Grundlagen der Fahrzeugantriebe

Antrieb

Das System, das Energiespeicher, Energiewandler und Getriebe umfasst und die

gespeicherte Energie in mechanische Energie umwandelt, die den Rädern für den Antrieb des

Fahrzeugs zugeführt wird

Energiespeicher

Atom, sehr Hoch, U-boot, 10^3

Molekül, hoch, Schiffe/PKW, 1

Elektrische Ladung, niedrig, PKW/Zweirad, 10^-3

CO²-Emissionen

40% Meer, 25% Atmung, 30% Pflanzen, 3% Mensch

30% Industrie, 20% Transport, 50% Energie

29% PKW, 0,2% (38% Nutzfahrzeuge, 6% Schiffe, 6% Bahn, 21% Luftverkehr)

Bilanzgrenzen

Tank-to-Wheel

Well-to-Wheel

Cradle-to-Grave/ Life Cycle

Wirkungsgrad Well-to-Wheel (regenerativ)

Prod Trans Fahren E

Elektrizität 100% -> 95% -> 90% | 85%

H2 64 - 77% -> 80% -> 50% | 26 - 31%

Ch4 49 - 77% -> 99% -> 30% | 15 - 23%

e-Diesel/Gas 45 - 50% -> 99% -> 30% | 13% - 15%

Wärmekraftmaschine

Aufladung

Alle Verfahren, die einem Verbrennungsmotor die Luft vor Einlass mit einer Dichte höher als die der Umgebungsluft zur Verfügung stellen, können als Aufladung bezeichnet werden.

Emissionen von Verbrennungsmotoren

O²,HC,N → Ideale Verbrennung H²O, CO², N

reale Verbrennung CO, NOx, HC, Ruß(C)

Motorsteuergerät

Bündelt alle Informationen des Motors

Setzt eine Priorisierung und wendet hinterlegte Funktionen und Modelle an

Beispiel Fahrpedalstellung (Otto-Motor):

→ Fahrpedals

→Drosselklappenstellung

→ Einspritzverhaltens

→ Verbrennungsschwerpunktes

→ Drehmoments

Leistungsbedarf elektrischen Verbrauchern Bordnetz PKW

Dauerverbaucher

bis zu 930 Watt

Zündung, Einspritzung, Elektronik

Langzeitverbaucher

Bis zu 1550 Watt

Radio, Navigation, Scheinwerfer

Verbrennungsmotortypem

Elektrische Maschinentypen

Ottomotor Aufbau

Ventilfunktionalität

Ideale Kreisprozesse: Zustandsänderungen

Carnot-Prozess

Gegen 100% aber nie 100%, abhängig von Temperaturen

Der vollkommene Motor

Gleichraum-Prozess (ideal Otto)

Gleichdruck-Prozess (ideal Diesel)

Seiliger-Prozess (reale Motoren)

Steckbrief Verbrennungmotor

Verdichtungsverhältnis

4 Taktarbeitsweise

Lastregelung von Verbrennungsmotoren

Anpassung Hub, Öffnugnsdauer, Phasenlage

Einspritzsysteme für Ottomotoren

Aufladearten typischer PKW-Anwendungen

Möglichkeiten durch Aufladung

HC-, CO- und Nox-Rohemissionen

Vergleich LNT vs SCR.

Niederdruck (ND) und Hochdruck (HD) AGR

Eigenschaften, Treibstoffe

Luftwiderstand steigung mit v

Ja

gesammt Wirkungsgrad

multiplizieren

Dieselmotoren haben eine überstöchiometrische und inhomogene Gemischbildung

Wahr

Vollhybride können Strecken bis zu 50 km rein elektrisch fahren.

Falsch, kann rein elektrisch aber nur 1-5 km. Plug-In-Hybride können (PHEV)

Das Hauptmerkmal eines Mild-Hybrid ist die Möglichkeit die Batterie extern aufzuladen.

