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„Proportion ist in jeder Kraft, welche immer es sei“ Leonardo da Vinci (1452–1519) Vorwort . . . welche immer es sei, die Proportion oder die Kraft? Das seit einigen Jahren meist debattierte Thema in der Kraftfahrze- technik ist der Zukunftsantrieb. Meinungen, Interessenlager, sogar nationale Trends zeigen eine Div- genz, die kaum zu übertreffen ist: Eine oft vertretene Richtung ist, dass der klassische, bewährte Kolbenmotor in der jetzigen Form noch mindestens 30–40 Jahre als Antrieb für Automobile bestehen wird. Diese Richtung zeigt zumindest eine Konvergenz mit einigen Prognosen, nach denen das Erdöl so gut wie unerschöpflich sei, obwohl andere Trends von einer R- sourcenbegrenzung auf 30–36 Jahre ausgehen. Ungeachtet dessen, setzen die Einen voll auf Wasserstoff als absolute Lösung für die Zukunft – - wohl derzeit Wasserstoff fast ausschließlich aus einem fossilen Energ- träger hergestellt wird – aber auch dort sind die Richtungen geteilt: W- serstoff im Verbrennungsmotor oder in der Brennstoffzelle? Die Anderen sehen Alkohole und Pflanzenöle als die bessere Alternative. In den USA und in Japan gewinnen Hybridantriebe, gebildet von Elektro- und Otto- tor, eindeutig an Popularität, was die wachsende Modellpalette und die Verkaufszahlen belegen; in Europa wird der Hybrid dagegen so gut wie abgelehnt, es wird als Alternative auf die Weiterentwicklung des Diesel- VI Vorwort motors gesetzt, der wiederum in den USA und in Japan keine Akzeptanz findet.

Table of Contents

Frontmatter

1. Mobilität – Bedingungen, Anforderungen, Szenarien

Zusammenfassung
Die weltweite Nachfrage nach Auto-Mobilität wird in den nächsten Jahrzehnten, trotz gelegentlichen Absatzproblemen in der Automobilindustrie, erheblich zunehmen. Dabei werden die Erhöhung der Leistung und des Drehmomentes, zwar als subjektive Akzeptanzkriterien, die weitere Entwicklung der Automobilantriebe prägen. Die Diskussion um das „Drei- Liter-Auto“ in den letzten Jahren zeigt es deutlich: Das Drei-Liter-Auto in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch ist Gegenstand vernünftiger Aufsätze, das Auto mit drei Liter Hubraum ist die von immer größeren Käuferschichten bezahlte Unvernunft. Wie die statistischen Daten zeigen, wird dieses Wohlstandssymbol der Industrieländer zum eindeutigen Exportschlager in der übrigen Welt. Ungeachtet des objektiven Nutzens einer solchen Entwicklung wird sich die Automobilindustrie dieser Anforderung noch lange Zeit stellen – gewiss nicht Widerwillen.

2. Thermische Antriebe

Zusammenfassung
Die Umsetzbarkeit und Grenzen thermodynamischer Prozesse zur Umwandlung von Wärme in Arbeit werden zunächst im Einklang mit den Entwicklungsszenarien innerhalb eines Energiemanagements gemäß Kap. 1.3 betrachtet – wonach die thermische Maschine als Direktantrieb, als Antriebsmodul oder als Energiewandler zur Elektroenergie einsetzbar ist. In dieser Weise wird die Effizienz einer thermischen Maschine als Baustein in einem Antriebssystem bewertet, unabhängig von Leistungs- oder Drehzahlbereich, der nur für Direktantriebe gelten.

