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Diesel-elektrischer Antrieb bei Straßenfahrzeugen sinnvoll?
Hi,
angesichts der in letzter Zeit verstärkten Diskussion um Elektrofahrzeuge und der damit verbundenen Problematik der Energiespeicherung habe ich mal die Überlegung angestellt, ob es nicht sinnvoll wäre, das Problem durch eine Kombination von Diesel- und Elektromotor zu lösen, wodurch nur eine relativ kleine Pufferbatterie notwendig würde.
Praktisch sähe dies dann so aus, daß ein auf den optimalen Betriebspunkt hin entwickelter Dieselmotor mit konstanter Drehzahl einen Generator antreibt, der seinerseits eine Pufferbatterie speist. Von dieser Pufferbatterie würde dann der eigentliche Antriebsmotor für das Fahrzeug mit Energie versorgt.
Im Lokomotiv-Bau ist diese Technik seit Jahrzehnten gängige Praxis, bei Straßenfahrzeugen sind mir derartige Entwicklungen oder auch nur Forschungen noch nicht bekannt.
Das alle Komponenten jeweils auf ihren optimalen Betriebspunkt hin abgestimmt werden könnte, stelle ich mir vor, daß der Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zum herkömmlichen Diesel-Direktantrieb verbessert werden könnte.
Was spricht dagegen?
Gibt es eventuell schon derartige Forschungen oder Entwicklungen von dem einen oder anderen (Klein-)Serienhersteller?
Beste Antwort im Thema
Junge, lass dir helfen, du scheinst ja nicht dumm zu sein.
Zitat:
Wiederum nicht korrekt. Mathe und Physik gehen Hand in Hand.
2/3 ist gleich auch wie 4/6 als Beispiel, aber thermodynamisch trotzdem falsch!
Das FALSCHE hier ist die 4. Warum? Die Arbeitstemperatur BRAUCHE ich nicht kennen, solange sich der Brennstoff nicht ändert und ich verschiedene Kreisprozesse miteinander vergleichen will. Die Arbeitstemperatur (z.B. Luft/Bezingemisch) ist in den meisten Fällen als "konstant" anzusehen. Die Abgastemperatur ist dann das Kriterium zur schnellen Prozessbewertung.
Falsch,
die Arbeitstemperatur ist nicht nur vom Brennstoff sondern auch von den Randbedingungen (Lambda, homogenes oder heterogenes gemisch, AGR ja/nein, wenn ja, wieviel) abhängig und damit auch bei gleichem Kraftstoff variabel. Du triffst schon wieder irgend welche einschränkenden Annahmen und erklärst diese auch gleich noch als allgemeingültig. Wenn man nur den reinen (Carnot) Kreisprozeß beschreiben will, sind die Randbedingungen wie zum Beispiel Epsilon oder Kraftstoff unerheblich, man braucht tatsächlich nur T_oben und T_unten.
Trifft man allerdings die von dir anscheinend gemachten, restriktiven Randbedingungen, dann trifft die Aussage mit der Abgastemp zu. Das ist dann aber ein sehr spezielle und keine allgemeine Interpretation der Kreisprozeße.
Zitat:
Nun sehe ich auch keine weitere Notwendigkeit Aufklärungsarbeit zu leisten, da die Lehrresistenz höher liegt als die Wissbegierde.
Na da haßt du aber glück dass ich nicht genauso denke.
Zitat:
Wer sich " den ganzen Klimbim nicht komplett" durchliest aber trotzdem eine Meinung hat, dem ist schlecht zu helfen. Eine einfache Frage zuletzt: Wieso hängt der Wirkungsgrad bei Benziner vom Verdichtungsverhältnis ab? Die Antwort ist noch offen! Erst nachdenken dann schreiben!
Also, bei deiner falschen Definition des Gleichraumprozeß (=Benzinprozeß) 2 Beiträge weiter vorne habe ich aufgehört intensiv zu lesen und bin ins überfliegen übergegangen. Du wirst mir verzeihen ..
Die richtige Definition des Wirkungsgrad des Gleichraumprozeßes lautet:
Eta = 1 - (V2/V1)^(kappa-1)
mit V1=Hubvolumen und V2=Kompressionsvolumen.
