Ziel der Facharbeit soll sein, abwägen zu können, ob und inwiefern Elektromotoren schon heute eine gute und brauchbare Alternative zu Verbrennungsmotoren darstellen und mögliche Probleme und Schwachstellen aufzuzeigen, die erstere mit sich bringen. Der Vergleich findet zunächst auf technischer Ebene statt, um danach ebenfalls einen Blick auf Effizienz, Kosten, Umweltbelastung und Nachhaltigkeit zu werfen.
In der heutigen Zeit rückt die Problematik sinkender Vorkommen fossiler Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle immer weiter in den Vordergrund. Es müssen Alternativen zu diesen vergänglichen Energiequellen gesucht und erforscht werden.
Da die Mobilität der Welt zu einem Großteil von Kraftfahrzeugen abhängt und diese in der Gesellschaft nicht mehr wegzudenken sind, muss auch in diesem Sektor die Umwandlung von Energiequellen in mechanische Arbeit überdacht werden, weil für die Gewinnung der meisten Kraftstoffe Erdöl benötigt wird. Dieses wird jedoch aufgrund seines ständigen Abbaus und Verbrauchs voraussichtlich immer teurer und seltener werden und somit kann es passieren, dass einigen Menschen wegen der steigenden Kraftstoffkosten der Besitz eines eigenen Kraftfahrzeugs finanziell nicht mehr möglich ist.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Technik und Aufbau
2.1 Technik und Aufbau eines Verbrennungsmotors
2.2 Technik und Aufbau eines Elektromotors
2.2.1 Antriebsarten von Elektroautos und Range Extender
2.2.2 Das Batteriemanagementsystem (BMS)
2.2.3 Die Rekuperation/ Nutzbremsung
3. Ökologische und ökonomische Aspekte
3.1 Die Well-to-Wheel-Bilanz
3.1.1 Well-to-Wheel-Bilanz im Vergleich
3.2 Wirkungsgrade und Nutzwert
3.2.1 Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren
3.2.2 Wirkungsgrad von Elektromotoren
4. Fazit
Literaturverzeichnis
1. Einleitung
In der heutigen Zeit rückt die Problematik der sinkenden Vorkommen von fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle immer weiter in den Vordergrund. Es müssen Alternativen zu diesen vergänglichen Energiequellen gesucht und erforscht werden. Da die Mobilität der Welt zu einem Großteil von Kraftfahrzeugen abhängt und diese in der Gesellschaft nicht mehr wegzudenken sind, muss auch in diesem Sektor die Umwandlung von Energiequellen in mechanische Arbeit überdacht werden, weil für die Gewinnung der meisten Kraftstoffe Erdöl benötigt wird. Dieses wird jedoch aufgrund seines ständigen Abbaus und Verbrauchs voraussichtlich immer teurer und seltener werden und somit kann es passieren, dass einigen Menschen wegen der steigenden Kraftstoffkosten der Besitz eines eigenen Kraftfahrzeugs finanziell nicht mehr möglich ist. Aufgrund meines großen Interesses an Technik und Automobilität habe ich mich entschieden, in dieser Facharbeit Verbrennungs- und Elektromotoren als Antriebskonzepte für Fahrzeuge in verschiedenen Faktoren zu vergleichen.
Die Themeneingrenzung auf Verbrennungs- und Elektromotoren begründet sich insofern, als dass eine Betrachtung weiterer Antriebskonzepte (wie etwa Motoren mit einer Brennstoffzelle) im Hinblick auf das vorgegebene Ausmaß dieser Arbeit nicht möglich ist.
Der Vergleich findet zunächst auf technischer Ebene statt, um danach ebenfalls einen Blick auf Effizienz, Kosten, Umweltbelastung und Nachhaltigkeit zu werfen. Es ist zu erwarten, dass der Elektromotor besonders im Hinblick auf Fahrleistungen, Effizienz und Nachhaltigkeit, bzw. Umweltbelastung die besseren Werte erzielen wird. Der Verbrennungsmotor dürfte hingegen bei den Anschaffungskosten punkten, während der Elektromotor hingegen hinsichtlich Unterhalts- und Betriebskosten möglicherweise günstiger ist.
Ziel soll sein, abwägen zu können, ob und inwiefern Elektromotoren schon heute eine gute und brauchbare Alternative zu Verbrennungsmotoren darstellen und mögliche Probleme und Schwachstellen aufzuzeigen, die erstere mit sich bringen.