Falsch,
Merkmale:

48V Bordnetz
Rekuperation

Gleichstrom-Maschinen werden generell als Antriebsmotor von elektrischen Fahrzeugen genutzt.

Falsch

Die Drehzahl einer Asynchronmaschine kann durch Variation der Ansteuerfrequenz und der Spannung erfolgen.

Wahr

Welche Aufgabe hat die VTG (Variable-Turbinengeometrie) eines Turboladers?

Die VTG (Variable-Turbinengeometrie) eines Turboladers hat die Aufgabe, den Ladedruck über den gesamten Drehzahlbereich des Motors hinweg zu optimieren und dadurch die Leistung und Effizienz des Motors zu verbessern.

Was ist ein leistungsverzweigter Hybrid?

Ein leistungsverzweigter Hybrid (auch als Power-split-Hybrid bezeichnet) ist eine spezielle Art von Hybridfahrzeug, bei dem der Antriebsstrang sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor in einer gleichzeitigen und flexiblen Antriebskonfiguration kombiniert, wobei beide Motoren entweder parallel oder miteinander arbeiten können, je nach den aktuellen Fahrsituationen.

Beschreiben Sie das Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle.

Wasserstoff wird zu Protonen und Elektronen bei Anode durch Katalysator

Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis

Sauerstoff an Kathode, mit Elektronen und Protonen reagiert es zu Wasser

Welche Eigenschaften muss die Katalysatorschicht einer Brennstoffzelle haben?

Die Katalysatorschicht einer Brennstoffzelle muss hohe katalytische Aktivität, große Oberfläche, gute elektrische und protonische Leitfähigkeit, hohe Stabilität und Langlebigkeit aufweisen, um eine effiziente und langfristige Leistung der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Aktuell wird vor allem Platin eingesetzt, aber die Forschung strebt auch kostengünstigere und leistungsfähigere Alternativen an.

U/I Kennlinie einer PEM-Brennstoffzelle

Aufbau & Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle

Brennstoffzelle: Betriebsbereiche

Nennen Sie die beiden Unterkategorien von Fluidenergiemaschinen und je ein Beispiel.

Turbinen (Wasserturbinen/Gasturbinen)
Verdichter (Kompressor)

Nennen Sie 4 Sensoren die typischerweise in Verbrennungsmotoren verbaut werden.

• Luftmassenmesser (MAF): Misst Luftmenge.

• Drehzahlsensor: Überwacht die Motorposition und -drehzahl.

• Abgastemperatursensor: Misst Abgastemperatur.

• Sauerstoffsensor (Lambdasonde): Misst den Sauerstoffgehalt im Abgas.

Wie erkennt der Kurbelmarken- oder Drehzahlgeber, wann eine Umdrehung erreicht wurde?

Der Kurbelwellen- oder Drehzahlgeber erkennt eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle, indem er spezielle Marken auf der Kurbelwelle verfolgt, die entweder magnetisch oder optisch erfasst werden. Wenn eine Marke den Sensor passiert, wird ein Signal erzeugt, das dem Motorsteuergerät die Position und Drehzahl der Kurbelwelle liefert.

Die Ladungswechselschleife eines Saugmotors

Die Ladungswechselschleife eines Saugmotors verläuft in der Regel im Uhrzeigersinn (im Falle eines Viertaktmotors), und die verrichtete Arbeit ist typischerweise positiv, da der Motor durch die Expansion der Gase Arbeit leistet.

Die Turbine eines Abgasturboladers

Die Turbine eines Abgasturboladers wird nicht mechanisch über den Kettentrieb des Motors angetrieben, sondern durch die Abgase, die die Turbine antreiben. Der Kompressor des Turboladers wird durch den gleichen Kettentrieb angetrieben, aber die Turbine selbst ist abgasbetrieben.