Das ganze kann man dann noch mit den allgemein bekannten gesetzen der Physik umstellen zu
Eta = 1 - T1/T2 = 1 - (T4-T1)/(T3-T2)
Und, man sehe und staune, man erhält wieder ein Temperaturverhältnis zur Berechnung des Wirkungsgrads. Und wieder braucht man beide Temperaturen um eine allgemein gütige Aussage zu treffen. Der Wirkungsgrad hängt also deswegen von der Verdichtung ab, weil ich mittels der Verdichtung meine Prozeßtemperaturen steuern kann. Diese Antwort auf deine Frage war übrigens nie offen sondern ist schon seit Jahrzehnten in der gängigen Fachliteratur nachzuschlagen.
Zitat:
Meine Empfehlung ist den ganzen Klimbim PHYSIK od. THERMODYNAMIK komplett durchlesen und erst dann posten. Kreisprozesse beschreibt man in dem man einzelne Prozesse nimmt und zu einem Kreisprozess schließt und nicht: Wir nehmen Carnot an.....Hier geht es um STIRLING und nicht um Carnot, daher sind die Äpfel nicht Birnen.
Danke für die Komplimente, ich reiche sie gerne zurück.
Der Carnotprozeß ist übrigens der am einfachsten zu verstehende Kreisprozeß und wird daher gerne von mir für Erklärungen genutzt. Die physiklaischen Gesetze dahinter sind nämlich allgemeingültig. Das ist definitiv kein vergleich von Äpfeln und Birnen, höchsten von Golden Delicious und Boskoop.
Gruß
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120 Antworten
Zitat:
Original geschrieben von Reachstacker
Zwar bezieht sich die Frage des TE "nur" auf Diesel obwohl es eigentlich keinen grossen Unterschied macht obs Diesel oder Benzin ist.
Ich bin von der Überlegung ausgegangen, daß ein Dieselmotor den höchsten Wirkungsgrad der in Frage kommenden Verbrennungskraftmaschinen hat und sich somit für ein solches Projekt am ehesten eignen würde.
Wenn Herstellungskosten und Abgasverhalten da auch noch mit reinspielen, wäre natürlich auch ein Benziner, evtl. auf LPG-Betrieb umgerüstet, eine denkbare Alternative.
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Wir sitzen hier auch näher am Server.;)
Ein gutes neues Jahr von diesseits des großen Teiches.
Da hast Du natürlich Recht, der Wasserdruck des Teiches auf dem Kabel hilft bestimmt auch nicht. :D
Auch Dir alles Gute zum Neuen Jahr. :)
Gruss, Pete
Mehr Serielle Diesel (english text), sie laufen bei Fedex und die wollen 30,000 Fahrzeuge ersetzen. Angeblich auch "nicht viel teurer" als ein Standard Fahrzeug, mit Verbrauchs Einsparungen bis zu 50%.
Zitat:
Original geschrieben von Drahkke
Zitat:
Original geschrieben von Reachstacker
Zwar bezieht sich die Frage des TE "nur" auf Diesel obwohl es eigentlich keinen grossen Unterschied macht obs Diesel oder Benzin ist.
Ich bin von der Überlegung ausgegangen, daß ein Dieselmotor den höchsten Wirkungsgrad der in Frage kommenden Verbrennungskraftmaschinen hat und sich somit für ein solches Projekt am ehesten eignen würde.
Wenn Herstellungskosten und Abgasverhalten da auch noch mit reinspielen, wäre natürlich auch ein Benziner, evtl. auf LPG-Betrieb umgerüstet, eine denkbare Alternative.
Braucht man (Dreh)Kraft hat der Diesel schon Vorteile. Der höhere Wirkungsgrad des Diesels relativiert sich wenn man bedenkt das Diesel etwa 20% mehr "Nährwert" hat als Benzin.
An dem Tag wo Kraftstoff nach Nährwertgehalt verkauft und besteuert wird wird sich der Vorteil des Diesels stark verringern.
Eigentlich bin ich überrascht das in einer Welt von steigenden Eneriepreisen das nicht schon geschehen ist. Schliesslich sind in einem Fass Öl nur soviele KJ drinne, also ist es eigentlich Wurscht ob man mehr Benzin oder mehr Diesel daraus macht. Mehr als was im Fass ist kann am Ende ja nicht raus kommen....
