Grundlagen der Fahrzeugantriebe TU

Nenne Beispielanwendungen von Antrieben

PKW, LKW, Motorrad, Bus, Straßenbahn, Schiffsverkehr, usw.

Wie viel Co2 verursacht der Transportsektor und wv ist dem dem Straßentransport zu zuteilen?

Was muss speziell gemacht werden um den Klimawandel zu begrenzen?

Regenerative Energiequellen zu nutzen

Durchschnittliche CO2 -Emissionen neu zug. Pkw in D, wie ist der Trend?

Reduktion der Flottenverbräuche seit 1998 um 42%, ab 2019 wurde WLTP eingeführt, davor NEFZ

Wie sieht die Entwicklung bei den THG aus?

Ziel 2030: 84 Mio. tCO2- Äquivalente, Lücke kann allein durch alternative Antriebe nicht geschlossen werden • Bestandsfahrzeuge • Marktdurchdringung • Alternative Mobilitätskonzepte notwendig

Hat Verkehr einen Einfluss auf die Luftqualität?

Ja, sehr hohen Einfluss

Was sind Primärenergien?

Mineralöl, Erdgas, Braun- und Steinkohlen, Kernenergie, aber auch Sonnenstrahlung, Wind, Wasserkraft

Was sind Energiespeicher?

Flüssig: Benzin, Diesel, LPG (Liquefied Petroleum Gas) • Gasförmig: CNG, H2 (Wasserstoff) • Elektro-chemisch: Batterien

Was sind Energiewandler?

Ottomotor, Dieselmotor, Elektromotor, Brennstoffzelle • In einem Antrieb werden auch Kombinationen dieser Motoren eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor und ein oder mehrere Elektromotoren. Diese Antriebe werden Hybridantriebe genannt.

Erklären sie die Kraftstoffherstellung aus Rohöl

Im welchen Verhältnis stehen Batterien zu fossilen Kraftstoffen in Bezug auf ihre Energiedichte?

Definiere den Begriff Antrieb

Ein System, das Energiespeicher, Energiewandler und Getriebe umfasst und die gespeicherte Energie in mechanische Energie umwandelt, die den Rädern für den Antrieb des Fahrzeuges zugeführt wird.

Wie sieht ein Motorkennfeld aus?

Wie lässt sich der Wirkungsgrad bestimmen?

Was ist der in der Realität höchstmögliche WG?

Wie sieht ein Elektromotorkennfeld aus?

Wie lässt sich der Wirkungsgrad bestimmen?

Was ist der in der Realität höchstmögliche WG?

Farben: Symbolisieren den Wirkungsgrad; rot: hoch; blau: niedrig

• Die maximale Stromstärke ist durch den Umrichter begrenzt.

• Die gewählte Systemspannung begrenzt die maximale Leistung der E-Maschine.

• Eine variable Systemspannung erlaubt eine Optimierung des Wirkungsgrades

Welche Wirkungsgradkette durchlaufen die unterschiedlichen Kraftstoffarten?

Bilanzgrenzen für Wirkungsgradbetrachtungen eines Fahrzeugs: Nutzungsphase

Bilanzgrenzen für Wirkungsgradbetrachtungen eines Fahrzeugs: Nutzungsphase und Energiebereitstellung

Bilanzgrenzen für Wirkungsgradbetrachtungen eines Fahrzeugs: Nutzungsphase • Energiebereitstellung • Produktlebenszyklus

Was ist in Bezug auf den Wirkungsgrad für neue Technologien besonders zu beachten?

Insbesondere für neue Technologien können Wirkungsgrade nicht exakt angegeben werden, da u. a. die positiven Effekte einer großindustriellen Produktion nicht genau bekannt sind.

Neben dem Wirkungsgrad ist für die Wahl des Antriebs auch die benötigte Infrastruktur, die Speicherfähigkeit des Energieträgers und die Produktion des Antriebs sowie die Produktion und Transport des Energieträgers zu berücksichtigen

Was muss ein Antrieb leisten?

