Kapitel 6, Energiewandler Flashcards
In der folgenden Skizze (Abb. 5) ist der Prozessverlauf des Viertakt Ottomotors dargestellt. Die zugehörige Tabelle ist unvollständig ausgefüllt, fügen Sie die fehlenden Begriffe hinzu.
Definieren Sie den Begriff Verdichtungsverhältnis
siehe Abb. 5
Das Verdichtungsverhältnis ist das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung (Hubraum + Verdichtungsraum) zum verbliebenen Raum nach der Verdichtung (Verdichtungsraum).
ε = Vmax/Vmin
Leiten Sie den thermischen Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses her.
eta = Nutzen/Aufwand = 1 - qA/qB = …
siehe Abb. 8
Stellen Sie den thermischen Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses über dem Verdichtungsverhältnis dar und zeigen Sie den Einfluss des Isentropenexponenten
siehe Abb. 9
Skizzieren Sie den Gleichraumprozess in einem p-V-und in einem T-s-Diagramm. Zeichnen Sie die effektive Arbeit und zu/abgeführte Wärme ein. Welcher Motor kann mit diesem Prozess beschrieben werden?
siehe Abb. 7
Mit diesem Prozess kann der Otto-Motor beschrieben werden.
Formel thermischer Wirkungsgrad Gleichraum- und Gleichdruckprozess
Gleichraum:
eta th,v = 1 - 1/epsilon^(kappa-1)
Gleichdruck:
eta th,p = 1 - (1/Kappa * 1/epsilon^(kappa-1) * (phi^kappa - 1)/(phi - 1)
siehe Abb. 10
Was ist der untere Heizwert Hu?
Der Heizwert gibt die bei einer Verbrennung maximal nutzbare thermische Energie an ohne Berücksichtigung der Kondensationsenthalpie.
Einheit: J/kg
Wie lautet der Wirkungsgrad für Verbrennungsmotoren?
Wie lautet die Formel für den spezifischen Kraftstoffverbrauch b?
eta = Nutzen/Aufwand = P / m_punkt_K * Hu
mit m_punkt_K = Kraftstoffmassenstrom &
Hu = unterer Heizwert
Spez. Kraftstoffverbrauch [g/kWh]:
b = 1 / eta * Hu
Was ist der Unterschied zwischen dem Prozess des Stirlingmotors und dem Prozess eines Ottomotors?
Welche zusätzlichen Bauteile benötigt der Sterlingmotor deshalb zwingend und für welche Verfahrensschritte?
Bei dem Stirlingmotor handelt es sich um einen geschlossenen Prozess, beim Ottomotor um einen offenen Prozess.
Der Sterlingmotor benötigt zusätzlich einen Expansionsraum und einen Regenerator zwischen Kompressions- und Expansionsraum.
Welche Arbeitsmedien werden für Sterlingmotoren verwendet?
Als Arbeitsmedium werden fast ausschließlich Gase verwendet.
Meistverwendet: Helium bzw. Luft
Nennen Sie Vor- und Nachteile von Stirlingmotoren.
Vorteile:
+ sehr geringe Schadstoffemissionen
+ bessere Laufruhe als Motoren mit innerer Verbrennung
+ beliebige Wärmequellen nutzbar
Nachteile:
- (schnelle) Leistungsregelung aufwendig und verlustbehaftet (Fahrzeugantrieb (Direktantrieb) ungeeignet)
- geringe Leistungsdichte -> für mobilen Einsatz ungeeignet
- hohe Herstellkosten (komplexer Aufbau)
Welche Systeme lassen sich zur Abwärmenutzung einsetzen?
Welches System eignet sich weniger gut zur Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme und warum?
Welchen Prozess bzw. Effekt würden Sie bevorzugt zur Nutzung von Niedertemperatur-Abwärme einsetzen?
Thermo-mechanisch: Rankine-Prozess
Thermo-elektrisch: Thermoelektrischer Generator
Der Thermoelektrische Generator (TEG) eigenet sich weniger gut zur Nutzung von Niedertemp.-Abwärme, da, um ihn wirtschaftlich zu nutzen, eine hohe Temperaturdifferenz vorhanden sein sollte.
Bevorzugt: Rankine-Prozess
Welche Kennzahl beschreibt die Leistungsfähigkeit eines thermoelektrischen Materials?
Wie groß sollte diese Zahl für eine optimale Wärmenutzung sein?
In welcher Größenordnung bewegen sich aktuell verfügbare thermoelektrische Materialien bezüglich dieser Kennzahl?