Der Diesel PKW scheint auch eher eine Europäische Liebe zu sein.
Dazu eine interessante Zahl: 30 Millionen Golf gebaut? (oder so in der Richtung?) davon sind aber nur 900,000 Diesel.... *
Gruss, Pete
* hab das grade irgendwo gelesen, kanns bestimmt wieder finden wenns denn jemand interessiert.
Zitat:
Original geschrieben von Reachstacker
Dazu eine interessante Zahl: 30 Millionen Golf gebaut? (oder so in der Richtung?) davon sind aber nur 900,000 Diesel.... *
Die 30 Millionen wurden in fast 40 Jahren gebaut.
Der Diesel hat sich aber erst durch Einführung der DI-Technik so richtig durchgesetzt.
Aktuell sieht es in Europa so aus dass der Dieselanteil bei 40% liegt (in Frankreich 63%, Österreich 70%):
http://www.autobild.de/artikel/dieselanteil-40-3-prozent_40481.html
Wenn in den USA mal die Spritpreise richtig steigen wird die Alternative zum Benziner wahrscheinlich doch nicht der 120 000€ Tesla sein, da wird man sich dann auch den Diesel mal genauer anschauen.;)
Nochmal zum Ausgangsthema.
Eine Betriebspunktverlagerung in die Nähe des optimalen Kennfeldbereichs kann man viel einfacher und billiger durch ein Automatikgetriebe mit großer Gangspreizung erreichen.
Dazu reichen bereits ein paar zusätzliche Zahnräder aus.
Der unnötige Leerlaufverbrauch lässt sich durch eine Start/Stop-Automatik weitgehend verhindern.
Dem stehen beim seriellen Hybrid folgende Nachteile gegenüber:
Zusätzliche Komponenten:
- Generator (mit der vollen Leistung des Diesel)
- E-Motor (volle Leistung)
- Akku mit Kühlung (selbst mit wenigen KWh schwer und teuer)
- Leistungselektronik (3fach: für Generator, E-Motor, Akkuladung: teuer)
- Verluste in allen einzelnen Komponenten
- Wenn kurz vor dem Ziel der Akku leer wird muss der ev. eiskalte Diesel gestartet und sofort auf Höchstleistung gebracht werden.
- Ein (z.B. auch nachts) an der Ampel stehendes Auto dessen Diesel unter Vollast dröhnt wird wahrscheinlich weder von den Insassen noch von den Passanten und Anliegern als angenehm empfunden.
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Eine Betriebspunktverlagerung in die Nähe des optimalen Kennfeldbereichs kann man viel einfacher und billiger durch ein Automatikgetriebe mit großer Gangspreizung erreichen.
Im Idealfall ein stufenloses Getriebe (wie es z.B. Audi im Programm hat) nehme ich an!?!
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Nochmal zum Ausgangsthema.
Eine Betriebspunktverlagerung in die Nähe des optimalen Kennfeldbereichs kann man viel einfacher und billiger durch ein Automatikgetriebe mit großer Gangspreizung erreichen.
Dazu reichen bereits ein paar zusätzliche Zahnräder aus.
Der unnötige Leerlaufverbrauch lässt sich durch eine Start/Stop-Automatik weitgehend verhindern.
Dem stehen beim seriellen Hybrid folgende Nachteile gegenüber:
Zusätzliche Komponenten:
- Generator (mit der vollen Leistung des Diesel)
- E-Motor (volle Leistung)
- Akku mit Kühlung (selbst mit wenigen KWh schwer und teuer)
- Leistungselektronik (3fach: für Generator, E-Motor, Akkuladung: teuer)
- Verluste in allen einzelnen Komponenten
- Wenn kurz vor dem Ziel der Akku leer wird muss der ev. eiskalte Diesel gestartet und sofort auf Höchstleistung gebracht werden.
- Ein (z.B. auch nachts) an der Ampel stehendes Auto dessen Diesel unter Vollast dröhnt wird wahrscheinlich weder von den Insassen noch von den Passanten und Anliegern als angenehm empfunden.
Es geht ja in erster Linie nicht um den Betriebspunkt !!
Den Hauptvorteil hast du hier vergessen ....