2. Technik und Aufbau
2.1 Technik und Aufbau eines Verbrennungsmotors
In Verbrennungsmotoren wird -anders als in[1] Elektromotoren- chemische Energie in mechanische Arbeit, also kinetische Energie umgewandelt. Die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors soll hier zunächst an einem 4-Takt-Ottomotor dargestellt werden. Die Arbeitstakte sehen wie folgt aus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Die 4 Arbeitstakte eines Ottomotors[2]
1. Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches
Zuerst wird durch ein Ventil ein Gemisch aus Kraftstoff (im Fall des Ottomotors Benzin) in den Zylinder gesaugt.
2. Verdichten
Nun wird das Gemisch im Zylinder durch den hochschnellenden Zylinderkolben verdichtet.
3. Zündung, Verbrennung, Arbeiten
Im nächsten Arbeitstakt wird das Gemisch durch eine am Zylinderkopf sitzende Zündkerze entzündet. Da die Zündung durch eine Zündkerze geschieht, heißt das Verfahren Fremdzündung. Diese sollte im Optimalfall kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) geschehen. Durch die bei der Verbrennung entstehende Wärmeentwicklung und -ausdehnung wird der Zylinderkolben wieder zurückgeschleudert und treibt so die mit dem Getriebe verbundene Kurbelwelle an.
4. Ausstoßen der Abgase
Zuletzt wird das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch durch ein zweites Ventil aus dem Zylinder gedrückt. Das Öffnen und Schließen der Ansaug- und Ausstoßventile wird durch die Nockenwelle koordiniert.
Bei Ottomotoren findet die Gemischbildung außerhalb des Zylinders statt. Früher war es üblich, den Kraftstoff durch Vergaser zu zerstäuben. Heutzutage wird dieses Verfahren nur noch in Kleinmotoren angewendet. Meistens wird der Kraftstoff dem Luftstrom im Ansaugkanal oder erst kurz vor dem Einlassventil beigemischt. Die äußere Gemischbildung lässt eine schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge zu, außerdem sind durch dieses Verfahren hohe Motordrehzahlen möglich, da die Verbrennung des Gemisches sofort erfolgen kann.
In Dieselmotoren dagegen findet die Gemischbildung erst innerhalb des Zylinders statt (innere Gemischbildung). Wie beim Ottomotor wird das Ansaugventil durch die Nockenwelle geöffnet, allerdings wird nur Luft in den Zylinder gesaugt, welche durch den hohen Druck des hochschnellenden Kolbens auf ca. 800-900°C erhitzt wird. Der Dieselkraftstoff wird erst kurz vor der Verbrennung in den Brennraum eingespritzt und entzündet sich nach der Vermischung mit der Luft im Zylinder durch die hohen Temperaturen von selbst. Der Dieselmotor wird deshalb als Selbstzünder bezeichnet, er benötigt keine Fremdzünder wie Zündkerzen im Ottomotor. Die innere Gemischbildung erklärt die für Dieselmotoren charakteristischen niedrigen Drehzahlen, da der Kraftstoff vor der Zündung Zeit benötigt, um sich im Brennraum mit der Luft zu einem zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisch zu vermischen.
Die folgenden Bauformen von Verbrennungsmotoren sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich:
- Einzylindermotor (1Zylinder)
- Reihenmotor (2/ 3/ 4/ 5/ 6 Zylinder): Die Zylinder sind in einer Reihe angeordnet.
- V-Motor (2/ 4/ 6/ 8/ 10/ 12 Zylinder): Die Zylinder sind in einer V-Form angeordnet.
- VR-Motor (5/ 6 Zylinder): Diese Bauform ist eine Kombination aus einem V- und einem Reihenmotor. Die Zylinder sind in einer leichten V-Stellung angeordnet.
- W-Motor (12/ 16 Zylinder): Die Zylinder sind in einer W-Form angeordnet, allerdings ist dies nur bei hohen Zylinderzahlen üblich.
- Boxermotor (2/ 4/ 6 Zylinder): Die Zylinder liegen mit einem Winkel von 180° einander gegenüber.