Der Antrieb muss die Kräfte bereitstellen, um

das Fahrzeug zu beschleunigen,

eine gewünschte Höchstgeschwindigkeit zu ermöglichen,

Das Fahrzeug auch bei einem gewünschten Steigungswinkel zu bewegen,

das Fahrzeug mit einer Zuladung zu bewegen,

das Fahrzeug mit Anhänger zu bewegen.

Welche Fahrwiderstände gibt es und wie lassen sie sich freischneiden?

Beschleunigungswiderstandskraft: FB

Hangabtriebskraft / Steigungswiderstand FSt

Rollwiderstand FRo

Luftwiderstand: FL

Gesamt-Fahrwiderstand: FW = FSt + FRo + FL + FB

Wie lassen sich die Fahrwiderstände in einem F-v-Diagramm einzeichnen?

Welche Komponenten besitzt ein Antriebsstrang?

Welche Einflussfaktoren besitzt ein Antriebsstrang?

Welche Motorenart gibt es?

Wie werden Wärmekraftmaschinen eingeteilt?

Was unterscheidet einen Otto von einem Dieselmotor prinzipiell?

Was vereint einen VM mit einer Gasturbine?

Was sind die üblichen Elektrischen Maschinen für E-Fahrzeuge?

Wie sind Synchron- und Asynchronmaschinen aufgebaut und was unterscheidet sie?

Wie sieht ein prinzipieller Aufbau einer Hubkolbenmaschine am Beispiel eines Ottomotors aus?

Erklären sie den 4-Takt Prozess eines Otto-Motors?

Welche Bauformen eines Hubkolbenmotors gibt es?

Wonach werden VM eingeteilt?

Wie bildet sich das Verdichtungsverhältnis?

Wie sieht der motorische Prozess im p-v-Diagramm aus?

Wie bilden sich die unterschiedlichen Drück bei einem VM Prozess?

Wie bildet sich der indizierte innere Mitteldruck?

Was ist der Carnot-Prozess?

Wie sehen die Kreisprozesse einzelner Motoren aus?

Was für einen Zylinderdruck haben Otto, bzw Dieselmotoren?

Wie sieht der reale Verbrennungsprozess in einem P-v-Diagramm aus?

Wie sieht im Vergleich zu einem 4 Takt Motor ein 2 Takt Motor im P-v-Diagramm aus?

Wie kann Motorleistung verändert werden?

Motorleistung kann sowohl durch die Drehzahl, als auch dem Drehmoment bestimmt werden

Was ist Quantitätsregelung und was ist Qualitätsregelung?

• Quantitätsregelung: • Regelung der Luft- und Kraftstoffmenge durch bspw. Drosselklappe und Injektoren • Typischerweise Anwendung bei Ottomotoren

• Qualitätsregelung: • Regelung der Kraftstoffmenge bei gleichbleibender Luftmenge • Typischerweise Anwendung bei Dieselmotoren

Welche Optionen zur Reduzierung der CO2 -Emissionen gibt es?

Wie unterscheiden sich die einzelnen Wirkungsgrade bei einem VM?

Welche Hauptaspekte sind wichtig für einen VM?

Luftzufuhr

Kraftstoffzufuhr

Verbrennung

Abgasnachbehandlung

Abgasenergienutzung

Regelung

Warum dreht eine Benziner mehr?

Diesel: Mehr druck→ mehr Kraft → mehr Drehmoment

Benzin: Kleinere Drücke → kleinere Bauteile → weniger Massenkräfte → mehr Drehzahl möglich

Welche Bauteile sind für eine Ventilsteuerung notwendig?

Wie sehen die Ventilsteuerzeiten aus?

Ein sofortiges Öffnen und Schließen ist aufgrund von Massenkräfte nicht möglich, brauchen Zeit

Was passiert bei unterschiedlicher Ventilüberschneidung?

Welche Arten der Ventilsteuerung gibt es?