- Bremsenergie-Rückgewinnung
Das wäre eventuell auch noch eine Lösung ...
http://auto.pege.org/2007-ever-monaco/kangoo-hybridmotor.htm
Das Kangoo-Projekt gibt ja schon eine gute Vorstellung davon, wie kompakt sich ein solches Antriebskonzept für einen PKW konstruieren läßt. Wenn man das Ganze jetzt noch mit einer ordentlichen Kapselung im Motorraum versieht, müßte sich eigentlich auch das Geräuschproblem in den Griff bekommen lassen.
Zitat:
Es geht ja in erster Linie nicht um den Betriebspunkt !!
Den Hauptvorteil hast du hier vergessen ....
- Bremsenergie-Rückgewinnung
Dass die Bremsenergierückgewinnung überschätzt wird hatte ich ja schon geschrieben: realistisch sind um die 30 bis 40%.
Dazu ist aber kein Hybrid nötig. BMW macht das im Rahmen des EfficientDynamics-Programmes schon seit fast 3 Jahren (hab das im eigenen Auto).
Das ist ohne zusätzliche (teure) Komponenten möglich: Beim Gaswegnehmen oder Bremsen wird die Batterie einfach stärker geladen, beim Beschleunigen wird die Lichtmaschine praktisch deaktiviert.
Durch schlichtes Vergrößern des Akkus und des Generators könnte man damit schon das mögliche Potential weitgehend nutzen.
Einen Vorteil beim Seriell-Konzept seh ich eigentlich nur darin dass man damit kurze Strecken ausschließlich elektrisch fahren kann (Range-Extender).
Die entscheidende Frage ist letztlich: Wer ist schon bereit den dafür notwendigen enormen Zusatzaufwand zu bezahlen, ein typisches Kurzstreckenfahrzeug ist ein kleines Auto, und das muss vor allem eines sein: billig.
@ dernagelneue
Die Bremsenergie Rückgewinnung ist ja auch wie sich die Hybrid LKW bezahlt machen.
Ohne das kann man nämlich alles beim Alten lassen. Das gilt eigentlich auch für den Prius und den Volt.
Deswegen nennen sich die meisten der Systeme hier auch "Anfahrhilfe" (Start Assistant) Das geht natürlich auch Hydraulisch.
Gruss, Pete
Zitat:
Original geschrieben von Noris123
Zitat:
Es geht ja in erster Linie nicht um den Betriebspunkt !!
Den Hauptvorteil hast du hier vergessen ....
- Bremsenergie-Rückgewinnung
Dass die Bremsenergierückgewinnung überschätzt wird hatte ich ja schon geschrieben: realistisch sind um die 30 bis 40%.
Dazu ist aber kein Hybrid nötig. BMW macht das im Rahmen des EfficientDynamics-Programmes schon seit fast 3 Jahren (hab das im eigenen Auto).
Das ist ohne zusätzliche (teure) Komponenten möglich: Beim Gaswegnehmen oder Bremsen wird die Batterie einfach stärker geladen, beim Beschleunigen wird die Lichtmaschine praktisch deaktiviert.
Durch schlichtes Vergrößern des Akkus und des Generators könnte man damit schon das mögliche Potential weitgehend nutzen.
Einen Vorteil beim Seriell-Konzept seh ich eigentlich nur darin dass man damit kurze Strecken ausschließlich elektrisch fahren kann (Range-Extender).
Die entscheidende Frage ist letztlich: Wer ist schon bereit den dafür notwendigen enormen Zusatzaufwand zu bezahlen, ein typisches Kurzstreckenfahrzeug ist ein kleines Auto, und das muss vor allem eines sein: billig.
Ja, günstig, leicht und einfach ist das System ... bringt nur leider auch kaum was ...
Schauen wir uns erstmal die Randbedingungen an:
- Kennfeld Diesel (der Wirkungsgrad ist deutlich höher als beim Benziner, weshalb diesem der Vorzug zu geben ist): http://motorlexikon.de/img.php4?fotos/gross/K/K36.jpg
--> bei etwa 80% des maximalen Mitteldruckes und von 2000 bis 3000 U/min ist der Wirkungsgrad maximal. Die Drehzahlspanne selbst geht von ca. 1000 (Leerlaufdrehzahl) bis 4000 (Abregeldrehzahl) U/min.