2.2 Technik und Aufbau eines Elektromotors
Zunächst soll an dieser Stelle das Prinzip [3],[4] eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors erläutert werden. Dieser nutzt letztendlich die Lorentzkraft als Rotationsimpuls. Der Motor ist wie Folgt aufgebaut (vgl. Abbildung 2):
Ein Leiterstück (meist eine Spule mit Eisenkern (Rotor)) liegt auf einer Achse gelagert in einem möglichst homogenen Magnetfeld (Stator). Die Achse des Rotors ist mit dem Kommutator verbunden, der über zwei Schleifstücke (meist Kohlestücke oder Schleifbürsten) mit der Stromquelle verbunden ist. Wenn man nun Strom durch den Rotor fließen lässt, wirkt aufgrund der orthogonalen Stellung des Rotors auf das Magnetfeld eine Lorentzkraft, die abermals orthogonal auf den Rotor wirkt und somit zu seiner Drehung führt. Diese Form des Elektromotors kann aber zu Problemen führen, wenn der Rotor in Abbildung 2 waagerecht steht, da so keine Lorentzkraft entsteht, weil technische Stromrichtung und Magnetfeld parallel zueinander stehen. Wenn der Rotor nach Ausschalten des Motors zufällig waagerecht stehenbleiben sollte, kann der Motor aus eigener Kraft nicht mehr anlaufen. Um dies zu verhindern, werden bei Elektromotoren meist viele Spulen kreisförmig nebeneinandergesetzt, da so immer eine Lorentzkraft entstehen kann, weil mindestens eine Spule nicht waagerecht zum Magnetfeld steht. Der Kommutator ist mit den Leiterenden der Spulen verbunden und in so viele Teile aufgespalten und isoliert, wie Leiterenden vorhanden sind (am Beispiel von Abbildung 2: zwei Leiterenden, Kommutator in zwei leitende Stücke unterteilt, welche voneinander isoliert sind). Der Kommutator muss so ausgerichtet sein, dass immer die Spule, die orthogonal zum Magnetfeld steht, mit Strom durchflossen wird, um immer die volle Kraft zur Drehung des Rotors zu erzeugen. Dies erklärt unter anderem auch die enorm hohen Drehmomente von Elektromotoren.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Aufbau eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors[5]
Elektromotoren speichern ihre Antriebsenergie meistens in Akkumulatoren, auch in Verbindung mit Kondensatoren mit hoher Energiedichte (siehe auch 2.2.3). Oft werden Lithium-Akkumulatoren verbaut, da diese im Gegensatz zu Bleiakkumulatoren eine höhere Energiedichte aufweisen und zudem noch um einiges leichter sind. Außerdem haben Bleiakkumulatoren nur eine geringe Zyklenfestigkeit, das heißt, dass sie nach häufigem Aufladen ihre Leistungskriterien nicht mehr erfüllen (siehe auch 2.2.2). Allerdings sind Lithium-Akkumulatoren sehr temperaturempfindlich und verlieren besonders bei niedrigen Temperaturen erheblich an Reichweite, da die Beweglichkeit der Ladungsträger abnimmt. Deshalb müssen Klimasysteme entwickelt werden, um die Akkus immer auf Optimaltemperatur zu halten. Außerdem sind sie sehr empfindlich gegenüber Überladung und Tiefentladung. Dies setzt meist eine genaue Ladeplanung voraus, besonders bei Langstrecken. Des Weiteren wird die ohnehin schon geringe Reichweite der Akkumulatoren durch weitere Energieverbraucher wie z.B. Klimaanlage nochmals stark beeinträchtigt, dies fällt gerade im Winter in Verbindung mit den tiefen Temperaturen besonders ins Gewicht. Ein weiterer Schwachpunkt von Elektromotoren sind die langen Ladezeiten, welche an normalen Steckdosen mehrere Stunden in Anspruch nehmen können. All diese Schwachstellen und Probleme führen zur Notwendigkeit eines Batteriemanagementsystems (BMS, siehe 2.2.2).
Allerdings bieten Elektromotoren gegenüber Verbrennungsmotoren auch viele Vorteile. So stellt der Elektromotor im Gegensatz zum Verbrennungsmotor auch bei niedrigen Drehzahlen ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung, was sich besonders bei Anfahrten unter Last (z.B. mit einem Anhänger) und bei den Beschleunigungswerten auszahlt. Auch die Leistung wird konstant bis in sehr hohe Drehzahlbereiche abgegeben, während die Leistungskurve des Ottomotors schon bei ca. der Hälfte der Umdrehungen ihren Höhepunkt hat (siehe Abbildung 3).