Der gravimetrische Heizwert von Wasserstoff ist mehr als doppelt so hoch wie der von Diesel oder Benzin.

wahr

Ein serieller Hybridantrieb hat zwei unterschiedliche Antriebsmaschinen, die die Räder antreiben.

Falsch, Ein serieller Hybridantrieb hat nur eine elektrische Maschine

Mit steigender Hybridisierung steigt tendenziell die vorhandene elektrische Leistung an.

Wahr

Mild-Hybride besitzen die Möglichkeit des rekuperativen Bremsens.

Wahr

Ein Gleichrichter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um.

Wahr

Kupferverluste entstehen aufgrund der ständigen Ummagnetisierung einzelner Bauteile.

Falsch, Kupferverluste entstehen durch den Stromfluss in den Leitern (z. B. in Motoren oder Transformatoren), was zu Wärmeverlusten aufgrund des Widerstandes des Kupfers führt. Die Ummagnetisierung ist eher mit Eisenverlusten verbunden (z. B. im Magnetfeld von Motoren oder Transformatoren).

Der C-Faktor ist ein Maß für den maximal zulässigen Lade- und Entladestrom.

Wahr

Die Außentemperatur hat keinen Einfluss auf die Reichweite eines rein elektrischen Fahrzeuges.

Falsch

Die Ladespannung der Batterie ist höher als ihre Entladespannung. Dieser Prozess nennt sich Hysterese.

Der Ladevorgang einer Batterie erfolgt bei einer höheren Spannung als beim Entladen, aber der Begriff Hysterese bezieht sich in der Elektrotechnik eher auf Verluste oder Verzögerungseffekte in Materialien (z. B. magnetische Hysterese). Im Falle von Batterien sprechen wir eher von Lade- und Entladespannungen, nicht von Hysterese.

Nennen Sie je zwei Vorteile, die für den Einsatz von Asynchronoder Synchronmaschinen sprechen (im Vergleich zueinander).

Asynchronmaschinen bieten Vorteile in Bezug auf Kosten, Robustheit und einfachere Konstruktion.

Synchronmaschinen bieten Vorteile in Bezug auf effiziente Leistungserzeugung, präzise Drehzahlregelung und leistungsfaktorverbessernde Eigenschaften.

Von welchen Faktoren wird die Ladeleistung einer Batterie begrenzt. Nennen Sie drei.

Die Ladeleistung einer Batterie wird durch den maximalen Ladestrom, die Batteriechemie und Temperatur sowie die Batteriespannung und -spannungskurve begrenzt. All diese Faktoren müssen bei der Auswahl und dem Betrieb von Ladesystemen berücksichtigt werden, um die Lebensdauer der Batterie zu maximieren und ihre Sicherheit zu gewährleisten.

Was beschreibt die zyklische Lebensdauer einer Batterie.

Die zyklische Lebensdauer einer Batterie gibt an, wie lange eine Batterie durch wiederholte Lade- und Entladezyklen ihre nutzbare Kapazität aufrechterhalten kann. Faktoren wie die Tiefe der Entladung, Betriebstemperatur und Ladegeschwindigkeit spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Mit Hilfe der Nernst-Gleichung lässt sich das Ruhepotential einer Elektrode beschreiben.

wahr

Eine Reihenschaltung von Brennstoffzellen erhöht die Spannung des Systems.

wahr

Eine Parallelschaltung von Brennstoffzellen erhöht die Kapazität des Systems.

Falsch,
Bei einer Parallelschaltung von Brennstoffzellen bleibt die Spannung konstant, aber die Stromstärke (oder Kapazität) des Systems erhöht sich.

Der Ohm’sche Widerstand einer Brennstoffzelle teilt sich in ionischen und elektronischen Widerstand auf.

wahr

Welche Aufgaben hat die Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle?

Die Gasdiffusionsschicht ist eine Schlüsselkomponente der Brennstoffzelle und erfüllt wichtige Funktionen wie die Verteilung der Gase, das Wasser- und Gasmanagement, die elektrische Leitfähigkeit und den mechanischen Schutz, um die Leistung und Effizienz der Brennstoffzelle zu maximieren.