Maßnahme: wir begrenzen den Mitteldruck und die Maximalleistung bis auf Extremsituationen auf 80% des Maximalwertes (kickdown mit zeitbegrenzung, sagen wir mal 2 Minuten). Damit ist diese Leistung (neu normiert auf die 80% Leistung als nun 100%) von 120% verfügbar, aber nicht mehr Verbrauchsrelevant mangels Zeitdauer.
--> Wirkungsgrade bis > 50% sind also bei 50 bis 75% der Maximalleistung (neue Normierung !) des Diesels möglich
- Annahme: Maximalleistung 100 kW (ich bin faul, rechnet sich besser.....nee, Kompaktklasse). Overdrive Leistung damit 120 kW.
--> damit ist die Leistung des maximalen Wirkungsgrades mit 50 bis 75 kW festgelegt.
--> mit einem modernen 6-Gang Getriebe könnte ich also von 24 bis 150 km/h im optimalen Bereich bleiben wenn..........ja, wenn die Last stimmt !
- hier kommt nun unser E-Motor/Generator ins Spiel. Da wir aber auf hohen Wirkungsgrad Wert legen, ist es nicht sinnvoll die volle mechanische Leistung zuerst in elektrische und dann zurück zu wandeln. Ein Differenzen oder besser leistungsverzweigtes Getriebe kann das viel besser, weil hier der mechanische Anteil des Diesels direkt ohne Umweg in den Antriebstrang eingekoppelt wird und das Getriebe nur Überschußleistung (Generatorbetrieb) in den E-Motor leitet oder dieser Zusatzleistung einkoppelt (Motorbetrieb). So kann der Motor/Generator (noch dazu nur eine Maschine statt zwei wie beim Dieselelektrischen Antrieb a la E-Lok) deutlich kleiner als die maximale Motorleistung des Diesels bemessen werden.
--> in unserem Falle ist eine optimale Größe der E-Maschine 50 kw (Begründung im nächsten Punkt). Gegenüber der E-Lok Lösung also eine Reduktion an E-Maschinen Gesamtleistung (und damit Gewicht) um den Faktor vier ! (Rechnet man statt der Maximalleistung die Overdrive-Leistung, dann ist es noch mehr).
--> die optimale Größe ist der untere Bestpunkt des Diesels, also in unseren Beispiel 50 kW. Damit sind wir bei der Steuerung des Ganzen angelangt.
- Zunächst betrachten wir mal ein typisches Fahrprofil eines Pendlers aus dem Blickwinkel des optimalen Betriebes:
a) los gehts in einem verkehrsberuhigten Wohngebiet mit Tempo 30 oder darunter
a) --> die Akkubank ist beim Losfahren zu 80% geladen (Platz für Bremsenergie), gefahren wird rein elektrisch. Der beim hocheffizienten Diesel eh notwendige Zuheizer (eigentlich eine Standheizung ohne Bedienteil) wärmt in dieser Phase den Diesel auf Betriebstemperatur auf (und natürlich den Inneraum, wenn benötigt). Schon hier beginnt das Sparen: kein Kaltstart, keine unnötige Abnutzung des Diesels durch Kaltlauf, kein erhöhter Verbrauch durch Kaltlauf. Bremsrekuperation ist selbstverstaändlich.
b) weiter gehts auf Strassen innerorts, Tempo 50
b) --> der Leistungsbedarf ist zwar höher, kann aber in der Regel noch vom E-Motor gedeckt werden. Der inzwischen auf Betriebstemperatur befindliche Diesel wird aber bei einem Akku-Ladegrad von <=30% auf minimaler Optimallast von 50 kW konstant betrieben, bis der Akkus wieder zu 80% aufgeladen sind. Hier unterscheiden wird nun zwischen Ladebetrieb (Steht das Auto an der Ampel, lädt dabei der E-Motor den Akku mit 50 kW, benötigt das Fahrzeug X kw bis zu 50 kW max. für den Fahrbetrieb, so lädt der E-Motor den Akku eben nur mit 50 - x kW.) und E-Betrieb in dem der E-Motor bis zu 50 kW aus dem Akku gespeist wird. Diese Betriebsweise stellt sicher, daß der Diesel nur läuft, wenn er im optimalen Betriebsbereich betrieben werden kann und auch einige Zeit laufen kann (sagen wir mal 10 Minuten am Stück mindestens, womit wir gleichzeitig die Akkugröße zu 16 kWh bei 8 kWh Hub (akkuschonend !) festgelegt hätten).