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Drehmoment- und Leistungskurven von Elektro- und Ottomotoren[6]
Des Weiteren ist der Aufbau des Antriebsstrangs von Elektromotoren deutlich einfacher, weil Bauteile wie Motorblock, Getriebe und zum Teil Bremse nicht mehr benötigt werden. Diese Einsparung von Verschleißteilen sorgt natürlich auch dafür, dass Wartungs- und Anschaffungskosten eingespart werden können. So ist z.B. kein Motorölwechsel mehr nötig und durch das asynchronisierte Getriebe entfällt der Verschleiß der Kupplung (bei einigen Fahrzeugtypen wie etwa Geländefahrzeuge kann ein Untersetzungsgetriebe verbaut werden, um die Geländetauglichkeit zu verbessern, siehe auch 2.2.1). Verschiedene Fahrzeugkomponenten (insbesondere der Motor) können auch dezentral verbaut werden und durch die daraus resultierende Platzeinsparung im Vorderwagen kann das gesamte Fahrzeug durch zusätzliche Verstrebungen und Systeme wie z.B. der „Fußgängerairbag“ für alle Verkehrsteilnehmer crashsicherer gemacht werden. Ein weiterer Sicherheitsaspekt resultiert durch die Elektrifizierung der Aggregate. Hierdurch können nämlich bisher nicht denkbare Assistenzlösungen verwirklicht werden und ein automatischer Betrieb wird deutlich realistischer. Da die Akkusysteme meist im Unterboden sitzen, sorgen diese durch ihr im Vergleich zum Rest des Fahrzeugs hohes Gewicht dafür, dass der Schwerpunkt abgesenkt wird, was positive Fahreigenschaften wie z.B. bessere Kurvenlage nach sich zieht. Was sich ebenfalls positiv auf die Fahrleistungen auswirkt, ist die aerodynamischere Frontpartie der Fahrzeuge, da keine Lufteinlässe für den Motorkühler mehr vorgesehen werden müssen. Der Wegfall des Verbrennungsmotors führt auch zu einer Relativierung der Fahrtgeräusche und Vibrationen, was einen wesentlich besseren Fahrkomfort bedeutet. Lediglich leise Geräusche wie die Reibung der Reifen auf dem Straßenbelag sind vernehmbar. Leider birgt diese Geräuscharmut auch ein immenses Risiko im Straßenverkehr, etwa beim Rückwärtsfahren, oder allgemein, wenn z.B. ein Fußgänger an einer schwer einsehbaren Stelle eine Straße überqueren möchte und sich darauf verlässt, herankommende Fahrzeuge hören zu können.
2.2.1 Antriebsarten von Elektroautos und Range Extender
Derzeit gibt es viele Arten, die Energie aus den Akkumulatoren auf die Antriebsräder zu übertragen. So sind z.B. Radnabenmotoren üblich, die sich in den Radnaben befinden und die Kraft direkt und ohne Synchronisierung auf die Räder übertragen. Wie oben beschrieben gibt es aber auch die Möglichkeit, mehrere Motoren mit Untersetzungsgetrieben und Antriebswellen zu verbauen. Bei Gelände- und Nutzfahrzeugen ist es außerdem sinnvoll, ein Schaltgetriebe zwischen den/ die Motor(en) und die Antriebsräder zu bauen, da so eine optimale Steuerung der Drehmomentübertragung möglich ist.
Um als „Elektroauto“ bezeichnet werden zu dürfen, muss der Elektromotor im Fahrzeug die Hauptbetriebsweise ausmachen. Elektromotoren können aber auch in Verbindung mit anderen Motoren eingesetzt werden, wie z.B. im Fall eines Hybridfahrzeugs. Bei dieser Fahrzeugart werden verschiedene Kraftstoffe als Primärenergie eingesetzt (z.B. Verbrennungsmotoren), um daraus Antriebsstrom für den Elektromotor herzustellen. Wenn der Akkumulator direkt am Stromnetz aufgeladen werden kann, nennt man die Fahrzeuggattung Plug-In-Hybrid. Welche Vorteile eine solche Antriebsform hinsichtlich der Leistungs- und Drehmomentcharakteristik bietet, zeigen die folgenden Drehmomentkurven (Abbildung 4):
[...]
[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Verbrennungsmotor
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Ottomotor#mediaviewer/File:Motortakte.png
[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromotor#Praktische_Anwendungen
[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto
[5] http://elweb.info/dokuwiki/lib/exe/fetch.php?tok=331524&media=http%3A%2F%2Fuplo ad.wikimedia.org%2Fwikipedia%2Fde%2F5%2F52%2FGleichstrommaschine.PNG
[6] http://www.hondaoldies.de/Korbmacher-Archiv/Technik/emotor.jpg
- Quote paper
- Jonas Brüggemann (Author), 2015, Antriebskonzepte für Fahrzeuge. Ein Vergleich von Verbrennungs- und Elektromotor, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/318764