ZT als Gütezahl
ZT sollte so groß wie möglich sein (ZT -> ∞)
Zurzeit jedoch: ZT ≈ 1
Welche prozentuale mechanische Zusatzleistung (bezogen auf die Motorleistung) würden Sie aus einem Rankine-Prozess zur Abgaswärmenutzung in einem realitätsnahen Fahrzyklus im Mittel erwarten?
In etwa 4%
Nennen Sie je 3 allgemeine Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen im Vergleich zum Verbrennungsmotor.
Vorteile:
+ höherer Wirkungsgrad
+ modularer Aufbau
+ Betrieb nahezu geräuchlos
(+ (lokale) Emissionsfreiheit bei Verwendung von H2 als Brennstoff; + vorteilhaftes Teillastverhalten)
Nachteile:
- geringere Leistung
- höheres Gewicht
- benötigt viel Platz
(- Energieaufwand für die Bereitstellung des Brennstoffs (H2); - höhere Kosten)
Welche Bauarten von Brennstoffzellen kennen Sie? Nennen sie Merkmale dieser Bauarten.
- Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), sehr flexibles Betriebsverhalten, hohe Leistungsdichte
- Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), hohe Betriebstemperatur, Keramiktechnologie
Erklären Sie anhand der Reaktionsgleichungen und einer Skizze die PEM-Brennstoffzelle.
PEM = Proton Exchange Membrane = Polymerelektrolyt
- Kernstück: protonenleitende Polymermembran als Elektrolyt
- saurer Elektrolyt, transportiert H+ Ionen von Anode zu Kathode
siehe Abb. 11
Welche Verfahren zu Herstellung von Wasserstoff kennen Sie?
- Dampfreformierung
- Autothermereformierung
- Elektrolyse
Definition Elektrofahrzeug (EV = electric vehicle).
Nenne jeweils 3 Vor- und Nachteile eines EV.
- Antrieb ausschließlich durch Elektromotor(en)
- dazu notwendige Antriebsenergie wird meistens einer mitgeführten Traktionsbatterie entnommen (B(attery)EV)
Vorteile:
+ hohe Energieeffizienz des el. Antriebsstrangs
+ geringe Geräuschemission
+ Rekuperation von Bremsenergie
Nachteile:
- eingeschränkte Reichweite (insbes. BEV)
- hohes Gewicht
- hohe Kosten
Welche Bauformen von Elektromotoren kennen Sie?
Welche wird in Elektrofahrzeugen am häufigsten eingesetzt und warum?
Gleichstrommotor
Reluktanzmotor
Asynchronmotor
Am häufigsten eingesetzt:
Asynchronmotor, da relativ kostengünstig, großer Drehzahlbereich, hohes Anfahrmoment
- Welches Bauteil ist bei einer Asynchron- und einer Synchronmaschine vom Aufbau her prinzipiell identisch?
- Worin unterscheiden sich Synchron- und Asynchronmaschine im Betrieb?
- Statoraufbau
2. Bei einer ASM läuft der Rotor nicht synchron mit dem Drehfeld des Stators.
Was kennzeichnet einen E-Motor mit Außenläufer?
Welchen Vorteil bietet diese Bauart?
Rotor umschließt Stator
Vorteil: hohes Drehmoment & hohe Leistungsdichte bei kleinen Drehzahlen
Zeichnen Sie qualitativ die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien von ASM, PSM, HSM in das untenstehende Diagramm.
siehe Abb. 12
Definition Range Extender (RE)
Nennen und zeichnen Sie zwei Anwendungskonzepte.
Der RE ist eine zusätzliche Energiequelle für EVs, um die Reichweite zu erhöhen. Der RE erzeugt im Bedarfsfall el. Energie zum Betreiben der el. Antriebsmotoren oder zum Laden der Batterie.
- Chemisch-Elektrischer Range Extender (z.B. Brennstoffzelle)
- Thermischer Range Extender (z.B. Verbrennungsmotor)
siehe Abb. 13
Nennen Sie 3 Vorteile eines REs.
+ Vorteile des el. Antriebs
+ Reichweite ähnlich wie bei konventionellen Antrieben
+ höhere Kundenakzeptanz als reine E-Fahrzeuge
-> Verbindung der Vorteile des VBM mit den Vorteilen des el. Antriebs
Welche Anforderungen werden an einen RE-Antrieb für ein EV gestellt?
- geringes Gewicht
- Geringe Schadstoffemission
- Hoher Wirkungsgrad