c) nun Stadtautobahn Tempo 100 / Autobahn unbegrenzt
c) --> im Prinziep wie bei b), nur daß hier ab einer bestimmten Geschwindigkeit der Diesel dauernd mitläuft. Der Soll- Ladestand der Batterie wird nun auf 90% Sollwert erhöht (10% reichen für die Bremsrekuperation). Bei mehr als 50 kW Leistungsanforderung wird der Diesel bis maximal 75 kW hochgefahren, darüber hilft der E-Motor bis zur additiven Leistung von 125 kW. Wird noch mehr Leistung benötigt wird der Disel auf bis zu 100 kW hochgefahren, macht zusammen mit dem E-Motor 150 kW, kurzzeitig mit overdrive-Einsatz 170 kW. Allerdings nur bis der Akkuladezustand auf 30% gefallen ist, also so um die 15 Minuten, ab da stehen nur 100 / 120 kW aus dem Diesel zur Verfügung.
Weitere Fahrt nun in umgekehrter Reihenfolge c) b) a).
Klingt komplizierter als es ist, ist failsave (bei Akku 30% läuft das Teil rein mechanisch mit dem Diesel), braucht bei hoher Maximalleistung nur kleinen Akku und kleine E-Maschine und bringt solange man innerhalb der Grenzen bleibt (max. 125 kW) einen Verbrauchsvorteil von ca. 30%, also beispielsweise von jetzt 6 auf 4,2 Liter.
.....my 2 cents
SRAM
beinahe vergessen: Verteilergetriebe --> http://www.tu-chemnitz.de/mb/MaschElem/SEL.php
@SRAM
Super Darstellung. Sehr gut nachzuvollziehen.
Zitat:
Original geschrieben von SRAM
.....my 2 cents
Ich nehme mal an Du hast Dein Konzept bereits urheberrechtlich schützen lassen, sonst drucke ich mir eine Kopie aus und geh ab Morgen bei den Autoherstellern damit hausieren.;)
Das Ganze lässt sich natürlich noch relativ einfach mit einem Ladegerät zum Plug-In Hybrid erweitern sodass Kurzstrecken rein elektrisch gefahren werden können.
Bin auch der Meinung dass der Hybrid nur eine realistische Chance hat wenn er so einfach (und damit kostengünstig) wie möglich konzipiert wird.
Selbst die aktuelle Toyotalösung (kommt Deinen Vorstellungen ja schon recht nahe) ist für mich schon fast zu aufwendig (2 E-Maschinen).
Noch teurer ist die Two-Mode Lösung von GM/MB/BMW, da wollten sich die Ingenieure wohl gegenseitig übertreffen und haben dabei übersehen dass das Ganze bezahlbar bleiben muss.
Man darf aber natürlich nicht vergessen dass auch der konventionelle Antrieb (mit Verbrennungsmotor) noch erhebliches Verbesserungspotential bietet und in ein paar Jahren der Verbrauch noch deutlich sinken wird.
Aber sobald der Dieselpreis mal bei 2 bis 3 Euro liegt hat die Stunde für Deine Idee geschlagen.:)
@Noris123:
Ich hab nur niedergeschrieben, was mit den verfügbaren Mitteln den Nutzen zu maximieren versucht. Danach hab ich dann gezielt gesucht, ob jemand auf denselben Trichter gekommen ist, und siehe da: die Kollegen der Uni Chemnitz haben schon was entsprechendes entwickelt.
Das was ich geschrieben habe ist maximal eine Projektdefinition (etwas was ich öfter mache ;) ). Wenn man schon so ein Teil entwickeln will, dann sollte man in diese Richtung gehen.
Allerdings zeigt das auch die Krux an dem Ganzen: Die Einsparung liegt bei maximal 2 Euro pro 100 Kilometer. Damit kann man unmöglich den Zusatzaufwand bezahlen. Bei der durchschnittlichen Kilometerleistung in Deutschland von ca. 12.000 km/a schon garnicht.
Gruß SRAM