3. Alternative Kraftstoffe

Zusammenfassung
Die Umwandlung der chemischen Energie jedes verfügbaren Brennstoffes bzw. Kraftstoffes des Typs CmHnOp kann grundsätzlich in zwei Formen erfolgen:
– In Wärme und dadurch in Arbeit für die direkte Nutzung in Wärmekraftmaschinen für Antrieb oder Stromerzeugung an Bord; nach der gleichen Umwandlungskette chemische Energie-Wärme-Arbeit wird Strom in stationären Kraftwerken erzeugt, der für elektrische Antriebe in Automobilen mittels Batterien gespeichert werden kann.
– In elektrischer Energie durch einen Protonenaustausch von Wasserstoff zum Sauerstoff in einer Brennstoffzelle. Der Wasserstoff an Bord kann grundsätzlich von jedem verfügbaren Brennstoff des Typs CmHnOp innerhalb einer vorgeschalteten chemischen Reaktion gewonnen werden.

4. Elektrische Antriebe

Zusammenfassung
Elektromotoren haben als Antriebe für Automobile bemerkenswerte Vorteile:
– Die Drehmomentcharakteristik ist nahezu ideal, bereits ab der Drehzahl Null kann annähernd das maximale Drehmoment erreicht werden. Die Beschleunigung des Fahrzeugs vom Stillstand übertrifft dadurch Werte, die mittels moderner Dieselmotoren, Ottomotoren mit mechanischem Lader oder generell Kolbenmotoren mit höherer Leistung erreichbar sind.
– Getriebe und dadurch auch Kupplung sind bei der vorhandenen Drehmomentcharakteristik nicht erforderlich. Der Elektromotor ersetzt mittels eigener Charakteristik ein aufwendiges Automatikgetriebe, welches bei Kolbenmotoren für die gleiche Funktion eingesetzt werden muss.
– Radantriebe mit integriertem Elektromotor erlauben eine wahlweise Zu- und Abschaltung nach vielfältigen Kriterien: Vier- oder Zweiradantrieb (Vorderachse oder Hinterachse), Einschaltung paarweise in Abhängigkeit von Lastanforderung, elektronisch steuerbare Stabilisierung der Fahrdynamik, ähnlich einem ESP System in effizienterer Form; Radantriebe lassen darüber hinaus mehr Raum für die Gestaltung der anderen Funktionsmodule in der Karosserie zu.

5. Kombinationen von Antriebssystemen, Energieträgern, -wandlern und -speichern

Zusammenfassung
Die Bewertung der Antriebssysteme für Automobile nach Energiebedarf und -ressourcen, sowie nach ökologischen, technischen und wirtschaftlichen Kriterien führt zu der Schlussfolgerung, dass eine universell einsetzbare Konfiguration als optimale Form nicht realistisch ist. Vielmehr sprechen spezifische Vorteile für anpassungsfähige Kombinationen, auf Basis kompatibler Funktionsmodule. Die Entwicklungstrends lassen folgende Merkmale erkennen:
– Die Emissionen von Schadstoffen sowie von Kohlendioxid werden weiter drastisch limitiert; die Anforderung nach „Null-Emission“ Fahrzeugen in Ballungsgebieten sowie in Naturschutzregionen werden schnell zunehmen.
– Der Anspruch nach Komfort, Leistung und Elastizität des Antriebs wird die zukünftige Akzeptanz prägen.
– Die starke Entwicklung elektronischer Systeme empfiehlt die Integration der Antriebssteuerung in das Gesamtsystem von Antriebsmanagement bis zur Verkehrssteuerung.

6. Energiemanagement im Automobil als komplexes System

Zusammenfassung
Die beispielhafte Entwicklung der Antriebssysteme für Automobile zwischen Anforderungen, Limitierungen und Akzeptanzkriterien – von Leistungssteigerung bis zur Schadstoffemissionsbegrenzung – beruht auf einem extrem gestiegenen Innovationspotential. Die Zukunft gehört dem Energiemanagement zwischen Antrieb und Energieversorgung an Bord des Automobils. Dafür werden Antriebssystemarten, Energieträger, -wandler und -speicher an Bord in vielfältigen Konfigurationen zu kombinieren sein.

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