leistungsdichte, Drehmomentverlauf, Beschleunigungscharakteristik, spezifischer Energieverbrauch sowie Emission chemischer Stoffe und Geräusche sind dafür wichtige Merkmale zur Qualitätsbeurteilung. Die Verfügbarkeit und die Speicherfähigkeit vorgesehener Energieträger, die technische Komplexität, Kosten, Sicherheit, Infrastruktur und carrier werden die Randbedingungen für die Einführung realisierbarer Konzepte alternativer Antriebe für motor vehicle stellen. Die Übersicht und die examine der Prozesse, Antriebsmaschinen und Energieträger, die entsprechend der aufgeführten Kriterien in komplexen Energie-Management-Systemen für vehicle kombinierbar sind, bilden den Inhalt dieses Buches. Für die Entwicklung neuer Konzepte sind diese Fakten notwendiges Wissen.

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In einer Strömungsmaschine – mit Massenstrom durch eine Verkettung von zwei Verdichtern und zwei Turbinen (bzw. Verdichter- und Turbinenstufen) - CD – Verdichter oder Verdichterstufe mit starker Kühlung - DA – wärmeisolierter Verdichter (oder Verdichterstufe) - AB – Turbine oder Turbinestufe mit starker Wärmezufuhr, beispielsweise durch Brennerrampen - BC – wärmeisolierte Turbine oder Turbinenstufe Nicht die prinzipielle technische Umsetzbarkeit eines CarnotKreisprozesses sondern die extremen Drücke und Volumina unter der Bedingung der gleichen geleisteten spezifischen Arbeit wie in einem Dieselprozess bei einem gewöhnlichen Hubraum von 1,8[dm³ ] lässt den CarnotProzess als unrealistisch erscheinen.

Bei Strömungsmaschinen in der Luftfahrttechnik werden gelegentlich auch solche Techniken – auch wenn nur in jeweils einer Stufe – umgesetzt: Sie bestehen aus einer isobaren Zwischenkühlung während der Verdichtung DA – durch Wassereinspritzung – wodurch die Verdichtung von isentrop in Richtung isotherm verschoben wird - bzw. aus einer isobaren Nachverbrennung während der Entlastung BC, wodurch die Zustandsänderung ebenfalls von isentrop in Richtung isotherm verschoben wird. Auch wenn in der Kraftfahrzeugtechnik die Wassereinspritzung in den Verdichter und ein Nachbrenner zwischen zwei Turbinenstufen als verhältnismäßig aufwendig erscheinen, bleibt das Prinzip von Interesse: Seine partielle Umsetzung durch geeignete Wärmetauscher, unter Nutzung vorhandener Wärmerekuperatoren kann die Effizienz der Maschine merklich erhöhen.

Die Umsetzbarkeit und Grenzen thermodynamischer Kreisprozesse zur Umwandlung von Wärme in Arbeit wird anhand folgender repräsentativer Prozessführungen bewertet: Carnot, Stirling, Otto, Diesel, Seiliger, Joule, AckeretKeller. Für die Übersichtlichkeit werden alle verglichenen Kreisprozesse als ideal betrachtet: Die Zustandsänderungen sind dabei reversibel, das Arbeitsmedium ist ein ideales Gas und seine Masse und chemische Struktur bleiben zunächst im gesamten Kreisprozess unverändert. Jeder Kreisprozess wird weiterhin als Verkettung elementarer Zustandsänderungen betrachtet, wobei – unabhängig von ihrer spezifischen Form – vier Grundarten von Vorgängen vorkommen: Verdichtung (Kompression), Wärmezufuhr, Entlastung (Expansion), Wärmeabfuhr.

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