Eine Zweipunkt-λ-Sonde lässt eine genaue Aussage über das aktuell vorliegende Kraftstoff-Luftverhältnis zu

Falsch, Eine Zweipunkt-λ-Sonde misst nur, ob das Kraftstoff-Luft-Gemisch (Lambda) mager oder fett ist, also ob der Motor in einem stöchiometrischen Bereich oder außerhalb davon arbeitet. Sie gibt jedoch keine exakte quantitative Information über das exakte Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Eine Breitband-λ-Sonde ist erforderlich, um eine präzise Messung des aktuellen Kraftstoff-Luft-Verhältnisses zu ermöglichen.

Nennen Sie eine Aufgabe des Steuergeräts, die innerhalb eines Zeitrasters ausgeführt werden muss.

Eine wichtige Aufgabe des Steuergeräts (z. B. im Motorsteuergerät) innerhalb eines Zeitrasters ist die Überwachung und Steuerung der Einspritzzeit in einem Verbrennungsmotor. Dies muss sehr präzise und regelmäßig innerhalb eines kurzen Zeitintervalls erfolgen, da die Einspritzmenge und -zeit entscheidend für die Motorleistung, Effizienz und Emissionswerte sind.

Nennen Sie zwei gängige Messprinzipien zur Druckmessung an Verbrennungsmotoren.

Piezoelektrische Drucksensoren oder DMS

Sowohl ein 1-Zylinder-2-Takt-Motor als auch ein 2-Zylinder-4-Takt-Motor verrichten mit jeder Umdrehung Arbeit.

Wahr

Ottomotoren haben typischerweise eine quantitative Lastregelung.

Falsch, Ottomotoren haben in der Regel eine qualitative Lastregelung, die auf der Luft-Kraftstoff-Mischung basiert, um die Leistung zu steuern. Sie nutzen meist eine Lambda-Regelung (Lambda = 1 für stöchiometrisches Gemisch) und reagieren damit auf die Laständerungen.

Der NOx-Speicher-Katalysator wandelt mittels AdBlue schädliche NOx Gase in N2 um.

Der NOx-Speicher-Katalysator selbst wandelt NOx-Gase nicht mit AdBlue um. Es handelt sich dabei um einen NOx-Speicher, der NOx vorübergehend speichert, bis es in einem späteren Prozess (bei höheren Temperaturen) reduziert wird. AdBlue wird zur Reduktion von NOx in einem SCR-Katalysator (Selektive Katalytische Reduktion) verwendet, um NOx in N2 (Stickstoff) und H2O (Wasser) umzuwandeln.

Die Tail-Pipe-Emissionen (am Auspuff) bei Wasserstoffverbrennungsmotoren sind komplett frei von CO2.

Wahr

Dieselmotoren werden tendenziell bei Kraftstoff-Luftverhältnissen λ > 1 betrieben.

Wahr

Wodurch unterscheidet sich der indizierte vom effektiven Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors.

• Indizierter Wirkungsgrad: Berücksichtigt nur die Energieumwandlung im Zylinder ohne mechanische Verluste.

• Effektiver Wirkungsgrad: Bezieht sich auf die tatsächlich nutzbare Leistung des Motors nach Abzug der mechanischen und thermischen Verluste.

Ein leistungsverzweigter Hybrid ist vom Funktionsumfang eine Erweiterung eines parallelen Hybrids.

Wahr

Ein 48-Volt Boardnetz reduziert die maximale Stromstärke um das 4-fache im Vergleich zu einem 12-Volt Bordnetz.

Wahr

Ein Hauptunterschied zwischen einem Mild-Hybriden und VollHybriden ist die Möglichkeit der externen Aufladung der Batterie.