Wie ist das Verbrennungsluftverhältnis Lambda definiert?

lambda > 1: mageres Gemisch

lambda < 1: fettes Gemisch

Wie funktioniert eine Saugrohreinspritzung?

Welche Aufgaben hat die Zündeinrichtung in einem Ottomotor?

Aufgaben der Zündeinrichtung:

• Bereitstellung ausreichender Zündenergie an der Zündkerze

• Sicherstellen des optimalen Zündzeitpunktes in allen Betriebspunkten

Wie sehen Zylinderdruckverläufe im Ottomotor aus?

Was für Einspritzsysteme gibt es?

Was ist der Unterschied von Direkteinspritzer und Saugrohreinspritzung?

• Saugrohreinspritzung für Homogenbetrieb

• Kein Schichtladebetrieb möglich

• Direkteinspritzung notwendig

• Gemischbildung während Einströmung

• Ansaugung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches

• Lastregelung über Drosselklappe oder variable Ventilsteuerung

• Direkteinspritzung (bis 350 bar) mit Schichtladung oder für Homogenbetrieb

• Gemischbildung im Brennraum durch Ladungsbewegung

• Lastregelung über Drosselklappe oder variable Ventilsteuerung

• Wirkungsgrad- und Leistungsverbesserung

• Verdampfung des flüssig eingespritzten Kraftstoffs kühlt den Brennraum → höheres Verdichtungsverhältnis möglich

• Höherer Liefergrad, mehr Füllung

• Besserer Ladungswechsel

• Aber weniger homogen → mehr Schadstoffe

• Kosten und Aufwand

Wie sehen die Ladungsbewegungen aus?

Was ist der Unterschied von homogen und Schichtbetrieb?

Wie verläuft die Einspritzung und Verbrennung in einem Diesel?

Was unterscheidet die 3 wichtigsten Brennverfahren in ihren Eigenschaften?

Welche Einspritzsysteme gibt es bei Dieselmotoren?

Definiere den Begriff 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.

Welche Aufladearten gibt es?

Wie funktionieren die Aufladearten?

Wie funktioniert ein Turbolader?

Was ist ein Roots Verdichter?

Welche Vor und Nachteile haben konventionelle Strömungsverdichter?

Wie regelt man einen Turbolader?

Wie funktioniert die VTG und was ist das?

Welche ZÄ gibt es und was sagen sie aus?

Welche Variabilität hat man im Ventiltrieb?

Phasenlage

Hublänge

Öffnungsdauer

→ Alle 3

Welche Direkteinspritzungsarten gibt es?

Welche Bauteile hat ein elektrisch angetriebener Verdichter?

Wie bilden sich die Emissionen eines VM?

ideale Verbrennung:O2, HC, N → H2O, CO2, N

reale Verbrennung: → CO, NOx, HC, Ruß (C)

Treibhausgas: CO2

Schadstoffe: CO, NOx, HC, Ruß (C)

Wie nennt man die Testverfahren zur Überprüfung der ausgestoßenen Stoffe?

NEDC: New European Driving Cycle

WLTP: Worldwide Harmonized Light Duty Vehicles Test Procedure

RDE: Real Driving Emissions

Wie bildet sich der Ausstoß an Schadstoffen in Abhängigkeit der Luft-Gemisch-Bildung aus?

Welchen Effekt hat die AGR auf die Schadstoffe?

Wie funktioniert ein AGR mit ND und HD?

Welche Vor-/Nachteile hat ein HD-AGR?

Hochdruck-AGR (High pressure EGR)

✅ Bewährtes / entwickeltes System
✅ Guter spezifischer Kraftstoffverbrauch (BSFC) bei niedrigen Geschwindigkeiten / Lasten möglich (geringe Pumpverluste)

❌ Ansaugdrosselung notwendig für höhere AGR-Raten
❌ Dynamik leidet aufgrund niedriger Turbinendrehzahlen
❌ Niedriges mögliches λ (Luftverhältnis) aufgrund niedriger Ansaugluftdichte und fehlender Ladedruckreserven
❌ AGR-Rate unter Volllast begrenzt durch AGR-Kühlung und Turboaufladekapazität

Welche Vor-/Nachteile hat ein ND-AGR?