Falsch, Der Hauptunterschied zwischen einem Mild-Hybrid und einem Vollhybriden ist nicht die externe Aufladung der Batterie, sondern die Fahrzeugfähigkeit. Vollhybride können für kurze Strecken rein elektrisch fahren und haben eine größere Batterie und stärkere Elektromotoren, während Mild-Hybride nur eine Unterstützung des Verbrennungsmotors durch den Elektromotor bieten und nicht rein elektrisch fahren können. Die externe Aufladung der Batterie ist typisch für Plug-in-Hybride, nicht für Mild-Hybride oder Vollhybride.

Der Elektrolyt in Batterien leitet die Ionen zwischen den Elektroden.

Wahr

Die Zellchemie einer Batterie hat keinen Einfluss auf Zelleigenschaften wie z.B. Lebensdauer, Kosten und Sicherheit.

Falsch,
Die Zellchemie einer Batterie hat einen großen Einfluss auf wichtige Zelleigenschaften wie Lebensdauer, Kosten, Sicherheit und Leistung. Zum Beispiel hat eine Lithium-Ionen-Batterie eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer als eine Blei-Säure-Batterie, aber auch höhere Kosten und Sicherheitsrisiken.

Die Form einer Batterie hat keinen Einfluss auf Zelleigenschaften wie z.B. Lebensdauer, Kosten und Sicherheit.

Falsch,
Die Form einer Batterie kann durchaus Einfluss auf bestimmte Zelleigenschaften haben. Beispielsweise können modulare oder flache Bauformen Einfluss auf Kühlung, Montage und Platzierung im Fahrzeug oder Gerät haben, was indirekt auch Sicherheit und Kosten beeinflussen kann. Auch die mechanische Belastung durch die Form kann die Lebensdauer der Batterie beeinflussen.

Permanenterregte Synchronmaschinen haben tendenziell einen höheren Wirkungsgrad als Asynchronmaschinen.

Wahr

Je höher die gravimetrische Energiedichte ist, desto leichter ist die Batterie bei konstanter Kapazität.

Wahr

Brennstoffzellen können nur mit Wasserstoff und Luft/ Sauerstoff betrieben werden.

Falsch, Zwar sind Wasserstoff und Luft/Sauerstoff die gängigsten Brennstoffe für Brennstoffzellen, insbesondere für Wasserstoff-Brennstoffzellen, jedoch gibt es auch andere Brennstoffe wie Methanol (für Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)) oder Ethanol, die in bestimmten Brennstoffzellenarten verwendet werden.

Eine Reihenschaltung von Brennstoffzellen erhöht die Spannung des Systems.

Wahr

Eine Parallelschaltung von Brennstoffzellen erhöht die Kapazität des Systems

Falsch, In einer Parallelschaltung von Brennstoffzellen wird die Stromstärke (Kapazität) des Systems erhöht, aber nicht die Kapazität im klassischen Sinne (wie bei einer Batterie). Die Spannung bleibt dabei gleich, aber der Stromfluss wird erhöht, was bedeutet, dass das System mehr Leistung liefern kann.

Der Spannungsabfall der Brennstoffzelle durch den ohmschen Widerstand ist proportional zu dem Stromfluss.

Wahr

Welche Aufgaben hat die Bipolarplatte einer Brennstoffzelle?

Die Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle erfüllt wesentliche Aufgaben wie:

• Stromableitung (Leitung der Elektronen),

• Gasverteilung (gleichmäßige Zufuhr von Brennstoff und Oxidator),

• Wasserabführung (Entfernung von erzeugtem Wasser),

• Vermeidung von Kurzschlüssen zwischen Zellen,

• Mechanische Unterstützung des Brennstoffzellenstacks,

• Wärmeleitung zur Temperaturkontrolle.

Bestandteile Brennstoffzelle

Polarisierung Diagramm

Motorkennfeld und Lastpunktbeeinflussung

Funktionen mit einem Hybridantrieb

Gangabstufungen