Niederdruck-AGR (Low pressure EGR)

✅ Höhere AGR-Rate bei gleichem λ in allen Kennfeldbereichen möglich
✅ „Saubere“ Abgasrückführung (keine Ruß-, HC-Kontamination)
✅ Nahezu perfekte AGR-Verteilung auch bei hohen AGR-Raten („HCCI“-Ermöglicher)
✅ Hohe Ladedrücke mit AGR möglich
✅ Kontrolle des Niederdruck-AGR-Anteils weniger an die Steuerung des Turboladers gekoppelt
✅ Kleinere benötigte AGR-Kühlung / geringere Frontkühlerkapazität durch bessere Nutzung des Ladeluftkühlers

❌ Höheres Ansaugvolumen erforderlich
❌ Messung des Niederdruck-AGR-Anteils schwierig (bei Bedarf zusätzlich Hochdruck-AGR verwenden)
❌ Druckverhältnis durch Verdichtereintrittstemperatur begrenzt
❌ Säurekondensation im Verdichter / Ansaugbereich

BSFC: Brake Specific Fuel Consumption (spezifischer Kraftstoffverbrauch)

Abgasnachbehandlung für Ottomotoren, 3 Wege Kat

Abgasnachbehandlung Dieselmotoren

Abgasnachbehandlung OPF

Wie funktioniert ein NOx Katalysator

Welches System gibt es für Diesel zur NOx verminderung?

Wie kann man in der Zukunft einen Kat verbessern?

Straßenmessung mit PEMS (Portable Emission Measurement System)

Was hebt Wasserstoff im Vergleich zu anderen Kraftstoffarten hervor?

Was sind Schwerpunkte und Betriebsstrategien bei einer H2 VKM?

Welche Vorteile bietet H2?

Welche Aufgaben hat ein Motorsteurgerät?

Aufgaben: • Bündelt alle Informationen des Motors • Setzt eine Priorisierung und wendet hinterlegte Funktionen und Modelle an Beispiel Fahrpedalstellung (Otto-Motor): • Änderung des Fahrpedals →Änderung der Drosselklappenstellung →Änderung des Einspritzverhaltens →Änderung des Verbrennungsschwerpunktes →Änderung des Drehmoments →etc.

Was für Verbraucher gibt es in einem PKW?

Wie sieht ein Ottomotor mit Saugrohreinspritzung aus?

Wie sieht ein Ottomotor mit Turbo und Direkteinspritzung aus?

Wie funktioniert ein Heißfilm-Luftmassenmesser

Thermisches Messprinzip

• Geregeltes Aufheizen eines Membran (2) mit einer Temperaturdifferenz zur angesaugten Luft von ca. 100 °C (Referenz-Temperatur bei (7))

• Temperatursensoren vor und nach dem Membran messen ebenfalls die Lufttemperatur (5, 6)

• Mit Anströmung von Luft wird die Stelle (5) gekühlt. Die Luft wird an dieser Stelle aufgeheizt und hat annäherungsweise die gleiche Temperatur wie (6)

• Die Differenz der beiden Temperatursensoren (5) und (6) liefert eine Aussage über den anliegenden Massenstrom

→ Je höher der Massenstrom ist, desto höher die Differenz

Wie funktioniert ein Drehzahlgeber?

Drehzahlsensoren werden beim Motor -Management eingesetzt zum:

• Messen der Motordrehzahl,

• Ermitteln der Winkellage der Kurbelwelle (Stellung der Motorkolben),

• Ermitteln der Arbeitsspielposition von 4 -Takt -Motoren (0 - 720 ° Kurbelwellenwinkel) durch Lageerkennung der Nockenwelle in Bezug zur Kurbelwelle und

• Notbetrieb des Motors bei Ausfall des Phasengebers.